Беличья клетка. Конструкция асинхронного короткозамкнутого электродвигателя.

Беличья клетка. Конструкция асинхронного короткозамкнутого электродвигателя.

Асинхронные бесколлекторные двигатели нашли наиболее широкое распространение благодаря сравнительной простоте и надежности в эксплуатации. Коллекторные двигатели имеют ограниченное применение в установках, где требуется регулировать скорость приводимых механизмов в широких пределах. Однако они относительно тяжелы, дороги, имеют худшие рабочие характеристики по сравнению с бесколлекторными двигателями, а главное менее надежны в эксплуатации из-за тяжелых условий коммутации тока. Асинхронные бесколлекторные машины имеют два основных исполнения: с короткозамкнутой обмоткой ротора и с фазной обмоткой ротора — с контактными кольцами. С точки зрения происходящих электромагнитных процессов в асинхронном двигателе можно выделить две наиболее важные части: неподвижный статор, обеспечивающий создание вращающегося магнитного поля, и вращающийся ротор, в котором создается электромагнитный момент, передаваемый приводимому механизму. Сердечники статора набираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм и реже 0,35 мм, изолированных друг от друга лаковым покрытием (в сердечниках роторов двигателей малой мощности изоляцией служит слой окалины на поверхности листа). В сердечниках статора и ротора сделаны специальные пазы, в которых размещаются соответствующие обмотки.

Рис. 1. Литая алюминиевая беличья клетка ротора короткозамкнутого асинхронного двигателя (с короткозамыкающим кольцом и вентиляционными лопатками) Одной из наиболее распространенных роторных обмоток является короткозамкнутая, так называемая беличья клетка (внешне она. напоминает беличье колесо — рис. 1). Рабочие провода этой обмотки (стержни) укладываются в пазы ротора неизолированными, благодаря чему обеспечиваются хорошее использование площади паза и хорошая теплоотдача от стержней к активной стали. Короткозамкнутые асинхронные двигатели по конструкции ротора имеют следующие модификации: с одиночной беличьей клеткой; глубокопазные; с двойной беличьей клеткой, или двухклеточные. Конструктивное отличие этих модификаций обусловливает различие характеристик этих машин, в первую очередь пусковых. Рис. 2. Пазы и стержни обмоток ротора. а — одиночная беличья клетка; б— глубокий паз; в — двойная беличья клетка. Асинхронные двигатели с одиночной беличьей клеткой на роторе имеют пазы, выштампованные в листовой стали, овальной или круглой формы (рис. 2,а). Сверху эти пазы перекрываются мостиком толщиной 0,4—0,5 мм и заливаются алюминием. С обоих торцов ротора располагаются алюминиевые кольца, которые замыкают все отлитые в пазах стержни. Такая литая единая беличья клетка часто дополнительно снабжается с обеих сторон ротора специальными алюминиевыми крыльями (см. рис. 1). Эти крылья устанавливаются для увеличения теплоотвода от короткозамкнутого ротора и для лучшей вентиляции внутри асинхронной машины. В асинхронных электродвигателях с глубокопазным ротором (рис. 2,б) беличья клетка изготавливается обычно из медных стержней прямоугольного сечения. Короткозамыкающие кольца по торцам ротора, как правило, выполняются также из меди, в которых профрезеровываются прорези в соответствии с размерами прямоугольных стержней. Стержни и кольца припаиваются друг к другу тугоплавкими припоями. Двухклеточный ротор (рис. 1,в) выполняется с двумя беличьими клетками. Внешняя обмотка изготавливается из латуни или специальной бронзы, благодаря чему обеспечиваются относительно большое ее активное сопротивление и сравнительно малое индуктивное. Эта обмотка выполняет функции пусковой в асинхронном двигателе. Другая обмотка ротора — внутренняя — изготавливается из меди с минимальным активным сопротивлением. Она выполняет функции основной рабочей обмотки двигателя. Обе обмотки имеют круглые пазы, однако внутренняя обмотка в ряде случаев выполняется прямоугольной или овальной формы. Короткозамыкающие торцевые кольца для обеих обмоток обычно изготавливаются из меди. Существуют другие модификации пазов ротора (бутылочного профиля, трапецеидального профиля), однако описанные выше являются наиболее характерными для асинхронных двигателей. В асинхронном двигателе частота вращения ротора, увлекаемого магнитным полем статора, меньше частоты вращения самого поля. В самом деле, в случае равенства этих частот прекратилось бы движение поля по отношению к ротору, так как в роторе перестала бы наводиться электродвижущая сила, создающая токи в его обмотках. При этом прекратилось бы взаимодействие ротора с вращающимся полем и устранилась бы причина вращения ротора. В таком случае ротор стал бы неминуемо проскальзывать, т. е. частота его вращения стала бы меньше, чем частота вращения магнитного поля, что и соответствует действительному положению в асинхронном двигателе. Ввиду различия частот вращения поля и ротора рассматриваемые машины получили название асинхронных. При изучении явлений, протекающих в роторе асинхронного двигателя, когда он заторможен (т. е. при неподвижном роторе), можно заключить, что машина в этом режиме по своей физической природе представляет собой трансформатор. Первичной обмоткой трансформатора служит статор, а вторичной — обмотка ротора. В общем случае асинхронный двигатель отличен от трансформатора главным образом своим конструктивным исполнением. У асинхронной машины вторичная обмотка отделена от первичной воздушным зазором, чего нет в общепромышленных трансформаторах. Кроме того, вторичная обмотка двигателя вращается по отношению к первичной. Как было отмечено выше, частота вращения п, с которой вращается ротор, должна отличаться от частоты вращения магнитного поля п1. В зависимости от соотношения этих частот существуют три режима работы асинхронной машины: двигательный, генераторный, тормозной. При работе асинхронной машины в двигательном режиме частота вращения ротора изменяется в пределах 0п1), то асинхронная машина перейдет в генераторный режим. При этом направление вращения поля статора относительно ротора изменится на обратное по сравнению с работой машины в двигательном режиме. Электромагнитный момент на валу, развиваемый асинхронной машиной, становится тормозящим по отношению к двигателю, который приводит ее во вращение. Механическая энергия, передаваемая этим двигателем асинхронной машине, преобразуется в электрическую и отдается в сеть, к которой подключен ее статор. Режим работы асинхронной машины, когда ротор приводится во вращение против направления вращения электромагнитного поля статора, получил название режима электромагнитного тормоза. ?

Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Все электрические двигатели содержат две главные части, взаимодействующие друг с другом. Этими частями являются статор и ротор. Статор инициирует взаимодействие, и ротор отвечает на него своим вращением. Все электродвигатели классифицируются на основе того или иного принципа, обеспечивающего взаимодействие главных частей. Например, в движке статор подобно первичной обмотке трансформатора индуцирует во вторичной обмотке — роторе — электромагнитные процессы. Значит это — асинхронный электродвигатель.

Разновидности простейших движков-трансформаторов

Движки переменного тока могут быть синхронными. Схема получается проще, а мотор дешевле. Хотя все асинхронные двигатели содержат статор, аналогичный синхронной машине, конструкция ротора определяет их существенное отличие от них. Его не нужно намагничивать тем или иным способом, как это делается в синхронном движке. Несмотря на отличия моделей асинхронных машин, конструкция их ротора — это эквивалент короткозамкнутой вторичной обмотки.

Самый простой вариант — короткозамкнутый ротор. Его можно просто отлить из ферромагнитного материала и обработать надлежащим образом. Сплавы на основе железа проводят электрический ток и взаимодействуют с магнитным полем. Цельнометаллическая конструкция обладает следующими преимуществами:

• наиболее проста в изготовлении и по этой причине обладает минимальной себестоимостью;
• лучше всего переносит усилия, возникающие при работе двигателя;
• хорошо разгоняется из-за эффективного взаимодействия магнитных полей.

Конструкция

В каждом электромоторе есть две важных рабочих детали: ротор и статор. Они заключены в защитный кожух. Для охлаждения проводников обмотки на валу ротора установлен вентилятор. Это общий принцип строения всех типов электродвигателей.

Конструкции статоров рассматриваемых электродвигателей ничем не отличаются от строения этих деталей в других типах электромоторов, работающих в сетях переменного тока. Сердечники статора, предназначенного для работы при трехфазном напряжении, располагаются по кругу под углом 120º. На них устанавливаются обмотки из изолированной медной проволоки определённого сечения, которые соединяются треугольником или звездой. Конструкция магнитопровода статора жёстко крепится на стенках цилиндрического корпуса.

