АСИНХРОННАЯ КОРОТКОЗАМКНУТАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использовано в системах электромеханического преобразования энергии, а именно в асинхронных короткозамкнутых электрических машинах.
Известна асинхронная короткозамкнутая электрическая машина, содержащий статор и ротор, включающий в себя токопроводящие стержни, расположенные в пазах симметрично по периметру и параллельно оси вращения мотора, причем на каждой торцевой стороне ротора конец каждого стержня соединен со всеми теми концами стержней, которые сдвинуты относительно упомянутого стержня по периметру ротора на величину угла полюсного деления (патент РФ на изобретение №2208892. МПК Н02К 17/16, 2003 г.). Указанное техническое решение осуществляет способ, при котором "n" векторов магнитных полей статора и ротора образуют результирующий электромагнитный момент. К недостаткам данного устройства относится то, что увеличение момента в данном техническом решении имеет место только при некоторых положениях ротора относительно статора, что приводит к неравномерности вращающего момента по развороту ротора без достаточного увеличения пускового момента. Это ограничивает его применимость приводами с так называемой "вентиляторной" характеристикой, имеющей малый нагрузочный момент на пуске, увеличивающийся по квадратичной зависимости по мере разгона. Неравномерность же вращающего момента вызывает стуки, шумы и вибрации при работе машины и ограничивает ее применимость маховиковыми приводами, а также влияет на повышенный износ.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой по первому варианту является асинхронная короткозамкнутая электрическая машина, содержащая магнитный сердечник статора с комплектом обмоток из изолированных друг от друга проводников, и ротор, выполненный в виде магнитного сердечника с обмоткой, состоящей из короткозамкнутых витков, включающих изолированные токопроводящие стержни, расположенные в пазах ротора параллельно оси его вращения, причем каждый короткозамкнутый виток включает два последовательно соединенных изолированных токопроводящих стержня, отстоящих один относительно другого на расстоянии, определяемом половиной полюсного деления статора, и расположенных в пазах ротора в зонах, прилегающих к его соответствующим границам (патент РФ на изобретение №2393613, МПК Н02К 17/18, публ. 2010 г.). В этой машине имеет место снижение кратности пускового тока двигателя за счет исключения потерь на тормозной эффект, позволившее увеличить частоту пусков без снижения нагрузки и применять машину в самых тяжелых условиях эксплуатации с увеличенной нагрузкой на валу. Машина сохраняет эффект вращения поля и продолжает полноценно выполнять свою работу при отключении одной фазы, генерируя в отключенную фазную обмотку гармоническое напряжение отсутствующей фазы высокого качества с клирфактором менее 1%. Данная машина имеет повышенные по отношению к другим машинам технические, энергетические, эксплуатационные и удельные технико-экономические показатели, как, например, КПД и коэффициент мощности, однако работает в условиях больших электромеханических нагрузок на обмотки ротора и статора, что предъявляет жесткие требования к электрофизическим и прочностным характеристикам изоляции токопроводящих стержней ротора и проводников обмотки статора, и использование известных материалов изоляции не всегда возможно в такой машине, особенно при обеспечении достаточного ресурса ее работы.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой по второму варианту является асинхронная короткозамкнутая электрическая машина, содержащая магнитный сердечник статора с комплектом обмоток и ротор, выполненный в виде магнитного сердечника с обмоткой, состоящей из короткозамкнутых витков, включающих изолированные токопроводящие стержни, расположенные в пазах ротора параллельно оси его вращения, причем каждый виток включает в себя четыре последовательно соединенных стержня, два из которых размещены в одном пазу ротора, а два других расположены в двух смежных пазах ротора на расстоянии от первого паза, определяемом половиной полюсного деления статора, и прилежащих с двух сторон к его границе, (патент РФ на изобретение №2393613, МПК Н02К 17/18, публ. 2010 г.). Данная машина также имеет повышенные по отношению к другим машинам технические, энергетические, эксплуатационные и удельные технико-экономические показатели, как, например, КПД и коэффициент мощности, однако работает в условиях больших электромеханических нагрузок на обмотки ротора и статора, что предъявляет жесткие требования к электрофизическим и прочностным характеристикам изоляции токопроводящих стержней ротора и проводников обмотки статора, и использование известных материалов изоляции не всегда возможно в такой машине, особенно при обеспечении достаточного ресурса ее работы.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи, состоящей в обеспечении эксплуатационной надежности при продолжительном ресурсе работы асинхронной короткозамкнутой электрической машины с описанной выше оригинальной конструкцией ротора за счет использования изоляции обмоток ротора и статора, обладающей высокими электрофизическими и прочностными характеристиками.
