Рано или поздно человек, интересующийся электротехникой, слышит упоминания о роторе и статоре, и задается вопросом: «Что это такое, и в чем отличие этих устройств?» Простыми словами, ротор и статор – это две основные части, расположенные в электродвигателе (устройстве по преобразованию электрической энергии в механическую). Без них существование современных двигателей, а значит и большинства электрических приборов на их основе, было бы невозможным. Статор является неподвижной частью устройства, а ротор – подвижной, они вращаются в разные стороны относительно друг друга. В этой статье мы подробно разберем конструкцию этих деталей и их принцип действия, чтобы после прочтения статьи у читателей сайта Сам Электрик больше не осталось вопросов по данному поводу.
Ротор, еще его иногда называют якорь, это подвижная, то есть вращающаяся часть в генераторе или электродвигателях, которые повсеместно применяются в бытовой и промышленной технике.
Если рассматривать ротор двигателя постоянного тока или универсального коллекторного двигателя, то он состоит из нескольких основных узлов, а именно:
- 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. Вокруг сердечника особым образом намотана медная проволока, покрытая лаковой изоляцией для предотвращения появления короткозамкнутых витков, которые недопустимы. Вся обмотка дополнительно пропитана эпоксидной смолой или лаком для фиксации обмоток, чтобы они не повреждались при вибрациях от вращения.
- Обмотки ротора могут подключаться к коллектору – специальному блоку с контактами, надежно закрепленному на валу. Эти контакты называются ламелями, они выполнены из меди или ее сплава для лучшей передачи электрического тока. По нему скользят щетки, обычно выполненные из графита, и в нужный момент на обмотки подается электрический ток. Это называется скользящий контакт.
- Сам вал является металлическим стержнем, на его концах расположены посадочные места под подшипники качения, он может иметь резьбу или выемки, пазы под шпонку для крепления шестерен, шкивов или других деталей, приводимых в движение электродвигателем.
- На валу также размещается крыльчатка вентилятора, чтобы двигатель охлаждал сам себя и не приходилось бы устанавливать дополнительное устройство для отвода тепла.
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. А у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором обмоток в привычном виде вовсе нет, вместо них используются короткозамкнутые металлические стержни, но об этом ниже.
Что такое статор
Статор – это неподвижная часть в электродвигателе. Обычно он совмещен с корпусом устройства и представляет собой цилиндрическую деталь. Он так же состоит из множества пластин для уменьшения нагрева из-за токов Фуко, в обязательном порядке покрытых лаком. На торцах располагаются посадочные места под подшипники скольжения или качения.
РОТОР НЕ ВСЕГДА ЯКОРЬ или «маленький ликбез благодаря википедической премудрости»
Конструкция называется пакет статора, она впрессовывается в чугунный корпус устройства. Внутри этого цилиндра вытачиваются пазы под обмотки, которые, так же как и для ротора, пропитываются специальными составами, чтобы тепло равномернее распределялось по устройству, и обмотки не терлись друг об друга от вибрации.
Обмотки статора могут подключаться разными способами в зависимости от назначения и типа электрической машины. Для трехфазных электродвигателей применимы типы подключения звезда и треугольник. Они представлены на схеме:
Для выполнения подключений на корпусе устройства предусмотрена специальная распределительная коробка («борно»). В эту коробку выведены начала и концы трех обмоток и предусмотрены специальные клеммники различных конструкций, в зависимости от мощности и назначения машины.
Существуют серьезные отличия в работе двигателей при разном соединении обмоток. Например, при подключении звездой двигатель будет стартовать плавнее, однако нельзя будет развить максимальную мощность. При присоединении треугольником, электродвигатель будет выдавать весь крутящий момент, заявленный производителем, но пусковые токи в таком случае достигают высоких значений. Электросеть может быть просто не рассчитана на такие нагрузки. Использование устройства в этом режиме чревато нагревом проводов, и в слабом месте (это места соединения и разъемы) провод может отгореть и привести к пожару. Главным преимуществом асинхронных двигателей является удобство в смене направления их вращения, нужно просто поменять местами подключения двух любых обмоток.
Виды преобразователей
Почему так важно рассмотреть виды, чтобы понять, чем отличается статор электродвигателя от подвижной его части. Все дело в том, что конструктивных особенностей у электродвижков немало, то же самое касается и генераторов (это преобразователи механической энергии в электрическую, электродвигатели имеют обратную функциональность).
