АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПОЛЫМ РОТОРОМ Российский патент 2004 года по МПК H02K17/02 H02K17/16 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к асинхронным исполнительным двигателям с полым ротором.

Распространенная конструкция асинхронного двигателя с полым ротором /1/, включает в себя статор с обмотками возбуждения и управления, шихтованный магнитопровод (ярмо) и сплошной полый ротор. Недостатком этого технического решения является негативное влияние на энергетические характеристики машины поперечного краевого эффекта /2/, связанного с растеканием тока в материале ротора, а именно: вихревые токи замыкаются не только в выступающих (лобовых) частях, но и в активной области ротора.

По конструкции ротора к предлагаемому устройству близким является асинхронный индукторный двигатель /3/ с двумя пакетами, содержащими обмотки, и полым ротором, имеющим окна на цилиндрической части, расположенные вдоль всей активной длины статора, образующие зубцовую зону ротора, при этом зубцовые зоны статоров расположены с относительным сдвигом на четверть зубцового деления ротора. Полый ротор этого двигателя имеет окна на цилиндрической части, расположенные вдоль всей активной длины пакета статора. Сам двигатель - тихоходный, работает на зубцовых гармониках. Окна в роторе, выполненные вдоль всей активной длины, функционально необходимы для обеспечения электромагнитной редукции скорости.

Недостатком данного технического устройства является низкие значения КПД и cosϕ . Наличие пазов вдоль всей активной длины машины определяет высокое значение активной составляющей сопротивления полого ротора. Данный эффект доминирует над уменьшением сопротивления, связанным с отсутствием поперечного краевого эффекта в материале ротора.

Изобретение направлено на улучшение энергетических показателей асинхронных двигателей с полым ротором (повышение максимального момента, КПД и cosϕ двигателя).

Это достигается тем, что окна в стакане полого ротора расположены в пределах части активной длины пакета статора в зоне, примыкающей к сплошному "лобовому" участку поверхности стакана ротора со стороны его торца, противоположного дну стакана.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлены два разреза асинхронного двигателя с полым ротором.

Позиции на чертеже обозначают: шихтованный пакет статора - 1; шихтованный магнитопровод (ярмо) - 2; полый ротор - 3; двухфазная обмотка - 4; окна, выполненные в стакане ротора, - 5.

В конструкции полого ротора дно стакана с одного из торцов играет роль сверхпроводящего короткозамыкающего кольца /2/, поэтому коэффициент увеличения сопротивления, обусловленный поперечным краевым эффектом, зависит от распределения токов ротора в области, примыкающей к сплошному "лобовому" участку поверхности стакана со стороны его торца, противоположного дну стакана.

При анализе распределения плотности тока в полом роторе с аксиальной длиной L’ все электрические постоянные и геометрические размеры, входящие в расчет, являются известными величинами. Произвольно заданными постоянными являются первичные токи и частота вращения ротора.

Напряженность магнитного поля , в некоторой точке (х, у) i-го участка поверхности полого ротора вычисляется как

где - напряженность от токов в элементарном участке ротора.

На основании первого уравнения Максвелла падение напряжения от вихревых токов i_x, i_y в трубке по контуру элементарного участка поверхности ротора уравновешивается ЭДС трансформации и движения, наведенными результирующим полем, получаем уравнение Кирхгофа в дифференциальной форме

где ω ₁=2π f₁;

μ ₀ - магнитная постоянная;

s - скольжение.

На основании закона полного тока для элементарного участка поверхности полого ротора справедливы следующие уравнения:

где kδ -коэффициент Картера при односторонней зубчатости;

Δ - толщина стакана;

δ ₀ -конструктивный зазор.

Для всех областей элементарного участка справедлив закон непрерывности тока

На основании (2) для областей лобовых частей, где полагаем справедливо уравнение

Преобразуем (2) с учетом (1), (3)-(5). Переходя к конечным разностям по координате Х для области, соответствующей активной длине машины, окончательно получаем

где k₁=ξ ₀(1-s)Δ /δ ’;

ξ₀=μ₀γ_Эω₁sτ²/α²;

k₂=jξ₀Δ/δ’;

Для участка, соответствующего шагу дискретности модели, в рабочем зазоре имеют место следующие граничные условия:

1. За пределами полого ротора γ _э=0, то есть

2. Функции i_х, i_y являются непрерывными, то есть

3. Распределение тока в изотропной активной области (I) длиной L симметрично относительно оси X, при этом касательные линии токов в точках у=0 являются прямыми, параллельными оси Y:

В результате аналитического решения уравнений (5), (6) с учетом граничных условий (7)-(9) получим окончательные выражения для составляющих плотности токов в активной (I) области i-го участка поверхности полого ротора:

где

Для определения геометрии окон, расположенных в пределах части активной длины пакета статора в области, примыкающей к сплошному "лобовому" участку поверхности стакана со стороны его торца, противоположного дну стакана ротора, воспользуемся следующим подходом.

