Самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным короткозамкнутым ротором для привода поточных линий

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в агрегатах и приводных механизмах с быстрым и точным автоматическим остановом при работе приводного электродвигателя в одном направлении, т.е. в поточных линиях.

Известна конструкция самотормозящегося асинхронного электродвигателя со сдвоенным массивным ротором (патент РФ №2551893, опубл. бюл. №16 от 10.06.2015 г.), которая содержит статор с цилиндрической расточкой с обмоткой возбуждения, цилиндрический ферромагнитный массивный ротор, установленный на валу с возможностью аксиального перемещения, подшипниковые щиты с подшипниками, вал ротора, тормозную пружину, тормозное устройство, при этом цилиндрический ферромагнитный массивный ротор выполнен сдвоенным таким образом, что в воздушном зазоре, образованным между его частями, симметрично расположенными в осевом направлении относительно магнитопровода статора, установлена тормозная пружина, надетая на вал, и обе части изготовлены методом порошковой металлургии и имеют постоянные магнитные свойства вдоль оси вала, а на внутренних поверхностях подшипниковых щитов выполнены конические тормозные колодки с жестко закрепленными тормозными накладками.

В данной конструкции аксиальное электромагнитное усилие возникает при постоянных магнитных свойствах массивных магнитопроводов ротора вдоль длины и действует из-за стремления сдвоенных магнитопроводов ротора электродвигателя расположиться в «магнитной середине» по отношению к статору и взаимного встречного притяжения внутренних торцовых поверхностей сдвоенных магнитопроводов.

Самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным массивным ротором прост и надежен в эксплуатации, однако низкие КПД и коэффициент активной мощности (cos ϕ) двигателей с массивным ротором ограничивают их применение (Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. - М: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с, с. 187-188).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным короткозамкнутым ротором (патент РФ №2602242, опубл. бюл. №31 от 10.11.2016 г.). Электродвигатель содержит статор с цилиндрической расточкой с обмоткой возбуждения, цилиндрический сдвоенный ротор, расположенный на валу симметрично в осевом направлении относительно магнитопровода статора с возможностью аксиального перемещения в воздушном зазоре, образованном между его частями с установленной между ними тормозной пружиной, надетой на вал, и подшипниковые щиты с подшипниками, на внутренних поверхностях которых выполнены конические тормозные колодки с жестко закрепленными тормозными накладками, при этом пакеты магнитопроводов цилиндрического сдвоенного ротора выполнены шихтованными и набраны из листов электротехнической стали, на внешних цилиндрических поверхностях которых выполнены пазы с расположенными в них стержнями обмоток, концы которых с торцов магнитопроводов соединены кольцами, соединяющими их накоротко, при этом стержни обмоток, находящиеся в пазах магнитопроводов расположены зеркально относительно его центра в аксиальном направлении параллельно оси вращения машины, а пакеты магнитопроводов цилиндрического сдвоенного ротора сопряжены с валом посредством шлицевых соединений.

Данная конструкция позволила улучшить энергетические показатели электродвигателя (КПД и коэффициент активной мощности cos ϕ) при сохранении площади рабочей поверхности тормозного устройства, срока эксплуатации тормозных накладок, эксплуатационной надежности, эффективности торможения электрической машины и может работать в агрегатах и приводных механизмах с быстрым и точным автоматическим остановом (например, в поточных линиях). Однако особенность работы поточных линий состоит в том, что приводной электродвигатель работает в повторно-кратковременном режиме и только в одном направлении. При этом требуется более точное позиционирование приводного механизма, которое связанно с необходимостью более точного расположения изготавливаемых изделий на самой поточной линии в процессе производства.

Особенность процесса пуска самотормозящегося асинхронного электродвигателя со смещающимся ротором и влияние осевого электромагнитного усилия на скорость его срабатывания подробно описаны в источнике на стр. 31 (Ряженцев Н.П., Швец С.А. Самотормозящийся асинхронный двигатель с конусным ротором. - Новосибирск: «Наука», 1974. - 70 с.). В нем указывается то, что после подачи напряжения ротор начнет вращаться только в тот момент, когда

где М_п - пусковой момент двигателя;

М_с - момент сопротивления всего агрегата;

М_т - тормозной момент.

Тормозной момент М_т, создаваемый тормозной пружиной, снимается аксиальным электромагнитным усилием F. Однако аксиальное электромагнитное усилие F пропорционально току намагничивания I_μ, а так как они возрастают от нуля по экспоненциальному закону, то в течение некоторого времени, пока F не увеличится до определенной величины, ротор стоит на месте. Аналогично аксиальное электромагнитное усилие F будет оказывать большое влияние на процесс торможения, проходящий при отключении питающего напряжения от обмотки статора, а именно на время срабатывания и точность позиционирования приводного механизма в целом.

