Sincap kafesli rotor, asenkron motorun bakımsız çalışmasını sağlayan yapıdır. Rotor çubuklarının kesiti ve derinliği, motorun kalkış torkunu ve kalkış akımını doğrudan belirler.
Kafesin yapısı
Rotor, yalıtılmış ince saclardan oluşan bir paketin oluklarına yerleştirilen çubuklardan kurulur. Çubuklar iki uçtaki halkalarla kısa devre edilir ve kafes biçimli bir kısa devre sargısı oluşur. Rotorda dışarı çıkan hiçbir uç, fırça ya da bilezik bulunmaz. Küçük ve orta güçlerde çubuklar alüminyum dökülür, büyük güçlerde bakır çubuklar oluğa geçirilip halkaya lehimlenir. Bakır kafes, alüminyuma göre daha düşük rotor kaybı verir.
Rotor direncinin torka etkisi
Kalkış torku, rotor çubuklarının direnciyle güçlü biçimde ilişkilidir. Yüksek dirençli bir rotor, kalkışta daha büyük tork üretir ve kalkış akımını sınırlar. Bunun aksine aynı yüksek direnç, sürekli çalışmada rotor kaybını büyütür ve verimi düşürür. Düşük dirençli bir rotor ise verimli çalışır ama kalkış torku küçük kalır. Rotor tasarımı, bu iki gerek arasındaki dengeyi kurar.
Deri etkisi ve derin oluk
Kalkış anında rotor çubuklarındaki akımın frekansı, şebeke frekansına eşittir. Yüksek frekanslı akım, iletkenin dış yüzeyine doğru yığılır. Derin ve dar bir oluğa yerleştirilen çubukta akım, kalkışta yalnızca üst bölgeden akar ve etkin kesit küçülür. Küçülen kesit, direnci yükseltip kalkış torkunu büyütür. Motor hızlandıkça rotor frekansı birkaç hertze iner, akım tüm kesite yayılır ve direnç düşer.
Böylece derin oluklu bir rotor, kalkışta yüksek dirençli, çalışmada düşük dirençli davranır. Bu davranış, ek bir düzenek olmadan kendiliğinden gerçekleşir.
Çift kafesli rotor
Kimi tasarımlarda oluğa üst üste iki çubuk yerleştirilir. Üstteki çubuk ince kesitli ve yüksek dirençli, alttaki kalın kesitli ve düşük dirençlidir. Kalkışta akım büyük ölçüde üst çubuktan akar ve yüksek tork üretilir. Devir yükseldikçe akım alt çubuğa kayar ve motor verimli çalışır. Çift kafes, derin oluğun etkisini daha üretir.
Tasarım sınıfları
Rotor geometrisinin ürettiği tork ve akım davranışı, standartlarda tasarım sınıfı olarak adlandırılır. IEC 60034-12 standardı, normal torklu N ve yüksek torklu H sınıflarını tanımlar. Yıldız-üçgen yol vermeye uygun alt tipler ayrıca belirtilir. Kuzey Amerika'da kullanılan NEMA sınıflandırması ise A, B, C ve D harfleriyle yapılır. Sınıflar, kalkış torkunun ve kalkış akımının asgari ya da azami sınırlarını belirler.
Sınıfların uygulama karşılığı
Normal torklu sınıf, pompa ve fan gibi kolay kalkan yükler ile çoğu genel sanayi tahriki için yeterlidir. Yüksek torklu sınıf, yüklü kalkan konveyörler, kompresörler ve kırıcılar için tercih edilir. Yüksek kaymalı tasarımlar ise pres ve makas gibi darbeli ve kısa süreli yüklerde kullanılır. Bu tasarımların sürekli çalışmadaki verimi düşüktür. Sınıf seçimi, yükün kalkış torku ihtiyacına göre yapılır.
Bakır ve alüminyum kafes
Alüminyum kafes, rotor oluklarına basınçlı dökümle bir seferde oluşturulur ve maliyeti düşüktür. Bakırın öz direnci alüminyumunkinin altındadır; bakır kafes rotor kaybını azaltır. Kayıp azaldıkça motorun verimi yükselir ve kayma küçülür. Buna karşın bakır çubukların dökümü zordur ve yüksek sıcaklık gerektirir. Yüksek verim sınıflarında bakır kafes yaygınlaşmıştır.
