Конструкция асинхронных двигателей

В зависимости от способа выполнения обмотки ротора асинхронного двигателя последние разделяются на две большие группы: двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе и двигатели с фазной обмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами. Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе более дешевы в производстве, надежны в эксплуатации, имеют жесткую механическую характеристику, т. е. при изменении нагрузки от нуля до номинальной частота вращения машины уменьшается всего на 2-5%.

К недостаткам этих двигателей относятся трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах, сравнительно небольшой пусковой момент, а также большие пусковые токи, в 5-7 раз превышающие номинальный. Указанными недостатками не обладают двигатели с контактными кольцами, однако конструкция ротора у них существенно сложнее, что ведет к удорожанию двигателя в целом. Поэтому их применяют в случае тяжелых условий пуска и при необходимости плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

Как указывалось, асинхронный электродвигатель имеет неподвижную часть — статор, на котором расположена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле, и подвижную часть — ротор, в котором создается электромагнитный момент, приводящий во вращение сам ротор и исполнительный механизм. Сердечники статора и ротора набираются из изолированных листов электротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм. Изоляция листов статора — лаковая пленка, ротора — окалина, образующаяся в процессе прокатки. Листы статора и ротора имеют пазы, в которых размещаются обмотки статора и ротора. Короткозамкнутая обмотка ротора обычно выполняется литой из алюминиевого сплава. В процессе заливки образуются как стержни (проводники) обмотки, расположенные в пазах, так и замыкающие их накоротко кольца, расположенные вне сердечника ротора. Кольца могут быть снабжены вентиляционными лопатками для улучшения вентиляции двигателя и теплоотвода от обмотки ротора. Отсутствие изоляции обмотки ротора обеспечивает хороший отвод тепла от обмотки к сердечнику.

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе имеют ряд конструктивных исполнений по форме пазов на роторе. Форма пазов ротора выбирается в зависимости от требований к пусковым характеристикам двигателя. Наиболее рациональными для пазов ротора с одной клеткой являются трапецеидальные овальные пазы. Ротор называется глубокопазным, если высота паза ротора превышает глубину проникновения магнитного поля (для обмоток из алюминия двигателей промышленной частотой 50 Гц эта глубина равна 15 мм). В тех случаях, когда требуются большие значения пускового момента, применяется ротор с двойной клеткой, причем пазы в этом случае могут чередоваться. Пазы могут быть закрытыми или полузакрытыми. Короткозамыкающие кольца в случае литых двойных клеток выполняются общими для обеих клеток.

В ряде случаев обмотка двухклеточного двигателя выполняется из цветных металлов на основе меди. Тогда внешняя обмотка изготавливается из латуни или специальной бронзы, благодаря чему обеспечивается относительно большое ее активное сопротивление. Эта обмотка выполняет функции пусковой в асинхронном двигателе. Другая обмотка ротора — внутренняя — изготовляется из меди с минимальным активным сопротивлением. Она выполняет функции основной рабочей обмотки двигателя. Обе обмотки могут иметь круглые пазы, однако внутренняя обмотка в ряде случаев выполняется прямоугольной или овальной формы. Короткозамыкающие торцевые кольца для обеих обмоток обычно изготовляются из меди.

Общий вид асинхронного двигателя: подшипники — 1 и 11, вал — 2, подшипниковые щиты — 3 и 9, ротор — 5, статор — 6, вентилятор — 10, колпак — 12, ребра — 13, лапы — 14

Существуют другие модификации пазов ротора (бутылочного и трапецеидального профиля), однако описанные выше являются наиболее характерными для асинхронных двигателей. Асинхронные двигатели с фазным ротором обычно имеют полузакрытые пазы на роторе, в которые укладывается трехфазная обмотка с тем же числом полюсов, что и обмотка статора. Предварительно изолированные стержни этой обмотки заводят с торцевой стороны ротора. Фазы роторной обмотки обычно соединяют в звезду и подводят к трем контактным кольцам, расположенным на валу двигателя и изолированным друг от друга. В цепь обмотки фазного ротора с помощью контактных колец и соприкасающихся с ним щеток можно подключать добавочные сопротивления или вводить дополнительную ЭДС. Это используется при необходимости изменения рабочих или пусковых характеристик двигателей. Кроме того, с помощью контактных колец и щеток можно замыкать обмотку ротора накоротко.

Для уменьшения износа щеток в ряде конструкций ротора двигателей имеются специальные щеткоподъемные приспособления. С помощью этих устройств по окончании пуска двигателя контактные кольца замыкаются накоротко, а щетки приподнимаются и не участвуют в работе. Между ротором и статором асинхронного двигателя имеется воздушный зазор. При выборе воздушного зазора сталкиваются противоречивые тенденции. Минимальный (выбранный по механическим соображениям) воздушный зазор приводит к уменьшению тока холостого хода двигателя и увеличению коэффициента мощности. Однако при малом воздушном зазоре увеличиваются добавочные потери в поверхностном слое статора и ротора, добавочные моменты и шум двигателя. Вследствие роста потерь уменьшается КПД. Поэтому в современных сериях асинхронных двигателей воздушный зазор выбирается несколько большим, чем требуется по механическим соображениям (чтобы ротор при работе не задевал о статор).

Схемы соединения обмоток.

В асинхронных трехфазных двигателях используются два способа соединения фаз обмоток между собой: в звезду и треугольник. Эти соединения могут выполняться как внутри машины — глухое соединение, так и вне двигателя — с помощью сменных перемычек на специальном щитке, установленном на корпусе машины. В первом случае к выводному щитку подводятся три вывода, во втором — шесть выводов (начала и концы фаз). Внешнее соединение фаз наиболее удобно с точки зрения ее эксплуатации. В таком случае начала и концы фаз обмоток могут свободно отсоединяться при необходимости и подключаться к испытательной аппаратуре.

Питающее напряжение.

Асинхронные двигатели общего назначения обычно выпускаются для работы на двух напряжениях, например 127/220, 220/380 и 380/660 В. При меньшем из каждых двух напряжений фазы двигателя соединяются в треугольник, а при большем — в звезду. При внешнем соединении фаз двигателя сравнительно просто можно подключить его к одному из указанных на щитке напряжений. Некоторые электродвигатели выпускаются на одно напряжение, в этом случае фазы соединены в звезду.

Электротехнические материалы.

Для магнитопроводов (сердечников) статора и ротора асинхронных двигателей общего назначения широко применяются холоднокатаные низколегированные электротехнические стали. Они выпускаются в рулонах (лентах) нужной ширины, что позволило автоматизировать процесс штамповки листов и уменьшить отходы. Для двигателей серии 4А мощностью до 15-20 кВт применяется холоднокатаная сталь марки 2013 (нелегированная), а для машин большей мощности — сталь марки 2212 (слаболегированная). Для двигателей старых серий (А, А2) применялась горячекатаная сталь марки 1211. Применение холоднокатаных сталей позволило снизить расход стали на 10-15 и массу конструктивных деталей на 5-7% .

Изоляционные материалы применяются для изоляции токоведущих проводов, расположенных в одном пазу (друг от друга) — витковая изоляция, проводов разных фаз между собой — междуфазовая изоляция, проводов от заземленных сердечников — корпусная изоляция. Толщина изоляции определяется рабочим напряжением двигателя, классом нагревостойкости изоляции, условиями эксплуатации двигателя. В зависимости от предельно допускаемой температуры изоляционные материалы подразделяются на классы нагревостойкости. В свою очередь класс нагревостойкости изоляции (витковой, междуфазовой, корпусной) и пропиточных составов определяет допустимые превышения температуры для других частей двигателя в соответствии с ГОСТ 183-74.

В соответствии с ГОСТ 8865-70 изоляционные материалы разделены на семь классов нагревостойкости — У, А, Е, В, F, Н, С. Для изоляции асинхронных двигателей общего назначения обычно применяются четыре класса Е, В, F, Н с допустимыми температурами изоляционного материала 120, 130, 155, 180 °С соответственно. Обмоточные провода изготовляются с эмалевой, эмалево-волокнистой или волокнистой изоляцией. Толщина изоляционного слоя у проводов с эмалевой изоляцией в 1,5- 3 раза меньше, чем у проводов с волокнистой изоляцией; эмалевая изоляция, кроме того, лучше проводит тепло и является более влагостойкой. Поэтому в двигателях современных серий применяются в основном провода с эмалевой изоляцией марок ПЭТВ, ПЭТВМ (класс нагревостойкости В) и ПЭТВ, ПЭТ 155 (класс F). Провода ПЭТВМ и ПЭТМ разработаны для механизированной укладки обмоток. В двигателях напряжением 3 кВ и выше кроме указанных проводов применяются также провода со стекловолокнистой изоляцией марок ПСД и ПСДК. Диаметр изолированного провода при механизированной укладке всыпной обмотки не превышает 1,4-1,6 мм, при ручной укладке — до 1,8 мм.

