Конструкция асинхронных машин
Можно без преувеличения сказать, что промышленное производство приводится в движение асинхронными двигателями. В настоящее время асинхронные двигатели выпускаются едиными сериями в огромных количествах.
Основная серия асинхронных машин 4А включает в себя двигатели от 0,4 до 400 кВт. Выпускаются высоковольтные машины в виде единой серии А4 на мощности свыше 400 кВт. Разработана единая серия асинхронных машин АИ.
Конструкции асинхронных машин делятся на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Наибольшее распространение получили двигатели с короткозамкнутым ротором, которые в серии 4А выполняются на все мощности, включая 400 кВт.
Обмотки короткозамкнутых роторов выполняются литыми из алюминия или его сплавов. При заливке одновременно отливаются стержни, лежащие в пазах, и коротко-замыкающие кольца с размещенными на их торцах вентиляционными лопатками и штырями для крепления балансировочных грузиков (см. рис. 3.3), Короткозамкнутые роторы крупных машин и специальных асинхронных машин с улучшенными пусковыми характеристиками выполняются сварными стержни ротора из меди или латуни привариваются к коротко-замыкающим кольцам имеющим отверстия, куда перед сваркой вставляются стержни обмотки.
Рис. 3.3. Асинхронный двигатель 4А250 (степень защиты 1Р23)
Асинхронные машины с фазным ротором имеют на роторе обмотку из круглых или прямоугольных проводов, которая выполняется так же, как и обмотка статора.Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором серии 4а можно разделить на две разновидности по степени защиты и способу охлаждения. Машины закрытые, защищенные от попадания внутрь ее брызг любого направления и предметов диаметром более 1мм имеют, внешний обдув вентилятором (рис 3.3). По ГОСТ 14254-69 это исполнение имеет обозначение 1Р44.
Второй разновидностью конструкции являются машины с исполнением по степени защиты 1Р23 (рис. 3.4). В этих машинах обеспечивается защита от возможности соприкосновения пальцев рук и твердых предметов диаметром более 12,5мм с токоведущими вращающимися частями машины. Исполнение 1Р23 предусматривает защиту от попадания внутрь машины капель падающих под углом 60° к вертикали. Иногда такое исполнение называют каплезащищенным.
Рис. 3.4. Асинхронный двигатель 4АН250 (степень защиты 1Р44)
Наружный обдув в закрытых двигателях осуществляется вентилятором1 (рис. 3.3), окруженным кожухом 2 для улучшения теплоотдачи станина 3 двигателя имеет продольные радиальные ребра. Вентиляционные лопатки ротора 4 перемешивают воздух внутри машины, отводя тепло от более нагретых лобовых частей обмотки.
В двигателях защищенного исполнения со степенью защиты 1Р23 применена двусторонняя симметричная радиальная система вентиляции (рис. 3.4). Воздух попадает в машину через отверстия в щитах, а выходит через отверстия в станине. Напор воздуха внутри машины создается лопатками 1, отлитыми вместе с короткозамкнутой обмоткой ротора, а диффузоры 2, укрепленные на подшипниковых щитах 3, направляют поток воздуха.
В двигателях с фазным ротором обмотка ротора выполняется всыпной из круглого провода или стержневой из меди прямоугольного сечения. Общий вид двигателя с фазным ротором представлен на рис.3.5.
Рис. 3.5. Двигатель с фазным ротором 4АНК200 (степень защиты 1Р23)
Отличительной особенностью машин с фазным ротором является наличие на роторе обмотки из проводников круглого или прямоугольного сечения, начала которой выведены на контактные кольца. Узел контактных колец вынесен из станины, а контактные кольца закрыты кожухом (рис. 3.5). Узел контактных колец — консольного типа. Контактные кольца, опрессованные пластмассой, насаживаются на вал двигателя, они выполняются чугунными или медными. Выводные концы обмотки ротора подходят к трем кольцам через внутреннее отверстие в вале ротора. Обмотка ротора соединяется в звезду.
Токосъемный аппарат состоит из щеток и щеткодержателей. Щеткодержатели укреплены на изолированной части пальца, металлический конец которого ввинчен в прилив подшипникового щита. Система вентиляции и степень защиты двигателей с фазным ротором — 1Р23 и 1Р44. В табл. 3.3 приведены высоты осей вращения и связь их с частотой вращения и мощностью. При изготовлении серий электрических машин предусматривается максимальная унификация, поэтому большинство деталей одинаковые для машин как с короткозамкнутым, гак и с фазным ротором.
Статор асинхронной машины с короткозамкнутым или с фазным ротором состоит из магнитопровода с обмоткой и станины. Магнитопровод статора набирается из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга и имеющих на внутренней поверхности пазы (рис. 3.3—3.5). Сердечник статора состоит из отдельных пакетов, которые после сборки скрепляют скобами и укрепляют в станине. При сборке пакетов магнитопровода статора может быть выполнен скос пазов. Форма пазов и число пазов на статоре зависят от мощности и частоты вращения.
