Краткие сведения о конструктивном устройстве электродвигателей

Классификация электродвигателей:

1. По назначению:

· Электромашинные генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую;

· Электрические двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую;

· Электромашинные преобразователи, преобразующие переменный ток в постоянный и наоборот, изменяющие величину напряжения, частоту и число фаз;

· Электромашинные компенсаторы, осуществляющие генерирование реактивной мощности в электрических установках для улучшения энергетических показателей источников и приёмников электроэнергии;

· Электромеханические преобразователи сигналов, генерирующие, преобразующие и усиливающие различные сигналы.

2. По роду тока:

· Машины постоянного тока;

· Машины переменного тока: синхронные, асинхронные;

3. По мощности:

· Микромашины – до 500 Вт;

· Машины малой мощности – от 0,5 кВт до 10 кВт;

· Машины средней мощности – от 10 кВт до 100 кВт;

· Машины большой мощности – свыше 100 кВт.

4. По частоте вращения:

· Тихоходные – до 300 мин^-1;

· Средней быстроходности – от 300 мин^-1 до 1500 мин^-1;

· Быстроходные – от 1500 мин^-1 до 6000 мин^-1;

· Сверхбыстроходные – свыше 6000 мин^-1.

5. По степени защиты:

Открытое исполнение (соответствует степени защиты IP00);

Защищенное (IP21, IP22);

Брызгозащищенное и каплезащищенное (IP23, IP24);

Водозащищенное (IP55, IP56);

Пылезащищенное (IP65, IP66 );

Закрытое (IP44, IP54);

Герметичное (IP67, IP68).

Электрические машины, применяемые в сельскохозяйственном производстве, в основном, имеют закрытое исполнение.

6. По группе эксплуатации

Каждая электрическая машина относится к какой-либо группе эксплуатации, обозначаемая М1…М31. Указанная группа характеризует приспособленность машины к вибрации с определенной частотой, к ускорениям и ударам. В основном, машины общего назначения относятся к группе М1, предусматривающей размещение на стенах или фундаментах при отсутствии ударных нагрузок.

7. По продолжительности и особенности работы машины

Продолжительность и особенности работы машины характеризуется режимом работы, который указывается в паспорте и обозначается буквой S и цифрой от 1 до 8. Описание режимов работы приводится в нормативных документах. Например, S1 – продолжительный режим, при котором машина успевает нагреться до установленной температуры. Режим работы имеет значение при выборе электродвигателей для привода различных механизмов.

8. По способу монтажа.

Исполнение электрической машины по способу монтажа обозначается буквами IМ и четырьмя цифрами, например, IМ1001, IМ3001 и др. Первая цифра характеризует конструктивное исполнение машины (на лапах – для установки на горизонтальной поверхности, с фланцем – для крепления к вертикальной поверхности и т.д.). Далее двумя цифрами обозначается способ монтажа и направление конца вала машины, а последняя цифра указывает на исполнение конца вала (цилиндрический, конический и пр.)

Условное обозначение электродвигателей по конструктивному исполнению представлено в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Конструктивное исполнение электродвигателей.

Условное обозначение	Исполнение
IM1	На лапах с подшипниковыми щитами, с пристроенным редуктором
IM2	На лапах с подшипниковыми щитами, с фланцем на подшипниковом щите
IM3	Без лап с подшипниковыми щитами, с фланцем на одном подшипниковом щите с кольцевым фланцем
IM4	Без лап с подшипниковыми щитами с фланцем на станине
IM5	Без подшипниковых щитов (встраиваемые или пристраиваемые)
IM6	На лапах с подшипниковыми щитами и стояковыми подшипниками
IM7	На лапах со стояковыми подшипниками
IM8	С вертикальным валом
IM9	Специального назначения

Концы валов электрических машин могут иметь цилиндрическую, коническую или фланцевую форму.

По исполнению концов вала:

· 0 – без конца вала,

· 1 – с одним цилиндрическим концом вала,

· 2 – с двумя цилиндрическими концами вала,

· 3 – с одним коническим концом вала,

· 4 – с двумя коническими концами вала,

· 5 – с одним фланцевым концом вала,

· 6 – с двумя фланцевыми концами вала,

· 7 – с фланцевым концом вала на приводной стороне двигателя и цилиндрическим концом вала на противоположной стороне,

· 8 – прочие исполнения.

