На каком физическом законе основан принцип действия электрических машин

Электрический двигатель — электрическая машина (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия, посредством магнитного поля, преобразуется в механическую.

Асинхро́нный электродвигатель (также Асинхронная машина) — электрический двигатель переменного тока, частота вращения ротора которого не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

В ряде стран к асинхронным двигателям причисляют также коллекторные двигатели. Второе название асинхронных двигателей — индукционные, это обусловлено тем, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора. Асинхронные машины сегодня составляют бо́льшую часть электрических машин, применяются главным образом в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую, в подавляющем большинстве это асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКЗ).

1. Закон электромагнитной индукции Фарадея:

где   — ЭДС,   — магнитный поток,   — магнитная индукция в данной точке поля,   — активная длина проводника в пределах равномерного магнитного поля с индукцией  , расположенного в плоскости, перпендикулярной к направлению магнитных силовых линий,   — скорость проводника в плоскости, нормальной к  , в направлении, перпендикулярном к  .

2. Закон полного тока для магнитной цепи (1-е уравнение Максвелла в интегральной форме):

где   — вектор напряженности магнитного поля,   — элементарное перемещение вдоль некоторого пути в магнитном поле,   — величина полного тока, который охватывается контуром интегрирования.

3. Закон электромагнитных сил (закон Ампера).

1-й закон: Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться без потерь, его КПД всегда меньше 100 %.

2-й закон: Все электрические машины обратимы, одна и та же машина может работать как в режиме двигателя так и в режиме генератора.

3-й закон: Электромеханическое преобразование энергии осуществляется неподвижными друг относительно друга полями. Ротор может вращаться с той же скоростью, что и поле (в синхронных машинах), или с другой скоростью (в асинхронных машинах), однако поля статора и ротора в установившемся режиме неподвижны относительно друг друга.

В основу работы подавляющего числа электрических машин положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из неподвижной части — статора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока), подвижной части — ротора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или якоря (для машин постоянного тока). В роли индуктора на маломощных двигателях постоянного тока очень часто используются постоянные магниты.

Ротор асинхронного двигателя может быть:

• короткозамкнутым;
• фазным (с обмоткой) — используются там, где необходимо уменьшить пусковой ток и регулировать частоту вращения асинхронного электродвигателя. В большинстве случаев это крановые электродвигатели серии МТН, которые повсеместно используются в крановых установках.

Якорь — это подвижная часть машин постоянного тока (двигателя или генератора) или же работающего по этому же принципу так называемого универсального двигателя (который используется в электроинструменте).

По сути, универсальный двигатель — это тот же двигатель постоянного тока (ДПТ) с последовательным возбуждением (обмотки якоря и индуктора включены последовательно). Отличие только в расчётах обмоток. На постоянном токе отсутствует реактивное (индуктивное или ёмкостное) сопротивление. Поэтому любая «болгарка», если из неё извлечь электронный блок, будет вполне работоспособна и на постоянном токе, но при меньшем напряжении сети.

Принцип действия трёхфазного асинхронного электродвигателя

При включении в сеть в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора и наводит в ней ток индукции. Отсюда, следуя закону Ампера (на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует отклоняющая сила), ротор приходит во вращение. Частота вращения ротора зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов.

Разность между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора характеризуется скольжением. Двигатель называется асинхронным, так как частота вращения магнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора.

Синхронный двигатель имеет отличие в конструкции ротора. Ротор выполняется либо постоянным магнитом, либо электромагнитом, либо имеет в себе часть беличьей клетки (для запуска) и постоянные магниты или электромагниты. В синхронном двигателе частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора совпадают. Для запуска используют вспомогательные асинхронные электродвигатели, либо ротор с короткозамкнутой обмоткой. Синхронные двигатели сложнее и дороже асинхронных, а посему применяются значительно реже.

Асинхронные двигатели нашли широкое применение во всех отраслях техники. Особенно это касается простых по конструкции и прочных трёхфазных асинхронных двигателей с коротко-замкнутыми роторами, которые надёжнее и дешевле всех электрических двигателей и практически не требуют никакого ухода. Там, где нет трёхфазной сети, асинхронный двигатель может включаться в сеть однофазного тока.

