Тесла вращающееся магнитное поле: Вращающееся магнитное поле — Rotating magnetic field

Вращающееся магнитное поле — Rotating magnetic field

Колеблющиеся магнитные поля. Синусоидальный ток в каждой из трех неподвижных катушек создает три переменных синусоидальных магнитных поля, перпендикулярных оси вращения. Три магнитных поля складываются как векторы, чтобы создать единое вращающееся магнитное поле. Патент США 381968 : Способ и схема работы электродвигателей с прогрессивным переключением передач; Полевой магнит; Арматура; Электрическое преобразование; Экономичный; Передача энергии; Простая конструкция; Более легкая конструкция; Принципы вращающегося магнитного поля.

Вращающееся магнитное поле является результирующей магнитное поле , создаваемое системой катушек , симметрично размещенных и поставляемых с многофазных токов . Вращающееся магнитное поле может создаваться многофазным (две или более фаз) током или однофазным током при условии, что в последнем случае подаются две обмотки возбуждения и сконструированы таким образом, что два результирующих магнитных поля, генерируемых ими не в фазе.

Вращающиеся магнитные поля часто используются в электромеханических приложениях, таких как асинхронные двигатели , электрические генераторы и регуляторы индукции .

История

В 1824 году французский физик Франсуа Араго сформулировал существование вращающихся магнитных полей с помощью вращающегося медного диска и иглы, назвав его « вращения Араго» . Английские экспериментаторы Чарльз Бэббидж и Джон Гершель обнаружили, что они могут вызвать вращение медного диска Араго, вращая под ним подковообразный магнит , а английский ученый Майкл Фарадей позже объяснил этот эффект электромагнитной индукцией . В 1879 году английский физик Уолтер Бейли заменил подковообразные магниты четырьмя электромагнитами и, вручную включая и выключая переключатели, продемонстрировал примитивный асинхронный двигатель.

Практическое применение вращающегося магнитного поля в двигателе переменного тока обычно приписывают двум изобретателям, итальянскому физику и инженеру-электрику Галилео Феррарису и сербско-американскому изобретателю и инженеру-электрику Николе Тесла . Тесла утверждал в своей автобиографии, что эта идея пришла ему в голову в 1882 году, когда он гулял в парке и рисовал ее на песке, чтобы показать другу, как это работает. Феррарис написал об исследовании концепции и построил рабочую модель в 1885 году. В 1888 году Феррарис опубликовал свое исследование в документе для

Королевской академии наук в Турине, и Тесла получил патент США (патент США № 0,381,968 ) на свою конструкцию.

Описание

Вращающееся магнитное поле — ключевой принцип работы асинхронных машин . Асинхронный двигатель состоит из статора и ротора . В статоре группа неподвижных обмоток расположена таким образом , что две фазы ток, например, создает магнитное поле , которое вращается с угловой скоростью , определяемой частотой от переменного тока . Ротор или якорь состоит из катушек, намотанных в пазы, которые закорочены и в которых изменяющийся поток, создаваемый полюсами поля, индуцирует ток. Поток, создаваемый током якоря, воздействует на полюса поля, и якорь приводится во вращение в определенном направлении.

Вращающиеся поля. При изменении направления тока в обмотках меняется и полярность обмоток. Поскольку две обмотки действуют вместе друг с другом, полярность основного поля будет зависеть от полярности каждой обмотки. Стрелка или вектор под каждой диаграммой указывает направление магнитного поля в каждом случае.

Симметричное вращающееся магнитное поле может быть получено с всего лишь две полярные раневые катушки приводится в движение 90-градусной фазировки . Однако почти всегда используются три набора катушек, поскольку они совместимы с симметричной трехфазной системой синусоидального переменного тока . Каждая из трех катушек приводится в действие по фазе на 120 градусов относительно других. В данном примере магнитное поле линейно зависит от тока катушки.

В результате добавления трех 120-градусных фазированных синусоидальных волн на оси двигателя получается один вращающийся вектор, который всегда остается постоянным по величине.

Ротор имеет постоянное магнитное поле. Северный полюс ротора переместится к южному полюсу магнитного поля статора, и наоборот. Это магнитомеханическое притяжение создает силу, которая заставляет ротор синхронно следовать за вращающимся магнитным полем .

Вращающееся трехфазное магнитное поле, обозначенное вращающейся черной стрелкой

Постоянный магнит в таком поле будет вращаться так, чтобы поддерживать его в соответствие с внешним полем. Этот эффект использовался в первых электродвигателях переменного тока. Вращающееся магнитное поле может быть создано с использованием двух ортогональных катушек с разностью фаз переменного тока на 90 градусов. Однако на практике такая система будет питаться по трехпроводной схеме с неравными токами. Это неравенство может вызвать серьезные проблемы при стандартизации сечения проводника. Чтобы преодолеть это, используются трехфазные системы, в которых три тока равны по величине и имеют разность фаз 120 градусов. В этом случае вращающееся магнитное поле будут создавать три одинаковые катушки, имеющие взаимные геометрические углы 120 градусов.

Способность трехфазной системы создавать вращающееся поле, используемое в электродвигателях, является одной из основных причин, почему трехфазные системы доминируют в мировых системах электроснабжения.

Вращающиеся магнитные поля также используются в асинхронных двигателях. Поскольку магниты со временем ухудшаются, в асинхронных двигателях используются короткозамкнутые роторы (вместо магнита), которые следуют за вращающимся магнитным полем многослойного статора. В этих двигателях короткозамкнутые витки ротора создают вихревые токи во вращающемся поле статора, которые, в свою очередь, перемещают ротор под действием силы Лоренца . Эти типы двигателей обычно не являются синхронными, но вместо этого обязательно имеют некоторую степень «скольжения», чтобы ток мог создаваться из-за относительного движения поля и ротора.

Смотрите также

дальнейшее чтение

C Макечни Джарвис (1970). «Никола Тесла и асинхронный двигатель». Phys Educ . 5 (5): 280–7. Bibcode : 1970PhyEd … 5..280M . DOI : 10.1088 / 0031-9120 / 5/5/306 .
Оуэн, Э.Л. (октябрь 1988 г.). «Историческое прошлое асинхронного двигателя». Возможности IEEE . 7 (3): 27–30. DOI : 10.1109 / 45.9969 . S2CID 19271710 .
Бекхард, Артур Дж., «Электрический гений Никола Тесла». New York, Messner, 1959. LCCN 59007009 / L / AC / r85 (изд. 192 стр .; 22 см; биография с примечаниями об изобретении двигателей с вращающимся магнитным полем для переменного тока).
Клайн, Р. (1987). «Наука и инженерная теория в изобретении и разработке асинхронного двигателя, 1880–1900». Технологии и культура . 28 (2): 283–313. DOI : 10.2307 / 3105568 . JSTOR 3105568 .
Цеберс, А. (13 декабря 2002 г.). «Динамика удлиненной магнитной капли во вращающемся поле». Phys. Rev. E . 66 (6): 061402. Bibcode : 2002PhRvE..66f1402C . DOI : 10.1103 / PhysRevE.66.061402 . PMID 12513280 .
Cēbers, A. & I. Javaitis (2004). «Динамика гибкой магнитной цепи во вращающемся магнитном поле». Phys. Rev. E . 69 (2): 021404. Полномочный код : 2004PhRvE..69b1404C . DOI : 10.1103 / PhysRevE.69.021404 . PMID 14995441 .
Цеберс, А. и М. Озолс (2006). «Динамика активной магнитной частицы во вращающемся магнитном поле».
Phys. Rev. E . 73 (2): 021505. Bibcode : 2006PhRvE..73b1505C . DOI : 10.1103 / PhysRevE.73.021505 . PMID 16605340 .
Тао Сун; и другие. (Июнь 2004 г.). «Система экспонирования вращающихся постоянных магнитных полей для исследований in vitro». IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости . 14 (2): 1643–6. Bibcode : 2004ITAS … 14.1643S . DOI : 10,1109 / TASC.2004.831024 .

Лабзовский Л.Н., Митрущенков А.О., Френкель А.И. » Ток без сохранения четности в проводниках электроэнергии «. 6 июля 1987 г. (ред., Показывает, что непрерывный ток возникает под действием вращающегося магнитного поля).
Серия учебных курсов по морской электротехнике, Модуль 05 — Введение в генераторы и двигатели, Глава 4 Двигатели переменного тока, Вращающиеся магнитные поля (доступен другой экземпляр книги NEETS, версия без надстройки )
Вращающееся магнитное поле , eng.ox.ac.uk
Автобиография Теслы, III. Мои дальнейшие начинания; Открытие вращающегося магнитного поля
Никола Тесла и электромагнитный двигатель , Архив изобретателя недели.
Галилео Феррарис: вращающееся магнитное поле
Однофазные асинхронные двигатели
Х. Й. Го, А.Л. Хоффман, Д. Лотц, С.Дж. Тобин, В.А. Расс, Л.С. Шранк и Г.А. Вурден, Система осциллятора вращающегося магнитного поля для привода тока в эксперименте по переносу, ограничению и удержанию , 22 марта 2001 г.
Путко В. Ф., Соболев В. С. Влияние вращающегося магнитного поля на характеристики генератора плазмы постоянного тока .

внешние ссылки

Патенты

3.5. ОТКРЫТИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И СОЗДАНИЕ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Начало современного этапа в развитии электротехники относится к 90-м годам XIX столетия, когда решение комплексной энергетической проблемы вызвало к жизни электропередачу и электропривод. Электрификация началась тогда, когда оказалось возможным строить крупные электрические станции в местах, богатых первичными ресурсами, объединять их работу на общую сеть и снабжать электроэнергией любые центры и объекты электропотребления.

Техническая сторона электрификации заключалась в разработке многофазных систем, из которых практика сделала выбор в пользу системы трехфазной. Наиболее важными и во всяком случае новыми элементами трехфазной системы были электродвигатели, действие которых основано на использовании явления вращающегося магнитного поля.

Ранее упоминался опыт Д.Ф. Араго, в котором диск и вращающийся магнит отражали только возможность осуществления асинхронного электродвигателя с вращающимся магнитным полем. Однако это поле создавалось не неподвижным устройством, каким в современных машинах является статор, а вращающимся магнитом.

^{Рис. 3.9. Прибор Бейли}

Долгое время явление, открытое Д.Ф. Араго, не находило практического применения. Только в 1879 г. английский ученый Уолтер Бейли сконструировал прибор (рис. 3.9), в котором пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось с помощью неподвижного устройства —: путем поочередного намагничивания четырех расположенных по периферии круга электромагнитов. Намагничивание производилось импульсами постоянного тока, посылаемыми в обмотки электромагнитов специально приспособленным для этого коммутатором. Полярность верхних концов стержней изменялась в определенной последовательности так, что через восемь переключений коммутатора магнитный поток изменял свое направление в пространстве на 360°. Над полюсами электромагнитов, как и в опытах Д.Ф. Араго, был подвешен медный диск. У. Бейли указывал, что при бесконечно большом числе электромагнитов можно было бы обеспечить равномерное вращение магнитного поля. Прибор У. Бейли не нашел никакого применения. Тем не менее он был некоторым связующим звеном между опытом Д.Ф. Араго и более поздними исследованиями. С позиций сегодняшнего дня представляется крайне простым осуществление вращающегося магнитного поля в установке У. Бейли или в подобном приборе иной конструкции путем питания электромагнитов синусоидальными токами с различными начальными фазами. Однако в 80-х годах XIX столетия на это ушло несколько лет работы и поисков многих ученых, среди которых были Марсель Депре, разработавший в 1883 г. систему синхронной связи двух движений, изобретатель репульсионного двигателя американский ученый Илайю Томсон (1853–1937 гг.), американский электротехник Чарльз Бредли, немецкий инженер Фредерик Хазельвандер (1859–1932 гг.) и др. В связи с этим интересно привести фразу И. Томсона: «Трудно составить такую комбинацию из магнитов переменного тока и кусков меди, которая не имела бы тенденции к вращению». История открытия вращающегося магнитного поля и многофазных систем до крайности запутана. В 90-е годы XIX в. прошли многие судебные процессы, на которых разные фирмы, скупившие патенты изобретателей, пытались утвердить свои права на многофазные системы. Только американская фирма «Вестингауз» провела более 25 судебных процессов.

^{Рис. 3.10. К пояснению открытия Феррариса}

Однако исчерпывающие и получившие наибольшую известность экспериментальные и теоретические исследования вращающегося магнитного поля выполнили независимо друг от друга выдающиеся ученые итальянец Галилео Феррарис (1847–1897 гг. ) и серб Никола Тесла (1856–1943 гг.) [1.6; 3.6; 3.7].

Г. Феррарис утверждал, что суть явления вращающегося магнитного поля он осознал еще в 1885 г., но доклад «Электродинамическое вращение, произведенное с помощью переменных токов» он сделал в Туринской академии (членом которой он состоял с 1880 г.) 18 марта 1888 г.

Н. Тесла в своей автобиографии рассказывал, что идея двухфазного асинхронного двигателя родилась у него еще в 1882 г., когда он работал в Будапештской телеграфной компании. Гуляя в парке с другом, он, осененный идеей, тростью сделал на песке набросок принципа, который изложил шесть лет спустя на конференции в американском Институте электроинженеров. Доклад в этом институте состоялся 16 мая 1888 г., т.е. на два месяца позднее доклада Г. Феррариса. Но первую заявку на получение патента на многофазные системы Н. Тесла подал еще 12 октября 1887 г, т.е. ранее выступления Г. Феррариса.

Остановимся сначала на работе Г. Феррариса, исходя не из приоритетных соображений, а из того, что в его работе дан более обстоятельный теоретический анализ, и еще потому, что именно перевод доклада Г. Феррариса в английском журнале попал в свое время в руки М.О. Доливо-Добровольскому и вызвал первый импульс в серии последующих замечательных изобретений.

^{Рис. 3.11. Модель двигателя Феррариса}

Г. Феррарис умел в очень ясной форме объяснять трудные физические процессы. Вот как им было объяснено явление вращающегося магнитного поля. Рассмотрим показанную на рис. 3.10 пространственную диаграмму, на которой ось х представляет собой положительное направление вектора магнитной индукции, создаваемой одной из катушек, а ось у — положительное направление поля другой катушки. Для момента времени, когда одна магнитная индукция в точке О изображается отрезком ОА, а другая — ОБ, суммарная результирующая магнитная индукция изобразится отрезком OR. При изменении ОА и OB точка R перемещается по кривой, форма которой определяется законами изменений во времени двух полей. Если две напряженности магнитного поля имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе на четверть периода, то геометрическим местом точки R станет окружность. Налицо вращение магнитного поля. Если фазу одной из напряженностей магнитного поля или возбуждающего его тока изменить на 180°, то изменится и направление вращения результирующего магнитного поля. Если поместить в это магнитное поле снабженный валом и подшипниками медный цилиндр, то он будет вращаться. Позднее асинхронные двигатели с полым ротором в виде медного стакана получили название двигателей Феррариса.

Но как получить два переменных тока, сдвинутых один относительно другого по фазе? Г. Феррарис предложил метод «расщепления фаз», при котором искусственным путем создавался сдвиг по фазе при включении в цепь двух взаимно перпендикулярно расположенных катушек фазосмещающих устройств. На рис. 3.11 показан внешний вид модели двухфазного асинхронного двигателя, хранящейся в музее г. Турина, директором которого до конца жизни был Г. Феррарис.

Г. Феррарисом был сделан существенный вклад в теорию переменных токов. В 1886 г. в своем труде «О разности фаз у токов, о запаздывании вследствие индукции и о потерях в трансформаторе» он впервые рассматривает разность фаз токов в первичной и вторичной обмотках трансформаторов, а также дает методы расчета потерь на гистерезис и вихревые токи. В 1898 г. был опубликован его фундаментальный труд «Научные основания электротехники», вскоре переведенный на русский язык.

Н. Тесла, один из самых известных и плодовитых ученых в области электротехники, начинавший свою научную карьеру в 80-х годах XIX в., получил только в области многофазных систем 41 патент. Некоторое время Н. Тесла работал в Эдисоновской компании в Париже (1882–1884 гг.), а затем переехал в США. В 1888 г. все свои патенты по многофазным системам Н. Тесла продал главе известной фирмы Д. Вестингаузу, который в своих планах развития техники переменного тока сделал ставку на работы Н. Теслы. Впоследствии Н. Тесла много внимания уделял технике высоких частот (трансформатор Теслы) и идее передачи электроэнергии без проводов. Интересная деталь: при решении вопроса о стандартизации промышленной частоты, а диапазон предложений был от 25 до 133 Гц, Н. Тесла решительно высказался за принятую им для своих опытных установок частоту 60 Гц. Тогда отказ инженеров Вестингауза от предложения Н. Теслы послужил начальным импульсом для ученого, решившего расстаться с Вестингаузом. Но вскоре именно эта частота была принята в США в качестве стандартной.

