§ 1.1.Классификация электрических машин
Классификация по назначению. Электрические машины по назначению подразделяют на следующие виды:
электромашинные генераторы*, преобразующие механическую энергию в электрическую. Их устанавливают на электрических станциях и различных транспортных установках: автомобилях, самолетах, тепловозах, кораблях, передвижных электростанциях и др. На электростанциях они приводятся во вращение с помощью мощных паровых и гидравлических турбин, а на транспортных установках — от двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. В ряде случаев генераторы используют в качестве источников питания в установках связи, устройствах автоматики, измерительной техники и пр.;
электрические двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую; они приводят во вращение различные машины, механизмы и устройства, применяемые в промышленности, сельском хозяйстве, связи, на транспорте, в военном деле и быту. В современных системах автоматического управления их используют в качестве исполнительных, регулирующих и программирующих органов;
электромашинные преобразователи, преобразующие переменный ток в постоянный и, наоборот, изменяющие величину напряжения переменного и постоянного тока, частоту, число фаз и др. Их широко используют в промышленности, на транспорте и в военном деле, хотя в последнее десятилетие роль электромашинных преобразователей существенно уменьшилась вследствие применения статических полупроводниковых преобразователей;
электромашинные компенсаторы, осуществляющие генерирование реактивной мощности в электрических установках для улучшения энергетических показателей источников и приемников электрической энергии;
* Ниже используются сокращенные термины — генераторы, электродвигатели, преобразователи, компенсаторы и усилители.
электромашинные усилители, используемые для управления объектами относительно большой мощности посредством электрических сигналов малой мощности, подаваемых на их обмотки возбуждения (управления). Роль электромашинных усилителей в последнее время также уменьшилась из-за широкого применения усилителей, выполненных на полупроводниковых элементах (транзисторах, тиристорах);
электромеханические преобразователи сигналов, генерирующие, преобразующие и усиливающие различные сигналы. Их выполняют обычно в виде электрических микромашин и широко используют в системах автоматического регулирования, измерительных и счетно-решающих устройствах в качестве различных датчиков, дифференцирующих и интегрирующих элементов, сравнивающих и регулирующих органов и др.
Классификация по роду тока и принципу действия. Электрические машины по роду тока делят на машины переменного и постоянного тока. Машины переменного тока в зависимости от принципа действия и особенностей электромагнитной системы подразделяют на трансформаторы, асинхронные, синхронные и коллекторные машины.
Трансформаторы широко применяют для преобразования напряжения: в системах передачи и распределения электрической энергии, в выпрямительных установках, устройствах связи, автоматики и вычислительной техники, а также при электрических измерениях (измерительные трансформаторы) и функциональных преобразованиях (вращающиеся трансформаторы).
Асинхронные машины используют главным образом в качестве электрических двигателей трехфазного тока. Простота устройства и высокая надежность позволяют применять их в различных отраслях техники для привода станков, грузоподъемных и землеройных машин, компрессоров, вентиляторов и пр. В системах автоматического регулирования широко используют одно- и двухфазные управляемые асинхронные двигатели, асинхронные тахогенераторы, а также сельсины.
Синхронные машины применяют в качестве генераторов переменного тока промышленной частоты на электрических станциях и генераторов повышенной частоты в автономных источниках питания (на кораблях, самолетах и т. п.). В электрических приводах большой мощности применяют также синхронные электродвигатели. В устройствах автоматики широко используют различные синхронные машины малой мощности (реактивные, с постоянными магнитами, гистерезисные, шаговые, индукторные и пр.).
Коллекторные машины переменного тока используют сравнительно редко и главным образом в качестве электродвигателей. Они имеют сложную конструкцию и требуют тщательного ухода. В устройствах автоматики, а также в различного рода электробытовых приборах применяют универсальные коллекторные двигатели, работающие как на постоянном, так и на переменном токе.
Машины постоянного тока применяют в качестве генераторов и электродвигателей в устройствах электропривода, требующих регулирования частоты вращения в широких пределах: железнодорожный и морской транспорт, прокатные станы, электротрансмиссии большегрузных автомобилей, грузоподъемные и землеройные машины, сложные металлообрабатывающие станки и пр., а также в тех случаях, когда источниками электрической энергии для питания электродвигателей служат аккумуляторные батареи (стартерные двигатели, двигатели подводных лодок, космических кораблей и т. п.).
