САМОТОРМОЗЯЩИЙСЯ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ СО СДВОЕННЫМ МАССИВНЫМ РОТОРОМ
SELF-BRAKING ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR WITH DUAL MASSIVE ROTOR

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в агрегатах и приводных механизмах с быстрым или точным автоматическим остановом привода.
Одним из наиболее распространенных самотормозящихся асинхронных электродвигателей со смещающимся ротором считается двигатель, содержащий статор с конусной расточкой и ферромагнитный ротор в виде конуса (Ряженцев Н.П., Швец С.А. Самотормозящийся асинхронный двигатель с конусным ротором. - Новосибирск: «Наука», 1974. - 70 с.). В этой конструкции осевое усилие возникает за счет его осевой магнитной асимметрии при взаимодействии конусных рабочих поверхностей статора и ротора. Самотормозящийся асинхронный электродвигатель прост и надежен в эксплуатации, однако он имеет только одну тормозную колодку, что не позволяет эффективно использовать площадь тормозной поверхности. Кроме того, для вырубки листов электротехнической стали магнитопровода статора с конусной расточкой и ферромагнитного ротора в виде конуса необходим специальный пресс с делительным приспособлением, что сильно усложняет технологию его изготовления.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является самотормозящийся асинхронный электродвигатель со смещающимся ротором, содержащий статор с цилиндрической расточкой, цилиндрический ферромагнитный ротор из анизотропного материала с монотонно изменяющейся в аксиальном направлении от одного торца к другому магнитной проницаемостью, установленный на валу с возможностью аксиального перемещения и снабженный тормозной колодкой (A.C. №129151, 1980 г.). При включении данного двигателя под действием аксиального электромагнитного усилия, вызванного осевой магнитной асимметрией ротора, ротор вместе с колодкой перемещается, скользя по валу, сжимая при этом пружину и растормаживая двигатель. Недостатком данной конструкции является достаточно сложная технология изготовления при формировании магнитной асимметрии пакета ротора (необходимой для получения аксиального электромагнитного усилия) путем набора его из пластин, выполненных из различных марок электротехнической стали, либо последовательным прессованием слоев ферромагнитного порошка, имеющего различные, но монотонно изменяющиеся свойства от одного торца ротора к другому. Сложность заключается в том, что при изготовлении необходимо не только иметь различные марки электротехнической стали с различными магнитными свойствами или различные марки ферромагнитного порошка с различными магнитными свойствами, но совмещать магнитные материалы между собой таким образом, чтобы магнитные свойства монотонно изменялись вдоль оси ротора. Еще один недостаток - наличие только одной тормозной колодки, что не позволяет эффективно использовать площадь тормозной поверхности и, как следствие, ведет к уменьшению срока службы тормозной накладки и времени безотказной работы тормозного устройства между заменами тормозных накладок. Все это в итоге ведет к увеличению времени технологического простоя при замене тормозных колодок и уменьшению эксплуатационной надежности электродвигателя.
Заявляемое изобретение решает задачу получения принципиально иного способа получения аксиального электромагнитного усилия с одновременным увеличением площади рабочей поверхности тормозного устройства и повышении срока эксплуатации тормозных накладок.
Технический результат заключается в упрощении технологии изготовления ферромагнитного массивного ротора и повышения эксплуатационной надежности и эффективности торможения электрической машины.
Технический результат достигается тем, что в самотормозящемся асинхронном электродвигателе со сдвоенным массивным ротором, содержащим статор с цилиндрической расточкой с обмоткой возбуждения, цилиндрический ферромагнитный массивный ротор, установленный на валу с возможностью аксиального перемещения, подшипниковые щиты с подшипниками, вал ротора, тормозную пружину, тормозное устройство, при этом цилиндрический ферромагнитный массивный ротор выполнен сдвоенным таким образом, что в воздушном зазоре, образованном между его частями, симметрично расположенными в осевом направлении относительно магнитопровода статора, установлена тормозная пружина, надетая на вал, и обе части изготовлены методом порошковой металлургии и имеют постоянные магнитные свойства вдоль оси вала, а на внутренних поверхностях подшипниковых щитов выполнены конические тормозные колодки с жестко закрепленными тормозными накладками.
Сдвоенные ферромагнитные части массивного ротора жестко закреплены с основаниями, которые сопряжены с валом посредством шлицевого соединения.
