Результат интеллектуальной деятельности: Ротор асинхронного электродвигателя

Изобретение относится к электротехнике и электромашиностроению и предназначено для применения в асинхронных электродвигателях мощностью более 100 кВт, которые эксплуатируются в составе технологического оборудования с тяжелыми условиями пуска.

Известен ротор асинхронного короткозамкнутого электродвигателя с глубокими пазами (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. - с. 431), содержащий вал, сердечник ротора и короткозамкнутую обмотку ротора. При этом вал выполнен в виде цилиндра из конструкционной стали, сердечник ротора закреплен на валу, выполнен в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами на внешней поверхности и изготовлен из электротехнической стали, короткозамкнутая обмотка ротора, состоящая из стержней, расположенных в пазах сердечника ротора и двух короткозамыкающих колец, расположенных на противоположных торцах сердечника ротора, изготовлена из металла с высокой электрической проводимостью. Для повышения добротности пуска в таком роторе используется эффект вытеснения тока в стержнях короткозамкнутой обмотки ротора.

Недостатком данного технического решения является низкая надежность и качество процессов пуска и самозапуска электродвигателей и сопряженного с ними технологического оборудования, обусловленное низкой добротностью пуска, вследствие низкой интенсивности вытеснения тока в стержнях короткозамкнутой обмотки ротора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ротор асинхронного электродвигателя (Патент РФ №2638560, публ. 14.12.2017, МПК H02K 17/16), представляющий собой симметричную конструкцию с аксиальной осью симметрии и радиальной осью симметрии и содержащий вал, сердечник ротора, короткозамкнутую обмотку ротора, состоящую из стержней и двух короткозамыкающих колец, и два двухслойных экрана. При этом вал расположен по аксиальной оси симметрии и выполнен в виде цилиндра из конструкционной стали. Сердечник ротора закреплен на валу, выполнен в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами на внешней цилиндрической поверхности и изготовлен из электротехнической стали. Стержни короткозамкнутой обмотки ротора расположены в пазах сердечника ротора. Короткозамыкающие кольца короткозамкнутой обмотки ротора расположены на поверхностях торцов сердечника ротора, выполнены в форме полого цилиндра толщиной b_n в направлении аксиальной оси симметрии и толщиной a_n в направлении радиальной оси симметрии. Двухслойные экраны закреплены на короткозамыкающих кольцах короткозамкнутой обмотки ротора, при этом слои экранов имеют поперечное сечение Г-образной формы, внутренние слои экранов установлены на внешнюю поверхность короткозамыкающих колец короткозамкнутой обмотки ротора, а внешние слои экранов установлены поверх внутренних слоев экранов. Стержни и короткозамыкающие кольца короткозамкнутой обмотки ротора изготовлены из металла с высокой электрической проводимостью, внутренние слои экранов изготовлены из ферромагнитной стали, внешние слои экранов выполнены из меди.

Недостатком настоящего технического решения является пониженная надежность и качество процессов запуска и самозапуска электродвигателя и сопряженного с ними технологического оборудования, обусловленное невысокой добротностью пуска, вследствие пониженной интенсивности вытеснения тока в короткозамыкающих кольцах и экранах ротора.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности пуска электродвигателя за счет повышения интенсивности вытеснения тока в короткозамыкающих кольцах и экранах 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 известный ротор асинхронного электродвигателя, представляющий собой симметричную конструкцию с аксиальной осью симметрии и радиальной осью симметрии, и содержащий вал, расположенный по аксиальной оси симметрии с закрепленным на нем сердечником ротора, короткозамкнутую обмотку ротора, состоящую из стержней, расположенных в пазах сердечника ротора и двух короткозамыкающих колец, расположенных на поверхностях торцов сердечника ротора, а также два экрана, выполненные двухслойными и закрепленные на короткозамыкающих кольцах короткозамкнутой обмотки ротора, при этом короткозамыкающие кольца короткозамкнутой обмотки ротора выполнены в форме полого цилиндра толщиной b_n в направлении аксиальной оси симметрии и толщиной a_n в направлении радиальной оси симметрии, внутренние слои экранов установлены на внешние поверхности короткозамыкающих колец короткозамкнутой обмотки ротора, а внешние слои экранов установлены на внутренние слои экранов, снабжен фасками, выполненными на внешних торцах короткозамыкающих колец короткозамкнутой обмотки ротора, причем угол наклона ϕ поверхности фаски к аксиальной оси симметрии составляет ϕ=(40-45) градусов, а глубина фаски h по аксиальной оси симметрии составляет h=(0,3-0,35)b_n, при этом внутренние слои экранов изготовлены в виде колец с поперечным сечением трехсторонней коробчатой формы с двумя аксиальными стенками и одной радиальной стенкой толщиной (0,07-0,08)b_n и имеют внутренние утолщения, выполненные по всей длине окружности пересечения нижней аксиальной и радиальной стенок, причем внутренние утолщения имеют поперечное сечение треугольной формы, угол наклона внешней поверхности внутреннего утолщения к аксиальной оси симметрии равен ϕ, вылет внутреннего утолщения по аксиальной оси симметрии равен h, внешние слои экранов установлены на внутренние слои экранов поверх внутреннего утолщения, при этом внешние слои экранов выполнены в виде колец, имеют поперечное сечение Г-образной формы с перпендикулярными стенками, толщина которых составляет (0,02-0,03)b_n и высота которых составляет (0,14-0,16)b_n.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен ротор асинхронного электродвигателя, на фиг. 2 представлено детализированное конструктивное исполнение короткозамыкающих колец и экранов, на фиг. 3 приведены результаты моделирования номинального режима ротора заявляемой конструкции, на фиг. 4 приведены результаты моделирования пускового режима ротора заявляемой конструкции.

