Принцип работы асинхронного электрического двигателя

Теория электромагнетизма, ключевая для процессов, происходящих в электрическом двигателе, является слишком сложной, поэтому, чтобы понять принцип действия электродвигателя в общем, будет достаточно упрощённого объяснения теоретических основ.

Для последовательного перехода к пониманию превращения электрической энергии в механическую, необходимо освежить в памяти базовые понятия из школьного курса физики:

  • Вокруг намотанного на катушку проводника при протекании внутри него постоянного электрического тока возникает электромагнитное поле, идентичное по характеристикам полю обычного магнита;
  • Сердечник из железа и его сплавов, помещённый внутрь катушки, улучшает прохождение электромагнетического потока, что усиливает магнитные взаимодействия;
  • Переменный ток в катушке всё время перемагничивает сердечник, называемый магнитопроводом, изготовляемым из специальной электромагнитной стали;
  • Движение проводника поперек магнитных линий индуцирует в нём электродвижущую силу (ЭДС);
  • Магнитный поток передаётся между двумя магнитопроводами через небольшой воздушный зазор;

Принцип действия статора

Катушки асинхронного электродвигателя называют обмотками, которые располагаются в пазах статора. У трехфазных асинхронных моторов имеются одинаковые фазные обмотки, размещённые симметрично друг к другу, и их оси образуют угол 120º.

Синусоида каждой фазы обмотки двигателя

Как известно, синусоида тока каждой фазы, относительно предыдущей, сдвинута на треть периода, из-за чего силы магнетических потоков в обмотках изменяются по такому же принципу. Сложив векторы направленности электромагнетического поля в отдельно взятый момент времени, можно получить суммарный магнитный поток.

Складывая данные векторы через разные интервалы периода можно заметить, что направление суммарного магнитного потока вращается синхронно колебаниям тока. Данные вращения магнетического потока можно рассматривать как вращающийся постоянный подковообразный магнит.

Таким образом, принцип работы двигателя переменного тока (синхронного или асинхронного) состоит в создании вращающегося электромагнитного поля статора.

Принцип синхронного вращения

Если для опыта подковообразный магнит прикрепить на ось вращения, то любой металлический предмет, закреплённый между полюсами на независимой оси, будет двигаться синхронно. Логично будет поместить в центр статора с трехфазными обмотками ротор в виде постоянного магнита, чтобы получить синхронный электродвигатель.

Синхронный электродвигатель

Но, даже если использовать мощные современные магниты, вихревые токи, образующиеся при переменном электромагнитном поле, будут нагревать ротор, тем самым лишая его магнитных свойств, которые зависят от температуры постоянного магнита. В отношении статора данную проблему решили, собрав сердечник в виде пластин из специальной электротехнической стали.

Статор собран из листов электротехнической стали . а) Собранный вид , б) сам статор

Собрать таким способом ротор в виде пластинчатого постоянного магнита невозможно, поэтому использовали катушки возбуждения, являющиеся постоянным электромагнитом. Данный принцип действия электродвигателя является синхронным – роторный вал движется синхронно с электромагнитным полем статора, пребывающим во вращении.

Принцип действия асинхронного двигателя

В асинхронном электродвигателе с короткозамкнутым ротором нужно выделить два ключевых момента:

  • Индукция электрического тока в короткозамкнутых витках  обмотки ротора,  из-за  вращающегося  электромагнитного поля статора;
  • Возникновение магнитного потока роторных обмоток, взаимодействующего с пребывающим во вращении магнитным полем статора.

Рассмотреть процессы возникновения магнетического поля ротора нужно с момента запуска двигателя. Электромагнитное поле статора начинает вращение сразу же после подачи напряжения на статорные обмотки. Вал ротора находится в это время в состоянии покоя, и в его витках индуцируется переменный ток с частотой вращения поля.

В каждый момент времени, при прохождении полюса вращающегося электромагнитного поля около отдельно взятого короткозамкнутого витка, в нём создаётся взаимодействующее магнитное поле, которое стремится притянуть роторный виток вслед удаляющемуся полюсу движущегося электромагнитного поля.

Данные процессы происходят во всех короткозамкнутых витках при вращении поля вокруг них, из-за чего появляется суммарный вращательный момент роторного вала. Таким образом, принцип работы электродвигателя асинхронного типа состоит во взаимодействии электромагнитных полей статора и ротора.

Эффект скольжения

По мере набора оборотов валом двигателя, частота пересечения короткозамкнутых роторных витков силовых линий вращающегося магнитного потока будет уменьшаться. Вал двигателя будет стремиться догнать вращающееся поле.

Но, как только роторный вал и статорное поле установятся в состоянии покоя относительно друг друга, короткозамкнутые витки перестанут пересекать силовые линии электромагнитного поля, а значит, в них не будет индуцироваться электрический ток. Исчезновение ЭДС в витках ротора приведёт к потере момента вращения. Данное состояние электродвигателя называют идеальным холостым ходом.

Но в реальных условиях, сила трения будет приводить к потере инерции, и ротор электродвигателя будет запаздывать по отношению к пребывающему во вращении статорному полю, что вызовет возникновение ЭДС в короткозамкнутых витках из-за их пересечения силовых линий магнитного потока.

Данный эффект называют скольжением ротора относительно поля статора, с которым он никогда не сможет установиться в состоянии покоя и вращаться с ним синхронно.

Поэтому такие двигатели называют асинхронными (не синхронными). Иными словами, принцип работы двигателя с короткозамкнутым ротором состоит в эффекте скольжения, являющегося необходимым для возникновения ЭДС в роторных витках.

Оптимальный режим скольжения

Очевидно, что максимальная ЭДС в короткозамкнутых витках будет наводиться в момент запуска, но шихтованный роторный магнитопровод не рассчитан на столь частое перемагничивание, поэтому в данном режиме КПД электродвигателя и его вращательный момент будет низким.

С другой стороны, при приближении к синхронному движению роторного вала и поля статора, ЭДС будет приближаться к нулю, что также приведёт к исчезновению момента. Поэтому асинхронный электродвигатель, имеющий короткозамкнутые роторные витки, рассчитывают таким образом, чтобы коэффициент скольжения


составлял 2÷5%. В данных пределах характеристики мотора будут максимальными.

Похожие статьи

Поделитесь статьей с друзьями:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *