Ротор асинхронного электродвигателя Российский патент 2017 года по МПК H02K17/16 H02K1/22 

Изобретение относится к электротехнике и электромашиностроению и предназначено для применения в асинхронных электродвигателях.

Известен ротор асинхронного электродвигателя серии 4А [Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик и др. - М.: Энергоиздат, 1982], содержащий сердечник ротора, короткозамкнутую обмотку ротора и вал. При этом сердечник ротора изготовлен из электротехнической стали в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами и зафиксирован на стальном валу цилиндрической формы. Короткозамкнутая обмотка ротора изготовлена из сплава алюминия в виде конструкции типа "беличья клетка", стержни которой расположены в пазах сердечника ротора, а короткозамыкающие кольца - на торцевых поверхностях сердечника ротора. Короткозамыкающие кольца имеют неизменные радиальный и аксиальный размеры любого поперечного сечения.

Недостатками такого ротора являются низкое качество процессов запуска и самозапуска электродвигателя и сопряженного с ним технологического оборудования, обусловленное низкой кратностью пускового момента m_п, и низкое качество напряжения потребителей, подключенных к питающей сети, вследствие высокой кратности пускового тока i_п электродвигателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является ротор серийного асинхронного электродвигателя 4А355М2У3 [Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик и др. - М.: Энергоиздат, 1982], содержащий сердечник ротора, короткозамкнутую обмотку ротора и вал, причем сердечник ротора изготовлен в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами и зафиксирован на валу, короткозамкнутая обмотка ротора выполнена в виде конструкции типа "беличья клетка", стержни которой расположены в пазах сердечника ротора, а короткозамыкающие кольца расположены на торцевых поверхностях сердечника ротора и имеют неизменные радиальный и аксиальный размеры любого поперечного сечения.

Недостатками данного технического решения являются недостаточное качество процессов пуска и самозапуска электродвигателя и сопряженного с ним технологического оборудования, обусловленное низкой кратностью пускового момента m_п электродвигателя, и низкая надежность работы питающей сети вследствие высокой кратности пускового тока i_п электродвигателя.

Техническая задача изобретения состоит в повышении кратности пускового момента и снижении кратности пускового тока электродвигателя за счет повышения эффективности использования материала короткозамыкающих колец ротора.

Технический результат заключается в повышении надежности работы электродвигателя и сопряженных с ним питающей сети и технологического оборудования за счет улучшения его пусковых показателей.

Это достигается тем, что ротор асинхронного электродвигателя содержит сердечник шириной , выполненный в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами и зафиксированный на валу, короткозамкнутую обмотку, выполненную в виде конструкции типа "беличья клетка" и содержащую стержни длиной , высотой h_c и шириной b_c, расположенные в пазах сердечника ротора, и короткозамыкающие кольца, расположенные на торцевых поверхностях сердечника ротора и выполненные с радиальной высотой a_n и аксиальной толщиной b_n, согласно изобретению на четных зубцовых делениях длиной t₂ короткозамыкающих колец в радиальном направлении выполнены проточки прямоугольной формы длиной и глубиной h, расположенные симметрично относительно осей симметрии четных зубцовых делений, при этом относительная длина проточек выбирается по формуле , относительная глубина h^* проточек выбирается с учетом необходимости обеспечения допустимого перегрева ротора по выражению

,

а абсолютные значения длины и глубины проточек определяются, как и h=h^*⋅b_n,

где - относительная площадь поверхности охлаждения короткозамыкающих колец в долях от соответствующей площади короткозамыкающих колец без радиальных проточек,

- относительные значения теплового потока в стержнях и короткозамыкающих кольцах обмотки ротора в долях от соответствующих показателей ротора без проточек,

- относительная длина стержней клетки,

k_αy - коэффициент повышения теплоотдачи короткозамыкающих колец за счет турбулентности охлаждающего воздуха в областях проточек.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема основных конструктивных узлов ротора асинхронного электродвигателя, на фиг. 2 показана детализированная конструкция короткозамыкающих колец обмотки ротора, на фиг. 3 представлены зависимости относительного активного сопротивления элемента кольца (кривая 1), относительного индуктивного сопротивления элемента кольца (кривая 2), относительной массы колец (кривая 3) и относительной площади поверхности охлаждения колец (кривая 4) от относительной толщины кольца под проточкой, на фиг. 4 показана векторная диаграмма номинальных токов в стержнях, на фиг. 5 представлена векторная диаграмма пусковых токов в стержнях.

