вращающееся магнитное поле применение

Вращающееся магнитное поле применение

Как было показано ранее, одним из важнейших преимуществ многофазных систем является получение вращающегося магнитного поля с помощью неподвижных катушек, на чем основана работа двигателей переменного тока. Рассмотрение этого вопроса начнем с анализа магнитного поля катушки с синусоидальным током.

Магнитное поле катушки с синусоидальным током

При пропускании по обмотке катушки синусоидального тока она создает

магнитное поле, вектор индукции которого изменяется (пульсирует) вдоль этой катушки также по синусоидальному закону Мгновенная ориентация вектора магнитной индукции в пространстве зависит от намотки катушки и мгновенного направления тока в ней и определяется по правилу правого буравчика. Так для случая, показанного на рис. 1, вектор магнитной индукции направлен по оси катушки вверх. Через полпериода, когда при том же модуле ток изменит свой знак на противоположный, вектор магнитной индукции при той же абсолютной величине поменяет свою ориентацию в пространстве на 1800. С учетом вышесказанного магнитное поле катушки с синусоидальным током называют пульсирующим.

Круговое вращающееся магнитное поле
двух- и трехфазной обмоток

Круговым вращающимся магнитным полем называется поле, вектор магнитной индукции которого, не изменяясь по модулю, вращается в пространстве с постоянной угловой частотой.

Для создания кругового вращающегося поля необходимо выполнение двух условий:

Рассмотрим получение кругового вращающегося магнитного поля в случае двухфазной системы Тесла (рис. 2,а).

При пропускании через катушки гармонических токов каждая из них в соответствии с вышесказанным будет создавать пульсирующее магнитное поле. Векторы и , характеризующие эти поля, направлены вдоль осей соответствующих катушек, а их амплитуды изменяются также по гармоническому закону. Если ток в катушке В отстает от тока в катушке А на 90 0 (см. рис. 2,б), то .

Найдем проекции результирующего вектора магнитной индукции на оси x и y декартовой системы координат, связанной с осями катушек:

Модуль результирующего вектора магнитной индукции в соответствии с рис. 2,в равен

,

(1)

,

.

(2)

Полученные соотношения (1) и (2) показывают, что вектор результирующего магнитного поля неизменен по модулю и вращается в пространстве с постоянной угловой частотой , описывая окружность, что соответствует круговому вращающемуся полю.

Покажем, что симметричная трехфазная система катушек (см. рис. 3,а) также позволяет получить круговое вращающееся магнитное поле.

Каждая из катушек А, В и С при пропускании по ним гармонических токов создает пульсирующее магнитное поле. Векторная диаграмма в пространстве для этих полей представлена на рис. 3,б. Для проекций результирующего вектора магнитной индукции на

оси декартовой системы координат, ось y у которой совмещена с магнитной осью фазы А, можно записать

;

(3)

.

(4)

Приведенные соотношения учитывают пространственное расположение катушек, но они также питаются трехфазной системой токов с временным сдвигом по фазе на 1200. Поэтому для мгновенных значений индукций катушек имеют место соотношения

; ; .

Подставив эти выражения в (3) и (4), получим:

;

(5)

(6)

В соответствии с (5) и (6) и рис. 2,в для модуля вектора магнитной индукции результирующего поля трех катушек с током можно записать:

,

,

.

Таким образом, и в данном случае имеет место неизменный по модулю вектор магнитной индукции, вращающийся в пространстве с постоянной угловой частотой , что соответствует круговому полю.

Магнитное поле в электрической машине

С целью усиления и концентрации магнитного поля в электрической машине для него создается магнитная цепь. Электрическая машина состоит из двух основных частей (см. рис. 4): неподвижного статора и вращающегося ротора, выполненных соответственно в виде полого и сплошного цилиндров.

На статоре расположены три одинаковые обмотки, магнитные оси которых сдвинуты по расточке магнитопровода на 2/3 полюсного деления , величина которого определяется выражением

,

На рис. 4 сплошными линиями (А, В и С) отмечены положительные направления пульсирующих магнитных полей вдоль осей обмоток А, В и С.

