РОТОР ДЛЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
ROTOR FOR ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к ротору для электродвигателя, включающему в себя расположенный на валу пакет из некоторого числа изолированных друг от друга листов, причем в осевой краевой зоне пакета в определенном количестве листов выполнены высечки, расположенные таким образом, что они образуют огибающую вал полость.
Электродвигатели служат для вырабатывания механической, обычно вращательной, энергии из электричества. В них сила, оказываемая магнитным полем на проводник катушки, через который течет ток, преобразуется в движение. Они включают в себя для этого неподвижный статор и вращающийся в нем, установленный в соответствующих подшипниках ротор. При этом наиболее используемым в настоящее время электродвигателем является асинхронный двигатель.
Существуют два вида роторов асинхронных двигателей. У двигателя с фазным ротором последний содержит катушки (проволочные обмотки), концы которых посредством контактных колец выведены из двигателя. Во время пуска они соединяются пусковыми резисторами и по мере возрастания частоты вращения постепенно замыкаются накоротко.
Двигатель с короткозамкнутым ротором, напротив, имеет существенно более простую конструкцию. Ротор состоит из пакета листов, в который помещены ориентированные, в основном аксиально, металлические стержни из цветных металлов. Пакет состоит из большого числа изолированных друг от друга по отдельности листов, в которых для размещения металлических стержней выполнены пазы. Металлические стержни снабжены на обоих осевых концах огибающими короткозамыкающими кольцами.
Максимально допустимая частота вращения таких двигателей с короткозамкнутым ротором определяется сегодня механической нагружаемостью короткозамыкающих колец. Поэтому для дальнейшего повышения частоты вращения конструкторы стремятся повысить механическую нагружаемость короткозамыкающих колец. Для этого предусматривалось, например, опорное кольцо (армирующее кольцо), которое, будучи надето на осевые концы пакета листов, проходит до вала и полностью охватывает короткозамыкающее кольцо. Однако недостатком этого решения является относительно сложная заливка отверждающегося, прочного на сжатие материала, чтобы обеспечить надежное функционирование опорного кольца.
В качестве альтернативы опорные или армирующие кольца могут заливаться непосредственно. Это решение имеет тот недостаток, что армирующие кольца приходится весьма трудоемким образом помещать в пресс-форму. Из-за этого форма становится очень сложной.
Кроме того, известны еще так называемые колпачковые кольца. Это втулки из амагнитного материала, которые в горячем состоянии насаживаются на короткозамыкающие кольца. Для надежной посадки втулки на роторе она должна частью своей длины опираться также на пакет листов. Однако эта часть пакета после этого больше не способствует образованию электромагнитного крутящего момента. Это является значительным недостатком в отношении мощности двигателя.
Из JP S61-185047 известно, что в осевой краевой зоне пакета расположены немагнитные стальные пластины таким образом, что они образуют огибающую вал полость.
Другие короткозамкнутые роторы известны из US 2011/291517 А и US 2944171 А1.
Задача изобретения заключается в создании ротора для электродвигателя описанного выше рода, который обеспечивал бы особенно высокие максимальные частоту вращения и мощность электродвигателя при особенно низких издержках производства.
Эта задача решается в соответствии с формулой изобретения.
При этом изобретение исходит из того факта, что технически особенно простой стабилизации короткозамыкающего кольца можно достичь за счет того, что оно окружается и удерживается самими листами ротора. Последние опираются на вал и могут за счет этого образовать стабильный каркас для соответствующего короткозамыкающего кольца. Для этого в пакете на осевом краю необходимо выполнить огибающую полость, в которой может быть размещено короткозамыкающее кольцо. Поскольку эта полость в отношении своей ширины должна включать в себя несколько листов, она образуется за счет выполнения, например пробивания, соответствующих высечек в листах. За счет соответствующего выбора формы высечек и расположения соседних листов по отношению друг к другу можно образовать соответствующую огибающую полость.
В одном предпочтительном варианте соответствующая высечка проходит в направлении периферии и ограничена радиальными перемычками. За счет этого на каждую высечку уже возникает по меньшей мере частично огибающая полость, которая прерывается лишь радиальными перемычками для стабилизации листа.
Чтобы несмотря на эти прерывания получить сплошную полость, предпочтительным образом соответствующие радиальные перемычки двух листов расположены со смещением по отношению друг к другу в направлении периферии. Благодаря этому прерывания полости за счет перемычек одного листа компенсируются одной сплошной высечкой расположенного рядом с перемычкой соседнего листа. Таким образом, полость зигзагообразно извивается через листы, в результате чего она, несмотря на соответствующие стабилизирующие перемычки, выполнена непрерывно огибающей.
В одном особенно предпочтительном варианте высечки выполнены в соответствующем листе радиально-симметричными. Другими словами, соответствующий лист выполнен так, что он при вращении на определенный угол вокруг образованной валом ротора средней оси снова совпадает сам с собой. Это значительно упрощает процесс изготовления, например путем штамповки.
