Асинхронный двигатель это электрический двигатель, принцип действия которого основан на вращающемся магнитном поле в промежутке между статором и ротором. Важнейший и наиболее часто применяемый привод - двигатель с короткозамкнутым ротором. Он имеет следующие характерные особенности:

• Простая и надежная конструкция
• Высокая эксплуатационная готовность
• Простота обслуживания
• Низкая цена

Приводная техника В электрической приводной технике используют, как правило, следующие электродвигатели:

• Асинхронные двигатели переменного тока (с короткозамкнутым ротором, с фазным ротором, моментные асинхронные двигатели);
• Асинхронные двигатели переменного тока однофазные
• Асинхронные или синхронные серводвигатели
• Двигатели постоянного тока

Частота вращения привода лучше, проще и эффективнее регулируется с помощью двигателей переменного тока с преобразователем частоты, поэтому двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока с контактными кольцами постепенно отходят на второй план. Другие типы асинхронного двигателя переменного тока играют в приводной технике лишь незначительную роль. Поэтому более подробного описания здесь не приводится.

Если скомбинировать электродвигатель, например асинхронный, с редуктор вы получаете мотор-редуктор. Каким бы ни был принцип действия электродвигателя, его механическая конструкция очень сильно зависит от способа монтажа на редуктор. SEW‑EURODRIVE использует специально адаптированные двигатели с этой целью.

Ротор

В пазах пакета ротора находятся залитые под давлением или вставленные стержни обмотки (например, из алюминия и/или меди). По стандарту, один виток обмотки соответствует одному бару. С обоих концов они замкнуты кольцами из того же материала. Стержни с замыкающими кольцами напоминают клетку. Отсюда и второе общепринятое наименование этих двигателей: „асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа беличьей клетки“.

Статор

Обмотка вложена в полузакрытые пазы стального шихтованного сердечника и залита синтетической смолой. Количество секций и шаг обмотки варьируются в зависимости от нужного числа полюсов (скоростей вращения). Вместе с корпусом двигателя шихтованный сердечник образует так называемый статор.

Подшипниковые щиты

Подшипниковые щиты из стали, чугуна или алюминиевого сплава под давлением закрывают внутреннее пространство двигателя. От конструктивного исполнения на стыке со статором, среди прочего, зависит степень защиты двигателя.

Вал ротора

Пакет пластин ротора насаживается на стальной вал. Оба конца вала проходят сквозь передний и задний подшипниковые щиты. Спереди это конец выходного вала (в случае мотор-редуктора в форме вала для шестерни); на задний конец устанавливаются крыльчатка для самоохлаждения и/или дополнительные системы, такие как механический тормоз, энкодеры и т. п.

Корпус двигателя

Корпуса двигателей малой и средней мощности могут изготавливаться из алюминиевого сплава под давлением. Но кроме того, для всех классов мощности, корпус изготавливается также из чугуна и стали. На корпус установлена клеммная коробка, в которой концы обмотки статора подсоединены к клеммной колодке для подключения кабеля питания. Охлаждающие ребра увеличивают поверхность корпуса и тем самым отдачу тепла.

Крыльчатка, кожух крыльчатки

Крыльчатка на заднем конце вала закрывается кожухом. Он направляет воздушный поток от вращающейся крыльчатки вдоль ребер корпуса независимо от направления вращения ротора. Как правило, форма крыльчатки не зависят от направления вращения ротора. При вертикальной монтажной позиции защитная крышка (опция) предотвращает падение мелких предметов сквозь решетку кожуха крыльчатки.

Подшипники

Подшипники в переднем и заднем щитах механически соединяют вращающиеся детали с неподвижными. Чаще всего применяются радиальные шарикоподшипники. Реже цилиндрические роликоподшипники. Типоразмер подшипника зависит от усилий и частоты вращения. Различные системы уплотнений обеспечивают стабильность смазочных свойств в подшипнике и не дают вытекать маслам и/или смазочным материалам.

Симметричная трехфазная обмотка статора подключена к трехфазной сети переменного тока с соответствующими напряжением и частотой. Синусоидальные токи одинаковой амплитуды протекают в каждой из трех фаз обмотки. Каждая из которых смещена друг относительно друга на 120°. За счет того, что полюса обмотки тоже смещены в пространстве на 120°, статор создает магнитное поле, которое вращается с частотой подаваемого напряжения.

