Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором: особенности устройства, отличие от фазных роторов

Асинхронные электродвигатели совместимы со всеми видами промышленного оборудования и бытовых приборов, что привело к их повсеместному применению. Особой популярностью пользуется система короткозамкнутого ротора ввиду своей надежности и высокого КПД. Использование возможностей магнитных полей в электродвигателях стало прорывом. Сегодня асинхронные моторы (в которых скорость вращения ротора отличается от аналогичного показателя магнитного поля, созданного статором) являются одним из наиболее распространенных типов электрических двигателей.

Общие сведения

Устройство асинхронного двигателя, оснащенного короткозамкнутым типом ротора, имеет много общество с трансформаторной установкой. В данном случае можно провести аналогию следующим образом: статор является первичной обмоткой, а ротор – вторичной, а между ними имеется зазор определенной величины. Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет активное сопротивление в каждой из обмоток, что также схоже с принципом действия простейшего трансформатора. Когда мотор с асинхронным принципом действия подключается к электросети, его статор начинает генерировать вращающееся магнитное поле. Движение поля обычно синхронизовано с типом частоты напряжения в подключенном энергоснабжении. Возникновение электричества в обмотках якоря обусловлено действием электромагнитной индукции, спровоцированном воздействием магнитного поля. В момент появления напряжения короткозамкнутый ротор начинает создавать свое магнитное поле. Его назначение – взаимодействие с полем, которое создано статором и находится во вращении. В момент соприкосновения магнитных полей якорь начинает вращаться и асинхронный двигатель с подключенным приводом передает крутящий момент с вала на потребитель. Расчет трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором выполняется так, что генерируемый крутящий момент всегда пропорционален величине напряжения в статоре. Конструкция трехфазного асинхронного двигателя такова, что магнитные поля статора и ротора находятся в постоянном взаимодействии. Это приводит к тому, что скорость вращения двигателя остается ниже, чем показатель частоты энергоснабжения. Разница между этими величинами называется скольжением и характерна для всех моторов с трехфазным асинхронным механизмом. Статор трехфазного двигателя оборудован тремя обмотками, которые расположены со смещением. Когда подается соответствующий тип электропитания, генерируемые обмотками магнитные поля также сдвинуты друг относительно друга на 120 градусов, благодаря чему происходит перемещение ротора. Соединение статорных обмоток может выполняться по любой из двух популярных схем – "звезда" или "треугольник". Если напряжение имеющейся сети достаточно низкое, лучше применить двигатель с треугольным последовательным соединением обмоток, так как он потребляет меньше энергии при запуске и работе. Соответственно, моторы с звездообразной системой обмоток лучше подходят для стабильных высокомощных сетей. Как правило, на корпусе двигателя есть шильдик, содержащий требуемые спецификации электросети. Сферы, где применяются асинхронные электродвигатели, требуют определенной адаптации технических характеристик и нюансов конструкции. Эти агрегаты успешно используются в составе кранов, лебедок и другой высоконагруженной техники. Однако ввиду простоты устройства и обширных возможностей используемой технологии расчет трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором позволяет разрабатывать модели приводов для различных условий. Например, трехфазные асинхронные короткозамкнутые двигатели серии 4А активно используются в умеренных климатических условиях в связке со всеми распространенными типами промышленного оборудования.

Маломощные аналоги

Исследование трехфазного асинхронного двигателя говорит о том, что данная разновидность является наиболее эффективной в большинстве ситуаций. Однако существуют также одно- и двухфазные моторы. Однофазная схема работы подразумевает наличие на статоре только одной обмотки, которая получает питание в виде переменного напряжения. При этом статор оснащен специальной стартовой обмоткой, на которую поступает пусковой импульс посредством конденсатора либо с применением индуктивности. В некоторых моделях выполняется кратковременное короткое замыкание. Это делается для создания фазового сдвига; без него ротор не начнет вращение из-за пульсации статорного магнитного поля. Однофазные электродвигатели, асинхронные системы которых используют магнитные поля, также оснащаются роторами в виде цилиндра, имеющего заполненные алюминием пазы и монолитно соединенные с ним охлаждающие лопасти. Такая конструкция ротора называется короткозамкнутой; иногда можно встретить обозначение "беличья клетка". Область применения однофазных моторов – бытовое оснащение малой мощности. Если в наличии имеется только однофазная переменная сеть энергоснабжения, рациональным будет использование двухфазного мотора. В этих агрегатах также установлен статор с двумя перпендикулярными обмотками. Одна обмотка непосредственно подключена к сети энергоснабжения, а перед второй установлен конденсатор, обеспечивающий фазный сдвиг. Такая схема позволяет задавать вращение магнитного поля и в конечном итоге запускать электродвигатель. Двухфазные моторы имеют больше возможностей, чем однофазные. Поэтому их сфера эксплуатации – бытовое и промышленное оснащение с низкой и средней нагрузкой. Другое название двухфазных агрегатов – конденсаторные; это обусловлено наличием конденсатора, основного компонента, позволяющего ротору двигаться.

Особенности двигателей с короткозамкнутым ротором

Устройство мотора с 3 фазами почти не отличается от типового шаблона, используемого для проектирования электрических приводов. Однако некоторые различия все же прослеживаются: например, обмотки являются бесконтактными, что означает отсутствие соединения с какими-либо внешними цепями. Таким образом, обеспечивается достаточная надежность конструкции.

Магнитная система

Главное отличие асинхронного двигателя от устройства, функционирующего на постоянном токе, заключается в отсутствии четко определенной полюсности. Данный тип магнитных комплексов называется неявнополюсным. Вычисление количества полярных выводов производится по типу объединения катушек и количеству последних. Если мотор относится к ряду четырехполюсных моделей, установленный в нем механизм генерации магнитного поля будет включать в себя четыре однотипные ветви. Каждая ветвь проводит определенную часть магнитного потока, который имеет один полюс. В зависимости от количества ветвей варьируется и число полюсов двигателя. Изготовление ротора и статора ведется с учетом постоянного прохождения через них электрического тока, поэтому в них используются соответствующие материалы. Как правило, эти компоненты делаются из специализированного электротехнического стального сплава, имеющего форму отдельных листов. Каждый лист оснащен собственным слоем изоляции для снижения влияния вихревых токов, генерируемых внутри железных сегментов в процессе вращения магнитного поля. В процессе изготовления стальные сегменты получают пазы одного из трех типов – полузакрытого, закрытого или открытого, что определяет их форму. Эти пазы предназначены для прокладки конкретных обмоток. Если речь идет о статоре, пазы обычно имеют овальную либо прямоугольную форму и являются полузакрытыми. Двигатели, относящиеся к разряду высокомощных моделей, спроектированных для работы с большими нагрузками, почти всегда имеют открытые прямоугольные пазы. Основой для статора является остов, который изготавливается методом литья. В него запрессовывается сердечник, который затем фиксируется несколькими стопорными винтами. Производство короткозамкнутых асинхронных роторов идет по той же схеме: отливается стальная сердцевина, на которой закрепляется сердечник. Концы вала дополняются высокопрочными промышленными подшипниками, стойкими к перегреву и высоким скоростям. Суммарный диаметр ротора высчитывается так, чтобы между ним и обмотками статора оставался минимальный воздушный зазор. Средне- и маломощные электромоторы имеют зазор в несколько десятых миллиметра. Этот промежуток необходим для снижения уровня магнитного сопротивления, которое в свою очередь влияет на величину намагничивающего напряжения. Чем меньше сопротивление магнитного поля, тем меньше напряжения потребляется двигателем при запуске вращения ротора. В результате выходная мощность и общий КПД двигателя возрастают пропорционально уменьшению воздушного зазора.

Обмотка статора

Общая форма обмоток напоминает катушки, которые объединяются в группы согласно совпадающему числу фаз и размещаются вдоль всего статора с обязательным соблюдением симметрии. Такая схема используется также в роторе. Каждая группа катушек являет собой одну конкретную фазу и функционирует как единая цепь. Когда уровень фазного напряжения достаточно высокий или схема управления электродвигателем требует переключения определенных катушек, конструкция фаз являет собой комплекс нескольких ветвей, идущих параллельно. Статорные обмотки изготавливаются из проволоки, которая может иметь прямоугольное либо круглое сечение в зависимости от модели электродвигателя. Базовым элементом обмотки является один виток, имеющий два проводника. Расстояние между проводниками равно длине дуги, которая соответствует одному из полюсов. В некоторых вариациях конструкций электродвигателей можно увидеть лежащие в одних пазах витки, которые объединены в секции. Эти элементы проложены таким образом, чтобы каждый паз содержал одну или несколько сторон одной катушки. Так образовываются одно- и двухслойные обмотки, основная характеристика которых – число пазов на один полюс и одну фазу, отражающее степень распределения обмоток по пазам. Пример устройства статора мотора с двумя полюсами покажет, что каждый фазный комплекс собран из трех катушек, которые одной стороной находятся в сопредельных пазах. Если число катушек больше одной, обмоточная система будет носить название распределенной. Среди этих обмоток наибольшей популярностью пользуются двухслойные, которые уложены в пазы соответствующим образом. Их проводники закреплены специальными клиньями, сделанными из текстолита и зафиксированными у головок. Внутренние поверхности пазов также оснащаются листовой изоляцией. Это может быть лакоткань, электрокартон или другие материалы, приспособленные для предотвращения прохода напряжения. Между концами проводников с торцевых сторон агрегата находятся лобовые части – провода, соединяющие между собой выводы. Их длина является максимально малой; это частично обусловлено тем, что лобовые части не участвуют в индуцировании электродвижущей силы.

Обмотка "беличья клетка"

Эта разновидность роторных обмоток собирается из алюминиевых или медных сегментов, которые накоротко замыкаются с обеих сторон при помощи кольцевых элементов. Роторные пазы не имеют изоляционных слоев; обмоточные стержни находятся с ними в непосредственном контакте. Такое упрощение конструкции возможно благодаря нулевому напряжению в короткозамкнутом роторе. Как правило, тип пазов в "беличьей клетке" – полузакрытый. Маломощные агрегаты имеют закрытые пазы, которые лишены контакта с воздушным зазором из-за наличия стального обода, который обеспечивает прочное крепление проводников. Побочным эффектом такой сборки является наличие небольшого индуктивного сопротивления. Если стержни изготовлены для двигателя, выходная мощность которого ниже 100 киловатт, они будут выглядеть как алюминиевые сегменты. Они заливаются в расплавленном виде непосредственно в пазы; одновременно с ними производятся также кольца-замки. Алюминий считается наиболее подходящим для этой цели металлом ввиду своей низкой плотности, малой температурой плавления и повышенными токопроводящими свойствами. Схема управления приводом через электродвигатель подразумевает наличие в последнем собственной системы охлаждения. Этот комплекс реализован в виде вентиляторов, закрепленных на валу мотора и нагнетающих холодный воздух на те детали, которые выделяют тепло. Это увеличивает производительность двигателя.

Агрегаты с увеличенным пусковым моментом

Данный тип двигателей оснащается ротором специальной конструкции. Это может быть двойная "беличья клетка" или якорь с пазами увеличенных размеров. Также увеличение пускового момента и снижение энергопотребления при старте возможно путем установки ротора "беличья клетка" с увеличенным показателем активного сопротивления. Однако при этом вырастет уровень скольжения и будут прослеживаться провалы мощности вследствие дестабилизации напряжения в роторе. Моторы с увеличенным скольжением повсеместно используются для приведения в движение потребителей, цикл работы которых является краткосрочным. На короткозамкнутой двойной "беличьей клетке" устанавливается парная обмотка. Клетка, находящаяся снаружи, играет роль пусковой обмотки, имея сниженное реактивное и повышенное активное сопротивление. Рабочей обмоткой является внутренняя клетка; ее показатели сопротивлений обратные. Благодаря своим свойствам внешняя клетка создает высокий крутящий момент при проходе пускового напряжения через нее. При нарастании скорости вращения электромотора напряжение начинает поступать из внешней клетки во внутреннюю. Когда процесс завершается, агрегат начинает действовать по стандартной короткозамкнутой схеме с одной клеткой. Перемещение тока происходит под воздействием самоиндукции электродвижущей силы в роторных проводниках. Здесь прослеживается закономерность: магнитный рассеивающий поток увеличивается пропорционально расположению проводника, который должен быть как можно ниже в пазу. Следовательно, происходит увеличение индуктивного сопротивления по мере нарастания самоиндукции. Если наблюдается высокая частота тока в обеих клетках, воздействие движущегося во внутреннюю клетку напряжения на неподвижный ротор также увеличивается. В этом случае показатели индуктивного сопротивления начинают превышать активное, что приводит к перераспределению энергии в обратной пропорции к этим уровням. Ток будет идти преимущественно через наружную клетку. Увеличив скорость вращения ротора, можно снизить частоту тока в его обмотке, так как будет меньше пересечений им плоскости магнитного поля за секунду. Тогда поступающая электроэнергия начнет учитывать активное сопротивление и начнет двигаться через внутреннюю клетку. Ввиду этих особенностей процедура запуска двойной "беличьей клетки" напоминает таковую для фазного ротора, который требует внедрения активного сопротивления через реостат и его выведения в процессе наращивания оборотов. Чтобы активное сопротивление стартовой клетки было как можно более высоким, ее стержни производятся из бронзы либо латуни с добавлением марганца. Внутренняя клетка собирается на медных стержнях, так как этот металл имеет меньшее удельное сопротивление при большем сечении, чем у стержней внешней клетки. Это приводит к почти пятикратной разнице в сопротивлениях. Между обеими рядами стержней имеется промежуток. Изменяя этот зазор, можно влиять на индуктивность внутренней клетки. Из-за этой и других важных нюансов производства электродвигатель с двойной "беличьей клеткой" имеет стоимость в среднем на 25% выше, чем у моторов, оборудованных стандартным короткозамкнутым ротором. Изначальная конструкция была сложнее, поэтому было проведено ее упрощение для моделей малой и средней мощности путем использования литых клеток из алюминия. Электрические двигатели с углубленными пазами также функционируют по технологии вытеснения напряжения. Установленные в них роторы оснащены клеткой на медных шинах вместо привычных стержней, которые помещены в пазы. Высота посадочных мест в среднем в 12 раз превышает их ширину. При этом нижний слой каждого стержня находится под действием большего числа линий магнитного рассеивающего поля, в отличие от верхних слоев, в результате чего ротор обладает существенно увеличенным уровнем индуктивности. При начале цикла запуска электродвигателя высокое индуктивное сопротивление нижних поверхностей стержней направляет ток на верхние. Площадь поперечного сечения стержней используется только частично, в результате чего растет активное сопротивление каждого стержня и роторной обмотки в целом. Когда увеличивается скорость вращения, объем вытесняемого напряжения начинает снижаться и при стабилизации оборотов напряжение начинает двигаться равномерно по всем стержням.

Чем отличается короткозамкнутый ротор от фазного

Разные типы роторов подразумевают отличие в принципе действия двигателя и схеме движения электрических и магнитных потоков. Кроме того, модели с различными роторными системами отличаются не только коэффициентом полезного действия, но и другими выходными показателями.

Короткозамкнутый ротор

Способ приведения в движение этого ротора основан на общем принципе электромагнитной индукции, которая в данном случае взаимодействует с замкнутым проводником. Помещенный во вращающееся магнитное поле, проводник начинает двигаться. Это происходит за счет электродвижущей силы, которая возникает при подаче тока на обмотку статора. Индукция ЭДС будет протекать внутри проводника, на который будет действовать пара сил Ампера, заставляющая проводник вращаться. Переменное напряжение, которое движется по статорным обмоткам, создает магнитное поле, которое в свою очередь также перемещается по оси вращения, а также заряжает обмотки ротора типа "беличья клетка". Спарки стержней будут отличаться величиной индуцируемого тока, который будет варьироваться в зависимости от момента времени. Это приведет к отсутствию равновесия в магнитном поле, вследствие чего и движется запитанный переменным напряжением ротор. Кроме того, стоит учитывать наклон стержней относительно оси вращения. Это необходимо для стабилизации крутящего момента на одном показателе и предотвращения его волнообразного изменения. Также наклонные стержни уменьшают высшие гармоники при индуцировании электродвижущей силы и предупреждают пульсации в магнитном поле.

Фазный ротор

В статоре данной разновидности трехфазных электрических моторов установлен шихтованный магнитопровод, в пазах которого проложены обмотки. Отличия начинаются в конструкции ротора: вместо залитых в пазы алюминиевых стержней здесь можно обнаружить полноценную обмотку, соединенную по звездообразной схеме. Эта система уже готова к работе с трехфазной цепью энергоснабжения. Окончания звездообразной обмотки подсоединены к контактным кольцам, по одному на обмотку, которые закреплены на валу и оснащены собственным изоляционным слоем. Посредством этих контактных колец, а также системы щеток обмотка ротора взаимодействует с реостатом, который используется для управления двигателем. Это облегчает работу систем, оказывающихся под высокой нагрузкой уже в момент запуска: кранов, лифтов, лебедок и пр. В этих случаях двигатель с фазным ротором имеет ряд преимуществ перед моторами с короткозамкнутым якорем ввиду обширного диапазона возможностей регулировки. Короткозамкнутой системе для этого потребовался бы преобразователь частоты тока, приспособленный к энергопотреблению промышленного масштаба. Полюсность обмотки статора аналогична вышеописанной схеме. Число полюсов зависит от количества катушек. Смещение между катушками может составлять от 120 до 40 и меньше градусов в зависимости от конструкции и типа двигателя. Фазный ротор и статор обычно имеют одинаковое число полюсов. Электропривод с фазным ротором имеет взаимосвязанные технические показатели. Меняя уровень напряжения в роторной обмотке, оператор настраивает крутящий момент, от которого в свою очередь зависит величина скольжения. При полностью выведенном реостате щетки могут чрезмерно изнашиваться, поэтому для предотвращения их скорого выхода из эксплуатации используется специальное приспособление для их подъема. https://www.youtube.com/watch?v=GVI_gIw4iAw