По этим критериям поиска ничего не найдено

Электросамолеты: как авиация готовится к революции

Не так давно мир скептически относился к электромобилям, но Tesla заставила в них поверить. Теперь на электричество переводят и авиацию. Рассказываем, как появляются электросамолеты и почему мы еще на них не летаем

Как устроены электросамолеты

Под термином «электросамолет» понимают электрифицированный летательный аппарат. Специалисты в области авиации различают три уровня электрификации самолетов: «более электрический», «полностью электрический» и «гибридный».

«Более электрический», или самолет с повышенной электрификацией

Этот аппарат, как и обычный самолет, оснащен двигателем внутреннего сгорания. Мотор преобразует химическую энергию сгорающего топлива в механическую и создает тягу — силу, которая толкает его сквозь поток воздуха. Но большую часть работы оборудования (регулировку крыла, выпуск шасси и так далее) выполняют электроприводы. Они питаются от системы электроснабжения и преобразуют электрическую энергию в механическую.

Советский бомбардировщик Пе-2 считается первым в мире электрифицированным самолетом. В 1930-х годах на нем установили около 50 электроприводов (Фото: avia.pro)

«Полностью электрический самолет»

Летательный аппарат, у которого отсутствуют двигатели внутреннего сгорания, а все оборудование работает на электроэнергии. Для создания тяги в таких самолетах используют электродвигатели, которые питаются от аккумуляторов.

В начале 2000-х годов начался бум создания «полностью электрических самолетов», где основным источником энергии были литий-ионные аккумуляторные батареи.

Самолет Yuneec International E430 китайского производства с электрическим двигателем, который питается от литий-полимерных аккумуляторов (Фото: avia.pro)

Применение батарей в качестве основных источников энергии ограничивало возможности летательных аппаратов — дальность, время полета, грузоподъемность. Поэтому специалисты в области авиации стали рассматривать альтернативные варианты получения энергии. Среди них:

• солнечные батареи — преобразуют энергию излучения в электроэнергию;
• топливные элементы — преобразуют химическую энергию топлива в электрическую без процессов горения; чаще всего в качестве топлива используется водород.

Сергей Кравченко, руководитель проекта «Контур» Фонда перспективных исследований:

«Применение водорода обусловлено его высокими энергетическими свойствами как топлива и отсутствием загрязнения окружающей среды. Поэтому он имеет большой потенциал в области развития полностью электрических технологий».

«Гибридный самолет»

Оснащен гибридной силовой установкой. Она преобразует энергию дважды: сначала в механическую с помощью двигателей внутреннего сгорания, затем в электрическую с помощью генераторов.

Сергей Кравченко:

«Гибридный двигатель состоит из электрической части (электромотор, генератор, аккумуляторная батарея) и двигателя внутреннего сгорания, который использует химическое топливо. И если сейчас это керосин, то в будущем это будет водород, что открывает огромные перспективы для авиационной техники, разрабатываемой по технологии «полностью электрического самолета».

Кто создает и тестирует электросамолеты сегодня

Разработчики по всему миру, включая Россию, работают над созданием электросамолетов. Мы собрали примеры нескольких успешных проектов.

Стартап Kitty Hawk — персональный электросамолет

В 2017 году стартап Kitty Hawk, в который инвестирует сооснователь Google Ларри Пейдж, показал прототип первого персонального электросамолета Heaviside. Одноместный аппарат может вертикально взлетать и садиться, причем для этого ему достаточно площадки размером примерно 10х10 м.

Heaviside может преодолеть на одном заряде батареи до 160 км — примерно как от Москвы до Твери (Фото: Kitty Hawk)

Pipistrel — двухместный электросамолет

Компания Pipistrel представила двухместный электрический самолет Velis Electro, который прошел сертификацию Европейского агентства авиационной безопасности EASA. Аппарат получает энергию от двух аккумуляторов, развивает скорость до 181 км/ч и может находиться в воздухе до 50 мин.

Pipistrel уже запустила серийное производство Velis Electro: сертификат типа EASA позволяет эксплуатировать самолет в коммерческих целях (Фото: Pipistrel)

MagniX и AeroTEC — самый крупный коммерческий самолет

В 2020 году компании MagniX и AeroTEC испытали самый большой коммерческий самолет Cessna Caravan 208B с электрическим двигателем. По словам исполнительного директора Роя Ганзарски, самолет может перевозить 4–5 пассажиров на расстояние до 160 км.

Разработчики рассчитывают, что когда электродвигатель Cessna Caravan 208B пройдет сертификацию, самолет сможет выполнять рейсы с полной загрузкой из девяти пассажиров (Фото: MagniX)

Siemens — электросамолет с максимальной скоростью

Компания Siemens запустила самолет Extra 330LE с электродвигателем на аккумуляторных батареях. Аппарат побил рекорд среди аналогов: во время полета в 2017 году он достиг максимальной скорости 340 км/ч.

Siemens планируют использовать разработки Extra 330LE для производства (в партнерстве с компанией Airbus) региональных авиалайнеров, работающих на гибридных двигательных установках (Фото: Siemens)

ЦИАМ — первый пилотируемый российский электросамолет

На международной авиационной выставке МАКС-2021 Центральный институт авиационного моторостроения имени Баранова (ЦИАМ) представил первый полностью электрический пилотируемый российский самолет «Сигма-4». Он развивает максимальную скорость до 100 км/ч и рассчитан на полеты дальностью 100 км — это примерная протяженность МКАД.

Электродвигатель «Сигма-4» питается от аккумуляторных литий-ионных батарей. По словам главы ЦИАМ Михаила Гордина, летные испытания самолета запланированы на вторую половину 2021 года (Фото: N+1)

ЦИАМ — летающая лаборатория с уникальной гибридной силовой установкой

На МАКС-2021 ЦИАМ также представил летающую лабораторию Як-40ЛЛ. В носовой части аппарата установлен воздушный винт, который приводится в движение электродвигателем. А электроэнергию он получает от генератора, который вращается двигателем внутреннего сгорания.

Электродвигатель создан по уникальной технологии — на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП). При определенной температуре ВТСП проводят электрический ток без сопротивления и потери энергии. Это позволит увеличивать КПД двигателей: наращивать мощность и при этом снижать их массу и габариты, что важно при строительстве самолетов. Разработку двигателя проводили в рамках совместного проекта Фонда перспективных исследований и ЗАО «СуперОкс». Во время выставки МАКС-2021 летающая лаборатория совершила первый полет, в процессе которого был включен электродвигатель.

Ученые надеются, что к 2030 году технологии позволят создать региональный самолет на гибридной схеме, как у Як-40ЛЛ (Фото: НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского»)

Зачем переводить авиацию на электричество

Очевидная причина повышенного спроса на электрификацию — экология. По данным Международной ассоциации воздушного транспорта IATA, на долю коммерческой авиации приходится около 2–3% выбросов углекислого газа. Причем за один короткий перелет, например из Лондона в Рим, образуется 234 кг углекислого газа на одного человека — больше, чем производят граждане некоторых стран за целый год.

Переход на электричество поможет решить экологические и другие проблемы современной авиации.

Сокращение количества выбросов в атмосферу

«Полностью электрический самолет» не создает выхлопа. Но его пока не считают абсолютно экологичными, так как производство аккумуляторов загрязняет окружающую среду, а из-за структуры и химического состава их сложно утилизировать.

Авиакомпания Airbus представила проект развития авиации будущего «Умное небо». По ее прогнозам, к 2050 году будут распространены самолеты с гибридными силовыми установками и электродвигателями. Аэропорты откажутся от двигателей внутреннего сгорания даже на земле: беспилотные электротягачи будут доставлять самолеты на взлетно-посадочную полосу и обратно. Все это поможет снизить количество выбросов в атмосферу.

