Устройство асинхронных машин

В устройстве асинхронной машин, так же как и в других электромеханических преобразователях — машинах синхронных, постоянного тока, выделяют две части: неподвижную — статор и вращающуюся — ротор.

Магнитопровод или сердечник статора представляет собой полый цилиндр, собранный из отдельных колец (рис. 3.2.1), изготовленных из листов электротехнической стали путем наиболее технологичной операции — штамповки. Толщина одной пластины (кольца) обычно 0,5 мм, перед сборкой в пакет эти кольца электрически изолируют друг от друга оксидированием или лакировкой.

При сборке магнитонровода (пакетировании) кольца, полученные штамповкой, ориентируют так, чтобы штампованные пазы образовывали каналы для укладки проводников обмотки. Собранный пакет колец статора запрессован в корпус — станину, который имеет соединительные элементы (лапы, торцовый фланец и т. д.) для крепления к неподвижному жесткому основанию.

Обмотку статора выполняют в виде многовитковых катушек, имеющих, как правило, одинаковые размеры. Каждая фаза статорной обмотки состоит из нескольких последовательно включенных катушек. В качестве приме;

Рис. 3.2.1. Пакет штампованных листов статора

ра на рис. 3.2.2 изображены катушки простейшей трехфазной обмотки, создающей двухполюсное магнитное поле; каждая фаза образована тремя катушками, находящимися в соседних пазах.

Такая обмотка статора с несколькими катушками в каждой фазе обеспечивает распределение магнитной индукции, близкое к синусоидальному. Если бы форма торцовых (лобовых) частей катушек была такой, как на рис. 3.2.2, то ротор машины нельзя было бы вставить в статор. Поэтому лобовые части катушек отгибают, и они проходят вдоль торцовой поверхности пакета статорных колец (рис. 3.2.3).

Рис. 3.2.2. Трехфазная обмотка двухполюсного статора с тремя катушками в каждой фазе.

Рис. 3.2.3. Внешний вид статора со стороны лобовой части трехфазной обмотки.

Ротор асинхронной машины набирают из штампованных дисков, изготовленных также из листов электротехнической стали, которые запрессовывают на вал, входящий при сборке машины в боковые подшипниковые щиты.

По конструкции роторной обмотки асинхронные машины делятся на два основных тина: с короткозамкнутым и фазным ротором.

Обмотки короткозамкнутых роторов выполняются с использованием весьма технологичного и дешевого способа — литья. При заливке обмотки ротора одновременно отливаются стержни, лежащие в пазах, и короткозамыкающие кольца с размещенными на их торцах вентиляционными лопатками (рис. 3.2.4). Такой ротор называют короткозамкнутым (КЗ), а асинхронные двигатели — АД с КЗ ротором. Используются разные технологии.

Рис. 3.2.4. Конструкция (а) и условное графическое обозначение (б) ротора с короткозамкнутой обмоткой:

• 1 — замыкающие кольца; 2 — вентиляционные лопасти; 3 — вал; 4 — пакет ротора;
• 5 — стержни обмотки литья (например, литье под давлением). В качестве литейного материала чаще всего применяют алюминий или его сплавы. Изоляция алюминиевой обмотки ротора от железа (магнитонровода) при этом не выполняется.

Этот тип обмотки, не имеющей каких-либо выводов, предложил М. О. Доливо-Добровольский. Такую обмотку часто называют обмоткой типа «беличье колесо» или «беличья клетка» (рис. 3.2.5).

Рис. 3.2.5. Короткозамкнутая обмотка типа «беличье колесо».

Короткозамкнутые роторы крупных машин и специальных асинхронных машин с улучшенными пусковыми характеристиками выполняются сварными. Стержни ротора из меди или латуни привариваются к короткозамыкающим кольцам, имеющим отверстия, куда перед сваркой вставляются стержни обмотки.

Асинхронные машины с фазным ротором имеют па роторе обмотку, которая выполняется так же, как и обмотка статора. Трехфазная обмотка соединяется звездой, выводы ее присоединены к контактным кольцам (рис. 3.2.6), поэтому асинхронную машину с фазным ротором также называют асинхронной машиной с контактными кольцами.

Контактные кольца — чугунные или медные, запрессовываются на пластмассовый цилиндр (втулку), который насаживается на вал двигателя. Концы обмотки ротора подводятся через внутреннее отверстие в пластмассовом цилиндре к трем контактным кольцам.

Токосъемное устройство состоит из щеток и щеткодержателей. Последние установлены на изолированной части пальца, металлический конец которого жестко крепится на приливе подшипникового щита.

Кольца с помощью щеток подключают к трехфазному реостату, предназначенному для улучшения пусковых характеристик или для регулирования частоты вращения ротора. В некоторых сложных электрических приводах к кольцам ротора подводят регулируемое напряжение от независимого.

Рис. 3.2.6. Внешний вид ротора (а) и условное графическое обозначение (б) асинхронного двигателя с контактными кольцами:

1 — обмотка; 2 — контактные кольца; 3 — ват источника питания, что также позволяет изменять по желанию частоту вращения ротора асинхронной машины. Обычно в рабочем режиме асинхронного двигателя кольца фазного ротора замыкают накоротко.

Наибольшее распространение получили двигатели с короткозамкнутым ротором, которые значительно дешевле в изготовлении и надежнее в эксплуатации. В настоящее время использование специальных серийных электронных преобразователей — устройств плавного пуска и преобразователей частоты — настолько расширяет функциональные возможности асинхронных двигателей с КЗ ротором, что сводит на нет возможные преимущества по управлению АД с фазным ротором.

В дальнейшем при рассмотрении свойств асинхронных машин не всегда будем различать два тина ротора, поскольку многостержневая (многофазная) обмотка тина «беличье колесо» мало отличается по электрическим свойствам от трехфазной обмотки. В качестве доказательства эквивалентности свойств приведем следующие рассуждения: возьмем КЗ ротор и разделим стержни на три группы, мысленно заменим каждую группу одним короткозамкнутым витком. Таким образом, мы получили фазный ротор с одним витком и закороченными щетками.

Рассмотрим конструкцию АД с КЗ ротором двигателя серии 4А, общий вид которого представлен на рис. 3.2.7.

Короткозамкнутый ротор 5 напрессовывается на вал 2 и устанавливается в подшипниковых щитах 3 и 9 на подшипниках 1 и 11. Подшипниковые щиты 3 и 9 прикрепляются к торцам статора 6 с двух сторон. К свободному концу вала 2 присоединяется механическая нагрузка. На другом конце вала укрепляют вентилятор 10 (двигатель закрытого обдуваемого исполнения). Интенсивный отвод тепла, выделяемого в магнитонроводе и обмотках статора и ротора, обеспечивается вентилятором 10. Вентилятор закрыт кожухом 12, направляющим поток воздуха на станину с развитой поверхностью — ребрами 13. Перемешивание воздуха внутри АД обеспечивается лопатками, отлитыми на роторе, что улучшает теплоотдачу на корпус двигателя. Такая закрытая конструкция АД позволяет обеспечить интенсивный отвод тепла без организации потоков воздуха внутри двигателя. Двигатели закрытого исполнения лучше защищены от попадания грязи и ныли.

Рис. 3.2.7. Общий вид асинхронного двигателя внутрь машины и способны работать в более тяжелых условиях, чем машины открытого исполнения, где охлаждающий воздух проходит внутри машины в воздушном зазоре между ротором и статором или по специальным вентиляционным отверстиям. Для прикрепления двигателя к фундаменту или раме на корпусе выполнены лапы 14 с отверстиями.

Каждый электродвигатель снабжается техническим паспортом в виде приклепанной металлической таблички (шильдика), на которой приведены основные характеристики электрической машины.

В паспорте указан тип двигателя. Например, электродвигатель типа «АИР10 082УЗ»: асинхронный электродвигатель серии АИР закрытого исполнения с высотой оси вращения 100 мм, с короткой длиной корпуса, двухполюсный, климатического исполнения У, категории 3.

Заводской номер дает возможность отличить электрическую машину среди однотипных.

Далее приведены цифры и символы, которые расшифровываются следующим образом:

• • «3 ~" — двигатель трехфазного переменного тока;
• • «50 Hz» — частота переменного тока (50 Гц), при которой электрический двигатель должен работать;
• • «4,0 KW» — номинальная полезная мощность на валу электродвигателя;
• • «coscp = 0,89» — коэффициент мощности;
• • «220/380V», «13,6/7,8 А» — при соединении обмотки статора в треугольник она должна включаться на напряжение 220 В, а при соединении в звезду — на напряжение 380 В. При этом электрическая машина, работающая с номинальной нагрузкой, потребляет 13,6 А при включении на треугольник и 7,8 А — при включении на звезду;
• • «S1» — двигатель предназначен для длительного режима работы;
• • «2880 об/мин» — частота вращения электродвигателя при номинальной нагрузке и частоте сети 50 Гц. Если электродвигатель работает вхолостую, частота вращения ротора приближается к частоте вращения магнитного поля статора;
• • «КПД = 86,5%» — номинальный коэффициент полезного действия двигателя, соответствующий номинальной нагрузке на его валу;
• • «1Р44» — степени защиты электрической машины, обеспечиваемые оболочками;
• • «F» — класс нагревостойкости изоляции.

Задание 3.2.1. При изготовлении асинхронных машин электрическая изоляция листов стали друг от друга необходима…

Варианты ответа:

• 1. Для пакета статора и пакета ротора.
• 2. Только для пакета ротора.
• 3. Только для пакета статора.