Генераторы постоянного тока часто применяют для питания устройств связи, зарядки аккумуляторных батарей, в качестве основных источников питания на транспортных установках (автомобилях, самолетах, тепловозах, пассажирских вагонах). Однако в последнее время генераторы постоянного тока заменяются генераторами переменного тока, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.
В системах автоматического регулирования машины постоянного тока широко используют в качестве электромашинных усилителей, исполнительных двигателей и тахогенераторов.
В зависимости от назначения электрические микромашины автоматических устройств подразделяются на следующие группы:
силовые микродвигатели, приводящие во вращение различные механизмы автоматических устройств, самопишущих приборов и пр.;
управляемые (исполнительные) двигатели, преобразующие подводимый к ним электрический сигнал в механическое перемещение вала, т. е. отрабатывающие определенные команды;
тахогенераторы, преобразующие механическое вращение вала в электрический сигнал — напряжение, пропорциональное частоте вращения вала;
вращающиеся трансформаторы, дающие на выходе напряжение, пропорциональное той или иной функции угла поворота ротора, например синусу или косинусу этого угла или самому углу;
машины синхронной связи (сельсины, магнесины), осуществляющие синхронный и синфазный поворот или вращениенескольких механически не связанных между собой осей;
микромашины гироскопических приборов (гироскопические двигатели, датчики угла, датчики момента), осуществляющие вращение роторов гироскопов с высокой частотой и коррекцию их положения;
электромашинные преобразователи и усилители.
Электрические микромашины первых двух групп часто называют силовыми, а третьей — пятой групп — информационными.
Классификация по мощности. Электрические машины по мощности условно подразделяют на микромашины, машины малой, средней и большой мощности.
Микромашины имеют мощность от долей ватта до 500 Вт. Эти машины работают как на постоянном, так и на переменном токе нормальной и повышенной (400 — 2000 Гц) частоты.
Машины малой мощности — от 0,5 до 10 кВт. Они работают как на постоянном, так и на переменном токе нормальной или повышенной частоты.
Машины средней мощности — от 10 кВт до нескольких сотен киловатт *.
Машины большой мощности — свыше нескольких сотен киловатт. Машины большой и средней мощности обычно предназначают для работы на постоянном или переменном токе нормальной частоты**.
Классификация по частоте вращения. Электрические машины по частоте вращения условно подразделяют на: тихоходные — с частотами вращения до 300 об/мин; средней быстроходности — 300-1500 об/мин; быстроходные — 1500 — 6000 об/мин; сверхбыстроходные — свыше 6000 об/мин. Микромашины выполняют для частот вращения от нескольких оборотов в минуту до 60000 об/мин; машины большой и средней мощности — обычно до 3000 об/мин.
* Для трансформаторов до 1000 кВ-А.
** Кроме некоторых специальных случаев (авиация, морской флот и др.), где иногда используют довольно мощные машины повышенной частоты.
6.3. Назначение и классификация электромашинных устройств. Машины постоянного тока. Асинхронные машины. Синхронные машины
6.3.1. Назначение и классификация электрических машин
Электрическая машина (ЭМ) предназначена для преобразования механической энергии в электрическую и электрической в механическую, а также одной формы электрической энергии в другую, отличающуюся по напряжению, току или частоте.
Электрические машины, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую, называются электрическими двигателями, а машины, в которых происходит обратное преобразование, — генераторами.
Использование машин в качестве генераторов и двигателей является их основным назначением. В то же время электрические машины могут использоваться для преобразования рода электрического тока, например, постоянного в переменный или же преобразования величины напряжения. Кроме того, ЭМ широко используются в качестве датчиков угла, перемещения и скорости, для выполнения математических операций и усиления мощности электрических сигналов, а также для повышения коэффициента мощности электрических установок.
Помимо деления по назначению электрические машины классифицируются по принципу действия на коллекторные и бесколлекторные (рис. 6.20), отличающиеся друг от друга принципом действия и конструкцией.
