Пристрій і принцип дії асинхронного двигуна. Асинхронний тип двигуна: принцип роботи, опис і функції

Як і більшість електромоторів, асинхронний двигун змінного струму (АТ) має фіксовану зовнішню частину, яка іменується статором, і ротор, що обертається всередині. Між ними є ретельно розрахований повітряний зазор.

Як це працює?

Пристрій і принцип дії асинхронних двигунів, як і всіх інших, засновані на тому, що для приведення в рух ротора використовують обертання магнітного поля. Трифазний ПЕКЛО є єдиним типом двигуна, в якому воно створюється природним чином з-за характеру харчування. В двигунах постійного струму для цього використовується механічна або електронна комутація, а в однофазних АТ – додаткові електричні елементи.


Для роботи електромотора необхідно наявність двох наборів електромагнітів. Принцип дії асинхронного електродвигуна полягає в тому, що один набір формується в статорі, так як до його обмотки підключається джерело змінного струму. У відповідності з законом Ленца, це індукує в роторі електромагнітну силу (ЕРС) так само, як напруга індукується у вторинній обмотці трансформатора, створюючи інший набір електромагнітів. Звідси і ще одна назва АД – індукційний мотор. Пристрій і принцип дії асинхронних двигунів засновані на тому, що взаємодія між магнітними полями цих електромагнітів генерує крутящую силу. У підсумку ротор обертається в напрямку результуючого моменту.

Статор

Статор складається з декількох тонких пластин з алюмінію або чавуну. Їх спресовують один з одним, щоб сформувати порожнистий циліндр сердечника з пазами. В них укладають ізольовані проводи. Кожна група обмоток разом з оточуючим їх серцевиною після подачі на неї змінного струму утворює електромагніт. Число полюсів АД залежить від внутрішнього з'єднання обмоток статора. Воно зроблено таким чином, що при підключенні джерела живлення утворюється обертове магнітне поле.

Ротор

Ротор складається з декількох тонких сталевих пластин з рівномірно розташованими по периферії стрижнями з алюмінію або міді. У найбільш популярному його типі – короткозамкнутого, або «білячої клітки», – стрижні на кінцях механічно і електрично з'єднані з допомогою кілець. Майже в 90% ПЕКЛО використовується така конструкція, так як вона проста і надійна. Ротор складається з циліндричного пластинчастого сердечника з аксіально розміщеними паралельними пазами для установки провідників. В кожний паз укладається стрижень з міді, алюмінію або сплаву. Вони замкнуті накоротко з обох сторін з допомогою кінцевих кілець. Така конструкція нагадує білячу клітку, з-за чого і одержала відповідну назву. Пази ротора не зовсім паралельні валу. Їх роблять з невеликим перекосом з двох основних причин. Перша полягає в забезпеченні плавної роботи АТ за рахунок зменшення магнітного шуму і гармонік. Друга полягає в зниженні ймовірності застопоривания ротора: його зубці зачіпляються за прорізи статора за рахунок прямого магнітного притягання між ними. Це відбувається, коли їх число збігається. Ротор встановлюється на валу за допомогою підшипників на кожному кінці. Одна частина зазвичай виступає більше, ніж інша, для приведення в рух навантаження. В деяких двигунах на неробочому кінці вала кріпляться датчики швидкості або положення.
Між статором і ротором є повітряний зазор. Через нього передається енергія. Згенерований крутний момент змушує ротор і навантаження обертатися. Незалежно від типу використовуваного ротора, пристрій і принцип дії асинхронного двигуна залишаються незмінними. Як правило, АТ класифікуються за кількістю обмоток статора. Розрізняють однофазні і трифазні електричні мотори.

