Устройство и принцип действия асинхронного двигателя. Асинхронный тип двигателя: принцип работы, описание и функции

Как и большинство электромоторов, асинхронный двигатель переменного тока (АД) имеет фиксированную внешнюю часть, которая именуется статором, и ротор, вращающийся внутри. Между ними есть тщательно рассчитанный воздушный зазор.

Как это работает?

Устройство и принцип действия асинхронных двигателей, как и всех других, основаны на том, что для приведения в движение ротора используют вращение магнитного поля. Трехфазный АД является единственным типом мотора, в котором оно создается естественным образом из-за характера питания. В двигателях постоянного тока для этого используется механическая или электронная коммутация, а в однофазных АД – дополнительные электрические элементы.

Для работы электромотора необходимо наличие двух наборов электромагнитов. Принцип действия асинхронного электродвигателя состоит в том, что один набор формируется в статоре, так как к его обмотке подключается источник переменного тока. В соответствии с законом Ленца, это индуцирует в роторе электромагнитную силу (ЭДС) так же, как напряжение индуцируется во вторичной обмотке трансформатора, создавая другой набор электромагнитов. Отсюда и еще одно название АД – индукционный мотор. Устройство и принцип действия асинхронных двигателей основаны на том, что взаимодействие между магнитными полями этих электромагнитов генерирует крутящую силу. В итоге ротор вращается в направлении результирующего момента.

устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Статор

Статор состоит из нескольких тонких пластин из алюминия или чугуна. Их спрессовывают друг с другом, чтобы сформировать полый цилиндр сердечника с пазами. В них укладывают изолированные провода. Каждая группа обмоток вместе с окружающим их сердечником после подачи на нее переменного тока образует электромагнит. Число полюсов АД зависит от внутреннего соединения обмоток статора. Оно сделано таким образом, что при подключении источника питания образуется вращающееся магнитное поле.

Ротор

Ротор состоит из нескольких тонких стальных пластин с равномерно расположенными по периферии стержнями из алюминия или меди. В наиболее популярном его типе – короткозамкнутом, или «беличьей клетке», – стержни на концах механически и электрически соединены с помощью колец. Почти в 90% АД используется такая конструкция, так как она проста и надежна. Ротор состоит из цилиндрического пластинчатого сердечника с аксиально размещенными параллельными пазами для установки проводников. В каждый паз укладывается стержень из меди, алюминия или сплава. Они замкнуты накоротко с обеих сторон с помощью концевых колец. Такая конструкция напоминает беличью клетку, из-за чего и получила соответствующее название.

Пазы ротора не совсем параллельны валу. Их делают с небольшим перекосом по двум основным причинам. Первая заключается в обеспечении плавной работы АД за счет уменьшения магнитного шума и гармоник. Вторая заключается в снижении вероятности застопоривания ротора: его зубцы зацепляются за прорези статора за счет прямого магнитного притяжения между ними. Это происходит, когда их число совпадает. Ротор устанавливается на валу с помощью подшипников на каждом конце. Одна часть обычно выступает больше, чем другая, для приведения в движение нагрузки. В некоторых двигателях на нерабочем конце вала крепятся датчики скорости или положения.

Между статором и ротором имеется воздушный зазор. Через него передается энергия. Сгенерированный крутящий момент заставляет ротор и нагрузку вращаться. Вне зависимости от типа используемого ротора, устройство и принцип действия асинхронного двигателя остаются неизменными. Как правило, АД классифицируются по числу обмоток статора. Различают однофазные и трехфазные электрические моторы.

устройство и принцип действия асинхронных двигателей

Устройство и принцип действия однофазного асинхронного двигателя

Однофазные АД составляют наибольшую часть электромоторов. Вполне логично, что наименее дорогой и непритязательный к обслуживанию двигатель используется наиболее часто. Как следует из названия, назначение, принцип действия асинхронного двигателя этого типа основаны на наличии только одной обмотки статора и работе с однофазным источником питания. У всех АД данного типа ротор является короткозамкнутым.

Однофазные моторы самостоятельно не запускаются. Когда двигатель подключается к источнику питания, по основной обмотке начинает течь переменный ток. Он генерирует пульсирующее магнитное поле. Из-за индукции ротор находится под напряжением. Поскольку главное магнитное поле пульсирует, крутящий момент, необходимый для вращения двигателя, не генерируется. Ротор начинает вибрировать, а не вращаться. Поэтому для однофазного АД требуется наличие пускового механизма. Он может обеспечить начальный толчок, заставляющий вал двигаться.