Приняв магнитную проницаемость стали бесконечно большой, построим кривую распределения магнитной индукции в воздушном зазоре машины, создаваемой обмоткой фазы А, для некоторого момента времени t (рис. 5). При построении учтем, что кривая изменяется скачком в местах расположения катушечных сторон, а на участках, лишенных тока, имеют место горизонтальные участки.

Заменим данную кривую синусоидой (следует указать, что у реальных машин за счет соответствующего исполнения фазных обмоток для результирующего поля такая замена связана с весьма малыми погрешностями). Приняв амплитуду этой синусоиды для выбранного момента времени t равной ВА, запишем

(7)

;

(8)

.

(9)

С учетом гармонически изменяющихся фазных токов для мгновенных значений этих величин при сделанном ранее допущении о линейности зависимости индукции от тока можно записать

.

Подставив последние соотношения в (7)…(9), получим

;

(10)

;

(11)

.

(12)

Просуммировав соотношения (10)…(12), с учетом того, что сумма последних членов в их правых частях тождественно равна нулю, получим для результирующего поля вдоль воздушного зазора машины выражение

,

представляющее собой уравнение бегущей волны.

Магнитная индукция постоянна, если . Таким образом, если мысленно выбрать в воздушном зазоре некоторую точку и перемещать ее вдоль расточки магнитопровода со скоростью

,

то магнитная индукция для этой точки будет оставаться неизменной. Это означает, что с течением времени кривая распределения магнитной индукции, не меняя своей формы, перемещается вдоль окружности статора. Следовательно, результирующее магнитное поле вращается с постоянной скоростью. Эту скорость принято определять в оборотах в минуту:

.

Принцип действия асинхронного и синхронного двигателей

Устройство асинхронного двигателя соответствует изображению на рис. 4. Вращающееся магнитное поле, создаваемое расположенными на статоре обмотками с током, взаимодействует с токами ротора, приводя его во вращение. Наибольшее распространение в настоящее время получил асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором ввиду своей простоты и надежности. В пазах ротора такой машины размещены токонесущие медные или алюминиевые стержни. Концы всех стержней с обоих торцов ротора соединены медными или алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Отсюда и произошло такое название ротора.

называется относительным скольжением. Для двигателей нормального исполнения S=0,02…0,07. Неравенство скоростей магнитного поля и ротора становится очевидным, если учесть, что при вращающееся магнитное поле не будет пересекать токопроводящих стержней ротора и, следовательно, в них не будут наводиться токи, участвующие в создании вращающегося момента.

Принципиальное отличие синхронного двигателя от асинхронного заключается в исполнении ротора. Последний у синхронного двигателя представляет собой магнит, выполненный (при относительно небольших мощностях) на базе постоянного магнита или на основе электромагнита. Поскольку разноименные полюсы магнитов притягиваются, то вращающееся магнитное поле статора, которое можно интерпретировать как вращающийся магнит, увлекает за собой магнитный ротор, причем их скорости равны. Это объясняет название двигателя – синхронный.

В заключение отметим, что в отличие от асинхронного двигателя, у которого обычно не превышает 0,8…0,85, у синхронного двигателя можно добиться большего значения и сделать даже так, что ток будет опережать напряжение по фазе. В этом случае, подобно конденсаторным батареям, синхронная машина используется для повышения коэффициента мощности.

Источник

Вращающееся магнитное поле применение

Средняя общеобразовательная школа № 78 г. Нижний Новгород. Научное общество учащихся. Секция физика 5 (Электричество и магнетизм).

Выполнил: ученик 9 «б» класса Сорокин Александр
Научный руководитель: Антонова О.Г.

Введение

Тема вращающихся магнитных полей является очень актуальной в области реальной техники. На принципе вращающихся магнитных полей построены многие электрические машины.

В своей работе я изучал вращающиеся магнитные поля и их практическое применение. Я взял эту тему, так как меня интересует техника.

Рассмотрим алюминиевый диск, подвешенный к опоре за центр тяжести. Поднесем к нему магнит и мы можем наблюдать, что диск не магнитится. Если под этот диск поставить обычный магнит и начать его вращать, то вращение магнита вызовет вращение и алюминиевого диска. Сразу возникает вопрос, почему диск вращается?

