ИНДУКЦИОННЫЙ АСИНХРОННЫЙ МОТОР Российский патент 2003 года по МПК H02K17/16 H02K3/12 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в системах электромеханического преобразования энергии.

В системах электромеханического преобразования энергии сегодня широкое применение с постоянно увеличивающимся темпом использования имеют индукционные асинхронные моторы (асинхронные двигатели). Все используемые и известные из научно-технической литературы многочисленные конструкции асинхронных моторов, имеющих классический ротор типа "беличья клетка", выполненные даже по современным методам проектирования, технологии изготовления и с использованием современных материалов, обладают принципиальными недостатками. Причем улучшение одного или нескольких недостатков (показателей) приводит к ухудшению других показателей и, таким образом, удельные технико-экономические показатели асинхронных моторов остаются низкими. Эти недостатки обусловлены классической конструкцией ротора асинхронного мотора.

Из изученных аналогов поэтому наиболее близким техническим решением задачи (прототипом) является классический индукционный асинхронный мотор, имеющий первый элемент (статор), создающий магнитное поле, и второй элемент (ротор) с обмоткой типа "беличья клетка", состоящий из симметрично расположенных по периметру магнитного пакета и параллельно оси вращения токопроводящих стержней, находящихся в сквозных пазах магнитного пакета второго элемента на одинаковом удалении в радиальном направлении от оси вращения мотора, при этом на каждой торцевой стороне магнитного пакета второго элемента концы всех стержней соединены между собой короткозамыкающим кольцом (патент Германии 51083 от 31.08.1889).

Недостатками прототипа являются низкие технические, энергетические, эксплуатационные и удельные технико-экономические показатели, как например, малые значения коэффициента полезного действия и коэффициента мощности, большой пусковой ток, большой ток холостого хода, малый пусковой момент, малая перегрузочная способность по моменту, мягкая механическая характеристика даже в области рабочих скоростей и большое номинальное скольжение, большой ток и одновременно малый тормозной момент в режиме противовключения, чрезмерное возрастание скорости и тока в режиме рекуперации, необходимый большой постоянный ток и одновременно малый тормозной момент в режиме динамического торможения, большая емкость конденсаторов и одновременно малый тормозной момент в режиме торможения с самовозбуждением. Все указанные недостатки являются следствием сильного изменения результирующего магнитного поля мотора и уменьшения модуля векторного произведения векторов магнитных полей статора и ротора из-за сильного влияния продольной составляющей "реакции якоря" ротора, а также малые степени эффективности образования результирующего электромагнитного момента токопроводящими стержнями, имеющими в данный момент времени электродвижущие силы меньше, чем электродвижущие силы стержней, находящихся на оси магнитного поля статора, из-за блокировки максимальной электродвижущей силой малых электродвижущих сил.

В основу изобретения положена задача максимального улучшения условий действия мгновенных электродвижущих сил всех стержней второго элемента (ротора), уменьшения продольной составляющей "реакции якоря" ротора и обеспечения более благоприятных условий для образования электромагнитного момента векторами результирующих магнитных полей статора и ротора.

Поставленная задача решается тем, что в индукционном асинхронном моторе, имеющем первый элемент, создавший магнитное поле, и второй элемент, содержащий токопроводящие стержни, расположенные симметрично по периметру в пазах магнитного пакета и параллельно оси вращения мотора, согласно изобретению количество стержней кратно числу полюсов магнитного поля первого элемента, концы всех стержней на одной торцевой стороне магнитного пакета второго элемента соединены между собой, а на противоположной торцевой стороне магнитного пакета, второго элемента конец каждого стержня соединен со всеми теми концами стержней, которые сдвинуты относительно упомянутого конца по периметру магнитного пакета второго элемента на одно полюсное деление. Кроме того, в моторе с каждой торцевой стороны магнитного пакета второго элемента конец каждого стержня может быть соединен со всеми теми концами стержней, которые сдвинуты относительно упомянутого конца по периметру магнитного пакета второго элемента на одно полюсное деление. Мотор также может содержать по меньшей мере два магнитных пакета второго элемента, расположенных на одном валу, при этом соединения концов стержней на торцевых сторонах каждого магнитного пакета второго элемента электрически изолированы от соединений концов стержней на торцевых сторонах других магнитных пакетов второго элемента.