Приравняв выражения (10) и (11) получаем следующее уравнение относительно у:

Введем следующие обозначения:

где

Полагаем

Тогда

После подстановки (13)-(15) в (12) и соответствующих преобразований получаем

где

В инженерной практике необходимо применять достаточно простые выражения, связывающие конструктивные размеры электрической машины, которые позволяют с достаточной степенью точности определять их значения. Также необходимо стремиться к тому, чтобы физический смысл используемых соотношений был предельно ясен.

Руководствуясь сказанным выше, упростим выражение (16). Параметр Δ х соответствует шагу дискретности по оси Х в модели. Если шаг стремится к нулю (Δ х→ 0) и вылет ротора за пределы расчетной длины статора достаточно мал , то выполняются следующие предельные соотношения:

Так как

При этом

С учетом двух последних предельных соотношений получаем

На основании (19) знаменатель аргумента обратной тригонометрической функции в (21) стремится к 1.

Если где σ - достаточно малая величина.

Окончательно получаем

Рассмотрим интервал . Для всех Y_l из этого интервала выполняется следующее соотношение:

Таким образом, определена часть активной области ротора у', где преобладают составляющие тока вдоль оси X. Данная часть области выполняет функции лобовых частей ротора.

Найдем аксиальный размер окна

В системе принятых здесь допущений оказывается, что длина окна равна длине вылета ротора за пределы расчетной длины статора.

Окна в роторе выполняются в зоне, примыкающей к сплошному "лобовому" участку поверхности стакана ротора со стороны его торца, противоположного дну стакана ротора в аксиальном направлении от окружности, соответствующей краю пакета статора вглубь активной длины ротора на величину L₀. Число окон Z₀ целесообразно выбирать достаточно близким к числу зубцов статора, Z₀<Z₁. Ширина окна b₀ зависит от технологических факторов и выбирается минимальной.

Устройство работает следующим образом.

По мере увеличения скорости вращения благодаря наличию окон со стороны одного торца ротора и влиянию дна стакана с другого элементарные токи ротора в пределах активной длины расточки машины будут направлены преимущественно в аксиальном направлении, в том числе при сравнительно малых скольжениях, соответствующих малым частотам перемагничивания материала ротора. То есть часть активной поверхности ротора со стороны торца, противоположного дну его стакана, не будет выполнять функции лобовой части обмотки при снижении частоты токов в материале ротора. Это обеспечивает увеличение активной составляющей тока ротора, пропорциональной электромагнитному моменту двигателя.

Соответственно лобовые части эквивалентной обмотки полого ротора, токи через которые не создают момент, не будут распространяться на высоких скоростях вращения ротора в область активной длины машины.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение энергетических показателей за счет уменьшения активной и реактивной составляющих полного сопротивления полого ротора. Снижение коэффициента увеличения сопротивления, обусловленного поперечным краевым эффектом, доминирует над увеличением активного сопротивления ротора вследствие наличия окон в его материале. Индуктивная составляющая сопротивления полого ротора также уменьшается. В результате повышаются максимальный момент, КПД и cos ϕ двигателя.

Эффект от использования предлагаемого технического решения позволит обеспечить повышение технико-эксплуатационных показателей систем траекторного управления, следящих систем передачи угла, инерциальных навигационных систем, пилотажно-навигационных индикаторов, указателей скорости поворота и т.п.

Источники информации

1. Сергеев П.С. Электрические машины, М - Л.: Госэнергоиздат, 1955, с.142.

2. Вевюрко И.А. К расчету характеристик двухфазной индукционной машины с полым ротором // ВЭП.-1957. №6.- С.34-39.

3. Каасик П.Б., Блинов И.В. Асинхронные индукторные микродвигатели устройств автоматики. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982, с.10.

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к асинхронным исполнительным двигателям с полым ротором. Технический результат изобретения, заключающийся в повышении энергетических показателей двигателя, достигается путем того, что в асинхронном двигателе с полым ротором, содержащем пакет статора с обмотками возбуждения и управления, магнитопровод и полый ротор, окна в стакане полого ротора расположены в пределах части активной длины пакета статора в зоне, примыкающей к сплошному “лобовому” участку поверхности стакана со стороны его торца, противоположного дну стакана. 1 ил.

Асинхронный двигатель с полым ротором, содержащий пакет статора с обмотками возбуждения и управления, магнитопровод и полый ротор, отличающийся тем, что окна в стакане полого ротора расположены в пределах части активной длины пакета статора в зоне, примыкающей к сплошному “лобовому” участку поверхности стакана со стороны его торца, противоположного дну стакана.