Budowa

Podobnie jak w silniku asynchronicznym, silnik ten zwykle posiada trójfazowe uzwojenie stojana, wytwarzające magnetyczne pole wirujące. Różnice występują w wirnikach tych silników. Starsze rozwiązania budowy silników synchronicznych zakładają, że wirnik wykonany jest w postaci uzwojenia nawiniętego na rdzeniu i zasilanego, za pośrednictwem pierścieni ślizgowych i szczotek, ze źródła prądu stałego lub zmiennego. Wirniki te wykonuje się w dwojaki sposób, jako: wirniki cylindryczne (z utajonymi biegunami) lub wirniki z biegunami jawnymi.

Każdy biegun posiada własne uzwojenie nawinięte na rdzeniu bieguna. Poprzez nadawanie odpowiedniego kształtu nabiegunnikom uzyskuje się odpowiedni rozkład wartości i kierunku pola magnetycznego na obwodzie wirnika.

Wirniki z biegunami jawnymi

Wirniki z biegunami jawnymi, ze względu na znacznie ograniczoną wytrzymałość mechaniczną na siły odśrodkowe, stosuje się zwykle w maszynach osiągających niezbyt duże prędkości obrotowe. Najczęstsze zastosowania tej konstrukcji to silniki i wolnoobrotowe prądnice napędzane turbinami wodnymi (hydrogeneratory).

Wirnik cylindryczny

Uzwojenie wzbudzenia wirnika cylindrycznego umieszcza się w wyfrezowanych w stalowym korpusie żłobkach i zabezpiecza się przed wypadnięciem ze żłobków za pomocą klinów. Uzwojenie to zajmuje tylko część obwodu wirnika (około 2/3 obwodu).

Wirniki takie są droższe od jawnobiegunowych, ale ze względu na dużą wytrzymałość mechaniczną są stosowane w maszynach osiągających większe prędkości obrotowe. Konstrukcja ta znajduje zastosowanie np. w szybkoobrotowych prądnicach (turbogeneratorach) osiągających z reguły prędkość 3000 obr/min (dla 50Hz) lub 3600 obr/min (dla 60Hz) napędzanych turbinami parowymi lub gazowymi.

Zasada działania

Moment elektromagnetyczny

Wirujące pole magnetyczne wytworzone przez trójfazowe uzwojenie stojana - jako suma trzech wektorów pola magnetycznego wytwarzanego przez trzy nieruchome uzwojenia umieszczone na stojanie

Po zasileniu uzwojeń stojana, wytworzone zostanie w nim wirujące pole magnetyczne. Jeżeli wyobrazić sobie to pole jako wirującą parę biegunów, to nieobciążony namagnesowany wirnik ustawi się w osi pola stojana i zacznie wirować wraz z tym polem synchronicznie. Siły działające między tak przedstawionymi biegunami mają kierunki promieniowe, więc nie dają żadnego momentu obrotowego. Jeżeli wirnik obciążony zostanie momentem hamującym, spóźni się nieznacznie względem wirującego pola. W ten sposób oś wirnika nie będzie się już pokrywać z osią stojana, a siły działające między biegunami wywołają moment mechaniczny, który przeciwstawi się momentowi hamującemu. Zmiany obciążenia nie powodują zmian prędkości obrotowej wirnika (jak to ma miejsce w silniku asynchronicznym), lecz opóźnienie wirnika względem wirującego pola, zmianę kąta opóźnienia. Teoretycznie maksymalna wartość kąta opóźnienia może wynieść do 90°, jednak przy zbyt wysokich wartościach tego kąta praca silnika jest niestabilna. W praktyce maksymalna wartość kąta opóźnienia wynosi 60°, powyżej tej wartości silnik wypada z synchronizmu.

Wirnik zarówno w stanie jałowym (bez obciążenia) jak i przy obciążeniu obraca się ze stałą prędkością, równą prędkości wirowania pola magnetycznego (z prędkością synchroniczną). Jeżeli jednak moment obciążenia będzie większy niż maksymalny moment elektromagnetyczny silnika, maszyna wypadnie z synchronizmu wirnik będzie okresowo hamowany i przyspieszany i po pewnym czasie zatrzyma się.

Rozruch

Jedną z wad silnika synchronicznego jest to, że nie potrafi on samoczynnie wystartować po zasileniu uzwojeń. Podanie napięcia na stojan powoduje powstanie pola wirującego, które wywołuje przemienny moment obrotowy działający na wirnik. Ze względu na zbyt dużą częstotliwość zmian tego momentu wobec bezwładności wirnika, nie jest on w stanie ruszyć z miejsca.

