асинхронный двигатель

Формула изобретения

АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий зубчатый статор, ротор с магнитопроводом, набранным из листов с полузакрытыми пазами, отличающийся тем, что магнитопровод ротора набран из четного числа листов, пазы магнитопровода имеют по два шлица, образованных выемками в листах, оси которых смещены от оси симметрии паза на величину l, определяемую из следующих соотношений:





h d > b



где t_с.1 зубцовый шаг статора;

Z число пазов статора;

a ширина выемки;

C ширина верхней части паза;

h высота выемки;

d глубина проникновения тока;

b толщина роторного листа;

p число пар полюсов, причем каждый последующий роторный лист перевернут относительно предыдущего.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к асинхронным электродвигателям с короткозамкнутым ротором.

Известны конструкции асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами, магнитопроводы которых набраны из роторных листов с открытыми, полуоткрытыми, полузакрытыми, закрытыми пазами [2, с.229; 3, с.82]

Недостатками асинхронных двигателей с указанными роторами являются большой пусковой ток и малый пусковой вращающий момент, вызванные малым активным сопротивлением ротора в момент пуска; наличие дисбаланса и паразитных асинхронных моментов, создаваемых зубцовыми гармоническими поля [3, с.437] Паразитные асинхронные моменты наиболее опасны при пуске двигателей, когда силы одностороннего притяжения между статором и ротором [3, с.438] приводят к уменьшению пускового момента и могут стать причиной так называемых "точек незапуска" [4]

Наиболее близким к изобретению является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, магнитопровод которого набран из роторных листов с полузакрытыми трапециевидными пазами [1]

В момент пуска двигателя в результате эффекта вытеснения тока к наружной поверхности электропроводных стержней [3, с.510] увеличивается их активное сопротивление, что приводит к уменьшению пускового тока и увеличению пускового момента [5, 6] Вместе с тем увеличение активного сопротивления электропроводных стержней зависит от ширины выемок в пазах роторных листов. Кроме этого, во время пуска двигателя имеют место паразитные асинхронные моменты, причиной которых являются зубцовые гармонические поля, и силы одностороннего притяжения между статором и ротором. Последние уменьшают пусковой момент и могут сделать работу двигателя невозможной [3, c.438]

Для увеличения пускового вращающего момента и уменьшения пускового тока используется увеличение активного сопротивления ротора при пуске [2, c.283]

Известны также технические решения, связанные с уменьшением ЭДС от зубцовых гармонических поля. Эффективным средством уменьшения паразитных асинхронных моментов, к примеру, является скос пазов ротора [3, c.439] Однако скос пазов увеличивает расстояние в двигателе, ухудшает его рабочие характеристики [3, c. 440] При этом возрастает расход металла на электропроводные стержни вследствие увеличения их длины.

Не всегда удается уменьшить ЭДС от зубцовых гармонических поля подбором оптимального числа пазов на полюс и фазу. Более того в двухполюсных машинах вообще нет идеального соотношения числа пазов статора и ротора [7, c.41]

Целью изобретения является улучшение пусковых и энергетических характеристик, уменьшение дисбаланса и ЭДС от зубцовых гармонических поля асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Цель достигается тем, что в асинхронном двигателе, содержащем зубчатый статор, ротор с магнитопроводом, набранным из листов с полузакрытыми пазами, магнитопровод ротора набран из четного числа листов, пазы магнитопровода имеют по два шлица, образованных выемками в листах, оси которых смещены от оси симметрии паза на величину, определяемую из следующих соотношений:

l t_c1; < l < h d > b

или l t_c1 , где t_c1 зубцовый шаг статора; а ширина выемки; с ширина верхней части паза; h высота выемки; d глубина проникновения тока; b толщина роторного листа; z₁ число пар статора; p число пар полюсов, причем каждый последующий роторный лист перевернут относительно предыдущего. При этом не имеет значения направление смещения выемок паза от оси симметрии паза, так как в результате совмещения роторных листов друг с другом одноименными сторонами выемки в пазах каждого последующего роторного листа оказываются смещенными в противоположную сторону от оси симметрии паза предыдущего роторного листа.

