АСИНХРОННЫЙ ТРЕХФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
ASYNCHRONOUS THREE-PHASE ELECTRIC ENGINE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вращающимся электрическим машинам переменного тока, и может быть использовано в качестве высокомоментных двигателей в электроприводе, которые при использовании заявляемого изобретения достигают повышение удельной мощности данных электрических машин и их надежности.
Известно, например, приводное устройство для передвижных средств [патент РФ №2074761, МПК А63С 17/12, публикация патента 10.03.1997], содержащее статорно-роторную пару, в которой статор выполнен из сердечников, торцами прикрепляемых к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно магнитному потоку, и между которыми расположены активные проводники многофазной, например двух или более, сосредоточенной обмотки; ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов-магнитопроводов в форме полых цилиндров с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность магнитов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, согласная.
Из сущности изобретения следует, что сердечники статора выполнены из магнитомягкого материала. По катушкам данных сердечников, периодически подключаемых коммутатором к источнику питания в процессе работы, протекают импульсные электрические токи, т.е. токи, которые представляют собой периодическую последовательность импульсов различной полярности. При таких непостоянных токах катушек в сердечниках, на которых они расположены, как известно, возникают вихревые индукционные токи Фуко. Последние вызывают неизбежный тепловой нагрев данных сердечников, и, соответственно, статора. При этом снижается КПД известного устройства и его надежность, т.к. чрезмерный нагрев сердечников вызывает ускоренное старение электроизоляции катушек.
Кроме того, выполненное симметричное закрепление многочисленных сердечников на накладках статора является достаточно трудоемкой задачей, поэтому изготовление данного приводного устройства является весьма нетехнологичным.
Также недостатком данного известного приводного устройства является невысокая его надежность из-за наличия датчиков углового положения ротора и коммутатора, т.к. при выходе из строя данных достаточно напряженных элементов нормальная его работа будет невозможна.
Известен, например электромеханический преобразователь (ЭМП) (Патент РФ 2302692 С1, МПК Н02К 19/10, Н02К 19/10), содержащий, по меньшей мере, одну статорно-роторную пару, в которой статор состоит из сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, и между которыми расположены проводники многофазной обмотки; ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов-магнитопроводов из материала с высокой магнитной проницаемостью в форме полых цилиндров, закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, согласная.
Сердечники, изготовленные из ферромагнитного порошка путем спекания под воздействием высокого давления, используются обычно в высокочастотных электромагнитных устройствах, например в высокочастотных трансформаторах или в акустике, но никак не во вращающихся электрических машинах, тем более являющихся тихоходными, как данное известное устройство; при этом они являются достаточно хрупкими, что обусловлено недостатком изгибной прочности (малым модулем упругости) как у керамических изделий, т.е. надежность этих известных электромеханических преобразователей (ЭМП) при их применении снижается. Индукция насыщения таких сердечников примерно в 3-4 раза меньше по сравнению с индукцией насыщения железа, т.е. сила притяжения (отталкивания) и магнитные свойства, (магнитная индукция) примерно во столько же раз меньше. По этой причине электромагнитный момент, создаваемый таким известным ЭМП, работающем в двигательном режиме, также будет во столько же раз меньше, по сравнению с известным преобразователем, имеющем шихтованные сердечники.
Второй недостаток такой же, как и у описанного выше аналога (патента РФ 2302692), связан с необходимостью симметричного трудоемкого закрепления многочисленных сердечников к статору и тепловым нагревом токами Фуко сердечников и статора, что также снижает его КПД.
Известен также электромеханический преобразователь с приоритетом 26.07.2010 (патент RU №2441308, МПК H02K 19/10, H02K 19/16, H02K 3/12, H02K 3/04), использующийся в качестве низкооборотных высокомоментных двигателей и низкооборотных генераторов, содержащий, по меньшей мере, одну статорно-роторную пару, в которой статор состоит из зубчатых сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, и между которыми расположены проводники многофазной обмотки (замкнутой по схеме "звезда"); ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов-магнитопроводов (ярмо) из материала с высокой магнитной проницаемостью в форме полых цилиндров, закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, выполнена согласной.
Этот известный ЭМП характеризуется практически такими же недостатками, как и детально описанные ранее аналоги - преобразователи: повышенный тепловой нагрев сердечников из-за возникновения в них вихревых индукционных токов Фуко в процессе работы, снижающий его надежность и КПД, большая трудоемкость изготовления статора из-за необходимости симметричного закрепления многочисленных сердечников к статору. Кроме того, все описанные конструкции ЭМП являются явнополюсными, т.е. их магнитные полюса визуально видны, и поэтому тихоходными, что ограничивает область их применения.
Известен также генератор переменного тока на постоянных магнитах с двойным статором и магнитной редукцией (Shehu Salihu Mustafa, Norhisam Misron, Mohammad Lutfi Othman and Hanamoto Tsuyoshi. Power characteristics analysis of a novel double-stator magnetic geared permanent magnet generator, article, Energies 2017, 10(12)).
Этот известный генератор содержит два вала, соединенные торцом к торцу через воздушный зазор и подшипник, расположенный в полости утолщения торца одного вала и насаженный на другой вал, на которых закреплено с помощью аналогичных подшипников и прочно (например, с помощью сварки) с чередованием несколько пустотелых цилиндрических тел (статорно-роторных пар), вставленных друг в друга по типу матрешки, с параллельными противоположными друг другу торцами. При этом медная обмотка расположена на внутреннем и внешнем цилиндрическом статоре, а расположенные между ними роторы выполненных или по типу беличьей клетки ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя, или несут в себе постоянные чередующейся полярностью постоянные магниты.
Недостатками данного известного генератора как электромеханического преобразователя энергии является наличие 7 подшипников, что приводит к повышенной шумности в работе, снижению КПД и надежности. Кроме того, температуру внутренних подшипников и их работоспособность без разборки самого генератора невозможно оценить, что также сказывается на его надежности.
Конструктивно данный известный генератор значительно длиннее, по сравнению с аналогичным по мощности генератором, ввиду наличия упомянутых подшипников. Следовательно, его удельная мощность меньше.
Известен, например управляемый каскадный асинхронный электропривод с общим ротором (патент РФ №2556862 МПК H02K 17/34, H02K 17/16, H02K 3/04, Опубл.: 20.07.2015, Бюл. №20), содержащий два соединенных соосно электродвигателя, магнитные системы которых выполнены аксиальными, расположены в одном корпусе и на одном валу, который горизонтально закреплен в подшипниковых узлах корпуса. Одной стороной статор первого электродвигателя жестко соединен с корпусом. Роторы обоих двигателей объединены в единую конструкцию, содержащую объединенный магнитопровод с радиальными пазами, расположенными с левой и правой стороны ротора, в которых расположена короткозамкнутая обмотка в виде беличьей клетки, витки которой проходят от левого замыкающего кольца, расположенного с левой внутренней стороны объединенного ротора, затем по левому пазу, потом по внешней стороне ротора, а затем по правому пазу к правому замыкающему кольцу, расположенному с правой внутренней стороны объединенного ротора. Статор второго электродвигателя жестко соединен с корпусом и своими зубцами повернут к зубцам статора первого электродвигателя. Обмотка статора второго электродвигателя подключена к реостатам, с помощью которых осуществляется изменение скорости вращения и момента управляемого каскадного электропривода.
Как следует из описания, конструктивно данный известный управляемый каскадный асинхронный электропривод с общим ротором является торцевым асинхронным двигателем (ТАД) и повторяет известные схемы, приведенные в п. 1.1.2 из монографии (Загрядцкий В.И., Кобяков Е.Т., Степанов Ю.С. Торцевые асинхронные электродвигатели и электромеханические агрегаты. Под общей ред. д.т.н., проф. Ю.С. Степанова - М.: Машиностроение - 1, 2003. - 287 с.). Его недостатками являются: относительная сложность технологического процесса изготовления магнитопроводов, сравнительно малый электромагнитный момент, для увеличения которого необходимо или увеличивать диаметр ТАД, или выполнять его с несколькими дисками статора и несколькими дисками ротора, что приводит к еще большей сложности технологичности производства. Кроме того, т.к. торцевая часть роторов, объединенных в единую конструкцию, имеет достаточно большую площадь и при этом не участвует в создании электромагнитного момента, то удельная мощность данного известного управляемого каскадного асинхронного электропривода с общим ротором сравнительна мала.
Известен также высокоскоростной генератор на базе двухполюсной машины двойного питания с промежуточным ротором и конденсаторным самовозбуждением (Патент РФ 2501147 С1, МПК Н02К 17/00, Н02К 1/06), содержащий статор, промежуточный массивный ротор и фазный ротор. К обмоткам статора и фазного ротора, соединенным между собой последовательно или параллельно, подключены конденсаторы возбуждения, сетевая нагрузка и статический компенсатор реактивной мощности. Промежуточный ротор выполнен с двумя короткозамкнутыми обмотками, стержни обмоток уложены в пазы и замкнуты по торцам ротора двумя общими короткозамыкающими кольцами. Валы фазного и промежуточного роторов связаны зубчатой передачей, ось передачи имеет возможность ручного или автоматического осевого смещения и разрыва механической связи между валами роторов.
Недостаткам данного известного высокоскоростного генератора с точки зрения преобразователя энергии является сравнительная сложность и низкая надежность, обусловленная наличием в его конструкции зубчатой передачи и трех щеток, контактирующих с тремя контактными кольцами, которые при большой частоте вращения, как известно, сравнительно быстро изнашиваются (стираются), а зубчатая передача, кроме того, требует смазки, которую необходимо периодически заменять.
Также его недостатком является сравнительно низкая удельная мощность, которая объясняется тем фактом, что центральная его часть, расположенная внутри фазного ротора за его обмоткой (ближе к оси вала), не участвует полезным образом в проведении полезного магнитного потока и выработке электроэнергии. При этом удельная мощность рассматриваемого высокоскоростного генератора тем ниже, чем больше его диаметр.
Кроме того, наличие в его конструкции щеток и контактных колец ограничивает область применения данного известного высокоскоростного генератора ввиду возможного искрообразования между упомянутыми элементами.
Известен асинхронный двигатель (АД) [авторское свидетельство SU №1700699 А1, МПК H02K 17/00, 17/02, 1984], содержащий установленный консольно на фланце тороидальный сердечник статора с его кольцевой обмоткой, а также механически связанные между собой с помощью диска внешний и внутренний сердечники ротора с их короткозамкнутыми обмотками. Недостатком данной известной конструкции электродвигателя является недостаточное использование кольцевой обмотки, т.к. достаточно широкие лобовые части обмотки не используются в создании полезного магнитного потока, и соответственно, электромагнитного момента двигателя. Данный недостаток приводит к снижению удельной мощности этого асинхронного двигателя.
Несколько лучшими характеристиками в этом плане обладает асинхронный двигатель с внешним ротором [патент SU №1711289 А1, МПК H02K 1/06, 17/02], конструктивно схожий с описанным выше по авторскому свидетельству СССР асинхронным двигателем, за счет того, что у него имеются две короткозамкнутые обмотки, расположенные на магнитопроводе ротора напротив вышеупомянутых лобовых частей кольцевой обмотки статора. Благодаря этому, создаваемый лобовыми частями обмотки магнитный поток уже не рассеивается в окружающее пространство, а наводит в работе в данных короткозамкнутых обмотках индукционный ток, благодаря чему создается дополнительный электромагнитный момент и удельная мощность возрастает.
Данный асинхронный двигатель с внешним ротором характеризуется следующими недостатками. Тороидальный сердечник закреплен на валу посредством ступицы, состоящей из кольца и втулки. При этом для удержания достаточно тяжелого сердечника кольцо должно быть прочным, надежным и выполнено из металла. Из документов следует, что это кольцо расположено между лобовыми частями кольцевой обмотки статора и соответствующими тороидальными сердечниками с их короткозамкнутыми обмотками. Т.е. в работе переменный магнитный поток, создаваемый лобовыми частями кольцевой обмотки статора, будет пересекать это кольцо. При этом в нем наводятся индукционные токи Фуко, которые быстро приведут к его сильному разогреву (более 100°С). Вследствие этого это кольцо, во-первых, изменит свои линейные размеры в соответствии с температурным коэффициентом линейного расширения материала кольца, что приведет к некоторому изменению воздушных зазоров между статором и сердечниками ротора и нарушению магнитной симметрии между ними. А во-вторых, к снижению его механической прочности, вследствие чего в работе под воздействием центробежных сил инерции, действующих на сердечник статора, может произойти недопустимое изгибание последнего и трение об внутреннюю поверхность ротора, что приведет к поломке двигателя. Т.е. надежность его недостаточная.
Кроме того, заполнение лобовой части кольцевой обмотки статора магнитопроводящим материалом делает такую известную машину практически неремонтопригодной, т.к. в случае выхода обмотки из строя ее трудно будет удалить, чтоб намотать новую.
Наличие в тороидальных магнитопроводах подшипникого щита и диска торцевых короткозамкнутых обмоток приводит к сравнительно незначительному увеличению удельной мощности асинхронного двигателя, т.к. длина активной зоны лобовой части обмоток, по сравнению с основной, невелика, и приводит к существенному усложнению конструкции машины, снижению надежности и, соответственно, к увеличению ее стоимости.
Известен, например асинхронный трехфазный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, принятый за прототип (Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / С 74 под общ. Ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т. 1. - М: Энергоатомиздат, 1988. - 456 с.), основными частями которого являются цилиндрические статор и короткозамкнутый ротор, разделенные воздушным зазором, и приводной вал. Магнитопроводы-сердечники статора и ротора с целью уменьшения в них тепловых потерь от индукционных токов Фуко шихтуют (т.е. набирают из отдельных изолированных лаком или кремнийорганической изоляцией штампованных пластин электротехнической стали толщиной 0.5 мм) с образованием по кромкам многочисленных зубцов и пазов между ними. В изолированные пазы магнитопровода статора укладывают симметричную трехфазную медную обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно со сдвигом 120°. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» с общими выводами. Короткозамкнутым ротор называется потому, что содержит короткозамкнутую обмотку, часто называемую «беличье колесо» из-за внешней схожести конструкции, состоящую из алюминиевых (реже медных, латунных) продольных стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя общими торцевыми также алюминиевыми замыкающими кольцами. Стержни этой обмотки встроены в пазы сердечника ротора. При этом зубцы и пазы между ними магнитопровода-сердечника ротора выполнены общепринятым путем - таким образом, что осевая линия каждого его паза расположена по нормали относительно наружных сторон данных зубцов со стержнями в пазах.
