МИНОБРНАУКИ РОССИИ

________________________________________

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет «ЛЭТИ»

______________________________________

М.А.ВАГАНОВ

Основы электромеханики Учебное пособие Электромагнитные силы и моменты в электромеханике

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2010

УДК 621.313

ББК

В

Ваганов М.А. Электромагнитнаые силы и моменты в электромеханике. Учебное пособие по дисциплине «Основы электромеханики»

СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. 90с.

Рассмотрены принципиальные положения электромеханики: электромагнитная индукция, магнитодвижущие силы и электромагнитные силы и моменты, на которых базируется принцип действия электрических машин.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» по профилю подготовки «Электромеханика»

УДК 621.313

Рецензенты: кафедра электротехники и электромеханики СЗТУ; ведущий инженер Д.Г. Рудаков ОАО «Силовые машины»

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,2010

Введение

Электромеханика является одним из разделов физики, в котором рассматривается электромеханическое преобразование энергии. Это электромеханическое преобразование энергии происходит в электрических машинах (ЭМ).

В свою очередь, электромеханика является фундаментальной наукой, базирующейся на трёх принципиальных законах.

Первый закон. Электромеханическое преобразование энергии, как и преобразование других видов энергии, не может осуществляться с КПД = =100%. Это значит, что электромеханическое преобразование энергии в электрических машинах всегда сопровождается потерями энергии, которые в конечном итоге преобразуются в тепловую энергию, обуславливающую нагревание элементов конструкции электрических машин. К числу таких потерь относятся электрические потери в токоведущих частях, магнитные потери в магнитной системе, а также механические потери в узлах трения. КПД электрических машин возрастает с увеличением их мощности и при значительных мощностях достигает 99%. В ЭМ мощностью несколько ватт КПД может составлять всего несколько процентов.

Невозможно создать электрическую машину, в которой вся энергия преобразовывалась бы из электрической в механическую или, наоборот, из электрической в механическую, т.е. преобразование не сопровождалось потерями энергии. Чтобы в электрической машине отсутствовали потери энергии, она должна быть выполнена без стали, с токоведущими частями, выполненными из сверхпроводниковых материалов и без механических потерь. Практически такое электромеханическое устройство построить можно, однако оно будет не электромеханическим преобразователем, а лишь накопителем энергии.

Накопители по своей конструкции близки к электрическим машинам. Примером такого накопителя может служить гироскоп со сверпроводящими обмотками. Это электрическая машина, которая могла бы вращаться бесконечно долго, так как в ней практически отсутствуют потери. Но если к её валу приложить момент сопротивления, то она остановится.

Процессы, сопровождающие электромеханическое преобразование энергии в ЭМ, происходят в замкнутых проводниковых контурах, имеющих конечное электрическое сопротивление. В соответствии с этим электромеханика – это наука о замкнутых контурах, относительно которых и составляются математические модели, адекватно отражающие процессы, происходящие в машине.

Второй закон. Все электрические машины обратимы, т.е. они могут работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Эта способность электрической машины работать в двух режимах без какой-либо переналадки её, является важнейшим преимуществом по сравнению с другими типами преобразователей (паровые турбины, дизели, реактивные двигатели и т.д.). Так, например, двигатель электровоза при ускорении состава потребляет электрическую энергию из сети и работает в двигательном режиме, а при торможении – отдаёт электрическую энергию в сеть, работая в генераторном режиме.

В индуктивных электрических машинах преобразование энергии происходит в среде магнитного поля и при его участии. Особенностью электромеханического преобразования энергии в электрических машинах такого типа является то, что данное магнитное поле непосредственно участвует в процессе преобразования энергии (явления электромагнитной индукции и электромагнитной силы), но при этом оно не расходуется, т.е. нет необходимости непрерывно вводить магнитное поле в электрическую машину (например, электрические машины с постоянными магнитами). Магнитное поле в индуктивных электрических машинах является носителем или концентратором электромагнитной энергии.

Третий закон. Электромеханическое преобразование энергии осуществляется магнитными полями, неподвижными друг относительно друга. Неподвижные друг относительно друга магнитные поля статора и ротора создают в воздушном зазоре результирующее магнитное поле, обусловливающее знакопостоянный в течение одного оборота электромагнитный момент. Электрическая машина, в которой эти магнитные поля перемещаются друг относительно друга, электромагнитный момент не создаёт.

В синхронных машинах многофазная обмотка статора создаёт вращающееся с синхронной скоростью магнитное поле. Ротор этой машины вращается тоже с синхронной скоростью. Но в обмотке ротора проходит постоянный ток и магнитное поле, созданное этим током, неподвижно относительно ротора, и поэтому вращается вместе с ним с синхронной скоростью, т.е. магнитные поля статора и ротора в синхронной машине взаимно неподвижны.

В машине постоянного тока в обмотке возбуждения, расположенной на неподвижной станине, проходит постоянный ток и поэтому магнитное поле обмотки возбуждения неподвижно в пространстве. Магнитное поле, созданное вращающейся обмоткой якоря также неподвижно в пространстве. В результате в машине постоянного тока магнитные поля, созданные вращающейся и неподвижной частями машины, оказываются взаимно неподвижными, т.е. имеют одинаковые нулевые скорости вращения.

Несколько более сложной является картина в асинхронных машинах, в которых многофазная обмотка статора, как и в синхронных машинах, создаёт вращающееся с синхронной скоростью магнитное поле. Ротор асинхронной машины вращается со скоростью меньшей синхронной и в обмотке ротора индуцируется ЭДС частоты скольжения, создающая ток такой же частоты. Поэтому магнитное поле обмотки ротора вращается относительно ротора, но абсолютная скорость вращения магнитного поля обмотки ротора в пространстве равна синхронной. Таким образом, и в асинхронной машине магнитные поля статора и ротора взаимно неподвижны.

Этому принципу взаимной неподвижности магнитных полей подчиняются и трансформаторы, в которых первичная и вторичная обмотки закреплены на стержнях магнитной системы, но частоты токов в этих обмотках одинаковы, Поэтому можно считать, что максимум пульсирующего потока в магнитной системе перемещается с одинаковой частотой относительно первичной и вторичной обмоток. Однако следует отметить, что представление о неподвижности полей в трансформаторах при анализе процессов преобразования энергии принципиального значения не имеет, так как в трансформаторах электрическая энергия преобразуется в электрическую.