Проектирование мехатронных узлов Божко
.pdf
Магнитные поля отдельных обмоток суммируются в пространстве внутри сердечника и образуют единое магнитное поле статора.
На рис.5 показана картина этого поля в нескольких временных точках.
Рис.5. Силовые линии магнитного поля асинхронного двигателя в разные моменты времени
Для модуля вектора магнитной индукции результирующего поля трех катушек с током можно записать (если ВА направить по оси Y):
а сам вектор 
составляет с осью X угол α, для которого
откуда α = ωt
Таким образом, имеет место неизменный по модулю вектор магнитной индукции, вращающийся в пространстве с постоянной угловой частотой ω, что соответствует круговому полю. Следовательно, магнитное поле вращается внутри пакета статора с угловой частотой Ω = ω = 2πf, определяемой частотой источника питания статорных обмоток f. Такое поле принято называть вращающимся.
Направление вращения поля определяется порядком чередования фаз. При переключении любой пары обмоток направление вращения поля меняется на противоположное.
Если вдвое увеличить число пазов сердечника и, разделив каждую обмотку на две части, поместить её в пазы так, чтобы начала и концы половин обмоток находились в пазах, смещённых по окружности статора на 90°, то при подключении к сети образуется магнитное поле с двойным числом полюсов (рис.6). За один период частоты питания оно будет перемещаться в пространстве на 180°, т.е. частота его вращения будет в два раза меньше. Проведя аналогичные построения картины магнитного поля для обмоток, разделённых на p частей, можно убедиться, что при этом будут возбуждаться поля с числом пар магнитных полюсов равным p и угловая частота вращения поля будет уменьшаться в p раз, т.е.
Ω = ω/p
где ω – частота питающей сети, а p – число пар полюсов магнитного поля. Либо
n = 60f/p,
где n – скорость вращения магнитного поля в об/мин, а f – частота питающей сети в герцах.
При частоте промышленной сети 50 Гц возникает ряд возможных скоростей вращения магнитного поля: 3000, 1500, 1000, 750, 600… об/мин
Рис.6. Магнитное поле с двойным числом полюсов
Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым и фазным ротором. Характеристики и схемы включения. Электромагнитный момент АД.
По конструкции обмотки ротора различают двигатели с фазным ротором (с контактными кольцами) и двигатели с короткозамкнутым ротором. У первых обмотка выполнена проводом, уложенным в пазах ротора. Три вывода от обмотки, соединенной в «звезду» внутри машины, подведены к кольцам и через щетки подключаются к внешней схеме. Иногда имеется устройство для замыкания колец накоротко. Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, набранный из листов стали. В пазы этого сердечника заливается расплавленный алюминий, в результате чего образуются стержни, которые замыкаются накоротко торцевыми кольцами. Эта конструкция называется "беличьей клеткой". В двигателях большой мощности вместо алюминия может применяться медь. Беличья клетка представляет собой короткозамкнутую обмотку ротора, откуда собственно название (рис.7).
Рис.7
Рис.8
Стержни «беличьей клетки» немного наклонены по отношению к оси вращения — они не параллельны валу (рис.8). Наклон сделан для того, чтобы момент вращения сохранялся постоянным и не пульсировал, кроме того наклон стержней позволяет снизить действие высших гармоник индуцируемых в стержнях ЭДС. Будь стержни без наклона — магнитное поле в роторе пульсировало бы.
Рис.9
Асинхронные двигатели с фазным ротором, в отличие от асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, имеют на роторе полноценную трехфазную обмотку. Подобно тому, как на статоре уложена трехфазная обмотка, так же и в пазах фазного ротора уложена трехфазная обмотка.
Выводы обмотки фазного ротора присоединены к контактным кольцам, насаженным на вал, и изолированным друг от друга и от вала. Обмотка фазного ротора состоит из трех частей — каждая на свою фазу — которые чаще всего соединены по схеме «звезда».
К обмотке ротора через контактные кольца и щетки присоединяется регулировочный реостат.
Добавочное сопротивление вводится только при пуске двигателя. Причем им обычно служит ступенчатый реостат, сопротивление которого уменьшают с увеличением оборотов двигателя. Таким образом пуск двигателя осуществляется тоже ступенчато. После того, как разгон закончился и двигатель вышел на естественную механическую характеристику, обмотку ротора закорачивают. Для того, чтобы сохранить щетки и снизить потери на них, в двигателях с фазным ротором существует специальное устройство, которое поднимает щетки и замыкает кольца. Таким образом, удается повысить еще и КПД двигателя.
Рис.10. а) схема включения АД с короткозамкнутым ротором; б) схема включения АД с фазным ротором.
Вращающееся магнитное поле статора пересекает неподвижные пока проводники обмотки ротора. В ней наводится ЭДС, а т. к. обмотка замкнута, то и ток. Этот ток, взаимодействуя с полем статора, создает момент. Направление момента таково, что он стремится повернуть ротор в сторону вращения поля статора. Если ротор будет вращаться со скоростью, равной скорости поля статора, то пересечения обмотки ротора магнитным потоком не будет, следовательно, не будет и тока в роторе, не будет момента, вращающего ротор. Ротор всегда отстает от поля, сохраняя разность скоростей, обеспечивающую наличие тока и момента. В зависимости от величины нагрузки, которую приходится преодолевать ротору, разница в скорости поля и ротора будет меняться: чем больше нагрузки, тем меньше скорость ротора. Поэтому двигатель называется асинхронным, он не может самостоятельно вращаться со скоростью, равной скорости поля.
Понятие скольжения асинхронного двигателя
Трехфазная обмотка статора создает магнитное поле, вращающееся со скоростью
n = 60f/p
Электромагнитное взаимодействие между статором и ротором возникает только при неравенстве скорости поля статора n и скорости вращения ротора n1.
Отношение
s = (n – n1)/ n или s = (n – n1)∙100%/ n
называется скольжением асинхронной машины. Скольжение асинхронных двигателей при работе под нагрузкой составляет от 3 до 5%, поэтому скорость вращения ротора мало отличается от скорости вращения поля.
Рис. 11. Устройство асинхронного электродвигателя