При этом стержни обмотки ротора с тяжелыми условиями пуска АД, согласно данному источнику известности, иногда выполняют глубокими: прямоугольными, трапецеидальными, фигурными или в роторах с двойной беличьей клеткой, когда в пазах располагают друг над другом по два стержня, образующих две обмотки. Обмотку короткозамкнутых роторов с фигурными стержнями выполняют нередко заливкой пазов расплавленным алюминием, посредством чего соединены стальные пластины ротора. Некоторые АД большой мощности выполняют со вставленными медными фигурными стержнями роторов. Причем обе обмотки (рабочая и пусковая) двойной беличьей клетки выполняют из одинакового материала, и они имеют общие замыкающие кольца из того же материала.
Известны также трехфазные асинхронные электродвигатели с различным конструктивным исполнением ротора (Копылов И.П. Электрические машины. Учебник для вузов. М., Энергоатомиздат, 1986, с. 154-162).
Общим недостатком данных известных асинхронных трехфазных электродвигателей, включая и прототип, как электромеханических преобразователей, является сравнительно низкая их удельная мощность, т.к. центральная их часть, расположенная внутри ротора за короткозамкнутой обмоткой (ближе к оси вала), не участвует полезным образом ни в создании электромагнитного момента, ни в проведении полезного магнитного потока. При этом удельная мощность рассмотренных ранее электромеханических преобразователей тем ниже, чем больше их диаметр.
Также приведенные выше известные устройства, включая прототип, характеризуются тем недостатком, что при выходе из строя их обмотки статора, например, вследствие механического повреждения, перегрева токами перегрузки и короткого замыкания на корпус или между ее витками и др., они становятся ввиду низкой надежности неработоспособными.
Кроме того, рассмотренные выше известные устройства, включая прототип, не позволяют без применения дополнительных преобразователей регулировать развиваемую АД мощность на валу, что снижает область их применения.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в устранении указанных недостатков, а именно: расширение области их применения, увеличение их удельной мощности и надежности.
Поставленная задача одним из вариантов достигается тем, что в известном асинхронном трехфазном электродвигателе, содержащем цилиндрические статор и короткозамкнутый ротор, разделенные воздушным зазором, и приводной вал; магнитопроводы статора и короткозамкнутого ротора набраны из отдельных, изолированных, из электротехнической стали тонколистных пластин с образованием по кромкам многочисленных зубцов и пазов между ними; в изолированные пазы магнитопровода статора уложена симметричная трехфазная медная обмотка, обмотки фаз которой расположены в изолированных пазах статора со сдвигом в пространстве 120°, и все фазные обмотки статора соединены между собой в «звезду» с общими выводами; короткозамкнутый ротор содержит короткозамкнутую обмотку, состоящую из продольных металлических стержней, замкнутых накоротко с торцов общими торцовыми, из того же материала, замыкающими кольцами, выполненными с вентиляционными лопатками, при этом стержни этой обмотки встроены в пазы магнитопровода ротора, в отличие от него заявляемый трехфазный асинхронный электродвигатель содержит несколько статорно-роторных пар и центральный стержень. Статор статорно-роторных пар содержит несколько полых, цилиндрической формы, коаксиальных сердечников-магнитопроводов уменьшающегося диаметра, каждый из которых является элементом соответствующей статорно-роторной пары, набран вплотную по оси из отдельных, одинаковых по форме и материалу, изолированных, кольцевых зубчатых пластин. При этом у всех внутренних сердечников-магнитопроводов статора, а именно сердечников наименьшего и среднего диаметра, пластины состоят из узких внешней и внутренней коаксиальных зубчатых по внешней и соответственно внутренней кромке кольцевых изолированных пластинок, а внешний сердечник-магнитопровод, именно сердечник наибольшего диаметра, набран из пластин, аналогичных по форме внутренним коаксиальным пластинкам, зубчатых по внутренней кромке сердечников, при этом образованные зубцы и пазы данного сердечника-магнитопровода статора расположены на внутренней поверхности коаксиальных пластин внешнего сердечника и на каждой внутренней и соответственно внешней цилиндрической поверхности каждого из внутренних образованных данных сердечников-магнитопроводов статора, а число этих пазов и зубцов по всем этим их поверхностям между собой одинаково. Причем в каждом внутреннем сердечнике-магнитопроводе статора между внутренней цилиндрической поверхностью, образованной всеми внутренними кромками данных изолированных, наложенных друг на друга внешних пластинок, и соответствующей внешней цилиндрической поверхностью, образованной аналогичным образом внешними кромками наложенных внутренних пластинок, жестко встроен полый цилиндр из немагнитного материала (латуни), торцы которого по уровню совпадают с торцами самих данных сердечников-магнитопроводов статора. Симметричная трехфазная медная обмотка уложена каждая в изолированные пазы каждой данной внутренней и внешней поверхности каждого сердечника-магнитопровода статора. При этом каждый из сердечников-магнитопроводов статора внешним торцом, имеющем выводы проводников данных симметричных трехфазных медных, расположенных в его пазах обмоток, жестко сочленен с опорным статорным кольцом. Короткозамкнутый ротор статорно-роторных пар содержит столько же полых, цилиндрической формы, коаксиально расположенных, с уменьшающимся диаметром сердечников-магнитопроводов, каждый из которых является элементом соответствующей статорно-роторной пары, набран каждый вплотную по оси из отдельных, одинаковых по форме и материалу, изолированных, кольцевых, коаксиальных, соединенных между собой зубчатых пластин, с полузакрытыми овальными пазами с внешней стороны пластин и с аналогичными полузакрытыми овальными пазами, но меньшего поперечного сечения, с внутренней стороны. Причем число пазов с внешней стороны и число пазов с внутренней стороны этих пластин одинаково между собой и расположены пазы друг напротив друга. В образованных пазами набора данных пластин каждых сердечников-магнитопровода ротора многочисленных овальных каналах залит расплавленный электропроводящий металл, образующий в каждом из них продольные стержни, которые замкнуты по их обоим торцам накоротко общими торцовыми замыкающими, из того же материала, кольцами, с образованием короткозамкнутой обмотки ротора каждого его сердечника. При этом в совокупности с образованными заливными продольными стержнями и торцовыми замыкающими кольцами на данных кольцах каждого сердечника-магнитопровода ротора посредством отливки выполнены вентиляционные лопатки. При этом наименьший по диаметру коаксиальный сердечник-магнитопровод ротора набран из аналогичных пластин, но имеющих, при этом, овальные полузакрытые пазы только на внешней их стороне, и он жестко насажен на центральный стержень асинхронного трехфазного двигателя, а все сердечники-магнитопроводы ротора большего диаметра прилегают по внутренним торцам к опорному роторному кольцу и жестко сочленены с ним. У данных стержней каждой короткозамкнутой обмотки ротора каждого сердечника-магнитопровода ротора пазы всех пластин каждого его сердечника-магнитопровода выполнены со скосом, и залитые в них стержни обмотки ротора расположены в этих скошенных пазах с углом наклона относительно оси центрального стержня асинхронного трехфазного электродвигателя. Причем приводной вал сопряжен подвижно с боковой защитной крышкой корпуса электродвигателя и сопряжен жестко с его опорным роторным кольцом, которое сочленено с центральным стержнем.
