Устройство и принцип работы асинхронного двигателя

Немало техники — бытовой, строительной, производственной имеют двигатели. Если задаться целью и проверить тип мотора, в 90% окажется, что стоит асинхронный двигатель. Это обусловлено простотой конструкции, высоким КПД, отсутствием электрического контакта с движущейся частью (в моделях с короткозамкнутым ротором). В общем, причин достаточно.

Что такое асинхронный двигатель и принцип его действия

Любой электродвигатель — устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Электрический двигатель состоит из неподвижной (статор) и подвижной части (ротор). Строение статора таково, что он имеет вид полого цилиндра, внутри которого имеется обмотка. В это цилиндрическое отверстие вставляется подвижная часть — ротор. Он также имеет вид цилиндра, но меньшего размера. Между статором и ротором имеется воздушный зазор, позволяющий ротору свободно вращаться. Ротор вращается из-за наводимых магнитным полем статора токов. По способу вращения двигатели делят на синхронные и асинхронные.

Так выглядит разобранный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Асинхронный электродвигатель отличается тем, что частота вращения ротора и магнитного поля, создаваемого статором, у него неравны. То есть, ротор вращается несинхронно с полем, что и дало название этому типу машин. Характерно, в рабочем режиме скорость его вращения меньше. Второе название этого типа двигателей — индукционные. Это название связано с тем, что движение происходит за счёт наводимых на нём токов индукции.

Асинхронный двигатель в разобранном виде: основные узлы и части

Коротко описать принцип работы асинхронного двигателя можно так. При включении мотора на обмотки статора подаётся ток, из-за чего возникает переменное магнитное поле. В область действия силовых линий этого попадает ротор, который начинает вращаться вслед за переменным полем статора.

Статор

Статор асинхронного двигателя состоит из трёх частей: корпуса, сердечника и обмотки. Корпус статора служит в качестве опоры для электродвигателя. Изготавливают его из стали или чугуна, сваркой или литьём. К прочности корпуса предъявляются высокие требования, так как при работе возникают вибрации в результате которых может сместиться ротор, что приведёт к заклиниванию мотора и выходу его из строя.

Статор асинхронного двигателя

Есть и ещё одно требование — геометрия корпуса должна быть идеальной. Между обмоткой статора и ротором зазор делают в несколько миллиметров, так что малейшие отклонения могут быть критичны.

Сердечник статора

Сердечник статора асинхронного электродвигателя изготавливают из наборных металлических пластин. Так как сердечник является магнитопроводом, металл используется магнитная электротехническая сталь. Для уменьшения потерь из-за вихревых потоков сердечник набирается из пластин, покрытых слоем диэлектрика (лак).

Сердечник статора набирается из тонких металлических изолированных пластин

Толщина одной пластины — 0,35-0,5 мм. Они собираются в единый пакет, так чтобы пазы всех пластин совпадали. В эти пазы затем укладываются витки обмотки.

Обмотка статора и количество оборотов электродвигателя

Статор асинхронного электромотора чаще всего имеет трёхфазную обмотку возбуждения. Она называется так, потому что является причиной движения ротора. Обмотка статора состоит из катушек, навитых из медной проволоки которые укладываются в пазы сердечника. Каждая обмотка может состоять из нескольких витков проволоки или из одного витка. Провод используется специальный, с лаковым покрытием, которое изолирует витки друг от друга и от стенок сердечника.

Как уже говорили, чаще всего обмотка статора асинхронного двигателя имеет три фазы. В этом случае оси катушек расположены со сдвигом 120°. При таком строении магнитное поле имеет два полюса и делает один полный оборот за один цикл трёхфазного питания. При частоте в электросети равной 50 Гц, скорость вращения поля (и ротора) 50 об/сек или 3000 об/мин.

Укладка катушек обмотки статора асинхронного двигателя

Для уменьшения скорости вращения ротора в асинхронном двигателе обмотку делают с большим количеством полюсов. Так с четырехполюсным стартером скорость вращения будет вдвое меньше — 1500 об/мин. Обмотка с шестью полюсами статора даёт втрое меньшую скорость — 1000 об/мин. С восемью полюсами — в четыре раза меньше, т. е. 750 об/мин. Ещё более «медленные» электромоторы делают очень редко.

Концы обмоток статора выводятся на клеммную коробку корпуса. Тут они могут соединяться по принципу «звезда» или «треугольник» в зависимости от типа подаваемого питания (220 В или 380 В).

Ротор

Ротор асинхронного электродвигателя бывает двух видов: короткозамкнутым и фазным. Чаще всего встречаются машины с короткозамкнутым ротором. Их преимущество в простоте конструкция и несложной технологии изготовления. Что еще важно, в таких моторах отсутствует контакт с динамической конструкцией. Это повышает долговечность, делает обслуживание более редким и простым.