Ротор асинхронного электродвигателя содержит сердечник 1 шириной , выполненный в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами и зафиксированный на валу 2, короткозамкнутую обмотку, выполненную в виде конструкции типа "беличья клетка" и содержащую стержни 3 длиной , высотой h_c и шириной b_c, расположенные в пазах сердечника ротора 1, и короткозамыкающие кольца 4, расположенные на торцевых поверхностях сердечника ротора 1 и выполненные с радиальной высотой a_n и аксиальной толщиной b_n. На четных зубцовых делениях длиной t₂ короткозамыкающих колец 4 в радиальном направлении выполнены проточки 5 прямоугольной формы длиной и глубиной h, расположенные симметрично относительно осей симметрии 6 четных зубцовых делений. При этом относительная длина проточек 5 выбирается по формуле , относительная глубина h^* проточек 5 выбирается с учетом необходимости обеспечения допустимого перегрева ротора по выражению

,

а абсолютные значения длины и глубины проточек определяются, как и h=h^*⋅b_n,

где - относительная площадь поверхности охлаждения короткозамыкающих колец 4 в долях от соответствующей площади короткозамыкающих колец 4 без радиальных проточек,

- относительные значения теплового потока в стержнях 3 и короткозамыкающих кольцах 4 обмотки ротора в долях от соответствующих показателей ротора без проточек,

- относительная длина стержней 3 клетки,

k_αy - коэффициент повышения теплоотдачи короткозамыкающих колец 4 за счет турбулентности охлаждающего воздуха в областях проточек 5.

Таким образом, аксиальная толщина короткозамыкающего кольца 4 имеет различную величину на нечетных и четных зубцовых делениях (величину b_n на нечетных зубцовых делениях и величину b<b_n на четных зубцовых делениях под проточкой 5).

Ротор асинхронного электродвигателя работает следующим образом.

Вращающееся магнитное поле, взаимодействуя с токами короткозамкнутой обмотки ротора, порождает электромагнитные силы, которые реализуются в форме момента, приложенного к ротору и передающегося на его вал 2 к рабочей машине. Этот момент совершает полезную работу по преодолению момента сопротивления рабочей машины. В пусковом режиме избыточный, по отношению к моменту сопротивления рабочей машины, пусковой момент совершает работу по разгону ротора электродвигателя до номинальной частоты вращения.

Выполнение проточек 5 снижает массу короткозамыкающих колец 4 и повышает эффективность использования их материала. Относительная масса короткозамыкающих колец 4 клетки с радиальными проточками 5 в долях от массы колец клетки без проточек выражается формулой

где - относительная длина проточки, h^*=h/b_n - относительная глубина проточки 5. Эффективность использования материала короткозамыкающих колец оценивалась значением коэффициента эффективности

где

добротность пуска. Как следует из выражений (1), (2), повышение относительных размеров и h^* проточек 5 способствует повышению коэффициента эффективности использования материала короткозамыкающих колец 4.

Выполнение проточек 5 повышает активное, индуктивное сопротивления и коэффициент мощности элементов короткозамыкающих колец 4 четных зубцовых делений и, как следствие, активное сопротивление индуктивное сопротивления и коэффициент мощности короткозамкнутой обмотки ротора в целом. Рост сопротивлений приводит к снижению пускового тока короткозамкнутой обмотки ротора и пускового тока электродвигателя в целом

Преобладающее, по отношению к влиянию пониженного пускового тока, влияние повышенного активного сопротивления обеспечивает повышенный пусковой момент электродвигателя

где р - число пар полюсов электродвигателя, m - число фаз электродвигателя, ƒ₁ - частота питающего напряжения.

Выполнение проточек 5 на короткозамыкающих кольцах 4 обеспечивает рост сопротивлений короткозамкнутой обмотки ротора, сопровождающийся интенсивным ростом ее активного сопротивления и коэффициента мощности

Для активного и индуктивного сопротивлений элементов короткозамыкающих колец 4 четных зубцовых делений, входящих в соответствующие сопротивления короткозамкнутой обмотки ротора в качестве слагаемых, справедливы следующие выражения

где коэффициенты k_dr, k_dx учитывают снижение толщины короткозамыкающего кольца 4 до величины b<b_n за счет проточек 5; сопротивления R_y, X_y соответствуют элементам короткозамыкающего кольца 4 без проточек. Выражения для коэффициентов k_dr, k_dx имеют вид:

где - относительная высота короткозамыкающего кольца 4,

- относительный диаметр короткозамыкающего кольца 4.

