Ротор (электрический)

Нестационарная часть вращающегося электродвигателя

Выбор различных типов роторов

Ротор генератора плотины Гувера

Ротор — это движущийся компонент электромагнитной системы в электродвигателе , электрогенераторе или генераторе переменного тока . Его вращение обусловлено взаимодействием между обмотками и магнитными полями , что создает крутящий момент вокруг оси ротора. ^[1]

Раннее развитие

Ранним примером электромагнитного вращения была первая роторная машина, построенная Аньошем Джедликом с электромагнитами и коммутатором в 1826-27 годах. ^[2] Другими пионерами в области электричества были Ипполит Пикси , который построил генератор переменного тока в 1832 году, и конструкция Уильяма Ритчи электромагнитного генератора с четырьмя роторными катушками, коммутатором и щетками , также в 1832 году. Развитие быстро включало более полезные приложения, такие как двигатель Морица Германа Якоби , который мог поднимать от 10 до 12 фунтов со скоростью один фут в секунду, около 15 Вт механической мощности в 1834 году. В 1835 году Фрэнсис Уоткинс описывает электрическую «игрушку», которую он создал; его обычно считают одним из первых, кто понял взаимозаменяемость двигателя и генератора .

Тип и конструкция роторов

Асинхронные (асинхронные) двигатели, генераторы и альтернаторы ( синхронные ) имеют электромагнитную систему, состоящую из статора и ротора. Существуют две конструкции ротора в асинхронном двигателе: короткозамкнутый и фазный. В генераторах и альтернаторах конструкции ротора являются явнополюсными или цилиндрическими .

Короткозамкнутый ротор

Короткозамкнутый ротор состоит из ламинированной стали в сердечнике с равномерно расположенными стержнями из меди или алюминия, размещенными аксиально по периферии, постоянно закороченными на концах концевыми кольцами. ^[3] Эта простая и прочная конструкция делает ее фаворитом для большинства применений. Сборка имеет изюминку: стержни наклонены или скошены, чтобы уменьшить магнитный гул и пазовые гармоники и уменьшить тенденцию к блокировке. Расположенные в статоре, ротор и зубцы статора могут блокироваться, когда их равное количество, а магниты располагаются на одинаковом расстоянии друг от друга, противодействуя вращению в обоих направлениях. ^[3] Подшипники на каждом конце крепят ротор в его корпусе, при этом один конец вала выступает, чтобы обеспечить присоединение нагрузки. В некоторых двигателях на неприводном конце имеется расширение для датчиков скорости или других электронных элементов управления. Создаваемый крутящий момент заставляет движение через ротор к нагрузке.

Ротор с обмоткой

Фазный ротор представляет собой цилиндрический сердечник, изготовленный из стального ламината с пазами для удержания проводов для его 3-фазных обмоток, которые равномерно разнесены на 120 электрических градусов друг от друга и соединены в конфигурации «Y». ^[4] Клеммы обмотки ротора выведены наружу и прикреплены к трем контактным кольцам со щетками на валу ротора. ^[5] Щетки на контактных кольцах позволяют подключать внешние трехфазные резисторы последовательно к обмоткам ротора для обеспечения управления скоростью. ^[6] Внешние сопротивления становятся частью цепи ротора, чтобы производить большой крутящий момент при запуске двигателя. По мере того, как двигатель ускоряется, сопротивления могут быть уменьшены до нуля. ^[5]

Ротор с явно выраженными полюсами

Цилиндрический ротор

Ротор с явно выраженными полюсами

Ротор с выступающими полюсами построен на стопке «звездообразных» стальных пластин, обычно с 2, 3, 4 или 6, может быть, даже 18 или более «радиальными зубцами», торчащими из середины, каждый из которых обмотан медной проволокой, чтобы сформировать дискретный внешний полюс электромагнита. Внутренние концы каждого зубца магнитно заземлены в общий центральный корпус ротора. Полюса питаются постоянным током или намагничиваются постоянными магнитами . ^[7] Якорь с трехфазной обмоткой находится на статоре, где индуцируется напряжение. Постоянный ток (DC) от внешнего возбудителя или от диодного моста, установленного на валу ротора, создает магнитное поле и возбуждает вращающиеся обмотки поля, а переменный ток одновременно возбуждает обмотки якоря. ^{[8] [7]}