Это вращающееся магнитное поле – или просто вращающееся поле – индуцирует в обмотке или в стержнях ротора электрическое напряжение. Токи короткого замыкания протекают через нее, поскольку обмотка замкнута кольцами. Возникая вместе с вращающимся полем, эти силы создают на радиусе ротора крутящий момент, который разгоняет ротор в направлении вращающегося поля до частоты вращения. С увеличением скорости вращения ротора частота создаваемого напряжения в роторе снижается, так как разность между скоростями вращения поля и ротора сокращается. Это связано с тем, что разница между скоростью вращающегося поля и скоростью вращения ротора становится меньше.

В результате индуцированные напряжения снижаются и уменьшают токи в беличьей клетке, а значит, уменьшаются силы и крутящий момент. Если бы ротор достиг той же скорости, с которой вращается поле, они стали бы вращаться синхронно, и напряжение не индуцировалось бы – следовательно двигатель не смог бы развивать крутящий момент. Однако момент нагрузки и моменты трения в подшипниках обеспечивают разность между скоростями вращения ротора и поля и за счет этого результирующее равновесие между ускоряющим моментом и моментом нагрузки. Двигатель работает асинхронно.

В зависимости от нагрузки на двигатель эта разность больше или меньше, но никогда не равна нулю, поскольку даже при работе без нагрузки в подшипниках всегда есть трение. Если момент нагрузки больше создаваемого двигателем максимального ускоряющего момента, то двигатель „опрокидывается“ в недопустимый режим работы, который может привести к поломке из-за перегрева.

Относительное движение между скоростью вращающегося поля и механической скоростью которое необходимо для работы, обозначается как скольжение s и указывается в процентах от частоты вращения поля. У двигателей малой мощности скольжение может составлять от 10 до 15 процентов. Более мощные асинхронные двигатели имеют скольжение около 2–5 процентов.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором потребляет электроэнергию и преобразует ее в механическую мощность – то есть в частоту вращения и крутящий момент. Если бы двигатель работал без потерь, отдаваемая механическая мощность P_out была бы равна потребляемой электрической мощности P_в.

Но как и при всяком преобразовании энергии, в асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором тоже неизбежно возникают потери: Потери в меди P_Cu и потери в стержнях Р_Z возникают из-за нагрева, которому подвергается любой проводник с током. Потери в железе P_Fe возникают из-за нагрева при перемагничивании пакета пластин с частотой электросети. Потери на трение P_Rb возникают из-за трения в подшипниках; а потери на вентиляцию – из-за использования воздуха для охлаждения. Медь, стержень, железо и потери на трение вызывают нагрев двигателя. Коэффициентом полезного действия (КПД) машины называется отношение отдаваемой мощности к потребляемой.

Согласно требованиям законодательства в последние годы особое внимание уделяется применению двигателей с более высоким КПД. Классы энергоэффективности определены в соответствующих нормативных соглашениях. Производители теперь указывают эти классы в своих технических данных. В целях сокращения основных потерь в электродвигателе это означает следующие условия для его конструкции:

• повышение содержания меди в обмотке двигателя ( P_Cu)
• Повышение качества материала пластин (P_Fe)
• оптимизация геометрии крыльчатки (P_Rb)
• Энергетически оптимизированный подшипник (P_Rb)

Если представить графически зависимость крутящего момента и тока от частоты вращения, получится механическая характеристика асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. До достижения стабильной рабочей точки, двигатель проходит эту кривую после каждого включения. Характер кривых зависит от числа полюсов, конструкции и материала обмотки ротора. Знание этих кривых особенно важно в случае приводов, которые работают с постоянными моментами нагрузки (например, подъемные устройства).

