Оснащение урока: плакаты: «Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором», «Асинхронный двигатель с фазным ротором», «Магнитопровод асинхронных машин».

План урока

1. Организационная часть (приветствие, проверка присутствующих учащихся, запись даты и темы в тетрадь) 5 мин.

2. Объяснение нового материала 120 мин.

3. Вывод 15 мин.

4. Домашнее задание 20 мин.

2. Конспект учебного материала по выбранной теме

1. Назначение и области применения асинхронных машин

Асинхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у которой только одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети с постоянной частотой ω1, а вторая обмотка (вторичная) замыкается накоротко или на электрические сопротивления. Токи во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота ω2 является функцией угловой скорости ротора Ω, которая, в свою очередь, зависит от вращающего момента, приложенного к валу.

Наибольшее распространение получили асинхронные машины с трехфазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на статоре, питаемой от сети переменного тока, и с трехфазной или многофазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на роторе.

Машины такого исполнения называют просто «асинхронными машинами», в то время как асинхронные машины иных исполнений относятся к «специальным асинхронным машинам».

Асинхронные машины используются в основном как двигатели; в качестве генераторов они применяются крайне редко.

Асинхронный двигатель является наиболее распространенным типом двигателя переменного тока.

Разноименнополюсная обмотка ротора асинхронного двигателя может быть короткозамкнутой (беличья клетка) или фазной (присоединяется к контактным кольцам). Наибольшее распространение имеют дешевые в производстве и надежные в эксплуатации двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе, или короткозамкнутые двигатели (рис. 1). Эти двигатели обладают жесткой механической характеристикой (при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной их частота вращения уменьшается всего на 2÷5%).

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе обладают также довольно высоким начальным пусковым вращающим моментом. Их основные недостатки: трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах; потребление больших токов из сети при пуске (в 5÷7 раз превышающих номинальный ток).

Двигатели с фазной обмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами (см. рис. 6) избавлены от этих недостатков ценой усложнения конструкции ротора, что приводит к их заметному удорожанию по сравнению с короткозамкнутыми двигателями (примерно в 1,5 раза). Поэтому двигатели с контактными кольцами на роторе находят применение лишь при тяжелых условиях пуска, а также при необходимости плавного регулирования частоты вращения.

Двигатели с контактными кольцами иногда применяют в каскаде с другими машинами. Каскадные соединения асинхронной машины позволяют плавно регулировать частоту вращения в широком диапазоне при высоком коэффициенте мощности, однако из-за значительной стоимости не имеют сколько-нибудь заметного распространения.

В двигателях с контактными кольцами выводные концы обмотки ротора, фазы которой соединяются обычно в звезду, присоединяются к трем контактным кольцам. С помощью щеток, соприкасающихся с кольцами, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочное сопротивление или дополнительную ЭДС для изменения пусковых или рабочих свойств машины; щетки позволяют также замкнуть обмотку накоротко.

В большинстве случаев добавочное сопротивление вводится в обмотку ротора только при пуске двигателя, что приводит к увеличению пускового момента и уменьшению пусковых токов и облегчает пуск двигателя. При работе асинхронного двигателя пусковой реостат должен быть полностью выведен, а обмотка ротора замкнута накоротко. Иногда асинхронные двигатели снабжаются специальным устройством, которое позволяет после завершения пуска замкнуть между собой контактные кольца и приподнять щетки. В таких двигателях удается повысить КПД за счет исключения потерь от трения колец о щетки и электрических потерь в переходном контакте щеток.

Выпускаемые заводами асинхронные двигатели предназначаются для работы в определенных условиях с определенными техническими данными, называемыми номинальными. К числу номинальных данных асинхронных двигателей, которые указываются в заводской табличке машины, укрепленной на ее корпусе, относятся:

механическая мощность, развиваемая двигателем, РНОМ = Р2НОМ ;

частота сети f1;

линейное напряжение статора U1НОМ ;

линейный ток статора I1Л.НОМ ;

частота вращения ротора nНОМ;

коэффициент мощности cosφlHOM ;

коэффициент полезного действия ηНОМ.

Если у трехфазной обмотки статора выведены начала и концы фаз и она может быть включена в звезду или треугольник, то указываются линейные напряжения и токи для каждого из возможных соединений (Y/∆) в виде дроби UЛY/UЛ∆ и IЛY/IЛ∆ .

Кроме того, для двигателя с контактными кольцами приводятся напряжение на разомкнутых кольцах при неподвижном роторе и линейный ток ротора в номинальном режиме.

Номинальные данные асинхронных двигателей варьируются в широких пределах. Номинальная мощность – от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Номинальная синхронная частота вращения:

при частоте сети 50Гц от 3000 до 500об/мин и менее в особых случаях; при повышенных частотах – до 100000 об/мин и более (номинальная частота вращения ротора обычно на 2÷5% меньше синхронной; в микродвигателях – на 5÷20%). Номинальное напряжение – от 24В до 10кВ (большие значения при больших мощностях).

Номинальный КПД асинхронных двигателей возрастает с ростом их мощности и частоты вращения; при мощности более 0,5кВт он составляет 0,65÷0,95; в двигателях малой мощности 0,2÷0,65.

Номинальный коэффициент мощности асинхронных двигателей, равный отношению активной мощности к полной мощности, потребляемой из сети,

также возрастает с ростом мощности и частоты вращения двигателей; при мощности более 1кВт он составляет 0,7÷0,9; в двигателях малой мощности 0,3÷0,7.

2. Конструкция асинхронных машин с короткозамкнутым ротором

Конструкция асинхронной машины с короткозамкнутым ротором представлена на рисунке 1.

Статор машины состоит из магнитопровода 2, трехфазной разноименнополюсной обмотки 20, выводные концы которой с помощью выводной коробки 13 присоединяются к сети переменного тока и станины 1.

Активными элементами статора, специально предназначенными для образования вращающегося магнитного поля, являются магнитопровод 2 и обмотка 20; станина выполняет только конструктивные функции, фиксируя активные части в определенном положении (при помощи лап 14 станина неподвижно закрепляется на фундаменте).

Рисунок 1 – Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (55кВт, 1500об/мин, 50Гц, защищенный обдуваемый).

Магнитопровод 2 набирается из изолированных пластин электротехнической стали обычно толщиной 0,5мм. Пластины штампуются из листовой или рулонной электротехнической стали со стандартизованными размерами и изолируются с обеих сторон лаком. При наружном диаметре магнитопровода менее 1м, что имеет место во всех асинхронных двигателях, за исключением самых крупных, его набирают из цельных кольцеобразных пластин, на внутренней стороне которых вырублены пазы нужной формы (рис. 2, б).

В конструкции по рисунку 1 радиальные каналы в магнитопроводе отсутствуют. В этом случае кольцевые пластины собираются в пакет и прессуются вне станины на специальной цилиндрической оправке. В спрессованном состоянии пакет пластин удерживается с помощью нажимных колец 6 и стяжных скоб 5 и лишь после установки обмотки вставляется в станину.

Рисунок 2 – Кольцевые пластины магнитопроводов ротора (а) и статора (б): 1 – ярмо; 2 – зубец; 3 – паз; 4 – аксиальный вентиляционный канал; 5 – отверстие для вала; 6 – ярмо статора

Рисунок 3 – Крепление в станине статора магнитопровода с радиальными каналами, набранного из цельных пластин.

Магнитопровод, образованный из ряда пакетов кольцевых пластин, отделенных друг от друга радиальными вентиляционными каналами, собирается обычно в станине. Необмотанный статор такой конструкции показан на рисунке 3. В радиальном направлении пакеты пластин 1 центрируются ребрами станины 2, в осевом направлении они удерживаются в спрессованном состоянии нажимными шайбами 3 и приваренными после запрессовки магнитопровода шпонками 4. Каналы между пластинами образуются при помощи дистанционных распорок 5.

При наружном диаметре магнитопровода более 1м он набирается из отдельных сегментов, и конструкция статора получается такой же, как в крупных синхронных машинах.

В целях уменьшения пульсаций магнитного поля и добавочных потерь, связанных с зубчатостью магнитопровода, обмотка статора укладывается в асинхронных машинах в полузакрытые пазы (рис. 4, а). Только в крупных асинхронных машинах применяют шаблонные катушечные и стержневые обмотки, укладываемые в открытые пазы. Для таких пазов пригодны как однослойные, так и двухслойные многовитковые катушечные всыпные обмотки. Катушки этих обмоток наматываются из изолированного обмоточного провода круглого сечения (7 на рис. 4, а) каждый проводник катушки «всыпается» в паз по отдельности.

Рисунок 4 – Разрезы пазов: а – двухслойной катушечной всыпной обмотки статора асинхронного двигателя; б – трехфазной двухслойной волновой стержневой обмотки ротора асинхронного двигателя с контактными кольцами.

Для изолирования витков катушки друг от друга оказывается достаточной собственная изоляция обмоточных проводников. Изоляция обмотки от заземленных частей, называемая корпусной изоляцией, делается в зоне пазовых и лобовых частей по-разному. Корпусная изоляция пазовой части катушки выполняется в виде «пазовой коробочки», образованной из нескольких слоев 2÷4 изоляционных материалов, которая закладывается в паз перед укладкой обмотки. Обмотка закрепляется в пазах при помощи клиньев 7 из изоляционного материала. Под клинья подкладываются изоляционные прокладки 6. Изоляцией между слоями обмотки служит прокладка 5 (в однослойной обмотке эта прокладка отсутствует).

Ротор машины состоит из магнитопровода 3 (см. рис. 1), в пазах которого размещается неизолированная многофазная короткозамкнутая обмотка 19, пристроенных к ней вентиляционных лопастей 7, вала 15 и двух вентиляторов 8 и 11. Активными элементами ротора, принимающими участие в процессе преобразования энергии, являются магнитопровод 3 и обмотка 19; остальные детали имеют конструктивное назначение: вал 15 передает механическую энергию к исполнительной машине, вентиляторы 7,8 и 11 обеспечивают циркуляцию охлаждающей среды. Более детально устройство активных частей ротора показано на рисунке 5.

Магнитопровод ротора 4 (рис. 5) набирается из цельных кольцевых пластин, отштампованных из листов электротехнической стали толщиной 0,5мм, на наружной стороне которых вырублены пазы нужной формы (на рис. 5 — закрытые, на рис. 2, а — полузакрытые).

Пластины магнитопровода ротора набираются на специальную оправку, спрессовываются на ней и удерживаются в запрессованном состоянии в процессе изготовления короткозамкнутой обмотки. Короткозамкнутая обмотка отливается из алюминия и не изолируется от магнитопровода. Торцевые кольца 2 (рис. 5), замыкающие с двух сторон стержни обмотки 1, отливаются как одно целое со стержнями. Одновременно в виде приливов к короткозамыкающим кольцам отливаются вентиляционные лопасти 3.

Рисунок 5 – Магнитопровод ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой, литой из алюминия.

Кроме своего основного назначения короткозамкнутая обмотка служит также для стягивания пластин ротора после удаления оправки. Это позволяет обойтись без специальных прессующих деталей, удерживающих листы ротора в осевом направлении.

Вал ротора 15 (см. рис. 1) опирается на подшипники качения 12, 17, которые, в свою очередь, при помощи подшипниковых щитов 9, 21 и крышек подшипников 16,18 сопрягаются со станиной 1.

Шариковый подшипник 12 центрирует ротор не только в радиальном, но и в осевом направлении, воспринимая наряду с радиальными усилиями также и осевые. Консистентная смазка подшипников закладывается в камеру между подшипниковыми крышками 16,18 и не нуждается в замене в течение нескольких лет эксплуатации. Поскольку зазор между магнитопроводами ротора и статора при мощности более 0,5кВт обычно не превышает 0,3÷1мм (в микромашинах 0,02÷ 0,3мм), вал ротора должен быть достаточно жестким, а механическая обработка конструктивных частей, обеспечивающих правильное положение оси вала в пространстве, должна производиться с высокой точностью.

На рисунке 1 представлено типичное для серийных короткозамкнутых асинхронных двигателей исполнение по способу охлаждения и защиты от воздействия внешней среды – обдуваемое исполнение, в котором внутреннее пространство машины защищено от брызг воды и пыли. Внешний обдув двигателя создается наружным вентилятором (кожух 10 защищает обслуживающий персонал от прикосновения к вентилятору и направляет воздух к оребренной поверхности станины). Циркуляция воздуха внутри машины усиливается при помощи внутреннего вентилятора 8 и вентиляционных лопастей 7 (направление движения воздуха показано на рисунке стрелками).

Подъем двигателя при монтаже производится при помощи рыма 4.

3. Конструкция асинхронных двигателей с фазным ротором

Конструкция асинхронной машины с контактными кольцами представлена на рисунке 6. Двигатели этого типа отличаются от короткозамкнутых только устройством ротора.

Статор двигателя может иметь те же разновидности конструктивных исполнений, что и в короткозамкнутом двигателе. Статор двигателя по рис. 6 (с радиальными каналами в магнитопроводе) почти не отличается по конструкции от статора на рис. 3, который был описан в §2.

Статор состоит из станины 1, в которой при помощи нажимных шайб 5 и шпонок 7 укреплены пакеты магнитопровода, набранные из кольцевых пластин 2. Для образования каналов между пакетами служат распорки 4. В пазы магнитопровода статора уложена двухслойная обмотка, катушки 30 которой связаны между собой соединениями 8. Выводные концы обмотки статора сосредоточены в выводной коробке 23. К фундаменту станина крепится лапами 22. Для подъема двигателя при монтаже служат рымы 6.

Ротор двигателя состоит из вала 26, на котором при помощи нажимных колец 24, шпонки 21 и разрезной шпонки 20 укреплены в запрессованном состоянии пакеты магнитопровода, набранные из кольцевых пластин 3 (см. рис. 2, а). Радиальные вентиляционные каналы между пакетами образуются дистанционными распорками, помещенными на каждом зубцовом делении. В полузакрытых пазах магнитопровода ротора, показанных в разрезе на рисунке 4, б, размещается трехфазная двухслойная волновая стержневая обмотка 29, соединенная обычно в звезду, выводные концы которой посредством электрических кабелей 19, проведенных через отверстие в валу, присоединены к контактным кольцам 15.

Рис. 38.6. Асинхронный двигатель с фазным ротором (250 кВт, 3000 об/мин, 50 Гц, защищенный продуваемый)

Стержни 1 обмотки с заранее наложенной витковой изоляцией 2, 3 (см. рис. 4, б) вставляются в пазы с торцевой стороны магнитопровода. Предварительно в пазы вводится пазовая коробочка 4, играющая роль корпусной изоляции. Для укрепления стержней в радиальном направлении и усиления витковой и корпусной изоляции используются изоляционные прокладки 5 и 6. Центробежная сила, действующая на пазовую часть обмотки, воспринимается клиньями 7 из изоляционного материала.

Лобовые части обмоток укладываются на нажимные шайбы 24 (рис. 6), которые одновременно выполняют роль обмоткодержателей, и охватываются снаружи кольцевыми бандажами 32, рассчитанными на восприятие центробежной силы.

Электрическое соединение вращающейся обмотки ротора с внешними (неподвижными) электрическими цепями производится при помощи контактных колец, на которые выведены обмотки, и щеточного устройства, связанного с неподвижными электрическими цепями. Контактные кольца выполняются как отдельный узел машины. Кольца 15, изготовленные из стали, отделяются друг от друга и от корпуса с помощью изоляционных прокладок 17. Все эти детали стягиваются вместе изолированными шпильками 16 и прифланцовываются к торцу вала. К кольцам плотно прижимаются щетки, электрически соединенные с токоподводящими шинами 12 щеточной траверсы (кроме этих шин на рис. 6 показаны болты 11 щеточной траверсы и ее изоляционные детали, а также корпус 13 и крышка 14; щетки и щеткодержатели не показаны).

Необходимый электрический контакт щеток с кольцами обеспечивается при помощи щеткодержателей, укрепленных на шинах 12. Соединение токоподводящих шин 12 щеточной траверсы с пусковым реостатом производится в выводной коробке контактных колец 18.

Правильное расположение оси ротора по отношению к статору и возможность вращения ротора обеспечиваются с помощью таких же деталей, как в короткозамкнутом двигателе по рис. 1 (подшипников качения, роликового 25 и шарикового 10, подшипниковых крышек 27 и подшипниковых щитов 31).

По способу охлаждения и защиты от воздействия внешней среды двигатель по рис. 6 имеет продуваемое каплезащищенное исполнение. Внутри машины воздух перемещается аксиально-радиально. Наружный воздух поступает в машину с двух сторон через отверстия в подшипниковых щитах 31 и направляется диффузорами 9 к вентиляционным лопастям 28, промежуткам между лобовыми частями стержней обмотки ротора и к аксиальным каналам в магнитопроводе ротора; далее воздух из аксиальных каналов попадает в радиальные каналы в магнитопроводе ротора и статора; воздух от вентиляционных лопастей 28 и лобовых частей ротора омывает лобовые части обмотки статора. Нагретый в машине воздух попадает в пространство между ярмом статора и корпусом станины, откуда он выбрасывается наружу через боковые отверстия в корпусе. Необходимый для циркуляции воздуха напор создается радиальными каналами в роторе, которые играют роль центробежных вентиляторов.

