Конструкция асинхронного двигателя

5.2. Устройство асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каж­дая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора — вто­ричной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнит­ной связи между этими обмотками.

По своей конструкции асинхронные двигатели разделяются на два вида: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. Рас­смотрим устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (рис.5.2). Двигатели этого вида имеют наиболее широкое применение.

Рис.5.2. Устройство трехфазного асинхронного двигателя

с короткозамкнутым ротором:

1 — вал; 2, 6 — подшипники; 3, 7 — подшипниковые щиты; 4 — коробка выводов;

5 — вентилятор; 8 — кожух вентилятора; 9 — сердечник ротора с короткозамкну-

той обмоткой; 10 — сердечник статора с обмоткой; 11 — корпус; 12 — лапы

Неподвижная часть двигателя — статор — состоит из корпуса // и сердечника 10 с трехфазной обмоткой. Корпус двигателя отливают из алю­миниевого сплава или из чугуна либо делают сварным. Рассматриваемый двигатель имеет закрытое обдуваемое исполнение. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер, назначение которых состоит в том, чтобы увеличить поверхность охлаждения двигателя.

В корпусе расположен сердечник статора 10, имеющий шихтованную конструкцию: отштампованные листы из тонколистовой электротехничес­кой стали толщиной обычно 0,5 мм покрыты слоем изоляционного лака, собраны в пакет и скреплены специальными скобами или продольными свар­ными швами по наружной поверхности пакета. Такая конструкция Сердеч­ника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникаю­щих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продоль­ные пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора, соеди­ненные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за преде­лами сердечника по его торцовым сторонам. Конструкция короткозамкнутого ротора приведена на рис.5.3.

Рис.5.3. Конструкция короткозамкнутого ротора: а — беличья клетка; б — ротор с медной стержневой обмоткой; в — ротор с алюминиевой литой обмоткой;

1 — сердечник ротора; 2 — стержни; 3 — замыкающие кольца;

4 — лопасти вентилятора

Обмотка статора асинхронного электродвигателя может быть соединена звездой или треугольником. Схемы соединения представлены на рис.5.4

Рис.5.4. Схемы соединения выводов трехфазных обмоток электродвигателя:

а — звезда; б — треугольник

5.3. Принцип образования вращающегося магнитного поля

Принцип образования вращающегося магнитного поля рассмотрим на при­мере простейшей трехфазной двухполюсной обмотки, каждая фаза которой состоит из одной секции, фазы обмотки соединены звездой (рис.5.5). При этом секции тока в фазных обмотках (по времени) относительно друг друга на электрический угол 120° (рис.5.5, б). Проведем ряд построений вектора МДС трехфазной обмотки F_m, соответствующих различным моментам времениt_0, t_1, t₂,t₃отмеченным на графике рис.5.5, б.

В момент времени tток в фазе А равен 0, в фазе В ток имеет отрица­тельное, а в фазе С — положительное направления. Эти направления тока отмечаем на рис.5.5, б в сечениях обмоток статора для данного момента времени. При этом следует помнить, что за положительное направление тока

Рис.5.5. Получение вращающегося магнитного поля: а — трехфазная обмотка статора;

б — вращение МДС; в — модель магнитного поля статора;

1-4 — обмотка фазы А; 3-6 — обмотка фазы В;

5—2 — обмотка фазы С (первая цифра — начало обмотки)

в фазной обмотке принимается направление тока от начала обмотки к ее концу и обозначается х, а, следовательно, отрицательное направление тока в обмотке соответствует направлению тока от конца к началу и обозначается •. Затем в соответствии с указанными на рис. 5, б направлениями токов определяем (по правилу буравчика) направление вектора МДС трехфазной обмотки статора (вектор F_mнаправлен вниз).

В момент времени t₁т.е. через (1/3) Т, ток в фазе В равен нулю, в фазе А имеет положительное, а в фазе С — отрицательное направление. Сделав построения, аналогичные моменту времени t, заметим, что вектор МДС обмотки статора F_mпо сравнению с его положением в момент вре­мени tповернулся на 120° в направлении движения часовой стрелки.

Проведя аналогичные построения вектора МДС обмотки статора для момента t₂и t₃, видим, что каждый раз при переходе от одного момента времени к другому вектор F_mповорачивается на 120°, а за один период изменения токов в обмотках (с tдо t₃) делает полный оборот (360°) и будет, таким образом, вращающимся. Вращающаяся МДС создает враща­ющееся магнитное поле, эквивалентное полю магнита N — S с индукци­ей Во (рис.5, в). Это поле вращается с синхронной частотойnкото­рая пропорциональна частоте переменного токаfи обратно пропорцио­нальна числу пар полюсов обмоток статора р, т.е.

,

Зависимость n от р и f представлена в табл.5.2.

