Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором был изобретен в 1889 году русским инженером М.О. Доливо-Добровольским. Асинхронный двигатель – электрическая машина, преобразующая электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, его название обусловлено тем, что частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Асинхронные двигатели получили широкое практическое применение благодаря простоте обслуживания, высокой надежности и возможности работать непосредственно от сети переменного тока.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором изображен на рисунке 1, где 1 – станина, 2 – неподвижная часть двигателя – статор, 3 – трехфазная обмотка статора, 4 – ротор с короткозамкнутой обмоткой и вал – 5. Обмотка ротора произведена из бесконтактной (она не имеет соединения ни с одной внешней цепью), благодаря чему мы получаем достаточную надежность асинхронного двигателя.

Рис. 1. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Магнитная система.

В асинхронной машине в сравнении с машиной постоянного тока отсутствует явно выраженные полюса. Данную магнитную систему именуют неявнополюсной. Количество катушек в обмотке статора определяет количество полюсов в машине. В четырехполюсной машине магнитная система содержит четыре одинаковые ветви, по каждой из них пропускается половина магнитного потока одного из полюсов, в двухполюсной машине таких ветвей две, в шестиполюсной — шесть и т. д. Так как через все элементы машины проходит переменный магнитный поток, то каждый из ее участков, перечисленных выше, оказывает ему некоторое магнитное сопротивление. Для изготовления сердечников статора и ротора асинхронных машин, используют листы электротехнической стали, изолированные друг от друга изоляционной лаковой прослойкой, окалиной и пр. В итоге уменьшается пагубное воздействие вихревых токов, синтезирующихся в стали статора и ротора при кручении магнитного поля. Листы статора и ротора содержат пазы открытой, полузакрытой или закрытой формы. В них располагаются проводники данных обмоток. В статоре гораздо чаще применяют полузакрытые пазы в виде прямоугольника или овала, а в машинах с большой мощностью — открытые пазы имеют только форму прямоугольника.

Сердечник статора сжимается в литой остов и фиксируют специальными винтами. Сердечник ротора напрессовывают на вал ротора, который крутится в шариковых подшипниках. Эти подшипники закреплены в двух подшипниковых щитах. Расстояние между статором и ротором, которое образует воздушная прослойка, имеет наименьший допустимый размер, если смотреть с точки зрения качества осуществляемой сборки и механической целостности конструкции. Двигатели малой и средней мощности имеют воздушный зазор, который составляет примерно несколько десятых миллиметра. Данное расстояние обеспечивает сокращение сопротивления магнитной цепи машины, что приводит к уменьшению намагничивающего тока, так необходимого при создании двигателя магнитного потока. Уменьшение намагничивающего тока дает возможность повысить коэффициент мощности двигателя.

Обмотка статора.

Она состоит из проволоки круглого или прямоугольного сечения в виде ряда катушек. Проводники в пазах соединяются и образуют целый ряд из катушек.Катушки делят на равные группы по количеству фаз.Эти фазыразмещают симметрично по окружности статора или ротора. В каждой из этих групп катушки соединяются под воздействием электричества, тем самымсоздавая одну из фаз обмотки, т. е. обособленную электрическую цепь. Если значение фазного тока будет слишком большим фазы могут иметь несколько параллельных ветвей. Простейшийэлементомкатушкисостоит из двух проводников, которые размещены в пазах. Эти пазы находятся на некотором расстоянии друг от друга, которое соответствует одному полюсу.

Чаще всего эти витки, которые лежат в одних и тех же пазах, объединяют в одну или две катушки. Эти объединения нередко называют секциями. Каждый из пазов размещают таким образом, чтобы в пазу находилась одна сторона катушки или две, расположенные одна на другой. Отсюда и название однослойные и двухслойные обмотки. Число пазов является главным параметром, который определяет распределение обмотки по пазам.

В обмотке статора двухполюсного двигателя каждая фаза содержит три катушки. Стороны этих фаз располагаются в трех соседних пазах, т. е. q = 3. Обмотку называют распределенной, если q > 1.

Двухслойные распределенные обмотки являются наиболее применяемыми. Их секции (рисунок 2, а) располагают в пазы статора в два слоя. Проводники фиксируют в пазах текстолитовыми клиньями (рис. 2,б), которые закладывают у головок зубцов.

Специальным изоляционным материалом обкладывают стенки паза (электрокартоном). Проводники, которые располагаются в пазах, прикрепляют друг к другу со стороны торца машины. Провода, скрепляющие их называют лобовыми частями. Лобовые части делают достаточно короткими, так как они не участвуют в генерации э. д. с.

Некоторые из катушек обмотки статора можно скрепить в виде схемы «звезда» или «треугольник». Концы обмоток каждой фазы подводят к шести зажимам двигателя.

Обмотка ротора.

Обмотка ротора сделана в виде беличьей клетки (рисунок 3,а). Эта конструкция изготовлена из медных или алюминиевых стержней, которые накоротко замкнуты с торцов двумя кольцами (рисунок3,б). Напряжение в обмотке ротора равно нулю, следовательно, стержни этой обмотки можно подсоединить в пазы не беспокоясь об изоляции.

Рис. 2. Двухслойная обмотка статора асинхронного двигателя.

Рис. 3. Короткозамкнутый ротор: а) — беличья клетка; б) — ротор с беличьей клеткой из стержней;

Пазы короткозамкнутого ротора бывают полузакрытыми и закрытыми. В машинах малой мощности обычно используются закрытые. Эта форма дает возможность значительно усилить проводники обмотки ротора, хотя и имеет отрицательный эффект в виде увеличения индуктивного сопротивления.

