Конструкция асинхронного двигателя советы электрика

Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей

В промышленности наибольшее распространение получили асинхронные двигатели трехфазного тока. Рассмотрим устройство и принцип действия этих двигателей.

Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Для уяснения работы такого двигателя проделаем следующий опыт.

Укрепим подковообразный магнит на оси таким образом, чтобы его можно было вращать за ручку. Между полюсами магнита расположим на оси медный цилиндр, могущий свободно вращаться.

Рисунок 1. Простейшая модель для получения вращающегося магнитного поля

Начнем вращать магнит за ручку по часовой стрелке. Поле магнита также начнет вращаться и при вращении будет пересекать своими силовыми линиями медный цилиндр. В цилиндре, по закону электромагнитной индукции, возникнут вихревые токи, которые создадут свое собственное магнитное поле — поле цилиндра. Это поле будет взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, в результате чего цилиндр начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит.

Установлено, что скорость вращения цилиндра несколько меньше скорости вращения поля магнита.

Действительно, если цилиндр вращается с той же скоростью, что и магнитное поле, то магнитные силовые линии не пересекают его, а следовательно, в нем не возникают вихревые токи, вызывающие вращение цилиндра.

Скорость вращения магнитного поля принято называть синхронной , так как она равна скорости вращения магнита, а скорость вращения цилиндра — асинхронной (несинхронной). Поэтому сам двигатель получил название асинхронного двигателя . Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину, называемую скольжением.

Обозначив скорость вращения ротора через n1 и скорость вращения поля через n мы можем подсчитать величину скольжения в процентах по формуле:

В приведенном выше опыте вращающееся магнитное поле и вызванное им вращение цилиндра мы получали благодаря вращению постоянного магнита, поэтому такое устройство еще не является электродвигателем . Надо заставить электрический ток создавать вращающееся магнитное поле и использовать его для вращения ротора. Задачу эту в свое время блестяще разрешил М. О. Доливо-Добровольский. Он предложил использовать для этой цели трехфазный ток.

Устройство асинхронного электродвигателя М. О. Доливо-Добровольского

Рисунок 2. Схема асинхронного электродвигателя Доливо-Добровольского

На полюсах железного сердечника кольцевой формы, называемого статором электродвигателя , помещены три обмотки, сети трехфазного тока 0 расположенные одна относительно другой под углом 120°.

Внутри сердечника укреплен на оси металлический цилиндр, называемый ротором электродвигателя.

Если обмотки соединить между собой так, как показано на рисунке, и подключить их к сети трехфазного тока, то общий магнитный поток, создаваемый тремя полюсами, окажется вращающимся.

На рисунке 3 показан график изменения токов в обмотках двигателя и процесс возникновения вращающегося магнитного поля.

Рассмотрим – подробнее этот процесс.

Рисунок 3. Получение вращающегося магнитного поля

В положении «А» на графике ток в первой фазе равен нулю, во второй фазе он отрицателен, а в третьей положителен. Ток по катушкам полюсов потечет в направлении, указанном на рисунке стрелками.

Определив по правилу правой руки направление созданного током магнитного потока, мы убедимся, что на внутреннем конце полюса (обращенном к ротору) третьей катушки будет создан южный полюс (Ю), а на полюсе второй катушки — северный полюс (С). Суммарный магнитный поток будет направлен от полюса второй катушки через ротор к полюсу третьей катушки.

В положении «Б» на графике ток во второй фазе равен нулю, в первой фазе он положителен, а в третьей отрицателен. Ток, протекая по катушкам полюсов, создает на конце первой катушки южный полюс (Ю), на конце третьей катушки северный полюс (С). Суммарный магнитный поток теперь будет направлен от третьего полюса через ротор к первому полюсу, т. е. полюсы при этом переместятся на 120°.

В положении «В» на графике ток в третьей фазе равен нулю, во второй фазе он положителен, а в первой отрицателен. Теперь ток, протекая по первой и второй катушкам, создаст на конце полюса первой катушки — северный полюс (С), а на конце полюса второй катушки — южный полюс (Ю), т. е. полярность суммарного магнитного поля переместится еще на 120°. В положении «Г» на графике магнитное поле переместится еще на 120°.

Таким образом, суммарный магнитный поток будет менять свое направление с изменением направления тока в обмотках статора (полюсов).

При этом за один период изменения тока в обмотках магнитный поток сделает полный оборот. Вращающийся магнитный поток будет увлекать за собой цилиндр, и мы получим таким образом асинхронный электродвигатель.

Напомним, что на рисунке 3 обмотки статора соединены «звездой», однако вращающееся магнитное поле образуется и при соединении их «треугольником».

Если мы поменяем местами обмотки второй и третьей фаз, то магнитный поток изменит направление своего вращения на обратное.

Такого же результата можно добиться, не меняя местами обмотки статора, а направляя ток второй фазы сети в третью фазу статора, а третью фазу сети — во вторую фазу статора.

Таким образом, изменить направление вращения магнитного поля можно переключением двух любых фаз.

Мы рассмотрели устройство асинхронного двигателя, имеющего на статоре три обмотки . В этом случае вращающееся магнитное поле двухполюсное и число его оборотов в одну секунду равно числу периодов изменения тока в одну секунду.

Если на статоре разместить по окружности шесть обмоток, то будет создано четырехполюсное вращающееся магнитное поле . При девяти обмотках поле будет шестиполюсным.

