CC BY
0УДК 621.376.54: 621.316.722
О МАГНИТНОМ ПОЛЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
БЕЛЯЕВ ВАЛЕРИЙ ПАВЛОВИЧ
Доцент кафедры полиграфического оборудования и систем обработки информации, Белорусский государственный технологический университет, Минск, Беларусь
Аннотация. В статье обозначена целесообразность приведения цельного написания условий при изложении процессов создания вращающегося магнитного поля асинхронного электродвигателя. В учебно-технической литературе отсутствует четкое разъяснение процесса вращения магнитного поля в неподвижном магнитопроводе статора трехфазного асинхронного электродвигателя. Предлагается детальное рассмотрение формирования вращающегося магнитного поля в магнитопроводе статора с демонстрацией этого процесса рисунками на примере трехфазной обмотки. Каждая однофазная обмотка при прохождении в ней синусоидального тока создает пульсирующее магнитное поле, неподвижное в пространстве и изменяющееся во времени с частотой тока сети. Результатом одновременного взаимодействия трехфазных синусоидальных токов по созданию общего магнитного поля является сумма этих неподвижных магнитных полей в магнитопроводе статора. Подвижность этого магнитного поля возникает в результате того, что результирующая магнитная индукция приобретает определенное временнде месторасположение в магнитопроводе. Это месторасположение меняется на определенный угол в магнитопроводе в соответствии с текущими изменениями значений синусоидальных токов в фазных обмотках.
Ключевые слова: асинхронный электродвигатель, магнитное поле.
Асинхронная машина - основной преобразователь электрической энергии в механическую. В основном она используется как электродвигатель. На рис. 1 приведены основные конструктивные элементы машины для объяснения создания магнитного поля электродвигателя.
'А 1В 'С
С О
Ось обмотки
А
О
Обмотка фазы А
В О
Короткозамкнут ротор
Корпу'
Магнитопрово^ электротехничес железа
Обмотка ротора в виде «беличьей клетки»
Ось
_ обмотки фазы А
Рис. 1. Основные конструктивные элементы трехфазного короткозамкнутого асинхронного электродвигателя
В асинхронной машине одна трехфазная (или в общем случае многофазная) обмотка укладывается в пазы магнитопровода, состоящего из электротехнического железа. Магнитопровод размещается в корпусе машины, что совместно с магнитопроводом носит название статор электродвигателя. Другая трехфазная (или в общем случае многофазная) обмотка укладывается в пазы магнитопровода ротора. В простейшем случае ее замыкают накоротко, создавая короткозамкнутую обмотку. Между статором и ротором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между их обмотками делают по возможности малым (5 ~ 0,5 мм). Фазные обмотки статора равномерно укладывают в пазах магнитопровода. Оси фазных обмоток в пространстве сдвинуты относительно друг друга на 120 геометрических градусов. Обмотки питаются симметричными синусоидальными токами, сдвинутыми во времени относительно друг друга на 120 электрических градусов, рисунок 2. Напомним понятие электрического градуса. Один период синусоидального тока (магнитного поля) в 2п принято оценивать в 360 электрических градусов. Такое сочетанием пространственного расположения трехфазных обмоток в магнитопроводе и временного сдвига фазных симметричных синусоидальных токов в них и является условием создания в магнитопроводе статора вращающегося магнитного поля, например в [1, с. 89].
Рассмотрим детально формирование вращающегося магнитного поля в магнитопроводе статора с демонстрацией этого процесса рисунками на примере трехфазной обмотки, у которой все витки каждой фазы сосредоточены в одной катушке, лежащей в двух диаметрально расположенных пазах, как это принято, например в [2, с. 349], рис. 3.
В верхнем активном проводнике обмотки фазы А синусоидальный ток протекает от нас. Это направление тока принято обозначать крестиком. В нижнем активном проводнике этой фазы синусоидальный ток протекает на нас и его направление принято обозначать точкой. Для определения направления линий электромагнитного поля, создаваемого этим током, воспользуемся мнемоническим правилом буравчика.
Ь \ и \
н и
Рис. 2. Система симметричных синусоидальных токов, питающих трехфазную обмотку статора
Рис. 3. Иллюстрация магнитного поля в магнитопроводе, созданного синусоидальным током обмотки А.
