Катушка возбуждения — это электромагнит, используемый для создания магнитного поля в электромагнитной машине, обычно вращающейся электрической машине , такой как двигатель или генератор . Она состоит из катушки провода, по которой течет ток.
Во вращающейся машине катушки поля намотаны на железный магнитный сердечник , который направляет линии магнитного поля. Магнитный сердечник состоит из двух частей: статора , который неподвижен, и ротора , который вращается внутри него. Линии магнитного поля проходят в непрерывной петле или магнитной цепи от статора через ротор и обратно через статор. Катушки поля могут быть на статоре или на роторе.
Магнитный путь характеризуется полюсами , расположениями под равными углами вокруг ротора, в которых линии магнитного поля проходят от статора к ротору или наоборот. Статор (и ротор) классифицируются по количеству полюсов, которые у них есть. Большинство конструкций используют одну катушку поля на полюс. Некоторые старые или более простые конструкции используют одну катушку поля с полюсом на каждом конце.
Хотя катушки поля чаще всего встречаются во вращающихся машинах, они также используются, хотя и не всегда с той же терминологией, во многих других электромагнитных машинах. Они включают простые электромагниты и сложные лабораторные приборы, такие как масс-спектрометры и машины ЯМР . Катушки поля когда-то широко использовались в громкоговорителях до того, как стали общедоступными легкие постоянные магниты.
Большинство [примечание 1] катушек постоянного тока генерируют постоянное статическое поле. Большинство трехфазных катушек переменного тока используются для генерации вращающегося поля как часть электродвигателя . Однофазные двигатели переменного тока могут следовать любой из этих схем:
Многие [примечание 1] вращающиеся электрические машины требуют передачи тока к (или извлечения из) движущегося ротора, обычно с помощью скользящих контактов: коммутатора или контактных колец . Эти контакты часто являются самой сложной и наименее надежной частью такой машины, а также могут ограничивать максимальный ток, который может выдержать машина. По этой причине, когда машины должны использовать два набора обмоток, обмотки, несущие наименьший ток, обычно размещаются на роторе, а обмотки с наибольшим током — на статоре.
Катушки возбуждения могут быть установлены как на роторе , так и на статоре , в зависимости от того, какой метод наиболее экономически эффективен для конструкции устройства.
В щеточном двигателе постоянного тока поле статическое, но ток якоря должен коммутироваться, чтобы постоянно вращаться. Это делается путем подачи питания на обмотки якоря на роторе через коммутатор , комбинацию вращающегося контактного кольца и переключателей. Асинхронные двигатели переменного тока также используют катушки возбуждения на статоре, ток на роторе подается индукцией в беличьей клетке .
Для генераторов ток возбуждения меньше выходного тока. [примечание 2] Соответственно, поле устанавливается на роторе и подается через контактные кольца. Выходной ток берется со статора, что позволяет избежать необходимости в сильноточных контактных кольцах. В генераторах постоянного тока, которые в настоящее время, как правило, устарели в пользу генераторов переменного тока с выпрямителями, необходимость коммутации означала, что щеточное устройство и коммутаторы все еще могут потребоваться. Для сильноточных низковольтных генераторов, используемых в гальваностегии , это может потребовать особенно большого и сложного щеточного устройства.
В первые годы развития генераторов поле статора претерпело эволюционное усовершенствование от одного биполярного поля до более поздней многополюсной конструкции.
Биполярные генераторы были универсальны до 1890 года, но в последующие годы их заменили многополярные магниты поля. Биполярные генераторы тогда производились только в очень малых размерах. [1]
Переходным этапом между этими двумя основными типами стал биполярный генератор с последовательными полюсами, в котором две катушки возбуждения располагались по кольцу вокруг статора.
Это изменение было необходимо, поскольку более высокие напряжения передают мощность более эффективно по тонким проводам. Чтобы увеличить выходное напряжение, генератор постоянного тока должен вращаться быстрее, но за пределами определенной скорости это непрактично для очень больших генераторов передачи мощности.
Увеличивая количество полюсных поверхностей, окружающих кольцо Грамма , можно заставить кольцо пересекать больше магнитных силовых линий за один оборот, чем базовый двухполюсный генератор. Следовательно, четырехполюсный генератор может выдавать в два раза больше напряжения, чем двухполюсный генератор, шестиполюсный генератор может выдавать в три раза больше напряжения, чем двухполюсный, и так далее. Это позволяет увеличить выходное напряжение без увеличения скорости вращения.
В многополюсном генераторе якорь и полевые магниты окружены круглой рамой или «кольцевым ярмом», к которому прикреплены полевые магниты. Это имеет преимущества прочности, простоты, симметричного внешнего вида и минимальной утечки магнитного поля, поскольку полюсные наконечники имеют наименьшую возможную поверхность, а путь магнитного потока короче, чем в двухполюсной конструкции. [1]
Катушки обычно наматываются эмалированной медной проволокой, иногда называемой магнитной проволокой . Материал обмотки должен иметь низкое сопротивление, чтобы уменьшить мощность, потребляемую катушкой возбуждения, но, что еще важнее, уменьшить тепловые потери , производимые резистивным нагревом . Избыточное тепло в обмотках является частой причиной выхода из строя. Из-за растущей стоимости меди все чаще используются алюминиевые обмотки. [ необходима цитата ]
Еще лучшим материалом, чем медь, за исключением его высокой стоимости, было бы серебро, поскольку оно имеет еще более низкое удельное сопротивление . Серебро использовалось в редких случаях. Во время Второй мировой войны в Манхэттенском проекте по созданию первой атомной бомбы использовались электромагнитные устройства, известные как калютроны, для обогащения урана . Тысячи тонн серебра были взяты взаймы из резервов Казначейства США для создания высокоэффективных катушек с низким сопротивлением для их магнитов. [2] [3]