Ротор асинхронного двигателя: устройство короткозамкнутого и фазного ротора

Ротор асинхронного двигателя: устройство короткозамкнутого и фазного ротора

Внушительная мощность асинхронного электродвигателя, трансформирующего электричество в энергию вращения, создается не за счет каких-либо механических составляющих: для такого мощного вращения в его «начинке» используются только электромагниты.

Ротор асинхронного двигателя: конструкция

Ротор – вращающийся внутри статора (неподвижного компонента) элемент электродвигателя, вал которого соединен с деталями рабочих агрегатов, например, пил, турбин и помп. Шихтованный сердечник выполняется из отдельных пластин электротехнической стали с полузакрытыми или открытыми пазами.

Массивный ротор представляет собой цельный стальной цилиндр, помещенный внутрь статора, с напресованным на его поверхность сердечником.

Бесконтактная, не соединенная ни с какой внешней электрической цепью обмотка ротора, создает вращательный момент и бывает двух типов:

  • короткозамкнутая (короткозамкнутый ротор);
  • фазная (фазный ротор).

Короткозамкнутый ротор

Впаянные или залитые в поверхность сердечника и накоротко замкнутые с торцов двумя кольцами высокопроводящие медные (для машин большой мощности) или алюминиевые стержни (для машин меньшей мощности), играют роль электромагнитов с полюсами, обращенными к статору. Такая конструкция носит название «беличья клетка», данное ей русским электротехником М. О. Доливо-Добровольским.

Стержни обмотки не имеют какой-либо изоляции, так как напряжение в такой обмотке нулевое. Более часто используемый для стержней двигателей средней мощности, легко плавящийся алюминий, отличается малой плотностью и высокой электропроводностью. Для уменьшения высших гармоник электродвижущей силы (ЭДС) и исключения пульсации магнитного поля, стержни ротора имеют определенным образом рассчитанный угол наклона относительно оси вращения.

В двигателях малой мощности пазы сердечника, как правило, выполняют закрытыми: отделяющая ротор от воздушного зазора — стальная пластина позволяет дополнительно закрепить обмотки, но за счет некоторого увеличения их индуктивного сопротивления.

Фазный ротор

Характеризуется практически не отличающейся от обмотки статора трехфазной (в более общем случае — многофазной) уложенной в пазы сердечника обмоткой, концы которой соединены по схеме «звезда». Выводы обмоток присоединены к закрепленным на валу ротора контактным кольцам, к которым при пуске двигателя прижимаются и скользят неподвижные, соединенные с реостатом графитовые или металлографитовые щетки.

Для ограничения возникающих вихревых токов обычно бывает достаточно нанесенной на поверхность обмоток оксидной пленки, вместо изолирующих лаков.

Добавленный в цепь обмотки ротора трехфазный пусковой или регулировочный резистор, позволяет изменять активное сопротивление роторной цепи, способствуя уменьшению больших пусковых токов. Могут использоваться реостаты:

  • металлические проволочные или ступенчатые – с ручным или автоматическим переключением с одной ступени сопротивления на другую;
  • жидкостные, сопротивление которых регулируется глубиной погружения в электролит электродов.

Для увеличения долговечности щеток, некоторые модели фазных роторов оборудуются специальным короткозамкнутым механизмом, поднимающим после пуска двигателя щетки и замыкающим кольца.

Асинхронные двигатели с фазным ротором характеризуются более сложной конструкцией, чем с короткозамкнутым, но, в то же время, более оптимальными пусковыми и регулировочными характеристиками.

Принцип работы

Электромагниты статора расположены близко к стержням ротора и передают на них электричество для его вращения. Индуцированное в роторе магнитное поле будет следовать за магнитным полем статора, осуществляя, при этом, механическое вращение роторного вала и связанных с ним агрегатов. При этом, созданная катушками статора электромагнитная индукция, выталкивает ток на стержнях строго от себя. Значение тока в стержнях изменяется со временем.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

Асинхронный двигатель – принцип работы и устройство

8 марта 1889 года величайший русский учёный и инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Современные трёхфазные асинхронные двигатели являются преобразователями электрической энергии в механическую. Благодаря своей простоте, низкой стоимости и высокой надёжности асинхронные двигатели получили широкое применение. Они присутствуют повсюду, это самый распространённый тип двигателей, их выпускается 90% от общего числа двигателей в мире. Асинхронный электродвигатель поистине совершил технический переворот во всей мировой промышленности.

Огромная популярность асинхронных двигателей связана с простотой их эксплуатации, дешивизной и надежностью.

