Сколько пар полюсов у асинхронного двигателя: Описание параметра «Число пар магнитных полюсов обмотки статора»

Содержание

Асинхронные электродвигатели (страница 2) — Электроэнергетическая группа

1. Определить угловую скорость вращении ротора асинхронного электродвигателя, если обмотка статора четырехполюсная, частота напряжения сети, к которой присоединен электродвигатель, 50 Гц и скольжение ротора равно 3,5%.

Решение:
Частота токов, проходящих в обмотках статора, равна частоте напряжения сети:

Кроме того, известно, что обмотка статора четырехполюсная, т. е. число пар полюсов р = 2.
Скорость вращения магнитного потока, вызываемого трехфазной системой токов, проходящих в обмотках статора, зависит от частоты этих токов и числа пар полюсов обмотки р, так как , откуда число оборотов в минуту вращающегося синхронно магнитного потока

Угловая скорость вращения

Вращение ротора асинхронного электродвигателя возможно лишь при наличии отставания ротора от вращающегося магнитного потока. Величина, характеризующая это отставание, называется скольжением:

где — скорость вращения магнитного потока;
— скорость вращения ротора.
Подставив числовые значения, получим

откуда

Угловая скорость вращения ротора

2. На щитке асинхронного электродвигателя значится: 730 об/мин, 50 Гц.
Определить скольжение ротора, вращающегося с указанной скоростью, и число пар полюсов обмотки статора. Каким было скольжение ротора в первые мгновения пуска?

Решение:
В табл. 13 синхронных скоростей вращения при частоте 50 Гц ближайшей скоростью вращения (по отношению к скорости ) является скорость .
Следовательно, скольжение ротора

Число пар полюсов обмотки статора

Число полюсов

В момент пуска ротор неподвижен . Поэтому скольжение при пуске

Такое значение имеет скольжение ротора в момент пуска любого асинхронного электродвигателя.

Таблица 13

р пар полюсов

1

2

3

4

5

n, об/мин

3000

1500

1000

750

600

 

3. В разрыв провода линии, соединяющей контактные кольца ротора асинхронного электродвигателя с трехфазным реостатом, введен магнитоэлектрический амперметр, шкала которого имеет нулевое значение посередине (рис. 80). Разомкнув рубильник, шунтировавший амперметр во время разбега ротора, не поднимая щеток, наблюдали за отклонениями амперметра: оказалось, что за полминуты указательная стрелка прибора совершила 60 полных колебаний.
Определить скорость вращения ротора в течение указанного промежутка времени, если обмотка статора шестиполюсная и частота напряжения сети 50 Гц.

Решение:
Полное колебание указательной стрелки соответствует полному периоду тока в обмотке ротора. Если 60 полных колебаний (периодов) произошло за полминуты, то число полных колебаний (периодов) в секунду равно двум. Следовательно,

Магнитный поток в асинхронном электродвигателе вращается относительно ротора со скоростью, равной разности скоростей:

причем частота тока в роторе

Подставив числовые значения, получим

При шестиполюсной обмотке статора и частоте токов в цепи статора скорость вращения магнитного потока

Подставим в выражение для величины

откуда скорость вращения ротора

Скольжение ротора

4. Когда трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором присоединили к сети с линейным напряжением 220 В, напряжение между контактными кольцами при разомкнутой обмотке ротора составило 90 В.
Определить коэффициент трансформации, рассматривая этот электродвигатель как трансформатор в режиме холостого хода, если обмотки статора и ротора соединены звездой.

Решение:
Фазное напряжение на обмотке статора при схеме соединения звездой в раз меньше линейного напряжения. Следовательно,

Фазное напряжение на обмотке ротора

Коэффициент трансформации фазных напряжений

5. Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором характеризуется отношением вращающих моментов соответственно при пуске и при номинальном режиме .
Можно ли осуществить пуск двигателя в случае полной его нагрузки на валу и понижения напряжения в сети на 5 и 10%? К сети присоединен статор.

Решение:
Вращающий момент асинхронного двигателя прямо пропорционален квадрату напряжения в сети:

Следовательно, если напряжение в сети понизится на 5% и составит , то вращающий момент

Отношение
Так как пусковой момент при номинальном напряжении , то при понижении напряжения в сети на 5% пусковой момент

Таким образом, пуск при этих условиях позволит электродвигателю развить вращающий момент больше номинального.
Если напряжение в сети понизится на 10% и составит , то вращающий момент

Пусковой момент при указанном понижении напряжения

Обозначим через долю, которую составляет пусковой вращающий момент от вращающего момента при номинальном напряжении. Тогда для возможности пуска электродвигателя при номинальной нагрузке должно быть выполнено равенство

Поэтому при пуске электродвигателя напряжение сети может составлять от номинального напряжения долю

Таким образом, при заданной кратности пускового момента от номинального понижение напряжения в сети может происходить на и пуск может быть осуществлен при номинальной нагрузке на валу электродвигателя.

6. Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа А51-4 имеет следующие номинальные данные: ; кратность вращающих моментов .

Определить вращающие моменты: номинальный , максимальный и пусковой .

Решение:
Номинальный вращающий момент можно определить из основного соотношения

Вращающий момент измерен в и мощность Р — в Вт. При этом

Если подставить сюда в качестве Р мощность, измеренную в киловаттах, то число будет в 1000 раз меньше.
Таким образом, при тех же единицах измерения вращающего момента получим

Подставим величины номинального режима:

Используя известные кратности моментов, максимальный вращающий момент

пусковой вращающий момент

7. Асинхронный электродвигатель развивает номинальную мощность при номинальной скорости вращения ротора , имея перегрузочную способность 2,1.
Выразить зависимость между вращающим, моментом и скольжением ротора S электродвигателя.

Решение:
Номинальный вращающий момент

Перегрузочная способность l = 2,1 представляет собой отношение максимального вращающего момента к номинальному вращающему моменту . Следовательно,

Номинальному вращающему моменту соответствует и номинальное скольжение

где в качестве подставлена ближайшая большая (по отношению к ) синхронная скорость вращения магнитного потока статора.
Зависимость между вращающим моментом и скольжением ротора s в асинхронном двигателе выражается формулой

где означает критическое скольжение, а и s соответствуют одному и тому же режиму работы. Если в левую часть подставить , то в качестве s следует подставить . Тогда можно определить критическое скольжение , при котором имеет место момент . В этом случае получается квадратное уравнение, из которого берут большее значение корня.
Так как

Разделив на 0,238 левую и правую части равенства и сосредоточив все члены в одной стороне, получим

Корни полученного квадратного уравнения

Далее берется только больший из корней (при положительном знаке перед корнем):

Подставив в формулу, выражающую зависимость между вращающим моментом и скольжением ротора s, численные значения , получим требуемую зависимость


Определение технических характеристик асинхронного двигателя

В данное статье речь пойдет о расчете таких технических характеристик асинхронного электродвигателя, которые не приводятся на щитке электродвигателя, а именно: число пар полюсов (число пар катушек на фазу), скольжение при номинальной нагрузке, полной мощности, активной мощности и потере в двигателе при номинальной нагрузке.

Пример.

На щитке асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором типа АИР71В4У2 имеются следующие обозначения:

  • ∆/Y – схема соединения обмоток двигателя;
  • 220/380 В; 3,4/1,94 А — при схеме соединения обмоток статора в треугольник, мы должны подключатся к напряжению 220 В, при схеме соединения обмоток статора в звезду подключаем напряжение 380 В, соответственно и переменный ток будет равен для соединения в треугольник при напряжении 220 В – 3,4 А, а при схеме соединения в звезду – 1,94 А.

Проверить данные по току, можно рассчитав по формулам:

Для схемы соединения треугольник:

Для схемы соединения звезда:

  • 0,75 кВт – номинальная (полезная) мощность;
  • n2 = 1350 об/мин – частота вращения электродвигателя при номинальной нагрузке в минуту;
  • КПД = 75 % — коэффициент полезного действия, характеризуется отношением номинальной (полезной) мощности развиваемой на валу, к активной мощности, потребляемой им из сети. Определяется по формуле:
  • сosϕ = 0,78 – коэффициент мощности, для вычисления его достаточно активную мощность Р, разделить на полную мощность S:

Разобравшись какие технические данные представлены на щитке двигателя, перейдем теперь непосредственно к определению величин, о которых шла речь в начале статьи.

1. Определяем число пар полюсов по формуле:

Если нужно знать количество полюсов, формула будет иметь такой вид:

где:
f = 50 Гц – частота переменного тока;

2. Определяем скольжение при номинальной нагрузке:

где:
n1 – синхронная скорость двигателя, зависящая от числа пар полюсов, так для одной пары полюсов – 3000 об/мин, для двух пар – 1500 об/мин, для трех пар – 1000 об/мин.

