Armature: Definitie Functie en Onderdelen (Elektrische Motor & Generator)
Wat is een Armatuur?
Een armatuur is het onderdeel van een elektrische machine (bijvoorbeeld een motor of generator) dat wisselstroom (AC) voert. De armatuur voert AC zelfs in gelijkstroommachines (DC) via de commutator (die periodiek de stroomrichting omkeert) of door elektronische commutatie (bijvoorbeeld in een borstellose DC-motor).
De armatuur biedt huisvesting en ondersteuning aan de armatuurwinding, die interactie heeft met het magnetisch veld dat in de luchtgaping tussen de stator en de rotor wordt gevormd. De stator kan zowel een draaiend deel (rotor) als een stationair deel (stator) zijn.
De term armatuur werd in de 19e eeuw geïntroduceerd als een technische term die "bewaarder van een magneet" betekent.
Hoe werkt een Armatuur in een Elektrische Motor?
Een elektrische motor zet elektrische energie om in mechanische energie door gebruik te maken van het principe van elektromagnetische inductie. Wanneer een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld wordt geplaatst, ondervindt hij een kracht volgens de linkerhandregel van Fleming.
In een elektrische motor produceert de stator een roterend magnetisch veld door gebruik te maken van permanente magneten of elektromagneten. De armatuur, die meestal de rotor is, draagt de armatuurwinding die verbonden is met de commutator en borstels. De commutator schakelt de richting van de stroom in de armatuurwinding tijdens het draaien, zodat deze altijd in lijn is met het magnetisch veld.
De interactie tussen het magnetisch veld en de armatuurwinding genereert een koppel dat de armatuur doet draaien. De as die aan de armatuur is bevestigd, geeft de mechanische energie door aan andere apparaten.
Hoe werkt een Armatuur in een Elektrische Generator?
Een elektrische generator zet mechanische energie om in elektrische energie door gebruik te maken van het principe van elektromagnetische inductie. Wanneer een geleider beweegt in een magnetisch veld, wordt er een elektromotief koppel (EMK) geïnduceerd volgens de wet van Faraday.
In een elektrische generator is de armatuur meestal de rotor die wordt aangedreven door een primaire drijver, zoals een dieselmotor of turbine. De armatuur draagt de armatuurwinding die verbonden is met de commutator en borstels. De stator produceert een stationair magnetisch veld door gebruik te maken van permanente magneten of elektromagneten.
De relatieve beweging tussen het magnetisch veld en de armatuurwinding induceert een EMK in de armatuurwinding, wat een elektrische stroom door het externe circuit drijft. De commutator schakelt de richting van de stroom in de armatuurwinding tijdens het draaien, zodat dit een wisselstroom (AC) produceert.
Armatuur Onderdelen & Diagram
De armatuur bestaat uit vier hoofdonderdelen: kern, winding, commutator en as. Een diagram van een armatuur is hieronder weergegeven.
Armatuur Verliezen
De armatuur van een elektrische machine is blootgesteld aan verschillende soorten verliezen die de efficiëntie en prestaties ervan verminderen. De belangrijkste soorten armatuurverliezen zijn:
Koperverlies: Dit is het vermogensverlies door de weerstand van de armatuurwinding. Het is evenredig met het kwadraat van de armatuurstroom en kan worden verminderd door dikkere draden of parallelle paden te gebruiken. Het koperverlies kan worden berekend met de formule:
waar Pc het koperverlies is, Ia de armatuurstroom en Ra de armatuurweerstand.
Wervelstroomverlies: Dit is het vermogensverlies door de geïnduceerde stromen in de kern van de armatuur. Deze stromen worden veroorzaakt door de veranderende magnetische flux en produceren warmte en magnetische verliezen. Het wervelstroomverlies kan worden verminderd door gelamineerde kernmaterialen te gebruiken of de luchtgaping te vergroten. Het wervelstroomverlies kan worden berekend met de formule:
waar Pe het wervelstroomverlies is, ke een constante afhankelijk van het kernmateriaal en vorm, Bm de maximale fluxdichtheid, f de frequentie van de fluxomkering, t de dikte van elke lamina, en V het volume van de kern.
