1. El principio físico del trabajo de los motores eléctricos.
1.1 Sistema de ecuaciones de Maxwell
El motor eléctrico es un transductor que convierte constantemente energía electromagnética y energía mecánica.
Cuando se ingresa energía eléctrica, el motor eléctrico puede generar torque y energía mecánica continuamente.
es decir, el motor eléctrico; por el contrario, si una fuerza externa empuja continuamente el eje del motor eléctrico e introduce energía mecánica, el motor eléctrico puede generar continuamente voltaje y energía eléctrica desde el extremo del cable en sentido inverso, es decir, el generador.
Históricamente, el transformador estático también se contaba como motor eléctrico, pero poco a poco evolucionó hasta referirse exclusivamente a motores y generadores eléctricos.
Una de las ventajas de los motores eléctricos es que sus pérdidas son relativamente pequeñas, por lo que alcanzan una alta eficiencia.
Los grandes motores eléctricos pueden alcanzar eficiencias de hasta el 99%.
Cuando se habla de sistemas electromagnéticos, el sistema de ecuaciones de Maxwell es inevitable.
En el mundo macroscópico e incluso en el mundo microscópico,
El sistema de ecuaciones de Maxwell se puede utilizar de manera muy eficaz para describir las propiedades del sistema.
El sistema de ecuaciones de Maxwell se ha resumido a partir de estudios previos de fenómenos electromagnéticos.
Hay cuatro ecuaciones muy básicas, tanto en forma diferencial como integral.
Ahora examinemos el sistema de ecuaciones de Maxwell en forma integral.
Las dos ecuaciones anteriores describen el flujo de la densidad de campo, respectivamente, el total de la imagen de desplazamiento del potencial de salida y el total de la imagen de inducción del campo magnético giratorio en una superficie de espacio cerrado.
Según el conocimiento aprendido en la escuela secundaria, el campo eléctrico se puede generar mediante la excitación de una carga puntual, el campo magnético no puede ser excitado por el monopolo magnético, sino que se extiende por el camino cerrado, por lo que el campo eléctrico está activo, el campo magnético es pasivo.
Entonces, el flujo de desplazamiento de potencial total es la carga total q y el flujo magnético total es 0.
Las dos ecuaciones anteriores describen las cantidades de espín de la intensidad del campo, las integrales de la intensidad total del campo eléctrico y la intensidad total del campo magnético.
Correspondiente a la tasa de cambio del flujo magnético y la tasa de cambio del desplazamiento potencial (intensidad de corriente), respectivamente, para un giro a lo largo de la trayectoria de la curva en una curva de espacio cerrado.
Las fórmulas de Gauss y Stokes también permiten reescribir las cuatro ecuaciones anteriores en forma diferencial de la siguiente manera.
▽ para el operador de Nabla, con producto escalar vectorial para calcular la dispersión y producto de horquilla para calcular el giro, P para la densidad del cuerpo de carga y Jn para la densidad de corriente.
Las ecuaciones anteriores pueden describir básicamente todo el comportamiento electromagnético que ocurre en todos los sistemas de motores de inducción de CA.
1.2 Polarización y magnetización de materiales para energía eléctrica.
En un campo magnético giratorio eléctrico aplicado, las moléculas del material cambiarán su orientación porque la polaridad se ve afectada por la intensidad del campo.
Los dominios eléctricos formados por los grupos moleculares originales de varios tamaños dispuestos de manera desigual se polarizarán debido al campo magnético aplicado y la orientación de la distribución de carga converge.
E0=8.854187817*10-12F/m es la permitividad del vacío, que también es la constante dieléctrica del vacío, y P es la constante dieléctrica relativa, que está determinada por las propiedades del propio material.
(1.9) describe la densidad de cambio de potencial del campo eléctrico aplicado y la imagen de intensidad de polarización correspondiente juntas.
En un campo magnético aplicado, los dominios magnéticos y las intensidades de magnetización correspondientes se pueden obtener de la misma manera.
A diferencia del campo eléctrico, se introduce una fuerza de polarización magnética M, que describe la diferencia entre la fuerza de inducción magnética del material y la del entorno de vacío.
U0=4π*10-7 N.A-2 es la permeabilidad al vacío y Ur es la permeabilidad relativa, que describe la capacidad del material para permitir el paso de un campo magnético.
si tu<=1 es antimagnético, el material impide el paso de un campo magnético; si la imagen es paramagnética, el material obedece al paso de un campo magnético.
si tu>=1o 5 es ferromagnético, el material como el níquel ferrocobalto mejorará el campo magnético después de la magnetización. Y luego retiene una cierta fuerza del campo magnético después de eliminar el campo magnético, lo que se llama magnetismo remanente.
