Ротор асинхронной электрической машины
ASYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE ROTOR

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в асинхронных электрических машинах для улучшения их характеристик.
Известен короткозамкнутый ротор асинхронного электродвигателя с закрытыми пазами, которые имеют стальной ободок, отделяющий их от воздушного зазора. Стальной ободок, закрывающий снаружи пазы магнитопровода ротора, при увеличении нагрузки оказывает шунтирующее действие на основной магнитный поток, идущий от статора, при котором значительная его часть замыкается на этом ободке, не заходя в ячейки «беличьей клетки». При этом существенно снижается нагрузочная способность асинхронного двигателя, приводящая к потере вращающего момента и полной остановке ротора при перегрузке.
Также известен ротор асинхронной машины, имеющий скошенную форму стержней «беличьей клетки». Скошенные полюса магнитопровода такого ротора также оказывают шунтирующее действие на магнитный поток статора и при высоких нагрузках создают его переток по внешнему контуру ротора без необходимого погружения в короткозамкнутые ячейки «беличьей клетки». Это также существенно снижает нагрузочную способность асинхронной электрической машины и приводит к потере вращающего момента и полной остановке ротора при перегрузке.
Наиболее близким к устройству нижеописанной модели является ротор, представленный в патенте RU 2104608. Это массивный ротор электрической машины, в магнитопроводе которого имеются продольные прямые и поперечные кольцевые канавки, заполненные материалами с различными свойствами. Продольные канавки заполнены электропроводным немагнитным материалом, а поперечные канавки заполнены магнитопроводным диэлектрическим материалом. Центральная часть описанного ротора выполнена из магнито-электропроводящего композитного материала с заданными свойствами. К недостаткам этой модели можно отнести: магнитное шунтирование полюсов статора поперечными магнитопроводными кольцами описанного ротора при работе в области высоких нагрузок и при запуске; высокое электрическое сопротивление композитного материала внутренней части, вызывающее её нагрев при протекании больших роторных токов; высокое сопротивление магнитной цепи магнитопровода, обусловленное малым проходным сечением магнитопроводного материала, разбитым на сегменты продольными канавками; большая вариативность исполнений полюсного деления ротора; низкая технологичность изделия, обусловленная многошаговой компоновкой ротора и высоким разнообразием применённых материалов, которых насчитывается более четырёх на одном роторе.
Всех вышеперечисленных недостатков лишена нижеописанная модель ротора для асинхронной машины.
Техническая проблема изобретения заключается в необходимости улучшения тяговой и перегрузочной способности и увеличения пускового момента асинхронных электрических машин.
При использовании изобретения достигнуты следующие полезные технические результаты:
1. Уменьшено время выхода асинхронной электрической машины на рабочие обороты под нагрузкой. Это происходит за счёт уменьшения электрического сопротивления цепей беличьей клетки. Роторный ток при пуске достигает более высоких значений с увеличением момента вращения. Время разгона ротора при этом уменьшается.
2. Увеличен пусковой момент асинхронной электрической машины. Это происходит за счёт уменьшения электрического сопротивления цепей беличьей клетки. Роторный ток при пуске достигает более высоких значений с увеличением момента вращения.
3. Многократно увеличена перегрузочная способность асинхронной электрической машины. Это происходит за счёт уменьшения электрического сопротивления цепей беличьей клетки. Роторный ток под нагрузкой достигает более высоких значений с увеличением момента вращения.
4. Поверхность вала ротора асинхронной электрической машины получила эффективную защиту от нагрева вихревыми токами. Поток магнитной индукции статора замыкается в магнитопроводе ротора, концентрируясь в контуре, образованном двумя рядами беличьей клетки и короткозамыкающими шайбами, не выходя при этом в ту часть ротора, где расположен вал.
5. Увеличен класс энергоэффективности асинхронной электрической машины на 1-2 ступени. Это происходит за счёт уменьшения электрического сопротивления цепей беличьей клетки, что при работе приводит к уменьшению электрических (тепловых) потерь в роторной цепи и увеличению эффективности электрической машины в целом.
