Что такое асинхронный электродвигатель

Чем асинхронные двигатели отличаются от синхронных

В данной статье рассмотрим принципиальные отличия синхронных электродвигателей от асинхронных, чтобы каждый читающий эти строки мог бы эти различия четко понимать.

Асинхронные электродвигатели более широко распространены сегодня, однако в некоторых ситуациях синхронные двигатели оказываются более подходящими, более эффективными для решения конкретных промышленных и производственных задач, об этом будет рассказано далее.

Прежде всего давайте вспомним, что же вообще такое электродвигатель. Электродвигателем называется электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую энергию вращения ротора, и служащая в качестве привода для какого-нибудь механизма, например для приведения в действие подъемного крана или насоса.

Еще в школе всем рассказывали и показывали, как два магнита отталкиваются одноименными полюсами, а разноименными — притягиваются. Это постоянные магниты. Но существуют и переменные магниты. Каждый помнит рисунок с проводящей рамкой, расположенной между полюсами подковообразного постоянного магнита.

Горизонтально расположенная рамка, если по ней пустить постоянный ток, станет поворачиваться в магнитном поле постоянного магнита под действием пары сил (Сила Ампера), пока не будет достигнуто равновесие в вертикальном положении.

Если затем по рамке пустить постоянный ток противоположного направления, то рамка повернется дальше. В результате такого попеременного питания рамки постоянным током то одного, то другого направления, достигается непрерывное вращение рамки. Рамка здесь представляет собой аналог переменного магнита.

Приведенный пример с вращающейся рамкой в простейшей форме демонстрирует принцип работы синхронного электродвигателя. У любого синхронного электродвигателя на роторе есть обмотки возбуждения, на которые подается постоянный ток, формирующий магнитное поле ротора. Статор же синхронного электродвигателя содержит обмотку статора, для формирования магнитного поля статора.

При подаче на обмотку статора переменного тока, ротор придет во вращение с частотой, соответствующей частоте тока в обмотке статора. Частота вращения ротора будет синхронна частоте тока обмотки статора, поэтому такой электродвигатель называется синхронным. Магнитное поле ротора создается током, а не индуцируется полем статора, поэтому синхронный двигатель способен держать синхронные номинальные обороты независимо от мощности нагрузки, разумеется, в разумных пределах.

Асинхронный электродвигатель в свою очередь отличается от синхронного. Если вспомнить рисунок в рамкой, и рамку просто накоротко замкнуть, то при вращении магнита вокруг рамки, индуцируемый в рамке ток создаст магнитное поле рамки, и рамка будет стремиться догнать магнит.

Частота вращения рамки под механической нагрузкой будет всегда меньше частоты вращения магнита, и частота не будет поэтому синхронной. Этот простой пример демонстрирует принцип действия асинхронного электродвигателя.

В асинхронном электродвигателе вращающееся магнитное поле формируется переменным током обмотки статора, расположенной в его пазах. Ротор типичного асинхронного двигателя обмоток как таковых не имеет, вместо этого на нем расположены накоротко соединенные стержни (ротор типа «беличья клетка»), такой ротор называется короткозамкнутым ротором. Бывают еще асинхронные двигатели с фазным ротором, там ротор содержит обмотки, сопротивление и ток в которых можно регулировать реостатом.

Итак, в чем же принципиальное отличие асинхронного электродвигателя от синхронного? С виду внешне они похожи, порой даже специалист не отличит по внешним признакам синхронный электродвигатель от асинхронного. Главное же отличие заключается в устройстве роторов. Ротор асинхронного электродвигателя не питается током, а полюса на нем индуцирутся магнитным полем статора.

Ротор синхронного двигателя имеет обмотку возбуждения с независимым питанием. Статоры синхронного и асинхронного двигателя устроены одинаково, функция в каждом случае одна и та же — создание вращающегося магнитного поля статора.

Обороты асинхронного двигателя под нагрузкой всегда на величину скольжения отстают от вращения магнитного поля статора, в то время как обороты синхронного двигателя равны по частоте «оборотам» магнитного поля статора, поэтому если обороты должны быть постоянными при различных нагрузках, предпочтительней выбирать синхронный двигатель, например в приводе гильотинных ножниц лучше всего справится со своей задачей мощный синхронный двигатель.

Область применения асинхронных двигателей сегодня очень широка. Это всевозможные станки, транспортеры, вентиляторы, насосы, — все то оборудование, где нагрузка сравнительно стабильна, или снижение оборотов под нагрузкой не критично для рабочего процесса.

Некоторые компрессоры и насосы требуют постоянной частоты вращения при любой нагрузке, на такое оборудование ставят синхронные электродвигатели.

Синхронные двигатели дороже в производстве, чем асинхронные, поэтому если есть возможность выбора и небольшое снижение оборотов под нагрузкой не критично, приобретают асинхронный двигатель.

Синхронные электродвигатели широко применяются в электроприводах, не требующих регулирования частоты вращения. По сравнению с асинхронными двигателями они имеют ряд преимуществ:

более высокий коэффициент полезного действия;

возможность изготовления двигателей с низкой частотой вращения, что позволяет отказаться от промежуточных передач между двигателем и рабочей машиной;

частота вращения двигателя не зависит от нагрузки па его валу;

возможность использования в качестве компенсирующих устройств реактивной мощности.

