Электромеханика: различия между версиями
[непроверенная версия] | [отпатрулированная версия] |
Dimswell (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
Спасено источников — 4, отмечено мёртвыми — 0. Сообщить об ошибке. См. FAQ.) #IABot (v2.0.9.5 |
||
(не показаны 44 промежуточные версии 17 участников) | |||
Строка 1: | Строка 1: | ||
{{В инкубаторе}} |
|||
{{Инкубатор, Проверить статью|20130526}} |
|||
{{Инкубатор, Прошу помочь|20130525}} |
|||
{{Комплексная наука |
{{Комплексная наука |
||
| Тема = |
| Тема = [[Электротехника]] |
||
| Название = |
| Название = Электромеханика |
||
| Другие названия = |
| Другие названия = |
||
| Иллюстрирование = |
| Иллюстрирование = |
||
| Предмет изучения = [[Электрическая машина|электрические машины |
| Предмет изучения = Преобразование электрической энергии в механическую и наоборот, [[Электрическая машина|электрические машины]], электромеханические комплексы и системы. |
||
| Период зарождения = |
| Период зарождения = конец XIX века |
||
| Основные направления = Проектирование [[Электрическая машина|электрических машин]]; < |
| Основные направления = Общая теория электромеханического преобразования энергии; <br> Проектирование [[Электрическая машина|электрических машин]]; <br> Анализ переходных процессов в электрических машинах. |
||
| Вспомогат. дисциплины = [[Механика]], [[электродинамика]], [[ТОЭ |
| Вспомогат. дисциплины = [[Механика]], [[электродинамика]], [[ТОЭ]], <br> [[Электрический аппарат|электрические аппараты]]. |
||
| Центры исследований =<br> |
|||
| Центры исследований = [[:en:International Council on Large Electric Systems|CIGRE]], </br> [[ФГУП «НПП ВНИИЭМ»]], </br> [[Электросила (завод)| завод "Электросила"]], </br> [http://www.vniimem.com/ ОАО "ВНИТИ ЭМ"],</br> [http://www.utexas.edu/research/cem/ Center for Electromechanics ([[:en:The University of Texas at Austin|University of Texas]])],</br> [http://engineering.missouri.edu/research/centers/electromechanics Center for Electromechanics and Energy Conversion ([[:en:University of Missouri|University of Missouri]])],</br> [http://www.me.berkeley.edu/faculty/lieu/electrom.htm UC Berkeley Electro-mechanical Design Laboratory ([[:en:University of California, Berkeley|University of California, Berkeley]])] |
|||
* {{нп5|Международный Совет по большим энергетическим системам высокого напряжения|CIGRE||International Council on Large Electric Systems}}, |
|||
⚫ | |||
* [[ФГУП «НПП ВНИИЭМ»]], |
|||
* завод [[Электросила (завод)|«Электросила»]], |
|||
* [http://www.vniimem.com/ ОАО "ВНИТИ ЭМ"], |
|||
* [http://www.utexas.edu/research/cem/ Center for Electromechanics] ([[Техасский университет в Остине]]), |
|||
* [http://engineering.missouri.edu/research/centers/electromechanics Center for Electromechanics and Energy Conversion] ([[Миссурийский университет]]), |
|||
* [http://www.me.berkeley.edu/faculty/lieu/electrom.htm UC Berkeley Electro-mechanical Design Laboratory] ([[Калифорнийский университет в Беркли]]) |
|||
⚫ | |||
| Категория на Викискладе = |
| Категория на Викискладе = |
||
}} |
}} |
||
''' |
'''Электромеха́ника''' — раздел [[Электротехника|электротехники]], в котором рассматриваются общие принципы [[Электромеханический преобразователь|электромеханического преобразования]] [[Энергия#Виды энергии|энергии]]<ref>{{книга|автор=Уайт Д.С., Вудсон Г.Х.|заглавие=Электромеханическое преобразование энергии|место=М.-Л.|издательство="Энергия"|год=1964|страницы=7|страниц=528}}</ref><ref name="glebov">{{книга|часть=Глава 6. Электромеханика|заглавие=История электротехники|ответственный=под. ред И. А. Глебова |место=М.|издательство=Изд-во МЭИ|год=1999|страниц=524|isbn=5-7046-0421-8 }}</ref> и их практическое применение для проектирования и эксплуатации [[Электрическая машина|электрических машин]]<ref>{{книга|автор=В. В. Виноградов, Г. О. Винокур, Б. А. Ларин, С. И. Ожегов, Б. В. Томашевский, Д. Н. Ушаков|заглавие=Толковый словарь русского языка: В 4 т.|ответственный= Под ред. Д. Н. Ушакова|место=М.|издательство=Гос. изд-во иностр. и нац. слов.|год=1940|том=4|страниц=1502}}</ref>. |
||
Предметом электромеханики является |
