Катушка возбуждения — это электромагнит , используемый для создания магнитного поля в электромагнитной машине, обычно во вращающейся электрической машине , такой как двигатель или генератор . Он состоит из катушки с проволокой, по которой течет ток.
Во вращающейся машине катушки возбуждения намотаны на железный магнитный сердечник , который направляет линии магнитного поля. Магнитный сердечник состоит из двух частей; статор , который неподвижен, и ротор , который вращается внутри него. Линии магнитного поля проходят по непрерывной петле или магнитной цепи от статора через ротор и снова через статор. Катушки возбуждения могут располагаться на статоре или роторе.
Магнитный путь характеризуется полюсами , расположенными под равными углами вокруг ротора, в которых линии магнитного поля переходят от статора к ротору или наоборот. Статор (и ротор) классифицируются по количеству полюсов. В большинстве устройств используется одна катушка возбуждения на полюс. В некоторых старых или более простых устройствах используется одна катушка возбуждения с полюсами на каждом конце.
Хотя катушки возбуждения чаще всего встречаются во вращающихся машинах, они также используются, хотя и не всегда с той же терминологией, во многих других электромагнитных машинах. К ним относятся как простые электромагниты , так и сложные лабораторные приборы, такие как масс-спектрометры и машины ЯМР . Катушки возбуждения когда-то широко использовались в громкоговорителях до того, как стали широко доступны легкие постоянные магниты.
Большинство [примечание 1] катушек постоянного тока генерируют постоянное статическое поле. Большинство катушек трехфазного переменного тока используются для создания вращающегося поля в составе электродвигателя . Однофазные двигатели переменного тока могут работать по любой из этих схем:
Многие [примечание 1] вращающиеся электрические машины требуют, чтобы ток передавался (или отводился от) 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 в машинах необходимо использовать два набора обмоток, обмотки с наименьшим током обычно размещаются на роторе, а обмотки с наибольшим током - на статоре.
Катушки возбуждения могут быть установлены либо на роторе , либо на статоре , в зависимости от того, какой метод является наиболее экономичным для конструкции устройства.
В коллекторном двигателе постоянного тока поле статично, но ток якоря должен коммутироваться, чтобы он постоянно вращался. Это достигается путем подачи питания на обмотки якоря ротора через коммутатор , представляющий собой комбинацию вращающегося контактного кольца и переключателей. В асинхронных двигателях переменного тока также используются катушки возбуждения на статоре, при этом ток на ротор подается за счет индукции в «беличьей клетке» .
Для генераторов ток возбуждения меньше выходного тока. [примечание 2] Соответственно, поле монтируется на роторе и подается через контактные кольца. Выходной ток берется из статора, что позволяет избежать необходимости использования сильноточных контактных колец. В генераторах постоянного тока, которые в настоящее время в целом устарели в пользу генераторов переменного тока с выпрямителями, необходимость коммутации означала, что щетки и коммутаторы все еще могут потребоваться. Для сильноточных низковольтных генераторов, используемых в гальванике , могут потребоваться особенно большие и сложные щеточные механизмы.
В первые годы разработки генераторов поле статора претерпело эволюционное усовершенствование от одиночного биполярного поля до более поздней многополюсной конструкции.
Биполярные генераторы были универсальными до 1890 года, но в последующие годы их заменили магниты многополярного поля. Биполярные генераторы тогда производились только очень маленьких размеров. [1]
Промежуточным этапом между этими двумя основными типами стал биполярный генератор с последовательными полюсами с двумя катушками возбуждения, расположенными кольцом вокруг статора.
Это изменение было необходимо, поскольку более высокие напряжения более эффективно передают мощность по проводам меньшего диаметра. Чтобы увеличить выходное напряжение, генератор постоянного тока должен вращаться быстрее, но за пределами определенной скорости это непрактично для очень больших генераторов передачи энергии.
Увеличивая количество полюсных граней, 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 большее напряжение, чем двухполюсный генератор, шестиполюсный генератор может выдавать в три раза большее напряжение, чем двухполюсный, и так далее. Это позволяет увеличить выходное напряжение без увеличения скорости вращения.
В многополярном генераторе якорь и полевые магниты окружены круглой рамкой или «кольцевым ярмом», к которому прикреплены полевые магниты. Это имеет преимущества прочности, простоты, симметричного внешнего вида и минимальной магнитной утечки, поскольку полюсные наконечники имеют минимально возможную поверхность и 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 более важно, уменьшить отходящее тепло , выделяемое при резистивном нагреве . Избыточное тепло в обмотках является частой причиной выхода из строя. Из-за растущей стоимости меди все чаще используются алюминиевые обмотки. [ нужна 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 заимствованы из резервов Казначейства США для создания высокоэффективных катушек возбуждения с низким сопротивлением для их магнитов. [2] [3]