Асинхронный двигатель может быть с короткозамкнутым и фазным

Асинхронные электромоторы с фазным ротором имеют более сложную конструкцию. Но они позволяют плавно регулировать скорость без дополнительных устройств, со старта имеют высокий крутящий момент. Так что приходится выбирать: более простая конструкция или возможность регулировки скорости вращения.

Устройство короткозамкнутого ротора

Ротор состоит из вала и цилиндрической конструкции из короткозамкнутых стержней. Внешне эта конструкция очень напоминает беличье колесо, поэтому так часто называют короткозамкнутую обмотку ротора.

Устройство короткозамкнутого ротора

Изначально и стержни, и замыкающие кольца изготавливались из меди. Роторы современных асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт делают из алюминиевых стержней, с алюминиевыми же замыкающими дисками. Расстояние между стержнями заливается снова-таки алюминиевым сплавом. Получается короткозамкнутый ротор, но уже со сплошным покрытием.

Так как при работе выделяется значительное количество тепла, для охлаждения перемычки «беличьего колеса» делают с дополнительными вентиляционными лопатками. Так во время работы происходит самоохлаждение. Оно работает тем эффективнее, чем выше скорость вращения.

Как устроен асинхронный двигатель: устройство и компоновка деталей

Ротор устанавливается в статор, концы вала фиксируются при помощи крышек с вмонтированными подшипниками. Это двигатель без щеток (безщеточный). Никаких дополнительных контактов и электрических соединений. Подвижная часть мотора начинает вращаться при наличии магнитного поля на статоре. Оно возникает после подачи питания. Это поле вращается, заставляя вращаться и предметы, которые находятся в его поле. Простая и надёжная конструкция, которая обусловила популярность электрических двигателей этого типа.

Как сделан фазный ротор

Устройство фазного ротора мало чем отличается от обмотки статора. Те же наборные кольца с пазами под укладку медных катушек. Количество обмоток ротора три, соединены они обычно «звездой».

Так выглядит фазный ротор асинхронного двигателя

Концы роторных обмоток крепят к контактным кольцам из меди. Эти кольца жёстко закреплены на валу. Кроме того, они обязательно изолированы между собой, не имеют электрического контакта со стальным валом (крепятся к стержню через диэлектрические прокладки). Так как наличие колец отличительная черта этого типа движков, иногда их называют кольцевыми.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Для фиксации ротора к корпусу статора делают две крышки с подшипниками. На одной из крышек закрепляются щетки, которые прижимаются к кольцам на валу, за счёт чего имеют с ними хороший контакт. Для регулировки скорости вращения щетки соединены с реостатом. Изменяя его сопротивление, меняем напряжение, а с ним и скорость вращения.

Что лучше короткозамкнутый или фазный?

Несмотря на то что двигатели с фазовым ротором лучше стартуют, позволяют в процессе работы плавно менять скорость при помощи обычного реостата, чаще применяется моторы короткозамкнутого типа. В этой конструкции отсутствуют щетки, которые выходят из строя первыми. Кроме того, более простое устройство подвижной части снижает стоимость двигателя, агрегат служит дольше, уход и техобслуживание проще.

Какой лучше: короткозамкнутый ротор или фазный

Тем не менее стоит более подробно ознакомиться с достоинствами и недостатками обоих типов асинхронных двигателей. Итак, достоинства короткозамкнутого асинхронного двигателя:

• Простая конструкция.
• Лёгкое обслуживание.
• Более высокий КПД.
• Нет искрообразования.

• Малый пусковой крутящий момент.
• Высокий пусковой ток (в 4-7 раз выше номинального).
• Нет возможности регулировать скорость.

Магнитное поле трехфазного статора толкает ротор

Из-за высокого пускового тока прямое включение допускается для двигателей мощностью до 200 кВт. Более мощные требуют пускорегулирующей аппаратуры. Обычно используют частотный преобразователь, который плавно увеличивает ток, обеспечивая плавный старт без перегрузок.

Преимущество асинхронного фазного двигателя:

• Быстрый и беспроблемный старт.
• Позволяет менять скорость в процессе работы.
• Прямое подключение возможно, практически без ограничения мощности.

Недостатки тоже есть: наличие щёток, возможность искрения, сложное и частое обслуживание.

Как регулируется частота вращения

Как уже писали, частота вращения ротора зависит от количества полюсов статора. Чем больше количество полюсов, тем меньше скорость. Но это не только так можно регулировать скорость вращения. Она еще зависит от напряжения и частоты питания.

