Короткозамкнутый ротор асинхронного электродвигателя
SHORT-CIRCUITED ROTOR OF ASYNCHRONOUS MOTOR

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к конструкции асинхронных электродвигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора (короткозамкнутым роторам) и может быть использовано в электроприводах различного назначения со скоростью вращения до 8000 об/мин.
Короткозамкнутый ротор асинхронного электродвигателя содержит ферромагнитный сердечник, в пазах которого уложены стержни обмотки, замыкающиеся с обоих концов на короткозамыкающие кольца. Стержни, как правило, запаиваются или привариваются в короткозамыкающие кольца, что приводит к дополнительным затратам на изготовление, опасности разрушения паяного или сварного соединения из-за температурных расширений и увеличению трудоемкости при изготовлении. Конструкция такого ротора, при использовании пайки или сварки, также требует отделить короткозамыкающие кольца от вала ротора, для уменьшения теплопередачи при изготовлении. Кроме того, при работе асинхронного электродвигателя на высоких скоростях паяные или сварные соединения разрушаются.
Известно изобретение - электрический двигатель с высокой мощностью и высокой скоростью вращения (Патент US 5495133, «Electric Motor with High Power and High Rotational Speed», H02K 17/16, опубл. 27.02.1996 г.). Известный электродвигатель может работать на скоростях выше 8000 об/мин. В предлагаемой конструкции короткозамкнутый ротор высокооборотного асинхронного электродвигателя содержит вал, на котором установлен ферромагнитный сердечник, в пазах которого уложены стержни обмотки, замыкающиеся на короткозамыкающие кольца. Короткозамыкающие кольца жестко связаны с ферромагнитный сердечником в осевом направлении. Стержни в сечении имеют круглую форму и проходят сквозь сердечник и короткозамыкающие кольца в высокоточных отверстиях. Концы стержней, для обеспечения электрического контакта, плотно замыкаются в отверстиях на короткозамыкающих кольцах по посадке с натягом, что требует точных контактных поверхностей для стержней и отверстий, а также высокой точности расположения отверстий в листах сердечника и короткозамкнутого кольца. При температурных расширениях стержни перемещаются в отверстиях в короткозамыкающих кольцах, что также требует качества контактирующих поверхностей. Для снижения механических напряжений при работе на высоких скоростях и температурных расширениях в известной конструкции не используются сварное или паяное соединение, однако недостатком данной конструкции является сложная технология изготовления из-за необходимости использования высокоточного оборудования для точности при изготовлении деталей для обеспечения собираемости и работоспособности, что повышает затраты на изготовление.
Наиболее близким техническим решением является изобретение «Короткозамкнутый ротор для асинхронной машины» (Патент РФ 2168832, Н02K 17/16, Н02K 17/22, Н02K 3/04, опубл. 27.09.1998 г.), которое является более простым в изготовлении. Короткозамкнутый ротор для асинхронной машины содержит закрепленный на валу и удерживаемый с обеих сторон прижимными кольцами пакет железа (ферромагнитный сердечник), в пазах которого размещены стержни беличьей клетки (стержни обмотки). Согласно изобретению оба прижимных кольца установлены на валу, аксиально дистанцированы от пакета железа и одновременно образуют опорные кольца для короткозамыкающих колец. Каждый стержень за пределами пакета железа соединен с короткозамыкающим кольцом, опирающимся в радиальном направлении на опорное кольцо. Между торцом пакета железа и опорным кольцом предусмотрены радиальные ребра, выполненные, преимущественно, заодно целое с опорным кольцом. Короткозамыкающее кольцо прилегает своей внутренней боковой поверхностью непосредственно или на отдельных отрезках через упругий элемент, преимущественно гофрированную пружину, к наружной боковой поверхности опорного кольца и прижато к нему усадочным (бандажным) кольцом. Концы стержней могут быть выполнены сужающимися в радиальном направлении и установлены в открытых радиальных пазах прямоугольной формы. Благодаря такой конструкции лобовая часть беличьей клетки (обмотки ротора) по всему диапазону частот вращения электрической машины связана, уже начиная с небольших частот вращения, с телом ротора таким образом, что не возникает собственных колебаний или возникают только демпфированные собственные колебания. Кроме того, известное изобретение позволяет учитывать изменения величины короткозамкнутой беличьей клетки, возникающие вследствие центробежной силы и теплового расширения материала беличьей клетки относительно тела ротора. Недостатком данной конструкции является необходимость пайки или сварки в контактном соединении стержней короткозамкнутой обмотки и короткозамыкающих колец, что увеличивает время и стоимость изготовления. Кроме того, известная конструкция не компенсирует неравномерное смещение короткозамыкающего кольца относительно центра ротора в осевом направлении из-за температурных расширений и воздействия центробежных сил, поэтому в случаях использования на высоких оборотах вращения асинхронного электродвигателя, приводит к возможности разрушения паяного или сварного соединения.