Пристрій і принцип дії однофазного асинхронного двигуна

Однофазні ПЕКЛО становлять найбільшу частину електромоторів. Цілком логічно, що найменш дорогий і невибагливий до обслуговування двигун використовується найбільш часто. Як випливає з назви, призначення, принцип дії асинхронного двигуна цього типу базуються на наявності тільки однієї обмотки статора і роботи з однофазним джерелом живлення. У всіх ПЕКЛО даного типу ротор є короткозамкненим. Однофазні двигуни самостійно не запускаються. Коли двигун підключається до джерела живлення, за основною обмотці починає текти змінний струм. Він генерує пульсуюче магнітне поле. Через індукції ротор знаходиться під напругою. Оскільки головне магнітне поле пульсує, крутний момент, необхідний для обертання двигуна, не генерується. Ротор починає вібрувати, а не обертатися. Тому для однофазного ПЕКЛО потрібна наявність пускового механізму. Він може забезпечити початковий поштовх, примушує вал рухатися. Стартовий механізм однофазного ПЕКЛО складається в основному з додаткової обмотки статора. Їй можуть супроводжувати послідовний конденсатор або відцентровий вимикач. При подачі напруги живлення струм в основній обмотці відстає від напруги із-за її опору. У той же час електрику в стартовій обмотці відстає або випереджає напругу живлення залежно від імпедансу пускового механізму. Взаємодія між магнітними полями, що генеруються основний обмоткою і стартовою схемою, створює результуюче магнітне поле. Воно обертається в одному напрямку. Ротор починає обертатися в напрямку результуючого магнітного поля.
Після того як швидкість мотора досягне близько 75% від номінальної, відцентровий вимикач відключає пускову обмотку. Далі двигун може підтримувати достатній крутний момент, щоб діяти самостійно. За винятком моторів з спеціальним стартовим конденсатором, всі однофазні електродвигуни, як правило, використовуються для створення потужності, що не перевищує 500 Вт. В залежності від різних методів пуску, однофазний ПЕКЛО додатково класифікуються, як описано в наступних розділах.

ПЕКЛО з розщепленою фазою

Призначення, пристрій і принцип дії асинхронного двигуна з розщепленою фазою засновані на використанні у ньому двох обмоток: стартової та основної. Пускова виконана з дроту меншого діаметру і меншою кількістю витків по відношенню до основної, щоб створити більший опір. Це дозволяє орієнтувати її магнітне поле під кутом. Він відрізняється від напрямку основного магнітного поля, що приводить до обертання ротора. Робоча обмотка, яка зроблена з дроту більшого діаметру, що забезпечує функціонування двигуна в інший час. Пусковий момент низький, як правило, від 100 до 175% від номінального. Двигун споживає високий стартовий струм. Він у 7-10 разів перевищує номінальний. Максимальний крутний момент також у 25–35 рази більше. Даний тип моторів використовується в невеликих шліфувальних машинках, вентиляторах і воздуходувках, а також в інших пристроях, що потребують низького крутного моменту, потужністю від 40 до 250 Вт. Слід уникати застосування таких двигунів там, де часті цикли включення-виключення або потрібен високий обертаючий момент.

ПЕКЛО з конденсаторним пуском

Конденсаторний асинхронний тип двигуна і принцип його роботи базується на тому, що до його пускової обмотки з розщепленою фазою послідовно підключена ємність, що забезпечує стартовий «імпульс». Як і в попередній різновиди моторів, тут також є відцентровий вимикач. Він відключає стартовий контур, коли швидкість двигуна досягає 75% від номінальної. Так як конденсатор включений послідовно, це створює більший пусковий момент, досягає 2-4-кратного розміру від робочого. А пусковий струм, як правило, становить 45–575 разів перевищує номінальний, що значно нижче, ніж у випадку розщепленої фази, з-за більшого проводу у стартовій обмотці. Модифікованим варіантом пуску відрізняється двигун з активним опором. У цьому типі двигуна ємність замінена резистором. Опір використовується в тих випадках, коли потрібно менший стартовий обертаючий момент, ніж при використанні конденсатора. Крім більш низької вартості, це не дає переваги перед ємнісним пуском. Дані двигуни використовуються в агрегатах з ремінним приводом: невеликих конвеєрах, великих вентиляторах і насосах, а також у багатьох пристроях з прямим приводом або з використанням редуктора.

ПЕКЛО з робочим фазозміщаючим конденсатором

Пристрій і принцип дії асинхронного двигуна даного типу засновані на постійному підключенні конденсатора, послідовно з'єднаного з пусковою обмоткою. Після виходу мотора на номінальну швидкість стартовий контур стає допоміжним. Так як ємність повинна бути розрахована на безперервне використання, вона не може забезпечити початковий імпульс пускового конденсатора. Пусковий момент такого двигуна низький. Він становить 30-150% від номінального. Пусковий струм невеликий – менше 200% від номінального, що робить електромотори даного типу ідеальними там, де потрібно часте включення і виключення. Така конструкція має ряд переваг. Схему легко змінити для використання з контролерами швидкості. Електромотори можна налаштувати на оптимальну ефективність і високий коефіцієнт потужності. Вони вважаються найбільш надійними з однофазних двигунів в основному тому, що в них не використовується відцентровий пусковий вимикач. Застосовуються в вентиляторах, воздуходувках і часто включаються пристроях. Наприклад, у регулювальних механізмах, системах відкриття воріт і гаражних дверей.

