Предисловие.
В 1889 году русско-германским ученым Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским был заявлен патент на изобретение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АДКЗ).
Конструктивно двигатель еще несколько отличался от современного, но в 1890 году Михаил Осипович предлагает для передачи и распределения электроэнергии систему трехфазного тока, и после некоторых доработок трехфазный асинхронный двигатель приобрел окончательный вид, который не изменился до сегодняшнего дня.
Устройство АДКЗ.
Статор АДКЗ.
Устройство статора АДКЗ практически ничем не отличается от статоров других электрических машин переменного тока.
Само слово «статор» ведет свои корни от греческого «статика» — неподвижный. Значит, всё, что неподвижно в электрической машине, относится к статору, и первой основной деталью статора является станина.
Станина может быть выполнена из стали, чугуна, цветных металлов. В станину запрессовывается наборный сердечник из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, отличающейся от обыкновенной стали завышенным сопротивлением в результате добавки 4% кремния.
В стальной детали, помещенной в переменное магнитное поле, по закону Фарадея наводится ЭДС, и под ее влиянием начинают циркулировать токи, которые могут раскалить сталь даже до температуры плавления. Такие токи получили название «вихревые».
Но если эту самую деталь выполнить не цельную, а набранную из множества стальных листов (в технической литературе называют «шихтованная»), она нагревается на порядок меньше. Так как величина вихревого тока пропорциональна площади контура, то такое разбиение площадей дает эффект.
В сталь, из которой будут выполнены сегменты будущего сердечника, добавляют 4% кремния, умышленно ухудшая проводимость. Такая сталь называется «электротехнической». Дополнительно сегменты, из которых набирается сердечник, с двух сторон покрываются лаком. Всё это меры по борьбе с вихревыми токами.
В пазы набранного сердечника укладывается изоляция из электротехнической бумаги, а на неё обмотка из медного провода. И здесь начинается самое интересное, на что необходимо обратить внимание. Задача статорной обмотки машины переменного тока — получить магнитное поле, и не просто поле, а вращающееся!
Для этого в пазы укладываются три фазы в виде катушек, изолированные и смещенные относительно друг друга на 120 градусов. Пазы с обмотками забиваются текстолитовыми клиньями. Лобовые части обмотки фиксируются киперной лентой, капроновой нитью, а в мощных электрических машинах — специальным обмоткодержателем.
Ротор АДКЗ.
Слово «ротор» пришло к нам из латинского языка, в переводе rotare — «вращать». То есть, следуя логике, всё, что вращается в электрической машине, можно отнести к ротору. Прежде всего это стальной вал, на который напрессован, опять же, сердечник из набранных сегментов из электротехнической стали.
И сейчас еще одна фишка асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором! В качестве обмотки ротора Доливо-Добровольский предложил использовать, вместо привычного для всех медного провода, алюминиевые или медные спицы, замкнутые по краям кольцами.
Полученная конструкция невольно ассоциируется с белкой, бегущей внутри колеса из спиц, отсюда и термин «беличья клетка», прочно закрепившийся в технической литературе.
Алюминиевые или медные спицы укладывались в пазы набранного сердечника и замыкались кольцами вручную. В настоящее время при сборке ротора в пазы набранного сердечника алюминий или медь попросту заливают. Получается цельнолитая конструкция с лопатками для циркуляции воздуха.
Ротор заводится в станину, вал опирается на подшипники, запрессованные в передний и задний подшипниковые щиты. Подшипниковые щиты крепятся к станине крепежными болтами.
Немаловажным узлом АДКЗ является вентилятор, напрессованный на вал ротора, так как нагрев деталей электродвигателя во время работы довольно ощутим (токи статорных обмоток, вихревые токи в сердечниках, от которых полностью избавится не удастся, и мн. др.). Воздушный поток идет как внутри полости статора, так и снаружи вдоль ребер, выполненных на корпусе АДКЗ снаружи.
Работа АДКЗ.
Чтобы понять, как работает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, давайте вместе разберемся в понятии «вращающееся магнитное поле статора». Без него ротор не тронется.
Вращающееся магнитное поле статора.
При подаче трехфазного тока в статорную обмотку, благодаря смещению фаз на 120 градусов, внутри статора появляется вращающееся магнитное поле. Для его наглядной демонстрации часто проводят опыт: внутрь статора с включенными статорными обмотками помещают стальной шарик, который начинает носиться по внутренней окружности статора.
Чтобы понять принцип вращения магнитного поля внутри статора, давайте обратимся к рисунку с графиком, демонстрирующим три смещенных на 120 градусов тока I1, I2, I3, проходящих по катушкам 1,2,3, в четырех временных точках а, б, в, г.
В точке а ток I1 равен нулю, ток I2 находится ниже нулевого значения, он отрицательный, а I3 выше нулевого значения — положительный. Из этого следует, что катушка под номером два будет работать как северный полюс, катушка под номером три — как южный. Магнитный поток устремится от северного полюса к южному, а в катушке под номером один нет тока, а значит, и магнитного потока.
В точке б картина меняется. Ток I2 равен нулю (смотрим на график), ток I1 положительный, ток I3 — отрицательный. Магнитный поток пошел уже от третьей катушки, ставшей северным полюсом, к первой, ставшей южным.
Направление магнитного потока в точках в и г разберите самостоятельно, если у вас есть терпение и вам интересно))).
Почему ротор крутится?
При подключении собранного асинхронного двигателя к источнику трехфазного тока в статорной обмотке возникнет вращающееся магнитное поле, которое будет пересекать спицы беличьей клетки ротора.
Сразу вспоминаем Майкла Фарадея с его законом электромагнитной индукции: если движущееся магнитное поле пересекает неподвижный проводник, в проводнике наводится электродвижущая сила, часто упоминаемая в технической и научной литературе как ЭДС.
ЭДС гонит свободные электроны по беличьей клетке в зависимости от направления магнитного поля. Спицы беличьей клетки неспроста замкнуты кольцами, получилась замкнутая конструкция, под влиянием ЭДС в которой начинает течь ток. Там, где есть ток, обязательно наличие магнитного поля, т. е. вокруг беличьей клетки появилось собственное магнитное поле.
Магнитное поле ротора начинает взаимодействовать с вращающимся полем статорной обмотки, и между ними появляется выталкивающая сила, направление которой можно определить по правилу «левой руки». Не будем сейчас обсуждать его, дополню только то, что выталкивающая сила начинает поворачивать ротор в направлении вращения поля статора. В итоге ротор, не имея никакой электрической связи со статором, начинает вращаться.
Почему асинхронный?
Разность скорости ротора и скорости вращающегося магнитного поля статора называется скольжением. Когда в статорную обмотку дали ток, а ротор еще какое-то время стоит из-за своей массы и инерции, скольжение равно единице.
Как только ротор начинает вращаться, он начинает догонять вращающееся поле статора, и скольжение стремится к нулю, но нулем никогда не станет, иначе прекратится пересечение магнитным полем статора спиц беличьей клетки, перестанет наводиться ЭДС, ток, и ротор останется без своего магнитного поля.
Вот эта разница скоростей, являющаяся неукоснительным условием для работы АДКЗ, дала ему название асинхронный.
В заключение обращу внимание читателей на наличие терминов, отмеченных снежинкой*, описание назначения которых можно будет встретить в следующих статьях, или информацию о них можно почерпнуть в наших коротких развивающих фильмах на нашем телеграм-канале «Михаил Михайлович о локомотивах» https://t.me/mihailsilko24 или в набирающем в последнее время популярность «Рутубе» https://rutube.ru/channel/22129608/.
Приглашаем посмотреть более 50-ти коротких обучающих фильмов, посвященных назначению, устройству и принципу работы различных узлов и агрегатов тепловозов и электровозов. Отписаться никогда не поздно, так что заходите на наш канал))). До скорых встреч!
