РОТОР АСИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
ROTOR OF ASYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области асинхронных электрических машин и может быть использовано в электроприводах и электрогенераторах любого назначения.
Общеизвестна конструкция короткозамкнутого ротора серийных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (см., например, на стр.147-149, рис.10.3 в учебнике - Электрические машины: М.М.Кацман. - 7-е изд., стереотипное. - М.: Издательский центр «Академия», 2007 - 607 с.), которая принимается за прототип. Ротор прототипа включает в себя сердечник-магнитопровод, который соосно укреплен на валу электродвигателя. Сердечник-магнитопровод ротора представляет собой спрессованный пакет листов электротехнической стали и является частью магнитной системы асинхронной машины. В пазах сердечника-магнитопровода расположена короткозамкнутая электрическая обмотка ротора типа «беличье колесо», причет неизбежно и существенно оказывается нарушена магнитная однородность наружной функциональной поверхности сердечника-магнитопровода. Эта поверхность оказывается неизбежно образована зубцами, между которыми расположены пазы обмотки. Характерной особенностью прототипа является исчерпанность возможностей по улучшению массогабаритных характеристик и снижению стоимости ротора. Кроме того, недостатком такого ротора является сравнительно высокий уровень пульсаций вращающего момента электродвигателя вследствие нарушения магнитной однородности наружной функциональной поверхности сердечника-магнитопровода.
Целью изобретения является улучшение эксплуатационных и стоимостных характеристик асинхронных электрических машин. При использовании изобретения достигаются следующие полезные технические результаты:
1. Увеличивается удельная мощность асинхронной электрической машины, т.е. улучшаются ее массогабаритные характеристики.
2. Снижается себестоимость асинхронной электрической машины.
3. Снижаются пульсации момента на валу электрической машины.
4. Уменьшается момент инерции ротора асинхронной электрической машины.
Сущность изобретения, обеспечивающая достижение всей совокупности указанных технических результатов, заключается в том, что в ротор асинхронной электрической машины, 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», введены существенные конструктивные изменения, а именно: 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 торцовыми частями, образуя обмотку типа «беличье колесо».
На Фиг.1 представлена схема ротора асинхронной электрической машины с двумя металлическими шайбами, электрически замыкающими торцовые (лобные) части продольных элементов ротора.
На Фиг.2 представлена схема ротора асинхронной электрической машины с сердечником-магнитопроводом, выполненным как моноблок.
Ротор асинхронной электрической машины содержит вал (1), неподвижно и соосно укрепленный на валу (1) через диэлектрическую втулку (позиция втулки не показана, т.к. способ крепления не принципиален) ферромагнитный сердечник-магнитопровод, который состоит из продольных элементов (2), имеющих в поперечном сечении форму кольцевых секторов. Продольные элементы (2) образуют осесимметричный ферромагнитный сердечник-магнитопровод с наружной поверхностью в форме кругового цилиндра. Продольные элементы (2) выполнены из материала, обладающего, как минимум, аксиальной электропроводностью, т.е. электропроводностью в направлении оси ротора. В качестве такого материала может быть использована любая магнитомягкая сталь, в виде сплошного блока или в виде радиально-шихтованного пакета. В последнем случае каждый продольный элемент будет обладать сквозной аксиальной электропроводностью при отсутствии сквозной радиальной электропроводности. Такое решение уменьшает потери, связанные с вихревыми токами. Продольный элементы (2) по смежным поверхностям изолированы друг от друга слоем диэлектрика (3), в качестве которого наилучшим материалом является магнитодиэлектрик, например магнитопласт. Но в конструкции может быть применен любой другой технологически целесообразный диэлектрик, в т.ч. воздух, лак, полимерная пленка и т.п. Важным условием при этом является минимальная толщина слоя диэлектрика с достаточным запасом диэлектрической прочности. С помощью системы лобных проводников-перемычек (4) продольные элементы (2) электрически соединены между собою только своими торцовыми частями, образуя обмотку типа «беличье колесо». Наилучшие результаты получаются при использовании для изготовления проводников-перемычек неферромагнитного токопроводящего материала с высокой удельной проводимостью (медь или алюминий). Конструктивно система лобных проводников-перемычек (4) может быть образована двумя металлическими шайбами, электрически замыкающими торцовые (лобные) части продольных элементов (2) ротора, как это и показано на Фиг.1.
В соответствии с сущностью изобретения возможны и другие конструктивные решения, одно из которых изображено на Фиг.2. Например, весь сердечник-магнитопровод может быть выполнен как моноблок из отрезка стальной трубы, в которой продольные элементы (2) образованы центральными участками трубы, заключенными между сквозными (в радиальном направлении) щелевыми прорезями, заполненными диэлектриком (3), а система проводников-перемычек (4) образована сплошными торцевыми участками сердечника-магнитопровода (отрезка трубы).
Принцип действия ротора асинхронной электрической машины не отличается от прототипа. В составе электрической машины ротор работает следующим образом: обмотка возбуждения ротора, представляющая собою «беличье колесо», состоящее из продольных элементов (3) и системы лобных проводников-перемычек (4), пересекается вращающемся магнитным потоком статора асинхронной электрической машины. В продольных элементах (3) наводится ЭДС, которая создает реактивный ток возбуждения в секциях «беличьего колеса». Ток возбуждения индуцирует магнитный поток возбуждения ротора, замыкающийся через продольные элементы (3) и через зазоры между ними, которые заполнены диэлектриком. Взаимодействие магнитного потока возбуждения ротора и вращающегося магнитного потока статора обеспечивает функционирование асинхронной электрической машины на всех режимах в соответствии с ее основополагающим принципом.
Сущность изобретения связана с заявленными техническими результатами следующим образом соответственно:
1. Увеличение удельной мощности асинхронной электрической машины и, значит, улучшение ее массогабаритных характеристик достигается за счет того, что согласно изобретению магнитный поток ротора замыкается практически через всю его боковую поверхность (толщина слоя диэлектрика между продольными элементами (2) - минимальна), в то время как в прототипе магнитный поток замыкается только через часть этой поверхности (через зубцы). Кроме того, согласно изобретению на уменьшение габаритов электрической машины существенно повлияет улучшение теплообмена между проводниками «беличьего колеса» и окружающей средой, так как практически половина площади проводников «беличьего колеса» находится в контакте с окружающей средой, в то время как в прототипе большая часть проводников «беличьего колеса» находится в контакте с пластинами магнитной системы ротора через достаточно большое тепловое сопротивление, обусловленное изоляцией обмоточных проводов, прокладками и т.д. Улучшение естественного теплообмена элементов ротора позволит уменьшить габариты встроенной системы принудительного охлаждения или даже полностью исключить ее из состава электрической машины;
2. Уменьшение себестоимости ротора электрической машины обеспечивается значительным упрощением технологии, т.к. исключаются операции штамповки, набора пластин сердечника-магнитопровода, литья под давлением системы обмотки «беличьго колеса» и т.д.
3. Снижение зубцовых пульсаций момента электрической машины обеспечивается в силу минимизации магнитной неоднородности функциональной поверхности сердечника-магнитопровода, особенно если в качестве диэлектрика между продольными секциями из проводящего ферромагнитного материала используется магнитодиэлектрик, например магнитопласт. Изобретение обеспечивает улучшение пространственной непрерывности наружной функциональной поверхности сердечника-магнитопровода и, следовательно, минимизацию ее магнитной неоднородности.
4. Уменьшение момента инерции ротора асинхронной электрической машины обеспечивается уменьшением массы ротора при равных, по сравнению с прототипом, значениях радиального и осевого габаритов. Масса уменьшается за счет выполнения сердечника-магнитопровода в форме отрезка стальной трубы, внутреннее пространство которой заполнено диэлектриком, обладающим меньшей по сравнению со сталью плотностью. Уменьшение момента инерции ротора является важным техническим результатом изобретения, особенно при применении его в исполнительных двигателях систем управления.