czym jest stojan i wirnik w silniku indukcyjnym

Stojan to stacjonarna (stała) część silnika indukcyjnego, zamontowana na ramie silnika. Jego podstawową funkcją jest generowanie wirującego pola magnetycznego (RMF), gdy jest do niego podłączone zasilanie prądem przemiennym. To wirujące pole magnetyczne jest siłą napędową wywołującą ruch w wirniku.

1.Struktura stojana

Stojan składa się z trzech głównych części:

•Rdzeń stojana: Wykonane z cienkich, laminowanych arkuszy stali krzemowej (grubość 0,35-0,5 mm) ułożonych razem. Laminowanie przeprowadza się w celu zminimalizowania strat prądów wirowych – prądów indukowanych w rdzeniu w wyniku zmieniającego się pola magnetycznego, które w przeciwnym razie powodowałoby wytwarzanie ciepła i energii odpadowej. Rdzeń ma na wewnętrznej powierzchni szczeliny do mocowania uzwojeń stojana.

•Uzwojenia stojana: Cewki miedziane lub aluminiowe nawinięte w szczeliny rdzenia stojana. W większości silników indukcyjnych stojan to uzwojenie-trójfazowe (połączone w gwiazdę lub trójkąt), które jest zasilane trójfazowym prądem zmiennym-. Układ tych uzwojeń jest zaprojektowany w taki sposób, że gdy przepływa przez nie prąd przemienny, wytwarzane jest pole magnetyczne, które wiruje ze stałą prędkością (prędkość synchroniczna).

•Rama stojana: Sztywna konstrukcja zewnętrzna (zwykle wykonana z żeliwa lub aluminium), która podtrzymuje rdzeń stojana i chroni elementy wewnętrzne. Służy również jako radiator do odprowadzania ciepła powstającego podczas pracy.

2. Funkcja stojana

Kiedy do uzwojeń stojana jest doprowadzany-trójfazowy prąd przemienny, każda faza wytwarza pole magnetyczne, które zmienia się sinusoidalnie w czasie. Połączenie tych trójfazowych pól magnetycznych skutkuje powstaniem pojedynczego wirującego pola magnetycznego (RMF), które wiruje wokół osi stojana z prędkością zwanąprędkość synchroniczna(Ns). Prędkość synchroniczna zależy od częstotliwości zasilania prądem przemiennym (f) i liczby par biegunów (P) w stojanie, wyrażonych wzorem: Ns=(120f)/P. To wirujące pole magnetyczne przecina przewodniki wirnika, indukując siłę elektromotoryczną (EMF) w wirniku-jest to podstawa indukcji elektromagnetycznej w silniku.

Wirnik jest obracającą się częścią silnika indukcyjnego, zamontowaną na wale wystającym poza ramę silnika. Znajduje się wewnątrz stojana, z małą szczeliną powietrzną (zwykle 0,2–2 mm) pomiędzy rdzeniami stojana i wirnika. Zadaniem wirnika jest konwersja energii elektromagnetycznej indukowanej przez wirujące pole magnetyczne stojana na energię mechaniczną, która napędza obciążenie (np. pompy, wentylatory, przenośniki).

Rodzaje i budowa wirnika

W silnikach indukcyjnych stosowane są dwa główne typy wirników, różniące się konstrukcją i zastosowaniem:

1. Wirnik klatkowy

Jest to najpopularniejszy typ wirnika, nazwany tak ze względu na podobieństwo do klatki wiewiórki. Jego struktura obejmuje:

•Rdzeń wirnika: Podobnie jak rdzeń stojana, wykonany jest z laminowanych arkuszy stali krzemowej ze szczelinami na zewnętrznej powierzchni.

• Pręty wirników: Pręty miedziane lub aluminiowe włożone w szczeliny rdzenia wirnika. Pręty te są-zwarte na obu końcach dwoma grubymi pierścieniami z miedzi lub aluminium (zwanymi pierścieniami końcowymi), tworzącymi zamkniętą pętlę.

Wirnik klatkowy jest prosty, solidny,-tani i wymaga minimalnej konserwacji, dzięki czemu nadaje się do większości zastosowań przemysłowych i domowych (np. wentylatorów, pomp, sprężarek).

2. Uzwojony wirnik

Wirnik uzwojony (zwany także wirnikiem z pierścieniem ślizgowym) ma bardziej złożoną konstrukcję, zaprojektowaną do zastosowań wymagających zmiennej prędkości lub wysokiego momentu rozruchowego (np. dźwigi, windy, kruszarki). Jego struktura obejmuje:

•Rdzeń wirnika: Laminowane arkusze stali krzemowej ze szczelinami do mocowania uzwojeń wirnika.

•Uzwojenia wirnika: Uzwojenia-trójfazowe podobne do uzwojeń stojana, połączone w konfigurację gwiazdy. Trzy końce uzwojeń są połączone z trzema pierścieniami ślizgowymi zamontowanymi na wale wirnika.

•Pierścienie ślizgowe i szczotki: Pierścienie ślizgowe stykają się ze stacjonarnymi szczotkami węglowymi, które umożliwiają podłączenie zewnętrznych rezystorów do uzwojeń wirnika. Umożliwia to kontrolę prądu wirnika, regulując w ten sposób prędkość silnika i moment rozruchowy.

Funkcja wirnika

Kiedy wirujące pole magnetyczne stojana przecina przewody wirnika, prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya indukuje pole elektromagnetyczne w wirniku. Ponieważ przewody wirnika tworzą zamkniętą pętlę (albo poprzez pierścienie końcowe w wirnikach klatkowych, albo przez zewnętrzne rezystory w wirnikach uzwojonych), to indukowane pole elektromagnetyczne generuje prąd w wirniku (zwany prądem wirnika). Prąd wirnika oddziałuje z wirującym polem magnetycznym stojana, wytwarzając siłę mechaniczną (siła Lorentza), która powoduje, że wirnik obraca się w tym samym kierunku, co wirujące pole magnetyczne.

Kluczową cechą silników indukcyjnych jest to, że prędkość wirnika (N) jest zawsze mniejsza niż prędkość synchroniczna (Ns) pola magnetycznego stojana.-Różnica ta nazywana jestpoślizg(s), określone wzorem: s=(Ns - N)/Ns × 100%. Aby zaszła indukcja, niezbędny jest poślizg (jeśli prędkość wirnika jest równa prędkości synchronicznej, pomiędzy polem magnetycznym a przewodami wirnika nie występuje ruch względny, więc nie jest indukowane pole elektromagnetyczne). Typowe wartości poślizgu dla silników indukcyjnych wahają się od 1% do 5% przy pełnym obciążeniu.