Теорія електромагнетизму, ключова для процесів, що відбуваються в електричному двигуні, є надто складною, тому щоб зрозуміти принцип дії електродвигуна загалом, буде достатньо спрощеного пояснення теоретичних основ.
Для послідовного переходу до розуміння перетворення електричної енергіїв механічну, необхідно освіжити в пам'яті базові поняття з шкільного курсуфізики:
- Навколо намотаного на котушку провідника при протіканні всередині нього постійного електричного струму виникає електромагнітне поле, ідентичне характеристикам полю звичайного магніту;
- Сердечник із заліза та його сплавів, поміщений всередину котушки, покращує проходження електромагнетичного потоку, що посилює магнітні взаємодії;
- Змінний струм у котушці постійно перемагнічує сердечник, званий магнитопроводом, виготовленим із спеціальної електромагнітної сталі;
- Рух провідника упоперек магнітних ліній індукує в ньому електрорушійну силу (ЕРС);
- Магнітний потік передається між двома магнітопроводами через невеликий повітряний проміжок;
Принцип дії статора
Котушки асинхронного електродвигуна називають обмотками, що розташовуються в пазах статора. Трифазні асинхронні мотори мають однакові фазні обмотки, розміщені симетрично один до одного, і їх осі утворюють кут 120º.
Синусоїда кожної фази обмотки двигуна
Як відомо, синусоїда струму кожної фази, щодо попередньої, зсунута на третину періоду, через що сили магнетичних потоків в обмотках змінюються за таким же принципом. Склавши вектори спрямованості електромагнетичного поля окремо взятий момент часу, можна отримати сумарний магнітний потік.
Складаючи дані вектори через різні інтервали періоду можна помітити, що напрям сумарного магнітного потоку обертається синхронно коливань струму. Дані обертання магнетичного потоку можна розглядати як постійний підковоподібний магніт, що обертається.
Таким чином, принцип роботи двигуна змінного струму(синхронного або асинхронного) полягає у створенні обертового електромагнітного поля статора.
Принцип синхронного обертання
Якщо для досвіду підковоподібний магніт прикріпити на вісь обертання, будь-який металевий предмет, закріплений між полюсами на незалежній осі, буде рухатися синхронно. Логічно помістити в центр статора з трифазними обмотками ротор у вигляді постійного магнітущоб отримати синхронний електродвигун.
Синхронний електродвигун
Але навіть якщо використовувати потужні сучасні магніти, вихрові струми, що утворюються при змінному електромагнітному полі, будуть нагрівати ротор, тим самим позбавляючи його магнітних властивостей, які залежать від температури постійного магніту. Щодо статора цю проблему вирішили, зібравши сердечник у вигляді пластин із спеціальної електротехнічної сталі.
Статор зібраний із листів електротехнічної сталі. а) Зібраний вигляд, б) сам статор
Зібрати таким способом ротор у вигляді постійного пластинчастого магніту неможливо, тому використовували котушки збудження, що є постійним електромагнітом. Даний принцип дії електродвигуна є синхронним – роторний вал рухається синхронно з електромагнітним полем статора, що перебуває у обертанні.
Принцип дії асинхронного двигуна
В асинхронному електродвигуні з короткозамкненим роторомпотрібно виділити два ключові моменти:
- Індукція електричного струму в короткозамкнених витках обмотки ротора, через електромагнітне поле статора, що обертається;
- Виникнення магнітного потоку роторних обмоток, що взаємодіє з магнітним полем статора, що перебуває в обертанні.
Розглянути процеси виникнення магнетичного поля ротора необхідно з моменту запуску двигуна. Електромагнітне поле статора починає обертання відразу після подачі напруги на статорні обмотки. Вал ротора перебуває у цей час може спокою, і у його витках індукується змінний струм із частотою обертання поля.
У кожний момент часу, при проходженні полюса електромагнітного поля, що обертається біля окремо взятого короткозамкнутого витка, в ньому створюється взаємодіюче магнітне поле, яке прагне притягнути роторний виток услід полюсу, що віддаляється рухається електромагнітного поля.
Дані процеси відбуваються у всіх короткозамкнених витках при обертанні поля навколо них, через що з'являється сумарний обертальний моментроторного валу. Таким чином, принцип роботи електродвигуна асинхронного типу полягає у взаємодії електромагнітних полів статора та ротора.