Статор асинхронного электродвигателя состоит, как и в синхронной машине, из пакета, набранного из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, в пазах которого уложена обмотка. Три фазы обмотки статора асинхронного трёхфазного двигателя, пространственно смещённые на 120°, соединяются друг с другом звездой или треугольником.

На рисунке показана принципиальная схема двухполюсной машины — по четыре паза на каждую фазу. При питании обмоток статора от трёхфазной сети получается вращающееся поле, так как токи в фазах обмотки, которые смещены в пространстве на 120° друг относительно друга сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120°.

Для синхронной частоты вращения nc поля электродвигателя с р парами полюсов справедливо при частоте тока  :  

При частоте 50 Гц получаем для   = 1, 2, 3 (двух-, четырёх- и шести-полюсных машин) синхронные частоты вращения поля   = 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Ротор асинхронного электродвигателя также состоит из листов электротехнической стали и может быть выполнен в виде короткозамкнутого ротора (с «беличьей клеткой») или ротора с контактными кольцами (фазный ротор).

В короткозамкнутом роторе обмотка состоит из металлических стержней (медь, бронза или алюминий), которые расположены в пазах и соединяются на концах закорачивающими кольцами. Соединение осуществляется методом пайки твердым припоем или сваркой. В случае применения алюминия или алюминиевых сплавов стержни ротора и закорачивающие кольца, включая лопасти вентилятора, расположенные на них, изготавливаются методом литья под давлением.

У ротора электродвигателя с контактными кольцами в пазах находится трёхфазная обмотка, похожая на обмотку статора, включённую, например, звездой; начала фаз соединяются с тремя контактными кольцами, закреплёнными на валу. При пуске двигателя и для регулировки частоты вращения можно подключить к фазам обмотки ротора реостаты (через контактные кольца и щётки). После успешного разбега контактные кольца замыкаются накоротко, так что обмотка ротора двигателя выполняет те же самые функции, что и в случае короткозамкнутого ротора.

Асинхронные электродвигатели широко применяются в тяжелой промышленности в качестве вспомогательных машин для компрессоров или выпрямительных установок.

• Общая теория электромеханического преобразования энергии;
• Физические явления в электромеханических преобразователях и их математические описания в дифференциальной, алгебраической и векторной форме;
• Принципы действия, конструктивные исполнения и основные характеристики электромеханических преобразователей (трансформаторов, асинхронных и синхронных машин, коллекторных машин постоянного и переменного тока);
• Параметры и режимы работы электрических машин, эксплуатационные требования к ним;
• Тепловые процессы в электрических машинах.

• Основные законы электромеханики
• Классификация электрических машин
• Трансформаторы
• Машины постоянного тока
• Асинхронные машины
• Синхронные машины

• Леонтьев Г. А., Зенина Е. Г. Исследование асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором. — Волгоград.: Волгоградский гос. тех. ун-т., 2000.
• Вешеневский С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе. Издание 6-е, исправленное. Москва, Издательство «Энергия», 1977. Тираж 40 000 экз. УДК 62-83:621,313.2

По принципу возникновения вращающего момента электродвигатели можно разделить на гистерезисные и магнитоэлектрические. У двигателей первой группы вращающий момент создаётся вследствие гистерезиса при перемагничивании ротора. Данные двигатели не являются традиционными и не широко распространены в промышленности.

Наиболее распространены магнитоэлектрические двигатели, которые по типу потребляемой энергии подразделяется на две большие группы — на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока (также существуют универсальные двигатели, которые могут питаться обоими видами тока).

Двигатели постоянного тока

Данная группа двигателей в свою очередь разделяется по способу переключения фаз и наличию обратной связи подразделяется на:

По типу возбуждения коллекторные двигатели можно разделить на:

1. Двигатели с независимым возбуждением от электромагнитов и постоянных магнитов;
2. Двигатели с самовозбуждением.

