Электромеха́ника — раздел электротехники , в котором рассматриваются общие принципы электромеханического преобразования энергии и их практическое применение для проектирования и эксплуатации электрических машин .

Предметом электромеханики является управление режимами работы и регулирование параметров обратимого преобразования электрической энергии в механическую и механической — в электрическую, включая генерирование и трансформацию электрической энергии .

Электромеханика как наука рассматривает вопросы создания и совершенствования силовых и информационных устройств для взаимного преобразования электрической и механической энергии, электрических, контактных и бесконтактных аппаратов для коммутации электрических цепей и управления потоками энергии .

В соответствии с общероссийским классификатором специальностей по образованию электромеханика является специальностью высшего профессионального образования, подготовка по которой осуществляется в рамках направления 140600 — «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» .

История электромеханики

Одной из первых работ по электромеханике является работа, посвящённая теории и проектированию обмоток электрических машин постоянного тока, которая была опубликована в 1891 году швейцарским учёным .

В первые три десятилетия XX в. в трудах Э. Арнольда, А. Блонделя, М. Видмара, Л. Дрейфуса, М. П. Костенко , К. А. Круга и В. А. Толвинского была разработана теория установившихся режимов электрических машин.

В 1895 г. А. Блондель предложил метод двух реакций для анализа синхронных машин.

В 1929 г. , используя метод двух реакций, вывел дифференциальные уравнения синхронной машины, названные его именем.

В 1938—1942 гг. Г. Крон создал обобщенную теорию электрических машин (дифференциальные уравнения идеализированной обобщенной электрической машины) и разработал методы тензорного и матричного анализов электрических цепей и машин.

В 1963 г. И. П. Копылов предложил математическую модель обобщенного электромеханического преобразователя для несинусоидального магнитного поля в воздушном зазоре, применимую для симметричных и несимметричных электрических машин с любым числом фаз обмоток статора и ротора и учитывающую нелинейность изменения их параметров.

Альтернативные определения электромеханики

Академик А. Г. Иосифьян дал общее определение электромеханики: «Электромеханика — наука о движении и взаимодействии вещественных инерциальных макроскопических и микроскопических тел, связанных с электрическими и магнитными полями» . Учитывая то, что для приведения покоящегося тела в движение требуется действие силы, определение, данное Иосифьяном А. Г. , может быть приведено к следующей форме: «Электромеханика — обобщенное учение о силах, действующих в электромагнитном поле и о проблемах, связанных с проявлением этих сил» .

В зарубежных источниках встречается следующее определение: «Электромеханика — технология, рассматривающая вопросы, связанные с электромеханическими компонентами, устройствами, оборудованием, системами или процессами» , где под электромеханическими компонентами подразумеваются электрические машины.

Области знаний, используемые в электромеханике

• Электродинамика
• Механика
• Теплофизика

Основные понятия

• Электромеханический преобразователь , электрическая машина , обобщённая электрическая машина, вращающееся магнитное поле , реакция якоря, принцип обратимости электрических машин, линейная токовая нагрузка, машинная постоянная Арнольда.

Основные законы электромеханики

Как правило, под законами электромеханики подразумевают следующие законы электродинамики, необходимые для анализа процессов и проектирования электромеханических преобразователей .

1. Закон электромагнитной индукции Фарадея :

${\displaystyle {\mathcal {E}}=-{\frac {d\Phi }{dt}}=B\cdot \ell \cdot v,}$

где ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ — ЭДС, ${\displaystyle \Phi }$ — магнитный поток, ${\displaystyle B}$ — магнитная индукция в данной точке поля, ${\displaystyle \ell }$ — активная длина проводника в пределах равномерного магнитного поля с индукцией ${\displaystyle B}$ , расположенного в плоскости, перпендикулярной к направлению магнитных силовых линий, ${\displaystyle v}$ — скорость проводника в плоскости, нормальной к ${\displaystyle B}$ , в направлении, перпендикулярном к ${\displaystyle \ell }$ .

2. Закон полного тока для магнитной цепи ( 1-е уравнение Максвелла в интегральной форме ):

${\displaystyle \oint {\vec {H}}\cdot {\vec {dl}}=\sum i,}$

где ${\displaystyle {\vec {H}}}$ — вектор напряженности магнитного поля, ${\displaystyle {\vec {dl}}}$ — элементарное перемещение вдоль некоторого пути в магнитном поле, ${\displaystyle \sum i,}$ — величина полного тока, который охватывается контуром интегрирования.

3. Закон электромагнитных сил ( закон Ампера ).

${\displaystyle F=B\cdot I\cdot \ell .}$

Профессор МЭИ Копылов И. П. сформулировал три общих закона электромеханики :

1-й закон : Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться без потерь, его КПД всегда меньше 100 %.

2-й закон : Все электрические машины обратимы, одна и та же машина может работать как в режиме двигателя так и в режиме генератора.

3-й закон : Электромеханическое преобразование энергии осуществляется неподвижными друг относительно друга полями. Ротор может вращаться с той же скоростью, что и поле (в синхронных машинах), или с другой скоростью (в асинхронных машинах), однако поля статора и ротора в установившемся режиме неподвижны относительно друг друга.

Основные уравнения

1. Основное уравнение электрической машины — уравнение, связывающее между собой величины диаметра ротора и длины ротора с мощностью двигателя и числом оборотов в минуту:

${\displaystyle {\frac {D^{2}\cdot l\cdot n_{1}}{P}}={\frac {5,5\cdot 10^{3}}{\cos \varphi \cdot k_{1}\cdot \alpha _{\sigma }\cdot B_{m}\cdot A}},}$

где ${\displaystyle D}$ — диаметр ротора, ${\displaystyle l}$ — длина ротора, ${\displaystyle n_{1}}$ — синхронная скорость вращения ротора в об/мин (равная скорости вращения первой гармоники МДС обмотки статора), ${\displaystyle P}$ — мощность электрической машины в кВт, ${\displaystyle \cos \varphi }$ — коэффициент мощности, ${\displaystyle k_{1}}$ — обмоточный коэффициент, учитывающий влияние распределения обмотки в пазах и влияние укорочения шага обмотки, ${\displaystyle B_{m}}$ — амплитуда нормальной составляющей магнитной индукции в зазоре машины, ${\displaystyle A}$ — «линейная нагрузка», равная числу амперпроводников, приходящихся на 1 погонный сантиметр длины окружности статора. Правая часть основного уравнения для данного (известного) типа машины изменяются в сравнительно узких пределах и называется «машинной постоянной» или постоянной Арнольда

${\displaystyle C_{A}={\frac {D^{2}\cdot l\cdot n_{1}}{P}}.}$

2. Уравнения равновесия напряжений обмоток электрической машины — уравнения, составленные для цепей обмоток на основании второго закона Кирхгофа

Для асинхронной машины с короткозамкнутым ротором уравнения равновесия напряжений имеют вид :

${\displaystyle {\dot {U}}_{s}=R_{s}\cdot {\dot {I}}_{s}+j\cdot x_{\sigma s}\cdot {\dot {I}}_{s}-{\dot {E}}_{s}}$

${\displaystyle 0=R_{r}\cdot {\dot {I}}_{r}+j\cdot s\cdot x_{\sigma r}\cdot {\dot {I}}_{r}-s\cdot {\dot {E}}_{r},}$

где ${\displaystyle {\dot {U}}_{s}}$ — фазное напряжение статора, ${\displaystyle {\dot {I}}_{s}}$ и ${\displaystyle {\dot {I}}_{r}}$ — фазные токи статора и ротора, ${\displaystyle R_{s}}$ и ${\displaystyle R_{r}}$ — активные сопротивления обмоток статора и ротора, ${\displaystyle x_{\sigma s}}$ и ${\displaystyle x_{\sigma r}}$ — индуктивные сопротивления рассеяния статора и ротора, ${\displaystyle {\dot {E}}_{s}}$ и ${\displaystyle {\dot {E}}_{r}}$ — ЭДС , индуктированные в обмотках статора и ротора результирующим магнитным потоком полей статора и ротора.

3. Уравнение электромагнитного момента

Уравнение электромагнитного момента асинхронной машины имеет вид :

${\displaystyle \mathrm {M} _{e}={\frac {m_{s}\cdot p\cdot U_{s}^{2}}{\omega _{s}}}\cdot {\frac {R_{r}'/s}{(R_{s}+R_{r}/s)^{2}+(\omega _{s}\cdot L_{k})^{2}}},}$

где ${\displaystyle m_{s}}$ — число фаз обмотки статора, ${\displaystyle p}$ — число пар полюсов, ${\displaystyle U_{s}}$ — действующее значение напряжения статора, ${\displaystyle \omega _{s}}$ — частота тока статора, ${\displaystyle R_{r}'}$ — активное сопротивление ротора, приведённое к статору, ${\displaystyle R_{s}}$ — активное сопротивление фазной обмотки статора, ${\displaystyle L_{k}}$ — индуктивное сопротивление короткого замыкания, приблизительно равное сумме индуктивности рассеяния статора и приведённой к статору индуктивности рассеяния ротора ${\displaystyle L_{k}\approx Ls\sigma +L'r\sigma }$ .

Уравнение электромагнитного момента синхронной машины :

${\displaystyle \mathrm {M} _{e}={\frac {m_{s}\cdot U_{s}\cdot E}{\omega _{s}\cdot x_{d}}}\cdot \sin \Theta +{\frac {m_{s}\cdot U_{s}^{2}}{2\cdot \omega _{s}}}\cdot \left({\frac {1}{x_{q}}}-{\frac {1}{x_{d}}}\right),}$

где ${\displaystyle E}$ — ЭДС, индуктируемая в обмотке статора потоком ротора, ${\displaystyle \Theta }$ — угол нагрузки (угол сдвига фаз между ЭДС и напряжением статора), ${\displaystyle x_{d},x_{q}}$ — продольное и поперечное синхронные индуктивные сопротивления обмотки статора.

Вопросы, рассматриваемые в электромеханике

В соответствии с ГОСТом , определяющим содержание подготовки выпускников вузов по специальности "Электромеханика, " в электромеханике рассматриваются следующие вопросы:

• Общая теория электромеханического преобразования энергии;
• Физические явления в электромеханических преобразователях и их математические описания в дифференциальной, алгебраической и векторной форме;
• Принципы действия, конструктивные исполнения и основные характеристики электромеханических преобразователей (трансформаторов, асинхронных и синхронных машин, коллекторных машин постоянного и переменного тока);
• Параметры и режимы работы электрических машин , эксплуатационные требования к ним;
• Тепловые процессы в электрических машинах .

Учебники по электромеханике содержат такие темы как :

• Основные законы электромеханики
• Классификация электрических машин
• Трансформаторы
• Машины постоянного тока
• Асинхронные машины
• Синхронные машины

Основные проблемы электромеханики

1. Расчёт электрических машин с нелинейными параметрами с учётом таких факторов как: насыщение, вытеснение тока, изменение момента инерции, ударные моменты нагрузки, несинусоидальность напряжения .
2. Оптимизация электрических машин (по КПД , по отношению момента к массе и др.).

См. также

• Электродинамика
• Электротехника
• Механика
• Электромеханотроника
• Вращающееся магнитное поле
• Электрическая машина

Примечания

Ссылки

• (недоступная ссылка)