ООО «Центр Грузовой Техники»

8(812)244-68-92

Содержание

Устройство электрических машин постоянного тока

Страница 5 из 14

УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА И КОНСТРУКЦИИ ИХ СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ И ДЕТАЛЕЙ
Электротехническая промышленность выпускает электрические машины постоянного тока большой номенклатуры по мощности и конструктивному исполнению, поэтому несмотря на некоторые различия в конструкции отдельных сборочных единиц и деталей, их устройство одинаково. Основным типом машины постоянного тока является коллекторная, отличительным признаком которой служит наличие коллектора на валу якоря машины. На статоре машины помимо главных полюсов с обмоткой возбуждения имеются добавочные полюса.
Электрическая машина постоянного тока (рис. 100) состоит из статора, якоря, коллектора, щеточного аппарата и подшипниковых щитов.
Статор состоит из станины б, главных полюсов 4 и добавочных полюсов (на рисунке не показаны) с соответствующими катушками. Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является часть о магнитной цепи, поскольку через нее замыкается магнитный поток машины. Поэтому станину изготовляют из стали — материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. По окружности станины расположены отверстия для крепления полюсов.    

Главные полюса (рис. 101) выполняют шихтованными из стальных штампованных листов стали толщиной 1 или 2 мм, а добавочные — массивными или также шихторанными. Стальные листы сердечника 2 полюсов спрессованы и скреплены заклепками 4, головки которых утоплены в нажимные щеки 5, установленные на торцах каждого полюса.

Рис. 100. Устройство электрической машины постоянного тока:
1 — коллектор, 2 — щетки, 3 и 9 — сердечник и обмотка якоря, 4 — главный полюс, 5 — катушка обмотки возбуждения, б — станина (корпус) 7 — подшипниковый щит, 8 — вентилятор, 10 — вал -

Рис. 101. Главные полюса электрической машины постоянного тока и способы их крепления:
а — болтом, б — стержнем; 1 - полюсный наконечник, 2 — сердечник полюса, 3 — болт крепления сердечника, 4 — заклепка, 5 — нажимные щеки, б — установочный стержень


. Рис. 102. Катушки полюсов
а — главного, б — добавочного; 1 — катушка обмотки, 2 и 4 — главный и  добавочный полюса» 3 — опорный угольник, 5 — обмотка

Шихтованными могут изготовляться только наконечники главных полюсов, так как при вращении зубчатого якоря из-за пульсации магнитного потока в воздушном зазоре в них возникают вихревые токи и потери мощности. Однако исходя из технологического добавочного полюса  удобства изготовления полюсов их обычно делают шихтованными.
Полюса крепят к станине болтами: нарезку резьбы для болтов выполняют непосредственно в шихтованном сердечнике 2 полюса (рис. 10 1, а) либо в массивных стальных стержнях б" (рис. 101,6), вставленных в выштампованные отверстия в полюсах.
Магнитное поле в машине создается намагничивающей силой обмотки возбуждения, выполняемой в виде полюсных катушек, надетых на сердечники главных полюсов. Для уменьшения искрения под щетками и предупреждения таким образом подгара пластин коллектора и  образования на его  поверхности «кругового огня» машина снабжена добавочными полюсами с катушками, установленными на их сердечниках. Добавочные полюса размещают между главными полюсами и крепят к станине болтами.
Катушки главных и добавочных полюсов (рис 102, а, б) изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения.


Рис. 103. Сердечник якоря машины постоянного тока:
1 — вал, 2 — обмоткодержатель, 3 — выточки для наложения, бандажа, 4 — место посадки коллектора на валу
Катушки добавочных полюсов включаются последовательно с обмоткой якоря, поэтому сечение их проводов рассчитано на рабочий ток машины. В некоторых мощных машинах постоянного тока обмотку полюса выполняют из нескольких секций с установкой между ними дистанционных шайб из изоляционных материалов, образующих вентиляционные каналы.
Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник, якоря (рис. 103) собран из штампованных листов электротехнической стали (рис. 104) с выштампованными в них вырезами определенной формы, образующими в собранном сердечнике пазы для укладки в них обмотки якоря. Листы сердечника обычно изолированы  с двух сторон тонкой пленкой лака, но могут быть и оксидированы. Собранные в общий пакет листы образуют сердечник, насаженный на вал якоря и закрепленный на нем с помощью нажимных шайб. Такая конструкция позволяет уменьшить потери энергии в сердечнике от действия вихревых токов, возникающих в результате его перемагничивания при вращении якоря в магнитном поле. Для лучшего охлаждения машины в сердечниках якоря обычно имеются вентиляционные каналы для охлаждающего воздуха. Сердечник, в пазы которого уложена секция обмотки якоря, показан на рис. 105.  
Обмотка якоря выполняется из медных проводов круглого или прямоугольного сечения и состоит из заранее заготовленных секций, концы которых припаивают к петушкам пластин коллектору. Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны различных якорных катушек,— одну поверх другой. Для прочного закрепления проводов обмотки якоря в пазах используют деревянные, гетинаксовые или текстолитовые клинья. Деревянные клинья, широко применявшиеся в электродвигателях старых конструкций, не обеспечивают надежного крепления обмотки в пазах сердечника, поскольку при высыхании настолько уменьшаются в объеме, что могут выпасть из паза. В некоторых Конструкциях машин пазы не расклинивают, а обмотку крепят бандажом.


Рис. 105. Расположение секций обмотки якоря в пазах сердечника

Рис. 104. Стальной лист сердечника якоря:
1 — зубец листа, 2 — изоляция, 3 — паз

Бандаж выполняют из немагнитной стальной проволоки, наматываемой с предварительным натяжением. Лобовые части обмотки якоря крепят к обмоткодержателю также при помощи бандажа. В современных машинах для бандажирования якорей используют стеклоленту.
Коллектор машины постоянного тока собран из клинообразных пластин холоднокатаной меди, изолированных друг от друга прокладками из коллекторного миканита. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в форме «ласточкина хвоста», служащие для закрепления медных пластин и миканитовой изоляции.
По способу закрепления комплекта медных и миканитовых пластин различают коллекторы на пластмассе (рис. 106,а) и со Стальными нажимными конусами  и втулкой (рис. 106,5). Коллекторы крепятся нажимными конусами двумя способами: при одном их них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность «ласточкина хвоста», а при другом — на «ласточкин хвост» и конец пластины, при этом пластины закрепляются враспор.
Коллекторы  первым способом крепления называют арочными, а вторым способом — клиновыми. Чаще всего применяют арочные коллекторы, поскольку при ослаблении давления между их пластинами из-за усадки межпластинной миканитовой изоляций эти коллекторы можно предпрессовывать, восстанавливая таким образом необходимое сжатие пластин и прочность коллекторов.

Рис. 106. Коллекторы электрических машин:
а — на пластмассе, б — с нажимными конусами; / и 7 — пластины коллектора, 2  - пластмасса, 3 и 11 — втулки, 4 — нажимной конус, 5 — гайка, 6 и 10 — манжеты, 8 — изолирующий цилиндр, 9 — шнур, /2—  балансировочный груз
Щеточный аппарат (рис. 107) состоит из траверсы, щеточных пальцев и щеткодержателей. Траверса (рис. 107, а) служит для крепления на ее щеточных пальцах щеткодержателей (рис. 107, б, в, г), создающих необходимую электрическую цепь. Щеткодержатель состоит из обоймы и нажимного устройства, обеспечивающего прилегание щетки к коллектору с необходимым усилием. Давление (0,02 — 0,04 МПа) на щетку должно быть отрегулировано так, чтобы был  плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором.
В машинах постоянного тока применяют щеткодержатели двух типов: радиальные, у которых  ось щетки совпадает с продолжением радиуса коллектора, (см. рис. 107,5, в), и реактивные, у которых ось щетки расположена под углом к продолжению радиуса коллектора в сторону его вращения (см.
рис. 107, г).
Щетка (рис. 108) представляет собой прямоугольный брусок из композиций, выполненных на основе графита. Она снабжена гибким медным канатиком 7, один конец которого заармирован в щетку, а другой свободный — снабжен наконечником 2 для присоединения к щеточному аппарату. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сборными шинами, подключенными к выводам машины.

Рис. 107. Щеточный аппарат электрических машин постоянного тока:
а — траверса, б и в — радиальные щеткодержатели, г — реактивный щеткодержатель; 1 — пальцы (бракеты), 2 — рычаг, 5, 8 и 15 — пружины, 4 — корпус, 5 и 11 — щетки, б - обойма, 7 - фарфоровый наконечник, 9 — хомутик, 10 — штифт, 12 — стенка обоймы, 13 — храповик, 14 — колечко пружины
Применяемые в машинах постоянного тока щетки имеют маркировку, характеризующую их состав и физические свойства. Щетки, используемые в машинах общепромышленного назначения, подразделяются на три основные группы: графитные, угольно-графитные и медно-графитные. В целях нормальной работы и продления срока службы коллектора следует применять для каждой машины щетки только той марки, которая определена заводом-изготовителем с учетом мощности, конструкции, условий работы и электрической характеристики машины.
Подшипниковые щиты электрических машин служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также - опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах.

Рис. 108. Щетки:
а — машин малой и средней мощности, б — машин большой мощности; 1 — щеточный канатик, 2 — наконечник
В электрических машинах постоянного тока применяют различные подшипниковые щиты, отличающиеся друг от друга формой, размером и материалом, из которого они изготовлены. Однако несмотря на большое разнообразие конструкций подшипников щиты можно разделить по назначению на два основных вида: обычные и фланцевые для установки и крепления непосредственно на исполнительном механизме.
В ряде случаев электрические машины постоянного тока могут иметь комбинированную систему крепления (рис. 109), т. е. станину с лапами для установки и крепления на Опорной конструкции и одновременно фланцевый подшипниковый щит для крепления на исполнительном механизме.

Рис. 109. Электрическая машина со станиной для крепления на опорной конструкции и подшипниковым щитом для крепления на исполнительном механизме:
1 - возбудитель, 2 и 4 г- передний и задний подшипниковые щиты, 3 — станина, 5 — зубчатая шестеренка

Подшипниковые щиты электрических машин постоянного тока изготовляют методом литья (преимущественно из стали, реже из чугуна и сплавов алюминия), а также сварки или штамповки. В центре щита имеется расточка под подшипник, в которой устанавливают шариковый или роликовый подшипник качения. В мощных машинах постоянного тока в ряде случаев используют подшипники скольжения.

Рассмотренные вопросы

Какими основными показателями характеризуются электрические машины?
Какие исполнения электрических машин вы знаете?
Каково устройство синхронной машины?
Чем отличается короткозамкнутый ротор от фазного?
Названы основные части машины постоянного тока и укажите их назначение:

Перечислены механические причины искрения щеток машины постоянного тока.
Расскажите об устройстве коллектора машины постоянного тока и его роли.

Электрические машины

Электрическая машина - электромеханический преобразователь, который преобразует механическую энергию в электрическую (генератор), либо электрическую энергию в механическую (электродвигатель), либо электрическую энергию с одними параметрами (напряжением, частотой и т.д.) в электрическую с другими параметрами.

