Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Примечания

1. , с. 27.
2. Сидоров Н.И., Сидорова Н.Н. Как устроен и работает электровоз — М.: Транспорт, 1988. — ISBN 5-277-00191-3. — Тираж 70000 экз. — С. 47.
3. , с. 28.
4. Хитерер М. Я., Овчинников И. Е. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения, СПб., Корона, 2008, ISBN 978-5-7931-0493-7
5. Войнаровский П. Д.,. Электродвигатели // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
6. Приезжев А. В., Романовский Ю. М. Физические основы подвижности клеток // Школьникам о современной физике. Акустика. Теория относительности. Биофизика. — М., Просвещение, 1990. -ISBN 5-09-001323-3. — Тираж 200 000 экз. — С. 119-121

Признак модификации электродвигателя

• М – модернизированный электродвигатель (например: АДМ63А2У3)
• К – электродвигатель с фазным ротором (например: 5АНК280A6)
• Х – электродвигатель в алюминиевой станине (например: 5АМХ180М2У3)
• Е – однофазный электродвигатель 220В (например: АИРЕ80С2У3)
• Н – электродвигатель защищенного исполнения с самовентиляцией (например: 5АН200М2У3)
• Ф – электродвигатель защищенного исполнения с принудительным охлаждением (например: 5АФ180М2У3)
• С – электродвигатель с повышенным скольжением (например: АИРС180М4У3)
• В – встраиваемый электродвигатель (например: АДМВ63В2У3)
• Р – электродвигатель с повышенным пусковым моментом (например: АИРР180S4У3)
• П – электродвигатель для привода вентиляторов в птицеводческих хозяйствах («птичник») (например: АИРП80А6У2)

Общепринятое климатическое исполнение ГОСТ — распространяется на все виды машин, приборов, электродвигатели и другие технические изделия. Полная расшифровка обозначения приведена далее.

Буква обозначает климатическую зону

• У — умеренный климат;
• Т — тропический климат;
• ХЛ — холодный климат;
• М — морской умеренно-холодный климат;
• О — общеклиматическое исполнение (кроме морского);
• ОМ — общеклиматическое морское исполнение;
• В — всеклиматическое исполнение.

Цифра означает категорию размещения:

• 1 — на открытом воздухе;
• 2 — под навесом или в помещении, где условия такие же, как на открытом воздухе, за исключением солнечной радиации;
• 3 — в закрытом помещении без искусственного регулирования климатических условий;
• 4 — в закрытом помещении с искусственным регулированием климатических условий (вентиляция, отопление);
• 5 — в помещениях с повышенной влажностью, без искусственного регулирования климатических условий

Как работают двигатели

Принцип работы всех видов электродвигателей состоит во взаимодействии магнитных полей ротора и статора. При этом магнитное поле может создаваться постоянным магнитном или обмоткой (катушка-электромагнит).

В зависимости от мощности и типа мотора обмотки могут быть расположены только на статоре или и на статоре и на роторе. Попытаемся объяснить устройство и принцип работы для чайников в электрике.

Начнем с того, что рассмотрим устройство коллекторных электродвигателей. Например, в маленьких коллекторных двигателях постоянного тока, как для радиомоделей, на статоре расположены постоянные магниты, а в роторе намотаны катушки из медного провода. Ток к катушкам ротора такого электродвигателя подаётся через щеточный узел, состоящий из щеток и коллектора. На коллекторе расположены ламели, к которым присоединены выводы обмоток.

После включения питания ротор (якорь) начинает вращаться, на нём закреплен коллектор, а неподвижные щетки касаются попеременно разных пар ламелей коллектора. Через щетки и ламели к обмоткам ротора подаётся ток то на одну обмотку, то на другую, таким образом создавая изменяющееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнита. В результате полюса вращающегося и неподвижного электромагнитов притягиваются, из-за чего и происходит вращение.

Если опустить некоторые нюансы, то чем больше ток ротора, тем больше это поле и тем быстрее вращается ротор. Однако это применимо в основном для коллекторных машин постоянного и переменного токов (они универсальны).

Если говорить об асинхронном двигателе (АД) с короткозамкнутым ротором — это электродвигатель переменного тока без щеток. В нем обмотки расположены на статоре (а), а ротор представляет собой стержни (б), замкнутые на коротко кольцами — так называемая беличья клетка.

В этом случае вращающееся магнитное поле статора порождает ток в стержнях ротора, из-за которого также возникает еще одно магнитное поле. А что происходит, когда рядом расположены два магнита?

