Принципы работы синхронных электродвигателей

В этой статье я постараюсь «на пальцах», без сложных формул и прочей, ненужной для общего понимания, мути рассказать, как работают синхронные электродвигатели, почему они называются синхронными и какие имеют общие особенности.

притягивание и отталкивание магнитов

Начнём с того, как это работает. Чтобы это понять, придётся немного вспомнить детство. Наверняка в детстве каждый играл с магнитами, и наверняка каждый в курсе, что у магнита есть два полюса.

К слову сказать, эти полюса принято называть северным (North) и южным (South) и обозначать синим и красным цветом соответственно. На самом деле это не имеет никакого отношения ни к цветам, ни к географии (кроме того, что наша планета тоже является гигантским магнитом и тоже имеет магнитные полюса). Названия и цвета полюсам придуманы просто для того, чтобы как-то их друг от друга отличать.

Ну, не будем сильно отвлекаться, а лучше вспомним что ещё мы знаем о магнитах. Все наверняка помнят из своих детских экспериментов, что магниты могут притягиваться и отталкиваться (если не помните — срочно возьмите два магнита и попробуйте поприкладывать их друг к другу различными сторонами). Более точно это свойство магнитов звучит так: разноимённые полюса магнитов притягиваются, а одноимённые отталкиваются (рисунок справа).

Вообще-то рассматривать магниты таким образом несколько примитивно и правильнее было бы говорить о поведении одного магнита в магнитном поле другого, но нам пока достаточно и так.

закреплённый на оси магнит поворачивается под действием другого магнита

Немного усложним эксперимент. Закрепим магнит на вертикальной оси таким образом, чтобы он мог только вращаться вокруг этой оси, но не мог двигаться никак иначе (можно, например, просверлить в магните дырку и одеть его на вертикально установленную трубку). Этот магнит будем в дальнейшем, для удобства, называть роторным (то есть таким, который вращается).

Теперь если поднести к роторному магниту другой магнит, обращённый к роторному каким-либо полюсом, то роторный магнит повернётся на своей оси таким образом, чтобы разноимённые полюса обоих магнитов были обращены друг к другу (рисунок слева).

вращение второго магнита приводит к вращению магнита, закреплённого на оси

Далее. Если мы начнём медленно вращать второй магнит вокруг роторного магнита, причём таким образом, чтобы один из полюсов второго магнита был всегда обращён к центру описываемой окружности (то есть к оси, на которой закреплён роторный магнит), то роторный магнит начнёт вращаться вокруг своей оси, постоянно стараясь повернуться так, чтобы разноимённые полюса магнитов оказались друг напротив друга (рисунок справа).

Второй магнит будем в дальнейшем называть статорным (то есть таким, который не вращается). Пока что нам, правда, тоже приходится вращать его вокруг роторного магнита, но это мы в дальнейшем исправим.

Если кто-то не заметил — открою небольшой секрет, — по большому счёту наша конструкция уже почти двигатель. Если бы наш роторный магнит не был просто одет на ось, а был бы жёстко с этой осью соединён, а ось, в свою очередь, представляла бы собой некий закреплённый в подшипниках вал, то роторный магнит, вращаясь под действием статорного магнита, передавал бы это вращение и на связанный с ним вал. То есть, вращая один магнит вокруг другого, мы бы в итоге получили вращающийся вал. Да, конечно, такой двигатель пока ещё не электрический, а мускульный (мы же руками крутим статорный магнит вокруг роторного), но в общем, глядя на него, уже можно делать некоторые выводы о работе настоящих синхронников.

Обратите внимание, что роторный магнит в нашем эксперименте будет вращаться с той же угловой скоростью, с которой мы вращаем статорный магнит (они совершают одинаковое количество оборотов в единицу времени). То есть оба магнита вращаются синхронно. По-другому можно было бы сказать, что вращая статорный магнит вокруг роторного, мы создаём вращающееся магнитное поле, синхронно с которым вращается роторный магнит, стараясь занять в этом поле определённое положение. Синхронность вращения ротора (подвижной части двигателя) и вращающего его магнитного поля — основная черта всех синхронных двигателей, именно поэтому они и называются синхронными.

вращательные моменты сил

Ещё одним важным моментом является то, что во время вращения роторный магнит всегда находится как бы слегка позади статорного магнита (на некоторый угол). Строго друг напротив друга они могут оказаться только при старте и при остановке. Это связано с тем, что когда магниты расположены строго один напротив другого — линия приложения силы, действующей на роторный магнит со стороны статорного, проходит через ось вращения, в результате чего создаваемый этой силой вращательный момент оказывается равным нулю (рисунок слева).

