Классификация электрических машин. Тема 1.1

1.1 Классификация электрических машин

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И АППАРАТЫ

от «-» к «+», а электрический ток (направленное движение заряженных частиц-электронов, т.е отрицательных) от «+» к «-», почему?
Физический смысл ЭДС самоиндукции?
Сколько Вольт составляет нескомпенсированная часть напряжения U1?
Назначение нескомпенсированой части напряжения?
Можно-ли изготовить постоянный магнит в виде сферы (шара)?
Почему магниты теряют свои свойства, если между ними поместить лист железа?
МГД-генератор и МГД-двигатель – это электрические машины?
Сила Ампера
Явление Фарадея
Как взаимодействует постоянный магнит с корпусом работающего АД?
АСМ с шариками, индукционое вращение и нагрев
Обозначения физических величин
Явление электромагнитной индукции

энергии в механическую или механической в электрическую.
Основное отличие электрических машин
от других преобразователей в том, что они обратимы, т.е. одна и та же машина может работать в режиме двигателя, преобразуя электрическую энергию в механическую, и в режиме генератора, преобразуя
механическую энергию в электрическую

ЭМ подразделяются на индуктивные, емкостные и индуктивно-емкостные. Современные широко применяемые в промышленности и других отраслях народного хозяйства электрические машины — индуктивные

конструктивные.
Активные части индуктивных ЭМ-это магнитопроводы и находящиеся в пределах их объемов токопроводы

к зоне преобразования, удаления потерь из этой зоны, обеспечения требуемого пространственного расположения

разного рода (характера) движения: вращательного, поступательного, колебательного

ЭМ называются вращающимися, неподвижная часть называется статором, а подвижная – ротором.

1 и
внешний 2 роторы вращаются в противоположных направлениях.
Двойной комплект контактных колец 3 обеспечивает электрическую связь с вращающимися обмотками

шара 1, приводимого во вращение двумя полукольцевыми статорами 2 и 3, расположенными под углом 900 .
Такие машины используются в навигационных приборах

число степеней свободы имеют применяемые в космической технике шестимерные машины, в которых сферические «статор и ротор» обладают тремя степенями свободы каждый

была чрезмерно велика, магнитопроводы статора и ротора электрической машины выполняют из ферромагнитного материала, магнитная проводимость которого во много раз больше, чем проводимость неферромагнитной среды

токи выполняют шихтованными из тонких листов электротехнической стали
Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с ними принимаются специальные меры: с целью предотвращения потерь энергии на нагревание магнитопроводов трансформаторов и ЭМ, эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками. Появление ферритов сделало возможным изготовление этих проводников сплошными

что позволяет уменьшить площадь петли гистерезиса и магнитные потери на перемагничивание магнитопровода при переменном магнитном потоке Ф.

взаимного положения ее частей — статора и ротора. Это условие может быть выполнено при различных вариантах конструктивных форм магнитопровода и при различных конструкциях и расположении обмоток

Линейный асинхронный электродвигатель

с ШИМ

которых ротор является внешним по отношению к статору. Такие ЭМ с внешним ротором выполняют с целью увеличения момента инерции вращающихся частей (например, электропривод транспортера, силовой генератор дизель – генератора или когда ротор в виде полого цилиндра целесообразно объединить в одной конструкции с рабочими органами механики, например, с барабаном лебедки

цилиндрической ЭМ, полый ротор которой помещен между двумя магнитопроводами статора – внешним и внутренним . Такие машины имеют малый момент инерции и находят применение в качестве асинхронных управляемых двигателей малой мощности в различных автоматических устройствах.

в которой статор и ротор имеют форму дисков, обращенных друг к другу торцевыми поверхностями. Подобные конструкции ЭМ называются торцевыми и находят применение в качестве микромашин (приводы жестких дисков ПК).

потоком

ЭМ с внутренним ротором и двумя обмотками статора

ЭМ с аксиальным потоком тороидальной формы - статор с двумя роторами вокруг неподвижного статора

Применение конструкций с постоянными магнитами с осевым, аксиальным, поперечным и радиальным магнитными потоками

потоком

В таких двигателях U-образные магнитные элементы расположены вокруг обмотки статора кольцевой формы

Компания Electric ResearchInstitute (Южная Корея) выпускает электродвигатели с поперечным потоком уже более 10 лет. Причем в этой компании разработаны версии как для линейного, так и для вращательного движения. Эти транспортные системы способны достигать 1120 фунт-сила (5000 Н). Электродвигатели с поперечным потоком могут развивать очень высокий крутящий момент и плотность мощности, но отличаются довольно высокой стоимостью. В настоящее время их применение ограничено специальными приложениями.

двигателей:
1. Двигатели с постоянным магнитом (PM) и переменным магнитным сопротивлением (VR).
2. Индукционные двигатели переменного тока с постоянным магнитом (PM).
Лучший пример такого объединения продемонстрировала компания QM Power. Новая технология QM Power — ParallelPath Magnetic Technology (PPMT) — объединяет VR- и PM-технологии. Два магнитных потока протекают по одним и тем же магнитным элементам электродвигателя: один поток формируется двумя PM, а другой — VR-обмоткой ротора-статора. Магнитная сила может быть увеличена в три раза, что приводит к росту плотности мощности на 30% и аналогичному возрастанию пиковой эффективности, как утверждает QM Power. Диапазон мощности составляет от 100 Вт до сотен кВт.

