Введение

Индукционный двигатель
Вращающаяся часть общепромышленного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Ротор с короткозамкнутым ротором является вращающейся частью общепромышленного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Он состоит из цилиндра из стальных листов, в поверхность которого встроены алюминиевые или медные стержни. В процессе работы невращающаяся обмотка статора подключается к источнику переменного тока; переменный ток в статоре создает вращающееся магнитное поле. В обмотке ротора индуцируется ток под действием поля статора, подобно трансформатору, за исключением того, что ток в роторе изменяется со скоростью вращения поля статора минус фактическая скорость вращения ротора. Взаимодействие магнитных полей в статоре и токов в роторе создает крутящий момент на роторе. Путем изменения формы стержней ротора можно изменить характеристики скорости и крутящего момента двигателя, например, для минимизации пускового тока или максимизации крутящего момента на низких скоростях. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором широко распространены в промышленности, их размеры варьируются от менее чем до десятков мегаватт (десятков тысяч лошадиных сил). Они просты, надежны и самозапускаются, а также поддерживают относительно постоянную скорость от легкой до полной нагрузки, определяемую частотой питания и числом полюсов обмотки статора. Обычно используемые в промышленности двигатели соответствуют стандартным габаритам IEC или NEMA, которые взаимозаменяемы между производителями. Это упрощает применение и замену этих двигателей.

История

Галилео Феррарис описал индукционную машину с двухфазной обмоткой статора и цельнолитой цилиндрической арматурой из меди в 1885 году. В 1888 году Никола Тесла получил патент на двухфазный индукционный двигатель с короткозамкнутой медной обмоткой ротора и двухфазной обмоткой статора. Дальнейшие разработки этой конструкции стали коммерчески значимыми. В 1889 году Михаил Доливо-Добровольский разработал индукционный двигатель с фазным ротором, а вскоре после этого – ротор типа "беличья клетка". К концу 19 века индукционные двигатели широко применялись в развивающихся системах распределения переменного тока.

Структура

Форма ротора двигателя – цилиндр, установленный на вал. Внутри он содержит продольные проводящие стержни (обычно изготовленные из алюминия или меди), помещенные в пазы и соединенные с обоих концов замыкающими кольцами, образующими структуру, напоминающую клетку. Название происходит от сходства этой конструкции стержней и колец с клеткой для белки. Твердое ядро ротора состоит из пакетов листов электротехнической стали. На рисунке показан один из многих комплектов листов, используемых при изготовлении. Лист ротора имеет большее количество пазов, чем соответствующий лист статора, и число пазов ротора должно быть не целым кратным числу пазов статора, чтобы предотвратить магнитное зацепление зубьев ротора и статора в момент пуска. Стержни ротора могут быть изготовлены из меди или алюминия. Очень распространенная конструкция для небольших двигателей предполагает заливку расплавленного алюминия в ротор после укладки листов. В больших двигателях используются алюминиевые или медные стержни, которые привариваются или спаиваются к торцевым кольцам. Поскольку напряжение, индуцируемое в обмотке типа "беличья клетка", очень низкое, а ток – очень высокий, между стержнями и сталью ротора не предусматривается специальный слой изоляции.

Теория

Полевые обмотки в статоре асинхронного двигателя создают вращающееся магнитное поле, проходящее через ротор. Относительное движение между этим полем и ротором наводит электрический ток в проводящих стержнях ротора. В свою очередь, эти токи, протекающие вдоль стержней, взаимодействуют с магнитным полем двигателя, создавая силу, действующую по касательной, перпендикулярно ротору, что приводит к возникновению крутящего момента, вращающего вал. Фактически, ротор увлекается вращающимся магнитным полем, но с несколько меньшей скоростью. Разница в скоростях называется скольжением и возрастает с увеличением нагрузки.

Наклоняется

Проводники часто слегка смещены вдоль длины ротора для снижения шума и сглаживания пульсаций крутящего момента, которые могут возникать на определенных скоростях из-за взаимодействия с полюсными наконечниками статора, обеспечивая при этом, чтобы в любой момент времени одинаковая часть роторного стержня находилась под каждой прорезью статора. Если бы роторные стержни были параллельны полюсам статора, двигатель испытывал бы падение, а затем восстановление крутящего момента при прохождении каждого стержня через воздушный зазор статора. Ламинации, показанные на фотографии, содержат 36 пазов в статоре и 40 стержней в роторе. Наибольший общий делитель чисел 36 и 40 равен 4, что приводит к тому, что в любой момент времени может быть выровнено не более 4 стержней статора и ротора, что также уменьшает пульсации крутящего момента. Количество стержней в роторе определяет, в какой степени индуцированные токи возвращаются в обмотки статора и, следовательно, величину тока в них. Конструкции, обеспечивающие наименьший возврат энергии, используют простое количество роторных стержней.

Ламинация

Железный сердечник предназначен для передачи магнитного поля через обмотки ротора. Поскольку магнитное поле в роторе изменяется во времени, конструкция сердечника аналогична сердечнику трансформатора для снижения потерь энергии в сердечнике. Он состоит из тонких пластин, разделенных лаковой изоляцией, для уменьшения вихревых токов, циркулирующих в сердечнике. Материал представляет собой низкоуглеродистую сталь с высоким содержанием кремния, имеющую удельное электрическое сопротивление в несколько раз больше, чем у чистого железа, что дополнительно снижает потери на вихревые токи, а также низкую коэрцитивную силу для уменьшения потерь на гистерезис.

Стержни ротора

Одинаковая базовая конструкция используется как для однофазных, так и для трехфазных двигателей в широком диапазоне размеров. Роторы для трехфазных двигателей будут иметь вариации в глубине и форме стержней в соответствии с конструктивной классификацией. Обычно, стержни большей толщины обеспечивают хороший крутящий момент и эффективны при низком скольжении, поскольку обладают меньшим сопротивлением ЭДС. С увеличением скольжения поверхностный эффект начинает уменьшать эффективную глубину и увеличивать сопротивление, что приводит к снижению эффективности, но при этом сохраняется крутящий момент. Форма и глубина стержней ротора могут использоваться для изменения характеристики зависимости крутящего момента от скорости асинхронного двигателя. В состоянии останова вращающееся магнитное поле проходит мимо стержней ротора с высокой скоростью, индуцируя ток сетевой частоты в стержнях ротора. Из-за поверхностного эффекта индуцированный ток стремится протекать по внешнему краю обмотки. По мере разгона двигателя частота скольжения уменьшается, и индуцированный ток проникает на большую глубину в обмотку. Изменяя профиль стержней ротора для изменения их сопротивления на разных глубинах, или используя конструкцию двойной беличьей клетки с комбинацией роторов с высоким и низким импедансом, соединенных параллельно, можно добиться того, чтобы двигатель развивал больший или меньший крутящий момент в состоянии останова и вблизи синхронной скорости.

генераторы индукционные

Трифазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором также могут использоваться в качестве генераторов. Для этого двигателю требуется реактивная нагрузка, а также подключение к сети или к батарее конденсаторов для обеспечения тока возбуждения. Чтобы двигатель работал в режиме генератора, а не двигателя, ротор должен вращаться быстрее синхронной скорости статора. Это приведет к выработке двигателем электроэнергии после нарастания остаточной намагниченности.