Асинхронный двигатель Советский патент 1945 года по МПК H02K17/16 H02K17/30 H02P1/34 

Асинхронный двигатель

Заявлено 13 марта 1941 года в Наркомэлектропро.м за № 41707 (305249) Опубликовано 31 января 1945 года

Асинхронные двигатели - самые распространённые электрические машины. Их отличительные особенности: простота устройства, надёжность в работе, высокий коэфициент полезного действия, хороший перегрузочный момент, малый вес, дешевизна и отсутствие ухода за ними.

Наибольшее распространение имеют двигатели с фазным ротором и двигатели с короткозамкнутым роторам: с простой беличьей кдеткой, с глубоким пазом и с двойной клеткой Бушеро. Из них двигатели с фазным ротором являются сравнительно наиболее сло(жными, тяжелыми, дорогими и наименее надёжными; они имеют сравнительно худшне .рабочие показатели, но наилучшие пусковые характеристики: наибольшие пусковые моменты при на.именьших пусковых токах. Двигатели же с короткозамкЕутым ротором, напротив, являются самыми простыми, лёгкими, дешёвыми и надёжными из всех электрических машин; они же имеют и наилучшие рабочие показатели, но пусковые характеристики их являются наихудшими: они потребляют большие пусковые токи, порядка 5-7-кратНОЙ1 номинальной величины, и развивают не всегда достаточно большой пусковой момент.

Неблагоприятные пусковые характеристики двигателей с короткозамкнутым ротором, всегда чрезмерно большой пусковой ток и не всегда достаточно большой пусковой момент препятствуют их повсеместному распространению. Правда, и в современных двигателях с коротокозамкнутым ротором возможно получить достаточ.но высокий пусковой момент и сравнительно небольшой, порядка трёх-четырёхкратной номинальной величины, пусковой ток, но только лишь за счёт резкого ухудшения рабочих показателей двигателя. Чем лучше пусковые характеристики, тем хуже рабочие показатели, и наоборот. В этом и сказывается внутреннее противоречие и органический порок современных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Настояшим изобретением ставится цель устранить этот недостаток.

В предлагаемом двигателе статор обычный, а короткозамкнутый ротор снабжён широкими и глубокими пазами, в нижней части которых располагаются стержни роторнойКлетки, а в верхней части-специальные железные пусковые стержни.

В момент пуска пусковые стержни занимают всю длину роторного паза, по мере же разгона ротора пусковые стержни постепенно: выдвигаются из пазов в аксиальном направлении и по достижении номинальных оборотов совершен«о выдвигаются из них. При включении двигателя пусковые стержни задвигаются обратно в пазы ротора.

Пусковые стержни имеют двоякое назначение:

1)увеличение индуктивного соппротнвления (роторной клетки и уменьшение пускового тока двигателя и

2)возбуждение внутренних (вихревых) токов в пусковых стержнях и образование ими дополнительного пускового момента. Пусковой ток двигателя, выполненного подобным образом, падает до двух-, трёхкратной номинальной величины, а пусковой момент повышается до четырёх-,пятикратной номинальной величины. При зтюм улучшение пусковых характеристик двигателя не связано с ухудшением рабочих показателей, и последние сохраняются на высоком уровне.

Выполнение ротора асинхронного двигателя с пусковой обмоткой, стержни которой выдвигаются из пазов ротора при помош:и передвигаемых вдоль ротора держателей, вообще не является новым. Новизна же предлагаемого двигателя заключается в том, ЧТКЭ1 в нём, с целью автоматизации процесса выдвижения стержней, применён специальный пусковой механизм. Последний, согласно изобретению, выполнен следуюш.им образом. Дисковые держатели пусковых стержней сидят на ходовых винтах, закреплённых Hia валу ротора и снаб;жённых шестернями; последние сцеплены, с одной стороны, с сидящей на том 1же валу и затормаживаемой в период пуска электромагнитом вспомогательной шестерней, .а с другой - с наружной шестерней внутреннего зацепления, могущей быть заторможенной другим

электромагнитом при выключении двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на фиг. 1 и 2 которого представлена принципиальная конструкция ротора пpeДv aгaeмoгo двигателя (продольный и поперечный разрезы), на фиг. 3 и 4 - схемы, поясняющие работу зубчатой передачи в вышеуказанном пусковом механизме, на фиг. 5 и 6 - диаграммы, характеризующие свойства двигателя.