Они отталкиваются или притягиваются друг к другу. Так как ротор закреплен на концах в подшипниках, то ротор начинает вращаться. АД предназначен только для переменного тока, и скорость вращения вала у него зависит от частоты тока и числа полюсов в обмотках статора, подробнее этот вопрос мы рассмотрим в статье об асинхронных электродвигателях.

Но для начала вращения вала такого двигателя важно либо толкнуть его (придать начальную скорость), либо создать вращающееся магнитное поле. Оно создаётся с помощью расположенных определенным образом обмоток, подключенным к трёхфазной электросети (например, 380В), или с помощью пусковых и рабочих конденсаторов (в т.н

конденсаторных асинхронных двигателях).

Кроме взаимодействия магнитных полей в во вращении вала электродвигателя участвует и сила Ампера.

Поэтому нужно понимать, что момент на валу абстрактного двигателя и число оборотов зависят от конструкции и вида электромашины, а также от силы тока и его частоты. Повторюсь, что в этой статье мы не будем углубляться подробно в особенности устройства каждого из видов и типов электродвигателей, а сделаем отдельные статьи для этого.

Стоит отметить, что асинхронные и универсальные коллекторные двигатели наиболее распространены в быту и на производстве, в приводах строительных машин. Они используются везде, как для движения промышленных механизмов, так и для автомобилей, электротранспорта и используемых в бытовой технике, вплоть до электрической зубной щетки.

Разновидности двигателей переменного тока

Так как ток у нас переменный синусоидальный, то следует и ожидать, что ротор двигателя на нем будет вращаться с его частотой синхронно или не совсем. Поэтому и двигатели переменного тока бывают синхронные и асинхронные.

Кроме того, переменный ток бывает однофазный и многофазный. Соответственно, и двигатели переменного тока могут быть рассчитаны на определенное количество фаз.

Самый главный принцип двигателей переменного тока — это то, что ротор заставляет двигаться электромагнитное поле, «бегущее» по кругу по неподвижным катушкам статора. Это достигается благодаря тому, что напряжение, питающее двигатель, переменное, и если соответствующим образом и в соответствующем порядке подключить обмотки, то такое поле и заставит крутиться ротор вслед за своим (поля) движением. Весь вопрос в том, как хорошо ротор будет успевать крутиться.

Синхронный двигатель переменного тока

 У синхронного двигателя ротор вращается синхронно с изменением электромагнитного поля в статоре. То есть пропорционально частоте напряжения в сети. Пропорция зависит от количества полюсов обмоток на статоре. Если полюсных обмоток всего две — одна сверху и одна снизу — то движение ротора будет строго синхронно частоте напряжения питания. Если количество катушек (обмоток) увеличить вдвое, то и скорость вращения увеличится вдвое, так как магнитное поле в обмотках будет бежать по ним вдвое быстрее.

В роторе могут быть установлены постоянные магниты, но при этом большой мощности двигателя добиться трудно. Поэтому и в роторе используются электромагниты, на обмотки которых подается отдельное напряжение возбуждения. Для этого используют коллектор и щетки, почти такие же, как у двигателя постоянного тока. А для создания напряжения возбуждения может быть использован отдельный генератор постоянного тока, насаженный на ту же ось. В этом случае можно обойтись и без коллектора, а подавать напряжение возбуждения с одного вращающегося ротора (генератора) на другой (двигателя).

Как видим, система получается довольно замысловатой.

Самое главное преимущество таких двигателей — синхронность.

Недостаток — плохой запуск двигателя. Для этого может быть использован режим асинхронной работы, и тогда при достижении «подсинхронной» скорости» производится переключение в синхронный режим.

Асинхронный двигатель переменного тока

Асинхронный двигатель использует в роторе короткозамкнутые обмотки, в которых наводится напряжение возбуждения, и уже это напряжение и толкает ротор, заставляя его двигаться вслед за бегущим по обмоткам статора круговым «волнам» магнитного поля от переменного тока, приложенного к обмоткам. Обмотки в роторе часто называют «беличьей клеткой», и они действительно на нее похожи.

Ротор разгоняется «почти» до состояния синхронизации, но идеального совпадения быть не может, так как если скорость ротора равна скорости вращения поля, то в «беличьей клетке» наводка напряжения возбуждения станет невозможна. Поэтому асинхронные двигатели так и работают: сначала «почти» догоняют синхронную скорость, потом «проскальзывают»,  и скорость падает.