Число сердечников-магнитопроводов статора и число сердечников-магнитопроводов ротора статорно-роторных пар в частном случае, равно трем.
В частном случае при большой мощности асинхронного трехфазного электродвигателя эксплуатационно оправдано такое выполнение короткозамкнутых обмоток каждого его сердечника-магнитопровода, при котором в каждый паз каждого сердечника-магнитопровода ротора плотно вставлены медные стержни короткозамкнутой обмотки ротора, к которым прикреплены посредством сварки торцовые медные замыкающие кольца.
Общее число симметричных трехфазных обмоток статора в частном случае равно пяти.
Поставленная техническая задача в равной степени достигается также и другим вариантом асинхронного трехфазного электродвигателя, по которому в известном асинхронном трехфазном электродвигателе, содержащем цилиндрические статор и короткозамкнутый ротор, разделенные воздушным зазором, и приводной вал; магнитопроводы статора и короткозамкнутого ротора набраны из отдельных, изолированных, из электротехнической стали тонколистных пластин с образованием по кромкам многочисленных зубцов и пазов между ними; в изолированные пазы магнитопровода статора уложена симметричная трехфазная медная обмотка, обмотки фаз которой расположены в изолированных пазах статора со сдвигом в пространстве 120°, и все фазные обмотки статора соединены между собой в «звезду» с общими выводами; короткозамкнутый ротор содержит короткозамкнутую обмотку, состоящую из продольных металлических стержней, замкнутых накоротко с торцов общими торцовыми, из того же материала, замыкающими кольцами, выполненными с вентиляционными лопатками, при этом стержни этой обмотки встроены в пазы магнитопровода ротора, в отличие от него заявляемый асинхронный трехфазный электродвигатель содержит несколько статорно-роторных пар и центральный стержень. Статор статорно-роторных пар содержит несколько полых, цилиндрической формы, коаксиальных сердечников-магнитопроводов уменьшающегося диаметра, каждый из которых является элементом соответствующей статорно-роторной пары. При этом каждый сердечник-магнитопровод статора набран из отдельных, одинаковых по форме и материалу, изолированных, кольцевых, наложенных друг на друга коаксиальных, зубчатых по внутренней кромке пластин. Образованные при этом зубцы и пазы сердечника-магнитопровода статора расположены на каждой внутренней цилиндрической поверхности каждого из данных сердечников-магнитопроводов статора, а число этих пазов и зубцов по всем этим их поверхностям между собой одинаково. Симметричная трехфазная медная обмотка уложена каждая в изолированные пазы каждой данной внутренней поверхности каждого сердечника-магнитопровода статора. При этом каждый из сердечников-магнитопроводов статора внешним торцом, имеющем выводы проводников симметричных трехфазных медных, расположенных в его пазах обмоток, жестко сочленен с опорным статорным кольцом. Короткозамкнутый ротор статорно-роторных пар содержит столько же полых, цилиндрической формы, коаксиально расположенных, с уменьшающимся диаметром сердечников-магнитопроводов, каждый из которых является элементом соответствующей статорно-роторной пары, набран вплотную по оси из отдельных, одинаковых по форме и материалу, изолированных, кольцевых, коаксиальных, наложенных друг на друга зубчатых пластин, с глубокими и узкими, а именно глубокопазными пазами с внешней стороны пластин. Причем расположены данные пазы симметрично друг напротив друга. В образованных данными пазами набора данных пластин каждых сердечников-магнитопроводов ротора многочисленных глубоких каналах залит расплавленный электропроводящий металл, образующий в каждом из них продольные стержни, которые замкнуты по их обоим торцам накоротко общими торцовыми замыкающими, из того же материала, кольцами, с образованием короткозамкнутой обмотки ротора каждого его сердечника. При этом в совокупности с образованными заливными продольными стержнями и торцовыми замыкающими кольцами на данных кольцах каждого сердечника-магнитопровода ротора посредством отливки выполнены вентиляционные лопатки. При этом наименьший по диаметру коаксиальный сердечник-магнитопровод ротора жестко насажен на центральный стержень асинхронного трехфазного электродвигателя. Все сердечники-магнитопроводы ротора большего диаметра прилегают по внутренним торцам к опорному роторному кольцу и жестко сочленены с ним. Причем у данных стержней каждой короткозамкнутой обмотки ротора каждого сердечника-магнитопровода ротора пазы всех пластин каждого его сердечника-магнитопровода выполнены со скосом, и залитые в них стержни обмотки ротора расположены в этих скошенных пазах с углом наклона относительно оси центрального стержня асинхронного трехфазного электродвигателя. Приводной вал сопряжен подвижно с боковой защитной крышкой корпуса электродвигателя и сопряжен жестко с его опорным роторным кольцом, которое сочленено с центральным стержнем.
Число сердечников-магнитопроводов статора и число сердечников-магнитопроводов ротора статорно-роторных пар в частном случае этого варианта также равно трем.
В частном случае этого варианта глубокопазные пазы короткозамкнутой обмотки ротора каждого сердечника-магнитопровода ротора выполнены прямоугольного или трапецеидального вида.
В частном случае этого варианта каждый сердечник-магнитопровод ротора выполнен с такой глубокопазной формой паза, который состоит из сдвоенного овала меньшего и большего поперечного сечения с расположенной в каждом из таких пазов двойной короткозамкнутой обмоткой ротора.
Общее число симметричных трехфазных обмоток статора в частном случае этого варианта равно трем.
Ограничительные и отличительные признаки заявляемого изобретения обеспечивают достижение поставленной задачи.
В предложенном АД за счет того, что используется статор и ротор, состоящие из нескольких соосно расположенных и вставленных друг в друга полых цилиндров (статорно-роторных пар), обеспечивается лучшее использование внутреннего его пространства. Из вышеизложенного следует, что повышение удельной мощности АД обеспечивается за счет того, что электромагнитный момент возникает в результате взаимодействия через воздушный зазор электромагнитных полей не одной пары соседних обмоток (симметричной трехфазной обмотки статора и короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» ротора), а нескольких таких же пар обмоток и нескольких воздушных зазоров.
Т.е. за счет того, что одновременное синхронное синфазное силовое взаимодействие МДС симметричных трехфазных медных обмоток каждого сердечника-магнитопровода статора с магнитным полем соответствующей короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» каждого сердечника-магнитопровода ротора производится не в одном, а в нескольких воздушных зазорах между каждым соответствующим сердечником-магнитопроводом статора и каждым соответствующим сердечником-магнитопроводом ротора, суммарный электромагнитный момент возрастает.
Благодаря тому, что в заявляемом асинхронном трехфазном электродвигателе содержится несколько симметричных трехфазных обмоток статора, в одном частном случае 5, а другом 3, его надежность возрастает: при перегреве одной или двух данных его трехфазных обмоток электродвигатель сохранит свою работоспособность, хоть и будет развивать при этом меньший электромагнитный момент.