В верхней части катушки буравчик ввинчивается по направлению протекания тока, вращаясь по часовой стрелке, тем самым определяет создаваемое направление линий электромагнитного поля. Аналогичным приемом правило буравчика определяет направления линий электромагнитного поля для нижней части катушки. Таким образом, магнитная составляющая этого поля намагничивает магнитопровод статора, создавая в нем неподвижное магнитное поле, имеющее направленный характер по формированию северного N и южного £ магнитных полюсов. Это же оговорено в [3, § 19.2] ... «Однофазная обмотка при прохождении по ней переменного тока создаст пульсирующее магнитное поле, неподвижное в пространстве и изменяющееся во времени с частотой тока сети». Линии магнитного поля выходят из северного полюса N, проходят по ярму (спинке магнитопровода) и его зубцам, пересекают под ними воздушный зазор, зубцы магнитопровода ротора, его ярмо, пересекают воздушный зазор над южным полюсом зубцы и ярмо магнитопровода статор и замыкаются с линиями магнитного поля южного полюса рис. 4. Линии магнитной индукции (намагничивающей силы) в воздушном зазоре прямолинейны и перпендикулярны поверхностям зубцов магнитопроводов статора и ротора, (например, [4, с. 430]).
а
б
Рис. 4. Расположение полюсов магнитного поля, созданное: а - значениями синусоидального тока положительного полупериода, б - отрицательного полупериода этого тока
При намагничивании магнитопровода статора магнитная индукция Ва увеличивается в соответствии с текущими значениями положительного полупериода синусоидального тока, достигает максимального значения BmaxA (амплитудного), а затем уменьшается до нулевого значения и начинает увеличиваться в соответствии с текущими значениями синусоидального тока в отрицательный его полупериод. Это процесс перемагничивания магнитопровода. Таким образом, магнитная индукция изменяется по значению (по модулю) и знаку в соответствии с изменением синусоидального тока в этой обмотке. При этом полюса магнитного поля меняют свое взаимное положение относительно друг друга в магнитопроводе с частотой синусоидального тока, рис. 4.
Аналогичны процессы создания неподвижных магнитных полей в магнитопроводе статора синусоидальными токами в обмотках фаз В и С. Поскольку протекание трехфазных синусоидальных токов происходит одновременно, то результатом их одновременного взаимодействия по созданию магнитных полей является сумма этих неподвижных магнитных полей в магнитопроводе статора. Так формируется результирующее неподвижное магнитное поле, характеризующееся результирующей магнитной индукцией Врез, равной трем вторым максимального значения магнитной индукцией, например фазы А (Врез = 1,5BmaxA), и тем, что его магнитные полюса не меняют свое взаиморасположение. В силу того, что трехфазные синусоидальные токи имеют временной характер существования (рис. 2), то они ежемгновенно изменяют свои текущие значения и создают результирующее намагничивание магнитопровода статора. При этом результирующая магнитная индукция Врез также приобретает определенное временное местоположение в теле магнитопровода, изменяя это местоположение на определенный угол в цилиндрическом объеме магнитопровода в соответствии с текущими изменениями значений синусоидальных токов в фазных обмотках. Скорость такого углового перемещения (вращения) составляет юо = 2nf где fi - частота синусоидального тока в фазной обмотке. Принято для наглядности оценивать изменение магнитной индукции пространственным вектором, модуль которого изменяется соответственно с текущими значениями синусоидального тока в обмотке фазы, но остается неподвижным в пространстве, рис. 5, например, вектор Ва. (Магнитное поле одной фазы не вращается, а пульсирует в пространстве. [5, с. 14]).
На рис. 5, а приведено построение результирующего пространственного вектора магнитной индукции для момента времени ti по рис. 2. Векторы Ва и Вс имеют положительные модули, а вектор Вв - отрицательный модуль. Показано суммирование трех фазных векторов магнитной индукции и получение результирующего вектора Врез. На каждом следующем моменте времени полупериода, например, t2, выполняется аналогичное суммирование и результирующий вектор магнитной индукции занимает в пространстве новое положение, перемещаясь в сторону оси той фазной обмотки, в которой начинает увеличиваться текущие значения (модуль) синусоидального тока. В рассматриваемом случае это перемещение в сторону обмотки фазы В, рис. 5.
в при ¡3
Рисунок 5 - Иллюстрации технологии получения результирующего вектора магнитной индукции в магнитопроводе трехфазного асинхронного электродвигателя
Несмотря на то, что трехфазные синусоидальные токи создают магнитные поля как при положительных своих значениях, так и при отрицательных, геометрическое расположение фазных обмоток, создающих «отрицательные» магнитные поля, таково на данный момент, что результирующая магнитная индукция будет однонаправлена и однозначна на создание северного и южного магнитных полюсов (например, для времени t4, см. рис. 2 и 5).