В патентах Н. Теслы были описаны различные варианты многофазных систем. В отличие от Г. Феррариса Н. Тесла полагал, что токи следует получать от многофазных источников, а не пользоваться фазосмещающими устройствами. Утверждая, что двухфазная система, являясь минимальным вариантом системы многофазной, окажется и наиболее экономичной, Н. Тесла, а вслед за ним и фирма «Вестингауз», основное внимание сосредоточили именно на этой системе.

Схематически система Н. Теслы в ее наиболее характерной форме представлена на рис. 3.12, слева изображен синхронный генератор, справа — асинхронный двигатель. В генераторе между полюсами вращались две взаимно перпендикулярные катушки в которых генерировались два тока, сдвинутые по фазе на 90°. Концы каждой катушки были выведены на кольца, расположенные на валу генератора (на чертеже для ясности эти кольца имеют различные диаметры). Ротор двигателя имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом одна к другой замкнутых на себя катушек.

Основным недостатком двигателя Н. Тесла, который впоследствии сделал его неконкурентоспособным, было наличие выступающих полюсов с сосредоточенной обмоткой. Эти двигатели имели большое магнитное сопротивление и крайне неблагоприятное распределение намагничивающей силы вдоль воздушного зазора, что приводило к ухудшению характеристик машины. Таковы были следствия механического переноса в технику переменного тока конструктивных схем машины постоянного тока.

Конструкция обмотки ротора, как выяснилось позднее, тоже оказалась неудачной. Действительно, выполнение обмоток сосредоточенными (а не распределенными по всей окружности ротора) при выступающих полюсах на статоре приводило к ухудшению пусковых условий двигателя (зависимость пускового момента от начального положения ротора), а то обстоятельство, что обмотки ротора имели сравнительно большое сопротивление, ухудшало рабочие характеристики.

^{Рис. 3.12. Конструктивные схемы генератора и двигателя Тесла}

Неудачным оказался и выбор двухфазной системы токов из всех возможных многофазных систем. Известно, что значительную долю стоимости установки для передачи электроэнергии составляют затраты на линейные сооружения и, в частности, на линейные провода. В связи с этим казалось очевидным, что чем меньше принятое число фаз, тем меньше будет число проводов и тем, следовательно, экономичнее устройство электропередачи. Двухфазная система требовала применения четырех проводов, а удвоение числа проводов по сравнению с установками постоянного или однофазного переменного токов представлялось нежелательным. Поэтому Н. Тесла предлагал в некоторых случаях применять в двухфазной системе трехпроводную линию, т.е. делать один провод общим. В этом случае число проводов уменьшалось до трех. Однако расход металла на провода при этом снижался меньше, чем можно было ожидать, так как сечение общего провода должно было быть примерно в 1,5 раза (точнее, в ?2 раз) больше сечения каждого из двух других проводов.

Встретившиеся экономические и технические трудности задерживали внедрение двухфазной системы в практику. Фирма «Вестингауз» построила несколько станций по этой системе, из которых наибольшей по масштабам была Ниагарская гидроэлектростанция.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Архив Николы Теслы

Музей Николы Теслы в Белграде с гордостью содержит все ценности человека, осветившего планету Земля. Никола Тесла, сербский ученый, внес самый большой вклад в науку и технический прогресс в мире как изобретатель вращающегося магнитного поля, асинхронного двигателя, многофазного генератора переменного тока и полную систему производства и распределения электроэнергии.

По его имени, в международной системе СИ названа мера магнитной индукции «тесла». Тесла также построил генераторы высокой частоты и напряжения, известной сегодня как трансформатор катушки Тесла. В период с 1881 по 1882, он работал в Будапеште, на Центральном телеграфе. Здесь он начал свою карьеру в качестве изобретателя — повышение усилитель голоса для телефонного приемника, и в феврале 1882 пришел к идее вращающегося магнитного поля. Музей Николы Тесла в Белграде уникальный институт науки и культуры в Сербии и в мире. Это единственный музей, который сохраняет оригинальное и личное наследство Николы Тесла.

ВАЖНЫЕ ДАТЫ ИЗ жизни Николы Теслы

10 июля 1856-го — Он родился в Смилян в Лике, позже Австрийской империи, ныне Республики Хорватии. Он родился 10 июля 1856 г. в семье священника Сербской православной церкви

В 1873 г. — окончил Высшие курсы в Карловац, Австро-Венгрии;

1875-78 гг. — учился в Политехническом институте в Граце, Австрия-Венгрия;1880 г. — изучение философии природы в университете Праги;

1881 г. – начал карьеру Инженера в Будапеште и там делает свое первое открытие, голосовой усилитель для телефонной трубки;

В 1882 г. — находит вращающееся магнитное поле. В том же году он отправился в Париж, чтобы работать на Континентальную компанию Эдисона;

1883 г. — жил шесть месяцев в Страсбурге; здесь завершил рабочую модель асинхронного двигателя;

1884 г. — едет в Америку и устраивается на работу в компанию Томаса Эдисона;

1885 г. — основал свою собственную компанию и регистрирует свои первые патенты в области дуги освещения;

1887 г. — применяет патенты на асинхронный двигатель и систему для добычи, транспортировки и использования электроэнергии; лекция перед обществом инженеров-электриков в Нью-Йорке; заключил контракт с Westinghouse на использование своих патентов;

В 1889 г. — работает год над улучшением своих двигателей на заводе Westinghouse;

1890-е – Тесла начал эксперименты с токами высокой частоты; находит генератор высокой частоты;

1892 г. — проживает в Лондоне и Париже и читает лекции о своем последнем исследовании; посещает родной город, оставаясь в Лике, а затем в Белграде;

1893 г. . — эксперименты достигли больших успехов на Всемирной выставке в Чикаго; вместе с Westinghouse убедительно демонстрирует свою систему производства, передачи и использования переменного тока, который имеет решающее значение для принятия этой концепции во время строительства ГЭС энергосистемы на Ниагарском водопаде;

1894-95 гг. — находит механические осцилляторы и генераторы электрических колебаний;

1895 г. — сгорела лаборатория Теслы на Пятой авеню в Нью-Йорке;

1895-96 гг. — занимается исследованиями в области рентгеновских лучей;

1897-98 гг. — исследует возможности беспроводной передачи энергии; проводит первый эксперимент, чтобы использовать радиоволны для дистанционного управления;

1899 г.- в лаборатории Колорадо-Спрингс экспериментирует с колеблющимися трансформаторами 12 миллионов вольт;

1900-05 гг. — на Лонг-Айленде под Нью-Йорком, разрабатывает радиоантенну мира в целях создания глобальной системы новостей и энергии;

В 1907 г. — создал первую действующую модель Тесла- турбины, которая применяет новый принцип энергии восстановления жидкости через трение;

В 1908 г. — испытания модели насоса на заводе в американо-британской компании;

1909 г. — делает эскизы и расчеты для аэромобиля; проведены первые испытания с паровыми и газовыми турбинами;

1911-13 гг. — разрабатывает паровые турбины в штаб-квартире Эдисона в Нью-Йорке;

В 1913 г. — получает основные патенты для насоса и турбины, которые используют новый принцип; Разрабатывает Проект генератора фар локомотива, начинает сотрудничать с компаниями Dresel;

1914 г. — применение патентов для нескольких видов спидометров; работы по строительству различных типов фонтана;

1917 г. — работает над турбо-динамо;

1918-20 гг. — сотрудничает с компанией АБИС Чалмерс для производства и тестирования своих паровых и газовых турбин;

1920-23 гг. -сотрудничает с компанией Bad для производства автомобильных двигателей;

В 1928 г. — Полученные патенты на самолет с вертикальным взлетом;

1930-35 гг. – работа над улучшением производства и переработки серы, железа и меди;

1936 г. — предлагает проекты передачи навыков механической энергию через землю и оборонительных вооружений в народе называемых «Луч смерти»;

1937 г.. — переживает аварию;

7 января в 1943 г. — умирает в отеле Нью-Йоркер в Нью-Йорке

КОЛУМБОВО ЯЙЦО / THE EGG OF COLUMBUS on Vimeo

*** For English please scroll down***

Выставка КОЛУМБОВО ЯЙЦО посвящена ученому Николе Тесле (1856-1943) – изобретателю, способному в уме собирать сложнейшие механизмы, мистику, по своему собственному признанию, получавшему идеи из «единого информационного поля Земли». Поразительно, насколько далеко шагнул Тесла в ходе своих исследований: от бытового применения электричества к изобретению машин переменного тока и экспериментам по беспроводной передачи энергии.

На выставке:
• ИНТЕРАКТИВНЫЕ ЭКСПОНАТЫ ИЗ КОЛЛЕКЦИИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО МУЗЕЯ представляют вехи развития знаний об электричестве. Благодаря эксперименту Фарадея ученые узнали о существовании магнитного поля, из демонстрации явления Араго сделали вывод о воздействии поля на электрический ток, индуктор Теслы (Колумбово яйцо) объяснил существование вращающегося магнитного поля и возможность его использования. Сегодня принцип, продемонстрированный в индукторе Теслы, используется во всех электродвигателях и генераторах — целая планета снабжается электричеством на базе патентов ученого.

• Доводилось ли вам слышать, видеть и ощущать гром и молнию совсем рядом? Каково это – оказаться в эпицентре электрического разряда? На экскурсии – одно из самых известных изобретений ученого — ТРАНСФОРМАТОР ТЕСЛЫ ИЛИ «РУЧНУЮ МОЛНИЮ». Величественное зрелище молний, генерируемых прибором, есть не что иное как всплески токов высокого напряжения. Проводя опыты с трансформатором, Тесла приближался к решению задачи беспроводной передачи энергии и данных. Держа в руках не включенную в сеть, но светящуюся лампу, вы лично убедитесь в том, что энергию можно передавать на расстоянии!
• Медиа-художник и естествоиспытатель Алексей Блинов повторяет известные опыты Теслы и воссоздает его изобретения. Для выставки он собрал МАШИНУ «ЯВЛЕНИЕ ИМПЕДАНСА».
• Видео Сергея Шутова «ТЕСЛА И ЕГО МАШИНЫ В МИРОВОМ КИНЕМАТОГРАФЕ», 2010
• ФОТОГРАФИИ, ПАТЕНТЫ, ЧЕРТЕЖИ ИЗОБРЕТЕНИЙ, НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫЙ ФИЛЬМ о жизни ученого из коллекции Белградского музея Николы Теслы.
• ВИДЕО-ИНТЕРВЬЮ С ИЗВЕСТНЫМИ УЧЕНЫМИ об актуальности открытий Теслы для современности и будущего.
• Каждый объект выставки сопровождается аудио-описанием, которое передается с помощью НЕЙРОФОНА – устройства, способного передавать речь через контакт с кожей.

На выставке можно не только увидеть объекты, но и оказаться в поле их действия, узнать их историю из уст экспертов на лекциях, которые пройдут в рамках дискуссионной программы проекта КОЛУМБОВО ЯЙЦО.

При поддержке: Фонд развития Политехнического Музея
Партнеры: Музей Николы Теслы (Белград, Сербия), Инновационный центр МФТ, Творческая группа Tesla-FX

****************************
LABORATORIA Art&Science Space in collaboration with the Polytechnical Museum
EGG OF COLUMBUS
curator Daria Parkhomenko
4th of December, 2010 — 12th of February, 2011

The exhibition is dedicated to the scientist Nikola Tesla (1856-1943): inventor who was capable of putting machines together in his imagination, a mystic, according to his words catching ideas from ‘information field of Earth’.
It is remarkable how far Tesla went during his researches: from household usage of electricity to the invention of alternating current generators and experiments with wireless energy transmission.

At the exhibition you will not only be able to observe the objects, but also try them out and learn their history from experts who will take part in a discussion program.

More information: newlaboratoria.ru/www/eng/exhibition/archive/32/

Появление электродвигателей переменного тока — Control Engineering Russia

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

В предыдущих статьях [1, 2] описывались первые электрические двигатели с питанием от гальванических батарей. Однако во второй половине XIX века в связи с развитием электрического освещения и дальней передачи электроэнергии появились сети однофазного переменного тока [3]. Это и дало толчок к изобретению электродвигателей переменного тока.

Рис. 1. Двигатель Уитстона

Первый однофазный двигатель был предложен в 1841 г. английским физиком Чарльзом Уитстоном (Charles Wheatstone), известным также своими изобретениями в области электрогенераторов и измерительной техники. Такой двигатель подключается к источнику переменного тока и содержит (рис. 1) статор с шестью электромагнитами (1) и ротор (2) в виде медного диска с тремя подковообразными магнитами (3) полярностью N и S.

Все электромагниты включены последовательно так, что при любой полярности питающего напряжения в промежутках между ними формируются магнитные потоки или полюса чередующейся полярности n и s, показанные на рис. 1 в начальный момент времени t₁для положительного полупериода питающего напряжения. Предположим, что ротор вращается против часовой стрелки, и рассмотрим силы, действующие на верхний магнит ротора (аналогично работают и остальные магниты). Поскольку разноименные полюса магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются, вращающий момент ротора будет направлен против часовой стрелки, поддерживая его вращение. Если ротор двигателя успеет за полупериод напряжения повернуться на 60°, то в следующий полупериод все полюса статора поменяют полярность и ротор повернется еще на 60°. Таким образом, ротор будет поворачиваться синхронно с частотой перемагничивания электромагнитов (частотой сети), отчего подобные двигатели по предложению Чарльза Штейнмеца и получили название синхронных.

Рис. 2. Векторная диаграмма двигателя

Магнитное поле статора такого двигателя можно изобразить в виде вектора (рис. 2), где Ф₁, Ф₂,… Ф₆ — магнитные потоки статора, взаимодействующие с ротором в последовательные моменты времени t₁, t₂, … t₆, когда питающее напряжение меняет свой знак. Получается, что вектор магнитного потока статора шагает по окружности синхронно с ротором, поэтому такое магнитное поле можно назвать шагающим.

При реальных частотах сети 50–60 Гц такой двигатель, конечно, запуститься не сможет, но если его ротор раскрутить, например, вручную или другим двигателем до синхронной скорости, то он будет устойчиво работать с частотой вращения, пропорциональной частоте сети. При электрификации Лондона посредством однофазного напряжения в 1889 г. в качестве такого «раскруточного» двигателя применили так называемый универсальный двигатель (рис. 3) с обмотками якоря (1) и возбуждения (2). Его конструкция была разработана в 1884–85 гг. независимо друг от друга Вернером Сименсом и соавторами трансформатора, венгерскими инженерами Микша Дери и Отто Блати [4–6].

Рис. 3. Универсальный двигатель

Универсальные двигатели до сих пор широко применяются при мощности до нескольких киловатт, особенно в бытовой технике. Они привлекают производителей легкостью изменения скорости с помощью регулирования напряжения, как в обычном двигателе постоянного тока. Однако для мощных приводов такое регулирование было в то время затруднительным. Поэтому для электрической тяги на железных дорогах и в лифтах с питанием от сети переменного тока стали применять так называемый репульсионный двигатель, изобретенный в 1885 г. знаменитым американским электротехником Илайю Томсоном (Elihu Thomson) и усовершенствованный позднее Микша Дери [3, 5, 6].

Рис. 4. Репульсионный двигатель

Илайю Томсон (1853–1937), родом из Англии, соединял в себе таланты блестящего университетского профессора, крупного инженера, плодовитого изобретателя (696 патентов) и успешного предпринимателя [7]. Он разработал различные системы электрического освещения, высокочастотные генератор и трансформатор, самопишущий ваттметр, один из способов электросварки, а также, например, улучшил рентгеновские трубки. Томсон основал электротехнические компании в Англии, Франции и США. В 1892 г. его компания Thomson–Houston слилась с компанией Эдисона, образовав крупнейшую электротехническую компанию мира — General Electric.

По конструкции репульсионный двигатель, схема которого показана на рис. 4, похож на универсальный двигатель с якорем (1) и возбуждением в виде электромагнита (2). Отличие состоит в том, что щетки двигателя (3) закорочены и могут вручную поворачиваться [8]. При питании переменным напряжением в закороченной обмотке якоря наводится ЭДС и идет ток, направление которого, в соответствии с законом Ленца, таково, что создаваемый им поток противодействует магнитному потоку статора.

Тогда, если в некоторый полупериод питающего напряжения электромагнит (2) имеет полюс N внизу, то якорь (1) — такой же полюс наверху, как показано на рис. 4, что приведет к их взаимному отталкиванию и вращению ротора по часовой стрелке. Это и объясняет название двигателя, которое в дословном переводе означает «отталкивающийся». При этом величина наводимой ЭДС, а значит, и вращающего момента определяются положением щеток. Когда они горизонтальны, ЭДС и момент максимальны (режим пуска). Далее при повороте щеток против часовой стрелки момент будет падать, а скорость нарастать. Таким образом, пуск и скорость репульсионного двигателя легко регулируются разворотом щеток без изменения напряжения питания.

