Магнитное поле асинхронного двигателя. Устройство асинхронных электродвигателей

Всем привет. Рад вас видеть у себя на сайте. Тема сегодняшней статьи: устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей. Так же я бы хотел немного сказать о способах регулировки их частоты вращения, и перечислить их основные преимущества и недостатки.

Раньше, я уже писал статьи, касающиеся асинхронных электродвигателей. Если кому интересно, то можете почитать. Вот список:

Ну а теперь давайте перейдём к теме сегодняшней статьи.

В нынешнее время, очень трудно представить, как бы существовали все промышленные предприятия, если бы не было асинхронных машин. Эти двигателя установлены практически везде. Даже дома у каждого человека есть такой двигатель. Он может стоять на вашей стиральной машинке, на вентиляторе, на насосной станции, в вытяжке и так далее.

Вообще асинхронный электродвигатель – это колоссальный прорыв в мировой промышленности. Во всём мире их выпускают более 90 процентов от количества всех выпускаемых двигателей.

Асинхронный электродвигатель – это электрическая машина, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. То есть потребляет электрический ток, а взамен дают крутящий момент, с помощью которого можно вращать многие агрегаты.

А само слово «асинхронный» — означает неодновременных или не совпадающий по времени. Потому что у таких двигателей частота вращения ротора немного отстаёт от частоты вращения электромагнитного поля статора. Ещё это отставанием называют – скольжением.

Обозначается это скольжение буквой: S

А вычисляется скольжение по такой формуле: S = (n1 — n2)/ n1 — 100%

Где, n1 – это синхронная частота магнитного поля статора;

n2 – это частота вращения вала.

Устройство асинхронного электродвигателя.

Двигатель состоит из таких частей:

1. Статор с обмотками. Или станина внутри которой находится статор с обмотками.

2. Ротор. Это если короткозамкнутый. А если фазный, то можно сказать, что это якорь или даже коллектор. Я думаю, ошибки не будет.

3. Подшипниковые щиты. На мощных двигателях ещё спереди стоят подшипниковые крышки с уплотнителями.

4. Подшипники. Могут стоять скольжения или качения, в зависимости от исполнения.

5. Вентилятор охлаждения. Изготавливается из пластмассы или металла.

6. Кожух вентилятора. Имеет прорези для подачи воздуха.

7. Борно или клеммная коробка. Для подключения кабелей.

Это все его основные детали, но в зависимости от вида, типа и исполнения может немного изменяться.

Асинхронные электродвигателя в основном выпускают двух видов: трёхфазные и однофазные. В свою очередь трёхфазные ещё подразделяются на подвиды: с короткозамкнутым ротором или фазным ротором.

Самые распространённые – это трёхфазные с короткозамкнутым ротор.

Статор имеет круглую форму и набирается с листов специальной стали, которые изолированы между собой, и эта собранная конструкция образует сердечник с пазами. В пазы сердечника укладываются обмотки, со специального обмоточного, изолированного лаком провода. Провод это отливают в основном из меди, но также есть и с алюминия. Если двигатель очень мощный, то обмотки делаю шиной. Обмотки укладывают так, чтобы они были сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов. Соединяются обмотки статора в звезду или в треугольник.

Ротор, как выше я уже писал выше, бывает короткозамкнутый или фазный.

Короткозамкнутый представляет собой вал, на который надеваются листы, из тоже специальной, стали. Эти наборные листы образую сердечник, в пазы которого заливают расплавленный алюминий. Этот алюминий равномерно растекается по пазам и образует стержни. А по краям эти стержни замыкают алюминиевыми кольцами. Получается своего рода «беличья клетка».

Фазный ротор представляет собой вал с сердечником и тремя обмотками. Одни концы, которых обычно соединяют в звезду, а вторые три конца присоединяют к токосъемным кольцам. А на эти кольца, с помощью щёток подают электрический ток.