Снижение затрат на топливо

Именно эта перспектива мотивирует многие крупные авиакомпании вкладывать средства в разработку электросамолетов. Расходы на топливо составляют до 30% их затрат и значительно влияют на прибыль.

В 2020 году электросамолет компаний MagniX и AeroTEC Cessna 208B совершил успешный 30-минутный полет. Исполнительный директор Рой Ганзарски отметил, что цена полета составила всего $6. А если бы они использовали обычное моторное топливо, полет обошелся бы в $300-400.

По словам главы ЦИАМ Михаила Гордина, применение гибридных силовых установок позволит в будущем уменьшить расход топлива на 70%.

Снижение количества шума

Электрические и гибридные летательные аппараты гораздо тише обычных с ДВС. Например, вертолет на высоте 500 м создает звук в 60 дБ, который по громкости можно сравнить с проезжающим мимо мотоциклом. А электросамолет Heaviside (разработка компании Kitty Hawk) во время полета на той же высоте создает звук в 38 дБ — примерно тот же уровень громкости, что и во время разговора людей.

В результате переход авиации на электричество позволит бороться с шумовым загрязнением и строить аэропорты ближе к черте города.

Снижение затрат на эксплуатацию

Электрические двигатели устроены проще двигателей внутреннего сгорания. У них меньше движущихся и соприкасающихся частей, а значит, они менее подвержены износу. Специалисты авиационной промышленности предполагают, что электрические самолеты будут реже нуждаться в техобслуживании, что снизит эксплуатационные расходы.

«Полностью электрический самолет»: в чем сложность

Первые «полностью электрические самолеты» уже существуют и проходят успешные испытания. Но говорить о том, что они станут альтернативой пассажирским лайнерам, рано. Причина в аккумуляторных батареях, которые нуждаются в улучшении.

Даже самые современные батареи уступают топливу в удельной энергоемкости — количестве энергии, которую они могут накопить. Реактивное топливо содержит примерно в 30 раз больше энергии, чем литий-ионная батарея.

Самый большой в мире пассажирский самолет Airbus A380 может пролететь 15 000 километров за один рейс и перевезти до 700 пассажиров. По подсчетам преподавателя кафедры прикладной аэродинамики университета Лафборо Дункана Уолкера, тот же самолет сможет преодолеть максимум 1 000 км с батареями в качестве источника энергии. Чтобы Airbus A380 пролетел на аккумуляторах свой максимум, ему понадобится комплект батарей весом в 30 раз больше, чем его текущий расход топлива. То есть из-за веса он просто не сможет оторваться от земли.

Даже если заменить всех пассажиров и груз на батареи, дальность полета Airbus A380 все равно была бы меньше 2 000 км по сравнению с обычными 15 000 км на топливе (Фото: Airbus)

Кроме того, самолет с традиционными двигателями во время полета сбрасывает топливо. Так судно становится легче, поэтому расход топлива, которое необходимо для полета, уменьшается. А вес аккумуляторов остается постоянным на протяжении всего полета, даже когда заряд израсходован.

По оценкам экспертов в области авиации, для безопасных и рентабельных полетов можно будет использовать батареи с энергоемкостью 2 000 Вт·ч/кг. Сейчас это показатель не превышает 250 Вт·ч/кг, а за год энергоемкость батарей растет примерно на 3%.

Сергей Кравченко:

«По мнению специалистов, батареи как источник энергии станут коммерчески привлекательными при достижении удельной мощности 600 кВт/кг (удельная мощность — количество тока, которое может выдавать аккумулятор на единицу веса. Показатели современных батарей находятся в пределах 10 кВт/кг. — РБК Тренды).

На текущий момент 100%-го решения указанных проблем не существует. Фонд перспективных исследований в том числе работает над созданием новых аккумуляторов, систем электроснабжения и электродвижения для транспортных средств».

Какие перспективы у электрических самолетов

Очевидно, что перспективы электрифицированных самолетов напрямую зависят от прогресса в области электротехники. По мнению директора проектного комплекса «Гражданские самолеты» НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского» Сергея Гальперина, коммерческий электросамолет, который мог бы летать на приличные для России расстояния только на батареях или топливных элементах, появится нескоро.

Сергей Кравченко:

«Полностью электрические самолеты вышли из стадии диковинок и в ряде стран уже успешно используются в коммерческих задачах. Ожидается, что и в России данные разработки в ближайшие годы достигнут стадии перехода от экспериментов к опытным технологиям и коммерческому использованию. Однако объем вопросов, которые мешают скорейшему массовому использованию данных типов авиационной техники, еще существенный. И это в большинстве случаев задачи по обеспечению безопасности пассажиров и окружающих объектов».

Глава ЦИАМ Михаил Гордин отметил, что в ближайшем будущем крупные пассажирские лайнеры будут использовать именно гибридные силовые установки. А полностью электрические самолеты, вероятно, найдут применение только в малой авиации из-за ограниченной дальности и вместимости пассажиров.

Сергей Кравченко:

«В среднесрочной перспективе ожидается широкое распространение летательных аппаратов с гибридной силовой установкой. Появление полностью электрических систем будет связано с успехами электрохимии. Однако текущие достижения не позволяют ожидать существенного прогресса в этой области в ближайшее время.

Рассматриваются технические решения, в которых источник электрической энергии — топливный элемент, а потребитель — электромотор. Расчеты показывают, что данная компоновка реализуема для широкого класса региональных самолетов. Именно такое решение может составить конкуренцию газотурбинному двигателю, но требуется создать и испытать данную технологию, чтобы подтвердить расчеты».

СМИ о ЦИАМ

5 Февраля 2021

В России на базе летающей лаборатории Як-40ЛЛ стартовали испытания демонстратора гибридной силовой установки, в состав которой входит первый в мире электрический авиадвигатель с использованием эффекта сверхпроводимости. Как сообщили в Фонде перспективных исследований, в ходе испытаний была подтверждена правильность выбранных технических решений и корректная совместная работа электромотора и самолётного оборудования. По мнению экспертов, появление гибридной силовой установки и — в перспективе — создание полностью электрических самолётов и вертолётов позволят сделать российскую авиацию более экологичной и повысят эксплуатационные характеристики авиатехники.

В пятницу, 5 февраля, на аэродроме Сибирского научно-исследовательского института авиации имени Чаплыгина (СибНИА) в Новосибирске начались наземные испытания демонстратора гибридной силовой установки (ГСУ), в состав которой входит первый в мире сверхпроводниковый электрический авиадвигатель.

Как рассказали RT в пресс-службе Центрального института авиационного моторостроения имени Баранова (ЦИАМ), демонстратор реализует последовательную гибридную силовую установку. Создающий тягу воздушный винт приводится во вращение электромотором, который получает энергию от аккумуляторов и от генератора, вращаемого газотурбинным двигателем (он оптимизирован под крейсерский режим полёта и будет питать как электромотор, так и аккумуляторы).

Испытания проходят на летающей лаборатории, созданной на базе пассажирского самолёта Як-40. Во время презентации инженеры проверили совместную работу всех систем самолёта, в том числе демонстратора гибридной силовой установки и штатных двигателей.

Головной исполнитель проекта гибридной силовой установки — ЦИАМ, который вместе с СибНИА, подготовившим летающую лабораторию, входит в состав Национального исследовательского центра «Институт имени Н.Е. Жуковского».

Электромотор демонстратора ГСУ был разработан специалистами ЗАО «СуперОкс» в рамках совместного проекта с Фондом перспективных исследований (ФПИ). А электрический генератор является совместным детищем ЦИАМ и Уфимского государственного авиационного технического университета.

Как сообщили в пресс-службе ФПИ, в ходе проведённых испытаний демонстратора ГСУ «подтверждена правильность выбранных электротехнических, прочностных и компоновочных решений, отмечена корректная совместная работа самолётного оборудования и ВТСП-электродвигателя» (с использованием эффекта высокотемпературной сверхпроводимости).

