АСИНХРОННАЯ МАШИНА С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ Российский патент 1995 года по МПК H02K17/20 

Изобретение относится к асинхронным электрическим машинам и может быть использовано в высокоскоростном бытовом и промышленном электроприводах, а также электростанциях с высокоскоростным приводом.

Известны коллекторные машины различных конструкций (1). Обеспечивая в качестве двигателей достаточно высокую частоту вращения, они имеют такие существенные недостатки, как низкую надежность, нетехнологичность, сложность обслуживания, малый срок службы из-за наличия щеточно-коллекторного узла.

Наиболее близкой к предлагаемой является асинхронная машина с короткозамкнутым ротором, содержащая ферромагнитный статор с пазами и размещенной в них многофазной якорной обмоткой, ротор с электропроводными аксиальными стержнями и замыкающими элементами в виде колец (2). Такая машина в качестве двигателя лишена недостатка коллекторных благодаря отсутствию коллектора и щеток, проста и надежна. Однако, существенным ее недостатком является то обстоятельство, что при питании от сети частоты f принципиально не может обеспечить частоты вращения n > 60f об/мин, а в качестве генератора - частоты напряжения f < n/60 Гц, и как следствие этого, имеет ограниченную область применения.

Целью изобретения является расширение области применения при сохранении простоты и надежности.

Указанная цель достигается тем, что пазы статора машины выполнены скошенными по винтообразной траектории вдоль оси машины, а якорная обмотка и замыкающие стержни ротора элементы распределены в аксиальном направлении, причем замыкающие элементы ротора размещены в его активном поверхностном слое. При этом замыкающие стержни ротора элементы могут быть выполнены в виде колец, расположенных в кольцевых пазах перпендикулярно оси машины. Кроме того, замыкающие стержни ротора элементы могут быть также выполнены в виде винтообразных стержней, размещены в специально для них выполненных скошенными по винтообразной траектории вдоль оси машины пазах и гальванически соединены с аксиальными стержнями в местах пересечений с ними. Якорная обмотка машины составлена из секций, каждая из которых состоит из винтообразной активной части и прямолинейной лобовой части, причем лобовые части секций размещены в специально выполненном для них в статоре аксиальном пазу. Воздушный зазор вдоль окружности расточки статора в области лобовых частей якорной обмотки (аксиального паза статора) целесообразно выполнять неравномерным за счет уменьшения радиального размера статора. Аксиальный паз статора целесообразно выполнять глубиной, близкой по величине к радиальному размеру статора или сквозным в радиальном направлении с образованием щели. Статор и якорная обмотка могут быть подразделены продольными промежутками на две или более части, причем секции каждой части якорной обмотки состоят из двух активных частей и двух размещенных в указанных промежутках лобовых частей. В случае выполнения замыкающих элементов ротора винтообразными шаги и направления "винтов" пазов статора и ротора с винтообразной траекторией целесообразно выполнять одинаковыми.

На фиг.1 изображен пример конструкции машины; на фиг.2 - пример ротора машины с кольцевыми замыкающими элементами (схематично); на фиг.3 - пример ротора машины с винтообразными замыкающими элементами (схематично); на фиг. 4 - пример схемы якорной обмотки машины с отношением n_c/f = 120 об/мин Гц; на фиг.5 - картина полярности магнитного поля обмотки по фиг.4 в воздушном зазоре (развертка по окружности); на фиг.6 - вид на машину с подразделенным на две части статором с торца при снятом щите; на фиг.7 - пример схемы якорной обмотки для машины с подразделенным на две части статором и отношением n_c/f = 120 об/мин Гц (развертка по окружности); на фиг.8 - пример схемы якорной обмотки с отношением n_c/f = 240 об/мин Гц.

Асинхронная машина с короткозамкнутым ротором содержит ферромагнитные статор 1 (см. фиг. 1) с многофазной якорной обмоткой 2 (в примере фиг.1 - трехфазной) и ротор 3. Статор 1 закреплен в корпусе 4 и выполнен с пазами 5, 6 и 7 по числу фаз А, В и С обмотки 2. Пазы скошены по винтообразной траектории вдоль оси машины. По существу зубцово-пазовый слой статора представляет собой многозаходную (m - заходную, где m - число фаз якорной обмотки) винтообразную структуру, а фазы А, В и С обмотки 2, размещенные соответственно в винтообразных пазах 5, 6 и 7, распределены в аксиальном направлении. Ротор 3 в активном поверхностном слое имеет короткозамкнутую обмотку, состоящую из электропроводных аксиальных стержней 8, распределенных по окружности, и замыкающих стержни 8 элементов 9, распределенных в аксиальном направлении. При этом замыкающие элементы 9 могут быть выполнены в виде колец (см. фиг. 2), что достаточно технологично. Возможно также выполнение замыкающих элементов 9 в виде винтообразных стержней (см. фиг.3), что конструктивно сложнее и менее технологичнее, но обеспечивает улучшенные характеристики машины за счет увеличения взаимоиндуктивной связи обмоток статора и ротора. Фактически винтообразные пазы под такие замыкающие элементы образуют многозаходную винтовую структуру поверхностного слоя ротора (в примере фиг. 3 - шестизаходную). Якорная обмотка 2 машины представляет собой распределенные в осевом направлении секции 10 (см. фиг.4), соединенные между собой в обычном порядке. Сами секции 10 являются фактически полукатушками со скошенной по винтовой линии активной частью 11 винтообразной формы и прямолинейной лобовой частью 12. Лобовые части 12 размещены в специально выполненном для них пазу 13 (см. фиг.1). Ввиду того, что аксиальная линия лобовых частей якорной обмотки (ось паза 13) является границей скачкообразного изменения полярности поля статора (см. фиг.5), что приводит к созданию тормозного момента в машине, то для ослабления указанного момента воздушный зазор в этой области выполнен неравномерным за счет уменьшения радиального размера статора (см. фиг.1).

Поскольку лобовыми частями 12 якорной обмоткой в роторе создается двухполюсное поле, также обуславливающее тормозной момент в машине, то для ослабления или исключения этого нежелательного явления аксиальный паз 13 статора выполнен глубиной, близкой по величине к радиальному размеру статора или сквозным с образованием щели (см. пунктир в области паза 13 на фиг. 1). С точки зрения технологичности и ремонтопригодности может оказаться целесообразным подразделение статора 1 и якорной обмотки 2 продольно-радиальными промежутками 14 на две (фиг.6) или более части. При этом секции каждой части якорной обмотки 2 состоят из двух активных частей 15 и двух размещенных в промежутках 14 лобовых частей 16 (см. фиг.6 и 7). В случае выполнения замыкающих элементов 9 ротора 3 винтообразными (см. фиг.3) для обеспечения максимального электромагнитного момента машины целесообразно шаги "винтов" винтообразных пазов статора и ротора выполнять одинаковыми. Шихтовка машины целесообразна с продольно-радиальным расположением листов. Выше описывалась конструкция машины с наружным статором и внутренним ротором. Однако, возможно также конструктивное выполнение с внутренним статором и наружным ротором, что по технологичным или иным соображениям может оказаться более предпочтительным.

Изобретение основано на идее получения в асинхронной машине высоких частот вращения при низких частотах питающего напряжения (двигатель) и, наоборот, низких частот напряжения при высоких частотах вращения (генератор) путем образования аксиального бегущего в аксиальном направлении винтового магнитного поля. Аксиальное перемещение такого поля относительно элементарных роторных контуров эквивалентно его вращению (см. фиг.5). При этом в зависимости от шага "винта" поля аксиальное перемещение его на одно полюсное деление τ эквивалентно его повороту на определенное число оборотов. Например, перемещение поля на одно полюсное деление τ при шаге "винта" поля, равном полюсному делению τ, эквивалентно его повороту на один оборот, при шаге 0,5 τ - на два оборота и т.д. Поскольку шаг "винта" поля определяется только шагом "винта" якорной обмотки (пазов статора), - эти величины равны друг другу, - то связь между частотой напряжения f и частотой вращения поля статора (синхронная частота вращения) n_с определяется из следующих рассуждений.