Строение электродвигателя понятно из рисунка 1. Обратите внимание на конструкцию обмоток без сердечника в короткозамкнутом роторе.

Рис. 1. Строение асинхронного двигателя с КЗ Ротором

Немного по-другому устроен ротор. Конструкция его обмотки очень похожа на беличью клетку. Она состоит из алюминиевых стержней, концы которых замыкают короткозамыкающие кольца. В двигателях большой мощности в качестве короткозамкнутых обмоток ротора можно увидеть применение медных стержней. У этого металла низкое удельное сопротивление, но он дороже алюминия. К тому же медь быстрее плавится, а это не желательно, так как вихревые токи могут сильно нагревать сердечник.

Конструктивно стержни расположены поверх сердечников ротора, которые состоят из трансформаторной стали. При изготовлении роторов сердечники монтируют на валу, а проводники обмотки впрессовывают (заливают) в пазы магнитопровода. При этом нет необходимости в изоляции пазов сердечника. На рисунке 2 показано фото ротора с КЗ обмотками.

Рис. 2. Ротор асинхронного двигателя с КЗ обмотками

Пластины магнитопроводов таких роторов не требуют лаковой изоляции поверхностей. Они очень просты в изготовлении, что удешевляет себестоимость асинхронных электродвигателей, доля которых составляет до 90% от общего числа электромоторов.

Ротор асинхронно вращается внутри статора. Между этими деталями устанавливаются минимальные расстояния в виде воздушных зазоров. Оптимальный зазор находится в пределах от 0,5 мм до 2 мм.

В зависимости от количества используемых фаз асинхронные электродвигатели можно разделить на три типа:

Они отличаются количеством и расположением обмоток статора. Модели с трехфазными обмотками отличаются высокой стабильностью работы при номинальной нагрузке. У них лучшие пусковые характеристики. Зачастую такие электродвигатели используют простую схему пуска.

Двухфазные двигатели имеют две перпендикулярно расположенных обмотки статора, на каждую из которых поступает переменный ток. Их часто используют в однофазных сетях – одну обмотку подключают напрямую к фазе, а для питания второй применяют фазосдвигающий конденсатор. Без этой детали вращение вала асинхронного электродвигателя самостоятельно не начнётся. В связи с тем, что конденсатор является неотъемлемой частью двухфазного электромотора, такие двигатели ещё называют конденсаторными.

В конструкции однофазного электродвигателя используют только одну рабочую обмотку. Для запуска вращения ротора применяют пусковую катушку индуктивности, которую через конденсатор кратковременно подключают к сети, либо замыкают накоротко. Эти маломощные моторчики используются в качестве электрических приводов некоторых бытовых приборов.

Конструктивные особенности

Основными элементами электродвигателя любого назначения являются статор и ротор. Для защиты от контактов с окружающими объектами система с обмотками закрывается в прочный кожух. Предотвратить перегрев обмоток позволяет дополнение в виде установленного на роторном валу охлаждающего вентилятора.

Статор асинхронного трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором имеет стандартное для электродвигателей строение. Исполнение, рассчитанное на работы с обмотками на три фазы, подразумевает расположение сердечников под углом в 120о. Обмотки выполняют из медной проволоки подходящего сечения, изолированной. Подключение обмоток производится в звезду или треугольник (оно описано в отдельных статьях). Статорный магнитопровод жестко фиксируют к стенкам корпуса.

Роторная часть имеет внешний вид, похожий на небольшую цилиндрическую клетку. Парные кольца исполняют роль короткозамыкающего элемента для стержней, изготовленных из алюминия. Если рассматривать конструкцию высокой мощности, для нее стержневые части конструкции могут изготавливаться из меди. Причиной использования данного материала служит его низкое сопротивление. Однако есть и минусы – медь для обмотки стоит дороже алюминия и быстрее плавится при нагреве сердечника вихревыми токами.