При частоте трехфазного тока f , равной 50 периодам в секунду, или 3000 в минуту, число оборотов n вращающегося поля в минуту будет:

при двухполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 1 = 3000 об/мин,

при четырехполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 2 = 1500 об/мин,

при шестиполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 3 = 1000 об/мин,

при числе пар полюсов статора, равном p : n = (f х 60 ) / p ,

Итак, мы установили скорость вращения магнитного поля и зависимость ее от числа обмоток на статоре двигателя.

Ротор же двигателя будет, как нам известно, несколько отставать в своем вращении.

Однако отставание ротора очень небольшое. Так, например, при холостом ходе двигателя разность скоростей составляет всего 3%, а при нагрузке 5 – 7%. Следовательно, обороты асинхронного двигателя при изменении нагрузки изменяются в очень небольших пределах, что является одним из его достоинств.

Рассмотрим теперь устройство асинхронных электродвигателей

Статор современного асинхронного электродвигателя имеет невыраженные полюсы, т. е. внутренняя поверхность статора сделана совершенно гладкой.

Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник статора набирают из тонких штампованных стальных листов. Собранный сердечник статора закрепляют в стальном корпусе.

В пазы статора закладывают обмотку из медной проволоки. Фазовые обмотки статора электродвигателя соединяются «звездой» или «треугольником», для чего все начала и концы обмоток выводятся на корпус — на специальный изоляционный щиток. Такое устройство статора очень удобно, так как позволяет включать его обмотки на разные стандартные напряжения.

Ротор асинхронного двигателя , подобно статору, набирается из штампованных листов стали. В пазы ротора закладывается обмотка.

В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором .

Обмотка короткозамкнутого ротора сделана из медных стержней, закладываемых в пазы ротора. Торцы стержней соединены при помощи медного кольца. Такая обмотка называется обмоткой типа «беличьей клетки». Заметим, что медные стержни в пазах не изолируются.

В некоторых двигателях «беличью клетку» заменяют литым ротором.

Асинхронный двигатель с фазным ротором (с контактными кольцами) применяется обычно в электродвигателях большой мощности и в тех случаях; когда необходимо, чтобы электродвигатель создавал большое усилие при трогании с места. Достигается это тем, что в обмотки фазного двигателя включается пусковой реостат.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели пускаются в ход двумя способами:

1) Непосредственным подключением трехфазного напряжения сети к статору двигателя. Этот способ самый простой и наиболее популярный.

2) Снижением напряжения, подводимого к обмоткам статора. Напряжение снижают, например, переключая обмотки статора со «звезды» на «треугольник».

Пуск двигателя в ход происходит при соединении обмоток статора «звездой», а когда ротор достигнет нормального числа оборотов, обмотки статора переключаются на соединение «треугольником».

Ток в подводящих проводах при этом способе пуска двигателя уменьшается в 3 раза по сравнению с тем током, который возник бы при пуске двигателя прямым включением в сеть с обмотками статора, соединенными «треугольником». Однако этот способ пригоден лишь в том случае, если статор рассчитан для нормальной работы при соединении его обмоток «треугольником».

Наиболее простым, дешевым и надежным является асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором , но этот двигатель обладает некоторыми недостатками — малым усилием при трогании с места и большим пусковым током. Эти недостатки в значительной мере устраняются применением фазного ротора, но применение такого ротора значительно удорожает двигатель и требует пускового реостата.

Типы асинхронных электродвигателей

Основной тип асинхронных машин — трехфазный асинхронный двигатель . Он имеет три обмотки на статоре, смещенные в пространстве на 120°. Обмотки соединяются в звезду или треугольник и питаются трехфазным переменным током.

Двигатели малой мощности в большинстве случаев выполняются как двухфазные . В отличие от трехфазных двигателей они имеют на статоре две обмотки, токи в которых для создания вращающегося магнитного поля должны быть сдвинуты на угол π /2.

Если токи в обмотках равны по модулю и сдвинуты по фазе на 90°, то работа подобного двигателя ничем не будет отличаться от работы трехфазного. Однако такие двигатели с двумя обмотками на статоре в большинстве случаев питаются от однофазной сети и сдвиг, приближающийся к 90°, создается искусственным путем, обычно за счет конденсаторов.

Однофазный двигатель , имеющий только одну обмотку на статоре, практически неработоспособен. При неподвижном роторе в двигателе создается только пульсирующее магнитное поле и вращающий момент равен нулю. Правда, если ротор такой машины раскрутить до некоторой скорости, то далее она может выполнять функции двигателя.

В этом случае, хотя и будет только пульсирующее поле, но оно слагается из двух симметричных — прямого и обратного, которые создают неравные моменты — больший двигательный и меньший тормозной, возникающий за счет токов ротора повышенной частоты (скольжение относительно обратносинхронного поля больше 1).

В связи с изложенным однофазные двигатели снабжаются второй обмоткой, которая используется как пусковая. В цепь этой обмотки для создания фазового сдвига тока включают конденсаторы, емкость которых может быть достаточно велика (десятки микрофарад при мощности двигателя менее 1 кВт).

В системах управления используются двухфазные двигатели, которые иногда называют исполнительными . Они имеют две обмотки на статоре, сдвинутые в пространстве на 90°. Одна из обмоток, называемая обмоткой возбуждения, непосредственно подключается к сети 50 или 400 Гц. Вторая используется как обмотка управления.