Коллекторные машины применяются главным образом для работы на постоянном токе. Лишь коллекторные машины обычно небольшой мощности выполняют универсальными, работающими на постоянном и переменном токе.
Бесколлекторные машины делятся на асинхронные и синхронные (многофазные и однофазные).
Широкое распространение электрических машин привело к разработке их многочисленных конструктивных форм. Поэтому приведенная на рис. 6.20 классификация является весьма условной и не отображает всего многообразия типов электрических машин.
6.3.2. Преобразование энергии в электрических машинах
При работе электрической машины в режиме генератора механическая энергия преобразуется в электрическую. Это происходит в соответствии с законом электромагнитной индукции: если внешняя сила 
перемещает проводникв магнитном поле, например, слева направо перпендикулярно вектору магнитной индукции 
(рис. 6.21), то в проводнике будет наводиться ЭДС:
, (6.1)
где 
— ЭДС, индуктируемая в проводнике, В; 
— магнитная индукция, Тл; 
— активная длина проводника (длина его части, находящейся в магнитном поле), м; 
— скорость движения проводника, м/с.
Формула (6.1) определяет лишь величину ЭДС. Для определения ее направления следует воспользоваться правилом правой руки. Применив это правило, определим направление ЭДС в проводнике («от нас»). Если концы проводника замкнуть, под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направления.
Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматривать в этом случае как элементарный генератор.
В результате взаимодействия тока 
с магнитным полем возникает электромагнитная сила 
, действующая на проводник: 
.
Направление силы 
определяется по правилу левой руки. В рассматриваемом случае эта сила направлена справа налево, т.е. противоположно движению проводника. Таким образом, в генераторе электромагнитная сила 
является тормозящей по отношению к движущей силе 
. При равномерном движении проводника эти две силы равны по величине.
Если внешнюю силу 
к проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение 
, в цепи возникнет ток 
(рис. 6.22), и на проводник будет действовать только электромагнитная сила 
, направление которой определяется правилом левой руки.
Под действием этой силы проводник начнет передвигаться в магнитном поле со скоростью 
. При этом в проводнике индуцируется ЭДС, противоположная по направлению приложенному напряжению 
. Таким образом, напряжение уравновешивается электродвижущей силой 
, наведенной в этом проводнике, и падением напряжения в электрической цепи: 
,где 
— электрическое сопротивление цепи.
Электрическая мощность (
), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую (
), а частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (
). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитное поле, можно рассматривать как элементарный электродвигатель.
Указанный процесс преобразования энергии дает возможность сделать важный вывод: необходимым условием работ электрической машины является наличие проводников и магнитного поля, имеющих возможность перемещаться друг относительно друга, т.е. электромагнитный механизм электрической машины должен содержать часть, создающую магнитное поле, и часть, представляющую собой в общем случае совокупность проводников, пересекающих линии магнитного поля. Физически безразлично, как именно создается магнитное поле. Но в электрических машинах чаще всего оно создается электромагнитным путем с помощью стального сердечника с намотанной на него катушкой, по которой течет электрический ток. Это позволяет создавать поля большой интенсивности, регулировать их и таким образом воздействовать на рабочие характеристики машины.
Наведение ЭДС осуществляется разными путями. Так, например, в машинах постоянного тока поле неподвижно, а проводники вращаются; в синхронных машинах, наоборот, поле вращается, а проводники неподвижны; в асинхронных машинах вращается и поле, и проводники подвижной части, причем их вращение возможно либо в одну сторону, либо в разные. При этом преобразование энергии в электрической машине может происходить в любом направлении, т.е. электрическая машина может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Указанное свойство электрических машин называется обратимостью.
Неподвижная часть ЭМ называется статором, а подвижная (вращающаяся) — ротором.
ЭДС, индуцируемая основным полем возбуждения в перемещающихся относительно поля проводниках машины, вызывает в этих проводниках ток, величина которого зависит от нагрузки машины. Ток создает свое собственное магнитное поле, которое воздействует на основное поле возбуждения. Такое влияние поля токов в перемещающихся проводниках на поле возбуждения называется реакцией якоря. В результате реакции якоря основное поле возбуждения машины может искажаться и уменьшаться по величине.
