Armadura: Definição Função e Partes (Motor Elétrico & Gerador)
O que é um Armadura?
A armadura é o componente de uma máquina elétrica (ou seja, um motor ou gerador) que conduz corrente alternada (CA). A armadura conduz CA mesmo em máquinas de corrente contínua (CC) através do comutador (que periodicamente inverte a direção da corrente) ou devido à comutação eletrônica (por exemplo, em um motor de CC sem escova).
A armadura fornece alojamento e suporte ao enrolamento da armadura, que interage com o campo magnético formado na fenda entre o estator e o rotor. O estator pode ser uma parte rotativa (rotor) ou uma parte estática (estator).
O termo armadura foi introduzido no século XIX como um termo técnico significando "guardião de um ímã".
Como Funciona uma Armadura em um Motor Elétrico?
Um motor elétrico converte energia elétrica em energia mecânica utilizando o princípio da indução eletromagnética. Quando um condutor carregado de corrente é colocado em um campo magnético, ele experimenta uma força de acordo com a regra da mão esquerda de Fleming.
Em um motor elétrico, o estator produz um campo magnético giratório usando ímãs permanentes ou eletroímãs. A armadura, que geralmente é o rotor, carrega o enrolamento da armadura que está conectado ao comutador e às escovas. O comutador inverte a direção da corrente no enrolamento da armadura conforme gira para que sempre esteja alinhado com o campo magnético.
A interação entre o campo magnético e o enrolamento da armadura gera um torque que faz a armadura girar. O eixo anexado à armadura transfere a potência mecânica para outros dispositivos.
Como Funciona uma Armadura em um Gerador Elétrico?
Um gerador elétrico converte energia mecânica em energia elétrica utilizando o princípio da indução eletromagnética. Quando um condutor se move em um campo magnético, ele induz uma força eletromotriz (FEM) de acordo com a lei de Faraday.
Em um gerador elétrico, a armadura geralmente é o rotor que é acionado por um motor primário, como um motor a diesel ou uma turbina. A armadura carrega o enrolamento da armadura que está conectado ao comutador e às escovas. O estator produz um campo magnético estacionário usando ímãs permanentes ou eletroímãs.
O movimento relativo entre o campo magnético e o enrolamento da armadura induz uma FEM no enrolamento da armadura, que impulsiona uma corrente elétrica pelo circuito externo. O comutador inverte a direção da corrente no enrolamento da armadura conforme gira paraque produza uma corrente alternada (CA).
Partes da Armadura e Diagrama
A armadura consiste em quatro partes principais: núcleo, enrolamento, comutador e eixo. Um diagrama de uma armadura é mostrado abaixo.
Perdas na Armadura
A armadura de uma máquina elétrica está sujeita a vários tipos de perdas que reduzem sua eficiência e desempenho. Os principais tipos de perdas na armadura são:
Perda de cobre: Esta é a perda de potência devido à resistência do enrolamento da armadura. É proporcional ao quadrado da corrente da armadura e pode ser reduzida usando fios mais grossos ou caminhos paralelos. A perda de cobre pode ser calculada usando a fórmula:
onde Pc é a perda de cobre, Ia é a corrente da armadura e Ra é a resistência da armadura.
Perda de correntes parasitas: Esta é a perda de potência devido às correntes induzidas no núcleo da armadura. Essas correntes são causadas pela variação do fluxo magnético e produzem calor e perdas magnéticas. A perda de correntes parasitas pode ser reduzida usando materiais de núcleo laminados ou aumentando a fenda de ar. A perda de correntes parasitas pode ser calculada usando a fórmula:
onde Pe é a perda de correntes parasitas, ke é uma constante dependendo do material e forma do núcleo, Bm é a densidade de fluxo máxima, f é a frequência de inversão do fluxo, t é a espessura de cada lâmina, e V é o volume do núcleo.
Perda de histerese: Esta é a perda de potência devida à magnetização e desmagnetização repetitivas do núcleo da armadura. Este processo causa fricção e calor na estrutura molecular do material do núcleo. A perda de histerese pode ser reduzida usando materiais magnéticos macios com baixa coercividade e alta permeabilidade. A perda de histerese pode ser calculada usando a fórmula:
onde Ph é a perda de histerese, kh é uma constante dependendo do material do núcleo, Bm é a densidade de fluxo máxima, f é a frequência de inversão do fluxo, e V é o volume do núcleo.
A perda total da armadura pode ser obtida somando essas três perdas:
A eficiência da armadura pode ser definida como a razão entre a potência de saída e a potência de entrada da armadura:
onde ηa é a eficiência da armadura, Po é a potência de saída, e Pi é a potência de entrada da armadura.
Projeto da Armadura
O projeto da armadura afeta o desempenho e a eficiência da máquina elétrica. Alguns dos fatores que influenciam o projeto da armadura são:
O número de ranhuras: As ranhuras são usadas para acomodar o enrolamento da armadura e fornecer suporte mecânico. O número de ranhuras depende do tipo de enrolamento, do número de polos e do tamanho da máquina. Geralmente, mais ranhuras resultam em melhor distribuição de fluxo e corrente, menor reatância e perdas, e torque mais suave. No entanto, mais ranhuras também aumentam o peso e o custo da armadura, reduzem o espaço para isolamento e resfriamento, e aumentam o fluxo de fuga e a reação da armadura.
A forma das ranhuras: As ranhuras podem ser abertas ou fechadas, dependendo de estarem expostas à fenda de ar ou não. Ranhuras abertas são mais fáceis de enrolar e resfriar, mas aumentam a relutância e o fluxo de fuga na fenda de ar. Ranhuras fechadas são mais difíceis de enrolar e resfriar, mas reduzem a relutância e o fluxo de fuga na fenda de ar.
O tipo de enrolamento: O enrolamento pode ser lap ou wave, dependendo de como as bobinas estão conectadas aos segmentos do comutador. O enrolamento lap é adequado para máquinas de alta corrente e baixa tensão, pois fornece múltiplos caminhos paralelos para o fluxo de corrente. O enrolamento wave é adequado para máquinas de baixa corrente e alta tensão, pois fornece uma conexão em série de bobinas e soma as tensões.
O tamanho do condutor: O condutor é usado para transportar a corrente no enrolamento da armadura. O tamanho do condutor depende da densidade de corrente, que é a relação entre a corrente e a área da seção transversal. Densidade de corrente mais alta resulta em maior perda de cobre e aumento de temperatura, mas menor custo e peso do condutor. Densidade de corrente mais baixa resulta em menor perda de cobre e aumento de temperatura, mas maior custo e peso do condutor.
O comprimento da fenda de ar: A fenda de ar é a distância entre os polos do estator e do rotor. O comprimento da fenda de ar afeta a densidade de fluxo, a relutância, o fluxo de fuga e a reação da armadura na máquina. Fenda de ar menor resulta em maior densidade de fluxo, menor relutância, menor fluxo de fuga e maior reação da armadura. Fenda de ar maior resulta em menor densidade de fluxo, maior relutância, maior fluxo de fuga e menor reação da armadura.
Projeto da Armadura (continuação)
Alguns dos métodos usados para projetar a armadura são:
Equação de FEM: Esta equação relaciona a FEM induzida na armadura com o fluxo, a velocidade e o número de voltas do enrolamento. Pode ser usada para determinar as dimensões e parâmetros necessários da armadura para uma tensão e potência de saída dadas.
onde Ea é a FEM induzida em volts, ϕ é o fluxo por polo em webers, Z é o
