Obrotnica: Definicja funkcja i części (Silnik elektryczny & Generator)

Co to jest armatura?

Armatura to komponent maszyny elektrycznej (tj. silnika lub generatora), który przewodzi prąd przemienny (AC). Armatura przewodzi prąd przemienny nawet w maszynach prądu stałego (DC) za pośrednictwem kolektora (który okresowo odwraca kierunek prądu) lub dzięki komutacji elektronicznej (np. w bezszczotkowym silniku DC).

Armatura zapewnia obudowę i podparcie dla cewki armatury, która oddziałuje z polem magnetycznym utworzonym w szczelinie powietrznej między statorem a wirnikiem. Stator może być częścią obracającą się (wirnikiem) lub nieruchomą (statorem).

Termin „armatura” został wprowadzony w XIX wieku jako termin techniczny oznaczający „utrzymywacz magnesu”.

Jak działa armatura w silniku elektrycznym?

Silnik elektryczny przekształca energię elektryczną w mechaniczną, wykorzystując zasadę indukcji elektromagnetycznej. Gdy przewodnik niosący prąd umieszczony jest w polu magnetycznym, doświadcza siły zgodnie z regułą lewej ręki Fleminga.

W silniku elektrycznym stator tworzy obracające się pole magnetyczne, korzystając z magnesów trwałych lub elektromagnesów. Armatura, która zwykle jest wirnikiem, nosi cewkę armatury, która jest podłączona do kolektora i szczotek. Kolektor zmienia kierunek prądu w cewce armatury podczas jej obrotu, tak aby zawsze była zgodna z polem magnetycznym.

Oddziaływanie pola magnetycznego i cewki armatury generuje moment obrotowy, który powoduje obrót armatury. Wał przyłączony do armatury przekazuje moc mechaniczną do innych urządzeń.

Jak działa armatura w generatorze elektrycznym?

Generator elektryczny przekształca energię mechaniczną w elektryczną, wykorzystując zasadę indukcji elektromagnetycznej. Gdy przewodnik porusza się w polu magnetycznym, indukuje siłę elektromotoryczną (SEM) zgodnie z prawem Faradaya.

W generatorze elektrycznym armatura jest zazwyczaj wirnikiem napędzanym przez napęd główny, takim jak silnik Diesla lub turbina. Armatura nosi cewkę armatury, która jest podłączona do kolektora i szczotek. Stator tworzy nieruchome pole magnetyczne, korzystając z magnesów trwałych lub elektromagnesów.

Ruch względny pola magnetycznego i cewki armatury indukuje SEM w cewce armatury, co powoduje przepływ prądu przez obwód zewnętrzny. Kolektor zmienia kierunek prądu w cewce armatury podczas jej obrotu, tak że powstaje prąd przemienny (AC).

Części armatury i diagram

Armatura składa się z czterech głównych części: rdzenia, cewki, kolektora i wału. Poniżej przedstawiono diagram armatury.

Straty w armaturze

Armatura maszyny elektrycznej podlega różnym rodzajom strat, które obniżają jej wydajność i efektywność. Głównymi rodzajami strat w armaturze są:

• Strata miedziowa: Jest to strata mocy spowodowana oporem cewki armatury. Jest proporcjonalna do kwadratu prądu armatury i można ją zmniejszyć, używając grubszego przewodu lub ścieżek równoległych. Straty miedziowe można obliczyć, używając wzoru:

gdzie Pc to strata miedziowa, Ia to prąd armatury, a Ra to opór armatury.

• Strata wirowa: Jest to strata mocy spowodowana indukowanymi prądami w rdzeniu armatury. Te prądy są spowodowane zmieniającym się polem magnetycznym i powodują nagrzewanie i straty magnetyczne. Straty wirowe można zmniejszyć, używając laminowanych materiałów rdzenia lub zwiększając szczelinę powietrzną. Straty wirowe można obliczyć, używając wzoru:

gdzie Pe to strata wirowa, ke to stała zależna od materiału i kształtu rdzenia, Bm to maksymalna gęstość natężenia indukcji, f to częstotliwość odwrócenia natężenia indukcji, t to grubość każdej laminacji, a V to objętość rdzenia.

