МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КПД АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается устройство «Асинхронного электродвигателя», а именно затронуты особенности принципа работы статора и ротора. Рассмотрены разновидности пазов статора и ротора их конструктивных особенностей относительно их размера, формы и используемых материалов. Отдельно авторы коснулись устройства ключевых составляющих, рассмотрев отрасли, в которых они широко применяются, а также акцентировали внимание на основных недостатках двигателей. Изучена причина появления вибрации и шума. Описано определение магнитного поля с использованием анализа моделирования CAE.

ABSTRACT

This article discusses the design of the “Asynchronous electric motor”, namely, the features of the operating principle of the stator and rotor are touched upon. The varieties of stator and rotor slots and their design features regarding their size, shape and materials used are considered. We separately touched upon the design of key components. In which industries are they widely used? Main disadvantages of engines are considered. The cause of vibration and noise is studied. Magnetic field determination using CAE simulation analysis is discussed in the article.

Ключевые слова: cтатор, ротор, катушка, фаза, коллектор, ток, локомотив, магнитное поле, напряжение, силы тока, обмотка.

Keywords: stator, rotor, coil, phase, collector, current, locomotive, magnetic field, voltage, current, winding.

Введение. Асинхронный электродвигатель – асинхронная машина, работающая в режиме двигателя, преобразующая электрическую энергию в механическую. Режим работы основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, создаваемым полем статора в обмотках ротора. Он представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. 0,75 кВт, 1420 об/мин, 50 Гц, 230–400 В, характеристика асинхронного двигателя, статора и двигателя 3,4–2,0 А

Среди электродвигателей наиболее распространенным является трехфазный асинхронный двигатель. Этот двигатель был изобретен М.О. Доливо-Добровольским. Появление асинхронного двигателя вызвано трехфазным током, что позволило создать устройства, генерирующие вращающийся магнитный поток. Причина, по которой их называют асинхронными, заключается в том, что вращающаяся часть двигателя не имеет скорости магнитного потока ротора, то есть вращается без синхронизма с ним. Его можно использовать в работах, где нет необходимости поддерживать постоянную скорость вращения, а также однофазных и небольших мощностях. Такой электродвигатель прост по конструкции, надежен и недорогой по стоимости при использовании по сравнению с двигателями другого вида. Любая электрическая машина, в том числе и асинхронный двигатель, обладает свойством обратимости и работает как генератор (преобразуя механическую энергию в электрическую), также как описываемый нами двигатель.

Асинхронные генераторы практически не используются из-за ряда существенных недостатков. Как и любая электрическая машина, асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора. Неподвижная часть двигателя называется статором, а вращающаяся часть – ротором. Статор состоит из внешнего стального корпуса и штампованного стального сердечника. Для увеличения поверхности охлаждения корпуса статора ее обматывают. Каркас штампован и собран из стальных листов, изолированных друг от друга лаком. У сталя внутри имеются бороздки. В этих каналах размещена трехфазная обмотка статора. Вращающаяся часть машины – ротор – помещена внутри статора. Основа ротора также собрана из тонких стальных листов. На внешней стороне вала ротора имеются канавки. Ротор размещается в этих пазах. В зависимости от типа обмоток ротора асинхронный двигатель подразделяется на короткозамкнутый и фазный. Обмотка короткозамкнутого ротора, расположенная в пазах, состоит из медных или алюминиевых стержней. Эти стержни закорочены на медные или алюминиевые кольца с обеих сторон ротора, и в обнаженном виде такая катушка напоминает «немецкое колесо». Фазный ротор. Структура статора трехфазного асинхронного двигателя аналогична статору асинхронного двигателя, ротор которого закорочен. Фазная обмотка ротора аналогична обмотке статора и ее концы соединены с тремя медными кольцами. К этим контурам подключаются дополнительные резисторы (реостаты) для управления двигателем или регулировки его скорости.

Рисунок 2. Устройство асинхронного электродвигателя

Однако у асинхронных электродвигателей есть и некоторые недостатки. Например, они не обеспечивают точное позиционирование и неспособны работать при низких скоростях вращения без использования внешних устройств для регулировки частоты. Кроме того, они могут создавать высокий пусковой ток, что может быть проблематично при работе с ограниченными источниками электроэнергии.

Вибрация и шум асинхронных двигателей. Асинхронные двигатели широко используются главным образом из-за их преимуществ: простой конструкции, надежной обработки, простоты производства, низкой стоимости, надежности, высокой эффективности и очень хороших эксплуатационных характеристик. Основным недостатком асинхронных двигателей является то, что они не являются экономически гладкими в больших масштабах и должны обеспечивать реактивную мощность из сети.

В двигателе основной магнитный поток поступает в воздушный зазор преимущественно в пластинчатом направлении и создает радиальную силу в статоре и роторе, что приводит к электромагнитным вибрациям и шумам. При этом генерируются касательный момент и осевая сила, вызывающая вибрацию и аналогичную ей осевую. Чтобы рассчитать электромагнитный шум двигателя, а также проанализировать и контролировать подобные звуки, необходимо знать источник звука и вибрации, то есть силовые волны, вызывающие вибрацию и шум. В настоящее время магнитное поле двигателя можно определить с помощью моделирования CAE. Вибрация двигателя – наиболее проблемная часть его конструкции, состоящая из трех частей: электромагнитная вибрация, механическая вибрация и газовая вибрация. Электромагнитные колебания – взаимодействие магнитного поля в воздушном зазоре двигателя, которое создает электромагнитную силу, меняющуюся во времени и пространстве в роторе и статоре. Машины мощностью более 0,5 кВт обычно делают трехфазными, а небольшие – однофазными. Первую конструкцию асинхронной машины создал русский инженер Доливо-Добровольский в 1889–1891.

