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.

Что такое асинхронный двигатель и принцип его действия

Данный двигатель зачастую используется в промышленности. Он простой в использовании, долговечный, недорогой.

Асинхронный двигатель превращает электрическую энергию в механическую. Его работа основана на принципе вращающегося магнитного поля. Сам принцип действия аппарата можно описать несколькими пунктами поэтапно:

1. Во время запуска самого двигателя происходит пересечение магнитного поля с контуром ротора, после чего происходит индицирование электродвижущей силы.
2. В замкнутом роторе происходит возникновение переменного тока.
3. Магнитные поля: статора и ротора также воссоздают непосредственно так называемый крутящий момент.
4. Ротор «догоняет» поле самого статора.
5. Когда частоты вращения самого магнитного поля статора/ротора имеют совпадения, электромагнитные процессы, образованные в месте ротора затухают. После чего крутящий момент приравнивается к «0».
6. Статор, а вернее его образованное магнитное поле возбуждает контур ротора, который в этот момент вновь позади.

Где применяются?

Как уже уточнялось выше в статье, применяется данный двигатель промышленности (лебедки общепромышленного назначения, краны) и бытовой технике (асинхронные двигатели с небольшой мощностью).

Теперь остановим ваше внимание на электродвигателе непосредственно с короткозамкнутым ротором. Они применяются в самих электроприводах различных типов станков, а если говорить точнее: металлообрабатывающих, а также часто встречающихся на сегодня грузоподъемных и ткацких, в том числе деревообрабатывающих), а также в вентиляторах, лифтах, различных насосах, бытовых приборах.

Если говорить об асинхронном электродвигателе с короткозамкнутым ротором, то благодаря его применению можно добиться существенного снижения энергопотребления оборудования, которое в свою очередь, обеспечивает высокий уровень надежности аппарата. Данные характеристики оказывают положительный эффект на модернизацию производства в целом.

Что такое «скольжение»?

Пришло время поговорить о таком понятии как «скольжение» асинхронного двигателя.
Это, по сути, относительная разность скоростей самого вращения «ротора», это ни что иное, как изменение, так называемого переменного магнитного тока. «Скольжение» измеряется в относительных единицах, а также можно измерять в процентном соотношении.

Устройство асинхронного двигателя

Основные части двигателя: статор и ротор. Три обмотки находятся на полюсах железного сердечника кольцевой формы, сети так называемого трехфазного тока 0 располагаются одна относительно другой строго под углом 120 градусов.
Также отметим, что внутри самого сердечника закреплен на той же оси цилиндр из высококачественного металла. Он называется – ротор.

Статор

Статор это неподвижная часть, которая формирует вращающееся магнитное поле. Именно это поле непосредственно соприкасается с электромагнитным полем самой подвижной части, именуемой ротором, тем самым происходит полноценное вращение ротора.

Двигатели статора имеют фазные и короткозамкнутые роторы.

Устройство статора

1. Первое это корпус, изготовленный из чугуна, но часто встречаются корпуса из алюминия.
2. Далее идет сердечник из пластин, которые изготовлены из электротехнической стали в толщину 0,5 миллиметров. Пластины сердечника скреплены скобками или же швами, покрыты изоляционным лаком, закреплены в станине при помощи стопорных болтов.
3. Ну и последнее в устройстве статора– обмотки, сдвинутые друг к другу на 120 градусов, как правило, в устройстве их не более трех, они вложены в пазы на внутренней стороне самого сердечника, изготовлены из изолированного медного, алюминиевого провода круглого/квадратного сечения.

Сердечник статора

Выполняется с посадкой на вал, без наличия промежуточной втулки. Посадка сердечников используется в двигателях с высотой непосредственно оси в 250 миллиметров без шпонки.
В больших двигателях сердечники закреплены на вал с применением шпонки. В случае, если ротор в диаметре 990 миллиметров, сердечник шихтуют из разных сегментов.

Обмотка статора и количество оборотов электродвигателя

Определить количество оборотов электродвигателя можно лишь при помощи обмотки. В этом нет ничего сложного и достаточно просто следовать инструкции и все получится. Для этого нужно:

1. Снять крышку с двигателя.
2. Найти одну из секций и посмотреть, сколько места она занимает по окружности самого круга. Например, если катушка заняла половину круга – это 180 градусов, то двигатель идет на 3000 оборотов в минуту.
3. Если в окружности вмещается три секции на 120 градусов, то это двигатель на 1500 оборотов в минуту.
4. Если в катушке вмещается 4 секции на 90 градусов, то двигатель на 3000 оборотов в минуту.