Подводимая к электрической машине за время 
энергия
преобразуется в ней в энергию 
, причем 
, так как приработе машины имеются потери, связанные с процессом преобразования в ней энергии. Потери энергии, равные 
, рассеиваются в виде теплоты, нагревая отдельные части машины.
Потери при работе электрической машины в основном складываются:
— из электрических потерь, обусловленных нагревом проводников обмоток и других проводящих контуров при протекании по ним тока (их еще называют потерями в меди);
— магнитных потерь от гистерезиса и вихревых токов в перемагничиваемых ферромагнитных частях машины (потери в стали);
— механических потерь на трение вращающихся частей в подшипниках и о воздух (зависят от скорости ротора).
Отношение называется коэффициентом полезного действия электрической машины. Электрические машины малой и средней мощности имеют КПД, равный 0,8. 0,9, доходящий в машинах большой мощности (тысячи киловатт) до 0,97 ..0,99.
На рис. 6.23 представлены диаграммы преобразования мощности в генераторе и двигателе.
Для генератора (рис. 6.23, а) 
,где 
— мощность механических потерь; 
— механическая мощность, подводимая к генератору; 
— мощность электрических потерь в генераторе; 
— полезная электрическая мощность, отдаваемая генератором.
Для двигателя (рис. 6.23б) 
, где
— мощность электрических потерь в двигателе;
— электрическая мощность, подводимая к двигателю;
— мощность механических потерь, обусловленная вращением двигателя;
— его полезная механическая мощность.
Электрический момент, создаваемый в электрической машине в процессе преобразования энергии, в генераторе направлен против момента приводного двигателя. Чем большую электрическую мощность развивает генератор, тем больше его противодействующий момент.
В случае электрического двигателя его электромагнитный момент 
используется для совершения полезной механической работы; он преодолевает момент сопротивления 
рабочего механизма.
1.2. Классификация электрических машин
Классификацию электрических машин проведем по назначению , а также по роду тока и принципу действия . По назначению ЭМ делятся на следующие виды: 1. Электрические генераторы . Преобразуют механическую энергию вращательного движения в электрическую энергию. Механическая энергия подводится к валу генератора от приводного двигателя или приводной турбины. В качестве приводного двигателя используют электрические двигатели постоянного либо переменного тока или двигатели внутреннего сгорания. Приводная турбина приводится во вращение потоком воды, паром или газом. Генераторы устанавливают на электростанциях (стационарных и передвижных), различных транспортных установках (автомобили, самолеты, поезда, корабли и т. д.). Генераторы используют также в качестве источников питания в установках связи, устройствах автоматики, измерительной техники. 2. Электрические двигатели . Преобразуют электрическую энергию, потребляемую от источника питания, в механическую энергию вращательного или поступательного движения. Электрические двигатели приводят во вращение различные механизмы и устройства в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, в военном деле, системах автоматики и бытовой электротехнике. 3. Трансформаторы . Повышают или понижают напряжение переменного тока, изменяют число фаз и преобразуют частоту переменного тока. Трансформаторы применяют в системах передачи и распределения электроэнергии переменного тока и напряжения, преобразовательной технике, различных технологических установках (сварочных, электропечных), устройствах автоматики и связи, измерительных устройствах. 4. Электромашинные преобразователи . Преобразуют переменный ток в постоянный и, наоборот, изменяют значения напряжения постоянного и переменного тока, частоту, число фаз. 5. Электромашинные усилители . Усиливают электрические сигналы малой мощности за счет подаваемой на вал усилителя механической энергии. В настоящее время электромашинные преобразователи и электромашинные усилители в промышленности и на транспорте применяются всё реже, так как их роль выполняют статические полупроводниковые преобразователи. Однако в военном деле и спецтехнике электромашинные усилители и преобразователи по-прежнему используются широко, так как обладают значительно большей радиационной устойчивостью, чем полупроводниковые устройства.
