По законам магнетизма

Синхронные электродвигатели служат людям в самых разных отраслях промышленности. Благодаря своим характеристикам они могут приводить в движение мощные приводы, устойчивы к ударным нагрузкам, часто возникающим, например, в металлургии и машиностроении. Такие двигатели подходят для длительной постоянной работы в приводах насосов, вентиляторов, компрессоров, генераторов – устройств, которые используются практически на каждом промышленном производстве. Конструктивная сложность таких двигателей окупается их высоким КПД и экономичностью. 

В основе работы синхронного электродвигателя лежит знакомый всем по урокам физики эффект отталкивания одноименных магнитных полюсов. Не погружаясь в терминологию, эту работу можно описать так: стационарная и движущаяся части устройства отталкиваются друг от друга, в результате чего получается полезный крутящий момент, то есть электрическая энергия превращается в механическую.

Принципиальная конструкция любого электродвигателя такова: неподвижная часть (статор), подвижная часть (ротор), ось ротора с подшипниками, корпус и провода. Нужно упомянуть, что электродвигатели бывают постоянного и переменного тока, последние в свою очередь делятся на асинхронные и синхронные.
 

Как работает синхронный двигатель

Чтобы получить полезное действие, практически в любой электротехнике, где движение вызывается благодаря электромагнитному полю, применяется закон Ампера. Именно Мари Ампер в 1820 году установил, что между двумя параллельными проводниками, подключенными к постоянному току, действует притяжение, если токи однонаправленные, или отталкивание, если токи противоположные. Сила Ампера приводит в движение электропоезда и трамваи, двери лифтов и электрические ворота, а также заставляет звучать виброзвонок в вашем смартфоне.

Если в качестве проводника тока мы возьмем рамку и разместим ее в магнитное поле между двумя магнитами, на нее начнет действовать сила Ампера, то есть линии магнитной индукции начнут толкать проводник. Закрепив эту рамку посредством подшипников на оси, мы получим вращение.

В синхронном двигателе статор создает вращающееся магнитное поле, а ротор − постоянное магнитное поле. На статоре присутствует электрическая цепь в виде обмотки, на которую подается трехфазное напряжение, создающее магнитное поле, которое вращается с синхронной скоростью. Обмотка ротора возбуждается источником питания постоянного тока, поэтому он действует как постоянный магнит. Разноименные полюса ротора будут притягиваться к соответствующим полюсам вращающегося поля статора. При таком взаимодействии возникает крутящий момент, вращающий вал. Скорость вращения будет равна частоте вращающегося магнитного поля неподвижного статора.

Если противополюсные магниты статора и ротора совпадают, они вращаются с синхронной скоростью. Если ротор не имеет первоначального вращения, то появится отталкивающая сила, и ротор не сможет начать вращение. Таким образом синхронные двигатели – это двигатели без самозапуска.

Для запуска ротора синхронного двигателя между краями полюсов устанавливается так называемое «беличье колесо». При запуске на катушки ротора не подается напряжение, при этом электрический ток индуцируется в прутьях «колеса», и ротор начинает вращаться как в асинхронном двигателе. Когда ротор достигает максимальной скорости, на катушки ротора подается напряжение. В результате полюс ротора и статора фиксируются, и начинается синхронное движение.
 

Электродвигатели широкого профиля

Разработка и выпуск синхронных двигателей – одно из направлений работы Калужского электромеханического завода (КЭМЗ) в составе концерна «Автоматика» Госкорпорации Ростех.

Двигатели из Калуги отличаются высокими коэффициентами мощности и полезного действия, повышенной надежностью и энергоэффективностью. Постоянная частота вращения в них поддерживается даже при большой механической нагрузке на вал. По сравнению с асинхронными двигателями устройства КЭМЗа имеют более широкий диапазон настроек частоты вращения, а также более выгодные массогабаритные характеристики.

Именно компактные размеры и небольшой вес – до 3 кг – делают возможным в перспективе применение одной из последних разработок калужан в качестве двигателя для беспилотников вертолетного типа. Такой электродвигатель был представлен заводом Ростеха на форуме «Армия-2022». Двигатели КЭМЗа собраны полностью из российских комплектующих, что отвечает задачам импортозамещения.

Среди других направлений, в которых калужские синхронные двигатели уже зарекомендовали себя, − нефтегазовый сектор, промышленные системы вентиляции и кондиционирования, автотранспорт, ЖКХ. Для коммунальщиков инженеры КЭМЗа недавно представили новый синхронный электродвигатель для лифтов, выпускаемых Щербинским лифтостроительным заводом. Двигатель отличается тихим ходом и экономичным потреблением энергии.

О том, что калужские синхронные двигатели востребованы промышленностью, можно понять по цифрам производства. Так, в 2022 году КЭМЗ выпустил более 11 тысяч штук, нарастив объем с 2020 года примерно в два раза. В планах на текущий год – увеличить выпуск по некоторым моделям еще на 100%.