Классификация электромеханических преобразователей

Электромеханические преобразователи (ЭМП) можно разделить на три класса: индуктивные (L-типа), в которых рабочим полем является магнитное поле; емкостные (С-типа), в которых преобразование электрической энергии в механическую и обратно осуществляется электрических полем; и индуктивно-емкостные ЭМП, в которых электромеханическое преобразование осуществляется магнитным и электрическим полями.

Классы ЭМП показаны на рис. 5.1.1.

Рис. 5.1.1. Классы электромеханических преобразователей

В индуктивных ЭМП электромеханическое преобразование энергии происходит за счет изменения индуктивности (потокосцеплений) обмоток, а в емкостных ЭМП – за счет изменения емкости.

В индуктивно-емкостных машинах рабочий процесс осуществляется за счет изменения индуктивности и емкости в соответствующих ЭМП, объединенных в одну электромеханическую систему движущихся частей и электрических цепей.

Емкостные ЭМП

В емкостных ЭМП концентрация энергии и электромеханическое преобразование энергии происходят в электрическом поле. Хотя емкостные электрические машины появились значительно раньше индуктивных, до сих пор они как силовые ЭМП практически не применяются. Одной из причин этого является копирование индуктивных ЭМП, которые при вращательном движении нельзя заменить емкостными. Перспективными областями применения емкостных ЭМП являются ЭМП с возвратно-поступательным движением. Определить силу притяжения Fx такого преобразователя можно из выражения, характеризующего изменение энергии электрического поля:

.

Сила притяжения к площади dS:

FdS= - fdS,

где f – единичная сила.

Работа, обусловленная этой силой, равна fdSdl, где dl – бесконечно малое перемещение, вызванное движением проводника. Произведение dl на dS есть элементарный объем и работа есть , поэтому

W = 0,5 ED,

то есть в любой точке поверхности плотность механических сил равна объемной плотности энергии в этой же точке.

Чтобы создать емкостную электрическую машину, надо сконцентрировать энергию электрического поля. Если сконцентрировать энергию электрического поля в вакууме или воздухе, то степень концентрации энергии будет значительно ниже концентрации энергии магнитного поля и создать электрическую емкостную машину, спо-собную конкурировать с индуктивной машиной, не удастся.

В индуктивных ЭМП энергия магнитного поля концентрируется в воздушном зазоре за счет наличия стального магнитопровода. В емкостных ЭМП из-за низкого пробивного напряжения воздуха (около 30 кВ·см^-1) объемные силы и удельная мощность получаются весьма небольшими, примерно в 10⁴раз меньше, чем у индуктивного ЭМП. Поэтому энергию электрического поля пытались сосредоточить в диэлектриках. Академик А. Ф. Иоффе использовал для этой цели керосин (ε = 2). При заполнении зазора сжатым газом напряженность электрического поля может достигать 600 кВ·см^-1. Еще большие возможности имеются при применении твердых диэлектриков и сегнетодиэлектриков. Кристаллы титанаты бария, дигидрофосфата калия имеют ε = 9·10³... 10⁵. Если в индуктивных ЭМП энергия магнитного поля сосредоточена в зазоре, то в емкостных ЭМП она должна концентрироваться в жидких или твердых диэлектриках. Так как в ЭМП должны быть перемещающиеся относительно друг друга части, то в конструкциях емкостных ЭМП предусматривают наличие механических зазоров либо применяют в качестве ротора жидкие диэлектрики.

Наиболее известными емкостными ЭМП в настоящее время явля-ются параметрические и пьезокерамические.

Принцип работы параметрических емкостных ЭМП основан на периодическом изменении емкости при постоянном напряжении возбуждения.

Один из примеров применения параметрического емкостного ЭМП – волновой емкостный генератор, использующий энергию прибоя (рис. 5.2.1). Попытки преобразовать хаотическое движение волн в электри-ческую энергию с помощью механических устройств и обычных электри-ческих машин пока не позволили получить приемлемых инженерных решений.

