Массивный ротор быстроходной асинхронной машины с короткозамыкающими кольцами

Полезная модель относится к электротехнике и электромашиностроению и предназначена для применения в асинхронных электродвигателях с короткозамыкающими кольцами.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.
Известна клетка ротора асинхронного электродвигателя по патенту РФ №2643180, содержащая стержни и медные короткозамыкающие кольца, характеризующаяся тем, что медные короткозамыкающие кольца с размерами поперечного сечения 25×44 мм со стороны верхних и наружных боковых поверхностей закрыты экранами из ферромагнитной стали, выполненными в виде колец толщиной 2 мм с поперечным сечением Г-образной формы. Использование данного технического решения дает возможность эксплуатации электродвигателей с заявленными клетками в электрических сетях ограниченной мощности, что существенно расширяет конкурентные преимущества таких электродвигателей.
Известна барабанно-торцевая асинхронная электрическая машина по патенту РФ №167207, содержащая корпус, статор, обмотку статора, два ротора с короткозамкнутыми обмотками, расположенными с двух сторон от статора и установленными в подшипниках качения, характеризующаяся тем, что сердечник статора выполнен составным из двух кольцевых модулей с радиальными пазами, установленных с двух сторон цилиндрического модуля с осевыми пазами, в которые уложена единая трехфазная обмотка, причем стаканообразные роторы, охватывающие статор с воздушным зазором, также выполнены составными из дисков с радиальными стержнями и цилиндров с осевыми стержнями и короткозамыкающими кольцами на дисковой и цилиндрической частях. Применение такой конструкции машины снижает материалоемкость, уменьшает поток рассеяния обмотки, увеличивает удельную мощность машины.
Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа.
Недостатком данного устройства, равно как и других конструкций асинхронных электрических машин с роторами, снабженными короткозамыкающими кольцами является то, что такие решения неприменимы для асинхронных машин с массивным ротором при скоростях вращения n>6000 об/мин, вследствие воздействия на короткозамыкающие кольца центробежных сил, которые приводят к разрыву удерживающих их бандажей.
НОМ
Существующая техническая проблема заключается в следующем. Асинхронная машина с массивным ротором работает параллельно с преобразователем повышенной частоты (f>50 Гц.); диапазон номинальных скольжений для этих машин невелик и обычно находится в пределах 0<S≤0,2. Пуск этих машин - частотный, поэтому частота ЭДС и тока ротора определяются в эксплуатационных режимах скольжением в указанных пределах. Пуск осуществляется при условии поддержания неизменным величины потока взаимоиндукции (номинального потока в зазоре), то есть по закону Eст/fст=const. (здесь Ест - ЭДС обмотки статора, fст - частота первой гармоники питающего напряжения), так что насыщение массива ротора в эксплуатационных режимах обусловлено номинальным потоком взаимоиндукции. ЭДС первой гармоники индуктирует в массиве ротора ток Iрот, которому соответствует электромагнитная мощность Рэм машины, определяющая ее габариты [1], вес и конкурентоспособность:
РОТ
РОТ
РОТ
РОТ
Рэм=0,5m⋅I⋅E⋅cos ϕ,
РОТ
РОТ
РОТ
где m - эквивалентное число фаз ротора; Е - ЭДС, индуктированная в массивном роторе полем взаимоиндукции (результирующим полем в зазоре), cos ϕ - коэффициент мощности.
РОТ
При проектировании таких машин одной из основных является проблема обеспечения на путях циркуляции этого тока I наименьшего сопротивления. Тем самым обеспечивается максимальная амплитуда этого тока при минимальных потерях в массиве ротора и его перегревах. В асинхронных машинах с беличьей клеткой [1] для тока по торцам ротора, направленным поперек его оси вращения, предусмотрены короткозамыкающие медные кольца. Однако, для мощных асинхронных машин при скоростях вращения 1500 об/мин≤n≤3000 об/мин эти кольца удерживаются немагнитными бандажами для обеспечения прочности конструкции из-за воздействия на эти кольца центробежных сил и разрыва. В асинхронных машинах с массивным ротором при скоростях вращения 3000 об/мин≤n≤6000 об/мин для тока по торцам ротора, направленным поперек его оси вращения, предусмотрены короткозамыкающие медные бандажи, насаженные на бочку ротора [3] - [5]. В асинхронных машинах с массивным ротором при скоростях вращения n>6000 об/мин, однако, использование таких бандажей исключено из-за воздействия на них центробежных сил, которые приводят к разрыву этих бандажей.
Задачей полезной модели является создание надежной конструкции массивного ротора быстроходной асинхронной машины с короткозамыкающими кольцами.