В качестве энергоносителя в электрической машине может быть использовано как магнитное, так и электрическое поле. Машины, в которых для преобразования энергии используется магнитное поле, называются индуктивными, а те, в которых используется электрическое поле, — емкостными. Возможно также совместное использование магнитного и электрического полей. Такие машины называются индуктивно-емкостными.

На практике наибольшее распространение получили индуктивные машины.

Принято различать электромеханические преобразователи в зависимости от цели преобразования энергии на:

  • генераторы - источники электрической энергии;
  • электродвигатели - источники механической энергии;
  • специальные электрические машины - электромеханические преобразователи с более сложным целевым назначением

Современные электрические машины имеют самое разнообразное конструктивное исполнение и могут реализовывать различные роды напряжения и тока, а также различные виды движения — вращательное, колебательное, линейное и т.д. Диапазон мощностей современных электрических машин составляет 10-17 — 109 Вт. На рисунке 1 показаны области распространения и зоны использования емкостных (график 1), индуктивно-емкостных (график 2) и индуктивных (график 3) электрических машин. Электрическая машина является весьма экономичным преобразователем энергии.


Рисунок 1 – Области распространения электрических машин

Для управления современными электрическими машинами используются сложные электронные системы, которые конструктивно объединяются с электромеханическим преобразователем и образуют так называемую электромеханотронную систему, выступающую как единый технический комплекс. Все это существенно расширяет функциональные возможности электрических машин и обеспечивает их широкое внедрение во все сферы производственной и бытовой деятельности человечества [1].

Основополагающие законы электромеханического преобразования энергии в индуктивных машинах

Закон Ампера

Согласно закону, установленному Ампером, на проводник с током в магнитном поле действует сила

,

  • где F – сила, Н,
  • I – сила тока, А,
  • – длина проводника, м,
  • B - магнитная индукция, Тл,
  • - угол между направлением тока и вектором магнитной индукции, град.

Направление этой силы определяется по правилу "левой руки".

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Открытие электромагнитной индукции в 1831 году Фарадеем - одно из фундаментальных открытий в электродинамики. Максвеллу принадлежит следующая углубленная формулировка закона электромагнитной индукции:

Всякое изменение магнитного поля во времени возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Циркуляция вектора напряженности E этого поля по любому неподвижному замкнутому контуру s определяется выражением [3] [4]

,

  • где E – напряженность электрического поля, В/м,
  • ds – элемент контура, м,
  • Ф - магнитный поток, Вб,
  • t - время, с

Электродвижущая сила индукции возникающая в замкнутом контуре, равна скорости изменения во времени потока магнитной индукции

,

  • где – электродвижущая сила индукции, В

Знак "-" показывает, что индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Вращающаяся электрическая машина - электротехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии на основе электромагнитной индукции и взаимодействия магнитного поля с электрическим током, содержащее, по крайней мере, две части, участвующие в основном процессе преобразования и имеющие возможность вращаться или поворачиваться относительно друг друга [2].

Вращающаяся машина постоянного тока, или машина постоянного тока - вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием только постоянного электрического тока.

Вращающаяся машина переменного тока - вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием переменного электрического тока.

Виды вращающихся электрических машин

По характеру магнитного поля в основном воздушном зазоре

Одноименнополюсная машина - вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции во всех точках основного воздушного зазора имеет один и тот же знак.

Разноименнополюсная машина - вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции в различных участках основного воздушного зазора имеет разные знаки.

Явнополюсная машина - разноименнополюсная машина, в которой полюса выступают в сторону основного воздушного зазора.

Неявнополюсная машина - разноименнополюсная машина с равномерным основным воздушным зазором.

6.3.4. Принцип действия и устройство электрических машин переменного тока

Как и машины постоянного тока, электрические машины переменного тока состоят из статора и ротора. По способу образования магнитного поля статора и ротора машины переменного тока делятся на две группы: асинхронные и синхронные. В основе работы асинхронных и синхронных машин лежит образование вращающегося магнитного поля.

Обмотки статора обычно присоединяются к сети переменного тока и создают вращающееся магнитное поле, поэтому устройство этой части асинхронных и синхронных машин получается одинаковым.

Получение вращающегося магнитного поля. В асинхронных и синхронных машинах вращающееся магнитное поле статора образуется при протекании трехфазного тока в трех обмотках, оси которых сдвинуты в пространстве на 120°/р, где р — число пар полюсов обмотки. При р = 1 получается двухполюсное вращающееся магнитное поле, образование которого можно пояснить с помощью рис. 6.27.

а

б

в

г

д

е

Рис. 6.27

Расположим три одинаковые катушки AX, BY, CZ так, что их оси смещены на 120° по отношению друг к другу (рис. 6.27а). Присоединим катушки к симметричной трехфазной системе ЭДС. Пусть токи входят в начало катушек А, В, С и изменяются следующим образом:

Графическое изменение этих токов во времени показано на рис. 6.27б.

Каждый из токов будет создавать пульсирующее поле, направленное вдоль оси своей катушки. Положительное направление магнитной индукции поля первой катушки в соответствии с правилом буравчика обозначим (ток направлен от начала катушки А к ее концу X), второй - , третьей - . Индукцию первой катушки обозначим ВА, второй – ВB, третьей - ВC.

Изобразим мгновенные значения ВА, ВB, ВС и результирующую индукцию Врез для моментов времени (рис. 6.27в, г, д, е).

Очевидно, что с течением времени вектор результирующей магнитной индукции, оставаясь по величине неизменным, вращается в направлении от начала первой катушки с током к началу второй катушки с отстающим током. Если поменять токи двух любых катушек местами, направление вращения поля изменится на обратное.

Таким образом, полный оборот результирующий вектор магнитной индукции двухполюсного магнитного поля совершит за время, равное периоду переменного тока обмотки, т.е. частота вращения двухполюсного магнитного поля(об/мин), где- частота питающей сети.

Токи в трехфазной обмотке могут возбуждать не только двухполюсное, но и многополюсное вращающееся магнитное поле. Для этого количество катушек в фазе увеличивается в число раз, равное требуемому числу пар полюсов магнитного поля, а размеры катушек уменьшаются в такое же число раз.

Скорость вращения магнитного поля, образующего две пары полюсов, будет в два раза меньше, чем скорость вращения двухполюсного поля, так как за один период изменения токов полюсы поворачиваются на пространственный угол, равный 180о.

В общем случае

(об/мин), (6.3)

где - число пар полюсов магнитного поля.

Из выражения (6.3.) видно, что при принятой в нашей стране и многих других странах мира промышленной частоте 50 Гц частота вращения магнитных полей статора с трехфазной обмоткой при различном числе пар полюсов составит:

1

2

3

4

5

3000

1500

1000

750

600

Принцип действия и устройство асинхронного двигателя. Вращающееся поле статора пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. При замкнутой обмотке ротора под действием ЭДС в обмотке возникают токи, направление которых определяется по правилу правой руки (рис. 6.28.).

Рис. 6.28

Взаимодействие этих токов с полем статора создает действующие на проводники электромагнитные силы F, направление которых определяется по правилу левой руки. Как видно из рис. 6.28, эти силы стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил F, приложенных к отдельным проводникам, создает на роторе электромагнитный момент M, приводящий его в движение с частотой вращения .

Относительную разность и принято характеризовать безразмерной величиной, называемой скольжением . Важнейшим свойством асинхронной машины является то, что при ее работе магнитное поле статора и ротор перемещаются с разными частотами вращения, не синхронно (асинхронно), что и получило отражение в наименовании этой машины.

Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в пределах . При этомсоответствует режиму холостого хода, когда ротор не испытывает противодействующих моментов, асоответствует неподвижному ротору() - режим короткого замыкания или пуска. Обычно в номинальном режиме асинхронного двигателя величина скольжения составляет 0,01...0,06.

Как и все электрические машины, асинхронные двигатели обратимы, т. е. они могут работать в режиме генератора, отдающего энергию в трехфазную сеть. Для этого внешними силами ротор необходимо раскрутить до частоты вращения , большей чем , при этом. Токи обмотки ротора создают свое собственное магнитное поле. Анализ показывает, что независимо от частоты вращения ротора, магнитное поле его токов перемещается в пространстве с той же частотой вращения, что и магнитное поле статора, т.е. в любом режиме асинхронной машины магнитные поля статора и ротора взаимно неподвижны друг относительно друга. Этим и обеспечивается электромеханическое преобразование энергии в асинхронной машине.

Рассмотренный принцип работы асинхронных машин определяет и их конструкцию, состоящую из статора и ротора. Статоры трехфазных асинхронных двигателей устроены одинаково, а роторы конструктивно отличаются друг от друга.

Основными частями статора являются корпус, сердечник и трехфазная обмотка. С корпусом прочно соединены два боковых подшипниковых щита с подшипниками, в которых вращается вал ротора.

Начала и концы фаз асинхронных машин состоят из пакета магнитопровода цилиндрической формы, набранного из стальных дисков с пазами, в которых располагаются обмотки. Пакет магнитопровода с обмоткой расположен на валу. Между пакетом ротора и пакетом сердечника статора имеется равномерный зазор.

Различают два типа обмоток ротора. Обмотки первого типа содержат медные или алюминиевые стержни, вставляемые или заливаемые в пазы ротора без изоляции. Эти стержни замыкаются накоротко по обоим торцам пакета ротора медными или алюминиевыми кольцами соответственно. Двигатель с ротором такого типа называют короткозамкнутым или с «беличьей клеткой» (рис. 6.29а). Ротор также называется короткозамкнутым (рис. 6.29б).

а

б

Рис. 6.29

На рис. 6.29а обозначено: 1 - корпус статора; 2 - коробка выводов; 3 - обмотка статора; 4 - сердечник статора; 5 - ротор; 6 - подшипниковый щит.

На рис. 6.29б обозначено: 1 - замыкающие кольца; 2 вентиляционные лопасти; 3 - вал; 4 - пакет ротора; 5 - стержни обмотки.

В пазы обмоток второго типа укладывается трехфазная обмотка, как и на статоре. Фазы обмотки соединяются звездой и три свободных ее конца присоединяются к трем изолированным контактным кольцам, насаженным на вал (рис. 6.30а).

а

б

Рис. 6.30

На рис. 6.30а обозначено: 1 - вал; 2 - подшипниковый щит; 3 - щеткодержатель; 4 - крышка люка; 5 - обмотка статора; 6 - сердечник статора; 7 - кожух вентилятора; 8 - сердечник ротора; 9 - обмотка ротора; 10 - контактные кольца; 11 - крышка подшипника.

На рис. 6.30б обозначено: 1 - обмотка; 2 - контактные кольца; 3 – вал.

На боковом подшипниковом щите укрепляется щеткодержатель, причем так, чтобы расположенные в нем три группы щеток надежно соприкасались с контактными кольцами ротора. Ротор с катушечной трехфазной обмоткой и контактными кольцами называют фазным (рис. 6.30б). Машины с контактными кольцами допускают подключение внешней цепи к цепи ротора для изменения характеристик двигателя в процессе управления.