Для создания вращающегося магнитного поля и соответствующего момента ток в обмотке управления должен быть сдвинут на угол, близкий к 90°. Регулирование скорости двигателя, как будет показано ниже, осуществляется изменением значения или фазы тока в этой обмотке. Реверс обеспечивается изменением фазы тока в управляющей обмотке на 180° (переключением обмотки).

Двухфазные двигатели изготовляются в нескольких исполнениях:

с короткозамкнутым ротором,

с полым немагнитным ротором,

с полым магнитным ротором.

Преобразование вращательного движения двигателя в поступательное движение органов рабочей машины всегда связано с необходимостью использования каких-либо механических узлов: зубчатых реек, винта и др. Поэтому иногда целесообразно выполнение двигателя с линейным перемещением ротора-бегунка (название ’’ротор” при этом может быть принято только условно — как движущегося органа).

В этом случае двигатель, как говорят, может быть развернут. Обмотка статора линейного двигателя выполняется так же, как и у объемного двигателя, но только должна быть заложена в пазы на всю длину максимального возможного перемещения ротора-бегунка. Ротор-бегунок обычно короткозамкнутый, с ним сочленяется рабочий орган механизма. На концах статора, естественно, должны находиться ограничители, препятствующие уходу ротора за рабочие пределы пути.

Устройство и принцип работы электродвигателя

Электродвигатель – это электротехническое устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Сегодня повсеместно применяются электромоторы в промышленности для привода различных станков и механизмов. В домашнем хозяйстве они установлены в стиральной машине, холодильнике, соковыжималке, кухонном комбайне, вентиляторах, электробритвах и т. п. Электродвигатели приводят в движение, подключенные к ней устройства и механизмы.

В этой статье Я расскажу о самых распространенных видах и принципах работы электрических двигателей переменного тока, широко используемых в гараже, в домашнем хозяйстве или мастерской.

Как работает электродвигатель

Двигатель работает на основе эффекта, обнаруженного Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита может возникнуть непрерывное вращение.

Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться.

В результате рамка повернется в горизонтальное положения, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент.

На рисунке это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.

В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.

В быту же постоянные магниты используются в детских игрушках на батарейках.

В других же более мощных двигателях используются только электромагниты или обмотки. Вращающаяся часть с ними называется ротор, а неподвижная- статор.

Виды электродвигателей

Сегодня существуют довольно много электродвигателей разных конструкций и типов. Их можно разделить по типу электропитания:

  1. Переменного тока, работающие напрямую от электросети.
  2. Постоянного тока, которые работают от батареек, АКБ, блоков питания или других источников постоянного тока.

По принципу работы:

  1. Синхронные, в которых есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока.
  2. Асинхронные, самый простой и распространенный вид мотора. В них нет щеток и обмоток на роторе.

Синхронный мотор вращается синхронно с магнитным полем, которое его вращает, а у асинхронного ротор вращается медленнее вращающегося магнитного поля в статоре .

Принцип работы и устройство асинхронного электродвигателя

В корпусе асинхронного двигателя укладываются обмотки статора (для 380 Вольт их будет 3), которые создают вращающееся магнитное поле. Концы их для подключения выводятся на специальную клеммную колодку. Охлаждаются обмотки, благодаря вентилятору, установленному на вале в торце электродвигателя.

Ротор, являющиеся одним целым с валом, изготавливается из металлических стержней, которые замыкаются между собой с обоих сторон, поэтому он и называется короткозамкнутым.
Благодаря такой конструкции отпадает необходимость в частом периодическом обслуживании и замене токоподающих щеток, многократно увеличивается надежность, долговечность и безотказность.

Как правило, основной причиной поломки асинхронного мотора является износ подшипников, в которых вращается вал.

Принцип работы. Для того что бы работал асинхронный двигатель необходимо, что бы ротор вращался медленнее электромагнитного поля статора, в результате чего наводится ЭДС (возникает электроток) в роторе. Здесь важное условие, если бы ротор вращался с такой же скоростью как и магнитное поле, то в нем по закону электромагнитной индукции не наводилось бы ЭДС и, следовательно не было бы вращения. Но в реальности, из-за трения подшипников или нагрузки на вал, ротор всегда будет вращаться медленнее.

Магнитные полюса постоянно вращаются в обмотках мотора, и постоянно меняется направление тока в роторе. В один момент времени, например направление токов в обмотках статора и ротора изображено схематично в виде крестиков (ток течет от нас) и точек (ток на нас). Вращающееся магнитное поле изображено изображено пунктиром.

Например, как работает циркулярная пила. Наибольшие обороты у нее без нагрузки. Но как только мы начинаем резать доску, скорость вращения уменьшается и одновременно с этим ротор начинает медленнее вращаться относительно электромагнитного поля и в нем по законам электротехники начинает наводится еще большей величины ЭДС. Вырастает потребляемый ток мотором и он начинает работать на полной мощности. Если же нагрузка на вал будет столь велика, что его застопорит, то может возникнуть повреждение короткозамкнутого ротора из-за максимальной величины наводимой в нем ЭДС. Вот почему важно подбирать двигатель, подходящей мощности. Если же взять большей, то неоправданными будут энергозатраты.

Скорость вращения ротора зависит от количества полюсов. При 2 полюсах скорость вращения будет равна скорости вращения магнитного поля, равного максимум 3000 оборотов в секунду при частоте сети 50 Гц. Что бы понизить скорость вдвое, необходимо увеличить количество полюсов в статоре до четырех.

Весомым недостатком асинхронных двигателей является то, что они подаются регулировке скорости вращения вала только при помощи изменения частоты электрического тока. А так не возможно добиться постоянной частоты вращения вала.

Принцип работы и устройство синхронного электродвигателя переменного тока

Данный вид электродвигателя используется в быту там, где необходима постоянная скорость вращения, возможность ее регулировки, а так же если необходима скорость вращения более 3000 оборотов в минуту (это максимум для асинхронных).

Синхронные моторы устанавливаются в электроинструменте, пылесосе, стиральной машине и т. д.

В корпусе синхронного двигателя переменного тока расположены обмотки (3 на рисунке), которые также намотаны и на ротор или якорь (1). Их выводы припаяны к секторам токосъемного кольца или коллектора (5), на которые при помощи графитовых щеток (4) подается напряжение. При чем выводы расположены так, что щетки всегда подают напряжение только на одну пару.

Наиболее частыми поломками коллекторных двигателей является:

  1. Износ щетокили их плохой их контакт из-за ослабления прижимной пружины.
  2. Загрязнение коллектора.Чистите либо спиртом или нулевой наждачной бумагой.
  3. Износ подшипников.

Принцип работы. Вращающий момент в электромоторе создается в результате взаимодействия между током тока якоря и магнитным потоком в обмотке возбуждения. С изменением направления переменного тока будет меняться и направление магнитного потока одновременно в корпусе и якоре, благодаря чему вращение всегда будет в одну сторону.

Регулировка скорости вращения меняется методом изменения величины подаваемого напряжения. В дрелях и пылесосах для этого используется реостат или переменное сопротивление.

Изменение направления вращения происходит также как и у двигателей постоянного тока, о которых Я расскажу в следующей статье.

Принцип работы асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели, подключаемые к однофазной или трехфазной сети переменного тока, используются для привода механизмов бытовой техники и промышленного оборудования. Установленный на подшипниковых опорах ротор вращается с частотой, отличной от количества оборотов магнитного поля, создаваемого зафиксированными обмотками статора.

Что такое асинхронный двигатель

Асинхронный электродвигатель представляет собой машину, преобразующую электрическую энергию в механическую. Агрегат состоит из металлического немагнитного корпуса цилиндрической конфигурации, на внешней поверхности которого расположены ребра для охлаждения. Внутри кожуха находится обмотка, подключаемая к бытовой или промышленной сети переменного тока. С торцов корпус закрыт крышками, в которых предусмотрены постели для подшипниковых опор. Могут использоваться подшипники качения или скольжения с ручной или автоматической подачей масла.

Ротор, изготовленный из электротехнической стали установлен на подшипниках, обеспечивающих снижение трения и поддерживающих равномерный интервал между внешней поверхностью детали и внутренней плоскостью статора. В схеме узла предусмотрена обмотка (короткозамкнутого или фазного типа). В короткозамкнутых конструкциях отсутствуют коллектор и щетки, что увеличило надежность мотора. В фазных предусмотрено использование коллекторного узла, что позволяет повысить пусковой вращающий момент.

История создания

Теоретическая база асинхронной электрической установки была разработана в 1888 г. итальянским техником Г. Феррарисом и ученым Николой Тесла, причем специалисты вели исследования параллельно. Изначальные расчеты показали низкий КПД устройства, но российский инженер М.О. Доливо-Добровольский опроверг это предположение. Уже в 1889-90 гг. изобретатель из России получает несколько патентов на асинхронные силовые установки, а в 1903 г. в Новороссийске начинает работать элеватор с механизмами, оснащенными трехфазными асинхронными моторами.

Область применения

Основные сферы применения электромоторов асинхронного типа:

  • для привода шпинделей и вспомогательных механизмов металлообрабатывающих станков;
  • для обеспечения движения конвейерных лент;
  • для вращения рабочих колес вентиляторов и насосов, перекачивающих воду и агрессивные жидкости;
  • для передачи крутящего момента к лебедкам грузоподъемной техники;
  • для привода механизмов в автоматических системах.

Типы двигателей

Основные типы двигателей асинхронного типа:

  1. Мотор однофазного типа, оборудованный ротором с короткозамкнутой намоткой. В конструкции статора предусмотрена рабочая намотка для 1-й фазы, но для раскрутки вала двигателя используется пусковой элемент. Дополнительные витки провода подключаются через конденсатор или катушку индуктивности. Схема коммутации обеспечивает сдвига фаз, позволяющий провернуть стальной ротор.
  2. Двигатель двухфазного или конденсаторного типа, отличающийся повышенной эффективностью при коммутации к бытовой сети переменного тока напряжением 220 В. В конструкции статора предусмотрены 2 катушки, смонтированные под углом 90°. Первичная намотка коммутируется к сети напрямую, а вторичная подсоединяется через емкость, обеспечивающую смещение фазы.
  3. Агрегат трехфазного типа оборудован 3 неподвижными обмотками, установленными через 120°. После подачи напряжения формируется вращающееся магнитное поле, обеспечивающее поворот вала с короткозамкнутыми витками провода. Выводы статора соединяются “звездой” или “треугольником”, что допускает применение электромотора при напряжении 220 или 380 В. Изделия подобной конструкции используются в станках и грузоподъемных механизмах.
  4. Трехфазная машина с фазной обмоткой оснащается подвижным ротором с сердечником с пазами, в который уложены витки медного провода. В остальных конструкциях в сердечнике находятся алюминиевые элементы. Концы проводки, соединенной “звездой” выведены на коллекторные кольца, которые изолированы от стальной оси двигателя. При помощи щеток на кольца подается переменное напряжение, обеспечивающее при пуске увеличенный крутящий момент. Устройства используются в механизмах, включаемых под нагрузкой (например, лебедки лифтов).