Использование самотормозящегося асинхронного электродвигателя со сдвоенным короткозамкнутым ротором в качестве привода поточной линии не позволит обеспечить достаточную точность позиционирования приводного механизма из-за отсутствия возможности увеличения аксиального электромагнитного усилия F, влияющего на тормозной момент и эффективность торможения.

Заявляемое изобретение решает задачу увеличения аксиального электромагнитного усилия при работе приводного электродвигателя в одном направлении.

Технический результат заключается в уменьшения времени срабатывания и пусковых токов, увеличении эффективности торможения электрической машины, обеспечении точности позиционирования при сохранении высоких энергетических характеристик.

Технический результат достигается тем, что самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным короткозамкнутым ротором для привода поточных линий содержит статор с цилиндрической расточкой с обмоткой возбуждения, цилиндрический сдвоенный ротор, расположенный на валу симметрично в осевом направлении относительно магнитопровода статора с возможностью аксиального перемещения в воздушном зазоре, образованном частями ротора, между которыми установлена тормозная пружина, надетая на вал, подшипниковые щиты с подшипниками, на внутренних поверхностях которых выполнены конические тормозные колодки с жестко закрепленными тормозными накладками, причем пакеты магнитопроводов цилиндрического сдвоенного ротора выполнены шихтованными и набраны из листов электротехнической стали, на внешних цилиндрических поверхностях которых выполнены пазы с расположенными в них стержнями обмоток, концы которых с торцов магнитопроводов соединены кольцами накоротко, причем стержни обмоток, находящиеся в пазах магнитопроводов расположены зеркально относительно центра в аксиальном направлении параллельно оси вращения машины, а пакеты магнитопроводов цилиндрического сдвоенного ротора сопряжены с валом посредством шлицевых соединений, при этом шлицевые соединения выполнены зеркально относительно центра магнитопровода статора по геликоидной поверхности с углом осевого скоса относительно продольной оси вала, а направление вращения вала ротора совпадает с увеличением угла осевого скоса шлицевых соединений от краев вала к середине.

Так как чередование фаз подаваемого напряжения на m-фазную обмотку возбуждения статора предварительно согласовано таким образом, чтобы направление вращения вала ротора совпадало с увеличением угла осевого скоса шлицевых соединений от краев вала к середине, то в момент пуска двигателя вращающееся магнитное поле при взаимодействии с токами короткозамкнутой обмотки ротора приведет к возникновению крутящего момента, который будет действовать на пакеты магнитопроводов цилиндрического сдвоенного ротора. При этом пакеты магнитопроводов цилиндрического сдвоенного ротора сопряжены подвижно в аксиальном направлении с валом посредством шлицевых соединений, которые выполнены зеркально относительно центра магнитопровода статора по геликоидной поверхности с углом осевого скоса шлицевых соединений относительно продольной оси вала, и при заторможенном вале ротора, который соединен неподвижно с приводным механизмом, обе две части сдвоенного ротора под воздействием крутящего момента будут накручиваться по шлицевым соединениям к центру магнитопровода статора, дополнительно увеличивая аксиальное электромагнитное усилие F и ускоряя момент времени, при котором сдвоенные части ротора полностью отодвинутся от тормозных накладок и ротор освободится от тормозного устройства. Ускорение времени срабатывания ведет к тому, что подключенный при пуске под напряжение электродвигатель находится в заторможенном состоянии (под действием тормозного устройства) меньший промежуток времени, что ведет к уменьшению пусковых токов, протекающих по обмоткам электродвигателя в этот промежуток времени.

При отключении напряжения от m-фазной обмотки возбуждения статора будет происходить угасание энергии электромагнитного поля, и это приведет к уменьшению скорости вращения ротора. При этом уменьшение скорости сдвоенного магнитопровода ротора будет проходить быстрее, чем уменьшение скорости в приводном механизме из-за большого момента инерции приводного механизма. Разница скоростей пакетов магнитопроводов цилиндрического сдвоенного ротора и приводного механизма будет способствовать тому, что части пакетов магнитопроводов цилиндрического сдвоенного ротора получат дополнительное ускорение за счет избыточного момента приводного механизма для ускоренного скручивания их по шлицевым соединениям от центра магнитопровода статора к тормозному устройству. Причем большая инерционность приводного механизма будет сказываться положительно и способствовать уменьшению времени срабатывания, то есть времени после отключения напряжения от m-фазной обмотки возбуждения статора до полной остановки механизма. Кроме этого, наличие угла осевого скоса шлицевых соединений относительно продольной оси вала при скручивании пакетов магнитопроводов цилиндрического сдвоенного ротора по шлицевым соединениям от центра магнитопровода статора к тормозному устройству позволяет увеличить аксиальное электромагнитное усилие из-за дополнительного воздействия реакции шлицевых соединений на сдвоенные части пакетов магнитопроводов и будет способствовать увеличению эффективности торможения и точности позиционирования.