Тем не менее проблемы всех коллекторных двигателей, связанные с искрением, помехами и быстрым износом, были решены лишь после создания асинхронного двигателя. По своему устройству он гораздо проще любого двигателя постоянного тока, поэтому удивительно, что он был изобретен почти на полстолетия позже, несмотря на то, что, как отмечал Илайю Томсон: «Трудно составить такую комбинацию из магнитов переменного тока и кусков меди, которая не имела бы тенденции к вращению» [5].

Рис. 5. Галилео Феррарис (1847–1897)

Асинхронный двигатель базируется на концепции вращающегося магнитного поля, выдвинутой практически одновременно в середине 1880-х гг. двумя выдающимися учеными — Николой Теслой [3] и итальянским профессором физики Галилео Феррарисом (Galileo Ferraris) (рис. 5). Последний родился на севере Италии в семье фармацевта и после окончания Туринского университета стал профессором Музея индустрии, где изучал трансформаторы, многофазные цепи, линии передачи переменного тока, а также оптические приборы. Он прожил короткую жизнь, но успел заслужить в Европе звание «отца трехфазного тока» [5, 9, 10].

Если вернуться к концепции, то во вращающемся магнитном поле вектор магнитного потока статора постоянен по величине, но, в отличие от шагающего поля (рис. 2), непрерывно (равномерно) вращается с синхронной скоростью. Тогда очевидно, что ротор в виде магнита, помещенный внутри такого поля, будет вовлекаться им в синхронное вращение, что и происходит в рассмотренном выше двигателе Уитстона. Однако выяснилось, что аналогично будет вращаться и немагнитный ротор из любого проводящего металла. Еще в 1824 г. известный французский физик академик Доминик Араго (Dominique Arago) продемонстрировал опыт, названный им «магнетизмом вращения» [5] и показанный на рис. 6.

Рис. 6. Опыт Араго

Диск (1) из меди или стали на стеклянной пластине (2) вращался в том же направлении, что и вращающийся магнит (3). Объяснение этому загадочному явлению нашел Майкл Фарадей в 1831 г. после открытия закона электромагнитной индукции (закона Фарадея). Согласно ему, вращающееся магнитное поле магнита индуцирует в диске вихревые токи, создающие собственное магнитное поле, взаимодействующее с вращающимся.

Рис. 7. Опыт Бейли

Этот принцип и лежит в основе современных асинхронных двигателей (в английской литературе — индукционных), имеющих металлический ротор и отличающихся только тем, что в них вращающееся магнитное поле образуется неподвижной обмоткой статора. Первый шаг к созданию такого двигателя был сделан английским физиком Уолтером Бейли (Walter Bailey) в 1879 г., заменившим в опыте Араго вращающийся магнит на четыре электромагнита (2–5), токи в которых переключались последовательно вручную (рис. 7) [5, 10]. Но такое устройство создавало шагающее через 90^o магнитное поле. А как получить непрерывно (равномерно) вращающееся магнитное поле?

На этот вопрос ответил вышеупомянутый Феррарис в 1888 г. в докладе Туринской академии наук, математически сформулировав два условия [5, 10]:

Обмотка двигателя должна содержать две независимые части (называемые теперь фазами), магнитные потоки которых геометрически взаимно перпендикулярны.
Фазы должны быть запитаны двумя гармоническими напряжениями, сдвинутыми на четверть периода (синус и косинус).

Позднее Михаил Осипович Доливо-Добровольский предложил называть такую систему токов Drehstrom, что в дословном переводе с немецкого означает «вращательный ток» [6].

Рис. 8. Двухфазный двигатель Феррариса

Свою теорию Феррарис блестяще подтвердил макетом двигателя мощностью 3 Вт (рис. 8), имеющего ротор (1) в виде полого медного стаканчика и статор (2) с фазами A и B. Фазы разделены на две секции с разным числом витков, намотанных проводом разного диаметра так, чтобы создавать индуктивный сдвиг фаз токов в 90° при питании от однофазной сети.

В 1890 г. французские инженеры Морис Хитин (Maurice Hutin) и Морис Леблан (Maurice Leblanc) предложили использовать для сдвига фаз токов конденсатор [6]. В таком виде двухфазный двигатель дожил до наших дней под названием конденсаторного двигателя. При этом габариты конденсатора соизмеримы с размерами самого двигателя, поэтому данное техническое решение пригодно только для маломощных двигателей.

Сам Феррарис также заявлял, что «…аппарат, основанный на исследованном нами принципе, не может иметь никакого промышленного значения как двигатель» [10]. Поэтому он его не запатентовал (как, впрочем, и остальные свои открытия) и отклонил, в отличие от Теслы, предложение Вестингауза о сотрудничестве. Тем не менее его работы дали впоследствии повод оспаривать патенты Теслы в некоторых из 25 судебных процессов компании Вестингауза [5, 9]. Пессимистический вывод о перспективах своего двигателя Феррарис сделал, оценив величину его КПД в точке максимума мощности на валу — ниже 50%. Однако в данной точке это справедливо и для двигателей постоянного тока. Поэтому в дальнейшем рабочие точки стали выбирать ближе к скорости холостого хода, где в идеале КПД любого электродвигателя стремится к 100%.

Рис. 9. Двигатель Теслы

Совершенно по другому пути пошел Тесла, предложив в 1887 г. многофазные системы, где сдвинутые напряжения питания фаз вырабатывались питающим генератором, как показано, например, на рис. 9, где: 1 — генератор, 2 — двухфазный двигатель, 3 — контактные кольца генератора, 4 — обмотка ротора (кольца двигателя не показаны) [5, 10].

При положении переключателя ON ротор запитывается постоянным напряжением, и это двухфазный синхронный двигатель с электромагнитным возбуждением. В положении OFF обмотка ротора закорачивается, и получается асинхронный двигатель, названный Теслой индукционным. Эксперт патентного ведомства поначалу не поверил в работоспособность такого странного двигателя, пока Тесла не продемонстрировал ему действующий макет (рис. 10).

Рис. 10. Макет двигателя Теслы

Двигатели Теслы и Феррариса легко запускались от питающей сети, однако с увеличением нагрузки их скорость падала, что подтверждается принципиальным отличием асинхронного двигателя от синхронного. Действительно, асинхронный двигатель развивает вращающий момент лишь при наличии тока, а следовательно, и ЭДС, индуцируемой в роторе. А, по закону Фарадея, это возможно лишь тогда, когда ротор пересекает силовые линии поля статора, т. е. когда скорости их вращения не одинаковы (не синхронны).

Как описано в статье [3], Тесла вместе с Вестингаузом начали активно внедрять асинхронные двигатели в жизнь, однако они были доведены до совершенства и приняли современный вид лишь благодаря трудам нашего соотечественника Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, которые будут рассмотрены в следующих статьях.

Что касается многофазных синхронных двигателей, то они нашли широкое применение там, где требуется стабильная скорость вращения, например в компрессорах, приводах генераторов и т. д. Синхронные двигатели с постоянными магнитами входят в состав современных вентильных двигателей, создающих все большую конкуренцию пока еще наиболее распространенным электродвигателям постоянного тока.

Потребность в двигателях переменного тока возникла при внедрении однофазных осветительных сетей. Первым стал синхронный двигатель Уитстона с постоянными магнитами (1841 г.).
Однако такие двигатели не имели пускового момента, поэтому на практике применялись универсальные двигатели Сименса и репульсионные двигатели Томсона (1884-5 гг).
Достаточно мощные двигатели для промышленности были созданы только в середине 1880-х гг., после того как концепция вращающегося магнитного поля была математически сформулирована Феррарисом и реализована в многофазных синхронных и асинхронных двигателях Теслы, запущенных в производство на заводах Вестингауза.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Асинхронные асинхронные электродвигатели tesla — двигатели переменного тока — Учебник

Индукционные двигатели Tesla Polyphase

Глава 13 — Двигатели переменного тока

Большинство двигателей переменного тока являются асинхронными двигателями. Асинхронные двигатели предпочитают благодаря своей прочности и простоте. Фактически, 90% промышленных двигателей являются асинхронными двигателями.

Никола Тесла задумал основные принципы многофазного асинхронного двигателя в 1883 году и к 1888 году имел модель с мощностью в два раза (400 Вт). Тесла продал права на производство Джорджу Вестнингхаусу за 65 000 долларов.

Наиболее крупные (> 1 л.с. или 1 кВт) промышленные двигатели — это полифазные асинхронные двигатели . Под полифазой мы подразумеваем, что статор содержит несколько различных обмоток на полюс двигателя, приводимый в действие соответствующими сдвинутыми по времени синусоидальными волнами. На практике это две или три фазы. Крупные промышленные двигатели трехфазные. Хотя для простоты мы приводим многочисленные иллюстрации двухфазных двигателей, мы должны подчеркнуть, что почти все многофазные двигатели являются трехфазными. Под асинхронным двигателем мы имеем в виду, что обмотки статора индуцируют ток в проводниках ротора, как трансформатор, в отличие от мостового электродвигателя постоянного тока.

Асинхронный двигатель состоит из ротора, известного как якорь, и обмотки, содержащие статор, соединенные с полифазным источником энергии, как показано на рисунке ниже. Простой двухфазный асинхронный двигатель ниже похож на двигатель мощностью 1 л, который Никола Тесла представил в 1888 году.

Многофазный асинхронный двигатель Тесла.

Статор в Figabove намотан парами катушек, соответствующими фазам доступной электрической энергии. Статор 2-фазного асинхронного двигателя выше имеет 2 пары катушек, одну пару для каждой из двух фаз переменного тока. Отдельные катушки пары соединены последовательно и соответствуют противоположным полюсам электромагнита. То есть одна катушка соответствует N-полюсу, другая — к S-полюсу, пока фаза переменного тока не изменит полярность. Другая пара катушек ориентирована на 90 ^o в пространстве до первой пары. Эта пара катушек подключается к переменному, сдвинутому во времени на 90 ^o в случае двухфазного двигателя. Во времена Теслы источником двух фаз переменного тока был двухфазный генератор переменного тока.

Статор в Figabove имеет характерные, очевидные выступающие полюса, используемые на раннем асинхронном двигателе Теслы. Эта конструкция используется и по сей день для двигателей дробных лошадиных сил (<50 Вт). Тем не менее, для более крупных двигателей меньшая пульсация крутящего момента и более высокая эффективность приводят к тому, что катушки встроены в щели, разрезанные на слои статора. (Figurebelow)

Рама статора с прорезью для обмоток.

Пластины статора представляют собой тонкие изолированные кольца с прорезями, пробитыми из листов из нержавеющей стали со степенью защиты. Стопка из них крепится торцевыми винтами, которые также могут удерживать концевые корпуса.

Статор с (a) 2-φ и (b) 3-φ обмотками.

В Figabove в пазах статора установлены обмотки как для двухфазного двигателя, так и для трехфазного двигателя. Катушки намотаны на внешнее приспособление, затем пробиваются в прорези. Изоляция, вклиниваемая между периферией катушки и пазом, защищает от истирания.

Фактические обмотки статора более сложны, чем одиночные обмотки на полюс в Figabove. Сравнивая двигатель 2-φ с двигателем 2-φ Теслы с выступающими полюсами, количество катушек одинаково. В реальных больших двигателях полюсная обмотка делится на одинаковые катушки, вставленные во многие более мелкие слоты, чем указано выше. Эта группа называется фазовым поясом . См. Рисунок ниже. Распределенные катушки фазового пояса отменяют некоторые нечетные гармоники, создавая большее синусоидальное распределение магнитного поля по полюсу. Это показано в секции синхронного двигателя. Слоты на краю полюса могут иметь меньше оборотов, чем другие слоты. Кромки могут содержать обмотки двух фаз. То есть фазовые ленты перекрываются.

Ключом к популярности асинхронного двигателя переменного тока является простота, о чем свидетельствует простой ротор (рис. Ниже). Ротор состоит из вала, стального ламинированного ротора и встроенной медной или алюминиевой белой клетки, показанной на (b), удаленной из ротора. По сравнению с арматурой двигателя постоянного тока, нет коммутатора. Это устраняет щеточки, искрение, искрение, графитную пыль, регулировку и замену кисти, а также повторную механическую обработку коммутатора.

Ламинированный ротор с (а) встроенной белой клеткой, (б) проводящая клетка удалена с ротора.

Проводники с короткозамкнутым сердечником могут быть перекошены, скручены, соответственно, с валом. Несогласование с помощью щелей статора уменьшает пульсации крутящего момента.

Оба сердечника ротора и статора состоят из стека изолированных пластин. Слои покрывают изоляционным оксидом или лаком, чтобы минимизировать потери вихревых токов. Сплав, используемый в ламинатах, выбирается для низких гистерезисных потерь.

Коротким объяснением операции является то, что статор создает вращающееся магнитное поле, которое тянет ротор вокруг.

Теория работы асинхронных двигателей основана на вращающемся магнитном поле. Одним из способов создания вращающегося магнитного поля является поворот постоянного магнита, как показано на рисунке ниже. Если движущиеся магнитные линии потока разрезают проводящий диск, он будет следовать за движением магнита. Линии потока, режущие проводник, будут индуцировать напряжение и последующий ток в проводящем диске. Этот поток тока создает электромагнит, полярность которого противоречит движению постоянного магнита — закону Ленца . Полярность электромагнита такова, что он тянет против постоянного магнита. Диск следует с меньшей скоростью, чем постоянный магнит.

Вращающееся магнитное поле создает крутящий момент в проводящем диске.

Крутящий момент, создаваемый диском, пропорционален количеству линий потока, разрезающих диск, и скорости, с которой он режет диск. Если бы диск вращался с той же скоростью, что и постоянный магнит, не было бы потока, режущего диск, никакого индуцированного тока, без поля электромагнита, без крутящего момента. Таким образом, скорость диска всегда будет отставать от скорости вращения постоянного магнита, так что линии потока вырезают диск, вызывая ток, создавая электромагнитное поле на диске, которое следует за постоянным магнитом. Если на диск наложена нагрузка, замедляя ее, будет развиваться больше крутящего момента, так как больше линий потока вырезает диск. Крутящий момент пропорционален скольжению, степень падения диска за вращающийся магнит. Больше проскальзывания соответствует большему потоку, режущему проводящий диск, развивающему больше крутящего момента.

Аналоговый автомобильный вихретоковый спидометр основан на принципе, описанном выше. С диском, удерживаемым пружиной, отклонение диска и иглы пропорционально скорости вращения магнита.

Вращающееся магнитное поле создается двумя катушками, расположенными под прямым углом друг к другу, управляемыми токами, которые на 90 ^o не имеют фазы. Это не должно удивлять, если вы знакомы с осциллографами Lissajous.

Вне фазы (90 ^o ) синусоидальные волны создают круговую диаграмму Лиссажу.

В Figabove круговой Lissajous производится путем управления горизонтальными и вертикальными входами осциллографа с 90 ^o вне фазовых синусоидальных волн. Начиная с (a) с максимальным «X» и минимальным «Y» отклонением, след перемещается вверх и лево в направлении (b). Между (a) и (b) две формы волны равны 0.707 V _pk при 45 ^o . Эта точка (0.707, 0.707) падает на радиус круга между (а) и (б). След переходит на (б) с минимальным «Х» и максимальным прогибом «Y». При максимальном отрицательном «X» и минимальном «Y» отклонении трассировка переходит к (c). Затем с минимальным «X» и максимальным отрицательным «Y» он перемещается в (d) и обратно на (a), завершая один цикл.

X-ось синуса и окружность окружности оси Y-оси.

На рисунке показано, что две синусоидальные волны с фазовым сдвигом на 90 ^o применимы к отклоняющим пластинам осциллографа, находящимся под прямым углом в пространстве. Если бы это было не так, отобразилась одномерная линия. Комбинация 90-фазных синусоидальных волн и отклонение угла вправо приводит к двумерному рисунку — кругу. Этот круг прослеживается вращающимся электронным лучом против часовой стрелки.

Для справки, Figurebelowshows, почему синфазные синусоидальные волны не будут создавать круговой рисунок. Равные отклонения «X» и «Y» перемещают подсвеченное пятно от начала координат на (a) до правого (1, 1) в (b), назад вниз влево по началу в (c), вниз влево (-1. -1) в точке (d) и обратно в исходное положение. Линия получается равными прогибами вдоль обеих осей; y = x — прямая.

Нет кругового движения от синфазных сигналов.

Если пара 90- ^{футовых} синусоидальных волн создает круговой Лиссажу, аналогичная пара токов должна иметь возможность создавать круговое вращающееся магнитное поле. Это относится к двухфазному двигателю. По аналогии, три обмотки, размещенные на расстоянии 120 ^o в пространстве и подаваемые с соответствующими фазовыми токами 120 ^o, также будут создавать вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле с фазовыми синусоидами 90 ^o .

