Улучшение пусковых свойств асинхронных двигателей находится под постоянным вниманием специалистов, занимающихся асинхронным электроприводом. Одним из перспективных конструктивных решений является асинхронный трехфазный двигатель с массивным ферромагнитным или двухслойным ротором. Известны специфические качественные показатели асинхронного двигателя с массивным ротором – хорошие пусковые характеристики, практически отсутствие зубцовой пульсации вращающего момента, высокое электрическое сопротивление роторной цепи. Однако эти двигатели имеют низкие энергетические показатели при номинальной нагрузке. Асинхронные двигатели с двухслойным ротором представляют собой модификацию асинхронного двигателя с массивным ротором и имеют по сравнению с ними приемлемые потери при номинальной мощности и сохраняют хорошие пусковые свойства.
Двухслойный ротор представляет собой полый массивный ферромагнитный цилиндр, выполненный из материала с оптимальным значением магнитной проницаемости, насаженный на цилиндр, набранный из листов обычной электротехнической стали, у которой магнитная проницаемость значительно больше магнитной проницаемости материала цилиндра (рис. 1).
Толщина массивного цилиндра приблизительно равна высоте зубца обычного короткозамкнутого ротора. В области больших скольжений электромагнитные процессы в двухслойном роторе не отличаются от электромагнитных процессов в массивном роторе.
Это объясняется тем, что при больших скольжениях глубина проникновения электромагнитной волны в тело ротора меньше толщины массивного цилиндра (рис.1,а).
В этом случае в шихтованный цилиндр магнитное поле не проникает и он не оказывает влияния на работу двигателя. Следовательно, двигатель с двухслойным ротором, как и двигатель с массивным ротором, будет иметь большой начальный пусковой момент при малом начальном пусковом токе, а также малые потери энергии при пуске.
Рис. 1 — Конструкция ротора асинхронного двигателя с двухслойным ротором: 1 – рабочий цилиндр; 2 – шихтованный сердечник; 3 – короткозамыкающее кольцо; 4 – вал.
В области малых скольжений, когда глубина проникновения электромагнитной волны в тело ротора станет больше толщины массивного цилиндра, работа электродвигателя с двухслойным ротором будет отличаться от работы двигателя с массивным ротором (рис.1,б). Основное магнитное поле в этом случае будет смещено в шихтованную часть, так как магнитное сопротивление ее много меньше, чем магнитное сопротивление массивного рабочего цилиндра. Вследствие этого в массивном цилиндре возрастет нормальная составляющая и уменьшится тангенциальная составляющая магнитной индукции. Увеличение нормальной составлявшей магнитной индукции основного магнитного поля приведет к увеличению ЭДС в массивном цилиндре и, следовательно, вращающего момента двигателя при прочих равных условиях. Таким образом, жесткость механической характеристики возрастет, что приведет к повышению КПД двигателя.
Уменьшение тангенциальной составляющей магнитной индукции основного поля в массивном цилиндре, обусловленное вытеснением поля из области с большим магнитным сопротивлением в область с малым магнитным сопротивлением, приведет к уменьшению намагничивающего тока и, следовательно, к увеличению сosφ.
В короткозамкнутых асинхронных двигателях общего назначения паз ротора, как правило, имеет овальное сечение и заливается алюминием. Известно, что такие обмотки не всегда обеспечивают требуемые пусковые характеристики, поэтому с целью улучшения пусковых свойств применяются роторы специального исполнения: с литой двойной клеткой, с обычной клеткой и заливкой сплавами алюминия с большим удельным электрическим сопротивлением, со сварной двойной клеткой и различными материалами клеток и т.д.
Рис. 2 - Механические характеристики АД с различными роторами: 1 – ротор без вытеснения тока в клетке; 2 – ротор с двойной клеткой; 3 – ротор с глубоким пазом; 4 – двухслойный ротор
Для сравнительной оценки на рис.2 приведены механические характеристики асинхронного двигателя с различными роторами. Как видно, применение роторов с двойной клеткой или с глубоким пазом не решает полностью проблемы пуска асинхронных двигателей. Кроме того, из–за увеличения пазового рассеяния ротора эти двигатели имеют меньший cosφ при номинальной нагрузке (на 4…6%) и меньшую перегрузочную способность (на 15….25%) по сравнению с двигателем, у которого отсутствует эффект вытеснения тока.
Замена ротора с двойной клеткой двухслойным приводит примерно при том же начальном пусковом токе к увеличению начального пускового момента в среднем в 2,5 раза (рис.2). Добротность пуска двигателя с двухслойным ротором выше в 2…2,5 раза добротности пуска двигателя с двойной клеткой или глубоким пазом ротора и в 3….4 раза по сравнению с двигателем с обычной клеткой ротора без вытеснения тока.
Исходя из опыта эксплуатации, а также положительных качеств двигателей с двухслойным ротором можно рекомендовать их применение в следующих случаях:
— в электроприводах повторно – кратковременного режима работы и в электроприводах с частыми пусками. Исследования показали, что двигатели с двухслойным ротором допускают число пусков подряд 3….5 раз больше, чем двигатели с короткозамкнутым ротором, поэтому они могут обеспечить более высокую надежность работы и более высокую производительность механизма;
— в электроприводах продолжительного режима работы, но с тяжелыми пусками. Это относится к приводам, питание которых осуществляется через длинные линии с повышенным падением напряжения, а также к автономным электроэнергетическим системам, где мощность двигателей соизмерима с мощностью генераторов;
— в электроприводах, требующих большого начального пускового момента и стоянки под током короткого замыкания.
