Магнитное поле синхронной машины

Рассматривается трехфазный синхронный генератор, работающий на симметричную нагрузку так, что все фазы обмотки нагружены равномерно, т.е. в них наводятся одинаковые ЭДС и проходят равные по значению и сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 120° токи. Известно, что в этих условиях трехфазная обмотка статора создает вращающуюся синхронно с ротором МДС, максимальное значение которой определяется выражением:

F₁= 0,45m₁∙I₁∙w₁∙k_об1/ p.

Вектор МДС статора может занимать разные пространственные положения относительно оси полюсов ротора.

В неявнополюсной синхронной машине воздушный зазор равномерен, а поэтому пространственное, положение вектора МДС статора относительно оси полюсов ротора не влияет на величину и график распределения магнитного поля статора.

В явнополюсной синхронной машине воздушный зазор неравномерен из-за наличия значительного межполюсного пространства, незаполненного сталью (рис. 1), и магнитное сопротивление потоку статора Ф_d по продольной оси dd намного меньше магнитного сопротивления потоку статора Ф_q по поперечной оси qq. Поэтому величина индукции магнитного поля статора и график ее распределения в воздушном зазоре в явнополюсных машинах зависят от пространственного положения вектора МДС обмотки статора F₁ или его составляющих.

Так, амплитуда основной гармоники индукции магнитного поля статора по продольной оси B_1d1 больше амплитуды основной гармоники индукции поля по поперечной оси В1q1:

B_1d1 = B₁k_d; B_1q1 = B₁k_q

где В₁ — амплитудное значение магнитной индукции поля статора при равномерном зазоре; k_d и k_q — коэффициенты формы поля статора (якоря) по продольной и поперечной осям.

Коэффициенты k_d и k_q определяют степень уменьшения амплитуды основной гармоники поля статора (якоря) по продольной и поперечной осям, обусловленную неравномерностью воздушногo зазора в машинах с явнополюсным ротором.

Рис. 1. Магнитные поля статора синхронной явнополюсной машины по продольной (а) и поперечной (б) осям

Значения k_d и k_q зависят от отношения максимального и минимального воздушных зазоров δ_mах/δ, от относительной величины зазора δ/τ, а также от коэффициента полюсного перекрытия αi, При равномерном зазоре (δ = const) отношение δ_mах/δ = 1. Коэффициент полюсного перекрытия αi = b_р/τ, где b_р—ширина полюсного наконечника.

При равномерном воздушном зазоре (δ_mах/δ =1) и весьма малой его относительной величине (δ/ τ ≈ 0) коэффициенты формы поля определяются выражениями

k_d = [παi + sin(αi 180°)] /π;

k_q =[παi - sin(αi 180°)] /π.

Из формул видим, что при αi = 1, т. е. при неявнополюсном роторе, k_d=k_q=1.

Обмотка возбуждения синхронной машины при прохождении по ней тока I_в создает МДС на пару полюсов (А):

F_в.н = I_в2w_к.в

Рис. 2. Магнитные поля возбуждения неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) синхронных машин

При этом форма магнитного поля возбуждения в зазоре машины зависит от конструкции ротора. Амплитуда основной гармоники этого поля В_в1 определяется коэффициентом формы поля возбуждения

k_f = B_в1/ В_в,

где В_в — максимальное значение магнитной индукции поля возбуждения.

Для неявнополюсного ротора коэффициент формы поля возбуждения (рис. 2, а)

k_f = 8sin γ 90°/ (π²∙γ),

где γ = 2α/ τ — отношение обмотанной части полюса ротора ко всему полюсному делению. Обычно γ = 0,67 ÷ 0,80. Наименьшее содержание высших гармоник поля соответствует γ = 0,75.

Для явнополюсного ротора при равномерном зазоре и δ/τ ≈ 0 коэффициент формы поля возбуждения (рис. 2, б)

k_f = 4sin αi 90°/ π.

Увеличение зазора на краях полюсов способствует приближению коэффициента k_f к единице, т. е. приближает форму кривой индукции поля к синусоиде.