Что собой представляет статорная обмотка электродвигателя?

Силовые агрегаты переменного тока – это устройства, основная задача которых – преобразование электроэнергии, которая подается в качестве синусоидально изменяющегося или переменного тока в механическую энергию вращений. Реализуется это посредством взаимосвязей между магнитными полями и проводниками. В отличии от тех моторов, для работы которых необходимо наличие постоянного тока, эти силовые агрегаты не требуют наличия щеток и коммутаторных элементов. Именно к устройствам такого типа и относятся варианты, которые мы будем сегодня рассматривать – асинхронные электродвигатели АС — переменного тока.

Данные модели моторов включают статор, который имеет обмотку, отвечающую за генерирование вращающегося магнитного поля. Асинхронность состоит в том, что обороты роторного механизма по умолчанию медленнее, чем скорость оборотов от магнитного поля. Разница в скоростях поля и ротора известна, как скольжение, а показатель момента вращения пропорционален ему. Исходя из этого, частота оборотов моторов напрямую зависит от частот возбуждения и от уровня прикладываемой нагрузки.

Трехфазные двигатели асинхронного типа в традиционных исполнениях являются электрическими агрегатами, в составе которых два основных функциональных элемента: подвижного ротора и статора, который неподвижный.

Общая характеристика статора

Статор двигателя в свою очередь включает станину, в которую вмонтирован такой элемент, как электромагнитное ядро. Его основная задача – включать магнитный привод и трехфазную обмотку статора распределенного типа. Ядро же отвечает за намагничивание агрегата, а также за создание магнитного поля, находящегося в постоянном вращении.

Во всех типах конструкции асинхронного электродвигателя магнитные проводы статора (сердечники) изготавливается из слоев стали электролитического типа, толщина которых не превышает миллиметров. Если же оборудование небольшой мощности, то слой может иметь толщину в 0,65 мм.

Все листы изолированы друг от друга одним из двух методов: лакированием или оксидированием. Также довольно часто используют сталь с уже нанесенным покрытием электроизоляционного действия.

Магнитный провод обеспечивает низкое магнитное сопротивление для потока магнитных импульсов, которые генерируются статорными обмотками. Обеспечение намагничивания усиливает поток.

В магнитопроводные пазы размещается распределенная обмотка на три фазы для статора. Самые простые реализации намотки состоят из трех катушек фаз, чьи оси сдвигаются по отношению друг к другу на уровень 120 градусов. Далее эти катушки соединяются между собой по двум уже известным схемам: «треугольник» или «звезда».

Есть еще одно понятие, играющее важную роль в работе статора асинхронного двигателя – расстояние между ротором и статором, зазор. Его величина напрямую влияет на показатели не только энергетической природы, но и виброакустические. Когда зазор уменьшается, вместе с ним снижается и показатель реактивной составляющей тока для работы двигателя на холостых оборотах. Исходя из этого – увеличивается уровень магнитного рассеивания и индуктивное сопротивление силового агрегата. В асинхронных электрических двигателях показатель зазора варьируется в пределах от 0,2 до 2 миллиметров.

Модификации для машин

Электромагнитные двигатели для автомобилей изготавливаются только коллекторного типа. Мощность их в среднем составляет 40 кВт. В свою очередь, параметр номинального тока равняется 30 А. Статоры в данном случае используются двухполюсные. У некоторых модификаций имеется клеммная коробка. Для охлаждения системы применяются вентиляторы.

Также в устройствах предусмотрены специальные отверстия для циркуляции воздуха. Роторы в двигателях устанавливаются с металлическими сердечниками. Для защиты вала используются уплотнители. Статор в данном случае находится в кожухе. Электромагнитные двигатели для машин с втягивающими реле встречаются редко. В среднем диаметр вала не превышает 3.5 см.

Обмотки

Перед тем, как начать характеризовать обмотки непосредственно статора электрического двигателя, давайте рассмотрим, что же представляют собой данные обмотки. Они представляют собой набор проводных витков, которые вместе образуют электроцепь, которая в свою очередь суммирует в себе все электродвижущие мощности, наведенные в этих же витках. Именно катушка является самым простым примером таких обмоток, где витки последовательно размещаются рядом друг с другом.

Обмотки классифицируются на такие группы по разным признакам:

• по способу применения – статорные и роторные. Одна из ключевых классификаций;
• по способу расположения в пазах – двух- и однослойные;
• согласно форме катушек – равнокатушечные и концентрического типа;
• по виду лобовых частей – двух и трехполосные, а также корзиночные (или концентрические);
• по типу сечения провода – жесткие (состоят из кабелей с жилами прямоугольной формы) и мягкие (изготавливаются из проводки круглой).

Реализовано еще множество классификаций, позволяющих выбрать статорную катушку по определенному показателю.

Также выделяют шаблонные и концентрические набмотки, все они относятся к однослойным. В последнем случае намотка включает катушки, которые располагаются одна внутри второй.

Точное количество групп катушек равняется 6р. Когда число полюсных пар четное, тогда количество групп катушек также указывается как четное. При этом, первая половина таких наборов производится с длинными лобовыми участками, а вторая – с короткими. В ситуациях, при которых число непарное – одна группа реализуется несимметричной.

В обмотке концентрического действия, выполненной по типу «вразвалку» группы катушек классифицируются на две подгруппы. Такая намотка имеет место, когда показатель q превышает 2 и дает возможность снижать уровни вылета лобовых элементов, из-за более удобного их размещения.

Наборы катушек несимметричного исполнения, в таких типах конструкции не используются и при наличии четного количества пар полюсов. Показатели электрического сопротивления при обмотке кон имеют место через одинаковую длину лобовых компонентов катушек в фазах:

• одна фаза включает все малые подклассы;
• вторая – среднего уровня;
• третья – крупные.

Это способствует некоторым изменениям в обмотке. Например, передние компоненты обмоток концентрического типа размещаются сразу в двух или трех областях. Исходя из этого, обмотки бывают таких видов:

• двух- или трехплоскостные;
• двух- или трехъярусные.

Вышеуказанные вариации имеют место, когда лобовые части установлены на ярусах или же в плоскостях.

Лобовые элементы намоток методом «вразвалку» размещаются сразу в 3 положениях. Данные обмотки часто описывают, как катушечные, ведь они далеко не всегда одинаковые через различия в длине каждой отдельной лобовой части.

Шаблонные намотки реализуются как симметричные, ведь катушки обладают одинаковыми показателями габаритов. Самые простые среди них – шаблонные, которые изображены на рисунке внизу.

Обмотка шаблонная

Далее идут шаблонны вразвалку и цепные. Их технологические особенности мы рассмотрели чуть выше.

Модели с параллельным возбуждением

Электромагнитные двигатели данного типа изготавливаются на базе щеточных коллекторов. Якоря в данном случае отсутствуют. Вал в устройствах крепится на роликовых подшипниках. Также для уменьшения силы трения используются специальные лапы. У некоторых конфигураций есть магнитопроводы. Подключаться модели могут только к сети с постоянным током.

Еще важно отметить, что на рынке в основном представлены трехтактные модификации. Щеткодержатели в устройствах выполнены в форме цилиндров. По мощности модели отличаются. В среднем параметр рабочего тока на холостом ходе не превышает 50 А. Для усиления электромагнитного поля применяются роторы с высоковольтной обмоткой. У некоторых конфигураций используются наконечники на магнитопроводах.

Возможные потери в двигателе асинхронной конструкции

Трехфазные асинхронные силовые агрегаты в процессе работы сталкиваются с такими типами мощностных потерь:

• стабильного или постоянного типа;
• переменные.

Давайте же рассмотрим вкратце каждый из этих типов.

Постоянные (стабильные) или фиксированные

Потерями постоянного наличия называются те потери, показатель которых остается на определенном уровне при традиционном рабочем режиме асинхронного силового агрегата. Их легко получить посредством проведения тестирования без нагрузок на трехфазный мотор. Данные мощностные потери классифицируются на 3 основные категории:

• потери «железа» или сердечника статора;
• механического типа;
• потери при трении щеток.

