Что такое скольжение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Что такое скольжение асинхронного двигателя

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя довольно прост. На обмотку статора подается питающее напряжение, которое создает магнитный поток, в каждой фазе он будет смещен на 120 градусов. При этом суммирующий магнитный поток будет вращающимся.

Обмотка ротора является замкнутым контуром, в ней наводится ЭДС и возникающий магнитный поток придает вращение ротору, в направлении движения магнитного потока статора. Вращающий электромагнитный момент пытается уравнять скорости вращения магнитных полей статора и ротора.

Величина определяющая разность скоростей вращения магнитных полей ротора и статора, называется скольжение. Так как ротор асинхронного двигателя всегда вращается медленнее, чем поле статора — оно обычно меньше единицы. Может измеряться в относительных единицах или процентах.

Высчитывается она по формуле:

где n₁— это частота вращения магнитного поля, n₂ – частота вращения магнитного поля ротора.

Скольжение, это важная характеристика, характеризующая нормальную работу асинхронного электродвигателя.

От чего зависит величина скольжения электродвигателя

• Как правило, скольжение относительно невелико при работе электродвигателя с номинальной нагрузкой. Например, при работе электромотора 1500 оборотов в минуту скольжение равно 2,7%.

• Асинхронные электродвигатели не могут достичь синхронной скорости даже, если отсоединить механизм. Проводники ротора никогда не будут пересекаться с магнитным полем, в них не будет ЭДС, соответственно не будет и тока. При этом асинхронный момент будет равен нулю.

• В момент пуска в обмотку ротора поступает ток, соответствующий частоте сети. По мере ускорения частота тока будет определена скольжением. При этом сопротивление ротора будет зависеть от частоты тока. Индуктивное сопротивление будет возрастать по мере увеличения частоты тока.

• Величины эквивалентного сопротивления изменяются в соответствии с законами физики. Если скольжение электродвигателя уменьшается, сопротивление соответственно увеличивается.

• При пусковом моменте до развития скольжения в пределах 0,15 сила сопротивления уменьшается незначительно. При дальнейшей работе наоборот – быстро уменьшается. Величина момента вращения определяется соответствующей величиной магнитного потока, поступающего тока и сдвигом между параметрами ЭДС, тока в роторе. Зависимость момента скольжения и напряжения с частотой устанавливается в ходе проведения исследования технических характеристик производителями электромоторов.

Механическая характеристика асинхронного двигателя, скольжение s

Для асинхронных двигателей всегда характерно скольжение s, возникающее из-за того, что синхронная частота вращающегося магнитного поля n1 статора выше реальной частоты вращения ротора n2.

Скольжение возникает потому, что индуцируемая в стержнях ЭДС может иметь место только при движении стержней относительно магнитного поля. То есть ротор всегда вынужден хоть немного, но отставать по скорости от магнитного поля статора. Величина скольжения равна s = (n1-n2)/n1.

Если бы ротор вращался с синхронной частотой магнитного поля статора, то в стержнях ротора не индуцировался бы ток, и ротор бы просто не стал вращаться. Поэтому ротор в асинхронном двигателе никогда не достигает синхронной частоты вращения магнитного поля статора, и всегда хоть чуть-чуть но отстает по частоте вращения от частоты синхронной.

Скольжение s измеряется в процентах, и на холостом ходу практически приближается к 0, когда момент противодействия со стороны ротора почти отсутствует. При коротком замыкании (ротор застопорен) скольжение равно 1.

Вообще скольжение у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором зависит от нагрузки и измеряется в процентах. Номинальное скольжение — это скольжение при номинальной механической нагрузке на валу в условиях, когда напряжение питания соответствует номиналу двигателя.

Как работает

Принцип функционирования электродвигателя с фазным ротором основан на магнитном поле, которое вращается с угловой скоростью, зависящей от частоты сети и пар полюсов обмотки статора. Поле образовывается при соединении с сетью трехфазной намотки. Как правило, асинхронный мотор имеет намотку во много фаз (обычно три фазы), но существуют и однофазные.

Вам это будет интересно Принцип действия генератора постоянного напряжения

Статор и ротор асинхронного двигателя

При пересечении обмоток магнитное поле в соответствии с правилом электромагнитной индукции индуктирует электродвижущую силу в этих намотках. Если намотка ротора замкнута, ее электродвижущая сила вводит в электроцепи ротора энергию. Образуется электромагнитный момент.

Мотор назвали асинхронным из-за того, что угловая скорость ротора не равна угловой скорости вращения электромагнитного поля, то есть они двигаются несинхронно.

Процессы, проходящие в асинхронном электродвигателе, измеряют параметром под названием скольжение, который рассчитывается как разность угловых скоростей ротора и магнитного поля.

Обратите внимание! Скольжение бывает положительным и отрицательным в зависимости от режима функционирования электромотора.

При идеальном холостом ходе оно равняется нулю, ротор и поле крутятся с равной быстротой. Никакой электродвижущей силы не образуется, ток и электромагнитный момент нулевые. При включении двигателя скольжение равняется 1 и при идеальном ходе постепенно достигает 0. Если вращать ротор в другую сторону относительно магнитного поля (разница угловых скоростей будет больше 1), появится тормозной момент, так как электродвигатель переходит в режим противовключения.

Расчет скольжения

В соответствии со значением скольжения в ходе работы электродвигателя различают 3 режима его функционирования:

• противовключение (скольжение стремится от 1 до бесконечности);
• генераторный (скольжение от 0 до бесконечности);
• двигательный (скольжение стремится от единицы до нуля).

Новый прорыв

Для электромобиля важна надёжность конструкции и ещё более – высокий кпд электродвигателя. От эффективности работы электродвигателя зависит величина расстояния пробега электромобиля от одной зарядки аккумуляторов, поэтому: чем выше кпд, — тем лучше.

Мировой рынок сбыта электродвигателей стремительно развивается. Согласно новому отчету Grand View Research, Inc. к 2025 году, как ожидается, он достигнет 214,5 млрд. долларов США. Именно быстрые технологические достижения являются основным драйвером роста рынка.

С целью достижения высоких технико-экономических показателей электродвигателя, прежде всего получения максимальной мощности и крутящего момента, при минимальном потреблении энергии необходимо уменьшить ее внутренние потери.

В России запатентован высокопроизводительный оригинальный электродвигатель американской компании Buddha Energy Inc. Примечателен тот факт, что автор электродвигателя является россиянином. В США электродвигатели продаются под торговой маркой HELV Motors. Компания Buddha Energy Inc. занимается разработкой инновационных электронных контроллеров и электродвигателей. Компания имеет патенты на разработку в крупнейших индустриальных странах. Их разработки ориентированы на зеленые технологии и охрану окружающей среды, сокращение использования природных ресурсов.

Особенностью электродвигателя HELV является его форма. Он спроектирован в виде шара таким образом, что полная площадь магнитного поля статора взаимодействует с полной площадью магнитного ротора при минимальном рассеивании магнитного поля, что дает высокий крутящий момент при небольшом размере двигателя.

В ходе стендовых испытаний, сила на валу тестового двигателя массой 2,8 кг и диаметром 119 мм составила 80 Нм. Примечательно, что сам двигатель может развить и большую мощность, но на текущий момент контроллер для его управления рассчитан только на 6 кВт. Таким образом при напряжении в 60 вольт и токе 100 ампер, двигатель показал статический крутящий момент в 80 Ньютон метров при оборотах 3900 об/м. Максимальная мощность двигателя может быть увеличена в несколько раз. Компания работает над созданием контроллера на 22 кВт.

Обычно с целью уменьшения воздействия токов Фуко на металл электродвигателя, а, соответственно, уменьшения потерь на нагрев, статоры синхронных и асинхронных электрических машин изготовлены из набора изолированных между собой пластин из тонкого железа. На электродвигателях марки «HELV Motors» компании Buddha Energy Inc. корпус статора выполнен из композитов, что позволило уменьшить его вес и максимально сократить потери от эффекта токов Фуко. В двигателях HELV не используются металлические сердечники, это позволяет значительно снизить вес двигателя без потери мощности. Особенно это важно для квадрокоптеров и вертолетов.