Синхронные электродвигатели могут являться потребителями и генераторами реактивной мощности. Характер и значение реактивной мощности синхронного двигателя зависят от величины тока в обмотке возбуждения. Зависимость тока в обмотке, выдающей напряжение в электрическую сеть, от тока возбуждения носит название U-образной характеристики синхронного двигателя. При 100%-ной нагрузке на валу двигателя его косинус фи равен 1. При этом электродвигатель не потребляет реактивной мощности из электрической сети. Ток в обмотке статора при этом имеет минимальное значение.

Асинхронный электродвигатель: виды и принцип работы

В наши дни электрооборудование выглядит совсем иначе, чем изобретение российского электротехника, но по-прежнему используются для превращения электрической энергии в механическую. Надежность в работе, простая конструкция и невысокая себестоимость были по достоинству оценены покупателями. Сегодня асинхронные двигатели — наиболее распространенный во всем мире тип моторов. Их используют для комплектации промышленного оборудования, бытовой техники и электроинструментов в девяти случаев из десяти.

Какие бывают виды асинхронных механизмов

Асинхронный мотор имеет самую простую конструкцию. Классическое устройство электродвигателя состоит из статора, а также ротора.

Статор выполнен в форме классического цилиндра. Для изготовления статора производители используют тонкие стальные листы, обмотка в пазах сердечника сделана из специального провода. Оси обмоток расположены друг к другу под углом 120°. Их концы соединяются по-разному — все зависит от допустимой величины напряжения. В одних случаях соединение напоминаем звезду, в других — треугольник.

В отличие от статора, роторы бывают нескольких типов. Производители классифицируют выпущенные моторы именно по типу ротора — виды асинхронных двигателей: с короткозамкнутым и фазным ротором. Давайте рассмотрим каждый их подробнее.

• Фазный — это ротор с трехфазной обмоткой, которая напоминает обмотку статора. Ее концы соединяются в форме звезды, края крепятся к контактным кольцам. К этим же кольцам присоединяются добавочные резисторы, которые меняют активное сопротивление в цепи и уменьшают большие пусковые токи.
• Короткозамкнутый ротор — сердечник, изготовленный из стальных листов. Для серийного производства, как правило, используется расплавленный алюминий, который заливается и образовывает стержни между торцевых колец. Конструкция ротора получила в обиходе название «беличья клетка», так как внешне напоминает бочку для грызунов. Когда заходит речь об изготовлении мощных двигателей, производители используют не алюминий, а медь.

Асинхронный электродвигатель: принцип работы

Напряжение подается на обмотку статора. В этот момент возникает магнитный поток, величина которого меняется с изменением частоты напряжения. Потоки сдвинуты во времени и пространстве по отношению друг к другу на 120°. Вращающим оказывается результирующий магнитный поток, который движется, тем самым создавая в проводниках ротора ЭДС. Обмотка ротора исполняет роль замкнутой электрической цепи, в ней появляется ток, который, взаимодействуя с потоками статора, создает пусковой момент. Мотор стремится повернуть ротор в направлении движения магнитного поля статора. В тот момент, когда он достигает значения тормозного момента ротора и превышает его, ротор начинает вращаться, вызывая скольжение.

Что такое скольжение? Это величина, которая показывает нам, насколько синхронная частота магнитного поля статора больше, чем частота вращения ротора.

n₁ — синхронная частота магнитного поля статора, n₂ — ротора.

Почему так важно скольжение? Его используют для характеристики асинхронных электродвигателей, ведь изначально скольжение равно единице, но по мере роста n₁ относительная разность частот n₁-n₂ становится меньше. В результате этого, падает ЭДС и ток в проводниках ротора, что в свою очередь приводит к уменьшению вращающего момента. Если провести анализ, в состоянии холостого хода, в тот момент, когда мотор работает без нагрузки на валу, показатель скольжения минимален. Как только возрастает статический момент, скольжение растет до величины S_kp — критического скольжения. Этот показатель очень важен, ведь как только будет превышена точка критического скольжения, асинхронные двигатели перестают стабильно работать. Значение скольжения колеблется в пределах от нуля до единицы, асинхронных моторов универсального назначения в номинальном режиме до 8 %. Как только наступает равновесие между электромагнитным и тормозным моментом изменение величин прекратится.

Если говорить простыми словами, принцип работы мотора состоит во взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, которые наводятся этим магнитным полем в роторе. Вращающий момент возникает только тогда, когда появляется разность частот вращения магнитных полей.

Применение асинхронных двигателей многополюсных переменного тока

Электрические двигатели переменного тока выпускаются в двух вариантах. Существуют синхронные и асинхронные модели. Они различаются между собой по одному признаку: у изделий первого типа ротор вращается со скоростью, идентичной скорости изменения поля статора. У изделий второго типа скорость ротора отлична от скорости изменения статорного поля.

В устройствах, работающих от трехфазной сети, присутствует электромагнитная система, входящая в состав статора. Внутри корпуса находятся пластинки с пазами, в которых фиксируются обмотки. Количество фаз варьируется.

Сфера применения многополюсных двигателей

Двигатели взрывозащищенные наиболее часто используются для обеспечения промышленных процессов и стабильной работы разнообразного оборудования. Они просто незаменимы в тех сферах, где нет потребности в повышенных скоростях и изменении скоростного режима. Наибольшая скорость движка – 3 тысячи оборотов за минуту. Это не слишком большой показатель, однако, для большей части технических средств – достаточный.

Регуляция слабая, однако, при необходимости можно снизить степень напряжения, в таком случае скорость уменьшится. Если напряжение будет недостаточно высоким, увеличится отставание скорости работы подвижной части двигателя от скорости магнитного поля. Это может повлечь за собой перегрев, в результате механизм сгорит.