И так же быстро напрашивается ответ, что, может быть, вращающийся магнит вызывает вращение прилежащих слоев воздуха и они увлекают за собой наш диск?!

Но это не так. И для того, чтобы исключить такую вероятность, мы поставили между вращающимся магнитом и диском оргстекло. И убедились, что вращение магнита все равно заставляет диск вращаться.

1.Теоретическая часть.

1.1.Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Определение явления электромагнитной индукции: при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока.

Открытие электромагнитной индукции принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины XIX века. Оно вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники.

На основании явления магнитной индукции были созданы мощные генераторы электрической энергии, в разработке которых принимали участие ученые и техники разных стран. Среди них были и наши отечественные ученые: Эмилий Христианович Ленц, Борис Семенович Якоби, Михаил Иосифович Доливо-Добровольский и другие, внесшие большой вклад в развитие электротехники.

1.2. Вихревые токи Фуко.

Вихревые токи, токи Фуко (в честь Фуко, Жан Бернар Леон) — вихревые индукционные токи, возникающие в массивных проводниках при изменении пронизывающего их магнитного потока.

Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д.Ф. Араго (1786—1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске вихревые токи, наличие которых можно определить поднося к диску магнитную стрелку и которые взаимодействуют своим магнитным полем с внешним магнитным полем, противодействуя его изменению. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819—1868) и названы его именем. Он открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. Они вихревые, то есть замкнуты в кольца. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы. В соответствии с правилом Ленца они выбирают внутри проводника такое направление и путь, чтобы противиться причине, вызывающей их. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это свойство используется для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и др., т.е. чтобы стрелки быстрее успокаивались.

Вихревые токи (токи Фуко)

Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах — в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в нем возникают вихревые токи, разогревающие его до температуры плавления.

С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.

Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с ними принимаются специальные меры: с целью предотвращения потерь энергии на нагревание сердечников трансформаторов, эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками. Появление ферритов сделало возможным изготовление этих проводников сплошными. (ферриты это специальный материал, который обладает большой магнитной проницаемостью)

1.3. Трехфазная система электрических цепей.

Трехфазной системой электрических цепей называется система, состоящая из трех электрических цепей переменного тока одной частоты, (э.д.с.) которых имеют разные начальные фазы.

Трехфазная система электрического тока получила широкое распространение, как система, обеспечивающая более экономичную передачу энергии по сравнению с однофазной системой. Кроме того она позволяет создать простые по устройству и надежные в эксплуатации двигатели и генераторы.

Изобретение трехфазной системы и создание трехфазного генератора и электродвигателя принадлежит выдающемуся русскому инженеру М.О. Доливо-Добровольскому.

Простейший трехфазный генератор имеет на якоре одинаковые обмотки (фазы). Оси обмоток сдвинуты в пространстве одна относительно другой на равные углы 2π/3=120º. Поэтому индуктированные в обмотках э.д.с. с одинаковыми амплитудами сдвинуты по фазе на 1/3 периода. Электродвижущая сила второй фазы отстает от э.д.с. первой фазы на 1/3 периода. А э.д.с. третьей фазы опережает э.д.с. первой фазы на 1/3 периода.

При соединении обмоток звездой концы обмоток соединяют в одну точку, называемую нейтралью генератора. В четырехпроводной системе к нейтрали присоединяют нулевой провод. К началам обмоток генератора присоединяются три линейных провода.

Для трехфазных цепей стандартными являются напряжения 120в и380в.

1.4.Трехфазный двигатель

Электрическая энергия получается, передается и используется, как правило, при помощи трехфазной системы токов.

Для преобразования электрической энергии в механическую в различных силовых установках применяют главным образом асинхронные двигатели.

Трёхфазный двигатель —это электродвигатель, который конструктивно предназначен для питания от трехфазной сети переменного тока.

В 1889 году М.О.Доливо-Добровольским был изобретен трехфазный асинхронный двигатель, в котором используется вращающееся магнитное поле.

1.5.Принцип действия асинхронного двигателя.