3. Определяем полную мощность двигателя при номинальной нагрузке:

4. Определяем активную мощность, потребляемая двигателем при номинальной нагрузке:

5. Определяем потери в двигателе при номинальной нагрузке:

Всего наилучшего! До новых встреч на сайте Raschet. info.

Поделиться в социальных сетях

Определение оборотов электродвигателя. Как измерить частоту вращения асинхронного двигателя. Ускорение, момент и связь их с массой

Под скоростью вращения асинхронного электродвигателя обычно понимают угловую частоту вращения его ротора, которая приведена на шильдике (на паспортной табличке двигателя) в виде количества оборотов в минуту. Трехфазный двигатель можно питать и от однофазной сети, для этого параллельно одной или двум его обмоткам, в зависимости от напряжения сети, но конструкция двигателя от этого не изменится.

Так, если ротор под нагрузкой совершает 2760 оборотов в минуту, то будет равна 2760*2пи/60 радиан в секунду, то есть 289 рад/с, что не удобно для восприятия, поэтому на табличке пишут просто «2760 об/мин». Применительно к асинхронному электродвигателю, это обороты с учетом скольжения s.

Синхронная же скорость данного двигателя (без учета скольжения) будет равна 3000 оборотов в минуту, поскольку при питании обмоток статора сетевым током с частотой 50 Гц, каждую секунду магнитный поток будет совершать по 50 полных циклических изменений, а 50*60 = 3000, вот и получается 3000 оборотов в минуту — синхронная скорость асинхронного электродвигателя.

В рамках данной статьи мы поговорим о том, как определить синхронную скорость вращения неизвестного асинхронного трехфазного двигателя, просто взглянув на его статор. По внешнему виду статора, по расположению обмоток, по количеству пазов, — можно легко определить синхронные обороты электродвигателя если у вас нет под рукой тахометра. Итак, начнем по порядку и разберем данный вопрос с примерами.

3000 оборотов в минуту

Про асинхронные электродвигатели (смотрите — ) принято говорить, что тот или иной двигатель имеет одну, две, три или четыре пары полюсов. Минимум — одна пара полюсов, то есть минимум — два полюса. Взгляните на рисунок. Здесь вы видите, что в статор уложено по две последовательно соединенные катушки на каждую фазу — в каждой паре катушек одна расположена напротив другой. Эти катушки и образуют по паре полюсов на статоре.

Одна из фаз показана для ясности красным цветом, вторая — зеленым, третья — черным. Обмотки всех трех фаз устроены одинаково. Поскольку три эти обмотки питаются по очереди (ток трехфазный), то за 1 колебание из 50 в каждой из фаз — магнитный поток статора один раз обернется на полные 360 градусов, то есть совершит один оборот за 1/50 секунды, значит 50 оборотов получится за секунду. Так и выходит 3000 оборотов в минуту.

Таким образом становится ясно, что для определения синхронных оборотов асинхронного электродвигателя достаточно определить количество пар его полюсов, что легко сделать, сняв крышку и взглянув на статор.

Общее число пазов статора разделите на число пазов, приходящихся на одну секцию обмотки одной из фаз. Если получится 2, то перед вами двигатель с двумя полюсами — с одной парой полюсов. Следовательно синхронная частота составляет 3000 оборотов в минуту или примерно 2910 с учетом скольжения. В простейшем случае 12 пазов, по 6 пазов на катушку, и таких катушек 6 — по две на каждую из трех фаз.

Обратите внимание, количество катушек в одной группе для одной пары полюсов может быть не обязательно 1, но и 2 и 3, однако для примера мы рассмотрели вариант с одиночными группами на пару катушек (не будем в рамках данной статьи заострять внимание на способах намотки).

1500 оборотов в минуту

Для получения синхронной скорости в 1500 оборотов в минуту, количество полюсов статора увеличивают вдвое, чтобы за 1 колебание из 50 магнитный поток совершил бы только пол оборота — 180 градусов.

Для этого на каждую фазу делают по 4 секции обмотки. Таким образом, если одна катушка занимает четверть всех пазов, то перед вами двигатель с двумя парами полюсов, образованными четырьмя катушками на фазу.

Например, 6 пазов из 24 занимает одна катушка или 12 из 48, значит перед вами двигатель с синхронной частотой 1500 оборотов в минуту, или с учетом скольжения примерно 1350 оборотов в минуту. На приведенном фото каждая секция обмотки выполнена в виде двойной катушечной группы.

1000 оборотов в минуту

Как вы уже поняли, для получения синхронной частоты в 1000 оборотов в минуту, каждая фаза образует уже три пары полюсов, чтобы за одно колебание из 50 (герц) магнитный поток обернулся бы всего на 120 градусов, и соответствующим образом повернул бы за собой ротор.

Таким образом, минимум 18 катушек установлены на статор, причем каждая катушка занимает шестую часть всех пазов (по шесть катушек на фазу — по три пары). Например, если пазов 24, то одна катушка займет 4 из них. Получится частота с учетом скольжения около 935 оборотов в минуту.

750 оборотов в минуту

Для получения синхронной скорости в 750 оборотов в минуту, необходимо, чтобы три фазы формировали на статоре четыре пары движущихся полюсов, это по 8 катушек на фазу — одна напротив другой — 8 полюсов. Если например на 48 пазов приходится по катушке на каждые 6 пазов — перед вами асинхронный двигатель с синхронными оборотами 750 (или около 730 с учетом скольжения).

500 оборотов в минуту

Наконец, для получения асинхронного двигателя с синхронной скоростью в 500 оборотов в минуту необходимо 6 пар полюсов — по 12 катушек (полюсов) на фазу, чтобы на каждое колебание сети магнитный поток поворачивался бы на 60 градусов. То есть, если например статор имеет 36 пазов, при этом на катушку приходится по 4 паза — перед вами трехфазный двигатель на 500 оборотов в минуту (480 с учетом скольжения).

Все электродвигатели имеют основные характеристики:

  • Потребляемая мощность
  • Максимальный КПД
  • Номинальная частота вращения вала
  • Номинальный момент

Также они имеют механическую характеристику – зависимость момента от оборотов. Определить количество оборотов электродвигателя можно по катушкам обмотки статора. Для этого в статоре надо найти катушку, которая лучше всего просматривается. Если вычислить расстояние, занимаемое катушкой по кольцу железа статора, можно точно определить, сколько оборотов имеет данная асинхронная модель.

Асинхронные устройства разделяются по количеству оборотов мотора на: 1000 об/мин, 1500 об/мин и 3000 об/мин.

Если расстояние составляет половину кольца железа статора, то это агрегат с 3000 об/мин. Если это составляет 1/3 кольца железа, то он имеет 1500 об/мин. Если же расстояние, занимаемое катушкой, составляет 1/4 кольца железа, то данный прибор имеет 1000 об/мин.

Модели с количеством 1000 об/мин применяют на таком оборудовании, где нет необходимости в высокой скорости вращения вала ротора. Например, на лебедках, кранах, транспортерах и т.д.

Электродвигатели с оборотами 1500 и 3000 об/мин применяют на металлообрабатывающих и деревообрабатывающих станках, компрессорах, холодильниках и т.д.

Мощность их может колебаться в пределах от 0,12 до 200 кВт, что напрямую зависит от размера и назначения оборудования.

Электронные регуляторы в зависимости от типа двигателя, классифицируются:

  1. Для коллекторных моделей
  2. Для безколлекторных бездатчиковых
  3. Для безколлекторных с датчиками Холла.

Также все регуляторы оборотов электродвигателя различаются в зависимости от максимального рабочего тока, напряжения батареи, работы с аккумуляторами различного типа.

Регуляторы, предназначенные для безколлекторных устройств, не только управляют мощностью, но и определяют положение ротора в каждый момент времени для того, чтобы правильно задать фазы трех питающих напряжений, необходимых для работы мотора.

Регуляторы для коллекторных моторов могут быть подсоединены к нескольким моторам, параллельно или последовательно с условием, что суммарный ток не превышает максимальный ток, рассчитанный на данный регулятор.

Регуляторы, предназначенные для электрических двигателей водоплавных судов, оснащены дополнительной защитой от влаги и имеют жидкостное охлаждение.

Регуляторы, применяемые в автомобилях, оборудованы радиатором воздушного охлаждения и реверсом направления вращения.

Некоторые модели регуляторов имеют на корпусе кнопки для изменения параметров, другие настаиваются с помощью аппаратуры.