Если момент нагрузки рабочей машины больше, чем момент в седловой точке, частота вращения ротора „застрянет в седле“. Двигатель уже не достигнет своей номинальной рабочей точки, т. е. стабильной, термически безопасной рабочей точки. Причем вал двигателя останется неподвижным, даже если момент нагрузки больше, чем пусковой момент. Если перегружается работающий привод (например, слишком много груза на ленточном конвейере), частота вращения снижается с увеличением нагрузки. Когда момент нагрузки превысит опрокидывающий крутящий момент, двигатель „опрокинется“, а частота вращения снизится до значения в седловой точке или даже до нуля. Все сценарии приводят к слишком большим токам в роторе и статоре, так что оба они очень быстро нагреваются. Если нет подходящих защитных устройств, это может привести к термическому разрушению двигателя – он „сгорает“.

Количество тепла, выделяемое электрическим проводником с током, зависит от сопротивления проводника и от силы протекающего тока. Частые включение и разгон при наличии момента нагрузки создают очень высокую тепловую нагрузку на асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Допустимый нагрев двигателя зависит от температуры охлаждающей среды (например, воздуха) вокруг него и термостойкости материала изоляции обмотки.

Двигатели распределены по классам устойчивости к нагреву (которые ранее назывались «классами изоляции»), определяющие максимально допустимый перегрев двигателей. Двигатель в своем изначальном классе должен выдерживать длительную работу с перегревом, обусловленным номинальной мощностью, не получая при этом никаких повреждений. Например, при температуре охлаждающей среды до 40 °C максимально допустимый перегрев по классу устойчивости 130 (B): dT = 80 K.

• Самый простой режим – работа с постоянным моментом нагрузки. Благодаря постоянной нагрузке в номинальной точке двигатель достигает установившегося теплового состояния через определенное время. Этот режим называют продолжительным режимом S1.
• В кратковременном режиме S2 двигатель в течение определенного времени (tB) работает с постоянной нагрузкой. За этот период времени двигатель не успевает достичь установившегося теплового состояния. Затем следует время простоя, которое должно быть выбрано настолько долгим, чтобы двигатель успевал остыть до температуры окружающей среды.
• В повторно-кратковременном режиме S3двигатель в течение определенного времени (tB) работает с постоянной нагрузкой. При этом пуск не должен влиять на нагрев двигателя. Затем следует определенное время простоя (tSt). При этом режиме работы указывается относительная продолжительность включения (cdf). В стандарте IEC 60034-1 IEC 60034-1 указано соотношение времени работы и времени цикла (= время работы + время простоя), равное 10 минутам.

Пример: Режим работы S3/40% имеет место, когда двигатель периодически 4 минуты включен и 6 минут выключен.

Допустимая частота включений указывает, сколько раз в час можно включать двигатель без появления тепловой перегрузки. Она зависит от следующих факторов:

• Разгоняемые моменты инерции;
• Статическая нагрузка;
• Тип торможения;
• Длительность разгона;
• Температура окружающей среды;
• Продолжительность включения.

Допустимую частоту включений двигателя можно увеличить следующими мерами:

• Повышение класса устойчивости к нагреву;
• Выбор двигателя на один типоразмер больше;
• Установка вентилятора принудительного охлаждения;
• Изменение передаточного числа редуктора, а значит, и относительного момента инерции;
• Выбирая другой тип торможения.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором могут работать с разной частотой вращения коммутацией обмоток или частей обмоток. Размещая в пазы статора несколько обмоток или изменяя направление тока в отдельных секциях обмотки, получают различное число полюсов. В случае раздельных обмоток мощность на каждое число полюсов составляет менее половины мощности односкоростного двигателя того же типоразмера.

Асинхронные мотор-редукторы с переключением числа полюсов применяются в качестве приводов транспортных устройств, например. При работе с малым числом полюсов скорость движения высокая. Для позиционирования переключаются на многополюсную обмотку с малой частотой вращения. После переключения двигатель по инерции некоторое время сохраняет свою высокую частоту вращения. В это время двигатель переменного тока работает как генератор и затормаживается. Кинетическая энергия преобразуется в электрическую и возвращается в сеть. Большой скачок крутящего момента вызванный переключением, является недостатком. Тем не менее, удается уменьшить соответствующими коммутационными мерами.

Текущие разработки в области недорогой инверторной техники способствуют технологической замене двигателей с переключением полюсов односкоростными двигателями, управляемыми частотным преобразователем, во многих приложениях.

Однофазный двигатель хорошо подходит для таких вариантов применения,

• где не нужен большой пусковой момент,
• имеется подключение к однофазной сети переменного тока
• и используется небольшая мощность (<= 2,2 кВт).