Двигатели с самовозбуждением делятся на:

1. Двигатели с параллельным возбуждением (обмотка якоря включается параллельно обмотке возбуждения);
2. Двигатели последовательного возбуждения (обмотка якоря включается последовательно обмотке возбуждения);
3. Двигатели смешанного возбуждения (часть обмотки возбуждения включается последовательно с якорем, а вторая часть — параллельно обмотке якоря или последовательно соединённым обмотке якоря и первой обмотки возбуждения, в зависимости от требуемой нагрузочной характеристики).

Бесколлекторные двигатели (вентильные двигатели) — электродвигатели в котором переключение фаз осуществляется с помощью специального электронного блока (инвертора), могут быть с обратной связью с использованием датчика положения ротора, либо без обратной связи, фактически аналог асинхронного.

Двигатели пульсирующего тока

Двигатели переменного тока

Двигатель переменного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током. По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели. Принципиальное различие состоит в том, что в синхронных машинах первая гармоника магнитодвижущей силы статора движется со скоростью вращения ротора (благодаря чему сам ротор вращается со скоростью вращения магнитного поля в статоре), а у асинхронных — всегда есть разница между скоростью вращения ротора и скоростью вращения магнитного поля в статоре (поле вращается быстрее ротора).

Синхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения.

• синхронный двигатель с обмотками возбуждения. Данные двигатели обычно используются при больших мощностях (от сотен киловатт и выше).^[7][8]
• синхронный двигатель с постоянными магнитами;
• синхронный реактивный двигатель;
• гистерезисный двигатель;
• шаговый двигатель;
• гибридный синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами;
• реактивно-гистерезисный двигатель.

Существуют синхронные двигатели с дискретным угловым перемещением ротора — шаговые двигатели. У них заданное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие. Ещё один вид синхронных двигателей — вентильный реактивный электродвигатель, питание обмоток которого формируется при помощи полупроводниковых элементов.

Асинхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением. Эти двигатели наиболее распространены в настоящее время.

По количеству фаз двигатели переменного тока подразделяются на:

• однофазные — запускаются вручную, имеют пусковую обмотку, фазосдвигающую цепь или экранированные полюса;
• двухфазные — в том числе конденсаторные;
• трёхфазные;
• многофазные;

Универсальный коллекторный электродвигатель

Универсальный коллекторный электродвигатель — коллекторный электродвигатель, который может работать и на постоянном, и на переменном токе. Изготавливается только с последовательной обмоткой возбуждения на мощности до 200 Вт. Статор выполняется шихтованным (набранный из отдельных пластин) из специальной электротехнической стали. Обмотка возбуждения включается частично при переменном токе и полностью при постоянном. Для переменного тока номинальные напряжения 127, 220 В, для постоянного 110, 220 В. Применяется в бытовых аппаратах, электроинструментах.

Двигатели переменного тока с питанием от промышленной сети 50 Гц не позволяют получить частоту вращения выше 3000 об/мин. Поэтому для получения высоких частот применяют коллекторный электродвигатель, который к тому же получается легче и меньше двигателя переменного тока той же мощности или применяют специальные передаточные механизмы, изменяющие кинематические параметры механизма до необходимых нам (мультипликаторы).

При применении преобразователей частоты или наличии сети повышенной частоты (100, 200, 400 Гц) двигатели переменного тока оказываются легче и меньше коллекторных двигателей (коллекторный узел иногда занимает половину пространства). Ресурс асинхронных двигателей переменного тока гораздо выше, чем у коллекторных, и определяется состоянием подшипников и изоляции обмоток.

Синхронный двигатель с датчиком положения ротора и инвертором является электронным аналогом коллекторного двигателя постоянного тока.

Строго говоря, универсальный коллекторный двигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включёнными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону. Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин. Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3—5 от номинального (против 5—10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Синхронный электродвигатель возвратно-поступательного движения

<span data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/54b44c5426cc14d4e9109e0166515958829854ee" data-alt="0\leq n_{2} .

Относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением:

 .

Очевидно, что при двигательном режиме <span data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/982c84df5a714d982400df8348eaa629dea9b27f" data-alt="{\displaystyle 0 .

Если ротор разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в обмотке ротора и активной составляющей тока ротора, то есть асинхронная машина перейдёт в генераторный режим. При этом изменит направление и электромагнитный момент, который станет тормозным. В генераторном режиме работы скольжение <span data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/112aa4cd0af4ac71cc1e48adab1a824186c3d15e" data-alt="{\displaystyle s .

Для работы асинхронной машины в генераторном режиме требуется источник реактивной мощности, создающий магнитное поле.
При отсутствии первоначального магнитного поля в обмотке статора поток создают с помощью постоянных магнитов, либо при активной нагрузке за счёт остаточной индукции машины и конденсаторов, параллельно подключенных к фазам обмотки статора.

Асинхронный генератор потребляет реактивный ток и требует наличия в сети генераторов реактивной мощности в виде синхронных машин, синхронных компенсаторов, батарей статических конденсаторов (БСК). Из-за этого, несмотря на простоту обслуживания, асинхронный генератор применяют сравнительно редко, в основном в качестве ветрогенераторов малой мощности, вспомогательных источников небольшой мощности и тормозных устройств.
Генераторный режим асинхронного двигателя используется довольно часто в механизмах с активным моментом: в таком режиме могут работать двигатели эскалаторов метро (при движении вниз), опускании груза в подъёмных кранах, в генераторном режиме также работают двигатели лифтов, в зависимости от соотношения веса в кабине и в противовесе; при этом сочетаются необходимый по технологии режим торможения механизма и рекуперация энергии в сеть с экономией электроэнергии.

Режим холостого хода

Режим холостого хода асинхронного двигателя возникает при отсутствии на валу нагрузки в виде редуктора и рабочего органа. Из опыта холостого хода могут быть определены значения намагничивающего тока и мощности потерь в магнитопроводе, в подшипниках, в вентиляторе. В режиме реального холостого хода s=0,01-0,08. В режиме идеального холостого хода n₂=n₁, следовательно s=0 (на самом деле этот режим недостижим, даже при допущении, что трение в подшипниках не создаёт свой момент нагрузки — сам принцип работы двигателя подразумевает отставание ротора от поля статора для создания поля ротора. При s=0 поле статора не пересекает обмотки ротора и не может индуцировать в нём ток, а значит не создаётся магнитное поле ротора).

Режим электромагнитного тормоза (противовключение)

Если изменить направление вращения ротора или магнитного поля так, чтобы они вращались в противоположных направлениях, то ЭДС и активная составляющая тока в обмотке ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, и машина будет потреблять из сети активную мощность. Однако электромагнитный момент будет направлен встречно моменту нагрузки, являясь тормозящим. Для режима справедливы неравенства:

Этот режим применяют кратковременно, так как при нём в роторе выделяется много тепла, которое двигатель не способен рассеять, что может вывести его из строя.

Для более мягкого торможения может применяться генераторный режим, но он эффективен только при оборотах, близких к номинальным.

• Электромеханический преобразователь, электрическая машина, обобщённая электрическая машина, вращающееся магнитное поле, реакция якоря, принцип обратимости электрических машин, линейная токовая нагрузка, машинная постоянная Арнольда.

Под управлением асинхронным двигателем переменного тока понимается изменение частоты вращения ротора и/или его момента.

• реостатный — изменение частоты вращения асинхронного двигателя с фазным ротором путём изменения сопротивления реостата в цепи ротора, кроме того это увеличивает пусковой момент и повышает критическое скольжение;
• частотный — изменение частоты вращения асинхронного двигателя путём изменения частоты тока в питающей сети, что влечёт за собой изменение частоты вращения поля статора. Применяется включение двигателя через частотный преобразователь;
• переключением обмоток со схемы «треугольник» на схему «звезда» в процессе пуска двигателя, что даёт снижение пусковых токов в обмотках примерно в три раза, но в то же время снижается и момент;
• импульсный — подачей напряжения питания специального вида (например, пилообразного);
• введение добавочной ЭДС согласно или противонаправлено с частотой скольжения во вторичную цепь;
• изменением числа пар полюсов, если такое переключение предусмотрено конструктивно (только для короткозамкнутых роторов);
• изменением амплитуды питающего напряжения, когда изменяется только амплитуда (или действующее значение) управляющего напряжения. Тогда вектора напряжений управления и возбуждения остаются перпендикулярны (автотрансформаторный пуск);
• фазовое управление характерно тем, что изменение частоты вращения ротора достигается путём изменения сдвига фаз между векторами напряжений возбуждения и управления^[10];
• амплитудно-фазовый способ включает в себя два описаных способа;
• включение в цепь питания статора реакторов;
• индуктивное сопротивление для двигателя с фазным ротором^[11][12].

