Замкнутая схема двигателя

Замкнутая схема двигателя — это способ организации работы электрической машины, при котором её обмотки соединяются между собой таким образом, что образуют замкнутый электрический контур, обеспечивающий протекание тока и создание вращающего момента без внешнего источника питания для возбуждения. В широком смысле термин относится к конфигурациям обмоток в электрических двигателях, где все фазы или секции замкнуты на себя, что характерно для некоторых типов асинхронных, синхронных и коллекторных машин. Замкнутая схема противопоставляется разомкнутой, где обмотки могут быть отключены или зашунтированы.

История

Идея замкнутой схемы обмоток возникла на ранних этапах развития электротехники в XIX веке. В 1830-х годах, после открытия электромагнитной индукции Майклом Фарадеем, первые электродвигатели, созданные Томасом Дэвенпортом и Уильямом Стердженом, использовали простые замкнутые контуры из проводов, по которым пропускался ток от батареи. Однако систематическое применение замкнутой схемы связано с изобретением трёхфазного асинхронного двигателя Николой Теслой в 1887–1888 годах. В патенте США № 381 968 Тесла описал двигатель, в котором обмотки статора соединялись в «замкнутую цепь» (closed circuit), образуя вращающееся магнитное поле. Впоследствии, в 1891 году, Михаил Доливо-Добровольский разработал практичную конструкцию трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором («беличья клетка»), где обмотка ротора представляет собой замкнутую схему без внешних выводов. Этот тип двигателя стал массово применяться в промышленности с начала XX века.

Виды замкнутых схем

Замкнутые схемы различаются по типу обмоток, способу соединения и назначению. Основные виды включают:

По типу обмотки

• Короткозамкнутая обмотка ротора — используется в асинхронных двигателях. Ротор выполнен в виде цилиндра с продольными стержнями, замкнутыми накоротко с обоих концов кольцами. Ток в стержнях индуцируется вращающимся магнитным полем статора, что создаёт момент.
• Замкнутая обмотка статора — применяется в синхронных двигателях с постоянными магнитами или в двигателях с фазным ротором, где статорные катушки соединены в треугольник или звезду, образуя замкнутый контур для протекания фазных токов.
• Коллекторная замкнутая схема — в двигателях постоянного тока обмотка якоря состоит из секций, замкнутых через коллекторные пластины и щётки. Это обеспечивает непрерывное переключение тока при вращении.

По способу соединения фаз

• Соединение треугольником (Δ) — каждая фаза обмотки подключается последовательно к соседней, образуя замкнутый треугольник. Напряжение на каждой фазе равно линейному напряжению сети.
• Соединение звездой (Y) — концы всех фаз соединяются в общую точку (нейтраль), а начала подключаются к сети. Хотя схема формально замкнута через нейтраль, при симметричной нагрузке ток в нейтрали отсутствует.
• Смешанные схемы — комбинации треугольник-звезда, например, в двигателях с переключением обмоток для изменения числа полюсов.

Устройство и принцип работы

В замкнутой схеме двигателя электрический ток протекает по непрерывному контуру обмотки, создавая магнитное поле. В асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором принцип основан на электромагнитной индукции: переменное магнитное поле статора наводит ЭДС в стержнях ротора, по которым течёт ток, взаимодействующий с полем статора и порождающий вращающий момент. Ротор не имеет электрических соединений с внешней цепью — его обмотка замкнута накоротко.

В синхронном двигателе с замкнутой обмоткой статора (например, в звезду) токи фаз сдвинуты по времени, создавая вращающееся магнитное поле. Ротор, содержащий постоянные магниты или электромагниты, синхронно вращается с этим полем. В двигателях постоянного тока замкнутая схема якоря через коллектор обеспечивает коммутацию тока в секциях, поддерживая однонаправленный момент.

Основные элементы замкнутой схемы

• Обмотки — медные или алюминиевые проводники, уложенные в пазы сердечника.
• Замыкающие элементы — кольца (в короткозамкнутом роторе), коллекторные пластины (в якоре), соединительные провода или шины.
• Изоляция — между витками и корпусом для предотвращения коротких замыканий.

Характеристики

Замкнутые схемы двигателей обладают рядом технических параметров, определяющих их применение:

Применение

Замкнутые схемы двигателей широко распространены в промышленности, быту и транспорте благодаря простоте, надёжности и низкой стоимости.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором

• Промышленные приводы — насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры. Составляют около 90 % всех электрических двигателей в мире.
• Бытовая техника — стиральные машины, холодильники, пылесосы (однофазные варианты с пусковым конденсатором).
• Электротранспорт — тяговые двигатели в электровозах (например, в России — на магистральных тепловозах серии 2ТЭ116) и трамваях.

Синхронные двигатели с замкнутой обмоткой статора

• Генераторы — в гидро- и турбогенераторах, где статорная обмотка замкнута на нагрузку.
• Приводы с постоянной скоростью — в насосах, компрессорах, станках (например, в металлорежущих станках с ЧПУ).

Двигатели постоянного тока с коллекторной замкнутой схемой

• Электроинструмент — дрели, шуруповёрты, углошлифовальные машины.
• Автомобили — стартеры, стеклоподъёмники, дворники.
• Робототехника — сервоприводы с обратной связью.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Простота конструкции — отсутствие щёток (в асинхронных двигателях) и скользящих контактов снижает износ.
• Надёжность — замкнутая обмотка ротора не требует обслуживания, срок службы до 20–30 лет.
• Низкая стоимость — массовое производство короткозамкнутых двигателей делает их дешёвыми.
• Высокий КПД — у современных асинхронных двигателей достигает 90–95 %.

Недостатки

• Высокие пусковые токи — требуют защиты от перегрузок и ограничителей пуска (например, устройств плавного пуска).
• Ограниченная регулировка скорости — в асинхронных двигателях без частотного преобразователя скорость изменяется только ступенчато.
• Низкий пусковой момент — у короткозамкнутых двигателей с малым сопротивлением ротора (для больших мощностей применяют двигатели с фазным ротором).
• Чувствительность к перекосам фаз — в трёхфазных сетях может привести к перегреву.

Интересные факты

• Первый в мире трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором был продемонстрирован Михаилом Доливо-Добровольским в 1891 году на Международной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне.
• В СССР в 1930-х годах началось массовое производство асинхронных двигателей серии А (асинхронные) на Харьковском электромеханическом заводе. Эти двигатели использовались в промышленности до 1960-х годов.
• Короткозамкнутый ротор называют «беличьей клеткой» из-за внешнего сходства стержней и колец с клеткой для белок.
• В современных частотно-регулируемых приводах замкнутая схема асинхронного двигателя позволяет плавно регулировать скорость в диапазоне 1:100 и более.

Источники

1. Копылов И. П. Электрические машины. — 5-е изд. — М.: Высшая школа, 2006. — 607 с.
2. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы. — СПб.: Питер, 2008. — 320 с.
3. Кацман М. М. Электрические машины. — М.: Академия, 2013. — 496 с.
4. Патент США № 381 968 «Alternating Motor» (Никола Тесла, 1888).
5. Доливо-Добровольский М. О. Трёхфазный ток и его применение. — Берлин, 1891.