В Фонде перспективных исследований подчёркивают, что успешная реализация проекта в перспективе позволит изготавливать отечественные ГСУ и электроэнергетические комплексы для полностью электрических самолётов и вертолётов, «отличающихся от существующих образцов авиационной техники более совершенными эксплуатационными характеристиками».

Тенденция развития транспортной системы

Как заявил RT генеральный директор ЦИАМ Михаил Гордин, лётные испытания демонстратора ГСУ запланированы на вторую половину 2021 года. При этом инженерам предстоит провести большой объём работ, прежде чем приступить к опытно-конструкторскому этапу.

«Наверное, здесь мы, как и спортсмены, немного суеверны… Только после успешного завершения комплекса испытаний можно будет говорить о зрелости технологий ГСУ, позволяющих переходить к выполнению опытно-конструкторских работ», — сказал Гордин.

По его словам, в 2021 году пройдут испытания демонстратора ГСУ, у которого сверхпроводящим является только электрический двигатель. В 2022-м будет тестироваться опытный агрегат, у которого сверхпроводящими станут также генератор и силовая электрическая шина.

В состав текущей компоновки демонстратора ГСУ входят серийный турбовальный мотор, генератор, аккумуляторы и электродвигатель с использованием эффекта высокотемпературной сверхпроводимости проектной мощностью 500 кВт.

Проект создания гибридной силовой установки соответствует государственной политике РФ, направленной на широкое внедрение в авиационную отрасль систем электродвижения. Интеграция таких технологий позволит значительно сократить эмиссию вредных веществ, уровень шума, увеличить топливную экономичность и повысить безопасность полётов.

Как пояснили RT в пресс-службе ЦИАМ, охлаждаемый жидким азотом электромотор получает энергию от генератора (400 кВт), вращаемого газотурбинным двигателем, и блока литий-ионных аккумуляторных батарей (100 кВт).

Электромотор с воздушным винтом размещён в носовой части Як-40ЛЛ, двигатель с генератором — в хвосте самолёта (вместо штатного двигателя АИ-25). Все остальные системы ГСУ находятся в фюзеляже машины.

Практически все узлы, элементы и системы демонстратора ГСУ, за исключением газотурбинного двигателя, разработаны впервые.

Отдельно гендиректор ЦИАМ отметил продукцию компании «СуперОкс». По его словам, российская компания — один из мировых лидеров в производстве высокотемпературных сверхпроводников 2-го поколения.

Выбор в качестве базы для летающей лаборатории самолёта Як-40 Михаил Гордин объяснил достаточно скромными габаритами этой машины и наличием у неё трёх двигателей, что оптимально для установки основных элементов демонстратора ГСУ.

«Вообще для лётных испытаний авиационных двигателей традиционно используется летающая лаборатория на базе самолёта Ил-76, но это очень большой и к тому же дорогой в эксплуатации самолёт. Для наших целей мы искали самолёт поменьше. В итоге свой выбор остановили на Як-40. Он идеально подходит для поставленных нами целей», — пояснил гендиректор ЦИАМ.

В свою очередь, гендиректор Института имени Жуковского Андрей Дутов рассказал журналистам, что разработчики надеются, что уже через два года будет создана следующая летающая лаборатория на базе самолёта Ту-114, которая сможет летать на электромоторах без вспомогательных двигателей. Он добавил, что разработка не имеет аналогов в мире и к отечественным специалистам уже обращались представители компаний Siemens и Airbus с предложениями о сотрудничестве.

«Это историческое событие. На сегодняшний день в гражданской авиации технологии исчерпаны и идёт борьба за зелёную авиацию, за будущее авиации, за новые виды топлива… Это первый шаг к созданию электрического самолёта», — цитирует Дутова ТАСС.

По словам Михаила Гордина, развитие систем электродвижения — одна из тенденций развития транспортной системы как внутри России, так и в мире в целом. Топ-менеджер добавил, что программы создания и применения гибридных и электрических силовых установок реализуются всеми ведущими производителями авиационной техники.

«Гибридные и электрические силовые установки дают летательному аппарату преимущества, способные решить массу технологических проблем. Это увеличение топливной экономичности, экологичности, надёжности и безопасности», — подчеркнул Гордин.

Электродвигатель, используемый в качестве генератора

В = -N (dΦ / dt)

Электричество и магнетизм

Электродвигатель, используемый в качестве генератора

Практическая деятельность для 14-16

Демонстрация

Вы можете генерировать переменный ток с помощью двигателя с дробной мощностью.

Аппаратура и материалы

Примечания по охране труда и технике безопасности

Для удобства двигатель должен быть установлен на плате, как показано, с гнездами 4 мм для подключения к обмоткам ротора и статора.

Прочтите наше стандартное руководство по охране труда

Процедура

1. Подсоединить обмотки якоря (ротора) к демонстрационному счетчику.
2. Подключить обмотки возбуждения (статора) к низковольтному источнику питания.
3. Установите напряжение питания 2 В постоянного тока. и включите
4. Поверните якорь, вращая шкив на валу рукой.
5. Измените направление вращения, чтобы увидеть разницу.
6. Повторить без подачи напряжения на полевые клеммы.

Учебные заметки

• Только маленькие динамо-машины имеют постоянные магниты для создания магнитного поля; у больших есть электромагниты (катушки которых обычно получают немного от собственного выходного тока динамо-машины).
• Очень большой перем. генераторы на электростанциях называются генераторами переменного тока. В них совокупность катушек возбуждения вращается, приводимая в движение турбиной, и называется ротором. Катушки якоря, в которых генерируется выходное напряжение, удерживаются в раме вне ротора и остаются неподвижными; это статор.
• Эта конструкция удобна для больших машин, поскольку не требует щеток, коммутатора или контактных колец для передачи большого выходного тока. Электромагниты вращающегося ротора питаются небольшим постоянным током, в котором они нуждаются, от небольшого d.c. динамо на том же вращающемся валу, что и большой генератор.
• Динамо-машина, вращающаяся с постоянной скоростью с полевым магнитом, поддерживающим постоянную силу, создает постоянную разность потенциалов (ЭДС), как батарея элементов с хорошим поведением. Даже при отсутствии выходного тока динамо-машина все равно производит ЭДС. Готов водить ток. Когда вы позволяете ему управлять током, подключая что-либо к его выходным клеммам, величина тока зависит от сопротивления устройства, которое вы подключаете (и внутреннего сопротивления динамо-катушек).

Этот эксперимент прошел испытания на безопасность в апреле 2006 г.

• Видео, демонстрирующее аналогичный эксперимент с электромагнитной индукцией:

Как работают электродвигатели и генераторы

Электромобили используют исключительно электродвигатели для движения, а гибриды используют электродвигатели, чтобы помочь своим двигателям внутреннего сгорания при передвижении.Но это не все. Эти самые двигатели могут использоваться и используются для выработки электроэнергии (в процессе рекуперативного торможения) для зарядки бортовых аккумуляторов этих транспортных средств.

Самый частый вопрос: «Как это может быть … как это работает?» Большинство людей понимают, что для работы двигатель приводится в действие электричеством — они каждый день видят это в своих бытовых приборах (стиральных машинах, пылесосах, кухонных комбайнах).

Но идея о том, что двигатель может «вращаться в обратном направлении», фактически вырабатывая электричество, а не потребляя его, кажется почти магией.Но как только связь между магнитами и электричеством (электромагнетизм) и концепция сохранения энергии становится понятной, загадка исчезает.

Электромагнетизм

Электроэнергия и выработка электроэнергии начинаются со свойства электромагнетизма — физических отношений между магнитом и электричеством. Электромагнит — это устройство, которое действует как магнит, но его магнитная сила проявляется и контролируется электричеством.