Предметом электромеханики является [[Теория управления#Методы управления|управление]] режимами работы и регулирование параметров обратимого преобразования электрической энергии в механическую и механической — в электрическую, включая генерирование и трансформацию электрической энергии<ref name = "gost">{{книга|автор=В.В. Галактионов, Ю.Г. Татур, Н.С. Гудилин, Е.П. Попова|заглавие=Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Государственные требования к минимуму содержания и уровню подготовки выпускника по специальности 180100 - Электромеханика|ссылка=http://eduscan.net/standart/140601|издание=Государственный комитет Российской федерации по высшему образованию|место={{М}}|год=1995|страниц=26|archive-date=2013-08-15|archive-url=https://web.archive.org/web/20130815204850/http://eduscan.net/standart/140601}}</ref>. |
||
Электромеханика как наука рассматривает вопросы создания и совершенствования силовых и информационных устройств для взаимного преобразования электрической и механической энергии, электрических, контактных и бесконтактных аппаратов для коммутации электрических цепей и управления потоками энергии<ref name="vak">{{cite web|url=http://vak.ed.gov.ru/ru/help_desk/|title=Высшая Аттестационная Комиссия Министерства образования и науки Российской Федерации. Справочные материалы.|work=Паспорта специальностей научных работников. Паспорт специальности 05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты.|format=pdf|accessdate=2013-06-17|archiveurl=https://web.archive.org/web/20130608093725/http://vak.ed.gov.ru/ru/help_desk/|archivedate=2013-06-08|deadlink=yes}}</ref>. |
|||
⚫ | В соответствии с |
||
⚫ | В соответствии с общероссийским классификатором специальностей по образованию электромеханика является специальностью высшего профессионального образования, подготовка по которой осуществляется в рамках направления 140600 — «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»<ref>[http://klassifikators.ru/okso/140600 ОКСО 140600] {{Wayback|url=http://klassifikators.ru/okso/140600 |date=20130826230646 }} — Электротехника, электромеханика и электротехнологии</ref><ref>[http://www.edu.ru/abitur/act.7/okso.140601/st.3/index.php Направления подготовки и специальности высшего профессионального образования. Электромеханика] {{Wayback|url=http://www.edu.ru/abitur/act.7/okso.140601/st.3/index.php |date=20150217223254 }}. Российское образование. Федеральный портал</ref>. |
||
== История электромеханики<ref name = "glebov"/> == |
== История электромеханики<ref name = "glebov"/> == |
||
Одной из первых работ по электромеханике является работа, посвящённая теории и проектированию обмоток электрических машин постоянного тока, которая была опубликована в 1891 |
Одной из первых работ по электромеханике является работа, посвящённая теории и проектированию обмоток электрических машин постоянного тока, которая была опубликована в 1891 году швейцарским учёным [[Арнольд, Энгельберт|Энгельбертом Арнольдом]]<ref>{{cite web|url=http://www.eti.kit.edu/english/1356.php|title=History of the Institute of Electrical Engineering. The Institute of Electrical Engineering (ETI) of the Grand Ducal Technical University of Karlsuhe.|accessdate=2013-05-26|archiveurl=https://web.archive.org/web/20130416070936/http://www.eti.kit.edu/english/1356.php|archivedate=2013-04-16|deadlink=yes}}</ref>. |
||
В первые три десятилетия XX в. в трудах Э. Арнольда, А. Блонделя, М. Видмара, Л. Дрейфуса, М. П. Костенко, К. А. Круга и В. А. Толвинского была разработана теория установившихся режимов электрических машин. |
В первые три десятилетия XX в. в трудах Э. Арнольда, А. Блонделя, М. Видмара, Л. Дрейфуса, [[Костенко, Михаил Полиевктович|М. П. Костенко]], К. А. Круга и В. А. Толвинского была разработана теория установившихся режимов электрических машин. |
||
В 1895 г. [[ |
В 1895 г. [[Блондель, Андре|А. Блондель]] предложил метод двух реакций для анализа синхронных машин. |
||
В 1929 г. |
В 1929 г. {{нп5|Парк, Роберт (инженер)|Р. Парк||Robert H. Park}}, используя метод двух реакций, вывел [[Дифференциальное уравнение|дифференциальные уравнения]] синхронной машины, названные его именем. |
||
В 1938—1942 гг. Г. Крон создал обобщенную теорию электрических машин (дифференциальные уравнения идеализированной обобщенной электрической машины) и разработал методы тензорного и матричного анализов электрических цепей и машин. |
В 1938—1942 гг. Г. Крон создал обобщенную теорию электрических машин (дифференциальные уравнения идеализированной обобщенной электрической машины) и разработал методы [[Тензорный анализ|тензорного]] и [[Матрица (математика)|матричного]] анализов электрических цепей и машин. |
||
В 1963 г. И. П. Копылов предложил математическую модель обобщенного электромеханического преобразователя для несинусоидального магнитного поля в воздушном зазоре, применимую для симметричных и несимметричных электрических машин с любым числом фаз обмоток статора и ротора и учитывающую нелинейность изменения их параметров. |