Если в цепь фазных обмоток добавить нагрузочный реостат, и при пуске двигателя увеличивать активное сопротивление, то таким способ можно уменьшить большие пусковые токи.

Принцип действия.

Когда на обмотки статора подаются электрический ток, то в этих обмотках возникает электрический поток. Как вы помните, из выше написанных слов, фазы у нас смещены относительно друг друга на 120 градусов. И вот этот поток в обмотках начинает вращаться.

И при вращении магнитного потока статора, в обмотках ротора появляется электрический ток, и своё магнитное поле. Два этих магнитных поля начинают взаимодействовать и заставляют вращаться ротор электродвигателя. Это если ротор короткозамкнутый.

По принципу роботы вот посмотрите видео ролик.

Ну а с фазным ротором, по сути, принцип тот же. Напряжение подаётся на статор и на ротор. Появляются два магнитных поля, которые начинают взаимодействовать и вращать ротор.

Достоинства и недостатки асинхронных двигателей.

Основные достоинства асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором:

1. Очень простое устройство, что позволяет сократить затраты на его изготовление.

2. Цена намного меньше по сравнению с другими двигателями.

3. Очень простая схема запуска.

4. Скорость вращения вала практически не меняется с увеличением нагрузки.

5. Хорошо переносит кратковременные перегрузы.

6. Возможность подключения трёхфазных двигателей в однофазную сеть.

7. Надёжность и возможность эксплуатировать практически в любых условиях.

8. Имеет очень высокий показатель КПД и cos φ.

Недостатки:

1. Не возможности контролировать частоту вращения ротора без потери мощности.

2. Если увеличить нагрузку, то уменьшается момент.

3. Пусковой момент очень мал по сравнению с другими машинами.

4. При недогрузе увеличивается показатель cos φ

5. Высокие показатели пусковых токов.

Достоинства двигателей с фазным ротором:

1. По сравнению с короткозамкнутыми двигателями, имеет достаточно большой вращающий момент. Что позволяет его запускать под нагрузкой.

2. Может работать с небольшим перегрузом, и при этом частота вращения вала практически не меняется.

3. Небольшой пусковой ток.

4. Можно применять автоматические пусковые устройства.

Недостатки:

1. Большие габариты.

2. Показатели КПД и cos φ меньше, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором. И при недогрузе эти показатели имеют минимальное значение

3. Нужно обслуживать щёточный механизм.

На этом буду заканчивать свою статью. Если она была вам полезной, то поделитесь нею со своими друзьями в социальных сетях. Если есть вопросы, то задавайте их в комментариях и подписывайтесь на обновления. Пока.

С уважением Александр!

Электродвигатели являются встроенными элементами рабочих узлов техники, и именно они обеспечивают им правильную работу. Неважно, складское ли это оборудование или стиральная машина – эти устройства никак не смогут обойтись без использования электромотора и чаще всего в настоящее время для этого применяются именно асинхронные электродвигатели .

Электродвигатели этого типа на сегодняшний день имеют довольно обширную область применения, чем они обязаны, прежде всего, своим рабочим характеристикам. Дело в том, что их особенностью является практически полная независимость частоты вращения вала от нагрузки на нем.

Асинхронные электродвигатели состоят из двух частей: ротора 1 и статора 2 . Внутренняя его часть называется ротор, эта часть вращается и несет на себе обмотку. Внешняя часть представляет собой корпус двигателя и называется статор, она неподвижна, внутри неё имеются специальные пазы (магнитопровод), куда пофазно уложены витки (секции) обмоток (статорная обмотка). Фазы статорных обмоток могут быть соединены «звездой» или «треугольником».

Собираются обе эти части из изолированных листов штампованной стали толщиной около 0,35-0,5 мм. Для высокомощных машин зазор между ротором и статором делается как можно меньше, порядка 1-1,5 мм, в маломощных двигателях еще меньше. Вал вращается в подшипниках, расположенных в подшипниковых щитах.

