Конструкция индукционного двигателя

Чтобы сделать правильный выбор, необходимо знать принцип работы и наиболее распространенные типы индукционных двигателей.

Индукционные двигатели выпускаются в широком диапазоне размеров и типов, некоторые из которых определяются, исходя из проектных ограничений, а другие - в результате договоренностей между пользователем и производителем. Как правило, основные факторы, влияющие на конструкцию двигателя, - это необходимая защита (например, корпус), номинальная мощность установки (лошадиные силы [л.с.] / обороты в минуту [об/мин] / напряжение) и то, как двигатель соединяется с приводным оборудованием (вертикально или горизонтально, удлинение вала). К тому же, практические все двигатели состоят из одних и тех же основных компонентов, включая кожух, корпус, обмотку статора, ротор в сборе с валом, подшипниками и соответствующими консольными опорами, а также различные точки подключения и вспомогательные детали.

 

Кожухи

 

Помимо размеров и особенностей монтажа, кожух также оказывает влияние на внешний вид двигателя, его конструкцию и общие акустические характеристики. Для небольших двигателей выбор обычно сводится к кожухам, которые являются неотъемлемой частью корпуса и опор подшипников; как правило, это двигатели закрытого типа с вентиляторным охлаждением (TEFC), без вентиляторного охлаждения (TENV) и каплезащищенные двигатели открытого типа (ODP). Для двигателей среднего размера можно использовать такие же кожухи, а также кожухи, требующие отдельных узлов, включая внешние воздушные колпаки, которые обеспечивают защиту, например, от атмосферных воздействий (степень защиты I и II), а иногда - охлаждение водяной рубашкой. Для больших двигателей, за исключением TEFC и ODP (которые применяются достаточно редко), можно использовать вышеуказанные кожухи и требующие отдельных узлов крепления к корпусу и/или опорам подшипников. Дополнительные варианты кожухов для больших двигателей: кожухи полностью закрытого типа с охлаждением воздух/воздух, (TEAAC/CACA), полностью закрытого типа с охлаждением вода/воздух (TEWAC), полностью закрытого типа с вентиляцией через трубу (TEPV) и несколько других специально разработанных конструкций.  В двигателях, работающие с переменной скоростью, можно использовать системы принудительной вентиляции (например, внешние воздуходувки или вентиляторы с независимым приводом), которые обеспечивают подачу вентиляционного воздуха по мере необходимости. Почти все кожухи также снабжены внутренними перегородками, которые могут направлять воздушный поток в двигатель и защищать от загрязнений. Помимо основных функций кожухов, которые включают защиту от внешних воздействий и помощь в охлаждении двигателя, на двигателях средних и больших размеров обычно имеются разные крышки, предназначенные для обеспечения доступа к таким элементам, как нагревательные приборы и средства контроля воздушного зазора.

 

Корпусы

 

Как правило, корпусы соединяют различные узлы двигателей и крепят двигатель к его основанию с опорами (горизонтальные машины) или поддерживают вес опоры верхнего подшипника (вертикальные машины). Для небольших двигателей корпусы изготавливают из чугуна, алюминия и прокатной стали. Для двигателей общего назначения чаще всего используют серый чугун, а в областях применения с частыми ударными нагрузками - высокопрочный чугун. В зависимости от размера и кожуха, для двигателей среднего размера могут использоваться чугунные или сборные стальные конструкции. Корпусы двигателей большого размера почти всегда изготавливают из стали, при этом требуется снятие напряжений перед окончательной механической обработкой. Конечная функция корпусов двигателей - удержание на месте статора с обмоткой, что можно осуществить такими методами, как горячая посадка, плотная посадка с последующей сваркой или соединением штифтами, а в некоторых крупных двигателях имеется шихтованный сердечник статора, установленный в одно целое с корпусом.

 

Изображение 1. Установленный двигатель закрытого типа с вентиляторным охлаждением среднего размера (изображения предоставлены компанией designmotors).

 

Статоры с обмоткой

 

Статор содержит шихтованный сердечник из электротехнической стали, который удерживает обмотки двигателя и редко виден снаружи. Помимо различных типов скрепления пластин статора под давлением, статоры могут быть со всыпной обмоткой (для низкого напряжения) и с шаблонной обмоткой (для среднего и высокого напряжения). Двигатели небольшого размера почти всегда выпускаются со всыпной обмоткой, а пластины сердечников обычно скрепляются сваркой, скобами или, в редких случаях, специальными клеями. Двигатели средних размеров могут быть со всыпной или шаблонной обмоткой, пластины сердечников скрепляются сваркой, скобами и иногда с помощью стяжки, которая включает в себя стальные стержни, приваренные к подкладным пластинам на каждом конце сердечника статора. Большие двигатели выпускаются с шаблонной обмоткой, шихтованными сердечниками, скрепленными с помощью стяжки, креплением к корпусу типа "ласточкин хвост", конструкцией сквозного стержня, и могут дополнительно иметь свои собственные пластинчатые круги, сделанные из цельных заготовок или сегментированных пластин в соответствии с диаметром.

 

Изображение 2. Цельная пластина сердечника статора для двигателя небольшого размера.

 

Изображение 3. Сегментированная пластина сердечника статора для двигателя большого размера.