Пазовая и междуфазовая изоляция.

В современных сериях двигателей широкое распространение получили композиционные материалы, представляющие собой сочетание полимерных пленок с различными гибкими электроизоляционными материалами на основе синтетических органических или неорганических волокон, причем указанные компоненты связаны между собой клеящими составами. Пленка принимает на себя основную электрическую и механическую нагрузки, в то время как другие компоненты выполняют функции армирующего материала, обеспечивающего необходимые технологические свойства композиции — жесткость, упругость, повышенную стойкость к механическим воздействиям и др.

Одной из важных функций волокнистых подложек является обеспечение надежной связи между поверхностями пазовой изоляции и прилегающими к ним катушками обмотки и сердечником за счет лучшей смачиваемости волокнистых материалов пропиточными составами по сравнению с пленками. Композиционные материалы обладают высокими механическими свойствами. Широко используются пленкосинтокартоны марок ПСК-Ф, ПСК-ЛП, состоящие из полиэтилентерефталатной пленки марки ПЭТФ, оклеенной с двух сторон бумагой из фенилонового или лавсанового волокна.

Для прокладок в лобовых частях применяют материалы с повышенным коэффициентом трения, такие, как пленкослюдопласт и пленкослюдокартон. Пропиточные и покровные составы. В двигателях современных серий широкое распространение нашли пропиточные составы без растворителей, что существенно уменьшило длительность процесса полимеризации, улучшило качество пропитки и теплопроводность изоляции. Для пропитки асинхронных двигателей современных серий применяются составы без растворителей марок КП-34, КП-50, КП-103. ЭКД-14, а также лаки с растворителями марок МЛ-92, ПЭ-933, КО-916К, КО-964Н. После пропитки и сушки на лобовую часть обмоток наносятся покровные составы для повышения стойкости обмотки к воздействию окружающей среды (пыль, масло, соляной туман, вредные примеси в воздухе и др.).

В качестве покровных составов применяют эмали ГФ92-ГС и ЭП91 (с растворителями) и компаунды КП-34, КП-50. Формы исполнения асинхронных двигателей определяются требованиями ГОСТ 2479-79 и разделяются на девять групп. Асинхронные двигатели серии 4А основного исполнения имеют четыре основные формы: IM 1081 — на лапах с двумя подшипниковыми щитами с одним цилиндрическим концом вала; IM 2081 — то же, что и IM 1081, но с фланцем на подшипниковом щите; IM 3081 — без лап с двумя подшипниковыми щитами, фланцем на подшипниковом щите и одним цилиндрическим концом вала со стороны привода; IM 9081 — встраиваемое исполнение с цилиндрической станиной (или без станины) с двумя подшипниковыми щитами и одним цилиндрическим концом вала со стороны привода. Как видно, условное обозначение двигателя по форме исполнения и способу монтажа состоит из латинских букв IM и четырехзначного числового индекса, первая цифра которого (от 1 до 9) определяет конструктивное исполнение, вторая и третья (от 00 до 99) — способ монтажа, четвертая (от 0 до 9) — условное обозначение конца вала. По степени защиты персонала от соприкосновения с токоведущим или движущимися частями, находящимися внутри машины, и попадания твердых посторонних тел и воды внутрь машины также существуют различные формы исполнения. В соответствии с ГОСТ 17494-72 для защиты электрических машин могут применяться 15 исполнений от IP00 до IP56. Для асинхронных двигателей напряжением до 1 кВ приняты две основные степени защиты IP23 и IP44.

Для некоторых специальных исполнений двигателей, работающих в пыльных и влажных помещениях, могут быть приняты степени защиты IP54, IP56. Двигатели, работающие в закрытых помещениях, могут иметь степень защиты IP22. Обозначение по способу защиты состоит из латинских букв IP и двух цифр, первая из которых (от О до 6) указывает на степень защиты персонала от соприкосновения и попадания посторонних предметов внутрь машины, а вторая (от 0 до 8) — на степень защиты от попадания воды:
исполнение IP22 — защита двигателя от проникновения внутрь корпуса твердых тел диаметром более 12 мм и от капель воды, летящих под углом не более 15° к вертикали;
исполнение IP44 — защита от твердых тел размером более 1 мм и от брызг, летящих в любом направлении;
исполнение IP23 — то же, что и IP22, но с защитой от дождя (капли дождя под углом до 60° к вертикали).

