Самотормозящийся сдвоенный аксиальный асинхронный электродвигатель для привода поточных линий
SELF-BRAKING DOUBLE AXIAL ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR FOR FLOW LINE DRIVE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к сдвоенным аксиальным (торцовым) асинхронным электрическим машинам с двухдисковым статором и двухдисковым ротором, 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 двусторонняя торцовая асинхронная электрическая машина со встроенным тормозным устройством (Патент РФ №2290735, 2006 г.), содержащая сборный корпус с центральной кольцевой полостью, магнитопроводы статора и ротора с обмотками, вал ротора и его подшипники, тормозное устройство и его пружину. При этом вал ротора электрической машины выполнен составным из двух частей, несущих по одному жестко закрепленному диску ротора и сопряженных между собой посредством шлицевого соединения, допускающего малое относительное смещение частей вала вдоль его оси. Тормозное устройство размещено на несущем щите корпуса электрической машины и включается в режим торможения под действием пружины после отключения электропитания обмотки магнитопровода статора. При этом на каждой из частей вала ротора, сопряженных между собой, установлен отдельный подшипник, с наружным кольцом каждого из которых связана втулка, входящая в отверстие цилиндрического стакана корпуса статора и имеющая возможность малого осевого смещения относительно корпуса статора совместно с подшипником и частью вала ротора, на которой установлен подшипник. Эта электрическая машина отличается малыми осевыми габаритами, высокой нагрузочной способностью, хорошей самовентиляционной системой охлаждения.
Однако ее конструкция имеет большое число составных деталей со сложной геометрической формой (например, ротор и его вал, который состоит из двух частей), что ведет к достаточно сложной технологии его изготовления. Помимо этого, выходные валы ротора выполнены подвижными относительно корпуса, что ведет к усложнению сопряжения электрической машины с рабочим механизмом и требует повышенной точности установки. Большое число взаимно перемещающихся составных деталей со сложной геометрией и повышенные требования к точности установки и в том числе электрической машины по отношению к приводному механизму, наличие осевых усилий, действующих на радиально-упорные подшипники в процессе пуска и торможения, в целом снижают эксплуатационную надежность электрической машины.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является сдвоенная аксиальная асинхронная электрическая машина со встроенным тормозным устройством (Патент РФ №2558704, опубл. 10.08.2015, бюл. №22), содержащая сборный симметричный корпус с центральной кольцевой полостью, статор, ротор, магнитопроводы статора и ротора с обмотками, боковые щиты с подшипниками, вал ротора, тормозное устройство и пружину, корпус статора в форме наружного цилиндрического обода составляет единое целое с центральным опорным диском, на аксиальных поверхностях которого жестко закреплены магнитопроводы статора с обмотками, вал ротора выполнен двухступенчатым, причем расстояние между заплечниками, расположенными ближе к центру вала, больше расстояния между внешними аксиальными поверхностями магнитопроводов статоров на величину, в два раза превышающую величину рабочего воздушного зазора, при этом пакеты роторов выполнены в форме кольцевых дисков с возможностью их аксиального перемещения вдоль оси с установленной между ними на валу тормозной пружиной.
Предлагаемая конструкция электрической машины достаточно проста и технологична и обладает малыми осевыми габаритами. Вал ротора электрической машины выполнен цельным (не требует точного соединения двух составных частей) и неподвижным в осевом направлении относительно статора и приводного механизма, что ведет к упрощению совмещения электрической машины с приводным механизмом. Применение роторов с простой геометрической формой в виде кольцевого диска упрощает как изготовление машины, так и ее сборку. Симметричная конструкция электрической машины позволяет полностью разгрузить подшипники от осевых усилий в любом режиме работы и дает возможность увеличить ресурс и долговечность электрической машины. В результате все это ведет к повышению эксплуатационной надежности электрической машины при одновременном снижении себестоимости ее изготовления.
Данная конструкция электрической машины дает возможность получить большой тормозной момент 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
М
п
где  - пусковой момент двигателя;
М
с
- момент сопротивления всего агрегата;
М
т
- тормозной момент.