Итак, электрические двигатели делятся на аппараты переменного и постоянного тока. Первые в свою очередь разделяются на синхронные, асинхронные и коллекторные. У первых угловая скорость вращения статора и ротора равны. У вторых два эти показателя неравны. У коллекторных видов в конструкции присутствует так называемый преобразователь частоты и количества фаз механического типа, который носит название коллектор. Отсюда и название агрегата. Именно он напрямую связан с обмотками ротора двигателя и его статора.
Машины постоянного тока на роторе имеют тот же коллектор. Но в случае с генераторами он выполняет функции преобразователя, а в случае с электродвигателями функции инвертора.
Если электрический агрегат – это машина, в которой вращается только ротор, то его название – одномерный. Если в нем вращаются в противоположные стороны сразу два элемента, то этот аппарат носит название двухмерный или биротативный.
Асинхронные электродвигатели
Чтобы разобраться в понятиях ротора двигателя и его статора, необходимо рассмотреть один из видов электрических преобразовательных машин. Так как асинхронные электродвижки используются чаще всего в производственном оборудовании и бытовой техники, то стоит рассмотреть именно их.
Итак, что собой представляет 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.
Ротор в свою очередь – это цилиндр, собранный из стальных листов (сталь штампованная электротехническая), и насажанный на стальной вал, который в свою очередь при сборке электрического движка устанавливается в подшипники. В зависимости от того, как собраны фазные обмотки агрегата, роторы двигателя могут быть фазными или короткозамкнутыми.
- Фазный ротор – это цилиндр, на котором собраны катушки, сдвинутые относительно друг друга на 120º. При этом в его конструкцию установлены три контактных кольца, которые не соприкасаются ни с валом, ни между собой. К кольцам присоединены с одной стороны концы трех обмоток, а с другой графитовые щетки, которые относительно колец располагаются в скользящем контакте. Пример такой машины – это крановые электродвигатели с фазным ротором.
- Короткозамкнутый ротор собирается из медных стержней, которые укладываются в пазы. При этом их соединяют специальным кольцом, изготовленном из меди.
Конструкция электродвигателя
Центральный процесс функционирования электрического двигателя постоянного тока (коротко ДПТ) – нагнетание крутящего момента за счет напряжения, подаваемого на роторные катушки. Процесс становится возможным благодаря 4 конструктивным элементам:
- коллектору;
- щеточному механизму (2 щетки + 2 пластины/ламели);
- ротору электрического двигателя (якорь, в синхронном двигателе имеет 1 обмотку);
- статору, на котором устанавливаются магниты (в электродвигателях постоянного тока – постоянные).
Ротор
Ротор – подвижный элемент электрического двигателя, запускаемый магнитным полем, совершает вращательные движения вместе с валом. Имеет минимум 3 зуба, один из которых стабильно попадает в область подключения.
Коллектор электродвигателя
Ротор переключается автоматически. За эту функцию отвечает коллектор – конструкция из двух ламелей, закрепленных на роторном валу и двух щеток, выполняющих функцию токосъемных контактов (обеспечивают подачу постоянного тока на ламели). Принцип работы такой:
- ротор вращается, меняя направление тока;
- когда якорь совершает поворот на 180 градусов, ламели меняются местами;
- при смене позиций пластин меняется и направление тока, и (соответственно) полюсы магнита;
- одноименные полюсы, подчиняясь законам физики, взаимно отталкиваются – катушка вращается, ее полюсы притягиваются к противоположным полюсам на другой стороне магнита.
Статор электрического двигателя
Статор – стационарный или неподвижный блок электродвигателя. Другое название – индуктор. Он включает несколько обмоток со сменяемой полярностью (при прохождении переменного тока), что и обеспечивает образование магнитного поля. В большинстве случаев статор имеет 2 пары основных полюсов, но может включать и вспомогательные для лучшего переключения ротора на коллекторе.
Принцип работы электрического двигателя
Принцип работы электродвигателя построен на процессах взаимного притяжения и отталкивания одно- и разноименных полюсов магнитов на роторе (находится в движении) и статоре (его магнит неподвижен). В самой простой сборке электродвигателя постоянного тока в роли ротора выступает катушечный узел, а индуктором – сам магнит.
Магнитное поле обеспечивает высокую эффективность работы с одним уточнением, которое формирует сложности устройства механизма. Для обеспечения постоянного движения якоря нужно добиться автоматической смены его полюсов (чтобы притянувшись к противоположному полюсу неподвижного магнита, он сразу менял собственный полюс). Это единственный способ исключить «замирание» якоря и обеспечить его безостановочное движение под действием магнитного поля и инерции.
