Общие теоретические сведения, классификация

 

Электрическая машина - наиболее распространенный вид электромеханического преобразователя. Применяется практически во всех отраслях промышленности как источник электрической или механической энергии. Этому способствуют простота конст­рукции, надежность эксплуатации и энергетические показатели [5].

Электрические машины могут работать в генераторном или двигательном режимах. Эта особенность электрических машин называется принципом обрати­мости.

Электрические двигатели— машины, преобразующие электрическую энергию в механическую. Электрические генераторы— машины, преобразующие механическую энергию в электрическую.

Рассмотрим физический смысл принципа обратимости на примере простейшего устройства, содержащего постоянный магнит, между полюсами которого помещен прямолинейный проводник.

Пусть между полюсами подковообразного постоянного магнита помещен прямолинейный проводник (рис.8.10, а).

 

Воздействуя внешней силой F на прямолинейный проводник, будем перемещать его в магнитном поле перпендикулярно к линиям магнитной индукции. В соответствии с законом электромагнитной индукции в проводнике будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС) , где В - магнитная индукция, Тл; l -активная длина проводника, м; v - скорость движения проводника, м/с.

Для определения направления ЭДС следует воспользоваться правилом «правой руки». Применив это правило, определим направление ЭДС в проводнике. Если концы проводника замкнуты на сопротивление R, то под действием ЭДС во внешней цепи будет протекать ток I. Направление тока определяется направлением ЭДС. Таким образом, проводник, перемещаемый внешней силой F в магнитном поле, можно рассматривать как элементарный генератор.

В результате взаимодействия тока с магнитным полем возни­кает действующая на проводник электромагнитная сила. Численное значение электромагнитной силы можно вычислить по формуле

.

  Направление F _ЭМ определяется правилом «левой руки». В рассматриваемом случае электромагнитная сила направлена справа налево, т. е. противоположно движению проводника. Таким образом, в элементарном генераторе электромагнитная сила является тормозящей по отношению к движущей силе.

При равномерном движении проводника обе силы уравновешивают друг друга. Умножив обе части равенства на скорость движения проводника, получим

.

C учетом значения электромаг­нитной силы запишем:

.

Левая часть равенства определяет значение механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнитном поле, а правая – значение электрической мощности, развиваемой в замкнутом контуре электрическим током. Знак равенства между этими частями показывает, что в генераторе механическая мощность, создаваемая внешней силой, преобразуется в электрическую.

Если внешнюю силу к проводнику не прикладывать, а от внешнего источника электроэнергии подвести к нему напряжение так, чтобы ток в проводнике имел направление, указанное на рис8.10, б,то на проводник будет действовать только электромагнитная сила. Под действием этой силы проводник начнет двигаться в магнитном поле. При перемещении проводника в магнитном поле в нем будет индуктироваться ЭДС. Направление ЭДС противоположно напряжению внешнего источника. Таким образом, часть напряжения, приложенного к проводнику, уравновешивается ЭДС, а другая ее часть составляет падение напряжения на сопротивлении проводника:

.

Умножив обе части равенства на ток I и учитывая значение ЭДС,запишем выражение:

  которое представим в виде

                 

Записанное выражение показывает, что электрическая мощность (), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую мощность (  ), а частично расходуется на покрытие электрических потерь мощности в проводнике ().

Таким образом, проводник с током, помещенный в магнитное поле, можно рассматривать как элементарный электродвигатель.

Рассмотренные явления позволяют сделать следующие выводы:

1. Для любой электрической машины обязательно наличие электропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, которые перемещаются.

2. При работе электрической машины как в режиме генератора, так и в режиме двигателя наблюдается индуктирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возникновение силы, действующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при протекании по нему электрического тока.

3. Взаимное преобразование механической и электрической энергий в электрической машине может происходить как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Это свойство электрических машин называют обратимостью. Впервые принцип обратимости был установлен русским электротехником Э.Х. Ленцем.