ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С МНОГОПРОФИЛЬНЫМ МНОГОСЕКЦИОННЫМ СКОЛЬЗЯЩИМ РОТОРОМ
MOTOR WITH MULTISIDED MULTI-SECTIONAL SLIDING ROTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Электродвигатель предназначен для запуска подъемных механизмов тельферов/кранов в промышленности. Основной особенностью указанных электродвигателей является то, что они чаще являются трехфазными, асинхронными и имеют тормозной механизм.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из US 4877987 известен электродвигатель, состоящий из корпуса, на одном конце которого размещен передний подшипниковый щит, а на другом конце - задний подшипниковый щит с тормозным механизмом. Внутри корпуса размещены статор со статорной обмоткой и ротор с короткозамкнутой обмоткой. Оба элемента полностью имеют коническую форму. Ротор размещен с возможностью скольжения на валу и с одного конца соединен с тормозным механизмом, а с другого - с передним подшипниковым щитом с помощью пружины, размещенной между передней частью и ротором конической формы. На валу в переднем и заднем подшипниковых щитах размещены подшипники.
Основным преимуществом этой конструкции является эффективный тормозной механизм с высоким уровнем надежности, действующий благодаря аксиальной проекции электромагнитных сил, возникающих между статором и ротором при подаче питания на статорную обмотку. Под действием этой проекции ротор движется в аксиальном направлении и, сжимая пружину, отделяет тормоз от тормозного щита. Когда питание выключают, указанные силы прекращают действие и ротор благодаря пружине возвращается в исходное положение до закрытия тормоза.
Основным недостатком электродвигателей с ротором, имеющим полностью коническую форму, является то, что в случае необходимости спроектировать двигатель с большей мощностью возникают ограничения, связанные с длиной роторного и статорного пакетов. Ограничения объясняются отклонением между параметрами конечных диаметральных сечений и параметрами среднего сечения, для которого вычисляется и проектируется электродвигатель. В результате для достижения заданной большей мощности необходимо увеличить диаметр среднего сечения. Это приводит к значительному увеличению размера электродвигателя. Большой размер приводит к усложнению проектирования, увеличению номенклатуры материалов и компонентов, инструментальной оснастке и, вследствие чего производство дорожает.
Одним из характерных недостатков электродвигателей с ротором конической формы является высокий пусковой ток. Это, с одной стороны, обусловлено неэффективностью этих двигателей, как электрических машин и, с другой стороны, нестабильностью воздушного промежутка между ротором и статором в результате аксиального перемещения ротора. Кроме этого, при износе фрикционных элементов тормозного механизма осевой ход увеличивается и соответственно увеличивается начальный воздушный промежуток.
Другим существенным недостатком электродвигателей с ротором полностью конической формы является пониженная скорость действия тормозного механизма в результате значительного остаточного намагничивания ротора после прекращения подачи питания к статорной обмотке. Из-за значительного количества активных материалов роторного пакета роторный ток уменьшается постепенно, а вместе с ним и аксиальная сила, обеспечивающая действие тормозного механизма. Этот недостаток приводит к ограничению использования этих электродвигателей в сочетании с преобразователями частоты, все чаще используемых в крановой индустрии и заменяющих использование двухскоростных электродвигателей.
В практическом использовании широко известны электродвигатели с цилиндрическим ротором и статором, имеющие отдельный тормозной механизм, состоящий из электромагнита постоянного тока, управляющий фрикционными деталями с помощью пружин.
Эти электродвигатели являются более эффективными электрическими машинами по сравнению с электродвигателями с ротором полностью конической формы, поскольку параметры их среднего диаметрального сечения являются постоянными для каждого другого диаметрального сечения.
Недостатки этого типа электродвигателей связаны с необходимостью использования электромагнита постоянного тока для торможения и требуют проведения отдельной электрической сети постоянного тока с выпрямителем. Это их делает сложными, с низкой надежностью и степенью безопасности, особенно в условиях эксплуатации в тяжелой промышленности, где предъявляют повышенные требования к сети постоянного тока и, прежде всего, к выпрямителю.
ТЕХНИЧЕСКАЯ СУТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание электродвигателя, конструкция которого позволяет совместить положительные стороны описанных выше двух основных конструкций подъемных электродвигателей и устранить их недостатки. Конкретнее - объединить высокоэффективную электрическую машину и эффективно действующий тормозной механизм с высокой степенью надежности.
Эта задача решена с помощью электродвигателя с многопрофильным, многосекционным, скользящим ротором, содержащего, согласно изобретению, корпус, на одном конце которого расположен передний подшипниковый щит, а на другом конце - задний подшипниковый щит и тормозной механизм, содержащий, по меньшей мере, тормоз с фрикционным элементом и тормозной щит, при этом в корпусе размещен статор с обмоткой, в котором размещен ротор с валом и при этом на валу в подшипниковых щитах размещены радиальные подшипники. Вал ротора вставлен в радиальные подшипники с возможностью аксиального перемещения вала с ротором относительно статора. При этом ротор с одной стороны соединен с тормозным механизмом. Согласно изобретению, ротор состоит из двух или более продольно расположенных роторных секций, по меньшей мере одна из которых имеет коническую форму, с малым диаметром конуса, направленным к переднему подшипниковому щиту, и по меньшей мере одна из секций имеет цилиндрическую форму, а статор имеет частично коническую форму и состоит также из двух или более секций, что по количеству, форме и размещению соответствуют секциям ротора. Согласно преимущественному варианту изобретения, тормозной механизм прикреплен к одному концу вала и приводится в действие пружиной, размещенной на другом конце вала ротора, которая одной стороной опирается на переднюю часть конической секции ротора и другой стороной в аксиальный подшипник, расположенный в переднем подшипниковом щите, при этом аксиальный подшипник ограничивает аксиальное движение вала ротора.
