Электродвигатели с короткозамкнутым ротором на лапах

Электродвигатели с короткозамкнутым ротором на лапах: конструкция, принцип действия и область применения

Электродвигатели с короткозамкнутым ротором на лапах представляют собой наиболее распространенный тип асинхронных машин, предназначенных для преобразования электрической энергии в механическую. Их конструктивная особенность — наличие монтажных лап (фланцев) для жесткой фиксации на фундаменте, раме или другом основании. Данные двигатели составляют основу электропривода в промышленности, сельском хозяйстве, коммунальной сфере и других отраслях благодаря своей надежности, простоте конструкции и обслуживания, а также относительно низкой стоимости.

Принцип действия и основные характеристики

Работа двигателя основана на явлении возникновения вращающегося магнитного поля при подаче трехфазного напряжения на обмотки статора. Это поле, пересекая проводники короткозамкнутого ротора (беличьей клетки), наводит в них ЭДС, что приводит к появлению токов. Взаимодействие токов ротора с магнитным полем статора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение. Скорость вращения ротора всегда меньше синхронной скорости поля (проскальзывает), что и дало название «асинхронный».

Ключевые параметры, характеризующие двигатель:

• Номинальная мощность (P_н): от долей кВт до нескольких сотен кВт, определяет механическую мощность на валу.
• Номинальное напряжение (U_н): как правило, 220/380В, 380/660В, 660/1140В для низковольтных двигателей.
• Номинальная частота тока (f): 50 Гц или 60 Гц.
• Номинальная частота вращения (n_н): зависит от числа пар полюсов (2p): 3000 об/мин (2p=2), 1500 об/мин (2p=4), 1000 об/мин (2p=6), 750 об/мин (2p=8).
• Коэффициент полезного действия (КПД): для современных двигателей серий АИР, IE2, IE3 колеблется от 75% для малых мощностей до 95% и выше для мощных.
• Коэффициент мощности (cos φ): обычно в диапазоне 0.7-0.9, зависит от нагрузки и конструкции.
• Критическое скольжение: определяет перегрузочную способность двигателя.
• Класс изоляции: F или H, что определяет допустимый температурный предел обмоток.
• Степень защиты (IP): IP54, IP55 — защита от пыли и водяных струй; IP23 — защита от капель и твердых тел.
• Климатическое исполнение и категория размещения: У3, УХЛ2 для умеренного и холодного климата.

Конструктивное исполнение

Двигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором.

Статор

Сердечник статора набирается из изолированных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазы сердечника укладывается трехфазная обмотка, концы которой выводятся в клеммную коробку. Корпус статора, обычно чугунный или алюминиевый, имеет лапы с отверстиями для крепления. К корпусу крепятся подшипниковые щиты, в которых устанавливаются опоры вала.

Ротор

Сердечник ротора также шихтован и насажен на вал. В его пазы заливается или запрессовывается «беличья клетка» — система стержней (из меди, алюминия или его сплавов), замкнутых накоротко с двух сторон торцевыми кольцами. Эта конструкция не имеет скользящих электрических контактов, что и обеспечивает высокую надежность.

Система охлаждения

Большинство двигателей на лапах имеют самовентилируемую конструкцию (IC 411). На валу со стороны, противоположной приводу, закрепляется вентилятор, закрытый защитным кожухом. Поток воздуха, создаваемый вентилятором, обдувает оребренную поверхность корпуса, отводя тепло.

Механические характеристики и способы пуска

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя с КЗ ротором — жесткая. Небольшое изменение скольжения при значительном изменении нагрузки обеспечивает стабильную работу привода. Основная сложность — высокий пусковой ток (I_п/I_н = 5-7), что требует применения специальных схем пуска.

Сравнительная таблица основных способов пуска асинхронных двигателей с КЗ ротором

Способ пуска	Принцип действия	Отношение пускового момента к номинальному (Mп/Mн)	Отношение пускового тока к номинальному (Iп/Iн)	Область применения
Прямой пуск	Непосредственное подключение двигателя к сети на полное напряжение.	1.2 — 2.0	5 — 7	Мощность двигателя значительно меньше мощности сети. Механизмы с легкими условиями пуска (вентиляторы, насосы малой мощности).
Пуск переключением «звезда-треугольник»	Начальный пуск при соединении обмоток статора в «звезду» (фазное напряжение снижается в √3 раз), затем переключение на рабочее соединение «треугольник».	0.3 — 0.5	1.7 — 2.3	Двигатели, рассчитанные на работу при соединении обмоток «треугольник». Механизмы с облегченным пуском (насосы, компрессоры).
Пуск с помощью устройства плавного пуска (УПП)	Плавное нарастание напряжения на обмотках статора за счет регулирования угла открытия тиристоров.	Регулируемый, обычно до 0.5 — 1.0	Регулируемый, обычно 2 — 4	Приводы с тяжелыми условиями пуска, где необходимо ограничить ток и обеспечить плавный разгон (конвейеры, дробилки, центрифуги).
Частотный пуск (посредством ПЧ)	Плавное увеличение частоты и амплитуды питающего напряжения от нуля до номинальных значений с помощью преобразователя частоты (ПЧ).	До 1.0 и более при необходимом токе	1 — 1.5	Наиболее технологичный способ. Приводы, требующие регулирования скорости и плавного пуска (насосы, вентиляторы, станки, сложные технологические линии).