В производстве асинхронных двигателей используются горячекатаные и холоднокатаные стали толщиной 0,35 и 0,5 мм. Горячекатаные стали не имеют магнитной анизотропии, а холоднокатаные имеют значительную анизотропию. Горячекатаная сталь марки 1211 при напряженности магнитного поля Н=2500 А/м имеют индукцию 1,53 Тл, а удельные потери р1,0/50= 3,3 Вт/кг.
Для асинхронных двигателей серии 4А с высотой оси вращения до 160 мм применяется холоднокатаная рулонная сталь марки 2013 с В2500 = 1,65 Тл и р1,0/50=2,5 Вт/кг. Для двигателей с высотой оси вращения свыше 160 мм используется холоднокатаная рулонная сталь марки 2212 с В2500= 1,6 Тл и р1,0/50= 2,2 Вт/кг.
Обычно из одного рулона штампуются листы, как статора, так и ротора. Так как частота перемагничивания ротора небольшая и равна 1—2 Гц, листы ротора не изолируются друг от друга. Станины двигателей изготовляются из алюминиевого сплава АЛ-2, для двигателей большой мощности — из чугуна. Станины выполняются с прилитыми лапами, с продольными приливами для крепления подшипниковых щитов. Станины имеют поперечные ребра для улучшения охлаждения и усиления механической прочности.
Подшипниковые щиты выполняются из сплава АЛ-2. Отверстие под подшипник армировано стальной втулкой. Щиты двигателей большой мощности выполняются из чугуна. Для упрочнения конструкции щиты имеют ребра. В двигателях серии 4А одна подшипниковая опора со стороны вала плавающая, а вторая — фиксирующая. Подшипник, устанавливаемый в фиксирующей опоре, воспринимает радиальную и осевую нагрузки.
Подшипник в плавающей опоре свободно перемещается в аксиальном направлении, предотвращая заклинивание при отклонении от предельных размеров и тепловых расширениях. Подшипниковый узел состоит из подшипников, подшипниковых крышек и элементов уплотнения. Подшипниковые узлы выполняются с устройством для пополнения смазки, а также с подшипниками, имеющими двустороннее уплотнение и постоянно заложенную смазку, рассчитанную на весь срок службы.
Валы двигателей единой серии 4А унифицированы. Длину и диаметр выступающего конца вала выбирают в зависимости от высоты оси вращения. При конструировании асинхронных двигателей единых серий обеспечивается максимальная унификация узлов и отдельных деталей.
Кроме асинхронных двигателей единой серии 4А промышленностью выпускаются двигатели серий А2 и А02. Они выпускались как основные двигатели до 1975 г., когда были заменены новой серией. Асинхронные машины серий А2 и А02 имеют больший расход материалов и другие установочные размеры. Конструктивное выполнение таких машин показано на рис. 3.6.
Рис. 3.6. Обдуваемый асинхронный двигатель А02 9-го габарита
Электротехнической промышленностью выпускаются высоковольтные асинхронные двигатели серий А, АК 12—13-го габаритов и их модификации на мощность свыше 100 кВт на напряжение 6000 В. Такие двигатели выпускаются с короткозамкнутым и фазным ротором. В двигателях с короткозамкнутым ротором применяется сварная клетка. Обмотки статора имеют изоляцию типа «монолит-2». Изоляция соответствует классу нагревостойкости Р.
Для насосов и аэродинамических труб выпускаются асинхронные двигатели мощностью до 20 МВт. Одной из распространенных серий мощных асинхронных двигателей является серия АТД. Двигатели АТД выполняются с короткозамкнутым массивным ротором и водяным охлаждением обмотки статора.
Конструкции асинхронных микродвигателей отличаются от конструкций двигателей общего назначения. Это связано с особыми требованиями работы в системах автоматического управления, применением в бытовых приборах с однофазным питанием и функциональным использованием (тахогенераторы, датчики и другие устройства).
Несмотря на то, что конструкция асинхронного двигателя отрабатывалась десятилетиями многими конструкторскими коллективами, продолжаются работы по ее совершенствованию и видоизменению. Проблема экономии материалов заставила искать пути создания безотходной технологии и замены традиционных материалов, применяемых в электромашиностроении.
При штамповке листов статора и ротора большая часть стали идет в отходы. В некоторых вырубках отходы превышают 50%. Примером безотходной конструкции магнитопровода статора является конструкция, показанная на рис. 3.7. Составной статор состоит из зубцовой части 1 и ярма магнитопровода 2, вставляемых друг в друга.
Рис. 3.7. Составной статор с гофрированной пазовой частью
Пазовая часть магнитопровода представляет собой гофрированную из полосы электротехнической стали гармошку, промежутки которой являются пазами 3, в которые укладывается обмотка. Ярмо наматывается из рулонной стали на ребро. Такая конструкция может применяться в двигателях небольшой мощности.
Ведутся исследовательские работы по применению порошковой металлургии для изготовления магнитопроводов, применению стальных проводов вместо медных и алюминиевых, биметаллических проводов, состоящих из электропроводящей части и стальной, по которой замыкается магнитный поток. Конструкции асинхронных машин являются классическими и в то же время они развиваются и при появлении новых асинхронных машин непрерывно видоизменяются.
Несмотря на особенности, мы ремонтируем асинхронные электродвигатели.
Источник: В. Л. Лихачев
Электродвигатели асинхронные