Зависимость k_dr(h^*) по (9) и (7) определяет интенсивность роста активного сопротивления короткозамкнутой обмотки ротора и, как следствие, интенсивность роста коэффициента мощности cos(ϕ₂) и пускового момента электродвигателя при повышении глубины проточек 5. Зависимость k_dx(h^*) по (10) и (8) определяет интенсивность роста индуктивного сопротивления короткозамкнутой обмотки ротора и, как следствие, интенсивность снижения пускового тока электродвигателя при повышении глубины проточек 5.

Как видно из расчетных кривых, приведенных на фиг. 3, где b^*=1-h^*, согласно проведенным расчетам, функция k_dr(h^*) по (9) имеет существенно более высокие темпы роста, чем функция k_dx(h^*) по (10). Этим определяется опережающий рост коэффициента мощности короткозамкнутой обмотки ротора и рост пускового момента электродвигателя при повышении глубины проточек 5.

Выполнение проточек 5 в короткозамкнутой обмотке ротора, содержащей z₂ стержней 3, создает в ней z₂/2 локальных областей длиной , аксиальной шириной b, радиальной высотой a_n, расположенных по центрам четных зубцовых делений и обладающих повышенными сопротивлениями, повышенным коэффициентом мощности и повышенным уровнем теплового потока. Повышенные значения сопротивлений короткозамкнутой обмотки ротора и ее коэффициента мощности обеспечивают снижение пускового тока и повышение пускового момента электродвигателя. Локальность областей, повышенные значения площади поверхности охлаждения и коэффициента теплоотдачи обеспечивают поддержание теплового состояния ротора в рамках допустимого роста перегрева +3%.

Таким образом, выполнение проточек 5 в короткозамкнутой обмотке ротора решает поставленную техническую задачу.

Опытным путем получены данные, подтверждающие достижение заявленного технического результата. Количественная оценка результатов изобретения производилась путем математического моделирования пускового и номинального режимов электродвигателя 4А355М2У3.

Ротор электродвигателя имеет следующие технические данные:

число пар полюсов р=1 число стержней короткозамкнутой обмотки ротора z₂=38 длина стержней ℓ_δ=365 мм внешний диаметр короткозамыкающих колец D_k=307 мм размеры поперечного сечения короткозамыкающих колец a _n×b_n=50×45 мм относительная длина проточек k_ℓ=0.59 относительная глубина проточек h^*=0.7

Расчет производился для электродвигателя без проточек на короткозамыкающих кольцах 4 и электродвигателя с радиальными проточками 5, имеющими относительные размеры , h^*=0.7, на элементах короткозамыкающих колец 4 четных зубцовых делений. Отдельно, по формулам (9), (10), (1) были рассчитаны зависимости k_dr(b^*), k_dx(b^*), M^*(b^*), представленные на фиг. 3 в виде графиков 1, 2, 3 соответственно. Зависимость, представленная на фиг. 3 в виде графика 4, рассчитывалась по формуле .

Значение b^*=0 на фиг. 3 соответствует варианту «без проточек». Расчетные результаты, приведенные на графиках 1 и 2 фиг. 3, подтверждают опережающий рост активного сопротивления и коэффициента мощности четных зубцовых делений кольца короткозамкнутой обмотки ротора.

Сводные данные расчета режимов в относительных единицах приведены в табл. 1 и табл. 2. Номинальный электрический КПД клетки рассчитывался как отношение полной механической мощности к электромагнитной мощности. Добротность клетки рассчитывалась по формуле (3), относительная масса короткозамыкающих колец 4 - по формуле (1), коэффициент эффективности - по формуле (2), перегрев ротора - по формуле , для которой значение коэффициента k_αy=1.05 принималось по рекомендациям опубликованных источников.

Данные табл. 1 свидетельствуют о следующих фактах.

1. Номинальное скольжение для заявляемой конструкции повышается на 23% с соответствующим повышением электрических потерь. При этом превышение температуры ротора возрастает на 2%.

2. Номинальный электрический КПД клетки снижается на 0.2%, что компенсируется снижением механических потерь электродвигателя, обусловленным снижением номинальной частоты вращения ротора.

3. Практически исключительно (на 69%) потери растут в кольцах, которые хорошо охлаждаются. Рост потерь в стержнях клетки составляет 0.7%, что способствует стабильности теплового состояния ротора.

