• Silniki pierścieniowe to odmiana trójfazowych silników indukcyjnych (asynchronicznych)
• Silniki indukcyjne pierścieniowe wyróżniają się szczególną konstrukcją wirnika
• Silnik pierścieniowy w całym zakresie obrotów pracuje praktycznie z maksymalnym momentem obrotowym
• Pierścień ślizgowy pomaga w przekazywaniu mocy i sygnałów elektrycznych do obracającego się elementu
• Z konstrukcji i zasady działania silnika pierścieniowego wynikają największe zalety i wady tych silników
• Silniki pierścieniowe są nadal wykorzystywane w wielu instalacjach przemysłowych

Silnik pierścieniowy, podobnie jak silnik indukcyjny klatkowy, to odmiana silnika trójfazowego indukcyjnego (asynchronicznego). Najważniejsza różnica w budowie tych dwóch wariantów sprowadza się do innej konstrukcji wirników tych silników.

Budowa silnika pierścieniowego

Silnik indukcyjny pierścieniowy, zwany także silnikiem z pierścieniem ślizgowym, jest silnikiem asynchronicznym, ponieważ prędkość, z jaką pracuje, nie jest równa prędkości synchronicznej wirnika. Charakteryzuje się on szczególną konstrukcją. Stojan tego silnika po wewnętrznej stronie składa się ze specjalnych rowków (zwanych żłobkami), które są rozmieszczone tak, aby wspierać budowę 3-fazowego obwodu uzwojenia łączącego się z 3-fazowym źródłem prądu przemiennego.

Różnica w porównaniu z silnikiem klatkowym dotyczy przede wszystkim budowy wirnika. Wirnik silnika pierścieniowego jest uzwojony (uzwojenie wirnika jest podobne do uzwojenia stojana), ale nie jest zwarty, jak to ma miejsce w przypadku silnika klatkowego. Jest on jednostronnie otwarty i składa się z cylindrycznego rdzenia ze stali laminowanej o równoległych żłobieniach, w których mieści się izolowany obwód uzwojenia trójfazowego.

Trzyczęściowe uzwojenie z jednej strony jest połączone w gwiazdę, a pozostałe końce są na stałe połączone z pierścieniami ślizgowymi (trzema, jeśli mamy do czynienia z silnikiem trójfazowym), które znajdują się na wale wirnika. Przez przylegające do nich szczotki uzwojenie jest wyprowadzane na zewnątrz silnika do skrzynki przyłączeniowej. Dzięki takiej budowie silnika pierścieniowego istnieje możliwość podpięcia do końcówek obracającego się uzwojenia wirnika dodatkowych obwodów (np. rozrusznika – opornika o regulowanej rezystancji lub przekształtnika energoelektronicznego), które umożliwią np. łagodny rozruch. Zmiana rezystancji faz umożliwia natomiast rozruch z regulacją prędkości obrotowej (głównie momentu obrotowego).

Silniki pierścieniowe – rozruch i zasada działania

Silnik pierścieniowy działa na zasadzie prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya. Gdy uzwojenie stojana jest wzbudzane trójfazowym prądem przemiennym, wytwarza zmienne pole magnetyczne. Zgodnie ze wspomnianym prawem indukcji elektromagnetycznej uzwojenie wirnika jest indukowane i zaczyna przez nie płynąć prąd. Następnie indukowane pole elektromagnetyczne wytwarza moment obrotowy, który wprawia w ruch wirnik silnika i zwiększa jego prędkość obrotową.

Sam rozruch silnika o wirniku pierścieniowym następuje przy wykorzystaniu dodatkowej rezystancji rozrusznika oporowego, który jest włączony w obwód wirnika. Takie rozwiązanie pozwala obniżyć prąd wirnika, a tym samym prąd, jaki jest pobierany z sieci. Po zakończeniu rozruchu następuje zwarcie uzwojenia wirnika w wyniku działania odpowiedniego przełącznika.

Dzięki możliwości zmiany rezystancji w obwodzie uzwojenia wirnika można też płynnie zmieniać obroty silnika. Zwiększanie rezystancji sprawia, że maksymalny moment obrotowy uzyskuje niższe wartości w efekcie większych strat energii w rozruszniku i znaczącym spadku mocy przy obrotach znamionowych.

Dzięki stosowaniu stopniowych rozruszników uzyskuje się skokową zmianę rezystancji. Powoduje to, że silnik praktycznie w całym zakresie obrotów pracuje z maksymalnym momentem obrotowym. Żeby uzyskać wzrost prędkości obrotowej silnika, zmniejsza się rezystancję, co skutkuje osiągnięciem prędkości znamionowej. Taka zasada działania silnika pierścieniowego zapewnia zmniejszenie prądu rozruchowego i jednoczesne zwiększenie momentu obrotowego.

Po co silnik indukcyjny ma pierścienie ślizgowe?

W silnikach asynchronicznych poślizg definiujemy jako różnicę między prędkością obrotową wirnika a prędkością synchroniczną. Żeby silnik indukcyjny wytwarzał moment obrotowy, powinna istnieć przynajmniej pewna różnica między prędkością pola stojana a prędkością wirnika. Ta różnica nazywana jest właśnie „poślizgiem”.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Silniki elektryczne

Rynek silników prądu przemiennego niskiego napięcia w 2022 r.

Najnowsze badania przeprowadzone przez Interact Analysis pokazują, że rynek silników prądu przemiennego niskiego napięcia (NN) odnotował spory wzrost w ciągu ostatnich kilku lat, głównie w wyniku rosnących cen tego typu jednostek napędowych. Tylko w 2022 r. rynek wzrósł do 17 miliardów dolarów; ceny zwiększyły się od około 35% do 40% w pierwszej połowie roku.

Pierścień ślizgowy jest natomiast urządzeniem elektromechanicznym, które pomaga w przekazywaniu mocy i sygnałów elektrycznych z części nieruchomej do obracającego się elementu. Wykonany jest z materiałów, które są odporne na ścieranie, z dużą zawartością miedzi, której zadaniem jest zmniejszenie oporu elektrycznego. Poprawia sprawność i wydajność silnika, poprawiając działanie systemu i eliminując przewody zwisające ze złącza silnika.

Czasami, w zależności od zastosowania, pierścień ślizgowy może wymagać większej przepustowości do przesyłania danych. Do pierścienia przylegają natomiast szczotki elektryczne, które optymalizują przepływ prądu.

Silniki indukcyjne z pierścieniem ślizgowym mają swoje zalety i wady

Z opisanej wyżej konstrukcji i zasady działania silnika pierścieniowego wynikają największe zalety tego typu silników indukcyjnych. To niższy prąd rozruchowy, możliwość regulowania momentu rozruchowego w zakresie do maksymalnego obrotu, a także możliwość regulacji poślizgu przy zastosowaniu rezystancji lub napięcia wirnika.

Silniki pierścieniowe charakteryzują się także stabilną pracą, wysoką odpornością na uszkodzenia i niską awaryjnością oraz uniwersalnym zastosowaniem. Dzięki możliwości dołączania dodatkowych elementów do uzwojenia wirnika silnik pierścieniowy ma większy zakres regulowania parametrów pracy silnika.

Wspomniana skomplikowana konstrukcja silnika z pierścieniem ślizgowym przekłada się na bardziej kłopotliwą eksploatację, a także wyższe koszty użytkowania i konserwacji w porównaniu z silnikami klatkowymi. Ponadto taki silnik jest droższy niż odmiana klatkowa. Ma też niższą wydajność i niski współczynnik mocy.

Silniki pierścieniowe i ich typowe zastosowania

Choć silniki pierścieniowe powoli są wypierane z rynku, wciąż istnieje spora grupa zastosowań, w których są one powszechnie wykorzystywane. Wynika to z właściwości tych jednostek napędowych, czyli możliwości regulowania prędkości i momentu obrotowego. Silniki z wirnikami uzwojonymi najczęściej wykorzystuje się w aplikacjach z napędem o ciężkim rozruchu, w których przy małym prądzie rozruchowym wymagany jest duży moment rozruchowy. Są to różne instalacje przemysłowe, głównie ciężkie maszyny, m.in. dźwignice, suwnice, maszyny wyciągowe, pompy dużych mocy czy napędy wykorzystywane w młynach. Poza przemysłem silniki pierścieniowe można spotkać m.in. w napędach wyciągów narciarskich bądź karuzel. Używane są również w warunkach słabszych parametrów sieci zasilającej.

Oferowane na rynku silniki z pierścieniem ślizgowym dostępne są w wariantach o różnorodnych parametrach technicznych, w zakresie mocy od kilku kW (ok. 2 kW) do kilku MW.

Wspomniana bardziej skomplikowana konstrukcja silnika, droższa eksploatacja i konserwacja są tymi czynnikami, które stopniowo zmniejszają zainteresowanie silnikami z wirnikiem pierścieniowym. Największa w tym zasługa silników klatkowych, które dzięki falownikom czy softstartom są zdecydowanie łatwiej sterowalne. Warto jednak pamiętać, że nie zawsze (np. przy rzadszym rozruchu) stosowanie tych urządzeń jest opłacalne.