Что такое ротор (якорь)?
Ротор, еще его иногда называют якорь, это подвижная часть в генераторе или электродвигателях, которые повсеместно применяются в бытовой и промышленной технике. По сути, он вращается вокруг неподвижного основания под действием магнитного поля.
Конструктивно ротор состоит из следующих составных частей:
- Сердечник. Он выполнен из множества штампованных тонких металлических пластин, изолированных друг от друга специальным диэлектриком или же просто оксидной пленкой, которая проводит ток гораздо хуже, чем чистый металл. Сердечник набирается из них и представляет собой «слоеный пирог». В результате электроны не успевают разогнаться из-за маленькой толщины металла, и нагрев ротора гораздо меньше, а эффективность всего устройства выше за счет уменьшения потерь. Данное конструктивное решение принято для уменьшения вихревых токов Фуко, которые неизбежно возникают при работе двигателя из-за перемагничивания сердечника. Этот же метод борьбы с ними используется и в трансформаторах переменного тока.
- Обмотки. Изолированная проволока по специальным технологиям наматывается на сердечник. Важно соблюдать целостность изоляции, чтобы избежать коротких замыканий. Поскольку оборудование, зачастую, работает в экстремальных условиях при механических нагрузках, вибрациях, важно дополнительно зафиксировать в пространстве обмоточную проволоку. Для этого используется эпоксидная смола.
- Вращающийся вал. Он исполняется из металла. Собственно говоря, именно этот элемент конструкции и обладает механической энергией, в которую через ротор преобразуется электрическая.
Во многих случаях на валу дополнительно размещают вентиляторы. Каким бы ни было высоким КПД, но нагрева избежать невозможно. Вентиляторы охлаждают двигатель.
Стоит отметить, что не у всякого ротора есть обмотки, которые, в сущности, представляют собой электромагнит. Вместо них могут применяться постоянные магниты, как в бесщеточных двигателях постоянного тока.
Типы роторов
На сегодняшний день на практике используют следующие типы роторов:
- Фазный. В данном случае используется несколько независимых катушек с проводниками, которые располагаются относительно друг друга под углом 120 градусов (или 60 градусов, смотря с какой стороны смотреть). Провода катушек выводятся наружу и поочередно запитываются с помощью щеточной системы.
- Короткозамкнутые конструкции. Устройство оснащается цельным сердечником цилиндрической формы и выфрезерованными пазами под стержни. Их изготавливают из меди или алюминия. Короткозамкнутыми они называются по той причине, что концы соединяются между собой по кругу.
Какой тип ротора лучше — фазовый или короткозамкнутый?
Если мы встречаем на практике оба описанных выше типа роторного оборудования, значит они имеют как положительные, так и отрицательные стороны своего использования.
Считается, что фазовые роторы обладают более быстрым и плавным пуском, возможностью более точно и, можно сказать, «ювелирно» регулировать скорость. С другой стороны, как это ни парадоксально, большей популярностью все же пользуются именно короткозамкнутые варианты. Обусловлено это чаще всего экономической стороной вопроса. В таких системах подвижная часть несравнимо проще и дешевле. Кроме того, короткозамкнутые роторы долговечнее, меньше требуют внимания при проведении технического обслуживания. Здесь все просто: нет щеток, которые «вылетают» всегда первыми или просто стираются в процессе работы.
Скорость вращения ротора и двигателя
Скорость вращения магнитного поля двигателя (синхронная скорость):
n1 = 60f / p [об/мин],
где p — число пар полюсов двигателя,
f — частота сети (50 Гц).
- 2 полюса — 3000 об/мин;
- 4 полюса — 1500 об/мин (стандарт);
- 6 полюсов — 1000 об/мин;
- 8 полюсов — 750 об/мин;
- 10 полюсов — 600 об/мин;
- 12 полюсов — 500 об/мин.
Скорость вращения ротора асинхронного двигателя меньше скорости вращения магнитного поля:
n2 = n1(1 - s),
где s — скольжение.
История создания роторного двигателя
Второе имя роторного двигателя (РПД) — ванкель (этакий аналог дизеля). Именно Феликсу Ванкелю сегодня приписываются лавры изобретателя роторно-поршневого двигателя и даже рассказывается трогательная история о том, как Ванкель шел к поставленной цели тогда же, когда Гитлер шел к своей.
На самом деле все было чуточку иначе: талантливый инженер Феликс Ванкель действительно трудился над разработкой нового, простого двигателя внутреннего сгорания, но это был другой двигатель, основанный на совместном вращении роторов.
После войны Ванкель был привлечен немецкой фирмой NSU, занимавшейся в основном выпуском мотоциклов, в одну из рабочих групп, трудившихся над созданием роторного двигателя под руководством Вальтера Фройде.