Урон железа и сердечника

Они в свою очередь классифицируются на гистерезисные виды и вихревого напряжения. В последнем случае происходит минимизация их уровня, посредством реализации защиты на сердечнике. В таком случае его область уменьшается, что в свою очередь способствует увеличению уровня сопротивления и одновременному уменьшению вихревых токов.

Гистерезисные же потери сводятся к минимуму, посредством высококачественной кремнистой стали. Этот показатель напрямую определяется частотами напряжения, которое поступает на намотку.

Статорная частота во всех ситуациях является частотой подающейся (f), а роторная – проскальзывающей. Последний показатель дополнительно умножается на подающуюся (sf), которая всегда имеет показатель меньше, чем статорная.

Статор с сердечником асинхронного двигателя

Уровень частоты на статоре – около 50 герц, на роторе же данный показатель достигает уровня в 1,5 герца. Это обусловливается тем, что при условии привычного эксплуатационного состояния, такое явление, как проскальзывание составляет около 3%. Эти обусловливаются и потери роторного сердечника, которые сравнительно очень малые, если совмещать их с уроном сердечника статорного. Как показывает практика, такие потери не являются существенными и их не берут во внимание при эксплуатации.

Механические и щеточные потери

Первое явление чаще всего встречается в подшипниках, а урон при трении щеток возникает только в силовых агрегатах асинхронного типа с ротором, включающим обмотки. Данные потери равняются нулю на старте. По ходу возрастания показателя скорости уровень потерь пропорционально увеличивается. В двигателях с тремя фазами показатель скорости в большинстве случаев остается на постоянном уровне. Исходя из этого, можно утверждать, что потери также останутся постоянными или будут иметь незначительные отличия.

Переменные

Их часто называют потерями меди, что обусловливается особенностями возникновения. Они возникают через электрический ток, который поступает по роторным и статорным обмоткам асинхронного двигателя. При смене уровня нагрузки, ток параллельно также меняется, благодаря чему потери меняют свои показатели. Исходя из этого, второе название таких потерь – переменные. Получить их достаточно просто – необходимо провести тест с неработающим ротором силового агрегата на 3 фазы.

Основное назначения двигателя асинхронной конструкции – преобразовывать электроэнергию в механическое действие. В процессе этого энергия преодолевает самые разные этапы. Она, при прохождении через разноплановые ступени, отображается на специальной диаграмме, для протекания энергии.

На подаче у асинхронного агрегата на 3 фазы имеется подача также трехфазная. Она напрямую поступает на статор силового агрегата. Для того, чтобы провести точный расчет входа электрической энергии на статический компонент, стоит применить такую формулу:

Pin = 3*VL*IL*cos

• Pin – результативная величина, указывающая на уровень электроэнергии, поступающей напрямую на статор;
• VL – показатель линейного электрического напряжения, которое подается на статор 3-х фазного мотора;
• IL – ток аналогичного типа;
• Cos – показатель коэффициента силы управляющего агрегата.

Определенная часть энергии вначале применятся с целью бесперебойной поддержки статора, в частности, на потери «железа» и меди. Та энергия, которая сохраняется (то есть электричество на входе – статорные потери) поступает далее на вращающийся ротор, также на его вход.

Уровень входа на роторе определяется по такой формуле – P2 = Pin – потери на статоре. В последнем случае это – также медные и железные убытки. В таком случае ротор должен осуществить преобразование данной подачи на энергию механического типа. Сам же вход нельзя преобразовывать в такой же выход, ведь он должен обеспечить поддержание роторных потерь.

Электрические потери в обмотке статора определяются их нагреванием в процессе работы. Это обусловливается токами, которые по ним проходят. Связь здесь прямая пропорциональная – чем больше нагрузка на двигателе, тем и больше урон.

Разноплановые потери, которые возникают в обмотках статора асинхронных двигателей важно учитывать, проводя расчет уровня номинального тока а трехфазных устройствах.

Модификации с фазным ротором

Электромагнитный двигатель с фазным ротором устанавливается на станки и часто используется в тяжелой промышленности. Магнитопроводы в данном случае имеются с якорями. Отличительной чертой устройств принято считать большие валы. Непосредственно напряжение на обмотку подается через статор. Для вращения вала используется щеткодержатель. В некоторых из них установлены контактные кольца. Также важно отметить, что мощность моделей в среднем составляет 45 кВт. Непосредственно питание двигателей может осуществляться только от сети с переменным током.

