Преобразователи энергии (стр. 3 )

Рис. 4.3.1. Конструкции термоэлементов: 1– металлическийй корпус;

2 – преобразующий элемент; 3 – электроды

Термоэлемент состоит из массивного металлического корпуса (теплонакопителя) 1, служащего для передачи тепла теплоносителя преобразующему элементу, поддержания преобразующего элемента в рабочем тепловом режиме во время скачков его температуры, сопровождающих процесс генерации, а также для защиты преобразующего элемента от внешних воздействий, преобразующего элемента 2 из монокристаллического либо поликристаллического SmS, легированного донорными примесями, металлических электродов 3.

Основные параметры термоэлементов:

·  рабочие температуры: +130–500 оС;

·  средний КПД в рабочем интервале температур ~ 40 %;

·  генерируемое напряжение постоянное: 0,5–1,5 В;

·  внутреннее электросопротивление: 0,1–1 Ом;

·  вес около 10 г.

4.4. Магнитотепловые преобразователи

В магнитотепловых преобразователях используется явление изменения ферромагнитными телами магнитных свойств при нагревании и последующем охлаждении.

Схема получения электрической энергии в магнитотепловом и термомагнитном генераторах представлена на рис. 4.4.1.

Источник тепла		Магнитотепловой или термомагнитный преобразователь		Охладитель

Рис. 4.4.1. Схема преобразования тепла в электрическую энергию в магнитотепловом и термомагнитном генераторах

В магнитотепловом генераторе используется изменение намагни-ченности ферромагнитных тел в широких пределах при их нагревании вплоть до перехода в парамагнитное состояние при достижении температуры Кюри.

Простая конструкция генератора – это индукционная катушка с ферромагнитным сердечником, который периодически подвергается нагреву и охлаждению. При этом будет изменяться его магнитный поток и в катушке будет индуктироваться ЭДС. Существуют различные конструкции магнитотепловых генераторов, в которых обмотка намотана на постоянный магнит, а нагреванию и охлаждению подвергается шунт из магнитно-мягкого материала, расположенного в зазоре постоянного магнита (рис. 4.4.2), или аналогичная конструкция, но обмотка намотана на шунт, и т. п.

Рис. 4.4.2. Схема магнитотеплового генератора: 1 – обмотка; 2 – постоянный магнит; 3 – магнитный шунт

При экспериментальных исследованиях было определено, что максимальный КПД такого типа генераторов не превышает 0,55 КПД цикла Карно, а удельная мощность на единицу массы – около 7 Вт/кг. Однако из-за отсутствия общепризнанной теории магнитотепловых генераторов эти цифры считаются приближенными.

Конструкция простейшего магнитотеплового двигателя представлена на рис. 4.4.3. Статор 1 – постоянный магнит, ротор 2 имеет форму диска. Источник тепла нагревает ферромагнитный ротор в зоне 3, близкой к магнитам. Ротор выполнен из чувствительного материала, магнитная проводимость которого изменяется с повышением температуры. Зона ротора за полюсами подвергается охлаждению. Из-за этого имеет место разница температур входящих и выходящих из-под полюсов частей ротора.

Рис. 4.4.3. Схема магнитотеплового двигателя: 1 – статор (постоянный магнит);

2 – ротор из термочувствительного материала;

3 – участок ротора, нагретый до температуры Кюри

Когда температура нагретого участка достигает точки Кюри, магнит-ная проницаемость этого участка резко уменьшается и в магнитное поле будет втянут холодный участок с высокой магнитной проводимостью. Ротор придет во вращение в сторону прогрева. Чтобы изменить направление вращения, необходимо переместить источник тепла, т. е. прогреть ротор с другой стороны магнитного полюса.

Сила, действующая на единичное поперечное сечение ферромагнит-ного диска, будет пропорциональна разности намагниченностей холодного (J1) и нагретого до точки Кюри (J2) участков ротора:

.

Рабочие элементы магнитотепловых двигателей, подвергаемые нагреву, располагаются у одного типа двигателя в роторе, у другого – в статоре, у третьего – это магнитный шунт, расположенный между полюсами электромагнита.

Рабочие элементы изготавливаются из магнито-твердых и магнито-мягких материалов. В жидкостном магнитотепловом двигателе перемещается поступательно проводящая жидкость во взвешенном состоянии. Для шунтов используются переходные элементы типа гадолиния, тулия или их соединенные сплавы.

Источником энергии может быть солнечная энергия, термальные воды, предварительно нагретая жидкость или газообразная масса, электронагрев, лучистая энергия нагретых тел и т. д.