Поскольку фазовые синусоиды 90 ^o, Figureabove, продвигаются от пунктов (a) — (d), магнитное поле вращается против часовой стрелки (цифры ad) следующим образом:

(a) максимум φ-1, φ-2 ноль
(a ‘) φ-1 70%, φ-2 70%
(b) φ-1 ноль, максимум φ-2
(c) φ-1 максимум отрицательный, φ-2 ноль
(d) φ-1 ноль, φ-2 максимум отрицательный

Скорость двигателя

Скорость вращения вращающегося магнитного поля статора связана с числом пар полюсов на фазу статора. «Полная скорость» Рисунок ниже имеет в общей сложности шесть полюсов или три пары полюсов и три фазы. Однако на одну фазу имеется только одна пара полюсов — необходимое нам число. Магнитное поле будет вращаться один раз за синусоидальный цикл. В случае мощности 60 Гц поле вращается со скоростью 60 раз в секунду или 3600 оборотов в минуту (об / мин). При мощности 50 Гц он вращается со скоростью 50 оборотов в секунду или 3000 об / мин. 3600 и 3000 об / мин — это синхронная скорость двигателя. Хотя ротор асинхронного двигателя никогда не достигает этой скорости, это, безусловно, верхний предел. Если мы удвоим число полюсов двигателя, синхронная скорость сокращается наполовину, потому что магнитное поле вращается на 180 ^o в пространстве для 360 ^o электрической синусоидальной волны.

Удвоение полюсов статора уменьшает синхронную скорость.

Синхронная скорость определяется:

 N _s = 120 · f / PN _s = синхронная скорость в об / мин f = частота приложенной мощности, Гц P = общее количество полюсов на фазу, кратное 2

 Пример: «Half speed» Figureabove имеет четыре полюса на фазу (3 фазы). Синхронная скорость для мощности 50 Гц: S = 120 · 50/4 = 1500 об / мин

Краткое объяснение асинхронного двигателя заключается в том, что вращающееся магнитное поле, создаваемое статором, тянет вокруг него ротор.

Чем дольше правильное объяснение состоит в том, что магнитное поле статора индуцирует переменный ток в проводники короткозамкнутого ротора, которые составляют вторичный трансформатор. Этот индуцированный ток ротора, в свою очередь, создает магнитное поле. Магнитное поле вращающегося статора взаимодействует с этим полем ротора. Поле ротора пытается совместить с полем вращающегося статора. Результатом является вращение ротора белой клетки. Если механическая крутящая нагрузка мотора не была связана с нагрузкой на подшипник, ветром или другими потерями, ротор вращался бы на синхронной скорости. Однако проскальзывание между ротором и полем статора синхронной скорости создает крутящий момент. Это магнитный поток, режущий проводники ротора, когда он скользит, который развивает крутящий момент. Таким образом, нагруженный двигатель будет скользить пропорционально механической нагрузке. Если бы ротор работал на синхронной скорости, не было бы потока статора, режущего ротор, никакого тока, индуцированного в роторе, без крутящего момента.

крутящий момент

Когда мощность сначала подается на двигатель, ротор находится в состоянии покоя, а магнитное поле статора вращается с синхронной скоростью N _s . Поле статора разрезает ротор на синхронной скорости N _s . Ток, индуцированный в короткозамкнутых витках ротора, является максимальным, как и частота тока, линейной частоты. По мере того, как ротор ускоряется, скорость, с которой поток статора разрезает ротор, представляет собой разницу между синхронной скоростью N _s и фактической скоростью вращения ротора N или (N _s — N). Отношение фактического потока, режущего ротор до синхронной скорости, определяется как скольжение :

 s = (N _s - N) / N _s где: N _s = синхронная скорость, N = скорость вращения ротора

Частота тока, индуцированного в проводниках ротора, только выше, чем частота линии при запуске двигателя, уменьшается, когда ротор приближается к синхронной скорости. Частота ротора определяется:

 f _r = s · f где: s = скольжение, f - частота линии электропередачи статора

Скольжение при 100% крутящем моменте обычно составляет 5% или менее в асинхронных двигателях. Таким образом, для f = 50 Гц линейная частота, частота индуцированного тока в роторе f _r = 0, 05 · 50 = 2, 5 Гц. Почему это так низко «02473.png»>
Крутящий момент и скорость против% Slip. % N _s =% Синхронная скорость.

График Figureabove показывает, что начальный крутящий момент, известный как заблокированный крутящий момент ротора (LRT), превышает 100% от крутящего момента полной нагрузки (FLT), безопасного непрерывного крутящего момента. Зафиксированный крутящий момент ротора составляет около 175% от FLT для примера, изображенного выше. Пусковой ток, известный как заблокированный ток ротора (LRC), составляет 500% от тока полной нагрузки (FLC), безопасного тока. Ток высок, потому что это аналогично вторичному короткому замыканию на трансформаторе. Когда ротор начнет вращаться, крутящий момент может немного уменьшиться для некоторых классов двигателей до значения, известного как момент вытягивания . Это наименьшее значение крутящего момента, когда-либо возникавшего при запуске двигателя. Когда ротор получает 80% синхронной скорости, крутящий момент увеличивается с 175% до 300% от крутящего момента полной нагрузки. Этот крутящий момент пробоя обусловлен более чем 20% -ным скольжением. В настоящий момент ток незначительно снизился, но вскоре будет уменьшаться быстро. Поскольку ротор ускоряется с точностью до нескольких процентов от синхронной скорости, как крутящий момент, так и ток будут существенно уменьшаться. При нормальной работе скольжение будет составлять всего несколько процентов. Для работающего двигателя любая часть кривой крутящего момента ниже 100% номинального крутящего момента является нормальной. Нагрузка двигателя определяет рабочую точку кривой крутящего момента. В то время как крутящий момент и ток двигателя могут превышать 100% в течение нескольких секунд во время пуска, непрерывная работа выше 100% может повредить двигатель. Любая крутящая сила мотора выше крутящего момента пробоя задерживает двигатель. Крутящий момент, скольжение и ток приблизятся к нулю при условии отсутствия механического крутящего момента. Это условие аналогично открытому вторичному трансформатору.

Существует несколько базовых конструкций асинхронных двигателей (рис. Ниже), показывающих заметное отклонение от кривой крутящего момента выше. Различные конструкции оптимизированы для запуска и запуска различных типов нагрузок. Зафиксированный крутящий момент ротора (LRT) для различных конструкций и размеров двигателей колеблется от 60% до 350% от крутящего момента полной нагрузки (FLT). Ток пуска или заблокированный ток ротора (LRC) может составлять от 500% до 1400% от тока полной нагрузки (FLC). Этот ток может представлять собой проблему запуска для крупных асинхронных двигателей.

Классы проектирования NEMA

Для лучшего привода различных типов нагрузок были разработаны различные стандартные классы (или конструкции) для двигателей, соответствующие кривым крутящего момента (рис. Ниже). Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) указала моторные классы A, B, C и D для удовлетворения этих требований к приводу. Аналогичные классы Международной электротехнической комиссии (МЭК) N и H соответствуют проектам NEMA B и C соответственно.

Характеристики для конструкций NEMA.

Все двигатели, кроме класса D, работают со скоростью 5% или менее при полной нагрузке.

Двигатели класса B (IEC Class N) являются двигателем по умолчанию, который используется в большинстве случаев. При пусковом крутящем моменте LRT = от 150% до 170% от FLT он может запускать большинство нагрузок без чрезмерного пускового тока (LRT). Эффективность и коэффициент мощности высоки. Он обычно управляет насосами, вентиляторами и станками.
Стартовый момент класса А такой же, как у класса В. Крутящий момент и пусковой ток (LRT) выше. Этот двигатель управляет переходными перегрузками, которые встречаются в машинах для литья под давлением.
Класс C (класс IEC H) имеет более высокий пусковой момент, чем класс A и B при LRT = 200% от FLT. Этот двигатель применяется для тяжелых нагрузок, которые необходимо приводить в движение с постоянной скоростью, таких как конвейеры, дробилки, поршневые насосы и компрессоры.
Двигатели класса D имеют самый высокий пусковой момент (LRT), связанный с низким пусковым током из-за высокого скольжения (от 5% до 13% при FLT). Высокое скольжение приводит к более низкой скорости. Регулирование скорости плохое. Тем не менее, двигатель превосходит при движении сильно изменяющихся скоростных нагрузок, таких как те, которые требуют маховика для хранения энергии. Применения включают пуансоны, ножницы и лифты.
Двигатели класса E — это более эффективная версия класса B.
Двигатели класса F имеют значительно меньшие LRC, LRT и крутящий момент по разрыву, чем класс B. Они обеспечивают постоянную легкость запуска нагрузки.

Фактор силы

Асинхронные двигатели представляют собой запаздывающий (индуктивный) коэффициент мощности для линии электропередачи. Коэффициент мощности в больших полностью нагруженных высокоскоростных двигателях может быть столь же выгодным, как и 90% для больших высокоскоростных двигателей. При полной нагрузке 3/4 максимальный коэффициент мощности двигателя с высокой скоростью может составлять 92%. Коэффициент мощности для малых низкоскоростных двигателей может составлять всего 50%. При запуске коэффициент мощности может находиться в диапазоне от 10% до 25%, увеличиваясь по мере достижения ротора.

Коэффициент мощности (PF) значительно изменяется с механической нагрузкой двигателя (рис. Ниже). Незагруженный двигатель аналогичен трансформатору без резистивной нагрузки на вторичный. Небольшое сопротивление отражается от вторичного (ротора) до первичного (статора). Таким образом, линия электропередач видит реактивную нагрузку, как 10% PF. При загрузке ротора возрастающая резистивная составляющая отражается от ротора до статора, увеличивая коэффициент мощности.

Коэффициент мощности и эффективность асинхронного двигателя.

КПД

Большие трехфазные двигатели более эффективны, чем более мелкие трехфазные двигатели, и большинство всех однофазных двигателей. Большая эффективность асинхронного двигателя может достигать 95% при полной нагрузке, хотя 90% чаще встречается. Эффективность для малонагруженного или ненагруженного асинхронного двигателя недостаточна, поскольку большая часть тока связана с поддержанием потока намагничивания. По мере увеличения крутящей нагрузки больше тока потребляется при генерировании крутящего момента, тогда как ток, связанный с намагничиванием, остается фиксированным. Эффективность при 75% FLT может быть немного выше, чем при 100% FLT. Эффективность снижается на несколько процентов при 50% FLT и уменьшается на несколько процентов при 25% FLT. Эффективность становится только ниже 25% FLT. Изменение эффективности с загрузкой показано на рисунке выше

Асинхронные двигатели, как правило, имеют большой размер, чтобы гарантировать, что их механическая нагрузка может быть запущена и управляться при всех рабочих условиях. Если многофазный двигатель загружен с номинальным крутящим моментом менее 75%, когда пиковые значения эффективности, эффективность незначительно снижается до 25% FLT.

Фрэнк Нола из NASA предложил корректор коэффициента мощности (PFC) в качестве энергосберегающего устройства для однофазных асинхронных двигателей в конце 1970-х годов. Это основано на предположении, что менее чем полностью загруженный асинхронный двигатель менее эффективен и имеет более низкий коэффициент мощности, чем полностью нагруженный двигатель. Таким образом, есть энергия, которая должна быть сохранена в частично нагруженных двигателях, в частности, с двигателями 1-φ. Энергия, потребляемая при поддержании магнитного поля статора, относительно фиксирована относительно изменений нагрузки. Хотя нет ничего, что можно было бы сохранить в полностью нагруженном двигателе, напряжение на частично нагруженном двигателе может быть уменьшено, чтобы уменьшить энергию, необходимую для поддержания магнитного поля. Это увеличит коэффициент мощности и эффективность. Это была хорошая концепция для известных неэффективных однофазных двигателей, для которых это предназначалось.

Эта концепция не очень подходит для крупных трехфазных двигателей. Из-за их высокой эффективности (90% +) экономить не так много энергии. Кроме того, 95% -ный эффективный двигатель по-прежнему эффективен на 94% при максимальном крутящем моменте 50% (FLT) и 90% эффективен при 25% FLT. Потенциальная экономия энергии при переходе от 100% FLT до 25% FLT — это разница в эффективности 95% — 90% = 5%. Это не 5% от полной нагрузки, а 5% от мощности при уменьшенной нагрузке. Корректор коэффициента мощности Nola может быть применен к трехфазному двигателю, который большую часть времени простаивает (ниже 25% FLT), как пресс-пуансон. Период окупаемости дорогостоящего электронного контроллера оценивался как непривлекательный для большинства приложений. Хотя, это может быть экономичным как часть электронного стартера двигателя или управления скоростью. (7)

Асинхронный двигатель может работать в качестве генератора переменного тока, если он управляется крутящим моментом более чем на 100% от синхронной скорости. (Рис. Ниже) Это соответствует нескольким процентам «отрицательного» промаха, скажем, -1% скольжения. Это означает, что, когда мы вращаем двигатель быстрее, чем синхронная скорость, ротор движется на 1% быстрее, чем вращающееся магнитное поле статора. Он обычно отстает на 1% в двигателе. Поскольку ротор режет магнитное поле статора в противоположном направлении (ведущем), ротор вызывает напряжение в статоре, подающем электрическую энергию обратно в линию электропередачи.

Отрицательный крутящий момент превращает асинхронный двигатель в генератор.

Такой индукционный генератор должен возбуждаться «живым» источником мощности 50 или 60 Гц. В случае сбоя питания энергетической компании не может быть произведена никакая мощность. Этот тип генератора переменного тока не подходит в качестве резервного источника питания. В качестве вспомогательного генератора ветровых турбин мощности он имеет то преимущество, что не требует автоматического отключения питания, чтобы защитить ремонтные бригады. Он отказоустойчив.

Небольшие дистанционные (от электросети) установки могут быть самовозбуждающимися путем размещения конденсаторов параллельно фазам статора. При удалении нагрузки остаточный магнетизм может генерировать небольшой поток тока. Этот ток пропускается конденсаторами без рассеивания мощности. По мере того, как генератор доводится до полной скорости, ток увеличивается, чтобы подавать ток намагничивания на статор. Нагрузка может быть применена в этой точке. Регулирование напряжения плохое. Асинхронный двигатель может быть преобразован в автогенератор с добавлением конденсаторов. (6)

Процедура пуска заключается в том, чтобы довести ветротурбину до скорости в режиме двигателя путем приложения нормального напряжения линии электропередачи к статору. Любая скорость турбины, индуцированная ветром, превышающая синхронную скорость, будет создавать отрицательный крутящий момент, подавая энергию обратно в линию электропередачи, изменяя нормальное направление электрического киловатт-часов. В то время как асинхронный двигатель представляет собой запаздывающий коэффициент мощности для линии электропередачи, индукционный генератор представляет собой ведущий коэффициент мощности. Индукционные генераторы широко не используются в обычных электростанциях. Скорость привода паровой турбины стабильна и управляема, как того требуют синхронные генераторы. Синхронные генераторы также более эффективны.

Скорость ветровой турбины затруднена и зависит от изменения скорости ветра порывами. Индукционный генератор лучше справляется с этими изменениями из-за присущего им скольжения. Это подчеркивает зубчатую передачу и механические компоненты меньше, чем синхронный генератор. Однако это допустимое изменение скорости составляет лишь около 1%. Таким образом, прямой ветровой индукционный генератор считается стационарной скоростью в ветряной турбине. См. Генератор индукции с двойным питанием для настоящего переменного генератора переменной скорости. Несколько генераторов или несколько обмоток на общем валу могут переключаться, чтобы обеспечить высокую и малую скорость для размещения переменных условий ветра.

Некоторые асинхронные двигатели могут потреблять более 1000% тока полной нагрузки во время запуска; хотя, несколько сотен процентов чаще встречается. Малые двигатели на несколько киловатт или меньше могут быть запущены прямым подключением к линии электропередач. Запуск более крупных двигателей может вызвать провисание сетевого напряжения, влияя на другие нагрузки. Автоматические выключатели с автоматическим запуском (аналогичные плавким предохранителям) должны заменять стандартные автоматические выключатели для пуска двигателей на несколько киловатт. Этот прерыватель допускает большой перегрузок по току в течение времени запуска.

Автотрансформаторный асинхронный двигатель стартера.

Двигатели мощностью более 50 кВт используют пускатели двигателей для уменьшения тока линии от нескольких сотен до нескольких сотен процентов от тока полной нагрузки. Автоматический преобразователь с прерывистой нагрузкой может уменьшить напряжение статора на долю минуты в течение интервала пуска, после чего следует применение полного линейного напряжения, как показано на рисунке выше. Закрытие контактов S приводит к уменьшенному напряжению во время интервала пуска. S контактов разомкнут, а контакты R закрываются после запуска. Это уменьшает пусковой ток до, скажем, 200% от тока полной нагрузки. Поскольку автотрансформатор используется только для короткого интервала пуска, он может быть значительно меньше, чем блок непрерывной работы.

