Silnik elektryczny jest przetwornikiem, który w sposób ciągły przetwarza energię elektromagnetyczną i energię mechaniczną.
Po pobraniu energii elektrycznej silnik elektryczny może w sposób ciągły wytwarzać moment obrotowy i energię mechaniczną.
tj. silnik elektryczny; i odwrotnie, jeśli siła zewnętrzna w sposób ciągły popycha wał silnika elektrycznego i wprowadza energię mechaniczną, silnik elektryczny może w sposób ciągły wytwarzać napięcie i energię elektryczną z końca drutu w kierunku przeciwnym, tj. z generatora.
Historycznie rzecz biorąc, transformator statyczny był również liczony jako silnik elektryczny, ale stopniowo ewoluował i odnosił się wyłącznie do silników i generatorów elektrycznych.
Jedną z zalet silników elektrycznych jest to, że ich straty są stosunkowo małe, dzięki czemu osiągają wysoką sprawność.
Duże silniki elektryczne mogą osiągnąć sprawność do 99%.
Mówiąc o układach elektromagnetycznych, nieunikniony jest układ równań Maxwella.
W świecie makroskopowym, a nawet w świecie mikroskopowym,
Układ równań Maxwella można bardzo skutecznie zastosować do opisu właściwości układu.
Układ równań Maxwella został podsumowany na podstawie wcześniejszych badań zjawisk elektromagnetycznych.
Istnieją cztery bardzo podstawowe równania, zarówno w formie różniczkowej, jak i całkowej.
Przyjrzyjmy się teraz układowi równań Maxwella w postaci całkowej.
Powyższe dwa równania opisują odpowiednio strumień natężenia pola, sumę obrazu przesunięcia potencjału wypływu i sumę obrazu indukcji wirującego pola magnetycznego w powierzchni przestrzeni zamkniętej
Zgodnie z wiedzą zdobytą w szkole średniej pole elektryczne można wytworzyć poprzez wzbudzenie ładunku punktowego, pole magnetyczne nie może zostać wzbudzone przez monopol magnetyczny, ale w celu przedłużenia ścieżki zamkniętej, dzięki czemu pole elektryczne jest aktywne, pole magnetyczne jest pasywne.
Zatem całkowity strumień przesunięcia potencjału jest całkowitym ładunkiem q, a całkowity strumień magnetyczny wynosi 0.
Powyższe dwa równania opisują wielkości spinowe natężenia pola, całki całkowitego natężenia pola elektrycznego i całkowitego natężenia pola magnetycznego.
Odpowiadające odpowiednio szybkości zmiany strumienia magnetycznego i szybkości zmiany przesunięcia potencjału (natężenia prądu) dla jednego obrotu wzdłuż ścieżki krzywej na krzywej przestrzeni zamkniętej.
Wzory Gaussa i Stokesa pozwalają również na przepisanie powyższych czterech równań do postaci różniczkowej w następujący sposób.
▽ dla operatora Nabla, z wektorowym iloczynem skalarnym do obliczenia rozproszenia i iloczynem rozwidlonym do obliczenia spinu, P dla gęstości ciała ładunku i Jn dla gęstości prądu.
Powyższe równania mogą opisać zasadniczo całe zachowanie elektromagnetyczne występujące we wszystkich układach silników indukcyjnych prądu przemiennego
1.2 Polaryzacja materiału i namagnesowanie energii elektrycznej
W przyłożonym elektrycznym wirującym polu magnetycznym cząsteczki materiału zmienią swoją orientację, ponieważ natężenie pola wpływa na polaryzację.
Domeny elektryczne utworzone przez pierwotnie nierównomiernie rozmieszczone grupy molekularne o różnych rozmiarach zostaną spolaryzowane z powodu przyłożonego pola magnetycznego, a orientacja rozkładu ładunku będzie zbieżna.
E0=8,854187817*10-12F/m to przenikalność próżniowa, która jest również stałą dielektryczną próżni, a P to względna stała dielektryczna, która jest określona przez właściwości samego materiału.
(1.9) opisuje łącznie gęstość przesunięcia potencjału przyłożonego pola elektrycznego i odpowiadający mu obraz intensywności polaryzacji.
