Armeratur: Definisjon funksjon og deler (Elektrisk motor & generator)

Hva er en armatur?

En armatur er komponenten i et elektrisk maskin (dvs. en motor eller generator) som bærer alternerende strøm (AC). Armaturen ledet AC selv i DC (Direct Current)-maskiner gjennom kommutatoren (som periodisk reverserer strømretningen) eller på grunn av elektronisk kommutering (f.eks. i en brushless DC-motor).

Armaturen gir hus og støtte til armaturvindingen, som interagerer med magnetfeltet som dannes i luftgappen mellom stator og rotor. Stator kan være enten en roterende del (rotor) eller en stasjonær del (stator).

Terminen armatur ble introdusert i det 19. århundre som en teknisk term betyr "bevarer av en magnet".

Hvordan fungerer en armatur i en elektrisk motor?

En elektrisk motor konverterer elektrisk energi til mekanisk energi ved å bruke prinsippet om elektromagnetisk induksjon. Når en strømbærende leder plasseres i et magnetfelt, opplever den en kraft ifølge Flemings venstrehandregel.

I en elektrisk motor produserer stator et roterende magnetfelt ved å bruke permanente magneter eller elektromagneter. Armaturen, som vanligvis er rotoren, bærer armaturvindingen som er koblet til kommutatoren og pensler. Kommutatoren skifter retningen av strømmen i armaturvindingen mens den roterer, slik at den alltid aligns med magnetfeltet.

Interaksjonen mellom magnetfeltet og armaturvindingen genererer et dreiemoment som fører til at armaturen roterer. Aksen som er festet til armaturen overfører mekanisk effekt til andre enheter.

Hvordan fungerer en armatur i en elektrisk generator?

En elektrisk generator konverterer mekanisk energi til elektrisk energi ved å bruke prinsippet om elektromagnetisk induksjon. Når en leder beveger seg i et magnetfelt, inducerer det en elektromotorisk kraft (EMF) ifølge Faradays lov.

I en elektrisk generator er armaturen vanligvis rotoren som drives av en primær driver, som en dieselmotor eller en turbine. Armaturen bærer armaturvindingen som er koblet til kommutatoren og pensler. Stator produserer et stasjonært magnetfelt ved å bruke permanente magneter eller elektromagneter.

Den relative bevegelsen mellom magnetfeltet og armaturvindingen inducerer en EMF i armaturvindingen, som driver en elektrisk strøm gjennom den eksterne kretsen. Kommutatoren skifter retningen av strømmen i armaturvindingen mens den roterer såat den produserer en alternerende strøm (AC).

Armaturdeler & diagram

Armaturen består av fire hoveddeler: kjern, vinding, kommutator, og aksel. Et diagram av en armatur vises nedenfor.

Armaturtap

Armaturen i et elektrisk maskin er utsatt for ulike typer tap som reduserer dens effektivitet og ytelse. De hovedtypene av armaturtap er:

• Kobbertap: Dette er effekttapet på grunn av motstanden i armaturvindingen. Det er proporsjonalt med kvadratet av armaturstrømmen og kan reduseres ved å bruke tykkere tråd eller parallelle veier. Kobbertapet kan beregnes ved å bruke formelen:

der Pc er kobbertap, Ia er armaturstrømmen, og Ra er armaturmotstanden.

• Eddystrømtap: Dette er effekttapet på grunn av de indukerte strømmer i kjernen av armaturen. Disse strømmer er forårsaket av den endrede magnetiske fluxen og produserer varme og magnetiske tap. Eddystrømtapet kan reduseres ved å bruke laminerte kjernmaterialer eller øke luftgappen. Eddystrømtapet kan beregnes ved å bruke formelen:

der Pe er eddystrømtap, ke er en konstant avhengig av kjernematerial og form, Bm er maksimal fluxtetthet, f er frekvensen av fluxreversering, t er tykkelsen av hver lamination, og V er volumet av kjernen.

• Hysteresistap: Dette er effekttapet på grunn av den repeterende magnetiseringen og demagnetiseringen av kjernen av armaturen. Denne prosessen forårsaker friksjon og varme i molekylærstrukturen av kjernematerial. Hysteresistapet kan reduseres ved å bruke bløte magnetiske materialer med lav coercivity og høy permeabilitet. Hysteresistapet kan beregnes ved å bruke formelen:

der Ph er hysteresistap, kh er en konstant avhengig av kjernematerial, Bm er maksimal fluxtetthet, f er frekvensen av fluxreversering, og V er volumet av kjernen.

Totalt armaturtap kan beregnes ved å legge sammen disse tre tapene:

Armatureffektiviteten kan defineres som forholdet mellom utgangseffekten og inngangseffekten av armaturen:

der ηa er armatureffektiviteten, Po er utgangseffekten, og Pi er inngangseffekten av armaturen.

Armaturdesign

Designet av armaturen påvirker prestasjonen og effektiviteten til det elektriske maskinet. Noen av faktorene som påvirker armaturdesignet er:

• Antall spoler: Spolene brukes for å plassere armaturvindingen og gi mekanisk støtte. Antall spoler avhenger av typen vinding, antallet poler, og størrelsen på maskinet. Generelt resulterer flere spoler i bedre fordeling av flux og strøm, lavere reaktans og tap, og jevnere dreiemoment. Imidlertid øker flere spoler også vekten og kostnaden av armaturen, reduserer plassen for isolasjon og kjøling, og øker lekkasjefluxen og armaturreaksjonen.

• Formen på spoler: Spoler kan være åpne eller lukkede, avhengig av om de er eksponert for luftgappen eller ikke. Åpne spoler er lettere å vinde og kjøle, men de øker motstand og lekkasjeflux i luftgappen. Lukkede spoler er vanskeligere å vinde og kjøle, men de reduserer motstand og lekkasjeflux i luftgappen.

• Typen vinding: Vindingen kan være lapvinding eller bølgervinding, avhengig av hvordan spoler er koblet til kommutatorsegmentene. Lapvinding er egnet for høystrøms- og lavspenningmaskiner, da den gir flere parallelle veier for strømføring. Bølgervinding er egnet for lavstrøms- og høyspenningmaskiner, da den gir en serieforbindelse av spoler og summerer spenningene.

• Størrelsen på lederen: Lederen brukes for å føre strøm i armaturvindingen. Størrelsen på lederen avhenger av strømtettheten, som er forholdet mellom strøm og tverrsnittareal. Høyere strømtetthet resulterer i høyere kobbertap og temperaturstigning, men lavere lederkostnad og vekt. Lavere strømtetthet resulterer i lavere kobbertap og temperaturstigning, men høyere lederkostnad og vekt.

• Lengden på luftgappen: Luftgappen er avstanden mellom stator- og rotorpolene. Lengden på luftgappen påvirker fluxtettheten, motstanden, lekkasjefluxen, og armaturreaksjonen i maskinen. Mindre luftgappe resulterer i høyere fluxtetthet, lavere motstand, lavere lekkasjeflux, og høyere armaturreaksjon. Større luftgappe resulterer i lavere fluxtetthet, høyere motstand, høyere lekkasjeflux, og lavere armaturreaksjon.

Armaturdesign (fortsettelse)

Noen av metodene som brukes for å designe armaturen er:

• EMF-ligning: Denne ligningen forbinder den indukerte EMF i armaturen med flux, hastighet, og antall spoler. Den kan brukes for å bestemme de nødvendige dimensjonene og parametrene for armaturen for en gitt utgangsspenning og effekt.