М
F
F
I
F
F
т
μ
Тормозной момент , создаваемый тормозной пружиной, снимается аксиальным электромагнитным усилием . Однако аксиальное электромагнитное усилие  пропорционально току намагничивания , а так как они возрастают от нуля по экспоненциальному закону, то в течение некоторого времени, пока  не увеличится до определенной величины, ротор стоит на месте. Аналогично аксиальное электромагнитное усилие  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.
F
Использование сдвоенной аксиальной асинхронной электрической машины со встроенным тормозным устройством в качестве привода поточной линии не позволит обеспечить достаточную точность позиционирования приводного механизма из-за отсутствия возможности дополнительного увеличения аксиального электромагнитного усилия , 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 уменьшении времени срабатывания и пусковых токов, увеличении эффективности торможения электрической машины и обеспечении точности позиционирования при сохранении высоких энергетических характеристик.
Технический результат достигается тем, что самотормозящийся сдвоенный аксиальный асинхронный электродвигатель для привода поточных линий содержит статор и ротор, при этом статор состоит из тормозного устройства, сборного симметричного корпуса в форме наружного цилиндрического обода, с торцов которого неподвижно закреплены боковые щиты с подшипниками, составляющего единое целое с центральным опорным диском, на аксиальных поверхностях которого жестко закреплены магнитопроводы статора с обмотками, а ротор состоит из двухступенчатого вала ротора, у которого расстояние между заплечниками, расположенными ближе к центру вала, больше расстояния между внешними аксиальными поверхностями магнитопроводов статоров на величину, в два раза превышающую величину рабочего воздушного зазора, на валу размещены два пакета роторов, которые имеют возможность аксиально перемещаться вдоль оси вала ротора, пакеты выполнены в форме кольцевых дисков, имеющих магнитопроводы роторов с обмотками, с установленной между ними на валу тормозной пружиной, при этом пакеты роторов сопряжены с валом ротора посредством шлицевых соединений, которые выполнены зеркально относительно центрального опорного диска 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.
Вал ротора крепится в боковых щитах двигателя при помощи радиальных подшипников, наружные кольца которых входят в отверстие боковых щитов корпуса статора, а внутренние кольца упираются в заплечники, расположенные ближе к концам вала ротора.
Между каждой из внутренних аксиальных поверхностей пакетов роторов и заплечниками, расположенными ближе к центру вала ротора, образованы зазоры, равные величине встречного смещения пакетов роторов по шлицевым соединениям при подключении обмоток магнитопроводов статора к сети.
Тормозная пружина упирается обоими своими торцами через надетые на вал ротора упорные кольца.
Наружный цилиндрический обод корпуса статора с внешних сторон содержит отверстия для контроля над состоянием и толщиной тормозных накладок, одновременно служащие дополнительными вентиляционными отверстиями.
F
Так как чередование фаз подаваемого напряжения на m-фазные обмотки возбуждения магнитопроводов статоров предварительно согласованы 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 короткозамкнутых обмоток пакетов роторов приведет к возникновению крутящего момента, который будет действовать на пакеты роторов. При этом пакеты роторов сопряжены подвижно в аксиальном направлении с валом посредством шлицевых соединений, которые выполнены зеркально относительно центрального опорного диска по геликоидной поверхности с углом осевого скоса шлицевых соединений относительно центрального опорного диска, и при заторможенном вале ротора, который соединен неподвижно с приводным механизмом, обе части пакетов роторов под воздействием крутящего момента будут накручиваться по шлицевым соединениям к его центру, дополнительно увеличивая аксиальное электромагнитное усилие  и ускоряя момент времени, при котором сдвоенные части пакетов роторов полностью отодвинутся от тормозного устройства и ротор растормозится. Ускорение времени срабатывания ведет к тому, что подключенный при пуске под напряжение электродвигатель находится в заторможенном состоянии 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 пакетов роторов будет проходить быстрее, чем уменьшение скорости в приводном механизме из-за большого момента инерции приводного механизма. Разница скоростей пакетов роторов и приводного механизма будет способствовать тому, что части пакетов роторов получат дополнительное ускорение за счет избыточного момента приводного механизма для ускоренного скручивания их по шлицевым соединениям от заплечников к тормозному устройству. Причем большая инерционность приводного механизма будет сказываться положительно и способствовать уменьшению времени срабатывания, то есть времени после отключения напряжения от m-фазных обмоток возбуждения магнитопроводов статоров до полной остановки механизма. Кроме этого, наличие угла осевого скоса шлицевых соединений относительно продольной оси вала при скручивании пакетов роторов по шлицевым соединениям от заплечников к тормозным кольцевым накладкам позволяет увеличить аксиальное электромагнитное усилие из-за дополнительного воздействия реакции шлицевых соединений на пакеты роторов, что будет способствовать увеличению эффективности торможения и точности позиционирования.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан общий вид самотормозящегося сдвоенного аксиального асинхронного электродвигателя для привода поточных линий.