Выступающий полюс заканчивается полюсным башмаком , деталью с высокой проницаемостью , наружная поверхность которой имеет форму сегмента цилиндра для равномерного распределения магнитного потока по статору. ^[9]

Неявно выраженный ротор

Цилиндрический ротор изготовлен из цельного стального вала с прорезями, проходящими вдоль внешней длины цилиндра, для удержания обмоток возбуждения ротора, которые представляют собой ламинированные медные стержни, вставленные в прорези и закрепленные клиньями. ^[10] Прорези изолированы от обмоток и удерживаются на конце ротора контактными кольцами. Внешний источник постоянного тока (DC) подключен к концентрически установленным контактным кольцам со щетками, проходящими вдоль колец. ^[8] Щетки обеспечивают электрический контакт с вращающимися контактными кольцами. Постоянный ток также подается через бесщеточное возбуждение от выпрямителя, установленного на валу машины, который преобразует переменный ток в постоянный ток.

Принцип действия

В трехфазной индукционной машине переменный ток, подаваемый на обмотки статора, возбуждает его, создавая вращающийся магнитный поток. ^[11] Поток создает магнитное поле в воздушном зазоре между статором и ротором и индуцирует напряжение, которое создает ток через стержни ротора. Цепь ротора замыкается, и ток течет в проводниках ротора. ^[5] Действие вращающегося потока и тока создает силу, которая создает крутящий момент для запуска двигателя. ^[11]

Ротор генератора состоит из проволочной катушки, обернутой вокруг железного сердечника. ^[12] Магнитный компонент ротора изготовлен из стальных пластин, чтобы помочь штамповать пазы проводника для определенных форм и размеров. Когда токи проходят через проволочную катушку, вокруг сердечника создается магнитное поле, которое называется током поля. ^[1] Сила тока поля контролирует уровень мощности магнитного поля. Постоянный ток (DC) управляет током поля в одном направлении и доставляется к проволочной катушке набором щеток и контактных колец. Как и любой магнит, создаваемое магнитное поле имеет северный и южный полюса. Нормальное направление по часовой стрелке двигателя, который питает ротор, можно изменять с помощью магнитов и магнитных полей, установленных в конструкции ротора, что позволяет двигателю работать в обратном направлении или против часовой стрелки . ^{[1] [12]}

Характеристики роторов

• Короткозамкнутый ротор

Этот ротор вращается со скоростью, меньшей скорости вращения магнитного поля статора или синхронной скорости.

Скольжение ротора обеспечивает необходимую индукцию токов ротора для крутящего момента двигателя, который пропорционален скольжению.

При увеличении скорости ротора скольжение уменьшается.

Увеличение скольжения увеличивает индуцированный ток двигателя, что, в свою очередь, увеличивает ток ротора, что приводит к повышению крутящего момента для увеличения нагрузки.

• Ротор с обмоткой

Этот ротор работает с постоянной скоростью и имеет более низкий пусковой ток.

Внешнее сопротивление, добавленное к цепи ротора, увеличивает пусковой крутящий момент

Эффективность работы двигателя повышается, поскольку внешнее сопротивление уменьшается при увеличении скорости двигателя.

Более высокий крутящий момент и контроль скорости

• Ротор с явно выраженными полюсами

Этот ротор работает со скоростью ниже 1500 об/мин (оборотов в минуту) и 40% от номинального крутящего момента без возбуждения.

Имеет большой диаметр и короткую осевую длину.

Воздушный зазор неравномерный

Ротор имеет низкую механическую прочность

• Цилиндрический ротор

Ротор работает со скоростью 1500-3600 об/мин.

Обладает высокой механической прочностью.

Воздушный зазор равномерный

Его диаметр мал, а осевая длина велика, поэтому требуется более высокий крутящий момент, чем у ротора с явно выраженными полюсами.

Уравнения ротора

Напряжение стержня ротора

Вращающееся магнитное поле индуцирует напряжение в стержнях ротора, проходя над ними. Это уравнение применимо к индуцированному напряжению в стержнях ротора. ^[11]

${\displaystyle E=BL(V_{syn}-V_{m})}$

где:

${\displaystyle E}$= индуцированное напряжение

${\displaystyle B}$= магнитное поле

${\displaystyle L}$= длина проводника

${\displaystyle V_{syn}}$= синхронная скорость

${\displaystyle V_{m}}$= скорость проводника

Крутящий момент в роторе

Крутящий момент создается силой, возникающей в результате взаимодействия магнитного поля и тока, как выражено уравнением: Ibid.

