АСИНХРОННЫЙ ТОРЦЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК H02K17/16 H02K17/18 H02K1/26 

Изобретение относится к электрическим асинхронным машинам с короткозамкнутой обмоткой ротора и может быть использовано при разработке асинхронных двигателей торцевого исполнения.

В известных конструкциях асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяют глубокие пазы и двойную короткозамкнутую обмотку [1]. Однако основная часть тепла при пуске таких двигателей выделяется в области стержней короткозамкнутой обмотки, близкой к рабочему зазору и обмотке статора. Это затрудняет теплоотдачу, ухудшает температурный режим, снижает эксплуатационную надежность короткозамкнутых двигателей, особенно при работе с частыми пусками. Кроме того, в торцевом исполнении глубокие пазы ротора (более 30 мм) увеличивают осевой размер и металлоемкость двигателя.

В качестве прототипа выбран асинхронный торцевой двигатель, содержащий дисковые магнитопроводы статора с обмоткой возбуждения и ротора с короткозамкнутой обмоткой, включающей стержни и короткозамыкающие кольца, у которого ротор снабжен дополнительным короткозамыкающим кольцом, соединенным с наружным и внутренним короткозамыкающими кольцами и прилегающим к ярму магнитопровода [2]. Такая конструкция создает низкий пусковой момент, как у обычных короткозамкнутых двигателей.

Сущность заявленного асинхронного торцевого двигателя, содержащего дисковые магнитопроводы статора с обмоткой возбуждения и ротора с короткозамкнутой обмоткой, включающей стержни, наружное и внутреннее короткозамыкающие кольца и дополнительное короткозамыкающее кольцо, соединенное с наружным и внутренним кольцами и прилегающее к торцевой поверхности ярма магнитопровода, согласно изобретению заключается в том, что в наружном, внутреннем и дополнительном короткозамыкающих кольцах выполнены пазы по числу стержней обмотки ротора, в которых установлены П-образные зубцы, охватывающие ярмо по периметру в поперечном сечении. При этом П-образные зубцы выполнены составными из чередующихся магнито-и электропроводящих пластин, причем электропроводящие пластины электрически соединены с короткозамыкающими кольцами; дополнительное кольцо имеет переменную толщину, возрастающую от наружного к внутреннему короткозамыкающему кольцу; П-образные зубцы имеют переменную высоту, возрастающую от внутреннего к наружному короткозамыкающему кольцу; П-образные зубцы выполнены с наклоном к торцевой поверхности ярма; П-образные зубцы выполнены со скосом, соответствующим скосу стержней.

Благодаря выполнению короткозамкнутой обмотки ротора с дополнительным кольцом, прилегающим к торцевой поверхности ярма, в котором расположены П-образные зубцы, охватывающие ярмо и выполненные из чередующихся магнито- и электропроводящих пластин, электрически соединенных с короткозамыкающими кольцами, улучшаются пусковые характеристики торцевого асинхронного двигателя за счет выраженного поверхностного эффекта в электропроводящих пластинах П-образных зубцов, приближаясь к характеристикам асинхронного двигателя с глубокими пазами или двойной клеткой ротора. При этом тепловыделение от прохождения пускового тока в обмотке ротора происходит в основном в торцевой области ротора, что улучшает температурный режим работы и эксплуатационную надежность асинхронного двигателя с высоким пусковым моментом.

На фиг. 1 изображен асинхронный торцевой двигатель; на фиг. 2 - ротор с П-образными зубцами, охватывающими ярмо по периметру в поперечном сечении; на фиг. 3 - ротор с дополнительным кольцом переменной толщины и П-образными зубцами переменной высоты; на фиг. 4 - поперечное сечение ротора А-А, изображенного на фиг. 2; на фиг. 5 и 6 - развернутые коаксиальные сечения соответственно Б-Б и В-В ротора, изображенного на фиг. 2; на фиг. 7 - поперечное сечение ротора Г-Г, изображенного на фиг. 3.

