ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Работа большинства современных электрических машин основывается на образовании вращающегося магнитного поля — феномене, возникающем при наложении нескольких пульсирующих полей, сдвинутых по фазе в пространстве. Принцип был открыт в 1888 году итальянским физиком Г. Феррарисом и, независимо от него, сербским инженером Н. Теслой. Без вращающегося магнитного поля машины переменного тока — асинхронные и синхронные двигатели, генераторы переменного тока, а также многие измерительные приборы, попросту не смогли бы существовать в том виде, в каком мы их знаем.
Именно благодаря этому полю:
- электроэнергия в двигателях превращается в механическую;
- в генераторах — наоборот, механическая энергия преобразуется в электрическую;
- а в приборостроении можно точно измерять параметры электрических цепей.
В этой статье мы подробно разберем условия получения вращающегося магнитного поля и принцип его формирования в электромоторах.
Но прежде напомним, что в “Первой редукторной компании” (“ПРК”) вы можете купить асинхронный двигатель с однофазной или трехфазной обмоткой по выгодной цене. Мы продаем агрегаты (моторы, редукторы, частотные преобразователи) в основном промышленного назначения под собственной торговой маркой. С официальной гарантией, всеми доступными деталями и комплектующими и сервисным обслуживанием.
Зачем нужно вращающееся магнитное поле (асинхронного двигателя в частности)
Здесь стоит вспомнить об устройстве электродвигателя: электрические машины, такие как асинхронные и синхронные моторы, работают за счёт взаимодействия поля с током, протекающим в проводниках. Для передачи механической энергии вращения ротору необходимо, чтобы поле внутри машины не оставалось статичным, а двигалось, создавая эффект "вращения". Именно это формирует момент, который приводит ротор в движение.
Возникает вопрос: как получить эту силу, не прибегая к механическим устройствам вроде вращающегося магнита? Это задача, которую решают электрические схемы с многофазными обмотками и переменным током.
Основные условия образования вращающегося магнитного поля в электромашинах
Чтобы получить эту силу, необходимо:
- Использовать многофазную систему переменного тока.
- Правильно расположить обмотки статора.
- Поддерживать синхронизацию параметров тока в фазах.
- Соблюдать конструктивную симметрию устройства.
- Применять материалы с высокими магнитными характеристиками.
Эти условия являются основой работы таких устройств, как асинхронные трехфазные двигатели, синхронные машины и многие другие электротехнические системы.
Рассмотрим подробнее, какие условия необходимы для создания вращающегося магнитного поля в электрических машинах.
Условие 1: многофазная система тока
Поле не может быть создано с использованием одного провода. Необходимо несколько фаз переменного тока, которые различаются по фазовому углу.
Этот принцип позволяет понять отличие трехфазного двигателя от однофазного: в последнем вращающееся поле отсутствует, его приходится искусственно создавать с помощью дополнительных обмоток и пусковых конденсаторов.
Напомним, однофазный асинхронный двигатель питается от обычной сети переменного тока с одним рабочим проводом и нейтралью. В однофазной системе ток меняет свою величину и направление, но магнитное поле остаётся пульсирующим, а не вращающимся, из-за чего требуется искусственный запуск ротора. Эти агрегаты просты в эксплуатации, но их мощность и эффективность ограничены и не подходят для промышленных задач.
Условие 2: размещение обмоток
По факту генератором вращающегося поля является ток, создаваемый с использованием многофазных обмоток. Обмотки статора размещаются в пазах, вырезанных по окружности внутренней поверхности статора. Для равномерного формирования поля необходимо, чтобы их оси были смещены на равные углы:
- В трехфазной системе это 120°;
- В двухфазной — 90°.
Такое расположение позволяет результирующему полю равномерно "вращаться" вокруг оси.
Рассмотрим на примере самой распространённой схемы вращающегося магнитного поля — трехфазной.
Представьте, что у нас есть три катушки (обмотки), которые размещены равномерно, под углом 120° друг к другу, как лучи трёхконечной звезды. Если через все катушки пропустить электрический ток, меняющийся по синусоиде с одинаковой частотой, но началом чуть сдвинутый во времени (по фазе), то каждая будет создавать своё переменное магнитное поле.