Существуют моторы с питанием роторных катушек при помощи несимметричного раствора щеток. В конструкции подвижного элемента установлены 2 катушки, которые подключены к внешней сети и к вторичной неподвижной намотке на статоре. Конструкция позволяет регулировать частоту вращения, но отличается повышенной сложностью и требует регулярного обслуживания.

Изделия использовались в 30-40-х гг. прошлого столетия для привода промышленного оборудования, но затем были вытеснены стандартными электродвигателями с фазными роторами.

Принцип работы

При подведении напряжения к неподвижным обмоткам трехфазного мотора асинхронного типа в фазах формируется магнитное переменное поле. Поток изменяется в соответствии с частотой подведенного тока. Поскольку в конструкции узла использованы 3 катушки, то сформированные потоки имеют смещение по времени и пространству на 120°. Итоговый индукционный поток вращается, пересекая центральный подвижный сердечник и обеспечивая наводку разницы потенциалов в коротко замкнутых проводниках, расположенных в теле ротора.

Поскольку цепи замкнуты, то электродвижущая сила формирует ток, вступающий во взаимодействие с подвижным магнитным полем от намотки статора. В результате искажения поля формируется крутящий момент, стремящийся провернуть вал в сторону движения магнитной индукции от неподвижной обмотки. Нарастающий крутящий момент преодолевает силы торможения ротора (из-за веса детали, приложенной внешней нагрузки и силы трения в подшипниковых опорах), что приводит к началу раскрутки вала двигателя.

Устройство асинхронного двигателя

Корпус мотора отличается из серого чугуна или алюминиевого сплава, встречаются стальные конструкции сварного типа. Поскольку при прохождении тока через катушки происходит нагрев деталей, то на поверхности кожуха предусматриваются продольные ребра, обеспечивающие повышенный теплообмен. Внутренняя поверхность корпуса предназначена для установки сердечника статора, который установлен с натягом и дополнительно закреплен резьбовыми соединениями.

Сердечник собирается из деталей, полученных методом штамповки из листов электротехнической стали толщиной до 0,5 мм. Заготовки покрываются слоем специального лака, а затем соединяются в пакеты. Для фиксации элементов используются заклепки, скобы или сварка. Конструкция сердечника обеспечивает снижение вихревых токов, формирующихся при перемагничивании узла вращающимся магнитным полем. В конструкции пакета предусмотрены пазы, в которые укладываются витки провода, соединенные между собой на торцевых кромках (за пределами сердечника).

Ротор собран из элементов, отштампованных из стали (шихтованная схема), которые надеты на вал из конструкционной стали.

Элементы не имеют диэлектрического покрытия, поскольку генерируемые вихревые токи имеют небольшую частоту. Ось имеет поверхности, предназначенные для установки внутренних колец подшипников качения. Внешние концы вала нужны для установки шкивов или иных приспособлений для передачи крутящего момента. На тыловой части оси устанавливается вентилятор, обеспечивающий дополнительное охлаждение двигателя.

Процессы в асинхронной машине

Основные процессы, протекающие в электродвигателе асинхронного типа:

  1. Сформированное неподвижными катушками статора индукционное поле совершает вращательное движение относительно покоящегося корпуса мотора, способствуя наведению разницы потенциалов в проводниках, установленных в роторе. Параметр зависит от количества витков провода в катушке, частоты тока и значения магнитного поля. В расчетную формулу вводится поправочный коэффициент, учитывающий потери внутри катушек.
  2. Фаза неподвижной катушки находится в состоянии электрического равновесия, описываемого уравнением. При расчете учитываются значения напряжения во внешней сети и на входе в обмоточный провод, также на расчет оказывает влияние активное и индуктивное сопротивления катушек и сила тока в цепи. Формирующийся магнитный поток находится в зависимости от напряжения в катушках и частоты электрического тока, но на него не влияют режимы работы или замедляющий момент, приложенный к валу электродвигателя.
  3. В неподвижной роторной части частота наведенной электродвижущей силы соответствует частоте внешнего источника питания. По мере увеличения частоты вращения происходит корректировка частоты ЭДС пропорционально корректировке величины скольжения. Максимальное значение частоты достигается в момент начала вращения вала. Напряжение электродвижущей силы изменяется аналогично. Соотношение ЭДС в неподвижных катушках и в проводниках ротора называется коэффициентом трансформации.
  4. Важным эксплуатационным параметром является сила тока в подвижной части, которая зависит от индуктивного и активного сопротивлений, связанных с потоком рассеяния и тепловыми потерями внутри проводников. По мере увеличения скольжения машины происходит нарастание силы тока, кривая отстает от графика изменения значения напряжения электродвижущей силы.
  5. Поскольку ротор оборудован несколькими витками проводки, то при наведении тока образуется вращающееся поле. Периодичность вращения индукции от подвижных катушек равняется периодичности вращения поля неподвижных обмоток. За счет этого эффекта достигается неподвижность индукционных потоков относительно друг друга, что позволяет использовать для расчета параметров асинхронного оборудования законы и формулы, выведенные для трансформаторов.