Способы регулирования частоты асинхронного двигателя

Напряжение можно регулировать, установив потенциометр на входе. Частоту регулируют поставив частотный преобразователь. Частотник — более выгодное решение, так как он ещё и снижает стартовые токи и может быть программируемым.

Однофазный асинхронный двигатель

Выше рассматривался трехфазный асинхронный двигатель, в однофазном асинхронном двигателе их две. Одна рабочая, вторая вспомогательная. Вспомогательная нужна для того, чтобы придать первоначальное вращение ротору. Потому может называться ещё пусковой или стартовой.

Однофазный асинхронный двигатель имеет две обмотки: рабочую и вспомогательную (стартовую или пусковую)

Когда в статоре включена одна обмотка, она создаёт два равных магнитных поля, вращающихся в разные стороны. Если ввести в это поле ротор, который уже имеет какое-то начальное вращение, магнитное поле будет поддерживать это вращение. Но как запустить ротор на старте? Как придать ему вращение, ведь от одной обмотки возникают два равноценных магнитных поля, направленные в разные стороны. Так что с их помощью заставить вращаться ротор невозможно. В простейшем варианте вращение задаётся вручную — механически. Затем вращение подхватывает поле.

Чтобы автоматизировать запуск однофазного асинхронного двигателя и сделана вспомогательная обмотка. Она сконструирована так, что подавляет одну из составляющих магнитного поля основной обмотки и усиливает вторую. Соответственно, одна из составляющих перевешивает, задавая вращение ротора. Затем стартовая обмотка отключается, вращение поддерживает основная.

Асинхронные электродвигатели. Принцип работы

Асинхронные электродвигатели – это надёжное, долговечное и недорогое устройство, преобразующее электроэнергию в механическую и позволяющее решить много задач в работе вентиляции, компрессии, подъёмных механизмов и многие другие.

Возможно и бытовое применение электродвигателей с малой мощностью.

В конце XIX века учёным Михаилом Доливо-Добровольским был разработан асинхронный электродвигатель (электродвигатель переменного тока). А уже в 1893 г. была создана впервые в мире промышленная сеть переменного 3-фазного тока на базе элеватора в Новороссийске.
Сегодня невозможно представить не только производство, но и дом, в котором нет этого простого, но эффективного устройства.

Устройство асинхронного электродвигателя

Классическая конструкция двигателя включает в себя:

Статор – неподвижная (статичная) часть двигателя имеет цилиндрическую форму. Для минимилизации потерь из-за вихревых токов (токи Фуко) сердечник статора делают из тонких стальных пластин, которые изолированы окалиной или скреплены лаком. Сердечник статора имеет пазы, куда крепятся обмотки под углом 120 градусов по отношению друг к другу.

Ротор – подвижная часть, бывает двух видов:

• Короткозамкнутый представляет собой сердечник, состоящий из алюминиевых стержней накоротко замкнутыми торцевыми кольцами (беличья клетка);
• Фазный, состоящий из трёхфазной обмотки, соединённой звездой или треугольником, и помещённой в пазы шихтованного сердечника ротора.

Обе части разделены воздушным зазором.

Принцип работы асинхронного электродвигателя

Иногда можно встретить определение асинхронного двигателя как коллекторного либо индукционного. Это объясняется тем, что посредством вращающегося поля статора индуцируется ток в обмотке.

В основу принципа работы асинхронного электродвигателя положено вращение магнитного поля. То есть электродвигатель приводится в движение вследствии взаимодействия магнитных полей ротора и статора.

Синхронной скоростью двигателя называют скорость вращения магнитного поля статора, а скорость вращения ротора асинхронной, потому как она отличается от скорости вращения магнитного поля статора на 2-3%, когда двигатель вращается в холостую, и примерно на 5-8% при нагрузке. Это отставание обусловлено тем, что при совпадении скорости магнитного поля статора и скорости ротора в обмотках ротора перестала бы наводиться ЭДС и вращающий момент не появится. Разность между скоростями поля статора и ротора называют скольжением.

Рассмотрим принцип работы на примере 3х-фазного двигателя с тремя обмотками, установленными под углом 120 градусов, как показано на рисунке справа. Переменный ток проходит по обмоткам статора, создавая магнитное поле в каждой из катушек. Вращающееся магнитное поле статора наводит ЭДС в обмотках ротора. ЭДС в замкнутых проводниках создает ток, который при взаимодействии с магнитным полем приводит к вращению ротора. Скольжение с разгоном двигателя уменьшается, стремясь к 2-3% в холостом режиме.

Однофазные электродвигатели

Асинхронные двигатели переменного тока имеют одну рабочую обмотку. При протекании синусоидального напряжения по обмотке статора создается пульсирующее магнитное поле, изменяющееся по величине, но неподвижное в пространстве.