Способ охлаждения двигателей регламентируется требованиями ГОСТ 20459-75. Асинхронные двигатели общего назначения выпускаются с двумя способами охлаждения — с самовентиляцией (лопатки вентилятора расположены на роторе двигателя) типа IC01 и с наружным вентилятором, расположенным на валу двигателя, типа IC0141. Обозначение способа охлаждения состоит из латинских букв 1С, следующей за ними прописной буквы, обозначающей вид хладоагента (если охлаждение воздушное — эта буква опускается), и цифрового индекса, который указывает тип цепи для циркуляции хладоагента и способ его перемещения. В ряде модификаций двигателей применяются способы охлаждения IC0041 (естественное без вентилятора) и IC06 (охлаждение от пристроенного вентилятора, приводимого во вращение собственным двигателем).

Асинхронный двигатель: виды и детали конструкции

Главная страница » Асинхронный двигатель: виды и детали конструкции

Популярность асинхронных электродвигателей очевидна. Между тем асинхронный двигатель купить человеку, неискушённому в электрике, дело далеко не простое. Базовые знания помогут правильно выбрать и купить асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором или же с фазным. Принцип работы указанных двигателей, их устройство — разные, несмотря на присутствие единого термина в названии. Рассмотрим разницу между асинхронным электродвигателем с токосъёмными кольцами и асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором.

Асинхронный двигатель — общий взгляд

Статистику наиболее широко используемых электрических моторов возглавляет именно трехфазный асинхронный двигатель.

Асинхронные моторы богатым ассортиментом присутствуют на рынке. Но какая из машин выглядит лучшей в техническом плане или применительно к условиям использования?

Практически 80% механических мощностей, используемых всеми отраслями экономики, обеспечиваются трехфазными асинхронными двигателями.

Деловая ставка на этот вид электрических машин обусловлена:

• простой надёжной конструкцией,
• низкой стоимостью,
• хорошими рабочими характеристиками,
• отсутствием сложных схем коммутации,
• возможностями регулирования скорости.

Асинхронным называют двигатель по причине очевидной. Вращательный момент такой конструкции не даёт стабильной синхронности движения.

Мощность трехфазного асинхронного двигателя транспортируется от статора к ротору посредством индуктивной связи.

Конструктивный расклад: 1 — крышка корпуса передняя; 2 — стержень вала; 3 — арматура; 4 — лопасти захвата воздуха для охлаждения; 5 — сердечник; 6 — рама; 7 — клеммная коробка; 8 — крышка корпуса задняя

Электрическая машина наделена двумя основными деталями конструкции:

Статор — стационарная часть конструкции с обмотками медным проводом, на которые подается трехфазный электрический ток.

Ротор — подвижная деталь конструкции (создаёт момент вращения). Передаёт механическое усилие нагрузке через стальной вал. Ротор трехфазного асинхронного двигателя классифицируется двумя видами:

1. Короткозамкнутый.
2. Фазный (фазовращающий, токосъёмный, раневой).

Соответственно, в зависимости от вида конструкции детали, трехфазный асинхронный двигатель классифицируется как:

1. Мотор короткозамкнутого действия.
2. Мотор фазного действия.

Конструкция статора для обоих видов двигателей, при этом, остаётся неизменной.

Набор основных деталей классической конструкции, которая встречается повсеместно. В зависимости от мощности могут изменяться лишь габаритные размеры компонентов

Другими частями — составляющими конструкции, являются: стальной вал, подшипники, крыльчатка охлаждения, клеммная коробка.

Особенности конструкции статора

Конструкция статора трехфазного асинхронного двигателя содержит трех базовых компонента:

Статор выступает частью корпуса трехфазного асинхронного двигателя. Его основная функция — крепление сердечника статора и проводную намотку.

Внешняя область статора выполняет функцию покрытия, обеспечивает защиту и механическую прочность внутренним частям асинхронного двигателя.

Рама статора изготовлена из литой или свариваемой стали. Каркас трехфазного асинхронного двигателя нуждается в прочности и жесткости. Длина воздушного зазора между рамой и ротором очень мала.

Если не обеспечить прочность и жёсткость конструкции, нарушается концентрическое положение ротора. Такое состояние приведет к разбросу баланса магнитного натяжения.

Основная функция сердечника статора — перенос переменного магнитного потока. С целью уменьшения потерь вихревых токов, сердечник статора ламинируется. Создаются наслоённые тиснения толщиной около 0,4-0,5 мм.

Статорный сердечник — по сути, набор из многочисленных металлических пластин, плотно спрессованных друг с другом. Для намотки медного провода оставлены слоты

Все тиснения спрессованы в единое целое, образуя сердечник статора, жёстко скрепленный рамой. Штамповка обычно содержит элементы кремниевой стали, что способствует уменьшению гистерезисных потерь при работе двигателя.

Виды асинхронных моторов

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором претендует на лидерство среди всех видов моторов переменного тока. Это оборудование часто используется для нужд промышленности.

Практика применения показала главные свойства этого вида электродвигателей:

• низкая рыночная стоимость,
• надежность эксплуатации,
• эффективность работы,
• низкие требования в обслуживании.

Другой вид оборудования – асинхронный двигатель с токосъёмными кольцами (с фазным якорем), отличается куда меньшей потребностью применения в промышленности.

Мотор с токосъёмником: 1 — статорный сердечник; 2 — корпус (рама); 3 — кронштейн; 4 — вал; 5 — подшипник; 6 — якорь; 7 — группа щёток; 8 — устройство коммутации

Не более 5% — 10% моторов с токосъёмными кольцами используются в индустрии.

Объясняется этот момент следующими конструктивными недостатками асинхронных моторов с фазным вращением:

• потребность частого обслуживания,
• значительный расход меди,
• сложность конструкции для ремонта.

Различия между видами асинхронных моторов

Одним из ярко выраженных различий между фазными и короткозамкнутыми двигателями видится фактор управления.

Электродвигатель, наделённый фазным токосъёмником, допускает включение в цепь внешнюю нагрузку (сопротивление) для управления скоростью двигателя.

В свою очередь схема двигателя с короткозамкнутым ротором не предполагает добавления любой внешней цепи, т.к. пазы ротора прорезаны вплоть до его торцевых граней.

Таким выглядит один из конструктивных вариантов токосъёмника на три фазы. Здесь следует отметить конструкционную особенность — несколько скошенное расположение слотов

Конструкция ротора фазовращающего типа представлена в виде ламинированного сердечника, наделённого слотами, расположенными параллельно один другому.

Каждый слот содержит по одному стержню и несёт трёхфазную изолированную обмотку. Причём число витков на стержнях равно числу витков обмоток статора.

Три концевых вывода обмотки подключаются, образуя нейтраль «звезды», а начальные выводы соединены с тремя медными кольцами, размещёнными на валу. С кольцами контактируют токосъёмные щётки.

Короткозамкнутый ротор изготовлен несколько иначе. Слоты на сердечнике не располагаются параллельно. Эти элементы ротора скошены под некоторым углом.

Элементы КЗР: 1 — алюминиевое кольцо; 2, 7 — вал стальной; 3, 6 — лопасти алюминиевые; 4 — алюминиевые стержни; 5 — ламинированный стальной сердечник

Сердечник сделан многослойным, с прорезями по всей длине окружности, замкнутыми на торцах сердечника медным или алюминиевым кольцом.

Конфигурация скошенных слотов короткозамкнутого ротора имеет свои преимущества:

• снижаются шумы электродвигателя при работе,
• обеспечивается плавный крутящий момент,
• уменьшается магнитная блокировка статора по отношению к ротору,
• увеличивается сопротивление ротора за счёт длинных проводников стержней.

Особенности для применения на практике

Изучая возможности применения тех или иных конструкций на практике, следует отметить более высокую эффективность моторов с короткозамкнутым ротором.

Относительно эффективности, что показывают асинхронные электромоторы с токосъёмными кольцами, короткозамкнутые выглядят явно лучше. Коэффициент мощности у фазных моторов также существенно ниже.

Однако преимущественной стороной фазных конструкций является возможность регулировать скорость вращения, тогда как короткозамкнутые модификации таких возможностей не дают.

Но регулировка скорости вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором возможна при помощи частотного преобразователя.

Ещё одно преимущество асинхронного электродвигателя с фазным ротором – низкий пусковой ток. Для двигателей с короткозамкнутым ротором этот параметр существенно выше.

Поэтому электродвигатели с фазным ротором, как правило, используются на агрегатном оборудовании, где важен высокий пусковой момент:

• подъёмники промышленные,
• лифты гражданские,
• краны строительные,
• лебёдки производственные и т.п.

Тогда как другой вид моторов (короткозамкнутых) применяется часто в качестве приводов сверлильных, токарных станков и другой техники, где отсутствует потребность высокого пускового момента.

Учебное видео пособие по двигателям разного вида