Асинхро́нный электродвигатель (также Асинхро́нная машина) — электрический двигатель переменного тока, частота вращения ротора которого (в двигательном режиме) меньше частоты вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. Помимо асинхронных двигателей, существуют также и асинхронные генераторы, и асинхронные расщепители фаз, позволяющие из однофазного напряжения получить трёхфазное - такие расщепители фаз применялись до появления инверторов на электровозах переменного тока.
Второе название асинхронных двигателей — индукционные, это обусловлено тем, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора. Асинхронные машины сегодня составляют бо́льшую часть электрических машин, применяются главным образом в качестве электродвигателей (в том числе тяговых электродвигателей на железнодорожном транспорте, в метрополитене, на трамваях, троллейбусах, электробусах, электромобилях и гибридах) и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую, в подавляющем большинстве это асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКЗ).
Принцип действия асинхронного двигателя заключается в том, что ток в обмотках статора создаёт вращающееся магнитное поле. Это поле наводит в роторе ток, который начинает взаимодействовать с магнитным полем таким образом, что ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле так, чтобы поля статора и ротора стали взаимно неподвижными. В двигательном режиме частота вращения ротора немного меньше, а в генераторном режиме — больше частоты вращения магнитного поля. При равенстве скоростей поле перестаёт наводить в роторе ток, и на ротор перестаёт действовать сила Ампера, поэтому при наличии трения частота вращения ротора никогда не может достичь частоты вращения магнитного поля. Отсюда и название — асинхронный двигатель (в отличие от синхронного, частота вращения которого совпадает с частотой магнитного поля). Относительная разность скоростей вращения ротора и частоты переменного магнитного поля называется скольжением. В установившемся двигательном режиме скольжение невелико: 1-8 % в зависимости от мощности.
Аналогично линейному асинхронному двигателю работает индукционный насос, предназначенный для перекачивания металлических расплавов.
История
В 1888 году Галилео Феррарис опубликовал свои исследования в статье для Королевской академии наук в Турине (в том же году Тесла получил патент США№ 381968 от 01.05.1888 (заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887)), в которой изложил теоретические основы асинхронного двигателя. Заслуга Феррариса в том, что, сделав ошибочный вывод о небольшом КПД асинхронного двигателя и о нецелесообразности применения систем переменного тока, он привлек внимание многих инженеров к проблеме совершенствования асинхронных машин. Статья Галилео Феррариса, опубликованная в журнале «Атти ди Турино», была перепечатана английским журналом и в июле 1888 года попала на глаза выпускнику Дармштадтского высшего технического училища, выходцу из Российской Империи Михаилу Осиповичу Доливо-Добровольскому. Уже в 1889 году Доливо-Добровольский получил патент на трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличье колесо» (германский патент № 51083 от 8 марта 1889 года под названием «Anker für Wechselstrommotoren»), а в 1890-м — патенты в Англии № 20425 и Германии № 75361 на фазный ротор с кольцами и пусковыми устройствами. Данные изобретения открыли эру массового промышленного применения электрических машин. В 1903 году в Новороссийске построен элеватор с первой в мире промышленной сетью переменного трёхфазного тока, все установки которой изготовлены под руководством Доливо-Добровольского. На данном элеваторе, также впервые в мире, применены трёхфазные трансформаторы и асинхронные двигатели с фазным ротором. В настоящее время асинхронный двигатель Доливо-Добровольского (с короткозамкнутым ротором) является самым распространённым электродвигателем.
Достоинства и недостатки Достоинства и недостатки асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором по сравнению с машинами других типов:
Достоинства: Простота изготовления. Относительная дешевизна. Высокая надёжность в эксплуатации. Невысокие эксплуатационные затраты. Возможность включения в сеть без каких-либо преобразователей (для нагрузок, не нуждающихся в регулировке скорости).
Все вышеперечисленные достоинства являются следствием отсутствия механических коммутаторов в цепи ротора и привели к тому, что большинство электродвигателей, используемых в промышленности — это асинхронные машины с КЗ ротором.
Недостатки асинхронного двигателя обусловлены жёсткой характеристикой: Небольшой пусковой момент. Значительный пусковой ток (может достигать 6 номиналов и более). Отсутствие возможности регулирования скорости при подключении непосредственно к сети и ограничение максимальной скорости частотой сети (для АДКЗ, питаемых непосредственно от трёхфазной сети 50 Гц — 3000 об/мин). Примерно в 2010 году американская фирма DeWalt запатентовала и выпустила ряд двигателей асинхронного типа с регулировкой частоты вращения. Сильная зависимость (квадратичная) электромагнитного момента от напряжения питающей сети (при изменении напряжения в 4 раза вращающий момент изменяется в 16 раз; у ДПТ вращающий момент зависит от напряжения питания якоря в первой степени (при изменении напряжения в 3 раза вращающий момент изменяется также в 3 раза), что более благоприятно). Низкий коэффициент мощности (он же cosφ, указываемый на шильдике электродвигателя, "косинус Фи").
