Устройство для приведения во вращение машин-орудий Советский патент 1936 года по МПК H02K41/02 H02K17/16 

Настоящее предложение направлено к уменьшению, так называемых, концевых потерь, имеющих место в устройстве по авторскому свидетельству № 42629. Величина этих потерь значительно превышает в некоторых случаях сумму всех обычных электрических потерь-железньгх и джоулевых, имеющих место у этого электропривода. В конструкции нового электроггривода выпуска 1933 г. одни указанные особые электрические потери составляют при номинальном рабочем режиме машины около 53% от подводимой к дуговому статору мощности. В конструкции нового электропривода выпуска 1934 г. эти потери составляют , а в конструкции выпуска 1935 г. около 28% от указанной мощности на клеммах дугового статора.

Компенсационные обмотки в добавочных пазах на концах дугового статора, выравнивая фазовые токи и доводя скорость машины до расчетной, вместе с тем, как показывает опыт, снижают особые электрические потери более, чем на 20%. ,

Однако, как это видно из приведенных выше данных, эти потери остаются еще весьма значительными и должны быть резко сокращены и дальше, чтобы они не противостояли существенным прогрессивным особенностям нового электропривода.

На чертеже фиг. 1 представляет разрез дугового статора 1 и в развернутом виде роторную зону 2 рабочей машины с беличьей клеткой, состоящей из медных или алюминиевых стержней 3; фиг. 2, 3-различные варианты предложений, представляющие собою схемы обмотки ротора.

На фиг. 1 тонкими линиями, соединяющими зубцы статора с роторной зоной, условно обозначены отрезки магнитных линий в зазоре. Направление вращения роторной зоны под действием

jiyroBOTO статора показано стрелкой.

Буквой А обозначен тот из двух концов дугового статора, где имеется вход элементов роторной зоны под дуговой статор, а буквой В обозначен другой конец статора, являющийся вь1ходом элементов роторной зоны из-под статора

Режим работы в концевых зонах статора каждого данного элемента роторной зоны отличается не установившимся характером, а именно: хотя с дуговым статором всегда взаимодействует постоянный по своим размерам дуговой отрезок роторной зоны, но этот отрезок составляется в каждый данный момент не из одних и тех же элементов роторной зоны. На конце В дугового статора имеет место непрерывный выход отработавших под дуговым статором элементов роторной зоны, а на конце А имеет место непрерывное вхождение под дуговой статор элементов роторной зоны.

С выходом каждого данного элемента роторной зоны из-под дугового статора прекращается и индуктирующее действие статора на этот роторный элемент, т. е- на конце В статора имеет место своего рода процесс непрерывных выключений элементов ротора. Уносимая каждым из них электрокинеL/- ,

тическая энергия - „- (в виде охватывающего эти роторные элементы магнитного потока) не может сколь угодно долго сохраняться в нащем случае несверхпроводящего контура, а поглощается в виде затухающего тока (экстра-ток размыкания) омическим сопротивлением среды.

Вследствие этого, под конец А дугового статора каждый элемент роторной зоны уже входит обесточенным, т. е. без магнитного потока, а значит, и без противоэлектродвижущей силы и поэтому он подвергается при каждом таком входе короткому замыканию.

Ток короткого замыкания, проиндуктированный в роторном элементе при его вступлении в зону действия дугового статора, начинает затем спадать (фиг. , кривая С) по мере продвижения этого роторного элемента и доходит, наконец, до нормального своего значения на некотором расстоянии Ал от конца А статора. Размер этого отрезка Аа дуги статора, выражающий собой определенную длительность рассматриваемого затухающего короткого замыкания, претерпеваемого каждым роторным элементом с момента вступления его под дуговой статор, зависит от таких же факторов, как и период не установившихся состояний того же рода в обычных контурах с самоиндукцией и омическим сопротивлением.

Итак, особые электрические потери, возникающие в электроприводе с дуговым статором, являются джоулевыми потерями затухающего короткого замыкания в набегающих под дуговой статор токопроводящих элементах роторной зоны.

Во вращающемся органе рабочей мащины токопроводящими элементами, испытывающими на участке Аа дугового статора режим затухающего короткого замыкания, являются, вообще I говоря, не только аксиальные стержни j беличьей клетки и примыкающие к ним I участки короткозамыкающих колец, но I также и геометрически аналогичные элементы массивного ферромагнитного вещества роторной зоны, которое может рассматриваться как параллельно включенная к беличьей клетке короткозамкнутая цепь.