Асинхронный двигательэто асинхронная машина, предназначенная для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию. Само слово “асинхронный” означает не одновременный. При этом имеется ввиду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели, как понятно из определения, от сети переменного тока.

Устройство

На рисунке: 1 – вал, 2,6 – подшипники, 3,8 – подшипниковые щиты, 4 – лапы, 5 – кожух вентилятора, 7 – крыльчатка вентилятора, 9 – короткозамкнутый ротор, 10 – статор, 11 – коробка выводов.

Читайте также:  Ноль и земля

Основными частями асинхронного двигателя являются статор (10) и ротор (9).

Статор имеет цилиндрическую форму, и собирается из листов стали. В пазах сердечника статора уложены обмотки статора, которые выполнены из обмоточного провода. Оси обмоток сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. В зависимости от подаваемого напряжения концы обмоток соединяются треугольником или звездой.

Роторы асинхронного двигателя бывают двух видов: короткозамкнутый и фазный ротор.

Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, набранный из листов стали. В пазы этого сердечника заливается расплавленный алюминий, в результате чего образуются стержни, которые замыкаются накоротко торцевыми кольцами. Эта конструкция называется “беличьей клеткой“. В двигателях большой мощности вместо алюминия может применяться медь. Беличья клетка представляет собой короткозамкнутую обмотку ротора, откуда собственно название.

Фазный ротор имеет трёхфазную обмотку, которая практически не отличается от обмотки статора. В большинстве случаев концы обмоток фазного ротора соединяются в звезду, а свободные концы подводятся к контактным кольцам. С помощью щёток, которые подключены к кольцам, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочный резистор. Это нужно для того, чтобы можно было изменять активное сопротивление в цепи ротора, потому что это способствует уменьшению больших пусковых токов. Подробнее о фазном роторе можно прочитать в статье – асинхронный двигатель с фазным ротором.

Принцип работы

При подаче к обмотке статора напряжения, в каждой фазе создаётся магнитный поток, который изменяется с частотой подаваемого напряжения. Эти магнитные потоки сдвинуты относительно друг друга на 120°, как во времени, так и в пространстве. Результирующий магнитный поток оказывается при этом вращающимся.

Результирующий магнитный поток статора вращается и тем самым создаёт в проводниках ротора ЭДС. Так как обмотка ротора, имеет замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, который в свою очередь взаимодействуя с магнитным потоком статора, создаёт пусковой момент двигателя, стремящийся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Когда он достигает значения, тормозного момента ротора, а затем превышает его, ротор начинает вращаться. При этом возникает так называемое скольжение.

Скольжение s – это величина, которая показывает, насколько синхронная частота n1 магнитного поля статора больше, чем частота вращения ротора n2, в процентном соотношении.

Скольжение это крайне важная величина. В начальный момент времени она равна единице, но по мере возрастания частоты вращения n2 ротора относительная разность частот n1-n2 становится меньше, вследствие чего уменьшаются ЭДС и ток в проводниках ротора, что влечёт за собой уменьшение вращающего момента. В режиме холостого хода, когда двигатель работает без нагрузки на валу, скольжение минимально, но с увеличением статического момента, оно возрастает до величины sкр – критического скольжения. Если двигатель превысит это значение, то может произойти так называемое опрокидывание двигателя, и привести в последствии к его нестабильной работе. Значения скольжения лежит в диапазоне от 0 до 1, для асинхронных двигателей общего назначения оно составляет в номинальном режиме – 1 – 8 %.

Как только наступит равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора и тормозным моментом создаваемым нагрузкой на валу двигателя процессы изменения величин прекратятся.

Выходит, что принцип работы асинхронного двигателя заключается во взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, которые наводятся этим магнитным полем в роторе. Причём вращающий момент может возникнуть только в том случае, если существует разность частот вращения магнитных полей.

Короткозамкнутый и фазный ротор – в чем различие

Как вы знаете, асинхронные электродвигатели имеют трехфазную обмотку (три отдельные обмотки) статора, которая может формировать разное количество пар магнитных полюсов в зависимости от своей конструкции, что влияет в свою очередь на номинальные обороты двигателя при номинальной частоте питающего трехфазного напряжения. При этом роторы двигателей данного типа могут отличаться, и у асинхронных двигателей они бывают короткозамкнутыми или фазными. Чем отличается короткозамкнутый ротор от фазного ротора — об этом и пойдет речь в данной статье.