Емкостный генератор состоит из металлического стержня 1, покрытого слоем диэлектрика 2 с большим ε. Стержень укреплен на фундаменте 3. В генераторе одной обкладкой конденсатора является стержень 1, а другой – поверхность моря. При возникновении волн изменяется емкость устройства (волна то закрывает стержень, то обнажает его), при постоянном Uв изменяется заряд конденсатора, и в режиме нагрузки Uн проходит переменный ток . Соединяя параллельно множество таких стержней и выпрямляя ток, можно на выходе получить достаточную мощность.

Рис. 5.2.1. Схема волнового емкостного генератора

Другим примером емкостной машины может служить ЭМП, использующий пьезоэффект. При механических воздействиях на кристаллы кварца, титаната бария, сегнетовой соли на их гранях возникают электрические заряды противоположных знаков, это явление называют пьезоэффектом. При воздействии на кристалл электрического поля возникают механические деформации. Это явление называют обратным пьезоэффектом.

Пьезокерамические ЭМП могут использоваться как генераторы для получения высоких напряжений и как двигатели для получения линейных перемещений. Хотя перемещения эти в одном кристалле ничтожны, соединяя кристаллы последовательно, можно получить точные высокочастотные перемещения рабочих органов. Пьезокерамические ЭМП в качестве генераторов пытаются использовать в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

К числу областей, где применение емкостных ЭМП возвратно-поступательного движения в режиме генератора окажется целесообраз-ным, относятся:

· питание различной аппаратуры, работающей на постоянном токе высокого напряжения: электрофильтров, рентгеновских установок, специальных радиотехнических средств, электронных микроскопов, установок для окраски в электрическом поле;

· испытание постоянным током высокого напряжения кабелей, изоляторов и другой высоковольтной аппаратуры;

· питание различных импульсных установок, в которых импульс создается путем зарядки и разрядки конденсатора;

· передача энергии на постоянном токе высокого напряжения.

В космических полетах эти генераторы могут найти применение в качестве источников высокого напряжения для электрических приводов. Отсутствие стального магнитопровода в емкостной машине не только уменьшает ее вес и размеры, но и позволяет использовать ее при высоких температурах, когда применение индуктивных машин становится невозможным из-за ухудшения магнитных свойств стали. Допустимая температура емкостных машин определяется только используемыми в ней диэлектриками. Анализ рабочих процессов емкостных машин показывает, что создание машин большой удельной мощности и высоким значением КПД вполне осуществимо при современном уровне развития техники.

Один из примеров удачного применения емкостных ЭМП – ионный двигатель (рис. 5.2.2). В этом двигателе в электрическом поле происходит ускорение заряженных частиц (υ2 > υ1). Вследствие изменения кинетической энергии конденсатор, выполненный в виде сопла, перемещается вместе с бортом, на котором установлен ионный двигатель. Возможность иметь большие скорости истечения (свыше скорости звука) и сильные электрические поля позволяет строить малогабаритные двигатели.

Рис. 5.2.2. Схема ионного двигателя

Емкостные электромеханические преобразователи с электрическим рабочем полем занимают ведущее место в целевой природе в качестве различных биодвигателей.

Отрицательные и положительные заряды образуются в живой клетке за счет переваривания пищи; в начале внутри клетки их примерно одинаковое количество и они компенсируют друг друга. Затем часть ионов проникает через мембрану и снаружи положительных зарядов становится больше, чем внутри клетки. Таким образом, на мембране возникает разность потенциалов. В основе появления биопотенциалов лежат свойства клеточных мембран, которые могут пропускать положительные ионы, но не пропускать анионы. На мембране возникает нернстовский потенциал. Явление возникновения потенциала на мембране было опубликовано В. Нернстом в 1889 г.

Некоторые виды одиночных клеток обладают потенциалом покоя до 60 мВ, а при возбуждении потенциал их увеличивается вдвое. Клетки могут соединяться последовательно, параллельно и смешанно. У электрического угря последовательно соединяются более 6000 клеток; он способен создавать напряжение 800...900 В.

Электрический скат может генерировать напряжение до 50 В. У него смешанные соединения клеток. Электрический скат или электрический угорь при разрядах развивают значительную мощность до 6 кВт в импульсе продолжительностью 2...3 мс. Электрические органы меньшей мощности у рыб используются для ориентации и генерируют непрерывно электрические сигналы с частотой 300 Гц.

Использование ЭМП емкостного типа в биологии имеет большие перспективы. Следуем отметить, что еще Л. Гальвани занимался изучением движения мышц и животным электричеством еще более 250 лет назад, однако электромеханика до сих пор глубоко не проникла в электробиологию.

Индуктивные ЭМП

В индуктивных ЭМП концентрация и преобразование энергии происходят в магнитном поле за счет изменения индуктивностей (потокосцеплений), токов и напряжений.

Простейший индуктивный ЭМП состоит из катушки, возбуждаемой постоянным током, и подвижного ферромагнитного сердечника (якоря), совершающего возвратно-поступательное движение. Это, по существу, линейный индуктивный ЭМП.

Рассмотрим энергетический баланс в этом ЭМП при ненасыщенном магнитопроводе. При подключении обмотки линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД) к источнику постоянного напряжения U для случая движущегося якоря можно записать:

, (5.1)

где Ψ – потокосцепление,

Ψ = Li, (5.2)

r – активное сопротивление обмотки; i – ток; L – индуктивность, L =ƒ(δ) – индуктивность есть функция только перемещения δ.

С учетом (5.2) уравнение (5.1) примет вид:

. (5.3)

Выражение (5.3) можно представить в виде:

, (5.4)

где – скорость перемещения якоря ЭМП.

Умножая обе части (5.4.) на ток i, получим уравнение баланса мощности ЭМП.

. (5.5)

С другой стороны, уравнение (5.5) можно записать в виде:

P_с = P_r + P_м + Р_{L ,} (5.6)

где P_с = ui – потребляемая ЭМП мощность источника электроэнергии; P_r = i²r – мощность потерь в обмотке ЭМП; P_м = F_эV – мощность, расходуемая на совершение механической работы; F_э – электромагнитная сила; Р_L – мощность, расходуемая на создание запаса магнитной энергии ЭМП.

С учетом (5.6) уравнение (5.5) примет вид:

Ui = i²r + Р_L + F_эV. (5.7)

Из (5.5) и (5.7) следует:

P_м + Р_L = F_эV + Р_L = . (5.8)

Выражение (5.8) можно представить в виде:

P_м + Р_L = . (5.9)

Анализ (5.9) показывает, что P_м = , так как F_э = .

Тогда Р_L = . (5.10)

Из (5.10) видно, что только половина мощности, потребляемая ЭМП от источника электроэнергии и связанная с перемещением якоря, расходуется на совершение механической работы, а вторая половина этой мощности идет на увеличение магнитной энергии.

Электротехническая промышленность выпускает только индуктив-ные ЭМП, получившие название электрических машин. Преимущественное движение подвижных частей таких машин – вращательное. Теория индуктивных машин вращательного движения доведена до высокого уровня. Конструкции таких машин настолько совершенны, что с трудом поддаются улучшению.

Индуктивные ЭМП вращательного движения относятся к непрерывным системам в отличие от дискретных ЭМП, в которых преобразование энергии осуществляется за счет импульсов электромагнитной мощности. Дискретные ЭМП получили большое развитие в связи с внедрением шаговых и линейных двигателей, преобразующих импульсы напряжения в угловые и линейные перемещения, и созданием ударных генераторов для питания электрофизических установок мощными импульсами тока.

Теория и конструкция дискретных ЭМП далеки от совершенства и поэтому имеют перспективы для дальнейшего развития.

В отличие от дискретных ЭМП, ЭМП вращательного движения имеют высокие технико-экономические показатели благодаря электромеханическому резонансу, т. е. такому конструктивному исполнению, когда в воздушном зазоре ЭМП образуется стоячая волна и отсутствуют отраженные волны. В индуктивных ЭМП энергия магнитного поля концентрируется в воздушном зазоре за счет наличия стального магнитопровода.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: