Cấu tạo
Stator
Trên stator có vỏ, lõi thép và dây quấn a.Vỏmáy
Vỏ máy, thường được làm bằng gang, có chức năng cố định lõi thép và dây quấn Đối với các máy có công suất lớn khoảng 1000 kW, vỏ máy thường được chế tạo từ thép tấm hàn Hình dạng vỏ máy có thể thay đổi tùy thuộc vào phương pháp làm nguội máy.
Nắp chắn ở vỏ máy có các ổ bi có tác dụng đỡ trục rotor
Ngoài ra gắn trên nắp máy còn có cầu nối dây và quạt gió tản nhiệt b Lõi thép
Lõi thép là phần quan trọng trong thiết bị điện, nơi từ trường quay đi qua Để giảm thiểu tổn hao năng lượng, lõi thép được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm được ép lại Khi đường kính ngoài của lõi thép nhỏ hơn 990mm, sử dụng tấm thép tròn ép lại; nếu lớn hơn, cần ghép các tấm thép hình rẻ quạt thành khối tròn.
Mỗi lõi thép kỹ thuật điện được phủ sơn cách điện để giảm hao tổn do dòng điện xoáy Nếu lõi thép ngắn, có thể ghép thành một khối; nếu quá dài, cần ghép thành những tấm ngắn, mỗi tấm dài từ 6 đến 8 cm và đặt cách nhau 1 cm để đảm bảo thông gió tốt Mặt trong của lá thép có rảnh để đặt dây quấn.
Dây quấn stator được lắp đặt trong các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi thép Dây quấn phần ứng, làm từ đồng, nằm trong các rãnh phần ứng và tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Đây là bộ phận quan trọng nhất của động cơ, vì nó tham gia trực tiếp vào quá trình chuyển đổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng Ngoài ra, giá thành của dây quấn cũng chiếm tỷ lệ cao trong tổng chi phí của máy.
Các yêu cầu đối với dây quấn bao gồm:
Để tạo ra một sức điện động đủ mạnh cho phép dòng điện chạy qua mà không gây nóng quá mức, cần đảm bảo rằng mômen sinh ra đạt yêu cầu và khả năng đổi chiều được thực hiện hiệu quả.
- Triệt để tiết kiệm vật liệu, kết cấu đơn giản làm việc chắc chắn an toàn
Dây quấn phấn ứng có thể phân ra làm các loại chủ yếu sau:
- Dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp phức tạp
- Dây quấn song đơn và dây quấn song phức tạp
- Trong một số máy cỡ lớn còn dùng dây quấn hỗn hợp đó là sự kết hợp giữa hai dây quấn xếp và song.
Rotor
Các lá thép kỹ thuật điện thường được sử dụng trong stator, được ép trực tiếp lên trục máy hoặc giá rotor Bên ngoài các lá thép này có rãnh để đặt dây quấn rotor.
Có hai loại chính rotor kiểu dây quấn va rotor kiểu lồng sóc:
Rotor dây quấn là một khối sắt được tạo thành từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau, tương tự như stator Trong rotor, các dây quấn được nối với nhau ở một đầu trong động cơ, trong khi đầu còn lại được đưa ra ngoài thông qua bộ vành góp.
Rotor kiểu lồng sóc bao gồm các thanh đồng hoặc nhôm được đặt trong rãnh và kết nối ngắn mạch bởi hai vành ở hai đầu Đối với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối, bao gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Trong khi đó, các động cơ có công suất trên 100kw sử dụng thanh dẫn bằng đồng được lắp vào các rãnh rotor và được gắn chặt vào vành ngắn mạch.
Khe hở không khí
Rotor trong máy điện không đồng bộ có khe hở đều và rất nhỏ (từ 0,2mm đến 1mm) nhằm hạn chế dòng điện từ hóa từ lưới, giúp tăng hệ số công suất Sự quay đồng bộ xảy ra khi nam châm kim la bàn bên trong từ trường của nam châm hình chữ U quay cùng tốc độ góc với nam châm này Ngược lại, sự quay không đồng bộ diễn ra khi khung dây kín trong từ trường của nam châm hình chữ U quay với tốc độ góc thấp hơn tốc độ của nam châm Giải thích cho hiện tượng quay không đồng bộ là do sự khác biệt giữa tốc độ quay của nam châm và khung dây.
Khi nam châm quay tạo ra từ trường quay, từ thông biến thiên trong khung dây dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng Lực điện từ tác động lên khung dây khiến nó quay theo chiều của nam châm.
Khi khung dây quay với tốc độ góc bằng tốc độ góc của nam châm, từ thông không biến thiên, dẫn đến dòng điện cảm ứng bằng không Kết quả là lực điện từ mất đi, khiến khung dây quay chậm lại Do đó, trong thực tế, khung dây thường quay với tốc độ góc nhỏ hơn tốc độ góc của nam châm.
1.2.2 Sự hình thành từ trường quay
Để tạo ra từ trường quay trong lõi thép stator của động cơ, cuộn dây stator cần được thiết kế và bố trí theo quy luật nhất định, với cách đấu nối các cuộn dây ba pha một cách hợp lý.
Ba cuộn dây của 3 pha AX, BY và CZ đƣợc đặt lệch nhau những góc
Dòng điện cung cấp cho động cơ là dòng xoay chiều ba pha, với các pha i A, i B, i C lệch nhau 120 độ Để nghiên cứu sự biến thiên của từ trường trong lõi thép Stato, cần khảo sát chiều và vị trí của từ trường tại bốn thời điểm a, b, c, d trên đồ thị thời gian.
Hình 1.3 Sự biến thiên của từ trường quay
Chiều dòng điện trong cuộn dây được quy ước như sau: từ đầu đến cuối cuộn dây mang dấu dương (+) và từ cuối đến đầu cuộn dây mang dấu âm (-) Tại các thời điểm a, b, c và d, chiều dòng điện trong các cuộn dây được thể hiện như hình 1.3, trong đó dấu (+) biểu thị dòng điện đi vào và dấu (.) biểu thị dòng điện đi ra.
Tại thời điểm (a), dòng điện trong cuộn dây AX (i A) đạt giá trị cực đại và có dấu dương, với quy ước biểu diễn dòng điện đi vào tại điểm A và đi ra tại điểm X như hình vẽ.
Tại thời điểm đó, dòng điện iB và iC có giá trị âm, di chuyển từ cuối đến đầu các cuộn dây BY và CZ Áp dụng quy tắc vặn nút chai, chúng ta có thể xác định chiều của đường sức từ trường tại thời điểm (a) như trong hình vẽ.
Bằng cách tương tự, ta xác định được chiều và vị trí của từ trường tại các thời điểm b, c và d nhƣ hình vẽ
Trên đồ thị thời gian, khoảng thời gian từ điểm (a) đến điểm (d) tương ứng với 1/2 chu kỳ (T/2), trong thời gian này, từ trường đã quay được 180 độ.
Như vậy là sau 1 chu kì của dòng điện thì từ trường sẽ quay được 360 o (1vòng)
1.2.3 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha
Giả sử đã tạo ra đƣợc từ trường quay trong lõi thép stator
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét chiều và vị trí của từ trường trong một hệ thống điện Hai vòng tròn bên ngoài đại diện cho lõi thép và dây quấn stator, trong khi vòng tròn bên trong thể hiện lõi thép của rotor Các vòng tròn nhỏ hơn biểu thị cho các thanh dẫn của rotor lồng sóc.
Hình 1.4 Nguyên lý làm việc động cơ
Khi rotor đứng yên, từ trường quay với tốc độ no theo chiều kim đồng hồ sẽ quét qua các thanh dẫn của rotor, tạo ra sức điện động cảm ứng Theo quy tắc bàn tay phải, chiều của sức điện động (Sđđ) cảm ứng trong hai thanh dẫn đặc biệt được xác định: thanh dẫn phía trên có Sđđ cảm ứng đi từ trong ra ngoài, trong khi thanh dẫn phía dưới có Sđđ cảm ứng đi từ ngoài vào trong.
Các thanh dẫn rotor được nối ngắn mạch qua hai vòng ngắn mạch ở hai đầu, tạo ra dòng điện cảm ứng theo chiều của Sđđ cảm ứng Dòng điện này nằm trong từ trường của dây quấn stator, chịu tác dụng của lực điện từ F, xác định theo quy tắc bàn tay trái Hình vẽ cho thấy lực điện từ F tác động lên hai thanh dẫn, tạo thành ngẫu lực, kéo rotor quay theo chiều kim đồng hồ, cùng chiều với từ trường quay.
Dây quấn rotor lồng sóc bao gồm nhiều thanh dẫn điện, từ đó ta có thể xác định chiều của lực điện từ F tác động lên từng thanh Sự tổng hợp của các lực điện từ này sẽ tạo ra mômen quay, khiến rotor của động cơ quay theo chiều của từ trường với tốc độ n nhỏ hơn tốc độ giới hạn no.
Động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp nhờ vào cấu trúc đơn giản và độ tin cậy cao Với thiết kế dễ vận hành, loại động cơ này không chỉ có giá thành phải chăng mà còn thuận tiện trong việc bảo trì và bảo quản.
Hệ số công suất thấp gây ra nhiều tổn thất về công suất phản kháng, dẫn đến việc không sử dụng hiệu quả trong các tình huống non tải hoặc không tải Điều này cũng làm cho việc điều chỉnh tốc độ trở nên khó khăn, trong khi đặc tính mở máy không đạt yêu cầu với dòng khởi động lớn và mômen khởi động nhỏ.
Nguyên lý hoạt động
Sự hình thành từ trường quay
Để tạo ra từ trường quay trong lõi thép stator của động cơ, cuộn dây stator cần được thiết kế và bố trí theo quy luật nhất định, bao gồm cách đấu nối cuộn dây ba pha.
Ba cuộn dây của 3 pha AX, BY và CZ đƣợc đặt lệch nhau những góc
Dòng điện cung cấp cho động cơ là dòng xoay chiều ba pha, với các pha i A, i B, i C lệch pha nhau 120 độ Để nghiên cứu sự biến thiên của từ trường trong lõi thép Stato, cần khảo sát chiều và vị trí của từ trường tại bốn thời điểm a, b, c, d trên đồ thị thời gian.
Hình 1.3 Sự biến thiên của từ trường quay
Chiều dòng điện trong cuộn dây được quy ước như sau: dòng điện đi từ đầu đến cuối cuộn dây mang dấu dương (+), và từ cuối đến đầu cuộn dây mang dấu âm (-) Tại các thời điểm a, b, c và d, chiều dòng điện trong các cuộn dây được thể hiện rõ ràng, với dấu (+) biểu thị dòng điện đi vào và dấu (.) biểu thị dòng điện đi ra.
Tại thời điểm (a), dòng điện trong cuộn dây AX (i A) đạt giá trị cực đại và có dấu dương, với quy ước dòng điện đi vào tại điểm A và đi ra tại điểm X như hình vẽ minh họa.
Tại thời điểm đó, các dòng điện iB và iC có giá trị âm, hướng từ cuối đến đầu các cuộn dây BY và CZ Dựa vào quy tắc vặn nút chai, ta xác định được chiều của đường sức từ trường tại thời điểm (a) như trong hình vẽ.
Bằng cách tương tự, ta xác định được chiều và vị trí của từ trường tại các thời điểm b, c và d nhƣ hình vẽ
Trên đồ thị thời gian, khoảng thời gian từ điểm (a) đến điểm (d) tương ứng với 1/2 chu kỳ (T/2), trong khoảng thời gian này, từ trường đã quay được 180 độ.
Như vậy là sau 1 chu kì của dòng điện thì từ trường sẽ quay được 360 o (1vòng).
Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha
Giả sử đã tạo ra đƣợc từ trường quay trong lõi thép stator
Chiều và vị trí của từ trường được thể hiện trong hình vẽ, với hai vòng tròn bên ngoài biểu diễn lõi thép và dây quấn stator Vòng tròn bên trong đại diện cho lõi thép rotor, trong khi các vòng tròn nhỏ thể hiện các thanh dẫn của rotor lồng sóc.
Hình 1.4 Nguyên lý làm việc động cơ
Khi rotor đứng yên và từ trường quay với tốc độ no theo chiều kim đồng hồ, từ trường này sẽ quét qua các thanh dẫn của rotor, tạo ra sức điện động cảm ứng trong chúng Dựa vào quy tắc bàn tay phải, ta có thể xác định chiều của sức điện động (Sđđ) cảm ứng ở hai thanh dẫn đặc biệt: thanh dẫn phía trên có Sđđ cảm ứng đi từ trong ra ngoài, trong khi thanh dẫn phía dưới có Sđđ cảm ứng đi từ ngoài vào trong.
Các thanh dẫn rotor được nối ngắn mạch bởi hai vòng ngắn mạch ở hai đầu, tạo ra dòng điện cảm ứng do Sđđ cảm ứng Dòng điện này cùng chiều với Sđđ cảm ứng và khi nằm trong từ trường của dây quấn stator, nó chịu tác dụng của lực điện từ Chiều của lực điện từ F được xác định bằng quy tắc bàn tay trái, và như hình vẽ thể hiện, lực điện từ F tác dụng lên các thanh dẫn tạo thành ngẫu lực, kéo rotor quay theo chiều kim đồng hồ, tương ứng với chiều quay của từ trường.
Dây quấn rotor lồng sóc bao gồm nhiều thanh dẫn điện, từ đó ta có thể xác định chiều của lực điện từ F tác động lên từng thanh Tổng hợp các lực điện từ F này sẽ tạo ra mômen quay, khiến rotor của động cơ quay theo chiều của từ trường với tốc độ n nhỏ hơn no.