Короткозамкнутый ротор

Представления о явлении электромагнитной индукции подскажут нам, что произойдет с замкнутым витком проводника, помещенным во вращающееся магнитное поле, подобное магнитному полю статора асинхронного двигателя. Если поместить такой виток внутри статора, то когда ток на обмотку статора будет подан, в витке будет индуцироваться ЭДС, и появится ток, то есть картина примет вид: виток с током в магнитном поле. Тогда на такой виток (замкнутый контур) станет действовать пара сил Ампера, и виток начнет поворачиваться вслед за движением магнитного потока.

Читайте также:  Установка распределительных коробок

Так и работает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, только вместо витка на его роторе расположены медные или алюминиевые стержни, замкнутые накоротко между собой кольцами с торцов сердечника ротора. Ротор с такими короткозамкнутыми стержнями и называют короткозамкнутым или ротором типа «беличья клетка» поскольку расположенные на роторе стержни напоминают беличье колесо.

Проходящий по обмоткам статора переменный ток, порождающий вращающееся магнитное поле, наводит ток в замкнутых контурах «беличьей клетки», и весь ротор приходит во вращение, поскольку в каждый момент времени разные пары стержней ротора будут иметь различные индуцируемые токи: какие-то стержни — большие токи, какие-то — меньшие, в зависимости от положения тех или иных стержней относительно поля. И моменты никогда не будут уравновешивать ротор, поэтому он и будет вращаться, пока по обмоткам статора течет переменный ток.

К тому же стержни «беличьей клетки» немного наклонены по отношению к оси вращения — они не параллельны валу. Наклон сделан для того, чтобы момент вращения сохранялся постоянным и не пульсировал, кроме того наклон стержней позволяет снизить действие высших гармоник индуцируемых в стержнях ЭДС. Будь стержни без наклона — магнитное поле в роторе пульсировало бы.

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 (даже если нагрузка на валу критически мала), 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.

Другие статьи про асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором на Электрик Инфо:

Фазный ротор

Асинхронные двигатели с фазным ротором, в отличие от асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, имеют на роторе полноценную трехфазную обмотку. Подобно тому, как на статоре уложена трехфазная обмотка, так же и в пазах фазного ротора уложена трехфазная обмотка.

Выводы обмотки фазного ротора присоединены к контактным кольцам, насаженным на вал, и изолированным друг от друга и от вала. Обмотка фазного ротора состоит из трех частей — каждая на свою фазу — которые чаще всего соединены по схеме «звезда».

К обмотке ротора через контактные кольца и щетки присоединяется регулировочный реостат. Краны и лифты, например, пускаются под нагрузкой, и здесь необходимо развивать существенный рабочий момент. Невзирая на усложненность конструкции, асинхронные двигатели с фазным ротором обладают лучшими регулировочными возможностями касательно рабочего момента на валу, чем асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, которым требуется промышленный частотный преобразователь.

Обмотка статора асинхронного двигателя с фазным ротором выполняется аналогично тому, как и на статорах асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, и аналогичным путем создает, в зависимости от количества катушек (три, шесть, девять или более катушек), два, четыре и т. д. полюсов. Катушки статора сдвинуты между собой на 120, 60, 40 и т. д. градусов. При этом на фазном роторе делается столько же полюсов, сколько и на статоре.

Регулируя ток в обмотках ротора, регулируют рабочий момент двигателя и величину скольжения. Когда регулировочный реостат полностью выведен, то для уменьшения износа щеток и колец их закорачивают при помощи специального приспособления для подъема щеток.

Онлайн помощник домашнего мастера

Ротор электродвигателя – особенности конструкции и принцип работы устройства. Инструкция по ремонту и восстановлению

  • Электродвигатели

Устройство всех моделей электродвигателя одинаково. Основу конструкции составляют статор (неподвижная часть) и ротор (вращающаяся). Статор всегда имеет обмотку, у ротора же она иногда отсутствует. На языке специалистов устройства без обмотки носят название короткозамкнутых, с ней называются фазными. Разберем более подробно узловые элементы электродвигателя.

Читайте также:  Какой бывает ток

Краткое содержимое статьи:

  • Узлы электродвигателя
  • Полноценное проведение диагностического осмотра мотора
  • Ремонт
  • Фото роторов электродвигателя

Узлы электродвигателя

Вал ротора имеет цилиндрическую форму и производится из стали. Металлические стержни, замыкающиеся с двух сторон, дают ему название – короткозамкнутый ротор. Указанная конструкция обеспечивает высокую степень защиты, поскольку не возникает необходимость частого технического обслуживания устройства, нет нужды в замене подающих ток щеток и т.д.