Расположение стержней при сборке выполняется поверх сердечников из специальной трансформаторной стали. Монтаж производят на валу агрегата, провод обмотки впрессовывается в специальные пазы магнитопровода. Простота изготовления повышается тем, что в таком исполнении для магнитопроводных пластин не требуется изоляция. Это – один из главных факторов, сделавших асинхронный агрегат короткозамкнутого типа самым популярным (его доля в общей массе электромоторов достигает 90%).

Маломощные аналоги

Исследование трехфазного асинхронного двигателя говорит о том, что данная разновидность является наиболее эффективной в большинстве ситуаций. Однако существуют также одно- и двухфазные моторы. Однофазная схема работы подразумевает наличие на статоре только одной обмотки, которая получает питание в виде переменного напряжения. При этом статор оснащен специальной стартовой обмоткой, на которую поступает пусковой импульс посредством конденсатора либо с применением индуктивности. В некоторых моделях выполняется кратковременное короткое замыкание. Это делается для создания фазового сдвига; без него ротор не начнет вращение из-за пульсации статорного магнитного поля.

Однофазные электродвигатели, асинхронные системы которых используют магнитные поля, также оснащаются роторами в виде цилиндра, имеющего заполненные алюминием пазы и монолитно соединенные с ним охлаждающие лопасти. Такая конструкция ротора называется короткозамкнутой; иногда можно встретить обозначение «беличья клетка». Область применения однофазных моторов – бытовое оснащение малой мощности.

Если в наличии имеется только однофазная переменная сеть энергоснабжения, рациональным будет использование двухфазного мотора. В этих агрегатах также установлен статор с двумя перпендикулярными обмотками. Одна обмотка непосредственно подключена к сети энергоснабжения, а перед второй установлен конденсатор, обеспечивающий фазный сдвиг. Такая схема позволяет задавать вращение магнитного поля и в конечном итоге запускать электродвигатель.

Двухфазные моторы имеют больше возможностей, чем однофазные. Поэтому их сфера эксплуатации – бытовое и промышленное оснащение с низкой и средней нагрузкой. Другое название двухфазных агрегатов – конденсаторные; это обусловлено наличием конденсатора, основного компонента, позволяющего ротору двигаться.

Какие случаются поломки с асинхронными электромоторами

Несмотря на то, что асинхронные электромоторы и простые механизмы, но если их неверно эксплуатировать, когда вокруг сложные погодные условия и есть отклонения в параметрах питающих сетей от номинальных, то они выходят из строя. Вообще все поломки электро движков с фазными и короткозамкнутыми деталями делятся на 2 группы: электрического и механического плана.

Механического характера поломки

В эту область относят дефекты в корпусах моторов, крыльчатке вентиляторов. Также может деформироваться вал, износиться подшипники, ослабеть крепления обмоток статоров. К самому частому механическому повреждению относятся проблемы, связанные с подшипниками. Когда они изнашиваются, то при работе мотора повышается шум и возникают вибрации, затем движок перегревается.

Поломки электрического плана

В эту область относятся замыкания межвитковые. Также когда обрывается намотка, пробивается изоляция на корпусе, снижается сопротивление изоляционные, нарушаются соединения на контактах, изоляция магнитопровода, изнашиваются щетки или повреждаются контактные кольца.

Чтобы выяснить состояние намотки статора, придется воспользоваться мультиметром. Также он поможет выявить напряжение питающих сетей и все ли три фазы имеются. А вот выявить сопротивление изоляции намотки им не выйдет. Придется воспользоваться мегаомметром. Именно он будет измерять сопротивление, когда его прикладывают к тестируемым объектам с повышенным напряжением. Если сопротивление будет менее положенных 0,5 Мом, то мотор сушат. Но перед этим извлекают из чего ротор четырехполюсного асинхронного двигателя и вставляют на его место мощную лампу накала. Когда просушка завершена, снова делают замеры и расчет сопротивления. В некоторых случаях помогает.

Самые распространенные поломки, связанные с асинхронными электромоторами:

• несоосные валы;
• работа мотора на 2 фазах;
• межвитковые замыкания;
• дисбаланс в деталях электромоторов;
• обрываются или ослабляются крепления стержней беличьих клеток;
• перегружается или перегревается статор;
• повреждены подшипники;
• неравномерные воздушные зазоры между статорами и роторами.

