В электротехнике для инженеров, занимающихся проектированием, производством, тестированием или системной интеграцией двигателей, неправильное понимание этих компонентов может привести к ошибкам в технических характеристиках, потерям эффективности или неверной диагностике неисправностей.
Базовая анатомия электродвигателя
Прежде чем анализировать отдельные компоненты, важно понять основной принцип работы электродвигателей. По сути, все электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическое движение посредством электромагнитного взаимодействия.
Основные компоненты
Несмотря на огромное разнообразие размеров, мощности и областей применения, большинство электродвигателей имеют следующие основные общие черты:
- Стационарная конструкция, которая создает или поддерживает магнитное поле.
- Вращающаяся конструкция, реагирующая на электромагнитные силы.
- Воздушный зазор, позволяющий относительное движение при сохранении магнитной связи.
- Механический вал, передающий крутящий момент.
В рамках этой системы статор, ротор и якорь играют разные роли.
Электромагнитное взаимодействие и движение
Работа двигателя регулируется двумя основными электромагнитными законами:
- Сила Лоренца:Проводник с током, находящийся в магнитном поле, испытывает силу.
- Закон индукции Фарадея:Изменение магнитного поля индуцирует электродвижущую силу.
В зависимости от типа двигателя ток может подаваться непосредственно на вращающиеся обмотки, создаваться магнитным путем или полностью заменяться постоянными магнитными полями. Эти различия в значительной степени определяют, классифицируется ли компонент как статор, ротор или якорь.
Физическое размещение компонентов
В большинстве современных радиально-поточных двигателей:
- Статор образует внешнее неподвижное кольцо.
- Ротор вращается вместе с валом и расположен внутри статора.
- В зависимости от типа двигателя якорь может располагаться с любой стороны.
Краткая справочная таблица
| Атрибут | Статор | Ротор | Арматур |
| Движение | Стационарный | Вращающийся | Или |
| Электрическая роль | Генерация поля | Реакция крутящего момента | Электромагнитное взаимодействие |
| Расположение | Внешний (обычно) | Внутренний (обычно) | Зависит от |
| Обмотки | Часто присутствует | Иногда | Всегда |
Что такое статор?
Неподвижная часть электродвигателя, создающая или направляющая магнитное поле, необходимое для создания крутящего момента, называется статором. В отличие от ротора, статор не движется механически, а играет активную электромагнитную роль.
В большинстве двигателей переменного тока и бесщеточных двигателей статор имеет электризованные обмотки, которые создают вращающееся магнитное поле, взаимодействующее с ротором и приводящее его в движение.
Конструкция статора
С точки зрения производства, статор представляет собой высокотехнологичную сборку, состоящую из множества подсистем.
Ламинированные пластины сердечника статора
Он сердечник статораОбычно она изготавливается из тонких листов электротехнической стали, уложенных вдоль оси для образования цилиндрической конструкции. Толщина листов обычно составляет:
- 0,5 мм для стандартных промышленных двигателей.
- 0,35–0,2 мм для двигателей с высокой эффективностью.
- Толщина 0,1 мм или меньше, для высокоскоростных или аэрокосмических применений.
Пазы и зубы
Внутренняя окружность сердечника статора содержит пазы, разделённые зубцами. Эти особенности:
- Удерживайте и поддерживайте обмотки.
- Формирование распределения магнитного поля
- Влияние пульсаций крутящего момента и шума
Обмотки статора
Пазы статора заполнены медными обмотками, отделенными от сердечника. В зависимости от области применения, обмотки могут быть следующими:
- Круглые проволочные обмотки
- Прямоугольные или плоские проволочные обмотки
- Шпилькообразные или штифтовые обмотки
Типы статоров
Статоры классифицируются по расположению обмоток и геометрии пазов.
Статоры с пазами и без пазов
- Статоры с прорезями обеспечивают сильную магнитную связь, но создают пульсацию крутящего момента.
- Статоры без пазов обеспечивают более плавный крутящий момент и меньший уровень шума, но за счет снижения плотности крутящего момента.
Концентрированная против распределенной обмотки
- Концентрированная обмотка упрощает производство и уменьшает длину концевого витка.
- Распределенные обмотки улучшают распределение синусоидального поля и повышают эффективность.
Функция статора в работе системы
Статор оказывает сильное влияние на:
- Эффективность двигателя
- коэффициент мощности
- Тепловые пределы
- Акустический шум
- Технологичность и стоимость
Для многих конструкций двигателей оптимизация статора обеспечивает большее повышение эффективности, чем изменение ротора.
Что такое ротор?
Вращающаяся часть электродвигателя называется ротором. Он механически соединен с выходным валом и преобразует электромагнитные силы в полезный крутящий момент.
В то время как статор создает магнитное поле, ротор реагирует на это вращением в этом поле.
Конструкция ротора
Конструкция ротора значительно различается в зависимости от типа двигателя, но основные принципы конструирования остаются неизменными.
Ламинированные пластины сердечника ротора
Как и статоры, большинство роторов используют ламинированные сердечники из электротехнической стали для снижения потерь. В качестве ламинированных элементов ротора могут использоваться:
- Отверстия для проводников
- Магнитные барьеры (в реактивных двигателях)
- Магнитные полости (в двигателях с постоянными магнитами)
Точность при укладке слоев ламината имеет решающее значение для балансировки ротора и магнитной симметрии.
Интеграция вала ротора
Как правило, сердечник ротора запрессовывается или затягивается на стальном валу. Это соединение должно выдерживать следующие нагрузки:
- Центробежные силы
- крутящее напряжение
- Тепловое расширение
Некачественная интеграция вала может привести к вибрации, шуму или катастрофическим поломкам.
Типичные типы роторов
Роторный короткоходный роторный двигатель
Этот ротор, часто используемый в асинхронных двигателях, состоит из проводящих стержней, закороченных торцевыми кольцами. Ток индуцируется, а не подается напрямую.
Обмоточный ротор
Содержит обмотки, соединенные контактными кольцами, что позволяет регулировать внешнее сопротивление во время запуска.
Ротор с постоянным магнитом
Использует встроенные или поверхностно установленные магниты для создания постоянного магнитного поля, что исключает потери меди в роторе.
Выступающие и невыступающие роторы
- Выступающие роторы имеют выступающие полюса и регулируемые воздушные зазоры.
- Роторы без выступающих частей обеспечивают равномерные воздушные зазоры и более плавную работу.
Охлаждение ротора и механические напряжения
Роторы испытывают более высокие механические напряжения, чем статоры, из-за вращения. Методы охлаждения включают:
- Внутренние воздушные каналы
- Вентиляторы с валом
- Жидкостное охлаждение (мощные машины)
Что такое якорь?
Якорь определяется как компонент, в котором индуцируется электродвижущая сила (ЭДС) или через который протекает ток, взаимодействующий с магнитным полем.
Исторически этот термин возник в ранних машинах постоянного тока, где вращающаяся часть, по которой протекает ток, была четко отделена от системы возбуждения.
Якорь и ротор: это одно и то же?
Это один из наиболее частых источников путаницы.
- Ротор — это якорь двигателей постоянного тока.
- В асинхронных двигателях переменного тока ротор выступает в роли якоря благодаря наведенным токам.
- В бесколлекторных двигателях постоянного тока статор выполняет функцию якоря.
Таким образом, арматура описывает функциональную роль, а не фиксированное физическое положение.
Конструкция арматуры
В состав арматуры могут входить:
- Ламинированные сердечники
- Встроенные обмотки
- Коммутаторы (в коллекторных машинах)
Обмотки якоря подвержены воздействию высокой плотности тока и термических напряжений, поэтому изоляция и охлаждение имеют решающее значение.
Основные различия между статором, ротором и якорем.
Функциональное сравнение
| Компонент | Основная функция | Движение |
| Статор | Генерирует магнитное поле | Стационарный |
| Ротор | Создает механический крутящий момент | Вращающийся |
| Арматур | Осуществляет взаимодействие тока и ЭДС. | Стационарный или вращающийся |
Сравнительная структурная характеристика
- Статор в первую очередь обеспечивает термическую стабильность и изоляцию.
- При проектировании ротора приоритет отдается механической прочности и балансу.
- В конструкции якоря приоритет отдается эффективности электрического взаимодействия.
Электрическое поведение
Опыт компании Armature:
- Высокие плотности тока
- Индукция напряжения
- Коммутация или электронное переключение
Статоры, как правило, испытывают меньшее электрическое напряжение, но более высокие тепловые нагрузки.
Роль статора, ротора и якоря в различных типах двигателей.
Асинхронные двигатели
- Статор: генератор вращающегося магнитного поля
- Ротор: якорь с индуцированным током
- Роль якоря: ротор
Двигатели постоянного тока
- Статор: система полей
- Ротор: якорь с коммутатором
- Роль якоря: ротор
Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC)
- Статор: обмотки якоря под напряжением
- Ротор: постоянные магниты
- Роль якоря: статор
Синхронные двигатели и генераторы
Расположение обмотки якоря и обмотки возбуждения зависит от метода возбуждения и области применения, особенно в генераторах.
