УСТРОЙСТВО АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЯ ИХ ОСНОВНЫХ СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ
Асинхронные двигатели по своему устройству бывают двух типов: с короткозамкнутым и фазным ротором, последние называют также двигателями с контактными кольцами. Устройство асинхронной электродвигателя с короткозамкнутым ротором показано на рис. 96, конструкции короткозамкнутых роторов — на рис. 97, а, б, а форма пазов роторов — на рис. 98. В двигателях с короткозамкнутым ротором его обмотка представляет собой ряд медных или алюминиевых стержней, расположенных в пазах сердечника, ротора и замкнутых по торцам кольцами. Такую обмотку ротора называют «беличья клетка».
Форма пазов и конструкция обмотки короткозамкнутого ротора определяются мощностью электродвигателя и требованиями к его пусковом характеристикам, Короткозамкнутые электродвигатели мощностью до 75 кВт имеют обычно пазы, показанные на рис. 98, а, и литую обмотку из алюминия, двигатели выше 75 кВт с более высоким пусковым моментом — узкие глубокие пазы, изображенные на рис. 98, б, в: В данном случае высокий пусковой момент достигается за счет эффекта вытеснения тока, возрастающего с увеличением высоты стержня в пазу.
Рис. 96. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии А02 (закрытое обдуваемое исполнение):
1 — вал, 2- подшипниковый щит, 3, 4 и 5 — корпус, обмотка и сердечник статора, 6 — сердечник ротора, 7 - обмотка ротора (короткозамкнутая), 8 — вентилятор, 9 — кожух вентилятора, 10 — коробка выводов
Чтобы в асинхронных электродвигателях мощностью выше 100 кВт с числом полюсов получить требуемый пусковой момент, применяют роторы с фигурными пазами (рис. 98, г, д, е).
Рис. 97. Короткозамкнутые роторы асинхронных электродвигателей:
а — со сварной обмоткой «беличья клетка», б — с литой обмоткой
Рис. 98. Формы пазов короткозамкнутых роторов асинхронных двигателей:
а — г — глубокие, д — э — фигурные
Роторы асинхронных электродвигателей, предназначенных для работы в качестве приводов механизмов с тяжелыми условиями пуска, имеют пазы, показанные на рис. 98,ж,з, и двухклеточную конструкцию обмотки. В таком роторе на каждом зубцовом делении размещены один над другим два стержня. Верхняя группа стержней, лежащая ближе к зазору, образует пусковую обмотку, а нижняя группа стержней — рабочую.
Двойная клетка может быть выполнена в двух вариантах: с общими замыкающими кольцами, расположенными на торцах ротора и замыкающими одновременно стержни пусковой и рабочей обмоток; с раздельными замыкающими кольцами, когда на каждом торце ротора располагают по два кольца, одно из которых замыкает только стержни пусковой обмотки, а другое - стержни рабочей.
Роторы с пазами круглой формы в современных электрических машинах почти не применяются и встречаются при ремонте маломощных машин старых конструкций.
Короткозамкнутые обмотки роторов асинхронных двигателей бывают двух конструктивных исполнений: сварные из медных стержней, приваренных или припаянных к замыкающим кольцам, расположенным в торцах ротора; литые с алюминиевыми стержнями, образованными заливкой пазов ротора алюминием. При литых конструкциях одновременно со стержнями отливают и замыкающие кольца с лопатками, выполняющими при работе машины роль вентилятора.
Электродвигатели с короткозамкнутыми роторами широко распространены, из-за простоты конструкции и высокой надежности в работе.
Принципиально сходными с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, но конструктивно более сложными являются двигатели с фазным ротором, поэтому ниже приводится более подробное описание их устройства.
Асинхронный защищенный двигатель с фазным ротором (рис. 99) состоит из станины 13, во внутренней расточке которой расположен сердечник 14, скрепленный скобами 77, уложенными в специальные углубления, и запрессованный во внутреннюю расточку станины.
Рис. 99. Асинхронный электродвигатель с фазным ротором
Положение сердечника фиксируется штифтами 15, предотвращающими его смещение в радиальном направлении. В полузакрытые пазы сердечника уложена всыпная двухслойная обмотка 33 из круглого эмаль-провода. Витки обмотки изолированы в пазах сердечника пазовой изоляцией, выполненной в виде коробочки из лако-пленкослюдопласта.
Для удобства присоединения концов обмотки к электрической сети коробка вводов 11 поворотной конструкции расположена сверху станины и закреплена на ней болтами 10. Коробка вводов герметизирована прокладками 9 и 12.
Сердечник 16 ротора собран на валу 1 из изолированных листов электротехнической стали и прочно стянут чугунными нажимными шайбами 18, запертыми, стопорными кольцами 5. В полузакрыты пазы ротора уложена обмотка 32, удерживаемая в пазовой части клиньями. Лобовые части роторной обмотки опираются на изолированные металлические кольца 19, укрепленные на нажимных шайбах, и с помощью бандажей 8 из стеклоленты удерживаются от деформирующих воздействий, вызванных центробежными силами.
Трехфазная обмотка ротора соединена в звезду, а три свободных конца обмотки выведены через отверстия в центральной части вала к контактным кольцам. Соединение выводов обмотки ротора с контактными кольцами осуществляется хомутиками 30.
Контактные кольца 28 насажены на конец вала 1 за подшипниковым щитом 22 на изоляционные втулки 29, что обеспечивает легкий и удобный доступ к контактным кольцам и щеткодержателям. Такой компоновкой достигается максимальная унификация двигателей, что позволяет иметь для двигателей с короткозамкнутым и фазным роторами одинаковые статоры, подшипниковые щиты и другие детали и сборочные единицы. Конструкция двигателя обеспечивает возможность его разборки без снятия контактных колец, для чего их наружный диаметр выполняется меньшим, чем диаметр отверстия под подшипник в щите 22. Наружная крышка подшипника 23 прижимается к последнему корпусом 26 контактных колец, к которому через изоляционные втулки крепятся щеткодержатели 25. Соединительные провода от щеток выведены в коробку выводов контактных колец.
Вал 1 двигателя вращается в подшипниках качения. Со стороны привода находится роликовый подшипник 3, способный выдержать большие нагрузки. Шариковый подшипник 23 поджат в аксиальном направлении кольцевой волнистой пружиной 24, что обеспечивает компенсацию теплового удлинения вала. Подшипники с наружной и внутренней сторон закрыты чугунными крышками 2 и 4. Вентиляция двигателя аксиальная. Перемещение воздуха осуществляется вентиляторами 20, укрепленными на нажимных шайбах. Забор воздуха происходит через отверстия в подшипниковых щитах 7 и 22, закрытые жалюзи б. Выбрасывается горячий воздух через отверстие в средней - части станины, также закрытое жалюзи 34. Для создания направленного потока воздуха служат диффузоры 21. Охлаждение контактных колец производится потоком воздуха, создаваемым их вентиляционным действием. Для забора воздуха в крышке 27 корпуса контактных колец предусмотрены, жалюзи 31, а для выхода воздуха — отверстия в корпусе 26.
Защищенные двигатели предназначены для работы в отапливаемых и неотапливаемых помещениях при температуре от —40 до +40 °С. Жалюзи на подшипниковых щитах, станине и крышке корпуса контактных колец обеспечивают защиту персонала от возможности соприкосновения пальцев с токопроводящими или движущимися частями, предохраняют машины от попадания посторонних твердых тел диаметром не менее 12,5 мм и капель воды, падающих под углом не более 60° к вертикали.
Особенность асинхронных электродвигателей — отсутствие электрической связи обмотки ротора с источником электроэнергии. Ток в обмотке ротора возникает исключительно за- счет индуктивной (трансформаторной) связи этой обмотки с обмоткой статора, поэтому асинхронные машины называют также индукционными.
Трехфазный асинхронный двигатель работает следующим образом. При включении в сеть обмотки статора возникает вращающееся магнитное поле, пересекающее проводники обмотки ротора и наводящее в них ЭДС. Но поскольку обмотка ротора замкнута, в проводниках возникают токи. Взаимодействие этих проводников с магнитным полем статора создает на проводниках обмотки ротора электромагнитные силы, стремящиеся повернуть ротор в направлении вращения, магнитного поля статора. Совокупность сил, приложенных к проводникам, создает на роторе электромагнитный момент, приводящий его во вращение с частотой, близкой к частоте вращения поля статора. Вращение ротора передается валом исполнительному, механизму. Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку Статора, преобразуется в механическую энергию вращения вала двигателя.
Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора зависят от порядка чередования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. Частота вращения ротора асинхронной машины всегда меньше частоты вращения поля статора, поскольку только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора. Разность частот ротора и вращающегося поля статора выражается скольжением, которое называют номинальным, если оно соответствует номинальной нагрузке двигателя. Для асинхронных двигателей нормального исполнения мощностью, от 1 до
1000 кВт номинальное скольжение приблизительно составляет от 6 до 2% соответственно.
Преобразование энергии в асинхронном двигателе, как и во всякой, электрической машине, связано с ее потерями. Эти потери делят на механические, электромагнитные и электрические.
Механические потери, являясь основным видом потерь в асинхронных двигателях, обусловлены трениями в подшипниках и вращающихся частей о воздух.
При необходимости включения двигателя с нагрузкой на валу в качестве привода применяют асинхронные двигатели с фазным ротором (с контактными кольцами), в цепь ротора которых включают пусковой реостат и таким образом увеличивают ее активное сопротивление. При этом снижается пусковой ток и увеличивается пусковой момент двигателя. Из-за возможности регулирования пускового тока и увеличения пускового момента асинхронный двигатель с фазным ротором в ряде случаев становится незаменимым видом электропривода.