Если двигатель имеет мощность меньше или равен 100 кВт, то стержни чаще всего изготавливают путем заливки расплавленного алюминия в пазы сердечника ротора.

Помимо стержня отливают и соединительные торцовые короткозамыающие кольца.

В качестве материала алюминий был выбран не случайно. Так ему присущи такие свойства как малая плотность, высокая электропроводимость и плавкость.

Чаще всего двигатели имеют свою охладительную систему в виде вентилятора, прикрепленного на вал ротора. Благодаря этому простейшему механизму происходит охлаждение нагретых частей двигателя, что благоприятно скажется на производительности машины, на ее мощности.

Нередко в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором лопасти вентиля изготавливают вместе с боковыми кольцами беличьей клетки.

Данные двигатели отличаются простотой конструкции, что обеспечивает достаточную надежность в эксплуатации. Широкое применение такие двигатели получили там, где устройства начинают работать без нагрузки например для привода металлообрабатывающих станков и других устройств. Однако есть и отрицательная сторона, а она заключается в том, что у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором достаточно малый пусковой момент и большой пусковой ток, что не позволяет работать сразу под большой нагрузкой. К подобнымагрегатам можноотнести грузоподъемные устройства, компрессоры и др.

Для того чтобы избавиться от вышеприведенных недостатков необходимо изготавливать беличью клетку с повышенным активным сопротивлением. Однако и это изменение также повлечет за собой негативные эффекты в виде большей потери мощности. Эти двигатели получили название двигатели с повышенным скольжением и обозначаются АС. Такие двигатели можно использовать для привода машин, работающих сравнительно небольшое время.

Двигатели с повышенным пусковым моментом.

Эти двигатели имеют особую конструкцию ротора, который обозначается как АП. К этим агрегатам относятся следующие двигатели: двигатель с двойной беличьей клеткой и двигатели с глубокими пазами.

Ротор (рисунок4, а) двигателя с двойной беличьей клеткой содержит две короткозамкнутые обмотки. Внешняя клеткаиграет роль пусковой. Эта клеткаимеет большое активное и малое реактивное сопротивление. Внутренняя клетка играет рольведущей обмотки ротора.Она в свою очередь обладает малым активным и большим реактивным сопротивлениями. При старте ток начинает проходить в основном по внешней клетке, которая и создает значительный вращающий момент. С ростом частоты вращения ток перераспределяется во внутреннюю клетку, и по завершениюпускового процесса машина работает как простой короткозамкнутый двигатель с одной внутренней клеткой. Переход тока во внешнюю клетку в начальный момент пуска можно объяснить как действиеэ.д.с. самоиндукции, генерируемой в проводниках ротора. От глубины расположение проводника в пазу зависит размер магнитного потока рассеяния и величина э. д. с. самоиндукции в нём и, как следствие большее индуктивное сопротивление.

Переход тока в верхние проводники ротора оказывает ощутимое воздействие при неподвижном роторе, в момент когда частота тока достаточно большая. В этот момент индуктивные сопротивления клеток сравнимо больше активных сопротивлений, а ток протекает между ними обратно пропорционально их индуктивным сопротивлениям, т. е. он протекаетглавным образом по внешней клетке с ощутимым активным сопротивлением.

С увеличением частоты вращения ротора частота тока будет только уменьшаться, и ток будет протекать в основном через внутреннюю клетку.

В результате, процесс пуска двигателя с двойной беличьей клеткой достаточно похож на процесс пуска асинхронного двигателя с фазным ротором, в случае если в момент пуска в цепь обмотки ротора подсоединить добавочное активное сопротивление, а после необходимо это сопротивление убрать.

Точно так же и в рассматриваемом двигателе ток в начале пуска проходит по наружной клетке с большим активным сопротивлением, а затем по мере разгона постепенно переходит во внутреннюю клетку с малым активным сопротивлением.

Рис. 4. Конструкция роторов асинхронных двигателей с повышенным пусковым моментом.

Для увеличения активного сопротивления пусковой клетки стержни делают из маргацовистой латуни или бронзы. Стержни ходовой клетки изготовляют из меди,удельное сопротивление которой достаточно мало, а площадь поперечного сечения гораздо больше чем у пусковой клетки. Тем самым можно добиться увеличение активного сопротивления в 4–5 раз по сравнению с ходовой. Между стержнями этих клеток есть маленькая щель, ее размеры и дают понятие об индуктивности ходовой клетки. Двухклеточный двигатель ощутимо дороже коротко-замкнутого двигателя в самой простой конфигурации. Для того чтобы упростить технологию и как следствиюудешевить конструкцию двигатели небольшой и средней мощности выполняют из литого алюминия.

Работа двигателя с глубокими пазами основано на тех же принципах работы с током, что и двухклеточный двигатель. Двигатель содержит стержни 4 беличьей клетки изготовленный в виде тонких медных шин, уплотненных в низкие пазы ротора. Нижние слои стержней, находящихся на большем расстояние от поверхности ротора, захватываютсягораздо большим количеством магнитных линий потока рассеяния, чем верхние, из-за этого они обладаютгораздо большей индуктивностью. Как следствие увеличения индуктивного сопротивления нижних частей стержней ток протекает в основном через верхние части. В итоге в ход идёт лишь малая часть поперечного сечения каждого стержня, что вызывает увеличение активного сопротивления, а это в свою очередь приводит к увеличению сопротивления всей обмотки ротора.

При возрастании частоты вращения ротора переход тока в верхние части стержней снижается, и в конце пуска ток равномерно перетекает по всей площади их поперечного сечения.