Silnik elektryczny indukcyjny (klatkowy)

Wprowadzenie

Silniki indukcyjne, znane również jako silniki asynchroniczne, są najczęściej stosowanym typem silnika elektrycznego w dzisiejszych czasach. Dzięki prostej konstrukcji, niskim kosztom i wysokiej niezawodności, silniki indukcyjne znajdują zastosowanie w szerokim zakresie aplikacji we wszystkich branżach inżynieryjnych.

Silnik indukcyjny

 

Typy/Konstrukcje

Istnieją dwa główne typy silników indukcyjnych: jednofazowe (1~) i trójfazowe (3~).

Konstrukcje silników indukcyjnych jednofazowych obejmują:

• Silniki indukcyjne z fazą rozdzieloną - stosowane w urządzeniach, gdzie częstotliwość rozruchu jest ograniczona, a moc nie przekracza 1 kW.
• Silniki indukcyjne z rozruchem kondensatorowym - używane w maszynach z większymi obciążeniami bezwładnościowymi i tych, które wymagają częstych rozruchów, np. przenośniki.
• Silniki indukcyjne z rozruchem i pracą kondensatorową - podobne zastosowania jak silniki z rozruchem kondensatorowym; dodatkowy kondensator jest zainstalowany na czas pracy silnika.
• Silniki indukcyjne z biegunem zacienionym – klasyczny silnik AC. Nadal używane w małych urządzeniach i tych, które wymagają niskiego momentu rozruchowego, np. gramofony, wentylatory projektorów, wentylatory kserokopiarek, suszarki do włosów itp.

Konstrukcje silników indukcyjnych trójfazowych obejmują:

• Silniki indukcyjne klatkowe - wybierane ze względu na ich trwałość i niskie wymagania konserwacyjne. Ta konstrukcja silnika indukcyjnego jest najczęściej spotykana. 
• Silniki indukcyjne pierścieniowe - zapewniają wysoki moment obrotowy i niski prąd rozruchowy; stosowane np. w windach, dźwigach i podnośnikach.

Chociaż silniki indukcyjne występują w wielu formach, ten artykuł koncentruje się na konstrukcji silnika indukcyjnego trójfazowego klatkowego, ponieważ jest to zdecydowanie najczęstszy typ silnika indukcyjnego.

Wskazówka - termin ‘indukcja’ odnosi się do faktu, że prąd elektryczny jest indukowany w klatce wirnika, gdy silnik jest w ruchu; różni się to od innych silników, gdzie prąd wirnika jest dostarczany z zewnętrznego źródła.

 

Podoba Ci się ten artykuł? Koniecznie sprawdź nasz Kurs wideo o silnikach indukcyjnych! Kurs zawiera quiz, podręcznik, a po ukończeniu kursu otrzymasz certyfikat. Miłej nauki!

 

Komponenty silnika indukcyjnego

 

Dwie główne części w silniku indukcyjnym to stojan i wirnik; stojan i wirnik są jednak zbudowane z mniejszych, indywidualnych komponentów.

Stojan

Stojan to nieruchoma część silnika i składa się z obudowy z rowkami oraz szeregu uzwojeń.

Uzwojenia stojana

Uzwojenia otrzymują trójfazowy prąd przemienny, co powoduje, że pole magnetyczne wokół każdego z uzwojeń rozszerza się i kurczy, gdy płynie prąd. Każde uzwojenie jest zasilane w parach i w sekwencji, aby wytworzyć wirujące pole magnetyczne. Uzwojenia stojana są zazwyczaj wykonane z miedzi, chociaż dostępne są inne materiały, np. aluminium.

Obudowa stojana

Stojan jest zbudowany przez układanie bardzo cienkich, wysoko przepuszczalnych blach stalowych wewnątrz stalowej lub żeliwnej ramy. Rama jest przykręcona do podłogi, a jej zewnętrzna część jest malowana i widoczna dla obserwatorów z zewnątrz. Typowe materiały konstrukcyjne ramy silnika obejmują różne gatunki stali i żeliwa.  

Wirnik

Wewnątrz stojana znajduje się solidny metalowy wał, blachy i klatka klatkowa; ten zespół jest znany jako wirnik i jest obracającą się częścią silnika.

Wał wirnika zazwyczaj ma długi i cienki kształt cylindryczny, ale zależy to od konstrukcji. Blachy stalowe, klatka klatkowa i łożyska są montowane na wale wirnika. Wały wirnika są zazwyczaj wykonane ze stali nierdzewnej, ponieważ jest trwała, mechanicznie wytrzymała i ma dobre właściwości odporności na korozję i erozję.

