Асинхронная тяговая электрическая машина привода городского электротранспорта

Полезная модель относится к электрическим машинам и может быть использовано при производстве тяговых асинхронных электродвигателей для городского транспорта, для привода различных механизмов и аппаратов, для работы в составе станков и иного оборудования.
Известна трехфазная асинхронная электрическая машина в частности двигатель [1] имеющий корпус с ребрами в который устанавливается пакет статора из листов электротехнической стали. Данные электродвигатели, как правило, закрытые со степенью защиты IP44 ГОСТ 17494. Их охлаждение производится потоком воздуха, создаваемым крыльчаткой вентилятора и направляемым вдоль оси по наружной поверхности станины и ребер. Таким образом, охлаждение осуществляется через отдельный (в дополнение к активным материалам) элемент конструкции - корпус.
Недостатками данной конструкции является наличие массивной станины, увеличивающей массу и стоимость электрической машины, а так же недостаточное охлаждение статора состоящего из обмотки и пакета статора ввиду малой площади охлаждения последнего так как его наружная поверхность неразветвленная и представляет собой цилиндр не имеющий обдуваемых проточным воздухом дополнительных поверхностей, а путь прохождения теплового потока проходит не напрямую от поверхности к охлаждающему воздушному потоку, а через дополнительное препятствие - станину, что затрудняет его охлаждение. Известно, что в асинхронных электрических машинах основными источниками тепловыделений являются потери в листах электротехнической стали магнитопровода и в обмотках. При этом срок службы данных машин в значительной мере определяется скоростью старения изоляции обмоток статора которая в свою очередь в значительной степени зависит от температуры. Недостаточное охлаждение статора двигателя [1] ускоряет старение его изоляции, что приводит к снижению надежности и долговечности асинхронной электрической машины.
Известна также конструкция машины в частности асинхронного электродвигателя [2], имеющего литую станину, охватывающую только нижнюю половину сердечника статора и корпус из тонкостенной листовой стали, охватывающий только его верхнюю половину. Благодаря тому, что литая станина, охватывающая нижнюю половину сердечника статора совместно с корпусом из тонкостенной листовой стали имеют массу и трудоемкость изготовления меньше, чем выполняющая аналогичные функции литая станина машины [1], уменьшается масса и себестоимость асинхронной электрической машины. Одновременно за счет охлаждения воздушным потоком непосредственно статора, а не через дополнительный элемент, например, через станину, уменьшается его температура и таким образом повышается надежность и долговечность машины.
Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, при использовании данного известного двигателя [2] являются недостаточное снижение массы машины ввиду наличия литой массивной станины в нижней половине изделия, что приводит к повышению его массы и себестоимости; недостаточно эффективное охлаждение статора ввиду малой площади охлаждения так как его поверхность цилиндрическая, неразветвленная то есть имеющая минимальную площадь при заданном наружном диаметре, а так же отсутствие защиты от попадания пыли во внутреннюю полость изделия снижают надежность и долговечность машины.
Схожей по совокупности признаков является асинхронная электрическая машина [3], имеющая, так называемую блочную конструкцию с прямоугольной формой внешних очертаний и с литой коробчатой станиной, охватывающей сердечник статора, не по всей окружности или полуокружности, а только в нижней части и прямоугольного кожуха из тонкостенной листовой стали.
Недостатком известного устройства является то, что в ее состав входит литая массивная коробчатая станина, хотя и меньшая по массе чем аналог (2), но тем не менее приводящая к повышенной массе и себестоимости изделия, а так же малая площадь охлаждения статора ввиду его цилиндрической неразветвленной наружной поверхности, что приводит к повышенному нагреву изоляции обмотки и снижению надежности и долговечности машины, отсутствует защита от попадания пыли во внутреннюю полость машины, что так же уменьшает ее надежность и долговечность.
Наиболее близкой машиной того же назначения является асинхронная электрическая машина [4], принятая за прототип, не имеющая корпуса, что снижает трудоемкость изготовления и, как следствие, стоимость изделия. Представленная конструкция имеет статор из листов электротехнической стали в форме восьмигранника, с профильными металлическими уголками, приваренными к собранному статору, и удерживающими пакет в собранном состоянии. Во избежание ускоренного старения изоляции обмотки статора между первым и вторым витком катушек уложена дополнительная изоляция, что позволяет избежать отрицательных воздействий [5] перенапряжений вследствие волновых процессов в первом витке катушки при питании от частотного преобразователя с широтно-импульсной модуляцией [6, 7]. Ротор выполнен шихтованным из листов электротехнической стали. На дне каждого паза выполнены прорези для исключения возможности образования воздушных раковин в теле залитых стержней.
К недостаткам данной конструкции можно отнести крепление пакета статора только в восьми точках сварки металлического уголка и собранного пакета, что может привести к повышенному шуму двигателя вследствие магнитострикции и выходу из строя при воздействии вибраций и ударов на объекте. Укладка дополнительной изоляции между первым и вторым витками не может обеспечить достаточного механического крепления лобовой части, предохраняющего обмотку от воздействий вибраций на объекте. Сопротивление алюминиевой обмотки на роторе выше сопротивления медной обмотки, что в свою очередь приводит к большему тепловыделению в роторе, в сравнении с медной обмоткой. Четыре профильных стандартных уголка не только выполняют функцию каркаса изделия, но и служат для создания четырех полостей-воздуховодов для протекания охлаждающего воздуха. Поверхность контакта охлаждающего агента с пакетом статора выполнена по четырем коротким граням восьмигранника, что не обеспечивает достаточного охлаждения, что в совокупности с вышеперечисленным приводит к уменьшению надежности и долговечности двигателя.
Технический результат - повышение надежности и долговечности.
Технический результат достигается тем, что асинхронная тяговая электрическая машина привода городского электротранспорта, состоящая из пакета статора с обмоткой, пакета ротора с обмоткой в виде беличьей клетки, подшипниковых щитов, фланцев, вала, вентилятора, имеет пакет статора выполнен в виде восьмигранника и скреплен сваркой в нескольких точках и по периметру контура листа, а в листах статора выполнены вентиляционные отверстия для обеспечения необходимого теплоотвода, и, как следствие, повышения надежности и ресурса машины. В асинхронной тяговой электрической машины привода городского электротранспорта предусмотрены фланцы, которые обеспечивают крепление и точное базирование подшипниковых щитов и одновременно защиту ее внутренней полости от пыли. При этом статор выполнен эмалированным проводом с двойной изоляцией с дополнительной изоляцией каждого витка, с последующей пропиткой, обеспечивающей прочную фиксацию лобовых частей, в целях повышения ресурса машины и надежности ее работы в эксплуатационных условиях, а так же обмотка ротора выполнена из медных шин, сваренных и спаянных с короткозамыкающими кольцами, что обеспечивает снижение тепловыделения, как следствие, температуры и надежности электрической машины.
Заявляемая асинхронная тяговая электрическая машина привода городского электротранспорта обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него конструктивным исполнением крепления пакета статора и системы охлаждения, выполненной в виде вентиляционных отверстий в листах пакета статора. Указанное конструктивное улучшение позволяет повысить механическую прочность изделия и эффективность системы охлаждения и, как следствие, обеспечить в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемая полезная модель может найти широкое применение в городском электротранспорте, для привода различных механизмов и аппаратов, для работы в составе станков и иного оборудования, и потому соответствует критерию «промышленная применяемость».
Полезная модель иллюстрируется
Фиг. 1 - Продольный разрез асинхронной тяговой электрической машины привода городского электротранспорта.
Фиг. 2 - Поперечный разрез асинхронной тяговой электрической машины привода городского электротранспорта.
Для достижения поставленной задачи предложена бескорпусная конструкция асинхронной тяговой электрической машины привода городского электротранспорта (Фиг. 1, Фиг. 2) в которой пакет статора 1 выполнен в виде восьмигранника и скреплен в нескольких точках и по периметру контура листа статора сваркой, с укладкой в углубление для сварки металлического прутка 2 по большим сторонам восьмигранника и стальных листов 3, 4, 5, 6 по меньшим сторонам с последующей приваркой их по замкнутому контуру. Со стороны всасывания воздуха предусмотрен алюминиевый фланец 7, для обеспечения снижения массы, и с противоположной стороны стальной фланец 8, которые кроме основной функции - быть базой для крепления и точного позиционирования (соосность, осевой размер) щитов машины выполняют дополнительную функцию, а именно защищают внутреннюю полость изделия от попадания пыли. Охлаждающий воздух втягивается через решетку 9, выбрасывается крыльчаткой 10 под углом к оси вала для обеспечения наименьшего аэродинамического сопротивления входа охлаждающего воздуха в полости вентиляционных каналов с большей поверхностью охлаждения (в сравнении с прототипом) конфигурации (фиг. 2), выполненных в листах пакета статора, далее выбрасывается из вентиляционных каналов в окружающую среду. В роторе 11 обмотка выполнена из медных стержней стандартного профиля, приваренных (или припаянных) к коротко замыкающим кольцам 12. В подшипниковых узлах применены стандартные сферические подшипники 13 и 14, позволяющие увеличить максимальный ресурс этих узлов двигателя. При этом удается избежать массивной станины в том или ином виде имеющей у аналогов и прототипа.
Асинхронный тяговый двигатель привода городского электротранспорта работает следующим образом. При подаче напряжения на обмотку статора 1 (собранного из листов электротехнической стали и скрепленный сваркой прутками 2 и пластинами 3, 4, 5, 6) от источника питания переменного напряжения, ротор 11 приводится во вращение путем взаимодействия магнитных полей токов обмотки статора 1 и ротора 11. Ток ротора 11 протекает по медным стержням, уложенным в пазы и короткозамыкающим кольцам 12. Свободное вращение ротора 11 относительно статора 1 обеспечивается подшипниками 13 и 14, установленных во фланцах 8 и 7, соответственно. При вращении крыльчатки 10, установленной на роторе 11 происходит втягивание охлаждающего воздуха в полость фланца 7 через решетку 9 за счет создаваемого крыльчаткой 10 разряжения. Далее охлаждающий воздух проходит из полости фланца 7 в полость вентиляционных каналов, выполненных в листах пакета статора 1, обеспечивающими охлаждение, и выбрасывается через аналогичные отверстия во фланце 8.
Список используемой литературы
1. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. М.: Высшая школа, 1984. С. 41, 55.
2. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Энергия, 1980. С. 159-160.
3. Гурин Я.С., Кузнецов Б.И. Проектирование серий электрических машин. М.: Энергия, 1978. С. 63-65.
4. Каледин А.А., Федяков Ю.В., Пахомов Д.М., Попов С.В., Семенов О.С. 19 RU 119477713 U1 кл. Н02К 17/00, Н02К 1/06, Н02К 1/20 Бюл. №15 от 27.05.2010
5. Макаров Л.Н., Ястреба СВ. Особенности работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в системе частотного регулирования. Электротехника, 2007. №11. С. 16, 17.
6. Андрианов М.В., Малышев Э.Е., Родионов Р.В. Экспериментальные исследования частотно-регулируемых асинхронных двигателей для атомных станций в специальных режимах работы. Электротехника, 2005. №5. С. 39.
7. Беспалов В.Я., Зверев К.Н. Импульсные перенапряжения в обмотках асинхронных двигателей при питании от ШИМпреобразователя. Электротехника, 1999. №9. С. 58.