6.3. Принцип действия асинхронного двигателя
Основным условием, обеспечивающим работу асинхронных двигателей, является наличие вращающегося магнитного поля.
Само явление и способ получения вращающегося магнитного поля были рассмотрены ранее.
Рис. 6.10
Асинхронный двигатель состоит из статора, представляющего собой полый цилиндр из ферромагнитного материала с пазами на внутренней стороне, в которые укладывается обмотка для создания вращающегося магнитного поля, и ротора, представляющего собой сплошной цилиндр из ферромагнитного материала с пазами на внешней поверхности, предназначенными для укладки обмотки ротора. Конструкция двигателя предусматривает возможность свободного вращения ротора вокруг собственной оси «О».
Предположим, что на статоре расположена обмотка, обеспечивающая создание вращающегося магнитного поля. На схеме статорная обмотка для простоты не показана, а поле, образованное обмоткой, представлено силовыми линиями, замыкающимися через статор и ротор. Буквами N и S на рисунке условно показаны северный и южный полюс воображаемого вращающегося электромагнита.
Как показано на рисунке, магнитное поле имеет одну пару полюсов. Введем в это поле короткозамкнутый виток ab, расположенный в пазу ротора, т. е. на магнитопроводе в форме барабана, который может вращаться вокруг оси, перпендикулярной рисунку.
Если магнитное поле вращается в пространстве со скоростью против часовой стрелки, а ротор неподвижен в рассматриваемый момент времени и виток ab расположен вдоль силовых линий магнитного поля, активные стороны витка пересекают силовые линии. В активной стороне a витка, который, будучи неподвижным в пространстве, перемещается вправо относительно вращающегося против часовой стрелки магнитного поля, в соответствии с законами электромагнетизма будет наводиться ЭДС, направление которой можно определить по правилу правой руки. ЭДС в проводнике будет направлена от читателя за рисунок. В нижнем проводнике b будет наводиться ЭДС противоположного направления. Учитывая то, что указанные проводники соединены последовательно, в витке под воздействием ЭДС будет протекать ток такого же направления, что и ЭДС. Однако на всякий проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует механическая сила, направление которой определяется по правилу левой руки. На проводник a действует сила Fa, а на проводник b действует сила Fb. Таким образом, взаимодействие короткозамкнутого витка с вращающимся магнитным полем сопровождается появлением механического вращающего момента на валу двигателя. Под действием этого механического момента ротор начинает вращаться в направлении вращения магнитного поля. У реального асинхронного двигателя в большинстве случаев обмотка ротора представляет собой конструкцию типа «беличьего колеса», расположенную в пазах ротора с равномерным распределением проводников по поверхности, поэтому при любом положении ротора относительно магнитного поля на ротор действует одинаковой величины механический момент, пропорциональный току, протекающему по проводникам.
При увеличении частоты вращения ротора скорость его перемещения относительно вращающегося магнитного поля будет уменьшаться. Уменьшаться будут ЭДС и ток ротора. Пропорционально току будет уменьшаться механический момент на валу. При наличии механического момента сопротивления механический момент, развиваемый двигателем, будет уменьшаться с уменьшением частоты вращения до тех пор, пока моменты не уравновесятся.
Если момент сопротивления равен нулю, то частота вращения ротора будет приближаться к частоте вращения магнитного поля. Однако частота вращения ротора должна быть ниже частоты вращения магнитного поля статора, так как при равенстве скоростей проводники ротора будут неподвижны относительно магнитного поля. В этом случае ЭДС в обмотке ротора будет равняться нулю. Механический момент будет равняться нулю, что должно привести к уменьшению частоты вращения ротора. Эти рассуждения позволяют сделать заключение о том, что данный двигатель отдает механическую энергию только тогда, когда скорость вращения ротора меньше скорости вращения магнитного поля статора. Явление отставания ротора от магнитного поля статора называется скольжением. Описанный здесь способ получения механического момента положен в принцип действия асинхронных двигателей, отличительной особенностью которого является наличие скольжения.