Основные показатели и характеристики машины, на которые она рассчитана, называются номинальными и указываются на паспортной табличке, прикрепленной к корпусу машины.

Из числа различных видов современных электрических машин самой распространенной является асинхронная. Особенно они широко применяются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

Асинхронная машина – это машина, в которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, и ротор вращается асинхронно, т.е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля.

Асинхронная машина состоит из двух главных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора. По конструкции асинхронные двигатели подразделяются на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (последние называют также двигатели с контактными кольцами). Рассматриваемые двигатели имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь выполнением обмотки ротора.

Статор асинхронной машины состоит из сердечника, корпуса (станины) и подшипниковых щитов. Сердечник статора представляет собой полый цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака. На статоре расположена обмотка, которая при подключении к сети создает вращающееся магнитное поле (рис.4.1). Обмотки статора выполняются из медного изолированного провода и размещается в пазах сердечника, изготовленного из листов электротехнической стали. Сердечник помещается внутрь корпуса, который изготавливается из чугуна, алюминия или других металлов. С торцов корпус закрывается двумя подшипниковыми щитами, которые служат для защиты обмотки статора и в качестве опоры подшипников. Выводы обмотки статора располагаются на корпусе в коробке выводов или клеммной коробке. Обмотка статора асинхронного электродвигателя обычно трехфазная, катушки которой размещены по окружности статора. Фазы обмотки статора соединяют по схеме звезда (Y) или треугольник (∆) и подключают к сети трехфазного тока.

Ротор асинхронной машины представляет собой цилиндрический сердечник, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора расположен на валу, закрепленном в подшипниках. В пазах ротора располагаются витки обмотки ротора. Обмотку ротора размещают равномерно вдоль окружности ротора.

Между ротором и статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым.

В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор, обмотка которого выполняется в виде «беличьей клетки». «Беличья клетка» состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без какой-либо изоляции. В двигателях малой и средней мощности «беличью клетку» обычно получают путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора (рис.4.2).Вместе со стержнями беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины.

Рисунок 4.1. Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором

1 - станина; 2 - сердечник; 3 – обмотка.

Рисунок 4.2. Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя большой мощности (а), малой и средней мощности (б): 1- короткозамыкающие кольца; 2- стержни; 3- сердечник; 4- лопасти охлаждения.

Двигатели с фазным ротором (рис. 4.3). Обмотка статора выполнена так же, как и в двигателях с короткозамкнутым ротором. Ротор имеет трехфазную обмотку с тем же числом полюсов. Обмотка фазного ротора выполняется изолированным проводом. Обмотку ротора обычно соединяют по схеме Y, а свободные концы их соединяются с тремя контактными кольцами, укрепленными на валу машины, но изолированными от этого вала, вращающимися вместе с валом машины. На кольца наложены щетки, установленные в неподвижных щеткодержателях. Через кольца и щетки обмотка ротора замыкается на трехфазный реостат, т. е. в каждую фазу ротора вводят добавочное активное сопротивление. Обмотка статора такого двигателя включается непосредственно в трехфазную сеть. Включение реостата в цепь ротора дает возможность существенно улучшить пусковые условия двигателя – уменьшить пусковой ток и увеличить пусковой момент, кроме того, с помощью реостата, включенного в цепь ротора, можно плавно регулировать скорость двигателя.

Рисунок 4.3. Асинхронный электродвигатель с фазным ротором и схема его включения в сеть:

1-обмотка статора; 2- сердечник статора; 3- корпус; 4 – сердечник ротора; 5 – обмотка ротора; 6- вал; 7 – контактные кольца; 8 – пусковой реостат.

По конструкции двигатели с короткозамкнутым ротором проще двигателей с фазным ротором и более надежны в эксплуатации (у них отсутствуют кольца и щетки, требующие систематического наблюдения, периодической замены и пр.)

Статор односкоростных трехфазных электродвигателей имеет три обмотки, которые соединяются либо в звезду, либо в треугольник. Чаще на поверхность корпуса выводятся начала и концы обмоток для подключения их к источнику питания. Обмотки двигателей рассчитывают на определенное номинальное напряжение. Например, если указаноY/∆ 380/220 В, а напряжение в сети 380/220 В, то обмотки должны быть соединены в звезду, а их начала подключаются к зажимам сети на линейное напряжение.