Понятие скольжения

Скольжением асинхронного устройства называется соотношение числа оборотов магнитного поля, сформированного неподвижными катушками, к частоте вращения ротора электродвигателя.

Параметр выражается в процентном соотношении и используется при оценке эффективности работы силового привода. В момент пуска значение равно 100%, но по мере раскручивания вала параметр начинает снижаться. Одновременно уменьшаются значения электродвижущей силы и тока, наводимых в витках ротора, что ведет к падению кривой крутящего момента.

На холостом ходу (без приложения нагрузки) значение скольжения достигает минимального значения, но по мере приложения статической нагрузки параметр увеличивается (из-за замедления периодичности вращения вала электромотора). При превышении критического значения возникает эффект опрокидывания мотора, приводящий к нестабильной работе устройства. Процесс изменения скольжения прекращается при уравновешивании электромагнитного момента статора тормозным усилием, приложенным к валу машины.

Условия для получения вращающегося магнитного поля

В пособиях по теории электродвигателей указываются следующие условия для получения магнитного поля:

  • применение 2 и более неподвижных обмоток;
  • обеспечение смещения фаз тока в каждой из катушек;
  • смещение осей катушек в пространстве.

Угол смещения зависит от количества пар полюсов. В простейшей трехфазной машине с единой парой контактов угол сдвига составляет 120°. Введение дополнительной пары полюсов обеспечивает уменьшение угла до 60°. Каждая последующая пара контактных элементов приводит к корректировке значения угла в 2 раза.

Когда возникает электромагнитный момент

Электромагнитный вращающий момент создается в результате взаимодействия тока, наведенного в подвижной части асинхронной машины, с совершающим вращательное движением магнитным полем от неподвижных катушек. Значения момента находится в пропорциональной зависимости от мощности электрических потерь в роторе. При расчете момента учитывается ряд параметров (например, напряжение в цепи питания и частота тока), которые не меняются в процессе работы электрической машины. В формуле присутствует коэффициент скольжения, оказывающий влияние на момент.

Его зависимость от скольжения

Кривая зависимости момента от коэффициента скольжения называется механической характеристикой асинхронного электродвигателя. Кривая состоит из участка генераторного режима, двигательного сектора и тормозного участка. Пик крутящего момента соответствует критическому значению скольжения, причем значение момента в режиме генератора выше аналогичного параметра в двигательном состоянии.

Пуск в ход асинхронного двигателя и регулирование частоты вращения

Методика прямого пуска используется на машинах с короткозамкнутой обмоткой ротора. При расчете оборудования обеспечивается пониженная сила тока в цепи, что позволяет избегать повышения температуры и электродинамического усилия. Способ непосредственного запуска используется на установках с низкой или средней мощностью (не требующих высокого стартового момента). Для раскрутки мощных электродвигателей методика не применяется, поскольку прямая коммутация приводит к временному падению напряжения во внешней сети на 10-15%.

Способ запуска при пониженном напряжении применяется при использовании моторов средней и высокой мощности в сетях с недостаточным ресурсом.

Стартовая обмотка переводится в схему “звезда”, а после раскрутки ротора катушки в “треугольник”. Допускается введение в цепи пуска сопротивлений или автоматических трансформаторов. Недостатком методики является падение значения момента (снижение прямо пропорционально квадрату напряжения на входе), пуск производится только без внешней нагрузки.

Пусковой реостат используется в цепях возбуждения устройств с фазной обмоткой на подвижном элементе. По мере увеличения частоты вращения происходит снижение сопротивления, что позволяет постепенно перевести двигатель в штатный режим работы. Способ используется при повышенной нагрузке на электромотор или при необходимости плавной регулировки частоты вращения.

Для регулировки частоты вращения применяются методики:

  • изменения активного сопротивления (только для изделий с фазным ротором);
  • корректировки напряжения во внешней сети;
  • отключения пар полюсов;
  • изменения частоты питающего тока.

Тормозные режимы

При работе асинхронной силовой машины существует 4 режима торможения. Рекуперативное замедление возможно при частоте вращения вала двигателя больше скорости вращения электромагнитного поля. Ситуация разгона вала происходит при спуске груза на лебедке, образующиеся излишки электромагнитной мощности возвращаются во внешнюю сеть. Динамическое торможение осуществляется путем подачи постоянного напряжения на неподвижные катушки, которое вызывает формирование неподвижного поля, замедляющего вращение вала.

Конденсаторное замедление осуществляется путем подключения емкостей к неподвижным обмоткам. Излишки энергии преобразуются в электричество, теряющееся в подвижном элементе двигателя. Методика применяется для установок мощностью до 5 кВт. Замедление противовключением подразумевает изменение чередования фаз, что позволяет резко остановить ротор. Магнитные потоки вращаются в противоположных направлениях, что приводит к увеличению коэффициента скольжения до значения более единицы.