Самый совершенный подход к устранению вышеуказанных недостатков — питание двигателя от статического частотного преобразователя.
Конструкция Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод (сердечник); все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность (корпус, крепëжные изделия), жёсткость, охлаждение (вентилятор и оребрение корпуса), возможность вращения (подшипники) и т. п.
Обмотка статора представляет собой чаще всего трёхфазную, реже двухфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 °. Известна и совмещённая обмотка, позволяющая повысить КПД двигателяМария Алисова Сохраняя жизнь двигателя // Техника — молодёжи 10.10.2018. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения тока в обмотке статора, поэтому его набирают из покрытых электроизоляционным лаком тонких пластин электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь и потерь на вихревые токи. Основным методом сборки магнитопровода в пакет является шихтовка.
По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из пластин электротехнической стали.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличье колесо» («беличья клетка») из-за внешней схожести конструкции, состоит из алюминиевых (реже медных, латунных) стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. Сердечники ротора и статора имеют зубчатую структуру. В машинах малой и средней мощности обмотку обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями «беличьего колеса» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие вентиляцию и охлаждение машины. В машинах большой мощности «беличье колесо» выполняют из медных стержней, концы которых соединяют с короткозамыкающими кольцами при помощи сварки.
Зачастую пазы ротора или статора делают скошенными для уменьшения высших гармонических ЭДС, вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, магнитное сопротивление которых существенно ниже магнитного сопротивления обмотки, а также для снижения шума, вызываемого магнитными причинами.
Для улучшения пусковых характеристик асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, а именно, увеличения пускового момента и уменьшения пускового тока, на роторе ранее применялась так называемая «двойная беличья клетка» из стержней с разными удельными проводимостями, позже стали применять роторы со специальной формой паза (глубокопазные роторы). При этом внешняя от оси вращения часть паза ротора имеет меньшее сечение, чем внутренняя. Это позволяет использовать эффект вытеснения тока, за счёт которого увеличивается активное сопротивление обмотки ротора при больших скольжениях (в частности, при пуске).
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором при прямом пуске (без регулирования) имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным их недостатком. Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты, например, для привода вентиляторов малой и средней мощности, насосов. С развитием силовой полупроводниковой техники получают распространение частотные преобразователи, которые позволяют плавно наращивать частоту питающего двигатель тока по мере пуска, а значит достигать большого пускового момента, такие двигатели часто применяются, например, в лифтах, на вентиляторах большой мощности, в приводе конвейеров. Из достоинств следует отметить лёгкость в изготовлении, и отсутствие электрического контакта с динамической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание. При специальной конструкции ротора, когда вращается в воздушном зазоре только полый цилиндр из алюминия, можно достичь малой инерционности двигателя. Асинхронный двигатель с полым ротором используется для точных механизмов, таких как различная авионика (микродвигатели типа ДИД - двухфазные управляемые индукционные двигатели с частотой питающего тока 400 Гц и действующим значением напряжения 36 В и ДГ - со встроенным тахогенератором), и имеют практически всегда небольшую мощность (до 5 ватт), в других приложениях в качестве безынерционного привода выгоднее двигатели постоянного тока с полым бескаркасным якорем (двигатели типа ДПР).
Разновидностью АДКЗ, позволяющей ступенчато регулировать скорость, являются многоскоростные двигатели, в которых регулирование скорости производится изменением числа пар полюсов в статоре, для чего были разработаны специальные виды обмоток. В быту имеет частое применение - практически любой бытовой напольный вентилятор позволяет регулировать скорость вращения, и эта регулировка производится таким образом (переключением обмоток), поскольку нерационально использовать для таких целей дорогой и сложный частотный преобразователь. Ранее такие двигатели использовались для лифтов - большее число полюсов использовалось для снижения скорости для точного позиционирования кабины на этаже, сейчас такие двигатели на новых лифтах не применяются.
Именно асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором из-за своих вышеперечисленных достоинств являются основным видом двигателей в промышленном электроприводе, применение остальных видов двигателей незначительно и носит узкоспециальный характер.
Асинхронный двигатель с массивным ротором Существует разновидность асинхронных машин с массивным ротором. Такой ротор изготавливают полностью из ферромагнитного материала, то есть фактически это стальной цилиндр. Ферромагнитный ротор одновременно выполняет роль как магнитопровода, так и проводника (вместо обмотки). Вращающееся магнитное поле индуцирует в роторе вихревые токи, которые, взаимодействуя с магнитным потоком статора, создают вращающий момент.
Достоинства: Простота изготовления, дешевизна; Высокая механическая прочность (важно для высокоскоростных машин); Высокий пусковой момент. Недостатки: