Фізика машин - куди біжить магнітне поле

Як не гарно виглядали електромотори постійного струму, що застосовуються, до речі, і зараз у багатьох випадках, але не всім. Дуже ненадійний був вузол колектора зі щітками: він іскрить, часто виходив з ладу, та й коштував недешево. Це спонукало вчених шукати спосіб «безколекторним» роботи моторів і генераторів, і такий спосіб був знайдений. Це допомогли зробити змінний струм і біжить магнітне поле.

Спочатку, коли струм отримували від гальванічних батарей, про змінний струм і не чули. Але знаменитий досвід Фарадея дозволив отримати саме змінний струм: коли магніт починали всувати в котушку, струм виникав, а потім, при припиненні руху магніту, струм припинявся. Якщо рухати магніт туди-сюди безперервно, отримуємо справжнісінький змінний струм, причому без будь-яких колекторів, прямо від котушки. Це добре, але є і незручності - не дуже-то просто рухати магніт туди-сюди, набагато легше обертати його.

Так і було зроблено. Взяли три котушки з сердечниками, розташували їх по колу під кутом 120 °, а всередині кола стали обертати магніт - постійний або електричний, що, втім, дає один і той же результат. При наближенні полюса магніту до котушки в ній виникав (індукувався) струм, точно так же, як в досвіді Фарадея. Магніт можна було обертати дуже швидко, що дозволяло отримувати чималі струми. Так був винайдений генератор змінного трифазного струму - кожна котушка давала свою фазу. Струм в цих фазах зростав і падав поперемінно, теж із зсувом 120 °. Що стосується мотора, який можна живити таким трифазним струмом, то він принципово нічим не відрізняється від генератора. Такі ж котушки, такий же магніт - ротор. Котушки генератора з'єднуються проводами (можна за тисячі кілометрів!) З котушками мотора, і відбувається наступне.

Коли полюс магніту генератора проходить повз будь-якої котушки, в ній виникає найбільший струм, який намагнічує відповідну котушку мотора. Саме до цієї котушці прагне той же полюс магніту мотора, і якщо йому не дуже заважати, то він буде в точності повторювати обертання магніту генератора. Ми отримали синхронний мотор (двигун), т. Е. Такий, в якому ротор-магніт рухається синхронно ротора-магніту генератора (рис. 374). У деяких випадках, коли, наприклад, потрібно точно передати поворот валу генератора на велику відстань, такий мотор дуже корисний. Але найчастіше обертання ротора-магніту зустрічає великі опору, і він може зупинитися, збитися з ритму.

Магнітна стрілка обертається туди ж, куди обертається магніт, - це принцип роботи синхронних двигунів
Щоб цього не траплялося, український електротехнік М. О. Доліво-Добровольський в 1888 р придумав несинхронний, або, як його зараз називають, асинхронний мотор, де ротор може відставати від обертового магнітного поля. Уявімо собі, що замість постійного магніту ротор складається з котушки, зовсім такий, як у мотора постійного струму, тільки з накоротко замкнутим колектором. Власне кажучи, колектор тут просто не потрібен, а витки котушки можна настільки спростити, що виконувати їх у вигляді стрижнів, з'єднаних кільцями на кінцях. Конструкція такого ротора отримала найбільше поширення і була названа короткозамкненою, так як дійсно кожен стрижень-виток її замкнутий накоротко. І ще через разючого зовнішньої схожості такого ротора з болючих колесом-кліткою, яка теж обертається, коли білка біжить по ній, ротор так і назвали - біляче колесо. Ці дві назви однаково прижилися до ротора асинхронної машини, надзвичайно широко поширеною в техніці. Рідше зустрічаються машини, де ротор дійсно має обмотки-котушки.

Отже, обертове магнітне поле нерухомих котушок-статора мотора починає індукувати електрику в обмотках або стрижнях нерухомого ротора, перетворюючи їх в електромагніти. Ті, в свою чергу, ведуть себе так, як і належить поводитися магніту-ротора, - він захоплюється магнітним полем статора і починає обертатися.
Ось тут-то і видно різницю між синхронним і асинхронним моторами. Якщо в першому магніт-ротор точно повторює обертання магнітного поля, то в другому таке повторення в принципі неможливо. Якщо ротор з обмотками стане обертатися з тією ж швидкістю, що і магнітне поле, то настане момент, коли в обмотках вже не буде индуктироваться струм, тому що не буде відносного руху магнітного поля і обмоток. Ротор тоді, повністю розмагнітив, починає відставати від обертового магнітного поля, але не тут-то було. При відставанні знову починається відносне обертання ротора і поля, знову ротор стає магнітом і знову починає наздоганяти магнітне поле.

В результаті ротор асинхронного мотора завжди відстає від обертового магнітного поля, і це відставання тим більше, чим більше опір обертанню ротора. А в цілому це відставання невелике і для короткозамкнених двигунів не перевищує декількох відсотків.

Статор може бути і циліндричним, і кільцевим. Можна «розрізати» біляче колесо, випрямити його, розташувавши вздовж прямої, зовсім як рейки зі шпалами. Шпали в цьому випадку будуть грати роль стрижнів, а рейки - замикаючих їх кілець. Поставимо на ці рейки візок, в якій встановимо котушки точно так же розрізаного і випрямленої статора. Пустимо струм в котушки статора, і отримаємо вже не обертається, а біжить магнітне поле, яке буде прагнути зрушити вперед або назад шпали-стрижні випрямленої ротора. А так як зрушити шлях завжди важче, ніж поїхати самому цим шляхом, то візок з котушками поїде по дорозі, рухома біжать магнітним полем.
Так був створений лінійний електродвигун, який отримав велике поширення зараз і дуже перспективний для майбутнього - адже всі поїзди на магнітній підвісці наводяться в рух саме лінійними електродвигунами, і так передбачається в майбутньому. Лінійні електродвигуни рухають швидкісні ліфти хмарочосів, точні механізми переміщення верстатів, розганяють літаки для їх прискореного запуску з кораблів-авіаносців.