Двигатель с фазным ротором

Асинхронные электродвигатели с фазным ротором

В настоящее время, на долю асинхронных двигателей приходится не менее 80% всех электродвигателей, выпускаемых промышленностью. К ним относятся и трехфазные асинхронные двигатели.

Трехфазные асинхронные электродвигатели широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, бытовых и медицинских приборах, устройствах звукозаписи и т.п.

Достоинства асинхронных электродвигателей

Широкое распространение трехфазных асинхронных двигателей объясняется простотой их конструкции, надежностью в работе, хорошими эксплуатационными свойствами, невысокой стоимостью и простотой в обслуживании.

Устройство асинхронных электродвигателей с фазным ротором

Основными частями любого асинхронного двигателя является неподвижная часть – статор и вращающая часть, называемая ротором.

Статор трехфазного асинхронного двигателя состоит из шихтованного магнитопровода, запрессованного в литую станину. На внутренней поверхности магнитопровода имеются пазы для укладки проводников обмотки. Эти проводники являются сторонами многовитковых мягких катушек, образующих три фазы обмотки статора. Геометрические оси катушек сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.

Фазы обмотки можно соединить по схеме ”звезда” или “треугольник” в зависимости от напряжения сети. Например, если в паспорте двигателя указаны напряжения 220/380 В, то при напряжении сети 380 В фазы соединяют “звездой”. Если же напряжение сети 220 В, то обмотки соединяют в “треугольник”. В обоих случаях фазное напряжение двигателя равно 220 В.

Ротор трехфазного асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали и насаженный на вал. В зависимости от типа обмотки роторы трехфазных асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные.

В асинхронных электродвигателях большей мощности и специальных машинах малой мощности для улучшения пусковых и регулировочных свойств применяются фазные роторы. В этих случаях на роторе укладывается трехфазная обмотка с геометрическими осями фазных катушек (1), сдвинутыми в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.

Фазы обмотки соединяются звездой и концы их присоединяются к трем контактным кольцам (3), насаженным на вал (2) и электрически изолированным как от вала, так и друг от друга. С помощью щеток (4), находящихся в скользящем контакте с кольцами (3), имеется возможность включать в цепи фазных обмоток регулировочные реостаты (5).

Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет лучшие пусковые и регулировочные свойства, однако ему присущи большие масса, размеры и стоимость, чем асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором.

Принцип работы асинхронных электродвигателей

Принцип работы асинхронной машины основан на использовании вращающегося магнитного поля. При подключении к сети трехфазной обмотки статора создается вращающееся магнитное поле, угловая скорость которого определяется частотой сети f и числом пар полюсов обмотки p, т. е. ω1=2πf/p

Пересекая проводники обмотки статора и ротора, это поле индуктирует в обмотках ЭДС (согласно закону электромагнитной индукции). При замкнутой обмотке ротора ее ЭДС наводит в цепи ротора ток. В результате взаимодействия тока с результирующим малнитным полем создается электромагнитный момент. Если этот момент превышает момент сопротивления на валу двигателя, вал начинает вращаться и приводить в движение рабочий механизм. Обычно угловая скорость ротора ω2 не равна угловой скорости магнитного поля ω1, называемой синхронной. Отсюда и название двигателя асинхронный, т. е. несинхронный.

Работа асинхронной машины характеризуется скольжением s, которое представляет собой относительную разность угловых скоростей поля ω1 и ротора ω2: s=(ω1-ω2)/ω1

Значение и знак скольжения, зависящие от угловой скорости ротора относительно магнитного поля, определяют режим работы асинхронной машины. Так, в режиме идеального холостого хода ротор и магнитное поле вращаются с одинаковой частотой в одном направлении, скольжение s=0, ротор неподвижен относительно вращающегося магнитного пол, ЭДС в его обмотке не индуктируется, ток ротора и электромагнитный момент машины равны нулю. При пуске ротор в первый момент времени неподвижен: ω2=0, s=1. В общем случае скольжение в двигательном режиме изменяется от s=1 при пуске до s=0 в режиме идеального холостого хода.

При вращении ротора со скоростью ω2>ω1 в направлении вращения магнитного поля скольжение становится отрицательным. Машина переходит в генераторный режим и развивает тормозной момент. При вращении ротора в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поли (s>1), асинхронная машина переходит в режим противовключения и также развивает тормозной момент. Таким образом, в зависимости от скольжения различают двигательный (s=1÷0), генераторный (s=0÷-∞) режимы и режим противовключення (s=1÷+∞). Режимы генераторный и противовключения используют для торможения асинхронных двигателей.

