Якорь: определение функция и части (электродвигатель и генератор)

Что такое якорь?

Якорь — это компонент электрической машины (например, двигателя или генератора), который проводит переменный ток (AC). Якорь проводит переменный ток даже в DC-машинах (с постоянным током) через коллектор (который периодически меняет направление тока) или благодаря электронной коммутации (например, в бесколлекторном двигателе с постоянными магнитами).

Якорь обеспечивает корпус и поддержку для обмотки якоря, которая взаимодействует с магнитным полем, образованным в воздушном зазоре между статором и ротором. Статор может быть либо вращающейся частью (ротором), либо 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, используя принцип электромагнитной индукции. Когда проводник, по которому проходит ток, помещается в магнитное поле, он испытывает силу согласно левостороннему правилу Флеминга.

В электродвигателе статор создает вращающееся магнитное поле с помощью постоянных магнитов или электромагнитов. Якорь, обычно являющийся ротором, несет обмотку якоря, соединенную с коллектором и щетками. Коллектор переключает направление тока в обмотке якоря при его вращении, чтобы она всегда была выровнена с магнитным полем.

Взаимодействие между магнитным полем и обмоткой якоря создает крутящий момент, вызывающий вращение якоря. Вал, присоединенный к якорю, передает механическую мощность другим устройствам.

Как работает якорь в электрогенераторе?

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

В электрогенераторе якорь обычно является ротором, приводимым в движение первичным двигателем, таким как дизельный двигатель или турбина. Якорь несет обмотку якоря, соединенную с коллектором и щетками. Статор создает неподвижное магнитное поле с помощью постоянных магнитов или электромагнитов.

Относительное движение между магнитным полем и обмоткой якоря индуцирует ЭДС в обмотке якоря, что приводит к появлению электрического тока во внешней цепи. Коллектор переключает направление тока в обмотке якоря при его вращении, чтобыон производил переменный ток (AC).

Части якоря и схема

Якорь состоит из четырех основных частей: сердечника, обмотки, коллектора и вала. Диаграмма якоря показана ниже.

Потери в якоре

Якорь электрической машины подвержен различным видам потерь, которые снижают его эффективность и производительность. Основные виды потерь в якоре:

• Потери на меди: Это потери мощности, вызванные сопротивлением обмотки якоря. Они пропорциональны квадрату тока якоря и могут быть уменьшены за счет использования более толстых проводов или параллельных путей. Потери на меди можно рассчитать по формуле:

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

• Потери от вихревых токов: Это потери мощности, вызванные 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 — константа, зависящая от материала и формы сердечника, Bm — максимальная плотность потока, f — частота изменения потока, t — толщина каждой ламинированной пластины, V — объем сердечника.

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

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

Общие потери в якоре можно получить, суммируя 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 влияет на производительность и эффективность электрической машины. Некоторые факторы, влияющие на проектирование якоря, включают:

• Количество пазов: Пазы используются для размещения обмотки якоря и обеспечения механической поддержки. Количество пазов зависит от типа обмотки, числа полюсов и размера машины. Обычно, больше пазов приводит к лучшему распределению потока и тока, меньшим реактивному сопротивлению и потерям, а также более плавному крутящему моменту. Однако, больше пазов также увеличивает вес и стоимость якоря, уменьшает пространство для изоляции и охлаждения, а также увеличивает утечку 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 утечку потока в воздушном зазоре. Закрытые пазы труднее наматывать и охлаждать, но они уменьшают магнитное сопротивление и утечку потока в воздушном зазоре.

• Тип обмотки: Обмотка может быть лапчатой или волновой, в зависимости от того, как катушки соединены с сегментами коллектора. Лапчатая обмотка подходит для машин с высоким током и низким напряжением, так как она предоставляет 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 напряжения.

• Размер проводника: Проводник используется для проводки тока в обмотке якоря. Размер проводника зависит от плотности тока, которая является отношением тока к площади поперечного сечения. Более высокая плотность тока приводит к большим потерям на медную проводку и повышению температуры, но меньшей стоимости и весу проводника. Низкая плотность тока приводит к меньшим потерям на медную проводку и повышению температуры, но большей стоимости и весу проводника.

• Длина воздушного зазора: Воздушный зазор — это расстояние между полюсами статора и ротора. Длина воздушного зазора влияет на плотность потока, магнитное сопротивление, утечку потока и реакцию якоря в машине. Меньший воздушный зазор приводит к большей плотности потока, меньшему магнитному сопротивлению, меньшей утечке потока и большей реакции якоря. Большой воздушный зазор приводит к меньшей плотности потока, большему магнитному сопротивлению, большей утечке потока и меньшей реакции якоря.

Проектирование якоря (продолжение)

Некоторые методы, используемые для проектирования якоря, включают:

• Уравнение ЭДС: Это уравнение связывает индуцированную ЭДС в якоре с потоком, скоростью и числом витков обмотки. Оно может использоваться для определения требуемых размеров и параметров якоря для заданного выходного напряжения и