Tại sao thanh dẫn roto lại đặt nghiêng

Bộ Công ThươngTrường ĐH Công Nghiệp Hà NộiCÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ĐIỆNĐề tài: Thiết kế Rotor lồng sóc động cơ điện không đồng bộ Phần 1. Giới thiệu về phần quay của động cơ KĐB rôto lồng sócPhần quay [Rôto] gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn. a] Lõi thép Rotor - Lõi sắt rôto được làm bằng các lá thép kĩ thuật điện, dập như hình 1. - Các lá thép sau khi ghép lại thành khối hình trụ mặt ngoài hình thành các rãnh để đặt dây quấn rôto, ở giữa có lỗ để ghép trục. - Trên thực tế, tổn hao sắt ở lõi thép rôto khi máy làm việc là rất nhỏ nên không cần dùng thép kĩ thuật điện. Nhưng để lợi dụng phần thép kĩ thuật điện sau khi dập lõi sắt stato, người ta dùng để ép lõi thép rô to luôn [hình dưới].Phần 1. Giới thiệu về phần quay của động cơ KĐB rôto lồng sócHình ảnh về lá thép của rôtoa]b]Hình 1. Lá thép rôto của máy điện không đồng bộPhần 1. Giới thiệu về phần quay của động cơ KĐB rôto lồng sóc b] Dây quấn rôto - Dây quấn rôto của máy điện không đồng bộ chia thành hai loại: loại rôto kiểu dây quấn và loại rôto kiểu lồng sóc. - Động cơ sử dụng Rotor kiểudây quấn có thể điều chỉnh tốc độ trong một chừng mực nhất định, có thể tạo momen khởi động lớn mà dòng khởi động không lớn lắm. Nhưng chế tạo phúc tạp, nên giá thành cao, và việc bảo quản cũng khó khăn. - Động cơ kiểu Rotor lồng sóc có cấu tạo đơn giản, dễ sản xuất, nên chiếm một số lượng khá lớn trong các loại động cơ công suất nhỏ và trung bình… Phần 1. Giới thiệu về phần quay của động cơ KĐB rôto lồng sócLoại rôto kiểu dây quấn: - Dây quấn được đặt trong rãnh của lõi thép rôto. Dây quấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao [Y], ba đầu còn lại được nối với ba vòng trượt làm bằng đồng cố định ở đầu trục [hình 2-a], tì lên ba vòng trượt là ba chổi than [hình 2-b]. Thông qua chổi than có thể ghép thêm điện trở phụ hay đưa sức điện động phụ vào mạch rôto để cải thiện đặc tính mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện cosϕ. Khi làm việc bình thường dây quấn rôto được nối ngắn mạchPhần 1. Giới thiệu về phần quay của động cơ KĐB rôto lồng sócHình 2. Rôto kiểu dây quấn [a] và sơ đồ mạch điện [b] tương ứng a]Rb]Vòng trượtChổi thanDây quấn rôtoPhần 1. Giới thiệu về phần quay của động cơ KĐB rôto lồng sóc Loại rôto kiểu lồng sóc [còn gọi là rôto ngắn mạch] - Trong mỗi rãnh của lõi thép rôto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm, hai đầu dài ra khỏi lõi thép. Các thanh dẫn được nối tắt lại với nhau ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch cũng bằng đồng hoặc nhôm tạo thành một cái lồng [quen gọi là lồng sóc] như ở hình3a. - Để cải thiện tính năng mở máy, trong các máy có công suất tương đối lớn rãnh rôto thường làm rãnh sâu hoặc lồng sóc kép [2 rãnh lồng sóc]. Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rôto thường làm chéo đi một góc so với tâm trục để cải thiện dạng sóng s.đ.đ [hình 3b]. Phần 1. Giới thiệu về phần quay của động cơ KĐB rôto lồng sócHình 3. Dây quấn rôto lồng sóc [a] và rôto lồng sóc rãnh chéo [b]a]b]Phần 1. Giới thiệu về phần quay của động cơ KĐB rôto lồng sócNgoài ra ở phần quay của động cơ KĐB roto lồng sóc còn có các bộ phận khác như trục máy, cánh quạt làm mát [với động cơ cỡ nhỏ].Phần 2. Rôto kiểu lồng sóc 2.1 Đặc điểm loại động cơ rotor kiểu lồng sóc Ưu điểm - Cấu tạo đơn giản [nhất là loại đúc nhôm]. Do đó chiếm một số lượng khá lớn trong loại động cơ điện công suất nhỏ và trung bình.Nhược điểm - Điều chỉnh tốc độ khó khăn. - Dòng khởi động lớn. Thường là gấp 6 ÷7 lần dòng điện định mức.Để khắc phục nhược điểm này người ta đã chế tạo động cơ KĐB rotor lồng sóc với nhiều cấp tốc độ. Và dùng rotor rãnh sâu, lồng sóc kép để hạ dòng điện khởi động, đồng thời tăng mômen khởi động.Phần 2. Rôto kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotorHình ảnh về lõi sắt Rotor[a]Phần 2. Rôto kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotorChọn số rãnh rotor - Việc chọn số rãnh rôto lồng sóc [Z2] là một vấn đề quan trọng vì khe hở không khí của máy nhỏ, khi mở máy momen phụ do từ thông sóng bậc cao gây nên ảnh hưởng đến quá trình mở máy và ảnh hưởng cả đến đặc tính làm việc. - Việc chọn Z2 thích hợp sao cho có thể hạn chế các momen phụ đồng bộ, không đồng bộ. Cũng như momen phụ gây rung và ồn ta tuân theo sự phối hợp số rãnh Stator [Z1] và số rãnh rotor [Z2] như sau: Phần 2. Rôto kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotorĐể loại trừ momen phụ đồng bộ khi mở máy, cần chọn: + Z2 ≠ Z1 + Z2 ≠ 0,5 . Z1 + Z2 ≠ 2 . Z1 + Z2 ≠ 6 . P . g với g=1,2,3… Phần 2. Rôto kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotorĐể tránh momen đồng bộ khi quay ,ta chọn: + Z2 ≠ [6 .p ± 2pg] + Z2 ≠ [Z1 ± 2p] + Z2 ≠ [2Z1 ± 2p] + Z2 ≠ [0,5 ± p] + Z2 ≠ [Z1 ± p] Phần 2. Rôto kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotorĐể tránh lực hướng tâm do momen không đồng bộ sinh ra trong khi quay ,cần chọn: + Z2 - Z1 ≠ 0, 1, 2 + Z2 – Z1 ≠ p, p+1 + Z2 – Z1 ≠ 2p, 2p ± 1, 2p ± 2 + Z2 – Z1 ≠ 2p Phần 2. Rotor kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotorĐể giảm bớt sóng hài bậc cao hay còn gọi là lực điện từ họa tần bậc cao, giúp cho Rotor chạy êm hơn. Người ta thường làm nghiêng rãnh ở Rotor, và nghiêng một bước răng Stator - Khi làm nghiêng rãnh thì sự phối hợp số rãnh Z1 và Z2 cho phép rộng rãi hơn. Tuy vậy nó sẽ làm cho momen cực đại và cosφ hạ thấp xuống một ít. Vì vậy không nên lấy bn quá lớn 1nDbZπ=Phần 2. Rotor kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotorThường trong các máy KĐB công suất nhỏ ta chọn Z2 < Z1 để cho răng rãnh Rotor