РОТОР СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ И КОРОТКОЗАМКНУТОЙ ОБМОТКОЙ «БЕЛИЧЬЯ КЛЕТКА»

Область применения
1 Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к синхронным электродвигателям, способным к самостоятельному запуску как асинхронные электродвигатели (далее – самозапускающиеся синхронные электродвигатели).
Предпосылки к созданию полезной модели
[1] Традиционный самозапускающийся синхронный электродвигатель содержит статор с трехфазной обмоткой и ротор, на сердечнике которого закреплены постоянные магниты и короткозамкнутая обмотка. Постоянные магниты размещены в теле сердечника так, что они образуют четное число магнитных полюсов. Короткозамкнутая обмотка выполнена в виде множества заглубленных в тело сердечника стержней, продольно пролегающих по всей длине сердечника вблизи его наружной поверхности, и двух колец, соединяющих концы стержней у торцов сердечника.
[2] При подключении к источнику переменного тока обмотка статора образует вращающееся электромагнитное поле с частотой вращения, равной частоте переменного тока. Короткозамкнутая обмотка, которая благодаря ее внешнему виду именуется «беличья клетка», способна создавать крутящий момент, когда частота вращения ротора меньше частоты вращения электромагнитного поля. Это позволяет осуществить запуск электродвигателя на частоте источника переменного тока, например, на промышленной или бортовой частоте переменного тока. В свою очередь, при приближении частоты вращения ротора к частоте вращения электромагнитного поля в создание крутящего момента «включаются» постоянные магниты, и электродвигатель начинает работать в своем рабочем синхронном режиме. Короткозамкнутая обмотка в этом режиме крутящий момент не создает, так как частота вращения выравнивается с частотой вращения электромагнитного поля.
[3] Патентная публикация JP2001346369A, 14.12.2001 раскрывает ротор самозапускающегося синхронного электродвигателя, в котором короткозамкнутая обмотка выполнена посредством литья расплавленного алюминия в пазы сердечника, предназначенные для размещения стержней, и во временные формы, предназначенные для формирования колец. Одновременно с этим, кольца выполнены так, чтобы отверстия в сердечнике, предназначенные для размещения постоянных магнитов, оставались открытыми. Данное решение предоставляет возможность установить постоянные магниты в сердечник после отливки короткозамкнутой обмотки, и таким образом, позволяет избежать нагрева постоянных магнитов, отрицательно сказывающегося на их магнитных свойствах. Кроме того, обеспечивается плотное беззазорное прилегание короткозамкнутой обмотки к сердечнику или, другими словами, монолитность ротора, что благоприятствует его высокой жесткости и хорошей уравновешенности.
[4] Тем не менее, заливка расплавленного алюминия в узкие пазы сердечника сопровождается затрудненным отводом газов и т.п., что вызывает возникновение локальных дефектов, например, в виде пустот. Указанное обстоятельство увеличивает электрическое сопротивление стержней, в которых имеются локальные дефекты, что снижает создаваемый короткозамкнутой обмоткой крутящий момент, а значит, ставит под сомнение надежность запуска электродвигателя. Кроме того, наличие пустот в стрежнях приводит и к неуравновешенности ротора. Ввиду того, что указанные недостатки снижают надежность электродвигателя, данное решение не может быть реализовано на ответственных объектах, таких как летательные аппараты.
[5] Патентная публикация US2006267441A1, 30.11.2006 раскрывает ротор самозапускающегося синхронного электродвигателя, в котором сборка короткозамкнутой обмотки осуществляется из предварительно изготовленных алюминиевых стержней и колец. После размещения стержней в пазах сердечника их концы, выходящие за пределы сердечника, вставляются в выполненные в кольцах сквозные отверстия и закрепляются посредством фрикционной сварки. Данное решение гарантирует заданное сопротивление стержней короткозамкнутой обмотки, а значит, способствует запуску электродвигателя в расчетном режиме.
[6] Следует отметить, что между поверхностью отверстий под концы стержней и поверхностью центрального отверстия кольца имеют определенный радиальный размер, обеспечивающий прочность колец и возможность выполнения фрикционной сварки. По этой причине постоянные магниты, которые для минимизации потерь магнитного потока должны быть размещены как можно ближе к наружной поверхности сердечника, перекрываются кольцами. Соответственно, постоянные магниты должны быть установлены в тело сердечника до установки колец.
[7] Однако данное обстоятельство приводит к тому, что часть тепла, выделяющегося при осуществлении фрикционной сварки, воспринимается постоянными магнитами. Вследствие этого постоянные магниты, по меньшей мере в их приближенных к кольцам областях, могут полностью или частично потерять свои магнитные свойства, что вызовет отклонение реальных выходных параметров электродвигателя от их номинальных значений.
[8] Одновременно с этим, существует объективная технологическая погрешность при обеспечении соосности пазов сердечника и отверстий в кольцах под концы стержней. Это означает, что в рассматриваемом решении после закрепления концов стержней в отверстиях колец не может быть обеспечено плотное прилегание всех стержней к нижним поверхностям пазов сердечника. В результате этого ротор будет иметь зазоры между стержнями и сердечником, а значит требуемые жесткость и уравновешенность ротора не гарантируются.
[9] Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в повышении монолитности ротора, что позволяет максимизировать его жесткость и уравновешенность.
Сущность полезной модели
[10] Для решения указанной технической проблемы в качестве полезной модели предложен ротор электродвигателя, который включает в себя сердечник, постоянные магниты, токопроводящие стержни и соединительные кольца. Сердечник имеет центральное продольное отверстие для установки вала. Постоянные магниты размещены в теле сердечника и пролегают в продольном направлении сердечника. Токопроводящие стержни заглублены в тело сердечника и пролегают в продольном направлении сердечника. Каждое соединительное кольцо соединяет концевые участки токопроводящих стержней со своей стороны сердечника, определенной в его продольном направлении. Каждый концевой участок токопроводящего стержня выполнен в форме клина, и способен воспринимать со стороны соединительного кольца усилие, прижимающее токопроводящий стержень к сердечнику в направлении к продольной оси ротора.
[11] Технический результат полезной модели состоит в том, что соединительные кольца сопрягаются с токопроводящими стержнями на их клиновидных концевых участках, и в результате этого скрепление соединительных колец с токопроводящими стержнями осуществляется в условиях, когда соединительные кольца оказывают на токопроводящие стержни воздействие, радиально направленное в сторону продольной оси и прижимающее токопроводящие стержни к сердечнику.
[12] Таким образом, исключается возникновение зазоров между сердечником и токопроводящими стержнями, что повышает жесткость и уравновешенность ротора. Далее, благодаря тому, что сопрягающиеся контактные поверхности соединительных колец и токопроводящих стержней имеют форму клина, перемещение их друг по другу гарантирует их плотное прилегание, а значит, и заданную площадь электрического контакта между соединительными кольцами и токопроводящими стержнями. Последнее обстоятельство обеспечивает расчетное электрическое сопротивление во всех частях короткозамкнутой обмотки, что является необходимым условием для создания требуемого крутящего момента и надежного запуска электродвигателя.
[13] В частном случае полезной модели внешние границы постоянных магнитов, определенные в радиальном направлении, расположены ближе к продольной оси ротора, чем определенные в радиальном направлении внутренние границы соединительных колец. Данное исполнение позволяет выполнить операции по скреплению токопроводящих стержней и соединительных колец, связанные с нагревом указанных элементов, до того, как будут установлены постоянные магниты. Таким образом, предоставляется возможность исключить тепловое воздействие на постоянные магниты, способное ухудшить их магнитные свойства.
[14] В частном случае полезной модели концевые участки токопроводящих стержней в продольном направлении выходят за пределы сердечника и заглублены в тело соединительных колец. В этом исполнении обеспечивается надежная фиксация соединительных колец относительно токопроводящих стержней в окружном направлении, а также минимизируется толщина короткозамкнутой обмотки за пределами сердечника.