На фиг. 1 и 2 положение пусковой обмотки и пускового механизма дано в рабочем состоянии.

Здесь обозначено: 1 - вал ротора, 2 - тело ротора, 3 - роторная клетка, 4 -.две штампованные фигурные детали с прорезами, служащие для направления и поддержания пусковых стержней, 5 - пусковые стержни, 6 - два диска, являющиеся держате.аями пусковых стержней; держатели 6 имеют возможность свободно перемещаться вдоль вала двигателя; 7 - два Ходовых винта, проходящие через нарезные втулки в держателях 6, направление резьбы одной половины ходового винта противоположно направлению резьбы второй его половины; 8 - стойка, неподвижно закреплённая на валу и служащая опорой и упором для обоих ходовых винтов; 9 - две шестерни, жёстко сидящие на ходовых винтах; 10-внутренняя щестерня, свободно сидящая на валу; 11 - цилиндрический ободок, жёстко связанный с шестерней 10; 12 - наружная щестерня, охватывающая обе шесг терни 9 и имеющая с ними внутреннее зацепление; шестерня 12 снабжена с боков двумя радиально выступающими кольцами, удерживающими её в постоянном зацеплении с шестернями 9.

В момент пуска двигателя пусковые стержни задвинуты.в пазы ротора, держатели б находятся в непосредственной близости от торцов ротора, а шестерня 10 заторможена особым электромагнитом 13, 14, описанным ниже. При разгоне ротора шестерни 9 катятся по шестерне 10, одновременно вращаются вокруг своих осей и увлекают в общее вращение с ротором наружную шестерню 12. Направление вращения ротора и щестерён при пуске иллюстрировано фиг. 3. Вращение щестерён 9 и связанных с ними ходовых винтов вызывает, при надлежащем направлении; резьбы ходовых винтов, перемещение маховиков 6 от 1по1рцов ротора к подщипниковым щитам и соответственное выдвижение пусковых стержней из пазов ротора.

При полностью выдвинутых из пазов пусковых стержнях щестерня 9 отпускается затормаживающим её электромагнитом, она увлекается во Вращение с ротором, и пусковые стержни перестают вьвдвигаться. В этом положении пусковых стергжней двигатель работает как двигатель с нормальным короткозамкнутым ротором.

При выключении двигателя наружная щестерня 12 автоматически затормаживаетсяэлект ромагнитом 18-19, щестерни 9, катясь по щестерне 10, вращаются в сторону, противоположнуюнаправлению

вращения при пуске, и пусковые стерлши задвигаются обратно в иазы ротора. Направления вращения ротора и щестерён при остановке двигателя иллюстрированы фиг. 4. Электромагнитная система 13, 14 и 18, 19 служит для автоматического торможения и растормаж«вания щестерни 10 при пуске и остановке электродвигателя.Электромагнитная система включает: 13 - пусковой электромагнит, 0№перемещается на 1-2 мм только в радиальном направлении; 14 - катущку возбуждения пускового электромагнита; питается от зажимов электродвигателя или от низковольтной сети; 15 - железный пакет, впрессованный внутрь ободка И и представляющий собой вращающийся якорь пускового электромагнита; 16 - пружинное кольцо; 17 - тормозную ленту, ж-ёстко связанную с кольцом 16; 18 - два неподвижных стопорных электромагнита; 19 - обмотки возбуждения стопор-ных. электромагнитов; они питаются непосредственно

от зажимов, ир)1 низковольтном электродвигателе или же от низковольтной сети через блок-контакты выключателя - при высоковольтном электродвигателе; 20 - якори стоиорных электромагнитов, жёстко связанные с пружинным кольцом 16. Работает электромагнитная система с«1едующим образом.

