Электрические машины. Техническое описание

1 Общие сведения, назначение

Электрические машины служат для преобразования механической энергии в электрическую (генераторы), электрической энергии в механическую (двигатели), а также для преобразования частоты переменного тока, одного рода тока в другой, например постоянного тока в переменный, постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (преобразователи).

Электрические машины бывают одностороннего и двустороннего направления вращения. Электрические машины одностороннего вращения могут иметь правое или левое направление вращения. Правым направлением вращения машины с односторонним приводом считается вращение по часовой стрелке, если смотреть на машину со стороны присоединения ее к первичному двигателю или рабочему механизму; левым соответственно будет направление вращения электрической машины против часовой стрелки.

Электрическая машина обладает свойством обратимости, т. е. способностью работать в режиме генератора электрического тока, если привести ее в движение каким-либо первичным двигателем, и, наоборот, в режиме электродвигателя, если подвести к ней электрическое напряжение. Электрическая машина, работающая в качестве двигателя, преобразует подводимую к ней электрическую энергию в механическую, используемую для приведения в действие различных механизмов и станков. Эта же машина может вырабатывать электрическую энергию, если будет приведена в действие двигателем внутреннего сгорания или паровой турбиной и возбуждена от постороннего источника электроэнергии, т. е. будет работать в режиме генератора. Однако каждая электрическая машина, выпускаемая машиностроительным заводом, обычно предназначена для одного определенного режима работы — в качестве генератора или электродвигателя.

Асинхронной называют электрическую машину переменного тока, у которой частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля статора и зависит от нагрузки. Асинхронные двигатели делятся на коллекторные и бесколлекторные. Преимущественное распространение получили бесколлекторные асинхронные электрические машины, применяемые там, где не требуется постоянная частота вращения. Эти машины бывают двух исполнений по ротору: с короткозамкнутым и фазным.

Асинхронные двигатели с фазным ротором снабжены контактными кольцами, установленными на одном валу с ротором. Преимущества электродвигателей с фазным ротором перед электродвигателями с короткозамкнутым состоят главным образом в том, что они позволяют регулировать в широких пределах пусковой момент, пусковой ток и частоту вращения. Их используют для привода механизмов, требующих регулирования частоты вращения, а также в нерегулируемом приводе с тяжелыми условиями пуска, например подъемно-транспортных механизмов.

Асинхронные двигатели, которые преобразуют электрическую энергию в механическую, являются наиболее распространенными. Они широко применятся в электроприводах большинства механизмов. Это объясняется простотой их конструкции, надежностью и высоким коэффициентом полезного действия.

2 Технические характеристики

Электрические машины характеризуются различными показателями, в число которых входят номинальные мощность, напряжение, режим работы, ток, условия применения, частота вращения, а также коэффициент полезного действия (кпд) и другие данные, относящиеся к электрическим машинам и определяющие допустимые режимы их работы.

Номинальная мощность электрических машин (выражаемая в ваттах, киловаттах и мегаваттах) для электродвигателей — полезная механическая мощность на валу.

Номинальное напряжение — это напряжение, соответствующее номинальному режиму работы электрической машины. Номинальным напряжением трехфазной электрической машины является ее междуфазное (линейное) напряжение.
Номинальный режим работы — это такой режим, на который электрическая машина рассчитана и для которого она предназначена предприятием-изготовителем. Он указывается на заводском щитке машины.

Номинальный ток — это ток, соответствующий номинальному режиму работы электрической машины.

Номинальные условия применения электрической машины обычно оговорены в стандарте или технических условиях на данную машину.

Номинальная частота вращения обычно соответствует работе электрической машины при номинальном напряжении, мощности, частоте тока и номинальных условиях применения.

Коэффициент полезного действия — отношение полезной (отдаваемой) активной мощности электрической машины к затрачиваемой (подводимой) активной мощности.

Нагрузка электрической машины — это мощность, которую она развивает в данный момент времени, а перегрузка — превышение фактической нагрузки машины над ее номинальной нагрузкой. Перегрузку выражают в процентах или долях номинальной нагрузки.

Рабочая температура активной части электрической машины — установившаяся температура этой части, соответствующая номинальному режиму работы при неизменной номинальной температуре охлаждающей среды.

Превышение температуры отдельной части электрической машины — разность между температурой этой части и охлаждающей среды.