Ефект ковзання
У міру набору обертів валом двигуна частота перетину короткозамкнених роторних витків силових лініймагнітного потоку, що обертається, буде зменшуватися. Вал двигуна прагнутиме наздогнати обертове поле.
Але, як тільки роторний вал і статорне поле встановляться в стані спокою відносно один одного, короткозамкнуті витки перестануть перетинати силові лінії електромагнітного поля, а отже, в них не буде індукуватися електричний струм. Зникнення ЕРС у витках ротора призведе до втрати моменту обертання. Цей стан електродвигуна називають ідеальним холостим ходом.
Але в реальних умовах, сила тертя призводитиме до втрати інерції, і ротор електродвигуна буде запізнюватися по відношенню до статорного поля, що перебуває в обертанні, що викличе виникнення ЕРС в короткозамкнених витках через їх перетин силових ліній магнітного потоку.
Цей ефект називають ковзанням ротора щодо поля статора, з яким він ніколи не зможе встановитися в стані спокою і обертатися з ним синхронно.
Тому такі двигуни називають асинхронними (не синхронними). Іншими словами, принцип роботи двигуна з короткозамкненим ротором полягає в ефекті ковзання, що є необхідним виникнення ЕРС в роторних витках.
Оптимальний режим ковзання
Очевидно, що максимальна ЕРС у короткозамкнених витках буде наводитися в момент запуску, але шихтований роторний магнітопровід не розрахований на таке часте перемагнічування, тому в даному режимі ККД електродвигуна та його момент обертання буде низьким.
З іншого боку, при наближенні до синхронного руху роторного валу та поля статора, ЕРС наближається до нуля, що також призведе до зникнення моменту. Тому асинхронний електродвигун, Що має короткозамкнені роторні витки, розраховують таким чином, щоб коефіцієнт ковзання
становив 2÷5%. У цих межах параметри двигуна будуть максимальними.
За конструкцією асинхронні двигуни поділяють на два основні типи: із короткозамкненим роторомі фазним ротором (останні називають також двигунамиз контактними кільцями). Розглянуті двигуни маютьють однакову конструкцію статора і відрізняються лишевиконанням обмотки ротора.
Двигуни із короткозамкненим ротором. На статорі (Рис. 5.3) розташована трифазна обмотка, яка при підключенні до мережі трифазного струмустворює магнітне поле, що обертається. Обмотка ротора виконана у вигляді біличноїклітини, є короткозамкнутою і жодних висновків немає.
«Біличча клітина» складається з мідних або алюмінієвих.стрижнів, замкнутих коротко з торців двома кільцями(рис. 5.4, а).Стрижні цієї обмотки вставляють у пазисердечника ротора без будь-якої ізоляції. У двигунахмалої та середньої потужності«біличну клітину» зазвичайотримують шляхом заливання розплавленого алюмінієвого сплаву в пази сердечника ротора (рис. 5.4, б).Разом зстрижнями «біличної клітини» відливають короткозамикаючікільця та торцеві лопаті, що здійснюють вентиляцію.машини. Для цієї мети особливо придатний алюміній,володіє малою щільністю, легкоплавкістюточно високою електропровідністю. У машинах великийпотужності пази короткозамкнутого ротора виконуютьнапівзакритими, у машинах малої потужності-закритими.Обидві форми паза дозволяють добре зміцнити провідникиобмотки ротора, хоч і дещо збільшують потокирозсіювання та індуктивний опір роторної обмотки.
У двигунах великої потужності «біличну клітку» викон. няють із мідних стрижнів, кінці яких вварюютьу короткозамикаючі кільця (рис. 5.4, в). Різні формипазів ротора показано на рис. 5.4, м.
В електричному відношенні «білизна клітина» представлений є багатофазною обмоткою, з'єднаною за схемоюΥ і замкнуту коротко. Число фаз обмотки т 2одночислу пазів ротораz 2 , причому в кожну
Рис. 5.3.Пристрій асинхронного двигуна з короткозамкненим
ротором:
1 - Корпус; 2 - сердечник статора; 3 - сердечник ротора; 4 - обмотка
ротора «білизна клітина»; 5 - обмотка статора; 6 -вентиляційні лопатки
ротора; 7 – підшипниковий щит; 8 - кожух вентилятора; 9 - вентилятор
фазу входять один стрижень і прилеглі до нього ділянки короткоза-кільця, що микають.