Наибольшее распространение в технике и промышленности получил асинхронный трёхфазный электродвигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора, также называемой «беличье колесо». Под выражением “трехфазный двигатель” обычно подразумевается именно этот тип двигателя.

Наведенные вращающимся магнитным полем э.д.с. ротора создают в замкнутых его проводниках токи индукции (вторичные токи), которые взаимодействуют с вращающимся магнитным полем статора. На проводники ротора действуют электромагнитные силы, направленные касательно к поверхности ротора (правило левой руки). В результате сложения электромагнитных сил и их моментов на валу ротора возникает суммарный момент сил, приводящий ротор в движение в направлении вращения магнитного поля статора.

Частота вращения ротора должна быть меньше частоты вращения поля статора, так как только при этом условии магнитное поле статора будет наводить в роторе необходимые для работы токи.

По этой причине двигатель называется асинхронным.

2. Практическая часть.

2.1.Постановка эксперимента.

Давайте посмотрим, что же теперь произойдет.

Поставим на наш прибор компас или небольшой магнит и убедимся, что там находится вращающийся магнит. Наш прибор состоит из двухфазного двигателя, взятого от радиолы «Ригонда». И оттуда же взяли конденсатор. Магнит прикреплен на этот двигатель.

Проведем эксперимент и убедимся, что диск вслед за вращающимся магнитом тоже начал вращаться.

2.2 Объяснение эксперимента.

Известно, что при вращении магнитного поля возникает э.д.с. индукции, которая вызывает в алюминиевом диске электрические токи. Это токи Фуко. А электрический ток в свою очередь создает свое магнитное поле. Эти магнитные поля взаимодействуют между собой, так как появившийся электрический ток своим магнитным действием противодействует изменению внешнего магнитного поля.

Кстати, на принципе вращения магнитных полей основана большая отрасль техники – электродвигатели.

А как можно, не вращая магнита, т.е. не вращая твердого тела, с помощью особенностей переменного электрического тока создать вращающееся электрическое поле?

Итак мы получили вращающееся магнитное поле. Мы подвели ток от сети к одной паре обмоток, а сдвиг фаз обеспечили с помощью конденсатора. Такие двигатели получили название конденсаторные.

Заключение

В своей работе я узнал, что такое трехфазный ток, разобрался в принципах действия трехфазных асинхронных двигателей.
Познакомился с явлением возникновения вихревых токов в проводниках и их практическим применением.

На этих принципах собрана установка, демонстрирующая возникновение токов и их практическое применение.

Переменные низкочастотные магнитные поля (частотой около 50Гц) используются в медицине. Глубина проникновения 3-5 см. Есть отечественные аппараты. Их воздействие до сих пор изучается. Полагают, что основной точкой приложения переменных магнитных полей являются биологические мембраны.

В настоящее время установленным фактом является влияние магнитных полей на биологические объекты.

Существуют разные гипотезы, но единого окончательного мнения об их использовании у ученых пока нет.

Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Он всегда состоит из статора и ротора.
Взаимодействие магнитных полей статора и ротора создает вращающий момент, который приводит в движение ротор двигателя. Полученную таким образом энергию можно использовать, приводя в движение различные механизмы.
Огромным преимуществом асинхронных двигателей переменного тока является очень высокий КПД=98%.

Важно отметить, что роторная часть асинхронного двигателя – это немагнитный кусок металла. Причем лучше всего электрические токи возбуждаются в алюминии.

Недостатком является постоянное число оборотов, поэтому на транспорте используют двигатели постоянного ток.

Список литературы:

1) Попов В.С., Николаев С.А. «Общая электротехника с основами электроники»;
2) Г.С. Ландсберг «Элементарный учебник физики»;

Содержание:

Введение
1.Теоретическая часть
1.1.Электромагнитная индукция
1.2.Вихревые токи Фуко
1.3.Трехфазная система электрических цепей
1.4.Трехфазный двигатель
1.5. Принцип действия асинхронного двигателя
2.Практическая часть
2.1.Постановка эксперимента
2.2.Объяснение эксперимента
Заключение
Список литературы

Источник