Торцевой асинхронный двигатель содержит дисковые магнитопроводы статора 1 и ротора 2. В пазах 3 магнитопровода статора расположена обмотка возбуждения 4. В пазах 5 магнитопровода ротора 2 расположены стержни 6 короткозамкнутой обмотки ротора, соединенные с внутренним 7 и наружным 8 короткозамыкающими кольцами. Обмотка ротора содержит дополнительное короткозамыкающее кольцо 9, соединенное с внутренним 7 и наружным 8 короткозамыкающими кольцами и прилегающее к ярму магнитопровода 2. В наружном 8, внутреннем 7 и дополнительном 9 кольцах выполнены пазы, в которых расположены П-образные зубцы 10, охватывающие ярмо магнитопровода 2 по периметру в поперечном сечении. П-образные зубцы 10 выполнены составными из чередующихся магнитопроводящих пластин 11 и электропроводящих пластин 12, электрически соединенных с короткозамыкающими кольцами 7, 8, 9. Дополнительное кольцо 9 имеет переменную толщину, возрастающую от наружного 8 к внутреннему 7 короткозамыкающему кольцу. П-образные зубцы 10 имеют переменную высоту, возрастающую от внутреннего 7 к наружному 8 короткозамыкающему кольцу. П-образные зубцы с образующими их пластинами 11 и 12 выполнены с наклоном под углом α к торцевой поверхности ярма. При скосе стержней 6 обмотки ротора на угол β П-образные зубцы 10 вместе с образующими их пластинами 11 и 12 выполняют на тот же угол. В случае использования на роторе центробежного вентилятора его лопатки 13 примыкают к наружному кольцу 8. Для вентиляционного обдува внутренних частей машины воздухом в корпусе 14 выполнены вентиляционные окна 15.

Такая обмотка ротора может быть выполнена из алюминия литьем под давлением как стержней, так и всех колец с П-образными электропроводящими пластинами, расположенными между заранее установленными на магнитопроводе П-образными магнитопроводящими пластинами из электротехнической стали.

При работе асинхронного двигателя ток, протекающий по стержням обмотки, в лобовых частях разветвляется, частично замыкаясь по основным кольцам и частично - по дополнительному кольцу.

Обмотка такой конструкции совмещает обмотки тороидального и барабанного типов, т. е. ее можно представить в виде системы параллельно соединенных витков, одни из которых охватывают, а другие не охватывают ярмо. Для данной обмотки ротора в малополюсных (2р≤4) и относительно "коротких" машинах (с малым отношением активной длины L₀ к полюсному давлению τ L_o/τ ≤ 0,5) требуется меньше проводникового материала, чем для эквивалентной в электромагнитном отношении обмотки без дополнительного кольца. Это объясняется тем, что участки дополнительного кольца совместно с П-образными электропроводящими пластинами, соответствующие зубцовым делениям ротора, образуют систему радиально направленных в плоскости кольца проводников, которые охватывают ярмо и шунтируют основные короткозамыкающие кольца обмотки ротора. При этом средняя длина таких витков при оговоренных выше условиях (2p≤4 и L_o/τ ≤ 0,5) меньше средней длины витков традиционной короткозамкнутой обмотки.

В начале пуска асинхронного двигателя, когда частота тока в обмотке ротора f₂ = S f₁ близка к частоте сети f₁ (где скольжение S в начале пуска S порядка 1), эквивалентное активное сопротивление короткозамкнутой обмотки ротора увеличено из-за выраженного поверхностного эффекта в П-образных электропроводящих пластинах, размещенных между П-образными ферромагнитными пластинами, электрически соединенных с участками основных и дополнительного кольца и являющихся их составной частью. Это приводит к повышению пускового момента, как и у короткозамкнутых роторов с глубокими пазами или с двойной беличьей клеткой традиционной конструкции [1].

Однако в отличие от обычных асинхронных двигателей с улучшенными пусковыми свойствами предлагаемая конструкция асинхронного двигателя с дополнительным кольцом в виде диска и П-образными зубцами, охватывающими ярмо, существенно улучшает условия охлаждения ротора, поскольку это кольцо и зубцы прилегают к внешней торцевой поверхности ярма и, являясь частью обмотки ротора, где выделяются в виде тепла электрические потери, увеличивает поверхность теплоотвода и снижает температуру обмотки не только ротора, но и обмотки статора, удаленной от этой части обмотки с большим тепловыделением в процессе пуска.

Для более равномерного распределения потерь от прохождения токов в обмотке ротора и снижения температуры нагрева во внутренних частях торцевого асинхронного двигателя дополнительное кольцо выполнено с переменной толщиной, увеличиваясь к внутреннему диаметру так, чтобы площади коаксиальных сечений кольца были примерно равны. Для улучшения условий охлаждения П-образные обмотки ротора выполнены с переменной высотой, увеличиваясь к наружному диаметру так, чтобы наружные части спинок П-образных зубцов выступали из поверхности дополнительно кольца, возрастая к наружному кольцу обмотки ротора. При этом существенно повышается эффективность теплоотдачи с поверхности ротора, так как выступающие части П-образных зубцов служат одновременно токонесущей частью П-образных электропроводящих пластин и вращающимися радиаторами, улучшая конвективный теплообмен с окружающим воздухом.

Для увеличения эквивалентного активного сопротивления обмотки ротора, способствующего увеличению электромагнитного момента при пуске двигателя, необходимо иметь достаточную высоту h электропроводящих П-образных пластин, расположенных между П-образными ферромагнитными пластинами так, чтобы h была больше глубины проникновения электромагнитного поля Δ [1]. Этого можно достичь без увеличения осевой длины торцевого асинхронного двигателя известной конструкции [2] выполнением П-образных зубцов с наклоном под углом к торцевой поверхности ротора, как показано на фиг. 5, 6.

В случае выполнения в роторе скошенных пазов под углом β, на тот же угол скошены П-образные зубцы (см. фиг. 7), которые расположены в одной плоскости с соответствующим стержнем, образуя виток, охватывающий ярмо ротора.

Источники информации
1. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. - М.: Энергия, 1980, с. 430-433.

2. Авт. св. СССР 1642551, кл. Н 02 К 17/06, БИ 14, 1994.

Использование: в качестве электропривода. Благодаря выполнению короткозамкнутой обмотки ротора с дополнительным кольцом, прилегающим к торцевой поверхности ярма, в котором расположены П-образные зубцы, охватывающие ярмо и выполненные из чередующихся магнито-и электропроводящих пластин, электрически соединенных с короткозамыкающими кольцами, улучшаются пусковые характеристики торцевого асинхронного двигателя за счет выраженного поверхностного эффекта в электропроводящих пластинах П-образных зубцов, приближаясь к характеристикам асинхронного двигателя с глубокими пазами или двойной клеткой ротора. При этом тепловыделение от прохождения тока в обмотке ротора происходит в основном в торцевой области ротора, что улучшает температурный режим работы и эксплуатационную надежность асинхронного двигателя с высоким пусковым моментом, в чем и заключается технический результат. 5 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Асинхронный торцевой двигатель, содержащий дисковые магнитопроводы статора с обмоткой возбуждения и ротора с короткозамкнутой обмоткой, включающей стержни, наружное и внутреннее короткозамыкающее кольца и дополнительное короткозамыкающее кольцо, соединенное с наружным и внутренним кольцами и прилегающее к ярму магнитопровода, отличающийся тем, что в кольцах выполнены пазы по числу стержней, в которых установлены П-образные зубцы, охватывающие ярмо по периметру в поперечном сечении. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что П-образные зубцы выполнены составными из чередующихся магнито- и электропроводящих пластин, причем электропроводящие пластины электрически соединены с короткозамыкающими кольцами. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что дополнительное кольцо имеет переменную толщину, возрастающую от наружного к внутреннему короткозамыкающему кольцу. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что П-образные зубцы имеют переменную высоту, возрастающую от внутреннего к наружному короткозамыкающему кольцу. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что П-образные зубцы выполнены с наклоном к торцевой поверхности ярма. 6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что П-образные зубцы выполнены со скосом, соответствующим скосу стержней.