4. На 27% повышается эффективность использования материала короткозамыкающих колец.

5. Имеет место слабая и преимущественно - фазовая, асимметрия токов клетки в заявляемой конструкции. На фиг. 4 приведена векторная диаграмма номинальных токов в стержнях. Окружность соответствует номинальному току прототипа 1 о.е. Токи в стержнях имеют величины "четный"/"нечетный"=1.007/0.997 о.е.

Таким образом, в целом негативное влияние радиальных проточек на номинальные показатели ротора электродвигателя невелико.

Данные табл. 2 свидетельствуют о следующих фактах.

1. Обеспечивается существенный - на 20% рост коэффициента мощности заявляемой конструкции.

2. Обеспечивается существенная "активизация" колец заявляемой конструкции. Так рост мощности колец составил 63% против 18% роста мощности всей клетки.

3. Обеспечивается существенный - на 52% рост эффективности использования материала короткозамыкающих колец в заявляемой конструкции.

4. Обеспечивается существенный - на 18% рост кратности пускового момента, при снижении кратности пускового тока на 2%.

5. Пусковые токи заявляемой конструкции практически симметричны. Они приведены на векторной диаграмме токов в стержнях, представленной на фиг. 5. Окружность очерчивает звезду пусковых токов прототипа, величиной 7 о.е. Токи в заявляемой клетке имеют величины "четный"/"нечетный"=6.896/6.844 о.е.

Таким образом, радиальные проточки обеспечивают существенное повышение показателей качества пусковых режимов асинхронного электродвигателя. В наибольшей степени это относится к двухполюсным асинхронным электродвигателям с высотой оси вращения 315-355 мм.

Использование изобретения позволяет снизить расход активных материалов, гарантировать надежный пуск и самозапуск асинхронных электродвигателей, оснащенных заявленными роторами, за счет повышения эффективности использования материала обмотки ротора, что повышает надежность работы электродвигателя и сопряженных с ним питающей сети и технологического оборудования.

Изобретение относится к электротехнике и электромашиностроению. Технический результат - повышение надежности работы электродвигателя. Ротор асинхронного электродвигателя содержит сердечник, выполненный в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами и зафиксированный на валу, короткозамкнутую обмотку, выполненную в виде конструкции "беличья клетка" и содержащую стержни длиной , высотой h_c и шириной b_c, расположенные в пазах сердечника ротора, и короткозамыкающие кольца, расположенные на торцевых поверхностях сердечника ротора. Короткозамыкающие кольца выполнены с радиальной высотой a_n и аксиальной толщиной b_n. На четных зубцовых делениях длиной t₂ короткозамыкающих колец 4 в радиальном направлении выполнены проточки прямоугольной формы длиной и глубиной h, расположенные симметрично относительно осей симметрии четных зубцовых делений. 2 табл., 5 ил.

Ротор асинхронного электродвигателя, содержащий сердечник шириной l_δ, выполненный в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами и зафиксированный на валу, короткозамкнутую обмотку, выполненную в виде конструкции типа "беличья клетка" и содержащую стержни длиной l_δ, высотой h_c и шириной b_c, расположенные в пазах сердечника ротора, и короткозамыкающие кольца, расположенные на торцевых поверхностях сердечника ротора и выполненные с радиальной высотой а_n и аксиальной толщиной b_n, отличающийся тем, что на четных зубцовых делениях длиной t₂ короткозамыкающих колец в радиальном направлении выполнены проточки прямоугольной формы длиной l и глубиной h, расположенные симметрично относительно осей симметрии четных зубцовых делений, при этом относительная длина k_l проточек выбирается по формуле k_l=(t₂-b_c)/t₂, относительная глубина h* проточек выбирается с учетом необходимости обеспечения допустимого перегрева ротора по выражению

,

а абсолютные значения длины и глубины проточек определяются как l=k_l·t₂ и h=h*·b_n,

где S*=1+(a_n/t₂-k_l)·h*/(2+a_n/b_n) - относительная площадь поверхности охлаждения короткозамыкающих колец в долях от соответствующей площади короткозамыкающих колец без радиальных проточек,

- относительные значения теплового потока в стержнях и короткозамыкающих кольцах обмотки ротора в долях от соответствующих показателей ротора без проточек,

- относительная длина стержней клетки,

k_αy - коэффициент повышения теплоотдачи короткозамыкающих колец за счет турбулентности охлаждающего воздуха в областях проточек.