Когда провод, сделанный из проводящего материала (например, меди), движется через магнитное поле, в проводе создается ток (элементарный генератор).И наоборот, когда электричество проходит через провод, намотанный вокруг железного сердечника, и этот сердечник находится в присутствии магнитного поля, он будет двигаться и скручиваться (очень простой двигатель).

Моторы / генераторы

Мотор / генераторы — это действительно одно устройство, которое может работать в двух противоположных режимах. Вопреки тому, что иногда думают люди, это не означает, что два режима двигателя / генератора работают в обратном направлении друг от друга (что как двигатель устройство вращается в одном направлении, а как генератор, оно вращается в противоположном направлении).

Вал всегда вращается одинаково. «Смена направления» заключается в потоке электричества. В качестве двигателя он потребляет электричество (поступает) для производства механической энергии, а в качестве генератора он потребляет механическую энергию для производства электроэнергии (вытекает).

Электромеханическое вращение

Электродвигатели / генераторы обычно бывают двух типов: переменного тока (переменного тока) или постоянного тока (постоянного тока), и эти обозначения указывают на тип электроэнергии, которую они потребляют и генерируют.

Если не вдаваться в подробности и не затушевывать проблему, то вот разница: переменный ток меняет направление (чередуется) по мере прохождения через цепь. Постоянный ток течет в одном направлении (остается неизменным) при прохождении через цепь.

Тип используемого тока в основном зависит от стоимости устройства и его эффективности (двигатель / генератор переменного тока обычно дороже, но также намного эффективнее). Достаточно сказать, что в большинстве гибридов и во многих более крупных полностью электрических транспортных средствах используются двигатели / генераторы переменного тока — так что это тип, на котором мы сосредоточимся в этом объяснении.

Двигатель / генератор переменного тока состоит из 4 основных частей:

• Установленный на валу якорь с проволочной обмоткой (ротор)
• Поле магнитов, которые индуцируют электрическую энергию, накопленную бок о бок в корпусе (статоре)
• Контактные кольца, которые переносят переменный ток к / от якоря
• Щетки, которые контактируют с контактными кольцами и передают ток в / из электрической цепи

Генератор переменного тока в действии

Якорь приводится в движение механическим источником энергии (например, при промышленном производстве электроэнергии это будет паровая турбина).Когда этот намотанный ротор вращается, его проволочная катушка проходит над постоянными магнитами в статоре, и в проводах якоря создается электрический ток.

Но поскольку каждая отдельная петля в катушке сначала проходит через северный полюс, а затем последовательно через южный полюс каждого магнита, когда он вращается вокруг своей оси, индуцированный ток постоянно и быстро меняет направление. Каждое изменение направления называется циклом и измеряется в циклах в секунду или герцах (Гц).

В Соединенных Штатах частота цикла составляет 60 Гц (60 раз в секунду), тогда как в большинстве других развитых стран мира она составляет 50 Гц.Отдельные контактные кольца установлены на каждом из двух концов проволочной петли ротора, чтобы обеспечить путь для выхода тока из якоря. Щетки (которые на самом деле являются угольными контактами) скользят по контактным кольцам и завершают путь для тока в цепь, к которой подключен генератор.

Двигатель переменного тока в действии

Действие двигателя (подача механической энергии), по сути, противоположно действию генератора. Вместо того, чтобы вращать якорь для выработки электричества, ток подается по цепи через щетки и контактные кольца в якорь.Этот ток, протекающий через ротор (якорь) с обмоткой, превращает его в электромагнит. Постоянные магниты в статоре отражают эту электромагнитную силу, заставляя якорь вращаться. Пока через цепь течет электричество, двигатель будет работать.

В чем разница между электродвигателем и электрическим генератором?

Электродвигатель и электрогенератор почти одинаковы с точки зрения конструкции, поскольку оба имеют статор и ротор.Однако электродвигатель и генератор можно различить по ряду факторов. Этот пост объяснит некоторые из основных различий между этими двумя устройствами.

Чем электродвигатель и электрогенератор отличаются друг от друга?

Электродвигатель и генератор можно отличить друг от друга по следующим факторам:

Преимущества электродвигателей:

Ниже приведены некоторые преимущества электродвигателей:

• Длительный срок службы: Поскольку электродвигатели содержат несколько движущихся частей, они имеют хороший срок службы.Например, правильно подобранный электродвигатель при правильном обслуживании может обеспечить до 30 000 часов работы.
• Низкая начальная стоимость: Электродвигатель имеет значительно более низкую начальную стоимость на , чем двигатель на ископаемом топливе с такой же выходной мощностью в лошадиных силах.
• Высокий КПД: Электродвигатели обладают высокой эффективностью и имеют номинальные характеристики, которые зависят от размера двигателя и условий его эксплуатации.
• Долговечность: Электродвигатели имеют длительный срок службы и долговечны.У них минимальные требования к обслуживанию.

Преимущества электрогенераторов:

Вот некоторые из преимуществ электрогенераторов:

• Минимальные потери: Перебои в подаче электроэнергии являются основной причиной порчи охлажденных или замороженных товаров. Это может привести к значительным потерям для бизнеса. Электрогенераторы работают как альтернативный источник энергии и защищают товары во время отключения электроэнергии.
• Повышенная безопасность: В некоторых ситуациях электричество важно как для удобства, так и для безопасности.Хорошо освещенные помещения во время перебоев в подаче электроэнергии помогут предотвратить спотыкание и травмы в темноте.

Применение электродвигателей

Ниже приведены области применения электродвигателей:

• Технология внутренних двигателей с постоянными магнитами в автомобилях
• Тяга и тяга катеров и амфибий
• Приводы насосов
• Регенерация энергии
• Погрузочно-разгрузочные работы

Применение электрогенераторов

Электрогенераторы находят свое применение в:

• Системы привода гибридных электромобилей (HEV)
• Стартер-генераторы автомобильные
• Ветрогенераторы
• Вспомогательная выработка энергии для самолетов
• Высокоскоростные газотурбинные генераторы

По своим функциям электродвигатели и электрогенераторы существенно отличаются друг от друга, однако представляют собой две стороны одной медали.Выбор подходящего оборудования будет зависеть от ваших требований.

Сообщение навигации

20.2 Двигатели, генераторы и трансформаторы — физика

Электродвигатели, генераторы и трансформаторы

Как мы узнали ранее, на провод с током в магнитном поле действует сила — вспомните, F = IℓBsinθF = IℓBsinθ. Электродвигатели, которые преобразуют электрическую энергию в механическую, являются наиболее распространенным приложением магнитной силы к токоведущим проводам.Двигатели состоят из витков провода в магнитном поле. Когда ток проходит через петли, магнитное поле оказывает на петли крутящий момент, который вращает вал. При этом электрическая энергия преобразуется в механическую работу. На рисунке 20.23 показан схематический чертеж электродвигателя.

Рисунок 20.23 Крутящий момент в токовой петле. Вертикальная петля из проволоки в горизонтальном магнитном поле прикреплена к вертикальному валу. Когда ток проходит через проволочную петлю, на нее действует крутящий момент, заставляющий вращать вал.

Давайте исследуем силу на каждом сегменте контура на рисунке 20.23, чтобы найти крутящие моменты, возникающие вокруг оси вертикального вала — это приведет к полезному уравнению для крутящего момента на контуре. Мы предполагаем, что магнитное поле однородно по прямоугольной петле, которая имеет ширину w и высоту, ℓ, как показано на рисунке. Сначала рассмотрим силу, действующую на верхний сегмент петли. Чтобы определить направление силы, мы используем правило правой руки. Ток идет на страницу слева направо, а магнитное поле идет слева направо в плоскости страницы.Согните пальцы правой руки от вектора тока к вектору магнитного поля, а большой палец правой руки будет направлен вниз. Таким образом, сила на верхнем сегменте направлена ​​вниз, что не создает крутящего момента на валу. Повторение этого анализа для нижнего сегмента — пренебрегая небольшим зазором, где выходят подводящие провода — показывает, что сила на нижнем сегменте направлена ​​вверх, снова не создавая крутящего момента на валу.