Стартовый механизм однофазного АД состоит в основном из дополнительной обмотки статора. Ей могут сопутствовать последовательный конденсатор или центробежный выключатель. При подаче напряжения питания ток в основной обмотке отстает от напряжения из-за ее сопротивления. В то же время электричество в стартовой обмотке отстает или опережает напряжение питания в зависимости от импеданса пускового механизма. Взаимодействие между магнитными полями, генерируемыми основной обмоткой и стартовой схемой, создает результирующее магнитное поле. Оно вращается в одном направлении. Ротор начинает поворачиваться в направлении результирующего магнитного поля.

После того как скорость мотора достигнет около 75% от номинальной, центробежный выключатель отключает пусковую обмотку. Далее двигатель может поддерживать достаточный крутящий момент, чтобы действовать самостоятельно. За исключением моторов со специальным стартовым конденсатором, все однофазные электродвигатели, как правило, используются для создания мощности, не превышающей 500 Вт. В зависимости от различных методов пуска, однофазный АД дополнительно классифицируются, как описано в следующих разделах.

асинхронный двигатель принцип работы и устройство

АД с расщепленной фазой

Назначение, устройство и принцип действия асинхронного двигателя с расщепленной фазой основаны на использовании в нем двух обмоток: стартовой и основной. Пусковая выполнена из проволоки меньшего диаметра и меньшим количеством витков по отношению к основной, чтобы создать большее сопротивление. Это позволяет ориентировать ее магнитное поле под углом. Он отличается от направления основного магнитного поля, что приводит к вращению ротора. Рабочая обмотка, которая сделана из провода большего диаметра, обеспечивает функционирование двигателя в остальное время.

Пусковой момент низкий, как правило, от 100 до 175% от номинального. Двигатель потребляет высокий стартовый ток. Он в 7–10 раз превышает номинальный. Максимальный крутящий момент также в 2,5–3,5 раза больше. Данный тип моторов используется в небольших шлифовальных машинках, вентиляторах и воздуходувках, а также в других устройствах, требующих низкого крутящего момента, мощностью от 40 до 250 Вт. Следует избегать применения подобных двигателей там, где часты циклы включения-выключения или требуется высокий вращающий момент.

АД с конденсаторным пуском

Конденсаторный асинхронный тип двигателя и принцип его работы основаны на том, что к его пусковой обмотке с расщепленной фазой последовательно подключена емкость, обеспечивающая стартовый «импульс». Как и в предыдущей разновидности моторов, здесь также имеется центробежный выключатель. Он отключает стартовый контур, когда скорость двигателя достигает 75% от номинальной. Так как конденсатор включен последовательно, это создает больший пусковой момент, достигающий 2–4-кратного размера от рабочего. А пусковой ток, как правило, составляет в 4,5–5,75 раз превышает номинальный, что значительно ниже, чем в случае расщепленной фазы, из-за большего провода в стартовой обмотке.

Модифицированным вариантом пуска отличается двигатель с активным сопротивлением. В этом типе мотора емкость заменена резистором. Сопротивление используется в тех случаях, когда требуется меньший стартовый крутящий момент, чем при использовании конденсатора. Помимо более низкой стоимости, это не дает преимущества перед емкостным пуском. Данные двигатели используются в агрегатах с ременным приводом: небольших конвейерах, больших вентиляторах и насосах, а также во многих устройствах с прямым приводом или с использованием редуктора.

устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

АД с рабочим фазосдвигающим конденсатором

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя данного типа основаны на постоянном подключении конденсатора, последовательно соединенного с пусковой обмоткой. После выхода мотора на номинальную скорость стартовый контур становится вспомогательным. Так как емкость должна быть рассчитана на непрерывное использование, она не может обеспечить начальный импульс пускового конденсатора. Пусковой момент такого двигателя низкий. Он составляет 30–150% от номинального. Пусковой ток небольшой – менее 200% от номинального, что делает электромоторы данного типа идеальными там, где требуется частое включение и выключение.

Такая конструкция имеет ряд преимуществ. Схему легко изменить для использования с контроллерами скорости. Электромоторы можно настроить на оптимальную эффективность и высокий коэффициент мощности. Они считаются самыми надежными из однофазных двигателей в основном потому, что в них не используется центробежный пусковой выключатель. Применяются в вентиляторах, воздуходувках и часто включаемых устройствах. Например, в регулировочных механизмах, системах открытия ворот и гаражных дверей.

принцип действия асинхронного электродвигателя

АД с пусковым и рабочим конденсатором

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя данного типа основаны на последовательном подключении стартового конденсатора к пусковой обмотке. Это дает возможность создать больший крутящий момент. Кроме того, у него имеется постоянный конденсатор, подключаемый последовательно со вспомогательной обмоткой после отключения пусковой емкости. Такая схема допускает большие перегрузки крутящего момента.

