Rotor (elektrotehnika)

Rotor je naziv pokretnog dijela elektromotora ili generatora električne struje. Zavisno od vrste električne mašine, na rotoru se najčešće nalaze namotaji koji električnu energiju preuzimaju preko komutatora (kolektora). Sam kolektor je napravljen od međusobno izoliranih lamela na koje dolaze četkice. Postoje i druge vrste rotora na kojima nema kolektora, a ti rotori se obično nalaze u većim elektromotorima naizmjenične struje, čija je snaga veća od 1 kW.

Rotor jednog elektromotora

Rotaciono kretanje kod rotora nastaje usljed interakcije između namotaja i magnetnog polja koja proizvodi obrtni momenat na osovini rotora.

Razvoj

Prvu rotacionu mašinu koja je radila na principu obrtnog magnetnog polja a sastojala se od elektromagneta i komutatora kreirao je mađarski naučnik Istvan Jedlik 1826-27. godine. Nakon njega, pionirski doprinos u oblasti elektriciteta dali su i drugi: Francuz Hippolyte Pixii napravio je generator naizmjenične struje 1832. godine; iste godine je Britanac William Ritchie konstruirao elektromagnetni generator sa četiri namotaja na rotoru, komutatorom i četkicama. Ubrzo su uslijedila i konstrukcijska rješenja koja su imala i praktičnu primjenu: naturalizovani Rus pruskog porijekla Moritz Hermann Jacobi, 1834. godine sagradio je elektromotor koji je mogao dizati teret težak oko 5 kg brzinom od oko 30 centimetara u sekundi zahvaljujući svojoj snazi od 15 W, a 1835. godine Francis Watkins, još jedan Britanac, opisao je električnu "igračku" koju je napravio - smatra se da je on bio prvi koji je shvatio sličnosti između elektromotora i električnog generatora.

Vrste rotora

Indukcioni (asinhroni) elektromotori, generatori i alternatori (sinhroni), u osnovi, sastoje se od dva elementa: statora i rotora. Postoje dva konstrukcijska rješenja za rotore kod indukcionih motora: asinhrone mašine sa kaveznim (kratkospojenim rotorom) i asinhrone mašine sa namotanim rotorom (sa kliznim prstenovima). Sinhrone mašine, kao što su generatori i alternatori, imaju dva glavna konstrukcijska rešenja rotora: cilindrični rotor (sa neistaknutim polovima) i rotor sa istaknutim polovima.

Kavezni rotor

Kavezni rotor sa šipkama vodiča koje imaju otklon od uzdužne ose

Kavezni rotor sastoji se od feromagnetne jezgre igrađene od laminiranog čelika koji su sa spoljašnje strane (po obodu rotora) ožljebljeni. U žljebovima, ravnomjerno raspoređenim, nalaze se namotaji od bakra ili aluminija. Tako izveden namotaj rotora podjeća na kavez. Kod motora manjih i srednjih snaga rotor izliven od aluminija i kratko spojen, a kod motora većih snaga rotor se izrađuje od neizolovanih bakrenih štapnih provodnika, koji su na bočnim stranama kratko spojeni prstenovima. Segmenti jezgra i namotaji rotora nisu paraleleni sa osovinom: lagano su "uvrnuti" da bi se smanjio magnetni "šum" - kovitlanje magnetnog polja koje bi uticalo na efikasnost motora i da bi se spriječilo blokiranje vrtnje. Osovina rotora leži u kugličnim ležajevima učvršćenim u kućištu motora. Jedan kraj osovine (ili oba) izlazi van kućišta i na njega se montira vratilo, odnosno, određeno opterećenje (lopatice ventilatora, transportna traka, vučno uže, alati za bušenje, rezanje i sl.) Prema potrebi, na osovinu se mogu montirati i različiti sklopovi radi praćenja i kontrole radnih parametara (npr. brojač/senzor broja okretaja).

Rotor sa namotajima

Rotor motora sa namotajima

Rotor generatora

Skica prikazuje provodnik u magnetnom polju sa smjerom sila i struje

Rotor sa namotajima sastoji se od cilindričnog jezgra izrađenog od laminiranog čelika sa utorima u kojima se polažu trofazni namotaji ravnomjerno raspoređeni na razmaku od po 120 elektrotehničkih stepeni i spojenih u konfiguraciju "zvijezda" ili "Y". Tri kraja namotaja spojena su u neutralnu tačku, a preostala tri kraja se spajaju se odvojeno na tri klizna prstena. Prstenovi su međusobno i od osovine/vratila električno izolovani. Preko kliznih prstenova klize četkice koje su u vezi sa trofaznim rotorskim otpornikom koji se često naziva i otpornik za puštanje u rad. Rotorski otpornik je potreban samo za puštanje u rad, nakon pokretanja, četkice se podižu a namotaj rotora se kratko spaja preko odgovarajućeg uređaja.

Rotor sa istaknutim polovima

Rotor je veliki magnet čiji su polovi izrađeni od laminiranog čelika koji "štrče" iz jezgra rotora. Polovi magneta-rotora mogu biti stalni magnet ili elektormagnet napajan istosmjernom strujom. Armatura statora sa trofaznim namotajima je povezana sa tri klizna prstena preko kojih klize četkice. Namotaji elektromagneta se nalaze na rotoru i proizvode elektromagnetno polje a armaturni namotaji su na statoru na koji je narinut električni napon. Istosmjerna struja, dovedena iz vanjskog izvora ili preko sklopa dioda služi za stvaranje magnetnog polja u namotajima rotora a naizmjenična struja istovremeno napaja namotaje armature na statoru.