Условие l > гарантирует, что не будет перекрытия выемок друг с другом при совмещении роторных листов, а условие l < обеспечивает электрическое соединение частей электропроводного стержня обмотки, находящихся в выемках и непосредственно в пазу.

В результате смещения выемок от оси симметрии паза на расстояние l верхняя часть электропроводного стержня, формируемая выемками при получении короткозамкнутой обмотки методом литья, раздваивается, образуя две ступенчатые токопроводящие "дорожки". В момент пуска происходит вытеснение тока к наружной поверхности электропроводного стержня. Ток проходит как по "ступенькам" этих "дорожек", так и по основной части стержня, находящейся в пазу. В результате траектория тока становится криволинейной, что приводит к увеличению активного сопротивления электропроводного стержня [5, 6] и улучшению пусковых характеристик двигателя.

Активное сопротивление току пропорционально пути, пройденному этим током. Поэтому, анализируя пусковые (пусковой момент) и энергетические (пусковой ток) характеристики через величину активного сопротивления, рассматривают проходимые током расстояния. Для упрощения расчетов принимают, что путь, проходимый током при пуске в верхней части электропроводного стержня, складывается из его движения по горизонтали и вверх и вниз по вертикали по ступенькам, образованным выемками в пазах, на глубину проникновения тока.

Чтобы пусковые и энергетические характеристики двигателя, по крайней мере, не ухудшились по сравнению с прототипом, необходимо равенство в момент пуска активных сопротивлений двух вновь образованных параллельных "дорожек" и активного сопротивления верхней части (находящейся в выемках) электропроводного стержня прототипа. Указанное равенство возможно лишь в том случае, когда активное сопротивление каждой из "дорожек" в два раза больше активного сопротивления наружной части электропроводного стержня прототипа. Условием этого является равенство расстояний, проходимых током во вновь образованной "дорожке" по вертикали и по горизонтали. Последнее выполняется при глубине проникновения тока (по ступеньке вверх) на расстояние, равное толщине роторного листа. С учетом обратного вертикального "спуска" путь тока по вертикали равняется толщине двух роторных листов.

Таким образом, условием улучшения пусковых и энергетических характеристик является неравенство h d > b.

Уменьшение площади соединения основной части стержня, находящейся непосредственно в пазу, и части стержня, формируемой выемками при их смещении на l > относительно оси симметрии паза, приводит к еще большему увеличению активного сопротивления ротора во время пуска двигателя.

Таким образом, электропроводный стержень короткозамкнутой обмотки ротора в момент пуска эквивалентен двум электрически соединенным друг с другом электропроводным стержням, формируемым смещенными от оси симметрии паза выемками, оси симметрии которых находятся друг от друга на расстоянии l₁= t_c1 или l₁= t_c1

Четное количество роторных листов обеспечивает большую идентичность этих электропроводных стержней, в том числе равенство их активных сопротивлений.

Пусть l₁= t_c1. При этом, если один стержень находится, к примеру, под убывающей волной индукции электромагнитного поля, то другой в этот момент испытывает влияние возрастающей волны индукции. Поэтому в стержнях наводятся ЭДС противоположного знака.

Снижение влияния ЭДС Е, наведенных в стержнях от зубцовых гармонических поля, происходит по двум направлениям. С одной стороны, благодаря электрическому соединению между собой вновь образованных электропроводных стержней ЭДС взаимно уничтожаются. С другой стороны, действие встречно направленных токов, наведенных в стержнях ЭДС от зубцовых гармонических поля, взаимно уравновешивается.

Показано [3, c. 439] что скос паза ротора на t_c1 частично нейтрализует действие прямой и обратной зубцовых гармонических порядка 1, а скос паза ротора на t_c1 уничтожает действие наиболее опасной прямой гармонической порядка + 1.

Очевидно, что скос паза ротора на t_c1 или t_c1 аналогичен действию в момент пуска двух нескошенных, удаленных друг от друга на t_c1 или t_c1 наружных частей электропроводного стержня короткозамкнутой обмотки ротора. Поэтому при удалении наружных частей электропроводного стержня друг от друга на t_c1 парализуется действие прямой и обратной зубцовых гармонических порядка 1, а при расстоянии между ними t_c1 уничтожается действие наиболее опасной прямой гармонической + 1.

Данное техническое решение уменьшает дисбаланс ротора. Это достигается за счет более равномерного распределения материала стержня вдоль наружной поверхности ротора (вследствие раздваивания наружной части стержня).

Четное количество роторных листов обеспечивает более равномерное распределение материала стержня по наружной поверхности.

Технические решения, связанные с улучшением пусковых и энергетических характеристик, уменьшением ЭДС от зубцовых гармонических поля, указаны при анализе аналогов и прототипа.

В заявленном техническом решении применение роторных листов с полузакрытыми пазами характеризуется новым признаком, а именно смещением выемок от оси симметрии паза на величину l t_c1, < l < или l t_c1 .

Следовательно, указанный отличительный признак дает основание считать заявленное техническое решение соответствующим критерию "новизна".

В заявленном техническом решении имеют место и другие признаки, которые не обнаруживаются в известных решениях. Дана зависимость между высотой выемки паза, толщиной роторного листа и глубиной проникновения тока. Каждый последующий роторный лист в магнитопроводе перевернут относительно предыдущего. Имеется четное количество роторных листов. Верхняя часть электропроводного стержня состоит из двух частей. Четко определено расстояние между осями двух наружных частей электропроводного стержня. Указанные признаки приводят к достижению положительного эффекта: улучшению пусковых и энергетических характеристик, уменьшению дисбаланса и ЭДС от зубцовых гармонических поля асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что имеет место новая совокупность признаков и что заявленное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Предлагаемое техническое решение приводит к улучшению других характеристик двигателя. При штамповке роторных листов нередко возникает так называемая "тарельчатость", которая отрицательно влияет на свойства двигателя из-за одностороннего смещения наружной части ротора вдоль оси, из-за увеличения воздушного зазора между ротором и статором и т.д. В предлагаемом техническом решении за счет переворачивания роторных листов отрицательное влияние "тарельчатости" легко устраняется продольным сжатием магнитопровода.

На фиг. 1 представлен ротор, продольный разрез; на фиг. 2 паз роторного листа; на фиг. 3 электропроводный стержень, вид сверху; на фиг. 4 показаны пазы статора, кривая зубцового поля, прямой, скошенный и предлагаемый электропроводные стержни, вид сверху; на фиг. 5 показан путь тока по электропроводному стержню обмотки ротора во время пуска двигателя.

Ротор асинхронного двигателя содержит вал 1, на котором насажен магнитопровод 2, и обмотку, состоящую из электропроводных стержней 3, расположенных в пазах магнитопровода 2, и двух короткозамыкающих колец 4. Магнитопровод 2 набран из четного числа роторных листов 5 с полузакрытыми пазами 6, имеющими с наружной стороны выемки 7, смещенные относительно оси симметрии паза.

В момент пуска асинхронного двигателя в результате эффекта вытеснения ток вытесняется на наружную поверхность электропроводного стержня и проходит по его двум наружным частям. Зубцовые гармонические индуктируют в этих частях стержни ЭДС противоположного знака, которые взаимно уничтожаются.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет улучшить пусковые и энергетические характеристики, уменьшить ЭДС от зубцовых гармонических поля, уменьшить дисбаланс и отрицательное влияние "тарельчатости".

Так как асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором заявляют самыми массовыми электрическими машинами, улучшение их показателей приведет к существенному экономическому эффекту.