Индуктивно-емкостные электромеханические преобразователи

В индуктивных ЭП концентрация и преобразование энергии происходят в магнитном поле, а в емкостных — в электрическом поле. В индуктивно-емкостных ЭП концентрация и преобразование энергии происходят в электромагнитном поле.

Рис. 8.4. Схема индуктивноемкостного электромеханического преобразователя.

Индуктивно-емкостный ЭП можно получить, если совместить в одном агрегате индуктивную и емкостную электрическую машину. Примером индуктивно-емкостного ЭП является машина, показанная на рис. 8.4. Простейшая индуктивная машина L соединена механически и имеет общую электрическую цепь с емкостной электрической машиной С.

Индуктивная машина состоит из катушки 1, возбуждаемой постоянным током, и подвижного сердечника 2, соединенного с коромыслом 3. При движении сердечника изменяется индуктивность катушки и в цепи нагрузки, состоящей из нагрузочного сопротивления z," катушки 1 и конденсатора переменной емкости 4, протекает переменный ток.

Емкостная машина представляет собой конденсатор, емкость которого изменяется за счет того, что между обкладками перемещается диэлектрик 5 с большой диэлектрической постоянной в. При изменении емкости С изменяется.

dq

ток в электрической цепи i = —г, где q — заряд цепи. При на;

Ш 1 1.

стройке обеих машин в резонанс, когда со₀ ~ у= и со1₀ =.

имеет место электромеханический резонанс. При этом частоты механических и электрических колебаний равны друг другу. При резонансе энергетические характеристики машины наилучшие. Для создания магнитного и электрического полей в этой машине не требуется реактивная мощность от постороннего источника, при резонансе происходит обмен реактивной мощностью между индуктивной и емкостной машинами. В зависимости от характера нагрузки следует учитывать и реактивную мощность нагрузки. Индуктивно-емкостный электромеханический преобразователь, как и все электрические машины, обратим: он может работать в режиме генератора и двигателя. В генераторном режиме к коромыслу прикладывается механическая мощность Р_мсх, а в нагрузке выделяется электрическая мощность (где /_н — ток в нагрузке, R_H — активное сопротивление нагрузки). Подводя электрическую мощность к выводам г," с коромысла 3 снимаем механическую мощность.

Индуктивно-емкостный ЭП можно создать, используя магнитострикционный и пьезоэлектрический эффекты.

Явление магнитострикации связано с изменением формы и размеров ферромагнетика при его намагничивании. При механических воздействиях на ферромагнетик возникает намагниченность. Пьезоэффект связан с возникновением электрических зарядов при механических воздействиях на кристаллы. Существует обратный пьезоэлектрический эффект, когда под действием электрического поля происходит изменение линейных размеров кристаллов.

На рис. 8.5 дана схема индуктивно-емкостного ЭП, который состоит из магиитострикционной 1 и пьезоэлектрической 2 частей, которые укреплены на недеформирусмой опоре. Материалами с наилучшими пьезосвойствамя являмагнитное поле, воздействующее на магнитострикционную часть. Настраивая в резонанс электрическую цепь и механические колебания, можно получить индуктивно-емкостный ЭП колебательного движения с высокими энергетическими показателями. Соединяя последовательно десятки и сотни кристаллов, можно создать ЭП возвратно-поступательного движения с точными перемещениями в трехмерном пространстве. Такой ЭП способен работать в двигательном и генераторном режимах и может найти применение в робототехнике. Хотя рассмотренные ЭП не имеют сходства с обычными электрическими машинами, они подчиняются законам электромеханики и процессы преобразования энергии в этих машинах подчиняются уравнениям электромеханического преобразования энергии.

ются твердый раствор цирконатотитаната свинца, титанат бария, ссгнетова соль и др. В качестве магнитострикционного материала используются пермендюр, чистый никель, твердый раст вор цирконатотитаната свинца и др.

При механическом воздействии на пьезокристалл на его гранях возникает ЭДС и в электрической цепи протекает ток, который создает.

Рис. 8.5. Индуктивно-емкостный электромеханический преобразователь с магнитострикционной.

и пьезоэлектрической частями Математическое описание процессов преобразования энергии в индуктивно-емкостных ЭП состоит из системы уравнений индуктивной и емкостной машин, которые в символической форме могут быть записаны в следующем виде:

где U/, i_L — соответственно субматрицы напряжений и токов индуктивной машины; i_c, u_c — субматрицы токов и напряжений емкостной электрической машины; Z_L — матрица сопротивлений индуктивной машины; Z_c — матрица сопротивлений емкостной машины; M_:mL, М_эмС — электромагнитные моменты индуктивной и емкостной машин; I^s, Г — токи в статоре и роторе индуктивной машины; U^s, U' — напряжения в неподвижной и перемещающейся частях емкостной машины.

Субматрицы напряжений и токов и матрицы сопротивлений индуктивной и емкостной машин могут иметь все видоизменения, рассматриваемые в теории индуктивных машин. Уравнения момента (8.11) могут иметь также все видоизменения.

Система уравнений (8.10), (8.11) описывает поведение индуктивно-емкостных ЭП в переходных и установившихся режимах. При нелинейной связи между индуктивной и емкостной машинами в уравнениях (8.10) вместо нулей появляются взаимные связи Z _1с и Z_Cl, учитывающие влияние одной машины на другую.

Индуктивно-емкостные ЭП еще не нашли технических применений. Однако наличие математического описания процессов преобразования энергии в таких машинах, богатый опыт создания и применения индуктивных машин позволяют рассчитывать на то, что в недалеком будущем новые электрические машины найдут оригинальные применения.

При дальнейшем развитии теории электрических машин, по-видимому, удастся глубоко исследовать уравнения индуктивно-емкостных машин и с них начинать изучение электрических машин как с наиболее общих уравнений, из которых в частном случае получаются уравнения индуктивных и емкостных электрических машин.