Мгновенное значение потерь короткого замыкания в каждом роторном I элементе Д (фиг. 1), состоящем из аксиального проводника и примыкающих к нему на торцах двух кольцевых отрезков, может быть выражено:

..«(;-)

. О)

ВЧ2-&МО „

-

где:

ток короткого замыкания взятого роторного элемента в данной точке проходимого им участка Аа под дуговым статором (в амперах),

активное, т. е. с учетом коэфициента Fielda и температуры сопротивление роторного элемента (в омах),

электродвижущая сила, индуктируемая в роторном элементе в данной точке проходимого им

участка Аа под дуговым статором (в вольтах),

Z - импеданц взятого роторного элемента (в омах),

В - индукция в зазоре в данной точке того же участка Аа (в гауссах),

/-активная длина роторного элемента (в см},

V - его линейная скорость (в CMJceif).

Если М есть количество роторных элементов беличьей клетки, охватываемых участком Аа затухающего короткого замыкания, то суммарное мгновенное значение потерь короткого замыкания в этих М роторных элементах получим равными: Для М геометрически аналогичных элементов массивного ферромагнитного вещества роторной зоны будем иметь: 10 . .(3) Вместо суммы М переменных слагаемых В может быть взято произведение М на некоторое среднее значение JB т. е. У 5« AfB 2 ,При синусоидальном изменении индукции В на участке Аа дугового статора имеем: В В. Искомое значение В сводится в таком случае к выражению 5J - Г5«„„5Ш р. . (6) «PI -fl J

где fi, fa-некоторый угловой интервал интегрирования, соответствующий отрезку Аа дугового статора.

Решение этого интеграла без пределов таково:

,axSin29 rf p r.

,.-,х J sin 2ср d4

1 - cos 2ср

e,,(7)

-- Jrf -Jcos 2о ф

(Sin2f N

2 У Теперь необходимо еще определить пределы интегрирования (постоянная интегрирования потому и опущена, что интеграл здесь определенный). Для каждой группы из М смежных роторных элементов угловой интервал интегрирования « «2 остается неизменным по своей абсолютной величине и соответствует он участку Аа, но так как вращение роторной зоны не синхронно, а имеется здесь определенное скольжение, то этот постоянный по величине угловой интервал интегрирования будет с каждым оборотом роторной зоны смещаться по фазе, вследствие чего за некоторое число оборотов роторной зоны каждая данная группа из М смежных роторных элементов неизбежно пройдет все существующие абсолютные значения синусоиды индукции, после чего такой цикл работы М роторных элементов начнет повторяться, но уже уна следующем участке синусоиды и т. д. Участками синусоиды, вмещающими все существующие у этой функции абсолютные значения, являются угловые тгте участки от О до , от - до it от i: 3„ до - It и т. д. или же участки от О до 11, бт It до 2 г: от 2 П до 31Г и т д. Точными будут не единовременные, т. е. меняющиеся с каждым оборотом потери короткого замыкания в каждой данной группе М роторных элементов на участке Аа, а их средние здесь потери за указанный полный цикл. Это означает, что выражение - sin 2ф,- в уравнении (7) должно получить пределы от О до , либо от -22до т, либо от Ti до -- г: и т. д., либо. от О до тг, от 7г до 2тс и т. д., но при непременном условии, что должно быть найдено затем среднее значение выраsin 2f жения ср -в тех же самых пределах. Получим отсюда, например, для пределов О . . . 2 Гsin 2Ф v( Г -0)1 i 7Г V 2/ Понятно, что к тому же результату приводят и все остальные указанные пределы. Из уравнений (4), (6), (7) и (8) имеем: 2 ш (9) откуда потери короткого замыкания в М рассматриваемых элементах беличьей клетки и в М аналогичных по форме элементах массивного ферромагнитного вещества роторной зоны окончательно получим равными (см. уравнения (2), (3), (9)): 2.,2 Ain-Sx/ Р„ zr Ж - 1- v W . (10) liX/J 16 Р, - /- -р-, 10 W . (11) Физический смысл и размерность входящих в эти уравнения величин были даны раньше. По опытным данным для концевых потерь короткого замыкания, сверенным с расчетными по формулам (10) и (11), величина М, имеющаяся в этих формулах, оказывается для всех выполненных до настоящего времени конструкций нового электропривода в пределах1 (Па) Это, в частности, указывает на то, что участок Аа затухающего режима короткого замыкания, испытываемого вбегающими под конец А дугового статора элементами беличьей клетки, охватывает в каждый данный момент не более трех пазовых делений роторной зоны. Отсюда, -в частности, понятно, почему дополнительная электрическая мощность, потребляемая дуговым статором из-за концевых потерь в роторной зоне, не распределена равномерно по всем трем фазам обмотки статора, а неизменно обнаруживается при всех опытных измерениях почти целиком в той одной именно фазе дугового статора, витки которой размещены в первых от конца А пазах статора: эту именно часть обмотки статора движущиеся элементы роторной зоны встречают первой при входе под дуговой статор, вследствие чего этой же фазовой частью обмотки статора индуктируется и ток короткого замыкания в этих элементах роторной зоны и это увеличивает потребляемую всей этой фазой мощность из сети, а также и рабочий ток этой фазы. Из формул (10) и (11) вытекает, что концевые потери короткого замыкания у нового электропривода имеют место при всех кинетических режимах вращаемой этим приводом рабочей мащины и, кроме того, эти потери независимы от нагрузки на ее валу. В частности, они появляются при холостом ходе машины. Этих потерь нет только тогда, когда линейная скорость роторной зоны машины равна нулю, т. е. в первый момент пуска. Как всякий процесс индуктирования токов, так и процесс индуктирования токов короткого замыкания в роторных элементах на участке Аа сопровождается появлением здесь электромагнитных сил торможения.