Данная задача решается по первому варианту тем, что в асинхронной короткозамкнутой электрической машине, содержащей магнитный сердечник статора с комплектом обмоток из изолированных друг от друга проводников, и ротор, выполненный в виде магнитного сердечника с обмоткой, состоящей из короткозамкнутых витков, включающих изолированные токопроводящие стержни, расположенные в пазах ротора параллельно оси его вращения, причем каждый короткозамкнутый виток включает два последовательно соединенных изолированных токопроводящих стержня, отстоящих один относительно другого на расстоянии, определяемом половиной полюсного деления статора, и расположенных в пазах ротора в зонах, прилегающих к его соответствующим границам, изоляция токопроводящих стержней выполнена в виде нанослоя оксида алюминия.
По второму варианту данная задача решается тем, что в асинхронной короткозамкнутой электрической машине, содержащей магнитный сердечник статора с комплектом обмоток, и ротор, выполненный в виде магнитного сердечника с обмоткой, состоящей из короткозамкнутых витков, включающих изолированные токопроводящие стержни, расположенные в пазах ротора параллельно оси его вращения, причем каждый виток включает в себя четыре последовательно соединенных стержня, два из которых размещены в одном пазу ротора, а два других расположены в двух смежных пазах ротора на расстоянии от первого паза, определяемом половиной полюсного деления статора, и прилежащих с двух сторон к его границе, изоляция токопроводящих стержней выполнена в виде нанослоя оксида алюминия.
При этом, как по первому, так и второму варианту выполнения полезной модели. изоляция проводников комплектов обмоток статора может быть выполнена в виде нанослоя оксида алюминия.
Изоляция проводников обмотки электрической машины должна обладать высокими диэлектрическими свойствами, хорошей теплопроводностью для обеспечения теплоотдачи медного проводника при температуре до 400 градусов Цельсия, иметь возможность покрывать проводник сплошным слоем, прочно связанным с проводником, а также выдерживать без разрушения большие механические нагрузки при монтаже проводников в корпус машины и при эксплуатационных вибрационных нагрузках.
Оксид алюминия является отличным диэлектриком и обладает среди керамических порошков высокой теплопроводностью 20-28 Вт/м К. Поэтому в качестве диэлектрического материала выбран оксид алюминия. Использование этого материала в виде нанослоя позволяет без использования каких-либо дополнительных добавок для улучшения адгезии и склеивания, как показали наши экспериментальные исследования, надежно изолировать проводники. В соответствии с общепринятой терминологией, нанослой представляет собой сплошную пленку толщиной от единиц до нескольких десятков нанометров, получаемую методами электронно-лучевого или лазерного испарения, магнетронного напыления, молекулярно-лучевой эпитаксии. Изоляция, выполненная в виде нанослоя оксида алюминия имеет хорошие диэлектрические характеристики, обладает высокими теплопроводностью и прочностью, и ее использование обеспечивает эксплуатационную надежность при продолжительном ресурсе работы высоконагруженной асинхронной короткозамкнутой электрической машины с описанной выше оригинальной конструкцией ротора.
На фиг.1 изображен вид с торца 1-го варианта заявленной машины, а на фиг 2 -вид с торца 2-го варианта заявленной машины.