Асинхронные двигатели являются самыми распространенными электрическими машинами в промышленности и сельском хозяйстве.

Принцип действия и устройство синхронных машин. Синхронной называется такая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля статора, определяемой выражением (6.3).

Ротор такой машины представляет электромагнит, возбуждаемый постоянным током. В синхронных машинах малой мощности вместо обмотки на роторе могут использоваться постоянные магниты.

В режиме генератора ротор синхронной машины приводится во вращение первичным двигателем с номинальной скоростью, которая поддерживается постоянной автоматическим регулятором. После этого генератор возбуждается подачей постоянного тока в обмотку ротора. Вращающийся с постоянной скоростью поток полюсов (рис. 6.31а), пересекая трехфазную обмотку статора, наводит в ней ЭДС, одинаковые по амплитуде и частоте, сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 120° (рис. 6.31б).

а

б

Рис. 6.31

На рис. 6.32 изображено устройство трехфазной синхронной машины.

Рис. 6.32

На рис. 6.33 обозначено: 1 – сердечник статора; 2 – трехфазная обмотка статора; 3 – полюсы ротора с обмоткой постоянного тока; 4 – кольца для соединения обмотки ротора с источником постоянного тока; 5 – вентиляторы.

По устройству ротора различают два типа синхронной машины: машина с явнополюсным ротором, в которой катушки обмотки постоянного тока размещены на выступающих полюсах (рис. 6.33а), и машина с неявнополюсным ротором, в котором распределенная обмотка постоянного тока уложена в пазы ротора (рис. 6.33б).

Явнополюсная синхронная машина изготовляется для скорости вращения до 1500 об/мин и используется в качестве генератора или двигателя. Наиболее крупные синхронные машины устанавливаются на гидроэлектростанциях и приводятся во вращение водяными турбинами со скоростью до 300 об/мин.

а

б

Рис. 6.33

Неявнополюсная синхронная машина используется в основном как генератор на тепловых электростанциях и приводится во вращение паровой турбиной со скоростью обычно 3000 об/мин (при частоте 50 Гц).

ЭДС в обмотках машин переменного тока. Вращающееся магнитное поле статора асинхронных и синхронных машин индуцирует в фазных обмотках статора ЭДС, пропорциональную магнитной индукции магнитного потока Ф полюса вращающегося магнитного поля и относительной скорости перемещения проводника обмотки относительно поля. Последняя пропорциональна частоте вращения магнитного поля и, следовательно, частоте сети (6.3), поэтому действующее значение ЭДС фазы статора определяется по формуле

, (6.4)

где , - конструктивный коэффициент, зависящий от геометрических размеров машины, типа и параметров обмотки статора.

В синхронной машине ротор вращается синхронно с полем статора, т.е. по отношению к вращающемуся полю, обмотка ротора неподвижна и в ее проводниках ЭДС не индуцируется.

Напротив, в асинхронной машине частоты вращения магнитного поля статора и ротора неодинаковы. Поэтому обмотка ротора перемещается относительно вращающегося поля статора с частотой скольжения .

В соответствии с этим ЭДС ротора асинхронной машины вращающегося со скольжением определяется по формуле , где- конструктивный коэффициент обмотки ротора.

Электрические машины переменного тока: устройство, классификация, назначение

Применение электричества состоит в превращении его в иные виды энергии — световую, тепловую, магнитную, химическую и механическую.

В последнем случае преобразователями чаще всего выступают электрические машины переменного тока.

Устройство

Машина, работающая и на постоянном, и на переменном токе, состоит из двух частей:

  1. неподвижной — индуктора или статора;
  2. вращающейся внутри нее — якоря или ротора.

Каждый узел состоит из сердечника и обмотки, размещенной в его пазах. Отличие машин Iпост и Iпер. состоит в порядке подачи тока: в первом случае – на обмотку вращающейся части, во втором – неподвижной.

Еще одна особенность: статорные и роторные сердечники набирают из отдельных изолированных листов электротехнической стали, что препятствует возникновению в них вихревых токов.

Принцип работы

Электрические машины могут выступать в роли:

  1. генератора. Установка производит ток, обусловленный явлением электромагнитной индукции: изменения магнитного потока, пересекающего проводник, приводит к возникновению в нем ЭДС;
  2. двигателя. Электромагнитное воздействие со стороны статора заставляет подвижную составляющую вращаться.

Важное отличие от устройств Iпост: в режиме двигателя вращается магнитное поле, создаваемое статором. Это обусловлено характером Iпер. (периодическое изменение величины и направления) и расположением катушек обмотки.

По типу питания электрические машины делятся на два вида:

  1. однофазные. Статорные катушки разнесены на угол в 1800, вследствие чего при протекании в них Iпер. формируется пульсирующее магнитное поле. Его можно представить как сумму двух полей, вращающихся в противоположном направлении. Наличия пульсирующего поля для обращения ротора недостаточно, но если тому придать такое движение извне, он продолжит вращение в ту же сторону. Это обусловлено тем, что за счет электромагнитного взаимодействия подвижный элемент гасит ту составляющую пульсирующего магнитного поля, что направлена против его вращения. В результате действующим остается только одно вращающееся магнитное поле, оно и увлекает ротор за собой. На ранних этапах ротор раскручивали вручную, сегодня для этого применяют пусковую обмотку, шунтирование или запуск через конденсатор;
  2. трехфазные. Обмотки фаз А, В и С разносят на треть периода (в однополюсной машине это 120 градусов), вследствие чего из-за разности токов в фазах результирующее магнитное поле как бы вращается в одну сторону. Очевидно, что за период оно совершит один оборот, то есть при частоте тока 50 Гц поле вращается со скоростью 3000 об/мин. Если на роторе установить электромагнит с двумя парами полюсов, а на статоре — 6 равноудаленных катушек, подключенных к фазам в последовательности А – В – С – А – В – С, то скорость вращения поля сократится вдвое: до 1500 об/мин. Она равна W = (60*f)/n, где f — частота электрического тока, n — число пар полюсов и катушек, подключенных к одной фазе.

Сказанное относится как к двигателю, так и к генератору. То есть для создания 3-фазного тока частотой 50 Гц при наличии 30 пар полюсов ротор требуется вращать со скоростью всего 100 об/мин вместо 3000, что важно для роторов гидроэлектростанций.

Сколько бы ни было катушек, все они объединены в 3 однофазные группы, поэтому статор 3-фазной электрической машины всегда имеет 6 выводных клемм. В группах катушки подключаются параллельно или последовательно.

Особенности

По способу взаимодействия ротора и вращающегося магнитного поля, устройства делятся на два вида – синхронные и асинхронные. В первом случае скорости вращения поля и ротора совпадают, во втором – отличаются.

Синхронная электрическая

Установки данного типа одинаково широко применяются в роли двигателей и генераторов. Подобные машины используются на всех электростанциях. Ротор имеет собственные магнитные полюсы.

Ротор представляет собой электромагнит на Iпост от стороннего источника, реже — постоянный магнит. Сторонним источником Iпост.  обычно выступает генератор, смонтированный на валу машины. Но в некоторых случаях используют и аккумулятор.

Вращение обусловлено взаимодействием вращающегося магнитного поля статора и собственного поля ротора. Первое увлекает за собой второе, заставляя подвижный элемент вращаться с той же скоростью (режим двигателя). Если же вращать ротор сторонней механической силой, на выводах обмотки статора получится 3-фазное напряжение (режим генератора).

Асинхронная электрическая

Данное устройство в основном используется как двигатель. В сравнении с синхронной имеет более простую конструкцию, чем и объясняется широкое распространение. Ротор собственных магнитных полюсов не имеет, поскольку его магнитное поле является наведенным (у синхронных — собственное).

Асинхронные машины делятся на два вида:

  • коллекторные;
  • бесколлекторные.

Первые более разнообразны по характеристикам, но из-за наличия такого дорогого и малонадежного узла, коим является коллектор, сфера их использования ограничена.

Бесколлекторные устройства наиболее распространены, они делятся на два вида:

  • с короткозамкнутым ротором;
  • с фазным ротором.

Обмотка первого представляет собой обойму из медных или алюминиевых стержней в форме беличьего колеса, тогда как тело самого элемента изготовлено из ферромагнитной стали и представляет собой сердечник.

Вместе сердечники ротора и статора образуют магнитопровод, а имеющиеся на них обмотки работают подобно трансформаторным:

  1. в обмотках статора при подключении его клемм к 3-фазному напряжению формируется вращающееся магнитное поле, как было описано выше;
  2. для ротора движущееся относительно него вращающееся магнитное поле является переменным, отчего в его обмотке, согласно закону электромагнитной индукции, наводится ЭДС и возникает ток;
  3. он создает в обмотке ротора магнитное поле, которое взаимодействует с полем статора. Иными словами, возникает действующая на стержни ротора амперова сила. Он начинает вращаться вслед за полем статора.

Очевидно, что скорость вращения ротора V не может быть равна аналогичному параметру поля статора V0, поскольку при таких условиях последнее уже не будет переменным для роторной обмотки.

Потому данный двигатель и называют асинхронным. Если при вращении ротор обгоняет поле статора, машина переходит в режим генератора. Разность V и V0 характеризуется коэффициентом скольжения S = (V0 – V) / V0.

Короткозамкнутый ротор

У двигателей с короткозамкнутым ротором есть три недостатка, ограничивающих сферу применения:

  • небольшой пусковой момент: при активации полюсы наведенного в роторе магнитного поля находятся под полюсами вращающегося поля статора;
  • высокий пусковой ток: в 5-15 раз выше рабочего;
  • в случае приложения нагрузки на вал более максимального момента двигатель останавливается.

Обмотка фазного ротора устроена подобно статорной. В момент пуска к ней подключается внешнее сопротивление, отчего взаимное расположение магнитных полей подвижного и неподвижного элементов меняется — полюса одного выводятся из-под полюсов другого. Возникает высокий момент трогания (или пусковой).

Назначение

По эксплуатационным характеристикам машины Iпер. превосходят аналоги на Iпост, потому им отдают предпочтение, их преимущества:

  • технологичная конструкция;
  • надежность;
  • высокая энергетическая отдача.

В то же время они уступают устройствам Iпост. в точности регулирования рабочих параметров. Потому двигатели электротранспорта, сложных измерительных приборов и некоторых обрабатывающих станков работают на Iпост. В большинстве же случаев применяются машины Iпер.. Асинхронные двигатели отличаются простотой и используются чаще всего и в самых разных областях.

При этом наиболее распространена разновидность с короткозамкнутым ротором — опять же в силу простоты конструкции. Такими двигателями оснащают насосы, компрессоры, центрифуги, ручной электроинструмент, станки и пр. Аналогичные установки с фазным ротором устроены сложнее и потому применяются реже.

Их преимущество — хорошие пусковые и регулировочные характеристики, благодаря чему эти двигатели используют в качестве привода подъемных устройств, конвейеров, цементных, угольных и прочих мельниц, систем вентиляции и конструкций, предназначенных для непрерывной работы в течение длительного времени.

Видео по теме

О машинах переменного тока в видео:

Полная классификация машин переменного тока более разнообразна, чем приведенная в данной статье. Так, существуют устройства с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением, а также многие другие виды. Они отличаются пусковыми и рабочими характеристиками, но принцип действия у всех один и тот же.

Классификация электрических машин | Электрикам

Электрические машиныэто устройства преобразующие механическую энергию в электрическую и наоборот, а так же машины преобразующую электрическую энергию одних параметров в электрическую энергию других параметров.

Классификация электрических машин по назначению:

  • генераторы
  • двигатели
  • тахогенераторы (для преобразования частоты вращения в электрический сигнал)
  • электромашинные усилители (усилители мощности электрических сигналов)
  • синхронные компенсаторы (для повышения коэффициента мощности)
  • индукционные регуляторы (для регулирования напряжения переменного тока)
  • сельсины (для получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала)
  • и т. п.

Классификация электрических машин по принципу действия:

Все электрические машины разделяются на коллекторные и бесколлекторные.

Бесколлекторные машины — это машины переменного тока — асинхронные и синхронные.

Коллекторные машины используют главным образом для работы на постоянном токе в качестве генераторов или двигателей. Лишь коллекторные машины небольшой мощности делают универсальными двигателями, способными работать как от сети постоянного, так и переменного тока.

На рисунке представлена диаграмма классификации электрических машин, содержащая основные их виды, получившие наибольшее применение в современной электроэнергетике.

Классификация электрических машин по назначению:

  • общего
  • специального — выполненных с учетом специальных требований.

Классификация электрических машин по мощности:

  • большой — несколько сотен мегаватт
  • средней — более 10 кВт
  • малой — 0,5 — 10 кВт
  • микромашины — меньше 0,5 кВт

 Так же электрические машины одного принципа действия могут различаться схемами включения либо другими признаками, влияющими на эксплуатационные свойства этих машин. Например, асинхронные и синхронные машины могут быть трехфазными (включаемыми в трехфазную сеть) или однофазными. Асинхронные машины в зависимости от конструкции обмотки ротора могут быть с короткозамкнутым или фазным ротором. Синхронные машины и коллекторные машины постоянного тока в зависимости от способа создания в них магнитного поля возбуждения разделяют на машины с обмоткой возбуждения и машины с постоянными магнитами.

Электрические машины: виды, классификация, принципы работы | Егор Ковалев

Электрической машиной принято считать электромеханическое устройство, способное преобразовать механическую энергию в электрическую и обратно. В первом случае происходит выработка электроэнергии (машины являются генераторами), во втором – её потребление (электродвигатели). Последние необходимы для того чтобы привести в движение транспортные средства, станки и другие механизмы.
Генераторы и электродвигатели – основная сфера использования электрических машин. Но они могут быть также использованы и в качестве электромеханических преобразователей (умформеров) – агрегатов, которые способны преобразовывать электрическую энергию в различные её формы. Преобразователь постоянного тока в переменный называется инвертором, увеличитель мощности электрических сигналов – электромашинным усилителем, а устройство способное отрегулировать напряжение переменного тока – индукционным регулятором.

Отдельной категорией можно назвать также сельсины – самосинхронизирующиеся индукционные машины, которые обеспечивают возможность вращения нескольких осей независимо друг от друга с точки зрения механики. Такие устройства используются в электронике, в составе сварочных аппаратов для регулировки их рабочей мощности.

Классификация электрических машин


Коллекторные и бесколлекторные электрические машины

Деление на коллекторные и бесколлекторные электрические машины существует благодаря принципиальным отличиям в принципе их действия.

Коллекторные машины

Коллекторные агрегаты работают только на постоянном токе, поэтому отличительной чертой их конструкции является наличие механического преобразователя, который позволяет получить постоянный ток из переменного или наоборот. Они могут использоваться в качестве двигателя или генератора без необходимости внесения изменений в схему.

Их существенными преимуществами являются отличные пусковые характеристики и возможность плавной регулировки частоты вращения вала. Именно поэтому коллекторные электрические машины постоянного тока нашли очень широкое применение в качестве приводов для прокатных станов, электротранспорта, источников питания для сварочных аппаратов, электролитических ванн. В самолётах, тракторах, автомобилях такие двигатели приводят в движение всё используемое вспомогательное оборудование.

Небольшая группа коллекторных машин небольшой мощности выполняется в виде универсальных двигателей, которые уникальны тем, что могут работать и от постоянного, и от переменного тока.

Бесколлекторные машины

Бесколлекторные агрегаты работают только с переменным током и делятся на синхронные и асинхронные машины. Синхронные машины широко применяются как в качестве генераторов, так и электродвигателей, в то время как асинхронные – в основном служат двигателями.


Рисунок 1. Синхронный генератор (упрощённая схема устройства)
1 – сердечник статора (неподвижная часть машины), 2 – обмотка статора, 3 – вал, 4 – ротор двигателя (постоянный магнит).

Принцип работы такого генератора заключается в том, чтобы при помощи привода (двигателя внутреннего сгорания или турбины) через ременную передачу привести в движение ротор генератор. Одновременно в обмотке статора наводится ЭДС (указано стрелками) и благодаря замыканию её на нагрузке в цепи появляется ток.

Когда речь идёт о синхронном электродвигателе, то его работа начинается с подачи тока на обмотку статора. Это приводит к вращению магнитного поля, которое при взаимодействии с полем ротора вырабатывает силу, которая, в конечном счёте, преобразует электрическую энергию в механическую и вращает вал.


Рисунок 2. Принцип действия асинхронного электродвигателя

В асинхронном электродвигателе при включении обмотки статора в сеть образуется вращающееся с частотой n1 магнитное поле. При этом в обмотке статора и ротора наводится ЭДС. Благодаря тому что обмотка ротора замкнута в ней возникает ток, который взаимодействуя с полем статора создаёт электромагнитные силы Fэм приводящие во вращение ротор двигателя.

Трансформаторы

Трансформатор – электрический аппарат, который представляет собой статическое устройство, преобразующее одну систему переменного тока в другую. Параметры для преобразования могут быть самыми разными: ток, напряжение, частота, число фаз. Но чаще всего в системах электроснабжения используются силовые трансформаторы, которые позволяют изменить величину тока и напряжения (при этом все остальные параметры сети остаются неизменными).

По назначению существует деление аппаратов на трансформаторы силового и специального назначения. Силовые являются одним из основных элементов систем энергоснабжения и используются при транспортировке электроэнергии для получения напряжения требуемого класса.

Специальные же очень разнообразны по своей конструкции и рабочим характеристикам (примером могут послужить сварочные, печные, испытательные трансформаторы). Отдельной их категорией являются автотрансформаторы – однообмоточные аппараты, которые способны изменять величину напряжения в минимальных пределах (когда коэффициент трансформации приближён к 1).

Принцип действия силового трансформатора


Рисунок 3. Простейший силовой однофазный трансформатор

Конструктивно аппарат состоит из сердечника, выполненного из листовой электротехнической стали и обмоток 1 и 2 (первичной и вторичной), которые размещены на стержнях и электрически не связаны между собой. К обмотке 1 подключается источник питания, к обмотке 2 – нагрузка (потребитель).

За счёт явления электромагнитной индукции переменный ток i1 создаёт магнитный поток, который замыкается в сердечнике и сцепляясь с обеими обмотками наводит в них ЭДС само- и взаимоиндукции соответственно. При подключении потребителя во вторичной обмотке создаётся ток i2, а на выводах – вторичное напряжение. Разница в напряжениях на вводах и выводах образуется за счёт разного количества витков в 1 и 2 обмотках. Отношение параметров может быть любым.

По количеству фаз существует разделение на одно- и трехфазный трансформатор, по виду охлаждения – на воздушный и масляный, по форме магнитопровода – на стержневой, бронестержневой, броневой, тороидальный. Особенностью трёхфазного от однофазного трансформатора в плане его электрической схемы состоит в том, что схемы трёх отдельных систем объединены в одну.

Трансформаторы и электрические машины в целом являются одними из важнейших элементов любой системы энергоснабжения. Огромное количество технических решений и отдельных видов устройств позволяет решать самые разные задачи во всех сферах деятельности.

Вопросы: Электрические машины | ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

1. Что такое генератор?
2. Что такое электродвигатель?
3. Что такое электромашинный преобразователь?
4. Каков принцип действия электрических машин?
5. От каких параметров зависит ЭДС, наводимая в проводнике?
6. Запишите уравнение электрического состояния.
7. Сформулируйте принцип обратимости электрических машин.
8. Сформулируйте необходимые условия работы электрической машины.
9. Как обеспечить увеличение электромагнитной силы?
10. Из каких основных частей состоит электрическая машина?
11. Сформулируйте обязательное условие преобразование энергии в электрических машинах.
12. Какими способами реализуются условия неподвижности магнитных полей ротора и статора? (подробно)
13. Поясните разницу между коллекторными и бесколлекторными машинами.
14. Что такое якорная обмотка?
15. Что такое якорь?
16. Расскажите о особенностях использования якорной обмотки в различных типах электрических машин.
17. Что такое коллектор?
18. Поясните особенности работы синхронного и асинхронного электродвигателей.
19. Устройство электрической машины постоянного тока. (УГО)
20. Устройство синхронной электрической машины. (УГО)
21. Устройство асинхронной электрической машины. (УГО)II Расскажите о назначении генераторов.
22. Каковы способы возбуждения основного поля в генераторах постоянного тока?
23. Расскажите о генераторах переменного тока.
24. Расскажите об электромашинных преобразователях.III Что такое электрический двигатель?
25. Назначение электрических двигателей.
26. Перечислите основные требования к электрическим двигателям.
27. Основные типы электрических двигателей?
28. Область применения двигателей постоянного тока?
29. Основные преимущества двигателей постоянного тока?
30. Достоинства и недостатки синхронных электродвигателей?
31. Классификация асинхронных электродвигателей?
32. Особенности пуска АЭД?
33. Способы изменения частоты вращения ротора АЭД?
34. Особенности работы однофазных АЭД?