Общие сведения, конструкция асинхронного двигателя

Основными частями любого электродвигателя переменного тока являются: неподвижная часть, называемая статором, вращающаяся часть, называемая ротором. Статор и ротор разделены воздушным зазором, величина которого колеблется от 0,1 мм до 1,5 мм в зависимости о т мощности двигателя. В статоре расположены обмотки, к которым подводится электрическая энергия переменного тока от внешнего источника. Обмотки создают в статоре магнитное поле вращающееся с частотой кратной частоте источника. Магнитное поле статора заставляет вращаться ротор двигателя. Если частота вращения ротора в установившемся номинальном режиме точно равна частоте вращения магнитного поля статора, то двигатель называется синхронным, в противном случае – асинхронным.

Асинхронные электродвигатели в настоящее время являются самыми распространенными в мире электродвигателями. На их долю приходится не менее 80% из общего числа выпускаемых промышленность электродвигателей. Это объясняется простотой конструкции, невысокой стоимостью, долговечностью и надежностью в эксплуатации.

Существуют две схемы исполнения асинхронных двигателе: прямая и обратная. В двигателях, выполненных по прямой схеме (рис. 3.1), ротор 1 жестко связан с валом двигателя и вращается вместе с ним. Статор 2 кольцом охватывает ротор и закрепляется на корпусе двигателя 3, который имеет вид трубы, выполненной из алюминия или стали. В двигателях, выполненных по обратной схеме (рис. 3.2) статор 2 жестко закрепляется на неподвижном валу двигателя, а ротор 1 вращается относительно вала на подшипниках и кольцом охватывает статор. Двигатели обратной схемы используются сравнительно редко, в основном, в качестве гиромоторов [], поэтому далее будем рассматривать только двигатели прямого исполнения.

Рис. 3.1. Конструкция трехфазного асинхронного двигателя серии АОЛ

а)	б)	в)

Рис. 3.2. Конструкция гиромотора

а – закрытый несимметричный гиромотор, б – закрытый симметричный гиромотор, в – открытый симметричный гиромотор

Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник статора набирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35÷0,5 мм. Листы штампуются в виде колец 1 (рис. 3.3). На внутренней стороне колец 2 имеются углубления – пазы, в которые укладываются провода обмотки статора. Листы перед сборкой изолируют, покрывая слоем лака.

Рис. 3.3. Листы стали статора и ротора

Пазы статора могут быть полузакрытыми или полуоткрытыми. В машинах переменного тока малой и средней мощности применяют полузакрытые пазы (рис. 3.4). Каждый паз изолируют 1, а затем заполняют проводниками обмотки 2. Обмотку статора закрепляют в пазах с помощью деревянных или пластиковых клиньев 3. В трехфазныз двигателях обмотка трехфазная; фазы сдвинуты в пространстве относительно друг друга на 120 эл. град.

Рис. 3.4. Полузакрытый паз статора

Концы фаз выводят на зажимы коробки выводов. Трехфазную обмотку статора можно собирать в треугольник или звезду в зависимости от напряжения сети.

Ротор 1 (рис. 3.1) асинхронного двигателя обычно представляет собой набранный из штампованных листов электротехнической стали сердечник с пазами, насаженный на вал. Сердечник ротора имеет форму цилиндра, на поверхности которого имеются пазы для обмотки. Листы сердечника ротора 2 (рис. 3.3) специально не изолируют, так как в большинстве случаев вполне достаточной изоляцией оказывается пленка окалины, имеющаяся на поверхности листов.

В зависимости от типа обмотки роторы асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные.

В машинах малой и средней мощности чаще всего применяются короткозамкнутые роторы. В пазах таких роторов располагаются медные или алюминиевые стержни, соединяющиеся с торцов короткозамыкающими кольцами. Таким образом, обмотка короткозамкнутого ротора имеет вид беличьей клетки (рис. 3.5, а). Чаще всего корткозамкнутая обмотка получается в результате заливки пакета стали алюминием. В этом случае короткозамыкающие кольца снабжают выступами – вентиляционными лопастями, которые при вращении ротора перемешивают воздух и способствуют лучшему охлаждению машины (рис. 3.5, б).

Рис. 3.5. Короткозамкнутая клетка и ротор с обмоткой из алюминия

В асинхронных машинах большой мощности и в некоторых специальных машинах малой мощности для получения большого пускового момента и широкого диапазона регулирования частоты вращения применяются фазные роторы. В пазах такого ротора укладывают не стержни, а изолированные проводники катушек (секций) трехфазной обмотки, выполненной аналогично обмотки статора и соединенной в звезду. Концы фаз обмотки ротора присоединяют к изолированным друг от друга и вала двигателя контактным кольцам, по которым при вращении ротора скользят укрепленные в щеткодержателях щетки. С помощью контактных колец и щеток обмотка ротора соединяется с пусковыми (ПР) или регулировочными реостатами (рис. 3.6).