ПЕКЛО з пусковим і робочим конденсатором

Пристрій і принцип дії асинхронного двигуна даного типу засновані на послідовному підключенні стартового конденсатора до пускової обмотки. Це дає можливість створити більший крутний момент. Крім того, у нього є постійний конденсатор, що підключається послідовно з допоміжною обмоткою після відключення пусковий ємності. Така схема припускає великі перевантаження крутного моменту. Цей тип двигуна розрахований на більш низькі струми повного навантаження, що забезпечує її більшу ефективність. Дана конструкція найбільш затратна з-за наявності пускового, робочого конденсаторів і відцентрового вимикача. Застосовується на деревообробних верстатах, повітряних компресорів, водяних насосів високого тиску, вакуумних насосах і там, де необхідний високий крутний момент. Потужність – від 075 до 75 кВт.

ПЕКЛО з екранованим полюсом

Пристрій і принцип дії асинхронного двигуна цього типу полягають у тому, що у нього є тільки одна основна обмотка і немає стартової. Пуск здійснюється завдяки тому, що навколо невеликої частини кожного з полюсів статора є екранирующее мідне кільце, в результаті чого магнітне поле в даній області відстає від поля неекранованої частини. Взаємодія двох полів приводить до обертання вала. Так як немає ні пусковий котушки, ні перемикача або конденсатора, мотор електрично простий і недорогий. Крім того, його швидкість можна регулювати зміною напруги або через многоотводную обмотку. Конструкція двигуна з екранованими полюсами дозволяє його масове виробництво. Його, як правило, вважають «одноразовим», так як його набагато дешевше замінити, ніж відремонтувати. Крім позитивних якостей, у такої конструкції є ряд недоліків:

низький пусковий момент, рівний 25-75% від номінального;

високе ковзання (7-10%);

низький ККД (менше 20%).

Низька початкова вартість дозволяє використовувати ПЕКЛО даного типу в малопотужних або рідко використовуваних пристроях. Мова йде про побутових багатошвидкісних вентиляторах. Але низький крутний момент, низький ККД і невисокі механічні характеристики не дозволяють їх комерційне або промислове застосування.

Трифазні ПЕКЛО

Дані електромотори знайшли широке застосування в промисловості. Пристрій і принцип роботи трифазного асинхронного двигуна визначаються його конструктивним виконанням – з короткозамкнутим або фазним ротором. Для його пуску не потрібно конденсатор, стартова обмотка, відцентровий вимикач або інший пристрій. Пусковий момент середній і високий, як і потужність та ефективність. Використовуються в шліфувальних, токарних, свердлильних верстатах, насосах, компресорах, конвеєрах, сільськогосподарської техніки та ін.

ПЕКЛО з замкнутим ротором

Це трифазний асинхронний двигун, принцип роботи і пристрій якого були описані вище. Складає майже 90% всіх трифазних електродвигунів. Випускається потужністю від 250 Вт до декількох сотень кВт. Порівняно з однофазовими двигунами потужністю від 750 Вт, вони дешевше і витримують великі навантаження.

АД з фазним ротором

Пристрій і принцип дії трифазного асинхронного двигуна з фазним ротором відрізняються від АТ типу «біляча клітка» тим, що на роторі є набір обмоток, кінці яких не замкнені накоротко. Вони виведені на контактні кільця. Це дозволяє підключати до них зовнішні резистори і контактори. Максимальний крутний момент прямо пропорційний опору ротора. Тому на низьких швидкостях його можна підвищити додатковим опором. Високий опір дозволяє отримати великий крутний момент при низькому пусковому струмі. По мірі прискорення ротора опір зменшується для зміни характеристики мотора, щоб задовольнити вимогам навантаження. Після того як двигун досягне базової швидкості, зовнішні резистори відключаються. І електромотор працює як звичайний ПЕКЛО. Даний тип ідеальний для високої інерційної навантаження, що вимагає додатки крутного моменту при майже нульовій швидкості. Він забезпечує розгін до максимуму за мінімальний час з мінімальним споживанням струму. Недоліком таких двигунів є те, що контактні кільця і щітки мають потребу в регулярному обслуговуванні, чого не вимагається для двигуна з короткозамкненим ротором. Якщо обмотка ротора замкнута і здійснюється спроба пуску (тобто пристрій стає стандартним АТ), в ньому буде текти дуже високий струм. Він у 14 разів перевищує номінальний при дуже низькому крутному моменті, що становить 60% від базового. У більшості випадків застосування це не знаходить. Змінюючи залежність швидкості обертання від обертаючого моменту шляхом регулювання опорів ротора, можна варіювати обороти при певному навантаженні. Це дозволяє ефективно знижувати їх приблизно на 50%, якщо навантаження вимагає змінного моменту і оборотів, що часто зустрічається в друкарських машинах, компресорах, транспортерах, підйомниках і ліфтах. Зменшення швидкості нижче 50% призводить до дуже низької ефективності за рахунок більш високої потужності, що розсіюється в опорах ротора.