Трехфазный асинхронный электродвигатель

Конструкция асинхронного электродвигателя

Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей — статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.

Статор асинхронного двигателя

Ротор асинхронного двигателя

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Корпус и сердечник статора асинхронного электродвигателя

Конструкция шихтованного сердечника асинхронного двигателя

Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы. Вращающееся магнитное поле

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле — это основная концепция электрических двигателей и генераторов.

Вращающееся магнитное поле асинхронного электродвигателя

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

• где n₁ – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
• f₁ – частота переменного тока, Гц,
• p – число пар полюсов

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Магнитное поле прямого проводника с постоянным током

Магнитное поле создаваемое обмоткой

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Магнитное поле создаваемое трехфазным током в разный момент времени

Ток протекающий в витках электродвигателя (сдвиг 60°)

Вращающееся магнитное поле

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Короткозамкнутый ротор «беличья клетка» наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Вращающееся магнитное поле пронизывающее короткозамкнутый ротор

Магнитный момент действующий на ротор

Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.

Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n₂ меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n₁.

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n₂<n₁. Частота вращения поля статора относительно ротора определяется частотой скольжения n_s=n₁-n₂. Отставание ротора от вращающегося поля статора характеризуется относительной величиной s, называемой скольжением:

• где s – скольжение асинхронного электродвигателя,
• n₁ – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
• n₂ – частота вращения ротора, об/мин,

Рассмотрим случай когда частота вращения ротора будет совпадать с частотой вращения магнитного поля статора. В таком случае относительное магнитное поле ротора будет постоянным, таким образом в стержнях ротора не будет создаваться ЭДС, а следовательно и ток. Это значит что сила действующая на ротор будет равна нулю. Таким образом ротор будет замедляться. После чего на стержни ротора опять будет действовать переменное магнитное поле, таким образом будет расти индуцируемый ток и сила. В реальности же ротор асинхронного электродвигателя никогда не достигнет скорости вращения магнитного поля статора. Ротор будет вращаться с некоторой скоростью которая немного меньше синхронной скорости.

Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в диапазоне от 0 до 1, т. е. 0—100%. Если s~0, то это соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя практически не испытывает противодействующего момента; если s=1 — режиму короткого замыкания, при котором ротор двигателя неподвижен (n₂ = 0). Скольжение зависит от механической нагрузки на валу двигателя и с ее ростом увеличивается.

Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называется номинальным скольжением. Для асинхронных двигателей малой и средней мощности номинальное скольжение изменяется в пределах от 8% до 2%.

Преобразование энергии

Асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию подаваемую на обмотки статора, в механическую (вращение вала ротора). Но входная и выходная мощность не равны друг другу так как во время преобразования происходят потери энергии: на трение, нагрев, вихревые токи и потери на гистерезисе. Это энергия рассеивается как тепло. Поэтому асинхронный электродвигатель имеет вентилятор для охлаждения.

Асинхронный электродвигатель: устройство и принцип работы

Содержание

1. Устройство асинхронного электродвигателя
2. Принцип работы асинхронного двигателя
3. Преимущества асинхронных двигателей

Самым эффективным устройством, превращающим электрическую энергию в механическую, является асинхронный двигатель, изобретенный инженером Доливо-Добровольским в конце 19 века. Учитывая возрастающий интерес современников к разработке и сборке станков, самодвижущихся аппаратов и прочих механизмов, мы постараемся объяснить, как работает асинхронный электродвигатель, чтобы вы могли понять принцип его действия и результативно его использовать.

Устройство асинхронного электродвигателя

В его конструкцию входят следующие элементы:

• Статор цилиндрической формы, собранный из стальных листов. Сердечник статора имеет пазы, в которые уложены обмотки. Их оси сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу.
• Ротор (короткозамкнутый или фазный). Первый вариант представляет собой сердечник с алюминиевыми стержнями, накоротко замкнутыми торцевыми кольцами (беличья клетка). Второй вариант состоит из трехфазной обмотки, чаще всего соединенной «звездой».
• Конструктивные детали – вал, подшипники, лапы, подшипниковые щиты, крыльчатка и кожух вентилятора, коробка выводов — обеспечивающие вращение, охлаждение и защиту механизма.

