Описание устройства асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (их называют двигателями с контактными кольцами). Конструктивно статоры этих двигателей отличий не имеют. По степени защиты двигатели выполняют закрытыми обдуваемыми (исполнение IP44, IP54) и защищенными (исполнение IP23). В закрытых двигателях со степенями защиты IP44 и IP54 более 90% тепла, обусловленного потерями мощности, отводится воздухом с поверхности корпуса.

Двигатели с короткозамкнутым ротором являются наиболее дешевыми, надежными и поэтому самыми распространенными из всех электрических двигателей; электропромышленность выпускает их десятки миллионов в год.

На рис. 1.9 показан общий вид наиболее распространенного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором закрытого обдуваемого исполнения. В сердечнике статора 1 расположена трехфазная обмотка 2. Обмотка ротора 3 — короткозамкнутая, в виде «беличьего колеса» (общепринятое название «обмотка в виде беличьей клетки»).

Сердечник статора закрепляют в корпусе 4, а сердечник ротора 5 — на валу 6 (машины малой мощности) или на ободе с крестовиной и втулкой, надетой на вал (машины большой мощности). Вал ротора вращается в подшипниках 7, установленных в подшипниковых щитах 8, прикрепляемых к корпусу статора. Конструкция оболочки (корпус, щиты и т. д.) в значительной степени зависит от исполнения машины по степени защищенности и от выбранной системы охлаждения. В обдуваемой машине (рис. 1.9) для лучшего охлаждения корпус снабжен ребрами 9. Центробежный вентилятор 10, расположенный на валу двигателя снаружи оболочки машины, обдувает ребристый корпус двигателя. Вентилятор закрыт воздухонаправляющим кожухом 11.

Внутри машины воздух перемешивается вентиляционными лопатками 12, отлитыми вместе с короткозамыкающими кольцами 13 обмотки 3 ротора. В мощных двигателях для повышения интенсивности охлаждения воздух прогоняется через аксиальные каналы ротора, образованные воздухопроводящими трубками и дисками, предотвращающими попадание наружного воздуха и влаги к обмоткам статора. На корпусе крепится коробка выводов 14, в которой установлена клеммная панель с выведенными концами обмотки статора. Количество выводов обмотки может быть шесть (начала и концы всех трех фаз обмотки, для возможности соединения обмотки статора по схеме «звезда» или «треугольник») или три, если в двигателе предусмотрена лишь одна схема соединения обмоток статора.

Сердечник статора (магнитопровод) набирают из отштампованных кольцеобразных листов электротехнической стали толщиной 0,350,5 мм. С внутренней стороны кольца выштампованы пазы для размещения обмотки. Листы изолируют оксидной пленкой или лаком и спрессовывают в сердечник, скрепляя его сваркой, скобками или шпильками. В машинах свыше 400 кВт в сердечниках для лучшего охлаждения выполняют радиальные каналы: разделяют сердечник на ряд пакетов с установкой между ними стальных прокладок.

В пазы магнитопровода статора укладывают обмотку, изготовленную из медного изолированного провода круглого или прямоугольного сечения. Обмотки из провода прямоугольного сечения изготавливают в виде жестких секций и укладывают в открытые или полуоткрытые пазы (рис. 1.10, а, б). Обмотки из провода круглого сечения всыпают в полузакрытые пазы через шлиц в пазу (рис. 1.11) с помощью специальных станков.

В современных асинхронных машинах в качестве межвитковой и корпусной изоляции используют изоляционные материалы классов нагревостойкости В и F, а для специальных машин, работающих в тяжелых условиях, материалы класса Н.

Магнитопровод ротора набирают из изолированных листов электротехнической стали с выштампованными пазами. В короткозамкнутых роторах пазы заливают алюминием; при этом образуются стержни «беличьей клетки» (рис. 1.9). Одновременно отливают короткозамыкающие торцевые кольца и вентиляционные лопасти. В более крупных машинах в пазы ротора вставляют медные (бронзовые, латунные) стержни, концы которых вваривают (впаивают) в короткозамыкающие медные кольца. Магнитопровод ротора вместе с короткозамкнутой обмоткой напрессовывают на вал.

Двигатели с фазным ротором находят меньшее применение, чем с короткозамкнутым ротором, и выпускаются промышленностью главным образом мощностью свыше 100 кВт. На рис. 1.12 представлен общий вид асинхронного двигателя с фазным ротором защищенного исполнения.

Статор двигателя с фазным ротором конструктивно не отличается от статора двигателя с короткозамкнутым ротором. Сердечник статора 1, как и в двигателе с короткозамкнутым ротором, запрессован в корпус 2. В пазах сердечника статора размещена обмотка 3. В пазах сердечника ротора 4 уложена распределенная трехфазная обмотка 5. Для лучшего охлаждения магнитопроводы статора и ротора в машинах большой и средней мощности разделены на отдельные пакеты, между которыми имеются вентиляционные каналы. Лопасти вентилятора 6, установленного на валу 7, засасывают воздух в машину через отверстия 8 в подшипниковых щитах 9 и выбрасывают его через отверстия 17 в корпусе 2 двигателя.

Контактные кольца 12 расположены вне оболочки машины.

Выводные концы 10 обмотки ротора 5 проходят через центральное отверстие в валу 7 и подключаются к трем контактным кольцам 12 болтами. Щеткодержатели 13 со щетками прикрепляются щеточной траверсой 14 к подшипниковому щиту 11. Токосъемное устройство закрыто коробкой 16. В роторах этих двигателей применяют обмотку всыпную из провода круглого сечения или обмотку, состоящую из жестких секций, укладываемых в открытые пазы, в том числе из отдельных стержней, вкладываемых в полузакрытые пазы с торца. Обмотку ротора при изготовлении соединяют в звезду (иногда в треугольник). Три конца от фазных обмоток присоединяют к контактным кольцам, установленным на вал двигателя.

Асинхронные двигатели являются основными двигателями промышленных электроприводов. В нашей стране выпуск трехфазных асинхронных двигателей превышает 10 млн штук в год.

В современном электромашиностроении асинхронные двигатели, как правило, выпускают сериями. В СССР впервые в мировой практике в 1946;1948 г. была разработана первая единая государственная серия асинхронных машин общего назначения мощностью до 100 кВт — серия, А (АО). В 60-е годы ХХ века была разработана серия А2 (АО2).

В 70-е годы в СССР была разработана и освоена единая серия асинхронных двигателей 4А. Впервые одновременно с разработкой конструкции электродвигателей серии 4А создавались типовая технология и технологическое оборудование с автоматизацией обмоточных работ. Для унификации и взаимозаменяемости технологического оборудования для двигателей серии стандартизованы шкала мощностей и установочно-присоединительные размеры в соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК) по стандартизации параметров и характеристик электротехнических изделий. Необходимость международной стандартизации в этой области обусловлена развитием международной торговли электротехническим и промышленным оборудованием.

Двигатели серии 4А выпускались в 80-х годах ХХ столетия массово и в настоящее время эксплуатируются практически на всех промышленных предприятиях России и СНГ. Серия охватывает диапазон мощностей от 0,6 до 400 кВт и построена на 17 стандартных высотах оси вращения от 50 до 355 мм. Серия включает основное исполнение двигателей, ряд модификаций и ряд специализированного исполнения.

Двигатели основного исполнения — это двигатели с короткозамкнутым ротором общего назначения, рассчитанные на частоту сети 50 Гц. Их исполнение по степени защиты — IP 44 (закрытое исполнение) во всем диапазоне высот вращения и IP 23 (защищенное исполнение) в диапазоне высот осей вращения 160−355. IP — первые буквы английских слов International Protection (защита по международному классу). Две цифры характеризуют степень защиты персонала от соприкосновения с токоведущими частями, находящимися внутри машины; вторая — степень защиты машины от проникновения воды внутрь машины. Машины закрытого исполнения работают в более тяжелых по условиям охлаждения режимах, чем машины защищенного исполнения. Их выполняют с меньшими электромагнитными нагрузками.

Обозначение двигателя основного исполнения серии 4А состоит из девяти позиций:

. (1.13).

Позиции в порядке следования номеров означают:

• 1 — порядковый номер серии (четвертая);
• 2 — род двигателя (асинхронный);
• 3 — исполнение по степени защиты: буква Н — исполнение IP23, отсутствие буквы — исполнение IP44;
• 4 — исполнение по материалу станины и щитов: буква, А — станина и щиты алюминиевые, буква Х — станина алюминиевая, щиты чугунные или наоборот, отсутствие буквы — станина и щиты чугунные или стальные;
• 5 — высота оси вращения (две или три цифры), мм;
• 6 — установочный размер по длине станины (условная длина станины: буквы S — меньший, М — средний, L — больший);
• 7 — длина сердечника статора: буквы, А — меньшая или В — большая при одинаковом установочном размере S, М, или L; отсутствие бук-вы означает, что при данном установочном размере выполняется только одна длина сердечника;
• 8 — число полюсов двигателя (одна или две цифры);
• 9 — климатическое исполнение (буква У);
• 10 — категория размещения (цифры 3 или 2).

Примеры условного обозначения основного исполнения трехфазных асинхронных двигателей серии 4А:

• 4АА80В6У3 — асинхронный двигатель четвертой серии с короткозамкнутым ротором, степень защиты IP44, щиты и станина алюминиевые, высота оси вращения 80 мм, сердечник статора большей длины (В), шестиполюсный, для эксплуатации в условиях умеренного климата (У), в закрытых неотапливаемых помещениях (3);
• 4АНК250SА4У3 — асинхронный двигатель четвертой серии с фазным ротором, степень защиты IP23, станина и щиты чугунные, высота оси 250 мм, сердечник статора малой длины (А), четырехполюсный, для эксплуатации в условиях умеренного климата (У), в закрытых неотапливаемых помещениях (3).

Двигатели различных модификаций и специализированного исполнения имеют те же обозначения, что и основного, но с добавочными буквами, проставляемыми либо после названия серии, либо после цифры, обозначающей число полюсов:

• 4АР… — двигатели с повышенным пусковым моментом;
• 4АС… — двигатели с повышенным номинальным скольжением;
• 4АК, 4АНК… — двигатели с фазным ротором исполнения IP44 и IP23 соответственно.

В многоскоростных двигателях (ступенчатое регулирование частоты вращения переключением числа пар полюсов) числа пар полюсов обозначаются через черту: 4А160М12/8/6/4У3 — двигатель, обмотки статора которого переключают по двенадцати-, восьми-, шестии четырехполюсной схеме, соответственно частота вращения магнитного поля двигателя 500/750/1000/1500 об/мин. Габаритные, установочные и присоединительные размеры многоскоростных асинхронных двигателей соответствуют односкоростным двигателям, на базе которых они спроектированы.

В 80-х годах ХХ столетия разработана серия асинхронных двигателей АИ. В ее разработке приняли участие страны Восточной Европы, входившие в организацию «Интерэлектро», что отражено в названии серии. Серия охватывает диапазон номинальных мощностей от 0,025 до 400 кВт. Серия разработана на 18 стандартных высотах оси вращения от 45 до 355 мм. В качестве основного исполнения двигателей серии АИ принято закрытое исполнение со степенью защиты IP54, защищенное исполнение IP23 отнесено к модификациям. Двигатели выпускают по привязке мощностей в двух вариантах: для размещения внутри страны (в обозначении буква Р) и для поставки на экспорт (в обозначении буква С). После обозначения варианта двигателя по привязке мощностей следуют обозначения, аналогичные обозначениям серии 4А, начиная с 3-го номера формулы (1.13), например, АИРХ160S8.

Отличие этой серии состоит в изготовлении двигателей закрытого исполнения по степени защиты IP54.

В серии АИ предусмотрены практически такие же модификации и специализированные исполнения, что и в серии 4А с сохранением символов и их расположения в обозначении двигателя.

Результатом модернизации и совершенствования конструкции двигателей серий 4А и АИ являются двигатели выпускаемых серий 5А, 6А и RA (Российская асинхронная).