Асинхронные двигатели выпускаются едиными сериями. В 70-х годах XX в. была разработана и внедрена единая серия 4А асинхронных двигателей. Она и сейчас используется во многих странах СНГ и Европы. Серия включает двигатели мощностью 0,06 - 400 кВт. Серия 4А имеет 25 модификаций: с короткозамкнутым ротором (4А), с фазным ротором (4АК), с повышенным пусковым моментом (4АР), с повышенным скольжением (4АС), многоскоростные (4АМ), специализированные, малошумные (А...Н), лифтовые (4А...НЛБ), сельскохозяйственные (4А...СХ) и др. Каждая модификация имеет ряд исполнений. Так, серия 4А включает около 30 000 исполнений.

Рисунок 1 – Основные установочные размеры электрических машин на лапах и их обозначение по PC и МЭК-72 (в скобках)

Определяющим размером в серии является стандартная высота оси вращения Н (рисунок 1), которая для серии 4А составляет 50 - 355 мм. Для каждой высоты вращения изготовляются машины, которые отличаются длиной станины: S — короткая (от англ. short); M — средняя (medium); L — длинная (long).

Асинхронные двигатели рассчитаны на частоту электрического тока источника питания 50 Гц, напряжение 220, 380, 660 В, синхронную частоту вращения 500, 600, 750, 1000, 1500 и 3000 об/мин.

Расчетный срок службы двигателя 20 лет.
Асинхронные двигатели единой серии 4А напряжением свыше 1000 В (высоковольтные) имеют мощность более 400 кВт.

3 Устройство, принцип действия

Асинхронные двигатели по конструкции бывают двух основных типов: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором (их также называют двигателями с контактными кольцами). Статоры этих двигателей одинаковые.

Двигатель с короткозамкнутым ротором состоит из следующих основных узлов; статора, ротора, переднего и заднего подшипниковых щитов, вентилятора, коробки выводов.

Сердечник статора, представляющий собой полый цилиндр, набирается из отдельных листов, которые штампуют из электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Перед сборкой листы изолируют путем оксидирования или лакирования, иногда используют сталь с изоляционным покрытием. На внутренней поверхности статора выштамповывают пазы, в которые укладывают обмотку.

Сердечник статора закрепляется в корпус. Сердечник ротора также собирают из листов электротехнической стали. В короткозамкнутых роторах применяют полузакрытые или закрытые пазы овальной, прямоугольной или фигурной формы (рисунок 2). Сердечник ротора напрессовывается на вал ротора и закрепляется шпонкой, накаткой или с помощью переходной втулки.

Рисунок 2 – Формы пазов роторов асинхронных электродвигателей:
а - г — глубокие; д - з — фигурные

Обмотка ротора выполняется в виде беличьей клетки, она является короткозамкнутой и никаких выводов не имеет. Клетка состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (рисунок 3). Стержни обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без изоляции. В двигателях до 100 кВт обмотка ротора выполняется заливкой пазов расплавленным алюминием. Одновременно заливаются и замыкающие кольца с вентиляционными крыльями, которые необходимы для лучшего охлаждения двигателя. В замыкающих кольцах с обеих сторон сердечника ротора расположены пазы для крепления балансировочных грузов.

В подшипниковых щитах имеются центральные отверстия для размещения роликового (со стороны выводного конца вала) и шарикового (с другой стороны) подшипников. В двигателях малой мощности устанавливают два шариковых подшипника.
На станине сделано отверстие с резьбой, в которое закручивают болт для соединения шины заземления. На конце вала находится шпонка для крепления полумуфты.

Охлаждение двигателя осуществляется вентилятором, установленным снаружи на конце вала, и вентиляционными лопатками (крыльями), отбрасывающими воздух на лобовые части обмотки статора. Поток воздуха направляется кожухом вдоль внешней поверхности станины с ребрами. Кожух крепится к щиту двигателя винтами и имеет в торцевой части отверстия, через которые засасывается воздух.

Рисунок 3 – Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя с алюминиевой литой клеткой:
1 — вал; 2 — торцевые замыкающие кольца; 3 — вентиляционные лопатки; 4 — стержень; 5 — сердечник

Коробка выводов находится сверху двигателя и может быть повернута в положение, удобное для соединения с питающим кабелем через сальник.
В верхней части станины закручен рым-болт, предназначенный для подъема и монтажа двигателя.

Станину крепят к фундаменту с помощью лап, которые имеют отверстия под крепежные болты. Лапы отлиты как одно целое со станиной.

По степени защиты и способу охлаждения асинхронные двигатели с короткозамкнутым роторам выпускаются в трех исполнениях: IP23, IP44. IP54. В машинах IP23 охлаждение осуществляется лопатками, отлитыми вместе с короткозамыкающими кольцами ротора, а в машинах IP44, IP54 — с помощью вентилятора.