Armatur: Definition Funktion och delar (Elektrisk motor & generator)

Vad är en armatur?

En armatur är komponenten i en elektrisk maskin (t.ex. en motor eller generator) som bär växelström (AC). Armaturen ledar AC även i DC-maskiner (Direktström) via kommutatorn (som periodiskt vänder ströms riktning) eller på grund av elektronisk kommutation (t.ex. i en borstelös DC-motor).

Armaturen ger bo och stöd åt armaturvindningen, som interagerar med det magnetiska fältet som bildas i luftgapet mellan statoren och roteraren. Statorn kan vara antingen en roterande del (roterare) eller en stationär del (statore).

Terminen armatur introducerades på 1800-talet som ett tekniskt ord med betydelsen "magnetens bevarare".

Hur fungerar en armatur i en elektrisk motor?

En elektrisk motor omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi genom att använda principen för elektromagnetisk induktion. När en strömledare placeras i ett magnetfält upplever den en kraft enligt Flemings vänsterhandsregel.

I en elektrisk motor producerar statoren ett roterande magnetfält genom att använda permanentmagneter eller elektromagneter. Armaturen, som vanligtvis är roteraren, bär armaturvindningen som är ansluten till kommutatorn och borstar. Kommutatorn växlar strömmens riktning i armaturvindningen när den roterar så att den alltid är justerad med magnetfältet.

Interaktionen mellan magnetfältet och armaturvindningen genererar en vridmoment som orsakar att armaturen roterar. Axeln som är fastkopplad till armaturen överför den mekaniska effekten till andra enheter.

Hur fungerar en armatur i en elektrisk generator?

En elektrisk generator omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi genom att använda principen för elektromagnetisk induktion. När en ledare rör sig i ett magnetfält inducerar det en electromotorisk kraft (EMK) enligt Faradays lag.

I en elektrisk generator är armaturen vanligtvis roteraren som drivs av en primärdrivare, t.ex. en dieselmotor eller en turbin. Armaturen bär armaturvindningen som är ansluten till kommutatorn och borstar. Statoren producerar ett stationärt magnetfält genom att använda permanentmagneter eller elektromagneter.

Den relativa rörelsen mellan magnetfältet och armaturvindningen inducerar en EMK i armaturvindningen, vilket driver en elektrisk ström genom den externa kretsen. Kommutatorn växlar strömmens riktning i armaturvindningen när den roterar såatt den producerar en växelström (AC).

Armaturdelar & diagram

Armaturen består av fyra huvuddelar: kärna, vindning, kommutator och axel. Ett diagram över en armatur visas nedan.

Armaturförluster

Armaturen i en elektrisk maskin utsätts för olika typer av förluster som minskar dess effektivitet och prestanda. De huvudsakliga typerna av armaturförluster är:

• Kopparförlust: Detta är effektförlusten på grund av motståndet i armaturvindningen. Den är proportionell mot kvadraten av armaturströmmen och kan minskas genom att använda tjockare trådar eller parallella banor. Kopparförlusten kan beräknas genom att använda formeln:

där Pc är kopparförlusten, Ia är armaturströmmen, och Ra är armaturns motstånd.

• Omvändströmsförlust: Detta är effektförlusten på grund av de inducerade strömmarna i armaturkärnan. Dessa strömmar orsakas av det föränderliga magnetiska flödet och producerar värme och magnetiska förluster. Omvändströmsförlusten kan minskas genom att använda lamellerade kärnmaterial eller öka luftgappet. Omvändströmsförlusten kan beräknas genom att använda formeln:

där Pe är omvändströmsförlusten, ke är en konstant som beror på kärnmaterial och form, Bm är det maximala flödestätheten, f är frekvensen för flödesväxling, t är tjockleken på varje laminerat lager, och V är kärnvolymen.

• Hysteresisförlust: Detta är effektförlusten på grund av den upprepade magnetiseringen och demagnetiseringen av armaturkärnan. Denna process orsakar friktion och värme i molekylära strukturer i kärnmaterial. Hysteresisförlusten kan minskas genom att använda mjuka magnetiska material med låg coercitivitet och hög permeabilitet. Hysteresisförlusten kan beräknas genom att använda formeln:

där Ph är hysteresisförlusten, kh är en konstant som beror på kärnmaterial, Bm är det maximala flödestätheten, f är frekvensen för flödesväxling, och V är kärnvolymen.

Den totala armaturförlusten kan erhållas genom att addera dessa tre förluster:

Armaturns effektivitet kan definieras som förhållandet mellan utmatningseffekten och inmatningseffekten hos armaturen:

där ηa är armaturns effektivitet, Po är utmatningseffekten, och Pi är inmatningseffekten hos armaturen.

Armaturdesign

Designen av armaturen påverkar prestandan och effektiviteten hos den elektriska maskinen. Några av de faktorer som påverkar armaturdesignen är:

• Antalet spår: Spåren används för att rymma armaturvindningen och ge mekaniskt stöd. Antalet spår beror på typen av vindning, antalet poler och storleken på maskinen. Generellt sett resulterar fler spår i bättre fördelning av flöde och ström, lägre reaktans och förluster, samt jämnare moment. Dock ökar fler spår också vikten och kostnaden för armaturen, minskar platsen för isolering och kylning, och ökar läckageflödet och armaturreaktionen.

• Formen av spår: Spåren kan vara öppna eller stängda, beroende på om de exponeras för luftgappet eller inte. Öppna spår är enklare att vindla och kyla, men de ökar reluctansen och läckageflödet i luftgappet. Stängda spår är svårare att vindla och kyla, men de minskar reluctansen och läckageflödet i luftgappet.

• Typ av vindning: Vindningen kan vara lap-vindning eller vågvindning, beroende på hur spolar är anslutna till kommutatorsegment. Lap-vindning är lämplig för högströms- och lågspänningsmaskiner, eftersom den ger flera parallella banor för strömförsäljning. Vågvindning är lämplig för lågströms- och högspänningsmaskiner, eftersom den ger en serieanslutning av spolar och adderar spänningar.

• Ledarens storlek: Ledaren används för att bära strömmen i armaturvindningen. Ledarens storlek beror på strömtätheten, vilket är förhållandet mellan ström och tvärsnittsarea. Högre strömtäthet resulterar i högre kopparförlust och temperaturökning, men lägre ledarkostnad och vikt. Lägre strömtäthet resulterar i lägre kopparförlust och temperaturökning, men högre ledarkostnad och vikt.

• Luftgappets längd: Luftgappet är avståndet mellan statoren och roteraren poler. Luftgappets längd påverkar flödestätheten, reluctansen, läckageflödet och armaturreaktionen i maskinen. Mindre luftgapp resulterar i högre flödestäthet, lägre reluctans, lägre läckageflöde och högre armaturreaktion. Större luftgapp resulterar i lägre flödestäthet, högre reluctans, högre läckageflöde och lägre armaturreaktion.

Armaturdesign (fortsättning)

Några av metoderna som används för att designa armaturen