Схему асинхронного двигателя с указанием его деталей легко найти в интернете или в пособиях.

Принцип работы асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного электродвигателя заложен в его названии (не синхронный). То есть статор и ротор при включении создают вращающиеся с разной частотой магнитные поля. При этом частота вращения магнитного поля ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

Чтобы более наглядно представить себе этот процесс, возьмите постоянный магнит и покрутите его вокруг своей оси возле медного диска. Диск с небольшим отставанием начнет вращаться вслед за магнитом. Дело в том, что при вращении магнита в структуре диска возбуждаются токи Фуко (индукционные токи), движущиеся по замкнутому кругу. По сути они являются токами короткого замыкания, разогревающими металл. В диске «зарождается» собственное магнитное поле, в дальнейшем взаимодействующее с полем магнита.

В асинхронном двигателе для получения вращающегося поля используются обмотки статора. Магнитный поток, образованный ими, создает ЭДС в проводниках ротора. При взаимодействии магнитного поля статора и индуцируемого тока в обмотке ротора создается электромагнитная сила, приводящая во вращение вал электродвигателя.

Пошагово процесс выглядит следующим образом:

1. При запуске двигателя магнитное поле статора пересекается с контуром ротора и индуцирует электродвижущую силу.
2. В накоротко замкнутом роторе возникает переменный ток.
3. Два магнитных поля (статора и ротора) создают крутящий момент.
4. Крутящийся ротор пытается «догнать» поле статора.
5. В тот момент, когда частоты вращения магнитного поля статора и ротора совпадут, электромагнитные процессы в роторе затухают и крутящий момент становится равным нулю.
6. Магнитное поле статора возбуждает контур ротора, который к этому моменту снова отстает.

То есть ротор всегда медленнее магнитного поля статора, что и обеспечивает асинхронность.

Поскольку ток в роторе индуцируется бесконтактно, отпадает необходимость установки скользящих контактов, что делает асинхронные двигатели более надежными и эффективными. Изменяя направление тока в одной из обмоток (для этого нужно поменять фазы на клеммах), вы можете «заставить» мотор вращаться в ту или другую сторону.

Направление электромагнитной силы легко определить, вспомнив школьный курс физики и воспользовавшись «правилом левой руки».

На частоту вращения магнитного поля статора влияет частота питающей сети и число пар полюсов. Поскольку число пар полюсов зависит от типа двигателя и остается неизменным, то, если вы хотите изменить частоту вращения поля, необходимо изменить частоту питающей сети с помощью преобразователя.

Преимущества асинхронных двигателей

Благодаря тому, что устройство и принцип работы асинхронного электродвигателя достаточно просты, он обладает массой преимуществ и широко применяется во всех сферах народного хозяйства и в быту. Двигатели этого типа характеризуются:

• Надежностью и долговечностью. Отсутствие контакта между подвижными и неподвижными деталями сводит к минимуму возможность износа и поломок.
• Низкой стоимостью. Они доступны (не зря 90% от всех выпускающихся в мире двигателей именно асинхронные).
• Простотой эксплуатации. Для того чтобы использовать их, не обязательно иметь специальные знания и навыки.
• Универсальностью. Их можно установить практически на любое оборудование.

Изобретение асинхронного электродвигателя было значимым вкладом в развитие науки, промышленности и сельского хозяйства. С ним наша жизнь стала более комфортной.

Каково назначение электродвигателя?

Электродвигатели можно найти во многих бытовых приборах, а также в крупных промышленных предприятиях, но какова их цель и как они работают? Электродвигатели Parvalux питают промышленность по всему миру, от конвейерных систем и автоматических дверей до систем стеклоочистителей поездов и даже игровых автоматов. В этом блоге мы обсуждаем, как работают компоненты электродвигателей и как их использовать в различных отраслях промышленности.

Как работают электродвигатели?

В общих чертах, электродвигатели работают путем преобразования электрической энергии в механическую. Когда это происходит в магнитном поле, создается сила, вызывающая вращение вала. Электродвигатели могут питаться от сил переменного или постоянного тока, следовательно, двигатели переменного и постоянного тока.

Каковы основные компоненты электродвигателя?

В зависимости от их использования и типа тока, проходящего через электродвигатель, каждый из них имеет различные компоненты, обеспечивающие работу двигателя. Вот некоторые из ключевых частей двигателя:

• Ротор – Ротор представляет собой катушку, установленную на оси, и обеспечивает механическую энергию вращения. Он вращается с высокой скоростью и может включать в себя проводники, несущие ток и взаимодействующие с магнитным полем в статоре
.
• Статор — действует противоположно ротору, поскольку является неподвижной частью электромагнитной цепи. Он состоит из постоянных магнитов или обмоток и часто состоит из тонких металлических листов, называемых пластинами, которые могут помочь уменьшить потери энергии. Они в основном встречаются в коллекторных двигателях постоянного тока 9. 0014 Коммутатор
• — эта деталь является очень важным компонентом двигателей постоянного тока, поскольку без нее ротор не сможет непрерывно вращаться. Коллектор представляет собой полукольцо в электродвигателе, обычно сделанное из меди, и позволяет ротору вращаться за счет изменения направления тока каждый раз, когда ротор поворачивается на 180 градусов
.

Важно помнить, что эти детали работают по-разному в зависимости от того, являются ли они щеточными или бесщеточными двигателями. В бесщеточном двигателе постоянного тока постоянные магниты установлены на роторе, а электромагниты на статоре.

Для чего используются электродвигатели?

Электродвигатели используются в различных отраслях промышленности по целому ряду причин, в первую очередь из-за их более длительного срока службы по сравнению, скажем, с двигателями, работающими на ископаемом топливе, поскольку они требуют меньше обслуживания и предлагают более экологичную альтернативу.

Двигатели переменного тока можно найти в конвейерных системах, как правило, на заводах и складах, поскольку они могут обеспечить стабильную и постоянную доставку. Другой пример их использования — в системах кондиционирования воздуха. Поскольку двигатели переменного тока являются бесщеточными, они по своей природе надежны и поэтому требуют минимального обслуживания.

Двигатель постоянного тока может справляться с перемещением более тяжелых грузов и будет хорошо работать в различных условиях, поэтому они используются в критически важных приложениях, таких как системы стеклоочистителей поездов, из-за их надежности и прочности. Эти типы двигателей также можно найти в небольших бытовых приборах, таких как пылесосы, и, как и все двигатели, их можно адаптировать в соответствии с требованиями приложения.

Узнайте больше об электродвигателях Parvalux, связавшись здесь: Ваше местное контактное лицо — Parvalux

Ротор и статор в электродвигателе « ТЕПРОСА

Функциональность, конструкция и различия роторов и статоров

В связи с такими мегатенденциями, как изменение климата, энергетический переход и общий рост электрификации повседневной жизни, количество электронных устройств и машин вокруг нас продолжает расти. Электрические велосипеды, электрические скутеры и даже электрические доски для серфинга, но прежде всего электрификация автомобиля, выдвигают тему электронной мобильности на первый план.

Все эти приложения требуют эффективных и надежных электродвигателей. Элементарными элементами электродвигателей являются ротор и статор. Но какие задачи выполняют роторы и статоры в электрических машинах, как они работают и как изготавливаются?

Чтобы разобраться в этом вопросе более подробно, нам сначала нужно разобраться с тем, как в основном работает электродвигатель .

Как работает электродвигатель?

Большинство электродвигателей основаны на принципе так называемой силы Лоренца. Это сила, действующая на проводник с током во внешнем магнитном поле.