В 1963 г. И. П. Копылов предложил математическую модель обобщенного [[Электромеханический преобразователь|электромеханического преобразователя]] для несинусоидального магнитного поля в воздушном зазоре, применимую для симметричных и несимметричных электрических машин с любым числом фаз обмоток статора и ротора и учитывающую нелинейность изменения их параметров. |
||
== Альтернативные определения электромеханики == |
== Альтернативные определения электромеханики == |
||
⚫ | Академик [[Иосифьян, Андроник Гевондович|А. Г. Иосифьян]] дал общее определение электромеханики: «Электромеханика — наука о движении и взаимодействии вещественных инерциальных макроскопических и микроскопических тел, связанных с электрическими и магнитными полями»<ref>{{книга|автор=Иосифьян А. Г.|заглавие=Электромеханика в космосе|ссылка=http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/znan/1977/3-elektromehan.html|издательство=«Знание»|год=1977|серия=«Космонавтика, астрономия»|страниц=64|archive-date=2013-06-14|archive-url=https://web.archive.org/web/20130614072707/http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/znan/1977/3-elektromehan.html}} {{Cite web |url=http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/znan/1977/3-elektromehan.html |title=Архивированная копия |access-date=2013-05-07 |archive-date=2013-06-14 |archive-url=https://web.archive.org/web/20130614072707/http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/znan/1977/3-elektromehan.html |deadlink=unfit }}</ref>. Учитывая то, что для приведения покоящегося тела в движение требуется действие силы, определение, данное [[Иосифьян, Андроник Гевондович|Иосифьяном А. Г.]], может быть приведено к следующей форме: «Электромеханика — обобщенное учение о силах, действующих в электромагнитном поле и о проблемах, связанных с проявлением этих сил»<ref>{{книга|автор=Воробьев В. Е.|заглавие=Основы электромеханики: Письменные лекции.|место=СПб.|издательство=СЗТУ|год=2003|страниц=79}}</ref>. |
||
⚫ | В зарубежных источниках встречается следующее определение: «Электромеханика — технология, рассматривающая вопросы, связанные с электромеханическими компонентами, устройствами, оборудованием, системами или процессами»<ref>{{книга|автор=Steven M. Kaplan|заглавие=Wiley Electrical and Electronics Engineering Dictionary|ссылка=http://www.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-0471402249,descCd-description.html|издательство=John Wiley & Sons, Inc|год=2004|ISBN=978-0-471-40224-4|archive-date=2005-03-21|archive-url=https://web.archive.org/web/20050321023806/http://www.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-0471402249,descCd-description.html}}</ref>, где под электромеханическими компонентами подразумеваются электрические машины. |
||
⚫ | Академик [[Иосифьян, Андроник Гевондович| |
||
⚫ | В зарубежных источниках встречается следующее определение: «Электромеханика — технология, рассматривающая вопросы, связанные с электромеханическими компонентами, устройствами, оборудованием, системами или процессами» |
||
== Области знаний, используемые в электромеханике == |
== Области знаний, используемые в электромеханике == |
||
Строка 54: | Строка 60: | ||
где <math> \mathcal{E} </math> — ЭДС, <math>\Phi</math> — магнитный поток, <math>B</math> — магнитная индукция в данной точке поля, <math> \ell </math> — активная длина проводника в пределах равномерного магнитного поля с индукцией <math>B</math>, расположенного в плоскости, перпендикулярной к направлению магнитных силовых линий, <math> v </math> — скорость проводника в плоскости, нормальной к <math>B</math>, в направлении, перпендикулярном к <math> \ell </math>. |
где <math> \mathcal{E} </math> — ЭДС, <math>\Phi</math> — магнитный поток, <math>B</math> — магнитная индукция в данной точке поля, <math> \ell </math> — активная длина проводника в пределах равномерного магнитного поля с индукцией <math>B</math>, расположенного в плоскости, перпендикулярной к направлению магнитных силовых линий, <math> v </math> — скорость проводника в плоскости, нормальной к <math>B</math>, в направлении, перпендикулярном к <math> \ell </math>. |
||
2. '''Закон полного тока для магнитной цепи''' ([[Теорема о циркуляции магнитного поля|1- |
2. '''Закон полного тока для магнитной цепи''' ([[Теорема о циркуляции магнитного поля|1-е уравнение Максвелла в интегральной форме]]): |