У многоскоростных электродвигателей обмотка каждой фазы обычно состоит из двух одинаковых частей, в одной из которых при переключении с последовательного на параллельное соединение изменяется направление тока. Выводам обмоток статора машин переменного тока присваивается буква С, а выводам обмоток ротора – буква Р. В трехфазном статоре начала обмоток обозначают, первой фазы –С1, второй – С2, третьей - С3, концы обозначают соответственно –С4, С5, С6. Выводам обмоток ротора присваивают обозначения, Р1 – первой фазы, Р2 – второй фазы, Р3 – третьей фазы.

В обозначении выводов многоскоростных электродвигатели перед буквой добавляется цифра, указывающая число полюсов. Например, для трехфазного двигателя при переключении обмоток с двух полюсов на четыре их выводы маркируют соответственно 2С1, 2С2, 2С3, 4С1, 4С2, 4С3.

При пуске двигателя по возможности должны удовлетворяться основные требования; процесс пуска должен осуществляться без сложных пусковых устройств; пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковые токи - по возможности малыми.

Практически используют следующие способы пуска: непосредственное подключение обмотки статора к сети (прямой пуск); понижение напряжения подводимого к обмотке статора при пуске; подключение к обмотке ротора пускового реостата.

Прямой пуск применяют для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором малой и средней мощности.

Пуск с помощью реостата в цепи ротора применяют для пуска двигателя с фазным ротором. Если в цепь ротора включить пусковой реостат R, то активное сопротивление цепи ротора увеличится. При этом максимальный момент не изменяется, а пусковой момент возрастает.

Рисунок 4.4. Схемы включения трехфазного двигателя в однофазную сеть: а – при помощи конденсаторов при включении электродвигателя в звезду; б – при помощи конденсаторов при включении двигателя в треугольник

Для изменения направления вращения ротора электродвигателя надо изменить направление вращения магнитного поля. Для этого необходимо изменить порядок чередования тока в фазах обмотки статора.

При рассмотрении работы трехфазного двигателя от однофазной сети следует различать непредусмотренный (аварийный) режим работы двигателя и предусмотренный (рабочий).

Предусмотренный режим работы имеет место при преднамеренном включении асинхронного двигателя в однофазную сеть с целью использования в режиме однофазного.

Наиболее распространенные схемы включения с использованием конденсаторов показаны на рис. 4.4.

Напряжение сети подводят к началам двух фаз. К началу третьей фазы и одному из сетевых зажимов присоединяют рабочий конденсатор С1 и отключаемый (пусковой) С2, применяемый для увеличения пускового момента.

Если пуск двигателя происходит без нагрузки, то конденсатор С2 не используется. После пуска двигателя пусковой конденсатор отключают. Изменяют направление вращения (реверсирование) путем переключения сетевого провода с одного зажима конденсатора на другой.

При определении пусковой емкости исходят из пускового момента. Если пуск двигателя происходит без нагрузки, пусковой емкости не требуется. Чтобы получить пусковой момент, близкий к номинальному, достаточно иметь пусковую емкость, определяемую соотношением С2 = (2,5… 3) С_р.

При ремонте и после каждого отключения конденсаторы разряжают с помощью какого-либо сопротивления (несколько ламп накаливания, соединенных последовательно).

Существует также способ включения трехфазного электродвигателя в однофазную сеть с помощью активных сопротивлений. Перед пуском двигателя включают пусковое сопротивление. Затем двигатель подключают к однофазной сети. Когда он достигнет частоты вращения, близкой к номинальной, пусковое сопротивление отключают. Двигатель продолжает работать, развивая мощность, равную 0,5…0,6 номинальной (в трехфазном режиме).

Если снабдить статор двигателя только одной однофазной обмоткой, то переменный ток в ней будет возбуждать в машине, пока её ротор неподвижен, переменное магнитное поле, ось которого тоже неподвижна. Это поле будет индуктировать в обмотке ротора ЭДС, под действием которой в ней возникнут токи. Взаимодействие токов ротора с магнитным полем статора создаст электромагнитные силы, противоположно направленные в правой и левой половинах ротора. Вследствие этого результирующий момент, действующий на ротор, окажется равным нулю. Следовательно, при наличии одной обмотки начальный пусковой момент однофазного двигателя равен нулю, т.е. такой двигатель сам с места тронуться не может.

