Как и большинство электромоторов, асинхронный двигатель переменного тока (АД) имеет фиксированную внешнюю часть, которая именуется статором, и ротор, вращающийся внутри. Между ними есть тщательно рассчитанный воздушный зазор.

Как это работает?

Устройство и принцип действия асинхронных двигателей, как и всех других, основаны на том, что для приведения в движение ротора используют вращение магнитного поля. Трехфазный АД является единственным типом мотора, в котором оно создается естественным образом из-за характера питания. В для этого используется механическая или электронная коммутация, а в однофазных АД - дополнительные электрические элементы.

Для работы электромотора необходимо наличие двух наборов электромагнитов. Принцип действия асинхронного электродвигателя состоит в том, что один набор формируется в статоре, так как к его обмотке подключается источник переменного тока. В соответствии с законом Ленца, это индуцирует в роторе электромагнитную силу (ЭДС) так же, как напряжение индуцируется во вторичной обмотке трансформатора, создавая другой набор электромагнитов. Отсюда и еще одно название АД - индукционный мотор. Устройство и принцип действия асинхронных двигателей основаны на том, что взаимодействие между магнитными полями этих электромагнитов генерирует крутящую силу. В итоге ротор вращается в направлении результирующего момента.

Статор

Статор состоит из нескольких тонких пластин из алюминия или чугуна. Их спрессовывают друг с другом, чтобы сформировать полый цилиндр сердечника с пазами. В них укладывают изолированные провода. Каждая группа обмоток вместе с окружающим их сердечником после подачи на нее переменного тока образует электромагнит. Число полюсов АД зависит от внутреннего соединения обмоток статора. Оно сделано таким образом, что при подключении источника питания образуется вращающееся магнитное поле.

Ротор

Ротор состоит из нескольких тонких стальных пластин с равномерно расположенными по периферии стержнями из алюминия или меди. В наиболее популярном его типе - короткозамкнутом, или «беличьей клетке», - стержни на концах механически и электрически соединены с помощью колец. Почти в 90% АД используется такая конструкция, так как она проста и надежна. Ротор состоит из цилиндрического пластинчатого сердечника с аксиально размещенными параллельными пазами для установки проводников. В каждый паз укладывается стержень из меди, алюминия или сплава. Они замкнуты накоротко с обеих сторон с помощью концевых колец. Такая конструкция напоминает беличью клетку, из-за чего и получила соответствующее название.

Пазы ротора не совсем параллельны валу. Их делают с небольшим перекосом по двум основным причинам. Первая заключается в обеспечении плавной работы АД за счет уменьшения магнитного шума и гармоник. Вторая заключается в снижении вероятности застопоривания ротора: его зубцы зацепляются за прорези статора за счет прямого магнитного притяжения между ними. Это происходит, когда их число совпадает. Ротор устанавливается на валу с помощью подшипников на каждом конце. Одна часть обычно выступает больше, чем другая, для приведения в движение нагрузки. В некоторых двигателях на нерабочем конце вала крепятся или положения.

Между статором и ротором имеется воздушный зазор. Через него передается энергия. Сгенерированный крутящий момент заставляет ротор и нагрузку вращаться. Вне зависимости от типа используемого ротора, устройство и принцип действия асинхронного двигателя остаются неизменными. Как правило, АД классифицируются по числу обмоток статора. Различают однофазные и трехфазные электрические моторы.

Устройство и принцип действия однофазного асинхронного двигателя

Однофазные АД составляют наибольшую часть электромоторов. Вполне логично, что наименее дорогой и непритязательный к обслуживанию двигатель используется наиболее часто. Как следует из названия, назначение, принцип действия асинхронного двигателя этого типа основаны на наличии только одной обмотки статора и работе с однофазным источником питания. У всех АД данного типа ротор является короткозамкнутым.

Однофазные моторы самостоятельно не запускаются. Когда двигатель подключается к источнику питания, по основной обмотке начинает течь переменный ток. Он генерирует пульсирующее магнитное поле. Из-за индукции ротор находится под напряжением. Поскольку главное магнитное поле пульсирует, крутящий момент, необходимый для вращения двигателя, не генерируется. Ротор начинает вибрировать, а не вращаться. Поэтому для однофазного АД требуется наличие пускового механизма. Он может обеспечить начальный толчок, заставляющий вал двигаться.

Стартовый механизм однофазного АД состоит в основном из дополнительной обмотки статора. Ей могут сопутствовать последовательный конденсатор или центробежный выключатель. При подаче напряжения питания ток в основной обмотке отстает от напряжения из-за ее сопротивления. В то же время электричество в стартовой обмотке отстает или опережает напряжение питания в зависимости от импеданса пускового механизма. Взаимодействие между магнитными полями, генерируемыми основной обмоткой и стартовой схемой, создает результирующее магнитное поле. Оно вращается в одном направлении. Ротор начинает поворачиваться в направлении результирующего магнитного поля.