Схемы соединения

Подключение статорных и роторных обмоток электрического двигателя осуществляется по одной из двух схем: «звезда» или «треугольник». При использовании первой схемы одни концы обмоток статора соединяются друг с другом, а на другие осуществляется подача трехфазного напряжения (380 вольт). При этом, стоит обращать внимание, что мотор с обмотками, подключенными способом «звезда», обладает меньшей мощностью, если сравнивать с еще одним методом.

Соединения «треугольник» же реализуются путем последовательного подключения всех статорных обмоток. То есть, каждая намотка своим окончанием соединяется с началом следующей катушки. Коммутация компонентов двигателя по данной схеме обеспечит на порядок большую мощность работы, максимально полную. При этом, пусковые токи в такой схеме достаточно высокие, из-за чего, рекомендуется применять «звезду» для запуска оборудования, а далее в процессе работы переключаться на «треугольник».

Модели с короткозамкнутым ротором

Электромагнитный двигатель с короткозамкнутым ротором часто устанавливается в бытовых приборах. Мощность моделей в среднем равняется 4 кВт. Непосредственно статоры используются двухполюсного типа. Роторы крепятся в задней части двигателя. Вал у моделей применяется небольшого диаметра. На сегодняшний день чаще всего выпускаются асинхронные модификации.

Клеммные коробки в устройствах отсутствуют. Для подачи тока используются специальные полюсные наконечники. Также схема двигателя включает в себя магнитопроводы. Крепятся они возле статоров. Еще важно отметить, что выпускаются устройства с щеткодержателями и без них. Если рассматривать первый вариант, то в данном случае устанавливаются специальные зубчатые передачи. Таким образом, статор ограждается от магнитного поля. Устройства без щеткодержателя имеют уплотнитель. Бендиксы в двигателях устанавливаются за статором. Для их фиксации применяются шпонки. Недостатком данных устройств считается быстрый износ сердечника. Возникает он из-за повышенной температуры в двигателе.

Принцип работы асинхронного двигателя

При помощи трехфазной статорной обмотки создается поле магнитного типа, которое в процессе работы вращается с определенным показателем скорости. Определяется он так:

n1=60fp

Взаимодействие электромагнитного типа между статором (стационарным устройством) и ротором (подвижным) возникает только, когда скорости вращений обеих этих компонентов не будут равны. Это отношение выражается по такой формуле:

s= n1-nn1

Еще этот показатель называют скольжением, о котором мы уже писали в нашей статье. Сам статор работает в нескольких режимах, что обусловливает универсальность конструкции приспособления.

В асинхронных двигателях частота вращающегося поля, создаваемого в воздушном зазоре, и частота роторных оборотов не совпадают. Исходя из этого электродвигатели и называются асинхронными. Показатель частоты вращающегося поля в воздушном зазоре зависит от частоты питания двигателя и количества полюсов и не изменяется в зависимости от нагрузки двигателя, но частота роторных оборотов варьируется, ориентируясь на нагрузку. По мере того, как увеличивается нагрузка в области работы двигателя. Скорость вращения двигателя при этом уменьшается, а при снижении нагрузки скорость вращения двигателя увеличивается. Скорость вращения двигателя самая высокая в режиме холостого хода. Показатель скорости асинхронного электродвигателя в среде работы двигателя не может превышать скорость вращения вращающегося поля. Скорость вращения вращающегося поля рассчитывается при помощи такой формулы:

N = 120 xf/P

N – скорость движения магнитного поля, выражается в оборотах в минуту;

f – рабочая частота питания, измеряется в герцах;

P – число полюсов статорной обмотки.

Представляем график соотношения момента вращения и скорости асинхронного электрического двигателя на 3 фазы.

Каждый электродвигатель асинхронного типа с роторными и статорными обмотками имеет такие особенности:

• может использоваться напрямую от питающей сети. В этом случае регулировка скорости невозможна;
• имеет возможность эксплуатироваться при подаче с драйвером, отвечающим за переменную скорость. Главная цель – регулирование скорости. Моторы отлично подходят для выполнения задач масштабирования и для осуществления векторного управления;
• один и тот же двигатель может использоваться в сетях как 50 Гц, так и 60 Гц;
• применяется для осуществления старта по схемам «звезда» и «треугольник», или же для плавного запуска с целью ограничения пусковых токов.