Ротор

Вращается внутри самого статора (выше описывали, что он представляет собой). Ротор – элемент электрического двигателя. Его вал соединен с деталями агрегаторов. Если говорить о массивном роторе – это цельный стальной цилиндр, который помещается во внутрь статора с не присоединенным к его поверхности сердечником (также выше описывали что такое сердечник).

Также бывают еще разновидности ротора:

• фазный (уложен в пазы сердечника обмоткой и соединен по схеме «звезда»),
• короткозамкнутый (залитый в поверхность сердечника, замкнут с торцов при помощи двух высокопроводящих медных колец).

Устройство короткозамкнутого ротора

Такая обмотка зачастую называется у профессионалов «беличьим колесом» по причине того, что его внешняя конструкция достаточно схожа с ним. Состоит из аллюминевых стержней, торцов с двумя кольцами замкнутых накоротко. Такие стержни вставлены, как правило, в пазы сердечника самого ротора.

Как сделан фазный ротор

Фазный ротор представляет собой двигатель, который поддается регулировке при помощи добавления в цепь ротора так называемых добавочных сопротивлений. Используются такого плана двигатели во время пуска с нагрузкой на валу. В свою очередь, увеличение сопротивления в цепи ротора предоставляет возможность увеличить пусковой момент.

Что лучше короткозамкнутый или фазный: совместная работа ротора и статора

Здесь стоит отметить, что особенных преимуществ нет ни у одного ротора, каждый хорош по-своему. Более подробно на них останавливаться не будем, так как вся необходимая информация по этим двум разновидностям ротора уже была дана выше в статье. остановим внимание на том, как регулируется частота вращения ротора. Это можно сделать при помощи изменения так называемого дополнительного сопротивления самой цепи ротора.

Также можно регулировать частоту вращения ротора, изменив напряжение статора, который подведен к обмотке.

Можно также изменить частоту питающего напряжения или же переключить число пар полюсов, ввести резисторы в цепь ротора.

Классификация по типу ротора

Классификация по типу ротора следующая: однофазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, а также есть такая разновидность ротора, как двухфазный асинхронный двигатель короткозамкнутый.

Плюс ко всему сегодня часто пользуется спросом и асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с тремя фазами, а также асинхронный двигатель с фазным ротором, также с тремя фазами. Именно так и делится классификация ротора по числу фаз.

Линейные моторы

В линейных двигателях перемещение рабочего органа РО (коротких подач) происходит от самого двигателя через ременную передачу строго на винт (ходовой).

Шариковая гайка скреплена с короткой передачей пружинных механизмов защиты от соударений, именно через нее происходит вращение винта и происходит трансформация в продольное перемещение РО.

Подключение двигателя к питанию

Кнопки “Стоп” должны быть подключены в последовательности друг с другом, а в свою очередь кнопки “Пуск” должны строго настрого быть подключены в параллели между собой в цепи управления.

Во время нажатия на “Пуск” цепь катушки будет замкнута, а сама катушка начинает втягиваться, а во время размыкания кнопки, напряжение питающее катушку, пойдет через блок-контакт КМ. Прервать цепь управления можно при помощи нажатия на одну из кнопок “Стоп”.

Достоинства и недостатки асинхронных двигателей

Достоинства:

• прежде всего, их легко использовать и никаких сложностей при эксплуатации не возникает
• конструкция двигателей очень простая и это еще одно их преимущество, а также нельзя не отметить их низкую себестоимость (порой это имеет большое значение для покупателей, так что это еще один плюс таких двигателей)
• надежность

Недостатки:

• модели оснащены маленьким пусковым механизмом
• выдают высокой спусковой ток
• очень сильно чувствительны к возможной смене параметров в сети
• для плавного регулирования скорости нужен преобразователь вероятных частот

Несмотря на то, что есть свои недостатки эти асинхронные двигатели, пользуются огромной популярностью. Так что все-таки они заслуживают должного уважения и не зря их часто используют в промышленности.