САМОТОРМОЗЯЩИЙСЯ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ СО СДВОЕННЫМ КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ
SELF-BRAKING ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR WITH DUAL SQUIRREL-CAGE ROTOR

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в агрегатах и приводных механизмах с быстрым или точным автоматическим остановом привода.
Известен самотормозящийся асинхронный электродвигатель, содержащий статор с конусной расточкой и смещающийся 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.
Известен также самотормозящийся асинхронный электродвигатель, содержащий статор с цилиндрической расточкой и смещающийся 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 (А.С. №729757, 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 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 и 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.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным массивным ротором (положительное решение по заявке №2014107239 от 25.02.2014 г.), содержащий 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; 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. В данной конструкции аксиальное электромагнитное усилие возникает при постоянных магнитных свойствах массивных 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.
<mrow><msubsup><mi>r</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>r</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>/</mo><msub><mi>x</mi><mi>к</mi></msub></mrow>
к
Самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным массивным ротором прост и надежен в эксплуатации, однако в массивном роторе вихревые токи замыкаются по стали и его активное сопротивление
больше, чем у двигателей с короткозамкнутой обмоткой из меди или алюминия. У двигателей с массивным ротором критическое скольжение
лежит в области s=3÷4. Номинальное скольжение у двигателей с массивным ротором значительно больше, чем у двигателей общего назначения, и поэтому электрические потери в роторе больше. Низкие КПД и коэффициент активной мощности (cosφ) двигателей с массивным ротором ограничивают их применение (Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с., с. 187-188).
Заявляемое изобретение решает задачу улучшения энергетических показателей двигателей.
Технический результат заключается в уменьшении активного сопротивления ротора, повышении КПД и cosφ двигателей и расширении сферы их применения.
Технический результат достигается тем, что в самотормозящемся асинхронном электродвигателе со сдвоенным короткозамкнутым ротором, содержащем статор с цилиндрической расточкой с обмоткой возбуждения, цилиндрический сдвоенный ротор, расположенный на валу симметрично в осевом направлении относительно магнитопровода статора с возможностью аксиального перемещения в воздушном зазоре, образованном между его частями с установленной между ними тормозной пружиной, надетой на вал и подшипниковые щиты с подшипниками, на внутренних поверхностях которых выполнены конические тормозные колодки с жестко закрепленными тормозными накладками, при этом пакеты магнитопроводов цилиндрического сдвоенного ротора выполнены шихтованными и набраны из листов электротехнической стали, на внешних цилиндрических поверхностях которых выполнены пазы с расположенными в них стержнями обмоток, концы которых с торцов магнитопроводов соединены кольцами, соединяющими их накоротко, при этом стержни обмоток, находящиеся в пазах магнитопроводов, расположены зеркально относительно его центра в аксиальном направлении параллельно оси вращения машины, а пакеты магнитопроводов цилиндрического сдвоенного ротора сопряжены с валом посредством шлицевых соединений.
Сдвоенные пакеты магнитопроводов ротора выполнены шихтованными и набраны из листов электротехнической стали, что позволяет обеспечить прохождение магнитного потока с минимальными магнитным сопротивлением и потерями от вихревых токов. Применение шихтованных магнитопроводов с короткозамкнутыми обмотками ведет к значительному уменьшению активного сопротивления ротора и соответственно уменьшению электрических потерь в нем и позволяет уменьшить номинальное скольжение и тем самым улучшить энергетические показатели двигателя в целом (увеличить cosφ и КПД).
На фиг. 1 показан общий вид самотормозящегося асинхронного электродвигателя со сдвоенным короткозамкнутым ротором; на фиг. 2 показан общий вид сдвоенных пакетов магнитопроводов ротора с расположенными на них пазами с короткозамкнутыми обмотками (нумерация позиций сохранена в соответствии с фиг. 1).
Самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным короткозамкнутым ротором содержит корпус 1, в котором размещен шихтованный магнитопровод статора 2, имеющий цилиндрическую расточку с m-фазной обмоткой возбуждения статора 3.
