АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ СКОЛЬЖЕНИЕМ И ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТОЙ
HIGH SLIP VARIABLE FREQUENCY INDUCTION MOTOR

Настоящее изобретение относится к асинхронным двигателям с повышенным скольжением с частотным регулированием, и, в частности, но не исключительно, к роторам для использования в таких двигателях, к способам их изготовления, и к установкам топливных насосов, в которых используются такие двигатели.
В типичной конструкции асинхронного двигателя, ротор с «беличьей клеткой» с возможностью вращения устанавливается внутри статора, содержащего электрическую обмотку. Ротор состоит из вытянутого сердечника из сложенных в пакет пластин магнитного материала, расположенных концентрически с валом ротора, и конструкция «беличьей клетки» состоит из стержней ротора, простирающихся через сердечник и соединенных с противоположными концами соответствующими проводящими замыкающими кольцами. При использовании, ток индуцируется в роторе путем подачи напряжения на обмотки статора, и индуцированный ток протекает по схеме, образованной последовательными смежными парами стержней ротора и замыкающейся соответствующими замыкающими кольцами. В традиционных асинхронных двигателях сердечник электрически не изолирован от стержней ротора. Это существенно не ухудшает производительность, поскольку для типовых режимов работы, осевое сопротивление стержня в осевом направлении существенно меньше, чем сопротивление, измеренное в окружном направлении между двумя смежными стержнями и материалом сердечника (межстержневое сопротивление).
-8
Однако, оказалось, что на некоторых режимах работы, и, в частности, в асинхронных двигателях с повышенным скольжением с частотным регулированием, когда двигатель подвергается торможению (например, при погружении в охлаждающую жидкость), предпочтительно спроектировать двигатель так, чтобы он имел относительно небольшой диаметр и относительно большую длину для снижения торможения. Также для смягчения изменения скорости из-за переменной частоты двигатель должен иметь такую конструкцию, чтобы обладать повышенным скольжением, что означает, что стержни ротора должны обладать большим сопротивлением (в 5-10 раз большим сопротивлением), чем в двигателе типовой конструкции. Это, в частности, достигается с помощью использования материала, обладающего высоким удельным сопротивлением, такого как латунь, фосфористая бронза или алюминиевый сплав. Типовые материалы могут обладать удельным сопротивлением более 5×10 Ωм. Такая геометрическая форма и выбор материала означает, что отношение осевого сопротивления стержня к межстержневому сопротивлению становится существенно выше, при этом двигатели с частотным регулированием могут приблизиться к единице. На основании нашего анализа мы разработали двигатели и способы их изготовления, обеспечивающие изоляцию между стержнями ротора и материалом сердечника, с целью снижения паразитных межстержневых токов, и, таким образом, улучшения эффективности двигателей.
В соответствии с одним объектом настоящего изобретения обеспечивается ротор для асинхронного двигателя с повышенным скольжением с частотным регулированием, указанный ротор включает в себя:
вытянутый сердечник из сложенных в пакет пластин, имеющий длину и диаметр,
множество электропроводящих стержней ротора, простирающихся сквозь указанный сердечник, каждый из которых имеет первый конец и второй конец, и
электропроводящие первое и второе замыкающие кольца, электрически соединенные с первым и вторым концами, соответственно, указанных стержней ротора,
при этом изоляционный материал расположен между указанными стержнями ротора и указанным сердечником с целью по меньшей мере снижения паразитных токов между стержнями ротора и указанным сердечником.
Предпочтительно, изоляционного материала достаточно для снижения паразитных потерь до 1-5%, в зависимости от конструкции.
Паразитные потери могут быть определены на основании уменьшения электромагнитного момента, производимого для заданной скорости, как правило, на 10-20% от теоретического идеала в традиционных конструкциях.
В двигателях с повышенным скольжением с частотным регулированиемв соответствии с изобретением, отношение осевого сопротивления к сопротивлению, измеренному между стержнями, преимущественно составляет 5:1, и предпочтительно 50:1 или больше.
Стержни ротора могут быть изолированы от материала сердечника путем обеспечения изоляционного материала, соединенного со стержнями и/или указанным материалом сердечника. Таким образом, например, к указанным стержням ротора может быть применена обработка поверхности. Обработка может содержать покрытие керамикой, или изолирующее покрытие на основе керамики, наносимое при помощи подходящего процесса, такого как плазменное нанесение керамического материала на водной основе на поверхность. Когда указанные стержни ротора изготовлены из алюминия, или любого его сплава, например, путем экструзии, указанная обработка может содержать анодную обработку указанных стержней для обеспечения изолирующего анодного покрытия.
Дополнительно или альтернативно, подходящая обработка поверхности может включать в себя обработку поверхностей указанного сердечника вблизи указанных стержней ротора.
Предпочтительно, указанное покрытие имеет пробивное напряжение менее 10 Вольт.
Изобретение относится к компоновке электродвигателя, включающей в себя ротор, как описано выше, соединенный с источником неизменного напряжения переменной частоты, подобно тем, что оборудуются на самолетах последнего поколения, соединение предпочтительно является прямым соединением. Существенное преимущество заключается в способности двигателя приводиться в действие напрямую от источника переменной частоты самолета (360-800 Гц).
Предпочтительно, указанный двигатель имеет выходную мощность в диапазоне от 0,5 до 10 кВт.
Изобретение также относится к способу снижения паразитных токов в асинхронном двигателе с частотным регулированием, имеющем ротор, включающий в себя вытянутый сердечник из сложенных в пакет пластин, множество электропроводящих стержней ротора, простирающихся через указанный сердечник, каждый из которых имеет первый и второй концы, при этом первый и второй концы электрически соединены с помощью первого и второго замыкающих колец, способ содержит обеспечение изоляционного материала между стержнем ротора и сердечником для предотвращения или снижения тока между стержнями и сердечником.