[15] В развитии данного частного случая концевые участки токопроводящих стержней припаяны к соединительным кольцам со стороны их внутренних поверхностей. Обратим внимание, что перед выполнением неразъемного скрепления соединительные кольца и концевые участки токопроводящих стержней уже имеют надежную механическую фиксацию друг с другом, причем как в радиальном, так и в окружном направлениях. Соответственно, по мнению авторов изобретения, наиболее предпочтительным способом неразъемного скрепления соединительных колец и токопроводящих стержней является пайка, произведенная со стороны внутренних поверхностей соединительных колец, в то время как использование сварки представляется избыточным. Пайка не нарушает структуру металла в месте ее осуществления, и одновременно с этим обеспечивает механическую прочность скрепления, а также гарантированное электрическое соединение между соединительными кольцами и токопроводящими стержнями.
[16] В частном случае полезной модели на торцах сердечника расположены закрывающие шайбы, которые перекрывают внутренние границы постоянных магнитов, определенные в радиальном направлении. Данное исполнение направлено на предотвращение возможного выхода постоянных магнитов из их отверстий в сердечнике во время работы ротора.
[17] В развитии данного частного случая ротор включает в себя болты, которые размещены в теле сердечника между постоянными магнитами и пролегают в продольном направлении сердечника, и гайки, навинченные на резьбовые участки болтов, причем головки болтов и гайки опираются на закрывающие шайбы. Данное исполнение обеспечивает прочность шихтованного сердечника, а также закрепление закрывающих шайб на нем.
Краткое описание чертежей
[18] Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:
Фиг. 1 – ротор самозапускающегося синхронного электродвигателя, трехмерное изображение;
Фиг. 2 – ротор самозапускающегося синхронного электродвигателя в разрезе, фронтальная проекция;
Фиг. 3 – ротор самозапускающегося синхронного электродвигателя в разрезе, профильная проекция;
Фиг. 4 – короткозамкнутая обмотка в сборе, трехмерное изображение;
Фиг. 5 – соединительное кольцо короткозамкнутой обмотки, трехмерное изображение;
Фиг. 6 – сердечник с установленной короткозамкнутой обмоткой, трехмерное изображение;
Фиг. 7 – ротор самозапускающегося синхронного электродвигателя в разрезе, трехмерное изображение вида слева на Фиг. 2;
Фиг. 8 – ротор самозапускающегося синхронного электродвигателя в разрезе, трехмерное изображение вида справа на Фиг. 2.
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов ротора, отображенных на фигурах, могут являться условными и могут быть показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов ротора и их причинно-следственную связь с заявленным техническим результатом.
Осуществление полезной модели
[19] Осуществление полезной модели будет показано на наилучших известных авторам примерах реализации полезной модели, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[20] Ротор 1 самозапускающегося синхронного электродвигателя (Фиг. 1-3, 6) содержит сердечник 20, короткозамкнутую обмотку 30, образованную токопроводящими стержнями 31 и соединительными кольцами 32, и постоянные магниты 40. При закреплении на валу электродвигателя (не показан) ротор 1 способен вращаться относительно продольной оси О (Фиг. 2, 3).
[21] Ротор 1 предназначен для использования в составе самозапускающегося синхронного электродвигателя традиционной конфигурации, которая была описана выше. В состоянии готовности к работе ротор 1, установленный на валу электродвигателя, размещен внутри статора. Трехфазная обмотка статора, будучи подключенной к трехфазному источнику переменного тока, способна создавать вращающееся электромагнитное поле, частота вращения которого равна частоте переменного тока.
[22] На этапе запуска электродвигателя, когда частота вращения ротора 1 значительно отстает от частоты вращения электромагнитного поля, что соответствует асинхронному режиму работы электродвигателя, крутящий момент создается короткозамкнутой обмоткой 30, в то время как постоянные магниты 40 оказывают некоторое противодействие вращению ротора 1. Когда частота вращения ротора 1 приближается к частоте вращения электромагнитного поля, крутящий момент начинает создаваться постоянными магнитами 40, и далее электродвигатель работает в своем рабочем синхронном режиме, в котором частота вращения ротора 1 равна частоте вращения электромагнитного поля статора.
[23] Благодаря тому, что синхронный электродвигатель, оснащенный ротором 1, на этапе запуска способен работать в асинхронном режиме, данный электродвигатель может быть запущен на номинальной частоте источника переменного тока без использования дополнительного оборудования. Именно по этой причине синхронный электродвигатель, оснащенный ротором 1, вправе именоваться как «самозапускающийся синхронный электродвигатель».