Старания специалистов помогли решить данную проблему. Теперь вопрос, связанный с регуляцией скорости, не стоит столько остро. Двигатели все чаще используют совместно с устройствами, обеспечивающими преобразование частоты. Они могут встраиваться в состав конструкции или использоваться отдельно для подачи напряжения.

На сегодняшний день трехфазные многополюсные двигатели получили широкое распространение. Они активно закупаются для целей народного хозяйства, где используются в качестве дополнения к оборудованию, специализированным станкам, автоматическим агрегатам и так далее. Их популярность объясняется несколькими причинами:

• лаконичностью конструкции;
• высокой степенью надежности;
• малой массой, что обеспечивает возможность легкого перемещения;
• простотой использования;
• удобными габаритами.

Оборудование нередко применяется в электроприводах разнообразных станков. Наиболее часто его применяют в качестве дополнения к агрегатам, используемым в сфере обработки металлов, подъемов грузов, переработке древесины. В ткацких станках двигатели просто незаменимы. Это же касается лифтов, насосных установок и даже тех приборов, которые используются в быту ежедневно.
Использование асинхронного двигателя обеспечивает сокращение потребления электрической энергии. Это помогает снизить расходы владельца.

Синхронный, асинхронный – какая разница?!

Обычно о том, какие электродвигатели стоят на том или ином оборудовании, его владельцы особенно не задумываются, но только до тех пор, пока они не выходят из строя. А уже первые «болезни» этих «скромных тружеников» вызывают коллапс необъятных потоков грузов. На склады России поступает много иностранного подъемно-транспортного оборудования, и читателям будет интересно узнать, какие существуют типы и исполнения электродвигателей, работающих в этих машинах и механизмах.

Электродвигатели – непременная составляющая подъемно-транспортного и автоматизированного оборудования: конвейеров, автоматизированных складов, штабелеров, упаковочных автоматов и иной складской техники. Обычно эти агрегаты подбирают для своего оборудования сами изготовители, но все чаще бывает так, что покупатели и владельцы машин сами могут выбирать электрические силовые агрегаты для нужд своего предприятия в зависимости, например, от специфики условий работы отдельных его участков. В некоторых случаях компании комплектуют электродвигателями одного типа технику на всех своих складах и предприятиях, чтобы за счет унификации процедур и запчастей сократить расходы на техобслуживание. Иногда электродвигатели выбирают по соображениям невысокой стоимости.

В складском и подъемно-транспортном оборудовании наиболее широко применяют электродвигатели пяти типов:

• электродвигатели постоянного тока с возбуждением от постоянного магнита;
• асинхронные электродвигатели переменного тока. Их применяют в оборудовании непрерывного цикла, например, в обычных конвейерах;
• серводвигатели (сервомоторы). Они работают в машинах, которые должны совершать точные движения, перемещать и позиционировать грузы на строго определенные места: в штабелерах, автоматических складских системах;
• линейные асинхронные двигатели. Используются в оборудовании, для которого важна прежде всего высокая скорость работы, например, в сортировочных машинах;
• мотор-ролики (или мотор-барабаны), т. е. ведущие герметичные ролики, внутри которых заключены небольшие электродвигатели и редукторы. Используются для привода конвейеров, работающих периодически. Раньше складское подъемно-транспортное оборудование оснащали электродвигателями постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. В настоящее время машины и автоматы комплектуют асинхронными электродвигателями переменного тока, применение которых постоянно расширяется.

В чем преимущества асинхронных электродвигателей?

Асинхронные двигатели переменного тока проще и дешевле электродвигателей других типов, поэтому в настоящее время их применяют все чаще. При выборе асинхронного двигателя следует учитывать два фактора – к.п.д. преобразования энергии и тип исполнения агрегата.

К.п.д. В ряде стран законодательством установлена минимальная величина к.п.д. для электродвигателей приводов, однако многие производители изготавливают электродвигатели по более жестким стандартам Национальной ассоциации производителей электрооборудования США (NEMA). Если, выбирая электродвигатель, вы видите, что он соответствует стандарту NEMA Premium, то это гарантирует его высокий к.п.д., надежность и экономичность.

У электродвигателей обычного качества к.п.д. равен 75. 85%, у агрегатов высшего качества – 85. 95%. Как считают специалисты, агрегаты с высоким к.п.д. стоят намного дороже обычных, но если электродвигатель будет работать непрерывно, он окупится быстро. Кроме того, благодаря экономии энергии улучшается экологическая обстановка, на которую все больше обращают внимание в цивилизованных государствах.

Тип исполнения – важная характеристика при выборе электродвигателя. Существует пять основных исполнений асинхронных электродвигателей:

• ODP (Open drip proof) – «каплезащищенный электродвигатель открытого исполнения». Этот тип электродвигателей наиболее широко используют в промышленности. Они не оборудованы вентилятором и имеют проемы в корпусе, через которые внутрь может проникнуть грязь и влага, поэтому использовать такие электродвигатели рекомендуется только в закрытых помещениях;

• TEFC (Totally Enclosed Fan Cooled) – «закрытого типа с вентиляторным охлаждением». Эти двигатели оборудованы вентилятором, создающим поток воздуха через их корпус. Вентилятор герметизирован, и инородные частицы и жидкости не могут проникнуть в электродвигатель извне. Электродвигатели в исполнении TEFC часто применяют в конвейерах;

• TENV (Totally Enclosed Non-Ventilated Motor) – «закрытого типа без охлаждения». Эти электродвигатели также используются в подъемно-транспортном оборудовании складов, если есть внешний источник, создающий воздушный поток для охлаждения двигателя;

• TEBC (Totally Enclosed Blower-Cooled Motor) – «охлаждаемый обдувом». Эти двигатели комплектуют собственным вентилятором, но расположенным и управляемым снаружи. Электродвигатели типа TEBC обычно применяют в оборудовании высокой мощности: в подъемных кранах, лебедках и т. п. или в оборудовании, работающем с переменной скоростью, где электродвигатель иногда может работать с частотой вращения, близкой к нулю;

• EPFC (Explosion Proof Fan Cooled Motor) – «во взрывозащищенном исполнении с вентиляторным
охлаждением». Используются в условиях высокого содержания в воздухе горючих и взрывоопасных элементов, например, паров бензина, других нефтепродуктов, аммиака, угольной пыли и проч.