Если присмотреться к фото ротора электродвигателя, то он напоминает клетку для белки, откуда и название «беличья клетка». Конструкция представляет собой собранные стальные листы небольшой толщины. В специальные пазы помещается обмотка, которая может быть нескольких типов.

Определяющее значение имеет ответ на вопрос о том, каков двигатель – фазного или короткозамкнутого типа. Большее распространение имеют последние конструкционные новинки. Стержни из меди, имеющие большую толщину, помещаются в пазы без дополнительной изоляции. Медные кольца позволяют соединить концы обмотки.

Бывают ситуации, когда «беличья клетка» получает альтернативу в виде литья. Таково в целом устройство ротора электродвигателя короткозамкнутого типа.

Однако существуют модели моторов переменного тока с роторами фазного типа. Их используют крайне редко, в основном, из-за предназначения для более мощных двигателей. Еще одна причина, по которой используют фазные модели – необходимость создания значительного усилия во время пуска.

К основным причинам поломки двигателя асинхронного типа относят износ подшипников, в которых осуществляется вращение вала. Центровка или балансировка ротора электродвигателя осуществляется за счет установленных в статоре крышек. Двигатели также имеют подшипники для облегчения вращательных движений.

Кроме того устройство подразумевает установку крыльчатки, обеспечивающей должное охлаждение двигателя. Статор имеет специальные ребра, улучшающие отдачу тепла от нагреваемого устройства. Именно так обеспечивается работа моторов переменного тока в нормальных тепловых условиях.

Полноценное проведение диагностического осмотра мотора

Для того, чтобы осмотреть статор и другие центральные элементы электродвигателя, используют специальные козлы, оснащенные двумя катками в верхней своей части. Последние упрощают вращение деталей.

Самостоятельный ремонт мотора следует начинать с тщательного изучения всей технической документации. Далее определяется степень износа подшипников, обнаруживаются и устраняются иные дефекты.

Проверить ротор двигателя необходимо на предмет состояния всех металлических элементов, крепления пластин к валу, качества замкнутой проводки и, наконец, должного функционирования вентиляторов.

Технические работы ведутся с использованием набора специальных ключей, обыкновенного тестера и механизмов для подъема. Главное не забыть отключить мотор от сети. Все узлы очищаются от слоя пыли при помощи щеточек и обдуваются сжатым воздухом. В дальнейшем мелкие детали и все их крепления желательно складывать в отдельный ящик, чтобы избежать пропажи.

Ротор электродвигателя разбирается с учетом следующих рекомендаций. Как только щит будет отделен от корпуса двигателя, его сдвигают вдоль вала, стараясь не повредить изоляцию обмоток. Для этих целей используют картон высокой плотности, размещая его между статором и ротором, а впоследствии укладывая на него детали.

С вала также снимаются пружины и подшипники. Демонтируется обмотка короткозамкнутого типа и сердечник. Главным требованием при выемке ротора является аккуратное движение вдоль оси.

При проверке вентиляторов обращают внимание на целостность лопастей и надежность их крепления. Делается процедура при помощи молотка. Дефектные детали заменяются. Нельзя нарушать балансировку, поэтому перед осмотром необходимо сделать заметку на роторе, чтобы при сборе каждый элемент встал на свое место.

Ремонт

Ремонтные работы всего устройства выполняются с целью восстановления его функциональности и работоспособности. Иногда требуется замена некоторых деталей. Например, при нагреве статора по разным причинам, может образоваться нагар на конструкции якоря электродвигателя.

Последовательность шагов тогда следующая:

  • демонтаж двигателя;
  • очистные работы;
  • разборка всех узлов;
  • восстановление поврежденных частей;
  • покраска;
  • сборка двигателя и проверка его в нагрузочном режиме.

Если оборудование представлено фазным типом, то требуются ремонтные работы отдельным его узлам, в том числе и щеточно-коллекторному.

Если стержень имеет трещины, то он подлежит восстановлению или замене. Делается это так: на месте трещины проводится надрез и высверливание отверстий от точки этого надреза до торца замыкающего кольца. Та часть, которая оказалась высверленной, заполняется медным сплавом.

Не стоит забывать и о проверке двигателя на обрыв и короткое замыкание. Сопротивление ротора и статора проверяются при помощи омметра, сверяясь при этом с техническими характеристиками в инструкции по эксплуатации. Однако прибор должен быть крайне чувствителен ввиду стремления сопротивления к нулю в обмотках мощных моделей моторов.