АСИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА

Изобретение 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.
Целью изобретения является снижение массы и себестоимости асинхронных электрических машин (далее - машин) и повышение их надежности и долговечности.
Известна трехфазная асинхронная электрическая машина в частности двигатель [1] имеющий круглую литую станину с ребрами в которую устанавливается круглый пакет статора из листов электротехнической стали. Данные электродвигатели, как правило, закрытые со степенью защиты I Р44 ГОСТ 17494. Их охлаждение производится потоком воздуха, создаваемым крыльчаткой вентилятора и направляемым вдоль оси по наружной поверхности станины и ребер.
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 асинхронные электрические машины нагреваются в основном за счет вихревых токов, перемагничивания и от токов обмоток. 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 статора. 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.
Наиболее близкой машиной того же назначения к заявленному объекту по совокупности признаков является асинхронная электрическая машина [3], принятая за прототип, 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. К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известной машины, принятой за прототип относятся 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.
Известна так же электрическая асинхронная машина [4] в которой ее внутренняя полость защищена от попадания пыли. Однако она имеет существенный недостаток - наличие дополнительного специального диска, выполненного из алюминиевого сплава, служащего только для защиты от пыли и не выполняющего других функций, что повышает массу и себестоимость изделия.
Целью заявленного изобретения является снижение массы и себестоимости асинхронных электрических машин и повышение их надежности и долговечности.
Для достижения поставленной цели предложена бескорпусная конструкция асинхронной электрической машины (Рис.1, Рис.2) в которой пакет статора 1 выполнен в виде восьмигранника и скреплен, в частности, приварен к четырем профильным стандартным уголкам 2, которые являются несущими элементами всей машины. На четырех гранях пакета статора, находящихся под данными уголками, для увеличения его площади охлаждения, выполнены пазы 3 прямоугольной или иной формы.
Со стороны всасывания воздуха и с противоположной стороны предусмотрены стальные фланцы 4 и 5, 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. Щиты 6 и 7 базируются на специальные поверхности фланцев и крепятся к ним, центробежный вентилятор 8 установлен на вал 9; диафрагма 10 крепится к торцу уголков 2, а кожух 11 к диафрагме 10; сетки 12 расположены на боковых поверхностях кожуха 1 l.Ha рис.2 поток охлаждающего воздуха, показанный стрелками втягивается сквозь сетки 12 в полость 13, ограниченную щитом 6, фланцем 4, уголком 2 и далее за счет разряжения создаваемого крыльчаткой 14, центробежного вентилятора 8, протекает в осевом направлении по четырем полостям - воздуховодам образуемым уголком 2 и пакетом статора 1, охлаждая последний, выходит в полость 15, ограниченную рабочим щитом 7, рабочим фланцем 5, диафрагмой 10 и уголком 2; далее втягивается в полость 17, ограниченную диафрагмой 10 и кожухом 11 и через сетки 12 выбрасывается из машины. Центробежный вентилятор 8 совмещен с зубчатым колесом 16 служащим для работы с датчиком импульсов в системе обратной связи по частоте вращения машины. Таким образом поток охлаждающего воздуха протекает вдоль поверхности щитов, фланцев, статора, охлаждая их. На четырех гранях пакета статора, находящимися под профильными уголками предусмотрены пазы прямоугольной или иной формы увеличивающие площадь его охлаждения. Четыре профильных стандартных уголка не только выполняют функцию каркаса изделия, но и служат для создания четырех полостей-воздуховодов для протекания охлаждающего воздуха; а диафрагма 10 разделяет полости 15 и 16 и служит для увеличения перепада давления в машине и соответственно объема охлаждающего воздуха протекающего через машину. При этом удается избежать массивной станины в том или ином виде имеющей у аналогов и прототипа.
Предложенное техническое решение позволило за счет бескорпусного построения изделия в котором пакет статора выполнен виде восьмигранника и скреплен четырьмя профильными уголками, выполняющими функцию каркаса, а станина отсутствует; за счет предложенной схемы охлаждения при которой поток охлаждающего воздуха проходит по четырем полостям -воздуховодам вдоль поверхностей статора, находящихся под уголками, у которых имеются пазы прямоугольной или иной формы; за счет защиты полости изделия от попадания пыли с помощью специальных фланцев выполняющих не только функцию опоры и базировки подшипниковых щитов, но и защиты от попадания пыли в полость изделия уменьшить массу и себестоимость машины, а так же повысить ее надежность и долговечность.
