Устройство и рабочий принцип асинхронного мотора

Много техники — бытовой, строительной, производственной имеют двигатели. Если задаться целью и проверить вид мотора, в 90% окажется, что стоит асинхронный мотор. Обусловлено это конструктивной простотой, большим коэффициентом полезного действия, отсутствием электрического контакта с двигающейся частью (в моделях с короткозамкнутым ротором). В общем, причин достаточно.

Что такое асинхронный мотор и принцип его действия

Любой электрический двигатель — устройство для изменения электроэнергии в механическую. Электродвигатель состоит из неподвижной (статор) и подвижной части (ротор). Строение статора такое, что он имеет вид пустотелого цилиндра, в середине которого есть обмотка. В это цилиндрическое отверстие ставится подвижная часть — ротор. Он также имеет вид цилиндра, но маленького размера. Между статором и ротором есть зазор воздуха, дающий возможность ротору свободно вращаться. Ротор крутится из-за наводимых магнитным полем статора токов. По методу вращения двигатели разделяют на синхронные и асинхронные.

Асинхронный двигатель устройство, виды, принцип работы

Так смотрится разобранный асинхронный мотор с короткозамкнутым ротором

Асинхронный электрический двигатель выделяется тем, что скорость вращения ротора и магнитного поля, создаваемого статором, у него неравны. Другими словами, ротор крутится несинхронно с полем, что и дало наименование данному типу машин. Отличительно, в рабочем режиме скорость его вращения меньше. Второе наименование данного типа двигателей — электромеханические. Это наименование связано с тем, что движение происходит за счёт наводимых на нём токов индукции.

Асинхронный двигатель устройство, виды, принцип работы

Асинхронный мотор в разборном виде: ключевые узлы и части

Кратко описать рабочий принцип асинхронного мотора можно так. При включении мотора на обмотки статора подаётся ток, благодаря чему появляется переменое магнитное поле. В область работы силовых линий этого попадает ротор, который начинает вращаться вслед за переменным полем статора.

Статор асинхронного мотора состоит из трёх частей: корпуса, сердечника и обмотки. Корпус статора работает в качестве опоры для электрического двигателя. Делают его из стали или чугуна, сваркой или литьём. К прочности корпуса предъявляют большие требования, так как во время работы появляются вибрации из-за которых может сместиться ротор, что приведёт к заклиниванию мотора и выходу его из строя.

Асинхронный двигатель устройство, виды, принцип работы

Статор асинхронного мотора

Есть и ещё одно условие — геометрия корпуса должна быть замечательной. Между обмоткой статора и ротором просвет выполняют в пару миллиметров, так что малейшие отклонения могут быть критичны.

Сердечник статора

Сердечник статора асинхронного электрического двигателя делают из наборных пластин из металла. Так как сердечник считается магнитопроводом, металл применяется магнитная электротехническая сталь. Для снижения потерь из-за потоков вихря сердечник набирается из пластин, покрытых слоем диэлектрика (лак).

Асинхронный двигатель устройство, виды, принцип работы

Сердечник статора набирается из тонких металлических изолированных пластин

Толщина одной пластины — 0,35-0,5 мм. Они собираются в единый пакет, так чтобы пазы всех пластин совпадали. В эти пазы потом ложатся витки обмотки.

Обмотка статора и численность оборотов электрического двигателя

Статор асинхронного электрического мотора очень часто имеет трёхфазную обмотку возбуждения. Она именуется так, из-за того что считается основой движения ротора. Обмотка статора состоит из катушек, навитых из проволоки из меди которые ложатся в пазы сердечника. Каждая обмотка состоит из нескольких витков проволки или из одного витка. Кабель применяется специализированный, с покрытием из лака, которое отделяет витки один от одного и от стенок сердечника.

Как уже рассказывали, очень часто обмотка статора асинхронного мотора имеет три фазы. В данном варианте оси катушек размещены со сдвигом 120°. При подобном строении магнитное поле имеет два полюса и выполняет один полный оборот за один цикл трёхфазного питания. При частоте в питающей сети равной 50 Гц, частота вращения поля (и ротора) 50 об/сек или 3000 оборотов в минуту.