W przyłożonym polu magnetycznym w ten sam sposób można uzyskać odpowiednie domeny magnetyczne i siły namagnesowania.
W odróżnieniu od pola elektrycznego wprowadza się siłę polaryzacji magnetycznej M, która opisuje różnicę pomiędzy siłą indukcji magnetycznej materiału a siłą środowiska próżniowego.
U0=4π*10-7 N.A-2 to przepuszczalność próżni, a Ur to przepuszczalność względna, która opisuje zdolność materiału do przepuszczania pola magnetycznego.
Jeśli Ur<=1 jest antymagnetyczny, materiał zapobiega przepływowi pola magnetycznego; jeśli obraz jest paramagnetyczny, materiał poddaje się przejściu pola magnetycznego.
Jeśli Ur>=1o 5 jest ferromagnetyczny, materiał taki jak żelazokobalt-nikiel wzmocni pole magnetyczne po namagnesowaniu. A następnie zachowują pewną siłę pola magnetycznego po usunięciu pola magnetycznego, co nazywa się magnetyzmem resztkowym.
W procesie pracy silnika będzie zachodzić ciągłe magnesowanie i rozmagnesowanie, dlatego należy zwrócić uwagę również na badanie linii histerezy różnych materiałów.
Linia histerezy opisuje rosnącą indukcję magnetyczną materiału magnetycznego w miarę wzrostu natężenia pola pod wpływem przyłożonego pola magnetycznego o sile H.
Ta indukcja magnetyczna nie podąża za natężeniem pola po osiągnięciu nasycenia magnetycznego.
Po osiągnięciu nasycenia magnetycznego trudno jest śledzić wzrost natężenia pola. Kiedy natężenie zewnętrznego pola magnetycznego powoli spada do zera, można zauważyć, że krzywa rozmagnesowania nadal zachowuje namagnesowanie resztkowe B, gdy przechodzi przez punkt zerowy.
To namagnesowanie resztkowe pokazuje ogólną zasadę wytwarzania magnesów trwałych, tj. namagnesowanie kierunkowe, po którym następuje stopniowe rozmagnesowanie. Po przyłożeniu odwrotnego pola magnetycznego siła indukcji magnetycznej spada do zera lub nawet wzrasta w przeciwnym kierunku, a nadmiar ten nazywa się koercją H.
1.3 Siła elektromagnetyczna i energia mechaniczna
Największą wartością silnika jest realizacja przemiany energii elektrycznej na energię mechaniczną, wykonanie pracy zewnętrznej i wykonanie ruchu docelowego.
Ruch naładowanej cząstki w polu magnetycznym podlega działaniu siły Lorentza prostopadłej do kierunku ruchu, której makroskopowym wyrazem jest siła Ampera Hm = Il * B , którą można ocenić korzystając z reguły lewej ręki do określenia kierunku,
I jest efektywną długością przewodnika w polu magnetycznym w kierunku prądu.
Istnieje również odpowiednia siła pola elektrycznego w polu elektrostatycznym Fe=qE.
Zarówno pole magnetyczne, jak i elektryczne same w sobie są polami, a siła przyłożona do znajdującego się w nich ładunku lub elementu prądu zależy od objętości i gęstości pola, a zatem odpowiednią siłę pola można zbadać w kategoriach pola.
Powyższe dwa równania nadal zachowują symetrię, gęstość ładunku P w pewnej objętości w wyniku natężenia pola elektrycznego pola wytwarza gęstość siły elektrycznej fe = pE,
Gęstość prądu J w określonej objętości pod wpływem natężenia pola magnetycznego daje gęstość siły magnetycznej Fm = J * B (powyższe równanie (1.12) należy zastosować w przypadku materiałów izotropowych i prądu stałego).
To wyrażenie inspiruje nas do bezpośredniego zbadania energii i gęstości energii pola elektromagnetycznego.
W ten sposób można określić energię potencjalną elektromagnetyczną w pewnym punkcie, znajdując gradient w celu uzyskania odpowiedniej gęstości siły elektromagnetycznej, a tym samym znalezienia całkowitej siły elektromagnetycznej działającej na badany obiekt.