Вклад Ванкеля — это обширные исследования уплотнений вращающихся клапанов. Базовая схема и инженерная концепция принадлежат Фройде. Хотя у Ванкеля был патент на двойственное вращение.
Первый двигатель имел вращающуюся камеру и неподвижный ротор. Неудобство конструкции навело на мысль поменять схему местами.
Первый двигатель с вращающимся ротором начал работу в середине 1958 года. Он мало отличался от своего потомка наших дней — разве что свечи пришлось перенести на корпус.
Вскоре фирма объявила о том, что ей удалось создать новый и очень перспективный двигатель. Почти сотня компаний, занимающихся производством автомобилей, закупила лицензии на выпуск этого мотора. Треть лицензий оказалась в Японии.
Чем отличается ротор от статора?
Ещё один хороший вопрос чем отличается ротор от статора и для чего они предназначены. Ротор и статор входят в систему генератора, снабжающего автомобиль электричеством. В статоре создается вращающееся магнитное поле, которое передается на ротор и приводит его в движение.
Основным отличием будет конструкция деталей. Также стоит помнить, что статор неподвижен, а ротор наоборот. При работе этих двух деталей в системе, автомобиль получает достаточное количество тока.
Ротор электродвигателя
В электродвигателях используются так называемые «беличьи колеса» (короткозамкнутые роторы), конструкция которых напоминает барабаны для белок.
При вращении статора магнитное поле движется перпендикулярно обмоткам проводников ротора, появляется ток. Этот ток циркулирует по обмоткам проводников и создаёт магнитные поля вокруг каждого проводника ротора. Так как магнитное поле в статоре постоянно меняется, меняется и поле в роторе. Это взаимодействие и вызывает движение ротора. Как и статор, ротор изготовлен из пластин электротехнической стали. Но, в отличие от статора, с обмотками из медной проволоки, обмотки ротора выполнены из литого алюминия или силумина, которые выполняют роль проводников.
В примитивном электромоторе ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.
В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое положение. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.
Этого серьезного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке ниже показано изображение трёхобмоточного ротора.
Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.
Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток.
Ротор асинхронного двигателя
Асинхронный электродвигатель — это обычно чугунный корпус, в который запрессован магнитопровод. В нем сделаны специальные пазы, куда укладывается обмотка статора, собранная из медной проволоки. Пазы сдвинуты относительно друг друга на 120º, поэтому их всего три. Они же образуют три фазы.
Асинхронный электрический двигатель с фазным ротором является обладателем больших размеров и веса. Но у него отличные свойства, касающиеся пусковых и регулировочных моментов. Двигатели, у которых установлен короткозамкнутый ротор, считаются самыми надежными на сегодняшний день. Они просты в конструкции, поэтому и являются дешевыми. Их единственный недостаток – это большой пусковой ток, с которым сегодня борются соединением обмоток статора со звезды на треугольник. То есть, пуск производится при соединении звездой, после набора оборотов производится переключение на треугольник.
Необходимо также упомянуть о такой важной особенности асинхронного двигателя, как скольжение ротора. Это явление заключается в разности частот вращения ротора и магнитного поля, создаваемого статором. Объясняется это как раз тем, что ток индуцируется в роторе только при его движении относительно магнитного поля. И если бы частоты вращения были одинаковы, то этого движения бы просто не происходило. В результате ротор пытается «догнать» по оборотам магнитное поле, и если это происходит, то ток в обмотках перестает индуцироваться и ротор замедляется. В этот момент сила, действующая на него, растет, он начинает опять ускоряться. Так и получается эффект стабилизации частоты вращения, за что эти электродвигатели и пользуются большой востребованностью.
Ремонт ротора электродвигателя — ключевые этапы
Независимо от выбранного вида услуг, перемотка ротора электродвигателя предполагает следующие операции:
- демонтаж и разборка электроустановки;
- снятие старой обмотки и вышедших из строя механизмов;
- восстановление изоляционных слоев, обмотки, ламелей и прочих деталей;
- замена подшипников с последующей покраской корпуса;
- сборка эл. двигателя;
- визуальная оценка качества обмотки;
- финальная диагностика устройства.
Стоит понимать, что точный перечень этапов зависит от степени повреждения и требований заказчика.
Ремонт ротора требует профессиональных знаний и навыков!
Ремонт промышленных роторов сложен и поэтому должен выполняться квалифицированными специалистами. Сложно выполнить не только сам процесс, но и подбор подходящего провода или его намотки. К тому же для такого ремонта необходимо иметь соответствующее оборудование. Неправильная перемотка влечет неприятные последствия. Это может закончиться снижением мощности эл мотора или даже его необратимым повреждением.