В некоторых случаях поможет замена подшипника кз или устранение перегрузки движка. Также помогает доливка масла или чистка, сушка, проверка напряжения на запитывающих проводах, назначение и устранение замыкания. Но перед всеми манипуляциями желательно снимать защитные кожухи. В крайнем случае придется полностью менять весь движок.

Правила ремонта ротора, у которого короткозамкнутая обмотка

У этих деталей чаще всего повреждается беличья клетка, в результате ослабевают в пазах стержни и нарушается контакт в том месте, где стержни паяются с короткозамкнутым кольцом. В итоге образуется трещина и обрывается стержень. Из-за ослабления креплений стержней в пазах увеличивается его вибрация. В итоге получится деформация, а в конце трещина (как раз в тех местах, где выходит стержень из пазов и соединяются короткозамкнутые кольца). Именно они приводят к надломам стержней, а те концы, которые надрываются, повреждают лобовую часть и ее изоляцию. Все это характерно для электромоторов, у которых большие пуски.

Если выявить дефекты вовремя, то можно спасти движок. Но для этого его придется разобрать. Если мотор рабочий, то о наличии оборванных стержней может указывать некоторые признаки. Например, повышается вибрация, потому что ослабляются крепления или ломаются распорные клинья в стержнях намотки.

Что делать, если увеличилось время пуска

Существуют агрегаты, у которых тяжелый пуск мотора и не развивается номинальная частота. При обрыве нескольких стержней, он даже не тронется с места. Асимметрия магнитных потоков вызывает сильную вибрацию и появляются дополнительные силы, чтобы электромотор работал нормально.

Когда обрываются пара стержней, то все вышеперечисленные признаки проявляются не так сильно и поэтому очень трудно обнаружить возможный дефект, возникший в беличьей клетке. Приходится осматривать агрегат визуально. И не забыть про осмотр короткозамкнутой намотки:

• какие цвета подгаров на кольцах короткозамкнутых в тех местах, где они соединяются со стержнем;
• волнообразные изгибы сегментов, которые могут появиться из-за неравномерно удлиненных стержней;
• подгоревшие болты, соединяющие некоторые из сегментов пусковой клетки;
• в какую сторону изогнуты концы стержня по направлению вращающегося агрегата — они возникают при скручивании кольцами.

Каждый из вышеперечисленных дефектов может появиться в оборудовании, у которого большие окружные скорости и массивное короткозамыкающее кольцо.

Можно встретить прогибы, которые выступают из конца стержня активной стали. Эти дефекты присутствуют во многих стержнях беличьих клеток. Бывает и в синхронных и в асинхронных моторах. К прочим неисправностям причисляют смещающуюся беличью клетку вдоль оси.

Если не произошло обрыва короткозамкнутой клетки при работе, то эти повреждения себя никак не проявят и выявить их получится лишь после внимательного осмотра короткозамкнутых обмоток при профилактическом ремонте. Очень тщательно следует искать трещины на конце стержня, который выступает. Лучше взять в помощь химический, электромагнитный или оптический способ.

Как удалить поврежденных стержни из паза

Тут все зависит от конструкции стержня. Если речь идет о стержнях бутылочного профиля, которые плотненько сидят в пазах из-за имеющейся расчеканки полностью по всей длине агрегата, тогда их нужно удалить путем высверливания, используя сверла с удлиненными хвостовиками или предварительно прорезав в стержнях продольную щель шириной два-три миллиметра. Данная операция выполняется вулканитовыми камнями, которые предназначены изначально, чтобы резать трубы.

Приспособления устанавливают на каретках, перемещаемых по направляющим, изготовленным из уголков и прикрепленным скобой к обоймам валов. Из-за этой прорезанной щели ослабится крепление стержня в пазах и он может выбиться где-то на 5-8 см. Нужно захватить его при помощи зажима — именно он поможет полностью извлечь стержень из его паза. Частично отремонтировать короткозамкнутую намотку можно не только непосредственно в самой мастерской, но и на том месте, где будет устанавливаться электромотор. Но только в том случае, когда для этого не придется прибегать к станочной обработке стержней и коротко замыкающих колец.

Как паяют медные стержни

Если были обнаружены трещины на тех частях стержня, которые выступают из активных частей стали, то придется принять меры по их устранению. Когда трещина неглубокая и не более ¼ части самого стержня, то ее можно заварить, но перед этим вырубить в месте углубления зазор, который больше размера трещины.