Возможности применения любого асинхронного электродвигателя расширяются благодаря использованию электропривода с частотным регулированием (VFD). Асинхронные электродвигатели традиционной конструкции работают с постоянной частотой. Электропривод с частотным регулированием позволяет менять скорость двигателя и всей машины. В складском подъемно-транспортном оборудовании электроприводы с частотным регулированием позволяют максимально увеличивать скорость в «пиковые» периоды работы и снижать в другое время, благодаря чему экономится энергия и средства.

Серводвигатели

Эти двигатели занимают свою особую нишу – они работают в оборудовании, где требуется точное регулирование положения и скорости движений. Эти устройства специально разработаны как электродвигатели с якорем малого диаметра, но развивающие высокий крутящий момент. Чем меньше якорь, тем меньше инерция и, следовательно, электродвигатель быстрее разгоняется, и машина работает быстрее.

Серводвигатели оснащают также системами управления по обратной связи: по сигналам тахометра, датчиков линейных перемещений и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Благодаря управлению по сигналам от этих приборов увеличивается точность движений и регулирования скорости машин. Серводвигатели применяют в оборудовании и системах, где требуется высокая точность движений: в роботизированном оборудовании, штабелерах и подобных складских машинах. Электродвигатели этого типа применяют также в оборудовании и системах, где необходима большая точность синхронизации – в машинах, выполняющих установку (позиционирование) грузов на стеллажах автоматизированных складов.

Линейные асинхронные электродвигатели

Линейные асинхронные электродвигатели – новинка в отрасли складского подъемно-транспортного оборудования. Они позволяют значительно увеличить скорость движений машин при замечательной их повторяемости и точности. Линейный асинхронный двигатель генерирует магнитное поле, которое перемещает ползун (пластину) в двигателе. Обычно ползун прикрепляется к объекту, который должен передвигаться магнитным полем: например, в сортировочных машинах ползун электродвигателя соединен с подвижным лотком распределителя.

В такой конструкции нет деталей, которые бы изнашивались. Линейные асинхронные электродвигатели обеспечивают точность движений до 0,0335 мм на 1 м перемещения, т. е. позволяют выполнять прецизионные работы. Насколько уникальна такая способность устройств, иллюстрирует тот факт, что толщина человеческого волоса составляет около 0,09 мм, т. е. в три раза больше! Скорость работы линейных асинхронных электродвигателей очень высокая – до 5 м/с, а следовательно, длительность рабочих циклов у них небольшая и производительность на высочайшем уровне. Скорость перемещения ползуна на разных отрезках в течение одного цикла можно менять, а можно задавать пошаговое перемещение – это очень полезное качество для некоторых автоматических машин.

Мотор-ролики

Линейные асинхронные электродвигатели – не единственная инновация в области электрических силовых агрегатов. В последнее время в конвейерах все шире стали применять мотор-ролики (MDR – Motor Driven Roller). Еще два года назад на выставке оборудования по транспортировке материалов и логистике ProMat в Чикаго лишь несколько фирм представили конвейеры с приводом от мотор-роликов, зато в экспозиции в январе 2007 г. в ассортименте почти каждой фирмы, предлагающей конвейеры, были модели с мотор-роликами.

В Соединенных Штатах конвейеры с приводом от мотор-роликов впервые использовала почтовая служба. Конструкция их проста. Внутри ведущего ролика устанавливается миниатюрный электродвигатель постоянного тока, работающий от напряжения 24 В, и редуктор. В обычных конвейерах один мотор-ролик приходится на 9 обычных роликов.

По словам специалистов, если конвейер перемещает грузы непрерывным потоком, привод от наружных электродвигателей более экономичен. Конвейеры с мотор-роликами рентабельны и используются в основном в тех случаях, когда надо накапливать поступающие грузы на конвейере, а затем перемещать их дальше либо когда требуется разделять поток грузов на группы и перемещать грузы группами.

У мотор-роликов целый «букет» преимуществ. Уровень шума от конвейеров, оснащенных мотор-роликами, значительно ниже, чем от обычных конвейеров. Они позволяют экономить энергию: не только благодаря более высокому к.п.д. мотор-роликов, но и потому, что конвейер работает только тогда, когда надо. Еще одно преимущество – более высокий уровень систем управления мотор-роликами. В настоящее время выпускаются конвейеры с мотор-роликами, развивающие скорость до 90 м/мин, а если поток грузов уменьшился, можно снизить скорость до 30 м/мин, уменьшив таким образом износ деталей конвейера и энергопотребление. Наконец, мотор-ролик практически не нуждается в техобслуживании. Поскольку он работает лишь тогда, когда надо, его ресурс продляется на годы. Когда электродвигатель выйдет из строя, мотор-ролик заменяют другим практически без остановки конвейера.