В момент пуска катущки всех трёх электромагнитов обтекаются током, пусковой электромагнит 13 притягивается к ободку 11, аякори 20-к стопорным электромагнита г 18. Благодаря этому ободок 11 вместе с щестернёй 10 затормаживается, щестерня 12 освобом-сдается от нажатия (давления) пруЖКиного кольца 16 и стержни выдвигаются из пазов ротора при. разгоне последнего.

В момент, когда пусковые стержни полностью выдвинуты из пазов, особый контактный прерыватель, описанный ниже, разрывает цепь электромагнита; действием небольщой пружины (не показанной на чертеже) пусковой электромагнит оттягивается от поверхности ободка 11 на 1-2 мм, освободившаяся щестерня 10 увлекается во вращение с ротором, и пусковые стержни перестают выдвигаться. . При включении электродвигателя питание стопорных электромагнитов прекращается, пружинное кольцо затормаживает посредством колодок-лент 1 щестерню 12 и по мере продолжающегося вращения рогора пусковые стержни задвигаются обратно в пазы ротора так, как это описано выще.

Обратный ход пусковых стержней ограничивается специальным устройством. Это устройство служит для предотвращения недопустилго больщих натяжек BHHTOBOII передачи. В двигателях малой мощности (менее 10 квт) ограничитель хода может отсутствовать.

Ограничитель обратного хода включает:

21 - диски, насаженные на гранёных утолщениях ходовых винтов; они не могут вращаться вокруг винтов, но могут несколько перемещ,аться вдоль них;

22- luafioy, свободно сидящую на валу двигателя; эта шайба благодаря шпонке (иа чертеже не показана) не 1может вращаться на валу;

23- магнитное кольио, жёстко сидящее на валу;

24- медное или алюминиевое кольцо, служащее для возбуждения магнитного кольца; двумя диаметрально противоположными точками оно присоединяется к двум точкам разной полярности на короткозамыкающем кольце роторной клетки;

25- спиральную пружину, отталкивающую шайбу 22 от магнитного кольца 23 (на чертеже показана схематически).

Работает ограничитель хода следующим образОМ.

Незадолго до того как пусковые стержни доходят до крайнего пускового положения, маховик 6 надвигается на диски 21 и прижимает их к щайбе 22. Под действием пружины 25 на дисках возникает момент сил трения, противодействующий вращению ходового винта. При соответственно подобранной пружине 25 противодействующий ,ент дисков превышает момент, тормозящий наружную шестерню 12, ходовые винты перестают вращаться, щестерня 12 увлекается в общее вращение с ротором (до остановки последнего) и пусковые стержни фиксируются в достигнутом пусковом положении.

При пуске двигателя в ход, т. е. при включении последнего, кольцо 24 обтекается током от короткозамыкающих колец, магнитное кольцо 23 притягивает щайбу 22, диски 21 освобождаются и ходовые винты получают возможность свободного вращения для очередного выдвижения пусковых стержней.

Для уменьшения потребной силы пружины и магнитного кольца может быть применено несколько пар дисков и щайб.

Вышеописанная электромагнитная система пригодна только для нереверсивных электролчвигателей. В случае же реверсируемых электродвигателей, электромагнитная система видоизменяется следующим образом.

Пружинное кольцо 16 с тормозными лентами 17 и якорями 20 выбрасывается и торможение шестерни 12 производится непосредственно электромагнитами 18 при питании их током. Питание электромагнитов ироизводится через блок-контакты на переключателе, причём при включении в одну какую-либо сторону блок-контакты замыкают цепь электромагнита 13 через контактный прерыватель (см. ниже) и размыкают цепь электромагнитов 18; при переключении двигателя на другую сторону вращения блок-контакты размыкают цепь электромагнита 13 и замыкают цепь электромагнитов 18 через тот же контактный прерыватель.

Работа реверсивного пЗТкового механизма протекает следующим образом.