Автор - MiG

Общая математическая формулировка компоновки обмоток электрических машин

Автор

Перечислено:
  • Массимо Карузо

    () (Департамент энергетики, информационной инженерии и математических моделей (DEIM), Университет Палермо, viale delle Scienze, Building nr.9,

    Palermo, Italy)

  • Антонино Оскар Ди Томмазо

    () (Департамент энергетики, информационной инженерии и математических моделей (DEIM), Университет Палермо, viale delle Scienze, Building nr.9,

    Палермо, Италия)

  • Fabrizio Marignetti

    () (Департамент электротехники и информационной инженерии (DIEI), Университет Кассино и Южного Лацио, via G. Di Biasio, 43, 03043 Cassino, Италия)

  • Rosario Miceli

    () (Департамент энергетики, информационной инженерии и математических моделей (DEIM), Университет Палермо, viale delle Scienze, Building nr.9,

    Palermo, Italy)

  • Джузеппе Рикко Галлуццо

    () (Департамент энергетики, информационной инженерии и математических моделей (DEIM), Университет Палермо, viale delle Scienze, Building nr. 9,

    Палермо, Италия)

Abstract

Методы проектирования обмоток были предметом исследований на протяжении многих лет прошлого века. Было разработано множество методов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Звезда пазов в настоящее время является наиболее распространенным средством проектирования обмоток электрических машин. В этом контексте в данной статье представлена ​​простая и эффективная процедура определения распределения щелевых ЭДС по фазам и конфигурации обмотки во всех возможных типологиях электрических машин, оборудованных симметричными обмотками.Результатом этой процедуры является таблица распределения обмоток (WDT), которую можно использовать для определения соединений катушек и групп катушек, а также для простой реализации методов оптимизации обмоток, таких как расширение зоны, сшивание и т. Д. Более того, эту процедуру можно легко выполнить. реализован на компьютере для выполнения автоматизированных расчетов намотки вращающихся электрических машин. Приведено несколько примеров для подтверждения предложенной процедуры.

Рекомендуемое цитирование

  • Массимо Карузо и Антонино Оскар Ди Томмазо, Фабрицио Маринетти, Розарио Мичели и Джузеппе Рикко Галлуццо, 2018.« Общая математическая формула компоновки обмоток электрических машин », Энергия, MDPI, Open Access Journal, vol. 11 (2), страницы 1-24, февраль.
  • Ручка: RePEc: gam: jeners: v: 11: y: 2018: i: 2: p: 446-: d: 132324

    Скачать полный текст от издателя

    Цитаты

    Цитаты извлекаются проектом CitEc, подпишитесь на его RSS-канал для этого элемента.


    Цитируется по:

    1. Массимо Карузо и Антонино Оскар Ди Томмазо, Фабрицио Маригнетти и Розарио Мичели, 2020.« Общее исследование дифференциального коэффициента утечки для симметричной и асимметричной конструкции многофазных обмоток », Энергия, MDPI, Open Access Journal, vol. 13 (20), страницы 1-13, октябрь.
    2. Акилу Юнуса-Калтунго и Жуйфэн Цао, 2020. « На пути к разработке автоматизированной системы определения характеристик неисправностей для вращающихся машин. Часть 1: Неисправности, связанные с ротором », Энергия, MDPI, Open Access Journal, vol. 13 (6), страницы 1-20, март.
    3. Армин Диц и Антонино Оскар Ди Томмазо и Фабрицио Мариньетти и Розарио Мичели и Клаудио Неволосо, 2020.« Расширенный гибкий алгоритм для оптимизации коэффициентов заполнения щелей в электрических машинах », Энергия, MDPI, Open Access Journal, vol. 13 (5), страницы 1-21, февраль.

    Исправления

    Все материалы на этом сайте предоставлены соответствующими издателями и авторами. Вы можете помочь исправить ошибки и упущения. При запросе исправления укажите дескриптор этого элемента: RePEc: gam: jeners: v: 11: y: 2018: i: 2: p: 446-: d: 132324 .См. Общую информацию о том, как исправить материал в RePEc.

    По техническим вопросам, касающимся этого элемента, или для исправления его авторов, заголовка, аннотации, библиографической информации или информации для загрузки, обращайтесь: (Команда преобразования XML). Общие контактные данные провайдера: https://www.mdpi.com/ .

    Если вы создали этот элемент и еще не зарегистрированы в RePEc, мы рекомендуем вам сделать это здесь. Это позволяет связать ваш профиль с этим элементом. Это также позволяет вам принимать потенциальные ссылки на этот элемент, в отношении которого мы не уверены.

    У нас нет ссылок на этот товар. Вы можете помочь добавить их, используя эту форму .

    Если вам известно об отсутствующих элементах, цитирующих этот элемент, вы можете помочь нам создать эти ссылки, добавив соответствующие ссылки таким же образом, как указано выше, для каждого ссылочного элемента. Если вы являетесь зарегистрированным автором этого элемента, вы также можете проверить вкладку «Цитаты» в своем профиле RePEc Author Service, поскольку там могут быть некоторые цитаты, ожидающие подтверждения.

    Обратите внимание, что исправления могут занять пару недель, чтобы отфильтровать различные сервисы RePEc.

    Общая математическая формула компоновки обмоток электрических машин - Università degli Studi di Palermo

    TY - JOUR

    T1 - Общая математическая формула компоновки обмоток электрических машин

    AU - Miceli, Rosario

    AU - Car , Massimo

    AU - Ricco Galluzzo, Giuseppe

    AU - Di Tommaso, Antonino Oscar

    AU - Marignetti, Fabrizio

    PY - 2018

    Y1 - 2018

    N2 - Объектом исследования методов проектирования были много лет прошлого века.Было разработано множество методов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Звезда пазов в настоящее время является наиболее распространенным средством проектирования обмоток электрических машин. В этом контексте в данной статье представлена ​​простая и эффективная процедура определения распределения щелевых ЭДС по фазам и конфигурации обмотки во всех возможных типологиях электрических машин, оборудованных симметричными обмотками. Результатом этой процедуры является таблица распределения обмоток (WDT), которую можно использовать для определения соединений катушек и групп катушек, а также для простой реализации методов оптимизации обмоток, таких как расширение зоны, заделка и т. Д.Более того, эту процедуру можно легко реализовать на компьютере для выполнения автоматизированных расчетов намотки вращающихся электрических машин. Приведено несколько примеров для подтверждения предложенной процедуры.

    AB - Методы проектирования обмоток были предметом исследований в течение многих лет прошлого века. Было разработано множество методов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Звезда пазов в настоящее время является наиболее распространенным средством проектирования обмоток электрических машин.В этом контексте в данной статье представлена ​​простая и эффективная процедура определения распределения щелевых ЭДС по фазам и конфигурации обмотки во всех возможных типологиях электрических машин, оборудованных симметричными обмотками. Результатом этой процедуры является таблица распределения обмоток (WDT), которую можно использовать для определения соединений катушек и групп катушек, а также для простой реализации методов оптимизации обмоток, таких как расширение зоны, сшивание и т. Д. Более того, эту процедуру можно легко выполнить. реализован на компьютере для выполнения автоматизированных расчетов намотки вращающихся электрических машин.Приведено несколько примеров для подтверждения предложенной процедуры.

    UR - http://hdl.handle.net/10447/284414

    UR - http://www.mdpi.com/1996-1073/11/2/446

    M3 - Артикул

    VL - 11

    SP - 1

    EP - 24

    JO - Energies

    JF - Energies

    SN - 1996-1073

    ER -

    КОМПЛЕКТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАШИНЫ - AUDI AG

    Изобретение относится к электрической машине, содержащей две электрические машины, каждая из которых имеет корпус, причем каждый корпус имеет машинное пространство с узлом ротор-статор и секцию резольверного пространства, образующую часть резольверного пространства, которое образовано между машиной. отсеков и изолированы от машинных пространств, при этом корпуса соединены между собой с их частями пространства резольвера, примыкающими друг к другу и дополняющими друг друга, чтобы сформировать пространство резольвера, в котором предусмотрены несколько элементов выравнивания давления, которые связаны с машинными отсеками и пространством резольвера. .

    Такая электрическая машина используется, например, в качестве привода заднего моста в автомобиле, приводимом в движение электродвигателем. Компоновка электрической машины включает две отдельные электрические машины, одна из которых приводит в движение правую вспомогательную ось и, следовательно, правое заднее колесо, а другая - левую вспомогательную ось и, следовательно, левое заднее колесо. Каждая электрическая машина имеет корпус, обычно изготовленный из литого металла, а узел ротор-статор размещен в углублении в форме горшка, образуя машинное пространство. Это пространство может быть омыто потоком охлаждающей жидкости для охлаждения электрической машины или рабочих компонентов. Чтобы создать замкнутое пространство для охлаждающей жидкости, которое является единообразным для компоновки электрической машины, корпуса крепятся друг к другу своими открытыми торцевыми поверхностями, так что, с одной стороны, пространство резольвера формируется и закрывается, а с одной стороны. с другой стороны, машинные помещения также взаимосвязаны. Обычно два узла ротор-статор связаны между собой общим валом ротора, через который может течь хладагент.

    Чтобы обеспечить выравнивание давления между внутренней частью корпуса и окружающей средой, предусмотрено множество элементов выравнивания давления. Таким образом, каждое машинное пространство может вентилироваться в окружающую среду посредством, по меньшей мере, одного элемента выравнивания давления, а пространство резольвера также может вентилироваться в окружающую среду посредством, по меньшей мере, одного элемента выравнивания давления. Элементы выравнивания давления расположены на боковой поверхности соответствующего корпуса. Элемент или элементы выравнивания давления, которые назначены пространству резольвера, расположены в области пересечения двух корпусов из-за того, что два корпуса геометрически идентичны, но расположены со смещением на 180 ° относительно друг друга.Следовательно, каждый элемент выравнивания давления представляет собой интерфейс с окружающей средой.

    Цель, которая составляет основу изобретения, состоит в том, чтобы указать улучшенное устройство электрической машины по сравнению с предшествующим уровнем техники.

    Для достижения этой цели в устройстве упомянутой выше электрической машины в соответствии с изобретением предусмотрено, что между резольверным пространством и, по меньшей мере, одним из прилегающих машинных пространств расположен элемент выравнивания давления, так что выравнивание давления происходит между пространством резольвера и связанным пространством машины.

    В отличие от того, что производилось ранее, выравнивание давления происходит не между пространством резольвера и окружающей средой, а скорее между пространством резольвера и, по крайней мере, одним из смежных машинных пространств. То есть элемент выравнивания давления расположен в перегородке, которая отделяет пространство резольвера от соседнего машинного пространства. Это означает, что количество интерфейсов с окружающей средой уменьшается, так как давление пространства резольвера фактически выравнивается внутри корпуса.Таким образом, любое избыточное давление в пространстве резольвера выравнивается по отношению к пространству машины, при этом любое избыточное давление, возможно, существующее там, может быть уравновешено относительно окружающей среды посредством элемента выравнивания давления на стороне пространства машины. Благодаря уменьшению сопряжения с внешней стороной, опасность попадания влаги внутрь узла через такой элемент выравнивания давления может быть уменьшена.

    Предпочтительно, чтобы пространство резольвера было соединено с обоими машинными пространствами, каждый раз с помощью соответствующего элемента выравнивания давления, так что возможна вентиляция в обоих машинных пространствах.

    В соответствии с особенно целесообразным усовершенствованием изобретения предусмотрено, что элемент выравнивания давления или оба элемента, которые соединяют пространство резольвера с машинным пространством или пространствами, расположены или расположены над секцией сбора просачивающейся воды, которая предусмотрена в пространство резольвера. Пространство резольвера образовано сборной секцией, расположенной внизу в пространстве резольвера, в которую любая текучая среда утечки, обычно охлаждающая жидкость, может поступать, например, через места подшипников, в которых валы ротора установлены на перегородке отделяя пространство резольвера от соседнего машинного пространства, можно собрать.Теперь, если элемент или элементы выравнивания давления расположены над этой сборной секцией в соответствии с изобретением, то, несмотря на вентилирование пространства резольвера в машинное пространство или пространства внутри корпуса, предотвращается любая утечка текучей среды из пространства резольвера или секция сбора может входить в соответствующее машинное пространство, то есть активное пространство, содержащее узел ротор-статор. То есть предотвращается утечка из пространства резольвера в машину или активное пространство или пространства.