1. Общие вопросы теории электрических машин 6. Электромашинные компенсаторы . Осуществляют генерирование или потребление реактивной мощности в электрических установках для улучшения электрических показателей источников и приемников электрической энергии. По роду тока и принципу действия электрические машины делятся на машины переменного и постоянного тока. Машины переменного тока в зависимости от электромагнитной схе- мы делятся на трансформаторы , асинхронные, синхронные и коллектор- ные машины. Трансформаторы – статические электромагнитные преобразователи энергии переменного тока. Обмотки трансформаторов относительно друг друга в процессе работы неподвижны. Преобразование энергии в трансформаторах осуществляется за счет меняющегося потокосцепления между обмотками. Асинхронные и синхронные машины выполняются с неподвижной обмоткой статора и вращающейся обмоткой ротора. В машинах переменного тока магнитное поле статора, созданное токами его обмотки, враща-
| ется с частотой вращения n 1 (об/мин). | ||||
| n = | 60 f 1 | , | (1.3) | |
| 1 | p | |||
где f 1 − промышленная частота сети (для России и большинства стран мира f 1 = 50 Гц); p – число пар полюсов (количество пар электромагнитов или магнитов). В синхронных машинах ротор вращается с частотой вращения n , равной частоте вращения магнитного поля:
| n 1 = n . | (1.4) |
Синхронные машины применяются в качестве генераторов переменного тока промышленной частоты на электростанциях и в автономных энергетических установках. Синхронные двигатели применяются в электроприводах большой мощности при постоянной частоте вращения приводного механизма. Кроме того, синхронные машины применяют как компенсаторы реактивной мощности. В асинхронных машинах частоты вращения ротора и магнитного поля статора отличаются на величину скольжения s :
| n = n 1 (1 − s ) . | (1.5) |
1. Общие вопросы теории электрических машин Величина скольжения s в трехфазных асинхронных машинах не превышает 1–3 %. Асинхронные машины используют в основном в качестве электрических двигателей промышленных и бытовых электроприводов. Асинхронные двигатели потребляют более половины всей электроэнергии, вырабатываемой синхронными генераторами. В режиме генераторов асинхронные машины используют преимущественно в автономных энергетических установках сравнительно малой мощности совместно с батареей конденсаторов (для создания магнитного поля). Коллекторные машины переменного тока отличаются от асинхрон- ных и синхронных машин наличием коллектора, который соединен с обмоткой статора или ротора. Коллектор в машинах переменного тока является механическим преобразователем частоты и числа фаз. За счет коллектора частота вращения ротора коллекторных машин переменного тока значительно выше, чем асинхронных и синхронных машин. Такие машины применяются в качестве двигателей быстроходных электроприводов небольшой мощности, главным образом в бытовой электротехнике. Машины постоянного тока (МПТ) делятся на коллекторные и бесконтактные. Коллектор в МПТ – это механический выпрямитель (в генераторах постоянного тока) или механический инвертор (в двигателях постоянного тока). Генераторы постоянного тока применяют для питания двигателей постоянного тока и в качестве возбудителей или подвозбудителей синхронных генераторов. Двигатели постоянного тока позволяют осуществлять плавное и экономичное регулирование частоты вращения в широком диапазоне. Такие двигатели находят применение в электроприводах прокатных станов, металлообрабатывающих станков, электрического транспорта и других системах автоматизированного электропривода. Бесконтактные машины постоянного тока – это униполярные (однополярные) низковольтные генераторы постоянного тока и бесконтактные двигатели постоянного тока. Бесконтактные двигатели постоянного тока еще называются вентильными двигателями. В таких двигателях роль коллектора выполняет статический полупроводниковый коммутатор, управляемый датчиком положения ротора (фототранзисторы, электромагнитные датчики или элементы Холла). Закономерности преобразования энергии в индуктивных ЭМ определяются физическими законами, устанавливающими связи между различными величинами и параметрами электрических, магнитных и механических процессов. Важнейшими законами, определяющими работу любой электрической машины, являются законы электромагнитной индукции (в формулировке М. Фарадея и в формулировке Д. Максвелла) и закон электромагнитных сил (закон Ампера). В процессе изучения ЭМ необходимо
1. Общие вопросы теории электрических машин