Постепенно ротор принимает некоторую скорость вращения, слегка отличающуюся от синхронной скорости. И так и работает дальше. При изменении нагрузки на валу меняется и это рассогласование — если нагрузка больше, оно увеличивается, если меньше — уменьшается.

Ну и используются асинхронные двигатели там, где точная скорость вращения не критична, например, в вентиляторах.

Несомненным плюсом является простота двигателя, отсутствие коллекторной системы, умение хорошо разгоняться.

Минусом, кроме неточности скорости, является свойство обмоток «беличьей клетки» сильно греться во время работы, и тем больше, чем больше нагрузка.

Поэтому беличью клетку и выполняют с радиаторными ребрами и крыльчатками для охлаждения.

Первый электродвигатель с возможностью практического применения

Модели, созданные Барлоу и Генри, представляли собой электрические устройства с качательными или возвратно-поступательными движениями малой удельной мощности, посему не имели практического применения, а о серийном производстве электромобилей даже и речи не могло быть. Первый электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала был создан в 1834 году физиком и академиком Борисом Якоби. Но стоит отметить, что впервые идею о создании более современного электродвигателя с вращательным движением высказал английский ученый В. Риччи еще в 1833 году. Был ли знаком Якоби с работой Риччи, неизвестно.

Двигатель Якоби состоял из двух групп электромагнитов. Попеременное изменение полярностей подвижных электромагнитов происходило путем специального коммутатора. Принцип этого устройства используется в некоторых современных электродвигателях. Мощность двигателя составляла всего 15 Вт, при частоте вращения ротора 80-120 об/мин.

В 1837 году Якоби обратился к Министру народного просвещения графу С. Уварову с предложением о практическом применении своего электродвигателя. О предложении русского академика было доложено Николаю I. Император дал добро на создание «Комиссии для производства опытов относительно приспособления электромагнитной силы к движению машин по способу Якоби».

Первый электродвигатель был далеко не совершенным и, конечно же, очень слабым. Так считал и сам академик, поэтому все средства выделенные комиссии были потрачены на усовершенствование электрической схемы. В 1838 году по Неве шел катер с 12 пассажирами, среди которых были физик Ленц, адмирал Крузенштерн и сам Якоби. Шлюпка крайне удивила гуляющих в тот день по набережной — никто из ее пассажиров не греб веслами.

Заменил гребцов электродвигатель мощностью 0.6 кВт, питаемый от 320 гальванических элементов. Испытания прошли весьма удачно, и сенсационная новость о первом практическом применении электродвигателя разлетелась по всему миру.

Видео: создание простейшего электродвигателя

Новости по теме

Разработан и запатентован амортизатор, способный извлекать энергию из колебаний автомобильной подвески. То есть каждая неровность, кочка и…

Современные электродвигатели гораздо эффективнее, чем двигатели внутреннего сгорания. Но кажется, есть еще место для совершенствования….

Концерн Volkswagen продолжает работу над двигателем внутреннего сгорания. И это не смотря на то, что уже в 2013 году компания собирается…

Пробка — головная боль любого мегаполиса. Плюс ко всему — это источник загрязнения окружающей среды и дырка в кармане автолюбителя….

Долгое время известные марки радуют посетителей международных автосалонов уникальными концептами с инновационными силовыми системами,…

Производитель электрических мотор-колес компания Protean Electric объявила о своем партнерстве с китайско-немецким предприятием…

Устройство — ротор

Устройство ротора этой дробилки ничем существенно не отличается от роторов описанных ранее дробилок. На подвижной передней стенке имеются пластинчатая лента 5, приводная 4 и натяжная 7 звездочки, привод 12 и приспособления для изменения угла наклона стенки. На подвижной стенке также смонтированы пластинчатая лента 10, приводная 9 и натяжная 11 звездочки и привод.
 

Устройство ротора этой дробилки ничем существенно не отличается от роторов описанных ранее дробилок. На подвижной передней стенке имеются пластинчатая лента 5, приводная 4 и натяжная 7 звездочки, привод 12 и приспособления для изменения угла наклона стенки. На подвижной задней стенке также смонтированы пластинчатая лента 10, приводная 9 и натяжная / / звездочки и привод.
 

Устройство ротора этой дробилки ничем существенно не отличается от роторов описанных ранее дробилок. На подвижной передней стенке имеются пластинчатая лента 5, приводная 4 и натяжная 7 звездочки, привод 12 и приспособления для изменения угла наклона стенки. На подвижной стенке также смонтированы пластинчатая лента 10, приводная 9 и натяжная 11 звездочки и привод.
 

