Ротор асинхронного электродвигателя
ROTOR OF THE ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к электротехнике и электромашиностроению и предназначено для применения в асинхронных электродвигателях.
Известен ротор асинхронного электродвигателя серии 4А [Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик и др. - М.: Энергоиздат, 1982], содержащий сердечник ротора, короткозамкнутую обмотку ротора и вал. При этом сердечник ротора изготовлен из электротехнической стали в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами и зафиксирован на стальном валу цилиндрической формы. Короткозамкнутая обмотка ротора изготовлена из сплава алюминия в виде конструкции типа "беличья клетка", стержни которой расположены в пазах сердечника ротора, а короткозамыкающие кольца - на торцевых поверхностях сердечника ротора. Короткозамыкающие кольца имеют неизменные радиальный и аксиальный размеры любого поперечного сечения.
п
п
Недостатками такого ротора являются низкое качество процессов запуска и самозапуска электродвигателя и сопряженного с ним технологического оборудования, обусловленное низкой кратностью пускового момента m, и низкое качество напряжения потребителей, подключенных к питающей сети, вследствие высокой кратности пускового тока i электродвигателя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является ротор серийного асинхронного электродвигателя 4А355М2У3 [Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик и др. - М.: Энергоиздат, 1982], содержащий сердечник ротора, короткозамкнутую обмотку ротора и вал, причем сердечник ротора изготовлен в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами и зафиксирован на валу, короткозамкнутая обмотка ротора выполнена в виде конструкции типа "беличья клетка", стержни которой расположены в пазах сердечника ротора, а короткозамыкающие кольца расположены на торцевых поверхностях сердечника ротора и имеют неизменные радиальный и аксиальный размеры любого поперечного сечения.
п
п
Недостатками данного технического решения являются недостаточное качество процессов пуска и самозапуска электродвигателя и сопряженного с ним технологического оборудования, обусловленное низкой кратностью пускового момента m электродвигателя, и низкая надежность работы питающей сети вследствие высокой кратности пускового тока i электродвигателя.
Техническая задача изобретения состоит в повышении кратности пускового момента и снижении кратности пускового тока электродвигателя за счет повышения эффективности использования материала короткозамыкающих колец ротора.
Технический результат заключается в повышении надежности работы электродвигателя и сопряженных с ним питающей сети и технологического оборудования за счет улучшения его пусковых показателей.
c
c
n
n
2
a
*
Это достигается тем, что ротор асинхронного электродвигателя содержит сердечник шириной , выполненный в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами и зафиксированный на валу, короткозамкнутую обмотку, выполненную в виде конструкции типа "беличья клетка" и содержащую стержни длиной , высотой h и шириной b, расположенные в пазах сердечника ротора, и короткозамыкающие кольца, расположенные на торцевых поверхностях сердечника ротора и выполненные с радиальной высотой  и аксиальной толщиной b, согласно изобретению на четных зубцовых делениях длиной t короткозамыкающих колец в радиальном направлении выполнены проточки прямоугольной формы длиной  и глубиной h, расположенные симметрично относительно осей симметрии четных зубцовых делений, при этом относительная длина  проточек выбирается по формуле , относительная глубина h проточек выбирается с учетом необходимости обеспечения допустимого перегрева ротора по выражению
,
*
n
а абсолютные значения длины и глубины проточек определяются, как  и h=h⋅b,
где  - относительная площадь поверхности охлаждения короткозамыкающих колец в долях от соответствующей площади короткозамыкающих колец без радиальных проточек,
- относительные значения теплового потока в стержнях и короткозамыкающих кольцах обмотки ротора в долях от соответствующих показателей ротора без проточек,
- относительная длина стержней клетки,
αy
k - коэффициент повышения теплоотдачи короткозамыкающих колец за счет турбулентности охлаждающего воздуха в областях проточек.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема основных конструктивных узлов ротора асинхронного электродвигателя, на фиг. 2 показана детализированная конструкция короткозамыкающих колец обмотки ротора, на фиг. 3 представлены зависимости относительного активного сопротивления элемента кольца (кривая 1), относительного индуктивного сопротивления элемента кольца (кривая 2), относительной массы колец (кривая 3) и относительной площади поверхности охлаждения колец (кривая 4) от относительной толщины кольца под проточкой, на фиг. 4 показана векторная диаграмма номинальных токов в стержнях, на фиг. 5 представлена векторная диаграмма пусковых токов в стержнях.
c
c
n
n
2
a
*
Ротор асинхронного электродвигателя содержит сердечник 1 шириной , выполненный в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами и зафиксированный на валу 2, короткозамкнутую обмотку, выполненную в виде конструкции типа "беличья клетка" и содержащую стержни 3 длиной , высотой h и шириной b, расположенные в пазах сердечника ротора 1, и короткозамыкающие кольца 4, расположенные на торцевых поверхностях сердечника ротора 1 и выполненные с радиальной высотой  и аксиальной толщиной b. На четных зубцовых делениях длиной t короткозамыкающих колец 4 в радиальном направлении выполнены проточки 5 прямоугольной формы длиной  и глубиной h, расположенные симметрично относительно осей симметрии 6 четных зубцовых делений. При этом относительная длина  проточек 5 выбирается по формуле , относительная глубина h проточек 5 выбирается с учетом необходимости обеспечения допустимого перегрева ротора по выражению
,
*
n
а абсолютные значения длины и глубины проточек определяются, как  и h=h⋅b,
где  - относительная площадь поверхности охлаждения короткозамыкающих колец 4 в долях от соответствующей площади короткозамыкающих колец 4 без радиальных проточек,
- относительные значения теплового потока в стержнях 3 и короткозамыкающих кольцах 4 обмотки ротора в долях от соответствующих показателей ротора без проточек,
- относительная длина стержней 3 клетки,
αy
k - коэффициент повышения теплоотдачи короткозамыкающих колец 4 за счет турбулентности охлаждающего воздуха в областях проточек 5.
n
n
Таким образом, аксиальная толщина короткозамыкающего кольца 4 имеет различную величину на нечетных и четных зубцовых делениях (величину b на нечетных зубцовых делениях и величину b<b на четных зубцовых делениях под проточкой 5).
Ротор асинхронного электродвигателя работает следующим образом.
Вращающееся магнитное поле, взаимодействуя с токами короткозамкнутой обмотки ротора, порождает электромагнитные силы, которые реализуются в форме момента, приложенного к ротору и передающегося на его вал 2 к рабочей машине. Этот момент совершает полезную работу по преодолению момента сопротивления рабочей машины. В пусковом режиме избыточный, по отношению к моменту сопротивления рабочей машины, пусковой момент совершает работу по разгону ротора электродвигателя до номинальной частоты вращения.
Выполнение проточек 5 снижает массу короткозамыкающих колец 4 и повышает эффективность использования их материала. Относительная масса короткозамыкающих колец 4 клетки с радиальными проточками 5 в долях от массы колец клетки без проточек выражается формулой
*
n
где  - относительная длина проточки, h=h/b - относительная глубина проточки 5. Эффективность использования материала короткозамыкающих колец оценивалась значением коэффициента эффективности
где
*
добротность пуска. Как следует из выражений (1), (2), повышение относительных размеров  и h проточек 5 способствует повышению коэффициента эффективности использования материала короткозамыкающих колец 4.
Выполнение проточек 5 повышает активное, индуктивное сопротивления и коэффициент мощности элементов короткозамыкающих колец 4 четных зубцовых делений и, как следствие, активное сопротивление  индуктивное сопротивления  и коэффициент мощности короткозамкнутой обмотки ротора в целом. Рост сопротивлений приводит к снижению пускового тока короткозамкнутой обмотки ротора  и пускового тока электродвигателя в целом
Преобладающее, по отношению к влиянию пониженного пускового тока, влияние повышенного активного сопротивления обеспечивает повышенный пусковой момент электродвигателя
1
где р - число пар полюсов электродвигателя, m - число фаз электродвигателя, ƒ - частота питающего напряжения.
Выполнение проточек 5 на короткозамыкающих кольцах 4 обеспечивает рост сопротивлений короткозамкнутой обмотки ротора, сопровождающийся интенсивным ростом ее активного сопротивления  и коэффициента мощности
Для активного и индуктивного сопротивлений элементов короткозамыкающих колец 4 четных зубцовых делений, входящих в соответствующие сопротивления короткозамкнутой обмотки ротора в качестве слагаемых, справедливы следующие выражения
dr
dx
n
y
y
dr
dx
где коэффициенты k, k учитывают снижение толщины короткозамыкающего кольца 4 до величины b<b за счет проточек 5; сопротивления R, X соответствуют элементам короткозамыкающего кольца 4 без проточек. Выражения для коэффициентов k, k имеют вид:
где  - относительная высота короткозамыкающего кольца 4,
- относительный диаметр короткозамыкающего кольца 4.
dr
2
dx
*
*
Зависимость k(h) по (9) и (7) определяет интенсивность роста активного сопротивления короткозамкнутой обмотки ротора  и, как следствие, интенсивность роста коэффициента мощности cos(ϕ) и пускового момента электродвигателя при повышении глубины проточек 5. Зависимость k(h) по (10) и (8) определяет интенсивность роста индуктивного сопротивления короткозамкнутой обмотки ротора  и, как следствие, интенсивность снижения пускового тока электродвигателя при повышении глубины проточек 5.
*
*
*
*
dr
dx
Как видно из расчетных кривых, приведенных на фиг. 3, где b=1-h, согласно проведенным расчетам, функция k(h) по (9) имеет существенно более высокие темпы роста, чем функция k(h) по (10). Этим определяется опережающий рост коэффициента мощности короткозамкнутой обмотки ротора и рост пускового момента электродвигателя при повышении глубины проточек 5.
2
2
n
a
Выполнение проточек 5 в короткозамкнутой обмотке ротора, содержащей z стержней 3, создает в ней z/2 локальных областей длиной , аксиальной шириной b, радиальной высотой , расположенных по центрам четных зубцовых делений и обладающих повышенными сопротивлениями, повышенным коэффициентом мощности и повышенным уровнем теплового потока. Повышенные значения сопротивлений короткозамкнутой обмотки ротора и ее коэффициента мощности обеспечивают снижение пускового тока и повышение пускового момента электродвигателя. Локальность областей, повышенные значения площади поверхности охлаждения и коэффициента теплоотдачи обеспечивают поддержание теплового состояния ротора в рамках допустимого роста перегрева +3%.
Таким образом, выполнение проточек 5 в короткозамкнутой обмотке ротора решает поставленную техническую задачу.
Опытным путем получены данные, подтверждающие достижение заявленного технического результата. Количественная оценка результатов изобретения производилась путем математического моделирования пускового и номинального режимов электродвигателя 4А355М2У3.
Ротор электродвигателя имеет следующие технические данные:
число пар полюсов
р=1
число стержней короткозамкнутой обмотки ротора
z<sub>2</sub>=38
длина стержней
ℓ<sub>δ</sub>=365 мм
внешний диаметр короткозамыкающих колец
D<sub>k</sub>=307 мм
размеры поперечного сечения короткозамыкающих колец
<i>a</i><sub>n</sub>×b<sub>n</sub>=50×45 мм
относительная длина проточек
k<sub>ℓ</sub>=0.59
относительная глубина проточек
h<sup>*</sup>=0.7
*
*
*
*
*
dr
dx
Расчет производился для электродвигателя без проточек на короткозамыкающих кольцах 4 и электродвигателя с радиальными проточками 5, имеющими относительные размеры , h=0.7, на элементах короткозамыкающих колец 4 четных зубцовых делений. Отдельно, по формулам (9), (10), (1) были рассчитаны зависимости k(b), k(b), M(b), представленные на фиг. 3 в виде графиков 1, 2, 3 соответственно. Зависимость, представленная на фиг. 3 в виде графика 4, рассчитывалась по формуле .
*
Значение b=0 на фиг. 3 соответствует варианту «без проточек». Расчетные результаты, приведенные на графиках 1 и 2 фиг. 3, подтверждают опережающий рост активного сопротивления и коэффициента мощности четных зубцовых делений кольца короткозамкнутой обмотки ротора.
αy
Сводные данные расчета режимов в относительных единицах приведены в табл. 1 и табл. 2. Номинальный электрический КПД клетки рассчитывался как отношение полной механической мощности к электромагнитной мощности. Добротность клетки рассчитывалась по формуле (3), относительная масса короткозамыкающих колец 4 - по формуле (1), коэффициент эффективности - по формуле (2), перегрев ротора - по формуле , для которой значение коэффициента k=1.05 принималось по рекомендациям опубликованных источников.
Данные табл. 1 свидетельствуют о следующих фактах.
1. Номинальное скольжение для заявляемой конструкции повышается на 23% с соответствующим повышением электрических потерь. При этом превышение температуры ротора возрастает на 2%.
2. Номинальный электрический КПД клетки снижается на 0.2%, что компенсируется снижением механических потерь электродвигателя, обусловленным снижением номинальной частоты вращения ротора.
3. Практически исключительно (на 69%) потери растут в кольцах, которые хорошо охлаждаются. Рост потерь в стержнях клетки составляет 0.7%, что способствует стабильности теплового состояния ротора.
4. На 27% повышается эффективность использования материала короткозамыкающих колец.
5. Имеет место слабая и преимущественно - фазовая, асимметрия токов клетки в заявляемой конструкции. На фиг. 4 приведена векторная диаграмма номинальных токов в стержнях. Окружность соответствует номинальному току прототипа 1 о.е. Токи в стержнях имеют величины "четный"/"нечетный"=1.007/0.997 о.е.
Таким образом, в целом негативное влияние радиальных проточек на номинальные показатели ротора электродвигателя невелико.
Данные табл. 2 свидетельствуют о следующих фактах.
1. Обеспечивается существенный - на 20% рост коэффициента мощности заявляемой конструкции.
2. Обеспечивается существенная "активизация" колец заявляемой конструкции. Так рост мощности колец составил 63% против 18% роста мощности всей клетки.
3. Обеспечивается существенный - на 52% рост эффективности использования материала короткозамыкающих колец в заявляемой конструкции.
4. Обеспечивается существенный - на 18% рост кратности пускового момента, при снижении кратности пускового тока на 2%.
5. Пусковые токи заявляемой конструкции практически симметричны. Они приведены на векторной диаграмме токов в стержнях, представленной на фиг. 5. Окружность очерчивает звезду пусковых токов прототипа, величиной 7 о.е. Токи в заявляемой клетке имеют величины "четный"/"нечетный"=6.896/6.844 о.е.
Таким образом, радиальные проточки обеспечивают существенное повышение показателей качества пусковых режимов асинхронного электродвигателя. В наибольшей степени это относится к двухполюсным асинхронным электродвигателям с высотой оси вращения 315-355 мм.
Использование изобретения позволяет снизить расход активных материалов, гарантировать надежный пуск и самозапуск асинхронных электродвигателей, оснащенных заявленными роторами, за счет повышения эффективности использования материала обмотки ротора, что повышает надежность работы электродвигателя и сопряженных с ним питающей сети и технологического оборудования.