Ротор асинхронного электродвигателя представляет собой симметричную конструкцию с аксиальной осью симметрии 1 и радиальной осью симметрии 2 и содержит вал 3, сердечник ротора 4, короткозамкнутую обмотку ротора, состоящую из стержней 5 и двух короткозамыкающих колец 6 с фасками 7, и два экрана 8. При этом короткозамыкающие кольца 6 короткозамкнутой обмотки ротора и экраны 8 расположены симметрично относительно радиальной оси симметрии 2 и выполнены идентичными друг другу.

Вал 3 расположен по аксиальной оси симметрии 1 и выполнен в виде цилиндра из конструкционной стали. Сердечник ротора 4 закреплен на валу 3, выполнен в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами на внешней цилиндрической поверхности и изготовлен из электротехнической стали. Стержни 5 короткозамкнутой обмотки ротора расположены в пазах сердечника ротора 4. Короткозамыкающие кольца 6 короткозамкнутой обмотки ротора расположены на поверхностях торцов сердечника ротора 4. При этом короткозамыкающие кольца 6 короткозамкнутой обмотки ротора выполнены в форме полого цилиндра толщиной b_n в направлении аксиальной оси симметрии 1 и толщиной a_n в направлении радиальной оси симметрии 2. На внешних - противоположных сердечнику ротора 4 торцах короткозамыкающих колец 6 короткозамкнутой обмотки ротора выполнены фаски 7. Угол наклона ϕ поверхности фаски 7 к аксиальной оси симметрии 1 составляет ϕ=(40-45) градусов, а глубина фаски h по аксиальной оси симметрии 1 составляет h=(0,3-0,35)b_n.

Экраны 8 выполнены двухслойными и закреплены на короткозамыкающих кольцах 6 короткозамкнутой обмотки ротора, причем внутренние слои 9 экранов 8 установлены на внешние поверхности короткозамыкающих колец 6 короткозамкнутой обмотки ротора. Внутренние слои 9 экранов 8 изготовлены в виде колец и имеют поперечное сечение трехсторонней коробчатой формы с двумя аксиальными стенками и одной радиальной стенкой толщиной (0,07-0,08)b_n. Кроме того, внутренние слои 9 экранов 8 имеют внутренние утолщения 10, выполненные по всей длине окружности пересечения нижней аксиальной и радиальной стенок. Внутренние утолщения 10 имеют поперечное сечение треугольной формы, угол наклона внешней поверхности внутреннего утолщения 10 к аксиальной оси симметрии 1 равен ϕ, вылет внутреннего утолщения 10 по аксиальной оси симметрии 1 равен h.

Внешние слои 11 экранов 8 установлены на внутренние слои 9 экранов 8 поверх внутреннего утолщения 10. При этом внешние слои 11 экранов 8 выполнены в виде колец, имеют поперечное сечение Г-образной формы с перпендикулярными стенками, толщина которых составляет (0,02-0,03)b_n и высота которых составляет (0,14-0,16)b_n.

При этом стержни 5 и короткозамыкающие кольца 6 короткозамкнутой обмотки ротора изготовлены из металла с высокой электрической проводимостью, внутренние слои 9 экранов 8 изготовлены из ферромагнитной стали, внешние слои 11 экранов 8 изготовлены из металла с высокой электрической проводимостью.

Ротор асинхронного электродвигателя работает следующим образом.

Вращающееся магнитное поле, созданное токами обмоток статора и ротора, взаимодействуя с токами в стержнях 5 короткозамкнутой обмотки ротора, порождает электромагнитные силы, которые реализуются в форме момента, приложенного к сердечнику ротора 4 и передающегося через его вал 3 к рабочей машине. Момент асинхронного электродвигателя совершает полезную работу по преодолению момента сопротивления рабочей машины. В пусковом режиме избыточный, по отношению к моменту сопротивления рабочей машины, пусковой момент обеспечивает старт асинхронного электродвигателя из неподвижного состояния. В пусковом режиме эффект вытеснения тока активизируется в связи с повышением частоты тока ротора, что приводит к неравномерному распределению тока по короткозамыкающему кольцу 6 короткозамкнутой обмотки ротора.

За счет выполнения фасок 7 на короткозамыкающих кольцах 6 короткозамкнутой обмотки ротора и предлагаемых особенностей выполнения внутреннего слоя 9 экрана 8, значительная доля тока, протекающего по короткозамыкающему кольцу 6 короткозамкнутой обмотки ротора, сосредоточивается вблизи поверхности фаски 7. Данная область обладает наименьшими сопротивлениями для электрического тока и является наиболее активной областью короткозамыкающего кольца 6 короткозамкнутой обмотки ротора. Расположенное на границе фаски 7 внутреннее утолщение 10, обладающее низкой электрической проводимостью, дополнительно перераспределяет ток короткозамыкающего кольца 6 короткозамкнутой обмотки ротора из активной области во внешний слой 11 экрана 8. При этом наклон фаски под углом ϕ=(40-45) градусов обеспечивает протяженную границу фаски 7 и внутреннего утолщения 10, что в сочетании с расположением внешнего слоя 11 экрана 8 поверх внутреннего утолщения 10 обеспечивает максимальную интенсификацию процесса перераспределения тока. Таким образом, в заявляемой конструкции ротора асинхронного электродвигателя значительная доля тока обмотки ротора в пусковом режиме замыкается через внешний слой 11 экрана 8, имеющий высокую электрическую проводимость и коэффициент мощности, близкий к единице. В результате этого, коэффициент мощности короткозамыкающих колец 6 короткозамкнутой обмотки ротора и коэффициент мощности всей короткозамкнутой обмотки ротора повышается. Это, согласно выражению (1) [Патент РФ №2638560. Опубл. 14.12.2017 Бюл. №35 // Макаров Л.Н., Денисов В.Н., Курилин С.П., Беляева А.В., Кобелев А.С.]

обеспечивает повышенное значение добротности пуска. В формуле (1) cos(ϕ₁), cos(ϕ₅₀) - коэффициенты мощности короткозамыкающих колец клетки в номинальном и пусковом режимах, - добротность пуска.

Таким образом, выполнение фасок 7 на короткозамыкающих кольцах 6 короткозамкнутой обмотки ротора, предложенное выполнение внутреннего слоя 9 экрана 8 и расположение внешнего слоя 11 экрана 8 поверх внутреннего утолщения 10 в совокупности приводят к повышению добротности пуска и к достижению заявленного технического результата.

Опытным путем получены данные, подтверждающие достижение заявленного технического результата. Количественная оценка результатов изобретения производилась путем математического моделирования пускового и номинального режимов ротора заявляемой конструкции, созданного на базе ротора серийного асинхронного электродвигателя 4А355М2У3.

Ротор асинхронного электродвигателя имеет следующие технические данные:

В среде численного моделирования были произведены расчеты распределения тока в короткозамыкающем кольце и экране, а также - расчеты окружающего их электромагнитного поля, в номинальном и пусковом режимах асинхронного электродвигателя с ротором заявляемой конструкции. Определялись коэффициенты мощности короткозамыкающего кольца в этих режимах. Определялся также коэффициент изменения активного сопротивления кольца с экранами в пусковом режиме.

Результаты моделирования номинального режима приведены на фиг. 3, где показаны направления аксиальной 1 и радиальной 2 осей симметрии, а также линии вектора магнитной индукции во внутренней и внешней областях короткозамыкающего кольца 6 и экрана 8. Равномерная серая окраска поверхности сечения короткозамыкающего кольца 6 свидетельствует о равномерном распределении тока в нем в номинальном режиме. Коэффициент мощности короткозамыкающего кольца 6 в этом режиме составил

cos(ϕ₁)=0,705

Результаты моделирования пускового режима приведены на фиг. 4, где показаны направления аксиальной 1 и радиальной 2 осей симметрии, а также линии вектора магнитной индукции во внутренней и внешней областях короткозамыкающего кольца 6 и экрана 8. Равномерная белая окраска поверхности сечения короткозамыкающего кольца свидетельствует об интенсивном вытеснении тока короткозамыкающего кольца во внешний слой 11 экрана 8. Коэффициент изменения активного сопротивления кольца с экранами в пусковом режиме составил

k_r=22,20.

Этот результат, превышающий в 2,1 раза соответствующий показатель устройства-прототипа, свидетельствует о достижении высокой интенсивности вытеснения тока в заявляемом устройстве.

Коэффициент мощности короткозамыкающих колец 6 в пусковом режиме составил

cos(ϕ₅₀)=0,575

В соответствии с приведенными результатами, согласно формуле (1) добротность пуска для заявляемого устройства составляет

,

что на 11% выше соответствующего показателя устройства-прототипа.

Таким образом, заявленная конструкция ротора обеспечивает существенное повышение показателя качества пусковых режимов асинхронного электродвигателя, достигнутое за счет интенсификации вытеснения тока и повышения эффективности использования материала обмотки ротора.

Использование изобретения позволяет гарантировать надежный пуск и самозапуск асинхронных электродвигателей, оснащенных заявленными роторами, повысить надежность работы электродвигателя и сопряженных с ним питающей сети и технологического оборудования. В наибольшей степени это относится к двухполюсным асинхронным электродвигателям с высотой оси вращения 315-355 мм.