Типичные примеры применения: привод вентиляторов, насосов и компрессоров. Здесь возможны два основных конструктивных различия: здесь:

В первом случае классический асинхронный трехфазный двигатель подключается только к одной фазе и нулевому проводу. Третье соединение производится через фазовый сдвиг с помощью конденсатора. Поскольку конденсатор может создать сдвиг фаз не 120°, а только 90°, однофазный двигатель такого типа, как правило, имеет номинальную мощность всего в две трети от мощности сопоставимого трехфазного двигателя.

Второй способ построения однофазного двигателя заключается в конструктивном изменении обмотк. Вместо трехфазной обмотки реализуются только две фазы, причем разные – основная и вспомогательная. В этом случае секции обмотки смещены друг от друга в пространстве на 90°, а с помощью конденсатора ток на них подается еще и со смещением на 90° по времени, благодаря чему возникает вращающееся поле. Неодинаковые токовые характеристики основной и вспомогательной обмоток, как правило, тоже позволяют развивать лишь две трети от мощности трехфазного двигателя того же типоразмера. Типичные однофазные двигатели: конденсаторный двигатель, двигатель с расщепленной фазой, а также двигатель без самозапуска, который обходится без конденсатора.

SEW-EURODRIVE имеет в ассортименте оба конструктивных варианта однофазных двигателей – двигатели DRK.... Оба выпускаются со встроенным рабочим конденсатором. Поскольку он размещен непосредственно в клеммной коробке, габаритные размеры не меняются. С одним рабочим конденсатором пусковой момент составляет примерно 45–50 % от номинального.

Для заказчиков, которым требуется более высокий пусковой крутящий момент, составляющий до 150 % от номинального, SEW-EURODRIVE может предоставить пусковые конденсаторы с необходимой для этой цели номинальной емкостью, которые можно приобрести у специализированных дилеров в широком ассортименте.

Моментные двигатели - это специальное исполнение двигателей переменного тока с короткозамкнутым ротором. Номинальные параметры этих двигателей рассчитываются таким образом, чтобы даже при частоте вращения 0 потребляемый ток был как можно больше, но не доводил до разрушения от перегрева. Это целесообразно, например, для приводов открывания дверей, перевода стрелок или прессовых инструментов, от которых требуется достижение и надежное удержание положения с помощью электродвигателя.

Еще один часто используемый режим работы – так называемый режим торможения противотоком: Внешняя нагрузка способна проворачивать ротор против направления вращения поля. Вращающееся поле „затормаживает“ частоту вращения и отбирает у системы генераторную энергию, которая возвращается в электросеть – почти ротационное торможение без механической работы трения тормоза.

SEW‑EURODRIVE предлагает DRM../DR2M.. 12-полюсные моментные асинхронные двигатели DRM.., которые выдерживают длительный перегрев и рассчитаны на применение с номинальным крутящим моментом в режиме останова. Моментные асинхронные двигатели SEW-EUODRIVE подходят для различных требований и скоростей и в зависимости от режима работы могут иметь до трех уровней номинального крутящего момента.

SEW‑EURODRIVE предлагает Двигатель LSPM - это линейка двигателей, которые работают непосредственно от системы питания, и требуют синхронизации частоты вращения или приобретают такую характеристику без каких-либо датчиков, используя простой инвертор. LSPM это аббревиатураLine Start Permanent Magnet." Двигатель LSPM – это асинхронный двигатель переменного тока с дополнительными постоянными магнитами в роторе. Он запускается асинхронно, затем синхронизируется до частоты питающего напряжения и далее работает в синхронном режиме. Это технология электродвигателей, которая открывает новые, гибкие возможности применения в приводной технике. новые, гибкие возможности применения в приводной технике, например для перегрузки грузов без потери скорости.

Эти компактные гибридные двигатели не имеют потерь в роторе в процессе работы и характеризуются своей высокой эффективностью. Достигаются классы энергосбережения до IE4.

Типоразмер двигателя DR..J с технологией LSPM на две ступени меньше, чем у серийного двигателя той же мощности и с таким же КПД. С другой стороны, двигатели того же размера достигают класса эффективности в два раза выше, чем асинхронные двигатели.