||
: <math>\oint\vec{H}\cdot \vec{dl}= \sum i,</math> |
: <math>\oint\vec{H}\cdot \vec{dl}= \sum i,</math> |
||
где <math>\vec{H}</math> — вектор напряженности магнитного поля, <math>\vec{dl}</math> — элементарное перемещение вдоль некоторого пути в магнитном поле, <math>\sum i,</math> — величина полного тока, который охватывается контуром интегрирования. |
где <math>\vec{H}</math> — вектор напряженности магнитного поля, <math>\vec{dl}</math> — элементарное перемещение вдоль некоторого пути в магнитном поле, <math>\sum i,</math> — величина полного тока, который охватывается контуром интегрирования. |
||
Строка 60: | Строка 66: | ||
3. '''Закон электромагнитных сил''' ([[закон Ампера]]). |
3. '''Закон электромагнитных сил''' ([[закон Ампера]]). |
||
: <math> F = B \cdot I \cdot \ell .</math> |
: <math> F = B \cdot I \cdot \ell .</math> |
||
Профессор МЭИ Копылов И. П. сформулировал три общих закона электромеханики<ref name = "kop">{{книга|автор=Копылов И. П.|заглавие=Математическое моделирование электрических машин. Учеб. для вузов|издание=3-е изд., перераб. и доп.|место=М.|издательство=Высш. шк.|год=2001|страниц=327}}</ref>: |
Профессор МЭИ Копылов И. П. сформулировал три общих закона электромеханики<ref name = "kop">{{книга|автор=Копылов И. П.|заглавие=Математическое моделирование электрических машин. Учеб. для вузов|издание=3-е изд., перераб. и доп.|место=М.|издательство=Высш. шк.|год=2001|страниц=327}}</ref>: |
||
''1- |
: ''1-й закон'': Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться без потерь, его [[КПД]] всегда меньше 100 %. |
||
''2- |
: ''2-й закон'': Все электрические машины обратимы, одна и та же машина может работать как в режиме двигателя так и в режиме генератора. |
||
''3- |
: ''3-й закон'': Электромеханическое преобразование энергии осуществляется неподвижными друг относительно друга полями. Ротор может вращаться с той же скоростью, что и поле (в синхронных машинах), или с другой скоростью (в асинхронных машинах), однако поля статора и ротора в установившемся режиме неподвижны относительно друг друга. |
||
== Основные уравнения == |
== Основные уравнения == |
||
1.'''Основное уравнение электрической машины'''<ref>{{cite web|url=http://edu.dvgups.ru/METDOC/GDTRAN/DEPEN/ELMASH/EMASH/METOD/UP/frame/2.htm|title=Основное уравнение электрической машины|accessdate=2013-05-11}}</ref> — уравнение, связывающее между собой величины диаметра ротора и длины ротора с мощностью двигателя и числом оборотов в минуту: |
1.'''Основное уравнение электрической машины'''<ref>{{cite web|url=http://edu.dvgups.ru/METDOC/GDTRAN/DEPEN/ELMASH/EMASH/METOD/UP/frame/2.htm|title=Основное уравнение электрической машины|accessdate=2013-05-11|archiveurl=https://web.archive.org/web/20160609190936/http://edu.dvgups.ru/METDOC/GDTRAN/DEPEN/ELMASH/EMASH/METOD/UP/frame/2.htm|archivedate=2016-06-09|deadlink=yes}}</ref> — уравнение, связывающее между собой величины диаметра ротора и длины ротора с мощностью двигателя и числом оборотов в минуту: |
||
:: <math> \frac{D^2 \cdot l \cdot n_1}{P} = \frac{5,5 \cdot 10^3}{\cos \varphi \cdot k_1 \cdot \alpha_\sigma \cdot B_m \cdot A} ,</math> |
:: <math> \frac{D^2 \cdot l \cdot n_1}{P} = \frac{5,5 \cdot 10^3}{\cos \varphi \cdot k_1 \cdot \alpha_\sigma \cdot B_m \cdot A} ,</math> |
||
где <math> D </math> — диаметр ротора, <math> l </math> — длина ротора, <math> n_1 </math> — синхронная скорость вращения ротора в об/мин (равная скорости вращения первой гармоники МДС обмотки статора), <math> P </math> — мощность электрической машины в кВт, <math> \cos \varphi </math> — коэффициент мощности, <math> k_1 </math> — обмоточный коэффициент, учитывающий влияние распределения обмотки в пазах и влияние укорочения шага обмотки, <math>B_m </math> — амплитуда нормальной составляющей магнитной индукции в зазоре машины, <math> A </math> — «линейная нагрузка», равная числу амперпроводников, приходящихся на 1 погонный сантиметр длины окружности статора. |
где <math> D </math> — диаметр ротора, <math> l </math> — длина ротора, <math> n_1 </math> — синхронная скорость вращения ротора в об/мин (равная скорости вращения первой гармоники МДС обмотки статора), <math> P </math> — мощность электрической машины в кВт, <math> \cos \varphi </math> — коэффициент мощности, <math> k_1 </math> — обмоточный коэффициент, учитывающий влияние распределения обмотки в пазах и влияние укорочения шага обмотки, <math>B_m </math> — амплитуда нормальной составляющей магнитной индукции в зазоре машины, <math> A </math> — «линейная нагрузка», равная числу амперпроводников, приходящихся на 1 погонный сантиметр длины окружности статора. |