Изобретение также относится к способу формирования ротора для асинхронного двигателя с частотным регулированием,, который содержит:
обеспечение вытянутого сердечника из сложенных в пакет пластин множеством электропроводящих стержней ротора, простирающихся через указанный сердечник, каждый из которых имеет первый и второй конец, при этом первый и второй концы электрически соединены с помощью соответствующих первого и второго замыкающих колец, и
обеспечение изоляционного материала между стержнем ротора и сердечником с целью предотвращения или снижения тока между стержнями ротора и указанным сердечником при работе.
Изобретение также относится к компоновке топливного насоса, содержащей насос и электродвигатель, предназначенный для помещения в топливный бак и погружения в топливо при использовании, указанный электродвигатель содержит ротор, как описано выше. Предпочтительно, указанный ротор погружается в указанное топливо при использовании для осуществления его охлаждения.
Несмотря на то, что изобретение было описано выше, оно распространяется на любую новую комбинацию или суб-комбинацию признаков, изложенных выше, или в следующем описании, на чертежах или в формуле изобретения.
Изобретение может быть воплощено различными способами, и в виде примера одно из его воплощений будет описано ниже подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фигура 1 изображает схему воплощения компоновки топливного насоса с использованием асинхронного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, и
Фигура 2 изображает схему ротора для двигателя с фигуры 1.
Со ссылкой сначала на фигуру 1, показана система топливного насоса самолета для использования на борту самолета. Топливный насос 10 и электромотор 12, приводящий в действие двигатель 10, расположены внутри топливного бака 14, так что топливо воздействует в виде охлаждающей жидкости на электродвигатель. Электродвигатель 12 представляет собой асинхронный двигатель с частотным регулированием,, включающий в себя статор 16 с обмотками и ротор 18 конструкции «беличья клетка», который будет описан более подробно ниже. Источник напряжения 20 переменной частоты располагается снаружи топливного бака и обеспечивает привод с частотным регулированием электродвигателю. Ротор 18 погружен в топливо, присутствующее в цилиндрическом зазоре между статором 16 и ротором 18 для обеспечения предпочтительного охлаждающего эффекта, но это также препятствует торможению. Для того чтобы снизить количество торможения, отношение длины к диаметру в роторе больше, чем обычно в случае подобных двигателей, так что ротор имеет меньший диаметр при данной выходной мощности. В настоящем воплощении, отношение длины к диаметру составляет 3:1. Также, как отмечено выше, стержни имеют большее, чем обычно, удельное сопротивление. Для двигателей с малым скольжением типовые материалы для стержней включают в себя медь с удельным сопротивлением 1,7 микроом/см, и алюминий с удельным сопротивлением 3,4 микроом/см. Для двигателей с повышенным скольжением типовые материалы для стержней включают в себя фосфористую бронзу 510 с удельным сопротивлением 11,54 микроом/см, латунь (37% цинка) с удельным сопротивлением 6,54 микроом/см, и алюминиевый сплав 380 с удельным сопротивлением 6,54 микроом/см.
Со ссылкой на фигуру 2, двигатель включает в себя вал 22, сердечник, изготовленный из продольно сложенных в пакет пластин 24 из магнитного материала (например, стали), образующий проходы для множества стержней 26 ротора, которые, в данном воплощении, простираются по оси вдоль пакета пластин, разнесенных на равные угловые шаги. Концы стержней выступают из пакета и помещаются в соответствующие отверстия 28 в первом и втором замыкающих кольцах 30. В данном воплощении, клетка, содержащая стержни 26 ротора и замыкающие кольца изготавливается путем сборки отдельных элементов, хотя в других конструкциях по меньшей мере часть структуры клетки может быть отлита из подходящего металла, например, алюминия, если при этом оборудуется изоляционное покрытие подходящей толщины, которое может выдерживать температуры плавления литого материала. Каждый из стержней ротора изготовлен из подходящего электропроводящего материала, такого как медь, фосфористая бронза и т.д., требуемого поперечного сечения, чья поверхность была обработана с помощью плазменного нанесения керамического изоляционного материала на пачку стержней. Керамический материал может традиционно содержать циркониевую или алюминиевую керамику, и может быть нанесен методом плазменного нанесения. Керамическое покрытие должно обеспечивать эффективную электроизоляцию для предотвращения тока от стержней, в окружном направлении, в пластины и затем к другому стержню. С этой целью, керамическое покрытие может, как правило, иметь толщину 125 микрон, при этом покрытие имеет пробивное напряжение 10 Вольт. После обрезания, стержни ротора помещаются в пакет из пластин, при этом свободные концы выступают с противоположных концов пакета. Замыкающие кольца 30 с подходяще расположенными отверстиями после этого размещаются на каждом конце, и стержни ротора электрически и структурно соединяются с отверстиями в замыкающих кольцах с помощью газовольфрамовой дуговой сварки. Сборка после этого может быть дважды пропитана с помощью полиэфирного лака для заполнения зазоров между стержнями и отверстиями для предотвращения усталостных изломов стержней из-за трения и для предотвращения коррозии стальных пластин, и после этого подвергнута механической обработке для обеспечения требуемых размеров наружного и внутреннего диаметров. Ротор может затем быть установлен на свой вал 22.
Ротор, сформированный таким образом, предназначен для устранения или по меньшей мере уменьшения тока от стержней ротора к пластинам. Это снижает потери, которые в противном случае были бы связаны с ротором данного размера и конструкции (но без изолированных стержней ротора).
В другом воплощении, стержни ротора могут быть выполнены из экструдированного алюминия, который анодируется для обеспечения изоляционного покрытия.