1. ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИКУ 1.1. Цели и задачи электромеханики Электромеханика – это область науки и техники, связанная с использованием взаимодействия электрических, магнитных и механических процессов (или более кратко, электромеханических процессов) для целенаправленного преобразования энергии электрической в механическую или, наоборот, механической в электрическую. Машина, в которой реализуется такое преобразование, называется электромеханическим преобразователем (ЭМП), или электрической машиной (ЭМ). Цели электромеханического преобразования энергии могут быть различными и эти цели определяют специализацию ЭМП. Задачи электромеханики: 1) ознакомить с основополагающими законами электромеханического преобразования энергии в ЭМП; 2) ознакомить с механизмом преобразования энергии; 3) ознакомить с фундаментальными принципами электромеханического преобразования энергии в ЭМП; 4) ознакомить со структурой ЭМП и основными физическими процессами в его конструктивных элементах.

1.2. Классификация ЭМП В зависимости от критерия, положенного в основу классификации, ЭМП различают: 1) по виду энергоносителя: - индуктивные машины, в которых в качестве энергоносителя используется магнитное поле (за счет изменения индуктивности); - емкостные машины, в которых в качестве энергоносителя используется электрическое поле (за счет изменения емкости); - индуктивно-емкостные, в которых в качестве энергоносителя используется электромагнитное поле (объединение в одну электромеханическую систему движущихся частей и электрических цепей индуктивной и емкостной машин); 2) по назначению (режиму работы): - ЭМП-генераторы, которые используют в качестве источника электрической энергии; - ЭМП-двигатели, которые используют в качестве источника механической энергии; - ЭМП спецназначения, которые выполняют специальные функции в качестве управляющих или управляемых механизмов; 3) по критерию тока (роду питания): - ЭМП постоянного тока (коллекторные и бесколлекторные); - ЭМП переменного тока (синхронные, асинхронные).

1.3. Основополагающие законы электромеханического преобразования энергии в индуктивных машинах Важнейшими для понимания физической природы электромеханического преобразования энергии являются следующие законы: 1) закон электромагнитной индукции; 2) закон электромагнитного взаимодействия.

Закон электромагнитной индукции В проводнике длиной [м метр], движущемся в однородном магнитном поле со скоростью [м/с – метр в секунду] перпендикулярно линиям магнитной индукции В [Тл тесла], индуцируется ЭДС, равная е=В* * [В – вольт]. Направление этой ЭДС определяется по правилу «правой руки»: е

ЭДС, индуцированная в проводнике при изменении магнитного потока, равна скорости изменения этого потока (с обратным знаком): Знак «минус» говорит о том, что ЭДС стремится ослабить причину, ее вызывающую. ЭДС, наводимая в обмотке с числом витков и потокосцеплением, равна.

Закон электромагнитного взаимодействия Этот закон устанавливает закономерность возникновения электромагнитной (или электродинамической) силы, действующей на проводник длиной [м- метр] с электрическим током i [А ампер], расположенных в магнитном поле с магнитной индукцией В [Тл тесла]. Эта сила равна [Н – ньютон]. Направление действующей электромагнитной силы определяется правилом «левой руки»

1.4. Упрощенная физическая модель индуктивного ЭМП и механизм преобразования энергии Работа ЭМП в режиме генератора В данном режиме ЭМП преобразует механическую энергию в электрическую. Рассмотрим простейший генератор. Если к проводнику приложить механическую силу F, то он начнет перемещать со скоростью ν и по закону электромагнитной индукции в нем будет индуцироваться ЭДС е, а при замыкании проводника на сопротивление R, в цепи и в проводнике потечет ток i. Далее, по закону электромагнитного взаимодействия на проводник с током будет действовать электромагнитная сила Fэм, которая будет являться тормозной. При равномерном движении проводника движущая сила равна по величине тормозной, т.е. = е ν i

Умножим обе части равенства на скорость ν, подставим в него значение и после некоторых преобразований получим уравнение мощностей генератора: Левая часть равенства механическая мощность, затраченная на перемещение проводника в магнитном поле. Правая часть – электрическая мощность, развиваемая током в замкнутом контуре. Знак равенства показывает, что в генераторе механическая мощность преобразуется в электрическую..

Работа ЭМП в режиме двигателя В данном режиме ЭМП преобразует электрическую энергию в механическую. Рассмотрим работу простейшего двигателя. В магнитное поле поместим проводник и подведем к нему напряжение u. В проводнике потечет электрический ток i. В результате взаимодействия проводника с током с магнитным полем по закону электромагнитного взаимодействия на проводнике появится электромагнитная сила Fэм. Под действием этой силы проводник начнет перемещаться в магнитном поле со скоростьюи в нем по закону электромагнитной индукции будет индуцироваться ЭДС е. Как видим, эта ЭДС противоположна приложенному к проводнику напряжению u. Тогда для замкнутого контура можем записать следующее уравнение напряжений: е i u

Умножим обе части равенства на ток i, подставим значение ЭДС и получим после некоторых преобразований уравнение мощностей двигателя : Электрическая мощность, поступающая в проводник, преобразуется в механическую, затрачиваемую на перемещение проводника и частично расходуется на нагрев проводника.

1.5. Фундаментальные принципы электромеханического преобразования энергии 1. Принцип обратимости. ЭМП может реализовать как прямое, так и обратное преобразование энергии, т.е. работать как электрическим генератором (преобразуя механическую энергию в электрическую), так и механическим двигателем или электромагнитным тормозом (преобразуя электрическую энергии в механическую). Этот принцип обусловлен универсальностью магнитного поля как энергоносителя. 2. Принцип саморегулирования. Как видим из упрощенной физической модели в ЭМП величину преобразованной электрической энергии всегда определяет механическая мощность: У генератора это подводимая к валу механическая мощность: сколько подвели столько и преобразовали. У двигателя это механическая мощность, снимаемая с вала и отдаваемая подсоединенному к валу механизму: сколько требуется – столько и возьмет от электрического источника питания. Механизм саморегулирования обусловлен физическими свойствами электромагнитной мощности, возникающей в процессе электромагнитного преобразования энергии.