Wartość średnia momentu rozruchowego wirnika silnika synchronicznego jest równa zero.

Istnieje kilka możliwości radzenia sobie z tą niedogodnością. Jedną z nich jest zastosowanie dodatkowej maszyny, która rozpędza wirnik silnika synchronicznego do prędkości zbliżonej do synchronicznej. Rolę takiej maszyny pełni dodatkowy silnik asynchroniczny lub silnik prądu stałego, ale raczej tego rozwiązania nie stosuje się w praktyce. Innym sposobem uruchomienia silnika synchronicznego jest skorzystanie z rozwiązania stosowanego w silnikach asynchronicznych. W nabiegunnikach wirnika umieszcza się klatkę rozruchową najczęściej utworzoną z miedzianych prętów, podobną do klatki z w wirniku silnika asynchronicznego klatkowego. Silnik taki startuje tak jak silnik asynchroniczny, czyli zasilane są tylko uzwojenia stojana. Po osiągnięciu prędkości podsynchronicznej uzwojenia wirnika zasilane są prądem stałym, co pozwala wirnikowi wejść w synchronizm i dalej obracać się z prędkością synchroniczną. Kolejną metodą rozruchu jest zwarcie uzwojeń wirnika, bezpośrednio lub poprzez rezystancję ograniczającą prąd rozruchowy. Zwarte uzwojenia zachowuje się jak typowa klatka. Po uzyskaniu prędkości podsynchronicznej następuje załączenie uzwojeń wirnika. Silnik dochodzi do synchronizmu samoczynnie.

Obecnie najlepszym rozwiązaniem służącym do uruchamiania silników synchronicznych wydaje się zastosowanie specjalnych elektronicznych przemienników częstotliwości (falowników), które pozwalają na systematyczne zwiększanie częstotliwości napięcia zasilania uzwojeń stojana co pozwala na stopniowe rozpędzenie wirnika. W przypadku silników z magnesami trwałymi jest to w zasadzie jedyne rozwiązanie.

Silniki elektryczne synchroniczne różnią się od silników indukcyjnych budową wirnika, który jest wyposażony dodatkowo w elektromagnesy zasilane prądem stałym ze wzbudnicy osadzonej na wale wirnika. Liczba biegunów elektromagnesów odpowiada liczbie biegunów pola wirującego stojana. W prostych budowach silnika synchronicznego umieszczany jest jeden wirnik albo para magnesów stałych. Ich bieguny biegną za przeciwnymi biegunami wirującego pola wzbudzającego w taki sposób, iż prędkości obrotowe są takie same. Ale są też takie rozwiązania, że wirnikiem jest elektromagnes (zasilany prądem przez komutator), choć zasada pracy takiego silnika jest taka sama jak innych tego typu maszynach. Nieco odmiennym rozwiązaniem silnika synchronicznego jest tzw. silnik skokowy (krokowy lub impulsowy), w którym wykorzystuje się zmiany przepływu prądu do wytworzenia pola magnetycznego i które z kolei popycha koło zębate wirnika o jeden ząb na każdy okres (silniki tego typu stosuje się np. w zegarach elektronicznych).

Podobnie jak w silnikach asynchronicznych silnik ten posiada zwykle uzwojenie trójfazowe stojana, wytwarzające magnetyczne pole wirujące. Starsze rozwiązania budowy silników synchronicznych zakładają, że wirnik jest w postaci uzwojenia nawiniętego na rdzeniu i zasilanego za pośrednictwem pierścieni ślizgowych i szczotek ze źródła prądu stałego lub zmiennego. Wirniki te wykonuje się w dwojaki sposób: (1) jako cylindryczne (z utajonymi biegunami), (2) wirniki z biegunami jawnymi. Każdy biegun posiada własne uzwojenie nawinięte na rdzeń bieguna. Poprzez nadawanie odpowiedniego kształtu nabiegunnikom uzyskuje się odpowiedni rozkład wartości i kierunku pola magnetycznego na obwodzie wirnika. Wirniki z biegunami jawnymi, ze względu na znacznie ograniczoną wytrzymałość mechaniczną na siły odśrodkowe, stosuje się zwykle w maszynach osiągających niezbyt duże prędkości obrotowe. Najczęstsze zastosowanie tej konstrukcji to silniki i wolnoobrotowe prądnice napędzane turbinami wodnymi (hydrogeneratory). Wirniki z utajonymi biegunami (silniki cylindryczne) natomiast mają uzwojenie wzbudzenia wirnika umieszczone w wyfrezowanych żłobkach w stalowym korpusie, zabezpieczone przed wypadnięciem ze żłobków za pomocą klinów. Uzwojenie to zajmuje tylko część obwodu wirnika (ok. 2/3). Wirniki takie są droższe od jawnobiegunowych, ale ze względu na dużą wytrzymałość mechaniczną są stosowane w maszynach osiągających większe prędkości obrotowe, np. w szybkoobrotowych prądnicach (turbogeneratorach) osiągających z reguły prędkość 3000 obr/min.