Асинхронный электродвигатель

Англоязычный справочник называет асинхронный электродвигатель индукционным. Сразу точки встают над i. Интернет забит вопросами отличий данного типа машин, нюансы коллекторных, синхронных движков, на деле выходит просто. Единственный вид двигателей, создающий полюсы явлением индукции. Прочие конструкции применяют постоянные магниты, катушки, питаемые током… Только в индукционных (асинхронных) двигателях используются наводки, создающие движущую силу. Фактор определяет особенность – отличие скорости вращения вала от частоты поля.

Устройство асинхронного двигателя

Статор асинхронного двигателя

Начнем простейшим распространенным вариантом: питание переменным током подается на обмотки статора. Посмотрите фото: типичный образчик статора. Вынув ротор, нельзя сказать, какому типу двигателей принадлежит сердечник, увитый медью. Получили главный вывод: статор не определяет методику формирования движущей силы. Скорее выступает опорой, относительно которой действует статор.

Видим составной сердечник, содержащий две катушки. Направление намотки создает два явных полюса. Нельзя назвать сгущения напряженности поля северным или южным, поскольку направление линий постоянно меняется (с удвоенной частотой сети 100 Гц). Сборка ведется следующим образом:

  1. Катушки мотают отдельно. Конструкторы знают, сколько витков нужно, каким проводом вести.
  2. Полученный моток надевают аккуратно на распорки магнитопровода (традиционной формы буквы Т). Для изоляции прокладывают слой винила, другого полимера.
  3. Затем концы обмоток чуть пригибают к периферии, витки плотно упираются в основание буквы Т.
  4. В нашем случае сердечник составной, внутренняя часть катушками вставлена во внешнее кольцо. Но чаще конструкция попроще.

Сердечник собирается из пластин, изолированных друг от друга при помощи лака. Идет работа асинхронного электродвигателя на 230 вольт, переменное поле наводит вихревые токи, вызывая эффект перемагничивания. Чтобы снизить потери, сердечник разбивается на пластины. Специальная сталь, легированная добавками кремния обеспечивает низкий коэффициент электропроводности.

Статор электрического двигателя

В бытовых асинхронных электродвигателях полюсов статора два. Встречаются исключения из правила. На другом снимке видим статор асинхронного двигателя напольного вентилятора с тремя скоростями. Полюсов восемь, чтобы запитать такую кучу железа, понадобился конденсатор. Сдвигает фазу напряжения на минус 90 градусов относительно тока. Становится возможным создать переменное вращающееся поле внутри статора. Данный тип асинхронных двигателей называется конденсаторным.

Первым две фазы использовать предложил Никола Тесла.

Схема выглядит следующим образом:

  1. Четыре обмотки, лежащие в вершинах креста запитываются сетью 230 вольт. Две – противолежащие – имеют один знак полюса, прочие – другой. Получается, поле вращается с половинной скоростью сети (25 Гц). Этого хватает исправной работе вентилятора.
  2. Плавный пуск асинхронного электродвигателя и работы возможны только в условиях, когда поле сглажено. Для этих целей применяются четыре обмотки, лежащие по диагоналям. Здесь напряжение сдвинуто на 90 градусов. Использованием вспомогательных катушек технические характеристики улучшаются.

Как подстраиваются обороты? Регуляторы скорости асинхронного электродвигателя коммутируют обмотку. Клавиатура управления устроена в каждый момент времени допускать нажатие одной кнопки, либо никакой. Восемь обмоток имеют пару отводов. Статором производится нужная коммутация, некоторые ветви запитываются конденсатором. Нажатие каждой кнопки включает в работу часть обмотки. Полностью статор работает на высшей скорости.

Принцип работы схемы

Примерная схема, демонстрирующая принцип работы, иллюстрируется фото. Скорость вращения задается коммутацией обмоток кнопками 1, 2, 3. Необходимость защиты от одновременного включения диктуется требованиями к нормальной работе устройства. В результате реализуется простейшими методами управление по скорости.

Сердечник магнитопровода составлен листами электротехнической стали, снижающей потерь на нагрев. Температура может достигать значительных размеров, поэтому ротор асинхронного двигателя вентилятора снабжается лопастями (см. фото). Любой вентилятор реально может только разогревать воздух, никак не наоборот.

Роторы асинхронных двигателей

Ротор асинхронного двигателя

В данном случае двигатель обеспечит долговременную работу. Поэтому ротор снабжен лопастями тангенциального вентилятора. Помогает охладить конструкцию жаркими летними ночами. Хозяин может спокойно спать, игнорируя возможность пожара. Любой хороший прибор работает аналогичным образом (себя охлаждает). В данном случае двигатель сконструирован по схеме с короткозамкнутым ротором. На валу сидит барабан, где в силумин утоплены медные жилы. Закорочены друг на друга кольцевым соединителем. Подобное техническое решение в литературе традиционно называется беличьей клеткой (колесом) в силу очевидных причин.

Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель является доминирующим в быту. Поля в проводниках наводятся статором, затем происходит сцепление через эфир, вал набирает обороты. Никогда не догонит частоту сети. Потому что индукционные токи обращаются в нуль, сцепление нарушается. Вал тормозит, снова подхватывается полем. Подобным образом действуют однофазные асинхронные электродвигатели, любые другие. В сущности, нет разницы, при помощи чего создается переменное поле.

Выделяют ещё одно большое семейство. Устройство асинхронного электродвигателя принципиально иное. Ротор снабжен обмотками, как коллекторный мотор. Обычно трехфазные. Это позволит навести гораздо более сильные поля, возникает крупная проблема: сложно стронуть с места вал. Огромная напряженность поля образует невероятной силы сцепление, за счет чего имеется возможность выхода оборудования из строя. Кроме того вал вообще так не раскрутится.