также знать и понимать законы Ома для электрической и магнитной цепей, закон полного тока, закон Ленца, законы Кирхгофа для электрических и магнитных цепей. 1.3. Материалы , применяемые в электромашиностроении При производстве электрических машин используют проводниковые и магнитные материалы (активные), электроизоляционные и конструк- тивные материалы . Проводниковые, магнитные и электроизоляционные материалы называют электротехническими . Проводниковые (электропроводящие) материалы. К ним относят медные или алюминиевые изолированные провода круглого сечения, а также шины прямоугольных сечений, которые обычно изолируют при изготовлении обмоток. Обмотки электродвигателей и генераторов изготавливают, как правило, из медных проводов или шин, а обмотки трансформаторов выполняют как из медных, так и из алюминиевых проводов или шин. Для обмоток используют медные провода круглого или прямоугольного сечения марок ПЭТВ и ПЭТВП класса нагревостойкости изоляции В, круглые провода ПЭТ-155 и прямоугольные провода ПЭТП-155 класса F, провода ПЭТ-200 и ПЭТП-200 класса нагревостойкости H. В электромашиностроении широко используются провода ПСД и ПСДТ со стекловолокнистой изоляцией класса нагревостойкости F, провода ПСДК и ПСДКТ класса изоляции Н. Для производства короткозамкнутых обмоток асинхронных машин используют алюминий А5 и его сплавы с повышенным сопротивлением – АКМ12-4, АКЗ. Для демпферных пусковых обмоток синхронных машин применяют бронзу и латунь, а коллекторы машин постоянного тока изготавливают из твёрдотянутой меди. Применение в обмотках меди и алюминия обусловлено их малым удельным сопротивлением, а следовательно, и малыми электрическими потерями. Снижение электрических потерь в обмотках увеличивает КПД электрической машины и облегчает её охлаждение. Для электрических контактов применяют напайки из серебра, золота и платины, имеющих еще меньшее удельное сопротивление, чем медь. Магнитные материалы. Сердечники электрических машин выполняют из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью. К ним относятся конструктивные стали, электротехнические стали
1. Общие вопросы теории электрических машин и ферриты. Конструктивные стали применяют преимущественно в машинах постоянного тока для изготовления магнитопроводов и их частей с постоянным направлением магнитного потока (стальное, реже чугунное литьё, листовые и кованые стали, специальные сплавы для постоянных магнитов). Для изготовления магнитопроводов якорей машин постоянного тока, магнитопроводов трансформаторов и электрических машин переменного тока используют преимущественно специальные магнитомягкие электро- технические стали, обладающие высокой магнитной проницаемостью и низкими удельными потерями. В электрических машинах на частоту 50 Гц обычно используют стали толщиной 0,35 и 0,5 мм. Листы стали изолируют лаком или термостойким магниево-фосфатным покрытием. Использование тонких листов стали вместо массивного магнитопровода уменьшает ЭДС, наводимые в каждом листе, вихревые токи и суммарные потери мощности от вихревых токов во всём разделённом на листы магнитопроводе. В магнитные материалы на основе железа добавляют небольшое количество кремния для повышения удельного электрического сопротивления, что уменьшает вихревые токи и потери от них . Присадки кремния мало влияют на магнитную проницаемость материала. Обозначение электротехнической стали содержит 4 символа: А В С D . Первый символ А характеризует класс стали по структурному состоянию и виду прокатки может принимать следующие значения: 1 – сталь горячекатаная изотропная (магнитная проницаемость в направлении проката и поперёк проката практически одинакова); 2 – холоднокатаная изотропная; 3 – холоднокатаная анизотропная (магнитная проницаемость вдоль проката существенно больше чем поперёк проката) с ребровой структурой. У холоднокатаных сталей магнитные свойства лучше, чем у горячекатаных: выше магнитная проницаемость и ниже магнитные потери вдоль проката стали. Второй символ В определяет содержание кремния (Si) в стали: 0 – не более 0,4 % (сталь нелегированная); 1 – от 0,4 до 0,8 %; 2 – от 0,8 до 1,8 %; 3 – от 1,8 до 2,8 %; 4 – от 2,8 до 3,8 %; 5 – от 3,8 до 4,8 %. Третий символ С обозначает группу по основной нормируемой ха- рактеристике . Различают 5 групп: 0 – удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц ( р 1,7/50 ); 1 – удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц ( р 1,5/50 ); 2 – удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц ( р 1,0/400 ); 6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряжённости поля 0,4 А/м ( В 0,4 ); 7 – маг- нитная индукция в средних магнитных полях при напряжённости поля 10 А/м ( В 10 ).