Режим двигателя

Схематически данный рабочий режим можно изобразить так:

Работа в режиме двигателя

Как можно видеть, на рисунке изображено статорное магнитное поле, которое вращается по направлению часовой стрелки. Когда n превышает n1, то линии поля статора двигаются по отношению к ротору, также по часовой стрелке, но уже со скоростью n1 – n. В физике применяется так называемое правило третьей руки, согласно которому электродвижущая сила в роторных проводниках под верхним (северным) полюсом направлена в нашем направлении, а южный полюс – от нас. Также направления есть у активных компонентов тока в проводниковых деталях. Силы электромагнитного типа для взаимодействия статорных и роторных магнитных полей в процессе создают момент вращения в прямом направлении с полем статора.

Показатель скорости n, который характеризует работу вращающегося двигателя, напрямую зависит от уровня применяемой нагрузки. При работе на холостых оборотах, показатель скорости практически достигает уровня n1, исходя из условия, что при n1 = 0 электродвижущая сила и роторные токи также достигает нулевого уровня. Это обусловливает исчезновение электромагнитного воздействия.

Исходя из этого, асинхронный силовой агрегат функционирует в режиме двигателя в пределах, начинающихся от n = 0 и достигающих n ≈ n1. То есть, когда скольжение имеет место в электрическом двигателе, оно варьируется в диапазоне от s+1 s ≈ 0. Электроэнергия, которая подводится к статору из сети питания, преобразовывается на валу в энергию механического типа.

Режим генератора

Для начала давайте представим, что к сети питания подсоединен статор, в процессе работы создающий магнитное поле вращающегося типа. Ротор же запускается и движется в том же направлении, скорость компонента при этом – n ˃ n1. Здесь скольжение будет на отрицательном уровне, а ЭДС (электродвижущая сила) и роторные токи меняют направления движения, если сравнивать с предыдущим рабочим режимом двигателя. Тем временем момент на валу выполняет функцию торможения, по отношению к крутящему моменту первичного электродвигателя. Асинхронный силовой агрегат выполняет роль генератора. Та механическая энергия, которая подается на вал, преобразовывается в энергию электрической природы и передается далее в электросеть. Благодаря такой схеме асинхронный мотор работает в режиме электрического генератора, параллельно с сетью питания в диапазоне от n= n1, до n, то есть когда скольжение варьируется в пределах от s = 0, до s = -∞.

Пример простой шаблонной обмотки когда 2р=2

Режим электромагнитного тормоза

Данная ситуация имеет место, когда ротор начинает вращаться в направлении, противоположном оборотам магнитного потока, выдаваемого статором. Здесь электрическая энергия подается сразу с двух сторон:

• от сети питания – электрическая;
• от первичного силового агрегата – механическая.

Данный рабочий режим и представляет собой функционал электромагнитного тормоза. Он имеет место в ситуациях, когда скольжение начинается от s = +1, до s = +∞.

Самый яркий пример практического применения данного рабочего режима – опускание грузов в подъемных кранах и транспортных устройствах.

Что собой представляет коллекторный электродвигатель

Длина электродвигателя постоянного тока зависит от класса. Например, если речь идет о двигателе 400 класса, то его длина составит 40 мм. Отличием коллекторных электродвигателей от бесколлектрных собратьев является простота в изготовлении и эксплуатации, следовательно, и стоимость его будет более низкой. Их особенность — наличие щеточно-коллекторного узла, при помощи которого осуществляется соединение цепи ротора с расположенными в неподвижной части мотора цепями. Состоит он из расположенных на роторе контактов – коллектора и прижатых к нему щеток, расположенных вне ротора.