Если направление тока в проводнике меняется с определенной частотой, то движение проводника вызывается магнитным полем. Благодаря особой конструкции электродвигателя переменный ток создает вращательное движение, которое можно использовать в качестве привода.

Для создания и проведения магнитного поля определенным образом используются ферромагнитные материалы. К ним относятся железо, никель, кобальт, а также некоторые сплавы и неметаллические соединения (мягкие ферриты, многие постоянные магниты).

Некоторые электродвигатели используют так называемую силу сопротивления для создания крутящего момента в роторе. Здесь движение исходит от системы, стремящейся к минимальному магнитному сопротивлению (сопротивлению). Для этих двигателей также используются ферромагнитные или, точнее, магнитомягкие материалы.

 

Что такое ротор?

Ротор — подвижная, а точнее вращающаяся часть электродвигателя. Ротор находится между полюсами статора. Он часто изготавливается из железа или железного сплава и поэтому также называется железным сердечником или магнитным сердечником.

Поскольку железный сердечник из твердого материала малоэффективен с точки зрения производительности из-за больших потерь на вихревые токи, ротор изготавливают из отдельных пластин, называемых также ламелями ротора. Это также относится к пластинам статора. Пластины статора и ротора штампуют из электротехнических листов или вырезают на станке для лазерной резки, укладывают друг на друга в виде магнитных сердечников, соединяют друг с другом (например, склеивают, сваривают, заклепывают и т. д.) и оснащают обмотками (статор) или постоянными магнитами ( ротор). В зависимости от конструкции электродвигателя как ротор, так и статор могут быть снабжены постоянными магнитами или обмотками.

Современные приводные двигатели могут развивать скорость до 10 000 об/мин и даже значительно выше. Это создает значительные центробежные силы в роторе. Для позиционирования и выравнивания магнитов в роторе используются соответствующие отверстия, известные как магнитные карманы .

В магнитных карманах чувствительные (хрупкие) магниты надежно защищены от высоких центробежных сил.

Что такое статор?

Статор, также называемый статором, представляет собой неподвижная часть электродвигателя и магнитный аналог ротора. Его функция состоит в том, чтобы направлять магнитное поле внутри электродвигателя.

Статоры могут быть оснащены как постоянными магнитами, так и электромагнитами. Ротор вращается в статоре или между северным и южным магнитными полюсами статора. О внутреннем роторе говорят, когда статор жестко соединен с внешним корпусом электродвигателя и ротор вращается в отверстии статора. Напротив, электродвигатель называется внешним ротором, когда неподвижная часть (статор) машины находится внутри него и окружена подвижной частью (ротором или якорем).

Конструкция ротора и статора

.
Ротор и статор обычно конструируются и изготавливаются в так называемой многослойной конструкции. Это называется многослойным методом строительства, потому что магнитопроводы (сердечник ротора, сердечник статора) изготовлены из отдельных металлических листов, также известных как листовые пластины , каждый из которых изолирован от другого покрытием толщиной в несколько микрометров. .

Отдельные листы укладываются друг на друга и спекаются или скручиваются вместе, образуя стопку листов. Пакет пластин представляет собой магнитный сердечник и, следовательно, ротор или статор.

Материал для магнитопроводов – лента электротехническая

Лента электротехническая используется для изготовления отдельных пластин роторов и статоров. Полоса электротехнической стали или электротехнический лист представляет собой сплав железа и кремния со специальными магнитными свойствами, которые особенно подходят для использования в электродвигателях и генераторах.

Благодаря этим особым свойствам использование пластин из электротехнической стали при изготовлении роторов и статоров способствует значительному повышению энергоэффективности (КПД) электрических систем и, таким образом, устойчивому и оптимальному использованию требуемой энергии.

Электротехническая сталь, используемая для многослойного сердечника, состоит из сплава железа и кремния и в основном подразделяется на два типа: изотропная или неориентированная зернистая сталь и анизотропная или электротехническая сталь с ориентированной зернистостью.

Магнитные свойства изотропной электротехнической стали в значительной степени однородны и поэтому практически не зависят от направления намагниченности. Эта изотропия возникает из-за неупорядоченного распределения расположения элементарных ячеек железа в электротехнической стали.

Однородность магнитных свойств важна для всех вращающихся машин, таких как электродвигатели или генераторы. Незначительные неоднородности (анизотропии), неизбежные в процессе производства электротехнической стали, можно компенсировать применением специальных технологий конструирования электрических машин.

Изготовление ротора и статора

Листовые пакеты для двигателей в виде статора (также называемого статором) и ротора изготавливаются из слоистых отдельных пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга. Ламинаты обычно имеют толщину материала от 0,10 до 1,00 мм, причем наиболее распространенные толщины 0,35 мм и 0,50 мм считаются стандартом.

Изоляция между листами достигается за счет специального покрытия, предотвращающего электрический контакт между отдельными листами. Эти покрытия часто имеют толщину всего в несколько микрометров.

Электролитическое ламинирование для лазерной резки листа статора TEPROSA

Лазерная резка ротора и статора

Отдельные пластины штампуются или вырезаются лазером, при этом процесс штамповки подходит для крупносерийного производства, а лазерная резка обеспечивает гибкость для прототипирования и небольших — и среднесерийное производство.

Лазерная резка также имеет ряд других специфических преимуществ перед штамповкой, например, практически не происходит структурных изменений на краях отдельных слоев при лазерной резке по сравнению с штамповкой. Затем отдельные листы прочно соединяются между собой. При штамповке этот шаг уже выполняется в инструменте для штамповки.

Его также называют упаковка перфоратора . Вырезанные лазером ламели точно выравниваются с помощью соответствующего устройства, укладываются друг на друга и склеиваются (клейкая упаковка) или запекаются (процесс запекания эмали).

Как процесс запекания лака, так и укладка клея обеспечивают полную изоляцию отдельных листов и предотвращают возможные короткие замыкания между пластинами, которые могут привести к увеличению потерь на вихревые токи. Склеивание слоев по всей поверхности также подавляет нежелательные вибрации.

TEPROSA основан на лазерной резке листа и упаковке упаковок с использованием процесса запекания эмали. Магнитопроводы, которые мы производим таким образом, не имеют коротких замыканий и обладают идеальными магнитными свойствами благодаря щадящему производственному процессу.

Изоляционное покрытие пластин ротора/статора

Для предотвращения коротких замыканий между пластинами в электрических пластинах и тем самым уменьшения вихревых токов на полосу наносятся различные покрытия.

Толщина покрытия варьируется от 1 до 4 мкм. В зависимости от технологии обработки и последующего применения существуют покрытия для лучшей защиты от коррозии, улучшения изоляции отдельных слоев, термостойкости, улучшения свойств штамповки или свариваемости.

 

• Покрытие C3 – Покрытие для улучшения смазывающего эффекта. Актуально, например, для процесса штамповки.
• Покрытие C4 – Покрытие для улучшения защиты от коррозии и сопротивления изоляции.
• Покрытие C5 – Покрытие для оптимизации термостойкости. Актуально, например, для отжига для снятия напряжений после процесса штамповки.
• Покрытие C6 – Покрытие для особо высокого сопротивления изоляции.
• Пекарский лак – процесс выпечки лака; покрытие как технология склеивания пакетов листов и сердцевинных листов.

Ваш поставщик производство роторов и статоров

TEPROSA GmbH уже много лет специализируется на производстве роторов и статоров для электродвигателей исключительно высокого качества. В области листов электротехнической стали мы изготавливаем для вас отдельные пластины для статора и ротора, а также полные пакеты листов (пакеты статора или ротора) из различных марок электротехнической стали.

Мы обрабатываем текстурированную электротехническую сталь для генераторов, трансформаторов и другого электрического оборудования.