Высокооборотный асинхронный двигатель

Изобретение относится конструкциям высокооборотных асинхронных двигателей и может быть использовано в электроприводах и электрогенераторах различного назначения.

Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.

Известен ротор асинхронной электрической машины по патенту РФ №2436220, содержащий вал, неподвижно и соосно укрепленный на валу осесимметричный ферромагнитный сердечник-магнитопровод с наружной поверхностью в форме кругового цилиндра и электрическую обмотку типа «беличье колесо», отличающийся тем, что ферромагнитный сердечник-магнитопровод составлен из продольных элементов, выполненных из материала, обладающего как минимум аксиальной электропроводностью, причем указанные продольные элементы с помощью лобных проводников-перемычек электрически соединены между собою только своими торцевыми частями, образуя обмотку типа «беличье колесо». Лобные проводники-перемычки выполнены как две металлические шайбы, которые электрически замыкают торцевые части продольных элементов.

Известна [1] конструкция короткозамкнутых асинхронных двигателей, применяемых для различных отраслей промышленности и питаемых от промышленной сети (50 Гц). Статор этих двигателей - шихтованный, набран из лакированных листов электротехнической стали толщиной обычно 0,5 мм. В статоре выштампованы пазы, в которые уложена трехфазная обмотка (катушечная или стержневая). Ротор - также шихтованный из той же электротехнической стали. В роторе выштампованы пазы, в которые уложена коротко-замкнутая обмотка в виде массивных стержней, замкнутых по обоим торцам ротора короткозамыкающими кольцами. Вращающий момент, развиваемый двигателем, передается приводному механизму через вал, закрепленный в теле ротора. Этот момент может быть передан через торцевую муфту, к которой крепятся несколько изолированных шпилек в теле ротора.

Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа

Недостатком данного устройства является высокое эквивалентное сопротивление короткозамкнутой системы, расположенной на роторе, что ограничивает возможность увеличения тока и МДС, индуцируемых потоком взаимоиндукции. Это объясняется следующими обстоятельствами. Ток в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного двигателя индуктируется потоком взаимоиндукции Ф_ВЗ, возникающим в зазоре двигателя. Этот поток взаимоиндукции Ф_ВЗ в номинальном режиме (при малых скольжениях S) определяется следующими параметрами двигателя:

где U_Ф - фазное напряжение двигателя,

ƒ - частота сети,

W_Ф - число витков в фазе обмотки статора,

K_ОБМ - обмоточный коэффициент статора,

р - число пар полюсов.

Поток взаимоиндукции Ф_ВЗ (результирующий поток в двигателе) образуется путем взаимодействия в зазоре двух составляющих: потока обмотки статора Ф_СТАТ и потока, образуемого короткозамкнутой обмоткой ротора Ф_РОТ.

Сущность решаемой изобретением задачи поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено распределение потока взаимоиндукции в поперечном сечении двигателя промышленной частоты, на фиг. 2 - распределение потока взаимоиндукции в поперечном сечении высокооборотного двигателя.

Сопоставление распределения этого потока Ф_ВЗ в поперечном сечении двигателя промышленной частоты и высокооборотного (высокочастотного) двигателя с частотой тока в стержнях ротора 160 Гц показывает, что для двигателя промышленной частоты поток Ф_ВЗ замыкается через активную сталь статора, зазор, активную сталь ротора и частично через вал. Однако, для высокочастотного двигателя в отличие от этого распределения поток Ф_ВЗ охватывает лишь часть активной стали ротора, не достигая центрального отверстия с валом. Эти особенности распределение потока ротора Фрот вызваны проявлением поверхностного эффекта в его активной стали [2].

Таким образом, для высокочастотного двигателя часть магнитной цепи ротора (обозначена диаметром D₀ на фиг. 2) остается вне воздействия магнитного потока Ф_ВЗ. Величина этого диаметра определяется [3] частотой тока ƒ, протекающего по стержням ротора: D₀≈ƒ^0,5. Отсутствие учета этой особенности высокочастотных двигателей приводит к неоправданному увеличению их веса и габаритов.

Задачей заявляемого изобретения является снижение эквивалентного сопротивления короткозамкнутой системы, расположенной на роторе высокооборотного двигателя, что обеспечивает возможность увеличения тока и МДС, индуцируемых потоком взаимоиндукции, а также снижения веса и габаритов ротора двигателя.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению высокооборотный асинхронный двигатель, включающий ротор, содержащий вал, неподвижно и соосно укрепленный на валу осесимметричный ферромагнитный сердечник-магнитопровод с наружной поверхностью в форме кругового цилиндра и электрическую обмотку типа «беличья клетка», характеризуется тем, что ротор выполнен массивным, при этом на внешней поверхности массивного ротора выполнены пазы, в которые уложена короткозамкнутая обмотка в виде массивных стержней, которые гальванически соединены по торцам ротора вращающимися короткозамыкающими медными дисками, при этом в центральной части ротора выполнена расточка, в которой размещена цилиндрическая полая медная втулка, причем диаметр расточки D_РАСТ а также внешний диаметр медной втулки D_ВШН и ее внутренний диаметр D_ВНТР, выбраны из условий: D_РАСТ≤D₀, где D₀ - часть магнитной цепи ротора вне воздействия магнитного потока, D_ВШН=D_РАСТ, D_ВНТР<D_РАСТ, а максимальная толщина медной втулки в расточке выбрана из условия t=0,5⋅(D_ВШН - D_ВНТР), кроме того с обоих терцев ротора медная втулка гальванически соединена с вращающимися короткозамыкающими дисками и со стержнями в пазах ротора.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что к стержням в пазах ротора параллельно подключается дополнительное сопротивление в виде медной втулки, так что эквивалентное полное сопротивление (активное и индуктивное) обмотки ротора уменьшается и, соответственно, возрастают ток и МДС ротора и статора.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором на фиг. 3 представлен общий вид заявленного ротора с медной втулкой в центральной расточке. Ротор изображен без муфты, для сочленения с приводным механизмом и соответственно шпилек для нее. На фиг. 3 позициями обозначены: 1 - пазы ротора медные, 2 - короткозамыкающие диски медные, 3 - цилиндрическая полая медная втулка, 4 - вентиляционное отверстие, 5 - отверстия под шпильки для муфты.