Часто асинхронні двигуни з фазним та короткозамкнутим ротором мають скошені пази на статорі або ротор. Скіс пазів роблять для того, щоб зменшитивищі гармонічні ЕРС, викликані пульсаціями магнітного потоку через наявність зубців, знизити шум, що викликаєтьсямагнітними причинами, усунути явище прилипанняротора до статора, яке іноді спостерігається в мікродвигунів.
Рис. 5.4.Конструкція короткозамкнутого ротора:
1 -Сердечник ротора; 2 - стрижні; 3 - лопаті вентилятора; 4 - короткозами-
кільця, що кають
Двигуни із фазним ротором(Рис. 5.5, а).Обмотка статора виконана так само, як і в двигунах із короткозамкненим ротором. Ротор має трифазну обмотку з тим самимчислом полюсів. Обмотку ротора зазвичай з'єднують посхемою Y , три кінці якої виводять до трьох контактнихкільцям (рис. 5.5, б),обертається разом з валом машини.За допомогою металографітних щіток, що ковзають по контактним кільцям, ротор включають пусковий або пускорегулюючий реостат, тобто в кожну фазу ротора вводять додатковий активний опір.
Для зменшення зносу кілець та щіток двигуни з фазним ротором іноді мають пристосування для підйомущіток і замикання кілець коротко після вимкненняреостату. Проте запровадження цих пристроїв ускладнюєконструкцію електродвигуна і дещо знижує надію ність його роботи, тому зазвичай застосовують конструкції,у яких щітки постійно стикаються з контактними кільцями. Основні конструктивні елементи двигуназ фазним ротором наведено на рис. 5.6.
Області застосування двигунів різних типів. за конструкції двигуни з короткозамкненим ротором проще двигунів з фазним ротором і більш надійнів експлуатації (у них відсутні кільця та щітки,що вимагають систематичного спостереження, періодичної
Рис. 5.5.Влаштування асинхронного двигуна з фазним ротором (а)
та схема його включення (б):
1 - обмотка статора; 2 - сердечник статора; 3 - Корпус; 4 - сердечникротора; 5 - обмотка ротора; 6 -вал; 7-кільця; 8 -пусковий реостат
заміни та ін.). Основні недоліки цих двигунів - порівняно невеликий пусковий момент та значнийпусковий струм. Тому їх застосовують у тих електричних приводах, де не потрібні великі пускові моменти(Електроприводи металообробних верстатів, вентиляторів та ін.). Асинхронні двигуни малої потужності та мікродвигуни також виконують із короткозамкненимротором.
Як показано нижче, у двигунах із фазним роторомє можливість за допомогою пускового реостату збільшувати пусковий момент до максимального значення і розуму.ншать пусковий струм. Отже, такі двигуниможна застосовувати для приводу машин та механізмів,
Рис. 5.6.Статор та ротор асинхронного двигуна з фазним ротором:
1 - обмотка статора; 2 -корпус; 3 -Сердечник статора; 4 - коробказ висновками; 5 - сердечник ротора; 6 - обмотка ротора; 7 - контактні кільця
які пускають у хід при великому навантаженні (електро приводи вантажопідйомних машин та ін.).
Електродвигуни змінного струму, що використовують для своєї роботи магнітне поле статора, що обертається, є в даний час дуже поширеними електричними машинами. Ті з них, у яких частота обертання ротора відрізняється від частоти обертання магнітного поля статора, називаються асинхронними двигунами.
У зв'язку з великими потужностямиенергетичних систем та великою протяжністю електричних мереженергопостачання споживачів завжди здійснюється на змінному струмі. Тому природне прагнення максимального використання електричних двигунівзмінного струму. Це, начебто, звільняє від необхідності багаторазового перетворення енергії.
На жаль, двигуни змінного струму за своїми властивостями, і насамперед за керованістю, суттєво поступаються двигунам. постійного струмуТому вони використовуються переважно в установках, де не потрібне регулювання швидкості.
Нещодавно почали активно використовуватися регульовані системи змінного струму з підключенням електродвигунів змінного струму через .
Дуже широко застосовуються в різних галузях господарства та виробництва асинхронні двигуни через простоту їх виготовлення та високу надійність. Тим часом, можна виділити чотири основні типи асинхронних двигунів:
однофазний асинхронний двигун із короткозамкненим ротором;
двофазний асинхронний двигун із короткозамкненим ротором;
трифазний асинхронний двигун із короткозамкненим ротором;
трифазний асинхронний двигун із фазним ротором.
Однофазний асинхронний двигун містить на статорі лише одну робочу обмотку, яку у процесі роботи двигуна подається змінний струм. Але для пуску двигуна на його статорі є і додаткова обмотка, яка короткочасно підключається до мережі через конденсатор або індуктивність, або замикається коротко. Це необхідно для створення початкового зсуву фаз, щоб ротор почав обертатися, інакше магнітне поле статора, що пульсує, не зіткнуло б ротор з місця.
Ротор такого двигуна, як і будь-якого іншого асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором, являє собою циліндричний сердечник із залитими алюмінієм пазами, з одночасно відлитими вентиляційними лопатями. Такий ротор, типу «білизна клітина» і називається короткозамкненим ротором. Однофазні двигунизастосовують у малопотужних приладах, таких як кімнатні вентилятори або невеликі насоси.
Двофазні асинхронні двигуни найбільш ефективні під час роботи від однофазної мережі змінного струму. Вони містять на статорі дві робочі обмотки, розташовані перпендикулярно, причому одна з обмоток підключається до мережі змінного струму безпосередньо, а друга - через фазозсувний конденсатор, так виходить магнітне поле, що обертається, а без конденсатора ротор би сам не зрушив з місця.
Ці двигуни також мають короткозамкнений ротор, а їх застосування набагато ширше, ніж однофазні. Тут уже й пральні машини, та різні верстати. Двофазні двигуни для живлення від однофазних мережназивають конденсаторними двигунами, оскільки фазозсувний конденсатор є часто невід'ємною частиною.
Трифазний асинхронний двигун містить на статорі три робочі обмотки, зрушені відносно один одного так, що при включенні в трифазну мережу їх магнітні полявиходять зміщеними у просторі щодо один одного на 120 градусів. При підключенні трифазного двигуна до трифазної мережізмінного струму, виникає магнітне поле, що обертається, що приводить в рух короткозамкнутий ротор.
Обмотки статора трифазного двигуна можна з'єднати за схемою «зірка» або «трикутник», причому для живлення двигуна за схемою «зірка» потрібна напруга вище, ніж для схеми «трикутник», і на двигуні, тому, вказуються дві напруги, наприклад: 127/ 220 чи 220/380. Трифазні двигунинезамінні для приведення в дію різних верстатів, лебідок, циркулярних пилок, підйомних кранів і т.д.
Трифазний асинхронний двигун з фазним ротором має статор аналогічний описаним вище типам двигунів, - шихтований магнітопровід з трьома покладеними в його пази обмотками, однак у фазний ротор не залиті алюмінієві стрижні, а укладена вже повноцінна трифазна обмотка. Кінці зірки обмотки фазного ротора виведені на три контактних кільця, насаджених на вал ротора, та електрично ізольованих від нього.
1 - кожух із жалюзями, 2 - щітки, 3 - щіткова траверса зі щіткотримачами, 4 - палець кріплення щіткових траверс, 5 - висновки від щіток, 6 - колодка, 7 - ізоляційна втулка, 8 - контактні кільця, 9 - зовнішня кришка підшипника 10 - шпилька кріплення коробки і кришок підшипника; 11 - задній підшипниковий щит; 12 - обмотка ротора; , 19 - станина, 20 - сердечник статора, 21 - шпильки внутрішньої кришки підшипника, 22 - бандаж, 23 - внутрішня кришка підшипника, 21 - підшипник, 25 - вал, 26 - контактні кільця, 27 - висновки обмотки
Через щітки, на кільця також подається трифазне змінна напруга, і підключення може бути здійснено безпосередньо, так і через реостати. Безумовно, двигуни з фазним ротором коштують дорожче, але їх під навантаженням значно вищі, ніж у типів двигунів із короткозамкненим ротором. Саме через підвищену потужність і великий пускового моментуЦей тип двигунів знайшов застосування в приводах ліфтів і підйомних кранів, тобто там, де пристрій запускається під навантаженням, а не вхолосту.