Третий закон. 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

M эм = wс × P эм,

(1.1)

гдеωс — угловая скорость поля; Рэм — электромагнитная мощность — мощность магнитного поля, сконцентрированная в воздушном зазоре.

Поля, неподвижные относительно друг друга, создают Мэм, 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,расположенныминастаторе,и его угловая скорость равна ωс.Роторвращаетсяс такой же угловой скоростью, что и поле (ωс = ωр)поэтомув 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

f 2=

f 1× s,

(1.2)

где s скольжение (относительная скорость)

w m w

c

(1.3)

Поэтомусуммаскоростиротораωр и скорости поля ротора относительно ротора всегда равна скорости поля ωc.Еслироторвращаетсясоскоростью,большейωc,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. Представление о неподвижности полей для анализа процессов преобразования энергии в трансформаторах не имеет большого значения.

Электрические и механические явления в большинстве электрических машин настроены в резонанс. В электрических машинах имеете* электромеханический резонанс,когдачастотасетиf1;и механическая частота вращения n, об/с, связаны соотношением

f 1 = p × n,

где р — число пар полюсов.

(1.4)

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 p раз меньше, чем в двухполюсной.

Электрические машины по своим видам разнообразны, и в емкостных и индуктивно-емкостных машинах неподвижность полей относительно друг друга не имеет такого важного значения, как в индуктивных машинах. Емкостные и индуктивно-емкостные машины наиболее ярко представляются как концентраторы энергии, имеющие электромеханический резонанс.

Электромеханика объединяет и использует все достижения в механике, электродинамике и теплофизике. Как и большинство технических наук, как на трех китах на них основывается и электромеханика.

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.