Классы энергоэффективности и стандарты

Современные двигатели на лапах производятся в соответствии с международными стандартами энергоэффективности IEC 60034-30-1. Классы обозначаются IE (International Efficiency).

• IE1 (Стандартная эффективность): Устаревший класс, соответствует старым сериям (А, АО).
• IE2 (Повышенная эффективность): Соответствует серии АИР. Требует обязательного использования ПЧ или устройств плавного пуска при мощности от 7.5 кВт.
• IE3 (Высокая эффективность): Современный стандарт для большинства стран. Достигается за счет использования большего количества активных материалов, улучшенных сталей и оптимизации конструкции.
• IE4 (Сверхвысокая эффективность) и IE5 (Превосходная эффективность): Двигатели нового поколения, часто с использованием постоянных магнитов или иных конструктивных решений.

Области применения и выбор двигателя

Двигатели с КЗ ротором на лапах применяются для привода:

• Насосных агрегатов (водоснабжение, водоотведение, теплоэнергетика).
• Вентиляторов и дымососов.
• Компрессоров.
• Конвейеров и транспортеров.
• Станков (токарных, фрезерных, деревообрабатывающих).
• Дробильного и мельничного оборудования.
• Смесителей и мешалок.

При выборе двигателя необходимо учитывать: характер нагрузки и ее циклограмму, условия окружающей среды (температура, влажность, запыленность), требуемую мощность и частоту вращения, способ монтажа (лапы или комбинированный лапы-фланец), необходимость регулирования скорости.

Монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание

Монтаж двигателя требует точной центровки с рабочим механизмом. Несоосность приводит к повышенной вибрации, износу подшипников и выходу из строя. Обязательна проверка сопротивления изоляции обмоток мегаомметром перед первым пуском и периодически в процессе эксплуатации. Техническое обслуживание включает:

• Периодическую очистку от пыли и грязи.
• Контроль температуры подшипников и уровня шума/вибрации.
• Проверку и подтяжку контактных соединений в клеммной коробке.
• Замену смазки в подшипниках качения согласно регламенту завода-изготовителя.
• Контроль величины воздушного зазора (для крупных двигателей).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается двигатель на лапах от фланцевого двигателя?

Двигатель на лапах крепится к основанию через монтажные лапы, расположенные на корпусе. Фланцевый двигатель имеет на подшипниковом щите круглый фланец с отверстиями для крепления к ответному фланцу рабочего механизма (например, редуктора). Существуют также комбинированные исполнения (лапы + фланец).

Почему при пуске двигатель гудит и не вращается или вращается медленно?

Возможные причины: обрыв одной из фаз питающей сети (двигатель работает на двух фазах), неправильное соединение обмоток в клеммной коробке, механическое заклинивание приводимого механизма, слишком высокая нагрузция на валу, неисправность в цепи ротора (обрыв стержня «беличьей клетки» — для мощных двигателей).

Как правильно выбрать схему соединения обмоток «звезда» или «треугольник»?

Схема соединения определяется паспортными данными двигателя и сетевым напряжением. На корпусе или в паспорте указаны два напряжения, например, 220/380В или 380/660В. Для напряжения сети 380В: если указано 220/380В, то для 380В обмотки соединяются в «звезду»; если указано 380/660В, то для 380В обмотки соединяются в «треугольник». Неправильное соединение приводит к перегреву и выходу двигателя из строя.

Каковы основные причины перегрева двигателя?

• Электрические: перегруз по току из-за механической перегрузки, снижение напряжения сети, перекос фаз, обрыв фазы, частые пуски, неправильное соединение обмоток.
• Механические: повышенное трение из-за неисправных подшипников, задевание ротора за статор, несоосность с нагрузкой.
• Внешние: высокая температура окружающей среды, загрязнение поверхности двигателя, ухудшающее теплоотвод, плохая вентиляция.

Что такое многоскоростные двигатели и где они применяются?

Это двигатели с КЗ ротором, у которых на статоре уложены две (реже три) независимые обмотки с разным числом пар полюсов. Переключая питание с одной обмотки на другую, можно получить две разные фиксированные скорости вращения (например, 3000/1500 об/мин). Применяются в приводах вентиляторов, насосов, станков, где требуется ступенчатое регулирование скорости без применения дорогостоящего преобразователя частоты.

Как влияет на двигатель работа от преобразователя частоты (ПЧ)?

ПЧ позволяет плавно регулировать скорость, но формирует на выходе несинусоидальное напряжение с высокочастотными составляющими (широтно-импульсная модуляция). Это может вызывать: дополнительные потери в стали статора и ротора, повышенный нагрев, перенапряжения на изоляции обмоток, токи утечки через подшипники (вызывающие электрическую эрозию). Для длительной работы от ПЧ рекомендуется использовать двигатели с усиленной изоляцией обмоток (с индексом «У» или специальные «инверторные» серии) и, при необходимости, устанавливать фильтры или заземляющие щетки на валу для отвода токов подшипников.