В прошедший период асинхронные двигатели использовались в различных областях промышленности и сельского хозяйства. Применяются в электроприводах металлорежущих станков, конвейеров, насосов и вентиляторов. Двигатели малой мощности используются в автоматических устройствах. Основной причиной широкого распространения асинхронных двигателей является их надежность по сравнению с другими типами машин, возможность непосредственного подключения к источнику переменного тока и простота обслуживания. Вибрация дроссельной заслонки – вибрация, вызванная воздушными потоками или аэродинамическими силами в вентиляции двигателя.

Заключение. Механическая вибрация – вибрация, вызванная механическими балансами, такими как баланс ротора, подшипники и т. д. Система трехфазного переменного тока, позволившая создать устройства, генерирующие вращающийся магнитный поток, стала причиной появления наиболее распространенных на данный момент асинхронных электродвигателей. Причина, по которой их называют асинхронными, заключается в том, что вращающаяся часть машины – ротор – не всегда равна скорости магнитного потока, то есть вращается несинхронно с ним. Доступный с напряжением 127 В, 220 В, 380 В, 500 В, 600 В, 3000 В, 6000 В и 10 000 В мощностью от долей ватта до тысяч киловатт, этот электродвигатель прост по конструкции, надежен и недорог в эксплуатации по сравнению с другими электродвигателями. Его можно использовать в любых работах, где нет необходимости поддерживать постоянную скорость вращения, а также в однофазных маломощных установках. В настоящее время асинхронные машины применяются преимущественно в режиме двигателя.

Список литературы:

1. Абдувахобов М.Э., Хамидов О.Р. Прогнозирование остаточного ресурса главной рамы и вписывание электровоза в кривую способом параболической диаграммы // Miasto Przyszłości.  – 2022. – Vol. 29. – Рр.  16–18.
2. Касимов О.Т., Турсунов Ш.Э., Мамаев Ш.И., Хусниддинов Ф.Ш., Эркинов Б.Х.Ў. Анализ Причин Отказов Тормозного Оборудования Локомотивов В Условиях Ао «Ўзбекистон Темир Йўллари» // Universum: технические науки. – 2022. – № 6-3 (99). – С. 38–42.
3. Хамидов О.Р., Абдувахабов М.Э., Жураев А.К. Исследование дефектов подшипников качения локомотивных асинхронных электродвигателей средствами вибродиагностики // Локомотивы. Газомоторное топливо (Проблемы. Решения. Перспективы) –  2016. – С. 128–131.
4. Хамидов О.Р., Эргашев О.Э., Келдибеков З.О., Зоирхонов С.Т. (2018). Методы диагностики подшипниковых узлов асинхронных электродвигателей электровозов" uz-elr" // Материалы международной научной конференции "Наука. Исследования. Практика". – ГНИИ "Нацразвитие". – Апрель 2018. – С. 44–49.
5. Abdurasulov S., Zayniddinov N., Yusufov A., Jamilov S. Analysis of stress-strain state of bogie frame of PE2U and PE2M industrial traction unit // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 401. – Р. 04022.
6. Ergashev O. E., Abduvakhabov M. E., Khamidov O. R., Tursunov N. K., Toirov O. T. Increasing the durability of gear transmissions of asynchronous torsion electric motors // Web of Scientist: International Scientific Research Journal. – 2022. – Vol. 3 (10).  – Рр. 1030–1036.
7. Ergashev O., Kasimov O., Djamilov S., Azimov S., Keldibekov Z. Improvement of diagnostics of traction electrical motors of railway rolling stock // AIP Conference Proceedings. – 2024. – Vol. 3045. – No. 1. AIP Publishing.
8. Jamilov S., Ergashev O., Abduvaxobov M., Azimov S., Abdurasulov S. Improving the temperature resistance of traction electric motors using a microprocessor control system for modern locomotives // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 401. – Рp. 03030.
9. Kasimov O.T. Mamaev Sh. I., Grishenko A.V. Causes of rolling stock brake equipment failures // Journal of Technical science and innovation. – 2021. –1027–1031.
10. Khamidov O.R., Kamalov I.S., Kasimov O.T. Diagnosis of traction electric motors of modern rolling staff using artificial intelligence // AIP Conference Proceedings. – 2023. – March – Vol. 2612. – No. 1.
11. Khamidov O.R., Kamalov I.S., Kasimov O.T. Heat calculation of pads during locomotive braking // AIP Conference Proceedings. – 2023. – March. – Vol. 2612. – No. 1. – AIP Publishing.
12.  Khamidov O., Yusufov A., Kudratov S., Yusupov A. Evaluation of the technical condition of locomotives using modern methods and tools // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 365. – Pp. 05004.
13.  Xamidov O., Ergashev O., Abduvahobov M., Nematova S. Aсинхрон моторлар тишли узатмаларини ротор валига ўрнатиш технологиясини ишлаб чиқиш // Development of pedagogical technologies in modern sciences. – 2022. – № 1(4). – Pp. 92–97.
14.  Xamidov O., Ergashev O., Abduvahobov M., Nematova S. “O‘zbekiston” elektrovozi va TE10M teplovozining tortuv reduktori texnik holatini baholash // Current approaches and new research in modern sciences. – 2022. – Vol. 1(4). – Pp. 37–42.
15.  Yusufov A., Khamidov O., Zayniddinov N., Abdurasulov S. Prediction of the stress-strain state of the bogie frames of shunting locomotives using the finite element method // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 401. – Pp. 03041.