Основные настраиваемые функции регуляторов:

  • Гувернер – режим регулирования не мощности, а оборотов. При изменении нагрузок, контроллер добавляет или уменьшает мощность.
  • Режим старта – быстрый, плавный, жесткий.
  • Для устройства с редукторами или тяжелыми лопастями – режим, замедляющий набор оборотов при его старте.
  • Настройка времени набора оборотов от ноля до максимума – т.е. ускорение или задержание.
  • Настройка режима газа – зависимость оборотов мотора от ручки газа. Может быть оснащена автокалибровкой.
  • Функция тормоз – включение/выключение режима торможения. В некоторых контроллерах есть функция регулировки усилия торможения от 0 до 100%.
  • Функция реверс – включение и выключение режима реверса.
  • Настройка ограничения тока — устанавливает максимальную силу тока, при превышении которой, агрегат отключается автоматически.
  • Функция напряжение выключение мотора – устанавливает минимальное напряжение аккумуляторной батареи. В целях защиты батареи от глубокого разряда, отключает ее от двигателя.
  • Функция тип выключения мотора – мягкое или жесткое выключение при срабатывании защиты.
  • Настройка частоты импульсов позволяет улучшить линейность регулирования частоты вращения. Применяется в основном для 3-4-витковых низкоиндуктивных моторов.
  • Функция опережение – устанавливает угол опережения коммутации обмоток.

Как уменьшить обороты или как увеличить обороты электродвигателя? Для этого нужно произвести изменение напряжения на обмотках статора. Зависимость напряжения от частоты вращения близка к линейной.

Для изменения числа оборотов коллекторного устройства с независимым возбуждением нужно поменять напряжение на обмотках ротора, при этом не меняя напряжение на обмотке статора.

Для регулирования частоты вращения с последовательным возбуждением, питающегося от сети переменного тока, применяют тиристорный регулятор.

При эксплуатации любой машины не обойтись без электродвигателя. Многие покупают электродвигатель с рук без какой-либо документации. В такой ситуации возникает проблема с определением оборотов электродвигателя. Чтобы решить данную проблему, можно использовать несколько способов.

Самый простой способ определения оборотов электродвигателя – использование тахометра. Но наличие данного прибора у человека, не специализирующегося на электродвигателях, большая редкость. Поэтому существуют способы определения оборотов на глаз. Для определения оборотов электродвигателя откройте одну из крышек электродвигателя и найдите катушку обмотки. Катушек в электродвигателе может быть несколько. Выберете ту катушку, которая находится в зоне видимости и к которой проще доступ. Старайтесь не нарушить целостность электродвигателя, не доставайте детали. Не пробуйте отсоединить детали между собой.


Рассмотрите внимательно катушку и попробуйте приблизительно определить ее размер относительно кольца статора. Статор – стационарная часть электродвигателя, ротор – подвижная и вращается внутри статора. Вам не потребуется ни линейка, ни точные подсчеты. Вся процедура определяется на глаз.


Скорость вращения ротора – 3000 оборотов в минуту, если размер катушки закрывает половину кольца статора. Скорость вращения ротора – менее 1500 оборотов в минуту, если размер катушки покрывает треть кольца. Скорость вращения ротора – 1000 оборотов в минуту, если размер катушки составляет одну четвертую по отношению к кольцу.


Существует еще один способ определения оборотов по обмотке. Обмотки находятся внутри статора. Для этого необходимо подсчитать количество пазов, занимаемых секциями одной катушки. Общее количество пазов сердечника составляет количество полюсов: 2 – 3000 об/мин, 4 – 1500 об/мин, 6 – 1000 об/мин.

Все основные характеристики электродвигателя должны быть указаны на металлической бирке, располагающейся на его корпусе. Но на практике бирка или отсутствует, или информация стерлась в течение эксплуатации.

Иногда применительно к автомобилям всплывают вопросы из математики и физики. В частности, одним из таких вопросов является угловая скорость. Она имеет отношение как к работе механизмов, так и к прохождению поворотов. Разберёмся же, как определить эту величину, в чём она измеряется и какими формулами тут нужно пользоваться.

Как определить угловую скорость: что это за величина?

С физико-математической точки зрения эту величину можно определить следующим образом: это данные, которые показывают, как быстро некая точка осуществляет оборот вокруг центра окружности, по которой она движется.

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО

Эта, казалось бы, чисто теоретическая величина, имеет немалое практическое значение при эксплуатации автомобиля. Вот лишь несколько примеров:

  • Необходимо правильно соотносить движения, с которыми вращаются колёса при повороте. Угловая скорость колеса автомобиля, движущегося по внутренней части траектории, должна быть меньше, чем у внешнего.
  • Требуется рассчитывать, насколько быстро в автомобиле вращается коленвал.
  • Наконец, сама машина, проходя поворот, тоже имеет определённую величину параметров движения – и от них на практике зависит устойчивость автомобиля на трассе и вероятность опрокидывания.

Формула времени, за которое вращается точка по окружности заданного радиуса

Для того, чтобы рассчитывать угловую скорость, используется следующая формула:

ω = ∆φ /∆t

  • ω (читается «омега») – собственно вычисляемая величина.
  • ∆φ (читается «дельта фи») – угол поворота, разница между угловым положением точки в первый и последний момент времени измерения.
  • ∆t
    (читается «дельта тэ») – время, за которое произошло это самое смещение. Точнее, поскольку «дельта», это означает разницу между значениями времени в момент, когда было начато измерение и когда закончено.

Приведённая выше формула угловой скорости применяется лишь в общих случаях. Там же, где речь идёт о равномерно вращающихся объектах или о связи между движением точки на поверхности детали, радиусом и временем поворота, требуется использовать другие соотношения и методы. В частности, тут уже будет необходима формула частоты вращения.

Угловая скорость измеряется в самых разных единицах. В теории часто используется рад/с (радиан в секунду) или градус в секунду. Однако эта величина мало что означает на практике и использоваться может разве что в конструкторской работе. На практике же её больше измеряют в оборотах за секунду (или минуту, если речь идёт о медленных процессах). В этом плане она близка к частоте вращения.

Угол поворота и период обращения

Гораздо более часто, чем угол поворота, используется частота вращения, которая показывает, сколько оборотов делает объект за заданный период времени. Дело в том, что радиан, используемый для расчётов – это угол в окружности, когда длина дуги равна радиусу. Соответственно в целой окружности находится 2 π радианов. Число же π – иррациональное, и его нельзя свести ни к десятичной, ни к простой дроби. Поэтому в том случае, если происходит равномерное вращение, проще считать его в частоте. Она измеряется в об/мин – оборотах в минуту.

Если же дело касается не длительного промежутка времени, а лишь того, за который происходит один оборот, то здесь используется понятие периода обращения. Она показывает, как быстро совершается одно круговое движение. Единицей измерения здесь будет выступать секунда.

Связь угловой скорости и частоты вращения либо периода обращения показывает следующая формулы:

ω = 2 π / T = 2 π *f,

  • ω – угловая скорость в рад/с;
  • T – период обращения;
  • f – частота вращения.

Получить любую из этих трёх величин из другой можно с помощью правила пропорций, не забыв при этом перевести размерности в один формат (в минуты либо секунды)

Чему равна угловая скорость в конкретных случаях?

Приведём пример расчёта на основе приведённых выше формул. Допустим, имеется автомобиль. При движении на 100 км/ч его колесо, как показывает практика, делает в среднем 600 оборотов за минуту (f = 600 об/мин). Рассчитаем угловую скорость.

Для начала переведем об/мин в об/с. Для этого разделим 600 на 60 (число секунд в минуте) и получим 10 об/с. Попутно мы получили и период обращения: эта величина является обратной по отношению к частоте и при измерении в секундах 0,1 с.

Поскольку точно выразить π десятичными дробями невозможно, результат примерно равен будет 62,83 рад/с.

Связь угловой и линейной скоростей

На практике часто приходится проверять не только ту скорость, с какой изменяется угловое положение у вращающейся точки, но и скорость её самой применительно к линейному движению. В приведённом выше примере были сделаны расчёты для колеса – но колесо движется по дороге и либо вращается под действием скорости автомобиля, либо само ему эту скорость обеспечивает. Значит, каждая точка на поверхности колеса помимо угловой будет иметь и линейную скорость.

Рассчитать её проще всего через радиус. Поскольку скорость зависит от времени (которым будет период обращения) и пройденного расстояния (которым является длина окружности), то, учитывая приведённые выше формулы, угловая и линейная скорость будут соотноситься так:

  • V – линейная скорость;
  • R – радиус.

Из формулы очевидно, что чем больше радиус, тем выше и значение такой скорости. Применительно к колесу с самой большой скоростью будет двигаться точка на внешней поверхности протектора (R максимален), но вот точно в центре ступицы линейная скорость будет равна нулю.

Ускорение, момент и связь их с массой

Помимо приведённых выше величин, с вращением связано ещё несколько моментов. Учитывая же, сколько в автомобиле крутящихся деталей разного веса, их практическое значение нельзя не учесть.