Запуск трехфазных двигателей на однофазных

Трехфазные двигатели работают на одной фазе так же легко, как однофазные двигатели. Единственная проблема для обоих двигателей. Иногда трехфазные двигатели приобретаются для использования на одной фазе, если ожидается трехфазное обеспечение. Мощность должна быть на 50% больше, чем для аналогичного однофазного двигателя, чтобы компенсировать одну неиспользованную обмотку. Одна фаза применяется к паре обмоток, одновременно с пусковым конденсатором последовательно с третьей обмоткой. Стартовый выключатель открывается при включении двигателя. Иногда при работе сохраняется меньший конденсатор, чем пусковой конденсатор.

Запуск трехфазного двигателя в однофазном режиме.

Схема в Figabove для запуска трехфазного двигателя на одной фазе известна как статический преобразователь фазы, если вал двигателя не загружен. Кроме того, двигатель действует как трехфазный генератор. Трехфазная мощность может быть отключена от трех обмоток статора для питания другого трехфазного оборудования. Конденсатор поставляет синтетическую фазу примерно в середине ∠90 ^o между клеммами источника питания однофазного тока ∠180 ^o для запуска. Во время работы двигатель генерирует приблизительно стандартный 3-φ, как показано на рисунке выше. Мэтт Isserstedt показывает полный дизайн для питания дома машины. (8)

Стационарный статический преобразователь. Запуск конденсатора = 25-30 мкФ на HP. Адаптировано из рисунка 7, Hanrahan (9)

Поскольку преобразователь статической фазы не имеет крутящей силы, его можно запустить с помощью конденсатора, значительно меньшего, чем обычный пусковой конденсатор. Если он достаточно мал, он может быть оставлен в цепи в качестве конденсатора. См. Рисунок выше. Тем не менее, меньшие конденсаторы работают в 3-фазной выходной мощности, как показано на рисунке ниже. Кроме того, регулировка этих конденсаторов для выравнивания токов, измеренных в трех фазах, приводит к самой эффективной машине. (9) Однако для быстрого запуска преобразователя требуется примерно один секунда большой стартовый конденсатор. Hanrahan предоставляет детали строительства. (9)

Более эффективный статический преобразователь фазы. Пусковой конденсатор = 50-100 мкФ / л.с. Запуск конденсаторов = 12-16 мкФ / л.с. Адаптировано из рисунка 1, Hanrahan (9)

Несколько полей

Асинхронные двигатели могут содержать несколько обмоток возбуждения, например 4-полюсную и 8-полюсную обмотку, соответствующие синхронным скоростям 1800 и 900 об / мин. Энергия одного поля или другого менее сложна, чем переключение катушек статора на рис. Ниже.

Несколько полей позволяют изменять скорость.

Если поле сегментировано с выведенными проводами, оно может быть переустановлено (или переключено) с 4-полюсного на 2-полюсное, как показано выше для двухфазного двигателя. Секунды 22, 5 ^o переключаются на 45 ^o сегментов. Для ясности показана только проводка для одной фазы. Таким образом, наш асинхронный двигатель может работать на нескольких скоростях. При переключении вышеприведенного 60 Гц двигателя с 4 полюсов на 2 полюса синхронная скорость увеличивается с 1800 об / мин до 3600 об / мин. Если двигатель приводится в действие частотой 50 Гц, то будут иметься соответствующие 4-полюсные и 2-полюсные синхронные скорости «# 02479.png»> ниже)

Регулируемое напряжение контролирует скорость асинхронного двигателя.

Электронный контроль скорости

Современная полупроводниковая электроника увеличивает возможности контроля скорости. Изменяя линейную частоту 50 или 60 Гц на более высокие или более низкие значения, можно изменить синхронную скорость двигателя. Однако уменьшение частоты тока, подаваемого на двигатель, также снижает реактивность X _L, которая увеличивает ток статора. Это может привести к насыщению магнитной цепи статора с катастрофическими результатами. На практике напряжение на двигателе должно уменьшаться при уменьшении частоты.

Электронный привод с переменной скоростью.

И наоборот, частота привода может быть увеличена для увеличения синхронной скорости двигателя. Тем не менее, напряжение необходимо увеличить, чтобы преодолеть возрастающую реактивность, чтобы поддерживать ток до нормального значения и поддерживать крутящий момент. Преобразователь (рис.) Приближает синусоидальные колебания к двигателю с выходами модуляции широтно-импульсной модуляции. Это измельченная волновая форма, которая либо включена, либо выключена, высокая или низкая, процентное время «включено» соответствует мгновенному напряжению синусоидальной волны.

Когда электроника применяется к управлению асинхронным двигателем, доступно множество методов управления, варьирующихся от простого до сложного:

Описание: Управление скоростью

Scaler Control Низкозатратный метод, описанный выше, для управления только напряжением и частотой без обратной связи.
Векторное управление Также известно как управление фазой вектора. Компоненты тока и тока, генерирующие поток и вращающий момент, измеряются или оцениваются в режиме реального времени для повышения кривой крутящего момента двигателя. Это интенсивность вычислений.
Прямое управление крутящим моментом Разработанная адаптивная модель двигателя позволяет более прямое управление потоком и крутящим моментом без обратной связи. Этот метод быстро реагирует на изменения нагрузки.

Резюме: Индукционные двигатели Tesla Polyphase

Многофазный асинхронный двигатель состоит из многофазной обмотки, встроенной в слоистый статор, и проводящей белой клетки, встроенной в ламинированный ротор.
Трехфазные токи, протекающие внутри статора, создают вращающееся магнитное поле, которое индуцирует ток и последующее магнитное поле в роторе. Крутящий момент ротора развивается, когда ротор скользит немного позади вращающегося поля статора.
В отличие от однофазных двигателей, многофазные асинхронные двигатели запускаются самостоятельно.
Пускатели двигателя минимизируют нагрузку на линию электропередач, обеспечивая при этом больший пусковой момент, чем требуется во время работы. Линейные пускатели тока необходимы только для больших двигателей.
Трехфазные двигатели будут работать на одной фазе, если они будут запущены.
Статический преобразователь фазы представляет собой трехфазный двигатель, работающий на одной фазе без нагрузки на вал, генерирующий трехфазный выход.
Многопоточные обмотки могут быть перезаписаны для нескольких дискретных скоростей двигателя путем изменения количества полюсов.

Статор раны и ротор короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя могут быть разрезаны по окружности и разворачиваются в линейный асинхронный двигатель. Направление линейного перемещения контролируется последовательностью привода к фазам статора.

Линейный асинхронный двигатель был предложен в качестве привода для высокоскоростных пассажирских поездов. До этого времени линейный асинхронный двигатель с сопровождающей системой магнитной отталкивающей левитации, требуемый для плавной езды, был слишком дорогостоящим для всех, кроме экспериментальных установок. Тем не менее, линейный асинхронный двигатель, как ожидается, заменит паровые катапультные системы запуска летательных аппаратов нового поколения военно-морского авианосца CVNX-1 в 2013 году. Это повысит эффективность и сократит техническое обслуживание. (4) (5)

Как изменить мир своими изобретениями?🤓… — Московская электронная школа: МЭШ

Как изменить мир своими изобретениями?🤓
Сегодня день рождения легендарного изобретателя Николы Теслы!

Во многом наш мир электричества своими научными открытиями и технологическими разработками обязан учёному из Сербии. В этом посте рассказываем о его главных изобретениях🤩

🔎Схема на песке
Тесла придумал, как на практике использовать вращающееся магнитное поле. Это случилось в 1882 году во время прогулки по Будапешту. В одно мгновение он понял, как будет работать его двигатель, и принялся чертить схему прямо на песке. Она изменила судьбу Теслы и мир, в котором мы сейчас живём.

🔎AC/DC
Электрический свет пришёл в дома только в 1879 году. В то время в США электростанции Томаса Эдисона передавали постоянный ток (DC) низкого напряжения. Но эффективной передача была только на очень короткие расстояния. Тесла же выступал за переменный электрический ток (AC), эффективность передачи которого особо не зависела от протяженности проводов.

В 1887 году Никола встретил двух компаньонов, вместе с которыми организовал компанию «Тесла Электрик» и получил собственную лабораторию. А в 1888 году он получил первые патенты на двигатели переменного тока.

🔎Лампы
В начале 90-х годов XIX века Тесла демонстрировал лампу без нити накаливания, которая не была подсоединена ни к одному проводу, но все равно светилась. Позже он наполнит эти лампы люминоформами, сделав прообраз современных люминесцентных ламп.

🔎Радио Теслы
Ещё в 1890 году Тесла говорил о появлении аппарата, который позволит его владельцу слушать музыку, песни и человеческую речь в море или на земле на огромном расстоянии от источника звука. «Точно так же могут быть переданы любая картина, рисунок, знак или текст», — добавлял учёный. В каком-то смысле Никола стал первым предвестником интернета.

В 1893 году в экспериментах Николы участвовали передатчик и приёмник, от обоих к потолкам шли длинные провода. Сообщения передавались от 5-киловаттного искрового передатчика на гейслеровскую трубку приёмника на расстоянии 9 метров.

🔎Радиоуправление
В 1893 году Тесла приступил к разработке дистанционно управляемых машин. Первая публичная демонстрация состоялась в 1898 году на выставке, где радиоуправляемая лодка изобретателя вызвала сенсацию.
Посреди судна торчал металлический стержень, а на носу и корме находились лампочки. С помощью дистанционного пульта управления Никола заставлял лодку двигаться вперёд и назад и выполнять различные манёвры.

Откровение вращающегося поля

— Научный центр Тесла в Ворденклиффе

Откровение вращающегося поля

1882

Моментом прорыва

Tesla стала прогулка по парку (буквально), которая изменила историю. Тесле было 26 лет, и он жил в Будапеште, где в течение нескольких месяцев пытался разработать систему для производства электроэнергии с использованием вращающихся магнитных полей. Это повлияло на его здоровье, и Тесла заболел от умственного и физического истощения. Во время выздоровления он пошел на прогулку в парк Будапешта с хорошим другом Энтони Сигети и испытал внезапное прозрение. Вот собственное описание Теслы того момента, когда он представляет решение для системы переменного тока для выработки электроэнергии.

«Однажды днем, который навсегда запомнился мне, я наслаждался прогулкой со своим другом в городском парке и читал стихи.В том возрасте я знал наизусть целые книги, слово в слово. Одним из них был «Фауст» Гете. Солнце только что садилось и напомнило мне славный отрывок:

Сияние отступает, свершился день тяжелого труда;
Он вон там спешит, исследует новые области жизни;
Ах, это крыло не может поднять меня с земли По его следу, чтобы следовать, следовать за парящим!
Славная мечта! хотя теперь слава угасает.
Увы! Крылья, которые поднимают разум, Никакой помощи Крылья, поднимающие тело, не могут мне достаться.

Когда я произнес эти вдохновляющие слова, идея возникла, как вспышка молнии, и в одно мгновение правда открылась. Я нарисовал палкой на песке схемы, показанные шесть лет спустя в моем выступлении перед Американским институтом инженеров-электриков, и мой товарищ прекрасно их понял. Образы, которые я видел, были удивительно резкими и четкими и имели такую твердость, как металл и камень, настолько, что я сказал ему: «Посмотри здесь мой мотор; смотри, как я перевернул это ». Я не могу описать свои эмоции.Пигмалион, увидев, как оживает его статуя, был глубоко тронут. Тысячу тайн природы, на которые я мог наткнуться случайно, я отдал бы за ту, которую я вырвал у нее вопреки всему и с риском для моего существования ».

Патент Николы Теслы на электромагнитный двигатель, основа для сегодняшних систем переменного тока

От лаборатории Теслы до Лос-Аламоса: мощные магниты проходят полный круг

На этой неделе на Energy.gov мы возвращаемся к легендарному соперничеству между двумя самые важные изобретатели и инженеры в области энергетики: Томас Эдисон и Никола Тесла. Проверяйте каждый день, чтобы узнать больше об их жизни, их изобретениях и о том, как их вклад до сих пор влияет на то, как мы используем энергию сегодня. Поддержите своего фаворита с помощью хэштегов #teamedison и #teamtesla в социальных сетях или проголосуйте на нашем сайте.

В марте 2012 года ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории установили мировой рекорд, достигнув магнитного импульса 100,75 тесла, что примерно в 2000000 раз сильнее магнитного поля Земли.

Установка импульсного поля в Национальной лаборатории Лос-Аламоса включает в себя конденсаторные батареи, генераторы и технические системы, необходимые для поддержки множества мощных магнитов.Один из них — многозарядный магнит 100 тесла, который создает самое мощное неразрушающее магнитное поле в мире.

Изучение магнитов и их свойств неразрывно связано с одним из наших изобретателей на этой неделе: Николя Тесла. Тесла открыл вращающееся магнитное поле в 1882 году, физический принцип, который заметно фигурировал во многих его будущих изобретениях. Тесла (Тл) была удостоена чести очень немногих ученых, она была обозначена как единица измерения плотности магнитного потока, или силы магнитного поля, в 1956 году.Тесла используется в качестве единицы измерения для очень сильных магнитных полей и является стандартом Международной системы единиц (СИ), а гаусс (Г) обычно используется для более слабых магнитных полей. Единица измерения определяется масштабом: одна тесла равна 10 000 гаусс. Для сравнения: магнитное поле Земли имеет плотность магнитного потока около 50 микротесла, или 0,00005 тесла.

Этот многозарядный магнит 100 тесла, названный так потому, что его можно использовать снова и снова, не разрушаясь силой создаваемого им магнитного поля, является импульсным, то есть генерируемое им поле может поддерживаться только в течение короткого периода. времени.Сам магнит расположен внутри контейнера с жидким азотом, который поддерживает температуру -198,15 градусов по Цельсию (-324,67 градусов по Фаренгейту), что предотвращает перегрев магнита из-за мощного импульса электричества. Устройство импульсного поля и его набор магнитов доступны для использования исследователями и учеными из академических кругов и частного сектора в качестве назначенного пользователя.

Магнит 100 тесла в Национальной лаборатории Лос-Аламоса используется для изучения сверхпроводимости, того, как различные материалы ведут себя под воздействием очень сильного магнитного поля, и его даже можно использовать в качестве микроскопа в нанометровом масштабе.Все это стало возможным благодаря новаторским открытиям, сделанным Никола Тесла более века назад.

Война токов

В 1887 году Никола Тесла, молодой сербский изобретатель, живший в Манхэттен, подала заявку на семь патентов США, в которых описан полный AC энергосистема, в основе которой было его новое изобретение: многофазный асинхронный двигатель. В первой конструкции двигателя Тесла статор (см. ниже) намотал на него две пары витой проволоки.Одна пара на севере и юге, а другая пара на востоке и западные позиции, и это устройство двухфазного двигателя. Ток, идущий на одну пару обмоток, составляет 90 не в фазе с токами, идущими в другую пару обмоток, которые заставляет статор генерировать вращающееся магнитное поле. Этот вращающийся магнитное поле индуцирует в роторе переменный ток, который в очередь генерирует магнитное поле. Магнитное поле ротора пытается выровняться с вращающимся магнитным полем статора, и это вызывает вращение ротора.

В 1888 г. Тесла продал права на производство своей энергосистемы компании Westinghouse за 65000 долларов и пошел работать сотрудником Компания Westinghouse Electric. Улучшение по его оригинальной конструкции, Тесла, вместе с другими инженерами, работающими для Westinghouse был создан трехфазный асинхронный двигатель. Этот двигатель работает по тем же принципам, что и двухфазный, за исключением вокруг статора три витка проволоки, каждая ориентирована на 120 градусов. отдельно от других и каждый с током 120 градусов не по фазе с другими.Эта конструкция оказалась бы именно такой, какая мощность переменного тока необходимо для взлета, и это по-прежнему лучший двигатель для мощности поколение сегодня.

Оригинал Асинхронный двигатель Тесла Никола Тесла

Основные части Tesla Многофазный асинхронный двигатель

Вращающиеся магнитные поля и работа двигателя переменного тока

Чтобы понять работу двигателя переменного тока, важно изучить разработку вращающихся магнитных полей .Эти магнитные поля следуют принципам электромагнетизма и вращают вал двигателя переменного тока.

Рассмотрим статор электродвигателя поближе. Помните, что конструкция статора электродвигателя переменного тока представляет собой полый цилиндр, заполненный витками изолированного провода.

РАСПОЛОЖЕНИЕ КАТУШКИ СТАТОРА

Используйте схему ниже, чтобы увидеть взаимодействие между обмотками статора. В этом примере 6 катушек (2 катушки на 3 фазы). Эти катушки, известные как « обмотки двигателя », работают попарно и обернуты вокруг материала железного сердечника, из которого состоит статор.

Каждая обмотка двигателя становится отдельным электромагнитом. Пары катушек имеют противоположную полярность (один северный полюс, один южный полюс) из-за того, как они намотаны. На схеме предположим, что катушка A1 является северным полюсом, а ее пара катушек A2 — южным полюсом. Когда электрический ток меняет направление, меняется полярность полюсов.

