короткозамкнутая обмотка ротора асинхронной электрической машины

Формула изобретения

1. Короткозамкнутая обмотка ротора асинхронной электрической машины, содержащая уложенные в пазы сердечника стержни, расслоенные по высоте на элементарные электрически изолированные проводники и короткозамыкающие кольца, отличающаяся тем, что короткозамыкающие кольца выполнены из элементарных электрически изолированных колец, соединенных с одним или двумя элементарными проводниками каждого паза.

2. Короткозамкнутая обмотка ротора асинхронной электрической машины по п.1, отличающаяся тем, что число элементарных проводников стержня нечетное и с одного торца ротора одно элементарное короткозамыкающее кольцо соединено только с нижним элементарным проводником каждого паза, а остальные соединены с двумя элементарными проводниками, а с другого торца ротора одно элементарное короткозамыкающее кольцо соединено с верхним элементарным проводником каждого паза, а остальные соединены с двумя элементарными проводниками каждого паза.

3. Короткозамкнутая обмотка ротора асинхронной электрической машины по п.1, отличающаяся тем, что число элементарных проводников стержня четное и с одного торца ротора короткозамыкающее кольцо состоит из элементарных колец, соединенных с двумя проводниками каждого паза, а с другого торца ротора два элементарных короткозамыкающих кольца, каждое в отдельности, соединены с нижним и верхним проводниками стержня каждого паза, а остальные соединены с двумя проводниками стержня каждого паза.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам и предназначено для использования в частотно-управляемых асинхронных машинах на транспорте и в промышленности.

Известна короткозамкнутая обмотка ротора асинхронной электрической машины в виде беличьей клетки [1, 2], содержащая в пазах сердечника массивные медные либо алюминиевые стержни, соединенные с обоих торцов ротора короткозамыкающими кольцами, выполненными из соответствующего материала. Недостатком такой обмотки ротора является существенные электрические потери в стержнях от поверхностного эффекта, вызванного высшими временными гармониками (ВВГ) напряжения при питании машины от источника с несинусоидальным напряжением.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является короткозамкнутая обмотка ротора асинхронной электрической машины [3], содержащая уложенные в пазы сердечника стержни, расслоенные по высоте на элементарные электрически изолированные проводники и массивные короткозамыкающие кольца. Однако, в связи с замыканием массивными кольцами по высоте всех элементарных проводников стержня обмотки ротора, конструкция не исключает протекания вихревых токов от поверхностного эффекта по контурам, включающим различные элементарные проводники одного стержня, и поэтому потери от вихревых токов остаются существенными.

Задачей настоящего изобретения является снижение потерь в стержнях короткозамкнутой обмотки ротора от поверхностного эффекта, вызванного высшими временными гармониками напряжения при питании машины от источника несинусоидального напряжения.

Указанная задача решается тем, что в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронной электрической машины, содержащей уложенные в пазы сердечника стержни, расслоенные по высоте на элементарные электрически изолированные проводники и короткозамыкающие кольца, короткозамыкающие кольца выполнены на электрически изолированных элементарных колец.

При этом из вариантов исполнения число элементарных проводников стержня обмотки ротора нечетное и с одного торца ротора одно элементарное кольцо соединено с нижним элементарным проводником стержня каждого паза, а остальные соединены с двумя элементарными проводниками каждого паза, а с другого торца ротора одно элементарное кольцо соединено с верхним элементарным проводником стержня каждого паза, а остальные соединены с двумя элементарными проводниками каждого паза.

При другом варианте исполнения число элементарных проводников стержня обмотки ротора четное и с одного торца ротора короткозамыкающее кольцо состоит из элементарных колец, каждое из которых соединено с двумя элементарными проводниками стержня каждого паза, а с другого торца ротора два элементарных короткозамыкающих кольца, каждое в отдельности, соединены с нижним и верхним проводником стержня каждого паза, а остальные соединены с двумя проводниками стержня каждого паза.

Таким образом исключаются короткозамкнутые участки между проводниками стержня по высоте паза, снижается поверхностный эффект в стержне обмотки ротора и уменьшаются потери мощности от высших временных гармоник напряжения при питании асинхронной машины от источника несинусоидального напряжения.

В дальнейшем изобретение поясняется примером его конкретного выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 изображает схематически взаимное расположение элементарных проводников стержня и элементарных колец короткозамыкающих колец обмотки ротора асинхронной электрической машины при выполнении обмотки по первому варианту, когда число элементарных проводников стержня нечетное, фиг. 2 изображает то же, но при выполнении обмотки по второму варианту, когда число элементарных проводников стержня четное. На фиг. 3 и 4 показаны другие возможные варианты соединения элементарных короткозамкнутых колец с проводниками стержня каждого паза ротора.

Короткозамкнутая обмотка ротора асинхронной электрической машины (фиг. 1, 2) в виде беличьей клетки содержит уложенные в пазы сердечника 1 стержни, расслоенные по высоте на элементарные проводники 2, изолированные друг от друга диэлектриком 3, и элементарные электрически изолированные короткозамыкающие кольца 4, 5, соединенные с одним или двумя элементарными проводниками каждого паза. При нечетном числе элементарных проводников стержня (фиг. 1) с одного торца ротора одно элементарное короткозамыкающее кольцо 5 соединено с одним нижним элементарным проводником 2 каждого паза, а остальные 4 соединены с двумя элементарными проводниками 2, а с другого торца ротора одно элементарное короткозамыкающее кольцо 5 соединено с верхним элементарным проводником 2 каждого паза, а остальные 4 соединены с двумя элементарными проводниками каждого паза.

При четном числе элементарных проводников стержня (фиг. 2) с одного торца ротора элементарные короткозамыкающие кольца 4 соединены с двумя элементарными проводниками 2 каждого паза, а с другого торца ротора два элементарных короткозамыкающих кольца 5, каждое в отдельности, соединены с нижним и верхним проводником 2 стержня каждого паза, а остальные 4 соединены с двумя проводниками 2 стержня каждого паза.

На фиг. 3 и 4 показаны другие решения, но при этом элементарные короткозамыкающие кольца также соединены с каждого торца ротора с одним либо двумя элементарными проводниками стержня каждого паза и тем самым исключаются короткозамкнутые участки между проводниками стержня по высоте паза.

Фиг. 1 - 4 не охватывают все возможные решения. Возможны и другие соединения элементарных короткозамыкающих колец с проводниками стержня каждого паза, но при этом каждое элементарное короткозамыкающее кольцо должно быть соединено только с одним либо с двумя элементарными проводниками стержня каждого паза.

Рассмотрим работу обмотки предложенной конструкции.

При подключенной обмотке статора асинхронной электрической машины к источнику несинусоидального напряжения ее высшие временные гармоники создают составляющие электромагнитного поля, скольжение которых S_к по отношению к ротору близко к единице.

где S₁ - скольжение для основной составляющей электромагнитного поля (К = 1)

К = 2 mn 1 - порядок высшей временной гармоники напряжения или электромагнитного поля; знак "-" в выражении для S_к относится к гармоникам прямой последовательности К = 2 mn 1 и знак "+" - к гармоникам обратной последовательности.

Частота скольжения для ВВГ электромагнитного поля f_2к = Кf₁S_к. При пересечении гармоническими составляющими магнитного поля элементарных проводников паза с частотой f_2к в последних наводятся вихревые токи, которые приводят к неравномерному распределению результирующего тока по высоте проводника и дополнительным потерям мощности. Величина этих дополнительных потерь зависит от высоты элементарного проводника и исполнения короткозамыкающего кольца. При массивном кольце и расслоенном стержне имеют место практически те же потери, что и с массивным стержнем, т.к. по торцам ротора элементарные проводники замкнуты накоротко, а магнитное поле по длине расточки ротора можно считать равномерным.

В предложенной конструкции исключается короткое замыкание между элементарными проводниками стержня, что позволяет получить идеальное расслоение стержня и снизить дополнительные потери от поверхностного эффекта. Расчеты показывают, что для опытной тяговой машины АТД НБ-609 мощностью 950 кВт магистрального грузового электровоза идеальное расслоение стержня на пять элементарных изолированных проводников позволяет в диапазоне частот 15 - 45 Гц снизить потери в обмотке ротора при широтно-импульсной модуляции питающего напряжения и кратности несущей и основной частоты = 6 в 2,0 - 1,3 раза и составляет 30 - 8 кВт.

Источники информации

1. Петров Г.Н. Электрические машины, ч. 2. Асинхронные и синхронные машины, М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963, с. 70, рис. 4-1а.

2. Вольдек А.И. Электрические машины. Изд. 2-ое перераб. и доп. Л.: Энергия, 1974, с. 359 - 360, рис. 19-4.

3. Курбасов А. С. Особенности проектирования частотно-управляемых асинхронных двигателей. Электротехника, 1990, N 9, с. 29 - 33.