Общее число данных симметричных трехфазных обмоток статора в одном из вариантов равно 5, потому что они уложены в изолированные пазы каждой внутренней и соответственно внешней цилиндрической поверхности каждого из образованных сердечников-магнитопроводов статора, и число этих цилиндрических поверхностей равно 5.
Общее число данных симметричных трехфазных обмоток статора в другом из вариантов равно 3, потому что они уложены в изолированные пазы каждой внутренней цилиндрической поверхности каждого из образованных сердечников-магнитопроводов статора, и число этих цилиндрических поверхностей равно 3.
Одинаковость по первому варианту числа зубцов и пазов между ними каждой внутренней и соответственно внешней цилиндрической поверхности каждого из сердечников-магнитопроводов статора обеспечивает в работе синхронное синфазное вращение МДС каждых симметричных трехфазных медных обмоток каждого сердечника-магнитопровода статора.
Одинаковость по второму варианту числа зубцов и пазов между ними каждой внутренней цилиндрической поверхности каждого из сердечников-магнитопроводов статора обеспечивает в работе синхронное синфазное вращение МДС симметричных трехфазных медных обмоток каждого сердечника-магнитопровода статора.
Симметричность каждой трехфазной медной обмотки обеспечивается выполнением каждых ее фаз из медного провода одинакового сечения, марки и числа витков, что необходимо для создания симметричных магнитодвижущих сил (МДС) всех фаз между собой каждых упомянутых симметричных трехфазных медных обмоток.
Расположение проводников (фаз) каждой симметричной трехфазной медной обмотки в изолированных пазах каждой поверхности каждого сердечника-магнитопровода статора со сдвигом в пространстве на 120° обеспечивает в работе сдвиг их соответствующих магнитных осей в пространстве относительно друг друга на угол 2π/3, т.е. на 120°.
Соединение симметричных фазных обмоток каждой поверхности каждого сердечника - магнитопровода статора в "звезду" и соединение всех образованных аналогичным образом "звезд" пофазно и параллельно с образованием общих выводов обеспечивает в работе возникновение синхронных синфазных вращающихся МДС образованных таким образом каждой данной симметричной трехфазной медной обмоткой каждого сердечника-магнитопровода статора.
Наличие по первому варианту полого цилиндра из немагнитного материала (латуни) в каждом внутреннем сердечнике-магнитопроводе статора уменьшает взаимодействие магнитных потоков, создаваемых соседними симметричными трехфазными медными обмотками, т.е. уложенными в имеющиеся изолированные пазы каждой внутренней поверхности и внешней каждого сердечника-магнитопровода статора. Тем самым, исключается насыщение каждого сердечника-магнитопровода и, как следствие, искажение формы кривых магнитных потоков, образование повышенного нагрева магнитопровода и возникновение высших гармоник тока в трехфазных медных обмотках.
Наличие скоса пазов каждого сердечника-магнитопровода ротора и, соответственно выполнение залитых в них продольных металлических стержней каждой короткозамкнутой обмотки каждого сердечника-магнитопровода ротора с углом наклона относительно оси центрального стержня асинхронного трехфазного электродвигателя обеспечивает уменьшение высших гармоник электродвижущей силы (ЭДС) в данных стержнях каждой данной короткозамкнутой обмотки, вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов пластин и каждого сердечника-магнитопровода статора (якоря), а также снижение шума, вызываемого магнитными причинами
Благодаря тому, что в заявляемом асинхронном трехфазном электродвигателе содержится несколько симметричных трехфазных обмоток, в одном из вариантов 5, а в другом - 3, его надежность многократно возрастает: при перегреве одной или нескольких данных его трехфазных обмоток этот электродвигатель сохранит свою работоспособность, хоть и будет развивать меньший электромагнитный момент.
Благодаря тому, что в пазах каждой поверхности каждого сердечника-магнитопровода уложена только одна симметричная трехфазная медная обмотка, то перегрев любой из них практически не сказывается на температурный режим остальных обмоток, в отличие от многоскоростных электродвигателей, в котором в одни и те же пазы статора может быть уложено несколько обмоток и перегрев одной из них сразу же за счет теплопередачи ведет к перегреву остальных обмоток. Таким образом, надежность заявляемого асинхронного трехфазного электродвигателя существенно возрастает (выше).
Выполнение короткозамкнутых обмоток каждого сердечника-магнитопровода ротора из меди при большой мощности асинхронного трехфазного электродвигателя по первому варианту обеспечивает снижение омических (тепловых) потерь в данных обмотках, что обеспечивает более высокий КПД заявляемого электродвигателя, снижение скольжения и соответственно потерь скольжения, что также способствует повышению его КПД. Кроме того, повышается жесткость механической характеристики, благодаря чему частота вращения вала электродвигателя зависит от момента нагрузки на его валу в меньшей степени, т.е. стабильность частоты вращения вала электродвигателя повышается.
Выполнение сердечников-магнитопроводов ротора некоторых асинхронных трехфазных электродвигателей с тяжелыми условиями пуска с глубокими пазами прямоугольного, трапецеидального сечения или с двойной короткозамкнутой обмоткой (т.е. двухклеточными) по второму варианту, при работе благодаря эффекту вытеснения тока, позволяет облегчить условия пуска этих электродвигателей вследствие того, что происходит вытеснение тока в верхнюю часть стержня. При этом, во-первых, уменьшается эффективная площадь (т.е. площадь, по которой течет электрический ток) поперечного сечения каждого продольного стержня и, таким образом, увеличивается его активное сопротивление, благодаря чему в соответствии с выражением (Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока: учебник для ВУЗов. - СПб.: Питер. 2008. - 350 с.)
мх
где Р - механическая мощность на валу;
2
2
m - число фаз (m=3);
2
I - фазный ток в короткозамкнутой обмотке ротора;
2
r - активное сопротивление фазы короткозамкнутой обмотки ротора;
s - скольжение,
увеличивается механическая мощность на валу, а значит и пусковой момент. А во-вторых, нижняя часть каждого стержня при этом освобождается от поля рассеяния, и его индуктивное сопротивление уменьшается по сравнению с активным и индуктивным сопротивлениями этого же стержня при равномерном распределении тока по его сечению, что также способствует повышению эффективности использования заявляемого асинхронного трехфазного электродвигателя. Как известно, пусковые характеристики глубокопазного электродвигателя лучше, чем двигателя нормального исполнения, но уступают пусковым характеристикам двухклеточного электродвигателя с двойной короткозамкнутой обмоткой, что и заявлено и достигается.
Набор наложенных друг на друга отдельных, одинаковых по форме и материалу, изолированных, кольцевых, коаксиальных пластин, образующих каждый сердечник-магнитопровод ротора, удерживается между собой при помощи расплавленного электропроводящего металла, образующего в каждом из глубокопазных пазов продольные стержни, которые замкнуты по их обоим торцам накоротко общими торцовыми замыкающими кольцами. Таким образом, продольные стержни каждой короткозамкнутой обмотки каждого сердечника-магнитопровода ротора играют роль шпилек, прочно удерживающих совместно с общими торцовыми замыкающими кольцами между собой каждый упомянутый образующий их набор пластин.