На фиг. 2 показан вид сбоку самотормозящегося сдвоенного аксиального асинхронного электродвигателя для привода поточных линий.
Сборный корпус электрической машины состоит из корпуса статора 1, имеющего центральный опорный диск 2, выполненный единым с наружным цилиндрическим ободом 3, и двух симметрично расположенных боковых щитов 4 и 5, жестко присоединенных к ободу 3 корпуса статора 1 винтами 6, несущих тормозные кольцевые накладки 7. Накладки 7, оснащенные подложками 8, жестко связаны с резьбовыми втулками 9, имеющими кольцевые выступы с регулировочными прокладками 10. Весь этот узел тормозного устройства крепится в боковых щитах 4 и 5 корпуса статора 1 внутри его центральной кольцевой полости при помощи винтов 11, вкрученных в резьбовые втулки 9 с внешней стороны боковых щитов 4 и 5.
Центральный опорный диск 2 корпуса статора 1 разделяет центральную кольцевую полость машины на две симметрично расположенные области, в которых размещены магнитопроводы статора 12, 13 с m-фазными обмотками возбуждения 14 и пакеты роторов, выполненных в форме кольцевых дисков, состоящих из магнитопроводов ротора 15, 16 с короткозамкнутыми обмотками 17, жестко закрепленных на ступицах роторов 18, 19.
К наружным аксиальным плоскостям пакетов роторов посредством винтов 20 жестко присоединены кольцевые закаленные пластины 21, 22, которые в обесточенном состоянии m-фазных обмоток возбуждения 14 магнитопроводов статора 12, 13 плотно прилегают к тормозным кольцевым накладкам 7 боковых щитов 4 и 5.
Вал ротора 23 выполнен цельным и ступенчатым, имеющим два выступа с увеличивающимися диаметрами от краев к центру, базируется на радиальных подшипниках 24, 25, с наружными кольцами которых связаны боковые щиты 4 и 5, а внутренние кольца фиксированы заплечниками 26, 27 вала ротора 23, и соединенный с магнитопроводами ротора 15, 16 через ступицы 18, 19 посредством шлицевых соединений 28, 29 с возможностью их осевых перемещений под воздействием тормозной пружины 30. При этом шлицевые соединения 28, 29 выполнены зеркально относительно центрального опорного диска 2 по геликоидной поверхности с углом α осевого скоса шлицевых соединений 28, 29 относительно продольной оси вала ротора 23. 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 28, 29 относительно продольной оси вала ротора 23, так как она будет влиять на характеристики машины. При этом увеличение угла α осевого скоса шлицевых соединений 28, 29 относительно продольной оси вала ротора 23 будет пропорционально увеличивать аксиальное электромагнитное усилие.
Перемещения пакетов роторов ограничиваются в выключенном состоянии тормозными кольцевыми накладками 7 тормозного устройства, а во включенном состоянии, при сжатой тормозной пружине 30, заплечниками 31, 32 вала ротора 23, выполненными таким образом, что расстояние между ними обеспечивает рабочие воздушные зазоры δ между магнитопроводом статора 12 и магнитопроводом ротора 15, магнитопроводом статора 13 и магнитопроводом ротора 16, при этом расстояние между заплечниками 31, 32 вала ротора 23 больше расстояния между внешними аксиальными поверхностями магнитопроводов статоров 12, 13 на величину 2δ.
Тормозная пружина 30 размещена на валу ротора 23 и упирается своими торцами через упорные кольца 33, 34 в ступицы роторов 18 и 19. Упорные кольца 33, 34 служат для равномерного распределения усилия тормозной пружины 30 по внутренней аксиальной поверхности ступиц роторов 18, 19.