То обстоятельство, что дополнительные электрические потери нового электропривода имеют место в роторной зоне, а не в самом дуговом статоре, приводит к особенно неблагоприятным последствиям, а -именно:

а)каждые 100 W концевых потерь короткого замыкания, взятые в их чистом виде, т. е. на месте их возникновения, заметно увеличиваются к клеммам статора вызываемыми ими добавочными потерями скольжения всей активной части роторной зоны, а также добавочными джоулевыми потерями обмотки статора, рабочий ток которого увеличивается концевыми потерями;

б)паразитный момент сопротивления, который вызывается концевыми потерями, удлиняет пусковой период нового этектропривода и делает внешнюю характеристику вращаемой им машины (скорость в функции полезной назгруки ла валу) более крутой;

в)номинальная мощность нового электропривода уменьшается.

К сущности рассматриваемых далее роторных обмоток, сокращающих концевые потери до величин, близких к нулю, имеет важное отношение и вопрос о том, где эти потери преобладают- в беличьей ли клетке или в ферромагнитном веществе роторной зоны.

Этот вопрос решается сопоставлением уравнений (10) и (11) и абсолютных значений входящих в них величин. Имеем

R

1

7 1

. .(12)

R,-X,

где X - реактивное сопротивление роторного элемента.

Детальный анализ показывает, что из суммы концевых потерь Р- Р на элементы стальной роторной зоны приходится, в зависимости от сорта стали, 20-lOVo, а остальные 80-ЭО /о потерь относятся к элементам беличьей клетки того же участка Аа.

Опытные же данные для суммарных концевых потерь короткого замыкания не превышают даже при стальной роторной зоне более чем на потери, вычисленные для одной лишь беличьей клетки по формуле (10), вследствие чего за полные потери могут практически приниматься потери в беличьей клетке на участке Аа роторной зоны.

Роторные обмотки, предназначенные, согласно изобретению, для резкого сокращения этих потерь, схематически изображены на фиг. 3, 4 и 5.

Все эти роторные обмотки характеризуются тем, что они состоят из отдельных двуплечевых, охватывающих одно полюсное деление и замкнутых на себя обмоточных контуров, у которых каждое второе по направлению движения роторной зоны плечо замыкает за пределами конца дугового статора тот ток короткого замыкания, который индуктируется в первом плече каждого какого контура в момент вступления последнего под дуговой статор.

Согласно фиг. 3 роторная об.мотка состоит из П-образных отдельных контуров 1. Длина активных отрезков каждого такого контура соответствует аксиальному размеру роторной зоны, а расстояние между ними равно полюсному делению дугового статора или несколько отличается от этой величины. Каждый контур, вставляемый своими активными отрезками в пазы роторной зоны, присоединяется своими двумя концами к общему кольцу 2, накоротко замыкающему концы всех контуров.

Согласно фиг. 4 форма выполнения роторной обмотки отличается от предыдущей тем, что отдельные контуры i, состоящие из одного витка с полюсным делением, близким к полюсному делению дугового статора, замыкаются сами на себя и общее кольцо для этих отдельных контуров отсутствует.

По фиг. 5 отдельные замкнутые на себя двуплечие контуры, охватывающие отрезок по окружности роторной зоны, близкий к полюсному делению дугового статора, состоят из двух, трех и вообще нескольких последовательно соединенных витков, каждый из которых размещается своими двумя плечами в двух отдельных пазах роторной зоны машины.

