Конструкция и принцип действия асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель имеет статор и ротор (как любая электрическая машина). В корпусе статора закреплён полый цилиндрический сердечник, собранный (шихтованный) из изолированных штампованных листов электротехнической стали. Сердечник статора служит частью магнитопровода. На внутренней цилиндрической части сердечника статора выштампованы пазы, в которых располагается с изоляцией трёхфазная распределённая обмотка статора. Она выполняется в виде совокупности катушек, намотанных из медного изолированного провода.

По торцам корпуса статора устанавливаются подшипниковые щиты с подшипниками качения. Ротор содержит шихтованный сердечник, зафиксированный на валу, установленном в подшипниках. Сердечник ротора является частью магнитопровода. На внешней цилиндрической части сердечника ротора также выштампованы пазы, в которых располагаются стержни, замкнутые кольцами на торцах сердечника. Получается корокозамкнутая обмотка в виде беличьей клетки. Она выполняется заливкой расплавленным алюминием и не имеет изоляции.

Сердечники статора и ротора разделены небольшим воздушным зазором. Величина зазора оказывает существенное влияние на все характеристики и показатели машины, которые тем лучше, чем меньше величина зазора. При проектировании величина зазора выбирается минимально возможной по условиям технологии изготовления и надёжности работы машины и поэтому обеспечивается при сборке с большой тщательностью.

Основные элементы асинхронных двигателей отмечены на рис.1 и рис.2.

При подаче трёхфазной симметричной системы напряжений с частотой f₁ на трёхфазную симметричную обмотку статора c числом полюсов 2р в машине создаётся магнитное поле, распределённое по гармоническому закону вдоль окружности воздушного зазора и вращающееся в направлении чередования фаз с частотой

n₁=f₁/p.

Это поле создаёт переменное потокосцепление с витками обмоток статора и ротора и наводит в них ЭДС индукции. При этом частота ЭДС обмотки статора равна частоте питающей сети, а частота ЭДС обмотки ротора f₂ = f₁s, где s – скольжение ротора относительно поля:

s = (n₁ – n) / n₁,

где n – частота вращения ротора.

ЭДС ротора вызывает ток обмотки ротора. МДС обмотки ротора и обмотки статора создают результирующее вращающееся магнитное поле машины. При взаимодействии токов проводников обмоток статора и ротора с результирующим магнитным полем возникают электромагнитные силы (силы Ампера), создающие электромагнитные моменты, действующие на статор и ротор. Эти моменты одинаковы по величине, но противоположны по направлению. Момент, действующий на ротор, направлен в сторону вращения магнитного поля. Под действием этого момента ротор может вращаться, преодолевая момент сопротивления на валу, созданный рабочим механизмом и собственными потерями.

Рис.1. Асинхронный двигатель серии 4А со степенью защиты IP44, h = 315 мм: 1, 2 – сердечники статора и ротора; 3 – короткозамыкающее кольцо обмотки ротора; 4 – обмотка статора; 5, 9 – подшипниковые щиты; 6 – вентилятор; 7 - кожух вентилятора; 8 – подшипники; 10 – вал; 11 – коробка выводов; 12 – отверстия для входа воздуха в кожух вентилятора

Рис.2. Асинхронный двигатель серии 4А со степенью защиты IP23, h =180 мм: 1, 2 – сердечники статора и ротора; 3 – короткозамыкающее кольцо обмотки ротора; 4 - обмотка статора; 5 – вал; 6 – коробка выводов; 7 – подшипниковый щит; 8 – диффузор; 9 – решётки для входа воздуха; 10 – подшипники; 11 - решётки для выхода воздуха

Таким образом, подведённая к обмотке статора электрическая энергия преобразуется в двигателе в механическую энергию на валу. Это возможно только при наличии скольжения, когда ротор вращается медленнее магнитного поля, т.е. несинхронно с полем.

Для изменения направления вращения ротора необходимо изменить чередование фаз напряжения, подводимого к обмотке статора.

При работе машины выделяются потери энергии, превращающиеся, в основном, в тепло, нагревающее машину. Наиболее подвержены температурному воздействию изоляционные материалы обмотки статора. Машину снабжают системой охлаждения (вентиляции). В асинхронных двигателях используется воздушное охлаждение. Для этого на валу устанавливают вентилятор (при исполнении IP44) и вентиляционные лопатки, отливаемые совместно с короткозамыкающими кольцами обмотки ротора.

Двигатели должны быть защищены от неблагоприятного воздействия окружающей среды (чаще всего от влаги и пыли, посторонних предметов), а обслуживающий персонал – от прикосновения к токоведущим и вращающимся частям.

Наибольшее распространение получили двигатели со степенью защиты IP44 (см. рис.1) и IP23 (см. рис.2) от воздействия окружающей среды. Первые защищены от попадания внутрь машины твёрдых тел размером более

1 мм и брызг воды. При этом тепло, выделяющееся в машине, передаётся корпусу внутренним воздухом, движущимся под действием вентиляционных лопаток беличьей клетки ротора (рис.1). С наружной оребрённой поверхности корпуса тепло «сдувается» наружным вентилятором, защищённым кожухом. Машины со степенью защиты IP23 защищены от попадания твёрдых предметов длиной более 80 мм и диаметром более 12 мм и от дождя под углом не более 60⁰ от вертикали. При этом охлаждение производится наружным воздухом, проходящим через машину под действием вентиляционных лопаток беличьей клетки ротора (рис.2).