2. Магнитное поле и параметры обмотки возбуждения. Явнополюсные и неявнополюсные см.

По своей конструкции статор СМ ничем не отличается от статора АМ: он набирается из листов электротехнической стали с выштампованными пазами, в которые закладывается обмотка статора. Листы изолируются друг от друга для уменьшения потерь на вихревые токи (возникающие из-за переменного электромагнитного поля).

Р отор СМ может быть явнополюсным и неявнополюсным.

Явнополюсный ротор: вал, на который крепятся полюса, также набираемые из листов электротехнической стали, но листы уже не изолируются, т. к. их пронизывает постоянный магнитный поток (м.п.) и вихревые токи не наводятся. На полюсах крепится ОВ, питаемая источником постоянного тока (возбудителем СМ).

В СМ статор якорь. На статоре находится якорная обмотка. Якорь ― та часть машины от которой отводится полезная мощность или к которой подводится потребляемая мощность. Индекс “a” значит якорь (от нем. Anker - якорь).

Рассмотрим генераторный режим: подводим к ОВ постоянный ток и раскручиваем ротор каким-то внешним двигателем. Полюса начнут вращаться, вместе с ними и поток, пересекая проводники трёхфазной обмотки статора и наводя там трёхфазную ЭДС и ток частоты f₁. Переменный ток создаст магнитный поток, вращающийся в ту же сторону что и ротор.

f₁ ― частота ЭДС в обмотке статора, p ― число пар полюсов, n₁ ― частота вращения ротора.

Частоты ротора и поля статора совпадают, потому машина и называется синхронной.

При генерации (на промышленную частоту f₁=50 Гц) частота вращения ротора n₁ определяется числом пар полюсов:

p, пар полюсов	1	2	3	4	5	6
n, об/мин	3000	1500	1000	750	600	500

Двигательный режим: включаем в сеть переменного тока СМ (питание на обмотку якоря (статор)), также запитываем постоянным током ОВ. Придаём ротору начальное вращение и тогда вращающийся магнитный поток статора увлечёт за собой ротор (взаимодействуя с током его ОВ) и тот его настигнет.

[Как раскрутить?? (Если ротор как-либо не подтолкнуть – он и не сдвинется ― машина без самозапуска) Либо внешним устройством, либо с помощью пусковой обмотки: просто трёхфазная обмотка в роторе (может быть и беличьей клеткой из приваренных стержней, сделанных из латуни – тогда у обмотки ротора будет большое сопротивление => большой пусковой момент): при пуске тот же механизм что и в АМ. Началось вращение ― но теперь на роторе есть и ОВ с током ― за счёт неё ротор догнал поле статора и начал вращаться с его же скоростью ― переменного потока через пусковую обмотку нет ― она своё дело сделала (сдвинула ротор с места) и больше никак не мешает.]

При больших скоростях явнополюсный ротор с его выступами в виде полюсов подвергается большим центробежным силам, и он может просто развалиться. [Чё делоть?] Поэтому на больших скоростях вращения используют неявнополюсные роторы.

Неявнополюсный ротор делается из массивной стальной поковки [Поковка — это металлическая заготовка круглой, квадратной формы] (не из листов ― надёжно как швейцарские часы ― монолит с фрезерованными пазами). В пазы укладывается, так же, как и в явнополюсной машине, обмотки катушечного типа. Но пазы занимают не всю обмотку: часть ротора без неё ― большой зуб ― вот он и есть так называемый неявный полюс. У неявнополюсной машины зазор практически равномерный, пренебрегая зубчатостью, нет межполюсного пространства [такая “впадина” в явнополюсной машине от полюса до полюса].

Торцевые части обмотки

Неявнополюсный

ротор

Явнополюсный

ротор

Магнитное поле и электромагнитные параметры ОВ

Магнитное поле ОВ. Рассмотрим явнополюсную СМ. ОВ питается постоянным током. Якорная обмотка разомкнута. Кроме поля взаимоиндукции (наводящего ЭДС в якорной обмотке) можно выделить и поля на торцах машины, а также между её полюсами. Эти поля мы считаем полями рассеяния. Далее будем говорить только о потоке взаимоиндукции ― основном магнитном потоке (м.п.).

Стараются сделать так, чтобы в статоре (якоре) была синусоидальная ЭДС. Для этого делается переменный зазор: посредине полюса расстояние меньше чем по краям. Задаётся коэф-том полюсной дуги α<1: соотн. между шириной полюса и полюсным делением τ:

Но до конца сделать распределение индукции в зазоре синусоидальным не удаётся. Реальную кривую распределения индукции можно разложить в ряд Фурье на гармоники. Среди них, благодаря конструктивным приёмам уменьшения высших гармоник, будет превалировать основная гармоника. Благодаря этому в теории эл. машин пренебрегают высшими гармониками и считают ЭДС синусоидальной. Поправки при рассмотрении СМ:

Коэффициент формы поля возбуждения

Где ― амплитуда первой гармоники индукции м.п., ― максимальная индукция в зазоре. Величина зависит от , и от коэффициента полюсной дуги

Обычно , , ― близко к 1.

МДС ОВ на 1 полюс:

Где ― полное число витков ОВ, ― ток в ней, 2p ― число всех полюсов.

Амплитуда основной гармоники поля возбуждения:

коэффициент воздушного зазора ― учитывает неравномерность зазора, а ― коэффициент намагничивания по оси d (вдоль полюса) учитывает насыщение железа. ―эквивалентный зазор.

[Пояснение: в однородном зазоре без учёта гистерезиса по закону полного тока было бы просто – сумма токов делить на величину зазора, но у нас ]

П оток основной гармоники поля возбуждения, приходящийся на 1 полюсное деление:

Для неявнополюсной СМ:

На рисунке представлено 1 полюсное деление τ в развёрнутом виде. Считая распределение индукции B равномерным (где катушки ОВ) и постоянным (где большой зуб), представив распределение индукции в виде трапеции. ― отношение обмотанной части окружности ротора ко всей длине окружности ротора или же отношение числа обмотанных пазов к полному числу пазовых делений [или отношение числа пазов к числу пазов, если б у ротора не было большого зуба]. Обмотанные части двух верхних четвертей окружности по . Между ними ( (см. картинку выше).

Разложим трапецию в ряд Фурье по известной (ну-да, ну-да) формуле. Амплитуда первой гармоники:

Отсюда найдём коэффициент формы поля возбуждения для неявнополюсной СМ:

Обычно , откуда 👍

Магнитная цепь СМ аналогична магнитной цепи МПТ: есть полюс, зазор, якорь, зубцы якоря и другой полюс. Её расчёт аналогичен расчёту магнитной цепи МПТ. В результате ― кривая насыщения (намагничивания) как и для МПТ.