Виды асинхронных электродвигателей . Рассмотрим виды асинхронных двигателей и их устройство. В зависимости от конструкции ротора, асинхронные двигатели можно разделить на два вида: с короткозамкнутым и фазным ротором . Главное различие этих видов электродвигателей состоит только в устройстве ротора.

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Эти двигатели имеют ротор, внешне очень похожий на беличью клетку. Статорная их обмотка представляет собой стержни, выполненные из алюминия или меди, замкнутые с торцов ротора двумя кольцами. На сегодняшний день электродвигатели малой и средней мощности (до 100 кВт) снабжены «беличьем колесом», сделанным из алюминия, путем заливки его под давлением в пазы ротора.

Асинхронные электродвигатели с фазным ротором. Обмотки фазного ротора соединены, чаще всего, между собой «звездой». Двигатель с фазным ротором имеет еще одно название – двигатель с контактными кольцами , такое название произошло оттого, что концы обмоток соединяются с тремя медными кольцами, которые электрически изолированы не только от вала двигателя, но и друг от друга. Кольца насажены на сердечник ротора через изоляционные прокладки. На них накладываются специальные щётки, которые даже при вращении имеют электрический контакт с обмотками ротора двигателя. Для изменения скорости щетки соединяют с реостатом.

Принцип действия асинхронных электродвигателей . Питающее напряжение подается на статорную обмотку, образуя вращающееся магнитное поле, которое, в свою очередь, воздействуя на обмотку ротора (стержней) наводит в ней ЭДС, создающую электрический ток.

В результате взаимодействия магнитного поля стержней, вызываемого этим электрическим током с магнитным полем статора и образуется сила, создающая вращающийся электромагнитный момент, т. е. вращение ротора.

Частота вращения вала асинхронных электродвигателей зависит, прежде всего, от количества пар полюсов, определяемых количеством катушек на каждую фазу. Так, три катушки обмотки создают двухполюсное магнитное поле (одну пару полюсов). При стандартной частоте 50 Гц скорость вращения ротора будет порядка 3000 об/мин. При увеличении магнитного поля по полюсам снижается скорость вращения ротора, например магнитное поле при шести полюсах имеет скорость в три раза меньше, чем у двухполюсного.

В настоящее время, большее применение получили двигатели с короткозамкнутым ротором, из-за простоты устройства, а значит, во многом – и простоты ремонта, обслуживания и удобства эксплуатации. Двигатели с фазным ротором используются значительно реже.

Пожалуй, нет ни одного серьезного механизма или машины, где не применялись бы электрические двигатели. В автомобиле, с стиральной машине, сельхозтехнике и мелких бытовых приборах - везде используется электрический двигатель. Наибольшее распространение получил асинхронный электрический двигатель и о нем сегодня мы поговорим.

Синхронные и асинхронные двигатели в машиностроении и в быту

Благодаря своей простоте и экономичности, асинхронный электромотор может пригодиться не только в машиностроении и в быту, но мы рассмотрим именно такие двигатели, которые встречаются чаще всего. Причиной популярности асинхронного двигателя переменного тока стали его доступность, возможность подключения к любой розетке электропитания без всяких выпрямителей и согласовательных устройств, а также простотой обслуживания и ремонта в случае чего.

Существуют два вида асинхронных электромоторов - с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Но для начала стоит разобраться в конструкции и узнать принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, после чего станет понятна причина его популярности. Несмотря на то, что асинхронный мотор был разработан еще в конце 19 века, до сих пор его конструкция особенных изменений не претерпела.

Преимущества АС двигателя

Главной особенностью характеристик этого двигателя и самым ценные их проявлением, считают тот факт, что нагрузка на двигатель практически никак не зависит от частоты вращения вала. Магнитные поля и электродвижущую силу изучают уже лет двести, а наш асинхронный двигатель стал лучшим подтверждением тому, это один из самых эффективных методов трансформации энергии.