Аналогичные рассуждения приведены в [6, с. 238; 3, с. 14].
Таким образом, результирующее магнитное поле неподвижно, а вращается (перемещается) по магнитопроводу результирующее значение магнитной индукции, составленное из текущих значений магнитных индукций, ежемгновенно создаваемых текущими значениями симметричных синусоидальных токов фазных обмоток статора. При этом создаваемые результирующей магнитной индукцией северный и южный полюса магнитного поля не меняют своего взаиморасположение относительно друг друга и вращаются совместно с результирующей магнитной индукцией (с ее вектором). Схематично это можно было бы продемонстрировать так, как показано на рис. 6.
Рисунок 6 - Положения (вращение) результирующей магнитной индукции, созданной текущими значениями синусоидального тока в фазных обмотках статора: а - положительного полупериода; б - отрицательного полупериода
Post scriptum: в электротехнике (электромеханике) существует понятия электромагнитного поля, создаваемое током, протекающим в проводнике, и магнитного поля, присущее постоянному магниту. И там, и там магнитное поле, но природа его возникновения и существования различная. На рис. 7 приводится изображение магнитного поля, которое вращается за счет приведения во вращение физического тела постоянного магнита, создающего это поле. Вот это и есть вращающееся магнитное поле.
Ось вращения Постоянный магнит
Вращающееся магнитное поле постоянного магнита
Рис. 7 - Иллюстрация вращающегося магнитного поля постоянного магнита
Содержание предложенного материала имеет определенное согласование с высказыванием Бута Д. А. о том, что ... «Выражение «бегущее магнитное поле» является нестрогим и не применяется в классической физике, хотя и укоренилось в технической литературе. Правильнее говорить о бегущей волне поля или бегущем магнитном потоке.» [7, с. 13]. А правильнее говорить о вращающейся результирующей магнитной индукции или ее вектора.
Заключение. Результирующее магнитное поле магнитопровода статора, созданное симметричными синусоидальными токами, протекающими в трехфазных обмотках, уложенных в его пазы, неподвижно.
Подвижность этого поля воспроизводится угловым перемещением местоположения результирующей магнитной индукции в магнитопроводе. Это местоположение ежемгновенно создается изменяющимися текущими значениями трехфазных симметричных синусоидальных токов в течение времени (периодов) их колебаний.
Независимо от комбинаций положительных и отрицательных своих текущих значений трехфазные симметричные синусоидальные токи однонаправлено и однозначно создают результирующее магнитное поле с соответствующим однозначным расположением относительно друг друга северного и южного магнитных полюсов.
При вращении результирующей магнитной индукции, созданного магнитного поля его северный и южный полюса не меняют своего взаиморасположение относительно друг друга и вращаются совместно с ней.
Направление этого вращения определяется положением в магнитопроводе той фазной обмотки, в которой текущее значение синусоидального тока в течение положительного полупериода его колебания увеличивается к максимальному значению (к амплитуде синусоидального тока).
1. Костенко, М.П. Электрические машины : Часть 2. Машины переменного тока / М.П. Костенко, Л.М. Пиотровский. - М., - Л. Издательство «Энергия», - 1958. - 648 с.
2. Вольдек, А.И. Электрические машины. - М., - Л. Издательство «Энергия», 1966. - 782 с.
3. Китаев, В.Е. Электрические машины. Ч. II. Машины переменного тока: Учеб, пособие для техникумов / Ю.М. Корхов, В.К. Свирин / Под ред. В.Е. Китаева. - М.: Высш, школа, - 1978. - 184 с.
4. Вольдек, А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн, учебн. заведений. - 3-е изд., перераб, - Л.: Энергия, - 1978. - 832 с.
5. Беспалов, В.Я. Электрические машины. / В.Я. Беспалов, Н.Ф. Котеленец. - М.: Издательский центр «Академия», - 2006. - 320 с.
6. Кацман, М.М. Электрические машины и трансформаторы. Учебник для техникумов для электротехнических и энергетических специальностей - М., «Высшая школа», - 1971. -
7. Бут Д.А. Основы электромеханики: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МАИ, - 1996. - 468 с.
ЛИТЕРАТУРА
416 с.
