Асинхронный двигатель
ASYNCHRONOUS MOTOR

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к трехфазным асинхронным двигателям с короткозамкнутым или фазным ротором, и может быть использовано для привода различных исполнительных механизмов и других устройств.
Известен асинхронный двигатель с магнитопроводом ротора и статора с пазами, выполненными с относительным частичным скосом (авторское свидетельство СССР №796998, МПК Н02K17/02, опубл. 15.01.1981 г.).
Недостатком данного аналога является осевая сила от токов, протекающих по частичным скосам, которая воздействует на радиальный подшипник, снижает его работоспособность и таким образом понижает надежность конструкции.
Известен асинхронный двигатель с магнитопроводом ротора, выполненного со скошенными пазами (заявка на изобретение №2018120069, МПК Н02K 17/12, опубл. 02.12.2019 г.).
Недостатком данного аналога является осевая сила, создаваемая током, текущим по скошенному пазу. Сила действует на подшипник и уменьшает его работоспособность.
Известны конструкции серийных асинхронных двигателей с пониженным уровнем шума, выполненных со скосом пазов на роторе (Инженерное проектирование и САПР электрических машин: учебник для студ. высш. учеб. заведений / О.Д. Гольдберг, И.С. Свириденко; под ред. О.Д. Гольдберга. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 560 с. страница 187).
Недостатком конструкции является наличие продольной составляющей силы, действующей от рабочего тока, протекающего по обмотке в скошенном пазу. Осевое силовое воздействие на радиальный подшипник строго ограничивается, так как она снижает его работоспособность и, соответственно, надежность.
c1
c2
c1
c2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является асинхронный двигатель (авторское свидетельство СССР №655036, МПК Н02K 17/02, опубл. 30.03.1979 г.), содержащий магнитопроводы статора и ротора с пазами для обмоток, выполненными с частичным скосом, при котором возникает аксиальное усилие, которое, в частности, зависит от разности индукций результирующего потока по краям пакета стали. В этих двигателях скос выполняется только на части длины пакета стали, и разность индукций по краям пакета стали меньше. Для уменьшения этого усилия предлагается необходимое, но недостаточное условие b=b для получения равенства сил от скоса и взаимокомпенсации их. При неравенстве углов, под которыми делается частичный скос пазов, при равенстве b=b вектора аксиальных составляющих не будут равны и полного уравновешивания не произойдет.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности асинхронных двигателей со скосом пазов на роторе за счет исключения осевого (аксиального) воздействия ротора на радиальный подшипник. Полное уравновешивание достигается при равенстве углов между частично скошенными равными участками пазов и основной частью паза на левом и правом краях пакета, причем скосы должны быть выполнены в одну сторону.
n
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности асинхронного двигателя за счет полной компенсации аксиальных нагрузок, действующих на подшипник, так как от них зависит динамическая нагрузка Q на подшипники.
h
В свою очередь она связана с надежностью подшипника, определяемая его долговечностью L по соотношению (Кузнецов Н.Л. Сборник задач по надежности электрических машин. М. Издательский дом МЭИ. 2008. 408 с.):
где  млн об. - номинальная 90%-я долговечность;
n
C - динамическая грузоподъемная сила подшипника, Н;
n
Q - эквивалентная динамическая нагрузка подшипника, Н;
k - показатель степени, зависящий от типа подшипника (согласно ГОСТ 18855-94, для шарикоподшипника k=3, для роликоподшипника k=10/3).