Основная проблема возникает при пуске двигателя.

В теории возможно запустить его, физически воздействуя на вал и задав вращение в любую сторону. На практике же выделяют 4 способа пуска однофазного двигателя:

Электродвигатель CSIR с пуском с помощью конденсатора, работа через обмотку.

Наиболее многочисленная группа однофазных электродвигателей, ограничена мощностью 1,1 кВт. Конденсатор последовательно соединён с пусковой обмоткой, он создаёт отставание между пусковой и главной обмотками.
Это способствует сдвигу фаз пусковой и рабочей обмотки, образуя появление вращающегося поля, влияя на возникновение вращающего момента. При достижении рабочей частоты вращения открывается пускатель, и двигатель продолжает работать в обычном режиме.

Электродвигатель CSCR с пуском через конденсатор, работа через конденсатор.

Двигатели CSCR работают с постоянно подключённым конденсатором к пусковой обмотке и подключаемым при включении пусковым конденсатором. Являются лучшим вариантом для работы в сложных условиях. Конденсатор последовательно соединён с пусковой обмоткой, что обеспечивает высокий пусковой момент.
Электродвигатели CSCR – это самые мощные однофазные двигатели, их мощность достигает 11 кВт.
Могут использоваться для работы с низким током нагрузки и при более высоком КПД, что даёт преимущества: в частности, обеспечивает работу двигателя с меньшими скачками температур по сравнению с другими однофазными электродвигателями.

Электродвигатель RSIR с пуском через сопротивление, работа через обмотку.

Этот тип двигателей ещё называют: «электродвигатель с расщеплённой фазой». Имеют ограничение по мощности до 0,25 кВт.
Наиболее дешёвый вариант однофазных электродвигателей.
Пусковое устройство двигателя RSIR имеет две обмотки статора, одна из которых используется только для пуска, диаметр этой обмотки меньше, что увеличивает сопротивление. Это создаёт отставание вращающегося поля, что приводит двигатель в движение.
Электронный пускатель отсоединяет пусковую обмотку при достижении приблизительно 75% от номинального значения. После чего двигатель продолжает работу в обычном режиме.

Примечание: данный тип электродвигателя имеет высокие пусковые токи от 700 до 1000% от номинального значения тока.
Продолжительный пуск может быть губительным для обмотки вследствие перегрева двигателя. Это означает, что их нельзя использовать там, где нужен большой пусковой момент.

Электродвигатель PSC с постоянным разделением ёмкости.

Данный электродвигатель оснащён постоянно включённым конденсатором, последовательно соединённым с пусковой обмоткой. Двигатель PSC не имеет конденсатора, который используется только для пуска. «Пусковая» обмотка становится вспомогательной в момент, когда двигатель достигает рабочей частоты вращения.
Наиболее подходят для областей применения с продолжительным рабочим циклом.
Есть ограничение по мощности – 2,2 кВт.

Трёхфазные двигатели

Трехфазные асинхронные электродвигатели, как правило, используются только на крупных промышленных предприятиях, т.к. для его работы требуется трёхфазное напряжение 380 В AC.

Отличаются по мощности и количеству обмоток. С мощностью всё понятно, чем больше мощность, тем большее усилие создаётся на валу электродвигателя.

Количество обмоток влияет на частоту вращения двигателя, а именно:
при частоте трёхфазного тока f равной 50 Гц или 3000 периодов в минуту, число оборотов N вращающегося поля в минуту будет:

• при 2 полюсах на статоре: N = (50х60) / 1 = 3000 об/мин,
• при 4 полюсах на статоре: N = (50х60) / 2 = 1500 об/мин,
• при 6 полюсах на статоре: N = (50х60) / 3 = 1000 об/мин,
• при числе пар полюсов статора, равном P: N = (fх60) / P.

Коммутационная колодка трехфазного двигателя имеет 6 зажимов, которые соединяются с началом (U1, V1, W1) и концом (U2, V2, W2) обмотки каждой фазы.

Возможно подключение обмотки трёхфазного электродвигателя в двух режимах: «звезда» и «треугольник».

• При подключении двигателя «треугольником» фазные концы обмоток подключаются последовательно друг с другом с напряжением 220 В AC.
• При подключении двигателя «звездой» все выходные концы фазных обмоток соединяются в один узел с напряжением 380 В AC.

При малых напряжениях нагрузки рекомендуется использовать соединение «треугольник», при более высоких – «звезду».

При необходимости получить консультацию по подключению и работе электродвигателя,
а также по приобретению устройств, которые помогут улучшить его работу,
обращайтесь к специалистам Компании «РусАвтоматизация».

Подписывайтесь, чтобы не пропускать новые публикации.