Вращающееся магнитное поле

Представим себе вращающийся постоянный магнит. Вместе с магнитом будет перемещаться и создаваемое им магнитное поле, и мы получим, вращающееся магнитное поле.

Если в такое поле поместить стрелку, то она будет стремиться установиться вдоль линий поля и поэтому придет во вращение в ту же сторону, в которую вращается поле.

Подобно магнитной стрелке будет вести себя замкнутый виток проволоки. Вследствие движения поля относительно витка в проволоке возникнет индукционный ток, который будет направлен ток, который будет направлен так, как показано на рис.19. На этот ток со стороны магнитного поля будут действовать силы, стремящиеся вращать виток вместе с полем, и виток придет во вращение.

Таким же образом будут вести себя массивные металлические диск и цилиндр, так как в них так же будут наводиться индукционные токи, которые будут замыкаться в толще металла диска или цилиндра (так называемые вихревые токи), однако, так же как и токи в проволоках, они будут взаимодействовать с магнитным полем. Возникающие при этом силы, согласно закону Ленца, будут направлены так, чтобы уменьшить скорость вращения диска относительно поля, отчего диск (или цилиндр) придет во вращение в том же направлении, как и поле.

Вращающееся магнитное поле можно получить и с помощью переменных токов. Рассмотрим сначала получение вращающегося поля при помощи двухфазного тока. Пусть имеются две катушки 1 и 2 (рис.20), повернутые друг относительно друга на угол 90, питаемые двухфазным током. Это значит, что если ток в катушке 1 меняется по закону 1= sin t, то ток в 2 будет  sin (t-90). Катушка 1 создает переменное магнитное поле Hx, изменяющееся по закону

Hx = H0 sin  t .

Катушка 2 создает магнитное поле Н , направленное перпендикулярно к полю Нх и отстающее от него по фазе на 90:

Н =Н0 sin ( t -90) = - H0 cos  t .

Абсолютная величина результирующего поля

H =  Hx + H = H0

остается постоянной во времени. Направление же этого поля изменяется. Будем характеризовать это направление углом  ( рис.20), составленным вектором Н и осью Y . Тогда

tg  = Hx / Hy = - tg  t ,

или

 = -  t .

рис.19 рис.20

Мы видим, что вектор Н результирующего поля равномерно поворачивается против часовой стрелки с угловой скоростью  , т.е. мы имеем вращающееся магнитное поле , подобно полю вращающегося постоянного магнита.

В рассмотренном примере мы получили поле, вращающееся против часовой стрелки. Легко видеть, что если бы мы пересоединили концы одной из катушек 1 или 2, то мы изменили бы знак одного из полей Нх или Ну и при этом получили бы  = +  t ,т.е. вращение по часовой стрелке.

Для получения вращающегося магнитного поля с помощью трехфазного тока нужны три катушки (или их число, краткое трем) соответственно трем переменным токам в системе трехфазных токов. Катушки 1, 2, 3 должны быть повернуты относительно друг друга на углы 120 , как показано на рис.21.

Рис.21

В этом случае мы имеем три переменных магнитных поля Н1, Н2 и Н3, которые составляют друг с другом, так же как и катушки, углы в 120. Колебания этих полей выражаются формулами:

Н1 = Н0 sin  t ,

H2 = H0 sin ( t - 120 ) , (9.3)

H3 = H0 sin ( t - 240 ).

Нетрудно показать, что эти три поля, складываясь, дают результирующее поле, вращающееся с угловой скоростью . Абсолютное значение результирующего поля остается постоянным и равным 3/2 Н0.

Если поменять местами концы любой пары проводов, присоединенных к катушкам поля (или к зажимам генератора), то направление вращения поля изменяется на обратное.

Вращающееся магнитное поле используют в асинхронных двигателях переменного тока. В двигателях трехфазного тока три обмотки, создающие вращающееся магнитное поле, размещены в пазах статора. Они соединяются либо по схеме треугольника, либо по схеме звезды и включаются в сеть трехфазного тока.

Ротор двигателя представляет собой железный сердечник, в пазах которого помещается обмотка. В двигателях небольшой мощности эта обмотка замыкается сама на себя накоротко. Обмотка ротора часто выполняется в виде толстых стержней, замкнутых на концах медными кольцами, так что вся обмотка имеет вид «беличьего колеса».

Вследствие возникновения вращающегося поля в обмотке ротора возникает индукционный ток, взаимодействие которого с магнитным полем статора приводит к силам, поворачивающим ротор.

Асинхронный двигатель трехфазного тока отличается большой простотой устройства. Он обладает также хорошими механическими характеристиками. Поэтому этот двигатель получил весьма широкое распространение .  1 