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

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.