Рассмотрим устройство роторов асинхронных двигателей. Короткозамкнутый ротор состоит из стального вала, цилиндрического сердечника, насаженного на вал ротора, короткозамкнутой обмотки и лопастей, осуществляющих вентиляцию машины. Ротор асинхронного двигателя удерживается с помощью боковых подшипниковых щитов, прикрепленных болтами к корпусу машины. На рис. 2.5 а показан продольный разрез асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, на рис. 2.5 6 — схема его включения. На рисунке 1 — корпус; 2 — сердечник статора; 3 — лобовая часть обмотки статора, т.е. часть, находящаяся вне пазов; 4 — сердечник ротора; 5 — вал; 6 — подшипник; 7 — подшипниковый щит.
 

Рассмотрим устройство роторов асинхронных двигателей. Коротко-замкнутый ротор состоит из стального вала, цилиндрического сердечника, насаженного на вал ротора, короткозамкнутой обмотки и лопастей, осуществляющих вентиляцию машины.
 

По устройству ротора различают асинхронные двигатели следующих видов.
 

При таком устройстве ротора осадок сползает с его стенок при остановке центрифуги.
 

Асинхронные машины в основном различаются устройством ротора. Ротор асинхронной машины представляет собой цилиндрический сердечник ( рис. 14.3, а), собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный в подшипниках. В пазах ротора располагаются витки обмотки ротора.
 

Асинхронные машины в основном различаются устройством ротора. Ротор асинхронной машины представляет собой цилиндрический сердечник ( рис. 14.3, о), собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный в подшипниках. В пазах ротора располагаются витки обмотки ротора.
 

Асинхронные двигатели в основном различаются устройством ротора. Он значительно дешевле, и, что очень существенно, обслуживание двигателя с короткозамкнутым ротором значительно проще. Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки ( рис. 14 — 3 и 14 — 5) из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника ротора.
 

Различие между этими двигателями заключается в устройстве ротора.
 

Двигатели этого типа отличаются от короткозамкнутых только устройством ротора.
 

Основные различия этих типов машин заключены в устройстве ротора.
 

Синхронный электродвигатель

Все эти машины выполнялись с контактными кольцами (можно увидеть на фото), о возбуждении от постоянных магнитов при таких мощностях речи, конечно же, не идет. При этом у синхронного двигателя, в отличие от асинхронного, большие проблемы с пуском. Если включить мощную синхронную машину напрямую на трехфазную сеть, то всё будет плохо. Так как машина синхронная, она должна вращаться строго с частотой сети. Но за время 1/50 секунды ротор, конечно же, разогнаться с нуля до частоты сети не успеет, а поэтому он будет просто дергаться туда-сюда, так как момент получится знакопеременный. Это называется «синхронный двигатель не вошел в синхронизм». Поэтому в реальных синхронных машинах применяют асинхронный пуск – делают внутри синхронной машины небольшую асинхронную пусковую обмотку и закорачивают обмотку возбуждения, имитируя «беличью клетку» асинхронника, чтобы разогнать машину до частоты, примерно равной частоте вращения поля, а уже после этого включается возбуждение постоянным током и машина втягивается в синхронизм.
И если у асинхронного двигателя регулировать частоту ротора без изменения частоты поля хоть как-то можно, то у синхронного двигателя нельзя никак. Он или крутится с частой поля, или выпадает из синхронизма и с отвратительными переходными процессами останавливается. Кроме того, у синхронного двигателя без магнитов есть контактные кольца – скользящий контакт, чтобы передавать энергию на обмотку возбуждения в роторе. С точки зрения сложности, это, конечно, не коллектор ДПТ, но всё равно лучше бы было без скользящего контакта. Именно поэтому в промышленности для нерегулируемой нагрузки применяют в основном менее капризные асинхронные привода.

