Ротор с короткозамкнутым ротором — 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. В процессе работы невращающаяся обмотка статора подключается к источнику питания переменного тока ; переменный ток в статоре создает вращающееся магнитное поле . В обмотке ротора имеется ток, индуцируемый полем статора, как в трансформаторе , за исключением того, что ток в роторе изменяется со скоростью вращения поля статора минус физическая скорость вращения. Взаимодействие магнитных полей в статоре и токов в роторе создает крутящий момент на роторе.
Регулируя форму стержней в роторе, можно изменить скоростно-моментные характеристики двигателя, например, чтобы минимизировать пусковой ток или максимизировать крутящий момент на низких скоростях.
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором очень распространены в промышленности, их мощность составляет от менее 1 киловатта (1,3 л.с.) до десятков мегаватт (десятков тысяч лошадиных сил). Они просты, надежны, самозапускаются и поддерживают достаточно постоянную скорость от легкой нагрузки до полной нагрузки, определяемую частотой источника питания и количеством полюсов обмотки статора. Обычно в промышленности используются двигатели стандартного размера IEC или NEMA , которые взаимозаменяемы между производителями. Это упрощает применение и замену этих двигателей.
Галилео Феррарис описал асинхронную машину с двухфазной статорной обмоткой и цельным медным цилиндрическим якорем в 1885 году. В 1888 году Никола Тесла получил патент на двухфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой медной обмоткой ротора и двухфазным двигателем. обмотка статора. Разработки этой конструкции приобрели коммерческое значение. В 1889 году Михаил Доливо-Добровольский разработал асинхронный двигатель с фазным ротором, а вскоре и с обмоткой ротора с короткозамкнутым ротором. К концу XIX века асинхронные двигатели широко применялись 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), вставленные в пазы и соединенные на обоих концах закорачивающими кольцами, образующими клетку. Название происходит от сходства этой обмотки из колец и стержней с беличьей клеткой .
Твердый сердечник ротора состоит из стопок пластин из электротехнической стали. На рисунке показан один из многих использованных наборов для ламинирования. Пластина ротора имеет большее количество пазов, чем соответствующая пластина статора , и количество пазов ротора должно быть нецелым числом, кратным числу пазов статора, чтобы предотвратить магнитную блокировку зубцов ротора и статора в начальный момент. [2]
Стержни ротора могут быть изготовлены из меди или алюминия. В очень распространенной конструкции двигателей меньшего размера используется литой под давлением алюминий, который заливают в ротор после укладки пластин. Двигатели большего размера имеют алюминиевые или медные стержни, которые приварены или припаяны к концевым кольцам. Поскольку напряжение, развиваемое в короткозамкнутой обмотке, очень низкое, а ток очень высокий, между стержнями и сталью ротора нет преднамеренного изоляционного слоя. [3]
Обмотки возбуждения статора 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 проводников реагируют с магнитным полем двигателя, создавая силу , действующую по касательной , перпендикулярной ротору, что приводит к крутящему моменту , вращающему вал. Фактически ротор уносится магнитным полем, но с несколько меньшей скоростью вращения. Разница в скорости называется скольжением и увеличивается с нагрузкой.
Проводники часто слегка перекошены 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 одна и та же часть стержня ротора находится под каждым пазом статора. Если бы стержни ротора были параллельны полюсам статора, двигатель испытал бы падение, а затем восстановление крутящего момента, когда каждый стержень пройдет зазор в статоре.
Показанные на фотографии пластины имеют 36 стержней в статоре и 40 стержней в роторе. Наибольший общий делитель 36 и 40 равен 4, в результате чего одновременно можно совместить не более 4 стержней статора и ротора, что также снижает колебания крутящего момента.
Количество стержней в роторе определяет, в какой степени индуцированные токи возвращаются к катушкам статора и, следовательно, ток через них. В конструкциях, обеспечивающих наименьшую обратную связь, используются простые числа стержней ротора.
Железный сердечник служит для проведения магнитного поля через проводники ротора. Поскольку магнитное поле в роторе меняется со временем, сердечник имеет конструкцию, аналогичную сердечнику трансформатора , для уменьшения потерь энергии в сердечнике . Он изготовлен из тонких пластин, разделенных лаковой изоляцией, для уменьшения вихревых токов, циркулирующих в сердечнике. Материал представляет собой железо с низким содержанием углерода, но с высоким содержанием кремния , удельное сопротивление которого в несколько раз превышает удельное сопротивление чистого железа, что дополнительно снижает потери на вихревые токи, а также низкую коэрцитивную силу для уменьшения потерь на гистерезис .
Одна и та же базовая конструкция используется как для однофазных, так и для трехфазных двигателей широкого диапазона типоразмеров. Роторы для трехфазных сетей будут иметь различную глубину и форму 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 сохранению крутящего момента.
Форму и глубину стержней ротора можно использовать для изменения скоростно-моментных характеристик асинхронного двигателя. В неподвижном состоянии вращающееся магнитное поле проходит по стержням ротора с высокой скоростью, индуцируя ток линейной частоты в стержнях ротора. Из-за скин-эффекта индуцированный ток стремится течь по внешнему краю обмотки. По мере ускорения двигателя частота скольжения уменьшается, и индуцированный ток течет на большей глубине обмотки. За счет сужения профиля стержней ротора для изменения их сопротивления на разной глубине или путем создания двойной беличьей клетки с сочетанием параллельно соединенных роторов с высоким и низким импедансом двигатель можно настроить так, чтобы он создавал больший или меньший крутящий момент в состоянии покоя и вблизи него. его синхронная скорость. [3]
Для демонстрации работы короткозамкнутого ротора можно использовать статор однофазного двигателя и медную трубку (в качестве ротора). Если к статору подается достаточная мощность переменного тока, внутри статора будет вращаться переменное магнитное поле. Если медную трубку вставить внутрь статора, в трубе возникнет наведенный ток, и этот ток создаст в трубе собственное магнитное поле. Взаимодействие между вращающимся магнитным полем статора и индуцированным магнитным полем ротора с медной трубой создает крутящий момент и, следовательно, вращение.
Синхронный двигатель может иметь короткозамкнутую обмотку, встроенную в его ротор, которая используется для увеличения пускового момента двигателя и, таким образом, уменьшения времени разгона до синхронной скорости. Обмотка «беличьей клетки» синхронной машины обычно меньше, чем у асинхронной машины аналогичной мощности. Когда ротор вращается с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле статора, ток в короткозамкнутых обмотках не индуцируется, и обмотки не оказывают дальнейшего влияния на работу синхронного двигателя в установившемся режиме.
Обмотка с короткозамкнутым ротором в некоторых машинах обеспечивает эффект демпфирования нагрузки или возмущений в системе и в этой роли может называться амортизационной обмоткой . Большие машины могут иметь амортизирующие планки только на отдельных поверхностях полюсов, не соединенных между собой между полюсами. Поскольку обмотка «беличьей клетки» недостаточно велика, чтобы рассеивать тепло при непрерывной работе, большие синхронные машины часто имеют защитные реле , которые определяют, когда машина теряет синхронизацию с напряжением питания. [4]
Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором также могут использоваться в качестве генераторов. Чтобы это работало, двигатель должен воспринимать реактивную нагрузку и быть либо подключен к сети, либо к системе конденсаторов для обеспечения тока возбуждения. Чтобы двигатель работал как генератор, а не как двигатель, ротор должен вращаться быстрее, чем синхронная скорость его статора. Это заставит двигатель генерировать мощность после накопления остаточного магнетизма.