1. Общие вопросы теории электрических машин
Четвёртый символ D обозначает порядковый номер стали и принимает значения от 1 до 6. С увеличением значения D улучшается качество стали: возрастает магнитная проницаемость и снижаются магнитные потери. Примеры обозначения марок листовой электротехнической стали: • 1212 – сталь горячекатаная изотропная с содержанием Si до 1,8 % для работы в магнитных полях с индукцией 1,5 Тл и частотой 50 Гц; • 3403 – сталь холоднокатаная анизотропная с содержанием Si до 3,8 % для работы в магнитных полях с индукцией 1,7 Тл и частотой 50 Гц. Промышленно изготавливают стали следующих марок: горячеката- ные изотропные 1211–1213, 1311–1313, 1411–1413, 1511–1514, 1561, 1562, 1571, 1572; холоднокатаные изотропные 2011–2013, 2111, 2112, 2211, 2212, 2311, 2312, 2411, 2412; холоднокатаные анизотропные 3404–3406, 3411– 3416. Широкое применение в электрических машинах находят высокоэнергетические прессованные постоянные магниты на основе редкоземельных материалов (магниты РЗМ): самарий-кобальт, ниодим-железо- бор. Применение этих магнитов существенно снижает массу и габариты ЭМ при одновременном повышении их выходных характеристик. Электроизоляционные материалы. Применяют для предотвраще- ния непосредственного электрического контакта различных токоведущих частей ЭМ: вводов, витков, обмоток и их частей, от магнитопроводов и конструктивных частей машины. Для изоляции проводов и увеличения электрической прочности промежутков в машинах используют эмали, бумагу, картон, материалы на основе целлюлозы, шёлка, хлопка, слюды, асбеста, стекловолокна, фарфора, электрошифера (табл. 1.1). Таблица 1.1 Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов
| Темпера- | Класс | Темпе- | Характеристика основных групп |
| турный | нагрево- | электроизоляционных материалов, соответст- | |
| ратура, ºС | |||
| индекс | стойкости | вующих данному классу нагревостойкости | |
| Не пропитанные и не погруженные в жидкий | |||
| диэлектрик волокнистые материалы на основе | |||
| 90 | Y | 90 | хлопка, натурального шёлка, целлюлозы (бума- |
| га, картон, дерево), пластмассы, а также соот- | |||
| ветствующие данному классу другие материалы | |||
| и другие сочетания материалов | |||
| Пропитанные лаками на основе натуральных | |||
| смол, термопластичными компаундами или по- | |||
| 105 | A | 105 | мещённые в жидкий диэлектрик материала |
| класса нагревостойкости Y, трансформаторное | |||
| масло |
| 1. Общие вопросы теории электрических машин | |||
| Окончание табл. 1.1 | |||
| Темпера- | Класс | Темпе- | Характеристика основных групп |
| турный | нагрево- | электроизоляционных материалов, соответст- | |
| ратура, ºС | |||
| индекс | стойкости | вующих данному классу нагревостойкости | |
| Стеклолакоткани, синтетические, органические, | |||
| 120 | E | 120 | полиэтилентерефталатные плёнки, термореак- |
| тивные синтетические смолы и компаунды | |||
| (эпоксидные, полиэфирные) | |||
| Материалы на основе асбеста, слюды, слеклово- | |||
| локна, пропитанные битумными или масляно- | |||
| 130 | B | 130 | смоляными органическими лаками, термореак- |
| тивные синтетические компаунды, глифталевые | |||
| и винифлексные эмали, асбоцемент | |||
| Материалы на основе асбеста, слюды, слеклово- | |||
| локна, применяемые в сочетании с синтетиче- | |||
| 155 | F | 155 | скими связующими и пропитывающими соста- |
| вами, главным образом на основе кремнийорга- | |||
| нических лаков | |||
| Материалы на основе асбеста, слюды, слеклово- | |||
| 180 | H | 180 | локна, применяемые в сочетании с синтетиче- |
| скими и кремнийорганическими пропитываю- | |||
| щими и связующими составами | |||
| Слюда, стекло, кварц, керамика, фарфор, при- | |||
| Более 180 | C | Более 180 | меняемые без связующих или в композиции с |
| неорганическими связующими | |||