Принцип работы этого мотора как раз основан на взаимодействии подвижного магнитного поля и токопроводящего элемента, распложенного внутри этого поля. Двигатель, как известно еще со школьной скамьи, состоит из двух базовых узлов - рoтора и статора. Статoр как раз генерирует вращающееся магнитное поле. Конструктивно, статoр представляет собой металлический сердечник, на него намотана обмотка из медной проволоки с термолаковой изоляцией.

Внутри статора, внутри его магнитного поля, поместили ротор, который представляет собой вал с сердечником и обмоткой. На рисунке ниже изображена схема устройства асинхронного мотора.
По схеме понятно, что статор состоит из наборных пластин и нескольких обмоток, которые намотаны на пластинчатый сердечник. Эти обмотки могут подсоединяться по разным схемам, в зависимости от типа напряжения. Каждая их обмоток сдвинута друг отнoсительно друга на 120 градусов. А ротор такого двигателя может быть принципиально двух типов.

Ротор фазного типа принципиально не отличается обмoткой от статора. Это трехфазная обмотка, концы которой соединены по схеме «звезда». Свободные концы обмоток подключены к токоприемным кольцам. Кольца контактируют с проводником посредством щеток и поэтому есть возможность установить в схему подключения дополнительный ограничивающий резистор.

Резистор, как устройство плавного пуска, служит для того, чтобы была возможность уменьшать значения пускового тока, который может достигать довольно крупных значений.

Короткозамкнутый ротор и его особенности

Короткoзамкнутый ротор представляет собой наборной сердечник из специальной листовой стали. Сердечник имеет каналы, которые не изолируют обмотки друг от друга, а наоборот - они залиты расплавленным легкоплавким легким металлом, а он образует прутки, которые в торцах фиксируются на кольцах.

Металл, из которого выполняют эти прутки и которым заливают пространства между сердечниками, зависит от требуемых характеристик двигателя и это может быть как медь, так и алюминий.

Как работает магнитное поле

Работает двигатель на основе процесса получения механической работы в результате воздействия на проводник движущегося магнитного поля. На обмотку статора подают напряжение, причем каждая фаза образует свой магнитный поток. Частота магнитного потока напрямую зависит от частоты подаваемого тока на концы обмотки.

Асинхронный двигатель – это асинхронная электрическая машина переменного тока в двигательном режиме, у которой частота вращения магнитного поля статора больше чем частота вращения ротора.

Принцип работы берет основу из создания вращающегося магнитного поля статора , о чем подробнее вы можете почитать из указанной ссылки.

Асинхронные двигатели – одни из самых распространённых электрическим машин, и зачастую являются одним из основных преобразователей электрической энергии в механическую энергию. Самым большим достоинством является отсутствие контакта между подвижными и подвижными частями ротора, я имею ввиду электрический контакт, к примеру, в двигателях постоянного тока через щетки и коллектор. Однако это справедливо только к АД с короткозамкнутым ротором, в асинхронных двигателях с фазным ротором, этот контакт имеет место, но об этом чуть позже.

Рассмотрим конструкцию, примером послужит асинхронный двигательс короткозамкнутым ротором, но так же существует фазный тип ротора. Асинхронный двигатель состоит из статора и ротора между которыми воздушный зазор. Статор и ротор в свою очередь еще имеют так называемые активные части – обмотка возбуждения (отдельно статорная и отдельно роторная) и магнитопровод (сердечник). Все остальные детали АД, такие как: вал, подшипники, вентилятор, корпус, и т.п. – чисто конструктивные детали, обеспечивающие защиту от окружающей среды, прочность, охлаждение, возможность совершать вращение.

Рисунок 1 – Конструкция асинхронного двигателя.

Статор представляет собой трёх (или много)-фазную обмотку, проводники которой равномерно уложены в пазах по всей окружности, с угловым расстоянием в 120 эл. градусов. Концы обмотки статора обычно соединяют по схемам «звезда» или «треугольник», и подключаются к сети питающего напряжения . Магнитопровод выполняется из электротехнической шихтованной (набрано из тонких листов) стали.

