Асинхронні машини з Масивними роторами

1. Характерні властивості та особливості конструкції

Асинхронні машини (АМ) з масивними роторами застосовуються в спеціальних силових електроприводах і в системах контролю автоматики, мають просту конструкцію, високу механічну міцність ротора і дешеві та надійні, їх характеристики дещо специфічні.

Ротори таких машин виготовляють із суцільного шару провідникового матеріалу без явно виражених ізольованих секцій обмотки. Робочі стуми масивного ротора – це вихрові струми, які наводяться в його провідному масиві обертовим магнітним полем статора. Статор такої машини нічим не відрізняється від статора АМ з короткозамкненим або фазним ротором. Основні фізичні явища, на основі яких працює машина, та загальний алгоритм їх розрахунків є в принципі такі ж, як в АМ з короткозамкненим ротором.

Провідниковий шар масивного ротора може бути виконаний феромагнітним масивним (МФР – див рис. 1,а), феромагнітним омідненим масивним (ОМФР – див. рис. 1,б), немагнітним порожнистим (НПР – див. рис. 1,в). В останньому випадку необхідний додатковий "внутрішній статор" без обмотки.

АМ з масивними роторами використовують в ролі керованих та некерованих двигунів (для малих потужностей, в основному двофазні), як моментних двигунів (в основному двофазні), тахогенераторів та асин­хронних муфт.

Рис. 1. АМ з пасивними роторами: а) з МФР; б) з ОМФР; в) з НПР;
г) пасивним феромагнітним зубчастим ротором та з намагнітними КЗ кільцями на торчаках; д) асинхронна муфта із зовнішнім МФЛ

Такі двигуни мають високі пускові моменти, низьку кратність пускових струмів, пологу механічну характеристику, тобто підвищене номінальне ковзання, дещо нижчий, порівняно з нормальними машинами, коефіцієнт віддатності та коефіцієнт потужності. Для покращення їх робочих і пускових характеристик масивні феромагнітні ротори можна виконувати з відкритими необмотаними пазами та короткозамикальними кільцями з відповідного матеріалу на торчаках (див. рис. – 1,г), або багатошаровими з відповідним чергуванням матеріалу шарів ротора. Але таке удосконалення їх характеристик вимагає ускладнення конструкції ротора і підвищення вартості машини.

Асинхронні тахогенератори (АТГ) мають двофазну обмотку статора та порожнистий немагнітний ротор. За принципом дії – це однофазний генератор, частота вихідної напруги якого є сталою і визначається частотою мережі збудження, а її амплітуда прямопропорційна частоті обертання ротора. У високоточних АТГ ротор виконується з матеріалу, активний опір якого практично не залежить від температури (наприклад, з константану).

Схема конструкції асинхронної муфти наведена на рис. 1, д. На ведучій півмуфті розташований індуктор у вигляді елекромагніта постійного струму або постійного магніта з кігтевими полюсними наконечниками, а ведена півмуфта виконана в вигляді МФР, роташованого ззовні.

У конструкційних схемах АМ з пасивними роторами, наведених на рис.1, активні сторони котушок обмоток розташовані по твірних робочих циліндрів статора і ротора і тому такі виконання називаються циліндричними. Крім циліндричного, використовуються також машини торчакового (дискового) виконання. Перехід від масивного ротора циліндричного виконання до торчакового можна умовно представити за допомогою рис.2, як деформацію робочого циліндра ротора в диск. В дисковому виконання "активні сторони котушок", як видно з рис.2, розташовуються в радіальних напрямках розгорненого кола активної торчакової поверхні машини.

Рис. 2. Утворення АМ дискового виконання (б)
з АМ циліндричного виконання (а)

2. Особливості аналізу асинхронних машин з немагнітним порожнистим ротором

Для розрахунку параметрів НПР подумки ділять його масив на елементарні “активні сторони-пази” кількістю та короткозамикальні сегменти – "лобові частини" (див. рис.3 [Л.Сомих АММ с ПР], рис. 1,4,б – с.14). Оскільки магнітна проникність матеріалу ротора мала, потоки розсіяння "провідників ротора" теж незначні, а значить індуктивний опір їх . Якщо прийняти тут густину струму провідника незмінною, то активний опір "стрижня" ротора можна обчислити за виразом

, (1)

де – питомий опір матеріалу ротора;

– довжини статора;

– діаметр ротора (див. рис. 3);

– товщина порожнистого ротора;

– активний опір елемента коротко замикаючого «кільця» між стрижнями ротора.

Рис.3. Розподіл вихрових струмів в НПР асинхронної машини

Активний опір елемента короткозамикального "кільця" між стрижнями ротора

, (2)

де – однобічна довжина виступу ротора поза статором.

Визначаючи активний опір фази МР, зведеного за кількість витків та фаз до статора, подібно як для ротора зі стрижневою білчиною кліткою, отримуємо

, (3)

де = 2 – кількість фаз статора;

– кількість фаз ротора;

р – кількість пар полюсів;

– кількість витків фази ротора;

– обмотковий коефіцієнт статора;

– обмотковий коефіцієнт ротора;

.

Вираз (3) для обчислення активного опору ротора можна розглядати як перше наближення, бо насправді циліндричний масив ротора консольно кріпиться з одного боку до ротора, що можна врахувати відповідним коефіцієнтом зменшення опору ротора за рахунок якби додаткових короткозамикальних кілець [Л.Сом АММ с ПР].

В усьому решта аналіз такої машини проводиться аналогічно, як для машини з ротором типу стрижневої білчиної клітки.

Аналогічно розраховують величину активного опору ротора АМ з НПР дискового викнання, за виразами (1), (2), (3) розрахункову довжину статора та його діаметр D обчислюють за виразами:

; , (4)

де – максимальний діаметр магнітопровода статора; d – мінімальний діаметр магнітопровода статора (див. рис. 2).

В АМ торчакового виконання своєрідно обчислюється також довжина лобових частин обмотки ротора.