Перемещение поля статора с шагом "винта" t_B1 = τ на полюсное деление τ соответствует (эквивалентно) повороту поля на один оборот и времени 1/2f c = 1/20 f мин. С учетом обратно пропорциональной зависимости поворота поля от относительного шага "винта" поля (паза) статора t_B1/τ, показанного выше, частота вращения поля (синхронная частота вращения) определяется следующим образом:
n_c=120fτ/t_B1=120fn_B1 об/мин, где n_B1=τ/t_B1 - число витков паза статора, приходящихся на один полюс.

В рассмотренном примере, где n_B1=τ/t_B1=1, при частоте f = 50 Гц n_c = = 6000 об/мин, чего обеспечить в асинхронной машине было невозможно. Изменением n_B1 возможно достижение любых соотношений n_c/f.

Следует отметить, что по физическим процессам работа машины во всех режимах (двигатель, генератор, тормоз) ничем не отличается от работы обычной асинхронной машины, где ротор вращается с некоторым скольжением относительно вращающегося поля статора.

Благодаря своей простоте и надежности, а также возможности получения теоретически любых высоких частот вращения при низкой частоте сети и напряжения любых низких частот при высоких частотах вращения, предложенная машина в качестве двигателя может найти широкое применение в бытовом электроприводе (миксеры, кофемолки, фены и т.д.) вместо ненадежных коллекторных двигателей, а также в среднем и крупном промышленном высокоскоростном электроприводе (молотилки, центрифуги и т.д.), где позволит исключить преобразователи частоты, а в качестве генератора - в электростанциях с высокоскоростным (турбинным) приводом, где позволит исключить редукторы.

Использование: в бытовом и промышленном электроприводе и источниках электропитания. Сущность: асинхронная машина с короткозамкнутым ротором содержит статор с многофазной винтообразной распределенной в аксиальном направлении обмоткой и ротор с аксиальными электропроводными стержнями и замыкающими их элементами. Замыкающие элементы могут быть в форме колец или винтообразных стержней. Статор с обмоткой может быть подразделен продольно-радиальными промежутками на две или более части, что в ряде случаев может оказаться технологичнее. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. АСИНХРОННАЯ МАШИНА С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ, содержащая статор с ферромагнитным сердечником с цилиндрическим активным поверхностным слоем с пазами и размещенной в них многофазной обмоткой и концентричный со статором ротор с ферромагнитным сердечником и электропроводными аксиальными стержнями в его активном поверхностном слое и замыкающими стержни элементами, отличающаяся тем, что, с целью расширения области применения путем обеспечения заданного отношения частоты вращения к частоте напряжения при сохранении простоты и надежности, пазы статора выполнены скошенными по винтообразной траектории вдоль оси машины, а обмотка статора и замыкающие стержни ротора элементы распределены в аксиальном направлении, причем замыкающие элементы ротора размещены в его активном поверхностном слое. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что замыкающие стержни ротора элементы выполнены в виде колец, расположенных в выполненных в сердечнике перпендикулярно к оси машины кольцевых пазах. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что замыкающие стержни ротора элементы выполнены в виде винтообразных стержней, размещенных в выполненных скошенными по винтовой траектории вдоль оси машины пазах, и гальванически соединены с аксиальными стержнями в местах пересечения с ними. 4. Машина по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что обмотка статора выполнена из секций, каждая из которых состоит из винтообразной активной части и прямолинейной лобовой части, причем лобовые части секций размещены в выполненном в статоре аксиальном пазу. 5. Машина по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что воздушный зазор вдоль окружности расточки статора в области лобовых частей обмотки статора выполнен неравномерным за счет уменьшения радиального размера статора. 6. Машина по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что аксиальный паз статора выполнен глубиной, близкой по величине к радиальному размеру статора, или сквозным в радиальном направлении с образованием щели. 7. Машина по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что статор по окружности подразделен продольно-радиальными промежутками на две или более части, причем секции каждой части обмотки состоят из двух активных частей и двух размещенных в указанных промежутках лобовых частей. 8. Машина по пп. 1, 3 - 7, отличающаяся тем, что шаги и направления "винтов" пазов статора и ротора с винтообразной траекторией выполнены одинаковыми.