khỏi quá nhỏ.Trong các máy KĐB công suất lớn , để giảm điện kháng tản Rotor, ta chọn Z2 > Z1Phần 2. Rotor kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotorChọn dạng rãnh cho Rotor - Thiết kế dạng rãnh Rotor cũng là xác định diện tích rãnh [tức là diện tích thanh dẫn của lồng sóc] - Do điện trở r2 và điện kháng tản x2 của Rotor có quan hệ với hình dạng rãnh Rotor nên khi Stator đã thiết kế xong thì việc thiết kế dạng rãnh Rotor trực tiếp ảnh hưởng đến tính năng của máy - Ngày nay, với những máy có chiều cao tâm trục h = 50 ÷ 355 mm thường lồng sóc được đúc bằng nhôm + Khi h = 50 ÷ 250 mm thường sử dụng phương pháp đúc áp lực + Khi h > 280 mm dùng phương pháp đúc rung hay đúc trọng lựcPhần 2. Rotor kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotor - Dạng rãnh như hình bên thường dùng cho máy KĐB Rotor lồng sóc có chiều cao tâm trục h < 160 mm. Trong đó thường lấy: b42 = 1mm,h42 = 0,5÷1mm d1/ d2=[6,5÷7,5]/[4÷6]mm hr2 = 10÷20 mmhr2h12d2d1b42h42Hình 4 M t vài d ng rãnh Rotor thông d ng tham kh oộ ạ ụ để ảPhần 2. Rotor kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotor - Khi h ≥ 180 mm ta dùng rãnh sâu hình ôvan như hình bên. Với các kích thước: b42 = 1,5 mm, h42 = 0,5 ÷ 1,5 mm d1 = d2 = br2= 3,5 ÷ 6mm h1hr2b42h42d1d1Phần 2. Rotor kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotor - Động cơ càng lớn, tốc độ càng cao thì chiều sâu của rãnh Rotor hr2 càng lớnh1b42br2h42hr2Phần 2. Rotor kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotorThiết kế rãnh Rotor phải làm sao cho mật độ từ thông ở răng và gông Rotor phải nằm trong phạm vi thích hợp [tham khảo các bảng 10.5 trang 240 giáo trình thiết kế máy điện]. Trước khi thiết kế rãnh phải định kích thước tối thiểu của răng và gông Rotor.Mặt khác tiết diện rãnh Rotor cũng chính là tiết diện thanh dẫn lồng sóc vậy nên phải tính toán sao cho mật độ dòng điện trong thanh dẫn Rotor thích hợp: - Đối với thanh dẫn đúc bằng nhôm, mật độ dòng điện trong thanh dẫn Jtd = 2,5 ÷ 3,5 A/ mm2 - Đối với thanh dẫn đúc bằng đồng mật độ dòng điện trong thanh dẫn Jtd = 4 ÷ 8 A/ mm2 Phần 2. Rotor kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotorMật độ dòng điện ở vòng ngắn mạch Jv chọn thấp hơn mật độ dòng điện trong thanh dẫn 20 ÷ 25 %Dòng điện trong thanh dẫn - Trong đó kI tra theo hình 10-5 trang 244 giáo trình TKMĐDòng điện trong vòng ngắn mạch 1 1 1 1 12 1 12 2 2 2w 6wd dtd I Idm k w kI I k I k Im k Z= = = =22sintdvIIpZπ=Phần 2. Rotor kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotorTiết diện sơ bộ của thanh dẫn StdTiết diện sơ bộ của vành ngắn mạch SvChiều cao vành ngắn mạch thường lấy cao hơn chiều cao rãnh Rotor tdtdtdISJ=vvvISJ=21,2v rb h≥Phần 2. Rotor kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotorHình ảnh vành ngắn mạch trong Rotor lồng sóc

