8.8. Вращающееся магнитное поле

Магнитное поле, ось которого вращается, называется вращающимся магнитным полем. Если во время вращения значение магнитной индукции в воздушном зазоре на оси не меняется, то такое поле называют круговым вращающимся. Его можно изобразить на комплексной плоскости вращающимся вектором неизменной длины, конец которого описывает окружность.

Пусть в пазы статора уложены три одинаковые обмотки (рис. 8.20), оси которых сдвинуты в пространстве на угол (2π/3). Обмотки подключаются к источнику с симметричной системой фазных напряжений, соответственно будет симметрична и система токов в обмотках:

Каждый из токов создает пульсирующее поле, направленное вдоль оси своей катушки. Тогда и векторы магнитной индукции в воздушном зазоре на оси обмоток образуют симметричную трехфазную систему. Мгновенные значения индукции выражаются следующим образом:

Здесь – максимальное значение пульсирующего магнитного поля на оси каждой из обмоток, пропорциональное амплитуде тока. Если поместить эти векторы на комплексную плоскость, расположив их, как показано на рис. 8.22, то можно найти результирующий вектор суммированием составляющих:

Результат показывает, что ось магнитного поля вращается с постоянной угловой скоростью ω, равной угловой частоте синусоидальных токов в обмотках. Направление вращения – по часовой стрелке, а точнее – в сторону катушки с отстающим по фазе током. Величина магнитной индукции на оси постоянна и равна (рис. 8.23). Таким образом, с помощью трех обмоток, в которых протекает симметричная система токов, оси которых сдвинуты в пространстве на , можно получить круговое вращающееся магнитное поле с одной парой полюсов . Такое поле используется в трехфазных электродвигателях, синхронных и асинхронных.

Если удвоить число обмоток статора, создав магнитное поле с двумя парами полюсов , то скорость вращающегося магнитного поля уменьшится в 2 раза.

Очевидно, чтобы изменить направление вращения магнитного поля статора, достаточно поменять местами провода от двух фаз источника.

8.9. Принцип работы синхронного двигателя

Если в круговое вращающееся поле поместить постоянный магнит соответствующей конфигурации (ротор), то его магнитная ось, как и магнитная стрелка компаса, будет стремиться занять положение, совпадающее с осью внешнего поля, – положение, при котором энергия магнитного поля минимальна. Но поскольку ось внешнего поля вращается с угловой скоростью , то на постоянный магнит будет действовать вращающий момент, и он придет во вращение с той же скоростью. Если вместо постоянного магнита во вращающееся поле поместить рамку, витки которой обтекаются постоянным током (фактически электромагнит), то эффект будет тем же самым, т.е. угловая скорость вращения ротора .

В реальных машинах обмотка, к которой с помощью коллектора и щеток подводится постоянный ток, соответствующим образом уложена в пазы массивного ротора, выполненного из электротехнической стали. А обмотка статора, подключается к трехфазной электрической сети с симметричной системой напряжений, так что в зазоре ротор–статор создается вращающееся магнитное поле. Поменяв две фазы местами, можно изменить направление вращения поля на противоположное. А если увеличить число пар полюсов обмотки в p раз, то во столько же раз уменьшится скорость вращения магнитного поля статора и, следовательно, скорость вращения ротора.

Такой электродвигатель, скорость вращения ротора которого равна скорости вращения поля статора, называется синхронным. Эта скорость обычно оценивается в оборотах в минуту (об/мин): , где f – частота напряжения сети.

Синхронная машина обратима, т. е. она может работать не только в режиме двигателя, но и в режиме генератора. Если по обмотке ротора пропустить постоянный ток и ротор привести во вращение со скоростью  n, то в фазах обмотки статора будет индуктироваться симметричная трехфазная система ЭДС с частотой . При подключении к обмотке статора симметричной нагрузки в ней возникнет симметричная система токов. Машина при этом будет работать в режиме генератора.