После того как скорость мотора достигнет около 75% от номинальной, центробежный выключатель отключает пусковую обмотку. Далее двигатель может поддерживать достаточный крутящий момент, чтобы действовать самостоятельно. За исключением моторов со специальным стартовым конденсатором, все как правило, используются для создания мощности, не превышающей 500 Вт. В зависимости от различных методов пуска, однофазный АД дополнительно классифицируются, как описано в следующих разделах.

АД с расщепленной фазой

Назначение, устройство и принцип действия асинхронного двигателя с расщепленной фазой основаны на использовании в нем двух обмоток: стартовой и основной. Пусковая выполнена из проволоки меньшего диаметра и меньшим количеством витков по отношению к основной, чтобы создать большее сопротивление. Это позволяет ориентировать ее магнитное поле под углом. Он отличается от направления основного магнитного поля, что приводит к вращению ротора. Рабочая обмотка, которая сделана из провода большего диаметра, обеспечивает функционирование двигателя в остальное время.

Пусковой момент низкий, как правило, от 100 до 175% от номинального. Двигатель потребляет высокий стартовый ток. Он в 7-10 раз превышает номинальный. Максимальный крутящий момент также в 2,5-3,5 раза больше. Данный тип моторов используется в небольших шлифовальных машинках, вентиляторах и воздуходувках, а также в других устройствах, требующих низкого крутящего момента, мощностью от 40 до 250 Вт. Следует избегать применения подобных двигателей там, где часты циклы включения-выключения или требуется высокий вращающий момент.

АД с конденсаторным пуском

Конденсаторный асинхронный тип двигателя и принцип его работы основаны на том, что к его пусковой обмотке с расщепленной фазой последовательно подключена емкость, обеспечивающая стартовый «импульс». Как и в предыдущей разновидности моторов, здесь также имеется центробежный выключатель. Он отключает стартовый контур, когда скорость двигателя достигает 75% от номинальной. Так как конденсатор включен последовательно, это создает больший пусковой момент, достигающий 2-4-кратного размера от рабочего. А пусковой ток, как правило, составляет в 4,5-5,75 раз превышает номинальный, что значительно ниже, чем в случае расщепленной фазы, из-за большего провода в стартовой обмотке.

Модифицированным вариантом пуска отличается двигатель с активным сопротивлением. В этом типе мотора емкость заменена резистором. Сопротивление используется в тех случаях, когда требуется меньший стартовый крутящий момент, чем при использовании конденсатора. Помимо более низкой стоимости, это не дает преимущества перед емкостным пуском. Данные двигатели используются в агрегатах с ременным приводом: небольших конвейерах, больших вентиляторах и насосах, а также во многих устройствах с прямым приводом или с использованием редуктора.

АД с рабочим фазосдвигающим конденсатором

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя данного типа основаны на постоянном подключении конденсатора, последовательно соединенного с пусковой обмоткой. После выхода мотора на номинальную скорость стартовый контур становится вспомогательным. Так как емкость должна быть рассчитана на непрерывное использование, она не может обеспечить начальный импульс пускового конденсатора. Пусковой момент такого двигателя низкий. Он составляет 30-150% от номинального. Пусковой ток небольшой - менее 200% от номинального, что делает электромоторы данного типа идеальными там, где требуется частое включение и выключение.

Такая конструкция имеет ряд преимуществ. Схему легко изменить для использования с контроллерами скорости. Электромоторы можно настроить на оптимальную эффективность и высокий коэффициент мощности. Они считаются самыми надежными из однофазных двигателей в основном потому, что в них не используется центробежный пусковой выключатель. Применяются в вентиляторах, воздуходувках и часто включаемых устройствах. Например, в регулировочных механизмах, системах открытия ворот и гаражных дверей.

АД с пусковым и рабочим конденсатором

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя данного типа основаны на последовательном подключении стартового конденсатора к пусковой обмотке. Это дает возможность создать больший крутящий момент. Кроме того, у него имеется постоянный конденсатор, подключаемый последовательно со вспомогательной обмоткой после отключения пусковой емкости. Такая схема допускает большие перегрузки крутящего момента.

Этот тип двигателя рассчитан на более низкие токи полной нагрузки, что обеспечивает его большую эффективность. Данная конструкция наиболее затратна из-за наличия пускового, рабочего конденсаторов и центробежного выключателя. Применяется в деревообрабатывающих станках, воздушных компрессорах, водяных насосах высокого давления, вакуумных насосах и там, где необходим высокий крутящий момент. Мощность - от 0,75 до 7,5 кВт.

АД с экранированным полюсом

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя данного типа состоят в том, что у него имеется только одна основная обмотка и нет стартовой. Пуск производится благодаря тому, что вокруг небольшой части каждого из полюсов статора есть экранирующее медное кольцо, в результате чего магнитное поле в данной области отстает от поля в неэкранированной части. Взаимодействие двух полей приводит к вращению вала.

Так как нет ни пусковой катушки, ни переключателя или конденсатора, мотор электрически прост и недорог. Кроме того, его скорость можно регулировать изменением напряжения или через многоотводную обмотку. Конструкция двигателя с экранированными полюсами позволяет его массовое производство. Его, как правило, считают «одноразовым», так как его намного дешевле заменить, чем отремонтировать. Помимо положительных качеств, у такой конструкции есть ряд недостатков:

• низкий пусковой момент, равный 25-75% от номинального;
• высокое скольжение (7-10%);
• низкий КПД (менее 20%).

Низкая начальная стоимость позволяет использовать АД данного типа в маломощных или редко используемых устройствах. Речь идет о бытовых многоскоростных вентиляторах. Но низкий крутящий момент, низкий КПД и невысокие механические характеристики не позволяют их коммерческое или промышленное применение.

Трехфазные АД

Данные электромоторы нашли широкое применение в промышленности. Устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя определяются его конструктивным исполнением - с короткозамкнутым или с фазным ротором. Для его пуска не требуется конденсатор, стартовая обмотка, центробежный выключатель или другое устройство. Пусковой момент средний и высокий, как и мощность и эффективность. Используются в шлифовальных, токарных, сверлильных станках, насосах, компрессорах, конвейерах, сельскохозяйственной технике и др.

АД с замкнутым ротором

Это трехфазный асинхронный и устройство которого были описаны выше. Составляет почти 90% всех трехфазных электромоторов. Выпускается мощностью от 250 Вт до нескольких сотен кВт. По сравнению с однофазовыми двигателями мощностью от 750 Вт, они дешевле и выдерживают большие нагрузки.

АД с фазным ротором

Устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором отличаются от АД типа «беличья клетка» тем, что на роторе есть набор обмоток, концы которых не замкнуты накоротко. Они выведены на контактные кольца. Это позволяет подключать к ним внешние резисторы и контакторы. Максимальный крутящий момент прямо пропорционален сопротивлению ротора. Поэтому на низких скоростях его можно повысить дополнительным сопротивлением. Высокое сопротивление позволяет получить большой крутящий момент при низком пусковом токе.

По мере ускорения ротора сопротивление уменьшается для изменения характеристики мотора, чтобы удовлетворить требованиям нагрузки. После того как двигатель достигнет базовой скорости, внешние резисторы отключаются. И электромотор работает как обычный АД. Данный тип идеален для высокой инерционной нагрузки, требующей приложения крутящего момента при почти нулевой скорости. Он обеспечивает разгон до максимума за минимальное время с минимальным потреблением тока.

Недостатком таких двигателей является то, что контактные кольца и щетки нуждаются в регулярном обслуживании, чего не требуется для мотора с короткозамкнутым ротором. Если обмотка ротора замкнута и производится попытка пуска (т. е. устройство становится стандартным АД), в нем будет течь очень высокий ток. Он в 14 раз превышает номинальный при очень низком крутящем моменте, составляющем 60% от базового. В большинстве случаев применение это не находит.

Изменяя зависимость скорости вращения от крутящего момента путем регулирования сопротивлений ротора, можно варьировать обороты при определенной нагрузке. Это позволяет эффективно снижать их примерно на 50%, если нагрузка требует переменного момента и оборотов, что часто встречается в печатных машинах, компрессорах, транспортерах, подъемниках и лифтах. Уменьшение скорости ниже 50% приводит к очень низкой эффективности за счет более высокой рассеиваемой мощности в сопротивлениях ротора.

В быту и в технике, там, где нужны двигатели небольшой мощности, часто используются так называемые однофазные асинхронные двигатели. Однофазный двигатель отличается от трехфазного тем, что его статор имеет одну обмотку (иног­да две) и питается от однофазной сети. Ротор этих двигате­лей ввиду их малой мощности всегда выполняется коротко-замкнутым в виде беличьего колеса и ничем не отличается от ротора трехфазного двигателя.

Если обмотку однофазного двигателя включить в сеть, то протекающий по ней переменный ток будет возбуждать в машине, пока ее ротор неподвижен, переменное магнитное поле, ось которого тоже неподвижна. Это поле будет индуцировать в обмотке ротора токи, взаимодействие которых с магнит­ным полем приведет к возникновению сил, противоположно направленных в правой и левой половинах ротора, вследствие чего результирующий момент, действующий на ротор, ока­жется равным нулю. Следовательно, при наличии одной об­мотки начальный пусковой момент однофазного двигателя

равен нулю, т. е. такой двигатель самостоятельно не сможет тронуться с места. Однако, если с помощью какой-либо внеш­ней силы сообщить ротору некоторую скорость вращения, то он начнет вращаться.

