3. Краткие исторические сведения.

Принцип действия асинхронного двигателя фактически содержится в явлении “магнетизма вращения” обнаруженного в 1824 г. Ф.Д. Араго (Франция) и объясненном впоследствии в 1831 г. М. Фарадеем (Англия). Но в опытах Араго медный диск приводился в движение вращающимся магнитом, а не вращающимся магнитным полем. Долгое время это явление не находило себе применения. Только в 1879 г. У. Бейли (Англия) изобрел прибор, в котором пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось с помощью неподвижного устройства, состоящего из четырех электромагнитов, питавшихся импульсами постоянного тока, переключение которых осуществлялось специальным коммутатором. К открытию явления вращающегося магнитного поля пришли независимо друг от друга в 1888 г. итальянский ученый Г. Феррарис и югославский ученый и изобретатель Н.Тесла. Они показали, что две катушки, расположенные под прямым углом друг к другу и питаемые двумя переменными синусоидальными токами, сдвинутыми по фазе на 90⁰ образуют вращающееся магнитное поле. Но впоследствии интерес к работам Феррариса упал. Двухфазные же двигатели Тесла еще некоторое время выпускались. Основным их недостатком было применение сосредоточенных обмоток в статоре и роторе, что приводило к ухудшению эксплуатационных характеристик.

Ознакомившись с работами Феррариса М. О. Доливо-Добровольский (Россия) продолжил разработку конструкции асинхронного двигателя, рассчитанных на питание от предложенной им трехфазной системы. Им в короткий срок были изобретены основные узлы трехфазных асинхронных двигателей: ротора с обмоткой в виде беличьей клетки (1889 г.); статора с распределенной барабанной трехфазной обмоткой; ротора с распределенной трехфазной обмоткой, выведенной на контактные кольца; пускового реостата, вводимого в цепь ротора при пуске двигателя (1890 г.). В главных чертах конструкция асинхронного двигателя М. О. Доливо-Добровольского сохранилась до настоящего времени.

4. Создание вращающегося магнитного поля.

В асинхронных двигателях В.М.П. создается с помощью системы многофазных обмоток переменного тока расположенных как правило на статоре. Впервые таким образом независимо друг от друга создали В.М.П. Феррарис и Тесла. Конструкция такого устройства показана на рис. 2.4.1:

Рис 2.1. Неподвижная система обмоток Феррариса и Тесла для создания вращающегося магнитного поля.

Система имела две обмотки, питающиеся от источника синусоидального напряжения, амплитуды которых равны, а фазы сдвинуты по отношению друг к другу на 90⁰.

. (2.10.)

На рис. 2.1.: (A - X) -начало и конец первой обмотки (обмотки фазы А); (B - Y) - начало и конец второй обмотки (обмотки фазы В) ; (X,Y) - оси пространственной системы координат. Как изменяется результирующий вектор в зависимости от изменения напряжения на обмотках за период Т, а следовательно и изменения векторов и в определенные моменты времени показано на рис.2.2.

Рис. 2.2. Создание вращающегося магнитного поля системой двухфазных обмоток.

Таким образом двухфазная система напряжений, сдвинутая во времени на 90⁰ и двухфазная система обмоток, сдвинутая в пространстве на 90⁰ совместно создают В.М.П. вектор магнитной индукции которого вращается в пространстве с угловой частотой , где - частота сети. Направление вращения результирующего вектора совпадает с направлением вращения фаз напряжений.

В данном случае (см. рис. 2.1.) количество пар полюсов p=1. В общем случае их может быть несколько и от их количества зависит частота вращения В.М.П. Частота вращения В.М.П. и количество пар полюсов связаны зависимостью:

. (2.11.)

Частоту вращения двигателей принято выражать в об/мин. которая определяется по формуле:

, (2.12.)

где f - частота сети, гц.

В современных асинхронных электрических машинах В.М.П. создается симметричной системой трехфазных обмоток. Эти обмотки создают переменные магнитные поля, амплитуды этих полей равны, а фазы сдвинуты на 120⁰. Устройство таких машин приведено на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Устройство трёхфазных асинхронных двигателей.

На рис. 2.3.: D_A - внутренний диаметр расточки якоря; l_A - активная длина машины. Определим величину суммарного модуля вектора магнитной индукции В. Для этого проецируем векторы магнитной индукции каждой фазы на ось ОХ (рис 2.4.):

Рис 2.4. Векторная диаграмма трехфазной системы.

Проецируя на ось OY получаем:

Результирующий модуль вектора магнитной индукции находим по формуле:

или иначе (рис. 2.5.):

Рис. 2.5. Вращающееся магнитное поле получаемое с помощью трёхфазной системы.

Итак, симметричная трехфазная система создает В.М.П. внутри двигателя, амплитуда которого В=1,5B_m.

В общем случае величина результирующего вектора магнитной индукции связана с числом фаз соотношением:

.

Преимущества трёхфазной системы над двухфазной: 1) при двухфазной системе величина результирующего вектора магнитной индукции В составляет В_m, при трехфазной - 1,5В_m; 2) при трехфазной системе меньше вибраций; 3) для питания двухфазного двигателя нужна 4^Х проводная система питающих линий, при трёхфазной системе - 3^Х проводная.