Согласно изобретению, возможно выполнение роторных секций с продольными каналами для короткозамкнутых роторных обмоток различного количества и профиля для каждой секции.
Согласно изобретению, возможно выполнение обмотки статора общей для всех его секций.
Также, согласно изобретению, возможно выполнение обмотки статора отдельной для каждой из его секций.
Достигнутые преимущества связаны с новыми элементами ротора и статора, как указано выше, а именно:
- цилиндрической формы секции ротора, обеспечивающей высокую эффективность и стабильность запроектированных параметров по всей ее длине. Таким образом, решена проблема, связанная с мощностью электродвигателя, поскольку можно сделать ряд электродвигателей с разной мощностью одного диаметра благодаря соответствующему увеличению длины цилиндрической секции.
- короткой секцией конической формы со значительно увеличенным углом конуса с целью обеспечения необходимой аксиальной силы для сжатия тормозной пружины. Быстрое действие тормозного механизма увеличено благодаря значительному уменьшению объема активных материалов части ротора, создающей аксиальную силу и которая соответственно остается намагниченной после выключения питания статорной обмотки.
Изобретение позволяет уменьшить влияние непостоянного воздушного промежутка на пусковой ток. Воздушный промежуток конических роторной и статорной секций меняется в результате аксиального хода ротора, а воздушный промежуток цилиндрических роторной и статорной секций сохраняется неизменным. Поскольку воздушный промежуток в конической секции является лишь частью общего воздушного промежутка, предложенная конструкция обеспечивает уменьшение воздействия переменного воздушного промежутка на пусковой ток.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
Подробнее электродвигатель согласно изобретению, объяснен на примере варианта выполнения, которому отдается предпочтение, приведенном как неисчерпаемый пример изобретения со ссылкой на добавленную фигуру, на которой представлен продольный разрез примера выполнения электродвигателя.
ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В примере варианта выполнения, приведенном на фигуре, электродвигатель, согласно изобретению, содержит ротор (1) с валом (3) и статором (2) со статорной обмоткой (6), соединенный с корпусом (4), а также тормозной механизм (5), в который входит, по меньшей мере, тормоз с фрикционным элементом (51) и тормозной щит (52). Согласно с изобретением ротор (1) состоит из двух или более продольно расположенных роторных секций, по крайней мере, одна из которых (11) имеет коническую форму и по крайней мере одна (12) - цилиндрическую. Роторные секции содержат каналы короткозамкнутых обмоток, которые могут быть разного количества и профиля. Вал (3) ротора (1) установлен в радиальные подшипники (23), что обеспечивает продольное перемещение ротора. Статор (2) также содержит две или более секций, которые по форме и размещению соответствуют форме секций (11), (12) ротора (1). Как показано на картинке, одна секция (21) статора имеет поверхность конической формы, что соответствует конической форме секции (11) ротора (1), а другая секция статора (22) имеет цилиндрическую форму, что соответствует цилиндрической форме секции (12) ротора. Статор содержит обмотку (6), которая может быть, как общей для всех его секций (21), (22), так и изготовленной отдельно для каждой секции. Обмотка статора (6) по форме соответствует форме статора (2).
Углы конуса статорных и роторных секций и, точнее, их влияние на аксиальную силу притяжения ротора к статору известные в области техники [Телферни електродвигатели - Д.А. Рачев, ДИ Техника 1980, София].
Тормозного механизм состоит из пружины (7), охватывающей часть вала (3). Пружина вставлена между передней частью секции конической формы ротора (11) и аксиальным подшипником (24) переднего подшипникового щита (8) корпуса (4). Аксиальный подшипник ограничивает аксиальное движение вала (3) ротора (1) благодаря пружине (7). Противоположный конец ротора (1) неподвижно соединен с тормозным механизмом (5). В варианте выполнения, изображенном на фигуре, вал (3) ротора (1) соединен с тормозным механизмом (5), но из уровня техники известны и другие возможные конструкции. Тормозной механизм (5) имеет конструкцию известного типа.
При подаче напряжения на статорную обмотку (6) между статором (2) и ротором (1) возникают электромагнитные силы притяжения. Благодаря конической форме роторной (11) и статорной (21) секций, электромагнитная сила, возникающая между ротором и статором, под влиянием угла конуса имеет аксиальную проекцию.
При подаче питания на статорную обмотку электродвигателя аксиальная сила притяжения между ротором (1) и статором (2) перемещает ротор (1) в аксиальном направлении, сжимая пружину (7). Перемещение происходит благодаря тому, что вал ротора расположен в радиальных подшипниках. Во время этого перемещения освобождается тормоз, поскольку ротор (1) его вытягивает.
При выключенном питании, аксиальная сила прекращает действовать, пружина (7) освобождается и под ее влиянием ротор (1) перемещается назад до выключения / включения тормоза при осуществлении контакта между фрикционным элементом (51) и тормозным щитом (52) тормозного механизма (5).
Номера позиций составных частей устройства входят в формулу только с целью повысить понятность формулы и, соответственно, эти номера не создают никакого ограничения относительно интерпретации элементов, обозначенных ими.