При включении двигателя в прямом направлении (в направлении нагрузки) блок-контакты переключателя замыкают цепь электромагнита 13; при это;м выдвижение пусковых стержней и отключение цепи злтктромагнита 1J при полном вь;движении их производится так же, как в нереверсивном пусковом механизме.

При переключении двигате тя на другую сторону вращения блок-контакты замыкают цепь электромагнитов 18, наружная щестерня 12 затормаживается и вдвижение стержней в пазы производится так же, как в нереверсивном пусковом .механизме. Когда скорость вращения ротора падает до нуля и ротор разгоняется в обратную сторону, те же самые электромагниты 18, продолжая затормаживать ту же шестерню, выдвигают теперь пусковые стержНИ. При полном выдвижении пусковых стержней контактный прерыватель (см. ниже) раз.мыкает цепь электромагнитов 18 и. пусковые стержни фиксируются в достигнутом гголожении.

Новая перемена направления вращения Происходнт аналогичным образом.., :,;.

Контактный прерыватель служит для разрыва цепи пускового электромагнита при полном выдвижении пусковых стержней.

Контактный прерыватель составляют:

26- стерженёк контактного прерывателя;

27- подвижной контакт; сидит глухо на стерженьке 26 и заизолирован от последнего;

28- два неподвижных контакта;

29- спиральная , зажатая между выступом стерженька 26 и подшипниковым щитом 33 двигателя;

30- пружинящая пластина в виде дуги; свободный конец её служит опорой для стерженька 26;

31-угольничек, жёстко связанный .с пружинным кольцом 16; он также служит опорой для стерженька 26.

Контактный прерыватель на фиг. 1 и 2 показан в рабочем положении двигателя. В пусковом положении стерженёк 26 отодвинут влево и подвижной контакт 27 замыкает неподвижные контакты 28.

Работает контактный прерыватель следующи: образом.

Когда правый держатель 6 доходит до крайнего правого положения, он отодвигает стерженёк 26 в крайнее правое положение, контакты 28 размыкаются и цепь электромагнита 13 разрывается. В то же время электромагниты 18, притягивая якоря 20, растягивают на 1-2 мм горизонтальный диаметр пружинного кольца 16 « почти настолько же сокращают его вертикальный диаметр. Угольничек 31, связанный с кольцом 16, оттягивается вниз и тянет за собой конец упругой дуги 30. Часть стерженька 26, охваченная им, подвергается двойному давлению угольничка дуги. При правильно подобранной дуге возникающая сила трения превышает давление пружины 29, и контакты 28 остаются разомкнутыми во все время работы двигателя. Благодаря выступу 32 на маховике, приходящемуся на уровне левого конца стер женька 26, маховик при вращении почти не касается стерженька 26 и

лишь изредка, при продольной игре ротора, скользит выступом по левому концу его.

При выключении двигателя электромагниты 18 отпускают пружинное кольцо 16, угольничек 31 и дуга 30 возвращаются в нормальное положение, стерженёк 26 освобождается от давления и замыкает цепь электромагнита 13.

В отличие от обычных асинхронных двигателей токи, моменты и прочие параметры предлагаемого асинхронного двигателя не находятся в жёсткой связи со скольжением и для каждого заданного скольжения меняются в широких пределах, ;В зависимости от степени выдвижения пусковых стержней.

На фиг. 5 даны примерные кривые пускового момента, в зависимости от скольжения, для различных степеней выдвижения «з пазов пусковых стержней. Аналогичные кривые даны на фиг. 6 для пусковых токов.

Пользуясь характеристическими кривыми фиг. 5 и 6, можно построить кривые пускового тока и момента, соответствующие любому заданному, в зав1 симости от скольжения, пусковому моменту рабочего механизма.

По п| едположениям изобретателя предлагаемый двигатель обладает следующими свойствами.

Пусковой ток в предлагаемом двигателе меньще пускового тока обычных двигателей с короткозамкнутым ротором в 2-3 раза. Величина пускового тока определяется потребной величиной начального пускового момента, причём кратность начального пускового тока больше кратности начального пускового момента, приблизительно, только на единицу.