    Как описано, каждое машинное пространство может вентилироваться в окружающую среду с помощью по меньшей мере одного элемента выравнивания давления. С точки зрения положения, элементы выравнивания давления целесообразно располагать в местах над линией брода, то есть линией, до которой транспортное средство может быть погружено в воду без нарушения его функции.

    Поскольку, как уже упоминалось, два корпуса машины идентичны и просто расположены в зеркальном отображении друг друга, конструкция корпуса должна правильно выбирать положение соответствующих отсеков, в которых расположены элементы выравнивания давления, так, чтобы В собранном состоянии элементы выравнивания давления расположены достаточно высоко.

    В этом случае целесообразно, чтобы элементы выравнивания давления, с помощью которых можно вентилировать машинные пространства, были расположены на взаимно противоположных торцевых поверхностях корпусов. Торцы корпусов закрываются соответствующими крышками корпуса. Эти крышки корпуса, которые, естественно, герметично закрываются соответствующими уплотнительными средствами или уплотнительными элементами - точно так же, как два корпуса плотно прилегают друг к другу в области центрального пересечения - могут быть легко оснащены соответствующими гнездами для одного или, возможно, также несколько элементов выравнивания давления для каждой половины машины, так что соответствующее расположение элементов выравнивания давления на соответствующей высоте корпуса может быть легко реализовано.

    В дополнение к самому устройству электрической машины изобретение также относится к механическому транспортному средству, содержащему такое устройство электрической машины, в частности, в качестве привода задней оси.

    Дополнительные преимущества и особенности изобретения появятся из примерного варианта осуществления, описанного ниже, а также на основе чертежа. В нем показаны:

    РИС. 1 схематическая диаграмма устройства электрической машины согласно первому варианту осуществления изобретения, а

    фиг.2 - схематическая диаграмма устройства электрической машины согласно второму варианту осуществления изобретения.

    РИС. На фиг.1 показана схематическая диаграмма устройства 1 электрической машины в соответствии с изобретением, содержащего первую электрическую машину 2 и вторую электрическую машину 3 . Каждая электрическая машина 2 , 3 имеет корпус 4 , 5 , в который помещен соответствующий узел ротор-статор 6 , 7 , содержащий статор 8 , 9 и ротор 10 , 11 в каждом случае.

    Каждый корпус 4 , 5 имеет более или менее форму горшка и открыт с одной стороны, так что каждый корпус 4 , 5 имеет машинное пространство 12 , 13 , в котором получен соответствующий узел ротор-статор 6 , 7 . Ротор 10 , 11 установлен, конечно, известным образом на соответствующем ведомом валу для приведения в движение соответствующего колеса, соединенного с ведомым валом. Он вращается внутри соответствующего статора 8 , 9 , как показано двойными стрелками P.

    На удаленных друг от друга торцах соответствующий корпус 4 , 5 имеет закрывающуюся крышку 14 , 15 . Оба корпуса 4 , 5 прилегают друг к другу своими прилегающими торцами 16 , 17 . В этой области два корпуса 4 , 5 сконфигурированы таким образом, что каждый корпус имеет секцию пространства резольвера 18 , 19 , две секции пространства резольвера 18 , 19 дополняют друг друга, образуя пространство резольвера 20 , расположенное посередине между двумя машинными пространствами 12 , 13 .Здесь, известным образом, принят механизм позиционного разрешения положения соответствующего ротора 10 , 11 относительно статора 8 , 9 .

    Основная конструкция и функция такой схемы электрической машины хорошо известны. ИНЖИР. 1 представляет собой чисто схематическую диаграмму, поясняющую основные компоненты.

    Представлены два элемента выравнивания давления 21 , 22 , которые связаны с двумя машинными пространствами 12 , 13 .В каждом случае показан один элемент выравнивания давления 21 , 22 , но, конечно, несколько таких элементов выравнивания давления также могут быть предусмотрены в соответствующих корпусах 4 , 5 , каждый из которых связан с одним из машинные отделения 12 , 13 . Элементы для выравнивания давления , 21, , 22, расположены в секциях окружных стенок корпуса 4 , 5 , то есть сверху и снизу.В корпусах 4 , 5 сформированы соответствующие розетки, в которых установлены соответствующие элементы выравнивания давления 21 , 22 . Здесь следует отметить, что два корпуса 4 , 5 идентичны по конструкции, но расположены в зеркальном отображении друг друга. То есть необходимо иметь на складе только один тип корпуса, чтобы сформировать устройство 1 электрической машины, причем корпуса 4 , 5 просто скомпонованы с перевернутыми торцевыми поверхностями 16 , 17 .Благодаря элементам выравнивания давления 21 , 22 любое избыточное давление внутри машинных пространств 12 , 13 может быть отведено в окружающую среду, т.е. может произойти вентиляция.

    Любое избыточное давление в пространстве резольвера 20 также может быть выровнено, но не с окружающей средой, как это было ранее, а вместо этого в одном из двух машинных пространств 12 , 13 . Для этого в соответствующей перегородке 23 , 24 расположен по меньшей мере один элемент выравнивания давления 25 , 24 , отделяющий пространство резольвера 20 от машинного пространства 12 или 13 . Благодаря элементам выравнивания давления 25 , 26 любое избыточное давление в пространстве резольвера 20 может рассеиваться либо в машинном пространстве 12 , либо в машинном пространстве 13 , а любое избыточное давление в соответствующем машинное пространство 12 , 13 затем может рассеиваться через элементы выравнивания давления 21 , 22 в окружающую среду. То есть пространство 20, резольвера вентилируется внутри корпуса, и интерфейс с окружающей средой не требуется, как это было раньше.Элементы для выравнивания давления , 25, , , 26, также расположены напротив друг друга благодаря тому, что два корпуса 4 , 5 идентичны, но расположены как зеркальные отражения друг друга.

    Кроме того, в пространстве резольвера 20 расположена секция 27 сбора любой протечки воды, которая может проникнуть в пространство резольвера из контура хладагента, который создается внутри устройства 1 электрической машины.Машинные пространства , 12, , , 13, связаны между собой, так что любые каналы охлаждающей жидкости или машинные пространства 12 , 13 сами дополняют друг друга или сообщаются друг с другом, так что охлаждающая жидкость может течь через каналы охлаждающей жидкости или машину. сами пространства 12 , 13 для охлаждения конкретного узла ротор-статор 6 , 7 . Хладагент может циркулировать только внутри корпусов 4 , 5 , то есть эти корпуса имеют более или менее общий замкнутый контур хладагента.Но также возможно подавать хладагент, например, в корпус 4 , слить его у корпуса 5 и подавать в охлаждающее устройство, из которого затем он снова подается в корпус 4 . То есть в этом случае электрическая машина 1 будет задействована во внешнем контуре хладагента. Посредством этого контура хладагента, внутреннего или внешнего, хладагент может проникать в герметичное пространство резольвера 20 , например, в местах подшипников, где валы ротора установлены, например, на стенках корпуса. 23 или 24 .Затем эта [охлаждающая жидкость] * собирается в области коллектора 27 . Очевидно, поскольку элемент для выравнивания более низкого давления , 26, расположен над этой сборной секцией , 27, , его расположение будет выгодно предотвращать попадание любой утечки жидкости из сборной секции , 27, через элемент выравнивания давления в соответствующее смежное машинное пространство . 12 , 13 .

    РИС. 2 показан вариант осуществления устройства 1 электрической машины в соответствии с изобретением, соответствующий варианту на фиг.1. Единственное отличие состоит в том, что в варианте осуществления по фиг. 2 два элемента выравнивания давления 21 , 22 расположены не на соответствующей цилиндрической части стенки корпуса 4 , 5 , а на крышке корпуса 14 , 15 , т.е. торец. Следовательно, по сравнению со сборкой, показанной на фиг. 1, они расположены несколько выше (в случае элемента уравнивания давления , 21, ) или ниже (в случае элемента уравнивания давления , 22, ) по сравнению с вариантом осуществления, показанным на фиг.1. Нижний элемент выравнивания давления 21 расположен в положении над линией брода 28 . Эта линия брода представляет собой высоту, до которой электрическая машина может перемещаться под водой без нарушения функциональности. Поскольку элемент 21 выравнивания давления расположен над этой линией брода 28 , предотвращается проникновение воды в соответствующее связанное с ним пространство машины, когда устройство 1 электрической машины погружено в воду над элементом 21 выравнивания давления.

    Emetor - Глоссарий

    Угол выдвижения В бесщеточной машине постоянного тока (BLDC) угол опережения определяет время коммутации тока по отношению к положению ротора.
    Диаметр воздушного зазора Диаметр от середины воздушного зазора до середины воздушного зазора на противоположной стороне.
    Толщина воздушного зазора Расстояние между поверхностью ротора и поверхностью статора.
    Средняя длина жилы Средняя длина проводника, включая длину концевой обмотки.
    Граничные условия в анализе методом конечных элементов Обсуждение различных возможных граничных условий и их значения
    Бесщеточный агрегат переменного тока Обсуждение того, как выбрать компоненты оси d и q синусоидальных трехфазных токов, питающих машину BLAC.
    Бесщеточный станок постоянного тока Обсуждение машин BLDC, соединенных звездой и треугольником.
    Пролет витка Пролет катушки - это расстояние между одним проводником определенной фазы и соответствующим обратным проводом.
    Концентрированная обмотка В Emetor обмотка называется сосредоточенной обмоткой, если количество пазов на полюс на фазу является дробным и строго меньше 1.
    Потери в проводнике Потери в проводниках возникают в результате джоулева нагрева электрических токов в проводниках обмоток электрических машин.
    Соединение треугольником, звезда Две разные возможности подключения трех фаз
    Размагничивание Потеря намагниченности постоянных магнитов из-за высоких температур или несоответствующих условий эксплуатации.
    Электрическая частота Электрическая частота - это основная частота тока и напряжения на клеммах машины, измеряемая в [Гц].
    Индуктивность рассеяния концевой обмотки Индуктивность утечки концевых витков обмотки.
    Обмотка с дробным пазом В Emetor обмотка называется обмоткой с дробными пазами, когда количество пазов на полюс на фазу дробное и превышает 1.
    Целочисленная обмотка Обмотка называется обмоткой с целым пазом, если количество пазов на полюс на фазу является целым числом.
    Толщина ламинации Толщина ламинированных листов железа в большинстве электрических машин колеблется от 0,05 до 0,5 мм. Выбор толщины ламинации зависит от баланса между производительностью и стоимостью.
    Наименьшее общее кратное между количеством полюсов и количеством слотов Это наименьшее значение, кратное количеству полюсов и количеству слотов.Это индикатор того, какого уровня крутящего момента можно ожидать.
    Длина станка Активная длина станка, то есть длина стальных сердечников статора и ротора.
    Угол магнита Угол наклона магнита указывается в электрических градусах и определяет ширину постоянных магнитов поверхностного монтажа.
    Магнитодвижущая сила Магнитодвижущая сила, часто сокращенно MMF, - это любая физическая движущая сила, такая как ток в катушке, которая создает магнитный поток.
    Радиус магнита Радиус поверхности магнита хлеба.
    Толщина магнита Толщина магнита - это параметр геометрического шаблона в Emetor, который определяет толщину постоянных магнитов в их середине.
    Ширина магнита Ширина магнита хлеба.
    Механическая скорость Механическая скорость - это скорость ротора, измеряемая в [об / мин] или [1 / с].
    Отрицательная периодичность магнитного поля Машины с концентрированными обмотками и отрицательной магнитной периодичностью можно моделировать намного быстрее благодаря тому, что моделируемое поперечное сечение можно разрезать пополам.
    Количество проводников на гнездо Определяет, сколько проводников помещается в один слот.
    Количество параллельных путей Обмотку электрической машины можно разделить на определенное количество параллельных цепей, чтобы отрегулировать номинальные значения напряжения и тока в соответствии с характеристиками конкретного источника питания.
    Количество разъемов на полюс на фазу Количество пазов на полюс на фазу определяет расположение обмоток. Также раскрывается информация о коэффициенте намотки и его гармониках.
    Количество слоев намотки Количество слоев указывает количество различных катушек в слоте.
    Число симметрий обмотки Число симметрий обмотки указывает количество симметрий вращения в схеме обмотки.Это также указывает на периодичность машины.
    Фазное сопротивление Электрическое сопротивление проводов обмотки в одной фазе.
    Допуски для постоянного магнита Постоянные магниты не только различаются по магнитному моменту и направлению намагничивания, их свойства также могут значительно отличаться в зависимости от размера и формы реального магнита.
    Фазное напряжение Напряжение на фазной обмотке.
    Коэффициент мощности Соотношение активной и полной мощности.
    Уменьшение пролета змеевика Это значение выражает уменьшение диапазона катушки по сравнению с полным шагом. Чем больше уменьшение размаха катушки, тем короче конечные витки вашей обмотки.
    Диаметр вала Диаметр вала в Emetor - это диаметр отверстия в железных пластинах, в которых находится вал.
    Коэффициент заполнения паза Отношение между площадью поперечного сечения всех проводников в одном слоте и всей площадью сечения.
    Ширина прорези Ширина прорези - это расстояние между двумя вершинами зуба.
    Коэффициент заполнения Коэффициент штабелирования - это соотношение электротехнической стали по осевой длине железного сердечника.
    Температура проводников Температура проводника - это ввод, необходимый для расчета потерь в проводнике и, следовательно, КПД машины.
    Ширина зуба Ширина зубцов статора.
    Пульсация крутящего момента Пульсация крутящего момента в электрических машинах вызывается многими факторами, такими как зубцовый крутящий момент, взаимодействие между MMF и гармониками потока в воздушном зазоре или механический дисбаланс, например эксцентриситет ротора.
    Несимметричная обмотка Неуравновешенная обмотка имеет комбинацию количества полюсов и количества пазов, что не позволяет расположить катушки таким образом, чтобы они образовывали симметричную систему с одинаково сдвинутыми во времени по фазе ЭДС одинаковой величины, частоты и формы волны.
    Коэффициент намотки Коэффициент намотки для конкретной обмотки выражает отношение магнитного потока, связанного с этой обмоткой, по сравнению с магнитным потоком, который был бы связан однослойной обмоткой с целым пазом без перекоса полного шага с таким же количеством витков и одним пазом. на полюс на фазу. Крутящий момент электродвигателя пропорционален основному коэффициенту обмотки.
    Схема обмотки Схема обмотки - это расположение катушек каждой фазы в пазах.

    Что такое машина постоянного тока? Базовая конструкция и эквивалентная схема

    A DC Machine - это электромеханическое устройство преобразования энергии . Есть два типа машин постоянного тока; один из них - это генератор постоянного тока , а другой известен как двигатель постоянного тока .

    Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию (ωT) в электрическую энергию постоянного тока (EI), тогда как двигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую. Электродвигатель переменного тока неизменно применяется в промышленности для преобразования электроэнергии в механическую, но там, где требуется широкий диапазон скоростей и хорошее регулирование скорости, например, в системах электрической тяги, используется электродвигатель постоянного тока.

    Конструкция двигателя постоянного тока и генератора почти одинакова. Генератор используется очень защищенным способом. Отсюда и есть открытый тип конструкции. Но двигатель используется в местах, где они подвергаются воздействию пыли и влаги, и, следовательно, для него требуются кожухи, например, грязеотталкивающие, огнестойкие и т. Д. В соответствии с требованиями.

    Хотя аккумулятор является важным источником электроэнергии постоянного тока, он может обеспечивать только ограниченную мощность для любых машин. Есть некоторые области применения, где требуется большое количество энергии постоянного тока, например гальваника, электролиз и т. Д.Следовательно, в таких местах для подачи энергии используются генераторы постоянного тока.

    Базовая конструкция электрических машин

    Вращающаяся электрическая машина или машина постоянного тока состоит в основном из двух частей; один - Stator , а другой - Rotar . Статор и ротор отделены друг от друга воздушным зазором. Статор является внешней рамой машины и неподвижен. Ротор может свободно двигаться и является внутренней частью машины.

    Статор и ротор изготовлены из ферромагнитных материалов.Прорези прорезаны на внутренней периферии статора и внешней периферии ротора. Проводники помещаются в пазы статора или ротора. Они соединены между собой и образуют обмотки.

    Обмотки, в которых индуцируется напряжение, называются обмотками якоря . Обмотка, через которую пропускается ток для создания основного потока, называется обмоткой возбуждения . Для обеспечения основного потока в некоторых машинах также используются постоянные магниты.

    Эквивалентная схема якоря машины постоянного тока

    Якорь генератора постоянного тока может быть представлен эквивалентной электрической схемой.Он может быть представлен тремя последовательно соединенными элементами E, Ra и Vb.

    Эквивалентная схема якоря генератора постоянного тока показана ниже на рисунке:

    Эквивалентная схема якоря двигателя постоянного тока показана ниже на рисунке:

    Элемент E на схемах эквивалентных схем представляет собой генерируемое напряжение, Ra - сопротивление якоря, а Vb - падение напряжения на контакте щетки.

    Электрические машины - генераторы и двигатели | Электродинамика

    11.2 Электрические машины - генераторы и двигатели (ESCQ4)

    Мы видели, что когда проводник перемещается в магнитном поле или когда перемещается магнит около проводника в проводнике течет ток. Величина тока зависит от:

    • скорость, с которой проводник испытывает изменяющееся магнитное поле,
    • количество витков, составляющих проводник, и
    • положение плоскости проводника по отношению к магнитному поле.
    Влияние ориентации проводника относительно магнитного поля проиллюстрирован на рисунке 11.1.

    Рисунок 11.1: Серия рисунков, показывающих, что магнитный поток через проводник зависит от от угла, который плоскость проводника составляет с магнитным полем. Величайший поток проходит через проводник, когда плоскость проводника перпендикулярна силовые линии магнитного поля, как на Рисунке 11.1 (а).Номер силовых линий, проходящих через проводник, уменьшается, так как проводник вращается до тех пор, пока он параллелен магнитному полю Рис. 11.1 (c).

    Если наведенная ЭДС и ток в проводнике были представлены как функция угла между плоскостью проводника и магнитным полем для проводника, имеющего постоянной скорости вращения, то наведенные ЭДС и ток будут варьируются, как показано на рисунке 11.2. Ток чередуется около нуля и известен как переменный ток (сокращенно AC).

    Рисунок 11.2: Изменение наведенной ЭДС и тока как угол между плоскостью проводника и проводником. магнитное поле изменяется.

    Угол изменяется как функция времени, поэтому приведенные выше графики могут быть нанесены на временную ось. также.

    Вспомните закон Фарадея, о котором вы узнали в 11 классе:

    Закон Фарадея

    ЭДС, \ (\ mathcal {E} \), индуцированный вокруг одиночной петли проводника, пропорционален скорость изменения магнитного потока φ через площадь, \ (A \) петли.Математически это можно выразить как:

    \ [\ mathcal {E} = -N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \]

    где \ (\ phi = B · A \ cos \ theta \) и \ (B \) - сила магнитного поля.

    Закон Фарадея связывает наведенную ЭДС со скоростью изменения магнитного потока, который является произведением напряженности магнитного поля и поперечного сечения область, через которую проходят силовые линии. Площадь поперечного сечения изменяется при вращении петли проводника. что дает фактор \ (\ cos \ theta \).\ (\ theta \) - угол между нормаль к поверхности витка проводника и магнитному полю. Когда проводник замкнутого контура меняет ориентацию относительно магнитного поля, величина магнитного потока, проходящего через область контура, изменяется, и в проводящем контуре индуцируется ЭДС.

    Электрогенераторы (ESCQ5)

    Генераторы переменного тока (ESCQ6)

    Используется принцип вращения проводника в магнитном поле для генерации тока. в электрических генераторах.Генератор преобразует механическую энергию (движение) в электрическую.

    Генератор

    Генератор - это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.

    Схема простого генератора переменного тока показана на рисунке 11.3. Проводник представляет собой катушку с проволокой, помещенную в магнитное поле. В проводник вручную вращается в магнитном поле. Это порождает чередование ЭДС.Переменный ток нужно передать от проводника к нагрузке, это система, для функционирования которой требуется электрическая энергия.

    Нагрузка и проводник соединены контактным кольцом. Скользящее кольцо это соединитель, который может передавать электричество между вращающимися частями машины. Он состоит из кольца и щеток, одна из которых неподвижна. по отношению к другому. Здесь кольцо прикрепляется к проводнику и щеткам. прикреплены к нагрузке.Ток генерируется во вращающемся проводнике, проходит в контактные кольца, которые вращаются против щеток. Ток передается через щетки в нагрузку, и, таким образом, система получает питание.

    Рисунок 11.3: Схема генератора переменного тока.

    Направление течения меняется с каждым пол-оборотом катушки. Когда одна сторона петли переходит в другую полюс магнитного поля, ток в контуре меняет направление.Этот тип тока, который меняет направление, известен как переменный. current, а на рис. 11.4 показано, как это происходит. как проводник вращается.

    Рисунок 11.4: Красные (сплошные) точки обозначают ток, исходящий со страницы, а крестики показывают текущий ток. переходя на страницу. Генераторы переменного тока

    также известны как генераторы переменного тока. Они используются в легковых автомобилях для зарядки автомобильного аккумулятора.

    Генератор постоянного тока (ESCQ7)

    Простой генератор постоянного тока устроен так же, как генератор переменного тока, за исключением того, что представляет собой одно контактное кольцо, которое разделено на две части, называемые коммутатором, поэтому ток в внешняя цепь не меняет направление.Схема генератора постоянного тока показана на Рисунок 11.5. Коммутатор с разъемным кольцом учитывает изменение направление тока в контуре, создавая тем самым постоянный ток (DC), проходящий через щетки и в цепь. Ток в петле меняет направление, но если вы посмотрите Внимательно изучив 2D-изображение, вы увидите, что секция коммутатора с разъемным кольцом также изменилась. какой стороны цепи он касается. Если ток меняет направление одновременно что коммутатор меняет местами стороны внешней цепи всегда будет иметь ток, идущий в в том же направлении.

    Рисунок 11.5: Схема генератора постоянного тока.

    Форма ЭДС от генератора постоянного тока показана на рисунке 11.6. ЭДС не является постоянной, но представляет собой абсолютное значение синусоидальной / косинусоидальной волны.

    Рисунок 11.6: Изменение ЭДС в генераторе постоянного тока.

    Генераторы переменного и постоянного тока (ESCQ8)

    Проблемы, связанные с замыканием и разрывом электрического контакта с движущейся катушкой, - это искрение и нагрев, особенно если генератор вращается с высокой скоростью.Если атмосфера, окружающая машину, содержит легковоспламеняющиеся или взрывоопасные пары, практические проблемы искрообразования щеточных контактов еще больше.

    Если вращается магнитное поле, а не катушка / проводник, то в генераторе переменного тока (генераторе) не нужны щетки, поэтому у генератора переменного тока не будет тех же проблем, что и у генераторов постоянного тока. Те же преимущества переменного по сравнению с постоянным током для конструкции генератора применимы и к электродвигателям. В то время как электродвигатели постоянного тока нуждаются в щетках для электрического контакта с движущимися катушками провода, электродвигатели переменного тока этого не делают.Фактически, конструкции двигателей переменного и постоянного тока очень похожи на их аналоги-генераторы. Электродвигатель переменного тока зависит от реверсивного магнитного поля, создаваемого переменным током через его неподвижные катушки с проволокой, заставляющими магнит вращаться. Двигатель постоянного тока зависит от замыкания и размыкания щеточных контактов. соединения для обратного тока через вращающуюся катушку каждые 1/2 оборота (180 градусов).

    Электродвигатели (ESCQ9)

    Основные принципы работы электродвигателя такие же, как и у генератора, за исключением того, что электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию (движение).

    Электродвигатель

    Электродвигатель - это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую.

    Если поместить движущуюся заряженную частицу в магнитное поле, она испытал бы силу, называемую силой Лоренца .

    Сила Лоренца

    Сила Лоренца - это сила, испытываемая движущейся заряженной частицей в электрическом и магнитное поле.{-1} $} \)) и \ (B \) - напряженность магнитного поля (в теслах, Тл).

    На этой диаграмме показано движение положительного заряда между двумя противоположными полюсами магнитов. В направление движения заряда указано оранжевой стрелкой. Он испытает Сила Лоренца, которая будет направлена ​​зеленой стрелкой.

    Токоведущий провод, в котором ток идет в направлении оранжевого стрелка, также будет испытывать магнитную силу, зеленая стрелка, из-за Лоренца сила на движущиеся отдельные заряды в текущем потоке.

    Если направление тока обратное для того же направления магнитного поля, то направление магнитной силы также будет обратным, как показано на этой диаграмме.

    Мы можем, если есть два параллельных проводника с током в противоположных направлениях. будут испытывать магнитные силы в противоположных направлениях.

    Электродвигатель работает за счет использования источника ЭДС, заставляя ток течь по петле проводник так, чтобы сила Лоренца на противоположных сторонах петли была противоположной направления, которые могут вызвать вращение петли вокруг центральной оси.

    Сила, действующая на проводник с током из-за магнитного поля, называется законом Ампера.

    Направление магнитной силы перпендикулярно обоим направлениям потока тока и направления магнитного поля и можно найти используя Правило для правой руки , как показано на рисунке ниже. Используйте ваш правая ; ваш первый палец указывает в сторону ток, второй палец по направлению магнитного поля и большой палец будет указывать в направлении силы.

    И двигатели, и генераторы можно объяснить с помощью катушки, вращающейся в магнитном поле. В генераторе катушка присоединена к внешней цепи, которая вращается, что приводит к изменению потока, вызывающему ЭДС. В двигателе катушка с током в магнитном поле испытывает силу с обеих сторон катушки, создавая крутящую силу (называемую крутящим моментом , , произносится как «разговор»), которая заставляет ее вращаться.

    Если используется переменный ток, для создания двигателя переменного тока требуются два контактных кольца.Двигатель переменного тока показан на рисунке 11.7

    Рисунок 11.7: Схема двигателя переменного тока.

    Если используется постоянный ток, для создания двигателя постоянного тока требуются коммутаторы с разъемным кольцом. Это показано на рисунке 11.8.

    Рисунок 11.8: Схема двигателя постоянного тока.

    Реальные приложения (ESCQB)

    Автомобили

    В автомобиле есть генератор. Когда двигатель автомобиля работает, Генератор заряжает аккумулятор и питает электрическую систему автомобиля.

    Генераторы

    Постарайтесь выяснить различные значения тока, производимые генераторами переменного тока для разных типов машин. Сравните их, чтобы понять, какие числа имеют смысл в реальном мире. Вы найдете разные значения для автомобилей, грузовиков, автобусов, лодок и т. Д. Попытайтесь выяснить, какие другие машины могут иметь генераторы переменного тока.

    Автомобиль также содержит электродвигатель постоянного тока, стартер, который вращает двигатель и запускает его. Стартер состоит из очень мощного электродвигателя постоянного тока и соленоида стартера, прикрепленного к двигателю.Стартерному двигателю требуется очень большой ток для запуска двигателя, и он соединен с аккумулятором с помощью больших кабелей для передачи большого тока.

    Производство электроэнергии

    Для производства электроэнергии для массового распределения (в дома, офисы, фабрики и т. д.) обычно используются генераторы переменного тока. Электроэнергия, производимая массивными Электростанции обычно имеют низкое напряжение, которое преобразуется в высокое напряжение. это эффективнее распределять электроэнергию на большие расстояния в виде высоких напряжение в линиях электропередач.

    Затем высокое напряжение снижается до 240 В для потребления в домах и офисах. Этот обычно делается в пределах нескольких километров от того места, где он будет использоваться.

    Рисунок 11.9: Генераторы переменного тока используются на электростанциях (все типы, гидро- и угольные станции) для выработки электроэнергии.

    Зарегистрируйтесь, чтобы получить стипендию и возможности карьерного роста. Используйте практику Сиявулы, чтобы получить наилучшие возможные оценки.

    Зарегистрируйтесь, чтобы разблокировать свое будущее

    Генераторы и двигатели

    Упражнение 11.1

    Укажите разницу между генератором и двигателем.

    Электрический генератор - это механическое устройство для преобразования энергии источника в электрическую.

    Электродвигатель - это механическое устройство для преобразования электрической энергии из источника в энергию другого вида.

    Используйте закон Фарадея, чтобы объяснить, почему в катушке, вращающейся в магнитном поле, индуцируется ток.

    Закон Фарадея гласит, что изменяющийся магнитный поток может индуцировать ЭДС, когда катушка вращается в магнитном поле. Вращение может изменять магнитный поток, тем самым вызывая ЭДС.

    Если вращение катушки такое, что поток не меняется, т.е. поверхность катушки остается параллельно магнитному полю, то наведенной ЭДС не будет.

    Объясните основной принцип работы генератора переменного тока, в котором катушка механически вращается в магнитном поле.Нарисуйте диаграмму, подтверждающую ваш ответ.

    Решение пока недоступно

    Объясните, как работает генератор постоянного тока. Нарисуйте диаграмму, подтверждающую ваш ответ. Также опишите, чем генератор постоянного тока отличается от генератора переменного тока.

    Решение пока недоступно

    Объясните, почему катушка с током, помещенная в магнитное поле (но не параллельно полю), будет вращаться. Обратитесь к силе, действующей на движущиеся заряды со стороны магнитного поля и крутящего момента на катушке.

    Катушка с током в магнитном поле испытывает силу с обеих сторон катушки, которая не параллельно магнитному полю, создавая крутящую силу (называемую крутящим моментом), которая заставляет его вращаться. Любая катушка, по которой проходит ток, может чувствовать силу в магнитном поле. Сила обусловлена Магнитная составляющая силы Лоренца на движущихся зарядах в проводнике, называемая законом Ампера. Сила на противоположных сторонах катушки будет в противоположных направлениях, потому что заряды движется в противоположных направлениях.

    Объясните основной принцип работы электродвигателя. Нарисуйте диаграмму, подтверждающую ваш ответ.

    Решение пока недоступно

    Приведите примеры использования генераторов переменного и постоянного тока.

    Автомобили (как переменного, так и постоянного тока), производство электроэнергии (только переменного тока), везде, где требуется электропитание.

    Приведите примеры использования двигателей.

    Насосы, вентиляторы, бытовая техника, электроинструменты, бытовая техника, оргтехника.

    Базовое руководство по проектированию электродвигателей

    Инженеры-проектировщики должны учитывать каждый компонент, который будет занимать ограниченное пространство паза статора. Это означает измерение площади поперечного сечения каждого элемента, умножение этой площади на количество раз, которое элемент помещается в слот (например, количество витков медной катушки), добавление общей площади всех элементов и деление полученного результата. по доступной площади в слоте.

    Формулу можно выразить следующим образом:

    Общее заполнение прорези включает площадь поперечного сечения всех материалов, входящих в прорезь: проволока, вкладыши, клинья и т. Д. Чтобы рассчитать общее заполнение прорези, инженер начнет с определение общей площади пустого слота. CAD-модель ламинации или геометрии прорези иногда может обеспечить это измерение.

    Чтобы определить максимальный полный уровень для слота, инженер должен решить, где закрыть отверстие слота.Часто это точка, в которой ножка зуба начинает выходить из самого зуба. Площадь фактического открытия слота обычно не включается; здесь клин будет перекрывать отверстие. Клин удерживается на месте основанием зуба, чтобы проволока удерживалась в прорези.

    • Площадь поперечного сечения незащищенного паза:

    Как только площадь неизолированного паза известна, инженер определяет площадь всех изоляционных материалов, добавляя площадь поперечного сечения каждого куска материала.Для изоляторов, таких как ламинат Nomex или Nomex Kapton, это можно рассчитать, исходя из длины и номинальной толщины материала. Для порошковой изоляции можно использовать толщину, указанную производителем. Это может варьироваться в зависимости от геометрии ламелей, материала покрытия и размера детали.

    Поскольку точные размеры трудно измерить, производители склонны делать консервативные оценки. Например, при оценке размера разделителя фаз при изготовлении двигателей по индивидуальному заказу инженеры хотят убедиться, что разделитель фаз полностью разделяет две фазы, которые разделяют один и тот же слот, но размещение границы между катушками будет зависеть от прокладки провода.Если размер материала слишком велик для обеспечения полного покрытия, он также занимает большую площадь прорези.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *