Третий закон электромеханики

Электромеханическое преобразование энергии осуществляется полями, неподвижными относительно друг друга.

Неподвижные относительно друг друга поля ротора и статора в воздушном зазоре машины создают результирующее поле и электромагнитный момент

, (1.1)

где ω_с – угловая скорость поля; Р_эм – мощность магнитного поля, сконцентрированная в воздушном зазоре (электромагнитная мощность).

Поля, неподвижные относительно друг друга, создают М_эм, а поля, перемещающиеся в воздушном зазоре относительно друг друга, создают поток тепловой энергии, косвенно влияя на распределение потоков механической и электрической энергии. Увеличение потерь в машине приводит к снижению КПД.

Обмотки электрических машин выполняются таким образом, что при протекании по ним токов в воздушном зазоре создается вращающееся магнитное поле. При проектировании электрических машин стремятся получить в воздушном зазоре круговое поле, которое содержит только одну гармонику. Такое поле называется также синусоидальным.

В синхронной машине вращающееся поле в большинстве случаев создается обмотками, расположенными на статоре, и его угловая скорость равна ω_с. Ротор вращается с такой же угловой скоростью, что и поле (ω_p = ω_с), поэтому в обмотке ротора частота f₂ = 0 и в ней протекает постоянный ток. Поля статора и ротора в синхронной машине неподвижны относительно друг друга.

В машине постоянного тока обмотка возбуждения расположена на статоре и поле возбуждения неподвижно. В якоре создается вращающееся поле, частота вращения которого равна частоте вращения ротора, а направление вращения поля противоположно вращению ротора. Поэтому поля статора и ротора в машине постоянного тока неподвижны относительно друг друга.

В асинхронных машинах частота тока в роторе

f₂ = f₁ s, (1.2)

где скольжение (относительная скорость)

s = (ω_c ± ω_р )/ω_с . (1.3)

Поэтому сумма скорости ротора ω_p и скорости поля ротора относительно ротора всегда равна скорости поля ω_с. Если ротор вращается со скоростью, большей ω_с, в ту же сторону, что и поле, созданное токами ротора, поле ротора движется в направлении, обратном вращению ротора, и поля статора и ротора неподвижны относительно друг друга.

В трансформаторах первичные и вторичные обмотки жестко закреплены на стержнях магнитной системы и частоты напряжений в обмотках одинаковые. Поэтому можно считать, что максимум потока в трехфазном трансформаторе перемещается по стержням с одинаковой частотой относительно первичной и вторичной обмоток.

Электрические и механические явления в большинстве электрических машин настроены в резонанс. В электрических машинах имеется электромеханический резонанс, когда частота сети f₁ и механическая частота вращения п, об/с, связаны соотношением

f₁ = р∙п, (1.4)

где р – число пар полюсов.

В двухполюсной машине частота сети и синхронная частота вращения ротора равны друг другу. Электрические машины выполняются таким образом, что волна МДС в воздушном зазоре укладывается целое число раз, и процессы преобразования энергии в двухполюсных и многополюсных машинах протекают лишь с той разницей, что синхронная скорость поля и механическая скорость ротора в многополюсной машине в р раз меньше, чем в двухполюсной.

Так как электромеханика является частью физики, к электрическим машинам применимы все основные законы физики. К ним в первую очередь относятся законы сохранения энергии, полного тока, закон Ома и др. В основе уравнений, описывающих преобразования энергии в электрических машинах, лежат уравнения Максвелла и Кирхгофа.