Асинхронные двигатели. Некоторые особенности производства

В статье на примере электродвигателя ONI АИР80А4 проанализирована себестоимость асинхронных двигателей, во многом зависящая от себестоимости их составляющих. Показано, какие из компонентов наиболее значительно влияют на данный показатель, на чем можно сэкономить и на чем экономят многие производители.

ТМ ONI®, г. Москва

Электродвигатель – изобретение, которое лежало в основе промышленной революции и индустриализации, да и до сих пор играет ключевую роль в промышленности. Та же Индустрия 4.0, главная роль в которой отводится цифровым технологиям, была бы невозможна без огромного разнообразия механизмов, работающих на электродвигателях.

За триста лет со времени изобретения паровой машины было создано множество электродвигателей различного типа. В целом классифицировать их можно так, как указано на приведенной схеме (рис. 1). Однако, поскольку выбор двигателя – вопрос практический, обычно их классифицируют, исходя из конкретных задач, а тогда в центр внимания можно поставить самые разные параметры. Электродвигатели подразделяют по назначению (генераторы, двигатели, преобразователи, компенсаторы), по роду тока (двигатели постоянного или переменного тока, синхронные или асинхронные), по мощности, частоте вращения, степени защиты оболочки, по группе эксплуатации (М1–М31, характеризуется приспособленность машины к вибрации с определенной частотой, ускорениям и ударам), по продолжительности работы и ее особенностям, способу монтажа. И данный список далеко не полон.

Рис. 1. Типы электрических машин

При этом, какой бы классификации не придерживаться, следует признать, что наиболее популярным типом являются асинхронные двигатели, которые составляют более половины всех электродвигателей в мире. Они были изобретены более ста лет назад, и за все это время никаких прорывных изобретений в данной сфере сделано не было и никаких принципиальных изменений в конструкции асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором не произошло. Учитывая последнее обстоятельство, логично будет задаться вопросом: отчего различные производители на рынке асинхронных двигателей, выпуская продукцию, созданную по одним и тем же принципам и обладающую одной и той же энергоэффективностью, например широко распространенные общепромышленные электродвигатели АИР, предлагают ее по совершенно разным ценам? Попробуем разобраться в причинах этого явления.

Рис. 2. Электродвигатель асинхронный однофазный АИР2Е

Специалистам хорошо известно устройство асинхронного двигателя. Он состоит из ротора, статора, обмотки, вала и т. д. Можно утверждать, что себестоимость компонентов, во‑первых, в значительной степени определяет себестоимость всего изделия, а во‑вторых, во многом зависит от исполнения. Поэтому, взяв для примера электродвигатель АИР80А4 и перечислив его компоненты в табл. 1, мы проанализировали:
— как меняется себестоимость компонентов асинхронного двигателя в зависимости от исполнения;
— на какие характеристики это влияет.

Таблица 1. Себестоимость компонентов асинхронного двигателя ONI АИР80А4

Самая дорогая часть асинхронных двигателей – это токоведущие части, выполненные из меди, их доля в себестоимости двигателя наиболее велика – 41 %. Таким образом, стоимость асинхронного двигателя в первую очередь зависит от электротехнических материалов. Второй вклад в себестоимость вносит также металл – сталь, из которой изготовлены статор, ротор и вал (в сумме 37 %). Оставшиеся 22 % распределены между более мелкими компонентами: подшипниками, метизами, кожухом.

Чистая медь по удельной проводимости занимает следующее место после серебра. Примеси, даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди, делая ее малопригодной для проводников тока. Так, содержание фосфора в пределах 0,013…0,05 % снижает электропроводность на 20…30 %, поэтому в электротехнической промышленности в соответствии с ГОСТ 859-78 используются только две марки меди: М0 и M1. У электродвигателя ­АИР80А4 обмотки статора выполнены из электротехнической меди марки М0к с чистотой 99,97 %. Ее удельное электрическое сопротивление равно 0,017–0,018 мкОм·м, выше показатель только у серебра – 0,015 мкОм·м. Для сравнения: удельное электрическое сопротивление алюминия в 1,66 раза выше, чем у меди марки М0.

Высокие требования ГОСТов закономерны: надежность и эксплуатационные свойства асинхронного двигателя во многом зависят от технологии изготовления и качества материалов, проводниковых, магнитных и изоляционных, которые применяются в электромашиностроении. Например, магнитопровод состоит из отдельных тонких пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака. Кремний является единственным элементом, вводимым в сталь с целью улучшения электротехнических свойств железа. Наличие кремния увеличивает магнитную проницаемость и электросопротивление стали, понижает коэрцитивную силу, уменьшая тем самым потери и на перемагничивание, и на вихревые токи. Другие элементы, за исключением фосфора, отрицательно влияют на электротехнические свойства железа. Поэтому технология выплавки и передела электротехнических сталей строится таким образом, чтобы в готовом листе при значительном количестве кремния содержалось как можно меньше других примесей. Содержание кремния в электротехнических сталях обычно составляет 0,8–4,5 %. Более высокие концентрации кремния не применяют, так как, уменьшая потери и увеличивая магнитную проницаемость, кремний одновременно отрицательно влияет на величину магнитного насыщения и технологическую пластичность стали. В так называемых динамных сталях (из них выполняют части цепи, по которым проходит магнитный поток) содержание кремния составляет 2–3 %.

Рис. 3. Электродвигатель асинхронный АИС

По требованиям ГОСТ 21427.4-78, для производства магнитных цепей электродвигателей должна использоваться только лента из электротехнической стали марок 3421–3425, которая обеспечивает определенный уровень магнитной индукции и удельных потерь. При перемагничивании такой стали удельные потери на 60 % ниже по сравнению с горячекатаной сталью.