Рассмотрим теперь левый вертикальный сегмент петли. Снова используя правило правой руки, мы обнаруживаем, что сила, действующая на этот сегмент, перпендикулярна магнитному полю, как показано на рисунке 20.23. Эта сила создает крутящий момент на валу. Повторение этого анализа на правом вертикальном сегменте петли показывает, что сила на этом сегменте направлена ​​в направлении, противоположном направлению силы на левом сегменте, тем самым создавая равный крутящий момент на валу. Таким образом, общий крутящий момент на валу вдвое превышает крутящий момент на одном из вертикальных сегментов петли.

Чтобы определить величину крутящего момента при вращении проволочной петли, рассмотрите рисунок 20.24, на котором показан вид проволочной петли сверху.Напомним, что крутящий момент определяется как τ = rFsinθ, τ = rFsinθ, где F — приложенная сила, r — расстояние от оси до места приложения силы, а θ — угол между r и F . Обратите внимание, что при вращении петли ток в вертикальных сегментах петли всегда перпендикулярен магнитному полю. Таким образом, уравнение F = IℓBsinθF = IℓBsinθ дает величину силы на каждом вертикальном сегменте как F = IℓB.F = IℓB. Расстояние х от вала до места приложения этой силы составляет х /2, поэтому крутящий момент, создаваемый этой силой, равен

20,10

Поскольку есть два вертикальных сегмента, общий крутящий момент вдвое больше, или

20,11

Если у нас есть составной контур с Н витков, мы получим Н, в раз превышающие крутящий момент одиночного контура. Используя тот факт, что площадь петли равна A = wℓ; A = wℓ; выражение для крутящего момента становится

20.12

Это крутящий момент на токоведущей петле в однородном магнитном поле.Можно показать, что это уравнение справедливо для петли любой формы.

Из уравнения τ = NIABsinθ, τ = NIABsinθ, мы видим, что крутящий момент равен нулю, когда θ = 0.θ = 0. Когда проволочная петля вращается, крутящий момент увеличивается до максимального положительного крутящего момента wℓBwℓB, когда θ = 90 ° .θ = 90 °. Затем крутящий момент уменьшается до нуля, когда проволочная петля поворачивается на θ = 180 ° .θ = 180 °. От θ = 180 ° θ = 180 ° до θ = 360 °, θ = 360 ° крутящий момент отрицательный. Таким образом, крутящий момент меняет знак каждые пол-оборота, поэтому проволочная петля будет колебаться вперед и назад.

Чтобы катушка продолжала вращаться в том же направлении, ток меняется на противоположный, когда катушка проходит через θ = 0 и θ = 180 ° θ = 0 и θ = 180 ° с использованием автоматических переключателей, называемых щетками , как показано на рисунке 20.25.

А теперь подумайте, что произойдет, если запустить двигатель в обратном направлении; то есть мы прикрепляем ручку к валу и механически заставляем катушку вращаться в магнитном поле, как показано на рисунке 20.26. Согласно уравнению F = qvBsinθF = qvBsinθ, где θθ — угол между векторами v → v → и B → -chargesB → — заряды в проводах петли испытывают магнитную силу, потому что они движутся в магнитном поле. . Снова используя правило правой руки, когда мы сгибаем пальцы от вектора v → v → к вектору B → B →, мы обнаруживаем, что заряды в верхнем и нижнем сегментах ощущают силу, перпендикулярную проводу, которая не вызывает тока. . Однако заряды в вертикальных проводах испытывают силы, параллельные проводу, заставляя ток течь через провод и через внешнюю цепь, если она подключена.Такое устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую, называется генератором.

Рисунок 20.26 Когда эта катушка вращается на одну четверть оборота, магнитный поток Φ изменяется от максимального до нуля, вызывая ЭДС, которая пропускает ток через внешнюю цепь.

Поскольку ток индуцируется только в боковых проводах, мы можем определить наведенную ЭДС, рассматривая только эти провода. Как объясняется в разделе «Наведенный ток в проводе», ЭДС движения в прямом проводе, движущемся со скоростью v через магнитное поле B , равна E = Bℓv, E = Bℓv, где скорость перпендикулярна магнитному полю.В генераторе скорость составляет угол θθ с B (см. Рисунок 20.27), поэтому составляющая скорости, перпендикулярная B , равна vsinθ.vsinθ. Таким образом, в этом случае ЭДС, наведенная на каждом вертикальном сегменте провода, равна E = Bℓvsinθ, E = Bℓvsinθ, и они направлены в одном направлении. Полная ЭДС вокруг контура тогда составляет

20,13

Хотя это выражение действительно, оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы узнать, как ЭДС изменяется во времени, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью ω.ω. Угол θθ связан с угловой скоростью соотношением θ = ωt, θ = ωt, так что

20,14

Напомним, что тангенциальная скорость v связана с угловой скоростью ωω соотношением v = rω.v = rω. Здесь r = w / 2r = w / 2, так что v = (w / 2) ωv = (w / 2) ω и

20,15

Учитывая, что площадь петли A = ℓwA = ℓw и учитывая N витков, мы находим, что

20.16

— ЭДС, индуцированная в обмотке генератора из N, витков и области A, , вращающейся с постоянной угловой скоростью ωω в однородном магнитном поле B . Это также может быть выражено как

20,17

где

— максимальная (пиковая) ЭДС.

На рис. 20.28 показан генератор, подключенный к лампочке, и график зависимости ЭДС от времени. Обратите внимание, что ЭДС колеблется от положительного максимума E0E0 до отрицательного максимума −E0. − E0. Между тем, ЭДС проходит через ноль, что означает, что в это время через лампочку протекает нулевой ток. Таким образом, лампочка на самом деле мигает с частотой 2 f , потому что за период происходит два перехода через ноль. Поскольку такой переменный ток используется в домах по всему миру, почему мы не замечаем мерцания света? В Соединенных Штатах частота переменного тока составляет 60 Гц, поэтому свет мигает с частотой 120 Гц.Это быстрее, чем частота обновления человеческого глаза, поэтому вы не заметите мерцания огней. Кроме того, другие факторы препятствуют такому быстрому включению и выключению различных типов лампочек, поэтому светоотдача немного сглаживается .

Виртуальная физика

Генератор

Используйте это моделирование, чтобы узнать, как работает электрический генератор. Управляйте подачей воды, которая заставляет водяное колесо вращать магнит. Это вызывает ЭДС в ближайшей катушке провода, которая используется для зажигания лампочки. Вы также можете заменить лампочку вольтметром, который позволяет увидеть полярность напряжения, которая меняется с положительной на отрицательную.

Захват

Установите количество проволочных петель равным трем, силу стержневого магнита примерно на 50 процентов и площадь петли на 100 процентов.Обратите внимание на максимальное напряжение на вольтметре. Предполагая, что одно основное деление на вольтметре составляет 5 В, какое максимальное напряжение при использовании только однопроводной петли вместо трехпроводной петли?

1. 5 В
2. 15 В
3. 125 В
4. 53 В

В реальной жизни электрические генераторы сильно отличаются от рисунков в этом разделе, но принципы те же. Источником механической энергии, вращающей катушку, может быть падающая вода — гидроэнергия — пар, образующийся при сжигании ископаемого топлива, или кинетическая энергия ветра.Рисунок 20.29 показывает паровую турбину в разрезе; пар движется по лопастям, соединенным с валом, который вращает катушку внутри генератора.