Wirnik silnika indukcyjnego

Klatka klatkowa to cylindryczna klatka, która pasuje wokół wału z prętami rozciągającymi się między jej dwoma końcami. Na obu końcach klatki klatkowej zamocowane są pierścienie końcowe, aby stworzyć krótkie zwarcie, przez które przepływa indukowany prąd. Klatki klatkowe są zazwyczaj wykonane z miedzi lub aluminium.

Klatka klatkowa silnika indukcyjnego

Cienkie blachy stalowe są wsuwane na pręty klatki klatkowej i ściskane między pierścieniami końcowymi; materiały blach wirnika są podobne do tych używanych do blach stojana. Blachy nie są ułożone idealnie prosto, ale są lekko skrzywione, aby zwiększyć moment obrotowy wytwarzany. Istnieje maksymalny stopień ‘skrzywienia’, jaki mogą przyjąć te blachy, i zależy to od konstrukcji silnika. Skrzywienie blach zmniejsza również ryzyko ‘zablokowania’ wirnika silnika w pozycji między polami magnetycznymi; ten scenariusz powoduje, że wirnik pozostaje nieruchomy i nie obraca się, nawet gdy prąd jest dostarczany do uzwojeń stojana.

 

Osłony końcowe i łożyska

Osłony końcowe (dzwony końcowe) są zamontowane na przeciwnych końcach ramy silnika; wał wirnika przechodzi przez obie osłony końcowe. Jeden koniec wału to koniec napędowy (połączony z obciążeniem), podczas gdy drugi to koniec nienapędowy (zazwyczaj połączony z wentylatorem chłodzącym); oba końce wału mają klucze wału do przenoszenia ruchu mechanicznego z wału na jego połączenia.

Łożysko przeciwcierne

Osłony przeciwpyłowe mogą być zainstalowane między wałem a osłonami końcowymi, aby zapobiec przedostawaniu się obcych cząstek do wnętrza silnika. Obce cząstki mogą prowadzić do pogorszenia stanu uzwojeń silnika lub innych części; przenikanie wilgoci jest jedną z najczęstszych przyczyn awarii silnika.

Na obu końcach wału wirnika zainstalowane są łożyska przeciwcierne. Każde łożysko jest zamontowane na wale wirnika i umieszczone w zagłębieniu w każdej osłonie końcowej. Jedno łożysko jest zazwyczaj utrzymywane za pomocą pierścienia zabezpieczającego (pierścienia zabezpieczającego), podczas gdy podkładka sprężynowa jest używana dla przeciwnego łożyska (zależnie od konstrukcji silnika). Użycie łożysk zapewnia, że wał obraca się płynnie i generuje minimalne tarcie, co jest szczególnie ważne, ponieważ wał może obracać się z wysokimi prędkościami.

Informacja – większe silniki nie używają łożysk przeciwciernych, używają łożysk ślizgowych. Zmiana typu używanego łożyska również znacznie zmienia konstrukcję. Na przykład, łożyska ślizgowe wymagają więcej miejsca, formy smarowania (zwykle oleju) i nie używają podkładek sprężynowych ani pierścieni zabezpieczających. Łożyska ślizgowe również obsługują większe obciążenia.

 

Wentylator i osłona wentylatora

Do końca nienapędowego wału wirnika przymocowany jest wentylator osiowy; gdy wirnik się obraca, obraca się również wentylator. Wentylator wymusza przepływ powietrza przez zewnętrzną część ramy silnika, aby chłodzić go podczas pracy. Żebra ramy silnika pełnią funkcję wymienników ciepła i mają dużą powierzchnię kontaktową, co zwiększa tempo wymiany ciepła z silnika do powietrza, a tym samym zwiększa zdolność samoczynnego chłodzenia silnika.

Osłona wentylatora chroni wentylator przed dużymi ciałami obcymi i chroni osoby lub przedmioty znajdujące się w pobliżu przed poruszającymi się łopatkami wentylatora.

Osłona wentylatora silnika

Informacja - przegrzany silnik może stopić izolację wokół uzwojeń i spowodować zwarcie; ten tryb awarii niestety nie jest rzadki, ale można go łatwo uniknąć, zapewniając odpowiednie chłodzenie.