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

На следующей схеме статор двигателя подключен к трехфазному источнику питания переменного тока. Обмотки двигателя A1 и A2 подключены к фазе А источника питания.Представьте также, что обмотки B и C соответственно подключены к фазам питания B и C.

Обмотки двигателя обычно разделены на 120º. Количество появлений обмотки двигателя определяет количество полюсов. В этом примере показан второй набор трехфазных обмоток. Каждая обмотка появляется 2 раза, что делает статор двухполюсным. Однако, если каждая обмотка появится 4 раза, это будет 4-полюсный статор.

Электрический ток течет через обмотки, когда на статор подается переменное напряжение.Направление тока, протекающего через обмотку двигателя, определяет развитие магнитного поля. Используйте приведенную ниже таблицу в качестве справки для следующих нескольких диаграмм. Они покажут, как создается вращающееся магнитное поле . Согласно диаграмме, предположим, что положительный электрический ток, протекающий в обмотках двигателя A1, B1 и C1, создает северный полюс.

ЗАПУСК ТОКОВОГО ПОТОКА

Чтобы упростить визуализацию магнитного поля, на диаграмме ниже показано время запуска, когда ток не течет через одну из обмоток.Обратите внимание на начальную линию:

Фаза A не имеет тока
Фаза B имеет отрицательное направление (-) протекание тока
Фаза C имеет положительное направление (+) протекание тока

Согласно диаграмме выше, B2 и C1 — северный полюс, а B1 и C2 — южный полюс. Магнитные линии потока отходят от северного полюса B2 и достигают C2, ближайшего южного полюса. Линии потока также отходят от северного полюса C1 и достигают B1, его ближайшего южного полюса. В результате создается магнитное поле (как показано стрелкой).

ВРЕМЯ 1

С начальной точки давайте отследим магнитное поле в сегментах 60º. Когда поле вращается на 60º в момент времени 1:

В фазе C нет тока
В фазе A положительное направление (+) протекание тока
Фаза B имеет отрицательное направление (-) протекание тока

Теперь обмотки A1 и B2 — северные полюса, а обмотки A2 и B1 — южные полюса.

ВРЕМЯ 2

Во время 2 магнитное поле поворачивается еще на 60º:

В фазе B теперь нет тока
В фазе A сохраняется положительный (+) ток, протекающий (хотя он уменьшается)
Фаза Теперь C имеет отрицательное направление (-), поток тока

Поскольку ток изменил направление в обмотках фазы C (начался в положительном направлении, но переключился на отрицательное к моменту времени 2), магнитные полюса поменяли полярность (C1 север полюс и южный полюс C2 стал южным полюсом C1 и северным полюсом C2).

ВРАЩЕНИЕ на 360º

После шести временных сегментов по 60º магнитное поле повернется на один полный оборот на 360º. При использовании источника питания 60 Гц этот процесс будет повторяться 60 раз в секунду.

СИНХРОННАЯ СКОРОСТЬ

Скорость важна для вращающегося магнитного поля двигателя переменного тока. Он известен как « синхронная скорость ». Эта скорость вычисляется путем деления частоты (F) на количество полюсов (P) в 120 раз. Например, синхронная скорость для 2-полюсного двигателя, работающего при 60 Гц, составляет 3600 об / мин.

По мере увеличения числа полюсов синхронная скорость уменьшается. На диаграмме ниже показано, как увеличение числа полюсов соответствует уменьшению синхронной скорости при 60 Гц.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ О ДВИГАТЕЛЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Мы надеемся, что это руководство по вращающимся магнитным полям помогло вам лучше понять, как работают двигатели переменного тока. Настройтесь на следующий месяц, чтобы узнать, как это магнитное поле на самом деле создает крутящий момент и вращает нагрузку.

физика — Почему плотность магнитного потока названа в честь Николы Теслы?

Фактически, первое крупное изобретение Теслы было основано на его открытии вращающегося магнитного поля около 1882 года. Процитируем красочное описание Электрического экспериментатора 1919 года: «Существует огромная разница между обычным электромагнитом и изобретенным Теслой. В первом случае линии неподвижны, во втором они вращаются с бешеной скоростью. первый притягивает кусок железа и удерживает его, второй заставляет его вращаться в любом направлении и с любой желаемой скоростью ». Посмотрите видео Tesla’s Egg of Columbus, чтобы узнать, на что оно способно. Это был источник всех современных двигателей переменного тока, первый из которых Тесла запатентовал в 1887 году, что до него считалось невозможным, потому что «переменный ток был плохо изучен и не имел отношения к инженерам или электрикам».Ядерный магнитный резонанс, лежащий в основе современной технологии магнитно-резонансной томографии (МРТ), основан на свойствах магнитных ядерных спинов, квантового аналога вращающегося магнитного поля, открытого Раби в 1937 году. Современные аппараты МРТ калибруются в единицах тесла.

Говоря о терминологии, технически тесла — это не единица магнитного потока, как бы Вебер, а единица плотности магнитного потока на площадь. Возникновение теслы было несколько спорным, разногласия по поводу того, были ли напряженность магнитного поля и плотность магнитного потока величинами разной природы, продолжались до 1930 года, когда Международная электротехническая комиссия объявила об этом и поручила Техническому комитету 1 разработать новые единицы.В 1935 году он передал задачу Техническому комитету 24, который тянул свою работу до 1956 года (справедливости ради произошла Вторая мировая война, и им пришлось довольствоваться установками и для нескольких других количеств).

Существует единица, названная в честь Лоренца, но очень неясная: «единица обратной длины, используемая для измерения разницы в волновых числах между линией спектра (нулевого поля) и ее зеемановскими компонентами». Это уместно, так как он является основателем (классической) электронной теории. Но Лоренц гораздо более почитаем тем, что электромагнитная сила действует на заряды, названные в его честь.

Полифазные асинхронные двигатели

тесла | Двигатели переменного тока

Большинство двигателей переменного тока являются асинхронными. Асинхронные двигатели предпочитают из-за их прочности и простоты. Фактически, 90% промышленных двигателей являются асинхронными.

Никола Тесла разработал основные принципы многофазного асинхронного двигателя в 1883 году и к 1888 году создал модель мощностью в половину лошадиных сил (400 Вт). Тесла продал права на производство Джорджу Вестингаузу за 65 000 долларов.

Самые большие (> 1 л.с. или 1 кВт) промышленные двигатели — это многофазные асинхронные двигатели .Под многофазностью мы подразумеваем, что статор содержит несколько различных обмоток на каждый полюс двигателя, приводимых в действие соответствующими синусоидальными волнами со сдвигом во времени.

На практике это две или три фазы. Крупные промышленные двигатели трехфазные. Хотя для простоты мы включили многочисленные иллюстрации двухфазных двигателей, мы должны подчеркнуть, что почти все многофазные двигатели являются трехфазными.

Под асинхронным двигателем мы подразумеваем, что обмотки статора индуцируют ток в проводниках ротора, как трансформатор, в отличие от коллекторного двигателя постоянного тока.

Конструкция асинхронного двигателя переменного тока

Асинхронный двигатель состоит из ротора, известного как якорь, и статора, содержащего обмотки, подключенные к многофазному источнику энергии, как показано на рисунке ниже. Простой двухфазный асинхронный двигатель, представленный ниже, похож на двигатель мощностью 1/2 лошадиные силы, который Никола Тесла представил в 1888 году.

Многофазный асинхронный двигатель Tesla

Статор на рисунке выше намотан парами катушек, соответствующих фазам имеющейся электрической энергии.Статор двухфазного асинхронного двигателя выше имеет 2 пары катушек, по одной паре для каждой из двух фаз переменного тока.

Отдельные катушки пары соединены последовательно и соответствуют противоположным полюсам электромагнита. То есть одна катушка соответствует N-полюсу, другая — S-полюсу, пока фаза переменного тока не изменит полярность. Другая пара катушек ориентирована в пространстве под углом 90 ° к первой паре.

Эта пара катушек подключена к переменному току, сдвинутому во времени на 90 ° в случае двухфазного двигателя.Во времена Теслы источником двух фаз переменного тока был двухфазный генератор переменного тока.

Статор на рисунке выше имеет выступов , явно выступающих полюсов, которые использовались на первых асинхронных двигателях Tesla. Эта конструкция используется по сей день для двигателей с малой мощностью (<50 Вт). Однако для более мощных двигателей меньшая пульсация крутящего момента и более высокий КПД достигается, если катушки встроены в пазы, вырезанные в пластинах статора (рисунок ниже).

Рама статора с пазами для обмоток

Пластины статора представляют собой тонкие изолированные кольца с прорезями, пробитыми из листов электротехнической стали.Пакет из них закреплен концевыми винтами, которые также могут удерживать концевые корпуса.

Статор с обмотками 2 φ (а) и 3 φ (б)

На рисунке выше обмотки как двухфазного, так и трехфазного двигателя установлены в пазы статора. Катушки наматываются на внешнее приспособление, а затем вставляются в пазы. Изоляция, зажатая между периферией катушки и пазом, защищает от истирания.

Фактические обмотки статора сложнее, чем отдельные обмотки на полюс на рисунке выше.Сравнивая двигатель 2-φ с двигателем Tesla 2-φ с явными полюсами, количество катушек такое же. В реальных больших двигателях обмотка полюса разделена на идентичные катушки, вставленные во множество пазов меньшего размера, чем указано выше.

Эта группа называется фазовой лентой (см. Рисунок ниже). Распределенные катушки фазового пояса подавляют некоторые нечетные гармоники, создавая более синусоидальное распределение магнитного поля по полюсу. Это показано в разделе синхронного двигателя.

У прорезей на краю стойки может быть меньше витков, чем в других прорезях.Краевые пазы могут содержать обмотки от двух фаз. То есть фазовые пояса перекрываются.

Ключом к популярности асинхронного двигателя переменного тока является его простота, о чем свидетельствует простой ротор (рисунок ниже). Ротор состоит из вала, стального пластинчатого ротора и встроенной беличьей клетки из меди или алюминия , показанной на (b), снятой с ротора.

По сравнению с якорем двигателя постоянного тока, здесь нет коммутатора. Это устраняет щетки, искрение, искрение, графитовую пыль, регулировку и замену щеток, а также повторную обработку коллектора.

Многослойный ротор с (а) встроенной беличьей клеткой, (б) токопроводящей клеткой, удаленной с ротора

Проводники в короткозамкнутой клетке могут быть перекошены, перекручены относительно вала. Несоосность пазов статора снижает пульсации крутящего момента.

Сердечники ротора и статора состоят из пакета изолированных пластин. Пластины покрыты изолирующим оксидом или лаком для минимизации потерь на вихревые токи.Сплав, используемый в пластинах, выбран из соображений низких гистерезисных потерь.

Теория работы асинхронных двигателей

Краткое объяснение работы заключается в том, что статор создает вращающееся магнитное поле, которое волочит ротор.

Теория работы асинхронных двигателей основана на вращающемся магнитном поле. Один из способов создания вращающегося магнитного поля — вращать постоянный магнит. Если движущиеся магнитные линии потока разрезают проводящий диск, он будет следовать за движением магнита.

Линии магнитного потока, разрезающие проводник, будут индуцировать напряжение и, как следствие, протекание тока в проводящем диске. Этот поток тока создает электромагнит, полярность которого противодействует движению постоянного магнита — Закон Ленца .

Полярность электромагнита такова, что он притягивается к постоянному магниту. Диск следует с немного меньшей скоростью, чем постоянный магнит.

Вращающееся магнитное поле создает крутящий момент в проводящем диске

Крутящий момент, развиваемый диском, пропорционален количеству силовых линий, разрезающих диск, и скорости, с которой он разрезает диск.Если бы диск вращался с той же скоростью, что и постоянный магнит, не было бы ни потока, разрезающего диск, ни индуцированного тока, ни поля электромагнита, ни крутящего момента.

Таким образом, скорость диска всегда будет ниже скорости вращающегося постоянного магнита, так что линии потока, рассекающие диск, индуцируют ток, создают электромагнитное поле в диске, которое следует за постоянным магнитом.

Если к диску приложена нагрузка, замедляющая его, будет развиваться больший крутящий момент, поскольку больше линий магнитного потока разрезают диск.Крутящий момент пропорционален скольжению , степени отставания диска от вращающегося магнита. Большее скольжение соответствует большему потоку, разрезающему проводящий диск, создавая больший крутящий момент.

В основе аналогового автомобильного вихретокового спидометра лежит принцип, проиллюстрированный выше. Когда диск удерживается пружиной, отклонение диска и иглы пропорционально скорости вращения магнита.

Вращающееся магнитное поле создается двумя катушками, расположенными под прямым углом друг к другу, и приводится в действие токами, которые не совпадают по фазе на 90 °. Это не должно вызывать удивления, если вы знакомы с диаграммами Лиссажу на осциллографах.

В противофазе (90 °) синусоидальные волны образуют круговой узор Лиссажу

На приведенном выше рисунке круговой Лиссажу формируется путем подачи на входы осциллографа горизонтального и вертикального сдвига по фазе синусоидальных волн на 90 °. Начиная с (a) с максимальным отклонением «X» и минимальным «Y», след перемещается вверх и влево в направлении (b).

Между (a) и (b) две формы сигнала равны 0.707 Впик при 45 °. Эта точка (0,707, 0,707) попадает на радиус окружности между (a) и (b). След перемещается в (b) с минимальным отклонением «X» и максимальным «Y». При максимальном отрицательном отклонении «X» и минимальном отклонении «Y» след перемещается в (c).

Затем с минимальным «X» и максимальным отрицательным «Y» он переходит в (d) и обратно в (a), завершая один цикл.

Синус по оси X и косинус по оси Y по окружности

На рисунке показаны две синусоидальные волны с фазовым сдвигом на 90 °, приложенные к отклоняющим пластинам осциллографа, расположенным под прямым углом в пространстве. Комбинация фазированных синусоидальных волн на 90 ° и отклонения под прямым углом дает двухмерный узор — круг. Этот круг очерчен электронным лучом, вращающимся против часовой стрелки.

Для справки, на рисунке ниже показано, почему синусоидальные синусоидальные волны не образуют круговой диаграммы. Равное отклонение «X» и «Y» перемещает освещенное пятно от исходной точки в (a) вверх вправо (1,1) в (b), назад вниз влево к исходной точке в (c), вниз влево до (-1 .-1) в точке (d) и обратно в исходное положение.Линия получается равными прогибами по обеим осям; y = x — прямая линия.

Отсутствие кругового движения синфазных сигналов

Если пара синусоидальных волн, сдвинутых на 90 ° по фазе, создает круговую форму Лиссажу, аналогичная пара токов должна быть способна создавать круговое вращающееся магнитное поле. Так обстоит дело с двухфазным двигателем. По аналогии, три обмотки, расположенные в пространстве на 120 ° друг от друга и питаемые соответствующими фазированными токами 120 °, также будут создавать вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле синусоидальной волны, фазированной под углом 90 °

По мере того, как синусоидальные волны с фазой 90 °, показанные на рисунке выше, развиваются от точек (a) до (d), магнитное поле вращается против часовой стрелки (рисунки a-d) следующим образом:

(а) φ-1 максимум, φ-2 ноль
(a ’) φ-1 70%, φ-2 70%
(б) φ-1 ноль, φ-2 максимум
(в) φ-1 максимально отрицательный, φ-2 ноль
(d) φ-1 ноль, φ-2 максимально отрицательный

Полная скорость двигателя и скорость синхронного двигателя

Скорость вращения вращающегося магнитного поля статора связана с количеством пар полюсов на фазу статора.На приведенном ниже рисунке «полная скорость» всего шесть полюсов или три пары полюсов и три фазы. Однако на каждую фазу приходится только одна пара полюсов.

Магнитное поле будет вращаться один раз за цикл синусоидальной волны. В случае мощности 60 Гц поле вращается со скоростью 60 раз в секунду или 3600 оборотов в минуту (об / мин). При мощности 50 Гц он вращается со скоростью 50 оборотов в секунду или 3000 об / мин. 3600 и 3000 об / мин — это синхронная скорость двигателя.

Хотя ротор асинхронного двигателя никогда не достигает этой скорости, это определенно верхний предел.Если мы удвоим количество полюсов двигателя, синхронная скорость сократится вдвое, потому что магнитное поле вращается в пространстве на 180 ° на 360 ° электрической синусоидальной волны.

Удвоение полюсов статора уменьшает синхронную скорость вдвое

Синхронная скорость определяется по формуле:

 N _с = 120 · f / P N _с = синхронная скорость в об / мин f = частота подаваемой мощности, Гц P = общее количество полюсов на фазу, кратное 2

  Пример:  На приведенном выше рисунке «половинная скорость» четыре полюса на фазу (3 фазы).Синхронная скорость для мощности 50 Гц составляет: S = 120 · 50/4 = 1500 об / мин

Краткое объяснение асинхронного двигателя состоит в том, что вращающееся магнитное поле, создаваемое статором, тащит за собой ротор.