Вал ротора 23 имеет выходные шлицевые отверстия 35, 36 для присоединения приводного механизма.
В машине реализована самовентиляционная система охлаждения, включающая сеть вентиляционных отверстий 37 (фиг. 2), выполненных в боковых щитах 4 и 5 корпуса статора 1, сеть радиальных вентиляционных каналов 38 - под опорными поверхностями его магнитопроводов, осевые вентиляционные каналы 39 - в дисках роторов, вентиляционные лопатки 40, 41 - на наружных поверхностях дисков роторов и внутреннюю вентиляционную полость 42 центрального опорного диска 2 корпуса статора 1. Для подвода охлаждающего воздуха в центральную полость машины служат вентиляционные отверстия 37 (фиг. 2), а для выброса нагретых воздушных масс из полости машины предназначены вентиляционные отверстия 43, 44 обода 3 корпуса статора 1. Отверстия 44 используются также для контроля над состоянием тормозных кольцевых накладок 7.
Самотормозящийся сдвоенный аксиальный асинхронный электродвигатель для привода поточных линий работает следующим образом.
Чередование фаз подаваемого напряжения на m-фазных обмотках возбуждения 14 магнитопроводов статора 12, 13 предварительно согласовано таким образом, чтобы направление вращения вала ротора 23 совпадало с увеличением угла α осевого скоса шлицевых соединений 28, 29 от их краев к середине. Так же предварительно в процессе сборки электродвигателя путем выбора толщины регулировочных прокладок 10 добиваются требуемых величин зазоров Δ между внутренними аксиальными поверхностями ступиц роторов 18, 19 и заплечниками 31, 32 вала ротора 23, которые обеспечиваются в собранной конструкции электродвигателя за счет разжимающего действия тормозной пружины 30. Величины зазоров Δ будут выбираться исходя из технических требований для каждого конкретного электропривода, так как будут влиять на быстродействие срабатывания при пуске и торможении электродвигателя (чем меньше величины зазоров Δ, тем меньше время срабатывания электродвигателя). При этом тормозные кольцевые накладки 7, оснащенные подложками 8, будут жестко связаны с резьбовыми втулками 9, имеющими кольцевые выступы с регулировочными прокладками 10 требуемой толщины, а тормозное устройство будет крепиться в боковых щитах 4 и 5 корпуса статора 1 внутри его центральной кольцевой полости при помощи винтов 11, вкрученных в резьбовые втулки 9 с внешней стороны боковых щитов 4 и 5. После процесса сборки щиты 4 и 5 будут неподвижно закреплены к ободу 3 корпуса статора 1 винтами 6.
При подключении электрической машины к сети m-фазных обмоток возбуждения 14 магнитопроводов статора 12, 13 возникает пусковой ток, превышающий номинальный ток рабочего режима машины, вследствие чего возникает магнитное поле, под воздействием осевых электромагнитных сил которого пакеты роторов совершают встречное осевое смещение по шлицевым соединениям 28, 29 на валу ротора 23.
Одновременно с этим основной магнитный поток пересекает магнитопроводы ротора 15, 16 с короткозамкнутыми обмотками 17 и наводит в них ЭДС. Так как короткозамкнутые обмотки 17 образуют замкнутые контуры, то по ним будет протекать ток. Вращающееся магнитное поле при взаимодействии с токами, протекающими по короткозамкнутым обмоткам 17 роторов, приведет к возникновению крутящего момента (по закону Ампера), который будет действовать на пакеты роторов. Крутящий момент от пакетов роторов через шлицевые соединения 28, 29, вал ротора 23 и выходные шлицевые отверстия 35, 36 будет передаваться к приводному механизму.
F
Так как пакеты магнитопроводов ротора 15, 16 сдвоенного ротора сопряжены подвижно в аксиальном направлении с валом ротора 23 посредством шлицевых соединений 28, 29, которые выполнены зеркально относительно центрального опорного диска 2 по геликоидной поверхности с углом α осевого скоса шлицевых соединений 28, 29 относительно продольной оси вала ротора 23, то при заторможенном вале ротора 23, который соединен неподвижно с приводным механизмом, пакеты роторов под воздействием крутящего момента будут накручиваться по шлицевым соединениям 28, 29 к заплечникам 31, 32, дополнительно увеличивая имеющееся аксиальное электромагнитное усилие  и тем самым ускоряя момент времени, при котором пакеты роторов отодвинутся от тормозного устройства и полностью растормозятся.