Как я уже сказал ранее, в асинхронном двигателе существует всего 2 типа роторов: это фазный тип ротора, и короткозамкнутый. Магнитопровод ротора также выполнен из шихтованной электротехнической стали. Короткозамкнутый ротор имеет вид так называемой «беличьей клетки» из-за схожести своей конструкции на эту клетку. Состоит эта клетка из медных стержней, которые накоротко замкнуты кольцами. Стержни непосредственно вставлены в пазы сердечника ротора. Для улучшения пусковых характеристики АД с таким типом ротора, применяют специальную форму паза, это дает возможность использования эффекта вытеснения тока, что влияет на увеличение активного сопротивления роторной обмотки при пуске (больших скольжения). Сами по себе, АД с короткозамкнутым ротором имеют малый пусковой момент, что пагубно сказывается на области их использования. Наибольшее распространение они нашли в системах которые не требуют больших пусковых моментов. Однако, данный тип ротора отличается тем, что на его обслуживание тратится меньше средств чем на обслуживание двигателя с фазным ротором, вследствие отсутствия физического контакта в типе ротора беличья клетка.

Рисунок 2 – Ротор АД «беличья клетка»

Фазный ротор состоит из трёхфазной обмотки, зачастую соединенной по схеме «звезда», и выведенную на контактные кольца, которые вращаются вместе с валом. Щетки выполнены из графита. Фазный ротор дает много преимуществ, таких как пуск звезда-треугольник , регулирование частоты вращения изменением сопротивления ротора .

Режимы работы

Подробнее рассмотреть

Для преобразования электрической энергии в механическую, применяются специальные устройства. В частности это асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который является наиболее простым прибором данного типа.

Что это такое

Асинхронный двигатель – это устройство, которое используется для преобразования энергии электричества в механическую. Работает от сети переменного тока. Главным отличием от синхронной машины является то, что у данного двигателя частота вращения статора больше, нежели частота ротора. Этот электродвигатель пользуется большой популярностью благодаря своей надежности и простоте в использовании.

Трехфазный и однофазный двигатель состоит из статора и короткозамкнутого ротора, это отлично демонстрирует чертеж ниже. Статор состоит из отдельных цилиндрических листов стали и ротора. В пазах уложена обмотка, которая обустроена из обычного силового кабеля. Обмотка каждого паза находится по отношению к другому под углом 120 градусов, в разрезе становится видно, что во время работы пазы становятся звездой или треугольником.

Фото – асинхронный двигатель

Ротор – это сердечник, который находится внутри статора. Он также собран из отдельных стальных листов, которые соединены между собой при помощи расплавленного алюминиевого сплава. Благодаря этому вся конструкция образовывает собой шпильки (стержни). Они в свою очередь соединяются короткими кольцами, крепящимися к торцам стержней. Такая беличья клетка может быть соединена также медными кольцами, но тогда двигатель используется при меньших напряжениях, чтобы не расплавить металл.

Фото – конструкция ротора

Нужно отметить, что благодаря такой конструкции, обслуживание двигателя с асинхронным типом работы более простое, нежели синхронного. Из-за отсутствия щеток значительно продлевается эксплуатация прибора.

Приборы бывают в закрытом и открытом исполнении. Взрывозащищенный прибор находится в специальном кожухе, он защищен от возгорания при нестабильной работе сети. Также зависимо от расположения ротора, устройства бывают следующего типа:

1. Горизонтального;
2. Вертикального.

Достоинства:

1. Доступностью. Сравнительно с синхронными машинами, асинхронные стоят гораздо меньше. Кроме того они очень распространены. Их можно найти в специализированных магазинах, рынках, интернет-порталах;
2. Надежность. Помимо отсутствия щеток, которые перетираются значительно продлевает срок использования, устройство также поддается небольшим перегрузкам. Это необходимо, если двигатель используется на мощных производствах, где возможны перепады напряжения;
3. Легкость в использовании. Пуск выполняется простыми интуитивно понятными действиями. Для включения используется простая схема;
4. Высокие показатели КПД, сравнительно с синхронными машинами.

