Классификация электромеханических преобразователей

Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и обратно: электрическую — в механическую. Электромеханическое преобразование энергии — одно из основных преобразований в окружающем нас мире. Это преобразование энергии используется в живой и неживой природе и в созданных человеком электрических машинах.

Понятие «электромеханический преобразователь» — более широкое, чем «электрическая машина». Принято считать, что электрические машины созданы человеком и применяются в различных сферах его деятельности. Это же пре;

ооразование энергии природа использует как в мельчайших живых организмах — бактериях и макрообъектах, таких как планеты и звезды [7, 6].

Рис. 1.13. Классы электромеханических преобразователей.

Электрические машины — электромеханические преобразователи (ЭП) — можно разделить на три класса: индуктивные электрические машины, в которых рабочим полем является магнитное поле; емкостные ЭП, в которых преобразование электрической энергии в механическую и обратно осуществляется эл с ктр и ч сс к и м полем, и индуктивно-емкостные ЭП, в которых электромеханическое преобразование осуществляется магнитным и электрическим полями. Принципиальные схемы ЭП показаны на рис. 1.13.

В индуктивных ЭП электромеханическое преобразование энергии происходит за счет изменения индуктивности (потокосцеплений) обмоток, а в емкостных ЭП — за счет изменения емкости. Индуктивно-емкостные ЭП в простейшем случае представляют собой объединение в одну электромеханическую систему движущихся частей и электрических цепей индуктивной и емкостной машин (см. рис. 1.13).

В индуктивных ЭП энергия концентрируется в магнитном поле, а в емкостных — в электрическом. В индуктивно-емкостных машинах преобразование энергии происходит в магнитном и электрическом полях.

На рис. 1.1 4, я на шкале единичной мощности от 0 до бесконечности представлены предпочтительные области распространения ЭП различных классов. На этой шкале мощностей есть две замечательные точки: 10 ¹⁷ Вт — мощность ворсинки бактерии и 10⁹ Вт — мощность турбогенератора — самой мощной электрической машины, созданной человеком. На рис. 1.14, б показаны предпочтительные области распространения различных классов электрических машин в зависимости от частоты сети.

Хотя ЭП с электрическим рабочим полем появились раньше индуктивных, они как силовые ЭГ1 не нашли про;

Рис. 1.14. Области предпочтительного распространения ЭП.

мышленного применения. Сделаны пока лишь робкие попытки создания индуктивно-емкостных ЭИ при использовании магнитострикционного и пьезоэлектрического эффектов.

Емкостные и индуктивно-емкостные ЭП будут немного представлены в гл. 8 учебника. Дальше рассматриваем только индуктивные электрические машины, которые получили господствующее положение во всех сферах жизни современного общества.

Все разновидности индуктивных электрических машин по роду питания можно разделить на машины переменного и постоянного тока.

Машины переменного т ока делятся на синхронные и асинхронные (несинхронные), коллекторные машины переменного тока и трансформаторы.

В синхронных машинах угловая скорость ротора со, и угловая скорость магнитного поля ш_с равны. В асинхронных машинах угловая скорость ротора не равна угловой скорости поля: со_р оо_с. При этом со_р может быть меньше или больше угловой скорости поля. Направления вращения ротора и поля статора могут быть противоположными.

Коллекторные машины переменного тока отличаются от асинхронных и синхронных машин тем, что имеют механический преобразователь частоты и числа фаз — коллектор, который соединен с обмоткой статора или ротора.

Трансформаторы — электромагнитные преобразователи энергии. В них не происходит преобразования электрической энергии в механическую и обратно, а имеет место преобразование электрической энергии одного вида в другой. Трансформаторы выполняются таким образом, что обмотки нс могут перемещаться относительно друг друга.

По режиму работы электрические машины делятся на генераторы и двигатели. В генераторах механическая энергия, подводимая к валу машины, преобразуется в электрическую энергию. В двигателях электрическая энергия преобразуется в механическую энергию. Одна и та же электрическая машина может работать и двигателем, и генератором. Однако у генераторов и двигателей обычно имеются конструктивные отличия и на заводском щите машины указывается режим работы.

Синхронные машины могут работать в режиме потребления или отдачи в сеть реактивной мощности. Такие машины называются синхронными компенсаторами.

Электрические машины, как правило, выполняются с одной вращающейся частью — ротором и неподвижной частью — статором. Когда вращается только ротор, машина имеет одну степень свободы. Такие машины называются одномерными.

Электромагнитный момент в электрических машинах приложен и к ротору, и к статору. Если дать возможность вращаться обеим частям машины, они будут перемещаться в противоположные стороны. У машины, в которой может вращаться и ротор, и статор, — две степени свободы. Это двухмерные машины. В навигационных приборах ротором может быть шар, который вращается двумя статорами, расположенными под углом 90°. Такие машины имеют три степени свободы. В космической электромеханике приходится рассчитывать шестимерные электромеханические системы, в которых статор и ротор имеют три степени свободы.

Электрические машины могут иметь возвратно-поступательное движение. Однако в машинах с возвратно-поступательным движением статор и ротор разомкнуты и магнитное ноле отражается от краев, что приводит к искажению ноля в воздушном зазоре. Краевой эффект в линейных электрических машинах ухудшает энергетические показатели. Низкие энергетические показатели ограничивают применение электрических машин с возвратно-поступательным движением.

Все электрические машины имеют неподвижную часть — статор и вращающуюся — ротор (рис. 1.15, а). Энергия магнитного поля концентрируется в основном в воздушном зазоре — промежутке между статором и ротором.

На рис. 1.15, а —в показано, как из обычной машины с цилиндрическим статором и ротором получаются машины с сегментным статором и линейные электрические машины. Линейная машина получается при увеличении диаметра.

Рис. 1.15. Преобразование машины традиционной конструкции в машину с сегментным статором и линейную машину ротора сегментной машины до бесконечности. Линейные двигатели находят применение для получения линейных перемещений. В генераторном режиме линейные машины практически не применяются.

Особое место среди ЭП занимают индикаторные машины автоматических устройств. Это различные датчики, преобразователи цифровой информации в угловые и линейные перемещения, приборы времени и другие электромеханические устройства навигационных систем.

Бесчисленны конструктивные исполнения электрических машин, которые работают под водой, в космосе, под землей и в обычных условиях. Почти все индуктивные электрические машины имеют вращательное движение, причем обычно вращается одна часть машины — ротор, а статор неподвижен. Однако находят применение и машины с возвратнопоступательным, колебательным, импульсным движением ротора. Используются машины с жидким и газообразным роторами.