При этом тормозная пружина 30 получает дополнительное сжатие, а зазоры Δ между внутренними аксиальными поверхностями ступиц роторов 18, 19 и заплечниками 31, 32 вала ротора 23 уменьшаются.
Между пластинами 21, 22, неподвижно прикрепленными к наружным аксиальным плоскостям пакетов роторов с помощью винтов 20, и тормозными кольцевыми накладками 7 образуются зазоры, равные величине Δ, а между аксиальными рабочими поверхностями магнитопроводов статора 12, 13 и ротора 15, 16 устанавливаются рабочие зазоры δ, сохраняющиеся в процессе вращения ротора, которое он получает в результате действия вращающегося магнитного поля.
Осевые силы притяжения магнитопроводов статора 12, 13 и ротора 15, 16 превышают силу сжатия тормозной пружины 30, поэтому между внутренними аксиальными поверхностями ступиц роторов 18, 19, упорными кольцами 33, 34 и тормозной пружиной 30 возникают усилия взаимодействия, равные разности силы притяжения магнитопроводов статора 12, 13 и ротора 15, 16 и силы сжатия тормозной пружины 30, которые воспринимаются заплечниками 31, 32 вала ротора 23. Так как силы притяжения двух пакетов роторов равны по модулю, но направлены встречно, то они взаимно компенсируются заплечниками 31, 32 вала ротора 23 и не будут передаваться далее через заплечники 26, 27 на радиальные подшипники 24, 25 вала ротора 23, тем самым полностью их разгрузят, что положительно отражается на ресурсе и долговечности электрической машины.
Самовентиляционная система охлаждения машины функционирует за счет поступления вовнутрь центральной кольцевой полости машины охлаждающих воздушных потоков через вентиляционные отверстия 37 в боковых щитах 4, 5 корпуса статора 1, осевые вентиляционные каналы 39 в ступицах роторов 18, 19, радиальные вентиляционные каналы 38, выходящие на наружные поверхности дисков роторов с расположенными там вентиляционными лопатками 40, 41, и выброса нагретого воздуха наружу под действием центробежных сил, возникающих при вращении ротора, через вентиляционные отверстия 43, 44 обода 3 корпуса статора 1.
При отключении электропитания от m-фазных обмоток возбуждения 14 исчезает магнитный поток, удерживающий пакеты роторов в рабочем положении. Это вызовет постепенное уменьшение скорости вращения пакетов роторов. Вследствие этого тормозная пружина 30 вызывает обратное взаимное осевое смещение их по шлицевым соединениям 28, 29 вдоль вала ротора 23 из-за того, что основной магнитный поток будет не в состоянии удерживать пакеты роторов в рабочем положении. Каждый пакет ротора входит в контакт со своей тормозной кольцевой накладкой 7, а между внутренними аксиальными поверхностями ступиц роторов 18, 19 и заплечниками 31, 32 вала ротора 23 образуются зазоры, равные величине Δ. В результате трения поверхностей закаленных пластин 21, 22 пакетов роторов и тормозных кольцевых накладок 7 происходит остановка ротора.
F
При этом уменьшение скорости вращения пакетов роторов будет проходить быстрее, чем уменьшение скорости приводного механизма из-за большой разницы их моментов инерции. Разница скоростей пакетов роторов и приводного механизма будет способствовать тому, что пакеты роторов получат дополнительное ускорение за счет избыточного момента приводного механизма и это приведет к их ускоренному скручиванию по шлицевым соединениям 28, 29 от заплечников 31, 32 к тормозным кольцевым накладкам 7 тормозного устройства и позволит увеличить аксиальное электромагнитное усилие  из-за воздействия реакции шлицевых соединений 28, 29 на пакеты роторов. Все это в конечном итоге будет способствовать дополнительному увеличению эффективности торможения и точности позиционирования поточной линии.