Durante el funcionamiento del motor habrá magnetización y desmagnetización constantes, por lo que también se debe prestar atención al examen de las líneas de histéresis de diferentes materiales.
La línea de histéresis describe el aumento de la inducción magnética de un material magnético a medida que aumenta la intensidad del campo bajo la acción de un campo magnético aplicado de intensidad H.
Esta inducción magnética no sigue la intensidad del campo después de alcanzar la saturación magnética.
Una vez alcanzada la saturación magnética, es difícil seguir el aumento de la intensidad del campo. Cuando la intensidad del campo magnético externo disminuye lentamente hasta cero, se puede ver que la curva de desmagnetización aún conserva la magnetización remanente B cuando pasa el punto cero.
Esta magnetización remanente muestra el principio general de fabricación de imanes permanentes, es decir, magnetización direccional seguida de desmagnetización gradual. Cuando se aplica el campo magnético inverso, la fuerza de inducción magnética llega a cero o incluso aumenta en la dirección opuesta, y este exceso se llama coercitividad H.
1.3 Fuerza electromagnética y energía mecánica.
El mayor valor del motor es realizar la conversión de energía eléctrica en energía mecánica, realizar trabajo externo y ejecutar el movimiento objetivo.
El movimiento de una partícula cargada en un campo magnético está sujeto a la fuerza de Lorentz perpendicular a la dirección del movimiento, cuya expresión macroscópica es la fuerza en amperios Hm = Il * B, la cual se puede juzgar usando la regla de la mano izquierda para determinar la dirección,
I es la longitud efectiva del conductor en el campo magnético en la dirección de la corriente.
También existe una fuerza de campo eléctrico correspondiente en el campo electrostático Fe=qE.
Y tanto los campos magnéticos como los eléctricos son en sí mismos campos, y la fuerza aplicada a la carga o al elemento actual en ellos depende del volumen y la densidad del campo y, por lo tanto, la fuerza del campo correspondiente puede examinarse en términos del campo.
Las dos ecuaciones anteriores aún mantienen la simetría, la densidad de carga P en un cierto volumen debido a la intensidad del campo eléctrico produce la densidad de fuerza eléctrica fe = pE,
La densidad de corriente J en un cierto volumen debido a la intensidad del campo magnético produce la densidad de fuerza magnética Fm = J * B (la ecuación anterior (1.12) debe usarse en el caso de materiales isotrópicos y corriente constante).
Esta expresión nos inspira a examinar directamente la energía y la densidad de energía del campo electromagnético.
De esta manera, se puede determinar la energía potencial electromagnética en un punto determinado encontrando el gradiente para obtener la densidad de fuerza electromagnética correspondiente y así encontrar la fuerza electromagnética total sobre el objeto bajo investigación.
1.4 Modelo de bobina
Una bobina es un elemento fundamental que forma un modelo de motores de inducción, uniendo el modelo de circuito del motor de CA y el modelo físico del objeto.
Una sección recta de un conductor energizado genera un campo magnético toroidal a su alrededor (según la ecuación 1.4).
Cuando el conductor está cerrado al principio y al final, el campo toroidal forma líneas de fuerza magnéticas en el centro del anillo conductor que pasan verticalmente a través del anillo conductor, como un solenoide.
Considerando sólo la corriente en el conductor energizado, (1.4) se simplifica a:
La fuerza magnetomotriz (magnetische Durchfluchtung), que es la fuente de la intensidad del campo de excitación, es esencialmente la intensidad de la corriente total que pasa a través de una sección de conductor cerrado en [A].
Dado que en la práctica el cable energizado se enrollará formando una bobina, la corriente del cable se discretiza y (1.13) se reescribe como
N es el número total de devanados de la bobina, es decir, el número de vueltas.
Se puede ver que cuanto mayor es el número de vueltas, mayor es la corriente total, mayor es el potencial magnético y más fuerte se puede excitar el campo magnético.
Una bobina de una sola vuelta en un campo magnético variable en el tiempo inducirá un voltaje en ambos extremos del cable, fenómeno descrito en (1.3).
Se puede entender que la inducción magnética también se puede interpretar como la densidad de flujo magnético, que se puede obtener sustituyendo (1.3)
Ui es el potencial eléctrico inducido, considere dos formas de cambio de flujo, una es cambiar el área de la bobina pero cambiar la densidad de flujo, luego son las siguientes;
La primera parte es el potencial de inducción transformado formalmente (voltaje inducido transformacionalmente) y la última parte es el potencial de inducción transformado traslacionalmente (voltaje inducido traslacionalmente).
El primero tiene una densidad de flujo magnético que varía con el tiempo, mientras que el segundo tiene un área de bobina efectiva que varía con el tiempo.
Este principio de inducción se menciona en la física de la escuela secundaria y también se conoce como teorema de la flauta.
