Запобіжник: Визначення, Функція та Деталі (Електродвигун & Генератор)

Що таке ротор?

Ротор — це компонент електричного машини (тобто, двигуна або генератора), який проводить змінний струм (ЗС). Ротор проводить ЗС навіть в ДС-машинах через комутатор (який періодично змінює напрямок струму) або завдяки електронному комутуванню (наприклад, у безщетинковому ДС-двигуні).

Ротор забезпечує розташування та підтримку обмотки ротора, яка взаємодіє з магнітним полем, утвореним в повітряному зазорі між статором і ротором. Статор може бути або обертовою частиною (ротором), або нерухомою частиною (статором).

Термін "ротор" був введений в 19 столітті як технічний термін, що означає "зберігач магніту".

Як працює ротор в електродвигуні?

Електродвигун перетворює електричну енергію на механічну, використовуючи принцип електромагнітної індукції. Коли провідник, по якому проходить струм, розташований в магнітному полі, він діє силу за правилом лівої руки Флемінга.

У електродвигуні статор створює обертове магнітне поле за допомогою постійних магнітів або електромагнітів. Ротор, який зазвичай є ротором, несе обмотку ротора, яка з'єднана з комутатором і щітками. Комутатор змінює напрямок струму в обмотці ротора при його обертанні, щоб він завжди спрямовувався паралельно магнітному полю.

Взаємодія між магнітним полем та обмоткою ротора генерує момент, що призводить до обертання ротора. Вал, прикріплений до ротора, передає механічну потужність іншим пристроям.

Як працює ротор в електрогенераторі?

Електрогенератор перетворює механічну енергію на електричну, використовуючи принцип електромагнітної індукції. Коли провідник рухається в магнітному полі, він індукує електродвижущу силу (ЕДС) за законом Фарадея.

У електрогенераторі ротор, який зазвичай є ротором, приводиться в рух привідним двигуном, таким як дизельний двигун або турбіна. Ротор несе обмотку ротора, яка з'єднана з комутатором і щітками. Статор створює нерухоме магнітне поле за допомогою постійних магнітів або електромагнітів.

Відносний рух між магнітним полем та обмоткою ротора індукує ЕДС в обмотці ротора, що створює електричний струм через зовнішній контур. Комутатор змінює напрямок струму в обмотці ротора при його обертанні, щоб він створював змінний струм (ЗС).

Частини ротора та діаграма

Ротор складається з чотирьох основних частин: сердечника, обмотки, комутатора та вала. Діаграма ротора показана нижче.

Втрати в роторі

Ротор електричної машини піддається різноманітним типам втрат, які зменшують його ефективність і продуктивність. Основні типи втрат в роторі:

• Втрати в меді: Це втрати потужності через опір обмотки ротора. Вони пропорційні квадрату струму ротора і можуть бути зменшені за допомогою товстіших дротів або паралельних шляхів. Втрати в меді можна обчислити за формулою:

де Pc — втрати в меді, Ia — струм ротора, Ra — опір ротора.

• Втрати вихрових струмів: Це втрати потужності через вихрові струми, що індукуються в сердечнику ротора. Ці струми викликаються зміною магнітного потоку і виробляють тепло та магнітні втрати. Втрати вихрових струмів можна зменшити, використовуючи ламіновані матеріали сердечника або збільшуючи повітряний зазор. Втрати вихрових струмів можна обчислити за формулою:

де Pe — втрати вихрових струмів, ke — константа, що залежить від матеріалу сердечника та форми, Bm — максимальна густина магнітного потоку, f — частота зворотнього ходу потоку, t — товщина кожного ламелі, V — об'єм сердечника.

• Втрати гістерезису: Це втрати потужності через повторне намагнічування та демагнічування сердечника ротора. Цей процес викликає тертя та тепло в молекулярній структурі матеріалу сердечника. Втрати гістерезису можна зменшити, використовуючи м'які магнітні матеріали з низькою коерцитивністю і високою проникністю. Втрати гістерезису можна обчислити за формулою:

де Ph — втрати гістерезису, kh — константа, що залежить від матеріалу сердечника, Bm — максимальна густина магнітного потоку, f — частота зворотнього ходу потоку, V — об'єм сердечника.

Загальні втрати в роторі можна отримати, додаючи ці три види втрат:

Ефективність ротора можна визначити як відношення вихідної потужності до вхідної потужності ротора:

де ηa — ефективність ротора, Po — вихідна потужність, Pi — вхідна потужність ротора.

Проектування ротора

Проектування ротора впливає на продуктивність та ефективність електричної машини. Деякі фактори, що впливають на проектування ротора:

• Кількість пазів: Пази використовуються для розміщення обмотки ротора та надання механічної підтримки. Кількість пазів залежить від типу обмотки, кількості полюсів та розміру машини. Загалом, більше пазів призводить до кращого розподілу потоку і струму, нижчого реактивного опору та втрат, та більш гладкого моменту. Однак, більше пазів також збільшує вагу та вартість ротора, зменшує простір для ізоляції та охолодження, та збільшує протікання потоку та реакцію ротора.

• Форма пазів: Пази можуть бути відкритими або закритими, залежно від того, чи вони відкриті для повітряного зазору чи ні. Відкриті пази легші для обмотки та охолодження, але збільшують релютанс та протікання потоку в повітряному зазорі. Закриті пази важчі для обмотки та охолодження, але зменшують релютанс та протікання потоку в повітряному зазорі.

• Тип обмотки: Обмотка може бути обмоткою з лапами або хвильовою, залежно від того, як спаяні котушки з сегментами комутатора. Обмотка з лапами підходить для машин з високим струмом та низькою напругою, оскільки вона надає кілька паралельних шляхів для струму. Хвильова обмотка підходить для машин з низьким струмом та високою напругою, оскільки вона надає серійне з'єднання котушок та сумує напруги.

• Розмір провідника: Провідник використовується для проведення струму в обмотці ротора. Розмір провідника залежить від густини струму, яка є відношенням струму до площі поперечного перерізу. Більша густина струму призводить до більших втрат в меді та підвищення температури, але меншої вартості та ваги провідника. Меньша густина струму призводить до менших втрат в меді та підвищення температури, але більшої вартості та ваги провідника.

• Довжина повітряного зазору: Повітряний зазір — це відстань між полюсами статора та ротора. Довжина повітряного зазору впливає на густину потоку, релютанс, протікання потоку та реакцію ротора в машині. Менший повітряний зазір призводить до більшої густини потоку, нижчого релютансу, нижчого протікання потоку та більшої реакції ротора. Більший пов