アーマチュア：定義、機能および部品（電動機と発電機）

アーマチュアとは？

アーマチュアは、電気機器（モーターや発電機）の一部であり、交流（AC）を伝導します。直流（DC）マシンでも、コマタータ（定期的に電流方向を反転させるもの）や電子換流（ブラシレスDCモーターなど）により、アーマチュアは交流を伝導します。

アーマチュアは、アーマチュア巻線のハウジングとサポートを提供し、これはスタータとロータの間のエアギャップで形成される磁場と相互作用します。スタータは回転部（ロータ）または固定部（スタータ）のいずれかです。

「アーマチュア」という用語は19世紀に技術用語として導入され、「磁石の保持者」という意味を持ちました。

電動機におけるアーマチュアの動作原理

電動機は、電磁誘導の原理を使用して電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。電流を流す導体が磁場に置かれると、フレミングの左手則に従って力が生じます。

電動機では、スタータは永久磁石または電磁石を使用して回転磁界を生成します。アーマチュアは通常ロータであり、コマタータとブラシに接続されたアーマチュア巻線を備えています。コマタータは、アーマチュア巻線が回転する際に電流の方向を切り替えて、常に磁場と一致するようにします。

磁場とアーマチュア巻線との相互作用によりトルクが生成され、アーマチュアが回転します。アーマチュアに取り付けられたシャフトは、機械的な力を他の装置に伝達します。

発電機におけるアーマチュアの動作原理

発電機は、電磁誘導の原理を使用して機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。導体が磁場中を動くと、ファラデーの法則に従って起電力（EMF）が誘導されます。

発電機では、アーマチュアは通常ディーゼルエンジンやタービンなどの原動機によって駆動されるロータです。アーマチュアはコマタータとブラシに接続されたアーマチュア巻線を備えています。スタータは永久磁石または電磁石を使用して静止磁界を生成します。

磁界とアーマチュア巻線との相対運動により、アーマチュア巻線にEMFが誘導され、外部回路に電流が流れます。コマタータは、アーマチュア巻線が回転する際に電流の方向を切り替えて交流（AC）を生成します。

アーマチュアの部品と図

アーマチュアはコア、巻線、コマタータ、シャフトの4つの主要な部分から構成されています。以下の図にアーマチュアの図を示します。

アーマチュアの損失

電気機器のアーマチュアは、効率と性能を低下させるさまざまな種類の損失にさらされます。主なアーマチュアの損失は以下の通りです：

• 銅損失：これはアーマチュア巻線の抵抗による損失です。アーマチュア電流の二乗に比例し、太いワイヤーや並列パスを使用することで減少させることができます。銅損失は以下の式で計算できます：

ここでPcは銅損失、Iaはアーマチュア電流、Raはアーマチュア抵抗です。

• 渦電流損失：これはアーマチュアコア内の誘導電流による損失です。これらの電流は磁束の変化によって引き起こされ、熱と磁気損失を生じます。渦電流損失は、層状コア材料を使用したり、エアギャップを増加させることで減少させることができます。渦電流損失は以下の式で計算できます：

ここでPeは渦電流損失、keはコア材料と形状に依存する定数、Bmは最大磁束密度、fは磁束反転の周波数、tは各層の厚さ、Vはコアの体積です。

• ヒステリシス損失：これはアーマチュアコアの反復磁化と脱磁化による損失です。このプロセスはコア材料の分子構造での摩擦と熱を引き起こします。ヒステリシス損失は低コーシビティと高透磁率を持つ軟磁性材料を使用することで減少させることができます。ヒステリシス損失は以下の式で計算できます：

ここでPhはヒステリシス損失、khはコア材料に依存する定数、Bmは最大磁束密度、fは磁束反転の周波数、Vはコアの体積です。

総アーマチュア損失はこれら3つの損失を合算することで得られます：

アーマチュア効率は、アーマチュアの出力電力と入力電力の比として定義できます：

ここでηaはアーマチュア効率、Poは出力電力、Piはアーマチュアの入力電力です。

アーマチュア設計

アーマチュアの設計は、電気機器の性能と効率に影響を与えます。アーマチュア設計に影響を与えるいくつかの要素は以下の通りです：

• スロット数：スロットはアーマチュア巻線を収容し、機械的な支持を提供するために使用されます。スロット数は巻線のタイプ、極数、および機器のサイズによって異なります。一般的に、より多くのスロットは磁束と電流の分布を改善し、リアクタンスと損失を低減し、滑らかなトルクを実現します。しかし、より多くのスロットはアーマチュアの重量とコストを増加させ、絶縁と冷却のためのスペースを減らし、漏れ磁束とアーマチュア反応を増大させます。

• スロットの形状：スロットはエアギャップに露出しているかどうかにより開いたものか閉じたものかに分かれます。開いたスロットは巻線と冷却が容易ですが、エアギャップのリラクタンスと漏れ磁束を増大させます。閉じたスロットは巻線と冷却が難しくなりますが、エアギャップのリラクタンスと漏れ磁束を減少させます。

• 巻線のタイプ：巻線はコマタータセグメントへのコイルの接続方法により、ラップ巻きまたはウェーブ巻きに分かれます。ラップ巻きは高電流低電圧の機器に適しており、複数の並列パスを提供します。ウェーブ巻きは低電流高電圧の機器に適しており、コイルの直列接続を提供し、電圧を加算します。

• 導体のサイズ：導体はアーマチュア巻線の電流を伝導するために使用されます。導体のサイズは電流密度（単位断面積あたりの電流）によって決まります。高い電流密度は高い銅損失と温度上昇をもたらしますが、導体のコストと重量を低減します。低い電流密度は低い銅損失と温度上昇をもたらしますが、導体のコストと重量を増加させます。

• エアギャップの長さ：エアギャップはスタータとロータの極間の距離です。エアギャップの長さは磁束密度、リラクタンス、漏れ磁束、およびアーマチュア反応に影響を与えます。小さなエアギャップは高い磁束密度、低いリラクタンス、低い漏れ磁束、および高いアーマチュア反応をもたらします。大きなエアギャップは低い磁束密度、高いリラクタンス、高い漏れ磁束、および低いアーマチュア反応をもたらします。

アーマチュア設計（続き）

アーマチュアを設計するために使用されるいくつかの方法は以下の通りです：

• 起電力方程式：この方程式はアーマチュアに誘導される起電力と磁束、速度、巻線の巻数を関連付けています。これを使用して、所定の出力電圧と電力に対してアーマチュアの必要な寸法とパラメータを決定することができます。

ここでEaはボルト単位の誘導起電力、ϕはポールあたりのウェバ単位の磁束、Zは直列接続の全導体数、Nは回転速度（rpm）、Pは極数、Aは並列パス数