I. Электрические машины – Электромеханические преобразователи энергии

Подавляющее большинство электромеханических преобразователей имеют вращательное движение. Обычно в электрических машинах имеет место взаимное перемещение проводников, в которых проходит электрический ток.

В электромеханических преобразователях энергии, взаимно перемещающиеся части разделены воздушным зазором. В воздушном зазоре сосредоточена энергия электромагнитного поля, связывающего вращающуюся и неподвижную обмотки. Именно в воздушном зазоре происходит преобразование энергии из электрической в механическую и обратно.

История развития электромеханики свидетельствует о существовании двух крайних подходов к теории электромеханического преобразования энергии: на базе теории поля и теории цепей. Теория поля развивается на основе уравнений Максвелла, а теория цепей – на основе уравнений Кирхгофа.

Третий, наиболее прогрессивный подход к анализу процессов электромеханического преобразования энергии – комбинированный подход, сочетающий теорию поля и теорию цепей. Магнитное поле не отделимо от токов, его создающих, а токи не могут существовать без магнитного поля. Третий метод, объединяющий два фундаментальных метода, и составляет теоретическую основу, когда исходя, из картины поля в воздушном зазоре записывают уравнения напряжений, а через токи или потокосцепления выражаются уравнения электромагнитного момента.

Электромеханическое преобразование энергии в индуктивных электрических машин происходит в воздушном зазоре – пространстве, где сосредоточена энергия магнитного поля. Зная картину поля, можно определить напряжение, токи, моменты, потери, электрические параметры и другие величины в установившемся и переходных процессах.

Однако определить магнитное поле в любом электромеханическом преобразователе – трудная задача, решить которую сложно даже с помощью вычислительной техники.

Преобразование энергии из электрической в механическую и обратно невозможно без участия электромагнитного поля. В машине должен быть воздушный немагнитный зазор, в котором создается поле, обеспечивающее накопление магнитной энергии, численно равной преобразуемой энергии.

При электромеханическом преобразовании энергии одно поле должно быть неподвижно относительно другого.

Энергия магнитного поля W_м=1/2 BH, если магнитное поле создается N токами, через патокосцепления и токи, энергия поля определится : . Для магнитной цепи с воздушным зазором, что имеет место в электрических машинах, магнитную энергию можно определить через н.с. F и поток :

или через магнитное сопротивление и магнитную проводимость , тогда в линейной системе .

Зная магнитную энергию, можно для линейной системы определить силу тяжения, которая определяет момент.

; или .

Можно эту силу определить и через изменения н.с. F, , и по изменению индуктивности , так как L связана с магнитной проводимостью через геометрию магнитной системы. Из последнего уравнения видно, что изменение индуктивности необходимо для электромеханического преобразования энергии. Из выше перечисленных уравнений следует, что для электромеханического преобразования энергии необходимо, чтобы среди была хотя бы одна переменная. При этом может изменяться либо один параметр, либо одновременно несколько.

I-1.Математическое описание электромеханического преобразования энергии в электрических машинах.

Рассмотрим вращающуюся индуктивную машину с произвольным числом S обмоток, размещенных в позах статора и ротора.

Электромагнитные процессы в индуктивной машине описывается системой уравнений Кирхгофа для контуров обмоток и уравнениями движения ротора.

Потокосцепление Кирхгофского контура может быть выражено через токи в обмотках