1.4 Model cewki
Cewka jest podstawowym elementem tworzącym model silników indukcyjnych, łączącym model obwodu silnika prądu przemiennego z modelem fizycznym obiektu.
Prosty odcinek przewodu pod napięciem wytwarza wokół siebie toroidalne pole magnetyczne (zgodnie z równaniem 1.4).
Kiedy przewodnik jest zamknięty na początku i na końcu, pole toroidalne tworzy w środku pierścienia przewodzącego linie magnetyczne siły, które przechodzą pionowo przez pierścień przewodzący, na przykład przez elektromagnes.
Biorąc pod uwagę tylko prąd w przewodzie pod napięciem, (1.4) upraszcza się do:
Siła magnetomotoryczna (magnetische Durchfluchtung), będąca źródłem natężenia pola wzbudzenia, jest w istocie siłą całkowitego prądu przepływającego przez odcinek zamkniętego przewodnika w [A].
Ponieważ w praktyce drut pod napięciem zostanie zwinięty w cewkę, prąd drutu jest dyskretyzowany i (1.13) jest przepisywany jako
N to całkowita liczba zwojów w cewce, tj. liczba zwojów.
Można zauważyć, że im większa jest liczba zwojów, tym wyższy jest całkowity prąd, tym większy jest potencjał magnetyczny i tym silniejsze może być wzbudzenie pola magnetycznego.
Cewka jednozwojowa w zmiennym w czasie polu magnetycznym indukuje napięcie na obu końcach drutu, zjawisko opisane przez (1.3).
Można zrozumieć, że indukcję magnetyczną można również interpretować jako gęstość strumienia magnetycznego, którą można otrzymać zastępując (1.3)
Ui to indukowany potencjał elektryczny, rozważ dwie formy zmiany strumienia, jedna polega na zmianie powierzchni cewki, ale zmianie gęstości strumienia, następnie są następujące:
Pierwsza część to formalnie przekształcony potencjał indukcyjny (napięcie indukowane transformacyjnie), a druga część to potencjał indukcyjny przekształcony translacyjnie (napięcie indukowane translacyjnie).
Pierwsza ma zmienną w czasie gęstość strumienia magnetycznego, podczas gdy druga ma zmienną w czasie efektywną powierzchnię cewki.
Ta zasada indukcji jest wspominana w fizyce w szkole średniej i jest również znana jako twierdzenie o flecie.
Gdy cewka ma wiele zwojów, całkowity efektywny strumień jest dokładnie całkowitą wielokrotnością rozszerzonych zwojów cewki, co wprowadza koncepcję łańcucha magnetycznego.
Łańcuch jest zdefiniowany na poniższym rysunku.
Należy zauważyć, że łańcuch magnetyczny jest wielkością skalarną, podobnie jak strumień magnetyczny. Ponieważ zmiana samego prądu może również powodować zmianę strumienia, istnieje tendencja do utrudniania zmiany strumienia, co można zdefiniować jako:
i to zmienne natężenie prądu, L to współczynnik indukcyjności własnej w Henrym [H], a jego wielkość jest związana z kształtem objętości cewki, liczbą zwojów i przenikalnością magnetyczną.
Cewki w silnikach indukcyjnych są wykonane z materiału ferromagnetycznego w środku cewki, takiego jak rdzeń żelazny, w celu zwiększenia przenikalności magnetycznej, tak że cewka jest nawinięta na żelazny rdzeń, stąd nazwa uzwojenia.
Dla przekroju liniowo jednorodnego materiału jego współczynnik indukcyjności własnej można przybliżyć za pomocą poniższego równania
Indukcyjność własna to cewka własnych zmian prądu, która indukuje zjawisko napięcia tłumiącego, czyli jego tendencję do utrudniania zmian prądu w silniku elektrycznym prądu stałego.
Gdy dwie cewki znajdują się blisko siebie, oprócz własnej indukcyjności, ale także z powodu sąsiednich cewek na zmiany prądu i wzajemną indukcyjność
Współczynnik indukcyjności wzajemnej materiałów o tożsamościach liniowych jest aproksymowany powyższym równaniem, z którego wynika, że na indukcyjność wzajemną wpływa liczba zwojów obu cewek jednocześnie.
Pomijając rezystancję i badając indukcyjność własną i wzajemną dwóch sąsiednich cewek, równanie napięcia można wypisać z rysunku 1.5 dotyczącego silników prądu stałego
Ponieważ części sprzęgła mają te same parametry materiałowe i kształt, powstałe współczynniki indukcyjności wzajemnej są równe M12=M21.
Zatem rozmiar łańcuchów sprzęgających na każdej cewce jest proporcjonalny do natężenia prądu na odpowiedniej cewce uzwojenia wirnika silnika prądu stałego.
Twierdzenie 1,5 Ohma dla energii elektrycznej i obwodów magnetycznych
W szkole średniej studiowaliśmy twierdzenie Ohma, które stwierdza, że opór przewodnika to stosunek napięcia i prądu na obu końcach oraz że istnieje wzór opisujący sam materiał oporowy.
Q, czyli przewodność, która jest dokładnie odwrotnością rezystywności P i opisuje zdolność przewodzenia prądu.
Oprócz przykładania rezystancji zależność między napięciem i prądem można również opisać za pomocą obrazu przewodności podczas pracy silnika elektrycznego.
Teraz zbadaj natężenie prądu na jednostkę powierzchni, tj. gęstość prądu J = I/A e (e jest wektorem jednostkowym), przy gęstości prądu jako wektorze skierowanym w kierunku prądu w przypadku silników prądu przemiennego.
Można to połączyć z równaniem napięcia U=E.l i (1.25) przepisanym (1.26) jako
Powyższe równanie opisuje twierdzenie Ohma na poziomie mikroskopowym, tj. Zmianę gęstości prądu odpowiadającą stałemu natężeniu pola przyłożonego do przewodnika.
Lm to efektywna długość strumienia magnetycznego przez odcinek obwodu magnetycznego, a A to odpowiadająca mu powierzchnia strumienia.
Powyższe równanie jest bardzo podobne do wzoru na opór.
Zdeformujmy ponownie wzór na magnetoopór i będziemy mogli kontynuować otrzymanie
Można zauważyć, że w jednostkach magnetoopór jest w rzeczywistości odwrotnością współczynnika indukcyjności.
Kontynuując analogię z pojęciem przewodności, otrzymujemy przewodność magnetyczną A (magnetische Leitwert, w [H] lub [Ωs])
W obwodzie znajdujemy elementy różniczkowe dla (1.26) i otrzymujemy mikroskopijne twierdzenie Ohma, więc jakie mikroskopijne twierdzenie Ohma odpowiada obwodowi magnetycznemu?
Możemy przejść do przepisania równania (1.31), zauważając, że sam strumień magnetyczny ma gęstość strumienia B , co następnie daje
Zatem twierdzenie Ohma o mikroskopijnym obwodzie magnetycznym jest równaniem (1.10), a natężenie pola magnetycznego poniżej to gęstość strumienia uzyskana w wyniku namagnesowania stałego pola magnetycznego.
Analizę obliczeniową reluktancji można wykorzystać do przeprowadzenia mikroelementowej analizy strumienia w całym biegunie uzwojenia silnika, części rdzenia i pośredniej części szczeliny powietrznej, co pozwala na przeprowadzenie dyskretnej analizy elementów skończonych FEM (metoda elementów skończonych) całego obwodu magnetycznego.
Możliwe jest także zastosowanie twierdzenia Kirchhoffa dla obwodu w obwodzie magnetycznym, co jest bardzo intuicyjne i wygodne.
Zapraszamy do podzielenia się z nami dodatkowymi informacjami na temat silników elektrycznych w obszarze komentarzy!
W przypadku jakichkolwiek zapytań dotyczących silnika elektrycznego prosimy o kontakt z profesjonalnym silnikiem elektrycznym producent W Chiny następująco:
Silnik Dongchun oferuje szeroką gamę silników elektrycznych stosowanych w różnych gałęziach przemysłu, takich jak transport, infrastruktura i budownictwo.
