Самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным короткозамкнутым ротором для привода поточных линий
SELF-BRAKING ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR WITH DOUBLE SQUIRREL-CAGE ROTOR FOR DRIVE OF FLOW LINES

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в агрегатах и приводных механизмах с быстрым и точным автоматическим остановом при работе приводного электродвигателя в одном направлении, т.е. в поточных линиях.
Известна конструкция самотормозящегося асинхронного электродвигателя со сдвоенным массивным ротором (патент РФ №2551893, опубл. бюл. №16 от 10.06.2015 г.), которая содержит 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.
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.
Самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным массивным ротором прост и надежен в эксплуатации, однако низкие КПД и коэффициент активной мощности (cos ϕ) двигателей с массивным ротором ограничивают их применение (Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с., с. 187-188).
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным короткозамкнутым ротором (патент РФ №2602242, опубл. бюл. №31 от 10.11.2016 г.). Электродвигатель содержит 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 накоротко, при этом стержни обмоток, находящиеся в пазах магнитопроводов, расположены зеркально относительно его центра в аксиальном направлении параллельно оси вращения вала ротора, а пакеты магнитопроводов цилиндрического сдвоенного ротора сопряжены с валом посредством шлицевых соединений.
Данная конструкция позволила улучшить энергетические показатели электродвигателя (КПД и коэффициент активной мощности cos ϕ) при сохранении площади рабочей поверхности тормозного устройства, срока эксплуатации тормозных накладок, эксплуатационной надежности, эффективности торможения электрической машины и может работать в агрегатах и приводных механизмах с быстрым и точным автоматическим остановом (например, в поточных линиях). Однако особенность работы поточных линий состоит в том, что приводной электродвигатель работает в повторно-кратковременном режиме и только в одном направлении. При этом требуется более точное позиционирование приводного механизма, которое связанно с необходимостью более точного расположения изготавливаемых изделий на самой поточной линии в процессе производства.
Особенность процесса пуска самотормозящегося асинхронного электродвигателя со смещающимся ротором и влияние осевого электромагнитного усилия на скорость его срабатывания подробно описаны в источнике на стр. 31 (Ряженцев Н.П., Швец С.А. Самотормозящийся асинхронный двигатель с конусным ротором. - Новосибирск: Наука, 1974. - 70 с.). В нем указывается, что после подачи напряжения ротор начнет вращаться только в тот момент, когда
п
где М - пусковой момент двигателя;
с
М - момент сопротивления всего агрегата;
т
М - тормозной момент.
т
μ
Тормозной момент М, создаваемый тормозной пружиной, снимается аксиальным электромагнитным усилием F. Однако аксиальное электромагнитное усилие F пропорционально току намагничивания I, а так как они оба возрастают от нуля по экспоненциальному закону, то в течение некоторого времени, пока F не увеличится до определенной величины, ротор стоит на месте. Аналогично аксиальное электромагнитное усилие F будет оказывать большое влияние на процесс торможения, проходящий при отключении питающего напряжения от обмотки статора, а именно на время срабатывания и точность позиционирования приводного механизма в целом.
Использование самотормозящегося асинхронного электродвигателя со сдвоенным короткозамкнутым ротором в качестве привода поточной линии не позволит обеспечить достаточную точность позиционирования приводного механизма из-за отсутствия возможности увеличения аксиального электромагнитного усилия F, влияющего на тормозной момент и эффективность торможения.
Кроме этого наличие на сдвоенном роторе короткозамкнутых обмоток, стержни которых расположены параллельно оси вращения вала ротора, дают возможность высшим гармоникам создавать большие добавочные моменты (Гейлер Б., Гамата В. Высшие гармоники в асинхронных машинах / Пер. с англ. под ред. Э.Г. Каганова. - М.: Энергия, 1981. - 352 с., с. 108, 116, 120, 203). При этом добавочные моменты проявляются главным образом в процессе пуска электродвигателя и изменения скорости вращения ротора, приводя к провалу момента и повышению интенсивности шума электродвигателя, что влечет за собой ухудшение его эксплуатационных характеристик.
Заявляемое изобретение решает задачу увеличения аксиального электромагнитного усилия при работе приводного электродвигателя в одном направлении, уменьшения добавочных вращающих моментов и улучшения эксплуатационных характеристик электродвигателя.
Технический результат заключается в уменьшении пусковых токов, времени срабатывания и интенсивности шума электродвигателя, увеличении эффективности торможения и улучшении точности позиционирования приводного механизма в целом.
