Obręcz: Definicja funkcja i części
Co to jest węzeł?
Węzeł to komponent maszyny elektrycznej (tj. silnika lub generatora), który przewodzi prąd przemienny (AC). Węzeł przewodzi prąd przemienny nawet w przypadku maszyn z prądem stałym (DC) poprzez kolektor (który okresowo zmienia kierunek prądu) lub dzięki elektronicznej komutacji (np. w bezszczotkowym silniku DC).
Węzeł zapewnia obudowę i podparcie dla obrotów węzła, które oddziałują z polem magnetycznym utworzonym w szczelinie powietrznej między statorami a rotorem. Stator może być częścią obracającą się (rotor) lub nieruchomą (stator).
Termin „węzeł” został wprowadzony w XIX wieku jako termin techniczny oznaczający „ochroniarza magnesu”.
Jak działa węzeł w silniku elektrycznym?
Silnik elektryczny przekształca energię elektryczną w mechaniczną poprzez indukcję elektromagnetyczną. To dzieje się, gdy prądotwórczy przewodnik w polu magnetycznym jest zmuszany do ruchu, jak wyjaśnia reguła lewej dłoni Fleminga.
W silniku elektrycznym, stator tworzy obracające się pole magnetyczne za pomocą permanentnych magnesów lub eletromagnesów. Węzeł, który zwykle jest rotorem, zawiera obroty węzła połączone z kolektorem i szczotkami. Kolektor zmienia kierunek prądu w obrotach węzła podczas jego obrotu, aby zawsze był zgodny z polem magnetycznym.
Oddziaływanie pola magnetycznego z obrotami węzła generuje moment obrotowy, który powoduje obrót węzła. Wał przyłączony do węzła przekazuje moc mechaniczną do innych urządzeń.
Jak działa węzeł w generatorze elektrycznym?
Generator elektryczny przekształca energię mechaniczną w elektryczną, wykorzystując zasadę indukcji elektromagnetycznej. Gdy przewodnik porusza się w polu magnetycznym, indukuje siłę elektromotoryczną (EMF) zgodnie z Prawem Faradaya.
W generatorze elektrycznym, węzeł jest zwykle rotorem napędzanym przez główny napęd, takim jak silnik Diesla lub turbina. Węzeł zawiera obroty węzła połączone z kolektorem i szczotkami. Stator tworzy nieruchome pole magnetyczne za pomocą permanentnych magnesów lub eletromagnesów.
Ruch względny między polem magnetycznym a obrotami węzła indukuje EMF w obrotach węzła, co prowadzi do prądu elektrycznego przez zewnętrzny obwód. Kolektor zmienia kierunek prądu w obrotach węzła podczas jego obrotu, aby produkował prąd przemienny (AC).
Części węzła i diagram
Węzeł składa się z czterech kluczowych komponentów: rdzenia, obrotów, kolektora i wału. Poniżej znajduje się diagram ilustrujący te części.
Straty w węźle
Węzeł w maszynach elektrycznych ponosi kilka strat, które zmniejszają jego wydajność i efektywność. Te straty obejmują:
Straty miedziane: To strata mocy spowodowana przez opór obrotów węzła. Jest proporcjonalna do kwadratu prądu węzła i można ją zmniejszyć, używając grubszego przewodu lub równoległych ścieżek. Straty miedziane można obliczyć za pomocą wzoru:
gdzie Pc to straty miedziane, Ia to prąd węzła, a Ra to opór węzła.
Straty wirujące: To strata mocy spowodowana przez indukowane prądy w rdzeniu węzła. Te prądy są powodowane zmieniającym się magnetycznym płynem i powodują ciepło i straty magnetyczne. Straty wirujące można zmniejszyć, używając laminowanego materiału rdzenia lub zwiększając szczelinę powietrzną. Straty wirujące można obliczyć za pomocą wzoru:
gdzie Pe to straty wirujące, ke to stała zależna od materiału i kształtu rdzenia, Bm to maksymalna gęstość płynu, f to częstotliwość odwrócenia płynu, t to grubość każdej laminacji, a V to objętość rdzenia.
Straty histerezy: To strata mocy spowodowana przez powtarzające się namagnesowanie i demagnesowanie rdzenia węzła. Ten proces powoduje tarcie i ciepło w strukturze molekularnej materiału rdzenia. Straty histerezy można zmniejszyć, używając miękkich materiałów magnetycznych o niskiej koercji i wysokiej przejrzystości. Straty histerezy można obliczyć za pomocą wzoru:
gdzie Ph to straty histerezy, kh to stała zależna od materiału rdzenia, Bm to maksymalna gęstość płynu, f to częstotliwość odwrócenia płynu, a V to objętość rdzenia.
Całkowite straty w węźle można uzyskać, dodając te trzy straty:
Efektywność węzła można zdefiniować jako stosunek mocy wyjściowej do mocy wejściowej węzła:
gdzie ηa to efektywność węzła, Po to moc wyjściowa, a Pi to moc wejściowa węzła.
Projekt węzła
Projekt węzła jest kluczowy dla wydajności i efektywności maszyny elektrycznej, wpływając na kilka kluczowych czynników:
Liczba otworów: Otwory służą do pomieszczenia obrotów węzła i zapewniania mechanicznego wsparcia. Liczba otworów zależy od typu obrotów, liczby biegunów i rozmiaru maszyny. Ogólnie, więcej otworów prowadzi do lepszego rozłożenia płynu i prądu, niższego reaktancji i strat, oraz gładkiego momentu obrotowego. Jednak więcej otworów również zwiększa wagę i koszt węzła, zmniejsza przestrzeń na izolację i chłodzenie, oraz zwiększa przeciek płynu i reakcję węzła.
Kształt otworów: Otwory mogą być otwarte lub zamknięte, w zależności od tego, czy są one narażone na szczelinę powietrzną, czy nie. Otwarte otwory są łatwiejsze do nawinięcia i chłodzenia, ale zwiększają reluctancję i przeciek płynu w szczelinie powietrznej. Zamknięte otwory są trudniejsze do nawinięcia i chłodzenia, ale zmniejszają reluctancję i przeciek płynu w szczelinie powietrznej.
Typ obrotów: Obroty mogą być nawinięte na lapie lub falach, w zależności od tego, jak są połączone z segmentami kolektora. Nawinięcie na lapie jest odpowiednie dla maszyn o wysokim prądzie i niskim napięciu, ponieważ zapewnia wiele równoległych ścieżek dla przepływu prądu. Nawinięcie na falach jest odpowiednie dla maszyn o niskim prądzie i wysokim napięciu, ponieważ zapewnia szeregowe połączenie cewek i dodaje napięcia.