Преимущества заявленного мотора в том, что при вышеупомянутом в основном варианте выполнения соединений концов стержней на торцевых сторонах магнитного пакета второго элемента и при количестве стержней, кратном числу полюсов магнитного поля первого элемента, образуются несколько электрически взаимонезависимых модулей типа "беличья клетка", у которых количество стержней равно числу полюсов магнитного поля первого элемента, при этом стержни, входящие в данный модуль, в любой момент времени имеют одинаковые по величине электродвижущие силы, из-за чего создаются условия для максимально эффективного действия электродвижущих сил всех стержней одновременно, т.е. полностью исключается вышеупомянутый эффект блокировки, имеющий место в классическом роторе типа "беличья клетка", где всегда закороченные с обеих торцевых сторон магнитного пакета все стержни имеют разные электродвижущие силы из-за разных потокосцеплений.

Вариант конструктивного выполнения мотора, в котором с каждой торцевой стороны магнитного пакета второго элемента конец каждого стержня может быть соединен со всеми теми концами стержней, которые сдвинуты относительно упомянутого конца по периметру магнитного пакета второго элемента на одно полюсное деление (т.е. вариант с одинаковым соединением концов стержней на торцевых сторонах магнитного пакета второго элемента), имеет преимущество в технологии изготовления, особенно в случаях, когда обмотка второго элемента (ротора) выполнена не литьем.

Вариант конструктивного выполнения мотора, в котором он содержит по меньшей мере два магнитных пакета второго элемента, расположенных на одном валу, при этом соединения концов стержней на торцевых сторонах каждого магнитного пакета второго элемента электрически изолированы от соединений концов стержней на торцевых сторонах других магнитных пакетов второго элемента, имеет следующие преимущества: дополнительное повышение эффективности и улучшение механических параметров конструкции второго элемента с точки зрения статической и динамической балансировки.

На фиг.1 изображен заявленный мотор, вид с одной торцевой стороны;
на фиг.2 - заявленный мотор, вид с противоположной торцевой стороны;
на фиг.3 - заявленный мотор, вид сбоку;
на фиг. 4 - вариант выполнения заявленного мотора с одинаковым соединением концов стержней на обеих торцевых сторонах магнитного пакета второго элемента, вид сбоку;
на фиг.5 - вариант выполнения заявленного мотора в двухроторном исполнении, вид сбоку.

Индукционный асинхронный мотор имеет первый элемент, создающий магнитное поле, и второй элемент, содержащий токопроводящие стержни, расположенные симметрично по периметру магнитного пакета в пазах и параллельно оси вращения мотора, при этом количество стержней кратно числу полюсов магнитного поля первого элемента, концы всех стержней на одной торцевой стороне магнитного пакета второго элемента соединены между собой, а конец каждого стержня на противоположной торцевой стороне магнитного пакета второго элемента соединен со всеми теми концами стержней, которые сдвинуты относительно упомянутого конца по периметру магнитного пакета второго элемента на одно полюсное деление. В моторе, кроме того, с каждой торцевой стороны магнитного пакета второго элемента конец каждого стержня может быть соединен со всеми теми концами стержней, которые сдвинуты относительно упомянутого конца по периметру магнитного пакета второго элемента на одно полюсное деление. Мотор также может содержать по меньшей мере два магнитных пакета второго элемента, установленных на одном валу, при этом соединения концов стержней на торцевых сторонах каждого пакета второго элемента электрически изолированы от соединений концов стержней на торцевых сторонах других пакетов второго элемента.

В одном из конкретных конструктивных выполнении рассмотрим четырехполюсный мотор (фиг.1-3). Он содержит первый элемент - статор 1, создающий магнитное поле, и второй элемент - ротор 2. Ротор 2 содержит токопроводящие стержни 3 (в рассматриваемом четырехполюсном моторе имеются двенадцать стержней), расположенные симметрично по периметру магнитного пакета и параллельно оси вращения мотора в сквозных пазах магнитного пакета на одинаковом удалении в радиальном направлении от оси вращения ротора 2 в количестве, кратном числу полюсов магнитного поля статора 1. С одной торцевой стороны ротора 2 концы всех стержней 3 соединены между собой известным короткозамыкающим кольцом 4 (фиг.1). С противоположной торцевой стороны ротора 2 конец каждого стержня соединен со всеми теми концами стержней 3, которые сдвинуты относительно упомянутого конца по периметру магнитного пакета ротора 2 на одно полюсное деление, посредством проводников 5, 6, 7 соответственно (фиг.2). Таким образом, образуются три (в рассматриваемом четырехполюсном моторе) одинаковых электрически изолированных контура, состоящие из проводников 5, 6, 7 соответственно (на фиг. 2 эти три контура изображены соответственно сплошной, штриховой и штрихпунктирной линиями). Каждый такой контур представляет собой одно короткозамыкающее кольцо "беличьей клетки". Количество таких контуров составляет n=Z/2P, где Z - количество всех стержней (пазов) ротора. 2Р - число полюсов магнитного поля статора мотора. Система стержней 3, закороченная соответствующим контуром, например, контуром 5 (или контуром 6, или контуром 7) на торцевой стороне магнитного пакета ротора 2, образуют короткозамкнутый модуль - элементарную "беличью клетку".

Таким образом, заявленный мотор имеет n электрически взаимонезависимые, содержащие стержни 3 в количестве 2Р штук, модули, причем каждый последующий модуль сдвинут по периметру пакета ротора 2 относительно предыдущего модуля на угол 2π/Z (в рассматриваемом четырехполюсном моторе имеются три модуля по четыре стержня 3 в каждом, всего двенадцать стержней 3).

Заявленный мотор работает следующим образом.

Статор 1 создает вращающееся магнитное поле, которое индуктирует электродвижущие силы в стержнях 3 ротора 2, вследствие чего в стержнях 3 возникают токи. В результате электромагнитного взаимодействия магнитного поля статора 1 с токами стержней 3 образуется электромагнитный момент, под действием которого вращается ротор 2. При этом все стержни 3 каждого модуля "беличьей клетки" в любой момент времени имеют равные по величине электродвижущие силы, действующие с максимальной возможностью, что кардинально улучшает продуктивность образования электромагнитного момента. (В то время как в классическом асинхронном моторе с одной единственной "беличьей клеткой" все стержни, находящиеся под данным полюсом магнитного поля статора, в любой момент времени имеют разные по величине потокосцепления и поэтому индуктированные в них электродвижущие силы имеют одинаковое направление, но они отличны по величине. Следовательно, электродвижущая сила стержня, расположенного на магнитной оси полюса, имеет максимальное значение и блокирует действия электродвижущих сил всех других стержней, меньших по величине. Тем самым ухудшаются условия образования полезного момента токами от этих меньших по величине электродвижущих сил, что в итоге приводит к ухудшению продуктивности образования элементарных электромагнитных моментов от каждого стержня и к резкому уменьшению результирующего элетромагнитного момента мотора). Распределенная по периметру ротора 2 система модулей "беличьей клетки" в магнитном отношении максимально возможно сбалансирована, т.е. минимизирована продольная составляющая "реакции якоря" ротора. 2 и векторы результирующих магнитных полей статора 1 и ротора 2 находятся в пространстве в наиблагоприятном взаимоположении в смысле образования максимального электромагнитного момента. Все это приводит к увеличению коэффициента мощности, уменьшению потребляемого от сети реактивного тока, обеспечивая увеличение номинальной мощности мотора, уменьшение пускового тока и возрастание пускового момента мотора.

Во втором варианте конструктивного выполнения заявленного мотора рассмотрим также четырехполосный мотор (фиг.4). Он содержит первый элемент - статор 1, создающий магнитное поле, и второй элемент - ротор 8 с токопроводящими стержнями 3, расположенными симметрично по периметру магнитного пакета и параллельно оси вращения мотора в сквозных пазах магнитного пакета на одинаковом удалении в радиальном направлении от оси вращения ротора 8 в количестве, кратном числу полюсов магнитного поля статора 1. На каждой торцевой стороне пакета ротора 8 конец каждого стержня 3 соединен со всеми теми концами стержней 3, которые сдвинуты относительно упомянутого конца по периметру пакета ротора 8 на одно полюсное деление, посредством проводников 5, 6, 7 соответственно на одной торцевой стороне (см. фиг.2) и проводников 9, 10, 11 соответственно на противоположной торцевой стороне (соединение концов стержней выполнено аналогично соединению, изображенному на фиг.2).

Таким образом, образуются три пары (в рассматриваемом четырехполюсном моторе) одинаковых электрически взаимонезависимых контуров, состоящих из проводников 5 и 9, 6 и 10, 7 и 11 соответственно. Каждая такая пара контуров представляет собой два короткозамыкающих кольца "беличьей клетки". Количество таких пар контуров составляет n=Z/2P (как и в вышеописанном основном конструктивном варианте). Система стержней 3, закороченная с обеих торцевых сторон пакета ротора 8 парой контуров, например парой контуров 5 и 9 (или парой контуров 6 и 10, или парой контуров 7 и 11), образует короткозамкнутый модуль - элементарную "беличью клетку".

Таким образом, заявленный мотор во втором варианте выполнения имеет n электрически взаимонезависимые, содержащие стержни 3 в количестве 2Р штук, модули, причем каждый последующий модуль сдвинут по периметру пакета ротора 8 относительно предыдущего модуля на угол 2π/Z (в рассматриваемом четырехполюсном моторе имеется три модуля по четыре стержня 3 в каждом, всего двенадцать стержней(.

Такое конструктивное выполнение ротора 8 обеспечивает улучшение технологии изготовления, особенно в случаях, когда обмотка ротора выполнена не литьем.