Рисунок 20.29 Паротурбинный генератор. Пар, образующийся при сжигании угля, ударяет по лопаткам турбины, вращая вал, соединенный с генератором. (Источник: Nabonaco, Wikimedia Commons)

Еще одно очень полезное и распространенное устройство, использующее магнитную индукцию, называется трансформатором. Трансформаторы делают то, что подразумевает их название — они преобразуют напряжение из одного значения в другое; термин напряжение используется, а не ЭДС, потому что трансформаторы имеют внутреннее сопротивление.Например, многие сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшие приборы имеют встроенный в подключаемый модуль трансформатор, который преобразует 120 В или 240 В переменного тока в любое напряжение, используемое устройством. На рисунке 20.30 показаны два разных трансформатора. Обратите внимание на катушки проводов, которые видны на каждом устройстве. Назначение этих катушек поясняется ниже.

Рисунок 20.30 Слева — обычный трансформатор с многослойным сердечником, который широко используется в передаче электроэнергии и в электрических приборах.Справа — тороидальный трансформатор, который меньше трансформатора с многослойным сердечником для той же мощности, но более дорогой в изготовлении из-за оборудования, необходимого для наматывания проводов в форме пончика.

На рисунке 20.31 показан трансформатор с многослойной обмоткой, который основан на законе индукции Фарадея и очень похож по конструкции на устройство Фарадея, которое использовалось для демонстрации того, что магнитные поля могут генерировать электрические токи. Две катушки с проволокой называются первичной и вторичной катушками.При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную катушку, а вторичная обмотка создает преобразованное выходное напряжение. Железный сердечник не только улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, но также его намагниченность увеличивает напряженность поля, что аналогично тому, как диэлектрик увеличивает напряженность электрического поля в конденсаторе. Поскольку входное напряжение переменного тока, изменяющийся во времени магнитный поток проходит через вторичную катушку, вызывая выходное напряжение переменного тока.

Рисунок 20.31 Типичная конструкция простого трансформатора имеет две катушки, намотанные на ферромагнитный сердечник. Магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, в основном ограничивается и увеличивается сердечником, который передает его на вторичную катушку. Любое изменение тока в первичной катушке вызывает ток во вторичной катушке.

Ссылки на физику

Магнитная веревочная память

Чтобы отправить людей на Луну, программе Apollo пришлось спроектировать бортовую компьютерную систему, которая была бы надежной, потребляла мало энергии и была достаточно маленькой, чтобы поместиться на борту космического корабля.В 1960-х годах, когда была запущена программа Apollo, целые здания регулярно выделялись для размещения компьютеров, вычислительная мощность которых была бы легко превзойдена самыми простыми современными портативными калькуляторами.

Для решения этой проблемы инженеры Массачусетского технологического института и крупного оборонного подрядчика обратились к запоминающему устройству с магнитным тросом , которое являлось ответвлением аналогичной технологии, использовавшейся до того времени для создания запоминающего устройства с произвольным доступом. В отличие от памяти с произвольным доступом, память с магнитным тросом была постоянным запоминающим устройством, которое содержало не только данные, но и инструкции.Таким образом, на самом деле это было больше, чем память: это была компьютерная программа, зашитая зашитой.

Компонентами магнитной веревочной памяти были проволока и железные кольца, которые получили название сердечников . Железные сердечники служили трансформаторами, как показано на предыдущем рисунке. Однако вместо того, чтобы наматывать провода несколько раз вокруг сердечника, отдельные провода проходили через сердечники только один раз, что делало эти одновитковые трансформаторы. До 63 проводов word могут проходить через одну жилу вместе с одним проводом bit .Если словарный провод проходит через данный сердечник, импульс напряжения на этом проводе вызывает в разрядном проводе ЭДС, которая интерпретируется как , . Если бы словарный провод не проходил через сердечник, на битовом проводе не возникала бы ЭДС, что было бы интерпретировано как ноль .

Инженеры будут создавать программы, которые будут жестко встраиваться в эти запоминающие устройства магнитного троса. Процесс подключения мог занять до месяца, так как рабочие кропотливо протягивали провода через одни жилы и вокруг других.Если были допущены какие-либо ошибки в программировании или подключении, отладка была бы чрезвычайно сложной, если не невозможной.

Эти модули неплохо справились со своей задачей. Им приписывают исправление ошибки астронавта в процедуре посадки на Луну, что позволило «Аполлону-11» приземлиться на Луну. Сомнительно, чтобы Майкл Фарадей когда-либо мог представить себе такое применение магнитной индукции, когда открыл ее.

Захват

Если бы разрядный провод был дважды обмотан вокруг каждой жилы, как это повлияло бы на напряжение, индуцированное в разрядном проводе?

1. Если количество витков вокруг провода удвоено, ЭДС уменьшается вдвое.
2. Если количество витков вокруг провода удвоится, ЭДС не изменится.
3. Если количество витков вокруг провода удваивается, то удваивается и ЭДС.
4. Если количество витков вокруг провода удвоится, ЭДС в четыре раза больше начального значения.

Для трансформатора, показанного на рисунке 20.31, выходное напряжение VSVS от вторичной обмотки почти полностью зависит от входного напряжения VPVP на первичной обмотке и количества петель в первичной и вторичной обмотках.Закон индукции Фарадея для вторичной обмотки дает наведенное выходное напряжение VSVS равным

20,19

где NSNS — количество витков во вторичной катушке, а ΔΦ / ΔtΔΦ / Δt — скорость изменения магнитного потока. Выходное напряжение равно индуцированной ЭДС (VS = ES), (VS = ES) при небольшом сопротивлении катушки — разумное предположение для трансформаторов. Площадь поперечного сечения катушек одинакова с каждой стороны, как и напряженность магнитного поля, поэтому ΔΦ / ΔtΔΦ / Δt одинаковы с каждой стороны.Входное первичное напряжение VPVP также связано с изменением магнитного потока на

20,20

Из соотношения этих двух последних уравнений получаем полезное соотношение

20,21

Это известно как уравнение трансформатора. Он просто заявляет, что отношение вторичного напряжения к первичному напряжению в трансформаторе равно отношению количества петель во вторичной катушке к количеству петель в первичной катушке.

Передача электроэнергии

широко используются в электроэнергетике для повышения напряжения — так называемые повышающие трансформаторы — перед передачей на большие расстояния по высоковольтным проводам. Они также используются для понижения напряжения — так называемые понижающие трансформаторы — для подачи энергии в дома и на предприятия. Подавляющая часть электроэнергии вырабатывается с помощью магнитной индукции, когда катушка из проволоки или медный диск вращается в магнитном поле.Первичная энергия, необходимая для вращения катушек или диска, может быть получена различными способами. Гидроэлектростанции используют кинетическую энергию воды для привода электрогенераторов. Угольные или атомные электростанции создают пар для привода паровых турбин, вращающих змеевики. Другие источники первичной энергии включают ветер, приливы или волны на воде.

После выработки энергии ее необходимо передать потребителю, что часто означает передачу мощности на сотни километров. Для этого напряжение электростанции увеличивается с помощью повышающего трансформатора, который повышается, и ток уменьшается пропорционально, потому что

20.22

Более низкий ток ItransmittedItransmitted в передающих проводах снижает потери Джоулей , которые представляют собой нагрев провода из-за протекания тока. Этот нагрев вызван небольшим, но ненулевым сопротивлением RwireRwire проводов передачи. Потери энергии в окружающую среду из-за этого тепла составляют

20,23

, который пропорционален текущему в квадрате в проводе передачи.Вот почему передаваемый ток ItransmittedItransmitted должен быть как можно меньше, и, следовательно, напряжение должно быть большим для передачи мощности Ptransmitted⋅Ptransmitted⋅

Для передачи мощности на большие расстояния используются напряжения от 120 до 700 кВ. Напряжение повышается на выходе из электростанции повышающим трансформатором, как показано на рисунке 20.32.