Hystereseverlies: Dit is het vermogensverlies door de herhaalde magnetisatie en demagnetisatie van de kern van de armatuur. Dit proces veroorzaakt wrijving en warmte in de moleculaire structuur van het kernmateriaal. Het hystereseverlies kan worden verminderd door zachte magnetische materialen met lage coercitiviteit en hoge permeabiliteit te gebruiken. Het hystereseverlies kan worden berekend met de formule:
waar Ph het hystereseverlies is, kh een constante afhankelijk van het kernmateriaal, Bm de maximale fluxdichtheid, f de frequentie van de fluxomkering, en V het volume van de kern.
Het totale armatuurverlies kan worden verkregen door deze drie verliezen op te tellen:
De armatuurefficiëntie kan worden gedefinieerd als het verhouding van de uitvoerkracht tot de invoerkracht van de armatuur:
waar ηa de armatuurefficiëntie is, Po de uitvoerkracht, en Pi de invoerkracht van de armatuur.
Armatuurontwerp
Het ontwerp van de armatuur beïnvloedt de prestaties en efficiëntie van de elektrische machine. Enkele factoren die het armatuurontwerp beïnvloeden zijn:
Het aantal gleuven: De gleuven worden gebruikt om de armatuurwinding te bevatten en mechanische ondersteuning te bieden. Het aantal gleuven hangt af van het type winding, het aantal polen en de grootte van de machine. Over het algemeen resulteert meer gleuven in een betere distributie van flux en stroom, lagere reactantie en verliezen, en een soepeler koppel. Echter, meer gleuven verhoogt ook het gewicht en de kosten van de armatuur, vermindert de ruimte voor isolatie en koeling, en verhoogt de lekkageflux en de armatuurreactie.
De vorm van de gleuven: De gleuven kunnen open of gesloten zijn, afhankelijk van of ze blootgesteld zijn aan de luchtgaping of niet. Open gleuven zijn gemakkelijker te winden en te koelen, maar ze verhogen de reluctantië en lekkageflux in de luchtgaping. Gesloten gleuven zijn moeilijker te winden en te koelen, maar ze verlagen de reluctantië en lekkageflux in de luchtgaping.
Het type winding: De winding kan een lapwinding of golfwinding zijn, afhankelijk van hoe de spulen zijn verbonden met de commutatorsegmenten. Lapwinding is geschikt voor machines met hoge stroom en lage spanning, omdat het meerdere parallelle paden biedt voor stroomvloeistoffen. Golfwinding is geschikt voor lage stroom en hoge spanning, omdat het een serieverbinding van spulen biedt en de spanningen optelt.
De grootte van de geleider: De geleider wordt gebruikt om de stroom in de armatuurwinding te voeren. De grootte van de geleider hangt af van de stroomdichtheid, die het verhouding is van stroom tot doorsnede. Hogere stroomdichtheid resulteert in hogere koperverliezen en temperatuurstijging, maar lagere geleiderkosten en -gewichten. Lagere stroomdichtheid resulteert in lagere koperverliezen en temperatuurstijging, maar hogere geleiderkosten en -gewichten.
De lengte van de luchtgaping: De luchtgaping is de afstand tussen de stator- en rotorpolen. De lengte van de luchtgaping beïnvloedt de fluxdichtheid, reluctantië, lekkageflux en armatuurreactie in de machine. Een kleinere luchtgaping resulteert in een hogere fluxdichtheid, lagere reluctantië, lagere lekkageflux en hogere armatuurreactie. Een grotere luchtgaping resulteert in een lagere fluxdichtheid, hogere reluctantië, hogere lekkageflux en lagere armatuurreactie.
Armatuurontwerp (vervolg)
Enkele methoden die worden gebruikt om de armatuur te ontwerpen zijn:
EMF-vergelijking: Deze vergelijking verbindt de geïnduceerde EMF in de armatuur met de flux, snelheid en het aantal windingen. Het kan worden gebruikt om de benodigde dimensies en parameters van de armatuur te bepalen voor een bepaalde uitvoerspanning en -kracht.
waar Ea de geïnduceerde EMF in volt is, ϕ de flux per pool in webers, Z het totaal aantal geleiders in serie, N de rotatiesnelheid in toeren per minuut, P het aantal polen, en A het aantal parallelle paden.
