Якорь: определение функция и части

Что такое якорь?

Якорь — это компонент электрической машины (например, двигателя или генератора), который проводит переменный ток (ПТ). Якорь проводит ПТ даже в машинах с постоянным током (ПТ) через коммутатор (который периодически меняет направление тока) или благодаря электронной коммутации (например, в бесщеточном двигателе постоянного тока).

Якорь обеспечивает корпус и поддержку для обмотки якоря, которая взаимодействует с магнитным полем, образованным в воздушном зазоре между статором и ротором. Статор может быть как вращающейся частью (ротором), так и неподвижной частью (статором).

Термин "якорь" был введен в 19 веке как технический термин, означающий "хранитель магнита".

Как работает якорь в электродвигателе?

Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию посредством электромагнитной индукции. Это происходит, когда проводник, по которому проходит ток, находится в магнитном поле, и его вынуждают двигаться, как объясняется правилом левой руки Флеминга.

В электродвигателе статор создает вращающееся магнитное поле с использованием постоянных магнитов или электромагнитов. Якорь, обычно являющийся ротором, несет обмотку якоря, которая соединена с коммутатором и щетками. Коммутатор переключает направление тока в обмотке якоря при его вращении, чтобы он всегда совпадал с магнитным полем.

Взаимодействие магнитного поля и обмотки якоря создает момент, который заставляет якорь вращаться. Вал, присоединенный к якорю, передает механическую мощность другим устройствам.

Как работает якорь в электрогенераторе?

Электрогенератор преобразует механическую энергию в электрическую энергию, используя принцип электромагнитной индукции. Когда проводник движется в магнитном поле, он вызывает электродвижущую силу (ЭДС) согласно закону Фарадея.

В электрогенераторе якорь обычно является ротором, который приводится в движение первичным двигателем, таким как дизельный двигатель или турбина. Якорь несет обмотку якоря, которая соединена с коммутатором и щетками. Статор создает неподвижное магнитное поле с использованием постоянных магнитов или электромагнитов.

Относительное движение между магнитным полем и обмоткой якоря индуцирует ЭДС в обмотке якоря, которая приводит электрический ток через внешнюю цепь. Коммутатор переключает направление тока в обмотке якоря при его вращении, чтобы он создавал переменный ток (ПТ).

Части якоря и диаграмма

Якорь состоит из четырех основных компонентов: сердечника, обмотки, коммутатора и вала. Ниже приведена диаграмма, иллюстрирующая эти части.

Потери в якоре

Якорь в электрических машинах имеет несколько потерь, которые снижают его эффективность и производительность. Эти потери включают:

• Потери на сопротивление: Это потери мощности, связанные с сопротивлением обмотки якоря. Они пропорциональны квадрату тока якоря и могут быть уменьшены путем использования более толстых проводов или параллельных путей. Потери на сопротивление можно рассчитать по формуле:

где Pc — потери на сопротивление, Ia — ток якоря, Ra — сопротивление якоря.

Потери от вихревых токов: Это потери мощности, связанные с индуцированными токами в сердечнике якоря. Эти токи вызваны изменяющимся магнитным потоком и создают тепло и магнитные потери. Потери от вихревых токов можно уменьшить, используя ламинированные материалы сердечника или увеличивая воздушный зазор. Потери от вихревых токов можно рассчитать по формуле:

где Pe — потери от вихревых токов, ke — постоянная, зависящая от материала и формы сердечника, Bm — максимальная плотность потока, f — частота изменения потока, t — толщина каждой ламели, V — объем сердечника.

• Потери от гистерезиса: Это потери мощности, связанные с повторной намагниченностью и размагничиванием сердечника якоря. Этот процесс вызывает трение и тепло в молекулярной структуре материала сердечника. Потери от гистерезиса можно уменьшить, используя мягкие магнитные материалы с низкой коэрцитивной силой и высокой проницаемостью. Потери от гистерезиса можно рассчитать по формуле:

где Ph — потери от гистерезиса, kh — постоянная, зависящая от материала сердечника, Bm — максимальная плотность потока, f — частота изменения потока, V — объем сердечника.

Общие потери в якоре можно получить, сложив эти три вида потерь:

Эффективность якоря можно определить как отношение выходной мощности к входной мощности якоря:

где ηa — эффективность якоря, Po — выходная мощность, Pi — входная мощность якоря.

Проектирование якоря

Проектирование якоря является ключевым для производительности и эффективности электрической машины, и оно зависит от нескольких ключевых факторов:

• Количество пазов: Пазы используются для размещения обмотки якоря и обеспечения механической поддержки. Количество пазов зависит от типа обмотки, количества полюсов и размера машины. Обычно больше пазов приводит к лучшему распределению потока и тока, меньшему реактивному сопротивлению и потерям, а также к более плавному моменту. Однако больше пазов также увеличивает вес и стоимость якоря, уменьшает пространство для изоляции и охлаждения, а также увеличивает утечки потока и реакцию якоря.

• Форма пазов: Пазы могут быть открытыми или закрытыми, в зависимости от того, открыты они к воздушному зазору или нет. Открытые пазы легче наматывать и охлаждать, но они увеличивают магнитное сопротивление и утечки потока в воздушном зазоре. Закрытые пазы труднее наматывать и охлаждать, но они уменьшают магнитное сопротивление и утечки потока в воздушном зазоре.

• Тип обмотки: Обмотка может быть либо лаповой, либо волновой, в зависимости от того, как катушки соединены с сегментами коммутатора. Лаповая обмотка подходит для машин с высоким током и низким напряжением, так как она обеспечивает несколько параллельных путей для протекания тока. Волновая обмотка подходит для машин с низким током и высоким напряжением, так как она обеспечивает последовательное соединение катушек и суммирует нап