[24] Сердечник 20 (Фиг. 3, 6) имеет продольно расположенные центральное отверстие 21, призматические отверстия 22, пазы 23 и цилиндрические отверстия 24. Центральное отверстие 21, ось которого совпадает с продольной осью О, предназначено для запрессовки ротора на вал электродвигателя. Призматические отверстия 22, имеющие в поперечном сечении прямоугольную форму, предназначены для размещения в них постоянных магнитов 40 и выполнены по форме поперечного сечения постоянных магнитов 40. Пазы 23, открывающиеся на внешней поверхности сердечника 20, предназначены для размещения токопроводящих стержней 31 с заглублением их в тело сердечника 20. Цилиндрические отверстия 24 предназначены для размещения описанных ниже болтов 61 и расположены так, что в окружном направлении сердечника 20 они чередуются с призматическими отверстиями 22.
[25] Короткозамкнутая обмотка 30 (Фиг. 4) состоит из множества токопроводящих стержней 31 и двух соединительных колец 32, к которым токопроводящие стержни 31 прикреплены так, что между токопроводящими стержнями 31 обеспечивается надежное механическое и электрическое соединение. Следует отметить, что скрепление токопроводящих стержней 31 и соединительных колец 32 осуществляется после размещения токопроводящих стержней в пазах 23 сердечника 20.
[26] Каждый токопроводящий стержень 31 (Фиг. 2) имеет прямолинейный центральный участок 311 и два клиновидных концевых участка 312, расположенных по обе стороны от центрального участка 311. Центральный участок 311 предназначен для расположения в пазе 23 сердечника 20 и имеет неизменное поперечное сечение по всей своей длине. Концевые участки 312 предназначены для соединения токопроводящего стержня 31 с соединительными кольцами 32 и располагаются за пределами паза 23 сердечника 20.
[27] На каждом концевом участке 312 выполнена контактная поверхность 313, которая обращена в сторону, противоположную стороне продольной оси О. Контактная поверхность 313 представляет собой элемент плоскости, пересекающейся с продольной осью О за пределами токопроводящего стержня 31 и при этом не пролегающей между токопроводящим стержнем 31 и продольной осью О. Таким образом, концевой участок 311 в своем продольном сечении имеет форму клина, а вертикальный размер его поперечного сечения уменьшается с продвижением от центрального участка 311.
[28] Одновременно с этим на внутренней поверхности 322 соединительного кольца 32 выполнена контактная поверхность 323 (Фиг. 5), которая имеет форму, аналогичную форме контактной поверхности 313, но при этом обращена в сторону продольной оси О. Другими словами, контактная поверхность 323 является сопрягаемой с контактной поверхностью 313.
[29] При скреплении соединительного кольца 32 и концевого участка 312 к соединительному кольцу 32 прилагают некоторое продольно направленное усилие, действующее в сторону сердечника 20, в результате чего контактные поверхности 313 и 323 плотно прилегают друг другу. Концевой участок 312 при этом воспринимает усилие, действующее со стороны соединительного кольца 32 перпендикулярно контактной поверхности 313. Данное усилие имеет первую составляющую, направленную параллельно продольной оси О, и вторую составляющую, направленную в сторону и перпендикулярно продольной оси О. Соответственно, концевой участок 312 при соединении с соединительным кольцом 32 способен воспринимать усилие, прижимающее токопроводящий стержень 31 к сердечнику 20 в направлении к продольной оси О.
[30] Таким образом, токопроводящие стержни 31 оказываются плотно прижатыми к сердечнику 20, в результате чего исключается возникновение зазоров между сердечником 20  и токопроводящими стержнями 31, а это в свою очередь, повышает жесткость и уравновешенность ротора 1. Далее, благодаря тому, что контактные поверхности 313 и 323 плотно прилегают друг к другу, обеспечивается заданная площадь электрического контакта между токопроводящими стержнями 31 и соединительными кольцами 32, а значит, и расчетное электрическое сопротивление короткозамкнутой обмотки 30.
[31] Следует отметить, что концевой участок 312 заглублен в тело соединительного кольца 32 и в дополнение к контактной поверхности 313 имеет контактные поверхности 314 (Фиг. 4), которые пролегают по обе стороны от контактной поверхности 313 параллельно продольной оси О. В свою очередь, соединительное кольцо 32 имеет контактные поверхности 324 (Фиг. 5), пролегающие по обе стороны от контактной поверхности 323 параллельно продольной оси О и сопрягаемые с контактными поверхностями 314. В результате этого обеспечивается надежная фиксация соединительных колец 32 относительно токопроводящих стержней 31 в окружном направлении.
[32] Кроме того, благодаря заглублению концевого участка 312 в тело соединительного кольца 32 минимизируется толщина короткозамкнутой обмотки 30 в области соединительных колец 32, т.е. за пределами сердечника 20 в продольном направлении, что позволяет приблизить постоянные магниты 40, устанавливаемые после сборки короткозамкнутой обмотки 30, к наружной поверхности сердечника 20.
[33] Для жесткого скрепления токопроводящих стержней 31 и соединительных колец 32 концевые участки 312 припаяны к соединительным кольцам 32 со стороны их внутренних поверхностей 322. Пайка при этом производится по линиям 33 пересечения концевых участков 312 и внутренних поверхностей 322. Выбор пайки в качестве способа скрепления связан с тем, что пайка обеспечивает требуемую механическую прочность скрепления, а также гарантированное электрическое соединение между токопроводящими стержнями 31 и соединительными кольцами 32.
[34] Как видно на Фиг. 2, внешние границы 41 постоянных магнитов 40, определенные в радиальном направлении, расположены ближе к продольной оси О, чем определенные в радиальном направлении внутренние границы 325 соединительных колец 32. Под внутренней границей 325 соединительного кольца 32 понимается участок внутренней поверхности 322, наиболее приближенный к продольной оси О. Соответственно, под внешней границей 41 постоянного магнита 40, определенной в радиальном направлении, понимается участок его поверхности, наиболее удаленный от продольной оси О. Данная конфигурация позволяет выполнить припаивание соединительных колец 32 к токопроводящим стержням 31 до того, как в призматические отверстия 22 будут установлены постоянные магниты 40. В результате этого постоянные магниты 40 не подвергаются тепловому воздействию, способному ухудшить их магнитные свойства.
[35] Для предотвращения возможного выхода постоянных магнитов 40 из призматических отверстий 22, на торцах сердечника 20 расположены закрывающие шайбы 51 и 52, которые перекрывают призматические отверстия 22 (Фиг. 2, 7, 8). Закрывающие шайбы 51 и 52 удерживаются на сердечнике при помощи винтовых пар 60, образованных болтами 61 и гайками 62, для чего закрывающие шайбы 51 и 52 имеют соответственно отверстия 511 и 521, соосные цилиндрическим отверстиям 24 сердечника 20. Головки 611 болтов 61 (Фиг. 8) опираются на закрывающую шайбу 51, имеющую увеличенную относительно закрывающей шайбы 52 толщину, что позволяет выполнить головки 611 болтов 61 утопленными в закрывающей шайбе 51. Гайки 62 навинчены на резьбовые участки 612 болтов 61 и опираются на закрывающую шайбу 52.
[36] Обратим внимание, что закрывающая шайба 51, вмещающая в себя головки 611 болтов 61, а также закрывающая шайба 52 вместе с гайками 62 и выступающими из них резьбовыми участками 612 болтов 61, в продольном направлении не выходят за пределы соединительных колец 32, и таким образом, не увеличивают продольный габарит ротора 1.
[37] Сердечник 20, который помимо функции по удержанию постоянных магнитов 40 и короткозамкнутой обмотки 30 выполняет также функцию магнитопровода, выполнен из электротехнической стали путем шихтовки, т.е. в виде пакета предварительно изготовленных и наложенных друг на друга листовых элементов. Такое исполнение сердечника 20 препятствует циркуляции в нем паразитных токов, что повышает КПД самозапускающегося синхронного электродвигателя. Винтовые пары 60 помимо удержания на сердечнике 20 закрывающих шайб 51 и 52 обеспечивают дополнительное скрепление между собой листовых элементов, образующих сердечник 20.
[38] Короткозамкнутая обмотка 30 выполнена из медного сплава, состоящего преимущественно из меди. Благодаря тому, что медь имеет меньшее электрическое сопротивление относительно алюминия, используемого в упомянутых выше известных решениях, в короткозамкнутой обмотке 30 генерируется ток более высокой величины. Это позволяет обеспечить больший крутящий момент, а значит, и более быстрый запуск самозапускающегося синхронного электродвигателя. Для припаивания друг к другу токопроводящих стержней 31 и соединительных колец 32 используется припой на основе олова.
[39] Следует также отметить, что постоянные магниты 40 в предпочтительном случае могут быть выполнены из композиций неодим-железо-бор или самарий-кобальт. Для изготовления закрывающих колец 51 и 52 использован титановый сплав, а болты 61 и гайки 62 выполнены из коррозионностойкой стали.
[40] В описанном выше варианте осуществления полезной модели токопроводящие стержни 31 полностью заглублены в тело сердечника 20 с размещением в пазах 23, при этом пазы 23 открываются наружу через щели, ширина которых меньше ширины паза 23 в его наиболее широкой части. Однако это не является обязательным, пазы 23 могут иметь иную форму поперечного сечения. Например, паз 23 может быть полностью открытым, и в этом случае наружная поверхность токопроводящего стержня 31 в радиальном направлении может находиться на одном уровне с наружной поверхностью сердечника 20. Такая конфигурация пазов 23 сокращает потери магнитного потока между обмоткой статора и короткозамкнутой обмоткой 30, однако затрудняет фиксацию токопроводящих стержней 31 на сердечнике 20. В другом случае паз 23 может быть полностью закрытым и, по существу, представлять собой продольное сквозное отверстие в сердечнике 20.
[41] Обратим внимание также на то, что как видно на Фиг. 3 и 6, призматические отверстия 22 в радиальном направлении расположены под пазами 23 и открываются в них. Данное взаимное расположение призматических отверстий 22 и пазов 23 сокращает потери магнитного потока между обмоткой статора и постоянными магнитами 40. Тем не менее, это не является обязательным, призматические отверстия 22 могут не располагаться под пазами 23 или быть изолированными от них.
[42] В описанном выше варианте осуществления полезной модели закрывающие шайбы 51 и 52 полностью перекрывают призматические отверстия 22, однако, это не является обязательным. Закрывающие шайбы 51 и 52 могут перекрывать призматические отверстия 22 так, чтобы были перекрыты, по меньшей мере, внутренние границы 42 постоянных магнитов 40, определенные в радиальном направлении. Под внутренней границей 42 постоянного магнита 40, определенной в радиальном направлении, понимается участок его поверхности, наиболее приближенный к продольной оси О (Фиг. 2, 7, 8).
[43] В описанном выше варианте осуществления полезной модели контактные поверхности 313 концевых участков 312 токопроводящих стержней 31, а также сопрягаемые с ними контактные поверхности 323 соединительных колец 32 выполнены в виде плоскостей. Однако, это не является обязательным, контактные поверхности 313 и 323 могут иметь форму любой линейчатой выпуклой поверхности, образованной смещением прямой линии, при том условии, что концевые участки 312 токопроводящих стержней 31 на продольном сечении будут иметь форму клина. Например, контактные поверхности 313 и 323 могут быть выполнены в виде цилиндрической или конической поверхностей.
[44] В описанном выше варианте осуществления полезной модели концевые участки 312 токопроводящих стержней 31 заглублены в тело соединительного кольца 32 так, что обращенная к продольной оси О поверхность концевого участка 312, по существу, является продолжением цилиндрического участка внутренней поверхности 322 соединительного кольца 32. Однако это не является обязательным, концевые участки 312 токопроводящих стержней 31 могут быть заглублены в тело соединительного кольца 32 лишь частично, или могут не быть заглублены совсем.
[45] В описанном выше варианте осуществления полезной модели концевые участки 312 токопроводящих стержней 31 припаяны к соединительным кольцам 32, однако, это не является обязательным. Для соединения концевых участков 312 токопроводящих стержней 31 с соединительными кольцами 32 может быть применена сварка или иной способ соединения.