В данной конструкции аксиальное электромагнитное усилие возникает при постоянных магнитных свойствах магнитопроводов ротора вдоль длины и действует из-за стремления сдвоенных магнитопроводов ротора электродвигателя расположиться в «магнитной середине» по отношению к статору и взаимного встречного притяжения внутренних торцовых поверхностей сдвоенных магнитопроводов при взаимодействии тангенциальных составляющих вихревых токов, протекающих вдоль внутренних торцевых поверхностей сдвоенных магнитопроводов, и нормальной составляющей вектора магнитной индукции.
Изготовление двух одинаковых частей магнитопроводов ротора с постоянными магнитными свойствами вдоль оси вала технологически проще, чем создание осевой магнитной асимметрии ротора путем набора его пакета из пластин, выполненных из различных марок электротехнической стали, или последовательным прессованием слоев ферромагнитного порошка, имеющего различные, но монотонно изменяющиеся свойства от одного торца ротора к другому, в силу того, что отсутствует необходимость использовать при производстве магнитные материалы с различными магнитными свойствами и совмещать их между собой таким образом, чтобы магнитные свойства монотонно изменялись вдоль оси ротора.
Сдвоенная конструкция массивного ротора позволяет использовать две внешние торцевые поверхности роторов с двумя колодками, что увеличивает площадь рабочей поверхности тормозного устройства по сравнению с прототипом в два раза. В свою очередь, в два раза увеличенная площадь рабочей поверхности тормозных накладок позволяет уменьшить не только их износ, но и время торможения электродвигателя. Время торможения электродвигателя уменьшается за счет увеличения тормозного момента, создаваемого между увеличенными в два раза поверхностями тормозных накладок и закаленных пластин. Уменьшение времени торможения ведет к увеличению эффективности торможения электродвигателя.
Увеличение срока эксплуатации тормозных колодок ведет к увеличению времени безотказной работы тормозного устройства между заменами тормозных накладок. Уменьшение времени технологического простоя, требуемого при замене изношенных тормозных колодок (разборка, установка, сборка), по отношению ко времени безотказной работы способствует повышению эксплуатационной надежности работы электродвигателя в целом.
На фиг.1 показан общий вид самотормозящегося асинхронного электродвигателя со сдвоенным массивным ротором; на фиг.2 показан принцип формирования дополнительного аксиального электромагнитного усилия между сдвоенными магнитопроводами (нумерация позиций сохранена в соответствии с фиг.1).
Самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным массивным ротором содержит корпус 1, в котором размещен шихтованный магнитопровод статора 2, имеющий цилиндрическую расточку с m-фазной обмоткой возбуждения статора 3. Цилиндрический ферромагнитный пакет массивного ротора состоит из сдвоенных магнитопроводов 4, 5 (являющихся одновременно местом для циркуляции вихревых токов ротора), которые жестко закреплены на основаниях 6, 7. Основания 6, 7 имеют возможность свободного встречного перемещения вдоль вала 8 и соединены с ним посредством шлицевого соединения 9. Магнитопроводы 4, 5 изготовлены методом порошковой металлургии, их магнитные свойства постоянны вдоль длины ротора. Между основаниями 6, 7 на валу 8 находится пружина 10, которая разжимает их при отсутствии напряжения на m-фазной обмотке возбуждения статора 3, образуя воздушный зазор δ. Суммарная длинна сдвоенных магнитопроводов 4, 5 ротора при сжатой пружине 10 без воздушного зазора δ равна длине шихтованного магнитопровода статора 2.
Подшипниковые щиты 11, 12 крепятся в корпусе 1 посредством болтов 13, 14. Вал 8 базируется в подшипниковых щитах 11, 12 при помощи радиальных подшипников 15, 16, внутренние кольца которых упираются в его выступы, а внешние кольца фиксируются в подшипниковых щитах 11, 12 при помощи крышек 17, 18 посредством болтов 19, 20. Между шихтованным магнитопроводом статора 2 и сдвоенными магнитопроводами 4, 5 имеется рабочий воздушный зазор, который позволяет вращаться ротору относительно статора 1 на радиальных подшипниках 15, 16.