3. Составление спецификации понятий

Таблица 1 – Спецификация понятий

Опорное понятие	Новое понятие	№	Названия учебных элементов	Символ	Уровень усвоения	Порядок
	+	1	Асинхронная машина		1	1
	+	2	Асинхронный двигатель	АД	1	2
	+	3	АД с КЗ ротором	АДКЗ	1	3
	+	4	АД с фазным ротором	АДФР	1	3
	+	5	Статор		1	4
	+	6	Ротор		1	4
+		7	Магнитопровод		2	5
	+	8	Обмотка статора		1	5
	+	9	Обмотка ротора		1	5
+		10	Электротехническая сталь		2	5
	+	11	Стержни обмотки		1	5
	+	12	Контактные кольца		1	5
	+	13	Щетки		1	5
	+	14	Щеточная траверса		1	5
+		15	Вал		2	5
+		16	Вентилятор		2	5
+		17	Подшипниковые щиты		1	5
+		18	Подшипниковые крышки		1	5
	+	19	Скольжение	s	1	2

4. Составление графа учебной информации

5. Составление структурно-логических схем

6. Проект эскиза доски

Плакаты: «Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором»:

«Асинхронный двигатель с фазным ротором»:

«Магнитопровод асинхронных машин»:

Паз двухслойной всыпной обмотки статора АД

Паз двухслойной волновой стержневой обмотки ротора АД с фазным ротором

7. Опорный конспект по теме урока:

Устройство и принцип работы асинхронного двигателя:

8. Лист рабочей тетради

1. Дополните фразы.

1) Асинхронный двигатель, обмотка ротора которого замыкается на электрические сопротивления, называется ____________________________

2) Магнитопровод асинхронной машины изготавливают из _________

3) Отставание частоты вращения ротора от вращающегося поля статора называют ________________________________________________________

4) Формула для расчета номинальной синхронной частоты вращения________

5) Номинальный коэффициент мощности асинхронных двигателей рассчитывается по формуле _________________________________________.

2. Установите, какое из двух утверждений, записанных в колонках 1 и 2, истинно, а какое ложно.

№	1	2
1	Магнитопровод ротора набирается из цельных кольцевых пластин, отштампованных из листов электротехнической стали толщиной 15 мм.	Конструкция асинхронных машин с контактными кольцами отличается от короткозамкнутых только устройством ротора.
2	Основные недостатки АД с короткозамкнутым ротором: трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах и потребление больших токов из сети при пуске (в 5÷7 раз превышающих номинальный ток).	Активными элементами статора, специально предназначенными для образования вращающегося магнитного поля, являются магнитопровод, обмотка и станина.
3	Номинальная синхронная частота вращения:
4	Асинхронные машины используются в основном как двигатели; в качестве генераторов они применяются крайне редко.	Активными элементами ротора, принимающими участие в процессе преобразования энергии, являются магнитопровод, обмотка, вал, вентиляторы.

9. Вопросы для актуализации опорных знаний

1. Какой обычно толщины берутся листы электротехнической стали для набора магнитопровода?

2. Чем изолируют друг от друга листы электротехнической стали?

3. Какие вредные явления вызывают вихревые токи?

4. При помощи чего сопрягаются со станиной подшипники качения?

5. В чем заключается основное назначение вала ротора?

Задача 1

Какие активные элементы статора, специально предназначены для образования вращающегося магнитного поля? Показать на плакатах.

Задача 2

На плакате «Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором» указать основные конструктивные детали ротора.

10. Самостоятельное домашнее задание

Решить задачи:

Задача 1

Определить частоту вращения ротора шестиполюсной асинхронной машины, при скольжении 0,05 (s=0,05) и частоте сети 50 Гц (f1=50).

Решение

Задача 2

Определить скольжение асинхронной машины, при частоте вращения ротора 28500 об/мин (np=28500 об/мин) и частоте сети f1=500 Гц. Известно, что машина имеет на статоре 3 катушки.

Решение

Литература и методическое обеспечение

1. Электрические машины: учебник для вузов. В двух томах. Том 1 / А. В. Иванов-Смоленский. — 3-е изд., стереот. — М: Издательский дом МЭИ, 2006.

2. Кацман М.М. Электрические машины. М.:В.Ш.,2001

3. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат,1986

4. Электрические машины. Ч. . Машины переменного тока. Трансформаторы: Учебное пособие для техникумов/ Под ред. В. Е. Китаева.—М.: Высш. школа, 1978.

Сайты:

1. http://www.4tivo.com/

2. http://www.twirpx.com/

Плакаты

1. «Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором»

2. «Асинхронный двигатель с фазным ротором»

3. «Магнитопровод асинхронных машин».