Продолжим наш эксперимент. Если мы будем плавно изменять скорость вращения статорного магнита, то скорость вращения роторного магнита тоже будет изменяться. Однако, если мы попытаемся достаточно резко увеличить скорость вращения, то может оказаться, что роторный магнит вообще перестанет вращаться. Аналогично, если сразу при старте вращение статорного магнита будет слишком быстрым, то роторный магнит вращаться не будет.

вращательный момент в зависимости от взаимного расположения магнитов

Почему так происходит? Давайте нарисуем, в какую сторону будут вращать роторный магнит действующие на него со стороны статорного магнита силы, при различных положениях статорного магнита относительно роторного (рисунок справа).

Как видите, в положениях 1 и 2 эти силы пытаются повернуть роторный магнит по часовой стрелке, но в положениях 3 и 4 картина выглядит наоборот, теперь эти силы стараются повернуть магнит уже против часовой стрелки. То есть в нашем случае если роторный магнит отстанет по каким-либо причинам от статорного на угол более 1800, то направление, в котором действующая на роторный магнит сила старается его повернуть, изменится на противоположное. Теперь уже статорный магнит будет не разгонять роторный, а тормозить его. Если бы у нас на было большее количество полюсов ротора, — этот угол был бы ещё меньше.

Описанное явление называется выпадением из синхронизма. Оно случается когда вращающему ротор магнитному полю не хватает силы достаточно быстро его поворачивать (имеется ввиду поворачивать с той же скоростью, с которой вращается оно само). Причиной может быть чрезмерная нагрузка на валу, большая инерция ротора при слишком резком разгоне или какая-либо другая, но суть явления одна — магнитному полю не хватает силы достаточно быстро поворачивать ротор и поле начинает обгонять его всё больше и больше, пока наконец действие магнитного поля на ротор не изменится на противоположное, после чего о вращении ротора можно забыть.

Ладно, едем дальше. Итак, главное почему вращается роторный магнит — наличие вращающегося вокруг него магнитного поля, а наш главный гемор в описанных выше экспериментах — необходимость руками вращать статорный магнит для создания этого самого вращающегося поля.

статорные магниты вокруг роторного

Вот если бы мы могли расположить вокруг роторного магнита сразу кучу статорных магнитов и при этом иметь возможность их включать и выключать. Тогда статорные магниты можно было бы не двигать, а просто включать их по очереди (они наконец-то стали бы действительно статичными и оправдали своё название). В результате мы бы тоже получили вращающееся магнитное поле и наш роторный магнит отлично бы вращался вместе с ним (рисунок слева).

Ну и теперь давайте подумаем, а есть ли такие магниты, которые можно по желанию включать и выключать? Да полно! Это же любые электромагниты. Причём их можно не только включать и выключать по желанию, можно ещё по желанию менять их полярность, изменяя направление протекающего в их обмотках тока, а также, изменяя силу этого тока, по желанию регулировать величину индукции создаваемого ими поля (ну то есть делать это поле сильнее или слабее).

Все эти замечательные свойства электромагнитов позволяют нам создавать вращающееся магнитное поле ничуть не хуже, чем при вращении по кругу постоянного магнита. Даже лучше.

Во-первых, поскольку индукция величина векторная, а магниты мы можем включать все вместе, при этом индивидуально регулируя величину создаваемой каждым магнитом индукции, то мы можем обойтись гораздо меньшим числом электромагнитов (чем я нарисовал на последнем рисунке), для того, чтобы создать вращающееся поле, аналогичное тому, которое мы создавали при вращении статорного магнита.

Во-вторых, мы можем создать поле, подобное тому, как если бы вокруг ротора вращался не один магнит, а сразу несколько (то есть организовать несколько вращающихся полюсов). Применительно к нашему эксперименту, можно было бы организовать напротив противоположного полюса роторного магнита ещё один аналог статорного магнита (только обращённый к роторному противоположным полюсом) и вращать наш роторный магнит, «цепляя» его сразу за оба полюса. А можно было бы увеличить число полюсов роторного магнита и для каждого из них создать электромагнитами свой собственный вращающийся полюс.

Кроме того, электромагниты можно использовать в роторе, а не в статоре, поскольку с равным успехом можно вращать и магнитное поле ротора относительно самого ротора. А можно использовать их и в роторе и в статоре, например, чтобы регулировать тяговые способности или скорость вращения нашего двигателя.

Короче говоря, всё дальнейшее многообразие синхронных двигателей определяется танцами с бубном вокруг количества полюсов, способов управления обмотками электромагнитов, взаимным расположением статора и ротора, режимами работы и тому подобными вещами, при этом принципы работы всех этих двигателей остаются одними и теми же — ротор вращается под действием создаваемого каким-либо образом внешнего вращающегося магнитного поля и синхронно с ним.

Добавить комментарий