Изменение величины начального пускового тока в зависИмости от потребного пускового момента достигается; изменением удельного сопротивления железа пусковых стержней, применением железо-медных пусковых стержней с одной или двумя медными пластинками соответствующей толщины и применением пусковой клетки (последнее - для двигателей менее 10- 15 квт).

Пусковой момент в пред.чагаемом двигателе необычайно высок: при равных пусковых токах он больше пускового момента обычных двигателей с короткозамкнутым ротором в 2-3 раза. Более того, максима. пусковой момент предлагаемого двигателя больше даже максимального пускового момента двигателя с фазным ротором, причём это превышение доходит до 30% от максимально -о момента двигателя с фазным ротором.

Последнее объясняется тем, что реактивное сопротивление в момент пуска ротора с выдвижными пусковыми стержнями почти в два раза меньше, чем ротора с фазным ротором.

Максимальный пусковой момент двигателя предлагаемого типа приходится на начальный период пуска (при неподвижном роторе), тогда как в обычных асинхронных двигателях начальный пусковой момент, как правило, ниже максимального пускового момента, что также является достоинством предлагаемого двигателя.

Опрокядьшаюший или перегрузочный момент двигателя с выдвижными стержнями, как правило, значительно больше (на 20-40%) опрокидываюшего момента двигателей с глубоким пазом или ротором Бушеро.

При наличии пусковой клетки опрокидываюш,ий момент двигателя предлагаемого типа значительно больше апрокидываюшего момента двигателя с фазным ротором. При отсутствии пусковой клетки опрокидываюший момент предлагаемого двигателя незначительно больше или меньше опрокидываюшего момента двигателя с фазным ротором.

Опрокидываюший момент предлагаемого двигателя меньше опрокидываюшего момента двигателей с простой беличьей клеткой и то только в том случае, если последние запроектированы с минимальным реактивным падением напряжения и максимальным пусковым током.

Опрокидываюший момент двигателя, с выдвижными пусковыми стержнями меньше его максимального значения начального пусковоIo момента.

Далее но исследованиям изобретателя cos 7 двигателей предлагаемого типа выше, чем соз ф двигателей с глубоким пазом или ротором Бушеро на 3-5 и более процентов. При наличии пусковой клетки он значительно выше так же, чем -cos ф двигателей с фазным ротором. Cos ф двигателей предлагаемого типа несколько меньше, чем cos 9 двигателей с простой беличьей клеткой, да и то только при проектировании последних с большими пусковыми токами.

Особенно значительна разница в cos fp двигателей с выдвижными пусковыми стержнями и двигателей с глубоким пазом и ротором Бушеро, пред назначенных для обслуживания механизмов с ударной (молота, штамповочные машины), пульсируюш,ей (глубокие насосы для откачки нефти) и прерывистой (краны, лифты) нагрузкой. В этих случаях, благодаря высокому опрокидываюшему моменту, средний рабочий cos ip двигателя предлагаемого типа может быть на 10-15% выше, чем cos ф для двигателей с глубоким пазом или ротором Бушеро.

Изобретатель также нашел, что коэфициент полезного действия двигателя предлагаемого типа, при прочих равных условиях и при одинаковом расходе меди, выше, чем для всех прочих асинхронных двигателей.

По сравнению с фазным ротором гютери в роторе с выдвижными стержнями в 2-3 раза меньше (при одинаковом расходе меди). По сравнению с двигателями с короткозамкнутым ротором потери в двигателях предлагаемого типа уменьшаются в основном вследствие более высокого cos ф и вследствие

лучшего распределения потерь в меди статора и ротора. Дело в том, что суммарные потери в меди, при заданном расходе её, минимальны только при определённом соотношении потерь в роторной клетке и статорной обмотке, равном, примерно, 1 : 2 до 1 : 3. В действительных же двигателях, ради увеличения пускового момента, идут по пути увеличения потерь в роторе до соотношения 2:3 и даже 1:1. Последнее приводит (прИ условии постоянства расхода меди) к уве.личению обш;их потерь в меди двигателя до 20-30%. В двигателях предлагаемого типа этот недостаток места не имеет.

