Принцип действия асинхронных электродвигателей

Понять принцип действия асинхронного двигателя не сложно, если не пользоваться учебниками для вузов и школ. Зачастую академическая литература лишь препятствует пытливому уму разобраться в работе электромоторов и часто навсегда отбивает охоту заниматься изысканиями, связанными с электротехникой и электромеханикой. В последнее время у многих людей, не связанных напрямую с наладкой и проектированием машин, появился интерес к сборке самодельных станков, механизмов, летательных аппаратов и самодвижущихся машин. Поэтому в этой статье мы попытались доступно объяснить принцип действия асинхронного электродвигателя без сложных понятий и формул.

Принцип действия асинхронного двигателяРабота любого асинхронного двигателя построена на принципе вращающегося магнитного поля. Как его можно создать? Например, можно взять постоянный магнит и начать вращать его вокруг своей оси – получится вращающееся магнитное поле. А если крутить магнит возле медного диска, то он станет вращаться вслед за магнитом, пытаясь его догнать. Со стороны наблюдателя кажется, что между магнитом и диском есть невидимая вязкая связь. Их движение не синхронно, диск крутится с некоторым отставанием.

Объяснить это явление можно тем, что магнит при вращении возбуждает в структуре диска индукционные токи или токи Фуко. Они всегда движутся по замкнутому кругу — нигде не начинаясь и нигде не заканчиваясь, и являются, по сути, токами короткого замыкания, которые разогревают металл и от которых обычно пытаются избавиться. Но в нашем случае они полезны, т.к. порождают во вращаемом диске магнитное поле, которое дальше взаимодействует с полем постоянного магнита.

В асинхронных электродвигателях всё происходит по тому же принципу, только чтобы получить вращающееся поле, используют не постоянный магнит, а обмотки статора, в которых создаётся поле вращения. Условия для вращения можно создать только в многофазных системах, где ток сдвинут по фазе на определённый градус. В быту используются двухфазные электродвигатели, где вторая фаза создаётся искусственно с помощью сдвигающего конденсатора, катушки или сопротивления. В промышленности применяют трёхфазные системы.

Первый трёхфазный асинхронный двигатель был сделан русским учёным Доливо-Добровольским. Схема его работы показана на рисунке. Статор состоял из трёх обмоток (полюсов), отдалённых друг от друга на 120°. Вверху показан график синусоидального тока всех трёх полюсов, наложенных на один рисунок. В момент, когда ток одной из фаз равен нулю (отмечено пунктиром), две другие имеют значения близкие к максимальным и отличаются по направлению тока. Так между двумя работающими обмотками создаются магнитное поле. В следующий момент ситуация меняется – один из работающих полюсов отключается, оставшийся в работе меняет полярность (т.к. в обмотке меняется направление тока), а полюс только что включившийся в работу, поддерживает сместившееся магнитное поле. Магнитные линии пересекают часть металлического ротора и в нём генерируются вихревые токи. Они взаимодействуют с вращающимся полем статора и увлекаются за ним, пытаясь его догнать, и ротор проворачивается.

Принцип работы асинхронного двигателяОсновной принцип работы асинхронного двигателя, созданного в позапрошлом веке, остаётся актуальным и для современных электродвигателей. Только вместо дисковых и цилиндровых роторов стали использовать короткозамкнутые роторы по типу «беличья клетка» и фазные роторы. Также изменилась форма обмоток статора – вместо катушек с полюсными наконечниками теперь делают радиальные обмотки, уложенные в пазы.

Асинхронные двигатели хороши тем, что они не имеют скользящих контактов (ток в роторе индуцируется бесконтактно), а направление вращения легко поменять, изменив направление тока в одной из обмоток (поменяв фазы на клеммах мотора). Выше была рассмотрена работа статора с одной парой рабочих полюсов (двухполюсного с тремя обмотками). Количество оборотов в минуту такого электромотора равно частоте тока, т.е. 50 об/сек или 3000 об/мин. Изготавливают также 4-х и 6-ти полюсные электродвигатели с шестью и девятью обмотками соответственно. Частота вращения таких моторов составляет 1500 и 1000 об/мин.

Подведём итоги. Принцип действия асинхронного двигателя основывается на создании в обмотках статора вращающегося магнитного поля, которое пересекает контур ротора и индуцирует в нём электродвижущую силу. Поскольку он замкнут на коротко, то в нём возникает переменный ток. Магнитное поле этого тока вместе с вращающимся магнитным полем статора создают крутящий момент. Ротор начинает крутиться и пытается сравнять свою скорость со скоростью убегающего поля статора. Но как только частота вращения ротора совпадёт с частотой вращения магнитного поля статора, в роторе затухнут все электромагнитные процессы и крутящий момент станет равным нулю. Ротор начинает отставать и магнитное поле статора снова начинает возбуждать контур ротора. Этот процесс будет повторяться всё снова и снова. Таким образом, частота вращения ротора стремится догнать частоту вращения магнитного поля статора, но всё время отстаёт, т.е. вращается не синхронно, а значит асинхронно.

В станкостроении асинхронные двигатели не заменимы. Ни какой другой тип электромоторов не имеет такой высокой износоустойчивости и универсальности. Поэтому такое оборудование как станок для сетки рабицы, правильно-отрезной и просечно-вытяжной станки, выпускаемые на нашем предприятии, оснащены именно асинхронными электроприводами. На видео хорошо объясняется принцип работы асинхронного электродвигателя, его устройство и отличительные особенности