Технический результат достигается тем, что самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным короткозамкнутым ротором для привода поточных линий содержит статор, состоящий из корпуса, шихтованного магнитопровода статора с обмоткой возбуждения с цилиндрической расточкой, подшипниковых щитов с подшипниками, при этом на внутренних поверхностях подшипниковых щитов выполнены конические тормозные колодки с жестко закрепленными тормозными накладками, и ротор, содержащий вал с цилиндрическими шихтованными сдвоенными пакетами магнитопроводов, расположенными симметрично в осевом направлении относительно магнитопровода статора и сопряженными с валом посредством шлицевых соединений с возможностью аксиального перемещения в воздушном зазоре, образованном между его частями с установленной между ними тормозной пружиной, надетой на вал, причем на внешних цилиндрических поверхностях сдвоенных пакетов магнитопроводов выполнены пазы с расположенными в них стержнями обмоток, концы которых с торцов магнитопроводов соединены кольцами накоротко, а стержни обмоток, находящиеся в пазах магнитопроводов, расположены зеркально относительно центра в аксиальном направлении, при этом стержни обмоток, находящиеся в пазах сдвоенных пакетов магнитопроводов ротора, расположены со скосом относительно оси вращения вала ротора, а направление вращения ротора совпадает с увеличением угла осевого скоса стержней обмоток от середины к краям пакетов магнитопроводов.
F
Так как чередование фаз подаваемого напряжения на m-фазную обмотку возбуждения статора предварительно согласовано таким образом, чтобы направление вращения ротора совпадало с увеличением угла α осевого скоса стержней обмоток от середины пакетов магнитопроводов ротора к краям, то в момент пуска электродвигателя вращающееся магнитное поле при взаимодействии с токами короткозамкнутой обмотки ротора приведет к появлению как крутящего момента, так и дополнительных аксиальных электромагнитных усилий  (Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с., с. 184), которые будут совместно действовать на сдвоенные пакеты магнитопроводов ротора, сжимая тормозную пружину. При этом угол α осевого скоса стержней обмоток сдвоенных пакетов магнитопроводов ротора дополнительно увеличит аксиальное электромагнитное усилие F и ускорит момент времени, при котором сдвоенные пакеты магнитопроводов ротора полностью отодвинутся от тормозных накладок и ротор освободится от тормозного устройства. Ускорение времени срабатывания ведет к тому, что подключенный при пуске под напряжение электродвигатель находится в заторможенном состоянии (под действием тормозного устройства) меньший промежуток времени, что ведет к уменьшению пусковых токов, протекающих по обмоткам электродвигателя в этот промежуток времени.
Кроме этого наличие скоса стержней обмоток в пазах сдвоенных пакетов магнитопроводов ротора при предварительном согласованном направлении вращения ротора увеличит аксиальное электромагнитное усилие F и даст возможность установить на валу между сдвоенными пакетами магнитопроводов более жесткую тормозную пружину, которая при торможении будет способствовать увеличению эффективности торможения и точности позиционирования приводного механизма в целом.
Уменьшение добавочных моментов при пуске электродвигателя происходит за счет наличия скоса стержней обмоток в пазах сдвоенных пакетов магнитопроводов ротора и увеличенного активного сопротивления стержней обмоток из-за их увеличенной длины по сравнению с прототипом (Гейлер Б., Гамата В. Высшие гармоники в асинхронных машинах / Пер. с англ. под ред. Э.Г. Каганова. - М.: Энергия, 1981. - 352 с., с. 172). Кроме этого наличие скоса стержней обмоток в пазах сдвоенных пакетов магнитопроводов ротора позволит дополнительно уменьшить интенсивность шума (Гейлер Б., Гамата В. Высшие гармоники в асинхронных машинах / Пер. с англ. под ред. Э.Г. Каганова. - М.: Энергия, 1981. - 352 с., с. 227).
Все это в конечном итоге позволит улучшить эксплуатационные характеристики приводного механизма в целом.
На фиг. 1 показан общий вид самотормозящегося асинхронного электродвигателя со сдвоенным короткозамкнутым ротором для привода поточных линий.
На фиг. 2 показан общий вид сдвоенных пакетов магнитопроводов ротора с расположенными в них пазами с короткозамкнутыми обмотками (нумерация позиций сохранена в соответствии с фиг. 1).
Самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным короткозамкнутым ротором для привода поточных линий содержит корпус 1, в котором размещен шихтованный магнитопровод статора 2, имеющий цилиндрическую расточку с m-фазной обмоткой возбуждения статора 3 (фиг. 1). Сдвоенные пакеты магнитопроводов 4, 5 ротора выполнены шихтованными с пазами на внешних цилиндрических поверхностях, в которых расположены стержни обмоток 6, 7, концы которых с торцов сдвоенных пакетов магнитопроводов 4, 5 соединены накоротко кольцами 8, 9 и 10, 11 соответственно (фиг.1, 2). Пазы со стержнями обмоток 6, 7 располагаются зеркально относительно центра сдвоенных пакетов магнитопроводов 4, 5 в аксиальном направлении. При этом стержни обмоток 6, 7, находящиеся в пазах сдвоенных пакетов магнитопроводов 4, 5 ротора, расположены со скосом относительно оси вращения вала 12 ротора, а направление вращения ротора совпадает с увеличением угла а осевого скоса стержней обмоток 6, 7 от середины к краям сдвоенных пакетов магнитопроводов 4, 5 (фиг. 2).