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, содержащий магнитопровод ротора с пазами для обмотки, выполненными с частичным относительным скосом, согласно изобретению частичный скос пазов выполнен симметрично по обеим сторонам ротора на участках активной длины магнитопровода величиной
где  - активная длина магнитопровода, в одном направлении под углом (см. фиг. 2):
где  - полюсное деление,
D - наружный диаметр ротора,
р - число пар полюсов.
c1
c2
c1
c2
c1
c2
л
п
dл
л
dn
n
ав
ег
По описанию (авторское свидетельство СССР №655036, МПК Н02K 17/02, опубл. 30.03.1979 г.) ток, протекающий по обмотке ротора, с частичным относительным скосом пазов создает аксиальную силу, на левом краю равную и противоположную аксиальной силе, создаваемой на правом краю. В данной конструкции условием их компенсации является равенство дуг b=b. По нашему мнению равенство b=b недостаточное условие для компенсации сил. Это поясняется фиг. 1. При b=b скосы могут быть выполнены под углами α≠α и, учитывая равенство токов в скосах  и , можно утверждать, что аксиальные составляющие сил слева F=F⋅sin α и справа F=F⋅sin α при неравенстве углов они также не будут равны и поэтому их взаимокомпенсация не произойдет. В прототипе указывается на обязательное одинаковое направление скоса. Если скосы будут выполнены в разные стороны, то аксиальные силы будут суммироваться и воздействие на подшипники будет недопустимым.
п
л
В итоге аксиальные силы от скоса пазов будут равны и направлены встречно и таким образом полная компенсация будет иметь место при скосе в одну сторону, равенстве длины паза, на которой он скошен и равенствах углов α=α. Направление скоса в данном случае не имеет значения, он может быть по направлению вращения или против.
ав
бг
ге
ав
ав
вг
гe
aв
ав
aвd
aвq
В заявленной конструкции на фиг. 2 токи ротора будут протекать по траектории пазов и создавать силы, действующие на ротор. Поскольку участки обмотки в пазах ,  и  соединены последовательно, токи в них будут равны I=I=I. В частности, на левом краю сила F, создаваемая током I, перпендикулярна пазу  и после разложения представляет векторную сумму продольной F и поперечной F составляющих.
red
авd
гeq
л
п
бв
гд
На правом краю фиг. 2 аналогично возникает продольная составляющая F. Векторы сил F и F равны и, поскольку скосы на левом и правом краях сделаны в одном направлении, противоположны. Таким образом, они компенсируют друг друга, т.е. осевые силы, действующие на подшипники равны нулю. Это имеет место благодаря соблюдению равенства углов α=α, равенства отрезков  и , составляющих доли от активной длины магнитопровода ротора, и односторонним расположении скосов.
В (авторское свидетельство СССР №655036, МПК Н02K 17/02, опубл. 30.03.1979 г.) дается общее правило скоса пазов «на развертке магнитной цепи машины оси пазов статора и ротора не должны одновременно иметь центральной симметрии в пределах пакета стали». Предполагаемая симметрия скосов в заявляемом устройстве отношения к этому правилу не имеет. В разрабатываемой конструкции заявляем электродвигатель со скосом только на роторе и отсутствии скоса пазов на статоре. Одновременно скосы на роторе и на статоре выполняются крайне редко, потому что в подавляющем большинстве целесообразны с точки зрения технологии и энергетики скосы только на роторе.
Проведенные нами расчеты и экспериментальные проверки на взрывозащищенных двигателях серии АИМ, разработанных и выпускаемых Уфимским агрегатным производственным объединением показали, что оптимальное соотношение скоса по длине и по дуге окружности магнитопровода имеют практически значимые значения  и (0,016-0,028)τ соответственно.
В заявленной конструкции асинхронного двигателя уравновешивание аксиальных сил и исключение осевого давления ротора на подшипники и тем самым повышение надежности конструкции двигателя решается с ротором, имеющим пазы для обмотки с частичными скосами, выполняемыми симметрично по обеим сторонам ротора на участках активной длины магнитопровода величиной:
где  - активная длина магнитопровода, в одном направлении под углом:
где  - полюсное деление,
D - наружный диаметр ротора,
р - число пар полюсов.
n
Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить надежность за счет полной компенсации аксиальных нагрузок, так как от них зависит динамическая нагрузка Q на подшипники.