В асинхронном двигателе фазные обмотки статора подобно первичной обмотке трансформатора получают энергию из трехфазной сети. Токи обмоток статора возбуждают в машине вращающееся магнитное поле, а последнее индуктирует ЭДС в обмотке ротора. Взаимодействие токов ротора, возникающих под действием этой ЭДС, с вращающимся магнитным полем вынуждает ротор вращаться по направлению вращения поля. Но чем быстрее вращается ротор, там меньше индуктируемые в нем токи.

Характеристики вращающегося магнитного поля зависят от способа геометрического расположения фазных обмоток статора.

Режим работы трехфазной асинхронной машины определяется режимом электромагнитного взаимодействия токов в обмотках статора и ротора. Если частота вращения магнитного поля статора n₁, а частота вращения ротора n2, то режим работы асинхронного двигателя можно характеризовать скольжением.

Скольжением называют относительную разность частот вращения ротора и магнитного поля статора:

S=(n₁ – n₂) / n₁, (3.1)

где n₁ – частота вращения магнитного поля статора, мин^-1;

n₂ – частота вращения ротора электродвигателя, мин^-1.

Скольжение часто выражают в процентах

S=[(n₁– n₂)/ n₁] ·100 (3.2)

Частота вращения магнитного поля статора n1 может быть определена по формуле:

n1=60f/p, (3.3)

где f – частота напряжения питания, Гц;

p- число пар полюсов статора (под полюсом понимается часть обмотки статора, в проводниках которого токи имеют одинаковое направление).

Таким образом, характерной особенностью асинхронной машины является наличие скольжения, т. е. неравенство частот вращения n₁ и n₂. Только при указанном условии в проводниках обмотки ротора индуцируется ЭДС и возникает электромагнитный момент.

В паспорте электродвигателя указывается частота вращения вала при номинальной (паспортной) мощности. При перегрузке двигателя частота вращения ротора уменьшается, а ток возрастает. Статоры асинхронных двигателей изготавливаются с 2, 4, 6, 8, 10 и 12 полюсами и при частоте напряжения питания 50 Гц частота вращения магнитного поля статора составляет соответственно 3000, 1500, 1000, 750, 600 и 500 мин^-1.

Электромагнитный момент М асинхронного двигателя пропорционален основному магнитному потоку Ф и активной составляющей тока ротора I 2 cos ω2;

М = КФI2cosω2, (3.4)

где К – конструктивный коэффициент, определяется числом фаз, полюсов и витков в обмотках статора и ротора.

Основным рабочим режимом асинхронных машин является двигательный. В этом режиме асинхронная машина получает электрическую энергию из сети и преобразует ее в механическую, при этом частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля статора, т. е. 1>S>0.

Если ротор асинхронной машины разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля n₁, то изменится направление ЭДС в проводниках ротора, т.е. асинхронная машина перейдет в генераторный режим. При этом изменит свое направление электромагнитный момент, который станет тормозящим.

В генераторном режиме асинхронная машина получает механическую

энергию от первичного двигателя, превращает ее в электрическую и отдает в сеть, при этом S<0.

В режиме электромагнитного тормоза (S>1) ротор трехфазной асинхронной машины вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора. В режиме электромагнитного тормоза в трехфазной асинхронной машине рассеивается значительная энергия в обмотках на гистерезис и вихревые токи.

Первые асинхронные электродвигатели были созданы в 1888 г., а в 1889 г. - трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазном ротором. С тех пор происходило развитие и совершенствование данного типа электрических машин. С 1946 г. асинхронные двигатели в СССР выпускаются едиными сериями. Единая серия представляет собой ряд электродвигателей с определенными характеристиками (мощности, частоты вращения и др.), которые различаются только габаритами и мелкими конструктивными особенностями. При этом применяются одинаковые материалы и имеется ограниченный набор корпусов, которые используются для изготовления двигателей различных сочетаний мощности и частоты вращения. Соответствие между размерами и мощностью для каждой серии устанавливается стандартом. Использование единых серий значительно облегчает изготовление, выбор, обслуживание и ремонт электродвигателей. Разработка первой серии асинхронных двигателей А-АО было начато в 1946 г., а их внедрение – в 1950 г. В 1958 г. начата разработка и внедрение второй серии А2- АО2, с 1972 г. по 1980 г. производилась серия 4А, далее – серия АИР- АИС. С 1992 г. стали выпускать более совершенные двигатели серий 5А, 6А, РА (RА) и ряд других. В настоящее время в сельском хозяйстве наиболее распространенными являются электродвигатели серии АИР.

Электродвигатели серии АИР выпускаются мощностью от 0,025 кВт до 315 кВт с высотой оси вращения от 45 мм до 355 мм на напряжение 220/380 В и 380/660 В частотой тока 50 Гц.

Маркировка электродвигателей серии АИР:

АИР80АS4У3-220/380 В, IM1030

АИР – серия

80 – высота оси вращения вала

А – установочный размер по длине вала (А – длинный вал, В - короткий)

S – установочный размер по длине станины (S – короткая, М – средняя,

L - длинная)

4 – количество полюсов

У – климатическое исполнение

3 – категория размещения

Электродвигатель характеризуется мощностью в киловаттах, напряжением в вольтах, номинальным током в амперах, коэффициентом мощности, коэффициентом полезного действия, частотой вращения. Эти данные, а также заводской номер, тип электродвигателя и наименование завода, изготовившего электродвигатель, содержатся в табличке, прикрепляемой к корпусу электродвигателя.

В отличие от серии 4А в двигателях серии АИР более широко применены высокопрочные аллюминиевые сплавы и пластмассы и использована более современная система вентиляции, обеспечивающая снижение температуры нагрева двигателей при номинальной нагрузке на 10...20 С по сравнению с двигателями серий 4А. Это обеспечило двигателям серии АИР снижение уровня шума при их работе и повышение надежности.

Габаритные, установочные и присоединительные размеры двигателя серии АИР исполнения 1М3641 представлены в таблице 4.2 и на схеме, рис 4.5.

Таблица 4.2 Габаритные, установочные и присоединительные размеры двигателя серии АИР исполнения 1М3641

Типоразмер двигателя	Габаритные размеры, мм	Установочные и присоединительные размеры, мм	Масса, кг
L30	d30	L1	d1	d 20	d 22	d 25	h 37
АИР71А	272,5					М6			10,4

Рис 4.5 Схема габаритных, установочных и присоединительных размеров двигателя серии АИР исполнения 1М3641

Синхронная машина - электрическая машина переменного тока, (генератор, двигатель, компенсатор), у которой частота вращения ротора ровна частоте тока в электрической сети. Первый трехфазный синхронный генератор создан известным русским электротехником М.О. Доливо-Добровольским в 1891 г.

Статор синхронной машины выполняется так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная обмотка. Обмотка ротора питается от источника постоянного тока и называют ее обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения. Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец и щеток. При вращении ротора с некоторой частотой n2 поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную ЭДС, изменяющуюся с частотой

f=pn2 /60 (3.5)

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то проходящий по этой обмотке трехфазный ток создает вращающееся магнитное поле с частотой (3.3). Из формул (3.3) и (3.5) следует, что n1 = n2, т.е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Поэтому рассматриваемую машину называют синхронной.

В синхронной машине обмотку, в которой индуцирует ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения – индуктором. Следовательно, в приведенной машине статор является якорем, а ротор – индуктором.

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а про обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то ротор не начнет вращаться. Для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

По конструкции крупные синхронные машины подразделяются на турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы и синхронные двигатели.

Синхронные двигатели имеют следующие достоинства:

- возможность работы при коэффициенте мощности, равном 1; это приводит к улучшению коэффициента мощности сети, а также к сокращению размеров двигателя, так как потребляемый ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности;

- меньшую чувствительность к колебаниям напряжения;

- строгое постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу (в определенных пределах).

Недостатками синхронных двигателей являются:

- сложность конструкции;

- сравнительная сложность пуска в ход;

- трудности с регулированием частоты вращения, которое возможно путем изменения частоты питающего напряжения.

Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выгодными, чем асинхронные двигатели при мощностях до 100 кВт, однако, при больших мощностях, когда особенно важно иметь уменьшенные габариты машины, синхронные двигатели предпочтительнее асинхронных.