Короткозамкнутый ротор — это вращающаяся часть обычного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором . Он состоит из цилиндра из стальных пластин с алюминиевыми или медными проводниками, встроенными в его поверхность. При работе невращающаяся обмотка статора подключена к источнику переменного тока ; переменный ток в статоре создает вращающееся магнитное поле . Обмотка ротора имеет ток, индуцированный в ней полем статора, как в трансформаторе, за исключением того, что ток в роторе изменяется со скоростью вращения поля статора за вычетом физической скорости вращения. Взаимодействие магнитных полей в статоре и токов в роторе создает крутящий момент на роторе.
Регулируя форму стержней ротора, можно изменять характеристики скорости и крутящего момента двигателя, например, для минимизации пускового тока или увеличения крутящего момента на низких оборотах.
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором очень распространены в промышленности, в размерах от менее 1 киловатта (1,3 л. с.) до десятков мегаватт (десятков тысяч лошадиных сил). Они просты, прочны и самозапускаются, а также поддерживают достаточно постоянную скорость от легкой нагрузки до полной нагрузки, установленную частотой источника питания и числом полюсов обмотки статора. Обычно используемые в промышленности двигатели обычно имеют стандартные размеры рамы IEC или NEMA , которые взаимозаменяемы между производителями. Это упрощает применение и замену этих двигателей.
Галилео Феррарис описал индукционную машину с двухфазной обмоткой статора и сплошным медным цилиндрическим якорем в 1885 году. В 1888 году Никола Тесла получил патент на двухфазный индукционный двигатель с короткозамкнутой медной обмоткой ротора и двухфазной обмоткой статора. Разработки этой конструкции стали коммерчески важными. В 1889 году Михаил Доливо-Добровольский разработал индукционный двигатель с фазным ротором, а вскоре после этого и с обмоткой ротора клеточного типа. К концу XIX века индукционные двигатели стали широко применяться в растущих системах распределения электроэнергии переменного тока. [1]
Форма ротора двигателя представляет собой цилиндр, установленный на валу. Внутри он содержит продольные токопроводящие стержни (обычно из алюминия или меди), установленные в канавках и соединенные с обоих концов закорачивающими кольцами, образующими форму клетки. Название происходит от сходства между этой обмоткой из колец и стержней и беличьей клеткой .
Твердый сердечник ротора состоит из стопок пластин электротехнической стали. На рисунке показан один из многих используемых наборов пластин. Пластина ротора имеет большее количество пазов, чем соответствующая пластина статора , и количество пазов ротора должно быть нецелым кратным количеству пазов статора, чтобы предотвратить магнитное зацепление зубцов ротора и статора в момент запуска. [2]
Стержни ротора могут быть изготовлены из меди или алюминия. Очень распространенная конструкция для небольших двигателей использует литой алюминий, заливаемый в ротор после укладки пластин. Более крупные двигатели имеют алюминиевые или медные стержни, которые приварены или припаяны к концевым кольцам. Поскольку напряжение, развиваемое в обмотке с короткозамкнутым ротором, очень низкое, а ток очень высокий, между стержнями и сталью ротора не предусмотрено преднамеренного изоляционного слоя. [3]
Обмотки возбуждения в статоре асинхронного двигателя создают вращающееся магнитное поле через ротор . Относительное движение между этим полем и ротором индуцирует электрический ток в проводящих стержнях. В свою очередь, эти токи в продольном направлении в проводниках реагируют с магнитным полем двигателя, создавая силу, действующую по касательной, ортогональной ротору, что приводит к крутящему моменту для вращения вала. Фактически ротор перемещается вокруг магнитного поля, но с немного меньшей скоростью вращения. Разница в скорости называется скольжением и увеличивается с нагрузкой.
Проводники часто слегка наклонены по длине ротора, чтобы уменьшить шум и сгладить колебания крутящего момента, которые могут возникнуть на некоторых скоростях из-за взаимодействия с полюсными наконечниками статора, гарантируя, что в любой момент времени одна и та же часть стержня ротора находится под каждым пазом статора. Если бы стержни ротора были параллельны полюсам статора, двигатель испытывал бы падение, а затем восстановление крутящего момента, когда каждый стержень проходит зазор в статоре.
Пластины, показанные на фотографии, имеют 36 стержней в статоре и 40 стержней в роторе. Наибольший общий делитель 36 и 40 равен 4, в результате чего не более 4 стержней статора и ротора могут быть выровнены в любой момент времени, что также снижает колебания крутящего момента.