Рисунок 20.32 Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках системы распределения электроэнергии.Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжениях от 120 до 700 кВ для ограничения потерь энергии. Местное распределение электроэнергии по районам или промышленным предприятиям проходит через подстанцию ​​и передается на короткие расстояния с напряжением от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для безопасности на месте отдельного пользователя.

После подачи электроэнергии в населенный пункт или промышленный центр напряжение на подстанции понижается до 5–30 кВ.Наконец, в частных домах или на предприятиях мощность снова понижается до 120, 240 или 480 В. Каждое повышающее и понижающее преобразование выполняется с помощью трансформатора, разработанного на основе закона индукции Фарадея. Мы прошли долгий путь с тех пор, как королева Елизавета спросила Фарадея, как можно использовать электричество.

Motor Generator — обзор

Типы и функции двигателей

Электрический двигатель / генератор M / G требуется для зарядки и разрядки кинетической энергии, накопленной в маховике.Индукционные машины, машины с постоянным магнитом и синхронные машины с переменным сопротивлением обычно используются для накопления энергии маховиком [56]. Индукционные машины обычно дешевле и проще в производстве, и они могут быть изготовлены из высокопрочных материалов. Поскольку в них не используются постоянные магниты, нет опасений по поводу размагничивания и потерь, когда маховик вращается в вакууме. Однако из-за более низкой плотности мощности, ограниченной скорости и высокой температуры ротора они не являются наиболее подходящим кандидатом для сверхвысоких скоростей.Они также имеют низкий коэффициент мощности при небольшой нагрузке, высоком пусковом токе намагничивания, а регулирование скорости асинхронной машины сложнее по сравнению с машинами с постоянным магнитом и синхронными машинами с переменным магнитным сопротивлением.

Синхронные машины с переменным сопротивлением имеют низкие потери при запуске, они имеют высокий КПД, высокую удельную мощность и относительно легко рассеивают тепло. В них не используются постоянные магниты, поэтому нет проблем с размагничиванием и потерями, когда маховик вращается в вакууме.Роторы могут изготавливаться из высокопрочных и недорогих материалов. Однако они обладают сложными конструктивными особенностями, сложны в изготовлении, имеют низкий коэффициент мощности, имеют пульсации крутящего момента, вибрацию и шум, а их скорость трудно регулировать. У них также более высокая стоимость производства по сравнению с индукционными машинами.

Синхронные машины с постоянными магнитами имеют более высокую удельную мощность, эффективность, плотность крутящего момента, коэффициент мощности с диапазоном нагрузки и скорости, плотность нагрузки, более высокую скорость.Однако они имеют высокую стоимость из-за использования магнитов, риска размагничивания и сложных проблем управления температурным режимом.

Некоторые нестандартные конструкции машин также были исследованы для применения в маховиках для накопления энергии [57]. Безподшипниковые униполярные машины переменного тока, машины с осевым потоком на постоянных магнитах, многофазные электрические машины, машины с массивом постоянных магнитов Хальбаха [57]. Бессердечниковая машина с постоянными магнитами для применения в качестве накопителя энергии без вала с магнитным левитированием маховика представлена ​​в [58].В этой статье описывается использование статора без сердечника или железа и левитирующего маховика с магнитным подшипником. Таким образом, обмотку можно разместить на стационарной конструкции. Предлагаемая конструкция идентична существующей бессердечной машине для работы в вакууме и имеет удерживающую конструкцию на земле. Крепление обмоток к основанию с помощью удерживающих конструкций, расположенных на земле, отличается высокой прочностью, надежностью и простой механической конструкцией с точки зрения изготовления и обслуживания.

Требования к мощности, скорости и крутящему моменту для накопителя энергии с маховиком показаны на рис.51. Номинальная скорость ω ₁ , номинальный крутящий момент T _{номинальная} и номинальная мощность P _{номинальная} . Время, необходимое для зарядки маховика до номинальной скорости в моторном режиме, составляет т ₁ . В течение этого периода входная мощность и частота вращения маховика увеличиваются до номинальной мощности и номинальной скорости. В течение т ₁ до произвольного времени т ₂ маховик вращается с минимальной мощностью и крутящим моментом, обозначенными P ₁ и T ₁ , соответственно, в вакууме при постоянная номинальная скорость.Эта мощность зависит от типа двигателя, потерь и эффективности насоса, необходимого для создания вакуума.

Рис. 51. Требования к конструкции электрической машины для маховикового накопителя энергии.

Маховик работает в генераторном режиме в течение т _{2 от} до т ₃ и разряжается с постоянной мощностью, при этом его частота вращения снижается от номинального значения до ω ₂ об / мин .Временные интервалы t ₃ — t ₂ можно легко найти из кинетической энергии вращения Δ E и соотношения между мощностью и энергией следующим образом:

(57) ΔE = 12Jω12 − ω22

(58) Paverage = ΔEt3 − t2

, где J — момент инерции, ω ₁ и ω ₂ представляют начальную и конечную скорости маховика соответственно. В идеальном случае необходимое время, чтобы маховик достиг ω ₂ , при средней мощности P _{средняя} составляет t ₁ .Генератор должен обеспечивать постоянную мощность P _{номинальной} в течение т ₂ и т ₃ . Электродвигатель / генератор должен генерировать постоянную мощность P _{номинальной} при снижении скорости с ω ₁ и ω ₂ об / мин. Время t ₂ может быть любым произвольным временем в соответствии с требованиями к накоплению энергии. Кроме того, могут быть некоторые ограничения для t ₂ из-за работы маховика в условиях вакуума.

Завод Инжиниринг | Отличия электродвигателей от генераторов

Когда-то было экспериментальной новинкой, но теперь электричество стало неотъемлемой частью современной жизни. Электричество обеспечивает освещение, климат-контроль, развлечения и многое другое. Чтобы обеспечить электроэнергией, энергия преобразуется из других форм в электричество, приводя в действие системы и устройства, которые люди обычно принимают как должное.

Преобразование энергии из одной формы в другую — ключ к пониманию различий между электродвигателями и генераторами.Электродвигатель преобразует электричество в механическую энергию, обеспечивая источник энергии для машин. Генератор делает обратное, преобразовывая механическую энергию в электричество.

Несмотря на это существенное различие в функциях, электродвигатели и электрогенераторы тесно связаны своими основными механизмами и основной структурой. Оба опираются на важный закон физики: закон электромагнитной индукции Фарадея.

Закон электромагнитной индукции Фарадея: Электричество и магнетизм

Сегодня хорошо известно, что электричество и магнетизм — это два проявления одной фундаментальной силы, называемой электромагнетизмом.Считается, что электромагнитная сила, занимающая центральное место во Вселенной, как мы ее знаем, существовала в ее нынешней форме где-то между 10 ¹² и 10 ⁶ секундами после Большого взрыва.

В 1831 году физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, обнаружив тесную связь между наблюдаемыми явлениями магнетизма и электричества. Интересно, что в 1832 году другой исследователь, Джозеф Генри, открыл его независимо. Фарадей был первым, кто опубликовал свои открытия, и по сей день ему приписывают это открытие.Позже Джеймс Клерк Максвелл обнаружит способ математически сформулировать открытия Фарадея, что приведет к разработке уравнения Максвелла-Фарадея.

Закон индукции Фарадея — это закон физики, разработанный для точного прогнозирования и измерения того, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС). ЭМП преобразуют другие формы энергии, например механическую, в электрическую. Этот закон физики позволяет нам создавать как электродвигатели, так и электрические генераторы.Хотя эти два типа машин выполняют противоположные функции, они оба основываются на одних и тех же основных законах физики.

Электрогенераторы: преобразование механической энергии в электрическую

Согласно закону индукции Фарадея, всякий раз, когда происходит изменение магнитного поля в проводнике, таком как проволочная катушка, электроны вынуждены двигаться перпендикулярно этому магнитному полю. Это создает электродвижущую силу, которая создает поток электронов в одном направлении.Это явление можно использовать для выработки электричества в электрогенераторе.

Чтобы создать этот магнитный поток, магниты и проводник перемещаются относительно друг друга. Провода скручены в тугие катушки, увеличивая количество проводов и возникающую электродвижущую силу. Непрерывное вращение катушки или магнита при удерживании другого на месте приводит к постоянному изменению магнитного потока. Вращающийся компонент называется «ротор», а неподвижный компонент — «статором».«

Электрические генераторы делятся на две большие категории: «динамо-машины», вырабатывающие постоянный ток, и «генераторы переменного тока», вырабатывающие переменный ток.

Динамо-машина была первой формой электрического генератора, которая использовалась в промышленности. Во время промышленной революции он был изобретен независимо несколькими людьми. В электрическом динамо-машине используются вращающиеся катушки из проволоки и магнитные поля для преобразования механической энергии в постоянный ток (DC). Исторически динамо-машины использовались для выработки электроэнергии, часто с использованием пара в качестве источника необходимой механической энергии.

Сегодня электрическая динамо-машина находит мало применения, кроме нескольких маломощных приложений. Генераторы гораздо более распространены для производства электроэнергии. Этот тип генератора преобразует механическую энергию в переменный ток. Вращающийся магнит служит ротором, вращаясь внутри набора проводящих катушек на железном сердечнике, который служит статором. Когда магнитное поле вращается, оно генерирует переменное напряжение в статоре. Магнитное поле может создаваться либо постоянными магнитами, либо электромагнитом катушки возбуждения.

Генератор переменного тока в автомобиле, а также центральные электростанции, обеспечивающие электричеством в сеть, являются электрогенераторами.

Электродвигатели: от электрической энергии к механической

Электродвигатель работает противоположно электрическому генератору. Вместо того, чтобы превращать механическую энергию в электричество, электродвигатель принимает электричество и преобразует его в механическую энергию. Электродвигатели можно найти в самых разных сферах применения — от промышленного производственного оборудования до бытовой техники.Ротор вращает вал для создания механической энергии. Статор состоит из катушек или постоянных магнитов с сердечником из тонких листов, уложенных вместе. Эти слои, известные как ламинаты, создают меньше потерь энергии, чем сплошная сердцевина. Между ротором и статором есть небольшой воздушный зазор, который помогает увеличить ток намагничивания.

Хотя электродвигатели могут быть пьезоэлектрическими, электростатическими или магнитными, в подавляющем большинстве современных двигателей используются магниты. Некоторые предназначены для работы на постоянном токе, другие — на переменном токе.Вы можете найти электродвигатели всех размеров для впечатляюще широкого спектра применений. От крошечных моторов в часах с батарейным питанием до массивных электродвигателей, приводящих в действие промышленное производственное оборудование, — эта надежная, но элегантная технология занимает центральное место в современной жизни, какой мы ее знаем.

Как закон Фарадея изменил мир электродинамики

Хотя электродвигатели и электрические генераторы выполняют противоположные функции, они оба основываются на одном и том же физическом принципе: законе индукции Фарадея.В начале ^– века вклад Майкла Фарадея в изучение электричества и магнетизма не имел себе равных. Несмотря на слабое формальное образование и несмотря на то, что эмпирическое изучение физических явлений было относительно новой областью знаний, Фарадей, без сомнения, является одним из самых влиятельных ученых во всей истории человечества.

Монументальное открытие Фарадея — магнитные поля взаимодействуют с электрическими токами и создают электродвижущую силу — открыло двери современной электротехнике.Закон индукции Фарадея лежит в основе трансформаторов, электродвигателей, электрогенераторов, индукторов и соленоидов. Без этих знаний было бы невозможно разработать надежное оборудование, которое вырабатывает электроэнергию в сеть, или электродвигатели для питания других механизмов. Фактически, электродинамика, разработанная Фарадеем, а затем Максвеллом, также стала основным катализатором специальной теории относительности Альберта Эйнштейна.

Электродвигатели и электрогенераторы существенно отличаются друг от друга по своим функциям.Однако с точки зрения физики они иллюстрируют две стороны одной медали. Оба основаны на одних и тех же основных физических принципах, и понимание этих принципов способствовало развитию даже самых обычных современных технологий.

Дэвид Мэнни — администратор по маркетингу в L&S Electric. Эта статья изначально появилась в новом блоге L&S Electric Watts. L&S Electric является контент-партнером CFE Media.

Мотор-генераторные установки

Мотор-генераторная установка

Мотор-генераторные установки (MG) обеспечивают изоляцию нагрузки для компьютеров и других сложных электрических систем.Они также могут выполнять преобразование частоты и используются для тестирования трансформаторов.

• Прочный и надежный: конструкция мотор-генераторной установки по своей сути полностью изолирует генератор от входящей сети. Генератор и оборудование, на которое подается питание, защищены от провалов, скачков или скачков напряжения, которые могут вызвать повреждение.
• Генератор мотор-генераторной установки построен в соответствии со стандартами NEMA и не допускает коротких замыканий и перегрузок.
• Благородный дизайн и прецизионная конструкция позволяют мотор-генераторным установкам KATO ™ безотказно работать в течение десятилетий при лишь периодическом плановом обслуживании.У наших клиентов есть в повседневной эксплуатации генераторные установки, изготовленные тридцать лет назад.
• Kato Engineering обслуживает все свои устройства, даже те, которые считаются устаревшими по стандартам электронной промышленности.
• Тихая мощность с низким уровнем искажений: благодаря тщательной конструкции обмоток мы можем изготовить генератор с линейными искажениями до 1% THD. Обычно нейтраль на этих машинах не подключена, поэтому третья гармоника практически равна нулю для сбалансированной нагрузки.Путем использования оптимальной высоты звука пятая и седьмая гармоники могут быть существенно исключены, а разумное использование перекоса снижает высшие гармоники, включая гармоники слота.
Высоковольтные мотор-генераторные установки Kato Engineering
• допускают более высокое выходное напряжение, чем доступно с произвольными обмотками, что упрощает или исключает использование входного или выходного трансформатора.
• Наши мотор-генераторные установки также имеют много преимуществ по сравнению с твердотельными системами.

При входной частоте 50 или 60 Гц в стандартной комплектации доступны выходные частоты 50, 60 или 400 Гц.Для систем, разработанных по индивидуальному заказу, могут быть выбраны выходы с фиксированной частотой от 25 Гц до 1200 Гц, или мы можем обеспечить плавно регулируемую частоту с помощью частотно-регулируемого привода на двигателе. Мощность варьируется от 10 кВА до 25 000 кВА и выше, в зависимости от требований системы.

Как правило, Kato Engineering поставляет программируемую на заводе панель управления ПЛК для обеспечения полной системы преобразования энергии или изоляции. Панель обычно монтируется на единицу, но также может быть отдельно стоящей или настенной. Панель будет включать в себя пускатель двигателя, выходной автоматический выключатель, счетчик, защитное реле, регулятор напряжения и любые другие необходимые компоненты.Также доступно ручное и автоматическое параллельное подключение.

Наша базовая линия имеет следующие характеристики:

Дополнительные мотор-генераторные установки с органами управления

Переменная частота
Прохождение: доступно для всего диапазона кВА
Параллельные системы управления: доступно для диапазона кВА

Общие опции продукта

Всепогодные кожухи и воздушные фильтры
Крепление на прицепе
Распределительные панели
Индивидуальные системы управления
Ограниченный пускатель двигателя (более низкий пусковой ток, чем при полном напряжении)

Доступны стандарты и сертификаты

Особенности конструкции

Посмотреть брошюру