Пакеты магнитопроводов 4, 5 цилиндрического сдвоенного ротора выполнены шихтованными, с пазами на внешних цилиндрических поверхностях, в которых расположены стержни обмоток 6, 7, концы которых с торцов пакетов магнитопроводов 4, 5 соединены накоротко кольцами 8, 9 и 10, 11 соответственно. Пазы со стержнями обмоток 6, 7 располагаются зеркально относительно центра магнитопроводов в аксиальном направлении, параллельно оси вращения машины. Пакеты магнитопроводов 4, 5 имеют возможность свободного встречного перемещения вдоль вала 12 и соединены с ним посредством шлицевого соединения 13.
Применение шлицевого соединения 13 для совмещения вала 12 с пакетами магнитопроводов 4, 5 позволяет точно центрировать пакеты магнитопроводов 4, 5 ротора по отношению к шихтованному магнитопроводу статора 2 и иметь запас надежности при динамических нагрузках при относительном аксиальном перемещении.
Между пакетами магнитопроводов 4, 5 на валу 12 расположена тормозная пружина 14, которая разжимает их при отсутствии напряжения на m-фазной обмотке возбуждения статора 3, образуя воздушный зазор δ.
Суммарная длина сдвоенных пакетов магнитопроводов 4, 5 при сжатой тормозной пружине 14 без воздушного зазора δ равна длине шихтованного магнитопровода статора 2.
Подшипниковые щиты 15, 16 крепятся в корпусе 1 посредством болтов 17, 18. Вал 12 базируется в подшипниковых щитах 15, 16 при помощи радиальных подшипников 19, 20, внутренние кольца которых упираются в его выступы, а внешние кольца фиксируются в подшипниковых щитах 15, 16 при помощи крышек 21, 22 посредством болтов 23, 24. Между шихтованным магнитопроводом статора 2 и пакетами магнитопроводов 4, 5 имеется рабочий воздушный зазор, который позволяет вращаться ротору относительно статора 1 на радиальных подшипниках 19, 20.
На внешних торцевых поверхностях пакетов магнитопроводов 4, 5 сдвоенного ротора неподвижно закреплены конические закаленные пластины 29, 30. С внутренней стороны подшипниковых щитов 15, 16 в форме выступов выполнены конические тормозные колодки 25, 26, на которых жестко закреплены тормозные накладки 27, 28. Равномерный износ тормозных накладок 27, 28 тормозного устройства обеспечивается при условии, что на стадии изготовления и сборки осуществляется симметричное расположение в аксиальном направлении цилиндрического пакета ротора, состоящего из двух пакетов магнитопроводов 4, 5 к шихтованному магнитопроводу статора 2 и зеркальное расположение пазов с расположенными в них стержнями обмоток 6, 7 относительно его центра.
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, пакеты магнитопроводов 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 δ имеет наименьшее значение, что соответствует наиболее выгодному энергетическому положению), конические закаленные пластины 29, 30 вместе с пакетами магнитопроводов 4, 5 встречно перемещаются, скользя по шлицевому соединению 13 вдоль вала 12, сжимая при этом тормозную пружину 14 и растормаживая двигатель. Из-за ЭДС, вызванной основным магнитным потоком, в короткозамкнутых обмотках роторов протекают токи. Взаимодействие вращающегося магнитного поля шихтованного магнитопровода статора 2 с токами короткозамкнутых обмоток (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 основной магнитный поток, удерживающий конические закаленные пластины 29, 30 вместе с пакетами магнитопроводов 4, 5 в рабочем положении, исчезает. Вследствие этого тормозная пружина 14 вызывает взаимное аксиальное смещение конических закаленных пластин 29, 30 вместе с пакетами магнитопроводов 4, 5. При этом каждая коническая закаленная пластина 29, 30 входит в контакт со своей тормозной накладкой 27, 28, а между внутренними торцевыми поверхностями пакетов магнитопроводов 4, 5 образуется воздушный зазор δ. В результате трения конусных поверхностей сопряжения конических закаленных пластин 29, 30 ротора и тормозных накладок 27, 28 происходит остановка ротора.