Cuando una bobina tiene muchas vueltas, el flujo efectivo total es exactamente un múltiplo entero de las vueltas expandidas de la bobina, introduciendo así el concepto de cadena magnética.
La cadena se define en la siguiente figura.
Tenga en cuenta que la cadena magnética es una cantidad escalar, al igual que el flujo magnético. Dado que un cambio en la corriente en sí también puede causar un cambio en el flujo, la tendencia es impedir el cambio de flujo, que se puede definir como:
i es la intensidad de corriente variable, L es el coeficiente de autoinductancia en Henry [H] y su tamaño está relacionado con la forma del volumen de la bobina, el número de vueltas y la permeabilidad magnética.
Las bobinas de los motores de inducción están hechas con material ferromagnético en el medio de la bobina, como un núcleo de hierro, para aumentar la permeabilidad magnética, de modo que la bobina se enrolle sobre el núcleo de hierro, de ahí el nombre de devanado.
Para una sección de material linealmente homogéneo, su coeficiente de autoinductancia se puede aproximar mediante la siguiente ecuación
La autoinductancia es una bobina que cambia sus propios cambios de corriente para inducir el fenómeno de voltaje de supresión, su tendencia a impedir los cambios de corriente en el motor eléctrico de CC.
Cuando dos bobinas se acercan entre sí, además de su propia autoinductancia, también debido a los cambios de corriente y la inductancia mutua de las bobinas vecinas.
El coeficiente de inductancia mutua de materiales con identidades lineales se aproxima mediante la ecuación anterior, que muestra que la inductancia mutua se ve afectada por el número de vueltas de las dos bobinas al mismo tiempo.
Haciendo caso omiso de la resistencia y examinando la inductancia propia y mutua de las dos bobinas adyacentes, la ecuación de voltaje se puede enumerar en la Figura 1.5 sobre motores de CC.
Dado que las piezas del acoplamiento tienen los mismos parámetros de material y forma, los coeficientes de inductancia mutua resultantes son iguales M12=M21.
Por lo tanto, el tamaño de las cadenas de acoplamiento en cada bobina es proporcional a la intensidad de la corriente en la bobina de devanado del rotor correspondiente para el motor de CC.
Teorema de 1,5 ohmios para energía eléctrica y circuitos magnéticos.
En secundaria estudiamos el teorema de Ohm, que establece que la resistencia de un conductor es la relación entre el voltaje y la corriente en ambos extremos, y que existe una fórmula para describir el material resistivo en sí.
Q, que es la conductividad, que es exactamente el recíproco de la resistividad P y describe la capacidad de conducir corriente.
Además de aplicar resistencia, la relación entre voltaje y corriente también se puede describir utilizando la imagen de conductividad cuando el motor eléctrico funciona.
Ahora examine la intensidad de corriente por unidad de área, es decir, densidad de corriente J = I/A e (e es el vector unitario), con la densidad de corriente como un vector que apunta en la dirección de la corriente para motores de CA.
Esto se puede combinar con la ecuación de voltaje U=E.l y (1.25) reescribir (1.26) como
La ecuación anterior describe el teorema de Ohm a nivel microscópico, es decir, la variación de la densidad de corriente correspondiente a una intensidad de campo constante aplicada al conductor.
Lm es la longitud efectiva del flujo magnético a través de una sección del circuito magnético y A es el área de flujo correspondiente.
La ecuación anterior es muy similar a la fórmula de resistencia.
Deformamos nuevamente la fórmula de la magnetorresistencia y podemos seguir obteniendo
Se puede ver que en unidades la magnetorresistencia es en realidad la inversa del coeficiente de inductancia.
Siguiendo la analogía con el concepto de conductancia, obtenemos la conductancia magnética A (magnetische Leitwert, en [H] o [Ωs])
En el circuito encontramos los elementos diferenciales para (1.26) y obtenemos el teorema de Ohm microscópico, entonces, ¿cuál es el teorema de Ohm microscópico correspondiente al circuito magnético?
Podemos continuar reescribiendo la ecuación (1.31), observando que el flujo magnético en sí tiene una densidad de flujo B, que luego produce
Entonces, el teorema de Ohm del circuito magnético microscópico es la ecuación (1.10), y la intensidad del campo magnético es la densidad de flujo obtenida de la magnetización de un campo magnético constante.
El análisis computacional de la reluctancia se puede utilizar para realizar un análisis de microelementos del flujo en todo el polo de devanado del motor, la parte del núcleo y la parte del entrehierro intermedio, que puede realizar un análisis de elementos finitos discretos FEM (método de elementos finitos). de todo el circuito magnético.
También es posible aplicar el teorema de Kirchhoff al circuito magnético, lo cual es muy intuitivo y conveniente.
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