Крановые электродвигатели — технические характеристики

Для работы подъемных механизмом необходимо использование специального редуктора. Предлагаем рассмотреть, как работают асинхронные крановые электродвигатели с фазным ротором для частотного регулирования, их обмоточные данные и технические характеристики.

Особенности двигателей

Все тяговые электродвигатели ГОСТ 18374 делятся на две группы:

• работающие с фазным ротором;
• работающие с короткозамкнутым ротором.

Обе эти группы имеют высокий КПД, но у них несколько разный принцип работы. Данные моторы используются во всех видах кранов: тельферах, талях, башенных, козловых и портальных установках. Главным преимуществом работы обоих типов является то, что помимо динамического способа работы, когда определенное количество времени поднимается груз с некоторым весом, они могут работать статично, когда груз некоторое время висит на кране неподвижно. Рассмотрим подробнее их принцип работы.

Фото — Короткозамкнутые двигатели

Роторный мотор – это асинхронный двигатель, где ротор обмотки соединен через контактные кольца для внешнего сопротивления с рабочей и передаточной частью. Регулировка сопротивления позволяет контролировать частоты вращения крутящего момента двигателя. Роторный движок может быть запущен при помощи низкого пускового тока, а также путем использования высокого сопротивления в цепи ротора; при разгоне двигателя, сопротивление может быть уменьшено.

По сравнению с короткозамкнутым ротором, фазный двигатель роторного типа имеет больше витков обмотки; наведенное напряжение увеличивается, и имеющееся ниже, чем для короткозамкнутого ротора. При запуске типичного ротора используются 3 полюса, связанные с контактными кольцами. Каждый полюс соединен последовательно с переменной мощностью резистора. Во время запуска резисторов можно снизить напряженность поля статора. Как результат, пусковой ток сокращается. Еще одним важным преимуществом по сравнению с короткозамкнутым ротором является высокий стартовый крутящий момент.

Фото — Управление торможением фазного двигателя

Фазный роторный двигатель (сибэлектромотор), может быть использован в нескольких формах регулируемой скоростью вращения диска. Определенные типы вариаторов могут восстановить частоту скольжения и мощность от цепи ротора и питать его обратно в сеть, позволяя охватывать широкий диапазон скоростей с высокой энергетической эффективностью. Двойное питание электрических машин использует контактные кольца для внешнего питания в цепи ротора, что позволяет увеличить диапазон регулирования скорости вращения. Но сейчас такие механизмы редко используются, в основном они заменены на асинхронные двигатели с частотно-регулируемым приводом.

Фото — Конструкция фазного кранового электродвигателя

Короткозамкнутые роторы

Электродвигатели с короткозамкнутым ротором – это асинхронные крановые двигатели, которые состоят из стального цилиндра с алюминиевыми или медными жилами, внедренными в их поверхность и вращающейся части — ротора.

Эта модель двигателя представляет собой цилиндр, закрепленный на валу. Внутренне он содержит продольные проводящие бары (обычно изготавливается из алюминия или меди), установленные в пазы и присоединенные с обоих концов путем замыкания кольца, образующих каркасообразную форму. Название происходит от схожести между кольцами обмотки и баров с короткозамкнутым ротором.

Твердый сердечник ротора состоит из соединений легированной стали. Ротор имеет меньшее количество слотов, чем статор и не может быть кратен числу его пазов, для того чтобы предотвращать магнитные блокировки зубов ротора и статора первоначальный крутящий момент.

Описание принципа работы короткозамкнутого ротора: поля обмотки статора асинхронного электродвигателя переменного тока настраиваются на вращающееся магнитное поле через ротор. Благодаря движению, устройство начинает индуцировать ток и передавать его в обмотку и на бары. В свою очередь эти продольные токи в проводниках взаимодействуют с магнитным полем для производства моторной силы, выступая на касательный ортогональный ротор, в результате чего крутящий момент проворачивает вал. Также ротор вращается от магнитного поля, но на более низкой скорости. Разница в скорости называется скольжением и увеличивается с ростом нагрузки.

Схема работы изображена ниже:

Фото — Схема работы короткозамкнутых приводов

Проводники часто слегка наклонены по длине ротора, что снижает шум и сглаживает колебания крутящего момента, это может привести к увеличению скорости из-за взаимодействия с полюсными наконечниками статора. Количество баров на короткозамкнутом роторе определяет, в какой степени индуцированные токи возвращаются на обмотки статора и, следовательно, ток через них. Конструкция также может работать в качестве реверсивного механизма.

Железный якорь используется для того, чтобы проводить магнитное поле через проводники ротора. Дело в том, что МП ротора взаимодействует с МП якоря, и несмотря на то, что конструкция аналогичная трансформатору, это является причиной снижения и потери энергии. Якорь сделан из тонких пластин, разделенных лаковой изоляцией, чтобы уменьшить вихревые токи, циркулирующие в нем. Материал отличается низким уровнем выбросов углекислого газа, высоким кремния. Основа из чистого железа значительно снижает потери на вихревые токи, низкая коэрцитивная сила уменьшает малые потери на гистерезис.