Теперь перейдем к прямому ответу на вопрос, поставленный в начале статьи: отчего же асинхронные двигатели разных производителей, казалось бы, аналогичные по своей конструкции, различаются по цене? На чем можно сэкономить при их производстве? И на чем обычно экономят недобросовестные производители электродвигателей АИР?

Можно применить на обмотке статора провод с меньшим сечением. К чему это способно привести? Меньшее сечение при неизменной схеме уменьшит мощность двигателя. В результате, если нагрузку не снизить, двигатель сгорит из-за перегрузки. Если же нагрузку понизить, двигатель будет продолжать нормально работать. Однако следует обратить внимание на то, что при уменьшении сечения проводника увеличивается число параллельных ветвей, то есть витков, в схеме обмотки.

Можно уменьшить число витков обмотки статора по сравнению с расчетным. Если это сделать, увеличится намагничивающий ток, возрастут магнитные нагрузки, пусковой и вращающий момент. Казалось бы, само по себе это даже выгодно. Однако это приведет к тому, что при продолжительной работе усилится нагрев двигателя. При значительном уменьшении числа витков ток вырастет значительно, как и момент.
Еще один способ «сэкономить» – применить задний подшипник меньшего размера, чем требуется. Это приведет к тому, что изменятся нагрузки на вал в продольном и поперечном сечении, а в результате снизится срок службы двигателя, ведь при неизменной нагрузке на вал и уменьшенном подшипнике нагрузка на подшипник возрастает. В конце концов подшипник выйдет из строя либо разобьет посадочное место и заденет статор (зазоры маленькие). В любом случае двигатель сгорит.

И это только наиболее явные способы, применение которых легко обнаружить. Если же углубиться в свойства материалов, то можно найти немало возможностей для разного рода «экономии». А ведь качество материалов, соответствующее стандартам, как было показано выше, – важнейшее требование для надежной работы электродвигателя!

Для сравнения: в электродвигателях торговой марки ONI из алюминия марки ZL103 изготавливаются станины с габаритами 56–80, в то время как некоторые другие компании применяют алюминий той же марки для станин с габаритами 56–132. Между тем это влияет на количество теплоотводящих ребер станины, поскольку, чем хуже качество алюминия, тем меньше ребер, – таковы особенности литья. Поэтому в электродвигателях ONI для станин с габаритами 90–132 применяется не алюминий, а чугун НТ200.

Другой пример: у электродвигателей ONI обвязка статора выполнена лентой, которая надежно фиксирует обмотку и исключает перегрев изоляции обмотки в местах перетяжки. При этом у ряда недобросовестных производителей обвязка выполнена капроновой нитью. При вибрации электродвигателя во время работы изоляция обмотки в местах перетяжек может перегреться. Слабый бандаж приведет к разрушению обмотки и выходу электродвигателя из строя.

Кроме указанных достоинств, асинхронные двигатели ONI обладают следующими преимуществами:
— пазовые клинья электродвигателей выполнены из термостойкого пластика, что снижает риск межфазного замыкания;
— в двигателях ONI применяются самые качественные материалы из всех возможных, при этом на производстве организован усиленный контроль качества;
— используются только высококлассные подшипники марки NSK (Япония), срок эксплуатации которых увеличен на 80 %;
— в производстве применяется автоматическая намотка обмоток двигателей;
— в двигателях ONI применяется закрытый шпоночный паз, что обеспечивает надежную фиксацию вала электродвигателя.

В заключение отметим, что электродвигатели ТМ ONI имеют увеличенный гарантийный срок – 3 года. Асинхронные двигатели ONI – долгая эксплуатация без дополнительных вложений.

Опубликовано в журнале «ИСУП» № 2(80)_2019

Что такое асинхронный электродвигатель

Асинхронный двигатель – это асинхронная электрическая машина переменного тока в двигательном режиме, у которой частота вращения магнитного поля статора больше чем частота вращения ротора.

Принцип работы берет основу из создания вращающегося магнитного поля статора, о чем подробнее вы можете почитать из указанной ссылки.

Асинхронные двигатели – одни из самых распространённых электрическим машин, и зачастую являются одним из основных преобразователей электрической энергии в механическую энергию. Самым большим достоинством является отсутствие контакта между подвижными и подвижными частями ротора, я имею ввиду электрический контакт, к примеру, в двигателях постоянного тока через щетки и коллектор. Однако это справедливо только к АД с короткозамкнутым ротором, в асинхронных двигателях с фазным ротором, этот контакт имеет место, но об этом чуть позже.

Конструкция асинхронного двигателя.

Рассмотрим конструкцию, примером послужит асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, но так же существует фазный тип ротора. Асинхронный двигатель состоит из статора и ротора между которыми воздушный зазор. Статор и ротор в свою очередь еще имеют так называемые активные части – обмотка возбуждения (отдельно статорная и отдельно роторная) и магнитопровод (сердечник). Все остальные детали АД, такие как: вал, подшипники, вентилятор, корпус, и т.п. – чисто конструктивные детали, обеспечивающие защиту от окружающей среды, прочность, охлаждение, возможность совершать вращение.

Рисунок 1 – Конструкция асинхронного двигателя.

Статор представляет собой трёх (или много)-фазную обмотку, проводники которой равномерно уложены в пазах по всей окружности, с угловым расстоянием в 120 эл. градусов. Концы обмотки статора обычно соединяют по схемам «звезда» или «треугольник», и подключаются к сети питающего напряжения. Магнитопровод выполняется из электротехнической шихтованной (набрано из тонких листов) стали.

