Короткозамкнутый ротор

Короткозамкнутый ротор — это тип ротора асинхронного электродвигателя, в котором обмотка выполнена в виде короткозамкнутой конструкции, обычно из алюминиевых или медных стержней, замкнутых накоротко торцевыми кольцами. Является наиболее распространённым типом ротора благодаря простоте, надёжности и низкой стоимости изготовления. В отличие от фазного ротора, не имеет контактных колец и щёток, что снижает эксплуатационные расходы и повышает долговечность.

История

Конструкция короткозамкнутого ротора была разработана в конце XIX века вскоре после изобретения асинхронного двигателя. В 1888 году сербско-американский инженер Никола Тесла получил патенты на многофазные асинхронные машины, в которых использовался ротор с замкнутой обмоткой. Однако практическое применение получила конструкция, предложенная русским инженером Михаилом Доливо-Добровольским в 1889 году. Он создал трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, где обмотка выполнялась из медных стержней, вставленных в пазы сердечника и замкнутых кольцами. Впоследствии, с развитием литейных технологий, стержни стали изготавливать из алюминия методом литья под давлением, что значительно упростило и удешевило производство.

Устройство и принцип работы

Конструкция

Короткозамкнутый ротор состоит из следующих основных элементов:

• Сердечник — цилиндрический пакет, набранный из листов электротехнической стали с изоляционным покрытием для снижения потерь на вихревые токи. В сердечнике имеются пазы, в которые укладывается обмотка.
• Обмотка — система стержней, расположенных в пазах сердечника и замкнутых с обеих сторон торцевыми кольцами. В большинстве современных двигателей стержни и кольца отливаются заодно из алюминия. В двигателях большой мощности или специального назначения может использоваться медь.
• Вал — стальной вал, на который напрессован сердечник ротора. Вал передаёт вращающий момент на приводимый механизм.

Принцип действия

При подаче на статорную обмотку трёхфазного напряжения возникает вращающееся магнитное поле, которое пересекает стержни ротора. В замкнутой обмотке ротора индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), вызывающая протекание тока. Взаимодействие тока в стержнях с магнитным полем статора создаёт электромагнитный момент, который приводит ротор во вращение. Скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения магнитного поля статора (отсюда название «асинхронный»). Разность скоростей, выраженная в процентах, называется скольжением.

Классификация и виды

По форме пазов

• Глубокопазные роторы — имеют узкие и глубокие пазы, что увеличивает пусковой момент за счёт эффекта вытеснения тока. Применяются в двигателях с тяжёлыми условиями пуска.
• Роторы с двойной клеткой — содержат две концентрические обмотки: внешнюю (пусковую) с высоким сопротивлением и внутреннюю (рабочую) с низким сопротивлением. Обеспечивают высокий пусковой момент и хорошие рабочие характеристики. Конструкция предложена русским инженером А. С. Шведовым в 1897 году.
• Роторы с нормальными пазами — наиболее распространённые, имеют прямоугольную или трапециевидную форму пазов. Используются в двигателях общего назначения.

По материалу обмотки

• Алюминиевые — дешёвые, лёгкие, коррозионно-стойкие. Применяются в большинстве серийных двигателей мощностью до 100–200 кВт.
• Медные — имеют более высокую электропроводность, что снижает потери и повышает КПД. Используются в двигателях большой мощности, взрывозащищённых и специальных исполнениях.

По способу изготовления

• Литьевые — обмотка отливается под давлением из алюминия или его сплавов. Наиболее технологичный и массовый способ.
• Сварные — стержни и кольца изготавливаются отдельно и соединяются сваркой или пайкой. Применяются для медных обмоток и в единичном производстве.

Характеристики

Пусковые свойства

Пусковой момент короткозамкнутого ротора обычно составляет 1,5–2,5 от номинального, а пусковой ток — 5–7-кратный от номинального. Для улучшения пусковых характеристик применяют глубокие пазы или двойную клетку, а также специальные схемы пуска (звезда-треугольник, реакторы, частотные преобразователи).

Регулирование скорости

Скорость вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в обычном исполнении практически не регулируется. Для изменения частоты вращения требуется изменение частоты питающего напряжения (частотный привод) или изменение числа пар полюсов (многоскоростные двигатели). Регулирование изменением напряжения на статоре возможно, но неэффективно из-за сильного падения момента.

КПД и потери

КПД современных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором достигает 90–96% для машин средней и большой мощности. Основные потери: в обмотке статора, в обмотке ротора, в стали сердечника, механические и добавочные.

Применение

Короткозамкнутый ротор применяется в подавляющем большинстве асинхронных электродвигателей общего назначения. Области использования:

• Промышленность — приводы насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров, станков, дробилок, мельниц.
• Сельское хозяйство — электроприводы зерноочистительных машин, кормодробилок, насосных станций.
• Бытовая техника — стиральные машины, холодильники, кондиционеры, пылесосы, кухонные комбайны.
• Транспорт — электроприводы вспомогательных механизмов тепловозов, электровозов, трамваев, троллейбусов, электромобилей (в составе тяговых двигателей).
• Энергетика — приводы собственных нужд электростанций, дымососов, вентиляторов градирен.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота конструкции и высокая надёжность (отсутствие щёток и контактных колец).
• Низкая стоимость изготовления и обслуживания.
• Высокий КПД и коэффициент мощности.
• Компактность и малый вес.
• Устойчивость к перегрузкам и работе в тяжёлых условиях.

Недостатки

• Большой пусковой ток (5–7-кратный от номинального).
• Относительно малый пусковой момент (особенно у двигателей с нормальной клеткой).
• Сложность или невозможность плавного регулирования скорости без дополнительных устройств.
• Зависимость пускового момента от напряжения сети.

Интересные факты

• Первый в мире трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, созданный М. О. Доливо-Добровольским в 1889 году, имел мощность около 100 Вт и КПД около 70%.
• В СССР и России выпускались серии асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, такие как АО, АО2, 4А, АИР, АДМ, которые стали стандартом для многих отраслей промышленности.
• В современных двигателях с короткозамкнутым ротором для повышения энергоэффективности применяют роторы с медной обмоткой, что позволяет снизить потери на 10–15% по сравнению с алюминиевыми.
• В некоторых конструкциях (например, в двигателях с полым ротором) обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде стакана из алюминия или меди, что обеспечивает малый момент инерции.

Источники

• Вольдек А. И. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1974.
• Копылов И. П. Электрические машины. — М.: Высшая школа, 2000.
• Кацман М. М. Электрические машины. — М.: Академия, 2010.
• ГОСТ 26772-85. Роторы короткозамкнутые асинхронных двигателей. Общие технические условия.
• История электротехники / Под ред. И. А. Глебова. — М.: Издательство МЭИ, 2000.