F
При проектировании и изготовлении данного электродвигателя необходимо отталкиваться от задач, которые будут предъявляться к конкретному электроприводу, и максимально требовательно подходить к выбору величины угла а осевого скоса стержней обмоток 6, 7 ротора относительно продольной оси вращения вала 12 ротора, так как она будет влиять на характеристики машины. При этом увеличение угла α осевого скоса стержней обмоток 6, 7 ротора относительно оси вращения вала 12 ротора будет пропорционально увеличивать аксиальное электромагнитное усилие .
Сдвоенные пакеты магнитопроводов 4, 5 имеют возможность свободного встречного перемещения вдоль вала 12 и соединены с ним посредством шлицевых соединений 13 (фиг. 1). Применение шлицевых соединений 13 для совмещения вала 12 со сдвоенными пакетами магнитопроводов 4, 5 позволяет точно центрировать сдвоенные пакеты магнитопроводов 4, 5 ротора по отношению к магнитопроводу статора 2 и иметь запас надежности динамических нагрузок при относительном аксиальном перемещении.
Между сдвоенными 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 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 магнитопроводом статора 2 и сдвоенными пакетами магнитопроводов 4, 5 имеется рабочий воздушный зазор, который позволяет вращаться ротору относительно магнитопровода статора 2 на радиальных подшипниках 19, 20, расположенных на валу 12.
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 сдвоенных пакетов магнитопроводов 4, 5 ротора к магнитопроводу статора 2. На внешних торцевых поверхностях сдвоенных пакетов магнитопроводов 4, 5 ротора неподвижно закреплены конические закаленные пластины 29, 30.
Самотормозящийся асинхронный электродвигатель со сдвоенным короткозамкнутым ротором для привода поточных линий работает следующим образом.
F
Чередование фаз подаваемого напряжения на m-фазную обмотку возбуждения статора 3 предварительно согласовано таким образом, чтобы направление вращения вала 12 совпадало с увеличением угла α осевого скоса стержней обмоток 6, 7 от середины к краям сдвоенных пакетов магнитопроводов 4, 5. При подаче напряжения на m-фазную обмотку возбуждения статора 3 возникает основной магнитный поток и потоки рассеивания, которые пересекают рабочий воздушный зазор, сдвоенные 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 со сдвоенными пакетами магнитопроводов 4, 5 встречно перемещаются, скользя по шлицевым соединениям 13 вдоль вала 12, сжимая при этом тормозную пружину 14 и растормаживая двигатель. Одновременно с этим основной магнитный поток пересекает сдвоенные пакеты магнитопроводов 4, 5 с расположенными в них стержнями обмоток 6, 7, концы которых с торцов сдвоенных пакетов магнитопроводов 4, 5 соединены накоротко кольцами 8, 9 и 10, 11 соответственно, и наводит в них ЭДС. Так как концы стержней обмоток 6, 7 соединены накоротко, образуя замкнутую цепь, то по ним будет протекать ток. Вращающееся магнитное поле при взаимодействии с токами, протекающими по стержням обмоток 6, 7 ротора, приведет к возникновению как крутящего момента (по закону Ампера), так и дополнительных аксиальных электромагнитных усилий , которые будут совместно действовать на сдвоенные пакеты магнитопроводов 4, 5 ротора, дополнительно сжимая тормозную пружину 14 и тем самым ускоряя момент времени, при котором сдвоенные пакеты магнитопроводов 4, 5 ротора полностью отодвинутся от тормозных накладок 27, 28, а ротор освободится от тормозного устройства. В процессе пуска воздушный зазор δ сокращается до нуля и далее не влияет на режим работы двигателя.
Подшипниковые щиты 15, 16 крепятся в корпусе 1 посредством болтов 17, 18. При этом 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 магнитопроводом статора 2 и сдвоенными пакетами магнитопроводов 4, 5 имеется рабочий воздушный зазор, который дает возможность одновременно вращаться сдвоенным пакетам магнитопроводов 4, 5 ротора относительно магнитопровода статора 2 на радиальных подшипниках 19, 20 и перемещаться в аксиальном направлении вдоль вала 12 на шлицевых соединениях 13.
Отключение m-фазной обмотки возбуждения статора 3 от источника питания приведет к угасанию энергии электромагнитного поля электродвигателя. Это вызовет постепенное уменьшение скорости вращения ротора, основной магнитный поток будет не в состоянии удерживать конические закаленные пластины 29, 30 вместе со сдвоенными пакетами магнитопроводов 4, 5 в рабочем положении, тормозная пружина 14 приведет к взаимному аксиальному смещению конических закаленных пластин 29, 30 вместе со сдвоенными 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 сдвоенных 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, жестко закрепленных на конических тормозных колодках 25, 26, происходит остановка ротора.