Этот тип двигателя рассчитан на более низкие токи полной нагрузки, что обеспечивает его большую эффективность. Данная конструкция наиболее затратна из-за наличия пускового, рабочего конденсаторов и центробежного выключателя. Применяется в деревообрабатывающих станках, воздушных компрессорах, водяных насосах высокого давления, вакуумных насосах и там, где необходим высокий крутящий момент. Мощность – от 0,75 до 7,5 кВт.

АД с экранированным полюсом

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя данного типа состоят в том, что у него имеется только одна основная обмотка и нет стартовой. Пуск производится благодаря тому, что вокруг небольшой части каждого из полюсов статора есть экранирующее медное кольцо, в результате чего магнитное поле в данной области отстает от поля в неэкранированной части. Взаимодействие двух полей приводит к вращению вала.

Так как нет ни пусковой катушки, ни переключателя или конденсатора, мотор электрически прост и недорог. Кроме того, его скорость можно регулировать изменением напряжения или через многоотводную обмотку. Конструкция двигателя с экранированными полюсами позволяет его массовое производство. Его, как правило, считают «одноразовым», так как его намного дешевле заменить, чем отремонтировать. Помимо положительных качеств, у такой конструкции есть ряд недостатков:

  • низкий пусковой момент, равный 25–75% от номинального;
  • высокое скольжение (7–10%);
  • низкий КПД (менее 20%).

Низкая начальная стоимость позволяет использовать АД данного типа в маломощных или редко используемых устройствах. Речь идет о бытовых многоскоростных вентиляторах. Но низкий крутящий момент, низкий КПД и невысокие механические характеристики не позволяют их коммерческое или промышленное применение.

назначение принцип действия асинхронного двигателя

Трехфазные АД

Данные электромоторы нашли широкое применение в промышленности. Устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя определяются его конструктивным исполнением – с короткозамкнутым или с фазным ротором. Для его пуска не требуется конденсатор, стартовая обмотка, центробежный выключатель или другое устройство. Пусковой момент средний и высокий, как и мощность и эффективность. Используются в шлифовальных, токарных, сверлильных станках, насосах, компрессорах, конвейерах, сельскохозяйственной технике и др.

АД с замкнутым ротором

Это трехфазный асинхронный двигатель, принцип работы и устройство которого были описаны выше. Составляет почти 90% всех трехфазных электромоторов. Выпускается мощностью от 250 Вт до нескольких сотен кВт. По сравнению с однофазовыми двигателями мощностью от 750 Вт, они дешевле и выдерживают большие нагрузки.

АД с фазным ротором

Устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором отличаются от АД типа «беличья клетка» тем, что на роторе есть набор обмоток, концы которых не замкнуты накоротко. Они выведены на контактные кольца. Это позволяет подключать к ним внешние резисторы и контакторы. Максимальный крутящий момент прямо пропорционален сопротивлению ротора. Поэтому на низких скоростях его можно повысить дополнительным сопротивлением. Высокое сопротивление позволяет получить большой крутящий момент при низком пусковом токе.

По мере ускорения ротора сопротивление уменьшается для изменения характеристики мотора, чтобы удовлетворить требованиям нагрузки. После того как двигатель достигнет базовой скорости, внешние резисторы отключаются. И электромотор работает как обычный АД. Данный тип идеален для высокой инерционной нагрузки, требующей приложения крутящего момента при почти нулевой скорости. Он обеспечивает разгон до максимума за минимальное время с минимальным потреблением тока.

назначение устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Недостатком таких двигателей является то, что контактные кольца и щетки нуждаются в регулярном обслуживании, чего не требуется для мотора с короткозамкнутым ротором. Если обмотка ротора замкнута и производится попытка пуска (т. е. устройство становится стандартным АД), в нем будет течь очень высокий ток. Он в 14 раз превышает номинальный при очень низком крутящем моменте, составляющем 60% от базового. В большинстве случаев применение это не находит.

Изменяя зависимость скорости вращения от крутящего момента путем регулирования сопротивлений ротора, можно варьировать обороты при определенной нагрузке. Это позволяет эффективно снижать их примерно на 50%, если нагрузка требует переменного момента и оборотов, что часто встречается в печатных машинах, компрессорах, транспортерах, подъемниках и лифтах. Уменьшение скорости ниже 50% приводит к очень низкой эффективности за счет более высокой рассеиваемой мощности в сопротивлениях ротора.

Статья закончилась. Вопросы остались?
Подписаться
Я хочу получать
Правила публикации
Следят за новыми комментариями — 6
Редактирование комментария возможно в течении пяти минут после его создания, либо до момента появления ответа на данный комментарий.