Благодаря специальному корпусу (крышке) диамагнитного статора все магнитные поля ротора и катушек концентрируются на небольшой площади и не выходят за пределы двигателя, что позволяет создавать высокую мощность при низком потреблении электроэнергии.

Композит статора дает возможность легко придавать ему нужную форму без использования дорогостоящего оборудования для обработки металла. Это позволит дополнительно снизить стоимость готовых электродвигателей.

Статор изготовлен таким образом, что двигатель может быть установлен как вертикально, так и горизонтально.

К преимуществам электродвигателя HELV следует также отнести:

• небольшие габариты и малый вес;
• максимальный крутящий момент, который доступен с момента включения (при нулевых оборотах) двигателя;
• возможность получения рекуперативной энергии;
• экологически чистая работа;
• минимум движущихся деталей, требующих замены или ремонта;
• отсутствие необходимости в коробке передач автомобиля.

Компания Buddha Energy Inc. предлагает ряд высокоэффективных низковольтных электродвигателей нового поколения на основе оригинально расположенных магнитных полей под торговой маркой «HELV Motors» мощностью от 5,6 кВт до 75 кВт

Так электродвигатель HELV мощностью 5,6 кВт при макс. 5600 об / мин, требует напряжения 75 В и потребляет ток до 100 А, в зависимости от нагрузки. В зависимости от модели двигателя обороты составляют от 65 до 75 оборотов на Вольт.

В целом к преимуществам электродвигателей компании «HELV Motors» следует отнести: малый вес и компактный размер, низкое потребление напряжения, умеренный нагрев при работе и большой крутящий момент вала в сравнении с низким энергопотреблением. Сферические катушки статора имеют низкое сопротивление, что позволяет создавать сильные магнитные поля внутри катушек при низком напряжении.

По имеющейся информации можно предположить, что авторы разработки изобрели нечто уникальное, которое может осуществить новый виток в энергетике, в понимании использования сил природы на благо человечества.

В целом изобретателям удалось решить сложную техническую задачу — смоделировать точное взаимодействие магнитных полей в пространстве, в том числе внутри композитов. Они также проверили магнитные взаимодействия полей на практике. С этой целью на 3D принтере был напечатан лабораторный стенд для проверки взаимодействия магнитных полей ротора и статора. После проверки нескольких десятков вариантов обмоток статора был найден вариант, при котором взаимодействие полей статора и ротора происходило наилучшим образом. Всё остальное было делом техники. На этом же принципе сконструирован шарообразный электродвигатель HELV.

Как утверждают авторы разработки, моторы HELV с их соотношением размеров и мощности — это нечто фантастическое. Реализация данного изобретения стала возможной благодаря новым доступным материалам и новым идеям, которые стали ключевым фактором успеха прорывного эксперимента — изобрести что-то новое, что-то важное. При доводке конструкции синхронизировать контроллер с электродвигателем HELV было достаточно непросто. Контролировать его на высоких нагрузках еще сложнее. Но на сегодняшний день изделие почти готово к массовому производству.

Компания утверждает, что двигатель рассчитанный на мощность 40 кВт будет весить не больше 9,7 кг, а диаметр будет не больше 22 сантиметров. Такие характеристики дадут возможность устанавливать данный двигатель на электрические автомобили, лодки, электромотоциклы и квадрокоптеры. В 2019 году компания заявила, что скорость вращения топовой модификации двигателя составляет 30 000 оборотов в минуту при напряжении в 400 вольт, а пиковая мощность электродвигателя в линейке продукции составляет 95 кВт. Данная модель еще не представлена в линейке продукции компании.

Таким образом, произведен прорыв в создание самых современных и эффективных электродвигателей. Остаётся только правильно подобрать его мощность для достижения заданных технических характеристик автомобиля. Требуемая мощность, во многом зависит от типа трансмиссии. Если электродвигатель будет подключен к колёсам через коробку передач, — то достаточно и небольшой мощности, а если напрямую к дифференциалу, – тогда потребуется двигатель более мощный.