Wirnik (elektryczny) - Rotor (electric)

Wybór różnych typów wirników
Wirnik z generatora Hoover Dam

Wirnika porusza częścią składową elektromagnetycznego systemu w silnika elektrycznego , prądnicy lub alternatora . Jego obrót wynika z interakcji między uzwojeniami a polami magnetycznymi, które wytwarzają moment obrotowy wokół osi wirnika.

Wczesny rozwój

Wczesny przykład elektromagnetycznego obrotu była pierwszym obrotowym urządzenie zbudowane według Ányos Jedlik z elektromagnesów i komutatora , w 1826-27. Inni pionierzy w dziedzinie elektryczności to Hippolyte Pixii, który zbudował generator prądu przemiennego w 1832 roku, oraz skonstruowany przez Williama Ritchiego generator elektromagnetyczny z czterema cewkami wirnika , komutatorem i szczotkami , również w 1832 roku. Rozwój szybko objął bardziej przydatne aplikacje, takie jak Moritz Silnik Hermanna Jacobiego , który był w stanie podnieść 10 do 12 funtów z prędkością jednej stopy na sekundę, około 15 watów mocy mechanicznej w 1834 roku. W 1835 Francis Watkins opisuje elektryczną „zabawkę”, którą stworzył; jest powszechnie uważany za jednego z pierwszych, którzy rozumieją wymienność silnika i generatora .

Rodzaj i budowa wirników

Silniki indukcyjne (asynchroniczne), generatory i alternatory ( synchroniczne ) posiadają układ elektromagnetyczny składający się ze stojana i wirnika. Istnieją dwie konstrukcje wirnika w silniku indukcyjnym: klatkowy i uzwojony. W generatorach i alternatorach wirniki mają wystający biegun lub cylindryczny .

Wirnik klatkowy

Klatkowej składa się z laminowanej stali w rdzeniu z równomiernie rozmieszczonych prętów z miedzi lub aluminium, umieszczone osiowo na obwodzie zwarcia, trwale na końcach za pomocą pierścieni końcowych. Ta prosta i wytrzymała konstrukcja sprawia, że ​​jest to ulubione urządzenie do większości zastosowań. Montaż ma skręcenie: pręty są pochylone lub skośne, aby zredukować szum magnetyczny i harmoniczne szczeliny oraz zmniejszyć tendencję do blokowania. Umieszczone w stojanie zęby wirnika i stojana mogą się blokować, gdy są w równej liczbie, a magnesy ustawiają się równo od siebie, przeciwstawiając się obrotom w obu kierunkach. Łożyska na każdym końcu mocują wirnik w jego obudowie, z jednym końcem wału wystającym, aby umożliwić zamocowanie ładunku. W niektórych silnikach, jest przedłużeniem na non-driving końcu dla czujników prędkości lub innych elektronicznych urządzeń kontrolnych . Wytworzony moment obrotowy wymusza ruch przez wirnik na obciążenie.

Wirnik uzwojony

Wirnik jest cylindrycznym rdzeniem wykonanym z laminatu stalowego ze szczelinami do trzymania przewodów dla uzwojeń trójfazowych, które są równomiernie rozmieszczone pod kątem 120 stopni elektrycznych i połączone w konfiguracji „Y”. Zaciski uzwojenia wirnika są wyprowadzone i przymocowane za pomocą szczotek do trzech pierścieni ślizgowych na wale wirnika. Szczotki na pierścieniach ślizgowych umożliwiają szeregowe podłączenie zewnętrznych rezystorów trójfazowych do uzwojeń wirnika w celu zapewnienia kontroli prędkości. Rezystory zewnętrzne stają się częścią obwodu wirnika, wytwarzając duży moment obrotowy podczas uruchamiania silnika. Gdy silnik przyspiesza, rezystancje mogą zostać zredukowane do zera.

Wystający wirnik biegunowy

Wirnik to duży magnes z biegunami wykonanymi z blachy stalowej wystającymi z rdzenia wirnika. Bieguny zasilane są prądem stałym lub namagnesowane magnesami trwałymi . Zwora z uzwojeniem trójfazowym znajduje się na stojanie, gdzie indukowane jest napięcie. Prąd stały (DC), z zewnętrznego wzbudnicy lub z mostka diodowego zamontowanego na wale wirnika, wytwarza pole magnetyczne i zasila uzwojenia pola wirującego, a prąd przemienny jednocześnie zasila uzwojenia twornika.

Wirnik niewystający

Wirnik w kształcie walca jest wykonany z litego stalowego wału ze szczelinami biegnącymi wzdłuż zewnętrznej długości cylindra do podtrzymywania uzwojeń wzbudzenia wirnika, które są laminowanymi prętami miedzianymi włożonymi w szczeliny i jest zabezpieczony klinami. Szczeliny są izolowane od uzwojeń i utrzymywane na końcu wirnika za pomocą pierścieni ślizgowych. Zewnętrzne źródło prądu stałego (DC) jest połączone z koncentrycznie zamontowanymi pierścieniami ślizgowymi za pomocą szczotek biegnących wzdłuż pierścieni. Szczotki stykają się elektrycznie z obracającymi się pierścieniami ślizgowymi. Prąd stały jest również dostarczany poprzez bezszczotkowe wzbudzenie z prostownika zamontowanego na wale maszyny, który przekształca prąd przemienny w prąd stały.

Zasada działania

W trójfazowej maszynie indukcyjnej prąd przemienny dostarczany do uzwojeń stojana pobudza go do wytworzenia wirującego strumienia magnetycznego. Strumień generuje pole magnetyczne w szczelinie powietrznej między stojanem a wirnikiem i indukuje napięcie, które wytwarza prąd przez pręty wirnika. Obwód wirnika jest zwarty i prąd płynie w przewodach wirnika. Działanie strumienia obrotowego i prądu wytwarza siłę, która generuje moment obrotowy do uruchomienia silnika.

Wirnik alternatora składa się z cewki drucianej otoczonej żelaznym rdzeniem. Komponent magnetyczny wirnika jest wykonany z laminatów stalowych, aby pomóc w wytłaczaniu szczelin przewodów do określonych kształtów i rozmiarów. Gdy prądy przepływają przez cewkę drutu, wokół rdzenia powstaje pole magnetyczne, które określa się mianem prądu polowego. Siła prądu pola kontroluje poziom mocy pola magnetycznego. Prąd stały (DC) kieruje prąd wzbudzenia w jednym kierunku i jest dostarczany do cewki drutu za pomocą zestawu szczotek i pierścieni ślizgowych. Jak każdy magnes, wytworzone pole magnetyczne ma biegun północny i południowy. Normalnym, zgodnym z ruchem wskazówek zegara kierunkiem silnika, który napędza wirnik, można manipulować za pomocą magnesów i pól magnetycznych zainstalowanych w konstrukcji wirnika, dzięki czemu silnik może pracować w odwrotnej lub przeciwnej do ruchu wskazówek zegara .

Charakterystyka wirników

Ten wirnik obraca się z prędkością mniejszą niż wirujące pole magnetyczne stojana lub prędkość synchroniczna.
Poślizg wirnika zapewnia niezbędną indukcję prądów wirnika dla momentu obrotowego silnika, który jest proporcjonalny do poślizgu.
Wraz ze wzrostem prędkości wirnika poślizg maleje.
Zwiększenie poślizgu zwiększa indukowany prąd silnika, co z kolei zwiększa prąd wirnika, co skutkuje wyższym momentem obrotowym, co zwiększa zapotrzebowanie na obciążenie.
Ten wirnik pracuje ze stałą prędkością i ma niższy prąd rozruchowy
Rezystancja zewnętrzna dodana do obwodu wirnika, zwiększa moment rozruchowy
Sprawność pracy silnika poprawia się, ponieważ opór zewnętrzny zmniejsza się, gdy silnik przyspiesza.
Wyższy moment obrotowy i kontrola prędkości
Wirnik ten pracuje z prędkością poniżej 1500 obr/min (obroty na minutę) i 40% jego znamionowego momentu obrotowego bez wzbudzenia
Ma dużą średnicę i krótką długość osiową
Szczelina powietrzna jest niejednolita
Wirnik ma niską wytrzymałość mechaniczną
  • Wirnik cylindryczny
Wirnik pracuje z prędkością 1500-3000 obr/min
Ma dużą wytrzymałość mechaniczną
Szczelina powietrzna jest jednolita
Jego średnica jest niewielka, ma dużą długość osiową i wymaga wyższego momentu obrotowego niż wirnik z biegunem jawnym

Równania wirnika

Napięcie pręta wirnika

Obracające się pole magnetyczne indukuje napięcie w prętach wirnika, gdy nad nimi przechodzi. Równanie to dotyczy napięcia indukowanego w prętach wirnika.

gdzie:

= napięcie indukowane
= pole magnetyczne
=długość przewodu
=prędkość synchroniczna
= prędkość przewodu

Moment obrotowy w wirniku

Moment obrotowy wytwarzany jest przez siły wytwarzanej przez oddziaływania pola magnetycznego i prądu wyrażone przez dany: tamże

gdzie:

=siła
=moment obrotowy
=promień pierścieni wirnika
=pręt wirnika

Poślizg silnika indukcyjnego

Pole magnetyczne stojana wiruje z prędkością synchroniczną, ibid

gdzie:

= częstotliwość
= liczba biegunów

Jeżeli = prędkość wirnika, poślizg S dla silnika indukcyjnego jest wyrażony jako:

prędkość mechaniczna wirnika pod względem poślizgu i prędkości synchronicznej:

Względna prędkość poślizgu:

Częstotliwość indukowanych napięć i prądów

Zobacz też

Bibliografia