Асинхронный двигатель устройство, виды, принцип работы

Кладка катушек обмотки статора асинхронного мотора

Для снижения частоте вращения ротора в асинхронном двигателе обмотку выполняют с очень приличным количеством полюсов. Так с четырехполюсным стартером частота вращения будет вдвое меньше — 1500 оборотов в минуту. Обмотка с шестью полюсами статора даёт втрое меньшую скорость — 1000 оборотов в минуту. С восемью полюсами — в 4-ре раза меньше, т. е. 750 оборотов в минуту. Ещё более «небыстрые» электрические моторы выполняют чрезвычайно редко.

Концы обмоток статора выводятся на соединительную коробку корпуса. Здесь они могут соединяться по принципу «звезда» или «треугольник» в зависимости от типа подаваемого питания (220 В или 380 В).

Ротор асинхронного электрического двигателя бывает двух вариантов: короткозамкнутым и фазным. Очень часто встречаются машины с короткозамкнутым ротором. Их преимущество в простоте конструкция и несложной производственные технологии. Что еще важно, в подобных моторах отсутствует контакт с динамической системой. Это увеличивает долговечность, выполняет обслуживание более редким и обычным.

Асинхронный двигатель устройство, виды, принцип работы

Асинхронный мотор может быть с короткозамкнутым и фазным

Асинхронные электрические моторы с фазным ротором имеют довольно не простую конструкцию. Однако они дают возможность медленно настраивать скорость без дополнительных устройств, со старта имеют большой вращающий момент. Так что необходимо делать выбор: самая простая конструкция или возможность регулировки частоте вращения.

Устройство короткозамкнутого ротора

Ротор состоит из вала и цилиндрической конструкции из короткозамкнутых стержней. Внешне данная конструкция сильно напоминает беличье колесо, благодаря этому так иногда называют короткозамкнутую обмотку ротора.

Асинхронный двигатель устройство, виды, принцип работы

Устройство короткозамкнутого ротора

С самого начала и стержни, и замыкающие кольца изготавливались из меди. Роторы современных асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт выполняют из металлических стержней, с металлическими же замыкающими дисками. Расстояние между стержнями заливается снова-таки силумином. Выходит короткозамкнутый ротор, однако уже со цельным покрытием.

Так как во время работы выделяется большое количество тепла, для охлаждения перемычки «беличьего колеса» выполняют с дополнительными вентиляционными лопатками. Так в рабочий период происходит самоохлаждение. Оно работает тем эффектнее, чем больше частота вращения.

Асинхронный двигатель устройство, виды, принцип работы

Как устроен асинхронный мотор: устройство и расположение деталей

Ротор монтируется в статор, концы вала закрепляются с помощью крышек с встроенными подшипниками. Это мотор без щеток (безщеточный). Никаких дополнительных контактов и электрических соединений. Подвижная часть мотора начинает вращаться если есть наличие магнитного поля на статоре. Оно появляется после подачи питания. Это поле крутится, вынуждая вращаться и предметы, которые находятся в его поле. Обычная и надёжная конструкция, которая обусловила востребовательность электродвигателей данного типа.

Как выполнен фазный ротор

Устройство фазного ротора мало чем разнится от обмотки статора. Те же наборные кольца с пазами под укладывание медных катушек. Кол-во обмоток ротора три, соединены они в большинстве случаев «звездой».

Асинхронный двигатель устройство, виды, принцип работы

Так смотрится фазный ротор асинхронного мотора

Концы роторных обмоток прикрепляют к контактным кольцам из меди. Эти кольца жёстко закреплены на валу. Плюс к этому, они в первую очередь изолированные между собой, не имеют электрического контакта со стальным валом (фиксируются к стержню через диэлектрические прокладки). Так как наличие колец характерная черта данного типа движков, порой их называют кольцевыми.

