§74. Вращающееся магнитное поле

Электрические машины переменного тока подразделяются на два основных вида: асинхронные и синхронные. Принцип действия этих машин основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Двухполюсное магнитное поле. В двухполюсной машине переменного тока вращающееся поле создается при питании трехфазным током трех катушек (фаз) I, II, III, оси которых сдвинуты одна относительно другой в пространстве на 120° (рис. 245,а). Эти катушки расположены на неподвижной части машины — статоре; их соединяют «звездой» или «треугольником» и подключают к сети трехфазного переменного тока.

Рассмотрим более подробно, как образуется вращающееся магнитное поле в двухполюсной машине. Для этого изобразим картины магнитных полей (рис. 246), которые создаются в различные моменты времени всеми тремя катушками I, II и III при прохождении по ним переменных токов i₁, i₂ и i₃. При этом условимся считать ток в любой катушке положительным, когда он направлен от начала к ее концу, и отрицательным, когда он направлен от конца к началу. Начала катушек обозначены на рис. 246 буквами А, В, С, а их концы — X, Y и Z; направления токов в сторонах катушки показаны точками и крестиками. Как видно из графика изменения токов в катушках (рис. 245,б), в момент времени, соответствующий ?t = 0, i₁ = 0, i₂ отрицателен, i₃ положителен. Следовательно, по катушке I ток проходить не будет, в катушке II он будет направлен от конца Y к началу В, а в катушке III — от начала С к концу Z. Картина магнитного поля, образованного токами i₂ и i₃ (рис. 246, а), построена по правилу буравчика.

Если поместить внутри статора 1 с катушками постоянный магнит 2, то под действием магнитного поля, созданного катушками, он будет занимать горизонтальное положение. Направление результирующего поля внутри статора условно показано стрелкой. Через — периода (?t = 60°) ток i₁ будет иметь некоторое положительное значение, ток i₂ будет еще отрицательным, а ток i₃ станет равным нулю. Следовательно, в катушке I ток будет направлен от начала А к концу X, в катушке II — от конца У к началу В, а в катушке III тока нет. Направление результирующего магнитного поля, созданного катушками, при этом изменится, и магнит 2 повернется на угол 60° (рис. 246, б). Еще через 1/6 периода (?t=120°) ток i₁ будет все еще иметь положительное направление (см. рис. 245,б), ток i₂ станет равным нулю, а ток i₃ — отрицательным. При этом в катушке I ток будет направлен от начала А к концу X, в катушке II тока не будет, а в катушке III он будет направлен от конца Z к началу С. Созданное катушками магнитное поле снова изменит свое направление и магнит 2 опять повернется на угол 60° (рис. 246,б).

Продолжая рассматривать процесс прохождения токов i₁, i₂, i₃ по катушкам обмотки статора машины и определяя направление

Рис. 245. Схема пространственного расположения катушек на статоре двухполюсного асинхронного двигателя (а) и график изменения в них тока (б)

Рис. 246. Упрощенные картины магнитных полей, создаваемых токами i₁, i₂ и i₃ в фазах обмотки статора двухполюсного двигателя в различные моменты времени

Рис. 247. Схема включения катушек обмотки статора четырехполюсного двигателя (а) и картина возникающего магнитного поля (б)

созданного им магнитного поля (рис. 246, г,д, е), можно легко доказать, что в течение одного периода изменения тока магнитный поток машины, а следовательно, и находящийся в ее поле магнит повернутся на один оборот. Таким образом, при питании трехфазным током трех катушек, сдвинутых одна относительно другой на угол 120°, возникает магнитное поле, вращающееся в пространстве с постоянной частотой вращения n₁=60f₁ (здесь f₁ — частота изменения питающего напряжения), которую называют синхронной. Амплитуда результирующего потока, создаваемого всеми тремя катушками, в 1,5 раза больше максимального значения потока одной катушки. Полученное вращающееся поле имеет два полюса.

Магнитная индукция результирующего поля распределяется вдоль окружности статора и ротора по закону, близкому к синусоидальному. Это обеспечивается путем соответствующего выполнения обмотки статора: укладки проводников каждой фазы в нескольких рядом расположенных пазах, укорочения шага обмотки и скоса пазов.

Многополюсное магнитное поле. При размещении на статоре шести катушек А-Х; B-Y; C-Z; А’-Х’; В’-Y’ и C’-Z’, оси которых сдвинуты на угол 60°, и включении их, например, по схеме рис. 247, а возникает четырехполюcное вращающееся поле. Рис. 247, б иллюстрирует картину создаваемого катушками магнитного поля в момент времени ?t = 0 (см. рис. 245,б). Четырехполюсный постоянный магнит в рассматриваемый момент времени устанавливается, как показано на рис. 247,б. Частота вращения четырех-полюсного магнитного поля будет в 2 раза меньше, чем двухполюсного, так как за один период изменения тока оно поворачивается на угол, равный 180°. В общем случае, когда каждая фаза асинхронного двигателя состоит из р катушек, оси которых сдвинуты друг от друга по окружности статора на угол (360/р)°, а оси катушек разных фаз расположены под углами (120/р)°, возникает 2р-полюсное поле, частота вращения которого

n₁=60f₁/p (80)

При f = 50 Гц синхронная частота вращения n₁ для трехфазных машин с различным числом полюсов 2р будет равна:

Вращающееся магнитное поле можно получить также с помощью двух обмоток, сдвинутых по окружности на 90°, если пропускать по ним токи, сдвинутые по фазе на четверть периода, т. е. на 90° (двухфазный ток). Такое вращающееся магнитное поле используют в двухфазных электродвигателях.