Фото – типы двигателей

При этом у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором есть недостатки:

1. Высокие показатели пускового тока при номинальной скорости. При первом запуске возможны сильные перегрузки электрической сети;
2. Низкий уровень защиты. Несмотря на защищенное исполнение обмоток, моторы такого типа подвержены поломкам. В частности, часто сгорает обмотка при постоянных перепадах напряжения;
3. Слишком низкий коэффициент скольжения.

Видео: Трехфазные асинхронные двигатели

Принцип работы

В момент, когда электрическая энергия подается на статор, каждая фаза начинает излучать определенное магнитное поле. Каждое из них повернуто по отношению к другому на 120 градусов. Благодаря этому общий поток магнитного поля становится вращающимся. Эти магнитные потоки в статоре создают электромагнитную индукцию. Из-за того, что обмотка ротора короткозамкнута, в ней возникает определенная сила тока. Этот ток взаимодействует с магнитным полем и возникает пусковая реакция. В момент максимальной скорости вращения, ротор сначала приостанавливается, производя тормозной момент, а после начинает вращаться. Далее, возникает пусковое скольжение.

Фото – схема пуска

Это механическая величина, которая определяет соотношение частоты магнитного поля статора и частоту вращения ротора. Измеряется она в процентах. Это очень важный показатель, т. к. по его размеру можно определить разность вращения ротора и статора, а, следовательно, и работу двигателя.

На начальном этапе работы скольжение равняется нолю, но после уменьшения электромагнитной индукции оно уменьшается или увеличивается в зависимости от типа работы. Например, на холостом ходу показатель уменьшается, в то время как на максимальной скорости скольжение увеличивается. Максимальное скольжение называется критическим. После того, как прибор начинает вращаться с максимальной скоростью, нужно следить за показателем скольжения. Иначе при превышении заданного уровня нарушается стабильность работы. Это влечет за собой не только поломку отдельных деталей устройства, в частности, стальных пластин, перегруженных от трения, но и полную поломку двигателя. Расчет производится посредством формулы:

S = ((n1 – n2) / n1) * 100 %

Где n1 – вращение поля статора, а n2 – вращение ротора.

При неисправности асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором падают его технические характеристики, как результат, он останавливается. Средним уровнем скольжения считаются показатели от 1 до 8 процентов. В некоторых типах допускается небольшое отклонение от этой нормы. Исходя из этого, электрические асинхронные модели работают благодаря взаимодействию магнитных полей статора с токами, которые возникают в обмотках ротора.

Фото – подключение двигателя

Технические характеристики и обозначение

Каждый электродвигатель имеет свои параметры работы, поэтому перед тем, как покупать устройство, нужно рассчитать потребные данные. Рассмотрим, какие технические характеристики имеет асинхронный двигатель типа АИР с короткозамкнутым ротором.

Стоит обращать внимание также на маркировку двигателей. Как видите, после обозначения марки двигателя, в таблице выше – это модели серии АИР, следует буквенное и численное определение класса двигателя.

Б – обдуваемые модели, обладают защитой от перегрева, его еще называют двигатель-вентилятор (например, модели АОД);
В – встроенного типа;
С – высокие показатели скольжения;
Е – встроенный тормоз;
Е2 – ручная остановка;
3Е – однофазная модель с трехфазной обмоткой;
Ж – погружной наносный двигатель;
Р3 – модель для мотор-генераторов;
Ш – швейный мотор, но также можно будет подключить к другим аналогичным по потребной мощности, устройствам;

К – крановое исполнение;
П – обладает высокими показателями точности при работе, максимально защищен от перегрузок;
А – используются в атомном производстве;

Х – стойкие к химическому воздействию.

Купить асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором можно в специальном электротехническом магазине, цена будет зависеть от его типа и характеристик. В среднем стоимость варьируется от 800 рублей до нескольких тысяч.