Второй вариант конструктивного выполнения заявленного мотора работает аналогично вышеописанному основному варианту исполнения.

В варианте по меньшей мере двухроторного исполнения также рассмотрим четырехполюсный мотор (фиг.5). Он содержит первый элемент - общий статор 12, создающий магнитное поле, и второй элемент в виде вращающейся части из двух одинаковых роторов, установленных на одном валу и выполненных конструктивно аналогично ротору 2 (или ротору 8), описанному выше. При этом роторы 2 установлены так, что кольца 4 каждого ротора 2 расположены друг против друга, и системы стержней 3 одного ротора 2 повернуты (геометрически сдвинуты) относительно системы стержней 3 второго ротора 2 по оси вращения мотора на угол π/Z, равный половине угла между соседними стержнями роторов 2. Такое расположение приводит к уменьшению пульсаций результирующего магнитного потока и электромагнитного момента мотора, а также к повышению степени геометрического и механического симметрирования вращающейся части мотора.

Вариант двухроторного исполнения заявленного мотора работает аналогично основному варианту исполнения, описанному выше. При этом дополнительно повышается эффективность и улучшаются механические параметры конструкции вращающейся части мотора с точки зрения ее механической статической и динамической балансировки.

Заявленный индукционный асинхронный мотор имеет одновременно высокие технические, энергетические, эксплуатационные и удельные технико-экономические показатели: большие значения коэффициента полезного действия и коэффициента мощности, малый пусковой ток, малый ток холостого хода, большой пусковой момент, большую перегрузочную способность по моменту, жесткую механическую характеристику в области рабочих скоростей и малое номинальное скольжение, малый ток и одновременно большой тормозной момент в режиме противовключения, ограниченное возрастание скорости и тока в режиме рекуперации, необходимый малый постоянный ток и одновременно большой тормозной момент в режиме динамического торможения, малую емкость конденсаторов и одновременно большой тормозной момент в режиме торможения с самовозбуждением, - по сравнению с известным асинхронным мотором с классическим ротором типа "беличья клетка" (прототипом).

Вышеуказанный положительный эффект получен в результате экспериментов, проведенных заявителем на асинхронных моторах типа AIC 90 S 2 T 2 со стандартным ротором типа "беличья клетка" и роторами, выполненными согласно изобретению (в основном варианте выполнения).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электромеханического преобразования энергии. Сущность изобретения: предложенный индукционный асинхронный мотор содержит первый элемент 1, создающий магнитное поле, и второй элемент 2 с токопроводящими стержнями 3, все концы которых с одной торцевой стороны магнитного пакета второго элемента 2 соединены между собой, а с другой торцевой стороны магнитного пакета второго элемента 2 концы стержней 3 соединены с образованием электрически независимых контуров для обеспечения условия эффективного образования электромагнитного момента. Во втором варианте выполнения мотора концы стержней 3 на обеих торцевых сторонах пакета второго элемента 2 могут быть соединены одинаково для получения вышеупомянутого положительного эффекта. Мотор также может быть выполнен в, по меньшей мере, двухроторном исполнении. Технический результат от использования данного изобретения состоит в максимальном улучшении условий действия мгновенных электродвижущих сил всех стержней второго элемента (ротора), уменьшении продольной составляющей "реакции якоря" ротора и в обеспечении более благоприятных условий для образования электромагнитного момента векторами результирующих магнитных полей статора и ротора. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Индукционный асинхронный мотор, имеющий первый элемент (1), создающий магнитное поле, и второй элемент (2), содержащий токопроводящие стержни (3), расположенные симметрично по периметру в пазах магнитного пакета и параллельно оси вращения мотора, отличающийся тем, что количество стержней (3) кратно числу полюсов магнитного поля первого элемента (1), на одной торцевой стороне магнитного пакета второго элемента (2) концы всех стержней (3) соединены между собой, а на противоположной торцевой стороне магнитного пакета второго элемента (2) конец каждого стержня (3) соединен со всеми теми концами стержней (3), которые сдвинуты относительно упомянутого конца по периметру магнитного пакета второго элемента (2) на одно полюсное деление. 2. Индукционный асинхронный мотор по п.1, отличающийся тем, что на каждой торцевой стороне магнитного пакета второго элемента конец каждого стержня (3) соединен со всеми теми концами стержней (3), которые сдвинуты относительно упомянутого конца по периметру магнитного пакета второго элемента на одно полюсное деление. 3. Индукционный асинхронный мотор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере два магнитных пакета второго элемента, установленных на одном валу, при этом соединения концов стержней (3) на торцевых сторонах каждого магнитного пакета второго элемента электрически изолированы от соединений концов стержней (3) на торцевых сторонах других магнитных пакетов второго элемента.