Электромагнитный режим работы указанных на фиг. 3, 4, 5 роторных обмоточных контуров при их вступлении под конец А дугового статора будет существенно отличаться от режима работы элементов обычной беличьей клетки на том же участке дугового статора. Эти отличия заключаются в следующем. Представим себе роторную зону с обмоточными контурами (фиг. 3, 4 и 5) движущейся в каком-нибудь направлении, например, слева направо. Назовем первым тот проводник каждого данного контура, который первым по направлению движения вступает под конец А дугового статора. Здесь проиндуктированный в первом проводнике такого контура ток короткого замыкания неизбежнозамкнется через все остальные проводники данного контура, которые, однако, еще не вошли, а должны будут вскоре войти под тот же конец А дугового статора. Вследствие этого под этот конец А статора будет вступать обесточенным, т. е. без тока на каждый роторный проводник, как мы это имеем в обычной беличьей клетке, а лишь каждый те-ый проводник новых роторных контуров. Величина п обозначает здесь число роторных проводников данного короткого замкнутого контура. Для контуров с числом проводников в одном пазу более единицы « означает число пазов, занимаемое контуром в роторной зоне. Так, например, для контуров фиг. 3 и 4, где число проводников каждого контура равно двум, обесточенным будет вступать под конец А статора каждый второй проводник, а для контуров фиг. 5, где число проводников каждого равно четыре, обесточенным будет вступать под конец Л статора каждый четвертый проводник. Остальные же п-i проводников роторной зоны будет теперь выступать под конец А статора уже с током, а следовательно, и с магнитным потоком. При этом, так как расстояние между противоположными плечами каждого контура имеет, как было указано, размер, более или менее близкий к полюсному делению дугового статора, то этот ток и поток, с которыми вступают под статор остальные п-1 проводников, будут всегда иметь в момент их входа тот знак и ту фазность, которые именно необходимы для этих п-1 проводников, чтобы в них всегда создавались к этому моменту соответствующие противоэлектродвижущие силы, исключающие для этих п-1 проводников возможность рассмотренного выше короткого замыкания на участке Аи и связанного с этим,особого электродинамического режима на этом участке статора.

Короткому замыканию здесь будет, таким образом, подвергаться не каждый проводник рассматриваемых контуров, а только 1/й часть всего числа проводников каждого контура.

В выведенной ранее формуле для концевых потерь короткого замыкания

16

---10

2Z«

одно указанное обстоятельство выразится в том, что величина М уменьшится рассматриваемыми роторными контурами в п раз, и мы получим

р...М „,„

f-o 10 . . (13) /

, ---

Этим, однако, еще не исчерпываются изменения, вносимые рассматриваемыми роторными контурами в абсолютное значение концевых потерь, а именно: обратимся к величинам R v. х этих контуров, т. е. к их активному и реактивному сопротивлениям.

Эти величины определяют собой вместе с известными параметрами дугового статора пусковые и рабочие характеристики нового электропривода.

Чтобы получить для новых контуров приведенные к статору значения величин / и .X равными таковым у роторной зоны с обычной беличьей клеткой, действительные значения / и х для каждого рассматриваемого контура, имеющего и последовательно соединенных проводников, должны быть в л раз j больше, чем у беличьей обмотки.

Янализ этого вопроса показывает, что концевые потери нового электропривода уменьшаются рассмотренными обмоточными контурами роторной зоны: 1) в л раз за счет величины М и 2) еще

в л раз за счет величины Z, т. е. итого в л раз, где л, как было уже указано, означает число последовательно соединенных проводников короткозамкнутого роторного контура.

Так, например, роторный контур, согласно фиг. 3 и 4, имеющий я 2, дает четырехкратное уменьшение концевых потерь. Роторный контур по фиг. 5, имеющий п 4, дает шестнадцатикратное уменьшение этих потерь, а при роторном контуре с л б получим тридцатишестикратное уменьшение потерь, т. е. концевые потери нового электропривода доводятся такими обмоточными контурами до значений, близких к «улю.

Предмет изобретения.

1.Форма выполнения устройства по пп. 1 и 3 авторского свидетельства NO 42629, отличающаяся тем, что, с целью устранения концевых потерь, короткозамкнутая стержневая обмотка, которой снабжен вращающийся рабочий орган машины, выполнена в виде отдельных замкнутых на себя двуплечих контуров, имеющих шаг, равный полюсному, делению статора.

2.Форма выполнения устройства по п. 1, отличающаяся тем, что указанные контуры имеют П-образную форму и присоединены своими двумя концами к общему кольцу, замыкающему накоротко концы всех контуров обмотки.

фи/:/