Равномерное вращение – это важная вещь. Вот только нет ни одной детали, которая бы всё время крутилась равномерно. Число оборотов любого крутящегося узла, от коленвала до колеса, всегда в конечном итоге растёт, а затем падает. И та величина, которая показывает, насколько выросли обороты, называется угловым ускорением. Поскольку она производная от угловой скорости, измеряется она в радианах на секунду в квадрате (как линейное ускорение – в метрах на секунду в квадрате).

С движением и её изменением во времени связан и другой аспект – момент импульса. Если до этого момента мы могли рассматривать только чисто математические особенности движения, то здесь уже нужно учитывать то, что каждая деталь имеет массу, которая распределена вокруг оси. Он определяется соотношением начального положения точки с учётом направления движения – и импульса, то есть произведения массы на скорость. Зная момент импульса, возникающий при вращении, можно определить, какая нагрузка будет приходиться на каждую деталь при её взаимодействии с другой

Шарнир как пример передачи импульса

Характерным примером того, как применяются все перечисленные выше данные, является шарнир равных угловых скоростей (ШРУС) . Эта деталь используется прежде всего на переднеприводных автомобилях, где важно не только обеспечить разный темп вращения колёс при повороте – но и при этом их управляемость и передачу на них импульса от работы двигателя.

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО

Конструкция этого узла как раз и предназначена для того, чтобы:

  • уравнивать между собой, как быстро вращаются колёса;
  • обеспечивать вращение в момент поворота;
  • гарантировать независимость задней подвеске.

В результате все формулы, приведённые выше, учитываются в работе ШРУС.

  • При поступлении в ремонт электродвигателя с отсутствующей табличкой, приходиться определять мощность и обороты по статорной обмотке. В первую очередь нужно определить обороты электродвигателя. Самый простой способ для определения оборотов в однослойной обмотке это посчитать количество катушек (катушечных групп).
Количество катушек (катушечных групп) в обмотке шт. Частота вращения об/мин.
При частоте питающей сети f=50Гц.
Трёхфазные Однофазные
в рабочей обмотке
Односл. Двухсл.
6 6 2 3000
6 12 4 1500
9 18 6 1000
12 24 8 750
15 30 10 600
18 36 12 500
21 42 14 428
24 48 16 375
27 54 18 333
30 60 20 300
36 72 24 250
  • По таблице у однослойных обмоток на 3000 и 1500 об/мин. одинаковое количество катушек по 6, визуально отличить их можно по шагу. Если от одной стороны катушки к другой стороне провести линию, и линия будет проходить через центр статора, то это обмотка 3000 об/мин. рисунок №1. У электродвигателей на 1500 оборотов шаг меньше.
2p 2 4 6 8 10 12
об/ мин f=50Гц 3000 1500 1000 750 600 500

2p 14 16 18 20 22 24
об/ мин f=50Гц 428 375 333 300 272 250

2p 26 28 30 32 34 36
об/ мин f=50Гц 230 214 200 187,5 176,4 166,6

2p 38 40 42 44 46 48
об/ мин f=50Гц 157,8 150 142,8 136,3 130,4 125

Как определить мощность асинхронного электродвигателя.

  • Для определения мощности электродвигателя нужно измерить высоту оси вращения вала электродвигателя, наружный и внутренний диаметр сердечника, а так же длину сердечника двигателя и сравнить его с размерами электродвигателей единой серии 4А, АИР, А, АО…
  • Увязка номинальных мощностей с установочными размерами асинхронных электродвигателей серии 4А:

Число пар полюсов

число пар полюсов (символ: p{\displaystyle p}) — это количество пар магнитных полюсов во вращающихся электрических машинах. [1] Следовательно, к числу полюсов относится следующее: 2⋅p{\displaystyle 2\cdot p}. [2]

Основы

Асинхронная машина с количеством пар полюсов p = 2 {\ displaystyle p = 2} и 3 жилами; на диаграммах показана напряженность поля в воздушном зазоре

Поскольку магнитные полюса могут встречаться только парами, это наименьшее количество пар полюсов sp=1{\displaystyle p=1}(1 северный полюс + 1 южный полюс). Количество полюсов также соответствует назначенному. Таким образом, четырехполюсная машина имеет 2 пары полюсов. [3] Это следует понимать следующим образом: в простейшем случае, как и в машине постоянного тока, число пар полюсов относится к ее основному полюсному полю, т. е. к магнитному полю, создаваемому в статоре катушками, через которые течет постоянный ток. Это постоянное магнитное поле имеет северный и южный полюса. Таким образом, машина имеет число пар полюсов, равное 1.

Аналогия с машиной постоянного тока была найдена для определения количества пар полюсов для вращающихся полевых машин.Вращающееся поле создается расположением 3 катушек, которые равномерно смещены на 120° в статоре и по которым протекает соответствующий трехфазный ток. В качестве альтернативы стержневой магнит может вращаться вокруг оси с соответствующей скоростью. В обоих случаях создается одно и то же магнитное поле. Такое магнитное поле имеет вращающихся пар полюсов, то есть северный и южный полюса, которые обращены друг к другу. Вращающаяся полевая машина со статором, сконструированным таким образом (для машин с внешними полюсами — ротором), имеет число пар полюсов, равное 1.Если, согласно приведенному выше примеру, вы теперь поместите еще одну тройную катушку точно между тремя другими катушками (угол между двумя соседними катушками теперь составляет всего 60 °), вы получите 2 пары полюсов.

Расстояние между двумя соседними катушками называется шагом полюсов. [4] Измеряется от центра полюса до центра полюса. Чем больше количество пар полюсов, тем ближе катушки друг к другу. [5] В дополнение к коэффициенту мощности и уровню напряжения на клеммах размер шага полюсов имеет решающее значение для количества пазов на полюс в асинхронных машинах. [6] Это оказывает большое влияние на поведение поля воздушного зазора. Машины всегда получают соответствующее количество катушек в соответствии с количеством пар полюсов. [7]

Пример: 4-полюсный трехфазный асинхронный двигатель имеет 2 пары полюсов (4 полюса) с 3 катушками в каждой, т. е. всего 6 отдельных катушек.

Число пар полюсов и поле воздушного зазора

Поле воздушного зазора получает полное косинусное колебание на пару полюсов. Однако волна не движется по всей окружности за время прохождения электрического периода.Он перемещается только по соответствующему сектору, который занят тройной катушкой.

При числе пар полюсов p=1{\displaystyle p=1}вал поля воздушного зазора совершает ровно один полный оборот по окружности машины за один электрический период. При количестве пар полюсов sp = 4 {\ displaystyle p = 4} поле воздушного зазора покрывает всего четверть окружности за один период. Таким образом, для прохождения полного объема требуется четыре периода. [8th]

Количество пар полюсов и скорость

В двигателях, работающих непосредственно от сети, частота сети и количество пар полюсов определяют скорость вращающегося поля машины с вращающимся полем.Синхронные машины вращаются точно со скоростью вращающегося поля, асинхронные машины вращаются с несколько иной скоростью в зависимости от нагрузки. Скорость вращающегося поля n с можно определить следующим образом:

Те: [2]

Если теперь соотнести скорость с одной минутой, получится следующая формула:

ns=60⋅fp{\displaystyle n_{\text{s}}={\frac {60\cdot f}{p}}}

Поскольку максимальная скорость поля при частоте сети 50 Гц составляет ровно 3000 мин -1 , можно на основании указанной на заводской табличке скорости вращения определить wieielpolig машины . [10]

Пример: Двухполюсная синхронная машина вращается с частотой 50 Гц в течение 3000 мин −1 , так как два полюса образуют пару полюсов.

Пояснение: Вымышленная точка на валу вращается в ходе полуволны к следующему полюсу. Если имеется только одна пара полюсов, т. е. 2 полюса, он вращается один раз за период. (Период синуса состоит из двух полуволн). В случае двигателя с двумя парами полюсов, поскольку полюсов четыре, он вращается только в пределах 4 полуволн, т. е.е. 2 периода по 360°. Итак, скорость уменьшилась вдвое. [11]

Количество пар полюсов и крутящий момент

Механическая мощность рассчитывается как произведение крутящего момента и скорости:

Pmech=2⋅Pi⋅n⋅M{\displaystyle P_{\text{mech} }=2\cdot \pi \cdot n\cdot M}

Таким образом, для двигателей с питанием от сети с одинаковой номинальной мощностью номинальный крутящий момент пропорционален количеству пар полюсов. Двигатели одинаковой мощности с большим числом пар полюсов больше, чем двигатели с меньшим числом пар полюсов.Если сравнить двигатели с одним и тем же основным принципом и одним и тем же размером, достижимый номинальный крутящий момент принципиально не пропорционален количеству пар полюсов. В зависимости от технологии крутящий момент увеличивается более или менее с увеличением числа пар полюсов, но всегда непропорционально, а при превышении большего числа пар полюсов даже снова уменьшается. [3]

литература

  • Али Фарщчи: Электрические машины в теории и на практике . Структура, режимы работы, области применения, критерии выбора и проектирования. 1-е издание. VDE-Verlag, Берлин/Оффенбах, 2001 г., ISBN 3-8007-2563-0 .
  • Карл Фальк: Трехфазный двигатель . Словарь для практики. 1-е издание. VDE-Verlag, Берлин/Оффенбах, 1997, ISBN 3-8007-2078-7.

