Слайд № 20
Один из первых таких двигателей построил в 1841 г. сэр Чарльз Уитстон, английский физик, автор многих изобретений. Его система обладала большими недостатками: кроме того, что синхронный двигатель требовал для своего запуска дополнительный разгонный двигатель, он имел и другой изъян – при перегрузке синхронность его хода нарушалась, магниты начинали тормозить вращение вала, и двигатель останавливался. Поэтому синхронный двигатель не получил широкого распространения.
Слайд № 21
Подлинная революция в электротехнике произошло только после изобретения асинхронного двигателя. Подобное устройство в 1879 г. изобрел английский ученый Уолтер Бейли. В нем пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось с помощью неподвижного устройства: путем поочередного намагничивания четырех расположенных по периферии круга электромагнитов. Намагничивание производилось импульсами постоянного тока, посылаемыми в обмотки электромагнитов специально приспособленным для этого коммутатором. Над полюсами электромагнитов был подвешен медный диск. Бейли указывал, что при бесконечно большом числе электромагнитов можно было бы обеспечить равномерное вращение магнитного поля.
Слайд № 22
В 1888 г. итальянский физик Галилео Феррарис и Никола Тесла практически одновременно и независимо друг от друга открыли явление вращающегося магнитного поля. Вот как эту задачу решил Тесла: если осуществить питание обмоток магнитных полюсов электрического двигателя двумя различными переменными токами, отличающимися друг от друга лишь сдвигом по фазе, то чередование этих токов вызовет переменного образование северного и южного полюсов, или вращение магнитного поля. Вращающееся магнитное поле должно увлечь и обмотку ротора машины. Тесла первым, еще в 1882 г. построил источник двухфазного тока, а позже и двухфазный электродвигатель. Но тогда еще не знали о токах Фуко, и его пара «Генератор-двигатель» с цельнометаллическим статором и ротором сильно перегревалась. Изобретение Тесла знаменовало собой начало новой эры в электротехнике и вызвало к себе огромный интерес во всем мире. Уже в июне 1888 г. фирма «Вестингауз Электрик Компани» купила у Тесла за 1 миллион долларов все патенты на двухфазную систему и предложила организовать на своих заводах выпуск асинхронного двигателя. Надо отметить, что двигатель, изобретенный Тесла не получил широкого распространения.
Слайд № 23
Вскоре индукционный двигатель Николы Тесла был значительно переработан и усовершенствован русским электротехником М.О. Доливо-Добровольским. Первым важным новшеством, которое он внес в АД, было создание ротора с обмоткой в виде «беличьей клетки». Во всех ранних моделях АД роторы были очень неудачными, и поэтому КПД этих моторов был ниже, чем у других типов ЭД. Большое значение здесь играл материал, из которого изготавливался ротор, поскольку тот должен был удовлетворять сразу двум условиям: иметь малое электрическое сопротивление и иметь хорошую магнитную проницаемость. С точки зрения уменьшения электрического сопротивления лучшим конструктивным решением мог бы стать ротор в виде медного цилиндра. Но медь – плохой проводник для магнитного потока статора, и КПД такого двигателя был очень низким. Если медный цилиндр заменить стальным, то магнитный поток резко увеличится, но поскольку электропроводность стали меньше, чем меди, КПД опять был невысоким. Доливо-Добровольский нашел выход из этого противоречия: он выполнил ротор в виде стального цилиндра, а в просверленные по периферии ротора каналы стал закладывать медные стержни. На лобовых частях ротора эти стержни электрически соединялись друг с другом. Решение Доливо-Добровольского оказалось наилучшим. После того, как он получил патент на свой ротор, его устройство принципиально не менялось вплоть до настоящего времени.
Вслед за тем Доливо-Добровольский начал думать над конструкцией статора. Он видел перед собой две задачи: увеличить КПД двигателя и добиться большей равномерности его работы. Свой первый асинхронный двигатель Доливо-Добровольский построил зимой 1889 г. учитывая ошибки Тесла, Доливо-Добровольский рассредоточил обмотку в пазах по всей окружности статора, что делало более благоприятным распределение магнитного поля. Ротор был цилиндрический с обмоткой в виде «беличьей клетки». Воздушный зазор между ротором и статором составлял всего 1 мм, что по тем временам было смелым решением, так как обычно зазор делали больше. Стержни «беличьей клетки» не имели никакой изоляции. В качестве источника трехфазного тока был использован стандартный генератор постоянного тока, перестроенный в трехфазный генератор.
В 1890 г. Доливо-Добровольский изобрел фазный ротор с кольцами и пусковыми устройствами. Через два года им была предложена конструкция ротора, названная «двойная беличья клетка», которую стали широко применять только с 1898 г.
Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. На выставке было представлено три трёхфазных двигателя разной мощности. Самый мощный из них имел мощность 1,5 кВт и использовался для приведения во вращение генератора постоянного тока.
По своим техническим показателям двигатели Доливо-Добровольского превосходил все существовавшие тогда электромоторы – обладая высоким КПД (80-90%, а для мощных АД – 90-96%), они безотказно работали в любых режимах, были надежны и просты в обращении. Поэтому они сразу получили широкое распространение по всему миру. С этого времени началось быстрое внедрение электрических двигателей во все сферы производства и повсеместная электрификация промышленности.
Их используют в электроприводе металлорежущих станков, подъёмно-транспортных машин, транспортёров, насосов, вентиляторов. Маломощные двигатели используются в устройствах автоматики. В настоящее время область их применения расширяется, т.к. современные электронные устройства позволяют плавно и с высокой точностью регулировать частоту их вращения в широких пределах. Наиболее часто используются трехфазные двигатели, но встречаются и однофазные асинхронные двигатели (привод бытовых приборов, электроинструмент, схемы автоматики).
Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их достоинствами по сравнению с другими двигателями: высокая надёжность, возможность работы непосредственно от сети переменного тока, простота обслуживания.
Принцип работы АД: при протекании 3-х фазного переменного тока по обмотке статора возникает вращающееся магнитное поле. Это поле наводит ток в обмотках ротора, таким образом, происходит взаимодействие вращающегося магнитного поля с током ротора. В результате возникают механические усилия (вращающий момент), заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения магнитного поля n1. Таким образом, ротор совершает асинхронное вращение по отношению к полю.