Oluk sayısı ve gürültü
Stator ve rotor oluk sayılarının birbirine oranı, motorun ürettiği manyetik gürültüyü belirler. Uygunsuz bir oran, belirli devirlerde rezonansa ve tiz bir uğultuya yol açar. Rotor oluklarının mil eksenine göre eğik açılması, bu etkiyi azaltır. Eğik oluk aynı zamanda kalkıştaki tork dalgalanmasını yumuşatır. Motorların gürültü sınırları ayrı bir standartta verilir.
Rotor çubuğu kırılması
Sık kalkan bir motorda çubuklar ısıl genleşme ve mekanik zorlanma yaşar. Zamanla bir çubuk kısa devre halkasından ayrılabilir ya da çatlayabilir. Kırık çubuk, motorun torkunda ve akımında yavaş bir dalgalanma yaratır. Belirti, akım spektrumunda kayma frekansı çevresinde beliren yan bantlarla saptanır. Kırık çubuk sayısı arttıkça motorun kalkış yeteneği azalır.
Hava aralığının düzgünlüğü
Stator ile rotor arasındaki hava aralığı, milimetrenin kesirleri düzeyindedir. Aralığın çevre boyunca düzgün olmaması, manyetik çekimi bir tarafa yığar. Doğan tek yönlü çekim kuvveti, rulmanlara sürekli bir radyal yük bindirir ve titreşim yaratır. Rulman aşınması bu eşitsizliği zamanla büyütür. Aralığın ölçülmesi, ağır arızalar öncesinde erken bir uyarı verir. Ölçüm sentil çakısıyla, rotorun çevresi boyunca dört noktadan alınır ve okumalar karşılaştırılır.
Rotor dengesi ve titreşim
Rotorun kütle merkezi mil ekseninden kaçıksa dönerken merkezkaç kuvveti doğar. Bu kuvvet, rulmanlara sürekli bir radyal yük bindirir ve titreşim üretir. Rotorlar üretim sırasında dinamik olarak dengelenir ve denge sınıfı belirlenir. Motorların titreşim sınıfları IEC 60034-14 standardında tanımlanır. Yüksek devirli tahriklerde bu sınıf daha katı seçilir.
Kilitli rotor akımı ve harf kodu
Motor dururken uçlarına anma gerilimi uygulandığında çekilen akım, kilitli rotor akımı olarak adlandırılır. Bu akımın anma akımına oranı, rotor geometrisiyle belirlenir. Katalogda oran doğrudan verilir; kimi standartlarda görünür güç cinsinden bir harf koduyla bildirilir. Kod, şebeke ve trafo boyutlandırmasında kullanılır. Yüksek kalkış torklu rotorlar, aynı akımda daha büyük tork üretir.
Rotor ısınması
Rotorda harcanan güç kaymayla orantılıdır ve tümü ısıya döner. Rotorun kendi soğutması, kafes halkalarına dökülen kanatçıklarla sağlanır. Yüksek ataletli bir yükü kaldıran motorda kalkış uzar ve rotor kısa sürede ısınır. Kalkış sayısı, rotorun soğuma süresine göre sınırlanır. Sargı sıcaklığını ölçen termistör, rotor sıcaklığını doğrudan görmez.
Seçime etkisi
Yükün istediği kalkış torku, rotor tasarım sınıfının seçimini belirler. Kalkış akımını sınırlamak gerekiyorsa yol verme yöntemi de birlikte kararlaştırılır ve yol verme yöntemleri başlığında karşılaştırılır. Tork-devir eğrisinin okunması için kayma ve tork-devir eğrisi çerçevesindeki adımlar izlenebilir. Motorun genel seçimi trifaze elektrik motoru çerçevesiyle yapılır.
Sincap kafesli rotor, bakım gerektirmeyen sadeliğini çubuk geometrisinin kurduğu ince dengeye borçludur. Derin oluk ve çift kafes, kalkışta yüksek tork ile çalışmada yüksek verimi aynı rotorda birleştirir.