Достоинства и недостатки асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором по сравнению с машинами других типов:

1. Простота изготовления.
2. Относительная дешевизна.
3. Высокая надёжность в эксплуатации.
4. Невысокие эксплуатационные затраты.
5. Возможность включения в сеть без каких-либо преобразователей (для нагрузок, не нуждающихся в регулировке скорости).

Все вышеперечисленные достоинства являются следствием отсутствия механических коммутаторов в цепи ротора и привели к тому, что большинство электродвигателей, используемых в промышленности — это асинхронные машины с КЗ ротором.

Недостатки асинхронного двигателя обусловлены жёсткой характеристикой:

1. Небольшой пусковой момент.
2. Значительный пусковой ток (может достигать 6 номиналов и более).
3. Отсутствие возможности регулирования скорости при подключении непосредственно к сети и ограничение максимальной скорости частотой сети (для АДКЗ, питаемых непосредственно от трёхфазной сети 50 Гц — 3000 об/мин). Примерно в 2010 году американская фирма DeWalt запатентовала и выпустила ряд двигателей асинхронного типа с регулировкой частоты вращения.^{[источник не указан 640 дней]}
4. Сильная зависимость (квадратичная) электромагнитного момента от напряжения питающей сети (при изменении напряжения в 2 раза вращающий момент изменяется в 4 раза; у ДПТ вращающий момент зависит от напряжения питания якоря в первой степени, что более благоприятно).
5. Низкий коэффициент мощности.

Самый совершенный подход к устранению вышеуказанных недостатков — питание двигателя от статического частотного преобразователя.

Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод (сердечник); все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п.

По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из пластин электротехнической стали.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличье колесо» («беличья клетка») из-за внешней схожести конструкции, состоит из алюминиевых (реже медных, латунных) стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. Сердечники ротора и статора имеют зубчатую структуру. В машинах малой и средней мощности обмотку обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями «беличьего колеса» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины. В машинах большой мощности «беличье колесо» выполняют из медных стержней, концы которых соединяют с короткозамыкающими кольцами при помощи сварки.

Зачастую пазы ротора или статора делают скошенными для уменьшения высших гармонических ЭДС, вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, магнитное сопротивление которых существенно ниже магнитного сопротивления обмотки, а также для снижения шума, вызываемого магнитными причинами.

Для улучшения пусковых характеристик асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, а именно, увеличения пускового момента и уменьшения пускового тока, на роторе ранее применялась так называемая «двойная беличья клетка» из стержней с разными удельными проводимостями, позже стали применять роторы со специальной формой паза (глубокопазные роторы). При этом внешняя от оси вращения часть паза ротора имеет меньшее сечение, чем внутренняя. Это позволяет использовать эффект вытеснения тока, за счёт которого увеличивается активное сопротивление обмотки ротора при больших скольжениях (в частности, при пуске).

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором при прямом пуске (без регулирования) имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным их недостатком. Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты, например, для привода вентиляторов. С развитием силовой полупроводниковой техники получают распространение частотные преобразователи, которые позволяют плавно наращивать частоту питающего двигатель тока по мере пуска, а значит достигать большого пускового момента, такие двигатели часто применяются, например, в лифтах. Из достоинств следует отметить лёгкость в изготовлении, и отсутствие электрического контакта с динамической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание. При специальной конструкции ротора, когда вращается в воздушном зазоре только полый цилиндр из алюминия, можно достичь малой инерционности двигателя. Асинхронный двигатель с полым ротором используется для точных механизмов, таких как различная авионика (микродвигатели типа ДИД – двухфазные управляемые индукционные двигатели с частотой питающего тока 400 Гц и действующим значением напряжения 36 В и ДГ – со встроенным тахогенератором), и имеют практически всегда небольшую мощность (до 5 ватт), в других приложениях в качестве безынерционного привода выгоднее двигатели постоянного тока с полым бескаркасным якорем (двигатели типа ДПР).