||
Строка 72: | Строка 79: | ||
:: <math> C_A = \frac{D^2 \cdot l \cdot n_1}{P} . </math> |
:: <math> C_A = \frac{D^2 \cdot l \cdot n_1}{P} . </math> |
||
2.'''Уравнения равновесия напряжений обмоток электрической машины''' — уравнения, составленные для цепей обмоток на основании [[Правила Кирхгофа|второго закона Кирхгофа]] |
2.'''Уравнения равновесия напряжений обмоток электрической машины''' — уравнения, составленные для цепей обмоток на основании [[Правила Кирхгофа|второго закона Кирхгофа]] |
||
: Для асинхронной машины с короткозамкнутым ротором уравнения равновесия напряжений имеют вид<ref name = "voldek">{{книга|автор=Вольдек А. И.|заглавие=Электрические машины. Учебн. для студ. высш. техн. учеб. заведений.|издание=изд. 2- |
: Для асинхронной машины с короткозамкнутым ротором уравнения равновесия напряжений имеют вид<ref name = "voldek">{{книга|автор=Вольдек А. И.|заглавие=Электрические машины. Учебн. для студ. высш. техн. учеб. заведений.|издание=изд. 2-е, перераб. и доп.|место=Л.|издательство=Изд-во "Энергия"|год=1978|страниц=840}}</ref>: |
||
:: <math> \dot U_s = R_s \cdot \dot I_s + j \cdot x_{\sigma s} \cdot \dot I_s - \dot E_s </math> |
:: <math> \dot U_s = R_s \cdot \dot I_s + j \cdot x_{\sigma s} \cdot \dot I_s - \dot E_s </math> |
||
:: <math> 0 = R_r \cdot \dot I_r + j \cdot s \cdot x_{\sigma r} \cdot \dot I_r - s \cdot \dot E_r , </math> |
:: <math> 0 = R_r \cdot \dot I_r + j \cdot s \cdot x_{\sigma r} \cdot \dot I_r - s \cdot \dot E_r , </math> |
||
Строка 89: | Строка 96: | ||
* Общая теория электромеханического преобразования энергии; |
* Общая теория электромеханического преобразования энергии; |
||
* Физические явления в [[электромеханический преобразователь|электромеханических преобразователях]] и их математические описания в дифференциальной, алгебраической и векторной форме; |
* Физические явления в [[электромеханический преобразователь|электромеханических преобразователях]] и их математические описания в дифференциальной, алгебраической и векторной форме; |
||
* Принципы действия, конструктивные исполнения и основные характеристики [[электромеханический преобразователь|электромеханических |
* Принципы действия, конструктивные исполнения и основные характеристики [[электромеханический преобразователь|электромеханических преобразователей]] (трансформаторов, асинхронных и синхронных машин, коллекторных машин постоянного и переменного тока); |
||
* Параметры и режимы работы [[электрическая |
* Параметры и режимы работы [[электрическая машина|электрических машин]], эксплуатационные требования к ним; |
||
* Тепловые процессы в [[электрическая машина|электрических машинах]]. |
* Тепловые процессы в [[электрическая машина|электрических машинах]]. |
||
Учебники по электромеханике содержат такие темы как<ref name = "goldberg"/>: |
Учебники по электромеханике содержат такие темы как<ref name = "goldberg"/>: |
||
* Основные законы электромеханики |
* Основные законы электромеханики |
||
* [ |
* [[:Категория:Электрические машины|Классификация электрических машин]] |
||
* [[Трансформатор]]ы |
* [[Трансформатор]]ы |
||
* [[Машина постоянного тока|Машины постоянного тока]] |
* [[Машина постоянного тока|Машины постоянного тока]] |
||
Строка 101: | Строка 108: | ||
== Основные проблемы электромеханики == |
== Основные проблемы электромеханики == |
||
# Расчёт электрических машин с нелинейными параметрами с учётом таких факторов как: насыщение, вытеснение тока, изменение момента инерции, ударные моменты нагрузки, несинусоидальность напряжения<ref>{{книга|автор=Копылов И. П.|заглавие=Электромеханические преобразователи энергии|место=М.|издательство="Энергия"|год=1973|страницы=393|страниц=400}}</ref>. |
|||
# Оптимизация электрических машин (по [[КПД]], по отношению момента к массе и др.). |
|||
== См. также == |
== См. также == |
||
* [[Электродинамика]] |
|||
[[:en:Electromechanics]] |
|||
* [[Электротехника]] |
|||
* [[Механика]] |
|||
* [[Электромеханотроника]] |
|||
* [[Вращающееся магнитное поле]] |
|||
* [[Электрическая машина]] |
|||
== Примечания == |
== Примечания == |
||
{{примечания}} |
{{примечания|2}} |
||
== Ссылки == |
== Ссылки == |
||
* [http://klassifikators.ru/okso/140600 ОКСО 140600 — Электротехника, электромеханика и электротехнологии] |
|||
* [https://web.archive.org/web/20150217223254/http://www.edu.ru/abitur/act.7/okso.140601/st.3/index.php Направления подготовки и специальности высшего профессионального образования. Группа направлений подготовки и специальностей (ОКСО): энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника] |
|||
* [http://dl.unilib.neva.ru/dl/059/Contents.html Электронная книга по электромеханике]{{Недоступная ссылка|date=Январь 2020 |bot=InternetArchiveBot }} |
|||
[[ |
[[Категория:Электромеханика|*]] |
||
[[ |
[[Категория:Технические науки]] |
Текущая версия от 07:25, 6 января 2024
Наука | |
Электромеханика | |
---|---|
Тема | Электротехника |
Предмет изучения | Преобразование электрической энергии в механическую и наоборот, электрические машины, электромеханические комплексы и системы. |
Период зарождения | конец XIX века |
Основные направления |
Общая теория электромеханического преобразования энергии; Проектирование электрических машин; Анализ переходных процессов в электрических машинах. |
Вспомогат. дисциплины |
Механика, электродинамика, ТОЭ, электрические аппараты. |
Центры исследований |
|
Значительные учёные | Э. Арнольд, Р. Рихтер, Р. Парк, Р. А. Лютер, А. И. Важнов, А. В. Иванов-Смоленский, Л. М. Пиотровский, Д. А. Завалишин, А. И. Вольдек, И. П. Копылов |
Медиафайлы на Викискладе |
Электромеха́ника — раздел электротехники, в котором рассматриваются общие принципы электромеханического преобразования энергии[1][2] и их практическое применение для проектирования и эксплуатации электрических машин[3].
Предметом электромеханики является управление режимами работы и регулирование параметров обратимого преобразования электрической энергии в механическую и механической — в электрическую, включая генерирование и трансформацию электрической энергии[4].
Электромеханика как наука рассматривает вопросы создания и совершенствования силовых и информационных устройств для взаимного преобразования электрической и механической энергии, электрических, контактных и бесконтактных аппаратов для коммутации электрических цепей и управления потоками энергии[5].
В соответствии с общероссийским классификатором специальностей по образованию электромеханика является специальностью высшего профессионального образования, подготовка по которой осуществляется в рамках направления 140600 — «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»[6][7].
История электромеханики[2]
[править | править код]Одной из первых работ по электромеханике является работа, посвящённая теории и проектированию обмоток электрических машин постоянного тока, которая была опубликована в 1891 году швейцарским учёным Энгельбертом Арнольдом[8].
В первые три десятилетия XX в. в трудах Э. Арнольда, А. Блонделя, М. Видмара, Л. Дрейфуса, М. П. Костенко, К. А. Круга и В. А. Толвинского была разработана теория установившихся режимов электрических машин.
В 1895 г. А. Блондель предложил метод двух реакций для анализа синхронных машин.
В 1929 г. Р. Парк[англ.], используя метод двух реакций, вывел дифференциальные уравнения синхронной машины, названные его именем.
В 1938—1942 гг. Г. Крон создал обобщенную теорию электрических машин (дифференциальные уравнения идеализированной обобщенной электрической машины) и разработал методы тензорного и матричного анализов электрических цепей и машин.
В 1963 г. И. П. Копылов предложил математическую модель обобщенного электромеханического преобразователя для несинусоидального магнитного поля в воздушном зазоре, применимую для симметричных и несимметричных электрических машин с любым числом фаз обмоток статора и ротора и учитывающую нелинейность изменения их параметров.
Альтернативные определения электромеханики
[править | править код]Академик А. Г. Иосифьян дал общее определение электромеханики: «Электромеханика — наука о движении и взаимодействии вещественных инерциальных макроскопических и микроскопических тел, связанных с электрическими и магнитными полями»[9]. Учитывая то, что для приведения покоящегося тела в движение требуется действие силы, определение, данное Иосифьяном А. Г., может быть приведено к следующей форме: «Электромеханика — обобщенное учение о силах, действующих в электромагнитном поле и о проблемах, связанных с проявлением этих сил»[10].
В зарубежных источниках встречается следующее определение: «Электромеханика — технология, рассматривающая вопросы, связанные с электромеханическими компонентами, устройствами, оборудованием, системами или процессами»[11], где под электромеханическими компонентами подразумеваются электрические машины.
Области знаний, используемые в электромеханике
[править | править код]Основные понятия
[править | править код]- Электромеханический преобразователь, электрическая машина, обобщённая электрическая машина, вращающееся магнитное поле, реакция якоря, принцип обратимости электрических машин, линейная токовая нагрузка, машинная постоянная Арнольда.
Основные законы электромеханики
[править | править код]Как правило, под законами электромеханики подразумевают следующие законы электродинамики, необходимые для анализа процессов и проектирования электромеханических преобразователей[12].
1. Закон электромагнитной индукции Фарадея:
где — ЭДС, — магнитный поток, — магнитная индукция в данной точке поля, — активная длина проводника в пределах равномерного магнитного поля с индукцией , расположенного в плоскости, перпендикулярной к направлению магнитных силовых линий, — скорость проводника в плоскости, нормальной к , в направлении, перпендикулярном к .
2. Закон полного тока для магнитной цепи (1-е уравнение Максвелла в интегральной форме):
где — вектор напряженности магнитного поля, — элементарное перемещение вдоль некоторого пути в магнитном поле, — величина полного тока, который охватывается контуром интегрирования.
3. Закон электромагнитных сил (закон Ампера).
Профессор МЭИ Копылов И. П. сформулировал три общих закона электромеханики[13]:
- 1-й закон: Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться без потерь, его КПД всегда меньше 100 %.
- 2-й закон: Все электрические машины обратимы, одна и та же машина может работать как в режиме двигателя так и в режиме генератора.
- 3-й закон: Электромеханическое преобразование энергии осуществляется неподвижными друг относительно друга полями. Ротор может вращаться с той же скоростью, что и поле (в синхронных машинах), или с другой скоростью (в асинхронных машинах), однако поля статора и ротора в установившемся режиме неподвижны относительно друг друга.
Основные уравнения
[править | править код]1.Основное уравнение электрической машины[14] — уравнение, связывающее между собой величины диаметра ротора и длины ротора с мощностью двигателя и числом оборотов в минуту:
где — диаметр ротора, — длина ротора, — синхронная скорость вращения ротора в об/мин (равная скорости вращения первой гармоники МДС обмотки статора), — мощность электрической машины в кВт, — коэффициент мощности, — обмоточный коэффициент, учитывающий влияние распределения обмотки в пазах и влияние укорочения шага обмотки, — амплитуда нормальной составляющей магнитной индукции в зазоре машины, — «линейная нагрузка», равная числу амперпроводников, приходящихся на 1 погонный сантиметр длины окружности статора. Правая часть основного уравнения для данного (известного) типа машины изменяются в сравнительно узких пределах и называется «машинной постоянной» или постоянной Арнольда
2.Уравнения равновесия напряжений обмоток электрической машины — уравнения, составленные для цепей обмоток на основании второго закона Кирхгофа
- Для асинхронной машины с короткозамкнутым ротором уравнения равновесия напряжений имеют вид[15]:
- где — фазное напряжение статора, и — фазные токи статора и ротора, и — активные сопротивления обмоток статора и ротора, и — индуктивные сопротивления рассеяния статора и ротора, и — ЭДС, индуктированные в обмотках статора и ротора результирующим магнитным потоком полей статора и ротора.
3.Уравнение электромагнитного момента
- Уравнение электромагнитного момента асинхронной машины имеет вид[16]:
где — число фаз обмотки статора, — число пар полюсов, — действующее значение напряжения статора, — частота тока статора, — активное сопротивление ротора, приведённое к статору, — активное сопротивление фазной обмотки статора, — индуктивное сопротивление короткого замыкания, приблизительно равное сумме индуктивности рассеяния статора и приведённой к статору индуктивности рассеяния ротора .
- Уравнение электромагнитного момента синхронной машины[15] :
где — ЭДС, индуктируемая в обмотке статора потоком ротора, — угол нагрузки (угол сдвига фаз между ЭДС и напряжением статора), — продольное и поперечное синхронные индуктивные сопротивления обмотки статора.
Вопросы, рассматриваемые в электромеханике
[править | править код]В соответствии с ГОСТом[4], определяющим содержание подготовки выпускников вузов по специальности "Электромеханика, " в электромеханике рассматриваются следующие вопросы:
- Общая теория электромеханического преобразования энергии;
- Физические явления в электромеханических преобразователях и их математические описания в дифференциальной, алгебраической и векторной форме;
- Принципы действия, конструктивные исполнения и основные характеристики электромеханических преобразователей (трансформаторов, асинхронных и синхронных машин, коллекторных машин постоянного и переменного тока);
- Параметры и режимы работы электрических машин, эксплуатационные требования к ним;
- Тепловые процессы в электрических машинах.
