Электромеханическое преобразование энергии в задачах электротехники

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ 
СЕРИИ «МОНОГРАФИИ НГТУ» 
 
 
д-р техн. наук, проф. (председатель)  А.А. Батаев 
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя)  А.Г. Вострецов 
д-р техн. наук, проф. (отв. секретарь)  В.Н. Васюков 
 
д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода 
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов 
д-р физ.-мат. наук, проф. А.К. Дмитриев 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский 
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев 
д-р физ.-мат. наук, проф. О.В. Кибис 
д-р социол. наук, проф. Л.А. Осьмук 
д-р техн. наук, проф. Н.В. Пустовой 
д-р техн. наук, проф. Г.И. Расторгуев 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев 
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик 
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов 
д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина 
д-р техн. наук, проф. В.А. Хрусталев 
д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко 
 

 

 

 

УДК 621.314:621.3 
   Н 46 
 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор А.И. Алиферов 
канд. техн. наук, доцент Ф.Э. Лаппи 
  
 
 
 
 
Нейман В.Ю. 
Н 46  
Электромеханическое преобразование энергии в задачах 
электротехники: монография / В.Ю. Нейман. – Новосибирск:  
Изд-во НГТУ, 2019. – 204 с. – (Серия «Монографии НГТУ»). 

 
ISBN 978-5-7782-4023-0 

Рассматриваются различные подходы в вопросах анализа электромеханических процессов в движущихся элементах электромеханики. 
Особое внимание уделяется вопросам энергопреобразования и определения электромагнитных сил в динамических режимах работы электромеханических устройств с постоянной и переменной индуктивностью. 
Монография представляет интерес для широкого круга научных 
работников и аспирантов, занимающихся расчетами и анализом электромеханических устройств различного назначения, а также может 
служить пособием для магистрантов направления «Электроэнергетика 
и электротехника» при решении научных и прикладных задач электротехники. 
 
УДК 621.314:621.3 
 
 
 
ISBN 978-5-7782-4023-0 
 Нейман В.Ю., 2019 
 
 Новосибирский государственный 
 
    технический университет, 2019 

 

УДК 621.314:621.3 
   Н 46 
 
 
 
 
 
Reviwers: 
Professor A.I. Aliferov, D.Sc. (Eng.) 
Associate Professor F.E. Lappi, PhD (Eng.) 
 
 
 
 
 
Neiman V.Yu. 
Н 46  
Electromechanical conversion of energy in electrical engineering 
problems: monograph / V.Yu. Neiman. – Novosibirsk: NSTU Publishers, 2019. – 204 p. – (“NSTU Monographs” series).  

 
ISBN 978-5-7782-4023-0 

The monograph describes various approaches to the analysis of electromechanical processes in moving electromechanical components. Special attention is paid to problems of energy conversion and determining electromagnetic forces in dynamic operating modes of electromechanical devices 
with constant and variable inductances.  
The monograph can be of interest to a wide circle of researchers and 
postgraduate students concerned with calculations and analysis of electromechanical devices of various applications. It can also serve as a guidebook 
for MSc students majoring in electric power engineering and electrical engineering to solve research and application problems of electrical engineering. 
 
 
УДК 621.314:621.3 
 
 
ISBN 978-5-7782-4023-0 
 
 Neiman V.Yu., 2019 
 
 
 Novosibirsk State  
 
 
    Technical University, 2019 

 

ÂÂÅÄÅÍÈÅ 

 настоящей монографии излагаются результаты исследований 
автора, выполненных за период с 2003 по 2012 год под руководством д-ра техн. наук, профессора Леонида Ивановича Малинина. 
В основное содержание книги, за исключением второй главы, вошли 
материалы совместных с руководителем научных статей, опубликованных в рецензируемых научных изданиях, в том числе дискуссионного характера. 
Творческий процесс работы соавторов над монографией по разным 
причинам откладывался на неопределенный срок и ограничивался 
лишь уровнем определения ее структуры. Последняя редакция получила одобрение при жизни Л.И. Малинина в 2013 году, в которую, по его 
предложению, были включены материалы, опубликованные им ранее с 
другими соавторами. 
По этическим соображениям рассмотренная структура, определяющая основную содержательную часть результатов исследований, была существенно переработана, в ней сохранены материалы лишь совместных с автором научных результатов. 
Полагаю, что вынужденная необходимость по изменению содержания монографии, представленной в авторской редакции, и фрагментарный характер результатов исследований, существенно не отразились на 
ее актуальности и востребованности среди специалистов, занимающихся вопросами энергопреобразования движущихся устройств электромеханики. 
Особенно хотелось бы обратить внимание на результаты, основанные на исследовании электромеханических процессов, связанных со 
скоростью механического движения, вызвавшие неоднозначную реакцию среди специалистов в ходе апробации и рецензирования материа
В 

 

лов. Тем не менее следует отметить, что при исследовании нестационарных процессов весьма удобным и эффективным может оказаться 
применение физико-математического аппарата Максвелла–Минковского для медленно движущихся сред и метода Эйлера. 
В противопоставление аппарату Максвелла–Минковского и методу 
Эйлера в работе приводится классический подход к анализу электромеханических процессов для устройств с переменной индуктивностью, 
основанный на гипотезе стационарности. Его отличие в том, что он 
позволяет реализовать представление о динамике электромеханических устройств по характеристикам поля, присущее статическим режимам. При определенных условиях это также дает положительные 
результаты и является удобным инструментом анализа динамических 
режимов работы, широко применяемых для исследования электромеханических устройств различного назначения. 
Следует понимать, что изложенные в монографии материалы не 
претендуют на полные ответы на поставленные вопросы, однако могут оказаться в некоторой степени полезными для научных работников, аспирантов и магистрантов, работающих в данной области исследований. 
В первой главе получено решение релятивистских уравнений электродинамики Максвелла–Минковского для электромеханических устройств в случае медленно движущихся линейных электропроводящих 
сред с постоянными во времени параметрами и в случае нелинейных 
проводящих движущихся сред с релаксационными процессами. Определены условия существования и параметры истинных бегущих волн с 
затуханием и квазиволн в линейных средах. Установлено обобщенное 
условие реализации истинных бегущих волн в нелинейной среде, существующих как в установившихся, так и в переходных процессах. 
Описан технический способ организации бегущих волн в нелинейной 
среде. Кроме того, включен вопрос определения параметров поляризованных сред, обусловленных релаксационными процессами. Показано, 
что поляризованная вещественная среда с релаксационными процессами характеризуется вещественными восприимчивостями и проницаемостями в отношении компонентов электромагнитного поля, которые 
представляют собой функции соответствующих статических параметров, частоты и времени. На основании исследований уравнений поля

ÂÅÄÅÍÈÅ 

 
9 

ризации показано, что применяемые в настоящее время комплексные 
параметры являются формальными ошибочными образованиями. 
Во второй главе рассмотрены традиционные подходы в решении 
вопросов энергопреобразования электромеханических устройств с переменной индуктивностью, основанные на гипотезе стационарности, 
т. е. возможности применения формул для энергии и сил, присущих 
статическим магнитным полям. В зависимости от вида переходной динамической характеристики показаны расчетные соотношения для 
производимой работы и действующих в системе электромагнитных 
сил без учета динамической реакции якоря. Рассмотрены параметры 
режимов работы электромагнитных двигателей (ЭМД), характеризующих процесс движения якоря ненасыщенного ЭМД для двигательного 
режима и в случае отрыва якоря внешними силами, сопровождаемого 
генераторным эффектом. Для линейной среды установлена предпочтительность в использовании магнитных циклов и режимов их энергопреобразования, формально характеризующих процесс движения якоря, из условия реализации максимального КПД. Исходя из равенства 
кинетической энергии в конце движения якоря и механической работы 
сил по перемещению якоря, рассмотрены предельные динамические 
режимы функционирования ЭМД относительно максимальной скорости и энергии в занятом им объеме. Рассмотрены существующие подходы в определении электромагнитных сил ЭМД. 
Третья глава посвящена энергетическим соотношениям и электромагнитным силам в динамических процессах при расчетах электромеханических устройств. Приводится решение задачи о допустимости 
применения гипотезы стационарности с указанием области применения, что позволяет простыми средствами провести грубые оценочные 
расчеты и установить проявление динамической реакции якоря движущегося линейно электромеханического устройства. Показана связь 
независимых переменных и их производных в координатах Лагранжа и 
Эйлера при описании электромеханических процессов, а также рассмотрены функциональные зависимости динамических переменных 
электромеханических устройств с постоянной и переменной индуктивностью. Подтверждена зависимость напряжения преобразования 
энергии от системы координат. Последовательно рассматривается вопрос по определению динамической электромагнитной силы при движении линейного электрического контура во внешнем электромагнит

ном поле, а также при изменении собственной индуктивности и тока 
по координате перемещения в ЭМД. На основе выполнения баланса 
мощности в электромеханической системе рассмотрена математическая модель ЭМД постоянного тока, отличающаяся от уже известных 
содержанием уравнений в частных производных в координатах Эйлера 
и отражающая влияние вихревых токов и динамической реакции якоря. 
В четвертой главе рассматриваются общие вопросы практического 
применения теории электрических цепей к задачам электротехники.  
В частности, рассмотрены теоретические основы определения интегральных характеристик тока тяговых электроприводов постоянного 
тока при взаимодействии с контактной сетью. Обоснован метод эквивалентирования переменного сопротивления контактной сети. Показано, что при наличии в приводе переменных во времени сопротивлений 
понятия действующего и среднеквадратичного значения тока различаются для динамических режимов движения. Для эквивалентирования 
источников электроэнергии на классической основе показано, что 
условие неизменности токов и напряжений ветвей, не затронутых при 
преобразованиях схем с источниками электроэнергии, является частным критерием эквивалентности ввиду изменения энергетического 
состояния электрических схем при их преобразованиях. На основе 
энергетического баланса предложен новый подход эквивалентирования источников электроэнергии, использующий в своей основе равенство мощностей этих источников и тепловых потерь.