§ 103. Реактивные синхронные двигатели

Потребность в источнике постоянного тока для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя делает этот двигатель весьма неэкономичным при небольших мощностях. Поэтому при малых мощностях синхронные двигатели с возбуждением постоянным током не находят применения.
При малых мощностях в случае необходимости получения постоянства скорости вращения (в устройствах автоматики, телемеханики, звукового кино и т. п.) широко используют реактивные синхронные двигатели.
Ротор реактивного синхронного двигателя имеет явновыраженные полюсы. При очень малых мощностях ротор делают цилиндрическим из алюминия, в который при отливке закладывается стержни из мягкой стали, выполняющие функцию явновыраженных полюсов (рис. 139). Цилиндрическая форма ротора упрощает его обработку и балансировку, а также снижает потери на трение о воздух при работе машины, что очень существенно для двигателей очень малых мощностей.

В реактивных синхронных двигателях вращающий момент создается вследствие стремления ротора ориентироваться в магнитном поле таким образом, чтобы магнитное сопротивление для этого поля было наименьшим. Поэтому ротор будет всегда занимать такое положение в пространстве, при котором магнитные линии вращающегося магнитного поля статора замкнутся через сталь ротора, так что ротор будет вращаться вместе с магнитным полем статора. Иными словами, намагниченный ротор стремится стать по направлению потока вращающегося поля.
Наряду с трехфазными широко используются и однофазные реактивные двигатели, принципиальное устройство которых показано на рис. 140. На полюсных сердечниках, собранных из листовой стали, расположена обмотка возбуждения, которая включается в сеть однофазного переменного тока и создает переменный магнитный поток.

Ротор выполнен из стали в виде диска, на поверхности которого имеются зубцы (выступы).
Вращающий момент в таком двигателе создается в результате того, что при увеличении магнитного потока магнитные линии, стремясь замкнуться по пути с наименьшим магнитным сопротивлением, притягивают зубец ротора к полюсу. При уменьшении магнитного потока ротор по инерции подвигается далее и при последующем возрастании магнитного потока притягивается следующий зубец.
Таким образом, вращающий момент однофазного синхронного двигателя не остается постоянным и направленным в одну сторону, а непрерывно пульсирует, что является причиной неравномерного, толчкообразного хода двигателя.
Для устранения этого недостатка роторы таких двигателей выполняют массивными. Используется также эластичное крепление статора в корпусе машины.
Число зубцов ротора соответствует числу полюсов; зубцы ротора определяют скорость его вращения. За один период изменения тока под полюсом проходит два зубца и число оборотов ротора в минуту находят из следующего выражения:

где z — число зубцов ротора;
f₁ — частота тока сети.
Число зубцов ротора должно быть нечетным во избежание «магнитного прилипания», при котором ротор не поворачивается.
Для пуска однофазного реактивного двигателя в ход необходимо привести ротор во вращение при помощи постороннего усилия — большей частью непосредственно от руки. Это усилие определяет и направление вращения ротора.
Реактивным синхронным двигателем является также редукторный двигатель, который позволяет получить сколь угодно малую скорость вращения. Статор и ротор редукторного двигателя набираются из листовой электротехнической стали. Равномерно по всей длине внутренней окружности статора и внешней окружности ротора выштампованы пазы полукруглой формы (рис. 141). Числа пазов статора z_c и ротора z_p различны, причем обычно число пазов ротора больше числа пазов статора (z_p > z_c).

На статоре помещена спиральная обмотка, часть которой показана на рис. 141. На роторе обмотки нет. Для включения машины в однофазную сеть переменного тока от обмотки статора делают четыре равноудаленные отпайки и присоединяют ее к сети по мостовой схеме (рис. 142). Для получения вращающегося поля в одно из плеч включают конденсатор.

Если же машина предназначена для работы от трехфазной сети, то к сети приключают обмотку статора в трех точках, сдвинутых друг от друга на одну треть окружности статора.
Таким образом, при включении обмотки статора в сеть переменного тока в машине создается вращающееся магнитное поле с числом оборотов

Обычно редукторные двигатели делают двухполюсными (2р = 2), так как в многополюсных машинах велико число параллельных ветвей обмотки статора.
Ротор редукторного двигателя стремится располагаться так, чтобы против зубцов статора находились зубцы ротора, т. е. так, чтобы магнитное сопротивление для поля статора было наименьшим. Если в выбранный момент времени вектор максимума магнитной индукции вращающегося поля имеет направление В_A (см. рис. 141), то против зубцов статора 1 будет находиться зубец ротора 1′. Когда вращающееся поле переместится в положение В_в, т. е. повернется в пространстве на угол , ротор повернется на угол, при котором магнитное сопротивление снова будет минимальным, т. е. против зубца статора 2 окажется зубец ротора 2′. Таким образом, ротор повернулся на угол . Следовательно, число оборотов ротора в минуту определится следующим выражением:

откуда

Для получения наименьшего магнитного сопротивления необходимо, чтобы z_p - z_c = 2 p.
При этом число оборотов ротора

т. е. то же выражение, которое было получено для числа оборотов однофазного реактивного двигателя.
Легко убедиться в том, что при числе зубцов статора, большем числа зубцов ротора (z_c > z_p), последний будет вращаться в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора, и момент, развиваемый двигателем при этом, будет меньшим, чем при вращении ротора по направлению вращения поля.
Достоинством редукторного двигателя является постоянство скорости вращения, что имеет большое значение для приборов звукозаписи, звуковоспроизведения и т. д.
Если выполнить ротор редукторного двигателя кольцевым с зубцами на внешней и внутренней поверхности и поместить внутри него второй ротор с зубчатой поверхностью, то можно уменьшить его скорость в еще большей степени. Помещая несколько роторов один в другой и подбирая соответственно соотношение чисел зубцов, можно получить двигатель, у которого отдельные роторы имеют различные скорости (например, в электрочасах для вращения секундной, минутной и часовой стрелок).

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип работы синхронного генератора.
2. Как устроен синхронный генератор с явно- и неявновыраженными полюсами?
3. Почему полюсы синхронной машины помещают на роторе?
4. Объясните внешние характеристики синхронного генератора при различных характерах нагрузки.
5. Какие условия необходимо выполнить для включения синхронного генератора в сеть?
6. Объясните принцип работы синхронного двигателя.
7. Что произойдет с синхронным двигателем, если при его работе изменить ток в обмотке возбуждения?
8. Как устроен и работает реактивный синхронный двигатель?