Асинхронные бесколлекторные машины.

3.2.1. Магнитное поле катушки с синусоидальным током.

Магнитное поле одной катушки, по которой протекает синусоидальный ток, представляет собой пульсирующее (т.е. поле, вектор магнитной индукции которого изменяется – пульсирует – вдоль оси создающей его катушки с током), а не вращающееся магнитное поле. На рис. 3.10, а изображена катушка, по которой проходит синусоидальный ток i = I_m sinωt. Магнитное поле катушки характеризуется вектором магнитной индукции .

Рис 3.10

Направление определяется направлением намотки катушки и направлением тока в ней в данный момент времени. Пусть буква Н означает начало, а K — конец катушки. Если ток входит в зажим Н и выходит из зажима K (это направление тока будем считать положительным: ему соответствует интервал времени от 0 до π), то вектор магнитной индукции направлен вверх по осевой линии катушки. В следующий полупериод, когда ток отрицателен, вектор направлен вниз (пунктир на рис. 3.10, а). Таким образом, геометрическим местом концов вектора является ось катушки.

3.2.2. Круговое вращающееся магнитное поле

Многофазные системы позволяют легко получать вращающееся магнитное поле. Для этого применяется система индукторов, оси которых расположены в одной плоскости под углами — (р — число индукторов, равное числу фаз)

Рассмотрим в качестве примера получение вращающегося магнитного поля с помощью трехфазного тока, как это показано на рис. 3.11. Пусть каждый из трех индукторов питается от отдельной фазы и создает вдоль своей оси переменное магнитное поле амплитуды B _m. Тогда величины этих полей выразятся формулами:

(3.9)

Рис.3.11

Определим теперь величину и направление вектора суммарного поля, для чего вычислим его проекции B_х и B_у. Каждая из них выразится суммой проекций отдельных полей, причем, как видно из рисунка, их направления образуют с осью х, соответственно, углы :

(3.10)

После разложения синуса и косинуса суммы углов и подстановки численных значений тригонометрических функций, получим:

(3.11)

Теперь нетрудно вычислить абсолютную величину полного значения поля, которая оказывается не зависящей от времени:

(3.12)

Направление вектора B можно характеризовать углом φ, который он образует с осью х, причем

(3.13)

т. е. угол φ = ωt + kπ и возрастает со временем линейно. Другими словами, вектор полного поля вращается равномерно в плоскости ху с угловой скоростью ω. Таким образом, круговое вращающееся магнитное поле представляет собой магнитное поле, вектор результирующей магнитной индукции которого имеет постоянное значение и вращается с постоянной угловой скоростью

В рассматриваемом случае мы получили вращение против часовой стрелки. Для смены направления вращения достаточно переменить местами любые две фазы.

3.2.3. Принцип работы асинхронного двигателя.

Наиболее распространенным в промышленности типом двигателя переменного тока является трехфазный асинхронный двигатель. В нем имеется неподвижная часть — статор, в пазах которого помещены три катушки, создающие круговое вращающееся магнитное поле, и подвижная часть — ротор, в пазах которого находятся три замкнутые на себя или на внешнее сопротивление катушки (рис. 3.12).

Рис. 3.12

Катушки на рис. 3.12 даны в разрезе, торцовые части катушек не показаны; каждая из катушек занимает лишь небольшую часть окружности статора (или ротора). В действительности каждая из катушек (прямые и обратные провода ее) занимает около 1/3окружности расточки статора (или окружности ротора). Вал ротора двигателя соединен с валом рабочей машины. Допустим, что сначала ротор неподвижен. При этом вращающееся магнитное поле, созданное обмотками статора, пересекает провода катушек неподвижного ротора с угловой частотой ω и наводит в них э.д.с. Под действием этой э.д.с в проводах катушек ротора возникает ток i, что приводит к возникновению механической силы F, приложенной к проводнику:

F =αl_niBsinγ,

где α – коэффициент, зависящий от выбора единиц измерения; γ – угол между вектором индукции B и направлением тока; l _n – длинапроводника; B – величина индукции.

Направление силы легко определить, применяя правило Ленца, согласно которому будет действовать сила, приводящая к уменьшению индуцируемого тока. Данное условие будет выполняться при уменьшении скорости перемещения проводника относительно магнитного поля, что возможно, только если направление движения проводника совпадает с направлением перемещения поля.

Следовательно, сила направлена в сторону вращения магнитного поля, и ротор двигателя будет вращаться в этом же направлении. Если скорости проводника и поля станут одинаковыми, то э.д.с. в роторе индуцироваться не будет, т.е. i = 0, а, следовательно, и F = 0. Таким образом, ротор всегда будет вращаться с угловой скоростью ω _р, несколько меньшей, чем угловая скорость магнитного поля ω_п, и синхронное вращение оказывается принципиально невозможным. Отсюда и название таких двигателей — асинхронные.

Разница в скорости ротора и поля определяется коэффициентом скольжения S и обычно оценивается в процентах:

(3.14)

Обычно при номинальной нагрузке S ≈ 2% у мощных двигателей и доходит до S ≈ 5% у маломощных ( Р < 1 квт ).

Необходимо подчеркнуть чрезвычайную простоту такого двигателя. Ток в роторе возникает благодаря индукции, следовательно, никаких конструкций для подведения тока к нему (колец, щеток) не требуется. Ток в роторе будет возникать, даже если он представляет собою сплошной кусок металла, в силу чего конструктивно ротор может быть сделан очень простым.

Электрические двигатели, работающие по этому принципу, называют асинхронными.

3.2.4. Синхронный двигатель.

Если вместо короткозамкнутой рамки в магнитном поле поместить постоянный магнит или электромагнит с постоянным током в его обмотке, то благодаря взаимодействию вращающегося поля с полем постоянного магнита образуется вращающий момент, также направленный в сторону вращения поля.

Постоянный магнит в постоянном магнитном поле стремится занять положение, при котором ось полюсов магнита в направлении от южного полюса к северному совпадает с направлением внешнего поля. В случае же вращающегося поля постоянный магнит «увлекается» за полем, т. е. вращается в ту же сторону и с той же скоростью, что и поле, т.е.:

ω _р = ω _п

Электрические двигатели, работающие по такому принципу, называют синхронными.

Дата добавления: 2015-12-07