Задачей предлагаемого технического решения является создание конструкции короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя, который обеспечивает эффективную и надежную работу, в том числе на высоких скоростях вращения до 8000 об/мин.
Технический результат направлен на упрощение конструкции и повышение надежности работы короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя на высоких скоростях вращения за счет достижения равномерного смещения короткозамыкающего кольца относительно центра ротора в осевом направлении, что позволит исключить пайку или сварку в контактном соединении короткозамыкающего кольца и стержней ротора, а также одновременно упростить технологию изготовления ротора.
Технический результат достигается тем, что короткозамкнутый ротор асинхронного электродвигателя содержит закрепленный на валу ферромагнитный сердечник, в пазах которого размещены стержни обмотки. Стержни обмотки установлены в открытые радиальные пазы ответной формы, выполненные в короткозамыкающих кольцах. Короткозамыкающие кольца установлены на валу ротора с обоих торцов ферромагнитного сердечника. Бандажные кольца установлены на короткозамыкающие кольца. Стержни обмотки в поперечном сечении имеют форму, сужающуюся к оси ротора, сверху зажаты бандажными кольцами в пазах короткозамыкающих колец и поджаты с обоих торцов упругими элементами. Упругими элементами поджаты внешние торцы короткозамыкающих колец, а внутренние торцы короткозамыкающих колец упираются в ферромагнитный сердечник. Упругие элементы зафиксированы на валу ротора.
Основными отличиями от наиболее близкого технического решения является то, что стержни обмотки, имеют в своем поперечном сечении сужение к оси ротора, например в форме клина, и зажимаются (запрессовываются) между короткозамыкающим кольцом и бандажным кольцом в пазах ответной формы, выполненных на короткозамыкающем кольце, образуя таким образом соединение с натягом. А поджатие каждого стержня с обоих торцов упругими элементами, зафиксированными на валу ротора, с одновременным поджатием упругими элементами, зафиксированными на валу ротора, короткозамыкающих колец обеспечивает стержням и короткозамыкающим кольцам возможность перемещения в осевом направлении, что позволяет компенсировать линейное расширение обмотки ротора в осевом направлении, что снижает термомеханические напряжения при нагреве.
В целом предложенная конструкция проста в изготовлении и имеет надежное контактное соединение короткозамыкающего кольца и стержней ротора асинхронного электродвигателя без пайки и сварки.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен пример короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя с использованием одного упругого элемента для каждого короткозамыкающего кольца и стержней обмотки.
На фиг. 2 - поперечное сечение в зоне магнитного сердечника ротора.
На фиг. 3 - поперечное сечение в зоне контакта стержней обмотки и короткозамыкающего кольца.
На фиг. 4 - увеличенное продольное сечения контактного соединения для рассматриваемого примера асинхронного электродвигателя.
На фиг. 5 - поперечное сечения контактного соединения. Короткозамкнутый ротор асинхронного электродвигателя содержит вал, на котором установлен ферромагнитный сердечник 1. На представленном чертеже ферромагнитный сердечник 1 выполнен одним целым с валом из ферромагнитного материала. Ферромагнитный сердечник может быть выполнен в виде пакета из шихтованного железа, удерживаемого с обеих сторон шпильками или прижимными кольцами (на фиг. такой вариант не показан).
Сердечник имеет пазы, в которых располагаются стержни 2 обмотки из электропроводящего материала. Стержни 2 с обоих концов замыкаются на короткозамыкающие кольца 3, выполненные из электропроводного материала и установленные по скользящей посадке на валу ротора.
Стержни 2 обмотки ротора имеют в своем поперечном сечении форму, сужающуюся к оси ротора, например, клинообразную (клиновидную, заостренную форму) и зажимаются в радиальных открытых пазах ответной формы, выполненных на короткозамыкающем кольце 3, бандажным кольцом 4, установленным по горячей посадке с натягом. Зажатие стержней 2 между короткозамыкающим кольцом 3 и бандажным кольцом 4 образует таким образом соединение с гарантированным натягом. Электрическое контактное соединение стержня 2, имеющего в своем поперечном сечении форму, сужающуюся к оси ротора, например, клинообразную форму, с короткозамыкающим кольцом 3 достигается с помощью прижатия сверху (запресовки) стержня 2 на короткозамыкающем кольце 3 в паз при помощи бандажного кольца 4. До установки бандажного кольца 4, стержни 2 выступают в радиальном направлении относительно короткозамыкающего кольца 3 на небольшую высоту, соответствующую смятию стержня 2 при посадке бандажного кольца 4. Оптимальная площадь поверхности контактного соединения 5 между стержнем 2 и короткозамыкающим кольцом 3 в пазах на короткозамыкающем кольце 3 рассчитывается исходя из условия допустимого нагрева контактного соединения 5 во время работы электродвигателя. Корректировать площадь контактного соединения 5 можно за счет увеличения длинны контактной поверхности в осевом направлении ротора. Натяг между бандажным кольцом 4 и короткозамыкающим кольцом 3 подбирается из расчета механической прочности конструкции с учетом максимальной частоты вращения и температурного расширения короткозамыкающего кольца 3.
