Вращающееся магнитное поле и его особенности

В асинхронном двигателе фазные обмотки статора подобно пер­вичной обмотке трансформатора получают энергию из трехфазной сети. Токи обмоток статора возбуждают в машине вращающееся магнитное поле, а последнее индуктирует ЭДС в замкнутой накоротко (или на пусковой реостат) обмотке ротора. Взаимодействие токов ротора, воз­никающих под действием этой ЭДС, с вращающимся магнитным по­лем вынуждает ротор вращаться по направлению вращения поля. Но чем быстрее вращается ротор, тем меньше индуктируемые в нем токи.

Характеристики вращающегося магнитного поля зависят от спо­соба геометрического расположения фазных обмоток статора.

Двухполюсное вращающееся поле. Для получения двухполюсного вращающегося поля необходимо три одинаковые фазные обмотки расположить на статоре так, чтобы углы между их осями были равны 120° (рис. 14.7, в). Если фазные обмотки соединить по схеме звезда (рис. 14.7, а) (или треугольник) и подключить к трехфазному источ­нику электрической энергии, то в витках катушек появятся токи i_A = I_m sin _t, i_B = I_m sin ( t — 120°), i_c = I_m sin ( t — 240°)(рис. 14.7, б). Токи фазных обмоток создают магнитные поля. На рис. 14.7, в показаны направления векторов индукции магнитных по­лей, создаваемых каждой катушкой вдоль своей оси:

В_А = В_т sin t;

B_B = B_msim( t -120^o); (14.1)

В_с =B_m sin ( t -240°).

Эти магнитные индукции складываются векторно, образуя маг­нитную индукцию результирующего поля.

Свойства результирующего поля удобно определить через его со­ставляющие по двум взаимно перпендикулярным осям х и у, причем оси х дадим направление оси катушки фазы А.

Определим теперь составляющую результирующего магнитного поля вдоль оси х. Она равна алгебраической сумме проекций на эту ось мгновенных значений трех индукций:

В_х = В _А cos 0° + В_в cos (— 120°) + В_с cos (— 240°) = = В_А + В_в (— 1/2) + В_с (— 1/2).

Подставив выражения индукций из (14.1), получим:

=1,5В_msin t.

(14.2)

Составляющая результирующего магнитного поля по оси у будет:

В_у = В a sin 0° + В_в sin (— 120°) + В_с sin (— 240°) =

= В_в(- /2)+В_с /2,

нли после подстановки значений индукций из (14.1):

(14.3)

Результирующая магнитная индукция

B_рез = = 1,5 В_т = l,5 B_m, (14.4)

т. е. результирующее магнитное поле постоянно по значению, а угол , образуемый его магнитными линиями с осью у, определяется из усло­вия

tg а = В_Х/В_У = sin t /cos ti = tg t.

Следовательно,

= t.

Результирующее магнитное поле вращается в плоскости осей ка­тушек по часовой стрелке с угловой скоростью . Оно последова­тельно совпадает по направлению с осью той из фазных обмоток, ток в которой достигает максимального значения, т. е. оно вращается в направлении последовательности фаз трехфазной системы токов в фаз­ных обмотках.

Чтобы изменить направление вращения магнитного поля, доста­точно изменить порядок подключения двух любых фазных обмоток асинхронной машины к трехфаз­ному источнику электрической энергии, например, как показа­но на рис. 14.7, а штриховой линией.

На рис. 14.8, а приведена общая картина распределения магнитных линий вращающего­ся магнитного поля двухполюс­ной асинхронной машины для некоторого момента времени t₁. Распределение индукции В в зазоре между статором и ротором в зависимости от расстояния, принятой за начало отсчета, для моментов времени t₁ и t₂ > t₁ показано на рис. 14.8, б. Линейная скорость пере­мещения магнитного поля вдоль зазора определяется диаметром ста­тора D и равна v = D /2. При стандартной частоте переменного тока (f= 50 Гц) магнитное поле двухполюсной асинхронной машины делает п = 50 60 = 3000 об/мин. На практике в большинстве слу; чаев требуются двигатели с меньшей частотой вращения. Это дости­гается применением многополюсных обмоток статора.

Многополюсное вращающееся поле. В многополюсной обмотке ста­тора каждой паре полюсов вращающегося поля соответствует одна катушечная группа в каждой фазной обмотке, т. е. всего три кату­шечные группы для трех фазных обмоток. Следовательно, если поле должно иметь р пар полюсов, то все три фазные обмотки статора должны быть разделены на

k = 3р (14.5)

равных частей, т. е. р частей на каждую фазу.

В качестве примера на рис. 14.9 дана упрощенная схема шести-полюсной (р = 3) обмотки статора. В двухполюсной обмотке угол между сторонами одной катушечной группы равен 180°, а в мно­гополюсной — 180°/р, в частности, в шестиполюсной обмотке (рис. 14.9) этот угол 180°/3 = 60°.

Рис. 14.9.

В данном случае все фазные обмотки разделены на Зр = 9 частей, а каждая фазная обмотка — на три части. На упрощенной схеме каждая часть фазной обмотки изображена в виде одновитковой секции и соединения нанесены только для фазы А, при­чем соединения на тыльной торцевой стороне сердечника статора показаны штриховой линией. На рис. 14.9 изображены также кривые мгновенных значений трехфазной системы токов статора. Картины магнитного поля 1— 4 даны для четырех различных моментов t₁ — t₄.

На крайнем левом рисунке показано направление токов в провод­никах рассматриваемой обмотки в момент t₁ когда ток первой фазы имеет амплитудное значение. В соответствии с направлениями токов линии магнитного поля машины в трех местах входят в ротор и в трех выходят из него, образуя, таким образом, три пары полюсов (р = 3).

В некоторый следующий момент t₂ направления токов, а вместе с ними и положение магнитного поля машины соответственно изме­няются и т. д. Магнитное поле машины за время одного периода пере­менного тока поворачивается на одну треть окружности, т. е. на рас­стояние, соответствующее дуге, занимаемой тремя участками фазных обмоток на статоре. Эта часть окружности статора соответствует двум полюсам (2р) вращающегося магнитного поля машины и называется двойным полюсным делением (2 ). Следовательно, полюсное деление т есть часть дуги окружности статора, соответствующая одному полюсу магнитного поля, т. е.

= D/2р, (14.6)

где D — внутренний диаметр сердечника статора.

За один период Т переменного тока вращающееся поле поворачи­вается на двойное полюсное деление (2 ), а полный оборот оно делает за р периодов. Следовательно, в секунду поле делает 1 / pT = f/p обо­ротов, а частота вращения, об/мин, составит:

N1=f 60/р. (14.7)

На рис. 14.10 приведена характеристика распределения индукции В магнитного поля вдоль зазора для шестиполюсной машины для мо­ментов времени t₁ и t₂, если отсчет расстояния zвдоль зазора аналоги­чен рис. 14.8, а.