• Strata histerezy: Jest to strata mocy spowodowana powtarzającym się namagnesowywaniem i demagnesowywaniem rdzenia armatury. Ten proces powoduje tarcie i nagrzewanie w strukturze molekularnej materiału rdzenia. Straty histerezy można zmniejszyć, używając miękkich materiałów magnetycznych o niskiej koercji i wysokiej przenikalności. Straty histerezy można obliczyć, używając wzoru:

gdzie Ph to strata histerezy, kh to stała zależna od materiału rdzenia, Bm to maksymalna gęstość natężenia indukcji, f to częstotliwość odwrócenia natężenia indukcji, a V to objętość rdzenia.

Całkowite straty w armaturze można uzyskać, dodając te trzy straty:

Efektywność armatury można zdefiniować jako stosunek mocy wyjściowej do mocy wejściowej armatury:

gdzie ηa to efektywność armatury, Po to moc wyjściowa, a Pi to moc wejściowa armatury.

Projektowanie armatury

Projekt armatury wpływa na wydajność i efektywność maszyny elektrycznej. Niektóre czynniki wpływające na projekt armatury to:

• Liczba szczelin: Szczeliny służą do pomieszczenia cewki armatury i zapewniania wsparcia mechanicznego. Liczba szczelin zależy od typu cewki, liczby biegunów i rozmiaru maszyny. Ogólnie, więcej szczelin prowadzi do lepszego rozłożenia natężenia indukcji i prądu, niższej reaktancji i strat, oraz gładkiego momentu. Jednak więcej szczelin zwiększa również wagę i koszt armatury, zmniejsza miejsce na izolację i chłodzenie, oraz zwiększa przecieki indukcji i reakcję armatury.

• Kształt szczelin: Szczeliny mogą być otwarte lub zamknięte, w zależności od tego, czy są one narażone na szczelinę powietrzną. Otwarte szczeliny są łatwiejsze do nawijania i chłodzenia, ale zwiększają reluctancję i przecieki indukcji w szczelinie powietrznej. Zamknięte szczeliny są trudniejsze do nawijania i chłodzenia, ale zmniejszają reluctancję i przecieki indukcji w szczelinie powietrznej.

• Typ cewki: Cewka może być nawinięta na lapę lub falę, w zależności od sposobu połączenia cewek z segmentami kolektora. Nawijanie na lapę jest odpowiednie dla maszyn o dużym prądzie i niskim napięciu, ponieważ zapewnia wiele równoległych dróg dla przepływu prądu. Nawijanie na falę jest odpowiednie dla maszyn o małym prądzie i wysokim napięciu, ponieważ zapewnia szeregowe połączenie cewek i sumuje napięcia.

• Rozmiar przewodnika: Przewodnik służy do przewodzenia prądu w cewce armatury. Rozmiar przewodnika zależy od gęstości prądu, która jest stosunkiem prądu do przekroju poprzecznego. Wyższa gęstość prądu powoduje większe straty miedziowe i wzrost temperatury, ale niższy koszt i wagę przewodnika. Niższa gęstość prądu powoduje mniejsze straty miedziowe i wzrost temperatury, ale wyższy koszt i wagę przewodnika.

• Długość szczeliny powietrznej: Szczelina powietrzna to odległość między biegunami statora i wirnika. Długość szczeliny powietrznej wpływa na gęstość indukcji, reluctancję, przecieki indukcji i reakcję armatury w maszynie. Krótsza szczelina powietrzna prowadzi do wyższej gęstości indukcji, niższej reluctancji, mniejszych przecieków indukcji i wyższej reakcji armatury. Dłuższa szczelina powietrzna prowadzi do niższej gęstości indukcji, wyższej reluctancji, większych przecieków indukcji i niższej reakcji armatury.

Projektowanie armatury (ciąg dalszy)

Niektóre metody używane do projektowania armatury to:

• Równanie EMF: To równanie wiąże indukowaną EMF w armaturze z indukcją, prędkością i liczbą zwitków cewki. Można go użyć do określenia wymaganych wymiarów i parametrów armatury dla danego napięcia i mocy wyjściowej.