Điều chỉnh tốc độ của động cơ roto dây cuốn

Các phương pháp điều chỉnh chủ yếu:

1. Trên stato: thay đổi điện áp đưa vào dây quấn stato, thay đổi số đôi cực của dây quấn stato hay thay đổi tần số nguồn cung cấp.
2. Trên rôto: thay đổi điện trở hoặc nối tiếp trên mạch rôto một hay nhiều máy điện [gọi là nối cấp].

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực Động cơ điện KĐB khi làm việc bình thường có hệ số trượt s nhỏ nên n ≈ n1 = 60f1/p. Khi tần số f1 = const, thay đổi p sẽ thay đổi được tốc độ n [tốc độ tỷ lệ nghịch với số đôi cực p]. Dây quấn stato có thể nối thành bao nhiêu số đôi cực khác nhau thì tốc độ có bấy nhiêu cấp.

Như vậy tốc độ chỉ có thể thay đổi từng cấp, không bằng phẳng.

Có nhiều cách thay đổi số đôi cực của dây quấn stato:

• Đổi cách nối để có số đôi cực khác nhau. Cách này dùng trong động cơ điện 2 cấp tốc độ.
• Trong rãnh stato đặt hai dây quấn độc lập có số đôi cực khác nhau, thường để đạt hai cấp tốc độ theo tỷ lệ 4 : 3 hay 6 : 5.
• Trên rãnh stato có hai dây quấn độc lập có số đôi cực khác nhau, mỗi dây quấn lại có thể đổi nối để có số đôi cực khác nhau [dùng trong động cơ có 3 , 4 cấp tốc độ].

Với động cơ rôto dây quấn, dây quấn rôto có số đôi cực bằng số đôi cực của dây quấn stato, vì vậy khi đấu lại dây quấn stato để có số đôi cực khác thì dây quấn rôto cũng phải đấu lại. Điều này không tiện lợi, do đó động cơ điện loại này không dùng phương pháp thay đổi số đôi cực để điều chỉnh tốc độ.

2. Cấu tạo của roto lồng sóc

Kết cấu của loại dây quấn này rất khác với dây quấn stato. Loại rôto lồng sóc công suất >100kW, trong các rãnh của lõi thép đặt các thanh đồng, hai đầu nối ngắn mạch bằng hai vòng đồng tạo thành lồng sóc. Ở động cơ công suất nhỏ, lồng sóc được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép rôto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch . Động cơ điện rôto lồng sóc gọi là động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc

Tại sao roto lồng sóc gồm những lá thép kỹ thuật điện ghép lệch với nhau mà không ghép thẳng song song và dọc trục ?

• Roto lồng sóc gồm những lá thép kỹ thuật điện ghép lệch với nhau mà không ghép thẳng song song và dọc trục là vì không cho từ trường Stator cắt các thanh dẫn 1 góc 90 độ
• Các rãnh của rotor lồng sóc ghép lệch với nhau, để triệt tiêu lực điện từ họa tần bậc cao, làm cho rotor quay êm hơn.

3. Khác biệt giữa roto dây quấn và roto lồng sóc ?

Loại rôto kiểu dây quấn: Dây quấn được đặt trong rãnh của lõi thép rôto. Dây quấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao [Y], ba đầu còn lại được nối với ba vòng trượt làm bằng đồng cố định ở đầu trục [hình a], tì lên ba vòng trượt là ba chổi than [hình b]. Thông qua chổi than có thể ghép thêm điện trở phụ hay đưa sức điện động phụ vào mạch rôto để cải thiện đặc tính mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện cos. Khi làm việc bình thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch.

 Loại rôto lồng sóc [còn gọi là rôto ngắn mạch]:

Trong mỗi rãnh của lõi thép rôto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm, hai đầu dài ra khỏi lõi thép. Các thanh dẫn được nối tắt lại với nhau ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch cũng bằng đồng hoặc nhôm tạo thành một cái lồng [quen gọi là lồng sóc] như ở hình a. Để cải thiện tính năng mở máy, trong các máy có công suất tương đối lớn rãnh rôto thường làm rãnh sâu hoặc lồng sóc kép [2 rãnh lồng sóc ]. Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rôto thường làm chéo đi một góc so với tâm trục để cải thiện dạng sóng s.đ.đ [hình b].

Phân loại, ưu và nhược điểm giữa roto dây quấn và roto lồng sóc

a. Động cơ roto dây quấn:

•  Ưu điểm:
  • Có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ.
•  Nhược điểm:
  • Giá thành cao và vận hành kém tin cậy.

b. Động cơ lồng sóc:

•  Ưu điểm:
  •  Làm việc đảm bảo.
  •  Giá thành rẻ.
•  Nhược điểm:
  •  Điều chỉnh tốc độ khó.
  •  Dòng khởi động lớn.