Как я уже сказал ранее, в асинхронном двигателе существует всего 2 типа роторов: это фазный тип ротора, и короткозамкнутый. Магнитопровод ротора также выполнен из шихтованной электротехнической стали. Короткозамкнутый ротор имеет вид так называемой «беличьей клетки» из-за схожести своей конструкции на эту клетку. Состоит эта клетка из медных стержней, которые накоротко замкнуты кольцами. Стержни непосредственно вставлены в пазы сердечника ротора. Для улучшения пусковых характеристики АД с таким типом ротора, применяют специальную форму паза, это дает возможность использования эффекта вытеснения тока, что влияет на увеличение активного сопротивления роторной обмотки при пуске (больших скольжения). Сами по себе, АД с короткозамкнутым ротором имеют малый пусковой момент, что пагубно сказывается на области их использования. Наибольшее распространение они нашли в системах которые не требуют больших пусковых моментов. Однако, данный тип ротора отличается тем, что на его обслуживание тратится меньше средств чем на обслуживание двигателя с фазным ротором, вследствие отсутствия физического контакта в типе ротора беличья клетка.

Рисунок 2 – Ротор АД «беличья клетка»

Фазный ротор состоит из трёхфазной обмотки, зачастую соединенной по схеме «звезда», и выведенную на контактные кольца, которые вращаются вместе с валом. Щетки выполнены из графита. Фазный ротор дает много преимуществ, таких как пуск звезда-треугольник, регулирование частоты вращения изменением сопротивления ротора.

Подробнее рассмотреть механическую характеристику в моей ранней статье, а так же способы пуска с реверсом .

К тормозным режимам стоит отнести несколько основных:

Асинхронный двигатель имеет низкую стоимость, надёжен, и очень дешевый в обслуживании, особенно если он выполнен с короткозамкнутым ротором.

Асинхронные электродвигатели. Виды и устройство. Работа

Асинхронные электродвигатели были изобретены в 1889 году. В настоящее время выпускается большой спектр электрических двигателей. Из них наибольшую популярность приобрел электродвигатель асинхронного типа, трехфазный. Половина всей электроэнергии в мире расходуется такими электродвигателями. Они нашли широкое использование во многих отраслях промышленности, в быту, электроинструменте, так как имеет невысокую стоимость, повышенную надежность, простое обслуживание и эксплуатацию.

Область использования таких электромашин становиться все шире, так как их конструкция совершенствуется. В переводе с английского такой электродвигатель называют индукционным. И это легко объяснить, так как это вид моторов, в котором явление индукции применяется для создания полюсов, другими словами, применяются наводки для образования движущей силы. Особенностью асинхронных двигателей является отличие частоты поля от скорости вращения вала. В других типах двигателей используются постоянные магниты, обмотки и т.д.

Устройство

Асинхронные электродвигатели состоят из:

• Ротора.
• Статора.

Статор, состоит из основных частей:

• Корпус . Служит для образования соединений деталей мотора. При малом размере мотора корпус цельнолитой. Материал изготовления – чугун. Могут использоваться сплавы алюминия, либо сталь. Часто в небольших двигателях функцию сердечника выполняет корпус. В больших моторах со значительной мощностью корпус имеет сварную конструкцию.
• Сердечник . Эта деталь запрессована в корпус, и предназначена для повышения магнитной индукции, изготовлена из электротехнической стали в виде пластин. Для уменьшения потерь, возникающих при вихревых токах, сердечник покрывается лаком.
• Обмотка . Она расположена в пазах сердечника. Для ее намотки применяется медная проволока, секциями, соединенными между собой по определенной схеме. Витки образуют 3 катушки, которые по сути дела играют роль обмотки статора. Эта обмотка первичная, непосредственно к ней подключается питание.

Ротор:

• Ротор – элемент двигателя, находящийся во вращении, предназначен для трансформации магнитного поля в энергию движения, состоит из частей:
• Вал . Подшипники вала находятся на его хвостовиках. При сборке двигателя подшипники запрессовываются, фиксируются болтами к крышкам корпуса.
• Сердечник . Его сборку производят на валу двигателя. Он состоит из металлических пластин электротехнической стали, которая обладает свойством малого сопротивления магнитному полю. Форма сердечника в виде цилиндра используется для укладки катушки якоря, которая называется вторичной. Она получает энергию от магнитного поля, появляющегося вокруг обмоток статора при подаче питания.

Классификация по типу ротора

С короткозамкнутым ротором.

Такой тип двигателя оснащен обмоткой в виде алюминиевых стержней, расположенных в пазах сердечника. На торце ротора они замыкаются между собой кольцами.

• С ротором, оснащенным контактными кольцами.

Оба типа моторов имеют схожую конструкцию статора. Разница состоит лишь в конструкции якоря.

Классификация по числу фаз

Асинхронные электродвигатели трехфазные являются основными типами моторов. Они оснащены 3-мя обмотками на статоре, смещены на 120 градусов, соединены между собой треугольником, либо звездой, получают питание от трех фаз переменного тока.

Асинхронные электродвигатели небольшой мощности чаще всего изготавливаются двухфазными . Они отличаются от 3-фазных моторов оснащением 2-мя обмотками на статоре, которые смещены между собой на угол 90 градусов.

В случае равенства токов по модулю, и их сдвигу по фазе на 90 градусов, действие мотора не будет иметь отличия от 3-фазного двигателя. Но такие типы двигателей чаще подключаются от однофазной сети, а искусственный сдвиг на 90 градусов образуется за счет конденсаторов.