Основные требования к электроизоляционным материалам: высокая диэлектрическая прочность, позволяющая уменьшить толщину изоляции; высокая механическая прочность; хорошая теплопроводность, обеспечивающая малый перепад температуры в изоляции и, соответственно, хорошее охлаждение обмоток; влагостойкость; нагревостойкость, обеспечивающая длительное функционирование изоляции при воздействии предельно допустимой рабочей температуры. По нагревостойкости или температурному индексу (ТИ) электроизоляционные материалы разделяют на семь классов согласно предельно допустимым температурам (табл. 1.1). Конструктивные материалы. Из конструктивных ( конструкцион- ных ) материалов изготавливают конструктивные части машины, воспринимающие и передающие механические нагрузки: станины (корпуса), подшипниковые щиты, подшипники, валы, вентиляторы, контактные и другие устройства. В качестве конструкционных материалов используют литые сталь и чугун, цветные металлы и их сплавы, высокопрочные пластмассы.
Электрическая машина
Электри́ческая маши́на (электромашина), машина , преобразующая механическую энергию в электрическую ( генератор ) или электрическую энергию в механическую ( двигатель ), а также электрическую энергию в электрическую (например, преобразователи напряжения , частоты ). В электрической машине, в отличие от других электромеханических преобразователей, обычно совершается однонаправленное непрерывное преобразование энергии. В соответствии с правилом Ленца электромашина энергетически обратима, т. е. может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме.
Электрическая машина представляет собой электромагнитную систему, состоящую из взаимосвязанных магнитной и электрической цепей. Магнитная цепь включает неподвижный и подвижный магнитопроводы и немагнитный воздушный зазор, отделяющий их друг от друга. Электрические цепи – в виде одной или нескольких обмоток – могут перемещаться одна относительно другой совместно с магнитопроводами, на которых они размещены. Электромеханическое преобразование энергии в электрической машине основано на электромагнитной индукции и связано с электродвижущими силами , которые индуктируются в процессе периодического изменения магнитного поля при механическом перемещении обмоток или элементов магнитопровода. Такая электрическая машина называется индуктивной. Конструктивно она состоит из двух основных частей: неподвижной ( статора ) и подвижной ( ротора ), между которыми обеспечивается электромагнитная связь.
Наибольшее распространение получили электрические машины с цилиндрическим вращающимся ротором, размещённым внутри статора, выполненного в виде полого цилиндра . В некоторых электромашинах в целях увеличения момента инерции вращающихся частей ротор, имеющий форму кольца, располагается снаружи статора (т. н. электрические машины с внешним ротором). Возможно исполнение электрической машины, в которых статор и ротор имеют форму дисков, обращённых друг к другу плоскими торцевыми поверхностями (торцевые электрические машины).
Электрические машины могут работать в сети как переменного , так и постоянного тока и подразделяются, соответственно, на электрические машины переменного тока и электрические машины постоянного тока . Электрические машины переменного тока делятся на асинхронные электрические машины и синхронные электрические машины .
В качестве преобразователя энергии (генератора, двигателя) электрические машины являются важнейшим элементом любой энергетической или промышленной установки. Широко применяются на электрических станциях, промышленных и сельскохозяйственных объектах, на транспорте , в авиации , системах автоматического управления и регулирования и т. д.
М. В. Панихин. Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2017.
Опубликовано 27 марта 2023 г. в 22:23 (GMT+3). Последнее обновление 27 марта 2023 г. в 22:23 (GMT+3). Связаться с редакцией