Для того чтобы нагретый до точки Кюри элемент вновь приобрел первоначальные магнитные свойства, его охлаждают естественным воздушным или искусственным путем. Это краткий обзор компоновочных решений.

4.5. Термомагнитные преобразователи

В основе термомагнитного способа получения электрической энергии лежит эффект Нериста. Он заключается в том, что при протекании теплового потока на пластине, помещенной в электромагнитное поле, перпендикулярное ее плоскости, на краях пластины протекает ЭДС (рис. 4.5.1).

,

где Q – постоянная Нериста, является материальной константой вещества; b – ширина пластины; – градиент температуры, создаваемый тепловым потоком; J – намагниченность.

Рис. 4.5.1. Схема термомагнитного генератора: 1 – обмотка;

2 – постоянный магнит; 3 – магнитный шунт

Термомагнитный генератор работает более экономично, если применяемый материал обладает собственной проводимостью. В этом случае на горячем конце блока из полупроводника генерируются пары электрон – дырка и устремляются к холодному концу. Магнитное поле отклоняет поток электронов и дырок на противоположные грани блока и на одной из них накладывается положительный заряд, на другой – отрицательный.

Эффективность преобразования тепла в электрическую энергию тем выше, чем выше у используемого материала термомагнитный показатель добротности.

,

где Н – напряженность магнитного поля; – электропроводность; – теплопроводность.

Из этого выражения следуют основные требования к материалу для термомагнитных генераторов: больший коэффициент Нериста, малый коэффициент теплопроводности, малое сопротивление, которое не должно сильно увеличиваться при наложении сильного магнитного поля. Этим требованиям наиболее всего удовлетворяют полупроводники с узкой запрещенной зоной и материалы с перекрытием зон – полуметаллы.

4.6. Тепловые двигатели

Турбинами (от латинского слова turbo – вихрь, вращение) называют тепловой двигатель, в котором кинетическая и потенциальная энергии потока рабочего тела преобразуются в механическую энергию вращения вала. В зависимости от типа рабочего тела турбины разделяют на паровые, газовые и гидравлические. В паровых турбинах рабочим телом, как правило, служит водяной пар. Паровая турбина является одним из основных элементов тепловой (ТЭС) и атомной (АЭС) электрических станций. Тепловые электрические станции, предназначенные для производства электроэнергии, называют конденсационными электростанциями (КЭС). Если на ТЭС водяной пар используется не только для выработки электроэнергии, но и для теплоснабжения, такую электростанцию называют теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Преобразование тепловой энергии в электрическую на ТЭС происходит в паротурбинной установке (ПТУ), основными элементами которой являются котел, турбина, конденсатор и электрический генератор.

Разнообразие тепловых двигателей в соответствии с выполняемыми ими функциями очень велико. Их можно разделить на два больших класса – стационарные и транспортные.

Стационарная энергетика, задачей которой является производство электроэнергии, базируется практически исключительно на установках с паровыми турбинами. В малом масштабе на так называемых пиковых электростанциях используются газовые турбины. В качестве топлива для электростанций используются все виды органического топлива (уголь, газ, мазут), ядерное топливо, возобновляемые источники тепла (геотермальная энергия, Солнце, ветер, энергия приливов и т. д.). Часто тепловым двигателем на электростанции называют собственную паровую турбину. Наиболее правильно считать тепловым двигателем всю паросило-вую установку, включающую турбину лишь как один из элементов.

Упрощенная схема паросиловой установки представлена на рис. 4.6.1. По такой же схеме работают и современные атомные электростанции, на которых функцию котла выполняет ядерный реактор, он передает теплоту воде и пару либо непосредственно, либо через промежуточный теплоноситель. Рабочим телом в паросиловой установке обычно служит вода.

Общим для всех паросиловых установок является то, что они работают по циклу Ренкина, т. е. по циклу, в котором рабочее тепло при высоких температурах является паром и в виде пара совершает работу в турбинах, а при низких температурах – жидкостью. Поскольку жидкость практически не сжимаема, то насос 4, служащий для подъема давления и циркуляции рабочего тела, потребляет относительно мало работы, что является большим преимуществом цикла Ренкина.

Рис. 4.6.1. Упрощенная схема паросиловой установки: 1 – котел;

2 – паровая турбина; 3 – конденсатор; 4 – насос

Термический КПД цикла, преобразующего теплоту в работу, тем выше, чем выше температура, при которой подводится теплота Q1, и чем ниже температура, при которой отводится теплота Q2. В современных паротурбинных установках, применяемых на электростанциях, наивысшая температура водяного пара, которую он приобретает в котле, составляет 830 К. Эта температура существенно ниже, чем температура сгорания в топке котла. Однако дальнейшее повышение начальной температуры пара требует применения более дорогих и качественных сталей, усложняет конструкцию турбины, делает всю установку более дорогой и менее надежной.