Изобретение на примере ротора цилиндрической формы поясняется чертежами: фиг. 1 - магнитопровод ротора с пазами для беличьей клетки и рядом отверстий для токопроводящих элементов внутреннего ряда токопроводящих стержней, вид в разрезе; фиг. 2 - коротко-замыкающая шайба; фиг. 3 - диаграммы эффективности заводского и изменённого ротора; фиг. 4 - беличья клетка с дополнительным внутренним рядом токопроводящих стержней (вид в разрезе, без магнитопровода); фиг. 5 - беличья клетка с дополнительным внутренним рядом, выполненным в виде гильзы (вид в разрезе, без магнитопровода); фиг. 6 - пример практической реализации.
Ротор асинхронной машины содержит пакет пластин магнитопровода (фиг. 1) из электротехнической стали с уложенной в его пазы прямой, без скосов, короткозамкнутой обмоткой ротора типа «беличья клетка», содержащей неразъёмно установленные на её обоих торцах короткозамыкающие шайбы (фиг. 2); при этом короткозамкнутая обмотка ротора выполнена двухрядной в виде внутреннего и наружного рядов токопроводящих элементов (фиг. 4, 5). Внутренний ряд короткозамкнутой обмотки ротора выполнен в виде ряда стрежней (фиг. 4) либо из одной сплошной гильзы из токопроводящего немагнитного материала (фиг. 5). Число стержней наружного ряда его короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» отличается от числа пазов статора в меньшую сторону на число пар полюсов электрической машины.
Внутренний ряд стержней имеет непосредственную электрическую связь со стержнями «беличьей клетки», выполненными из токопроводящего материала, через две торцевые короткозамыкающие шайбы - фиг.2.
Поперечное сечение магнитопровода ротора, находящегося в пространстве между рядами «беличьей клетки», должно быть равно сечению магнитопровода статора.
Технологически все токопроводящие элементы могут быть выполнены в один шаг, методом прямого литья в прямые пазы магнитопровода ротора, расплавленного немагнитного токопроводящего металла - меди, алюминия или других электропроводных материалов.
Ротор работает следующим образом. Магнитный поток, индуцированный статором, проходит через магнитопровод ротора. При этом он проходит между короткозамкнутыми стержнями ротора, индуцируя в них ЭДС. Индуцированная ЭДС в свою очередь, создаёт собственное магнитное поле, отстающее по фазе от статорного, которое начинает взаимодействовать с полем статора. Таким образом создаётся момент движения. Поперечное сечение токопроводящих стержней принимают в два раза меньше, чем в традиционной беличьей клетке. Электрический ток перетекает между стержнями внешнего и внутреннего рядов «беличьей клетки» через короткозамыкающую шайбу - имея при этом более короткий путь прохождения и достигая более высоких значений с большим вращающим моментом, чем в традиционной «беличьей клетке».
Пример практической реализации.
Рассмотрим пример ротора для промышленного асинхронного двигателя на 1000 об/мин, со статором на 36 пазов (фиг. 6). Мотор имеет три пары полюсов, поэтому число стержней «беличьей клетки» ротора выбирают на три меньше, чем пазов в статоре, то есть 33 стержня. Внутренний ряд также имеет 33 стержня, их угловое положение находится между стержнями «беличьей клетки» - фиг.1. Ротор по торцам имеет две шайбы, которые замыкают между собой стержни «беличьей клетки» и элементы внутреннего ряда стержней - фиг.2. После переделки были проведены сравнительные испытания двигателя - с заводским ротором («зав.» на фиг.3) и с ротором, переделанным с применением настоящего изобретения («изм.» на фиг.3). На вал двигателя подавалась механическая нагрузка и снималась зависимость эффективности двигателя от нагрузки с фиксацией оборотов. На фиг.3 по горизонтали расположена шкала оборотов двигателя, по вертикали - шкала эффективности. Очевидно, что изменённый ротор демонстрирует более высокие значения эффективности в сравнении с заводским вариантом. Это было достигнуто применением прямой «беличьей клетки» и числовыми пропорциями полюсного деления ротора, рассчитанными по числу пазов статора и пар полюсов электрической машины, что позволило получить максимальную величину магнитного напряжения на полюсах ротора. На графике фиг. 3 также заметно резкое снижение эффективности мотора при использовании заводского ротора в районе 420 об/мин, вплоть до его полной остановки, при том, что изменённый ротор в этих же условиях продолжает нести нагрузку. Причиной провала характеристики заводского ротора послужил осевой скос его полюсов, который при определённой нагрузке шунтировал основной магнитный поток, идущий от статора.