При этом далее предпочтительным образом высечки выполнены в листах конгруэнтно, т.е. все листы имеют идентичные высечки и расположены лишь со смещением по отношению друг к другу в направлении периферии. За счет этого следует вырубать лишь одну-единственную форму, что дополнительно упрощает процесс изготовления.
Еще одно упрощение изготовления достигается за счет того, что предпочтительным образом одна часть общего числа листов смещена в направлении периферии по отношению к другой части, в основном на 180°, деленных на порядок радиальной симметрии. Другими словами, радиальные перемычки одной части листов расположены посередине высечек другой части. В результате возникает легко изготавливаемая правильная форма огибающей полости по типу огибающего прямоугольного сигнала.
Предпочтительным образом в полости расположено огибающее электропроводящее короткозамыкающее кольцо.
В способе изготовления описанного ротора предпочтительным образом листы вырубаются из непрерывной полосы и укладываются друг на друга в виде пакета, т.е. ротор изготавливается посредством так называемой техники штамповочного пакетирования. При этом листы вырубаются из полосы и на последней операции укладываются друг на друга на рабочей плите. Описанные выше формы высечек и их расположение можно реализовать посредством штамповочного пакетирования особенно просто, поскольку, с одной стороны, можно особенно просто выполнить одинаковые высечки, а, с другой стороны, ориентации в направлении периферии можно достичь за счет соответствующего поворота рабочей плиты или поворота на пакетирующей станции.
В другом предпочтительном варианте способа короткозамыкающее кольцо помещается в полость литьем под давлением. Короткозамыкающее кольцо изготовлено обычно из меди или алюминия, которая/который хорошо подходит для литья под давлением. Образованная высечками полость образует литьевую форму, а короткозамыкающее кольцо помещается в листы с точной посадкой. Это может осуществляться за одну операцию вместе с помещением осевых металлических стержней, которые образуют беличью клетку. За счет этого дополнительно упрощается изготовление.
Электродвигатель включает в себя предпочтительным образом описанный выше или изготовленный описанным выше способом ротор. Такой электродвигатель имеет, несмотря на простоту изготовления, особенно высокую максимальную частоту вращения.
Достигаемые изобретением преимущества заключаются, в частности, в том, что за счет помещения короткозамыкающего кольца непосредственно в огибающую полость в пакете листов ротора электродвигателя достигается стабилизация короткозамыкающего кольца технически особенно простым образом и за счет этого повышается максимальная частота вращения. Благодаря использованию техники штамповочного пакетирования это преимущество достигается с особенно малыми затратами.
Пример осуществления изобретения более подробно поясняется с помощью чертежей, на которых изображают:
- фиг.1: частичный продольный разрез ротора для электродвигателя в конструкции с короткозамкнутым ротором;
- фиг.2: лист ротора;
- фиг.3: концевой лист ротора;
- фиг.4: вид сверху на составленный из листов и концевых листов ротор без помещенной беличьей клетки;
- фиг.5: увеличенный вид сверху на фиг.4;
- фиг.6: вид сверху на ротор после помещения беличьей клетки.
Одинаковые детали обозначены на всех чертежах одинаковыми ссылочными позициями.
На фиг.1 изображен ротор 1 для электродвигателя. Он выполнен в виде короткозамкнутого ротора и содержит вместо намотанной из проволоки, питаемой через контактные кольца катушки, как в двигателе с фазным ротором, постоянно короткозамкнутую в пакете 2 листов клетку. Ротор 1 включает в себя расположенный на валу 4 пакет 2 листов железа, в который помещены металлические стержни 6 из цветных металлов, например меди или алюминия. Металлические стержни 6 проходят, в основном, в осевом направлении, однако немного наклонены к нему в направлении периферии. Они соединены на осевых концах пакета 2 огибающими короткозамыкающими кольцами 8.
Пакет 2 состоит из отдельных изолированных друг от друга листов, в которых вырублены высечки для размещения металлических стержней 6. Это более подробно показано на фиг.2 и 3. Листы изготавливаются способом штамповочного пакетирования. При этом способе полоса последовательно проходит через различные штампы, в результате чего непрерывно вырубаются структуры и, наконец, внешняя форма самого диска. Возникающие таким образом листы объединяются в пакет за счет того, что они после окончательной вырубки падают на рабочую плиту или пакетирующую станцию и соединяются.
Металлические стержни 6 заливаются в высечки пакета 2 (пазы или отверстия) литьем под давлением. Они состоят из алюминия или меди. В короткозамкнутых роторах число пазов или отверстий и тем самым число металлических стержней 6 отличается от числа пазов статора (не показан), оно может быть либо больше, либо меньше. Как правило, короткозамкнутый ротор имеет меньшее число пазов, чем статор. Во-первых, разное число пазов служит мерой преодоления минимального пускового момента в седловине. Кроме того, выполненные таким образом роторы могут использоваться для двигателей с разным числом пар полюсов.