Эта базовая конструкция используется как для однофазных, так и для трехфазных двигателей в широком диапазоне размеров. Роторы для трехфазных двигателей будут иметь вариации в глубину и форму баров. Как правило, бруски с большей толщиной могут иметь хороший крутящий момент и являются более эффективными в борьбе со скольжением, поскольку они представляют меньшую устойчивость к ЭМП.

Фото — Конструкция трехфазного двигателя

Трехфазные двигатели с короткозамкнутым ротором широко используются для:

1. Крановых механизмов;
2. Тяговых машин;
3. Комбайнов;
4. Грузовых автомобилей и кораблей.

Говоря про варианты установки двигателей, они бывают вертикально-фланцевые, горизонтальные, горизонтально-фланцевые.

Марки двигателей и обзор цен

На данный момент, в России и Украине осуществляется производство таких крановых электродвигателей:

Фазных – MTF, MTKF, MTM, MTН, MEZ FRENSTAT, KMR, DMTF, (завод Leroy Somer), WASI, FLSLB, SMH;

Короткозамкнутых – Sew-Eurodrive, двигатели от Bularia, Siemens, VEM, HORS, МТВ, МТИ, МТК, МТКМ, МТКН, МТМ, МТН, МТФ;

Для некоторых видов крановых механизмов (к примеру, металлургические подъемники), используются серии АИР (двухскоростные двигатели постоянного тока).

Купить крановые электродвигатели можно в любом городе СНГ, цена товара напрямую зависит от его мощности, фирмы-производителя и города, де он покупается. Возможен наличный и безналичный расчет. Из открытых источников мы собрали прайс-лист, предлагаем с ним ознакомиться (цены приблизительные, при покупке кранового электродвигателя обязательно просмотрите дополнительно каталог производителя, возможны изменения цен):

Все производители дают на свои приборы гарантию – 5 лет (минимум – год, т.к. мощность более 10 кВт). Продажа осуществляется в специализированных центрах, магазинах. Мы не советуем приобретать данные устройства из рук либо на стихийных рынках. Следите за тем, чтобы двигатели были работоспособные и полностью исправные, обязательно должны быть соблюдены условия хранения (влажность ниже 40 %, температура от +3 до +20 градусов), иначе возможно окисление внутренних контактов.

Фазный ротор электродвигателя

Широкое распространение асинхронного электродвигателя (АД) вызвано его надежностью и простотой конструкции. Статор такого двигателя стандартный, представляет собой изготовленный из пластин электростатической стали полый цилиндр с трехфазной обмоткой. Ротор же может быть короткозамкнутым и фазным. Последний вариант получил более широкое распространение по ряду причин, хотя его конструкция намного сложнее, чем у короткозамкнутого ротора.

Конструкция фазного ротора

Фазный ротор АД конструктивно напоминает его статор. Основа ротора набирается из пластин электростатической стали, которые насаживаются на вал. Конструкция имеет продольные пазы, в которые укладываются витки катушек фазной обмотки. Количество фаз ротора строго соответствует количеству фаз статора. Для подключения обмотки ротора к цепи, на валу последнего устанавливаются 3 контактных кольца, к которым подведены концы обмотки, находящиеся в соприкосновении с токопроводящими щетками. В свою очередь щетки имеют выходы в коробку корпуса, что позволят подключать внешнее дополнительное сопротивление.

В зависимости от напряжения сети, фазы обмотки соединяются “треугольником” или “звездой”. Оси катушек двухполюсного электродвигателя смещены на 120 градусов относительно друг друга.

Контактные кольца изготавливаются из латуни или стали. На вал они посажены с обязательной изоляцией между собой. Щетки расположены на щеткодержатле, изготовлены из металлографита, к кольцам прижимаются посредством пружин.

Зачем нужно добавочное сопротивление?

Добавочное сопротивление служит для запуска двигателя с нагрузкой на его валу. Как только достигаются номинальные обороты вала, сопротивление отключается за ненадобность, а кольца закорачиваются. В противном случае работа электродвигателя будет нестабильной, возникнут потери КПД.

Роль добавочного внешнего сопротивления, как правило, выполняет ступенчатый реостат. В этом случае двигатель будет разгонятся тоже ступенчато. Часто используются устройства, способные поднять КПД двигателя, при этом избавляя щетки от излишнего трения о кольца. После разгона устройство поднимает щетки и замыкает кольца.

Для реализации автоматического пуска электродвигателя используется подключенная индуктивность к обмотке ротора. Дело в том, что в тот момент, когда осуществляется пуск, в роторе показатели индуктивности и частоты тока максимальны. При разгоне двигателя эти показатели падают, а в конечном итоге двигатель выходит на нормальный рабочий режим.

Отличие короткозамкнутого ротора от фазного

В короткозамкнутом роторе электродвигателя, в отличие от фазного варианта, нет обмоток. Их заменяют замкнутые с торцов между собой кольцами стержни, изготовленные из алюминия или меди. Визуально конструкция такого ротора напоминает беличье колесо, от чего он и получил свое название – “беличья клетка”.

Короткозамкнутый ротор приводится во вращение за счет наведения тока магнитным полем статора. Чтобы исключить пульсирование магнитного поля в роторе, стержни “беличьей клетки” располагаются параллельно между собой, но под наклоном относительно оси вращения. АД с короткозамкнутым ротором обладают высокой надежностью за счет отсутствия щеток, которые со временем перетираются. Кроме того, их стоимость меньше, чем у вариантов с фазным ротором.

Преимущества и недостатки электродвигателя с фазным ротором

Широкое распространение АД с фазным ротором получил за счет ряда серьезных преимуществ перед другими машинами подобного рода. Среди них следует отметить большой вращающий момент при запуске, а также относительно постоянную скорость вращения даже при высоких нагрузках. Такие электродвигатели для запуска требуют меньший пусковой ток, а конструкция позволяет использовать автоматические пусковые устройства. Кроме того, эти электрические машины хорошо переносят продолжительные перегрузки.

Как и любой электрический механизм, электродвигатели с фазным ротором имеют ряд недостатков:

• Чувствительность к перепадам напряжения;
• Большие габаритные размеры
• Высокая стоимость;;
• Более сложная конструкция за счет цепи ротора с добавочным сопротивлением;
• Меньшие показатели коэффициента мощности и КПД (относительно АД с короткозамкнутым ротором).

Область применения электродвигателей с фазным ротором

Ад с фазным ротором, за счет высокого крутящего момента, низких пусковых токов и способности долговременно работать при повышенных нагрузках, используются там, где необходима большая мощность электродвигателя, но нет необходимости плавно регулировать скорость вращения в широких диапазонах. Кроме того, эти машины отлично приспособлены под пуск с нагрузкой на валу.

За счет высокой производительности, наиболее часто АД с фазным ротором используются на различном серьезном, тяжелом силовом оборудовании, например, подъемных кранах, лифтовых приводах, станках, различных подъемниках. Иными словами, эти двигатели используются там, где есть необходимость запуска под нагрузкой, а не на холостом ходу.

Проверка электродвигателя с фазным ротором

Для проверки обмоток статора трехфазного АД на целостность, необходимо добраться до клемм их подключения. Затем нужно произвести замеры сопротивлений между фазными клеммами по отдельности, предварительно сняв перемычки. Если сопротивление какой-либо обмотки меньше, чем у других, это свидетельствует о замыкании между ее витками. В этом случае двигатель отдается на перемотку.

Для проверки обмоток ротора, необходимо отыскать выводы от контактных колец. Затем нужно убедиться, что сопротивления обмоток совпадают. Если конструкция электродвигателя предусматривает наличие системы отключения обмоток ротора, отсутствие контакта может быть обусловлено именно поломкой данного механизма, а не обрывом витков.

О наличие какой-либо неисправности АД могут свидетельствовать следующие факторы:

• Снижение скорости вращения при нагрузке. Характерно для высокого сопротивления в цепи ротора, слабого контакта в его обмотке, низкого напряжения электросети
• Разворачивание АД, когда цепь ротора разомкнута – КЗ в обмотке ротора
• Чрезмерное равномерное повышение температуры двигателя – длительная перегрузка АД или его недостаточное охлаждение
• Нагрев статорной обмотки местного характера – двойное замыкание катушек статора на корпус или между фазами, КЗ между витками, неверное подключение катушек в фазе между собой
• Нагрев стали статора местного характера – нарушение изоляции между листами стали, их оплавление и выгорание, замыкание
• Посторонний шум при работе АД. Может быть вызван как выходом из строя подшипников, так и недостаточной запрессовкой активной стали. Определяется на слух по характеру постороннего шума
• Перегорание в обмотке якоря предохранителей, отсутствие контакта в подводящей проводке, выход из строя реостата

Для самостоятельной диагностики и исправления неисправностей электродвигателя необходимыми являются хотя-бы минимальные познания в устройстве АД и электрических цепях в целом. Все же крайне не рекомендуется самостоятельно заниматься ремонтом электродвигателя с фазным ротором, так как это может привести к поражению электрическим током.