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Детлев Роузбург: Учебник и тетрадь: Электрические машины и приводы . Введение для инженеров и инженеров-технологов.Дирк Шредер: Электроприводы . Основы. 3. Издание. Springer-Verlag (учебник Springer), Берлин, 2007 г., ISBN 978-3-540-72764-4 .
  2. ↑ Moeller (Eaton): Трехфазный асинхронный двигатель . Электронные пускатели и приводы двигателей. Бонн, 2009 г. (онлайн [по состоянию на 12 июля 2011 г.]).
  3. ↑ Ханс-Гюнтер Бой, Хорст Флахманн, Отто Май: Магистерский экзамен . Электрические машины и техника управления. 4-е издание. Vogel Buchverlag, Вюрцбург, 1983, ISBN 3-8023-0725-9 . Рудольф Буш: Электротехника и электроника для инженеров-механиков и технологов . 4-е, исправленное и дополненное издание. BG Teubner Verlag, Висбаден, 2006 г., ISBN 3-8351-0022-X .

полюсный двигатель – обзор

9.4.4 Явнополюсный двигатель

Моделирование явнополюсного двигателя основано на эквивалентной схеме, аналогичной схеме для двигателя с гладким ротором на рис. 9.14, с ЭДС индукции. E за счет возбуждения ротора. Но из-за заметности и, как следствие, реактивной составляющей крутящего момента, одиночное синхронное реактивное сопротивление (X s ) должно подразделяться на реактивное сопротивление по прямой оси (X d ) и реактивное сопротивление по квадратурной оси (X q ). ).Эти реактивные сопротивления такие же, как мы обсуждали в предыдущем разделе.

Временная векторная диаграмма представляет собой комбинацию диаграмм, показанных на рис. 9.16 и 9.17, и снова сопротивлением пренебрегли. Построение диаграммы включает разложение тока на прямую и квадратурную составляющие до того, как можно будет идентифицировать реактивные падения напряжения I d X d и I q X q . Мы не будем вдаваться в подробности, но типичные векторные диаграммы для перевозбужденных и недовозбужденных состояний показаны на рис.9.18A и B, соответственно, оба эскиза относятся к одной и той же выходной мощности или крутящему моменту.

Рис. 9.18. Временные векторные диаграммы для двигателя с явно выраженным полюсным возбуждением.

В случае перевозбуждения ток является опережающим, т. е. выводятся отстающие Vars, тогда как в случае недостаточного возбуждения необходимы дополнительные отстающие Vars, чтобы дополнить возбуждение, обеспечиваемое током ротора.

Мощность и крутящий момент могут быть получены из рис. 9.18 через контролируемые переменные (V, E и момент нагрузки), но длительные манипуляции не нужны, и мы просто приведем известный результат, что крутящий момент задается выражением

T∝EVXdsinδ+V22XdXqXd−Xqsin2δ.

Первый член тот же, что и для машины с возбуждением от круглого ротора, которую мы видели ранее, но с X d вместо X, а второй член такой же, как мы нашли для реактивного двигателя. Мы отмечаем, что даже когда возбуждение ротора равно нулю (т. е. E = 0), двигатель с явно выраженными полюсами может создавать крутящий момент только за счет реактивного действия, но нет нужды говорить, что реактивный крутящий момент зависит от степени заметности: двигатель с ротором такой, как на рис. 9.2A, может создавать 5% своего крутящего момента за счет нежелания, тогда как коэффициент сопротивления для типа ротора на рис.9.3B может легко внести вклад в 30% и более.

Трехфазный асинхронный двигатель — Simulink

Описание

Блок Induction Motor реализует трехфазный Индукционный двигатель. Блок использует трехфазные входные напряжения для регулируют отдельные фазные токи, позволяя управлять двигателем крутящий момент или скорость.

По умолчанию блок устанавливает Simulation Введите параметр для Continuous для использования непрерывного шаг расчета во время моделирования.Если вы хотите сгенерировать код для двойного и цели с одинарной точностью, учитывая установку параметра на Дискретный . Затем укажите Sample Time, Ts параметр.

Трехфазная синусоидальная модель электрической системы

Блок реализует уравнения, которые выражаются в стационарной система отсчета ротора (qd). Ось d совпадает с осью а. Все величины в системе отсчета ротора относятся к статору.

Блок использует эти уравнения для расчета электрической скорости ( ω em ) и скорость скольжения ( ω проскальзывание ).

ωem=Pωmωslip= ωsyn−ωem

Для расчета электрической скорости ротора dq относительно оси А ротора ( dA ), блок использует разницу между скоростью оси статора ( da ) и скоростью скольжения:

Чтобы упростить уравнения для преобразования потока, напряжения и тока, блок использует стационарная система отсчета:

Расчет Уравнение
Поток

ddt[λsdλsq]= [vsdvsq]– Rs[isdisq]– ωda[0–110][λsdλsq]ddt[λrdλrq]= [vrdvrq]– Rr[irdirq]– ωdA[0–110][λrdλrq]

[λsdλsqλrdλrq]= [Ls00LsLm00LmLm00LmLr00Lr][isdisqirdirq]

Текущий

[isdisqirdirq]= (1Lm2- LrLs)[-Lr00-LrLm00LmLm00Lm-Ls00-Ls][λsdλsqλrdλrq]

Индуктивность
Электромагнитный крутящий момент

Te=PLm(isqird− isdirq)

Преобразование dq, инвариантное по степени, для обеспечения того, чтобы dq и трехфазные мощности равны

[vsdvsq] = 23 [cos(Θda)cos(Θda−2π3)cos(Θda+2π3)−sin(Θda)−sin(Θda−2π3)−sin(Θda+2π3)][vavbvc]

[iaibic] = 23  [cos(Θda)−sin(Θda)cos(Θda−2π3)cos(Θda+2π3)−sin(Θda−2π3)−sin(Θda+2π3)][isdisq]

В уравнениях используются эти переменные.

1

Ω EM

1

Ω SYN

S

0 S

1

L м

2 1

2
9002 л ls

7 1

0, V SD SD

кв. , I SD

2

2 1

7 λ SQ 0, λ SD

2 V A 0, V B 0, V C 1

7 I A , I 0, I B 0, I C 0 C 2

Статочные токи фазы A, B, C (A)

1

R R

E T E

1

1

Электромагнитный крутящий момент (NM)

7 ω м м

9002 9002

Электрическая скорость ротора / ы)

Ω Slip 0

Электрический ротор Скорость скольжения (RAD / S)

Синхронная скорость ротора (RAD / s)

Ω DA 0

0

2

DQ Статор электрическая скорость по отношению к ротору A-оси (RAD / S)

Ω DA

dq Электрическая скорость статора относительно оси А ротора (рад/с)

Θ da

dq Статор электрический угол по отношению к ротору A-оси (RAD)

da DA 1

9002

DQ Статор электрический угол по отношению к ротору A-AXIS (RAD)

L Q 0, Q 0, l d 0 0

2

9002 и D-ось оси (H)

Индуктивность статора (H)

0 R

1

9002 9002

2

намагниченные индуктивности (H)

Индуктивность рассеяния статора (Гн)

L lr

6 GE Inductanca (h)

Статор Q- и D-ось оси (V)

Статор Q- и D-ось оси (A)

Статор Q- и D-Axis flux (WB)

7 I RQ 0, I RD

9002 9001

2

Rotor Q- и D-ось оси (A)

λ RQ , λ RD

1

9002 1

Rotor Q- и D-Axis Flux (WB)

Статор Фазы напряжения A, B, C (V)

0 S 9004 9002

2

Сопротивление намотки статора (Ом)

2

Сопротивление обмоток ротора (Ом)

P

Количество парелей полюсов

Механическая система

Угловая скорость двигателя определяется как:

ddtωm=1J(Te-Tf-Fωm-Tm)dθmdt=ωm

Уравнения используют эти переменные. 2)

F

2

Комбинированное вязкое трение двигателя и нагрузки (N · M / (RAD / S))

1

θ м 1

Мотор Механическое угловое положение (RAD)

2

T M 9027 T м

2

моторный момент вала (нм)

2

1

T E

Электромагнитный крутящий момент (нм)

F

9002

9002

Моторный вал статический крутящий момент трения (NM)

1

ω м

2

Угловая механическая скорость двигателя (RAD / S)

Учет мощности

Для учета мощности блок реализует эти уравнения.

PwrBus утра P утра 0

2
Автобус Описание Переменная Уравнения

PWRInfo

PwrTrnsfrd — Мощность, передаваемая между блоками

PwrMtr

Механическая мощность

Р MOT

Pmot = -ωmTe

Электрическая мощность

P автобус

Pbus= vania+ vbnib+vcnic

PwrNotTrnsfrd — Сила пересечения блока граница, но не передана

PwrElecLoss

потери резистивный мощности

Р элек

Pelec = — (Rsisd2 + Rsisq2 + -Rrird2 + Rrirq2)
PwrMechLoss

Механические потери мощности

P мех.

Крутящий момент :

Pmech= −(ωm2F+ |ωm|Tf)

Когда Порт Конфигурация настроена на Скорость :

Pмех= 0 

PwrStored — Скорость изменения накопленной энергии

PWRMtrstored

хранимой моторной мощности

2

PSTR = PBUS + PMOT + PELEC + PMECH

Уравнения используют эти переменные.

1

R S

9002 0

1

Угловая механическая скорость ротора (RAD / S)

1

T E

7
9002 9002 9002

9002 9002 9002

1

R R

2 9002

2 1

Моторное сопротивление (Ом)

и а , я б , i c

Ток фаз a, b и c статора (A)

i sq , i sd

Токи по осям q и d (А)

v и в бн , V CN 0

Статовая фаза A, B, и C напряжение (V)

ω м

F

F

Комбинированный двигатель и нагрузка вязкого демпфирования (N · M / (RAD / S))

Электромагнитный крутящий момент (нм)

T F F

Объединенный моторный моторный момент и крутящий момент трения (НМ)

(PDF) Индукционный двигатель с переключающимся количеством полюсов и тороидальных обмоток

Электротехника и вычислительная техника, том 11, номер 2, 2011 г.

Асинхронный двигатель с переключателем

Количество полюсов и тороидальная обмотка

Сорин МИХАЙ, Александру СИМИОН, Леонард ЛИВАДАРУ, Адриан МУНТЯНУ

Технический университет Яссы, Румыния

Технический университет Яссы, Румыния

э.tuiasi.ro

1 Аннотация — В данной статье представлено исследование асинхронного двигателя

с тороидальной обмоткой статора. Катушки кольцевого типа

обеспечивают более высокую гибкость при получении различного количества

пар полюсов посредством соединений треугольник/звезда и последовательно/параллельно

соответственно. Как следствие, развиваемый крутящий момент

может изменяться в больших пределах, и двигатель может использоваться для приложений

, которые требуют, например, высоких значений момента нагрузки

в течение короткого времени.Исследование включает экспериментальные испытания и моделирование

FEM для асинхронной машины с тремя конфигурациями

пар полюсов. Выводы подтверждают превосходство тороидальной обмотки

для определенных применений

, таких как электромобили или грузоподъемные машины.

Термины индекса — анализ методом конечных элементов, асинхронный двигатель, многоскоростной,

обмотка с переключением полюсов, тороидальные катушки.

I. ВВЕДЕНИЕ

Долгое время в истории электроприводов d.в. Двигатель

представляет собой лучшее решение для приложений с регулируемой скоростью

. Затем разработка преобразователей частоты

на основе транзисторов, а затем и других мощных «электронных

устройств» поставила асинхронную машину на доминирующее положение практически для всех типов электроприводов. К такой ситуации привели два важных преимущества

: прочность и надежность

с одной стороны и приемлемая цена системы частотный преобразователь

-электродвигатель, с другой стороны.

Концепция переменной скорости электропривода

предполагает два варианта: непрерывное или «ступенчатое» изменение. Преобразователи частоты

— это устройства, обеспечивающие плавное изменение скорости

и в последнее время управление развиваемым крутящим моментом

. Как следствие, использование электронных преобразователей

представляется наиболее правильным и выгодным решением

, когда речь идет о регулируемых электроприводах с асинхронными двигателями

.Тем не менее, стоит упомянуть некоторые исключения. Во-первых, иногда регулирование скорости

требует, по сути, работы на двух максимум трех фиксированных значениях

. Преобразователь частоты, без сомнения, представляет собой скорее экстравагантность, чем необходимость. Во-вторых, общий заряд

часто представляет собой серьезное ограничение, в основном для мощных

приложений, когда цена преобразователя частоты

значительно превышает цену электрической машины.

Ступенчатое регулирование скорости часто соответствует требованиям

некоторых электроприводов и дает преимущество

, заключающееся в отсутствии дополнительного устройства электродвигателя.

Способ заключается в изменении количества полюсов

пар. Обычно возможны два, три или максимум четыре уровня скорости

. В этом отношении асинхронный двигатель может содержать одну или две различные обмотки в пазах статора. Когда двигатель имеет

только одну обмотку, он может вращаться с двумя разными скоростями,

изменяя направление тока через полуобмотки каждой фазы

и меняя, в конечном счете, тип трехфазного соединения

(со звезды на треугольник). или наоборот).Наиболее популярным типом

является соединение Даландера, которое обеспечивает соотношение 1:2

двух скоростей. С двумя отдельными обмотками на статоре

можно получить две скорости (каждая обмотка

соответствует определенному числу полюсов) или даже четыре скорости (когда для каждой обмотки используется вышеупомянутый принцип

).

Обмотки с переменным числом полюсов имеют

особую конструкцию, так как для заданного количества пазов статора

они должны создавать симметричные магнитные полюса для обоих соединений

. Кроме того, конструкция магнитопровода

должна согласовываться с рабочими параметрами обоих номеров полюсов.

Это непростая задача, и обычно встречаются компромиссы в конструкции

, которые практически значительно снижают уровень производительности двигателя

для обеих скоростей.

Сравнение двигателей с двумя отдельными обмотками

и с одной обмоткой с переключаемым числом полюсов

доказывает лучшее использование машины для последнего.

За последние три десятилетия на рынке

работает третье решение, в котором используется так называемый принцип полюсной амплитудной модуляции

[1]–[15]. На самом деле происходит изменение

направления тока через половину каждой фазной обмотки (скорее

аналогично принципу Даландера), что определяет

модуляцию начального поля возбуждения. Соотношение скоростей

обычно отличается от значения 1:2, а коэффициент использования машины

(активный объем/выходная мощность) превосходит

по сравнению с представленными выше методами.

Очень хорошим решением, по мнению авторов, для обмоток

с переключаемым числом полюсов являются

тороидальные обмотки. Они имеют отдельные кольцевые катушки

, размещенные в пазах статора (также можно поместить две катушки

в каждый паз, как будет показано далее). Основным преимуществом такой конструкции является отказ от концепции намотки с заданным шагом

. Практически проще

найти правильные соединения между катушками, чтобы получить

все возможные решения числа полюсов.В качестве примера, если мы

рассмотрим машину с 72 пазами статора (возможное количество

пазов для асинхронной машины 50-60 кВт, которые могут быть использованы для подъемных машин или электромобилей), то число

число полюсов, которое можно получить, представлено в таблице

I. Кроме того, гораздо проще изменить количество фаз

(например, двухфазный автомат вместо трехфазного

). Кольцевые катушки были впервые использованы для обмоток якоря

d. в. машины. Они были

заменены барабанными обмотками, так как активную роль играла только одна сторона. Можно сказать, что этот недостаток действует до сих пор.

Существуют, однако, геометрические конструкции, в которых кольцевые катушки

оказываются более выгодными.

113

[Загружено с сайта www.aece.ro в понедельник, 16 апреля 2018 г., в 18:40:30 (UTC) пользователем 176.116.28.221. Распространение осуществляется в соответствии с лицензией или авторским правом AECE.]

3-фазный 4-полюсный асинхронный двигатель переменного тока Tesla. Почему асинхронный двигатель 19-го века Николы Теслы является идеальным выбором для электромобиля 21-го века

Популярная викторина: вы на коктейльной вечеринке.Неизбежно разговор заходит об электромобилях. Привлекательный представитель противоположного пола наклоняется к вам, оценивает вас как человека, который различает свои амперы по вольтам, фокусирует на вас пару голубых глаз спальни, которые прожигают дыру в вас, как лазерный луч, и в мягком , намекающий голос говорит: «Эй, что случилось с Tesla Motors, использующей 3-фазный 4-полюсный асинхронный двигатель переменного тока для питания своих автомобилей? Почему они пошли по этому пути?»

Все еще приходя в себя после этого взгляда, вы отвечаете, запинаясь в стиле Илона: «Э-э. . э-э… да, я… я могу рассказать вам все об этом. Пока ваш мозг размораживается, ответ слетает с языка, как поэзия, и вскоре вы и ваш инквизитор уже на танцполе, вместе исполняя прекрасную музыку.

Если только  вы не были идиотом и забыли подготовиться к такому вопросу, прежде чем надеть смокинг. Вот тут-то и пригодится это полезное «Учебное пособие по 3-фазному 4-полюсному асинхронному двигателю переменного тока». Это краткое исследование того, как ответить на этот самый вопрос. Кроме того, этот удобный денди-гид учит вас отвечать, точно отвечая на уровень гика спрашивающего.Вы хотите воздерживаться от того, чтобы перегрузить свое знакомство неоправданными мелочами, убивающими настроение… но вы не хотите упускать детали, если они будут запрошены. Это так же показательно.

Начнем с основ. Самый короткий ответ на вопрос, почему Tesla Motors использует 3-фазный 4-полюсный асинхронный двигатель переменного тока для питания всех своих автомобилей, — это, конечно, «потому что». Если это сработает, хорошо. Двигайтесь на танцпол. Если требуется дополнительный ответ, немного более сложный , потому что заключается в том, что прототип электромобиля, для которого Tesla Motors лицензировала технологию, уже использовал двигатель переменного тока.Кроме того, было указано, что если бы использовался двигатель постоянного тока, то Tesla Motors не могла бы называться Tesla Motors, учитывая, что Никола Тесла работал на переменном, а не на постоянном токе.

Компьютерщик, уровень 1

Если требуются дальнейшие объяснения, вы, вероятно, имеете дело с компьютерщиком разной величины. Итак, давайте поднимем его на ступеньку выше. Пришло время рассказать этому человеку о реальных преимуществах асинхронного двигателя переменного тока по сравнению с обычным эквивалентом постоянного тока. Они:

  • Упрощенная конструкция
  • Более низкая стоимость
  • Меньше деталей
  • Повышенная надежность
  • Меньшая вероятность колебаний цен на сырье и дефицита

Одной из причин более высокой надежности является то, что деталь, встречающаяся в двигателях постоянного тока более старых моделей, называемая щеткой , имеет ограниченный срок службы. Пара щеток физически взаимодействует с вращающимся валом, и возникает трение. Таким образом, щетки изнашиваются задолго до окончания срока службы двигателя.

Другими важными удаленными частями были постоянные магниты. В электродвигателях часто используются так называемые редкоземельные магниты, обладающие достаточной мощностью. Китай обладает большей частью месторождений редкоземельных элементов и в прошлом ограничивал их экспорт. Помимо дороговизны, постоянные магниты обычно увеличивают вес двигателя, подвержены размагничиванию и поломке, и существуют альтернативы, которые позволяют лучше контролировать создаваемые ими магнитные поля.На самом деле именно переменный ток фактически заменяет магниты.

Таким образом, отказ от частей, которые могут выйти из строя или дефицит, сокращение общего количества деталей (и связанных с ними затрат) и более легкий двигатель — все это убедительные аргументы. Возможно, теперь разговор может перейти на танцпол. Если нет, можно использовать более крупные орудия.

Компьютерщик, уровень 2

ОК. Ну, проблема с простым обобщением преимуществ асинхронного двигателя переменного тока заключается в том, что в резюме не объясняется, что было использовано для замены щеток, или что есть в изобретении Николы Теслы 136-летней давности, которое позволило появиться магнитам. вне.

Прежде чем идти дальше, полезно понять одну основную (и очень интересную) вещь об электродвигателях. Переменный или постоянный ток, все они составляют около магнитных полей . Магнетизм — это название этой игры. Электромагнитная сила — одна из четырех фундаментальных сил природы (другими являются Гравитационная сила, Сильная сила [удерживает атомы вместе] и Слабая сила [распад элементарных частиц]).

Электромагнетизм — супергеройская сила, которая заставляет двигатели вращаться. Просто подумайте на секунду о том, как два магнита, обращенные друг к другу с одинаковой полярностью, имеют тенденцию отталкиваться, и точно так же магниты притягиваются друг к другу, когда противоположные полярности обращены друг к другу (противоположности притягиваются). Итак, представьте, если бы вы прикрепили клейкой лентой связку магнитов, скажем, к Ленивой Сьюзен, а затем поместили бы большой магнит рядом с этой связкой. Что случилось бы? Примерно так работают электродвигатели. И чем больше магниты, тем мощнее сила, вращающая цилиндр. Независимо от того, питается ли он магнитами или ДВС, крутящая сила, которая вращает двигатель, называется крутящим моментом . В случае с электродвигателями чем сильнее магнитные поля, тем больше крутящий момент.

При проектировании электродвигателя есть несколько способов получить эти крайне важные магнитные поля.Один из способов — с естественными (постоянными) магнитами. Некоторые минералы естественным образом намагничиваются и излучают электромагнитное поле. С другой стороны, если вы потрудитесь разработать сплав с использованием редкоземельного элемента неодима, вы получите очень серьезный магнит, который любят конструкторы двигателей (больше крутящего момента). Второй способ создания магнитного поля состоит в том, чтобы взять несколько витков медной проволоки и подать на обмотку напряжение постоянного тока (постоянного тока). Катушка будет излучать электромагнитное поле. В-третьих, вы можете создать электромагнитное поле с помощью переменного тока (переменного тока), но мы пока не будем об этом.Учитывая то, что было сказано, у нас теперь достаточно материала для начинающих, чтобы говорить о щетках, магнитах и ​​асинхронных двигателях переменного тока таким образом, чтобы это, как мы надеемся, имело смысл, а не было каким-то абстрактным понятием.

Щетки

Проще говоря, обычные двигатели постоянного тока работают, окружая вращающийся вал обмотками из медного провода, на которые подается питание от источника постоянного тока (называемого якорем , поскольку провода намотаны на рычаги металлической рамы). Затем ротор окружен другим магнитным полем из фиксированного положения, что достигается с помощью постоянных магнитов, прикрепленных к металлическому корпусу, окружающему ротор (такая установка называется статором , потому что она неподвижна).

Проблема в том, как подать питание на катушку ротора, так как она будет крутиться (чтобы колеса машины крутились). Здесь на помощь приходят щетки. Прижатие проводящего материала к ротору делает работу, как показано здесь:

.

Как видите, пара угольных щеток подключена к проводам питания постоянного тока. Щетки вступают в физический контакт с определенной областью рядом с концом ротора, которая распределяет напряжение на якорь (это называется коммутатором , потому что он коммутирует ток через него).Слабость этой конструкции заключается в том, что у вас есть две части, трущиеся друг о друга, а [более мягкие] щетки со временем изнашиваются до утолщения и должны быть заменены. Вы не хотите, чтобы это происходило в пробке, поэтому коллекторный двигатель не запускается в электромобиле.

Примечание. С экологической точки зрения вам не следует находиться рядом с коллекторным двигателем. Когда щетки изнашиваются, они выбрасывают в воздух неприятные частицы графита. Коллекторные двигатели в некоторой степени способствуют загрязнению воздуха.

Так случилось, что двигатель постоянного тока некоторое время назад превратился в версию, не требующую щеток. Какому-то умному человеку пришла в голову блестящая идея переместить постоянные магниты со статора на ротор и переместить витки проволоки с ротора на статор. Благодаря этому шагу провода постоянного тока можно было легко присоединить к катушкам на неподвижной части двигателя. Больше не было необходимости подавать электричество на ротор. Итак, вышли из строя щетки и коллектор.

Магниты

Однако магниты все же остались. По всем вышеперечисленным причинам им тоже нужно уйти.И именно здесь мы получаем возможность понять великолепие асинхронного двигателя переменного тока, используемого в Tesla.

Примечание: асинхронный двигатель также использовался в EV-1. Однако все современные гибриды используют бесщеточные двигатели постоянного тока.