Число стержней в роторе определяет, в какой степени индуцированные токи возвращаются в катушки статора и, следовательно, ток через них. Конструкции, которые предлагают наименьшую обратную связь, используют простые числа стержней ротора.
Железный сердечник служит для переноса магнитного поля через проводники ротора. Поскольку магнитное поле в роторе меняется со временем, сердечник использует конструкцию, похожую на сердечник трансформатора , чтобы уменьшить потери энергии в сердечнике . Он изготовлен из тонких пластин, разделенных лаковой изоляцией, чтобы уменьшить вихревые токи, циркулирующие в сердечнике. Материал представляет собой низкоуглеродистое, но высококремнистое железо с удельным сопротивлением в несколько раз больше, чем у чистого железа, что дополнительно снижает потери на вихревые токи, и имеет низкую коэрцитивную силу для уменьшения потерь на гистерезис .
Одна и та же базовая конструкция используется как для однофазных, так и для трехфазных двигателей в широком диапазоне размеров. Роторы для трехфазных двигателей будут иметь вариации глубины и формы стержней в соответствии с классификацией конструкции. Как правило, толстые стержни имеют хороший крутящий момент и эффективны при низком скольжении, поскольку они оказывают меньшее сопротивление ЭДС . По мере увеличения скольжения скин-эффект начинает уменьшать эффективную глубину и увеличивать сопротивление, что приводит к снижению эффективности, но все еще сохраняет крутящий момент.
Форма и глубина стержней ротора могут использоваться для изменения характеристик скорости и крутящего момента асинхронного двигателя. В состоянии покоя вращающееся магнитное поле проходит стержни ротора с высокой скоростью, индуцируя ток линейной частоты в стержнях ротора. Из-за скин-эффекта индуцированный ток имеет тенденцию течь по внешнему краю обмотки. По мере ускорения двигателя частота скольжения уменьшается , и индуцированный ток течет на большей глубине в обмотке. Сужа профиль стержней ротора для изменения их сопротивления на разных глубинах или путем создания двойной беличьей клетки с комбинацией ротора с высоким и низким импедансом параллельно, двигатель может быть настроен на создание большего или меньшего крутящего момента в состоянии покоя и около его синхронной скорости. [3]
Чтобы продемонстрировать, как работает ротор с клеткой, можно использовать статор однофазного двигателя и медную трубу (в качестве ротора). Если к статору приложить достаточную мощность переменного тока, то внутри статора будет вращаться переменное магнитное поле. Если вставить медную трубу внутрь статора, то в трубе будет индуцированный ток, и этот ток создаст в трубе собственное магнитное поле. Взаимодействие между вращающимся магнитным полем статора и индуцированным магнитным полем медной трубы-ротора создает крутящий момент и, таким образом, вращение.
Синхронный двигатель может иметь короткозамкнутую обмотку, встроенную в ротор, используемую для увеличения пускового момента двигателя и, таким образом, уменьшения времени разгона до синхронной скорости. Короткозамкнутая обмотка синхронной машины, как правило, меньше, чем у асинхронной машины аналогичной мощности. Когда ротор вращается с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле статора, ток не индуцируется в короткозамкнутых обмотках, и обмотки не оказывают дальнейшего влияния на работу синхронного двигателя в установившемся режиме.
Обмотка с короткозамкнутым ротором в некоторых машинах обеспечивает демпфирующий эффект для нагрузки или системных возмущений, и в этой роли может быть обозначена как амортизационная обмотка . Большие машины могут иметь только амортизационные стержни в отдельных полюсных поверхностях, не соединенные между собой полюсами. Поскольку обмотка с короткозамкнутым ротором недостаточно велика, чтобы рассеивать тепло непрерывной работы, большие синхронные машины часто имеют защитные реле для обнаружения того, когда машина выпадает из синхронизации с напряжением питания. [4]
Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором также могут использоваться в качестве генераторов. Для этого двигатель должен иметь реактивную нагрузку и быть подключен либо к сети, либо к системе конденсаторов для обеспечения тока возбуждения. Чтобы двигатель работал как генератор, а не как двигатель, ротор должен вращаться быстрее синхронной скорости статора. Это заставит двигатель вырабатывать мощность после накопления остаточного магнетизма.