Конструктивные схемы ЭМ цилиндрической формы с постоянными магнитами

магнитным потоком

PPMT предназначены для работы в приложениях как с постоянной, так и с переменной скоростью вращения, включая тяговые приводы. PPMT характеризуются высокой эффективностью по мощности при высоких нагрузках. Они демонстрируют очень хорошие характеристики при использовании ферритовых магнитов.
Другой пример гибридных двигателей — линейный индукционный двигатель переменного тока, объединяющий короткозамкнутый ротор и PM-магнит (обычно ферритовый), что позволяет значительно улучшить эффективность электродвигателя. Компания Lafert Corp. (Италия) выпускает семейство промышленных и коммерческих линейных PPMT-двигателей переменного тока мощностью 1…15 кВт с увеличенной пиковой эффективностью на 5–8%.

вращающейся ЭМ, в которой статор имеет дуговую форму. Асинхронные дуговые электродвигатели применяют для безредукторного привода устройств, требующих небольших частот вращения, исключив применение редуктора

перемещается поступательно, изменяя свое линейное положение относительно статора.
Указанные ЭМ называют линейными; они имеют два возможных конструктивных исполнения: плоское и цилиндрическое

магнитопроводы имеют форму параллелепипедов, обращенных друг к другу плоскими гранями

подъемного крана

Линейные асинхронные электродвигатели применяют для привода заслонок, ленточных конвейеров, подъемно-транспортных механизмов

Линейные АД значительной мощности применяют на транспорте в качестве тяговых двигателей

цилиндрической формы перемещается в осевом направлении внутри неподвижного магнитопровода кольцеобразной формы

движения

Встречаются также конструкции вращающихся и линейных ЭМ, в которых подвижная часть совершает колебательное движение. Колебательные движения применяются для приведения в движение балансира электрических часов, ударной части отбойного инструмента

и параметров движения) между ЭМ и потребителем механической энергии может быть установлен механический преобразователь

Конструкции концентрических магнитопроводов с обмотками ЭМ вращательного движения

Наиболее распространенным механическом преобразователем является зубчатый или планетарный редуктор (мультипликатор) предназначенный для уменьшения или увеличения частоты вращения вала. Мультипликатор иногда встраивается в ЭМ, представляя с ней одно целое

того, может быть обеспечена применением ротора специальной конструкции: катящегося или гибкого волнового

Конструкции концентрических магнитопроводов с обмотками ЭМ вращательного движения

В первом случае цилиндрический безобмоточный ротор катится по специальным направляющим внутри магнитопровода статора, занимая эксцентричное положение относительно него.
Во втором случае – полый тонкостенный ферромагнитный ротор 1, выполненный также без обмотки, деформируется под действием электромагнитных сил и притягивается к статору 2

особенностью двигателей с катящимся ротором (ДКР), отличающей их от других машин, является эксцентричное расположение ротора в расточке статора. Вращающий момент здесь создается за счет сил одностороннего магнитного притяжения.
Двигатели с катящимся ротором могут работать в синхронном и асинхронном режимах и только в нессиметричном вращающемся магнитном поле.

отсутствии питания ротор имеет правильную цилиндрическую форму. Его зубчатый венец не сцепляется с венцом статора.
При подаче питания на обмотки статора возникает вращающееся магнитное поле, в котором на магнитопровод ротора действуют силы магнитного притяжения и он начинает перемещаться.

Волновые электродвигатели составляют группу электрических машин, в которых преобразование электрической энергии в механическую происходит при вращении волн деформации гибкого ротора, создаваемых электромагнитными силами. В волновых электродвигателях в единой конструкции объединены элементы электродвигателя и гибкого волнового ротора (редуктора).

гибкого ротора волновые электродвигатели делят на три вида:
1 Цилиндрические - с ротором в форме цилиндрической оболочки.
2 Торцовые - с гибким дисковым ротором.
3 Линейные - с ротором в форме гибкой пластины.

В зависимости от характера вращения магнитного поля и волн деформации гибкого ротора возможны три вида волновых электродвигателей:
1 Синхронный волновой электродвигатель
-при равномерном вращении магнитного поля и волн деформации ротора.
2 Шаговый волновой электродвигатель
- при дискретном (шагами) вращении магнитного поля и волн деформации ротора.
3 Вентильный волновой электродвигатель - при синхронизации частоты вращения магнитного поля и волн деформации гибкого ротора по сигналам датчика положения выходного вала или датчиков положения волн деформации гибкого ротора.

вращающееся магнитное поле.
Принцип образования вращающегося поля у всех электрических машин один и тот же.

или треугольник, сдвинутые в пространстве относительно друг друга на электрический угол, равный 120 эл.град.
Если к одинаково выполненным и правильно соединенным обмоткам статора такой машины подвести симметричное напряжение электросети, то в воздушном зазоре машины будет создана симметричная система векторов магнитной индукции В, которая образует круговое вращающееся магнитное поле Ф.