Принцип действия короткозамкнутого ротора кратко поясняется ниже. За счет магнитного вращающегося поля статорных катушек в металлической клетке, т.е. в металлических стержнях 6 и короткозамыкающих кольцах 8, в роторе наводится напряжение. Вследствие короткозамкнутых между собой металлических стержней 6 в них текут соответствующие токи ротора, вырабатывающие собственное магнитное поле. Связь вращающегося поля статора с полем ротора клетки вызывает вращательное движение ротора 1. При возрастании частоты вращения падает как наведенное в роторе напряжение, так и ток ротора. Кроме того, уменьшается реактивное сопротивление ротора, вследствие чего уменьшается фазовый сдвиг между напряжением и током ротора.
Максимальная частота вращения ограничивается, как правило, механической стабильностью огибающих короткозамыкающих колец 8. Поэтому в данном примере короткозамыкающее кольцо интегрировано в пакет 2 особым образом. Пакет 2 состоит в средней части из обычных круглых листов 10 ротора, как это показано на фиг.2 при осевом виде сверху. Лист 10 круглый и имеет в центре отверстие 12 для вала 4. Вдоль периферии выполнены одинаковой формы отверстия 14 таким образом, что возникает множественная радиальная симметрия. Кроме того, они расположены зеркально-симметрично оси, проходящей через центр вала 4 в радиальном направлении.
Расположение металлических стержней 6 слегка наискось достигается за счет того, что листы 10 ротора расположены в направлении периферии вдоль вала 4 непрерывно слегка со смещением по отношению друг к другу.
Листы пакета 2, расположенные в обоих осевых концевых зонах ротора 1, замыкая их, выполнены, напротив, иначе. Такой концевой лист 16 изображен на фиг.3. Он имеет такую же периферию, что и лист 10 ротора, и такое же отверстие 12 в центре для прохождения вала 4.
Вместо небольших отверстий 14 каждый концевой лист 16 имеет высечки 18, проходящие в направлении периферии. Их длина рассчитана так, что они по сравнению с листами 10 ротора охватывают примерно три их отверстия 14. Высечки выполнены так, что возникает радиальная симметрия, которая, однако, лишь восьмерная, т.е. вращение на одну восьмую всей окружности приводит к совпадению концевого листа 16 с самим собой. Кроме того, концевые листы 16 также зеркально-симметричны оси, проходящей через центр вала 4 в радиальном направлении. Между высечками 18 остаются радиальные перемычки 20. Как отверстия 14 листов 10 ротора, так и высечки 18 концевых листов 16 ограничены в радиальном направлении определенными внутренним и наружным радиусами.
Устройство и изготовление ротора 1 поясняются далее на фиг.4-6. Прежде всего, листы штампуются, как показано на фиг.2 и 3, и объединяются в пакет 2, надеваемый на вал 4 (фиг.4). Пакет 2 состоит в центре из листов 10 ротора, которые, как уже сказано, непрерывно смещены по отношению друг к другу в направлении периферии, образуя слегка наклоненный проход.
Концевые листы 16, напротив, образующие с обеих сторон осевое замыкание пакета 2, расположены так, что они образуют огибающую вал 4 полость 22. Это показано на фиг.5 в увеличенном виде. Для этого к листам 10 ротора сначала примыкает первая часть 24 концевых листов 16, которые расположены друг на друге, совпадая. К ней примыкает вторая часть 26 концевых листов 16, которые также расположены друг на друге, совпадая, однако по сравнению с первой частью 24 смещены в направлении периферии на одну шестнадцатую, т.е. ровно на половину порядка радиальной симметрии. Расположение всех листов происходит описанным образом способом штамповочного пакетирования.
В результате возникает сквозная в направлении периферии полость 22, которая, если смотреть в направлении периферии, имеет слева и справа попеременно перемычки 20. В эту полость 22 помещается короткозамыкающее кольцо 8 (фиг.6). Соответственно число концевых листов 16 рассчитано так, что их толщина соответствует рассчитанной для ротора 1 толщине обычного короткозамыкающего кольца 8.
На фиг.6 изображен готовый ротор 1. Полость 22 и проходы, образованные отверстиями 14 в листах 10 ротора, заполняются литьем под давлением алюминием, медью или другими цветными металлами. В результате возникает беличья клетка.
Форма для литья под давлением замыкает при этом осевые концы ротора 1 и снабжена выемками, которые совпадают с перемычками 20 внешней части 26 концевых листов 16. В результате при литье под давлением образуются выступы 28, которые лежат над перемычками 20 и заботятся о том, чтобы аксиально присоединенным был также последний концевой лист 16. Выступы 28 изображены в разрезе также на фиг.1.