Стержни 2 поджаты с обоих торцов упругими элементами, зафиксированными на валу ротора.
Внешние торцы короткозамыкающих колец 3 поджаты упругими элементами, зафиксированными на валу ротора, а внутренние торцы короткозамыкающих колец 3 упираются в ферромагнитный сердечник 1.
Фиксация упругих элементов на валу ротора может быть выполнена различными способами, например, стопорными элементами (как показано в примере на фиг. 4), установленными по посадке с натягом на вал ротора или выступами на валу ротора. Также фиксация упругого элемента может быть выполнена креплением самого упругого элемента на вал ротора разъемным или неразъемным соединением.
Упругие элементы, упирающиеся в торцы короткозамыкающих колец 3, должны обеспечивать равномерное перемещение в осевом направлении короткозымыкающих колец 3, а упругие элементы, упирающиеся в торцы стержней 2, должны обеспечивать отсутствие смещения стержней 2 относительно центра ферромагнитного сердечника 1 при нагреве и остывании стержней 2 и таким образом компенсировать термомеханические напряжения. Жесткость упругих элементов в осевом направлении должна обеспечивать усилия, необходимые для перемещения короткозамыкающего кольца 3 в исходное положение после остывания обмотки ротора, а также не превышать допустимые усилия на сжатие стержней 2 в осевом направлении.
Упругие элементы могут быть выбраны из пружин или материалов, обладающих упругими свойствами, способных обеспечить равномерное перемещение короткозамыкающих колец 3 и отсутствие смещения стержней 2 относительно центра ферромагнитного сердечника 1 при нагреве и остывании стержней 2.
Для упрощения конструкции и использования одного упругого элемента для короткозамыкающего кольца 3 и стержней 2, упорные поверхности короткозамыкающего кольца 3 и стержней 2 должны совпадать друг с другом, образуя единую поверхность, в которую упирается упругий элемент.
В рассматриваемом примере (фиг. 1 и фиг. 4) упругий элемент выполнен в виде тарельчатой пружины 6, одна из сторон которой упирается в торцы короткозамыкающего кольца 3 и стержня 2 через кольцевой выступ, выполненный на бандажном кольце 4, и установлен в канавку, выполненную в бандажном кольце 4. Такое выполнение позволяет реализовать возможность использования по одному упругому элементу для компенсации линейных расширений стержней 2 и взаимосвязанного с ним линейного перемещения короткозамыкающего кольца 3 с каждой стороны ротора.
Второй стороной тарельчатая пружина зафиксирована на валу ротора путем упора в стопорный элемент, выполненный на валу ротора.
Стопорный элемент может быть выполнен в виде кольца 7, установленного на валу ротора по посадке с натягом (показано на фиг. 4).
Стопорный элемент может быть выполнен в виде конструктивного элемента на валу ротора, например, в виде буртика (на чертеже не показано).
Стопорный элемент может быть выполнен в виде нескольких элементов, установленных на валу ротора, например, сухарей равномерно размещенных вокруг оси ротора на одном расстоянии от сердечника в кольцевой канавке или аналогично размещенных сегментов, прикрепленных крепежными элементами (болтами, штифтами, скобами и т.д.) (на чертеже не показано).
Заявленное устройство работает следующим образом.
Во время работы асинхронного электродвигателя стержни 2 обмотки короткозамкнутого ротора нагреваются и деформируются. Стержни 2 в большей степени расширяются в осевом направлении и перемещают короткозамыкающие кольца 3 вдоль оси ротора в противоположные стороны друг от друга, сжимая упругие элементы, выполненные, например, в виде тарельчатых пружин 6. Упругие элементы, разжимаясь, обеспечивают равномерное перемещение короткозымыкающих колец 3 и отсутствие смещения стержней 2 относительно центра ферромагнитного сердечника 1 при нагреве и остывании обмотки ротора. Форма стержней 2 в поперечном сечении сужающаяся к оси ротора, например, клиновидная, и поджатие (запресовка) стержней бандажным кольцом 4 в пазы на короткозамыкающем кольце 3 позволяет практически исключить риск разрушения контактного соединения 5 при высоких скоростях и температурных расширений.
Исключение необходимости пайки и сварки в контактном соединении стержней и короткозамыкающих колец снижает риск его разрушения, а также упрощает и удешевляет процесс изготовления ротора асинхронного электродвигателя и повышает общий срок службы электродвигателя.
Таким образом, достигается повышение надежности работы короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя, в том числе на высоких скоростях вращения до 8000 об/мин, а также упрощение его конструкции.