Наиболее популярным из существующих электродвигателей до сих пор является асинхронный двигатель, созданный ещё в XIX веке. Его конструкция оказалась гениально простой и настолько удачной, что все дальнейшие преобразования не касались принципа действия, затрагивая лишь технологию изготовления тех или иных деталей. Например, модифицироваться могли подшипники, на которых крепился вал двигателя, менялась форма обмоток ротора и статора, однако принцип работы асинхронного двигателя оставался прежним.
Как устроен асинхронный двигатель
Независимо от того, какие размеры имеет электрический мотор такого типа, его устройство будет одинаковым. Проще для примера рассмотреть трёхфазный электродвигатель. Такие моторы работают в заводских цехах – на конвейере и в станках, приводят в движение кабину лифта – в домах и на шахтах, перекачивают воду, крутя турбину насоса – и в небольшой скважине, и на мощных водозаборных станциях. Сфера применения трёхфазных устройств широка.
Разные типы двигателя
В отличие от трёхфазного, однофазный асинхронный двигатель часто применяется в бытовой технике – пылесосах, стиральных машинах, вентиляторах, кухонных комбайнах, блендерах и т.д. Они же применяются в магнитофонах и проигрывателях виниловых дисков. Даже в составе персонального компьютера можно найти не один асинхронный двигатель. Но к устройству этой версии двигателя мы вернёмся чуть позже.
Первым появился на свет именно трёхфазный электродвигатель, принцип работы которого строился на взаимодействии электромагнитных полей. Основные части асинхронного двигателя – это статор и ротор. Соответственно, статором была названа часть, которая остаётся неподвижной. Именно она находится непосредственно под внешней оболочкой устройства и имеет форму цилиндра. В этой части по кругу расположены три обмотки – под углом 120° друг к другу.
В современных двигателях можно насчитать множество обмоток, однако, они соединены друг с другом так, чтобы каждая последующая отличалась от предыдущей по фазе, и фазовый сдвиг между соседними обмотками составлял 120°. Обмотки наматываются медным проводом, и к каждой из групп подключается напряжение со своей фазы. Таким образом, получается, что магнитное поле движется по этим обмоткам, как бы замыкаясь в кольцо.
Статор тоже имеет свои обмотки. Так как на статор электричество не подаётся, он имеет право на замкнутый проводник, который иногда вместо обмоток формируют в виде так называемой беличьей клетки. Если сравнивать точнее, то эта деталь напоминает не саму клетку для проворного грызуна, а беличье колесо, предназначенное для того, чтобы животное выплёскивало свою неуёмную энергию. В роторе устройства «беличья клетка» формируется путём заливки расплавленного алюминия в пазы сердечника, выполненного из набранных стальных листов. Такое устройство называется короткозамкнутым ротором.
Если статор выполнен с реальными обмотками, то он обычно делается многополюсным. Такой ротор называют фазным. Обмотки этого ротора замыкают звездой или треугольником.
Ротор имеет собственный вал, который опирается на задний и передний подшипники. Они, в свою очередь, закреплены на корпусе двигателя так, что ротор внутри статора может свободно вращаться. Принцип действия асинхронных двигателей основан на том, что в обмотках или «беличьем колесе» статором наводится магнитное поле. Под его действием в проводниках ротора появляется ток, а с ним – собственное магнитное поле.
Переменное магнитное поле статора увлекает за собой ротор, и тот начинает вращаться. Но магнитное поле ротора всегда запаздывает относительно поля статора, и вращение обоих полей не может происходить синхронно. Это заставляет ротор преодолевать множество действующих на него сил:
- силу тяготения;
- трение качения (если используется шариковый или роликовый подшипник);
- трение скольжения (если в качестве подшипника применяется бронзовая втулка);
- силу противодействия приводимого в движение оборудования.
Последняя сила зависит от многих моментов, поэтому её невозможно свести к какому-либо простейшему физическому параметру. Если надо сдвинуть с места трамвай, то двигателю приходится на себя брать нагрузку от редуктора, который надо раскрутить, от самого вагона, который надо сдвинуть, к тому же не надо забывать ещё и о силе трения качения, которое испытывают колёса транспортного средства.
В случае когда идет описание работы профессиональной мясорубки, которую приводит в действие асинхронный двигатель, то здесь преодолевается сопротивление и самого редуктора, и того куска мяса или даже кости, которую надо перемолоть.
Поскольку между статором и ротором есть зазор, то ротор под нагрузкой просто отстаёт от статора по угловой скорости. Следовательно, частота вращения ротора зависит от нагрузки на вал двигателя. Нарушается принцип синхронности, оттуда и название самого устройства: «асинхронный двигатель».
Преимущества асинхронных двигателей
Заложенный в асинхронный двигатель принцип работы даёт ряд преимуществ этому устройству:
Простое устройство делает таковой экономичным в производстве.- Низкое потребление энергии приводит к экономичности устройств, оснащённых таким двигателем.
- Универсальность применения в аппаратах, где не требуется точное поддержание частоты вращения или существует схема управления с обратной связью, обеспечивающая вращение с заданной частотой.
- Высокая надёжность в работе.
- Асинхронный двигатель может работать при однофазном подключении.
Недостатки асинхронных двигателей
Есть у электродвигателей такой конструкции и свои недостатки. К ним можно отнести потери на тепло. Они, действительно, могут перегреваться, особенно – под нагрузкой. Для этого их корпуса нередко делают ребристыми – чтобы они лучше излучали тепло в окружающее пространство. Также асинхронный прибор часто снабжается сидящим на том же валу вентилятором для обдува ротора, потому что корпус может отводить тепло только от статора, так как воздушного зазора между ними нет, чего не скажешь о роторе.
Невозможность стабильно держать частоту вращения делает асинхронный двигатель неприменимым в некоторых устройствах.
Однофазное подключение электродвигателя
В наших домашних приборах чаще всего можно встретить всё тот же асинхронный прибор. Но как же он «понимает», в какую сторону ему начать вращение при его запуске, если на него заводятся только одна фаза и ноль? В такой асинхронный двигатель принцип действия заложен такой же, как и у трёхфазного – вращение магнитного поля. Для этого у каждого двигателя есть ещё один контакт – пусковой.
Статор имеет две обмотки, между которыми выдерживается угол 90°. Обе группы катушек подключены к одной и той же фазе, однако, чтобы обеспечить сдвиг на те же самые 90° между обмотками, одна из них подключается через конденсатор. Это заставляет магнитное поле вращаться.
Подобные двигатели используются, например, в кофемолках или соковыжималках. Можно слышать, как изменяется звук асинхронного двигателя в этих приборах, когда они работают под нагрузкой. На холостом ходу частота вращения ротора у них явно выше.
Подводя итог важно сказать, что асинхронные электродвигатели обрели большую популярность. Конечно, нельзя не забывать о некоторых недостатках. Однако все они перекрываются благодаря великому множеству достоинств.