 

Zalety i wady

Zalety silnika indukcyjnego

• Szerokie zastosowanie - silniki indukcyjne są używane w szerokim zakresie zastosowań zarówno w warunkach domowych, jak i przemysłowych. Szacuje się, że około 70% maszyn używanych w przemyśle jest napędzanych przez trójfazowe silniki indukcyjne.
• Tanie i łatwe w instalacji - silniki indukcyjne klatkowe nie zawierają szczotek, pierścieni ślizgowych, komutatorów, magnesów trwałych, czujników położenia ani innych komponentów, które zwiększają ich koszt. Ich prosta konstrukcja zapewnia, że są one zazwyczaj łatwe w instalacji i konserwacji. Brak szczotek w silnikach indukcyjnych klatkowych oznacza, że teoretycznie nie są generowane wyładowania elektryczne (iskry) wewnątrz silnika. Silniki indukcyjne mogą być zatem eksploatowane w bardziej niebezpiecznych warunkach środowiskowych, pod warunkiem, że są odpowiednio zmodyfikowane (silniki z certyfikatem Ex itp.).
• Niska konserwacja - silniki indukcyjne wymagają stosunkowo niskiego poziomu konserwacji, zwłaszcza w porównaniu do silników prądu stałego, które zawierają szczotki węglowe, łatwo ulegające pogorszeniu.  
• Długi czas eksploatacji - silniki indukcyjne są uważane za mające stosunkowo długi czas eksploatacji, ponieważ ich części są mechanicznie wytrzymałe, odporne na korozję i erozję oraz mają niskie wskaźniki zużycia.
• Wysoka wydajność - silniki indukcyjne mają wysoką wydajność.
• Samoczynny rozruch - trójfazowe silniki indukcyjne są z natury samoczynnie rozruchowe, tj. zapewniając dostarczenie prądu elektrycznego do uzwojeń stojana, silnik będzie się obracał, nie jest wymagana żadna inna siła zewnętrzna.

Wady silnika indukcyjnego

• Słaby moment rozruchowy - ze względu na swoją konstrukcję, silniki indukcyjne zazwyczaj mają niski moment rozruchowy, co jest kosztem ich wysokiej wydajności. Z tego powodu silniki indukcyjne nie nadają się do zastosowań wymagających wysokiego momentu rozruchowego. Jednak połączenie silnika pośrednio z obciążeniem, tj. za pomocą przekładni, pasów itp., może rozwiązać ten problem.
• Niski współczynnik mocy przy niskim obciążeniu – podczas rozruchu i przy niskim obciążeniu silnik wymaga dużego prądu magnesującego, aby pokonać opór wytwarzany przez przerwę powietrzną między stojanem a wirnikiem. Wektorowa suma prądu obciążenia i prądu magnesującego powoduje opóźnienie napięcia, co skutkuje niskim współczynnikiem mocy. Ze względu na wysoki prąd magnesujący silnik doświadczy również wzrostu strat miedzianych, co zmniejsza jego ogólną wydajność. 
• Trudności w regulacji prędkości - jako że trójfazowy silnik indukcyjny jest silnikiem o stałej prędkości, naturalnie podlega bardzo niewielkim zmianom prędkości, co utrudnia manipulację jego prędkością. Jednak ten problem został znacznie złagodzony w ostatnich latach dzięki postępowi i zastosowaniu technologii napędu o zmiennej częstotliwości. 

 

Adnotacje modelu

Osłona wentylatora

Osłona zapobiega przypadkowemu uszkodzeniu wentylatora i personelu.

Wentylator osiowy

Wentylator jest używany do wymuszonego chłodzenia silnika. Powietrze jest zasysane przez kratki osłony wentylatora z powodu niskiego ciśnienia wytwarzanego przez wentylator, a następnie kierowane przez obudowę silnika. Przepływające powietrze chłodzi silnik i zmniejsza ryzyko przegrzania.

Nakrętka

Nakrętki i śruby są używane do mocowania części silnika. Wybrane nakrętki powinny mieć odpowiednią wytrzymałość na rozciąganie i odporność na korozję.

Nakrętki są ‘żeńską’ częścią zespołu nakrętki i śruby.

Podkładka zabezpieczająca

Podkładki zabezpieczające są używane do stosowania ciągłej siły rozciągającej (siły rozciągającej) na zespół nakrętki i śruby. Siła rozciągająca zmniejsza możliwość poluzowania się nakrętki z powodu wibracji.

Podkładka płaska

Podkładka płaska rozprowadza siłę ściskającą wywieraną przez zespół nakrętki i śruby podczas dokręcania. Podkładka zapobiega również ‘wgryzaniu’ się nakrętki i śruby w metalowe powierzchnie podczas dokręcania.

Pokrywa końcowa silnika

Pokrywa końcowa mieści łożysko, pierścień zabezpieczający i czasami uszczelkę przeciwpyłową. Dwie pokrywy końcowe wspierają ciężar wału.

Obudowa łożyska

Łożysko jest umieszczone w tej przestrzeni.