Cilindrični rotor

Rotor ima oblik cilindra, izrađen je od masivnog čelika sa utorima koji se protežu obodom cilindra u kojima se nalaze učvršćeni namotaji rotora izrađeni od lakiranih (izolacioni lak) bakarnih vodiča. Namotaji su izolirani od utora a glave namota mehanički su učvršćene rotorskim kapama izrađenim od posebnog čelika jer moraju izdržati velika mehanička naprezanja. Vanjski izvor istosmjerne struje doveden je na koncentrično postavljene prstenove preko četkica.

Princip rada

Električni motor: smjer okretanja rotora može se mijenjati promjenom smjera struje

Kod trofazne indukcione mašine, naizmjenična struja koja se dovodi na namotaje statora, stvara rotirajući magnetni tok Magnetni tok stvara magnetno polje u zazoru između statora i rotora i inducira napon koji "tjera" električnu struju kroz šipke rotora. Električno kolo rotora je kratkospojeno a struja teče kroz vodiče u rotoru. Djelovanje rotirajućeg magnetnog fluksa i električne struje stvara silu koja proizvodi moment koji pokreće motor.

Rotor alternatora napravljen je od namotaja žice oko željeznog jezgra. Magnetna komponenta rotora sastoji se od čeličnih segmenata koji su oblikom prilagođeni za smještaj namotaja vodiča. Prolazak električne struje (struje polja) kroz namotaje u jezgru se stvara magnetno polje. Jačina struje polja kontrolira jačinu magnetnog polja. Istosmjerna struja koja usmjerava struju polja u jednom smjeru dovodi se na namotaje preko četkica i kliznih prstenova. Kao i svi magneti, i magnetno polje u električnim mašinama ima sjeverni i južni pol. Smjer obrtanja rotora može se kontrolirati odgvorajućim konstrukcijskim rješenjima.

Karakteristike rotora

• Kavezni rotor

Ovaj rotor se okreće sporije od magnetnog polja statora ili sinhrone brzine.

Klizanje rotora omogućava potrebnu indukciju struje u rotoru kako bi motor dobio moment sile; struja je proporcionalna klizanju.

Kada brzina rotora raste, klizanje se smanjuje.

S povećanjem klizanja povećava se i struja motora, što dalje povećava i struju u rotoru. Rezultat je jači moment sile, potreban kod većeg opterećenja.

• Rotor sa namotajima

Ovaj rotor radi na konstantnoj brzini a zahtijeva slabiju struju pokretanja.

Vanjski otpor se dodaje električnom kolu rotora čime se povećava početni moment sile.

Efikasnost rada motora se povećava sa smanjenjem vanjskog otpora po ubrzanju motora.

Veći moment sile i bolja kontrola brzine.

• Rotor sa istaknutim polovima

Ovaj rotor radi na brzinama manjim od 1500 obrtaja u minuti i sa 40% nazivnog momenta sile bez pobude.

Ima veliki prečnik i kratku osovinsku dužinu.

Zazor između statora i rotora nije ujednačen.

Ima malu mehaničku snagu.

• Cilindrični rotor

Rotor se okreće brzinom od 1500 do 3000 obrtaja u minuti.

Ima veliku mehaničku snagu.

Zazor između rotora i statora je ujednačen.

Ima mali prečnik a veliku osovinsku dužinu, zahtijeva veći moment sile nego rotor sa istaknutim polovima.

Parametri rotora

Napon šipke rotora

Rotirajuće magnetno polje inducira napon u šipkama rotora kada prolazi kroz njih. Ova formula odnosi se na inducirani napon u šipkama rotora.

$E=BL(V_{sin}-V_{m})$

gdje je:

$E$= inducirani napon

$B$= magnetno polje

$L$= dužina vodiča

$V_{sin}$= sinhrona brzina

$V_{m}$= brzina vodiča

Moment sile u rotoru

Moment sile (obrtni) proizvodi sila koja nastaje kao rezultat interakcije magnetnog polja i električne struje a izražava se kao:

$F=(BxI)L$

$T=Fxr$

gdje je:

$F$=sila

$T$=moment sile

$r$=prečnik prstenova rotora

$I$=šipka rotora

Klizanje kod indukcionog motora

Magnetno polje statora rotira se sinhronom brzinom, $n_{s}$

$n_{s}={\frac {120f}{p}}$

gdje je:

$f$= frekvencija

$p$= broj polova

Ako je $n_{m}$= brzina rotora, klizanje se za indukcioni motor prikazuje kao:

$s={\frac {n_{s}-n_{m}}{n_{s}}}\times 100\%$

Mehanička brzina rotora, u smislu klizanja i sinhrone brzine:

$n_{m}=(1-s)n_{s}$

$\omega _{m}=(1-s)\omega _{s}$

Relativna brzina klizanja:

$n_{klizanje}=n_{s}-n_{m}$

Frekvencija induciranog napona i struje

$f_{r}=sf_{e}$

Također pogledajte

• Elektromotor
• Stator