9.2. Вращающееся двухполюсное поле

При работе машины в ее магнитопроводе и около боковых частей обмоток с переменными токами возбуждается изменяющееся магнитное поле. Если построить картину его линий, то можно обнаружить, что большинство их сцеплено как с проводниками обмотки статора, так и со стержнями обмотки ротора. Часть поля, образованного такими линиями, называют основным магнитным полем.

Остальные магнитные линии сцеплены либо только с обмоткой статора, либо только с обмоткой ротора. Подобно трансформатору эти части поля будем называть соответственно полями рассеяния статора и ротора.

Общее представление об особенностях основного поля трехфазной асинхронной машины можно получить из рассмотрения ее картины, схематически изображенной в поперечном разрезе на рис. 9.5. Здесь не показана обмотка ротора, а каждая фаза обмотки статора представлена только одной многовитковой катушкой, стороны которой уложены в два диаметрально противоположных паза. Начала и концы катушек обозначены соответственно буквами а, в, с, и х, у, z.

Плоскости и магнитные оси витков (нормаль к плоскости витка ,восстановленная посередине между его сторонами и направленная вдоль магнитных линий поля, возбужденного положительным током витка) катушек расположены под углами 120º друг к другу.

Если на катушки подать трехфазную симметричную систему напряжений, то в них установятся синусоидальные токи i_a, i_b и i_c, график которых представлен на рис. 9.5, а. Условимся считать ток в любой катушке положительным, когда он направлен от начала к ее концу, и отрицательным — при обратном направлении. Каждая катушка с током создает переменное магнитное поле. Три переменных магнит­ных поля, складываясь, образуют результирующее магнитное поле. Картина результирующего поля непрерывно изменяется, но ее можно построить для любого момента времени.

Построим картину результирующего поля для момента времени (см. рис. 9.5, а), когда ток в первой катушке (фазе) положителен и максимален. Направление тока i_a в сторонах катушки а — х условно обозначено в сечении витка точкой и крестиком (рис. 9.5, б).

Из графика тока можно заключить, что в рассматриваемый момент времени токи во второй и третьей катушках отрицательны, т. е. направлены от концов катушек к их началам. Зная направления токов в сторонах катушек, можно построить приближенную картину результирующего поля, руководствуясь правилом правоходового винта. В левой половине статора магнитные линии направлены из стали в воздух, а правой половине — из воздуха в сталь. Следовательно, в рассматриваемый момент времени левая половина внутренней поверхности магнитопровода статора представляет собой северный полюс, а правая — южный полюс. Ось полюсов (или ось симметрии магнитного поля) занимает в выбранный момент времени горизонтальное положение и совпадает с магнитной осью первой катушки.

Теперь выберем момент времени t₂ когда ток во второй катушке будет положительным и максимальным, а токи в первой и третьей катушках — отрицательными. Путем тех же рассуждений можно построить приближенную картину результирующего поля, показанную на рис. 9.5, в. Из нее видно, что ось симметрии магнитного поля занимает новое положение в пространстве, совпадая с магнитной осью второй катушки. Наконец, если построить картину результирующего поля для момента времени t₃ (рис. 9.5, г), когда ток в третьей катушке (фазе) будет положительным и максимальным, то можно установить, что положение магнитных полюсов в пространстве опять будет иным.

Ось симметрии результирующего магнитного поля располагается по оси той фазы, ток в которой максимален.

Картины результирующего поля, построенные на рис. 9.5 для различных моментов времени, показывают, что конфигурация линий магнитного поля по мере изменения токов в неподвижных катушках не изменяется; происходит лишь равномерное одностороннее вращение вокруг оси машины (например, по движению часовой стрелки) всего спектра магнитных линий поля, а следовательно, и вращение оси их симметрии. Такое поле принято называть вращающимся. Если изменить порядок чередования токов в катушках обмотки статора на обратный, например, принять, что ток t'_e является током катушки с — z, а ток i_c создан в катушке b — у, то результирующее магнитное поле будет вращаться против движения часовой стрелки. Таким образом, направление вращения магнитного поля определяется порядком чередования токов в фазах обмотки статора: поле поворачивается в сторону фазы с отстающим током.

Из рассмотрения картин поля, изображенных на рис. 9.5, также следует, что трехфазная симметричная система токов возбуждает в магнитной системе машины поле с одной парой полюсов, если каждая фаза обмотки статора образована одной катушкой.

Определим скорость вращения двухполюсного поля. Его ось симметрии поворачивается на 360°, т. е.совершает один оборот за время Т₀, равное периоду Т изменения тока. Следовательно, частота вращения ν ₀ двухполюсного поля как величина, обратная периоду Т₀ вращения и выраженная числом оборотов в секунду, численно равна частоте f₁ токов в обмотке статора. По исторически сложившейся традиции частоту вращения принято выражать числом оборотов n₀ в минуту. Для двухполюсного поля

n₀ = 60ν₀ = 60f₁

Учитывая, что υ₀ = f₁ найдем угловую скорость вращения двухполюсного поля:

Ω₀ = 2π ν ₀ = 2π f₁ = ω₁ [рад/с].

Таким образом, угловая скорость вращения основного двухполюсного магнитного поля численно равна угловой частоте токов в обмотке статора.