КЛЕТКА РОТОРА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С ПОВЫШЕННОЙ ДОБРОТНОСТЬЮ ПУСКА
ROTOR CAGE OF ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR WITH INCREASED START QUALITY FACTOR

Изобретение относится к электротехнике и электромашиностроению и предназначено для применения в асинхронных электродвигателях.
Известен способ повышения добротности пускоасинхронного электродвигателя, заключающийся в использовании эффекта вытеснения тока в стержнях короткозамкнутой клетки ротора. Согласно данному способу ток вытесняется в верхние части стержней клетки, в результате чего активное сопротивление и коэффициент мощности клетки увеличиваются, а индуктивное сопротивление снижается. ([1. Вольдек А.И. Электрические машины: Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. - 3-е изд. перераб. - Л.: Энергия, 1978, глава 27, рис. 27-2].) В случае интенсивного эффекта вытеснения тока рост коэффициента мощности имеет доминирующий характер, что выражается в преобладающем повышении кратности пускового момента по отношению к кратности пускового тока и в общем повышении добротности пуска электродвигателя ,
п
п
где m и i - кратности пускового момента и пускового тока.
Недостатком данного способа является ограниченное влияние эффекта вытеснения тока в стержнях на величину добротности пуска. Это связано с тем, что ограниченные радиальные размеры ротора не позволяют существенно интенсифицировать эффект вытеснения тока (см. [1], рис. 27-2).
Известны также устройства короткозамкнутых клеток ротора, реализующие известный способ. Это клетки глубокопазных электродвигателей, клетки двухклеточных двигателей, клетки двигателей с колбообразной, клинообразной и другими формами поперечного сечения стержней, замкнутых по торцам короткозамыкающими кольцами. ([2. Сергеев П.С. и др. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, переработ. и доп.: М. Энергия, 1969, параграф 13-5], [1], параграфы 27-1, 27-2, 27-3.)
п
п
Недостатком известных устройств является низкая добротность пуска, реализуемая ими. Для серийных асинхронных электродвигателей, имеющих кратности пускового момента и пускового тока в диапазонах m=1.0-2.2, i=5.5-7.5 ([3. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/ А.Э. Кравчик и др. - М.: Энергоиздат, 1982]), ее значения не превышают
при гипотетическом максимальном значении , соответствующем полностью активному пусковому току. Известные возможности повышения значение добротности пуска ограничены тем, что в существующих клетках ротора влияние на ее величину оказывает вытеснение тока в стержнях. В короткозамыкающих кольцах клетки эффект вытеснения тока выражен слабо, как это имеет место у двигателей мощностью более 100 кВт, или практически не выражен, как это имеет место у двигателей мощностью менее 100 кВт. (См., например, выражения (27-1), [1].) Причиной слабой выраженности эффекта вытеснения тока в кольцах является отсутствие ферромагнитного окружения с трех сторон каждого короткозамыкающего кольца.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является клетка ротора асинхронного электродвигателя, содержащая стержни и медные короткозамыкающие кольца, причем медные короткозамыкающие кольца снабжены кольцевыми экранами из ферромагнитной стали, выполненными в виде плоских колец и закрывающими внутренние и наружные боковые поверхности колец ([2], параграф 13-5, пункт 7). Благодаря ферромагнитным стальным экранам, данное техническое устройство, называемое далее "прототип", усиливает эффект вытеснения тока в короткозамыкающих кольцах клетки и позволяет повысить добротность пуска на величину порядка 15-17 процентов по сравнению с серийными электродвигателями.
Недостатком такого технического устройства является низкая добротность пуска. Задачи разработки современных энергоэффективных асинхронных электродвигателей требуют повышения добротности пуска не менее чем в 2 раза.
Техническая задача изобретения заключается в повышении добротности пуска электродвигателя не менее чем в 2 раза.
Технический результат достигается тем, что в клетке ротора асинхронного электродвигателя, содержащей стержни и медные короткозамыкающие кольца, медные короткозамыкающие кольца со стороны верхних и наружных боковых поверхностей закрыты двухслойными экранами из ферромагнитной стали и меди, выполненными в виде колец с поперечным сечением Г-образной формы.
Устройство такой клетки иллюстрируется фиг. 1, на которой показано: 1 - стержень ротора (пунктирными линиями показаны верхняя и нижняя границы стержня), 2 - пакет магнитопровода ротора, 3 - медное короткозамыкающее кольцо, 4 - стальной слой экрана с поперечным сечением Г-образной формы, 5 - медный слой экрана с поперечным сечением Г-образной формы.
2
4
0
Клетка ротора по фиг. 1 работает так же, как и клетка серийного электродвигателя, но со следующими особенностями. Во-первых, ферромагнитный слой экрана Г-образной формы в 2-3 раза повышает индуктивные сопротивления медных короткозамыкающих колец, что способствует снижению кратности пускового тока. Во-вторых, ферромагнитный слой экрана Г-образной формы, закрывая не только наружную боковую, но и верхнюю поверхность короткозамыкающего кольца, создает, совместно с пакетом магнитопровода ротора, условия "открытого вниз паза" для токов короткозамыкающего кольца. Благодаря этому, а также в связи с асимметрией, вносимой различием магнитных проницаемостей пакета магнитопровода ротора (μ), стального слоя Г-образного экрана (μ) и медного слоя Г-образного экрана (μ)
2
4
0,
μ>>μ>>μ
пусковые токи вытесняются в правый нижний угол короткозамыкающего кольца и, в значительной мере, в медный слой экрана, обладающий коэффициентом мощности, близким к единице. В связи с этим при пуске существенно повышается коэффициент мощности всей клетки ротора. Совместное действие обоих факторов реализует преобладающий рост кратности пускового момента по отношению к кратности пускового тока и общее повышение добротности пуска электродвигателя. Подбор толщины слоев экрана Г-образной формы обеспечивает рост добротности пуска электродвигателя с заявляемой клеткой не менее чем в 2 раза по отношению к показателям прототипа и серийных электродвигателей. В номинальном режиме ток равномерно распределяется по всей площади короткозамыкающего кольца. В этом режиме частоты токов клетки составляют 1-2 Гц, поэтому влияние повышенных индуктивных сопротивлений короткозамыкающих колец на рабочие характеристики электродвигателя относительно невелико.
Приведенные выше положения подтверждаются результатами аналитических расчетов и моделирования токов и сопротивлений короткозамыкающего кольца, проведенного в среде ELCUT.
Количественная оценка результатов изобретения была произведена на основе формул (13-42) и (13-180) [2]. В соответствии с ними
2.1
2.1
2.50
2.50
1
2.1
2.50
Здесь: первые индексы "1", "2" указывают на принадлежность токов , полных сопротивлений z и активных сопротивлений r цепям статора и ротора, вторые индексы "1", "50" указывают на номинальный и пусковой режимы с частотами токов 1 Гц и 50 Гц соответственно, r, z - активное и полное сопротивления клетки в номинальном режиме; r, z - активное и полное сопротивления клетки в пусковом режиме; s=0.02 - номинальное скольжение; cos(ϕ), cos(ϕ) - коэффициенты мощности клетки в номинальном и пусковом режимах.
Оценочная формула для добротности пуска была записана в предположении справедливости следующего соотношения
,
1
50
где cos(ϕ), cos(ϕ) - коэффициенты мощности короткозамыкающих колец клетки в номинальном и пусковом режимах. С учетом принятых допущений
Данные расчетов и моделирования короткозамыкающих колец заявляемого устройства приведены на фиг. 2 и в таблице 1, а прототипа - на фиг. 3 и в таблице 2.
2
Фиг. 2 представляет распределение токов в короткозамыкающем кольце клетки с двухслойным экраном, имеющим поперечное сечение Г-образной формы и закрывающим верхнюю и наружную боковую поверхности медного короткозамыкающего кольца в соответствии с фиг. 1. Экран выполнен в виде колец из ферромагнитной стали (Ст. 3) и меди, с толщиной каждого слоя 1 мм. Короткозамыкающее кольцо выполнено из меди и имеет поперечное сечение прямоугольной формы размером 44×28 мм. Пакет ротора считался непроводящим электрический ток, а значение его относительной магнитной проницаемости принималось равным μ=1000 о.е. На фиг. 2 показано распределение плотности тока в короткозамыкающем кольце клетки при частотах тока 50 Гц (пусковой режим) и 1 Гц (номинальный режим). Результаты моделирования свидетельствуют о том, что в пусковом режиме ток вытесняется в правый нижний угол короткозамыкающего кольца и, в значительной мере, в медный слой Г-образного экрана, обладающий коэффициентом мощности, близким к единице. Это существенно повышает коэффициент мощности и добротность пуска всей клетки. В номинальном режиме (правая сторона фиг. 2) ток равномерно распределяется по площади кольца.
Сводные данные расчета сопротивлений короткозамыкающего кольца с двухслойным экраном Г-образной формы приведены в таблице 1. Здесь же приведены значения коэффициента мощности короткозамыкающего кольца в пусковом и номинальном режимах, значения коэффициентов изменения сопротивлений короткозамыкающего кольца под действием эффекта вытеснения тока
, ,
а также значения добротности пуска, рассчитанные по формуле (1), и оценочные значения кратностей пускового тока и пускового момента электродвигателя.
r
Результаты моделирования свидетельствуют о следующем. Достигнутое в заявляемом устройстве значение добротности пуска составляет , что в 2.6 раза больше, чем у прототипа (, см табл. 2). Клетка с двухслойным экраном Г-образной формы интенсивно использует эффект вытеснения тока в короткозамыкающих кольцах. На это указывают высокое значение коэффициента вытеснения тока k=10.54, низкое значение кратности пускового тока
высокое значение кратности пускового момента
и существенное снижение индуктивного сопротивления кольца в пусковом режиме  (у прототипа , см. табл. 2). В номинальном режиме за счет ферромагнитного слоя экрана индуктивное сопротивление короткозамыкающих колец клетки по сравнению с прототипом возросло в 2.0 раза (с 0.36 до 0.73, см. табл. 2 и табл. 1). При этом номинальный коэффициент мощности короткозамыкающих колец клетки понизился на 7% (с 0.98 до 0.91, см. табл. 2 и табл. 1). Приведенная выше оценочная формула для кратности пускового тока (2) получена при тех же допущениях, что и формула для добротности пуска (1).
Аналогичные данные прототипа приведены для сравнения на фиг. 3 и в таблице 2.
r
Фиг. 3 представляет прототип с двумя экранами из ферромагнитной стали в виде плоских колец, выполненных из стали (Ст. 3 толщиной 1 мм) и закрывающих обе боковые поверхности медного короткозамыкающего кольца. Короткозамыкающее кольцо имеет прямоугольное сечение размером 44×28 мм. На фиг. 3 показаны: 2 - сердечник магнитопровода ротора, 3 - медное короткозамыкающее кольцо, 4 - стальные экраны в виде плоских колец. На фиг. 3 приведено распределение плотности тока в короткозамыкающем кольце клетки при частотах тока 50 Гц (пусковой режим) и 1 Гц (номинальный режим). Вытеснение тока при пуске происходит к широким - верхней и нижней, поверхностям короткозамыкающего кольца, не закрытым ферромагнитным экраном. Пусковой ток распределяется приблизительно равномерно по ширине короткозамыкающего кольца, занимая около трети его площади. Соответствующий коэффициент изменения активного сопротивления составляет k=2.75. Добротность пуска для прототипа имеет величину  и находится на уровне показателей серийных электродвигателей. В таблице 2 приведены сводные данные моделирования короткозамыкающего кольца прототипа.
п
п
В целом, прототип неэффективно использует эффект вытеснения тока и имеет кратности пускового тока и пускового момента i=5.19; m=1.51. По сравнению с прототипом у клетки с Г-образными двухслойными экранами добротность пуска повысилась в 2.6 раза. Таким образом, заявляемое устройство короткозамкнутой клетки ротора решает техническую задачу изобретения.
Технический результат изобретения состоит в повышении добротности пуска электродвигателя в 2.6 раза, в повышении пускового момента в 1.71 раза, а также в снижении пускового тока в 1.49 раза.
Использование изобретения дает возможность эксплуатации электродвигателей с заявленными клетками в электроприводах с тяжелыми условиями пуска, что существенно расширяет конкурентные преимущества таких электродвигателей.