Более длинное и правильное объяснение состоит в том, что магнитное поле статора индуцирует переменный ток в проводниках короткозамкнутого ротора, которые составляют вторичную обмотку трансформатора. Этот индуцированный ток ротора, в свою очередь, создает магнитное поле.

Магнитное поле вращающегося статора взаимодействует с этим полем ротора.Поле ротора пытается выровняться с полем вращающегося статора. Результатом является вращение ротора с короткозамкнутым ротором. Если бы не было механической нагрузки крутящего момента двигателя, подшипников, сопротивления ветра или других потерь, ротор вращался бы с синхронной скоростью.

Однако проскальзывание между ротором и полем статора синхронной скорости развивает крутящий момент. Магнитный поток, разрезающий проводники ротора при его проскальзывании, создает крутящий момент. Таким образом, нагруженный двигатель будет скользить пропорционально механической нагрузке.

Если бы ротор работал с синхронной скоростью, не было бы потока статора, разрезающего ротор, не было бы тока, индуцированного в роторе, не было бы крутящего момента.

Крутящий момент в асинхронных двигателях

Когда питание подается на двигатель впервые, ротор находится в состоянии покоя, а магнитное поле статора вращается с синхронной скоростью N _s. Поле статора режет ротор с синхронной скоростью N _s. Ток, индуцированный в закороченных витках ротора, является максимальным, как и частота тока, частота сети.

По мере увеличения скорости ротора скорость, с которой магнитный поток статора сокращает ротор, представляет собой разницу между синхронной скоростью N _s и фактической скоростью N ротора, или (N _s — N). Отношение фактического потока, разрезающего ротор, к синхронной скорости определяется как скольжение :

 s = (N _s - N) / N _s где: N _s = синхронная скорость, N = скорость ротора

Частота тока, наведенного в проводники ротора, равна только частоте сети при пуске двигателя и уменьшается по мере приближения ротора к синхронной скорости. Частота ротора определяется по:

 f _r = s · f, где: s = скольжение, f = частота линии электропередачи статора

Скольжение при 100% крутящем моменте обычно составляет 5% или менее в асинхронных двигателях. Таким образом, для частоты сети f = 50 Гц частота наведенного тока в роторе fr = 0,05 · 50 = 2,5 Гц. Почему он такой низкий? Магнитное поле статора вращается с частотой 50 Гц. Скорость вращения ротора на 5% меньше.

Вращающееся магнитное поле разрезает ротор только на 2.5 Гц. 2,5 Гц — это разница между синхронной скоростью и фактической скоростью ротора. Если ротор вращается немного быстрее при синхронной скорости, никакой поток не будет резать ротор вообще, f _r = 0.

Крутящий момент и скорость в зависимости от% скольжения. % N _с =% синхронной скорости

На рисунке выше показано, что пусковой крутящий момент, известный как крутящий момент заторможенного ротора (LRT), превышает 100% крутящего момента при полной нагрузке (FLT), безопасного продолжительного крутящего момента. Крутящий момент заблокированного ротора составляет около 175% от FLT для приведенного выше примера двигателя.

Пусковой ток, известный как , ток заторможенного ротора (LRC) составляет 500% от тока полной нагрузки (FLC), безопасного рабочего тока. Сила тока велика, потому что это аналог закороченной вторичной обмотки трансформатора. Когда ротор начинает вращаться, крутящий момент может немного уменьшиться для определенных классов двигателей до значения, известного как тяговый момент .

Это наименьшее значение крутящего момента, с которым когда-либо сталкивался пусковой двигатель.Когда ротор набирает 80% синхронной скорости, крутящий момент увеличивается со 175% до 300% крутящего момента полной нагрузки. Этот крутящий момент пробоя вызван большим, чем обычно, 20% скольжением.

Сила тока в этот момент уменьшилась незначительно, но после этого будет быстро уменьшаться. По мере того как ротор ускоряется с точностью до нескольких процентов от синхронной скорости, как крутящий момент, так и ток значительно уменьшаются. При нормальной работе скольжение будет составлять всего несколько процентов.

Для работающего двигателя любой участок кривой крутящего момента ниже 100% номинального крутящего момента является нормальным.Нагрузка двигателя определяет рабочую точку на кривой крутящего момента. В то время как крутящий момент и ток двигателя могут превышать 100% в течение нескольких секунд во время запуска, продолжительная работа выше 100% может привести к повреждению двигателя.

Любая крутящая нагрузка двигателя, превышающая крутящий момент пробоя, приведет к остановке двигателя. Крутящий момент, скольжение и ток будут приближаться к нулю в условиях нагрузки «без механического крутящего момента». Это состояние аналогично разомкнутому вторичному трансформатору.

Существует несколько основных конструкций асинхронных двигателей, которые значительно отличаются от кривой крутящего момента, приведенной выше.Различные конструкции оптимизированы для запуска и работы с различными типами нагрузок. Крутящий момент заблокированного ротора (LRT) для двигателей различных конструкций и размеров находится в диапазоне от 60% до 350% момента полной нагрузки (FLT).

Пусковой ток или ток заторможенного ротора (LRC) может находиться в диапазоне от 500% до 1400% от тока полной нагрузки (FLC). Этот потребляемый ток может стать проблемой при запуске больших асинхронных двигателей.

Классы двигателей NEMA и IEC

Различные стандартные классы (или конструкции) двигателей, соответствующие кривым крутящего момента (рисунок ниже), были разработаны для лучшего управления нагрузками различных типов.Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) определила классы двигателей A, B, C и D для соответствия этим требованиям к приводам.

Подобные классы N и H Международной электротехнической комиссии (IEC) соответствуют конструкциям NEMA B и C соответственно.

Характеристики для проектов NEMA

Все двигатели, за исключением класса D, работают со скольжением 5% или менее при полной нагрузке.

Класс B (IEC Class N) Двигатели используются по умолчанию в большинстве приложений.При пусковом моменте LRT = от 150% до 170% от FLT он может запускать большинство нагрузок без чрезмерного пускового тока (LRT). КПД и коэффициент мощности высокие. Обычно он приводит в действие насосы, вентиляторы и станки.
Пусковой момент класса A такой же, как у класса B. Пусковой момент и пусковой ток (LRT) выше. Этот двигатель справляется с переходными перегрузками, которые встречаются в машинах для литья под давлением.
Класс C (IEC Class H) имеет более высокий пусковой крутящий момент, чем классы A и B при LRT = 200% от FLT.Этот двигатель применяется для тяжелых пусковых нагрузок, которые необходимо приводить в действие с постоянной скоростью, таких как конвейеры, дробилки, поршневые насосы и компрессоры.
Двигатели класса D имеют самый высокий пусковой крутящий момент (LRT) в сочетании с низким пусковым током из-за высокого скольжения (от 5% до 13% при FLT). Высокое скольжение приводит к снижению скорости. Регулировка скорости плохая. Однако двигатель отлично справляется с нагрузками с высокой переменной скоростью, например с маховиком для аккумулирования энергии. Применения включают пробивные прессы, ножницы и элеваторы.
Двигатели класса E являются версией класса B с более высоким КПД.
Двигатели класса F имеют гораздо более низкие LRC, LRT и разрушающий крутящий момент, чем класс B. Они управляют постоянными, легко запускаемыми нагрузками.

Коэффициент мощности асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели имеют отстающий (индуктивный) коэффициент мощности от линии питания. Коэффициент мощности в больших полностью нагруженных высокоскоростных двигателях может достигать 90% для больших высокоскоростных двигателей. При 3/4 полной нагрузки наибольший коэффициент мощности высокоскоростного двигателя может составлять 92%.

Коэффициент мощности малых тихоходных двигателей может составлять всего 50%. При запуске коэффициент мощности может находиться в диапазоне от 10% до 25%, увеличиваясь по мере достижения ротором скорости.

Коэффициент мощности (PF) значительно зависит от механической нагрузки двигателя (рисунок ниже). Ненагруженный двигатель аналогичен трансформатору без резистивной нагрузки на вторичной обмотке. Небольшое сопротивление отражается от вторичной обмотки (ротора) к первичной обмотке (статору).

Таким образом, в линии электропередачи присутствует реактивная нагрузка до 10% коэффициента мощности.Когда ротор нагружен, возрастающая резистивная составляющая отражается от ротора к статору, увеличивая коэффициент мощности.

Коэффициент мощности и КПД асинхронного двигателя

КПД асинхронных двигателей

Большие трехфазные двигатели более эффективны, чем трехфазные двигатели меньшего размера, и почти все однофазные двигатели. КПД большого асинхронного двигателя может достигать 95% при полной нагрузке, хотя чаще 90%.

Эффективность малонагруженного или ненагруженного асинхронного двигателя низка, потому что большая часть тока связана с поддержанием намагничивающего потока. По мере увеличения нагрузки крутящего момента больше тока потребляется для создания крутящего момента, в то время как ток, связанный с намагничиванием, остается фиксированным. Эффективность при 75% FLT может быть немного выше, чем при 100% FLT.

КПД снижается на несколько процентов при FLT 50% и снижается еще на несколько процентов при FLT 25%. Эффективность становится плохой только ниже 25% FLT.Изменение эффективности в зависимости от нагрузки показано на рисунке выше.