В двигателях, предназначенных для обслуживания механизмов с ударной, пульсируюшей и прерывистой н-агрузкой, разница в потерях в пользу предлагаемого двигателя еш,е больше.

Асинхронный двигатель с выдвижными пусковыми стержнями тяжелее существу1ош,их асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Утяжеление это вызвано наличием пускового механизма, удлинением и утолщением вала и удлинением подшипникового ш,ита, и составляет около 5-10% от обш,его веса обычного двигателя.

Однако, вследствие улучшения cos ф и уменьшения обш,их потерь в меди, двигатель предлагаемой системы допускает более высокое использование активного материала и увеличение моп ности двигателя до 5-10% по сравнению с двигателями с глубоким пазом или ротором Бушеро.

В результате предлагае.мый двигатель, по предположениям изобретателя, по весу мало отличается от двигателей с глубоким пазом или ротором Бушеро и легче двигателя с фазны.м ротором. По сравнению же с двигателями с короткозамкнутым или фазным ротором, взятым в.месте с их пусковой аппаратурой (реостатом, автотрансформаторОМ, реактором), двигатель предлагаемой системы легче последних на 20-40%.

В установках с ударной, пульсируюш ей и прерывистой нагрузкой предлагаемый двигатель допускает большую загрузку, чем двигатели с глубоким пазом или ротором Вушеро равной мош;ности, что также приводит к уменьшению удельного веса двигателя.

Изобретатель полагает, что предлагаемый двигатель по своим габаритны.м размерам будет почти одинаков с двигателем с фазным ротором, но длиннее на 20-30% двигагателя с короткозамкнутым ротором. По ширине и высоте предлагаемый двигатель ничем не отличается от других.

По сравнению с обычными двигателями, взятыми вместе с пусковой аппаратурой, двигатель предлагаемой системы требует поадешения .меньших габаритных размеров.

Подводя итоги, изобретатель делает следуюш;ие обшие выводы:

1.По своим пусковым характеристикам двигатели предлагаемой системы являются наилучшими среди всех суш,ествуюш,их асинхронных двигателей.

2.Двигатели предлагае.мого типа имеют наилучшие рабочие показатели: коэфициент полезного действия, cos ф и опроКИдываюший момент.

3.Стоимость предлагаемого двигателя незначительно выше стоимости обычных д вигателей с короткозамкнутым ротором, а в условиях непря.мого пуска - значительно ниже стоимости последних, взятых с пусковой аппаратурой.

4.Предлагаемый двигатель может быть с успехом применён везде, где требуется малый пусковой ток, большой пусковой момент, большой опрокидываюш,и11 момент, высокие cos (f и коэфициент полезного действия. Такие двигатели могут быть с успехом при.менены для привода поршневых насосов и компрессоров, глубоких насосов, подъёмных механизмов (краны, лифты), ударных механизмов (молота, штампы) и тому подобных установок.

Предмет изобретения

Асинхронный двигатель, стержни лусковой обмотки которого выполнены выдвижными из пазов ротора при помощи передвижных вдоль вала ротора дисковых держателей, отличающийся тем, что, с целью автоматизации процесса выдвижения стержней, держатели 6 сидят на ходовых винтах 7, закреX i jn...i ; lr:;i ::;iii:|::h..;; V i .

.. : V v:11;.. j li-d

/i: / .M

плённых на валу ротора и снабжённых шестернями 9, сцепленными, с одной стороны, с сидящей на том. же валу и затормаживаемой в период пуска электромагнитом 13-14 шестерней 10, а с другой - с наружной щестернёй 12 внутреннего зацепления, могущей быть заторможённой электромагнитом 18-19 при включении двигателя.

Фиг. 1

fS

Фиг. 2

jy

iS

Фиг. 3

UJScmSpi J i2

/ / //////// .Lu cmSpH/f iO snosSuy f a.

Фиг. 5

Фиг. 4

UJScrr, i2

UJ8Cff SpHj iO Фиг. 6

to a Si