Учебники по электромеханике содержат такие темы как[12]:
- Основные законы электромеханики
- Классификация электрических машин
- Трансформаторы
- Машины постоянного тока
- Асинхронные машины
- Синхронные машины
Основные проблемы электромеханики
[править | править код]- Расчёт электрических машин с нелинейными параметрами с учётом таких факторов как: насыщение, вытеснение тока, изменение момента инерции, ударные моменты нагрузки, несинусоидальность напряжения[17].
- Оптимизация электрических машин (по КПД, по отношению момента к массе и др.).
См. также
[править | править код]- Электродинамика
- Электротехника
- Механика
- Электромеханотроника
- Вращающееся магнитное поле
- Электрическая машина
Примечания
[править | править код]- ↑ Уайт Д.С., Вудсон Г.Х. Электромеханическое преобразование энергии. — М.—Л.: "Энергия", 1964. — С. 7. — 528 с.
- ↑ 1 2 Глава 6. Электромеханика // История электротехники / под. ред И. А. Глебова. — М.: Изд-во МЭИ, 1999. — 524 с. — ISBN 5-7046-0421-8.
- ↑ В. В. Виноградов, Г. О. Винокур, Б. А. Ларин, С. И. Ожегов, Б. В. Томашевский, Д. Н. Ушаков. Толковый словарь русского языка: В 4 т. / Под ред. Д. Н. Ушакова. — М.: Гос. изд-во иностр. и нац. слов., 1940. — Т. 4. — 1502 с.
- ↑ 1 2 В.В. Галактионов, Ю.Г. Татур, Н.С. Гудилин, Е.П. Попова. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Государственные требования к минимуму содержания и уровню подготовки выпускника по специальности 180100 - Электромеханика. — Государственный комитет Российской федерации по высшему образованию. — М., 1995. — 26 с. Архивировано 15 августа 2013 года.
- ↑ Высшая Аттестационная Комиссия Министерства образования и науки Российской Федерации. Справочные материалы. (pdf). Паспорта специальностей научных работников. Паспорт специальности 05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты.. Дата обращения: 17 июня 2013. Архивировано из оригинала 8 июня 2013 года.
- ↑ ОКСО 140600 Архивная копия от 26 августа 2013 на Wayback Machine — Электротехника, электромеханика и электротехнологии
- ↑ Направления подготовки и специальности высшего профессионального образования. Электромеханика Архивная копия от 17 февраля 2015 на Wayback Machine. Российское образование. Федеральный портал
- ↑ History of the Institute of Electrical Engineering. The Institute of Electrical Engineering (ETI) of the Grand Ducal Technical University of Karlsuhe. Дата обращения: 26 мая 2013. Архивировано из оригинала 16 апреля 2013 года.
- ↑ Иосифьян А. Г. Электромеханика в космосе. — «Знание», 1977. — 64 с. — («Космонавтика, астрономия»). Архивировано 14 июня 2013 года. Архивированная копия . Дата обращения: 7 мая 2013. Архивировано 14 июня 2013 года.
- ↑ Воробьев В. Е. Основы электромеханики: Письменные лекции.. — СПб.: СЗТУ, 2003. — 79 с.
- ↑ Steven M. Kaplan. Wiley Electrical and Electronics Engineering Dictionary. — John Wiley & Sons, Inc, 2004. — ISBN 978-0-471-40224-4. Архивировано 21 марта 2005 года.
- ↑ 1 2 Гольдберг О.Д., Хелемская С.П. Электромеханика: учебник для студ. высш. учеб. заведений / под. ред. Гольдберга О.Д.. — М.: Издательский центр "Академия", 2007. — 512 с. — ISBN 978-5-7695-2886-6.
- ↑ Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин. Учеб. для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп.. — М.: Высш. шк., 2001. — 327 с.
- ↑ Основное уравнение электрической машины . Дата обращения: 11 мая 2013. Архивировано из оригинала 9 июня 2016 года.
- ↑ 1 2 Вольдек А. И. Электрические машины. Учебн. для студ. высш. техн. учеб. заведений.. — изд. 2-е, перераб. и доп.. — Л.: Изд-во "Энергия", 1978. — 840 с.
- ↑ Juha PyrhЁonen, Tapani Jokinen and Valґeria Hrabovcovґa. Design of Rotating Electrical Machine. — John Wiley & Sons, Ltd., 2008. — С. 330. — 512 p. — ISBN 978-0-470-69516-6.
- ↑ Копылов И. П. Электромеханические преобразователи энергии. — М.: "Энергия", 1973. — С. 393. — 400 с.
Ссылки
[править | править код]- ОКСО 140600 — Электротехника, электромеханика и электротехнологии
- Направления подготовки и специальности высшего профессионального образования. Группа направлений подготовки и специальностей (ОКСО): энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника
- Электронная книга по электромеханике (недоступная ссылка)