Условия создания кругового вращающегося магнитного поля в обмотках статора трехфазного АД

относительно друг друга на геометрический угол, равный 90°.
Если к обмоткам статора или ротора такой машины подвести токи, сдвинутые во времени на электрический угол 90 эл.град., то в воздушном зазоре машины будет вращающееся круговое магнитное поле

Условия создания кругового вращающегося магнитного поля в обмотках статора двухфазного конденсаторного АД

АД

чередование направлений токов в проводниках на поверхности магнитопровода (барабанная обмотка), обращенной к зазору δ (двухмерная укладка обмотки). При этом поверхность магнитопровода намагничивается "разноименнополюсно" − при перемещении по окружности в тангенциальном направлении за северным N полюсом следует южный S, за южным −северный и т. д. Таким образом создается периодически изменяющееся в пространстве магнитное поле

Конструкции концентрических магнитопроводов с обмотками ЭМ вращательного движения

концом X образуются из одного или нескольких витков. В пазу магнитопровода могут располагаться одна однослойная обмотка или две (двухслойная или двухрядная) катушечные стороны

Конструкции концентрических магнитопроводов с обмотками ЭМ вращательного движения

с одинаковыми направлениями токов не в одном пазу, такая обмотка называется сосредоточенной, а в нескольких пазах - распределенная обмотка

Конструкции концентрических магнитопроводов с обмотками ЭМ вращательного движения

обмотки – трехмерная укладка, при которой соединения между
проводниками, расположенными на поверхности магнитопровода, охватывают тороидальный магнитопровод

Конструкции концентрических магнитопроводов с обмотками ЭМ вращательного движения

в зазоре достигается применением специальной конфигурации магнитопровода, а не за счет чередования направлений токов, так как обмотка выполняется кольцеобразной (одномерная укладка)

Конструкции концентрических магнитопроводов с обмотками ЭМ вращательного движения

так называемыми когтеобразными
(клювообразными) полюсами. Такая конструкция магнитопровода позволяет при одной расположенной по оси машины катушки обмотки превратить аксиальное направление магнитного поля в воздушном зазоре в радиально направленные поля отдельных полюсов и получить много разноименнополюсную систему.

Конструкции концентрических магнитопроводов с обмотками ЭМ вращательного движения

в зазоре достигается
за счет зубчатости поверхности магнитопровода, обращенной к зазору δ.

Конструкции концентрических магнитопроводов с обмотками ЭМ вращательного движения

Кольцеобразная (одномерная) обмотка охватывает вал машины и образует в зазоре одноименнополюсное (униполярное) поле. Для направления токов, показанного на рисунке, поверхность внутреннего магнитопровода имеет северную N полярность, а наружного – южную S. Число периодов изменения поля (число пар полюсов) здесь равно числу зубцов магнитопровода р = Ζ, где Z – число зубцов (пазов) магнитопровода. Обмотка однофазная и может питаться как постоянным, так и переменным токами.

размещены две ЭМ: АД с к.з. ротором
3ф ~50Гц, 380B
Индукционный генератор
3ф ~400Гц, 230В

Конструкции концентрических магнитопроводов с обмотками ЭМ вращательного движения

в зазоре достигается
за счет зубчатости поверхности магнитопровода, обращенной к зазору δ.

Конструкции синхронных машин специального назначения

Кольцеобразная (одномерная) обмотка охватывает вал машины и образует в зазоре одноименнополюсное (униполярное) поле. Для направления токов, показанного на рисунке, поверхность внутреннего магнитопровода имеет северную N полярность, а наружного – южную S. Число периодов изменения поля (число пар полюсов) здесь равно числу зубцов магнитопровода р = Ζ, где Z – число зубцов (пазов) магнитопровода. Обмотка однофазная и может питаться как постоянным, так и переменным токами.

широкий диапазон вращающих моментов – от 0,01 до 16 Н·м

Конструкции электрических машин специального назначения

т

ДПТ ЭК-420А - для мотор-колес "БелАЗ" грузоподъемностью 136 т, ЭК-590 – для 200 - 220 тонн

ДПТ ДК-724ДМ для мотор-колес "БелАЗ" грузоподъемностью 180 т

ГПТ ГПА-600ВМ для питания ДПТ мотор-колес "БелАЗ" грузоподъемностью 75, 120 тонн

СГ ГСТ-1 для питания через выпрямительную установку тяговых электродвигателей автосамосвалов БелАЗ грузоподъемностью 130 т

торпедных электроприводов:
- электроприводы малой мощности до 150 кВт с использованием асинхронного частотно-управляемого двигателя;
- традиционный биротативный электропривод постоянного тока
мощностью до 400 кВт;
- вентильный электропривод с естественной коммутацией инвертора мощностью до 2000 кВт;
электропривод мощностью свыше
2000 кВт на основе униполярного двигателя со сверхпроводящими обмотками.

Биротативные электромашины (БЭ)

и щетками для гибридного привода легкового автомобиля

Бесконтактный трехфазный биротативный генератор

Бесконтактный биротативный генератор для гибридного привода легкового автомобиля