Заявленное устройство изготавливается и работает следующим образом. Внутренняя часть ротора растачивается; диаметр расточки D_РАСТ, причем D_РАСТ≤D₀. В расточку с этим диаметром помещается медная втулка из литцы. Ее внешний диаметр равен D_ВШН=D_РАСТ, а внутренний - D_ВНТР<D_РАСТ, так что максимальная толщина этой втулки в расточке равна t=0,5⋅(D_ВШН - D_ВНТР). Полное сопротивление (активное и индуктивное) втулки определяется его поперечным сечением и конфигурацией. С обоих торцов ротора втулка гальванически соединяется с вращающимися короткозамыкающими дисками и со стержнями в пазах ротора (с "внешней" беличьей клеткой). В результате к стержням в пазах ротора ("внешним") параллельно подключается дополнительное сопротивление в виде медной втулки, так что эквивалентное полное сопротивление (активное и индуктивное) обмотки ротора уменьшается; оно может регулироваться не только поперечным сечением "внешней" беличьей клетки, как в машинах промышленной частоты, но и сечением внутренней втулки. При заданном скольжении S ток в обмотке ротора, индуктируемый потоком взаимоиндукции Фвз, определяется, следовательно, в такой конструкции эквивалентным полным (активным и индуктивным) сопротивлениями Z_ЭКВ обоих элементов: "внешней" беличьей клетки и внутренней втулки. Например, при отсутствии внутренней втулки полное сопротивление ротора Z_ЭКВ равно полному сопротивлению только внешней «беличьей клетки» Z_ЭКВ=Х'_ВШ + jR'_ВШ/S, где Х'_ВШ, R'_ВШ - индуктивное и активное сопротивление внешней «беличьей клетки» ротора, приведенное к обмотке статора [1]. Однако, при наличии внутренней втулки оно принимает вид: Z_ЭКВ=[(Х'_ВШ + jR'_ВШ/S)⋅jR'_ВТ]/(Х'_ВШ + jR'_ВШ/S + jR'_ВТ/S), где R'_ВТ - активное сопротивление медной втулки из литцы, приведенное к обмотке статора [1]. Отметим, что [1] отношение R'_ВТ/R'_ВШ ≈ 1/N_СТ, где N_CT - число стержней на поверхности ротора. Практически это отношение составляет R'_ВТ/R'_СТ ≤ 0,1. Следовательно, полное сопротивление ротора Z_ЭКВ при наличии внутренней втулки значительно уменьшается. Соответственно, возрастают ток и МДС ротора. Соотношение между МДС обмотки ротора F_РОТ, МДС обмотки статора F_СТАТ и результирующей МДС F_ВЗ, вычисляемой с использованием (1) из кривой намагничения, определяется законом полного тока (Ампера) [1], [3], [4]:

Обычно в зависимости от мощности двигателя и ряда других его параметров отношение МДС обеих обмоток составляет Fрoт/Fст ≈ 0,8-0,6. Из соотношения (2) следует, что с увеличением МДС ротора Fрoт соответственно увеличивается и МДС статора Fстат, то есть полная электромагнитная мощность (кВА), потребляемая двигателем из сети (от преобразователя частоты). Путем изменения конфигурации "внешней беличьей клетки» и внутренней втулки можно изменить и коэффициент мощности двигателя, а, следовательно, и активную мощность, потребляемую двигателем от сети (от преобразователя частоты).

Каждый из вращающихся медных дисков по торцам ротора имеет на диаметре D₀ по окружности несколько отверстий для прохода через них шпилек. Эти шпильки установлены в отверстиях, просверленных в теле ротора на диаметре D₀, и служат для передачи момента вращения двигателя с помощью муфты. На внутренней поверхности обоих медных дисков предусматриваются дополнительные контактные поверхности для гальванического соединении с ними внутренней медной втулки. Литература.

1. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия. 1974. - 782 с.

2. J.R. Claycomb. Applied Electromagnetics Using QuickField&MATLAB. Houston Baptist University. 2008

3. Kuepfmueller K., Kohn G. Theoretische Elektroteohnik und Elektronik. 15 Aufl. Berlin - New-York: Springer. 2000. - 545 S.

4. Boguslawsky I., Korovkin N., Hayakawa M. Large A.C. Machines. Theory and Investigation Methods of Currents and Losses in Stator and Rotor Meshes incl. Operation with Nonlinear Loads. Springer. 2016. 555 P.