Магнитное поле электродвигателя
Принцип работы статорного электродвигателя (также называется индукционным) тоже основан на формировании магнитного поля статора. Оно образуется во время прохождения токов через его обмотки. Это поле (вращающееся магнитное) формирует магнитное поле ротора через индукцию токов в обмотках его проводников.
Оно же (статорное поле) создает собственный магнитный поток, при этом наблюдается пропорциональная связь:
- магнитное поле статора пропорционально электронапряжению в сети;
- магнитный поток, создаваемый вращающимся полем, пропорционален току.
Характеристики поля статора зависят от токов, проходящих через обмотки, и числа обмоток фаз. Магнитное поле ротора, в свою очередь, тоже формирует поток, движущийся медленнее потока статора. Оба потока (статора и якоря) взаимно притягиваются, принуждая ротор совершать вращательные движения.
Так возникает крутящий момент – тот самый ключевой процесс, ради которого собирается вся конструкция электродвигателя. Учитывая роль статора и ротора в работе электродвигателя переменного тока, несложно заключить, что именно эти 2 элемента имеют самое большое значение в его сборке.
Принцип действия электродвигателей
Индукционные электродвигатели состоят из ротора и статора.
Токи в обмотках статора создаются фазовым напряжением, которое приводит в движение индукционный электродвигатель. Эти токи создают вращающееся магнитное поле, которое также называется полем статора. Вращающееся магнитное поле статора определяется токами в обмотках и количеством фазных обмоток.
Вращающееся магнитное поле формирует магнитный поток. Вращающееся магнитное поле пропорционально электрическому напряжению, а магнитный поток пропорционален электрическому току.
Вращающееся магнитное поле статора движется быстрее ротора, что способствует индукции токов в обмотках проводников роторов, в результате чего образуется магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора формируют свои потоки, эти потоки будут притягиваться друг к другу и создавать вращающий момент, который заставляет ротор вращаться. Принципы действия индукционного электродвигателя представлены на иллюстрациях справа.
Таким образом, ротор и статор являются наиболее важными составляющими индукционного электродвигателя переменного тока. Они проектируются с помощью САПР (системы автоматизированного проектирования). Далее мы подробнее поговорим о конструкции ротора и статора.
Статор элетродвигателя
Статор — это неподвижный электрический компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых всё время меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.
Все статоры устанавливаются в раму или корпус. Корпус статора электродвигателей Grundfos для электродвигателей мощностью до 22 кВт чаще всего изготавливается из алюминия, а для электродвигателей с большей мощностью — из чугуна. Сам статор устанавливается в кожухе статора. Он состоит из тонких пластин электротехнической стали, обмотанных изолированным проводом. Сердечник состоит из сотен таких пластин. При подаче питания переменный ток проходит по обмоткам, создавая электромагнитное поле, перпендикулярное проводникам ротора. Переменный ток (AC) вызывает вращение магнитного поля.
Изоляция статора должна соответствовать требованиям IEC 62114, где приведены различные классы защиты (по уровням температуры) и изменения температуры (AT). Электродвигатели Grundfos имеют класс защиты F, а при увеличении температуры — класс B. Grundfos производит 2-полюсные электродвигатели мощностью до 11 кВт и 4-полюсные электродвигатели мощностью до 5,5 кВт. Более мощные электродвигатели Grundfos закупает у других компаний, уровень качества продукции которых соответствует принятым в Grundfos стандартам. Для насосов, в основном, используются статоры с двумя, четырьмя и шестью полюсами, так как частота вращения вала электродвигателя определяет давление и расход насоса. Можно изготовить статор для работы с различными напряжениями, частотами и мощностями на выходе, а также для переменного количества полюсов.
Виды роторов электрических двигателей
В зависимости от области применения роторы бывают двух типов – короткозамкнутые и фазные.
Короткозамкнутые
Чаще всего встречаются электрогенераторы с короткозамкнутым ротором.
- простота устройства;
- несложная производственная технология;
- отсутствие динамических контактов, обеспечивающее простоту обслуживания и его редкое проведение;
- меньшая стоимость по сравнению с фазным ротором.
В устройство короткозамкнутого ротора входит цилиндр с пазами, в которые монтируются стержни из электролитический Cu или Al. Концы стержней соединяются между собой в кольцо. Обмотки отсутствуют. Такую модификацию, напоминающую колесо для белок, называют «беличьей клеткой».
