1.3 Законы электромеханики.
Электромеханика является одним из разделом физики, в котором рассматривается электромеханическое преобразование энергии. В электрических машинах осуществляется техническое применение законов электромеханического преобразования энергии.
Электромеханика является фундаментальной наукой для которой могут быть сформулированы законы. Таких законов три:
Первый закон. Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляется с КПД, равным 100%
Созданы электрические машины с КПД, равным 99%, а в трансформаторах 99,8%. Такие высокие КПД являются исключительным достижением. Следует иметь в виду, что такие высокие КПД относятся к машинам большой мощности.
Второй закон. Все электрические машины обратимы, т.е. они могут работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. Работа электрической машины в двух режимах является важным преимуществом электромеханических преобразователей энергии перед другими преобразователями энергии (дизели, паровые двигатели, двигатели внутреннего сгорания и др.). Одна и та же электрическая машина может работать и в двигательном, и в генераторном режиме. Например, двигатель электровоза при ускорении состава забирает энергию из сети и работает в двигательном режиме, а при торможении отдает энергию в сеть, работая в генераторном режиме.
Третий закон. Электромеханическое преобразование энергии осуществляется магнитными полями, неподвижными друг относительно друга.
Неподвижно
друг относительно друга поля ротора и
статора в электрической машине в его
воздушном зазоре создают результирующее
поле и электромагнитный момент,
определяемый выражение 
где
угловая скорость поля, 
– электромагнитная мощность магнитного
поля, сконцентрированная в воздушном
зазоре.
Обмотки электрической машины выполняется таким образом, что при протекания по ним токов в воздушном зазоре создается вращающееся магнитное поле. При проектирование электрические машины стараются получить в воздушном зазоре круговое поле которое содержит только одну гармонику. Такое поле называется синусоидальным.
1.4 Сердечники магнитопроводов электрических машин.
Магнитопровод электрических машин выполняется из электротехнических сталей. Назначение магнитопроводов замыкание магнитных силовых линий. Они формируют и локализируют магнитный поток. Для уменьшения потерь на нагревание, магнитопроводы электрических машин делают не сплошными, а изготавливают из тонких пластин, отделенных одна от другой слоями изолятора, и устанавливают их так, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластик. В свою очередь электротехническая сталь должна иметь хорошие магнитные свойства (большая магнитная проницаемость), но низкую электрическую проводимость. Для этого широко применяются в сплавах железа присадки кремния. Большое значение имеет площадь петли гистерезиса. При переменном магнитном поле необходимо применять материал с малой площадью петли гистерезиса.
1.5 Обмотки электрических машин.
Обмотки – это контуры, по которым протекают токи, создающие магнитное поле машины, необходимое для преобразования энергии. В электрических машинах применяются обмотки переменного и постоянного тока. Конструкции весьма разнообразны.
Обмотки электрических машин – одна из главных частей машины, и от того, как спроектированы, во многом зависят основные электрические и массогабаритные характеристики машин.
При выполнении обмоток необходимо обеспечить механическую и электрическую прочность, достаточную нагревостойкость, технологичность изготовления и удобство ремонта. Обмотки должны иметь минимальную массу. Они должны надежно работать при наилучших показателях машины.
Элементом обмотки являются виток, состоящий из двух последовательно соединенных проводников. Группа витков, соединенных между собой и имеющих общую изоляцию от магнитопровода, называется катушкой.
Совокупность катушек, присоединенных к внешней цепи, называется фазной обмоткой.
Обмотка электрической машины может быть однофазной или многофазной, состоящей из нескольких разных обмоток. Наибольшее распространение получили симметричные трехфазные обмотки в соответствии с применяемой в промышленности трехфазной системой переменного тока.
По характеру потокосцеплений витков обмотки можно разделить на сосредоточенные и распределенные.
В сосредоточенных обмотках практически все витки имеют одинаковые потокосцепления с полем взаимной индукции. Это обмотки трансформаторов, обмотки возбуждения явнополюсных синхронных машин и машин постоянного тока.
Сосредоточенные (или катушечные) обмотки выполняются из круглого или прямоугольного провода при намотке витков плашмя или на ребро.
В распределенных обмотках в каждой момент времени из – за различного расположения витков в магнитном поле потокосцепления витков обмотки различны. К распределенным обмоткам относятся обмотки якорей машин, постоянного и переменного тока, роторов асинхронных машин компенсационные и специальные машины.
В распределенных обмотках, независимо от количества витков в катушке она имеет только две активные стороны, по торцам магнитопровода (сердечника) части катушки называются лобовыми.
Стороны катушек в пазах магнитопровода укладываются в один или в два слоя. В первом случае сторона катушки занимает полностью паз и такая обмотка называется однослойной. Во втором случае в пазу размещается стороны двух катушек и обмотка называется двухслойной.
В особых случаях возможна укладка сторон катушек и в три слоя.
Двухслойные обмотки применяют чаще однослойных. Двухслойные обмотки дают возможность выбора более благоприятного шага, они более дешевые вследствии уменьшения расхода меди и изоляции и лучше допускают механизацию изготовления.
Обмотки
электрических машин характеризуются
шагом обмотки. Различают результирующий
шаг обмотки 
-
расстояние между двумя последовательно
соединенными катушками и частичные
шаги – 
и 
,
которые определяют соответственно
расстояние между началом и концом
первой, концом и началом соседней
катушек.
В
петлевых обмотках (Рис.1.2 а) результирующий
шаг 
равен разности частичных шагов:
В волновых обмотках (Рис.1.3б) результирующий шаг:
Рисунок 1.2 Обмотки электрических машин
а)- петлевая; б)- волновая
Для экономии меди и улучшения формы поля в воздушном зазоре часто двухслойные обмотки выполняются с укороченным шагом:
,
где
– полюсное давление.
Если
,
такие обмотки называются обмотками с
диаметральным шагом.
В электрическом отношении нет различия между волновой и петлевой обмоткой. В многополюсных машинах переменного тока петлевые обмотки имеют большее число соединений, что увеличивает расход меди и усложняет технологию изготовления обмоток. Если число параллельных ветвей можно выбрать равной одной или двум, целесообразно выбрать волновую обмотку.
Чтобы в зазоре электрической машины укладывалось целое число волн магнитного поля и не возникло отраженных волн, необходимо выбирать определенное число пазов:
где
-
число пазов на полюс и фазу; 
-
число пар полюсов; 
-
число фаз.
Сходные
проводники каждого витка фазы расположены
друг от друга на расстоянии полюсного
деления 
где
-внутренний
диаметр статора, или внешний диаметр
ротора.
Преимущество волновых обмоток перед петлевыми состоит в том, что сами лобовые части волновой обмотки являются межкатушечными соединениями.
Выполнение обмоток якорей машин постоянного тока принципиально не отличается от двухслойных обмоток переменного тока. Однако наличие механического преобразователя частоты – коллектора – вносит некоторые особенности в технологию изготовления обмоток.
Обозначения обмоток электрических машин. Трёхфазные обмотки машин обозначаются следующим образом:
Статор: начало А; или С1 конец х; или C4
В; или С2 конец у; или C5
С; или С3 конец z; или C6
Нулевая точка 0
Ротор: начало р1 конец р4
р2 конец р5
р3 конец р6