Пуск в ход однофазных двигателей осуществляется с по­мощью того или иного пускового устройства. Работа этих устройств основана на использовании свойства двух магнит­ных потоков, смещенных в пространстве на 90° и сдвинутых по фазе на пи/2, создавать вращающее магнитное поле.

8.8.1. Однофазные двигатели с пусковой обмоткой

На статоре такого двигателя кроме рабочей обмотки РО находится так называемая пусковая обмотка ПО, поверну­тая в пространстве относительно рабочей обмотки на 90° (рис.

В момент пуска пусковая обмотка замыкается кнопкой К, и в результате трансформаторной связи в ней возникает ток, сдвинутый по фазе относительно питающего тока по­чти на пи/2. Эти токи создают вращающее магнитное поле, которое и разгоняет ротор. После разгона пусковая обмотка размыкается и в дальнейшей работе двигателя не участвует. Двигатели с таким пуском встречаются иногда в бытовых стиральных машинах.

8.8.2. Конденсаторные двигатели

В этих двигателях рабочая и пусковая обмотки статора так­же смещены на статоре друг относительно друга на 90°. На время пуска пусковую обмотку ПО подключают к сети с по­мощью кнопки К через конденсатор С (рис. 8.15), благодаря которому ток в пусковой обмотке отличается по фазе от тока в рабочей обмотке на пи/2, чем и обеспечивается разгон ротора.

В некоторых двигателях используются два параллельно включенных конденсатора С1 и С 2 - оба используются при

запуске, а один из них (С 2 ) остается включенным и во время

работы двигателя, благодаря чему обе обмотки являются ра­бочими (рис. 8.16).

Конденсаторные двигатели имеют лучшие пусковые и ра­бочие характеристики по сравнению с другими однофазны­ми двигателями, поэтому они получили наиболее широкое распространение.

8.8.3. Однофазные двигатели с расщепленными полюсами

Статор двигателей очень малой мощности часто делают с явно выраженными полюсами, причем каждый полюс разре­зан, а на одну его часть надето медное кольцо, играющее роль пусковой обмотки (рис. 8.17). Под действием переменного магнитного потока, со­здаваемого обмоткой статора, в кольце инду­цируется ЭДС, отстаю­щая по фазе от потока на л/2. Эта ЭДС созда­ет в кольце ток. По­скольку сопротивле­ние кольца практичес­ки чисто активное, этот

ток совпадает по фазе с ЭДС и отстает от потока обмотки тоже на пи/2.

Этот ток в кольце создает свой магнитный поток, совпада­ющий с ним по фазе. Таким образом, под полюсом действу­ют два сдвинутых по фазе на пи/2 магнитных потока, образуя вращающееся магнитное поле. Это магнитное поле и увлека­ет за собой короткозамкнутый ротор.

Двигатели с расщепленными полюсами широко применя­ются для маломощного привода (кинопроекторы, вентилято­ры и т.п.).

Включение трехфазных двигателей в однофазную сеть

Во многих случаях трехфазные асинхронные двигатели можно включать в однофазную сеть переменного тока.

На рис. 8.18, а, б показаны схемы включения трехфазных двигателей, у которых выведены лишь по три конца обмо­ток. Конденсатор С создает дополнительный сдвиг по фазе

между током и напряжением, обеспечивая начальный пус­ковоймомент. Величина этого конденсатора рассчитывается или подбирается так, чтобы обеспечить примерное равенство всех трех фазных токов. На рис. 8.18 в, г показаны схемы включения трехфазных асинхронных двигателей, у которых выведены все шесть концов статорной обмотки. Включение трехфазных двигателей в однофазную сеть позволяет полу­чать от них лишь 40-50 % от их номинальной мощности в трехфазном режиме.

Области применения. Асинхронные двигатели небольшой мощности (15 - 600 Вт) применяют в автоматических устройствах и электробытовых приборах для привода вентиляторов, насосов и другого оборудования, не требующего регулирования частоты вращения. В электробытовых приборах и автоматических устройствах обычно используют однофазные микродвигатели, так как эти приборы и устройства, как правило, получают питание от однофазной сети переменного тока.

Принцип действия и устройство однофазного двигателя. Обмотка статора однофазного двигателя (рис. 4.60, а) расположена в пазах, занимающих примерно две трети окружности статора, которая соответствует паре полюсов. В результате

(см. гл. 3) распределение МДС и индукции в воздушном зазоре близко к синусоидальному. Поскольку по обмотке проходит переменный ток, МДС пульсирует во времени с частотой сети. Индукция в произвольной точке воздушного зазора

Вх = Вm sin ωt cos (πх/τ) .

Таким образом, в однофазном двигателе обмотка статора создает неподвижный поток, изменяющийся во времени, а не круговой вращающийся поток, как в трехфазных двигателях при симметричном питании.

Для упрощения анализа свойств однофазного двигателя представим (4.99) в виде

Вх = 0,5Вт sin (ωt - πх/τ) + 0,5Вт sin (ωt + πх/τ), .

Т. е. заменим неподвижный пульсирующий поток суммой идентичных круговых полей, вращающихся в противоположных направлениях и имеющих одинаковые частоты вращения: n 1пр = n 1обр = n 1 . Поскольку свойства асинхронного двигателя при круговом вращающемся поле подробно рассмотрены в § 4.7 - 4.12, анализ свойств однофазного двигателя можно свести к рассмотрению совместного действия каждого из вращающихся полей. Иными словами, однофазный двигатель можно представить в виде двух одинаковых двигателей, роторы которых жестко связаны между собой (рис. 4.60, б), при встречном направлении вращения магнитных полей и создаваемых ими моментов М пр и М обр . Поле, направление вращения которого совпадает с направлением вращения ротора, называют прямым; поле обратного направления - обратным или инверсным.

Допустим, что направление вращения роторов совпадает с направлением одного из вращающихся полей, например с nпр . Тогда скольжение ротора относительно потока Ф пр

sпр = (n1пр - п2 )/n1пр = (n1 - п2 )/n1 = 1 - n2 /n1 . .

Скольжение ротора относительно потока Фобр

sобр = (n1обр + п2 )/п1обр = (n1 + п2 )/n1 = 1 + п2 /n1 . .

Из (4.100) и (4.101) следует, что

so6p = 1 + п2 /n1 = 2 - sпр . .

Электромагнитные моменты М пр и М обр , образуемые прямым и обратным полями, направлены в противоположные стороны, а результирующий момент однофазного двигателя М рез равен разности моментов при одной и той же частоте вращения ротора.

На рис. 4.61 показана зависимость М = f(s) для однофазного двигателя. Рассматривая рисунок, можно сделать следующие выводы:

а) однофазный двигатель не имеет пускового момента; он вращается в ту сторону, в которую приводится внешней силой; б) частота вращения однофазного двигателя при холостом ходе меньше, чем у трехфазного двигателя, из-за наличия тормозящего момента, образуемого обратным полем;

в) рабочие характеристики однофазного двигателя хуже, чем трехфазного; он имеет повышенное скольжение при номи нальной нагрузке, меньший КПД, меньшую перегрузочную спо собность, что также объясняется наличием обратного поля;

г) мощность однофазного двигателя составляет примерно 2/3 от мощности трехфазного двигателя того же габарита, так как в однофазном двигателе рабочая обмотка занимает только 2/3 пазов статора. Заполнять все пазы статора

так как при этом обмоточный коэффициент получается малым, расход меди возрастает примерно в 1,5 раза, в то время как мощность увеличивается только на 12%.

Пусковые устройства. Чтобы получить пусковой момент, однофазные двигатели имеют пусковую обмотку, сдвинутую на 90 электрических градусов относительно основной рабочей обмотки. На период пуска пусковую обмотку присоединяют к сети через фазосдвигающие элементы - емкость или активное сопротивление. После окончания разгона двигателя пусковую обмотку отключают, при этом двигатель продолжает работать как однофазный. Поскольку пусковая обмотка работает лишь короткое время, ее изготовляют из провода меньшего сечения, чем рабочую, и укладывают в меньшее число пазов.

Подробно рассмотрим процесс пуска при использовании в качестве фазосдвигающего элемента емкости С (рис. 4.62, а). На пусковой обмотке П напряжение
Ú 1п = Ú 1 - Ú C = Ú 1 +jÍ1 п XC , т. е. оно сдвинуто по фазе относительно напряжения сети U 1 , приложенного к рабочей обмотке Р . Следовательно, векторы токов в рабочей I 1р и пусковой I 1п обмотках сдвинуты по фазе на некоторый угол. Выбирая определенным образом емкость фазосдвигающего конденсатора, можно получить режим работы при пуске, близкий к симметричному (рис. 4.62, б), т. е. получить круговое вращающееся поле. На рис. 4.62, в показаны зависимости М = f(s) для двигателя при включенной (кривая 1) и выключенной (кривая 2) пусковой обмотке. Пуск двигателя осуществляется на части аb характеристики 1; в точке b пусковая обмотка выключается, и в дальнейшем двигатель работает на части сО характеристики 2.

Поскольку включение второй обмотки существенно улучшает механическую характеристику двигателя, в некоторых случаях применяют однофазные двигатели, в которых обмотки А и В

включены все время (рис. 4.63, а). Такие двигатели называют конденсаторными.

Обе обмотки конденсаторных двигателей занимают, как правило, одинаковое число пазов и имеют одинаковую мощность. При пуске конденсаторного двигателя для увеличения пускового момента целесообразно иметь увеличенную емкость Ср + Сп . После разгона двигателя по характеристике 2 (рис. 4.63,б) и уменьшения тока часть конденсаторов Сн отключают, чтобы при номинальном режиме (когда ток двигателя становится меньшим, чем при пуске) увеличить емкостное сопротивление и обеспечить работу двигателя в условиях, близких к работе при круговом вращающемся поле. При этом двигатель работает на характеристике 1.

Конденсаторный двигатель имеет высокий cos φ. Недостатками его являются сравнительно большая масса и габариты конденсатора, а также возникновение несинусоидального тока при искажениях питающего напряжения, которое в ряде случаев приводит к вредному воздействию на линии связи.

При легких условиях пуска (небольшой нагрузочный момент в пусковой период) применяют двигатели с пусковым сопротивлением R (рис. 4.64, а). Наличие активного сопротивления в цепи пусковой обмотки обеспечивает меньший сдвиг фаз φп между напряжением и током в этой обмотке (рис. 4.64, б), чем сдвиг фаз φр в рабочей обмотке. В связи с этим токи в рабочей и пусковой обмотках оказываются сдвинутыми по фазе на угол φр - φп и образуют несимметричное (эллиптическое) вращающееся поле, благодаря которому и возникает пусковой момент. Двигатели с пусковым сопротивлением надежны в эксплуатации в выпускаются серийно. Пусковое сопротивление встраивают в корпус двигателя и охлаждают тем же воздухом, который охлаждает весь двигатель.

Однофазные микродвигатели с экранированными полюсами. В этих двигателях обмотку статора, подсоединяемую к сети, выполняют обычно сосредоточенной и укрепляют на явно-выраженных полюсах (рис. 4.65, а), листы которых штампуют совместно со статором. В каждом полюсе один из наконечников охватывается вспомогательной обмоткой, состоящей из одного или нескольких короткозамкнутых витков, которые экранируют от 1/5 до 1/2 полюсной дуги. Ротор двигателя - короткозамкнутый обычного типа.

Магнитный поток машины, создаваемый обмоткой статора (поток полюса), можно представить в виде суммы двух составляющих (рис. 4.65, б) Фп = Фп1 + Фп2 , где Фп1 - поток, проходящий через часть полюса, не охваченную короткозамкну-тым витком; Фп2 - поток, проходящий через часть полюса, экранированную короткозамкнутым витком.

Потоки Фп1 и Фп2 проходят через различные части полюсного наконечника, т. е. смещены в пространстве на угол β. Кроме того, они сдвинуты по фазе относительно МДС F п обмотки статора на различные углы - γ1 и γ2 . Это объясняется тем, что каждый полюс описываемого двигателя можно рассматривать в первом приближении как трансформатор, первичной обмоткой которого является обмотка статора, а вторичной - короткозамкнутый виток. Поток обмотки статора индуцирует в короткозамкнутом витке ЭДС E к (рис. 4.65, в), вследствие чего возникает ток I к и МДС F к , складывающаяся с МДС F п обмотки статора. Реактивная составляющая тока I к уменьшает поток Фп2 , а активная - смещает его по фазе относительно МДС F п . Так как поток Фп1 не охватывает короткозамкнутый виток, угол γ1 имеет сравнительно небольшое значение (4-9°) - примерно такое же, как угол сдвига фаз между потоком трансформатора и МДС первичной обмотки в режиме холостого хода. Угол γ2 значительно больше (около 45°),

т. е. такой, как в трансформаторе со вторичной обмоткой, замкнутой накоротко (например, в измерительном трансформаторе тока). Это объясняется тем, что потери мощности, от которых зависит угол γ2 , определяются не только магнитными потерями мощности в стали, но и электрическими потерями в короткозамкнутом витке.

Потоки Фп1 и Фп2 , смещенные в пространстве на угол β и сдвинутые по фазе во времени на угол γ = γ2 - γl , образуют эллиптическое вращающееся магнитное поле (см. гл. 3), которое воздает вращающий момент, действующий на ротор двигателя в направлении от первого полюсного наконечника, не охватываемого короткозамкнутым витком, ко второму наконечнику (в соответствии с чередованием максимумов потоков «фаз»).

Для увеличения пускового момента рассматриваемого двигателя путем приближения его вращающегося поля к круговому применяют различные способы: устанавливают между полюсными наконечниками смежных полюсов магнитные шунты, которые усиливают магнитную связь между основной обмоткой и короткозамкнутым витком и улучшают форму магнитного поля в воздушном зазоре; увеличивают воздушный зазор под наконечником, не охватываемым короткозамкнутым витком; используют два и большее количество коротко-замкнутых витков на одном наконечнике с разными углами охвата. Имеются также двигатели без короткозамкнутых витков на полюсах, но с несимметричной магнитной системой: различной конфигурацией отдельных частей полюса и разными воздушными зазорами. Такие двигатели имеют меньший пусковой момент, чем двигатели с экранированными полюсами, но КПД их выше, так как у них отсутствуют потери мощности в короткозамкнутых витках.

Рассмотренные конструкции двигателей с экранированными полюсами являются нереверсивными. Для осуществления ревер­са в таких двигателях вместо короткозамкнутых витков применяют катушки В1, В2, В3 и В4 (рис. 4.65, в ), каждая из которых охватывает половину полюса. Замыкая накоротко пару катушек В1 и В4 или В2 и В3 ,можно экранировать одну или другую половину полюса и изменять таким образом направление вращения магнитного поля и ротора.

Двигатель с экранированными полюсами имеет ряд существенных недостатков: сравнительно большие габаритные размеры и массу; низкий cos φ ≈ 0,4 ÷ 0,6; низкий КПД η = 0,25 ÷ 0,4 из-за больших потерь в короткозамкнутом витке; небольшой пусковой момент и др. Достоинствами двигателя являются простота конструкции и вследствие этого высокая надежность в эксплуатации. Благодаря отсутствию зубцов на статоре шум двигателя незначителен, поэтому он часто употребляется в устройствах по воспроизводству музыки и речи.

Как отмечалось, однофазные асинхронные двигатели в настоящее время выполняются главным образом как малые машины на мощности, редко превышающие 0,5 кBт.

Статор их имеет однофазную обмотку, которую обычно получают из трехфазной, соединенной в звезду, при использовании только двух ее фаз. Ротор снабжается короткозамкнутой обмоткой в виде беличьей клетки.

Если обмотку статора питать однофазным переменным током, то она создаст переменную (пульсирующую) н.с. При неподвижном роторе в машине возникнет при этом переменное (пульсирующее) поле. Оно будет наводить в обмотке ротора токи, как во вторичной обмотке трансформатора. На рисунке 2.21 показаны направления токов в проводниках короткозамкнутого ротора при наличии пульсирующего поля.

Рис. 2.21. Токи в проводниках роторной обмотки однофазного двигателя при неподвижном роторе

Очевидно, результирующий момент, действующий на ротор, будет равен нулю, так как электромагнитные силы от взаимодействия поля и токов в обмотке ротора на ее правой и левой половинах будут равны и противоположны.

Отсутствие начального вращающего момента является характерной особенностью однофазного двигателя при указанной схеме соединения. Следовательно, он сам не может тронуться с места. Однако если посредством посторонней силы раскрутить ротор, то двигатель в дальнейшем будет вращаться самостоятельно и может быть нагружен.

Подобные явления можно наблюдать у трехфазного двигателя при обрыве одного из питающих проводов. Если провод оборван у неподвижного двигателя, то он при пуске не будет создавать вращающий момент и не тронется с места. Если же провод оборван у вращающегося трехфазного двигателя, то последний будет продолжать работать как однофазный. Но мощность его при этом должна быть снижена до 50…55% от номинальной.

Режим работы трехфазного двигателя в качестве однофазного не может быть допущен при мощности на его валу, близкой к номинальной, так как его обмотки из-за увеличения токов в них при таком режиме за короткое время чрезмерно нагреются.

Для объяснения указанных явлений заменим переменную пульсирующую по одной оси н.с. статора двумя н.с., вращающимися в разные стороны с синхронной частотой и имеющими амплитуды, равные половине амплитуды пульсирующей н.с.

При неподвижном роторе обе н.с. с равными амплитудами вращаются относительно ротора с одной и той же синхронной частотой. Поля, вызванные ими, также будут иметь одинаковые амплитуды. Они будут наводить в обмотке ротора одинаковые токи. Поэтому вращающие моменты, получающиеся от взаимодействия полей и наведенных ими токов, будут равны между собой. Так как они действуют в противоположные стороны, то результирующий момент равен нулю. Следовательно, ротор самостоятельно не может прийти во вращение. Если же, как указывалось, каким-либо способом привести его во вращение в любом направлении, то в этом направлении он будет вращаться самостоятельно и дойдет до скорости, близкой к синхронной.

То поле, которое вращается в одном направлении с ротором, называется прямо вращающимся или прямым, другое поле - обратно вращающимся или обратным. При вращении ротора оба эти поля неодинаковы: обратное поле ослабляется, тогда как прямо вращающееся поле усиливается. При скорости вращения, близкой к синхронной, обратное поле ослабляется настолько, что результирующее поле становится почти круговым.