Вращение короткозамкнутого ротора обеспечивает магнитное поле статора. Стабильность магнитного поля в роторе достигается благодаря конструктивной особенности: стержни располагают параллельно между собой, но с уклоном к оси вращения.
Фазный
В устройство фазного ротора входят катушки с сердечником, располагаемые друг относительно друга под углом 120°. Концы проводов от катушек выводятся к пластинам коллектора.
Виды электродвигателей в зависимости от характеристик питающего тока
В зависимости от типа электропитания разделяют моторы постоянного и переменного тока.
Двигатели постоянного тока
Магнитное поле статора в этом случае создают постоянные стационарно зафиксированные магниты или электромагниты, оснащенные обмотками возбуждения. Якорная обмотка вмонтирована в вал, который, закреплен в подшипниках, благодаря этой конструктивной особенности вал легко оборачивается вокруг собственной оси. Обмотка включает две последовательно соединенные секции.
Агрегаты постоянного тока, используемые в промышленном оборудовании, имеют более сложное устрой ство. Якорная обмотка разделена более чем на две части. Каждая секция расположена на своем полюсе. Число контактных площадок соответствует числу секций обмоток.
Электродвигатели переменного тока
Отличие этих электрических машин – использование для работы тока, периодически меняющего свой знак с определенной частотой. В России промышленная частота тока составляет 50 Гц. Статор в таких двигателях изготавливается в виде магнитопровода из ферромагнитных пластин с выемками для размещения витков обмоток.
Что такое ротор?
Как уже отмечалось, основной характеристикой данного компонента электрических двигателей является его подвижность. По сути, он вращается вокруг неподвижного основания под действием магнитного поля. В литературе и быту данное устройство еще принято называть якорем. Конструктивно ротор состоит из следующих составных частей:
- Сердечник. Он выполнен по тому же принципу, что и аналогичный компонент в трансформаторах, то есть из отдельных, предельно тонких, металлических пластин, разделенных между собой диэлектрическим материалом. Это сделано для повышения практичности, меньшего нагрева, соответственно, потерь электричества, повышения КПД. Можно еще вспомнить токи Фуко, как паразитное явление. «Слоеность» сердечника позволяет нивелировать эту проблему.
- 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.
Что такое статор?
Статор – неподвижно закрепленное устройство, через которое проходит электрических ток, формируя магнитное поле. В большинстве случаев он крепится к корпусу электрического двигателя – так проще и надежнее с практической точки зрения. Статор конструктивно выполнен по аналогии (с небольшими уточнениями на специфику) с ротором. То есть он имеет сердечник, состоящий из отдельных надежно изолированных пластиночек из-за тех же токов Фуко и снижения пути «разгона» для электронов, что уменьшает потери. Присутствуют также обмотки, посадочные места на торцевых сторонах под размещение подшипников.
Частой и серьезной проблемой для электронщиков-ремонтников является выход из строя обмоток статора. Подобные проблемы случаются достаточно часто. Причинами выступают постоянные вибрации, избежать которых в полной мере технически невозможно. Как следствие, обмотки статора стараются изначально надежно зафиксировать. Для этого применяются различные составы, а также такой «хитрый» конструктивный прием как выемки в металлическом корпусе специально под обмотку.
Что такое обмотка статора?
Разберём, что такое обмотка статора и как она выглядит. Говоря простым языком это витки и катушки, соединённые между собой определённым образом. С её помощью создаётся магнитное поле и вырабатывается электрический ток.
При ремонте генератора может возникнуть вопрос, чем изолировать статор и для чего это необходимо. В промышленных масштабах для этого используют волокнистые, эмальволокнистые и эмалевые материалы. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки.
При ремонте статора не стоит забывать и о замене изоляции, если это необходимо. Что бы узнать, как это сделать или как правильно поменять поршневые кольца в автомобиле Вы можете найти информацию в интернете.
От чего зависит скорость вращения поля статора?
В заключении рассмотрим, от чего зависит скорость вращения поля статора в асинхронных машинах. Это значение будет индивидуально для каждого аппарата. На скорость вращения поля статора влияют два фактора: частота питающей сети и количество пар полюсов.
Работа статора генератора обеспечивает питание электрической сети автомобиля. Обращайте внимание на его работу и при появлении первых признаков возможных неполадок обращайтесь к специалистам.
