Электрические машины

Общие положения

Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются генераторами. Машины, преобразующие электрическую энергию в механическую, называются двигателями.

Как правило электрическую машину можно использовать и как генератор и как двигатель. Свойство изменять направление преобразования энергии называется обратимостью машины.

Электрические машины делятся на машины постоянного и переменного тока. Машины переменного тока могут быть одно- и многофазными. Наиболее широко применяются трехфазные синхронные и асинхронные машины, а также коллекторные машины переменного тока.

Принцип действия электрической машины основан на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил.

Если в магнитное поле (рис. 2.1) поместить проводник и под действием определенной силы F₁ перемещать его перпендикулярно магнитным линиям , то в нем возникает электродвижущая сила (ЭДС)

e=Blv, (2.1)

где B – магнитная индукция в месте нахождения проводника, l – активная длина проводника (длина той его части, которая находится в магнитном поле), v – скорость перемещения проводника. Направление ЭДС (на рисунке за плоскость чертежа), можно определить в соответствии с правилом правой руки.

Если расположить ладонь правой руки перпендикулярно магнитным линиям так, чтобы линии входили в ладонь, а большой палец, отставленный в сторону, направить по движению проводника, то вытянутые пальцы ладони будут указывать направление индуктированной ЭДС.

Если проводник перемещается под углом α к направлению магнитных линий поля, то

e=Blvsinα (2.2)

ЭДС в проводнике будет индуктироваться и в том случае, когда проводник неподвижный, а перемещается магнитное поле полюсов.

Рисунок 2.1 – Схема, поясняющая принцип действия электрической машины.

Если проводник замкнуть на приемник энергии то в замкнутой цепи под действием ЭДС возникнет ток I, направление которого совпадает с направлением ЭДС в проводнике. Вследствие взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем возникает электромагнитная сила

F_e=BlI, (2.3)

направление которой удобно определять по правилу левой руки.

Если расположить ладонь левой руки перпендикулярно магнитным линиям так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а вытянутые пальцы ладони направить по течению тока, то отставленный в сторону большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

Эта сила будет направлена противоположно силе F₁, которая перемещает проводник в магнитном поле.

Итак если в такой простейшей электрической машине механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в электрическую энергию, которая отдается приемнику энергии, то такая машина работает генератором. Та же простейшая электрическая машина может работать и двигателем. Если от внешнего источника энергии через проводник пропустить ток, то вследствие взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов возникает электромагнитная сила F_e, под действием которой проводник будет перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения механического приемника энергии.

В электрических машинах как правило обеспечивается не поступательное, а вращательное движение проводников в магнитном поле. При этом электромагнитные силы, действующие на проводник, используются для получения вращающего момента.

Для увеличения ЭДС и электромагнитных сил электрические машины имеют обмотки с большим количеством витков, которые соединяются между собой так, чтобы ЭДС в них имели одинаковое направление и складывались.

Электрическая машина состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статором называется неподвижная часть машины, ротором – ее вращающаяся часть. Обмотку электромагнита, создающего магнитное поле, называют обмоткой возбуждения, а ту часть машины, на которой она расположена - индуктором. Обмотку, в которой индуктируется напряжение, называют якорной обмоткой, а ту часть машины, на которой она расположена - якорем