На фиг. 1 показан общий вид самотормозящегося асинхронного электродвигателя со сдвоенным короткозамкнутым ротором для привода поточных линий.

Самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным короткозамкнутым ротором для привода поточных линий содержит корпус 1, в котором размещен шихтованный магнитопровод статора 2, имеющий цилиндрическую расточку с m-фазной обмоткой возбуждения статора 3.

Пакеты магнитопроводов 4, 5 цилиндрического сдвоенного ротора выполнены шихтованными с пазами на внешних цилиндрических поверхностях, в которых расположены стержни обмоток 6, 7, концы которых с торцов пакетов магнитопроводов 4, 5 соединены накоротко кольцами 8, 9 и 10, 11 соответственно. Пазы со стержнями обмоток 6, 7 располагаются зеркально относительно центра магнитопроводов в аксиальном направлении, параллельно оси вращения машины. Пакеты магнитопроводов 4, 5 имеют возможность свободного встречного перемещения вдоль вала 12 и соединены с ним посредством шлицевых соединений 13. При этом шлицевые соединения 13 выполнены зеркально относительно центра магнитопровода статора 2 по геликоидной поверхности с углом α осевого скоса шлицевых соединений 13 относительно продольной оси вала 12. При проектировании и изготовлении данного электродвигателя необходимо отталкиваться от задач, которые будут предъявляться к конкретному электроприводу, и максимально требовательно подходить к выбору величины угла α осевого скоса шлицевых соединений 13 относительно продольной оси вала 12, так как она будет влиять на характеристики машины. При этом увеличение угла α осевого скоса шлицевых соединений 13 относительно продольной оси вала 12 будет пропорционально увеличивать аксиальное электромагнитное усилие.

Применение шлицевых соединений 13 для совмещения вала 12 с пакетами магнитопроводов 4, 5 позволяет точно центрировать пакеты магнитопроводов 4, 5 ротора по отношению к магнитопроводу статора 2 и иметь запас надежности при динамических нагрузках при относительном аксиальном перемещении.

Между пакетами магнитопроводов 4, 5 на валу 12 расположена тормозная пружина 14, которая разжимает их при отсутствии напряжения на m-фазной обмотке возбуждения статора 3, образуя воздушный зазор δ. Суммарная длина сдвоенных пакетов магнитопроводов 4,5 при сжатой тормозной пружине 14 без воздушного зазора δ равна длине магнитопровода статора 2.

Подшипниковые щиты 15, 16 крепятся в корпусе 1 посредством болтов 17, 18. Вал 12 базируется в подшипниковых щитах 15, 16 при помощи радиальных подшипников 19, 20, внутренние кольца которых упираются в его выступы, а внешние кольца фиксируются в подшипниковых щитах 15, 16 при помощи крышек 21, 22 посредством болтов 23, 24. Между магнитопроводом статора 2 и пакетами магнитопроводов 4, 5 имеется рабочий воздушный зазор, который позволяет вращаться ротору относительно магнитопровода статора 2 на радиальных подшипниках 19, 20.

На внешних торцевых поверхностях пакетов магнитопроводов 4, 5 сдвоенного ротора неподвижно закреплены конические закаленные пластины 29, 30. С внутренней стороны подшипниковых щитов 15, 16 в форме выступов выполнены конические тормозные колодки 25, 26, на которых жестко закреплены тормозные накладки 27, 28. Равномерный износ тормозных накладок 27, 28 тормозного устройства обеспечивается при условии, что на стадии изготовления и сборки осуществляется симметричное расположение в аксиальном направлении цилиндрического пакета ротора, состоящего из двух пакетов магнитопроводов 4, 5, к магнитопроводу статора 2 и зеркальное расположение пазов с расположенными в них стержнями обмоток 6, 7 относительно его центра.

Самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным короткозамкнутым ротором для привода поточных линий работает следующим образом.

Чередование фаз подаваемого напряжения на m-фазную обмотку возбуждения статора предварительно согласовано таким образом, чтобы направление вращения вала 12 совпадало с увеличением угла α осевого скоса шлицевых соединений 13 от его краев к середине. При подаче напряжения на m-фазную обмотку возбуждения статора 3 возникает основной магнитный поток и потоки рассеивания, которые пересекают рабочий воздушный зазор, пакеты магнитопроводов 4, 5, а также воздушный зазор δ.

Под действием аксиального электромагнитного усилия, вызванного основным магнитным потоком и потоками рассеивания лобовых частей (из-за стремления ротора электродвигателя расположиться в «магнитной середине» по отношению к статору, то есть в том положении, в котором магнитное сопротивление воздушного зазора δ имеет наименьшее значение, что соответствует наиболее выгодному энергетическому положению), конические закаленные пластины 29, 30 вместе с пакетами магнитопроводов 4, 5 встречно перемещаются, скользя по шлицевым соединениям 13 вдоль вала 12, сжимая при этом тормозную пружину 14 и растормаживая двигатель.