Но все изменилось с появлением силовой полупроводниковой электроники и микроконтроллеров. Они позволили сформировать для синхронной машины любую нужную частоту поля, привязанную через датчик положения к ротору двигателя: организовать вентильный режим работы двигателя (автокоммутацию) или векторное управление. При этом характеристики привода целиком (синхронная машина + инвертор) получились такими, какими они получаются у двигателя постоянного тока: синхронные двигатели заиграли совсем другими красками. Поэтому начиная где-то с 2000 года начался «бум» синхронных двигателей с постоянными магнитами. Сначала они робко вылезали в вентиляторах кулеров как маленькие BLDC двигатели, потом добрались до авиамоделей, потом забрались в стиральные машины как прямой привод, в электротягу (сегвей, Тойота приус и т.п.), всё больше вытесняя классический в таких задачах коллекторный двигатель. Сегодня синхронные двигатели с постоянными магнитами захватывают всё больше применений и идут семимильными шагами. И все это – благодаря электронике. Но чем же лучше синхронный двигатель асинхронного, если сравнивать комплект преобразователь+двигатель? И чем хуже? Этот вопрос будет рассматриваться в конце статьи, а сейчас давайте пройдемся еще по нескольким типам электродвигателей.

Виды электродвигателей и их особенности

Экономичность и надежность оборудования напрямую зависят от электродвигателя, поэтому его выбор требует серьезного подхода.

Посредством электродвигателя электрическая энергия преобразуется в механическую. Мощность, количество оборотов в минуту, напряжение и тип питания являются основными показателями электродвигателей. Также, большое значение имеют массогабаритные и энергетические показатели.

Электродвигатели обладают большими преимуществами. Так, по сравнению с тепловыми двигателями сопоставимой мощности, по размеру электрические двигатели намного компактнее. Они прекрасно подходят для установки на небольших площадках, например в оборудовании трамваев, электровозов и на станках различного назначения.

При их использовании не выделяется пар и продукты распада, что обеспечивает экологическую чистоту. Электродвигатели делятся на двигатели постоянного и переменного тока, шаговые электродвигатели, серводвигатели и линейные.

Электродвигатели переменного тока, в свою очередь, подразделяются на синхронные и асинхронные.

• Электродвигатели постоянного токаИспользуются для создания регулируемых электроприводов с высокими динамическими и эксплуатационными показателями. К таким показателям относятся высокая равномерность вращения и перезагрузочная способность. Их используют для комплектации бумагоделательных, красильно-отделочных и подъемно-транспортных машин, для полимерного оборудования, буровых станков и вспомогательных агрегатов экскаваторов. Часто они применяются для оснащения всех видов электротранспорта.
• Электродвигатели переменного токаПользуются более высоким спросом, чем двигатели постоянного тока. Их часто используют в быту и в промышленности. Их производство намного дешевле, конструкция проще и надежнее, а эксплуатация достаточно проста. Практически вся домашняя бытовая техника оборудована электродвигателями переменного тока. Их используют в стиральных машинах, кухонных вытяжных устройствах и т.д. В крупной промышленности с их помощью приводится в движение станковое оборудование, лебедки для перемещения тяжелого груза, компрессоры, гидравлические и пневматические насосы и промышленные вентиляторы.
• Шаговые электродвигателиДействуют по принципу преобразования электрических импульсов в механическое перемещение дискретного характера. Большинство офисной и компьютерной техники оборудовано ими. Такие двигатели очень малы, но высокопродуктивны. Иногда и востребованы в отдельных отраслях промышленности.
• СерводвигателиОтносятся к двигателям постоянного тока. Они высокотехнологичны. Их работа осуществляется посредством использования отрицательной обратной связи. Такой двигатель отличается особой мощностью и способен развивать высокую скорость вращения вала, регулировка которого осуществляется с помощью компьютерного обеспечения. Такая функция делает его востребованным при оборудовании поточных линий и в современных промышленных станках.
• Линейные электродвигателиОбладают уникальной способностью прямолинейного перемещения ротора и статора относительно друг друга. Такие двигатели незаменимы для работы механизмов, действие которых основано на поступательном и возвратно-поступательном движении рабочих органов. Использование линейного электродвигателя способно повысить надежность и экономичность механизма благодаря тому, что значительно упрощает его деятельность и почти полностью исключает механическую передачу.
• Синхронные двигателиЯвляются разновидностью электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора равняется частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре. Их используют для компрессоров, крупных вентиляторов, насосов и генераторов постоянного тока, так как они работают с постоянной скоростью.
• Асинхронные двигателиТакже, относятся к категории электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора отличается от частоты вращения магнитного поля, которое создается током обмотки статора. Асинхронные двигатели разделяются на два типа, в зависимости от конструкции ротора: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Конструкция статора в обоих видах одинакова, различие только в обмотке.

Электродвигатели незаменимы в современном мире. Благодаря им значительно облегчается работа людей. Их использование помогает снизить затрату человеческих сил и сделать повседневную жизнь намного комфортнее.