Принцип действия асинхронного трехфазного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля. На рис. 1,а представлена модель, поясняющая работу двигателя. При вращении постоянного магнита с частотой n1 в неподвижном замкнутом витке индуктируется э. д. с. Е и протекает ток I, направление которых определяется правилом правой руки.
Рис. 1. Принцип действия асинхронного двигателя:
А—X, B—Y, С—Z — соответственно начала и концы фазных обмоток статора; Ф - распределение силовых линий вращающегося магнитного поля; 1 — ротор; 2 — статор
В результате взаимодействия активных сторон витка, по которым протекает ток I, с вращающимся полем постоянного магнита создается пара сил F—F (правило левой руки), под действием которой возникает вращающий момент в направлении вращения поля. Виток будет вращаться с частотой n2<n1, т. е. асинхронно.
На рис. 1,б показан простейший асинхронный двигатель. В пазах внутренней поверхности неподвижного стального цилиндра (статора) уложена трехфазная обмотка так, что оси катушек АХ, BY и CZ лежат в одной плоскости под углом 120° относительно друг друга.
Из электротехники известно, что при подключении такой обмоки в сеть трехфазного переменного тока обмотка создает вращающееся магнитное поле. На рис. 1,б показано распределение силовых линий Ф вращающегося магнитного поля в рассматриваемый момент времени. Результирующий магнитный поток будет действовать по оси условных полюсов NS (показаны пунктиром).
Для уменьшения магнитного сопротивления и увеличения вращающего момента активные стороны замкнутого витка размещаются в пазах вращающегося стального сердечника (ротора). Под действием поля статора, вращающегося с частотой n1, ротор будет вращаться в том же направлении с частотой n2<n1. Соблюдение этого соотношения является необходимым условием для нормальной работы двигателя, так как при n2=n1 (синхронная частота вращения) исчезает вращающий момент.
Так как магнитное поле статора и ротор вращаются в одном направлении, то разность их частот вращения определяет скорость перемещения потока относительно ротора n1—n2=ns.
Относительная разность частот вращения поля статора и ротора называется скольжением:
По конструкции обмотки ротора асинхронные двигатели выполняют двух видов: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.
Обмотку короткозамкнутого ротора выполняют из латунных или медных стержней, которые вставляют в неизолированные пазы ротора и по торцам замыкают накоротко медными кольцами (рис. 2,а). Такая обмотка получила название «беличья клетка». Наиболее широко применяют «беличью клетку», изготовленную путем заливки под давлением пазов ротора алюминиевым сплавом (рис. 2,б). При этом одновременно отливают торцевые кольца с вентиляционными лопастями.
Рис. 2. Трехфазный асинхронный двигатель:
1— сердечник статора; 2 — станина (корпус); 3 — выводная коробка; 4 — укладка двухслойной обмотки; 5 — лапы
Обмотка фазного ротора состоит из трех катушечных групп. Катушки наматывают изолированным медным проводом и вставляют в изолированные пазы ротора. Катушки каждой группы, соединенные по определенной схеме, образуют однофазные обмотки. Полученную таким образом трехфазную обмотку соединяют обычно звездой и подключают к трем изолированным контактным кольцам, укрепленным на валу ротора.
На судах в основном применяют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Для уменьшения потерь стали сердечники статора и ротора набирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, изолированных один от другого лаковой пленкой. Сердечник ротора жестко крепят на стальном валу. Сердечник статора запрессовывают в стальную или из алюминиевого сплава станину (рис. 2,в), которая является несущей конструкцией машины. На торцах станина заканчивается съемными подшипниковыми щитами, в которые устанавливают концами вал ротора с подшипниками.
Так как обмотки статора и ротора связаны между собой только посредством магнитного потока, создаваемого статором, то величину воздушного зазора δ между статором и ротором делают по возможности меньше (δ = 0,25-0,35 мм у машин малой мощности и δ = 1-1,5 мм у машин большой мощности). Нижний предел зазора ограничивается по механическим соображениям.
Асинхронные машины обратимы и могут работать в режиме двигателя или генератора. Однако при работе в режиме генератора асинхронные машины потребляют из сети реактивный ток и значительно снижают коэффициент мощности сети, поэтому их в основном используют в качестве двигателей. Наибольшее распространение на судах получили асинхронные двигатели серии AM (морского исполнения).
Для улучшения условий охлаждения у асинхронных двигателей применяют наружный вентилятор, а внешнюю поверхность корпуса статора делают ребристой.
Трехфазные обмотки статора асинхронных двигателей и синхронных генераторов выполняют одинаково. На рис. 1,б была показана простейшая трехфазная обмотка из трех витков, расположенных под углом 120° друг к другу.
Такая обмотка создает слабое вращающееся магнитное поле у двигателей и небольшую э. д. с. у генераторов, поэтому в реальных машинах трехфазная обмотка состоит из многовитковых катушек.
Ширина витка катушки (шаг Y обмотки), как и у машин постоянного тока, должна быть примерно равна полюсному делению τ (рис. 3). Катушка наматывается медным изолированным проводом и ее активные стороны укладывают в два изолированных паза сердечника статора. Одну сторону катушки укладывают в паз под одним полюсом, а вторую — под другим. Это необходимо для суммирования э. д. с. витков катушки у генераторов и м. д. с. — у двигателей.
Рис. 3. Простейшая трехфазная однослойная обмотка статора
Для образования трехфазной обмотки необходимо, чтобы под каждым полюсом находились стороны катушек всех трех фаз. У генераторов реальные полюсы расположены на вращающемся роторе, а у синхронных двигателей условные «вращающиеся» полюсы создаются вращающимся полем трехфазной обмотки статора.
В зависимости от числа пар полюсов p машины обмотки фаз могут иметь различное число катушек, соединенных между собой по определенной схеме и образующих катушечную группу фазы. В трехфазной машине обмотка статора состоит из трех отдельных обмоток фаз, которые могут быть соединены между собой звездой или треугольником.
Различают обмотки одно- и двухслойные, сосредоточенные и распределенные, волновые и петлевые.
Наиболее широко распространены двухслойные петлевые обмотки с укороченным шагом. Укорочение шага обмотки (Y<τ) приводит к некоторому уменьшению э. д. с. у генераторов, но позволяет приблизить форму кривой э. д. с. к необходимой синусоидальной форме и уменьшает расход меди.
В однослойных обмотках каждая активная сторона катушки занимает один паз и число катушек вдвое меньше числа пазов (см. рис. 3). В двухслойных обмотках все катушки имеют одинаковые размеры, одна сторона катушки лежит в верхней половине паза, другая — в нижней. Число катушек равно числу пазов. На рис. 2,в показана укладка двухслойной обмотки.
Катушки обмотки фазы соединяют одну с другой со стороны лобовых частей. Начала и концы обмоток выводят в выводную коробку и обозначают: первая фаза Cl—С4, вторая С2—С5, третья С3—С6. В полузакрытые пазы статора с уложенной обмоткой вставляют деревянные или текстолитовые клинья, а всю обмотку пропитывают специальным лаком и покрывают изоляционной эмалью.