 

Роторы

Конструкция ротора зависит от размера двигателя, области применения, ориентации монтажа и предпочтений производителя/пользователя. Все роторы будут содержать проводники (короткозамкнутый или фазный тип ротора), размещенные в шихтованном сердечнике и установленные на валу или другом механизме для передачи крутящего момента между двигателем и нагрузкой. Короткозамкнутые роторы для двигателей небольшого и среднего размера обычно изготавливают из литого алюминия; в некоторых областях применения иногда требуется использовать стержни и короткозамыкающие кольца из литейных медных сплавов. В больших двигателях почти всегда используют короткозамкнутые роторы из медных сплавов, некоторые производители также предлагают алюминиевые конструкции. Пазы и стержни роторов могут быть разных форм. В небольших двигателях специально рассчитывают форму для оптимизации пусковых и эксплуатационных характеристик, в больших двигателях используют стержни прямоугольного сечения, иногда модифицированные для улучшения характеристик. Короткозамыкающие кольца обычно отлиты на концах сердечника ротора в двигателях небольшого и среднего размера и припаяны на концах или под стержнями ротора в больших двигателях.

 

Валы выполняют несколько функций для двигателя, включая монтаж сердечника ротора, обеспечение опор подшипников, движение вентиляторов для создания воздушного потока и передачу крутящего момента на приводное оборудование. Как правило, валы двигателей представляют собой цельную деталь с цилиндрическим, шпоночным соединением, кроме того, выпускаются полые валы (для насосов), валы с фланцевым креплением (для больших поршневых компрессоров), шлицевые валы и иногда конические валы с бесключевым соединением для областей применения, требующих высоких скоростей. В зависимости от размера и области применения валы изготавливают из цельных заготовок или кованых круглых профилей, иногда с дополнительными поперечными стержнями из углеродистой стали, которые перекрывают разницу между внешним диаметром вала и внутренним диаметром сердечника ротора на двигателях среднего и большого размера. Роторы всегда оснащаются специальными элементами для балансировки узла, которые могут быть на вентиляторах охлаждения, поперечных стержнях или короткозамыкающих кольцах.

 

Подшипники и монтаж

 

Для поддержания веса и облегчения вращения роторов двигателям необходимы подшипники между роторными узлами и неподвижными компонентами. В зависимости от размера, скорости и области применения двигателя используются антифрикционные подшипники (подшипники качения), втулочные подшипники (обычно с баббитовой заливкой) или самоустанавливающиеся сегментные подшипники (для больших вертикальных или высокоскоростных горизонтальных машин). В двигателях небольшого и среднего размера (вертикальных и горизонтальных) обычно используют антифрикционные подшипники с консистентной смазкой. В больших двигателях можно использовать антифрикционные подшипники с консистентной смазкой, но втулочные подшипники с масляной смазкой чаще используют в больших вертикальных машинах, которые обычно имеют верхние упорные подшипники с масляной смазкой, а также нижний направляющий подшипник - антифрикционный или втулочный. Масляная смазка редко используется в подшипниках качения, поскольку обычно требует больше обслуживания, чем консистентная.

 

Подшипники способны переносить вес ротора на корпус двигателя с помощью консольных опор (также называемых подшипниковыми щитами, торцовыми щитами и корпусами подшипников) и имеют свою камеру, закрытую крышкой (которую иногда называют сепаратором подшипника). Чаще всего опоры подшипников изготавливают из чугуна, но для больших или специализированных двигателей могут использовать либо полностью круглые, либо полукруглые сборные стальные узлы. В вертикальных двигателях нижние опоры служат для выравнивания и соединения с основанием двигателя, в верхние опоры заключается упорный подшипник в сборе. В больших вертикальных двигателях в масляной ванне верхней опоры часто имеются охлаждающие змеевики для поддержания постоянной температуры масла, в дополнение к стоячим трубам, которые предотвращают утечку масла в двигатель. И наконец, в зависимости от кожуха опоры могут иметь вентиляционные каналы, могут быть полностью закрытыми или иметь охлаждающие ребра для рассеивания тепла.

 

Изображение 4. Опора верхнего подшипника с охлаждающим змеевиком, самоустанавливающимся сегментным подшипником и трубой в процессе обслуживания.

 

Клеммные коробки и сборка

 

Помимо конструктивных узлов двигателя существуют также клеммные коробки для подсоединения силовых и вспомогательных проводов, а также вспомогательного оборудования, необходимого конечному пользователю. Выводы обмотки статора выходят из корпуса и обеспечивают безопасное и простое подключение. Выводы почти всегда располагаются в основной клеммной коробке, размер которой соответствует электротехническим нормам и правилам, куда также устанавливаются необходимые вспомогательные устройства (трансформаторы тока, трансформаторы напряжения, молниеотводы и др.). Клеммные коробки изготавливают из чугуна или свариваемой стали и монтируют на корпусе двигателя. Также часто используют вспомогательные клеммные коробки для подключения таких элементов, как термометры сопротивления, вибродатчики и нагревательные приборы. Существует бесчисленное количество вспомогательных элементов для двигателей, включая элементы смазки подшипников, датчики температуры, вибродатчики, нагревательные приборы и индикаторы утечки воды. Все они могут быть указаны в спецификации, которая утверждается пользователем и производителем.

 

Хотя все двигатели содержат одну и ту же группу устройств для преобразования электрической энергии в механическую, их конструкция может отличаться. От кожухов, защищающих и охлаждающих двигатель, до роторов, от которых зависит балансировка, различия в конструкции двигателя играют решающую роль в покупке, эксплуатации и техническом обслуживании этих машин.

 

С автором можно связаться по эл. почте blake@designmotors.net или по телефону 612-808-9913.

 

Дополнительная информация представлена на сайте www.designmotors.net.