Асинхронный двигатель устройство, виды, принцип работы

Асинхронный мотор с фазным ротором

Для фиксирования ротора к корпусу статора выполняют две крышки с подшипниками. На одной из крышек фиксируются щетки, которые прижимаются к кольцам на валу, за счёт чего имеют с ними неплохой контакт. Для регулировки частоте вращения щетки соединены с реостатом. Меняя его сопротивление, меняем напряжение, а с ним и частота вращения.

Что лучше короткозамкнутый или фазный?

Не обращая внимания на то что двигатели с фазовым ротором лучше стартуют, дают возможность во время работы медленно менять скорость с помощью обыкновенного реостата, чаще применяется моторы короткозамкнутого типа. В такой конструкции отсутствуют щетки, которые ломаются первыми. Более того, более обычное устройство подвижной части уменьшает цену мотора, аппарат работает длительнее, уход и техническое обслуживание легче.

Асинхронный двигатель устройство, виды, принцип работы

Какой лучше: короткозамкнутый ротор или фазный

Все таки стоит более детально познакомиться с плюсами и минусами двоих типов асинхронных двигателей. Итак, положительные качества короткозамкнутого асинхронного мотора:

  • Обычная конструкция.
  • Лёгкое обслуживание.
  • Более большой коэффициэнт полезного действия.
  • Нет искрообразования.
  • Небольшой пусковой вращающий момент.
  • Большой пусковой ток (в 4-7 раз выше номинального).
  • Нет возможности настраивать скорость.

Асинхронный двигатель устройство, виды, принцип работы

Магнитное поле трехфазного статора толкает ротор

Из-за высокого пускового тока прямое включение разрешается для двигателей мощностью до 200 кВт. Намного мощнее просят пускорегулирующей аппаратуры. В большинстве случаев применяют преобразователь частоты, который медленно повышает ток, обеспечивая плавный старт без перегрузок.

Преимущество асинхронного фазного мотора:

  • Быстрый и беспроблемный старт.
  • Дает возможность менять скорость во время работы.
  • Прямое подключение возможно, фактически без ограничения мощности.

Минусы тоже имеются: наличие щёток, возможность искрения, не простое и регулярное обслуживание.

Как изменяется скорость вращения

Как уже писали, скорость вращения ротора зависит от численности полюсов статора. Чем больше кол-во полюсов, тем меньше скорость. Однако это не только так можно настраивать частота вращения. Она еще зависит от напряжения и частоты питания.

Асинхронный двигатель устройство, виды, принцип работы

Способы регулирования частоты асинхронного мотора

Напряжение можно настраивать, установив потенциометр при входе. Частоту регулируют поставив преобразователь частоты. Частотник — самым прекрасным решением, так как он ещё и уменьшает стартовые токи и может быть программируемым.

Однофазный асинхронный мотор

Выше рассматривался трехфазный асинхронный мотор, в однофазном асинхронном двигателе их две. Одна рабочая, вторая запасная. Запасная необходима для того, чтобы дать первое вращение ротору. Потому может именоваться ещё пусковой или стартовой.

Асинхронный двигатель устройство, виды, принцип работы

Однофазный асинхронный мотор имеет две обмотки: рабочую и вспомогательную (стартовую или пусковую)

Когда в статоре включена одна обмотка, она делает два равных магнитных поля, крутящихся по сторонам. Если ввести в это поле ротор, который уже имеет какое-то первое вращение, магнитное поле будет поддерживать это вращение. Но как запустить ротор на старте? Как дать ему вращение, ведь от одной обмотки появляются два эквивалентных магнитных поля, направлены по сторонам. Так что при их помощи заставить вращаться ротор невозможно. В простейшем варианте вращение задаётся ручным способом — механически. Потом вращение подхватывает поле.

Чтобы автоматизировать пуск однофазного асинхронного мотора и выполнена запасная обмотка. Она сконструирована так, что подавляет одну из составляющих магнитного поля ключевой обмотки и увеличивает вторую. Исходя из этого, одна из составляющих перевешивает, задавая вращение ротора. Потом стартовая обмотка выключается, вращение поддерживает главная.