Наличие общих торцовых замыкающих колец на каждом сердечнике-магнитопроводе ротора, отливаемых вместе с продольными стержнями и вентиляционными лопатками, позволяет также получить короткозамкнутую обмотку типа "беличья клетка".
Наличие по первому варианту одинаковости числа пазов с внешней и внутренней сторон каждого сердечника-магнитопровода ротора и их симметричное расположение друг напротив друга, учитывая синхронное синфазное вращение МДС каждых трехфазных медных обмоток каждого сердечника-магнитопровода статора, обеспечивает одновременное синхронное синфазное силовое взаимодействие упомянутых МДС трехфазных медных обмоток каждого сердечника-магнитопровода статора с магнитным полем соответствующей короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» каждого сердечника-магнитопровода ротора в каждом воздушном зазоре, благодаря чему суммарный электромагнитный момент возрастает.
Дополнительной способностью заявляемого асинхронного трехфазного электродвигателя является его возможность без применения дополнительных преобразователей электрического тока и напряжения и частоты работать при необходимости с меньшей мощностью: для этого достаточно от общих зажимов в клеммной коробке отсоединить одну или более трехфазных параллельно включенных обмоток поверхностей сердечников-магнитопроводов. При этом уменьшится развиваемый электродвигателем электромагнитный момент, а частота вращения вала не изменится. Таким образом, появляется возможность использования заявляемого асинхронного трехфазного электродвигателя в регулируемом электроприводе, а область его применения расширяется.
Второй вариант отличается от первого тем, что сердечники-магнитопроводы ротора выполнены с глубокопазными пазами, которые расположены только с внешней стороны их пластин. Поэтому сердечники-магнитопроводы статора набраны из наложенных друг на друга коаксиальных, зубчатых только по внутренней кромке пластин и в данных сердечниках-магнитопроводах статора по этой причине отсутствует полый цилиндр из немагнитного материала (латуни). А число симметричных трехфазных обмоток статора уже равно не пяти, а трем.
Заявляемое изобретение иллюстрируется: фиг. 1а - Асинхронный трехфазный электродвигатель - вариант 1 (вид с торца); фиг. 1б - асинхронный трехфазный электродвигатель - вариант 1 (схематический вид); фиг. 2 - Вид на набор пластин сердечника статора наименьшего и среднего диаметра - вариант 1; фиг. 3 - Схема соединений симметричных трехфазных медных обмоток статора; фиг. 4 - Пластина ротора - вариант 1, фиг. 5 - Форма пазов короткозамкнутой обмотки ротора асинхронных трехфазных электродвигателей повышенной мощности - вариант 2; фиг. 6а - Асинхронный трехфазный электродвигатель повышенной мощности с улучшенными пусковыми свойствами - вариант 2: а - вид с торца; фиг. 6б - то же схематический вид асинхронного трехфазного электродвигателя.
Заявляемый трехфазный асинхронный электродвигатель по варианту 1 (фиг. 1) содержит статорно-роторные пары: цилиндрической формы неявнополюсный статор (якорь), содержащий несколько, в частном случае три, полых цилиндрической формы коаксиальных сердечника-магнитопровода уменьшающегося диаметра (1) (фиг. 1), как элемента соответствующей статорно-роторной пары, набранных путем шихтовки вплотную по оси из обычных одинаковых по форме и материалу штампованных, изолированных друг от друга изоляционной лаковой пленкой (не показано), окалиной и пр. кольцевых коаксиальных пластин.
При этом у всех внутренних сердечников, т.е. сердечников наименьшего и среднего диаметра, пластины состоят из узких внешней и внутренней коаксиальных, изолированных, зубчатых по внешней и соответственно внутренней кромке кольцевых пластинок (2) и(3).
Сердечник-магнитопровод (1) наибольшего диаметра, а именно внешний сердечник, набран только из пластин, аналогичных по форме внутренним коаксиальным пластинкам (3) внутренних зубчатых (по внутренней кромке) сердечников.
Все пластины изготовлены из листовой электротехнической стали толщиной 0.5 мм и выполнены с образованием многочисленных зубцов (4) и пазов между ними (5) данного статора. При этом образованные зубцы (4) и пазы (5) сердечника статора расположены на внутренней поверхности (6) коаксиальных пластин внешнего сердечника и на каждой внутренней (6) и соответственно внешней (7) цилиндрической поверхности каждого из внутренних образованных данных сердечников-магнитопроводов статора (1) и число этих пазов и зубцов по всем их поверхностям (6) и (7) между собой одинаково, причем на каждом внутреннем сердечнике-магнитопроводе между внутренней цилиндрической поверхностью (8) (фиг. 2), образованной всеми внутренними (гладкими) кромками данных штампованных, изолированных друг от друга изоляционной лаковой пленкой (не показано), окалиной и пр., наложенных друг на друга внешних пластинок (2), и соответствующей внешней цилиндрической поверхностью (9), образованной аналогичным образом внешними (гладкими) кромками наложенных внутренних пластинок (3), жестко встроен полый цилиндр (10) из немагнитного материала (латуни) торцы которого по уровню совпадают с торцами самих данных сердечников-магнитопроводов статора (1). Также статор содержит обычную симметричную трехфазную медную обмотку (11) (фиг. 1), уложенную каждая (как единственная) в имеющиеся изолированные пазовой изоляцией (гильза или коробочка) (не показано) данные образованные пазы (5) (фиг.2) каждой внутренней поверхности (6) и внешней (7) (фиг. 1) каждого данного сердечника-магнитопровода (1) статора, представляющую собой традиционные три катушки (фазные обмотки А, В и С (фиг. 3)), электрически сдвинутые относительно друг друга на угол 120° как в обычной симметричной трехфазной асинхронной или синхронной электрической машине (электродвигателе или электрогенераторе). Причем все упомянутые фазные обмотки А, В и С каждой поверхности (6) и (7) каждого данного сердечника-магнитопровода (1) статора соединены в "звезду" (фиг. 3), а между собой эти "звезды" соединены параллельно пофазно с образованием общих зажимов C1, С2 и С3, которые выведены в обычную клеммную коробку (не показано). Таким образом, общее число симметричных трехфазных обмоток статора равно пяти, т.е. по числу внутренних (6) и внешних (7) поверхностей сердечников-магнитопроводов (1) статора.
А каждый из сердечников-магнитопроводов (1) статора торцом, имеющем выводы C1, С2 и С3 (фиг. 1б) проводников медной расположенной в его пазах (5) симметричной трехфазной обмотки (11) (внешний торец), сочленен с опорным статорным кольцом (12) посредством шпилек или болтов (не показаны).
Т.к. число витков всех симметричных фазных медных обмоток А, В и С, уложенных в изолированных пазовой изоляцией (гильза или коробочка) (не показано) одинакового числа пазах (5) каждой поверхности (6) и (7), одинаково между собой, то по мере уменьшения диаметра коаксиальных пластинок (2) и (3) сердечников и, соответственно, геометрических размеров их пазов (5) и зубцов (4) уменьшен и диаметр медного провода симметричной трехфазной обмотки (11).
Полый цилиндр (10) из немагнитного материала (латуни) уменьшает взаимодействие магнитных потоков, создаваемых соседними симметричными трехфазными медными обмотками (11), т.е. уложенными в имеющиеся изолированные пазовой изоляцией (гильза или коробочка) (не показано) пазы (5) (фиг. 2) каждой внутренней поверхности (6) и внешней (7) (фиг. 1) каждого данного сердечника-магнитопровода (1). Тем самым, исключая насыщение каждого сердечника-магнитопровода (1) и, как следствие, искажение формы кривых магнитных потоков, образование повышенного нагрева магнитопровода и возникновение высших гармоник тока в трехфазных медных обмотках.
Заявляемое изобретение также содержит и короткозамкнутый ротор (индуктор) статорно-роторных пар, который аналогично статору состоит из стольких же, в частном случае трех, полых, коаксиально расположенных, уменьшающимся диаметром, установленных относительно друг друга с зазором (отстоянием) δ цилиндрической формы коаксиальных сердечников-магнитопроводов (13) (фиг. 1) ротора, как элемента соответствующей статорно-роторной пары, набранных путем шихтовки вплотную по оси из отдельных одинаковых по форме и материалу тонких штампованных, изолированных друг от друга изоляционной лаковой пленкой (не показано), окалиной и пр. кольцевых коаксиальных соединенных (не показано) между собой пластин (14) (фиг. 4) с полузакрытыми овальными пазами (15) с внешней стороны пластин и с аналогичными полузакрытыми овальными пазами (16), но меньшего поэтому поперечного сечения, с внутренней стороны. Причем число пазов (15) с внешней стороны и число пазов (16) с внутренней стороны пластин одинаково между собой и расположены они друг напротив друга. В данных образованных пазами (15) и (16) набора пластин (14) каждых сердечников-магнитопроводов (13) ротора многочисленных полузакрытых каналах овального или иного (не является предметом притязаний) поперечного сечения залит расплавленный электропроводящий метал, например алюминий, также скрепляющий между собой пластины сердечника-магнитопровода, в результате чего образованы продольные стержни (не показано), которые в каждом из них традиционно замкнуты по обоим торцам накоротко общими торцевыми замыкающими алюминиевыми из такого же материала кольцами (17) (фиг. 1б), отлитыми одновременно со стержнями, и в результате образована короткозамкнутая обмотка (18) ротора каждого его сердечника-магнитопровода (13). Эту конструкцию, как известно, называют "беличьей клеткой". При этом торцевые замыкающие кольца (17) помимо своей основной токопроводящей функции выполняют и другую функцию: механически удерживают в спрессованном состоянии пластины (14) сердечника-магнитопровода (13) вращающегося ротора. В совокупности с заливными стержнями и кольцами (17) на данных замыкающих кольцах каждого сердечника-магнитопровода (13) ротора выполнены путем отливки вентиляционные лопатки (не показано), выполняющие функцию вентилятора и охлаждения статора при работе машины.
Благодаря тому, что число пазов (15) с внешней стороны и число пазов (16) с внутренней стороны пластин каждого сердечника-магнитопровода (13) ротора одинаково между собой и расположены они друг напротив друга, обеспечивается одновременное синхронное синфазное силовое взаимодействие МДС каждой симметричной трехфазной медной обмотки (11) каждого сердечника-магнитопровода (1) статора с каждым соответствующим магнитным полем короткозамкнутой обмотки (18) каждого сердечника-магнитопровода (13) ротора, и производится это силовое взаимодействие не в одном, а в нескольких воздушных зазорах (не показано) статорно-роторных пар между каждым соответствующим сердечником-магнитопроводом (1) статора и соответствующим сердечником-магнитопроводом (13) ротора, чем обеспечивается наибольший электромагнитный момент заявляемого асинхронного трехфазного двигателя, что является существенным свойством.
При этом наименьший по диаметру коаксиальный сердечник-магнитопровод (13) ротора набран из аналогичных пластин (14), но имеющих овальные полузакрытые пазы (15) только с внешней их стороны (фиг. 1а) и жестко насажен на центральный стержень (19) АД, а все сердечники ротора большего диаметра прилегают по внутренним торцам к опорному роторному кольцу (20) (фиг. 1б) и жестко сочленены с ним посредством шпилек или болтов (не показаны).
Для уменьшения высших гармоник электродвижущей силы (ЭДС) в данных стержнях каждой короткозамкнутой обмотки (18) ротора, вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов (4) пластинок (2) и (3) каждого сердечника-магнитопровода (1) статора (якоря), снижения шума, вызываемого магнитными причинами, пазы (15) и (16) пластин (14) каждого сердечника-магнитопровода (13) ротора выполнены со скосом (не показано), а залитые в них стержни короткозамкнутой обмотки (18) ротора, соответственно, расположены в этих скосах с углом наклона (не показано) относительно оси центрального стержня (19).
В случаях двигателей большой мощности для снижения омических потерь вместо алюминия по варианту 1 может применяться медь, которая имеет меньшее удельное сопротивление по сравнению с алюминием. В этом данном частном случае в упомянутые пазы сердечников-магнитопроводов (13) ротора плотно вставлены медные стержни, к которым по их торцам посредством сварки прикреплены торцевые медные замыкающие кольца.
Для увеличения пускового момента асинхронного трехфазного электродвигателя по варианту 2 повышенной мощности, пазы короткозамкнутой обмотки (18) ротора выполняют узкими и глубокими (фиг. 5), как и в известных АД классической конструкции (с одним статором и одним ротором), т.к. эффект вытеснения тока при работе в них возрастает с увеличением высоты в пазу самого стержня. Роторы с такими пазами выполнены глубокими, а именно глубокопазными. Форма такого глубокопазного паза короткозамкнутой обмотки (18) ротора имеет в различных частных случаях прямоугольный вид (фиг. 5а) или трапецеидальный (фиг. 5б). Также сердечник-магнитопровод (13) ротора в частном случае целесообразно выполнять с такой глубокопазной формой паза, который состоит из сдвоенных овалов меньшего и большего поперечного сечений с расположенной в нем двойной короткозамкнутой обмоткой (двойной "беличьей клеткой") (фиг. 5в) (фиг. 5г). Каждая система продольных металлических стержней в таком сердечнике образует свою обмотку из одинакового с замыкающими кольцами (17) материала: верхние стержни (меньшего поперечного сечения), расположенные ближе к воздушному зазору (не показан), - пусковую, а нижние (большего сечения) - рабочую.
Эффект вытеснения тока в пусковой момент - поверхностный эффект или скин-эффект - заключается в том, что образуется физическое явление радиального вытеснения электрических зарядов с центра проводника на его периферию при увеличении частоты тока.
В заявляемом асинхронном трехфазном электродвигателе по варианту 2 с глубокопазным ротором весь каждый полый цилиндрической формы коаксиальный сердечник-магнитопровод (1) статора (якоря) набирают из коаксиальных зубчатых только по внутренней кромке пластин, аналогичных пластинам (3) (фиг. 2), а каждый сердечник-магнитопровод (13) ротора набирают из аналогичных пластин (14), но имеющих в различных случаях пазы (фиг. 5) только с внешней их стороны (фиг. 6а) и (фиг. 6б). При этом используют меньшее число трехфазных медных обмоток (11) сердечников-магнитопроводов (1) статора, что приводит к снижению расхода дорогостоящей меди при его изготовлении, упрощению конструкции, повышению технологичности изготовления, и, соответственно, уменьшению стоимости при небольшом снижении удельной мощности.
Технологичность изготовления заявляемого асинхронного трехфазного электродвигателя по варианту 2 более высокая, чем по первому варианту, т.к. здесь используют более простую конструкцию сердечников-магнитопроводов (1) статора (якоря) с меньшим в 2 раза числом зубцов (4) и пазов (5) между ними, в которой, кроме того, отсутствует полый цилиндр (10) из немагнитного материала (латуни).
Сердечники-магнитопроводы (1) статора (якоря) и сердечники-магнитопроводы ротора (13) по обоим вариантам герметизируют от воздействия окружающей среды защитными разъемными крышками внешней (верхней) (21) опорного статорного кольца (12) и торцевой (22), плотно соединяя их с натягом между собой по ступенчатому профилю (как у двух половинок одной матрешки). При этом жестко сопряженные опорное статорное кольцо (12) и внешняя (верхняя) защитная разъемная крышка (21) технологически могут быть отлиты в единый конструкционный элемент, образующий совместно с торцевой крышкой (22) корпус АД. Торцевая крышка (22) сопряжена подвижно с приводным валом (23) АД посредством подшипников скольжения (24), сопряженным в свою очередь с опорным роторным кольцом (20). При этом приводной вал (23), опорное роторное кольцо (20) и центральный стержень АД (19) технологически могут быть отлиты в единый конструкционный элемент.
Для снижения механических напряжений на подшипники скольжения (24) по обоим вариантам при большой длине электродвигателя аналогичные подшипники (25), но меньшего размера, также устанавливают на противоположной его стороне на оконечности центрального стержня (19), который в этом случае выполняют несколько большей длины, чем сердечники-магнитопроводы (13) ротора, но меньшего диаметра, чем сам стержень, а в опорном статорном кольце (12) при этом под эти подшипники предусматривают обычное посадочное гнездо (не показано). Предотвращение смещения крышек (21) и (22) относительно вала (23) в осевом направлении обеспечивают выступы (26) вала (23) и (27) крышки (22), а также шайба (28) и стопорное кольцо (29), установленное в проточку (30) вала (23) АД. Для надежного соединения упомянутых защитных крышек (21) и (22) между собой последние стянуты четырьмя болтами (не показано) через соответствующие отверстия (31) в проушинах (32), которые являются монолитными и составляют с защитными крышками (21) и (22) единое целое.
Крепление АД к фундаменту произведено с помощью традиционных болтов через монтажные отверстия (33) в лапах (34), которые также являются монолитными и составляют с защитными крышками (21) и (22) единое целое.
Заявляемый асинхронный трехфазный электродвигатель используют следующим образом. Прикрепляют электродвигатель фундаменту с помощью традиционных четырех болтов через монтажные отверстия (33) в лапах (34). На общие зажимы C1, С2 и С3 параллельно соединенных симметричных трехфазных обмоток (11) каждого сердечника-магнитопровода (1) статора АД подают от сети переменного тока переменное трехфазное напряжение стандартной частоты 50 Гц. При этом каждой фазной обмоткой А, В и С создается электромагнитный поток, который изменяется с частотой подаваемого напряжения. Эти электромагнитные потоки сдвинуты относительно друг друга на 120°, как во времени, так и в пространстве. Результирующий электромагнитный поток оказывается при этом вращающимся. Этот вращающийся электромагнитный поток каждых симметричных фазный обмоток А, В и С каждого сердечника-магнитопровода (1) статора, пересекая через воздушный зазор (не показан) проводники (стержни) каждой соответствующей короткозамкнутой обмотки (18) каждого сердечника-магнитопровода (13) ротора, наводит в каждой из них в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея электродвижущую силу (ЭДС). А так как каждая обмотка (18) каждого сердечника-магнитопровода (13) ротора является замкнутой, то в каждой из них возникает переменный электрический ток, электромагнитное поле которого, в свою очередь, взаимодействуя с вызвавшим данный переменный электрический ток вращающимся электромагнитным полем фазных обмоток А, В и С сердечников-магнитопроводов (1) статора, создает электромагнитный момент двигателя, стремящийся повернуть ротор в направлении вращения электромагнитного поля сердечников-магнитопроводов (1) статора. При вращении вала (23) с некоторой частотой вращения АД развивает механическую мощность, равную произведению развиваемого электромагнитного момента на эту угловую частоту вращения.
Благодаря тому, что в заявляемом электродвигателе содержится несколько симметричных трехфазных обмоток (11), в частном случае 5, его надежность многократно возрастает: при перегреве одной или нескольких его симметричных трехфазных обмоток электродвигатель сохранит свою работоспособность, хоть и будет развивать меньший электромагнитный момент.
Благодаря тому, что в пазах (5) каждой поверхности (6) и (7) (фиг. 1) каждого сердечника-магнитопровода (1) статора уложена только одна симметричная трехфазная обмотка (11), перегрев любой из них практически не сказывается на температурный режим остальных обмоток, в отличие от многоскоростных электродвигателей, в котором в одни и те же пазы статора может быть уложено несколько обмоток и перегрев одной из них сразу же за счет теплопередачи ведет к перегреву остальных обмоток. Таким образом, надежность заявляемого электродвигателя существенно возрастает (выше).
Повышение удельной мощности электродвигателя (существенное свойство) обеспечивается за счет того, что используется несколько статорно-роторных пар, вследствие чего одновременное синхронное силовое взаимодействие магнитного поля симметричных трехфазных медных обмоток (11) сердечника-магнитопровода (1) статора с соответствующими магнитным полем короткозамкнутой обмотки (18) сердечника-магнитопровода (13) ротора производится не в одном, а в нескольких воздушных зазорах (не показано) между каждым соответствующим в паре сердечником-магнитопроводом (1) статора и соседним сердечником-магнитопроводом (13) ротора, благодаря чему суммарный электромагнитный момент возрастает.
Дополнительной способностью заявляемого электродвигателя является его возможность без применения дополнительных преобразователей электрического тока и напряжения и частоты работать при необходимости с меньшей мощностью: для этого достаточно от общих зажимов C1, С2 и С3 в клеммной коробке (не показано) отсоединить одну или несколько симметричных трехфазных параллельно включенных обмоток (11) поверхностей (6) и (или) (7) сердечников-магнитопроводов (1) статора. При этом уменьшится развиваемый электродвигателем электромагнитный момент, а частота вращения вала (23) не изменится. Таким образом, появляется возможность использования заявляемого электродвигателя в регулируемом электроприводе, а область его применения расширяется.
Таким образом, заявляемый электродвигатель обладает такими эксплуатационными характеристиками как: повышенная надежность (живучесть), высокая удельная мощность. Благодаря этим качествам этот электродвигатель может найти применение не только в гражданском береговом (наземном) применении в качестве электродвигателя различных технологических установок, но и в военной технике (технологии двойного назначения), в авиации, морских судах, т.е. там, где эти качества наиболее востребованы.