Пар, поступающий в турбину, имеет более высокое давление. Для крупных турбинных установок начальное давление составляет 16 или 24 МПа. В турбине пар расширяется, за счет чего паровая струя приобретает большую кинетическую энергию. Эта энергия при прохождении пара по криволинейным каналам, образованным рабочими лопатками турбины, превращается в энергию вращения ротора турбины. Пар в турбине расширяется до температуры около 300 К и давления около 4 кПа. Сама турбина является достаточно совершенной машиной. В ней превращается в работу 80 % и даже более работы потока пара. Далее пар поступает в конденсатор, где за счет отдачи теплоты охлаждающей воде конденсируется. Так как по условиям охлаждения окружающей среды охлаждающую воду, которая срабатывается в естественные водоемы, нельзя нагреть более чем на несколько градусов, то необходимое количество охлаждающей воды оказывается чрезвычайно большим. Кроме того, увеличение количества циркулирующей воды позволяет при одной и той же температуре снизить температуру Т2, а значит, повысить КПД установки. В результате технико-экономической оптимизации на тепловых электростанциях обычно на каждый килограмм циркулирующего в установке пара в конденсатор попадает 50–60 кг охлаждающей воды. Это означает, что, например, через конденсатор электростанции мощностью 1000000 кВт необходимо прокачивать около 250000 т воды в час.

Эффективный КПД лучшей тепловой электростанции составляет 40–42 %. Этот КПД обычно представляют как произведение ряда отдельных КПД, характеризующих совершенство используемого термодинамичес-кого цикла и отдельных элементов схемы:

,

где – эффективный КПД; – КПД котла; – термический КПД цикла; – внутренний относительный КПД турбины; – механический КПД турбины; – КПД электрогенератора.

Значение каждого из этих КПД позволяет выяснить пути и средства, с помощью которых можно добиться общей эффективности электро-станции.

В транспортной энергетике, особенно в авиации, большое применение находят газотурбинные установки, работающие по циклу Брайтона. Простейшая схема такой установки изображена на рис. 4.6.2. Компрессор 1 засасывает атмосферный воздух и повышает его давление. Сжатый воздух подается в камеру сгорания 2, куда топливным насосом 4 подается жидкое топливо. Продукты сгорания с высоким давлением и температурой (1100–1200 К) поступают в газовую турбину 3, где, расширяясь, совершают работу, частично затрачиваемую на привод компрессора – Lк, а частично отдаваемую вовне – L. После турбины продукты сгорания выбрасываются в атмосферу с давлением, близким к атмосферному. По той же схеме, но несколько усложненной, работают газовые турбины пиковых электростанций.

Рис. 4.6.2. Упрощенная схема газотурбинной установки: 1 – компрессор;

2 – камера сгорания; 3 – газовая турбина

Термический КПД простейшего типа Брайтона определяется формулой:

,

где представляет собой отношение на выходе из компрессора к давлению на входе; к – показатель характеристики адиабаты.

Автомобильные двигатели также являются тепловыми двигателями поршневого типа. Большинство из них называются двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающими по циклам Отто и Дизеля. В двигателях внутреннего сгорания в отличие от паросиловых установок рабочим телом являются непосредственно продукты сгорания топлива. В таких двигателях не нужен теплообменник, передающий теплоту от первичного источника энергии к рабочему телу. Это делает установку более легкой и компактной, в связи с чем двигатели внутреннего сгорания очень быстро стали основой транспортной энергетики.

Принцип работы возвратно-поступательного (бензинного) четырех-тактного ДВС с искровым зажиганием следующий: при движении поршня вверх в цилиндре происходит сжатие смеси воздуха с парами бензина. Затем происходит зажигание, быстрое расширение газа и передача энергии коленчатому валу. Поршень начинает вновь перемещаться вверх. Происходит вытеснение отработанного газа из цилиндра, вследствие чего осуществляется перемещение поршня вниз, при котором в цилиндр поступает следующая порция топливо-воздушной смеси. После этого цикл повторяется снова.

Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение приводного вала посредством кривошипно-шатунного механизма, связанного с коленным валом.

Величина носит название степени сжатия для данного двигателя. Чем больше степень сжатия, тем выше КПД. Из-за нагрева смеси при ее сжатии максимально допустимое значение R составляет около 10. При дальнейшем увеличении R возможно самовоспламенение топливо - воздушной смеси. Теоретический максимум КПД для ДВС составляет 58 %, в реальности же вдвое меньше.

Дизельные двигатели (ДД) – одна из альтернатив ДВС с искровым зажиганием. ДД имеют большую массу и габариты по сравнению с ДВС.

Принцип действия ДД следующий: камера сгорания в течение такта сжатия остается заполненной только воздухом. В определенный момент, когда воздух достаточно нагревается за счет сжатия, в камеру сгорания под высоким давлением (35 атм) вспрыскивается топливо. Происходит спонтанное зажигание и поршень выталкивается вниз, выполняя рабочий такт. При запуске двигателя температура может оказаться слишком низкой для спонтанного зажигания. В таких случаях используется запальная свеча. Допустимая степень сжатия у ДД значительно выше, поскольку сжимается только воздух и опасность преждевременного зажигания отсутствует.

Теоретический максимум КПД – 64 %, реально раза в два меньше. Тем не менее ДД оказывается экономичнее и надежнее, чем ДВС.

Двигатели внешнего сгорания (ДВиС) – двигатели, в которых сгорание топлива осуществляется с внешней стороны цилиндра, содержащего замкнутую газовую турбину и механические поршни.

Принцип действия ДВиС заключается в следующем: газ, нагретый от горелок, в горячей зоне цилиндра расширяется, проходя через генератор, охлаждается, затем попадает в пространство между двумя поршнями и толкает силовой поршень вниз. Силовой поршень связан механически с поршнем-вытеснителем так, что при движении силового поршня вниз последний движется вниз. При этом он выталкивает газ из горячей зоны через регенератор, в котором газ охлаждается, нагревая керамическую засыпку регенератора. Достигнув крайнего нижнего положения, силовой поршень движется вверх, вытесняя уже охлажденный газ в горячую зону, через регенератор, в котором тот нагревается. При этом поршень-вытеснитель достигает крайнего нижнего положения. В горячей зоне газ вновь разогревается и цикл повторяется.

В отличие от ДВС в ДВиС цикл горения идет непрерывно, а не вспышками. Вибрация и шум практически отсутствуют, вредных выбро-сов продуктов сгорания практически нет, однако цилиндр длительное время работает про высоких температурах и его стенки сильно нагреваются.

Совмещение функций первичного носителя энергии и рабочего тела в двигателях внутреннего сгорания наряду с преимуществами порождает и ряд недостатков. Важнейшим, особенно для поршневых машин, является то, что режим горения топлива оказывается подчиненным режиму горения поршня, задаваемому нагрузкой на двигатель. Поэтому, как правило, в двигателях внутреннего сгорания горение топлива, особенно в режимах малой нагрузки, происходит в неблагоприятных условиях. Для того чтобы сделать горение устойчивым, приходится использовать так называемую обогащенную горючую смесь, т. е. смесь топлива с воздухом, в которой топлива заведомо больше, чем может теоретически сгореть в этом воздухе. Выхлопные газы этих двигателей содержат несгоревшее топливо или, точнее, некоторые промежуточные соединения – продукты так называемого неполного горения. Среди этих продуктов и вредные для человека вещества, такие как окись углерода и некоторые тяжелые углероды, обладающие канцерогенными свойствами.

5. Электромеханические преобразователи энергии

5.1. 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.

5.2. 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 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 = 9·103Если 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.

5.3. 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:

Pс = Pr + Pм + РL, (5.6)

где Pс = ui – потребляемая ЭМП мощность источника электроэнергии; Pr = i2r – мощность потерь в обмотке ЭМП; Pм = FэV – мощность, расходуемая на совершение механической работы; Fэ – электромагнитная сила; РL – мощность, расходуемая на создание запаса магнитной энергии ЭМП.

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

Ui = i2r + РL + FэV . (5.7)

Из (5.5) и (5.7) следует:

Pм + РL = FэV + РL = . (5.8)

Выражение (5.8) можно представить в виде:

Pм + РL = . (5.9)

Анализ (5.9) показывает, что Pм = , так как Fэ = .

Тогда РL = . (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.

5.4. Индуктивно-емкостные ЭМП

В индуктивно-емкостных ЭМП концентрация и преобразование энергии происходит в электромагнитном поле. Индуктивно-емкостный ЭМП можно получить, если совместить в одном агрегате индуктивный и емкостный ЭМП (рис 5.4.1).