РОТОР АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
ASYNCHRONOUS MOTOR ROTOR

Область техники, которой относится изобретение
Изобретение относится к области электромашиностроения и касается конструкции роторов асинхронных двигателей с посадкой сердечника ротора непосредственно на вал.
Уровень техники
Известна конструкция ротора асинхронного двигателя, состоящего из сердечника с обмоткой, содержащей стержни и короткозамыкающие кольца с выполненными заодно с ними или присоединенными к ним вентиляционными лопатками, причем сердечник ротора установлен непосредственно на вал двигателя, с укрепленными на валу подшипниками качения [1], в которой тепло от ротора отводится воздушным потоком, создаваемым вентиляционными лопатками при вращении ротора.
Недостатком конструкции является невысокая эффективность охлаждения ротора и его существенный нагрев, передающийся на вал и, соответственно, на внутренние кольца установленных на валу подшипников, что приводит к тепловому увеличению их размеров, к заклиниванию подшипника и выходу двигателя из строя.
Известна также конструкция ротора асинхронного двигателя, состоящего из сердечника с обмоткой, содержащей стержни и короткозамыкающие кольца с выполненными заодно с ними или присоединенными к ним вентиляционными лопатками, причем сердечник ротора установлен непосредственно на вал двигателя, с укрепленными на нем подшипниками качения [2], в котором тепло от ротора отводится также воздушным потоком, прогоняемым через каналы,  выполненные в сердечнике и расположенные параллельно оси вращения ротора. Эта конструкция повышает эффективность охлаждения ротора только при обеспечении осевого перемещения охлаждающего воздуха через каналы ротора, что для закрытых двигателей зачастую оказывается технологически трудновыполнимой задачей.
Сущность изобретения
Задачей предлагаемого технического решения является увеличения ресурса электродвигателя путем снижения нагрева вала и, соответственно, внутренних колец подшипников.
Техническим результатом заявленного технического решения является уменьшение температуры нагрева вала электродвигателя и внутренних колец подшипников.
Технический результат заявленного технического решения достигается за счет того, что ротор асинхронного электродвигателя, состоящий из сердечника с обмоткой, содержащей стержни и короткозамыкающие кольца с вентиляционными лопатками, установленного непосредственно на валу двигателя, на котором расположены подшипники качения, отличающийся тем, что на внешней цилиндрической поверхности вала выполнены параллельные оси вала пазы с образованием зубчатой внешней поверхности вала.
p
z
В частном случае реализации заявленного технического решения соотношение ширины паза (b) и ширины зубца (b) зубчатой внешней цилиндрической поверхности вала определяется следующим выражением:
z
p
0,8 ≥  b/b ≤ 3,0
В частном случае реализации заявленного технического решения пазы выполнены глубиной от 0,1 мм до 5 мм;
В частном случае реализации заявленного технического решения короткозамыкающие кольца выполнены заодно с вентиляционными лопатками;
В частном случае реализации заявленного технического решения короткозамыкающие кольца с выполнены с присоединенными к ним вентиляционными лопатками.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг.1 – ротор с беличьей клеткой. Стержни беличьей клетки, соединенные между собой короткозамыкающими кольцами и расположены в пазах сердечника магнитопровода, установленного непосредственно на валу. Тепло, выделяемое в стержнях через сердечник передается на вал, а от вала – на внутренние кольца установленных на валу подшипников.
Фиг.2 – ротор с сердечником магнитопровода, установленным непосредственно на валу. В сердечнике выполнены осевые каналы, через которые прогоняется охлаждающий сердечник воздух. Тепло, выделяемое в стержнях ротора, частью отводится воздухом через каналы и частью передается на вал, и затем – на внутренние кольца установленных на валу подшипников.
Фиг.3 – радиальное сечение ротора с беличьей клеткой. Сердечник ротора установленный непосредственно на вал, сопрягается с ним по всей цилиндрической поверхности сердечник-вал. Большая площадь этой поверхности обеспечивает высокую ее теплопроводность и, соответственно, к высоким температурам вала, а затем и внутренних колец подшипников, что чреватые выходом последних их строя.
Фиг.4 – радиальное сечение ротора с беличьей клеткой. Сердечник ротора установленный непосредственно на вал, сопрягается с ним не по всей цилиндрической поверхности сердечник-вал, а только по зубчатой ее части. Ограниченность площади этой поверхности приводит к снижению ее теплопроводности и, соответственно, к снижению температур вала, а затем и внутренних колец подшипников, что повышает надежность работы последних.
На чертежах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - сердечник; 2 – стержни; 3 – короткозамыкающие кольца; 4 – вентиляционные лопатки; 5 – вал двигателя; 6 – внутренние кольца подшипника качения; 7 – пазы.
Раскрытие изобретения
Ротор асинхронного двигателя, состоит из сердечника (1) с обмоткой, содержащей стержни (2) и короткозамыкающие кольца (3) с выполненными заодно с ними или присоединенными к ним вентиляционными лопатками (4).
Сердечник (1) установлен непосредственно на вал (5) двигателя. На валу (5) двигателя установлены подшипники качения, сопрягаемые с валом внутренними кольцами (6). В цилиндрической внешней поверхности вала (5) выполнены параллельные оси вала (5) пазы (7) с образованием зубчатой внешней поверхности вала (5). Сердечник (1) ротора, установленный непосредственно на вал (5), сопрягается с ним не по всей цилиндрической поверхности сердечник-вал, а только по зубчатой ее части. Ограниченность площади этой поверхности приводит к снижению ее теплопроводности и, соответственно, к снижению температур вала, а затем и внутренних колец подшипников, что повышает надежность работы последних.
При вращении ротора тепло от него отводится воздушным потоком, создаваемым вентиляционными лопатками (4) ротора, при этом, ввиду выполнения внешней цилиндрической поверхности вала зубчатой и, соответственно, уменьшения площади теплового контакта между сердечником ротора и валом, происходит снижение температуры вала и, как следствие, температуры внутреннего кольца (6) подшипников.
z
p
z
p
Соотношение ширины зубца (b) и ширины паза (b) зубчатой внешней цилиндрической поверхности вала равно  b/b от 0,8 ÷ 3,0.
Пазы выполнены глубиной от 0,1 мм до 5 мм.
Выраженный эффект снижения температуры внутренних колец подшипников начинает проявляться, начиная с глубины паза, равной 0,1 мм и прекращает рост при 5,0 мм. При уменьшении глубины паза эффективность теплового барьера не существенна. При увеличении глубины паза сверх 5 мм увеличение эффективности теплового барьера не происходит.
z
p
Соотношение ширины зубца (b) и ширины паза (b) зубчатой внешней цилиндрической поверхности вала регламентировано тем обстоятельством, что главный магнитный поток замыкается через вал и соответственно через зубцы, выполненные на внутренней поверхности сердечника.
z
p
z
p
Чрезмерное уменьшение ширины зубцов (отношение b/b меньше 1,0) и соответственно их площади приводит к насыщению зубцов главным магнитным потоком и ухудшению энергетических показателей двигателя (cos φ), а также снижает силу сцепления между сердечником и валом. Увеличение ширины зубцов так, чтобы отношение b/b становилось больше 3,0, снижает эффект ограничения теплопередачи из сердечника ротора на вал и соответственно на внутренние кольца подшипников, приводя, таким образом, к увеличению температуры вала и внутренних колец подшипников.
z
p
Для двигателей с тепловой посадкой сердечника на вал или при посадке сердечника на вал накаткой, ограничение соотношения b/b определяется только силой сцепления сердечника с валом и находится в пределах 0,8 ÷ 3,0.
z
p
Для двигателей с передачей вращающего момента с сердечника на вал посредством шпонки, ограничение соотношения b/b определяется только эффективностью ограничения теплопередачи из сердечника ротора на вал и, соответственно, на внутренние кольца подшипников, и ограничивается «снизу» только условиями технологии, а сверху – эффективностью ограничения теплопередачи из сердечника ротора на вал и соответственно на внутренние кольца подшипников и равняется тому же числу 3,0.
Пример 1
z
p
В изготовленном и испытанном двигателе с числом полюсов 2p = 2, мощностью 18,5 кВт серии 5А применение заявляемого технического решения позволило снизить температуру на внутренних кольцах подшипника с 80 до 58 градусов. В данном двигателе внутренняя поверхность сердечника ротора выполнена с зубчатой внутренней поверхности с соотношением b/bравным 1, глубина паза – 3 мм.
Пример 2
z
p
В изготовленном и испытанном двигателе с числом полюсов 2p = 6, мощностью 11,0 кВт серии 5А применение заявляемого технического решения позволило снизить температуру на внутренних кольцах подшипника с 85 до 68 градусов. В данном двигателе внутренняя поверхность сердечника ротора выполнена с зубчатой внутренней поверхности с соотношением b/bравным 0,8 глубина паза – 3 мм.
Источники информации
1. Ротор асинхронного двигателя, Патент SU 1080236, М.П.Кухарский, Ю.М.Ковалев, Я.М.Хаит.
2. Электрическая машина, Патент SU 1179483, Я.Б.Тубис, М.С.Фанарь, В.И.Радин, И.А.Воробьева, З.А.Капалина.