АСИНХРОННЫЙ ВЫСОКОМОМЕНТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА ПОНИЖЕННУЮ ЧАСТОТУ ВРАЩЕНИЯ
ASYNCHRONOUS HIGH-TORQUE MOTOR FOR REDUCED ROTATION SPEED

Изобретение относится к области электротехники, асинхронным двигателям, питаемым от преобразователей частоты и используемым в системах привода с обеспечением высоких моментов при низкой частоте вращения. Это всевозможные подъемные, транспортные и силовые машины.
Если для данных целей применять обычные электродвигатели, то для создания необходимого момента используются редукторы, снижающие скорость и повышающие момент на исполнительном механизме. Недостатком таких систем является наличие между двигателем и механизмом дополнительного элемента - редуктора, снижающего надежность системы привода, уменьшающего его энергоэффективность, увеличивающего затраты на обслуживание. Задача существенно меняется, если требуется обеспечить регулирование с изменением моментно-скоростной характеристики привода по определенному закону. В этих случаях применяется питание двигателя от преобразователя частоты. Наличие преобразователя частоты создает предпосылки к созданию высокоэффективной системы привода без применения редуктора. Известен безредукторный привод лифта (патент РФ на полезную модель №55224 U1, Масандилов Л.Б., в котором также имеется ссылка на монографию Яновски Л. Проектирование механического оборудования лифтов. Издательство АСВ, 2005, с.134-144). В обоих случаях рассматривается возможность применения для безредукторного привода обычного двигателя общепромышленного применения, но с измененными обмоточными данными обмотки статора. В патенте приводится приблизительный пересчет витков обмотки с целью снижения потребляемого тока от преобразователя частоты.
Физические основания работы асинхронного двигателя, подтверждаемые опытом, показывают: при снижении частоты питания двигателя при постоянстве момента на валу повышается скольжение ротора и уменьшается перегрузочная способность машины, т.е. величина максимального момента. Скольжение увеличивается, поскольку изменяется «мягкость» моментной характеристики из-за увеличения величины критического скольжения.
2
1
2
Sk≅R'/(X+Х'), поскольку реактивные сопротивления ротора и статора уменьшаются при снижении частоты питания.
Здесь:
Sk - критическое скольжение в относительных единицах,
2
R'- приведенное активное сопротивление ротора в Омах,
2
Х' - приведенное индуктивное сопротивление ротора в Омах,
1
X - индуктивное сопротивление статора в Омах.
1
Перегрузочная способность уменьшается из-за снижения эдс намагничивающего контура, поскольку при увеличении скольжения увеличиваются потери в цепи ротора, что приводит к увеличению тока и падению напряжения на сопротивлениях обмотки статора. Кроме того, при регулировании, близком к закону U/f=const, напряжение на малых частотах уменьшается пропорционально изменению частоты, в то же время сопротивление R остается неизменным.
В силу названных причин применение обычных двигателей общепромышленного применения для данных целей не оправдано и неэффективно.
Для решения данной задачи требуется создание специального двигателя, обладающего существенными отличиями от двигателей серийного производства, предназначенных для работы от промышленной сети 380 В, 50 Гц. В первую очередь это связано с особенностью возникновения потерь в двигателе при относительно низких частотах (обычно ниже 10 Гц). Основными потерями являются потери в меди статора и ротора, стальные потери и механические составляют незначительную часть, по причине низкой частоты питания и низкой частоты вращения, и в практических расчетах могут не учитываться. Поэтому основными требованиями к применяемой стали являются не удельные потери, а возможность работы магнитной системы при повышенных индукциях с наименьшим током намагничивания. Это позволяет снизить потери меди статора за счет снижения потребляемого от преобразователя тока.
2
2
2
Для повышения перегрузочной способности двигателя должны быть приняты меры по снижению активных и индуктивных сопротивлений ротора и статора. В роторе уменьшение индуктивного сопротивления Х' достигается за счет уменьшения высоты паза и раскрытием согласно фиг.1. Кроме того, уменьшение R' и Х' достигается за счет выбора числа пазов ротора большим числа пазов статора не менее чем на 20%. Статор должен выполняться на оптимальное число пар полюсов (2р). Количество полюсов выбираются из условия, чтобы частота питания было не ниже 4 Гц. Конструкция паза статора должна обеспечивать оптимальное сочетание проводимости рассеяния и проводимости основного потока с целью максимизации рабочего момента. Паз должен быть максимально широким и иметь максимально допустимое раскрытие. Количество пазов статора должно обеспечивать получение значения q (числа пазов на полюс и фазу) не менее 2. Конструкция обмотки должна обеспечивать наименьшую длину лобовых частей. Это обеспечивается оптимальным укорочением двухслойной обмотки или применением «развалки» при однослойной обмотке.
Таким образом, для низкооборотного высокомоментного асинхронного двигателя должна быть применена конструкция статора при 2р=6-12 с числом пазов 54-108 и конфигурации паза по фиг.2 с раскрытием не менее 3,5 мм. Число пазов ротора 66-130, ротор изготавливается без скоса пазов. Основные отношения приведены в таблице.
Таблица соотношения чисел пазов статора и ротора высокомоментного асинхронного двигателя, питаемого от низкочастотного преобразователя частоты.
2р
Z1
Z2 (не менее)
q
6
54
66
3
6
72
86
4
8
72
86
3
8
96
114
4
10
60
74
2
10
90
108
3
12
72
86
2
12
108
130
3
(Z1 - число пазов статора, Z2 - число пазов ротора, 2р - число пар полюсов, q - число пазов на полюс и фазу).
2
Конструкция паза ротора, изображенная на фиг.1, позволяет значительно уменьшить величину индуктивного сопротивления рассеяния за счет раскрытия паза ротора до 2,2 мм с переходом на высоте 1 мм к широкой части верхушки паза, что при сочетании чисел пазов ротора и статора, обозначенном в таблице, повышает величину максимального момента, увеличивая перегрузочную способность двигателя, что особенно важно для пуска двигателя с механизмом, имеющим большие маховые массы. Отсутствие скоса уменьшает добавочные потери от поперечных токов высших гармоник при числе пазов ротора, большем числа пазов статора, одновременно это снижает значение Х'. Это позволяет улучшить энергетику двигателя и повысить его перегрузочную способность как в двигательном, так и в генераторном режимах.
Конструкция статора изображена на фиг.2. Данная конструкция с раскрытием паза до 4 мм преследует цель уменьшения индуктивного сопротивления рассеяния паза. Закругление верхней части паза - арочная конструкция - обеспечивает большую жесткость магнитной системы. Это улучшает виброакустические характеристики двигателя, что особенно важно при отсутствии скоса пазов ротора, а также обеспечивает наибольший коэффициент заполнения паза, что позволяет уменьшить активное сопротивление статора, уменьшить активные потери и увеличить теплоотдачу от наиболее нагретой части двигателя - обмотки статора. Все это также способствует повышению максимального момента двигателя.
Создание оптимального высокоэффективного двигателя при питании от низкочастотного преобразователя частоты обеспечивается всем комплексом предлагаемых технических решений. Применение только одного из перечисленных решений не позволит получить требуемые характеристики.