Ослабление обратного поля при работе однофазного двигателя объясняется следующим образом. Если ротор относительно прямого поля имеет скольжение s, то относительно обратного поля он будет иметь скольжение:

Следовательно, токи, наведенные обратным полем в обмотке ротора, будут иметь высокую частоту, например при s=0,05 она равна (2-s)f 1 =1,95·50=97,5 Гц. Индуктивное сопротивление обмотки ротора при такой частоте будет во много раз больше ее активного сопротивления. Токи будут почти чисто реактивными; они будут оказывать сильное размагничивающее действие, т.е. ослаблять обратное поле.

Таким образом, при малых значениях скольжения вращающий момент в однофазных двигателях создается в основном в результате взаимодействия прямого поля и наведенных им в обмотке ротора токов. Тормозящий момент от взаимодействия обратного поля, сильно ослабленного, и наведенных им в обмотке ротора токов (почти чисто реактивных) имеет малое значение.

Рис. 2.22. Кривые вращающих моментов однофазного двигателя

Так как ток в роторе однофазного двигателя образуется наложением двух токов резко различных частот, то электрические потери в роторе можно считать равными сумме потерь, вызываемых каждым из токов в отдельности. Поэтому электрические потери в роторе однофазного двигателя примерно вдвое больше тех же потерь в роторе трехфазного двигателя соответствующей мощности. Здесь имеются в виду двигатели с таким выполнением обмотки ротора, при котором можно не считаться с вытеснением тока в ее проводниках. Если же двигатели имеют на роторе глубокие пазы или двойную клетку, то потери от токов, наведенных обратным полем в проводниках обмотки ротора, значительно возрастают из-за вытеснения в них тока.

Кроме того, cos однофазного двигателя ниже, чем трехфазного двигателя, так как у первого больше ток холостого хода (за счет его реактивной составляющей). Последнее станет понятным, если мы рассмотрим работу двигателя, вращающегося с синхронной скоростью, при разомкнутой и замкнутой обмотке ротора. В первом случае обе н.с. - прямая и обратная - создадут одинаковые поля, наводящие в обмотке статора ЭДС, уравновешивающие почти полностью приложенное напряжение.

Во втором случае обратная н.с. создается не только токами статора, но и токами ротора, наведенными обратным полем; она, так же как и обратное поле, сильно ослабляется. Поэтому прямая н.с. статора в данном случае должна возрасти настолько, чтобы создаваемое ею прямое поле наводило в обмотке статора ЭДС, почти полностью уравновешивающую приложенное напряжение. Во втором случае ток статора будет почти в 2 раза больше, чем в первом случае. Этим и объясняется увеличение тока холостого хода однофазного двигателя.

Увеличение скольжения вызывает увеличение тормозящего момента от обратного поля, поэтому максимальный момент однофазного двигателя меньше, чем у соответствующего трехфазного двигателя.

Коэффициент полезного действия однофазного двигателя также ниже вследствие увеличенных потерь в обмотке ротора, а также в обмотке статора из-за ухудшения cos .

Пуск в ход однофазного двигателя обычно производится при наличии на статоре вспомогательной фазы Она представляет собой обмотку, размещенную в пазах статора так, чтобы ее н.с. была пространственно сдвинута на 90 эл. град, относительно н.с. главной обмотки статора. Ток во вспомогательной обмотке должен быть сдвинут по фазе по отношению к току главной обмотки. Если созданы указанные условия, то обе обмотки вызовут вращающееся магнитное поле. Оно будет несимметричным, но создаваемый им момент в случае небольшого тормозящего момента на валу получается все же достаточным для пуска двигателя в ход. Вспомогательная обмотка выключается, когда двигатель достигает примерно нормальной частоты вращения, так как она рассчитывается на кратковременную нагрузку.

Следовательно, при пуске двигатель работает как двухфазный, а при нормальной частоте вращения - как однофазный. Для получения тока во вспомогательной обмотке, сдвинутого по фазе относительно тока в главной обмотке, последовательно с первой включают активное сопротивление (рис. 2.23,а) или емкость (рис. 2.23,б).

Рис. 2.23. Пусковые схемы однофазных двигателей

Применение емкости позволяет осуществить сдвиг по фазе между указанными токами равным 90°, что дает значительное увеличение начального вращающего момента.

Вместе с тем получили распространение однофазные двигатели, у которых вспомогательная фаза и соединенная последовательно с ней емкость остаются включенными во все время работы двигателя. Такие конденсаторные двигатели по сравнению с обычными однофазными, работающими с отключенной вспомогательной фазой, имеют больший максимальный момент и лучшие КПД и cos .