Одно из конкретных конструктивных исполнений машины для осуществления заявленного способа представляет собой асинхронную короткозамкнутую электрическую машину, представленную на фиг.1 (число пар полюсов не регламентируется). Машина содержит, например, двухполюсный статор 1 и ротор 2 с восемнадцатью изолированными токопроводящими стержнями 3-3′ ротора 2, размещенными попарно в девяти пазах 4 (количество стержней ротора не регламентируется), причем концы каждого стержня 3 из одного паза соединены с концами каждого соответствующего стержня 3′ из другого паза, который сдвинут по периметру ротора 2 на расстояние, определяемое величиной, ближайшей к величине половины полюсного деления статора 1, образуя, таким образом, отдельные короткозамкнутые витки из двух последовательно соединенных стержней 3-3′. Изоляция всех токопроводящих стержней 3-3′ выполнена в виде нанослоя оксида алюминия. Изоляция проводников комплектов обмоток статора 1 также может быть в виде нанослоя оксида алюминия.
Другое конструктивное исполнение машины для осуществления заявленного способа представляет собой, например, асинхронную короткозамкнутую электрическую машину, представленную на фиг.2. Машина содержит двухполюсный статор 1 и ротор 2 с тридцатью шестью изолированными токопроводящими стержнями 3-3′, 3″-3′″ ротора 2, размещенными по четыре в девяти пазах 4, причем концы каждой пары стержней 3-3′ соединены соответственно с концами стержня 3″, который отнесен по периметру ротора 2 на расстояние, определяемое величиной, ближайшей к величине половины полюсного деления статора 1 в его пределах, и с концами стержня 3′″, который отнесен по периметру ротора 2 на расстояние, определяемое величиной, ближайшей к величине половины полюсного деления статора 1 за его пределами. При этом стержни 3-3′-3″-3′″ каждой группы соединены между собой в последовательную цепь, образуя отдельные короткозамкнутые витки. Изоляция всех токопроводящих стержней 3-3′-3″-3″′ выполнена в виде нанослоя оксида алюминия. Изоляция проводников комплектов обмоток статора 1 также может быть выполнена в виде нанослоя оксида алюминия.
Первый вариант исполнения применяется в асинхронных короткозамкнутых электрических машинах при их использовании в качестве двигателей общего применения с жесткой механической характеристикой.
Второй вариант исполнения применяется в асинхронных короткозамкнутых электрических машинах при их использовании в качестве тяговых двигателей с повышенным пусковым моментом.
Асинхронная короткозамкнутая электрическая машина работает аналогичным образом, как и машина, представленная в прототипе по патенту РФ на изобретение №2393613.
…
…
При использовании машины в качестве двигателя первичные обмотки статора 1 присоединяются к питающей сети с чередованием во времени двух (или более) фаз, сдвинутых относительно друг друга. При этом через обмотки начинают протекать токи, устанавливающие вращающееся магнитное поле статора. Магнитное поле имеет нерегулярную структуру, обусловленную проходящими токами. Причем в местах максимальных токов поле максимально, а там, где кривая тока переходит через ноль, поле практически отсутствует. Эти две области отстоят друг от друга на величину, равную половине полюсного деления. Следует обратить внимание на тот факт, что в области максимального поля кривая первичного тока испытывает перегиб и ее производная равна нулю, а в области минимального поля кривая тока пересекает свое нулевое значение и ее производная имеет максимальное значение. Такое вращающееся магнитное поле, установленное в пакете статора, взаимодействует с пакетом неподвижного ротора, в котором при скольжении -1 устанавливается такое же нерегулярное вращающееся вторичное магнитное поле. Вторичное поле индуцирует вторичные токи в короткозамкнутых стержнях 3 ротора 2, и эти токи устанавливают свое магнитное поле. Вторичные токи, так же как и первичные, имеют нерегулярную структуру со сдвигом между максимумом и минимумом на величину, равную половине полюсного деления. Причем там, где первичный ток и поле имеют максимальное значение, вторичный ток и поле равны нулю из-за нуля производной от тока и потока, а там, где первичный ток и поток имеют минимальные значения с максимумом производной, вторичный ток и поле имеют максимальное значение. Поскольку стержни 3 ротора 2 с максимальным значением тока замыкаются на стержни 3′, отстоящие на угол до величины половины полюсного деления или после нее с максимальным значением поля, в последних при пересечении поля индуцируется ток, который устанавливает свое дополнительное вторичное поле в области максимума первичного поля. Этим обеспечивается повышенное электромеханическое взаимодействие между ротором 2 и статором 1 без увеличения пусковых токов. Пусковой момент увеличивается, и это приводит к уменьшению времени разгона. Следует обратить внимание на то, что подача тока из активного стержня 3 в пассивный происходит плавно без возникновения каких либо ударов, так как на максимуме тока работает только один источник ЭДС, в результате работа осуществляется на первой гармонике, что уменьшает потери и в стали пакета. После установления электромеханического взаимодействия между ротором 2 и статором 1 возникает вращающий момент и ротор 2 начинает свое вращение. По мере разгона частота вторичного поля уменьшается и пассивные стержни 3 начинают все больше намагничивать области максимальных токов первичной цепи в продольном направлении, отдавая в нее все большую долю циркулирующей через них энергии, что характеризует так называемую "реакцию якоря", потребляемый ток уменьшается, и как следствие вращающий момент несколько уменьшается. При уменьшающемся токе снижается степень насыщенности стали. увеличивается индуктивность обмоток ротора 2, увеличивается их постоянная времени. Благодаря этому активные стержни 3 по мере разгона все ближе подходят к областям статора 1 с максимальным полем. И теперь не только пассивные, но и активные стержни 3 начинают отдавать свою неиспользованную энергию в первичную цепь при падающей частоте тока вторичной цепи. И при скольжениях -0.25-0,15 наступает перегиб электромеханической характеристики, а машина выходит на номинальные режимы работы двигателя, которые заканчиваются холостым ходом при скольжениях -0,005-0,001.
При номинальных режимах реакция ротора 2 столь эффективна, а сталь статора 1 намагничивается вторичной цепью настолько достаточно в поперечном направлении, что при этом допустимо отключить одну фазу без ущерба для работоспособности. При отключении одной фазы в номинальном режиме пропорционально возрастает ток в оставшихся фазах, и машина продолжает выполнять свою работу. При этом в статорной обмотке генерируется ЭДС отсутствующей фазы и допустимо заменить механическую нагрузку на валу электрической нагрузкой на свободную фазную обмотку, осуществив режим фазорасщепления в диапазоне скольжения от -0.15 до -0,001.
…
Автономный генераторный режим обеспечивается также с помощью эффективной реакции ротора 2, когда остаточная намагниченность стали пакета вызывает наведение некоторой ЭДС в первичных обмотках статора 1 вращающейся машины. И в случае подключения к первичным обмоткам электрической емкости в них появляется ток обмена энергией между разнородными накопителями энергии, вызывающий возбуждение машины на частоте вращения вала, с некоторым отставанием и с напряжением гармонической формы, изменяющимся пропорционально вплоть до номинального при скольжениях от -0,3 до+0,005. Причем при скольжении +0,002+0,005 генерируется номинальная ЭДС при номинальной частоте, а при более высоких скольжениях выходные частота и напряжение повышаются также линейно выше номинальных значений.
Генераторный режим с отдачей энергии в сеть возникает при подведении механической энергии к валу машины, находящейся в двигательном режиме и раскрутке вала выше синхронной скорости (выше "+0" скольжения). Такой режим возможно осуществлять при скольжениях от +0,001 до +1,17, если позволяет ее механическая прочность. При этом по мере роста скольжения возрастает момент на валу, а выше номинальных режимов, после перегиба характеристики, плавно нарастает потребление опережающей энергии из сети, необходимой для удержания машины в режиме синхронной работы с сетью.
Данная машина имеет повышенные по отношению к другим машинам технические, энергетические, эксплуатационные и удельные технико-экономические показатели, как, например, КПД и коэффициент мощности, и работает в условиях больших электромеханических нагрузок на обмотки ротора и статора, а за счет использования изоляции обмоток ротора и статора, выполненной в виде нанослоя оксида из оксида алюминия, обладающей высокими электрофизическими и прочностными характеристиками, обеспечивается ее эксплуатационная надежность при продолжительном ресурсе работы.