Вот поэтому для уменьшения силы наведенных токов (напряженности поля) в цепи всех фаз ротора врубается реостат. Активное сопротивление мешает ЭДС развить мощность на валу: некоторая доля рассеивается джоулевым теплом, формируемым активным сопротивлением. Стартовый момент асинхронного двигателя с фазным ротором достаточно велик, срыва оборотов не происходит. Понятно, что значение сопротивлений реостата для каждой конструкции свое. Определяют цифру ротор асинхронного электродвигателя, заданные характеристики, стартовая нагрузка.

Обратите внимание, что во всех случаях с асинхронными двигателями наблюдаем большие потери. Особенно хорошо видно на примере реостата. Мощность асинхронного электродвигателя напрямую тратится на рассеиваемое тепло. Главным достоинство рассматриваемого класса приборов все-таки считаются простота конструкции и обслуживания. В противном случае любые типы асинхронных электродвигателей заброшены бы были на помойку истории.

Как работает асинхронный двигатель

Статор создает вращающееся магнитное поле. Направление линий напряженности определяется правилом буравчика (правой руки). Поэтому статор пока отложим в сторону, попробуем понять, что параллельно происходит на роторе. Начнем беличьей клеткой.

Внутри статора находится поле, линии напряженности которого в первом приближении направлены к центру, где находится вал. Пересекают проводник беличьей клетки под углом близким 90 градусам. По правилу правой руки переменное поле индуцирует ЭДС, порождающую ток. В результате возникает ответ.

Любая пара проводников беличьей клетки обращается в рамку. Вокруг вращается поле статора. По правилу руки возникает ответное поле, направленное противоположно исходному:

  1. Ротор движется медленнее статора. Пусть вращение описывает часовую стрелку.
  2. В какой-то момент северный полюс начинает догонять один из проводников беличьей клетки.
  3. Ток направлен так, что круговые линии напряженности ответного магнитного поля идут навстречу полюсу.
  4. Получается, впереди по курсу полюс наталкивается на одноименный знак заряда, начинает толкать его. Позади образуется «юг», старающийся бежать вслед полю.

Простое краткое объяснение того, почему беличья клетка, в конце концов, начинает вращаться. Ротор не должен быть слишком тяжелым, сцепление полей не очень сильное. Это объясняет низкое тяговое усилие, развиваемое асинхронным двигателем на старте. Пусковой ток высок, поскольку ничто не препятствует генерации поля внутри статора. Обратите внимание: в роторе однофазного асинхронного двигателя, показанного на фото в начале статьи, проводники беличьей клетки чуть наклонены к оси барабана. Помогает создать более равномерный магнитный полюс, компенсируя недостатки (в первую очередь неравномерность) вращения поля статора.

Фазный ротор состоит из обмоток, нормаль которых направлена примерно на центр двигателя (вал). Можно каждую представить гипертрофированной ячейкой беличьей клетки. Витков много (в дрелях, к примеру, порядка 40), сила поля намного выше. За счет резкого скачка на старте потребляемая энергия стала бы слишком большой. Уровень ЭДС значителен (определен скоростью изменения магнитного потока). Цепь ротора дополняется реостатом, пытаются компенсировать недостаток. Активное сопротивление понижает ток, закономерно снижая ответное поле, генерируемое проводниками.

Фазный ротор может улучшить характеристики асинхронных электродвигателей, два-три проводника (грубо говоря) дают большее тяговое усилие. К минусам технического решения относят наличие токосъемников, щеточного аппарата. Для снижения износа в некоторых асинхронных двигателях после набора оборотов ротор закорачивается специальным механизмом. Намного продляется жизнь оборудования.

Не видим причин рассматривать подробнее фазный ротор, лучшей иллюстрацией послужит усиленная беличья клетка. Представьте себе: вместо одной стало сорок штук! Количество (от 40 и вниз) регулируется сопротивлением реостата.

Как задать обороты асинхронного двигателя

Любой, в том числе асинхронный трехфазный, электродвигатель неспособен развить обороты близкие частоте поля. Количество полюсов стремятся снизить. Но даже в этом случае редко удается достичь желанных 3000 об/мин (50 Гц х 60 сек). В принципе невозможно. Увеличение количества полюсов статора практикуется для понижения оборотов, как показано выше на примере напольного вентилятора.

Чаще практикуется подключение асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором на трехфазный регулятор амплитуды. Методика позволит максимально просто добиться результата. Токи асинхронных электродвигателей велики на старте, “благодаря” потерям сердечника ротора (с ростом оборотов снижаются). Нельзя сказать, что ремонт своими руками статоров относится к категории простых, но намного лучше, нежели перематывать ротор коллектора. Простотой конструкции объясняется любовь промышленности к этому роду устройств.

Источники:

http://elektro-enot.ru/ustrojstvo-i-princip-raboty-elektrodvigatelya/

http://knigaelektrika.ru/teoriya/printsip-raboty-asinhronnogo-dvigatelya.html

http://vashtehnik.ru/elektrika/asinxronnyj-elektrodvigatel.html

http://electricvdome.ru/avtomaticheskie-vikluchateli/vybor-avtomata-po-secheniju-kabelja.html

Ссылка на основную публикацию