Известно так же, что асинхронные электрические машины, в частности, тяговые асинхронные электродвигатели, как правило, питаются от преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией [5]. При данной широко распространенной схеме питания имеют место волновые процессы и как следствие, перенапряжения в первом витке первой катушки каждой фазы обмотки статора [6, 7], что приводит к ускоренному старению изоляции между первым и вторым витком данных катушек и уменьшает срок службы асинхронной электрической машины. Поэтому известные источники [5] предлагают усиление изоляции обмотки в частности за счет применения обмоточного провода с двухслойной изоляцией и изоляционных материалов на более высокие напряжения. Недостатком данного технического решения является увеличение стоимостей обмоточного провода за счет применения двойной (двухслойной) изоляции вместо однослойной и дорогих изоляционных материалов за счет их более высоких характеристик по напряжению пробоя. Другим недостатком является уменьшение коэффициента заполнения паза медью ввиду того, что сечение провода с двойной изоляцией больше, чем с однослойной при равном диаметре медной жилы, что автоматически приводит к увеличению размеров паза и, как следствие, увеличению массы статора и себестоимости машины.
Для исключения упомянутого недостатка предлагается проложить слой изоляционного материала между первым и вторым витками первых катушек каждой фазы обмотки статора оставив обмоточный провод однослойным и на расчетное, а не на повышенное напряжение. В качестве изоляционного слоя можно использовать любые пленочные изоляционные материалы способные выдержать расчетное напряжение между первым и вторым витками первых катушек каждой фазы обмотки в частности слюдопласт композиционный ГИП-Т-ЛСП, стеклопленкослюдопласт ГИП-Т-СГЛ и другие. Реализация данного предложения позволит усилить изоляцию не по всей обмотке, а только в месте воздействия пиковых напряжений, а именно между первым и вторым витками первых катушек каждой фазы обмотки машины и, таким образом, даст возможность применить провод с однослойной изоляцией, что приведет к снижению себестоимости машины. Кроме того, использование провода с однослойной изоляцией вместо двухслойного позволит повысить коэффициент заполнения паза медью, уменьшить его размеры и, как следствие, снизить массу и себестоимость машины.
Известно, что при заливке роторов асинхронных электрических машин для обеспечения равномерного заполнения сечения паза жидким расплавленным металлом на дне каждого паза выполняется прорезь [8].К недостаткам данного решения относится сохраняющаяся возможность неравномерного заполнения паза в его углах, образующихся дном и боковыми стенками (далее - в углах), ввиду того, что подсос жидкого металла за счет высокой скорости выхода воздуха в прорези, происходит к самой прорези т.е. к центру дна паза, оставляя вероятность неравномерности заполнения сечения паза в его углах. Возможность неравномерности заполнения паза в его углах увеличивается ввиду часто имеющей место некоторой расшихтовке пакета ротора, приводящей к местным уменьшениям сечения прорези.
Для исключения данного недостатка предлагается выполнить две симметричные прорези на дне паза ротора (см. рис.3) асинхронной электрической машины.
Две прорези на дне каждого паза ротора расположенные симметрично относительно его ширины обеспечивают равномерный подсос жидкого металла к дну паза по всей его ширине, что улучшает равномерность заполнения паза жидким расплавленным металлом в том числе в углах и таким образом повышается надежность и долговечность машины.
Таким образом предложенные авторами конструкторские решения, а именно:
- выполнение пакета статора в виде восьмигранника, скрепленного четырьмя профильными уголками позволили исключить станину и таким образом снизить массу и себестоимость изделия, создать четыре полости-воздухо воды в осевом направлении для прохождения охлаждающего воздуха, что повышает надежность и долговечность асинхронной электрической машины.
- выполнение на четырех гранях пакета статора, находящихся под профильными уголками, пазов прямоугольной или иной формы, позволило увеличить площадь охлаждения статора, уменьшить его нагрев, что увеличивает долговечность и надежность изделия.
- крепление к статору с двух сторон специальных фланцев которые наряду с основной функцией - обеспечение крепления и точной базировки подшипниковых щитов выполняет дополнительную функцию - защищают внутреннюю полость изделия от попадания пыли позволяет повысить надежность и долговечность асинхронной электрической машины.
укладка слоя изоляции между первым и вторым витками первых катушек каждой фазы обмотки статора позволила повысить коэффициент заполнения паза, уменьшить его размеры и таким образом уменьшить пакет статора и снизить себестоимость машины..
- выполнение двух симметричных прорезей на дне пазов ротора позволяет обеспечить равномерное заполнение сечения пазов ротора жидким металлом и таким образом повышает надежность и долговечность асинхронной электрической машины.
Использование заявленного изобретения позволит снизить массу и себестоимость асинхронных электрических машин и повысить их надежность и долговечность. Предложенные конструкторские решения были использованы в асинхронных электрических машинах производства ОАО «Псковский электромашиностроительный завод.», г.Псков которые успешно прошли эксплуатационные испытания в составе троллейбусов, изготовленных ОАО «Трансальфа»,г.Вологда.
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. Дартау А.А., Кожевников В.А., Соболева Н.П., Чебурахин И.М., Макаров Л.Н., АС СССР SU 1089720А кл. Н02К 17/00. Бюл. №16 от 30.04.84.
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.
8. Песков В.А., Капка В.В. АС СССР №1451814А1 кл. Н02К 17/00. Бюл. №2 от 15.01.89.