Obudowa pierścienia zabezpieczającego

Pierścień zabezpieczający jest instalowany za pomocą szczypiec do pierścieni zabezpieczających. Po otwarciu szczypiec pierścień zabezpieczający rozszerza się z powodu resztkowych sił rozciągających. Siła resztkowa utrzymuje pierścień zabezpieczający mocno w rowku i zapobiega ruchowi osiowemu łożyska.

Łożysko kulkowe uszczelnione

Uszczelnione łożysko kulkowe pozwala wirnikowi obracać się bez przenoszenia ruchu obrotowego na inne nieruchome części, tj. obudowę silnika.

Pierścień zabezpieczający / Pierścień zatrzaskowy

Pierścień zatrzaskowy jest używany do utrzymania łożyska w obudowie pokrywy końcowej silnika. Pierścień zapobiega ruchowi osiowemu łożyska.

Śruba

Nakrętki i śruby są używane do mocowania części silnika. Wybrane śruby powinny mieć odpowiednią wytrzymałość na rozciąganie i odporność na korozję.

Śruby są ‘męską’ częścią zespołu nakrętki i śruby.

Obudowa / Obudowa silnika

Obudowa silnika mieści zespół stojana i wirnika. Obudowa musi być wystarczająco wytrzymała, aby wytrzymać naprężenia elektryczne i mechaniczne generowane przez silnik, a także fizyczne wymagania jego środowiska pracy, np. surowe warunki pogodowe.

Stojan

Stojan zawiera izolowane uzwojenia dla trzech faz silnika.

Prąd elektryczny płynący przez te uzwojenia powoduje, że wirnik się obraca.

Rdzeń stojana jest zazwyczaj wykonany z żelaza, aby zmniejszyć straty obciążenia.

Wymiennik ciepła

Żebra radiatora zwiększają powierzchnię obudowy silnika. Większa powierzchnia pozwala na szybsze usuwanie ciepła przez wymuszony przepływ powietrza z wentylatora.

Terminal połączeniowy

Zasilanie trójfazowe i kabel uziemiający są podłączone do tablicy zaciskowej. Każda z trzech faz silnika musi być prawidłowo podłączona do zasilania. Silniki są podłączone w konfiguracji gwiazdy lub trójkąta.

Obudowa terminala

Obudowa terminala chroni tablicę połączeniową i połączenia elektryczne przed uszkodzeniami przez obce obiekty, takie jak woda.

Oczko do podnoszenia

Oczko do podnoszenia umożliwia przemieszczanie silnika za pomocą pasa, liny, dźwigu, bloku łańcuchowego lub kabla itp. Jest to wymagane, jeśli silnik jest zbyt duży, aby można go było przenieść wyłącznie ręcznie. W przypadku dużych silników można użyć wielu oczek do podnoszenia.

Uszczelka

Zazwyczaj wykonana z gumy lub tektury. Uszczelka jest ‘ściskana’ między dwiema metalowymi powierzchniami w celu stworzenia zamkniętej przestrzeni. Uszczelka zapobiega przedostawaniu się wody lub zanieczyszczeń między metalowymi powierzchniami i do obudowy terminala.

Nogi / Podstawa

Całkowity ciężar silnika jest przenoszony na konstrukcję lub podłoże przez nogi. Podstawa ma otwory lub kanały wywiercone w celu umożliwienia wyrównania i zamocowania silnika.

Wał wirnika

Wał wirnika łączy wirnik z łożyskami, wentylatorem i obciążeniem. Podczas montażu wirnik jest czasami chłodzony, a łożyska podgrzewane w celu ułatwienia montażu (tylko dla małych silników).

Wirnik

Rdzeń wirnika jest wykonany z blach stalowych. Pole magnetyczne wytwarzane przez uzwojenia stojana działa na wirnik i powoduje jego obrót. Typ wirnika użyty w tym przykładzie to wirnik klatkowy (silnik klatkowy).

Klucz wału

Klucz wału jest jedynym połączeniem między wałem wirnika a obciążeniem napędzanym, dlatego jest niezwykle ważne, aby klucz mógł wytrzymać pełne charakterystyki obciążenia silnika bez awarii.

Pierścień końcowy

Pierścień końcowy jest używany do ściskania blach stalowych razem.

Rowek klucza wału

Klucz wału znajduje się w tym rowku.

Uszczelka przeciwpyłowa

W zależności od konstrukcji, w tej przestrzeni może znajdować się gumowa uszczelka przeciwpyłowa. Uszczelka zmniejsza ryzyko przedostania się zanieczyszczeń do obudowy silnika. Uszczelka jest wciskana między wał wirnika a pokrywę końcową silnika.

 

Dodatkowe zasoby

https://en.wikipedia.org/wiki/Induction_motor

https://www.electrical4u.com/induction-motor-types-of-induction-motor

https://www.elprocus.com/induction-motor-types-advantages