Вал двигателя вращается в подшипниках, укрепленных в подшипниковых щитах – крышках (рис. 3.1), которые выполнены из того же материала, что и корпус машины.

Рис. 3.6. Принципиальные схемы асинхронных двигателей

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Наука в области электричества в XIX и XX веках стремительно развивалась, что привело к созданию электрических асинхронных двигателей. С помощью таких устройств развитие промышленной индустрии шагнуло далеко вперед и теперь невозможно представить заводы и фабрики без силовых машин с использованием асинхронных электродвигателей.

История появления

История создания асинхронного электродвигателя начинается в 1888 году, когда Никола Тесла запатентовал схему электродвигателя, в этом же году другой ученый в области электротехники Галлилео Феррарис опубликовал статью о теоретических аспектах работы асинхронной машины.

В 1889 году российский физик Михаил Осипович Доливо-Добровольский получил в Германии патент на асинхронный трехфазный электрический двигатель.

Все эти изобретения позволили усовершенствовать электрические машины и привели к тому, что в промышленность стали массово применяться электрические машины, которые значительно ускорили все технологические процессы на производстве, повысили эффективность работы и снизили её трудоемкость.

В настоящий момент самый распространенный электродвигатель, эксплуатируемый в промышленности, является прототипом электрической машины, созданной Доливо-Добровольским.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину. Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора. Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается. Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться. В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Достоинства асинхронных электродвигателей

Недостатки асинхронных электродвигателей

Асинхронные электродвигатели являются очень эффективными устройствами с отличными механическими характеристиками, и благодаря этому они являются лидерами по частоте применения.

Режимы работы

Электродвигатель асинхронного типа универсальный механизм и по продолжительности работы имеет несколько режимов:

• Продолжительный;
• Кратковременный;
• Периодический;
• Повторно-кратковременный;
• Особый.

Продолжительный режим – основной режим работы асинхронных устройств, который характеризуется постоянной работой электродвигателя без отключений с неизменной нагрузкой. Такой режим работы самый распространенный, используется на промышленных предприятиях повсеместно.

Кратковременный режим – работает до достижения постоянной нагрузки определенное время (от 10 до 90 минут), не успевая максимально разогреться. После этого отключается. Такой режим используют при подаче рабочих веществ (воду, нефть, газ) и прочих ситуациях.

Периодический режим – продолжительность работы имеет определенное значение и по завершении цикла работ отключается. Режим работы пуск-работа-остановка. При этом он может отключаться на время, за которое не успевает остыть до внешних температур и включаться заново.

Повторно-кратковременный режим – двигатель не нагревается максимально, но и не успевает остыть до внешней температуры. Применяется в лифтах, эскалаторах и прочих устройствах.

Особый режим – продолжительность и период включения произвольный.

В электротехнике существует принцип обратимости электрических машин — это означает, что устройство может, как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и совершать обратные действия.

Асинхронные электродвигатели тоже соответствуют этому принципу и имеют двигательный и генераторный режим работы.

Двигательный режим – основной режим работы асинхронного электродвигателя. При подаче напряжения на обмотки возникает электромагнитный вращающий момент, увлекающий за собой ротор с валом и, таким образом, вал начинает вращаться, двигатель выходит на постоянную частоту вращения, совершая полезную работу.

Генераторный режим – основан на принципе возбуждения электрического тока в обмотках двигателя при вращении ротора. Если вращать ротор двигателя механическим способом, то на обмотках статора образуется электродвижущая сила, при наличии конденсатора в обмотках возникает емкостный ток. Если емкость конденсатора будет определенного значения, зависящего от характеристик двигателя, то произойдет самовозбуждение генератора и возникнет трехфазная система напряжений. Таким образом короткозамкнутый электродвигатель будет работать как генератор.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Для регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей и управления режимами их работы существуют следующие способы:

1. Частотный – при изменении частоты тока в электрической сети изменяется частота вращения электрического двигателя. Для такого способа применяют устройство, которое называется частотный преобразователь;
2. Реостатный – при изменении сопротивления реостата в роторе, изменяется частота вращения. Такой способ увеличивает пусковой момент и критическое скольжение;
3. Импульсный – способ управления, при котором на двигатель подается напряжение специального вида.
4. Переключение обмоток по время работы электрического двигателя со схемы «звезда» на схему «треугольник», что снижает пусковые токи;
5. Управление с изменения пар полюсов для короткозамкнутых роторов;
6. Подключение индуктивного сопротивления для двигателей с фазным ротором.

С развитием электронных систем, управление различными электродвигателями асинхронного типа становится все более эффективным и точным. Такие двигатели используются в мире повсеместно, разнообразие задач, выполняемых такими механизмами, с каждым днем растет, и потребность в них не уменьшается.