Асинхронные электродвигатели однофазные оснащаются единственной обмоткой на статоре. Они практически не могут работать. Когда вал электродвигателя неподвижен, то при подаче питания образуется только импульсное магнитное поле, а момент вращения равен нулю. Но если ротор у такого электродвигателя принудительно раскрутить, то он сможет функционировать и приводить в действие какой-либо привод механизма.

В таком случае пульсирующее поле складывается из 2-х симметричных полей: прямого и обратного. Они образуют разные моменты: один двигательный, другой тормозной. Но двигательный момент получается больше тормозного, возникающего вследствие токов ротора высокой частоты.

В связи с этим 1-фазные моторы оснащаются второй обмоткой, применяющейся в качестве пусковой. В ее цепи для сдвига фаз подключают конденсаторы. Их емкость имеет значительную величину, и может достигать нескольких десятков мкФ при маломощном моторе, меньше 1000 ватт.

В управляющих системах применяют 2-фазные асинхронные электродвигатели, получившие название исполнительных. Они оснащены двумя обмотками статора, которые имеют сдвиг фаз на 90 градусов. Одна обмотка (возбуждения) питается от сети 50 герц, а вторая применяется в качестве управляющей.

Чтобы образовалось магнитное поле с вращающим моментом, ток в управляющей обмотке должен иметь сдвиг 90 градусов. Для регулировки скорости мотора изменяют значение тока в этой обмотке, либо меняют угол фазы. Реверсивное движение обеспечивается сменой фазы в обмотке управления на 180 градусов, с помощью переключения обмотки.

2-фазные асинхронные электродвигатели производятся в разных исполнениях:

• Короткозамкнутым ротором.
• Полым магнитным ротором.
• Полым немагнитным ротором.

Линейные моторы

Чтобы преобразовать движение вращения в поступательное движение, необходимо применение определенных механизмов. Поэтому при необходимости двигатель конструктивно выполняют таким образом, что его ротор сделан в виде бегунка с линейными движениями.

В таком случае двигатель получается развернутым. Обмотка статора такого мотора сделана, как и у обычного двигателя, но она должна быть уложена на всей длине перемещения бегунка (ротора) в пазы. Такой ротор в виде бегунка чаще бывает короткозамкнутым. К нему присоединен привод механизма. На краях статора располагают ограничители, которые не дают ротору выходить за определенные пределы.

Принцип действия

Якорь электродвигателя приводится в действие с помощью эффекта магнитного поля, возникающего в катушках статора. Для лучшего понимания принципа работы мотора, нужно освежить в памяти закон самоиндукции. Он говорит, что вокруг подключенного к питанию проводника образуется магнитное поле. Его величина прямо зависит от индуктивности проводника и потока частиц.

Также, магнитное поле образует силу, направленную в определенную сторону, которая вращает ротор мотора. Чтобы двигатель работал с достаточной эффективностью, нужно получить значительный магнитный поток. Его можно создать особой установкой первичной обмотки.

Источник напряжения выдает переменное напряжение, значит, вокруг статора магнитное поле будет с такими же свойствами, и прямо зависит от изменения тока сети. Фазы смещены между собой на 120 градусов.

Процессы в обмотке статора

Все фазы сети подключаются к катушкам статора, каждая фаза к определенной катушке. Поэтому магнитное поле будет иметь смещение на 120 градусов. Питание поступает в виде переменного напряжения, значит, вокруг катушек возникнет переменное магнитное поле.

Схема двигателя выполняется так, чтобы магнитное поле вокруг катушек постепенно менялось и переходило от одной катушки к другой. Так образуется магнитное поле с эффектом вращения. Можно определить частоту вращения, которая будет измеряться в числе оборотов вала мотора. Она вычисляется по формуле:

n = 60*f / p, где f – частота тока в сети, р – количество пар полюсов статора.

Работа ротора

Процессы во вторичной обмотке ротора, и особенность конструкции, которую имеют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.

К обмотке якоря напряжение не подается. Оно возникает из-за индукционной связи с первичной обмоткой. Из-за этого и происходит действие, обратное действию в статоре. Оно соответствует закону: при пересечении проводника магнитным потоком, в нем образуется электрический ток. Магнитное поле возникает вокруг первичной обмотки от того, что к ней подключается трехфазное питание.

Совместная работа ротора и статора

Мы имеем асинхронный мотор с ротором, в котором протекает электрический ток по его обмотке. Этот ток станет причиной появления магнитного поля возле обмотки якоря. Но полярность потока не будет совпадать с потоком статора. А значит, и сила, которая создается им, будет противодействовать силе магнитного поля первичной обмотки, что заставит двигаться ротор, потому что на нем выполнена вторичная обмотка, а вал закреплен на подшипниках в корпусе мотора.

Разберемся в ситуации, когда взаимодействуют силы магнитных полей ротора и статора, по истечении времени. Известно, что магнитное поле первичной катушки вращается с определенной частотой. Образованная им сила будет передвигаться с такой же скоростью. Это приводит в действие асинхронный двигатель, его ротор будет вращаться вокруг своей оси.

Подключение двигателя к питанию

Для запуска электродвигателя его нужно подключить к напряжению 3-фазного тока. Выполнить такое подключение возможно двумя методами: звездой и треугольником.

Схема звездой

Здесь изображен способ соединения треугольником.

Схемы собираются в клеммной коробке, расположенной на корпусе двигателя.

Чтобы запустить электродвигатель в обратном направлении вращения, необходимо только изменить местами две любые фазы путем перебрасывания двух проводов в коробке двигателя.