Асинхронные двигатели
обычно имеют завышенный размер, чтобы гарантировать запуск и работу их механической нагрузки в любых условиях эксплуатации. Если многофазный двигатель нагружен менее 75% номинального крутящего момента, когда КПД достигает пика, КПД страдает лишь незначительно до 25% FLT.
Корректор коэффициента мощности Nola
Фрэнк Нола из НАСА в конце 1970-х предложил корректор коэффициента мощности (PFC) в качестве энергосберегающего устройства для однофазных асинхронных двигателей. Он основан на предположении, что асинхронный двигатель с неполной нагрузкой менее эффективен и имеет более низкий коэффициент мощности, чем двигатель с полной нагрузкой. Таким образом, в частично загруженных двигателях, в частности в двигателях 1-φ, можно сэкономить энергию.
Энергия, потребляемая для поддержания магнитного поля статора, относительно фиксирована относительно изменений нагрузки. Хотя в полностью загруженном двигателе экономить нечего, напряжение частично загруженного двигателя может быть уменьшено для уменьшения энергии, необходимой для поддержания магнитного поля.
Это увеличит коэффициент мощности и эффективность. Это была хорошая концепция для заведомо неэффективных однофазных двигателей, для которых она предназначалась.
Эта концепция не очень применима к большим трехфазным двигателям. Из-за их высокого КПД (90% +) экономия энергии невелика. Более того, двигатель с КПД 95% по-прежнему имеет КПД 94% при 50% крутящем моменте при полной нагрузке (FLT) и 90% КПД при 25% FLT.
Потенциальная экономия энергии при переходе от 100% FLT к 25% FLT — это разница в эффективности 95% — 90% = 5%.Это не 5% мощности при полной нагрузке, а 5% мощности при пониженной нагрузке. Корректор коэффициента мощности Nola может быть применим к 3-фазному двигателю, который большую часть времени простаивает (ниже 25% FLT), например к пробивному прессу.
Срок окупаемости дорогостоящего электронного контроллера оценивается как непривлекательный для большинства приложений. Хотя он может быть экономичным в составе электронного пускателя двигателя или регулятора скорости.
Асинхронные двигатели в качестве генераторов переменного тока
Асинхронный двигатель может работать как генератор переменного тока, если он приводится в действие крутящим моментом, превышающим 100% синхронной скорости (рисунок ниже).Это соответствует нескольким% «отрицательного» скольжения, скажем -1%.
Это означает, что, поскольку мы вращаем двигатель быстрее, чем синхронная скорость, ротор продвигается на 1% быстрее, чем вращающееся магнитное поле статора. Обычно он отстает в двигателе на 1%. Поскольку ротор разрезает магнитное поле статора в противоположном направлении (впереди), ротор индуцирует напряжение в статоре, возвращая электрическую энергию обратно в линию питания.
Отрицательный момент превращает асинхронный двигатель в генератор
Такой индукционный генератор должен возбуждаться «живым» источником мощностью 50 или 60 Гц.В случае сбоя в электроснабжении энергокомпании выработка электроэнергии невозможна. Этот тип генератора не подходит в качестве резервного источника питания.
В качестве вспомогательного ветряного генератора он имеет то преимущество, что не требует автоматического выключателя отключения питания для защиты ремонтных бригад.
Он отказоустойчив.
Небольшие удаленные (от электросети) установки могут быть выполнены с самовозбуждением путем размещения конденсаторов параллельно фазам статора. Если снять нагрузку, остаточный магнетизм может вызвать небольшой ток.
Этот ток может протекать через конденсаторы без рассеивания мощности. Когда генератор достигает полной скорости, ток увеличивается, чтобы подать ток намагничивания на статор. В этот момент может быть приложена нагрузка. Слабое регулирование напряжения. Асинхронный двигатель может быть преобразован в генератор с самовозбуждением путем добавления конденсаторов.
Процедура запуска заключается в доведении ветряной турбины до скорости в моторном режиме путем подачи на статор нормального напряжения линии электропередачи.Любая вызванная ветром скорость турбины, превышающая синхронную, будет развивать отрицательный крутящий момент, возвращая мощность в линию электропередач, изменяя нормальное направление электрического счетчика киловатт-часов.
В то время как асинхронный двигатель представляет отстающий коэффициент мощности по отношению к линии электропередачи, асинхронный генератор переменного тока имеет ведущий коэффициент мощности. Индукционные генераторы не получили широкого распространения на обычных электростанциях.
Скорость привода паровой турбины является постоянной и регулируемой в соответствии с требованиями синхронных генераторов переменного тока.Синхронные генераторы также более эффективны.
Скорость ветряной турбины трудно контролировать, и скорость ветра может изменяться порывами. Асинхронный генератор переменного тока лучше справляется с этими колебаниями из-за собственного скольжения. Это меньше нагружает зубчатую передачу и механические компоненты, чем синхронный генератор.
Однако это допустимое изменение скорости составляет всего около 1%. Таким образом, индукционный генератор, подключенный к прямой линии, считается ветряной турбиной с фиксированной скоростью (см. Индукционный генератор с двойным питанием для истинного генератора переменного тока).
Несколько генераторов или несколько обмоток на общем валу могут быть переключены для обеспечения высокой и низкой скорости в зависимости от условий ветра.
Запуск двигателя и регулировка скорости
Некоторые асинхронные двигатели могут потреблять более 1000% тока полной нагрузки во время запуска; хотя более распространено несколько сотен процентов. Небольшие двигатели мощностью в несколько киловатт или меньше могут запускаться путем прямого подключения к сети.
Запуск больших двигателей может вызвать провал напряжения в сети, что повлияет на другие нагрузки.Автоматические выключатели, рассчитанные на запуск двигателя (аналогичные плавким предохранителям с задержкой срабатывания), должны заменить стандартные автоматические выключатели для запуска двигателей мощностью в несколько киловатт. Этот выключатель допускает перегрузку по току во время пуска.
Пускатель асинхронного двигателя автотрансформаторный
В двигателях
мощностью более 50 кВт используются пускатели двигателей для снижения линейного тока с нескольких сотен до нескольких сотен процентов от тока полной нагрузки. Автотрансформатор, работающий в прерывистом режиме, может снизить напряжение статора на долю минуты в течение интервала пуска с последующим приложением полного линейного напряжения, как показано на рисунке выше.
Замыкание контактов S приводит к пониженному напряжению во время интервала запуска. Контакты S размыкаются, а контакты R замыкаются после запуска. Это снижает пусковой ток, скажем, до 200% от тока полной нагрузки. Поскольку автотрансформатор используется только в течение короткого интервала пуска, его размеры могут быть значительно меньше, чем у агрегата непрерывного режима.
Трехфазные двигатели, работающие от однофазной сети
Трехфазные двигатели будут работать от однофазных так же легко, как и однофазные двигатели.Единственная проблема для любого двигателя — запуск. Иногда 3-фазные двигатели приобретаются для использования на однофазных, если предполагается трехфазное питание.
Номинальная мощность должна быть на 50% больше, чем у сопоставимого однофазного двигателя, чтобы компенсировать одну неиспользуемую обмотку. Однофазное напряжение подается на пару обмоток одновременно с пусковым конденсатором, включенным последовательно с третьей обмоткой.
Пусковой выключатель размыкается на рисунке ниже при запуске двигателя. Иногда во время работы остается конденсатор меньшего размера, чем пусковой.
Пуск трехфазного двигателя от однофазного
Схема на приведенном выше рисунке для работы трехфазного двигателя от однофазного двигателя известна как статический преобразователь фазы , если вал двигателя не нагружен. Кроме того, двигатель работает как трехфазный генератор.
Трехфазное питание может быть отведено от трех обмоток статора для питания другого трехфазного оборудования. Конденсатор подает фазу синтетический примерно на полпути 90 ° между выводами однофазного источника питания 180 ° для запуска.
Во время работы двигатель генерирует приблизительно стандартные 3-φ, как показано выше. Мэтт Иссерштедт демонстрирует полную схему питания домашней механической мастерской.
Статический преобразователь фазы самозапускающийся. Рабочий конденсатор = 25-30 мкФ на HP. Взято из рисунка 7, Hanrahan
Поскольку статический преобразователь фазы не имеет нагрузки по крутящему моменту, он может быть запущен с конденсатором значительно меньшего размера, чем обычный пусковой конденсатор. Если он достаточно мал, его можно оставить в цепи в качестве рабочего конденсатора (см. Рисунок выше).
Однако меньшие рабочие конденсаторы обеспечивают лучшую выходную трехфазную мощность. Более того, регулировка этих конденсаторов для выравнивания токов, измеренных в трех фазах, позволяет получить наиболее эффективную машину. Однако для быстрого запуска преобразователя требуется большой пусковой конденсатор примерно на секунду. Ханрахан представляет детали конструкции.
Более эффективный статический преобразователь фазы. Пусковой конденсатор = 50-100 мкФ / л.с. Рабочие конденсаторы = 12-16 мкФ / л.Взято из рисунка 1, Hanrahan
Асинхронные двигатели с несколькими полями
Асинхронные двигатели
могут содержать несколько обмоток возбуждения, например, 4-полюсную и 8-полюсную обмотки, соответствующие синхронным скоростям 1800 и 900 об / мин. Подать питание на одно поле или другое менее сложно, чем перемонтировать катушки статора.
Несколько полей позволяют изменять скорость
Если поле сегментировано с выведенными выводами, его можно изменить (или переключить) с 4-полюсного на 2-полюсный, как показано выше для 2-фазного двигателя.Сегменты 22,5 ° переключаются на сегменты 45 °. Для наглядности выше показана только проводка для одной фазы.
Таким образом, наш асинхронный двигатель может работать на нескольких скоростях. При переключении вышеуказанного двигателя 60 Гц с 4 полюсов на 2 полюса синхронная скорость увеличивается с 1800 до 3600 об / мин.
Q: Если двигатель приводится в движение частотой 50 Гц, каковы будут соответствующие 4-полюсные и 2-полюсные синхронные скорости?
А:
N _с = 120f / P = 120 * 50/4 = 1500 об / мин (4-полюсный) N _с = 3000 об / мин (2-полюсный)
Асинхронные двигатели с переменным напряжением
Скорость малых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором для таких применений, как приводные вентиляторы, может быть изменена путем снижения сетевого напряжения. Это снижает крутящий момент, доступный для нагрузки, что снижает скорость (см. Рисунок ниже).
Регулятор переменного напряжения, скорость асинхронного двигателя
Электронный регулятор скорости в асинхронных двигателях
Современная полупроводниковая электроника расширяет возможности управления скоростью. Изменяя частоту сети 50 или 60 Гц на более высокие или более низкие значения, можно изменить синхронную скорость двигателя. Однако уменьшение частоты тока, подаваемого на двигатель, также снижает реактивное сопротивление X _L, что увеличивает ток статора.
Это может вызвать насыщение магнитной цепи статора с катастрофическими результатами. На практике напряжение на двигателе необходимо уменьшать при уменьшении частоты.
Электронный частотно-регулируемый привод
И наоборот, частота привода может быть увеличена для увеличения синхронной скорости двигателя. Однако необходимо увеличить напряжение, чтобы преодолеть увеличивающееся реактивное сопротивление, чтобы поддерживать ток на нормальном уровне и поддерживать крутящий момент.
Инвертор приближает синусоидальные волны к двигателю с помощью выходов с широтно-импульсной модуляцией. Это прерывистый сигнал, который может быть включен или выключен, высокий или низкий, процент времени «включения» соответствует мгновенному напряжению синусоидальной волны.
Когда электроника применяется для управления асинхронным двигателем, становится доступно множество методов управления, от простых до сложных:
Скалярное управление: Недорогой метод, описанный выше, для управления только напряжением и частотой без обратной связи.
Векторное управление: Также известно как векторное управление фазой. Компоненты тока статора, создающие магнитный поток и крутящий момент, измеряются или оцениваются в реальном времени для улучшения кривой крутящего момента двигателя. Это требует больших вычислений.
Прямое управление крутящим моментом: Продуманная адаптивная модель двигателя позволяет более прямое управление потоком и крутящим моментом без обратной связи. Этот метод быстро реагирует на изменения нагрузки.
Многофазные асинхронные двигатели Tesla Сводка
Многофазный асинхронный двигатель состоит из многофазной обмотки, встроенной в многослойный статор, и проводящей короткозамкнутой клетки, встроенной в многослойный ротор.
Трехфазные токи, протекающие внутри статора, создают вращающееся магнитное поле, которое индуцирует ток и, следовательно, магнитное поле в роторе. Крутящий момент ротора развивается, когда ротор немного проскальзывает за вращающимся полем статора.
В отличие от однофазных двигателей, многофазные асинхронные двигатели самозапускаются.
Пускатели двигателей минимизируют нагрузку на линию электропередачи, обеспечивая при этом больший пусковой крутящий момент, чем требуется во время работы. Пускатели для уменьшения линейного тока требуются только для больших двигателей.
Трехфазные двигатели при запуске будут работать от однофазных.
Статический преобразователь фазы — это трехфазный двигатель, работающий на одной фазе без нагрузки на вал, генерирующий 3-фазный выходной сигнал.
Несколько обмоток возбуждения можно перемонтировать для работы с несколькими дискретными скоростями двигателя, изменив количество полюсов.
Линейные асинхронные двигатели
Статор с обмоткой и короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя могут быть разрезаны по окружности и развернуты в линейный асинхронный двигатель.Направление линейного перемещения регулируется последовательностью привода фаз статора.
Линейный асинхронный двигатель был предложен в качестве привода высокоскоростных пассажирских поездов. До этого момента линейный асинхронный двигатель с соответствующей системой левитации магнитного отталкивания, необходимой для плавной езды, был слишком дорогим для всех, кроме экспериментальных установок.
Тем не менее, линейный асинхронный двигатель должен заменить катапульты с паровым приводом для запуска самолетов на морском авианосце CVNX-1 следующего поколения в 2013 году.Это повысит эффективность и сократит потребность в обслуживании.
СВЯЗАННЫЙ ТАБЛИЦА:
Лекция 1: Никола Тесла и изобретение двигателя переменного тока
Поиски скрытых способностей и новых возможностей двигателей
Среди моих публикаций есть книга под названием «Азбука моторов» (от Kodansha, японского издательства), хотя сейчас она больше не издается.В предисловии я написал о том, как начал писать эту книгу в каюте второго класса «Королевы Марии». Это был 1936 год, когда этот роскошный лайнер водоизмещением 81 000 тонн и пассажировместимостью 2 000 пассажиров отправился в свое первое плавание из Саутгемптона в Нью-Йорк. Я также написал о разговоре с организатором академической конференции в первоклассном номере, которым в прошлом пользовался премьер-министр Великобритании Уинстон Черчилль. Моя кабина второго класса тоже была просторной и приятной. Это произошло около двадцати пяти лет назад, в 1987 году, когда Queen Mary уже давно была выведена из эксплуатации и преобразована в отель в Лонг-Бич, Калифорния.
Многие редакторы на редакционной конференции Kodansha’s Blue Backs отрицательно отнеслись к публикации этой книги, поскольку считали, что книга о компактных двигателях не будет хорошо продаваться. На самом деле, однако, он прошел 20 тиражей и было продано почти 60 000 экземпляров. В то время в Японии развивалась технология компактных двигателей. После «Азбуки двигателей» я написал более подробную книгу о двигателях под названием «Все о компактных двигателях» (Gijutsu-Hyohron). Впервые он был опубликован в 2001 году.
Я написал несколько научных работ по конкретным вопросам, связанным с моторикой, но мое имя более известно широкой публике благодаря моим специализированным и общим вводным книгам, таким как приведенные выше. При написании этих книг я часто думал об истории развития моторики и потратил некоторое время на эту тему. Оглядываясь назад на историю, люди склонны описывать отдельные случаи, например, какой двигатель был произведен по какому принципу. Однако я также получаю удовольствие, рассматривая историю с несколько иной точки зрения. Во-первых, можно сказать, что новые двигатели часто изобретают, когда промышленность страны и уровень науки развиваются.
В 1765 году Ватт изобрел в Англии паровой двигатель, который также является разновидностью двигателя.Как теперь всем известно, это положило начало промышленной революции. Позже Карно (1824 г.) из Франции и лорд Кельвин (1851 г.) из Англии открыли важные законы термодинамики. Именно эти достижения в области термодинамики позволили роскошным лайнерам, работающим на угле, отправиться в трансатлантические рейсы.
В последние годы в Японии в 80-е годы произошло три заметных события. Первым было изобретение ультразвукового двигателя бегущей волны Тошиику Сашида. Второй — разработка жестких дисков для магнитной записи, которая стимулировала развитие технологий двигателей, используемых для вращения диска, и двигателей, используемых для управления магнитной головкой.Третий вариант связан с объединенными усилиями японской промышленности по борьбе с переносчиками болезней, который, как говорят, был предложен молодым немцем.
Подвижные устройства символизируют оживленность человеческой и экономической деятельности. Промышленность несет ответственность за постоянное совершенствование и обновление этой технологии. Когда я писал «Азбуку моторов» в 1987 году, меня несколько тревожило очевидное отсутствие интереса к образованию в области моторики на университетском уровне. В наши дни я думаю иначе. Я считаю, что студенты университетов должны посвятить себя изучению таких основ, как математика, физика, химия и т. Д., так как эти области трудно изучить позже в жизни. Однако, поскольку количество учебных часов и качество курсов в японских университетах за последние 30 лет падают, высоко мотивированным молодым людям придется приложить согласованные усилия для преодоления существующей среды. Я считаю, что после того, как они присоединятся к компании, им следует заняться изучением практических предметов, от базового до более продвинутого. При этом базовые знания и образ мышления, полученные в колледже, принесут результаты.
Величие Никола Тесла
На днях мне довелось встретиться и поговорить с г-ном Хаттори, исполнительным директором Nidec, который руководил продажами Nidec с момента основания компании. Он сказал, что величайшим изобретателем в истории развития двигателей должен быть Тесла. Что ж, должно быть, он прав.
Я коснусь Теслы.
Однажды я прочитал биографическую статью о Тесле, написанную доктором Сакаэ Ямамура, бывшим профессором Токийского университета, который опубликовал ее в GAKUSHIKAIHO (журнал общества выпускников университетов).Профессор Ямамура считался ведущим японским ученым в области двигателей. Я встретил его на частной вечеринке, где гости отведали блюда японской кухни в честь публикации его книги британским издателем. На вечеринке он сказал: «Кенджо-сан, я не буду писать учебник, как ты».
В своей книге он предложил теорию спирального вектора, в основном предназначенную для специалистов по двигателям, которая имеет отношение к вращающемуся магнитному полю Теслы. В любом случае, мне очень интересна его биография Tesla.Но что меня поразило, так это автобиография Теслы [1], которая передает энергию и рвение человека, который любой ценой хотел стать изобретателем. Моя колонка представляет собой очень сокращенную биографию Теслы.
Похоже, что Тесла был способен запоминать целые книги. Что интересно, так это история о том, как Тесла натолкнулся на идею асинхронного двигателя, когда он читал стих из «Закатной речи» из Фауста Гете, прогуливаясь с другом по парку Будапешта. Это было в 1882 году.Давайте теперь представим, на что была похожа эта идея.
В духе двигателя Gramme
Рис. 1 Двигатель Gramme
Двигатель / генератор Gramme, который Тесла увидел во время учебы в Технологическом институте Граца, имел конструкцию, подобную показанной на рис. Статор состоял из подковообразного магнита, а ротор — кольцевого якоря. Чтобы использовать его в качестве двигателя, через щетки на якорь подают электрический ток. При вращении ротора возникает сильная искра, когда щетка теряет контакт с обмоткой на стороне кольца.Искра возникает, пока используется механический механизм переключения. Хотя ведущие ученые того времени пытались сконструировать двигатель постоянного тока без механического контакта, они пришли к выводу, что это невозможно и похоже на создание вечного двигателя. Некоторые изобретатели и сегодня пытаются решить эту проблему.
Тесла придумал идею использования переменного тока, но это далось нелегко. Идея, к которой он пришел, находясь в Будапеште, вероятно, имела конструкцию поперечного сечения, подобную той, что показана на рис.2. Устройство для создания магнитного поля, необходимого для создания крутящего момента, называется обмоткой возбуждения, из которой двигатель постоянного тока имеет единственный комплект. Двигатель, показанный на рис. 2, состоит из двух комплектов: красного и синего цветов. В красный набор подается синусоидальный ток, который изменяется в зависимости от функции косинуса, а в синий набор — ток, который изменяется в соответствии с функцией синуса, как показано на рисунке 3. Затем магнитное поле, проходящее через цилиндрический ротор, вращается. Я могу только представить себе, как Тесла видит в уме ротор с его вращающимся магнитным полем на фоне заходящего солнца в Будапеште.
Рис. 2 Принцип двухфазного двигателя переменного тока, который может быть разработан Tesla
. Это принцип создания вращающегося магнитного поля без перемещения электромагнита. В то время уже было известно, что при перемещении магнита металл, такой как медь, будет двигаться из-за магнитной силы, или, в случае ротора с обмоткой, электрический ток будет течь в соответствии с законом Фарадея. Если вращающееся магнитное поле могло быть создано по принципу, разработанному Теслой, это означало изобретение двигателя нового типа.Он в частном порядке построил прототип асинхронного двигателя и успешно запустил его в Страсбурге в 1883 году, но не смог вызвать достаточного интереса.
Эпохальное изобретение Теслы было использовано на практике после того, как он переехал в Соединенные Штаты. Впоследствии усилия по усовершенствованию конструкции были предприняты учеными и инженерами по всему миру, что привело к появлению статора с распределенной обмоткой и короткозамкнутого ротора, распространенных сегодня и показанных на рис.4.
Рис. 3 Вращающееся магнитное поле создается в центре двигателя, когда два набора электромагнитов соответственно питаются переменными токами, выражаемыми функциями косинуса и синуса.Когда проводник или короткозамкнутая обмотка помещается в центре двигателя, он будет вращаться, притягиваясь вращающимся полем из-за электромагнитной индукции. Рис. 4 Статор с типовой компактной трехфазной обмоткой переменного тока (распределенная обмотка) и короткозамкнутым ротором. Обмотки с короткими концами катушки, такие как показанная здесь, в настоящее время встречаются редко, так как сегодня процесс намотки осуществляется механически.
Решение проблем для создания новых идей
Во время короткой поездки в Будапешт я посетил квартиру, где когда-то жил знаменитый пианист и композитор Лист. Затем я подумал, могла ли квартира Теслы, в которой он пережил нервный срыв, быть такой же, как эта, и представил, что парк, в котором я гулял у Дуная, мог быть тем местом, где Тесла был поражен откровением. Ко мне не пришло вдохновение, и меня осенило, что я был обычным человеком.
Когда я узнал о принципе работы двигателя, основанного на вращающемся магнитном поле, создаваемом путем подачи переменного тока к двум наборам обмоток, когда я был еще студентом университета, я был впечатлен изобретателем, который придумал эту идею.Но это было описание из учебника, в котором изобретение объяснялось в простой для понимания манере, после того как Тесла изобрел его много лет назад. (Возможно, именно поэтому доктор Ямамура заявил, что ему неинтересно писать учебники!) Понимать идею, ранее задуманную кем-то, и изобретать что-то после мучений через длительный период проб и ошибок — это очень разные вещи, что легко сказать, но трудно по-настоящему узнать.
Я должен объяснить предысторию придуманной мной схемы, показанной на рис. 2 После возвращения из поездки в Будапешт я потратил почти пять лет на подготовку книги по двигателям постоянного тока, изучая старые документы, создавая прототипы, проводя эксперименты и обсуждая проблемы с различными экспертами. Три года спустя, когда я готовил учебные материалы для новичков, которые надеются стать специалистами по двигателям, я изучал структурную связь между двигателем постоянного и переменного тока (которая не встречается в учебниках). Именно тогда я понял, что, должно быть, придумал Тесла.Я бегло просмотрел автобиографию Теслы [1], когда впервые прочитал ее, не уделяя должного внимания. Недавно я смог просмотреть его автобиографию еще раз и нашел на ней фотографию, которая, кажется, подтверждает, что конструкция, которую он задумал в Будапеште действительно было что-то вроде того, что изображено на рис.2.
Я думаю, что в будущем Японии действительно нужны не студенты-отличники или отличники, а люди, которые готовы решать сложные проблемы, как это сделал Никола Тесла, с целью сделать новые открытия.