Po zasileniu uzwojeń stojana, wytworzone zostaje w nim pole magnetyczne. Jeśli wyobrazimy sobie to pole jako wirującą parę biegunów, to nieobciążony namagnesowany wirnik ustawi się w osi pola stojana i zacznie wirować wraz z tym polem synchronicznie. Siły działające między tak ustawionymi biegunami mają kierunki promieniowe, więc nie dają żadnego momentu obrotowego. Jeśli wirnik obciążony zostanie momentem hamującym, spóźni się nieznacznie względem wirującego pola. W ten sposób oś wirnika nie będzie się już pokrywać z osią stojana, a siły działające między biegunami wywołają moment mechaniczny, który przeciwstawi się momentowi hamującemu – silnik zacznie pracować. Zmiany obciążenia nie powodują zmian prędkości wirnika (jak to ma miejsce w silniku asynchronicznym), lecz opóźnienie wirnika względem wirującego pola, czyli zmianę kąta opóźnienia (wirnik w stanie jałowym, jak i przy obciążeniu obraca się ze stałą prędkością równą prędkości wirowania pola magnetycznego). Maksymalna wartość kąta opóźnienia to 60 stopni, powyżej tej wartości silnik wypada z synchronizmu i po pewnym czasie zatrzyma się.

Główną wadą silnika synchronicznego jest to, że nie potrafi on samoczynnie wystartować po zasileniu uzwojeń. Istnieje kilka możliwości radzenia sobie z tą niedogodnością. Jedną z nich jest zastosowanie dodatkowej maszyny, która z kolei rozpędza wirnik silnika do prędkości zbliżonej do synchronicznej. Rolę taką pełni wtedy dodatkowy silnik asynchroniczny lub silnik prądu stałego, ale rozwiązania tego nie stosuje się w praktyce. Innym sposobem uruchamiania silnika synchronicznego jest skorzystanie z rozwiązania stosowanego w silniku asynchronicznym – w nabiegunnikach wirnika umieszcza się klatkę rozruchową. Silnik taki startuje jak asynchroniczny, czyli zasilane są tylko uzwojenia stojana. Kolejną metodą rozruchu jest zwarcie uzwojeń wirnika (bezpośrednio lub poprzez rezystancję ograniczającą prąd rozruchowy). Zwarte uzwojenie zachowuje się jak typowa klatka, a silnik dochodzi do synchronizmu samoczynnie.

Obecnie najlepszym rozwiązaniem służącym od uruchamiania silników synchronicznych wydaje się zastosowanie specjalnych elektrycznych przemienników częstotliwości, tzw. falowników, które pozwalają na systematyczne zwiększanie częstotliwości napięcia uzwojeń stojana, co pozwala na stopniowe rozpędzenie wirnika. W przypadku silników z magnesami trwałymi jest to w zasadzie jedyne rozwiązanie. Istotną zaletą silników synchronicznych jest możliwość kompensacji mocy biernej indukcyjnej, natomiast ze względu na trudności z rozruchem stosuje się je zwykle w urządzeniach o długim czasie ciągłej pracy.

Szczególną odmianą silnika synchronicznego jest silnik BLDC (Brushless Direct Current), wykorzystywany w każdym komputerze do napędu wszystkiego – od wiatraczka po dysk twardy, a także jako serwomotory o obrabiarkach CNC i innych maszynach. Uzwojenia tego silnika są zasilane przez układ elektroniczny, który na podstawie pomiaru położenia wirnika z magnesami trwałymi steruje prądem w uzwojeniach stojana. Zaletą takiego silniczka (stosowany przy małych mocach, ograniczeniem są m.in. magnesy) jest brak komutatora i szczotek oraz możliwość precyzyjnego sterowania.

Ale silnik synchroniczny stosowany jest również i przede wszystkim w napędach najwyższych mocy, tam gdzie niewielki nawet zysk sprawności ma duże znaczenie. Wraz z rozwojem elektroniki, która eliminuje trudności z rozruchem, jest dziś stosowany w trakcji kolejowej, okrętownictwie, lotnictwie, a jako alternatory w każdym współczesnym samochodzie – na ziemi, w powietrzu i wodzie – krótko mówiąc: wszędzie.