С внутренней стороны подшипниковых щитов 11, 12 в форме выступов выполнены конические тормозные колодки 21, 22, на которых жестко закреплены тормозные накладки 23, 24. На внешних торцевых поверхностях магнитопроводов 4, 5 и основаниях 6, 7 сдвоенного ротора неподвижно закреплены конические закаленные пластины 25, 26. Равномерный износ тормозных накладок 23, 24 тормозного устройства обеспечивается при условии, что на стадии изготовления и сборки осуществляется симметричное расположение цилиндрического пакета ротора, состоящего из сдвоенных магнитопроводов 4, 5, которые жестко закреплены на основаниях 6, 7 по отношению к шихтованному магнитопроводу статора 2 в осевом направлении.
Двигатель работает следующим образом.
При подаче напряжения на m-фазную обмотку возбуждения статора 3 возникает основной магнитный поток и потоки рассеивания, которые пересекают рабочий воздушный зазор, магнитопроводы 4, 5, а также воздушный зазор δ. Под действием аксиального электромагнитного усилия, вызванного основным магнитным потоком и потоками рассеивания лобовых частей (из-за стремления ротора электродвигателя расположиться в «магнитной середине» по отношению к статору, то есть в том положении, в котором магнитное сопротивление воздушного зазора имеет наименьшее значение, что соответствует наиболее выгодному энергетическому положению), конические закаленные пластины 25, 26 вместе с магнитопроводами 4, 5 и основаниями 6, 7 встречно перемещаются, скользя по шлицевому соединению 9 вдоль вала 8, сжимая при этом пружину 10 и растормаживая двигатель. Дополнительное увеличение аксиального электромагнитного усилия возникает за счет взаимного притяжения внутренних торцевых поверхностей магнитопроводов 4 и 5. Это происходит из-за того, что основной магнитный поток пересекает рабочий воздушный зазор машины и сдвоенные магнитопроводы 4, 5. Под воздействием нормального вектора магнитной индукции  в теле сдвоенных магнитопроводов 4, 5 наводятся вихревые токи . Картина распределения токов в теле сдвоенных магнитопроводов 4, 5 имеет достаточно сложный характер и для объяснения принципа возникновения встречного аксиального электромагнитного усилия  и  вихревые токи  условно разделили на аксиальную составляющую , которая направлена параллельно оси вала ротора, и тангенциальную составляющую , которая направлена параллельно торцам сдвоенных магнитопроводов 4, 5. Подобная, но более детальная картина распределения вихревых токов в теле массивного ротора приведена на страницах 39, 47 (Куцевалов В.М. Асинхронные и синхронные машины с массивными роторами. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. «Энергия», 1979. - 160 с.). Взаимодействие тангенциальной составляющей тока  с нормальной составляющей вектора магнитной индукции  приводит к появлению встречных аксиальных электромагнитных усилий  и , действующих на сдвоенные магнитопроводы 4, 5. Взаимное встречное направление аксиальных электромагнитных усилий сдвоенных магнитопроводов 4, 5 определяется по правилу «левой руки» (если поместить ладонь левой руки так, что вытянутые четыре пальца указывают направление тангенциальной составляющей тока , а нормальная составляющая вектора магнитной индукции  входит в открытую ладонь, то отставленный на 90 градусов большой палец будет указывать направление встречных аксиальных электромагнитных усилий  и ).
Взаимодействие вращающегося магнитного поля шихтованного магнитопровода статора 2 (нормальной составляющей вектора магнитной индукции ) и вихревого тока (аксиальной составляющей ), которая направлена параллельно оси вала ротора (по закону Ампера), приведет к вращению ротора. В процессе пуска воздушный зазор δ сокращается до нуля и далее не влияет на режим работы двигателя.
При отключении m-фазной обмотки возбуждения статора 3 от сети магнитный поток, удерживающий конические закаленные пластины 25, 26 вместе с магнитопроводами 4, 5 и основаниями 6, 7 в рабочем положении, исчезает. Вследствие этого пружина 10 вызывает взаимное осевое смещение конических закаленных пластин 25, 26 вместе с магнитопроводами 4, 5 и основаниями 6, 7. При этом каждая коническая закаленная пластина 25, 26 входит в контакт со своей тормозной накладкой 23, 24, а между внутренними торцевыми поверхностями магнитопроводов 4, 5 и основаниями 6, 7 образуется воздушный зазор δ. В результате трения конусных поверхностей сопряжения конических закаленных пластин 25, 26 ротора и тормозных накладок 23, 24 происходит остановка ротора.