${\displaystyle F=(BxI)L}$

${\displaystyle T=Fxr}$

где:

${\displaystyle F}$= сила

${\displaystyle T}$= крутящий момент

${\displaystyle r}$= радиус колец ротора

${\displaystyle I}$= роторный стержень

Скольжение асинхронного двигателя

Магнитное поле статора вращается с синхронной скоростью, там же. ${\displaystyle n_{s}}$

${\displaystyle n_{s}={\frac {120f}{p}}}$

где:

${\displaystyle f}$= частота

${\displaystyle p}$= количество полюсов

Если = скорость ротора, то скольжение S для асинхронного двигателя выражается как: ${\displaystyle n_{m}}$

${\displaystyle s={\frac {n_{s}-n_{m}}{n_{s}}}\times 100\%}$

механическая скорость ротора, с точки зрения скольжения и синхронной скорости:

${\displaystyle n_{m}=(1-s)n_{s}}$

${\displaystyle \omega _{m}=(1-s)\omega _{s}}$

Относительная скорость скольжения:

${\displaystyle n_{slip}=n_{s}-n_{m}}$

Частота индуцированных напряжений и токов

${\displaystyle f_{r}=sf_{e}}$

Смотрите также

• Якорь (электротехника) — любой «ротор», который переносит переменный ток в той или иной форме.
• Балансировочный станок
• Коммутатор (электрический)
• Электродвигатель
• Катушка возбуждения
• Роторная динамика
• Статор

Ссылки

1. Staff. "Понимание генераторов . Что такое генератор и как он работает". Np, nd Web. 24 ноября 2014 г. "Понимание генераторов. Что такое генератор и как он работает". Архивировано из оригинала 11 декабря 2014 г. Получено 11 декабря 2014 г..
2. Ing Doppelbauer Martin Dr. Изобретение электродвигателя 1800-1854 . 29th Web. Ноябрь, 2014.: Web. 28th November, 2014.http://www.eti.kit.edu/english/1376.php
3. Parekh, Rakesh. 2003. AC Induction Fundamentals 30 ноября 2014 г. Веб. 29 ноября 2014 г. http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00887a.pdf
4. Industrical-Electronics. Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором. 10 ноября 2014 г. Web. 1 декабря 2014 г. "Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором". Архивировано из оригинала 17 февраля 2015 г. Получено 10 декабря 2014 г.
5. University of Taxila. Three Induction Motor. 2012. Web. 28 ноября 2014 г. http://web.uettaxila.edu.pk/CMS/SP2012/etEMbs/notes%5CThree%20Phase%20Induction%20Motors.pdf Архивировано 23 января 2013 г. в Wayback Machine
6. Fathizadeh Masoud, PhD, PE. Induction Motors. nd Web. 24 ноября 2014 г. "Архивная копия" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 10 октября 2015 г. Получено 25 ноября 2014 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
7. Cardell, J. Принципы работы синхронной машины (б.д.). Web.http://www.science.smith.edu/~jcardell/Courses/EGR325/Readings/SynchGenWiley.pdf
8. Donohoe. SYNCHRONOUS MACHINES.nd Web. 30 ноября 2014 г. http://www.ece.msstate.edu/~donohoe/ece3614synchronous_machines.pdf
9. Патент США 9,742,224
10. O&M Consulting Services. Basic AC Electrical Generators. nd Web. 2 декабря 2014 г. "American Society of Power Engineers, Inc" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 3 марта 2016 г. Получено 2 января 2016 г.
11. Shahl, Suad Ibrahim. Three-phase Induction Machine. nd Web. 2 декабря 2014 г. "Архивная копия" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 5 ноября 2015 г. Получено 12 декабря 2014 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
12. Slemon, Gordon. Encyclopædia Britannica Inc., 17 марта 2014 г. Веб-сайт. 25 ноября 2014 г. "Электродвигатель -- Онлайн-энциклопедия Britannica". Архивировано из оригинала 23 октября 2014 г. Получено 25 ноября 2014 г.