Теперь самое интересное:
- в определённый момент времени воздействие от одной катушки может быть максимальным;
- у другой — нулевым;
- а у третьей — направлено в противоположную сторону.
В следующую долю секунды их значения изменятся, и поля как бы «подтолкнут» друг друга, заставляя результирующее поле двигаться. Итоговое магнитное поле будет не пульсировать, а вращаться, будто создаётся одним физическим магнитом, который крутится вокруг центра.
В этом и состоит принцип создания вращающегося магнитного поля трёхфазных систем. Он лежит основе работы большинства электродвигателей и генераторов, потому что позволяет передавать энергию плавно и эффективно. Мы упоминали о нем в материале о том, как работает трехфазный двигатель в блоге “ПРК”.
Условие 3: синхронизация фаз
Чтобы поле вращалось равномерно, токи в фазах должны быть строго синхронизированы:
- Одинаковая амплитуда.
- Одинаковая частота.
- Постоянный фазовый сдвиг.
Если синхронизация нарушается, результирующее поле будет искажаться, что снизит эффективность работы машины и может вызвать вибрации.
Условие 4: конструктивная симметрия
Для стабильного вращения поля элементы статора (пазы, обмотки, магнитопровод) должны быть симметричными. Любые отклонения в геометрии или материалах приводят к неравномерности вращения.
Условие 5: использование ферромагнитных материалов
Магнитопровод статора выполняется из ферромагнитных материалов, таких как электротехническая сталь. Этот материал усиливает магнитное поле, минимизирует потери на намагничивание и позволяет концентрировать поле внутри статора. Для снижения потерь на вихревые токи магнитопровод изготавливается из тонких изолированных пластин.
Какое значение имеет феномен вращающегося магнитного поля на практике?
В этой статье мы говорим не просто о теоретическом явлении, а о силе, лежащей в основе работы многих устройств. Главное преимущество — это способность обеспечить непрерывное и равномерное вращение ротора электродвигателя.
В многофазной системе, например трёхфазной, магнитное поле статора вращается с постоянной скоростью. Если внутри такого статора разместить ротор (подвижную часть мотора), то вращающееся магнитное поле ротора будет стремиться синхронизироваться с полем статора. Эта синхронизация создаёт постоянный крутящий момент, который вращает ротор.
Это очень важно, потому что равномерность вращения означает стабильную работу пускового агрегата без рывков и перегрузок. Для сравнения, если бы упоминаемой нами силы не было, пришлось бы использовать механические или электронные системы, чтобы заставить ротор двигаться с постоянной скоростью, что усложнило бы конструкцию и увеличило износ.
Но это не все преимущества:
- Поле позволяет отказаться от использования щёток и коллекторов, которые в двигателях постоянного тока часто становятся причиной проблем, таких как износ, искрение и ограничения по скорости вращения. Благодаря передаче тока через обмотки статора, взаимодействие с ротором происходит без механического контакта, что повышает надёжность и долговечность устройства, а также позволяет использовать его в агрессивных средах, включая запылённые и взрывоопасные.
- Благодаря равномерному вращению поля, моторы на основе многофазного тока способны генерировать большую мощность при относительно небольших габаритах.
- Асинхронные двигатели могут легко адаптироваться к изменениям нагрузки. Когда нагрузка возрастает, частота вращения ротора немного снижается, что увеличивает скольжение (разницу между скоростью ротора и синхронной скоростью поля). Это автоматически увеличивает генерируемый крутящий момент.
- Одной из частых проблем электромоторов является рывок при старте, который может вызывать механический износ оборудования и перегрузку сети. В системах с вращающимся магнитным полем старт осуществляется плавно, поскольку поле развивается постепенно и равномерно втягивает ротор в движение. Это снижает износ деталей агрегата и уменьшает пусковой ток, что особенно важно для мощных промышленных моторов. Например, в насосных станциях плавный запуск предотвращает гидроудары в системе.
Итак, мы разобрали, как образуется вращающееся магнитное поле и в чем его смысл. Если остались вопросы — звоните по номеру, указанному на сайте. Менеджеры “ПРК” с удовольствием Вас проконсультируют.