Одновременно с этим основной магнитный поток пересекает пакеты магнитопроводов 4, 5 с расположенными на них стержнями обмоток 6, 7, концы которых с торцов пакетов магнитопроводов 4, 5 соединены накоротко кольцами 8, 9 и 10, 11 соответственно, и наводит в них ЭДС. Так как концы стержней обмоток 6, 7 соединены накоротко, образуя замкнутую цепь, то по ним будет протекать ток. Вращающееся магнитное поле при взаимодействии с токами, протекающими по стержням обмоток 6, 7 ротора, приведет к возникновению крутящего момента (по закону Ампера), который будет действовать на пакеты магнитопроводов 4, 5 сдвоенного ротора.

Подшипниковые щиты 15, 16 крепятся в корпусе 1 посредством болтов 17, 18. При этом вал 12 базируется в подшипниковых щитах 15, 16 при помощи радиальных подшипников 19, 20, внутренние кольца которых упираются в его выступы, а внешние кольца фиксируются в подшипниковых щитах 15, 16 при помощи крышек 21, 22 посредством болтов 23, 24. Между магнитопроводом статора 2 и пакетами магнитопроводов 4, 5 имеется рабочий воздушный зазор, который дает возможность одновременно вращаться пакетам магнитопроводов 4, 5 ротора относительно магнитопровода статора 2 на радиальных подшипниках 19, 20 и перемещаться в аксиальном направлении вдоль вала 12 на шлицевых соединениях 13.

Так как пакеты магнитопроводов 4, 5 сдвоенного ротора сопряжены подвижно в аксиальном направлении с валом 12 посредством шлицевых соединений 13, которые выполнены зеркально относительно центра магнитопровода статора 2 по геликоидной поверхности с углом α осевого скоса шлицевых соединений 13 относительно продольной оси вала 12, то при заторможенном вале 12 ротора, который соединен неподвижно с приводным механизмом, пакеты магнитопроводов 4, 5 сдвоенного ротора под воздействием крутящего момента будут накручиваться по шлицевым соединениям 13 к центру магнитопровода статора 2, расположенного неподвижно в корпусе 1, дополнительно увеличивая имеющееся аксиальное электромагнитное усилие F и тем самым ускоряя момент времени, при котором сдвоенные части пакетов магнитопроводов 4, 5 ротора полностью отодвинутся от тормозных накладок 27, 28, и ротор освободится от тормозного устройства. В процессе пуска воздушный зазор δ сокращается до нуля и далее не влияет на режим работы двигателя.

Отключение m-фазной обмотки возбуждения статора 3 от источника питания приведет к угасанию энергии электромагнитного поля электродвигателя. Это вызовет постепенное уменьшение скорости вращения ротора и, соответственно, то, что основной магнитный поток будет не в состоянии удерживать конические закаленные пластины 29, 30 вместе с пакетами магнитопроводов 4, 5 в рабочем положении. При этом уменьшение скорости вращения пакетов магнитопроводов 4, 5 ротора будет проходить быстрее, чем уменьшение скорости приводного механизма из-за большой разницы их моментов инерции. Разница скоростей пакетов магнитопроводов 4, 5 ротора и приводного механизма будет способствовать тому, что пакеты магнитопроводов 4, 5 ротора получат дополнительное ускорение за счет избыточного момента приводного механизма для ускоренного скручивания их по шлицевым соединениям 13 от центра магнитопровода статора 2 к тормозному устройству. Кроме этого, наличие угла α осевого скоса шлицевых соединений 13 относительно продольной оси вала 12 при скручивании пакетов магнитопроводов 4, 5 ротора по шлицевым соединениям 13 от центра магнитопровода статора 2 к тормозному устройству позволяет увеличить аксиальное электромагнитное усилие F из-за дополнительного воздействия реакции шлицевых соединений 13 на пакеты магнитопроводов 4, 5 ротора и будет способствовать увеличению эффективности торможения и точности позиционирования.

Дополнительно к этому тормозная пружина 14 вызывает взаимное аксиальное смещение конических закаленных пластин 29, 30 вместе с пакетами магнитопроводов 4, 5. При этом каждая коническая закаленная пластина 29, 30 входит в контакт со своей тормозной накладкой 27, 28, а между внутренними торцевыми поверхностями пакетов магнитопроводов 4, 5 образуется воздушный зазор δ. В результате трения конусных поверхностей сопряжения конических закаленных пластин 29, 30 ротора и тормозных накладок 27, 28, жестко закрепленных на конических тормозных колодках 25, 26, происходит остановка ротора.