Ротор асинхронного двигателя с литой беличьей клеткой
ROTOR OF CAST SQUIRREL-CAGE INDUCTION MOTOR

Область техники, которой относится изобретение
Изобретение относится к области электрических машин, а именно к асинхронным двигателям с литой беличьей клеткой.
Уровень техники
Известна конструкция ротора асинхронного двигателя с литой беличьей клеткой [1], в которой и пазы и расположенные в них стержни в сечении представляют собой трапецию, чаще всего скругленную в верхней и нижней частях паза (стержня) - ротор с одноклеточным глубоким пазом. Такая форма паза (стержня) - одноклеточный глубокий паз (стержень) - обеспечивает рациональное использование зубцовой зоны ротора ввиду постоянства ширины зубцов, что важно в плане оптимизации их магнитной загрузки и достижения при этом максимально возможной площади пазов (стержней).
Однако эффект вытеснения тока, возникающий при пуске в таких пазах (стержнях) ротора, зачастую оказывается недостаточно выраженным, следствием чего является избыточная величина пускового тока и недостаточная величина пускового момента.
Проблема снижения пускового тока и повышения пускового момента зачастую решается применением двухклеточного паза (стержня) [2] ротора, выполняемого путем сужения небольшого его участка и соответственно разделением его на два соединенных между собой перемычкой-шлицом паза (стержня) - верхний паз (стержень) и нижний паз (стержень).
Недостатком такой конструкции является снижение технологичности, вызванное тем, что зачастую требуемое существенное увеличение высоты шлица, так же, как и уменьшение его ширины, ведут к снижению стойкости штампов, используемых при вырубке пазов.
Эта проблема может быть решена выполнением ферромагнитного мостика (магнитной перемычки) между верхним и нижним пазами (стержнями) [3]. Однако здесь возникает иная проблема: отсутствие теплового канала между верхним стержнем и нижним стержнем и соответственно угрожающее расплавлением материала верхнего стержня повышение его температуры ввиду выделения в нем больших электрических потерь в режиме пуска - с одной стороны, и малой площади его сечения и соответственно малой теплоемкости стержня - с другой стороны.
Сущность изобретения
Задачей, решаемой изобретением, является повышение пускового момента и ограничение пускового тока асинхронного двигателя при сохранении технологичности его изготовления и надежности в эксплуатации.
Технический результат изобретения заключается в повышении пускового момента и ограничении пускового тока асинхронного двигателя.
Указанный технический результат достигается тем, что ротор асинхронного электродвигателя с литой беличьей клеткой, включающий в себя сердечник, расположенный на валу и состоящий из листов ротора с пазами, обмотку, содержащую стержни, расположенные в пазах листов и короткозамыкающие кольца, причем сердечник ротора выполнен чередованием пакетов двух типов листов ротора:
листов ротора из электротехнической стали с выполненными в них двухклеточными пазами, с залитыми в каждом пазу стержнями обмотки, при этом между частями паза выполнена ферромагнитная перемычка;
и листов ротора электротехнической стали с выполненными одноклеточными глубокими пазами,
в частном случае реализации заявленного технического решения отношение длины пакета листов ротора с одноклеточным глубоким пазом к длине пакета листов ротора с двухклеточными пазами находится в диапазоне 0,05÷0,3;
в частном случае реализации заявленного технического решения стержни обмотки выполнены методом заливки заодно с короткозамыкающими кольцами и вентиляционными лопатками;
в частном случае реализации заявленного технического решения стержни обмотки выполнены из алюминия, или меди, или их сплавов.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
фиг. 1 - осевой разрез ротора с литой беличьей клеткой;
фиг. 2 - лист ротора с одноклеточными глубокими пазами;
фиг. 3 - лист ротора с двухклеточными пазами;
фиг. 4 - одноклеточный глубокий паз листа ротора и стержень, размещенный в нем;
фиг. 5 - двухклеточный паз листа ротора с ферромагнитной перемычкой и две части стержня, размещаемые в пазах;
фиг. 6 - осевое сечение ротора, в котором сердечник выполнен чередованием пакетов листов ротора с двухклеточными пазами и пакетов листов ротора с глубокими одноклеточными пазами;
фиг. 7 - осевое сечение ротора с разрезом по стержню, выполнен чередованием пакетов листов ротора с двухклеточными пазами и пакетов листов ротора с глубокими одноклеточными пазами.
На чертежах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - сердечник; 2 - короткозамыкающее кольцо; 3 - вал; 4 - лист ротора с глубоким одноклеточными пазами; 5 - лист ротора с двухклеточными пазами; 6 - паз глубокий одноклеточный; 7 - стержень, расположенный в глубоком одноклеточном пазу; 8 - верхняя часть двухклеточного паза; 9 - стержень, расположенный в верхней части двухклеточного паза; 10 - нижняя часть двухклеточного паза; 11 – стержень, расположенный в нижней части двухклеточного паза; 12 - перемычка; 13 - пакет листов ротора с двухклеточными пазами; 14 - пакет листов ротора с глубокими одноклеточными пазами; 15 - теплопроводный участок; 16 - участок пакетов листов с двухклеточными пазами.
Раскрытие изобретения
Ротор асинхронного двигателя содержит сердечник ротора, короткозамыкающе кольца (5), а также вал (6), на котором расположен сердечник (1).
При этом сердечник (1) ротора состоит из листов ротора с выполненными в нем пазами и расположенными в пазах стержней обмотки. Стержни обмотки выполнены методом заливки.
В предлагаемом роторе асинхронного двигателя сердечник (1) ротора составлен чередованием пакетов двух типов листов ротора:
- листов ротора из электротехнической стали с выполненными в них двухклеточными пазами. При этом в каждой части паза выполнены методом заливки стержни обмотки. Паз и расположенный в нем стержень обмотки разделены на две части соответственно - верхний паз (7) с расположенным в нем верхним стержнем (8) и нижний паз (9) с расположенным в нем нижним стержнем (10). При этом между верхней и нижней частями паза и соответственно между верхним и нижним стержнями обмотки выполнена ферромагнитная перемычка (12);
- и листов ротора электротехнической стали с одноклеточными глубокими пазами. При этом в каждом одноклеточном пазу выполнен методом заливки стержень (4) обмотки.
Данное чередование выполняется с целью обеспечения сочетания высоких пусковых свойств двигателя, определяемых двухклеточными пазами с ферромагнитными перемычками с одной стороны и выравнивания степени нагрева верхних и нижних стержней, обусловленного наличием теплопроводных участков (15) между ними в зоне пакетов листов с глубокими одноклеточными пазами.
Отношение длины пакета листов ротора с одноклеточным пазом к длине пакета листов ротора с двухклеточными пазами находится в диапазоне 0,05-0,3. При малых значениях данного отношения теплопроводность меду верхним и нижними стержнями ослаблена, что приводит к возникновению перегрева верхнего стержня и опасности его выплавления, при значениях отношения больших граничного значения пусковые свойства двигателя начинают приближаться к пусковым свойствам двигателя с глубоким одноклеточным пазом, то есть ухудшаются.
Стержни обмотки выполнены заливкой заодно с короткозамыкающими кольцами и вентиляционными лопатками. Стержни могут быть выполнены из алюминия, меди или их сплавов. Высокая теплопроводность всех участков его сечения обеспечивает равномерный нагрев и отсутствие местных перегревов.
Двухклеточный паз ротора с ферромагнитной перемычкой обеспечивает хорошие пусковые свойства, но отсутствие тепловой связи между верхним стержнем, в котором в режиме пуска выделяется большое количество тепла, с нижним стержнем чревато расплавлением верхнего стержня. На участках пакетов листов с одноклеточными пазами возникает теплообмен между верхней и нижней беличьей клетками, что выравнивает температуру их нагрева.
В стержнях ротора асинхронного двигателя с литой беличьей клеткой в режиме пуска происходит вытеснение тока, то есть плотность тока в верхнем стержне оказывается существенно более высокой, чем плотность тока в нижнем стержне, что приводит к существенному большему выделению тепла в верхнем стержне, чем в нижнем. В предлагаемом роторе опасность чрезмерного нагрева верхнего стержня снижается наличием теплового обмена между верхним и нижним стержнями, возникающими в зоне расположения листов электротехнической стали с одноклеточным пазом.
По мере разгона двигателя эффект вытеснения тока снижается и плотность тока, а соответственно электрические потери в стержнях верхнем и нижнем распределяется равномерно по всему сечению.
Испытания кранового электродвигателя мощностью 15,0 кВт, частоты вращения 720 об/мин в режиме частых пусков показали, что применение предлагаемого технического решения при отношении длины пакета с глубоким одноклеточным пазом к длине пакета с двойной клеткой с ферромагнитной перемычкой между верхним и нижним пазами, равном 0,1 (длина пакета с одноклеточным пазом составляет 5 мм, а длина пакета с двухклеточным пазом составляет 50 мм), приводит к снижению температуры стержня (верхнего стержня) на поверхности ротора на 60° (с 350° до 290°).
Источники информации
1. Патент Германии DE 2814745, FIG 3А, FIG 3В, FIG 3С.
2. Поволоцкий М.Е. Исследование двухклеточных асинхронных двигателей с ферромагнитным мостиком между клетками. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 1974 г.