Разновидностью АДКЗ, позволяющей ступенчато регулировать скорость, являются многоскоростные двигатели, в которых регулирование скорости производится изменением числа пар полюсов в статоре, для чего были разработаны специальные
виды обмоток. В быту имеет частое применение – практически любой бытовой напольный вентилятор позволяет регулировать скорость вращения, и эта регулировка производится таким образом (переключением обмоток), поскольку нерационально использовать для таких целей дорогой и сложный частотный преобразователь.

Именно асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором из-за своих вышеперечисленных достоинств являются основным видом двигателей в промышленном электроприводе, применение остальных видов двигателей незначительно и носит узкоспециальный характер.

Асинхронный двигатель с массивным ротором

Существует разновидность асинхронных машин с массивным ротором. Такой ротор изготавливают полностью из ферромагнитного материала, то есть фактически это стальной цилиндр. Ферромагнитный ротор одновременно выполняет роль как магнитопровода, так и проводника (вместо обмотки). Вращающееся магнитное поле индуцирует в роторе вихревые токи, которые, взаимодействуя с магнитным потоком статора, создают вращающий момент.

• Простота изготовления, дешевизна;
• Высокая механическая прочность (важно для высокоскоростных машин);
• Высокий пусковой момент.

• Большие потери энергии в роторе;
• Низкий коэффициент мощности.

• Имеют пологую механическую характеристику
• Ротор значительно нагревается даже при небольших нагрузках.

Существуют разные способы улучшения массивных роторов: припаивание медных колец по торцам, покрытие ротора слоем меди.

Разновидностью двигателей с массивным ротором можно считать двигатели с полым ротором. В них, с целью уменьшения массы и момента инерции, ротор изготовлен в виде полого цилиндра из ферромагнитного материала. Толщина стенок должна быть не меньше, чем глубина проникновения поля в рабочих режимах, для 50 Гц это 1—3 мм.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Эта разновидность электродвигателя допускает плавную регулировку скорости в широких пределах.
Фазный ротор имеет многофазную (как правило, трёхфазную) обмотку, обычно соединённую по схеме «звезда» и выведенную на контактные кольца. С помощью щёток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора включается внешняя регулирующая цепь, которая позволяет управлять скоростью ротора. Элементами данной цепи являются:

• пускорегулирующий реостат, выполняющий роль добавочного активного сопротивления, одинакового для каждой фазы. Снижая пусковой ток, добиваются увеличения пускового момента до максимального значения (в первый момент времени). Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке или требующих плавного регулирования скорости. Такое регулирование скорости по характеристикам аналогично реостатному регулированию скорости в ДПТ изменением сопротивления в цепи якоря.
• индуктивности (дроссели) в каждой фазе ротора. Сопротивление дросселей пропорционально частоте протекающего тока, а, как известно, в роторе в первый момент пуска частота токов скольжения наибольшая. По мере раскрутки ротора частота индуцированных токов снижается, и вместе с нею снижается сопротивление дросселя. Индуктивное сопротивление в цепи фазного ротора позволяет автоматизировать процедуру запуска двигателя, а при необходимости — «подхватить» двигатель, у которого упали обороты из-за перегрузки. Индуктивность держит токи ротора на постоянном уровне.
• источники постоянного тока, получая таким образом синхронную машину.
• питание от инвертора, что позволяет управлять скоростью и электромагнитным моментом двигателя. Это особый режим работы (машина двойного питания). Возможно включение напряжения сети без инвертора в протифазе статору.

Трёхфазный коллекторный асинхронный двигатель с питанием со стороны ротора.

Обращенный (питание с ротора) асинхронный двигатель, позволяющий плавно регулировать скорость от минимальной (диапазон определяется обмоточными данными добавочной обмотки, используемой для получения добавочной ЭДС, вводимой с частотой скольжения во вторичную цепь машины) до максимальной, лежащей обычно выше скорости синхронизма. Физически производится изменением раствора двойного комплекта щёток на каждую «фазу» вторичной цепи двигателя. Таким образом, переставляя при помощи механического устройства (штурвал или иное исполнительное устройство) щёточные траверсы являлось возможным весьма экономично управлять скоростью асинхронного двигателя переменного тока. Идея управления в общем предельно проста и будет реализована впоследствии в так называемых асинхронно-вентильных каскадах, где в цепь фазного ротора включали тиристорный преобразователь, работавший инвертором или в выпрямительном режиме. Сущность идеи — во вторичную цепь асинхронного двигателя вводится добавочная ЭДС изменяемой амплитуды и фазы с частотой скольжения. Задачу согласования частоты добавочной ЭДС с частотой скольжения ротора выполняет коллектор. Если добавочная ЭДС противонаправлена основной, производится вывод мощности из вторичной цепи двигателя с соответствующим уменьшением скорости машины, ограничение скорости вниз диктуется только условиями охлаждения обмоток). В точке синхронизма машины частота добавочной ЭДС равна нулю, то есть во вторичную цепь коллектором подаётся постоянный ток. В случае суммирования добавочной ЭДС с основной производится инвертирование добавочной мощности во вторичную цепь машины, и соответственно — разгон выше синхронной частоты вращения. Таким образом, результатом регулирования являлось семейство достаточно жестких характеристик с уменьшением критического момента при снижении скорости, а при разгоне выше синхронной скорости — с его пропорциональным увеличением.

Определенный интерес представляет собой работа машины с несимметричным раствором щеточных траверс. В этом случае векторная диаграмма добавочной э.д.с. двигателя получает так называемую тангенциальную составляющую, делающую возможным работу с ёмкостной реакцией на сеть.

Конструкционно двигатель представляет собой обращенную машину, где на роторе уложены две обмотки: питание с питанием с контактных колец и обмотку, соединяемую посредством двух пар щеток на «фазу» со вторичной обмоткой статора. Фактически, эти две части вторичной обмотки в зависимости от положения щеточных траверс включается то согласно друг другу, то встречно. Так осуществляется регулирование.

Наибольшее развитие такие двигатели получили в 30-е годы XX века. В Советском Союзе коллекторные машины переменного тока (КМПТ) не получили сколько-нибудь заметного распространения и развития в силу повышенных требований к изготовлению коллекторно-щёточного узла и общей высокой стоимости. На территорию СССР они проникали в основном в составе приобретённого за границей оборудования и при первой возможности заменялись менее эффективными, но более дешевыми машинами постоянного тока или асинхронными двигателями с фазным ротором.

В настоящее время двигатель Шраге представляет интерес исключительно с точки зрения истории техники.

где   — диаметр ротора,   — длина ротора,   — синхронная скорость вращения ротора в об/мин (равная скорости вращения первой гармоники МДС обмотки статора),   — мощность электрической машины в кВт,   — коэффициент мощности,   — обмоточный коэффициент, учитывающий влияние распределения обмотки в пазах и влияние укорочения шага обмотки,   — амплитуда нормальной составляющей магнитной индукции в зазоре машины,   — «линейная нагрузка», равная числу амперпроводников, приходящихся на 1 погонный сантиметр длины окружности статора.
Правая часть основного уравнения для данного (известного) типа машины изменяются в сравнительно узких пределах и называется «машинной постоянной» или постоянной Арнольда

2.Уравнения равновесия напряжений обмоток электрической машины — уравнения, составленные для цепей обмоток на основании второго закона Кирхгофа

Для асинхронной машины с короткозамкнутым ротором уравнения равновесия напряжений имеют вид^[15]:

 

 

где   — фазное напряжение статора,   и   — фазные токи статора и ротора,   и   — активные сопротивления обмоток статора и ротора,   и   — индуктивные сопротивления рассеяния статора и ротора,   и   — ЭДС, индуктированные в обмотках статора и ротора результирующим магнитным потоком полей статора и ротора.

3.Уравнение электромагнитного момента

Уравнение электромагнитного момента асинхронной машины имеет вид^[16]:

 

где   — число фаз обмотки статора,   — число пар полюсов,   — действующее значение напряжения статора,   — частота тока статора,   — активное сопротивление ротора, приведённое к статору,   — активное сопротивление фазной обмотки статора,   — индуктивное сопротивление короткого замыкания, приблизительно равное сумме индуктивности рассеяния статора и приведённой к статору индуктивности рассеяния ротора  .

Уравнение электромагнитного момента синхронной машины^[15] :

 

где   — ЭДС, индуктируемая в обмотке статора потоком ротора,   — угол нагрузки (угол сдвига фаз между ЭДС и напряжением статора),   — продольное и поперечное синхронные индуктивные сопротивления обмотки статора.

В первые три десятилетия XX в. в трудах Э. Арнольда, А. Блонделя, М. Видмара, Л. Дрейфуса, М. П. Костенко, К. А. Круга и В. А. Толвинского была разработана теория установившихся режимов электрических машин.

В 1895 г. А. Блондель предложил метод двух реакций для анализа синхронных машин.

В 1938—1942 гг. Г. Крон создал обобщенную теорию электрических машин (дифференциальные уравнения идеализированной обобщенной электрической машины) и разработал методы тензорного и матричного анализов электрических цепей и машин.

В 1963 г. И. П. Копылов предложил математическую модель обобщенного электромеханического преобразователя для несинусоидального магнитного поля в воздушном зазоре, применимую для симметричных и несимметричных электрических машин с любым числом фаз обмоток статора и ротора и учитывающую нелинейность изменения их параметров.

Изобретатели стремились создать электродвигатель для производственных нужд. Они пытались заставить железный сердечник двигаться в поле электромагнита возвратно-поступательно, то есть так, как движется поршень в цилиндре паровой машины. Русско-прусский учёный Б.С. Якоби пошёл иным путём. В 1834 году он создал первый в мире практически пригодный электродвигатель со вращающимся якорем и опубликовал теоретическую работу «О применении электромагнетизма для приведения в движение машины». Б. С. Якоби писал, что его двигатель несложен и «даёт непосредственно круговое движение, которое гораздо легче преобразовать в другие виды движения, чем возвратно-поступательное».

Вращательное движение якоря в двигателе Якоби происходило вследствие попеременного притяжения и отталкивания электромагнитов. Неподвижная группа U-образных электромагнитов питалась током непосредственно от гальванической батареи, причем направление тока в этих электромагнитах оставалось неизменным. Подвижная группа электромагнитов была подключена к батарее через коммутатор, с помощью которого направление тока в каждом электромагните изменялось восемь раз за один оборот диска. Полярность электромагнитов при этом соответственно изменялась, а каждый из подвижных электромагнитов попеременно притягивался и отталкивался соответствующим неподвижным электромагнитом: вал двигателя начинал вращаться. Мощность такого двигателя составляла всего 15 Вт. Впоследствии Якоби довёл мощность электродвигателя до 550 Вт. Этот двигатель был установлен сначала на лодке, а позже на железнодорожной платформе.

В 1839 году Якоби построил лодку с электромагнитным двигателем, который от 69 элементов Грове развивал 1 лошадиную силу и двигал лодку с 14 пассажирами по Неве против течения. Это было первое применение электромагнетизма к передвижению в больших размерах.

 ,

где   — число пар магнитных полюсов обмотки статора.

В зависимости от количества числа пар полюсов возможны следующие значения частот вращения магнитного поля статора, при частоте питающего напряжения сети 50 Гц:

Большинство двигателей имеют 1-3 пары полюсов, реже 4. Большее число полюсов используется очень редко, такие машины имеют низкий КПД и коэффициент мощности, однако позволяют обойтись без редуктора там, где нужна невысокая частота вращения. Например, существуют даже 34-полюсные двигатели 2АСВО710L-34У1 (17 пар полюсов) для привода вентиляторов градирен (синхронная частота 176,5 оборотов в минуту).

• ОКСО 140600 — Электротехника, электромеханика и электротехнологии
• Направления подготовки и специальности высшего профессионального образования. Группа направлений подготовки и специальностей (ОКСО): энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника
• Электронная книга по электромеханике (недоступная ссылка)