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Согласно полезной модели массивный ротор быстроходной асинхронной машины с короткозамыкающими кольцами, характеризуется тем, что короткозамыкающие кольца выполнены в виде дисков, приваренных к торцам ротора, при этом наружный диаметр диска соответствует наружному диаметру ротора, а внутренний диаметр диска выбран из условия его соответствия глубине проникновения электромагнитных волн в тело ротора, кроме того в дисках выполнены круглые прорези.
Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:
- короткозамыкающие кольца по наружному диаметру могут быть выполнены с цилиндрическими выступами, толщина которых равна толщине торцевой части диска;
- короткозамыкающие кольца могут быть снабжены фиксирующими болтами, при этом в торцевой поверхности ротора выполнены резьбовые гнезда под эти болты.
Заявленная совокупность существенных признаков первого независимого объекта изобретения обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что заявленная конструкция ротора повышает надежность асинхронной машины в целом за счет исключения возможности срыва короткозамыкающих колец под действием центробежных сил высокоскоростной асинхронной машины, а кроме того, уменьшает сопротивление токам, индуктированным в теле ротора полем взаимоиндукции и, следовательно, повышает уровень электромагнитного использования асинхронной машины.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен поперечный разрез по заявленному ротору с короткозамыкающими кольцами в виде дисков, на фиг. 2 - вид ротора с короткозамыкающими кольцами в виде дисков со стороны диска, на фиг. 3 - поперечный разрез по ротору с короткозамыкающими кольцами в виде дисков с цилиндрическими выступами, на фиг. 4 - вид ротора с короткозамыкающими кольцами в виде дисков с цилиндрическими выступами со стороны диска.
Массивный ротор быстроходной асинхронной машины содержит короткозамыкающие кольца, выполненные в виде дисков 1, приваренных к торцам ротора 2. Наружный диаметр диска 1 соответствует наружному диаметру ротора 2, а внутренний диаметр диска 1 выбран из условия его соответствия глубине проникновения электромагнитных волн в тело ротора 2. В дисках 1 выполнены круглые прорези 3. Короткозамыкающие кольца по наружному диаметру диска 1 выполнены с цилиндрическими выступами 4, толщина которых равна толщине торцевой части диска 1. Короткозамыкающие кольца в виде дисков 1 снабжены фиксирующими болтами (на чертежах условно не показаны). В торцевой поверхности ротора 2 выполнены резьбовые гнезда 5 под эти болты.
Заявленная конструкция ротора, предназначенная для асинхронных машин с массивным ротором при скоростях вращения n>6000 об/мин, работает следующим образом.
НОМ
АКТ
АКТ
Конструкция ротора с короткозамыкающими медными кольцами в виде дисков 1, приваренными к обоим торцам массивного ротора 2 быстроходной машины, уменьшает сопротивление индукционным токам и повышает уровень электромагнитного использования асинхронной машины. Надежность конструкции обеспечивается тем, что диски 1 приварены к торцам ротора 2. Для того, чтобы обеспечить надежности сварки по всей плоскости каждого такого диска 1 и исключить возможность появления переходного сопротивления между торцевыми поверхностями массивного ротора 1 и диска 1, в диске выполняются несколько дополнительных круглых прорезей 3. Наружный диаметр диска 1 равен наружному диаметру массивного ротора 2. Внутренний диаметр диска 1 определяется глубиной проникновения электромагнитной волны в тело ротора 2. Толщина диска 1 в заявленном роторе определяется номинальным скольжением S и соотношением L/τ., где L - активная длина ротора, τ - полюсное деление [1].
Выполнение короткозамыкающие кольца с цилиндрическими выступами также позволяет исключить появление переходного сопротивления между торцевыми поверхностями массивного ротора 2 и диска 1. В этих выступах выполняются 4-6 осевых разреза для обеспечения надежной приварки диска 1 к торцу массивного ротора 2.
Литература:
1. Костенко, М.П. Электрические машины / М.П. Костенко, Л.М. Пиотровский. Л.: Энергия, 1965. - 704 с..
2. Л.Р. Нейман, К.С. Демирчян, Н.В. Коровкин Теоретические основы электротехники, том 3, изд. «Питер», 2009.
3. Куцевалов В.М. Асинхронные и синхронные машины с массивным ротором. - М.: Энергия, 1979, 160 с.
4. Могильников B.C. Теория, технология и режимы работы асинхронных двигателей с двухслойным ротором / B.C. Могильников, A.M. Олейников, под общей ред. Олейникова A.M. - 2-е изд. перераб. и доп.- Севастополь: Изд. СевНТУ, 2008. - 350 с.
5. Шенфер, К.И. Асинхронные машины / К.И. Шенфер. М.: Госэнергоиздат, 1929. - 457 с.