Ротор

Щетки

Используют эти электродвигатели в радиоуправляемых игрушках: подав на контакты такого двигателя напряжение от источника постоянного тока (той же батарейки), вал приводится в движение. А, чтобы изменить его направление вращения, достаточно изменить полярность, подаваемого напряжения питания. Небольшой вес и размеры, низкая цена и возможность восстановления щеточно-коллекторного механизма делают эти электродвигатели наиболее используемыми в бюджетных моделях, несмотря на то, что он значительно уступает по надежности бесколлекторному, поскольку не исключено искрение, т.е. чрезмерный нагрев подвижных контактов и их быстрый износ при попадании пыли, грязи или влаги.

На коллекторный электродвигатель нанесена, как правило, маркировка, указывающая на число оборотов: чем оно меньше, тем скорость вращения вала больше. Она, к слову, очень плавно регулируется. Но, существуют и двигатели этого типа высокооборотистые, не уступающие бесколлекторным.

Перемотка

Для того, чтобы электрический двигатель асинхронного типа продолжал на высоком уровне выполнять свои задачи, необходимо тщательно контролировать состояние обмоток его статора. Наиболее распространенный метод устранения выявленных неполадок – перемотка. Но, как мы уже писали – для начала стоит провести точный контроль медных компонентов на предмет обрывов, потертостей и прочих поломок. Самый удачный способ определить – провести прозвонку катушек статора силового агрегата.

Прозвонка

Чаще всего отечественными электриками для такой цели используется такое устройство, как мультиметр. Но, перед этим следует провести визуальный осмотр. Обращать внимание стоит на наличие внешних повреждений оболочки и компонентов изоляции, области прожигания проводов при коротких замыканиях.

Прозвонка статора

Осуществляется прозвонка довольно просто – омметром необходимо проверить показатели сопротивления каждой из обмоток. Они должны быть одинаковыми. Также стоит проверить корпус, проведя замер сопротивления на корпус. При прозвонке изоляции все же лучше применять мегаомметр, который обеспечит более точные результаты замеров.

Замена

Если в процессе измерений повреждений выявлено не было, намотку стоит использовать дальше. Но, если дефекты все-таки были выявлены, стоит произвести перемотку – замену медных элементов статора.

Осуществляется она по такому алгоритму:

1. демонтаж старой обмотки и очистка каналов от остатков изоляции;
2. создание схемы новой статорной катушки с параметрами, аналогичными предыдущей, вышедшей из строя;
3. физическая реализация новой намотки, придерживаясь имеющихся технологических шаблонов;
4. мониторинг активных компонентов статора, прокладывание медных элементов;
5. запаивание медных элементов по реализованной выше схеме;
6. пропитка готовой конструкции при помощи лака;
7. просушивание.

Общие рекомендации

При реализации процесса создания обновленной обмотки и её дальнейшего подключения можно придерживаться таких рекомендаций:

• между обмоточными выводами и корпусом уровень сопротивления должен стремиться к максимально возможным показателям;
• асинхронные электрические двигатели на три фазы должны обладать сопротивлением всех обмоток на одинаковом уровне;
• у однофазных же модификаций показатели сопротивления рабочих обмоток должны быть на порядок меньше, чем у пусковых.

Перемотка обмоток статора

Преимущества перемотки

Реализация обновления состояния статорных обмоток позволит продлить срок эксплуатации силовых агрегатов без существенного ущерба их производительности.

К другим преимуществам таких действий относятся:

• увеличение удельной мощности, которая снижается в процессе эксплуатации;
• эффективность и надежность. Компонент работает без сбоев;
• возможность бесперебойного дублирования намоток, что существенно упрощает установку и дальнейшее использование.

Стоит также учитывать высокое качество применяемых материалов, которые также обеспечивают надежность обмотки.

Постоянный ток

Электрический ток (направленное движение заряженных частиц), не изменяющийся по направлению и амплитуде, называется постоянным. Источники его изначально были химические процессы, а сейчас возобновляемые (солнце, ветер). Преобразование его технически сложно, поэтому на большие расстояния передавать такой ток довольно дорого.

На малых расстояниях у него есть преимущества: отсутствие реактивной мощности и малые потери в проводах за счет прохождения по всему сечению проводника. Двигатели постоянного тока устанавливаются рядом с источниками и преобразователями, чтобы иметь возможность менять величину и направления тока в соответствии с потребностями в моменте и скорости исполнительного механизма.