Когда речь идет о глубоких трещинах, то стержень попросту разрезается и высверливается тот участок, который припаян к короткозамкнутому кольцу. Сквозь отверстие, которое образовалось в кольце, нужно высверлить в торце еще одно отверстие диаметром не более половины самого диаметра стержня. В это место нужно установить и припаять медную вставку. Прежде чем паять, нужно обезжирить и вытравить замыкающие кольца. Это можно сделать при помощи чистой ветоши, предварительно смоченной в моющей жидкости. Вытравливают на протяжении половины минуты раствором азотной кислоты при температуре двадцать градусов. А место вытравливания следует после промыть под горячей водой. Затем протереть насухо и просушить.

Определение и немного истории

Автором асинхронного двигателя считают Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, который в 1889 году получил патент на двигатель с ротором типа «Беличья клетка», а в 1890 году на двигатель с фазным ротором, которые без особых изменений в конструкции используются и сегодня. А первые исследования и наработки в этом направлении были проведены в 1888 Галилео Феррарисом и Николой Тесла независимо друг от друга.

Главным отличием разработки Доливо-Добровольского от разработок Теслы было использование трёхфазной, а не двухфазной конструкции статора. Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. Там представили три трёхфазных асинхронных электродвигателя, самый мощный из которых был на 1.5 кВт. Конструкция этих машин оказалась настолько удачно, что не пережила весомых изменений до наших дней.

Определение асинхронной машины звучит следующим образом:

Беличье колесо

Бе́личье колесо́

— игрушка для домашних животных, обычно мелких грызунов (белок, мышей, хомяков, бурундучков и т. п.), представляющая собой колесо, внутри которого перемещается животное. Может использоваться также и как временная клетка для переноса животного.

Собственно конструкция представляет собой вращающееся колесо с закреплённой осью вращения и предполагает, что животное может бежать в нём достаточно долго (пока не устанет), но никуда не убегает. Отсюда также выражение «Вертеться (крутиться) как белка в колесе

». Обвод вращающееся колеса может быть как решётчатым, так и сплошным с небольшими выступами. Расстояние между прутьями (выступами) подбирается с учётом анатомических особенностей того или иного вида животного.

Является эффективным тренажёрам для поддержания физического тонуса мелких домашних животных.

Существуют также аналогичные аттракционы для детей и взрослых. При этом как в стационарном (ось вращения закреплена), так и в движущимся варианте (ось вращения не закреплена).

«Беличье колесо» в электротехнике

«Беличье колесо» — способ соединения электрических проводников в роторе асинхронного двигателя переменного тока. Изобретён в 1889 году М. О. Доливо-Добровольским (германский патент №51083 от 8 марта 1889 года под названием «Anker für Wechselstrommotoren»). Внешне похож на игрушку, в которой бегают домашние животные.

См. также

• Прогулочный шар — схожая игрушка для мелких домашних животных.
• Беговая дорожка — спортивный тренажёр со схожим принципом работы — бесконечная дорога, позволяющая оставаться бегуну на месте относительно помещения.

Напишите отзыв о статье «Беличье колесо»

Подключение

Статорные обмотки трёхфазного АДКР можно подключать по схеме «треугольник» либо «звезда». При этом для звёздочки требуется напряжение выше, чем для треугольника.

Обратите внимание на то, что электродвигатель, подключенный разными способами к одной и той же сети, потребляет разную мощность. Поэтому нельзя подключать электромотор, рассчитанный на схему «звезда» по принципу треугольника. Но с целью уменьшения пусковых токов можно коммутировать на время пуска контакты звезды в треугольник, но тогда уменьшится и пусковой момент.

Схемы включения понятны из рисунка 4.

Рис. 4. Схемы подключения

Для подключения трёхфазного электрического двигателя к однофазному току применяют фазосдвигающие элементы: конденсаторы, резисторы. Примеры таких подключений смотрите на рисунке 5. Можно использовать как звезду, так и треугольник.

Рис. 5. Примеры схем подключений в однофазную сеть

С целью управления работой двигателя в электрическую цепь статора подключаются дополнительные устройства.