Введите переменный или переменный ток. В отличие от напряжения постоянного тока, имеющего постоянную полярность (как у батарейки типа АА с положительным и отрицательным концом), переменное напряжение меняется с положительного на отрицательное несколько раз в секунду (оно меняет полярность с + на -). Переменный ток измеряется как колеблющаяся синусоида. Возьмем, к примеру, бытовую электропроводку: напряжение колеблется от нуля до положительных 120 вольт… затем падает до нуля вольт. Затем цикл повторяется, только с обратной полярностью. Это происходит 60 раз в секунду в США и 50 Гц в Европе. Вот изображение синусоиды переменного тока:

Так какое тебе дело? Потому что каждый раз, когда напряжение повышается и падает, создается электромагнитное поле . Это изменение уровней напряжения создает поле.Это новый, третий способ создания магнитного поля. Здорово. Но как это поможет нашему мотору? Вспомните, что вам не нужны ни витки проволоки, ни магниты вокруг ротора. Вместо этого вы используете отливку из проводящего материала, такого как алюминий или медь, для ротора, и вы питаете противоположные пары катушек в статоре переменным током вместо постоянного тока. Пара катушек (отстоящих друг от друга на 180°) в статоре соединены последовательно (гирлянды на елке). Проволока наматывается на стальной сердечник по часовой стрелке, затем протягивается к противоположной катушке и наматывается против часовой стрелки.

Когда на пару катушек подается переменное напряжение, создается электромагнитное поле противоположных зарядов. Поля распространяются друг на друга через плоскость проводящего ротора, создавая электромагнит с северным и южным полюсами. Это действие вызывает протекание тока по ротору. Индуцированный ток ослабевает и течет вместе с электромагнитным полем от источника переменного тока. Угадайте, что происходит, когда ток ротора растет и падает? По той же причине ток, протекающий в катушках, создает электромагнитное поле, ток, протекающий по ротору, создает то же самое.

Ты понял? Это ключ к тому, как асинхронные двигатели обходятся без щеток и магнитов. Без необходимости понимать физику того, что создает электромагнитное поле или как электромагнитное поле может индуцировать протекание тока, суть в том, что внезапно ротор создает магнитное поле в соответствии с циклами подачи переменного тока. катушки статора. Без всей этой суеты со щетками и редкоземельными магнитами мы вернулись к двум крайне важным противоположным магнитным полям, которые заставляют двигатель вращаться.

Итак, еще раз: парные катушки на статоре > подать переменный ток на катушки > создается электромагнитное поле, охватывающее ротор > ток ИНДУКТИРУЕТСЯ течь по ротору > ротор излучает встречное электромагнитное поле > ротор поворачивается в ответ на магнитное притяжение. Вуаля. Асинхронный двигатель переменного тока. Вот анимация этого директора. Прокрутите вниз до «Как работает асинхронный двигатель переменного тока?»

Спасибо, Никола Тесла, за то, что ты это понял!

Тесла использует медный ротор для своих двигателей вместо алюминия из-за гораздо лучшей проводимости меди.Хотя это более сложный и затратный процесс. Медь необходимо нагреть до расплавленного состояния, а затем залить в форму с железным/стальным сердечником (известную как литье под давлением). Алюминий плавится при 660°C, а медь плавится при 1000°C. Медь должна быть залита без расплавления кристалла или сердечника. Только недавно этот процесс был усовершенствован. В результате получается эффективный двигатель, который примерно на 20% меньше, чем аналогичный алюминиевый двигатель.

Компьютерщик, уровень 3

ОК. Достаточно? Уже на танцполе? О, они все еще хотят знать о 3-фазной 4-полюсной части, а? Хорошо.Начнем с «четырехполюсника»… Предыдущая анимация демонстрирует 2-полюсный двигатель. Просто две противоположные катушки соединены вместе (последовательно). Таким образом, два полюса, или 2-полюсный двигатель. В анимации есть два набора этих парных катушек (синяя и красная), а у реальных двигателей будет еще несколько по окружности статора, но он по-прежнему считается 2-полюсным двигателем.

Усовершенствованная версия этой конструкции использует 4 катушки, соединенные последовательно. Один парный набор полюсов по-прежнему обращен друг к другу, но еще одна пара добавляется на расстоянии 90 ° друг от друга. Итак, 4-х полюсный двигатель. Удвоение числа полюсов в цепи увеличивает крутящий момент . Представьте яблочный пирог, разрезанный на четыре части. Это дает вам представление о топографии витков, которые располагаются на толстом конце каждого среза. Как уже отмечалось, для 2-полюсных двигателей будет несколько наборов этих 4 катушек, подключенных одинаковым образом. Вы можете просто продолжать нарезать этот пирог у себя в голове или посмотреть на этот полностью смонтированный статор:

Довольно сложно сказать, сколько полюсов у этого статора.Все зависит от того, как катушки были соединены между собой. То, на что вы смотрите, — это изолированный медный провод, обернутый вокруг статора. Катушки провода обозначаются как обмотки по понятным причинам.

Теперь о трех фазах. Трехфазный переменный ток — это всего лишь три источника переменного тока. Он представляет собой три отдельных силовых кабеля. Думайте о фазах переменного тока как о цилиндрах в обычном ДВС. Чем больше цилиндров (источников мощности), тем ровнее работает двигатель. Верно? Двигатель V8 работает более плавно, чем 4-цилиндровый двигатель, и обладает большей мощностью.Точно так же вы выполняете больше работы с 3-фазным питанием, чем с обычным однофазным источником, таким как бытовая розетка. Но как лучше всего применить дополнительную мощность? Более раннее изображение синусоиды было однофазной цепью. Давайте снова посмотрим на синусоиду, прежде чем продолжить:

Обратите внимание, что мощность начинается с нуля вольт, падает до нуля вольт по мере перехода цикла от положительного к отрицательному, а затем снова падает до нуля вольт. Нет напряжения = нет тока в этот момент. Отсутствие электрического тока равносильно отсутствию электромагнитного поля.Итак, в нашем примере мощность 60 Гц отсутствует 120 раз в секунду. Ааа! Это никогда не будет делать для Tesla. Решение этой «проблемы» состоит в том, чтобы применить отдельный источник переменного тока для питания соседнего набора катушек. Но вы не питаете обе цепи одновременно . Вместо этого вы выбираете время так, чтобы второй источник переменного тока создавал электромагнитное поле, когда первый нет. Таким образом, двигатель всегда находится под напряжением. И какого черта, если две ветви переменного тока — это хорошо, то три должны быть еще лучше (трехфазный стандарт — отраслевой стандарт). Итак, теперь каждый из трех отдельных источников переменного тока питает отдельный набор из 4 катушек (4 полюса, в 4 противоположных точках компаса) в любой момент времени, каждая из которых не совпадает по фазе с другой .

Продолжая нашу аналогию с ДВС, цикл сгорания всех поршней в двигателе происходит в один и тот же момент? Нет. Циклы сгорания расположены в шахматном порядке (пофазно) для максимального увеличения крутящего момента и плавной работы двигателя. Это тот же принцип для электродвигателей. На приведенной ниже диаграмме показан трехфазный переменный ток в действии.Обратите внимание, что в любой момент времени присутствует напряжение , следовательно, ток , следовательно, электромагнитное поле , следовательно, сила, притягивающая ротор .

Сложите все это, и, по сути, вы получите то, что разработчики называют вращающимся магнитным полем , распространяющимся по окружности ротора. Ротор постоянно движется по кругу, никогда не догоняя вращающееся поле. Действием управляет электронный контроллер.

Итак, вот оно. 3-фазный 4-полюсный асинхронный двигатель. На самом деле простое устройство. Сталь. Медь. Обмотки. Отсутствие трения от движущихся частей, кроме подшипников, на которых вращается ротор. Это переменный ток, который действительно творит волшебство… движение этих электромагнитных полей создает противодействующие силы, которые вращают ротор по кругу. Все это похоже на танец, если подумать. И говоря о танцах, ваш партнер уже должен быть на полу. Не заставляй меня переходить на четвертый уровень!


Спасибо Ивану из «Гаража Ивана» за заполнение пробелов в моих знаниях.Иван сам мотает двигатели, так что он кое-что знает об асинхронном двигателе переменного тока.

Больше ссылок:

Уолли Риппель, который участвовал в разработке двигателя для EV-1, а позже работал в Tesla Motors, рассказывает о двигателях в этом сообщении в блоге.

Еще одна замечательная ветка блога 2006 года, в которой соучредитель Tesla Мартин Эберхард обсуждает асинхронные двигатели.

Вот отличное видео из шоу «Как это сделано — автомобили мечты», в котором показана подробная сборка Model S.На 5:30 они показывают сборку двигателя. Одно примечание: рассказчик утверждает: « Это трехфазный двигатель, поэтому есть 3 отдельные катушки из меди ». Хм. Вероятно, правильнее будет сказать, что 3 отдельных медных витка находятся под напряжением одновременно.

А вот и статья о медных роторах с цитатами Дж. Б. Штраубеля.

Или как насчет более старой анимации, объясняющей, как работает магнетизм? Хорошо для детей тоже.

Вот видео о приводе Tesla, демонстрирующемся в демонстрационном зале магазина Tesla в Боулдере, штат Колорадо:

Наконец, вот видео на YouTube о самодельном 3-фазном 2-полюсном двигателе, вращающем кофейную банку!