Клетка ротора асинхронного электродвигателя с повышенной добротностью пуска

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для применения в асинхронных электродвигателях, работающих в электроприводах с тяжелыми условиями пуска. Технический результат изобретения состоит в повышении добротности пуска асинхронного электродвигателя. Клетка ротора асинхронного электродвигателя содержит стержни и медные короткозамыкающие кольца. При этом медные короткозамыкающие кольца снабжены кольцевыми экранами. Указанные экраны выполнены двухслойными из ферромагнитной стали и меди. Экраны имеют Г-образную форму поперечного сечения и закрывают верхние и наружные боковые поверхности колец. 3 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к электротехнике и электромашиностроению и предназначено для применения в асинхронных электродвигателях.

Известен способ повышения добротности пускоасинхронного электродвигателя, заключающийся в использовании эффекта вытеснения тока в стержнях короткозамкнутой клетки ротора. Согласно данному способу ток вытесняется в верхние части стержней клетки, в результате чего активное сопротивление и коэффициент мощности клетки увеличиваются, а индуктивное сопротивление снижается. ([1. Вольдек А.И. Электрические машины: Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. - 3-е изд. перераб. - Л.: Энергия, 1978, глава 27, рис. 27-2].) В случае интенсивного эффекта вытеснения тока рост коэффициента мощности имеет доминирующий характер, что выражается в преобладающем повышении кратности пускового момента по отношению к кратности пускового тока и в общем повышении добротности пуска электродвигателя ,

где mп и iп - кратности пускового момента и пускового тока.

Недостатком данного способа является ограниченное влияние эффекта вытеснения тока в стержнях на величину добротности пуска. Это связано с тем, что ограниченные радиальные размеры ротора не позволяют существенно интенсифицировать эффект вытеснения тока (см. [1], рис. 27-2).

Известны также устройства короткозамкнутых клеток ротора, реализующие известный способ. Это клетки глубокопазных электродвигателей, клетки двухклеточных двигателей, клетки двигателей с колбообразной, клинообразной и другими формами поперечного сечения стержней, замкнутых по торцам короткозамыкающими кольцами. ([2. Сергеев П.С. и др. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, переработ. и доп.: М. Энергия, 1969, параграф 13-5], [1], параграфы 27-1, 27-2, 27-3.)

Недостатком известных устройств является низкая добротность пуска, реализуемая ими. Для серийных асинхронных электродвигателей, имеющих кратности пускового момента и пускового тока в диапазонах mп=1.0-2.2, iп=5.5-7.5 ([3. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/ А.Э. Кравчик и др. - М.: Энергоиздат, 1982]), ее значения не превышают

при гипотетическом максимальном значении , соответствующем полностью активному пусковому току. Известные возможности повышения значение добротности пуска ограничены тем, что в существующих клетках ротора влияние на ее величину оказывает вытеснение тока в стержнях. В короткозамыкающих кольцах клетки эффект вытеснения тока выражен слабо, как это имеет место у двигателей мощностью более 100 кВт, или практически не выражен, как это имеет место у двигателей мощностью менее 100 кВт. (См., например, выражения (27-1), [1].) Причиной слабой выраженности эффекта вытеснения тока в кольцах является отсутствие ферромагнитного окружения с трех сторон каждого короткозамыкающего кольца.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является клетка ротора асинхронного электродвигателя, содержащая стержни и медные короткозамыкающие кольца, причем медные короткозамыкающие кольца снабжены кольцевыми экранами из ферромагнитной стали, выполненными в виде плоских колец и закрывающими внутренние и наружные боковые поверхности колец ([2], параграф 13-5, пункт 7). Благодаря ферромагнитным стальным экранам, данное техническое устройство, называемое далее "прототип", усиливает эффект вытеснения тока в короткозамыкающих кольцах клетки и позволяет повысить добротность пуска на величину порядка 15-17 процентов по сравнению с серийными электродвигателями.

Недостатком такого технического устройства является низкая добротность пуска. Задачи разработки современных энергоэффективных асинхронных электродвигателей требуют повышения добротности пуска не менее чем в 2 раза.

Техническая задача изобретения заключается в повышении добротности пуска электродвигателя не менее чем в 2 раза.

Технический результат достигается тем, что в клетке ротора асинхронного электродвигателя, содержащей стержни и медные короткозамыкающие кольца, медные короткозамыкающие кольца со стороны верхних и наружных боковых поверхностей закрыты двухслойными экранами из ферромагнитной стали и меди, выполненными в виде колец с поперечным сечением Г-образной формы.

Устройство такой клетки иллюстрируется фиг. 1, на которой показано: 1 - стержень ротора (пунктирными линиями показаны верхняя и нижняя границы стержня), 2 - пакет магнитопровода ротора, 3 - медное короткозамыкающее кольцо, 4 - стальной слой экрана с поперечным сечением Г-образной формы, 5 - медный слой экрана с поперечным сечением Г-образной формы.

Клетка ротора по фиг. 1 работает так же, как и клетка серийного электродвигателя, но со следующими особенностями. Во-первых, ферромагнитный слой экрана Г-образной формы в 2-3 раза повышает индуктивные сопротивления медных короткозамыкающих колец, что способствует снижению кратности пускового тока. Во-вторых, ферромагнитный слой экрана Г-образной формы, закрывая не только наружную боковую, но и верхнюю поверхность короткозамыкающего кольца, создает, совместно с пакетом магнитопровода ротора, условия "открытого вниз паза" для токов короткозамыкающего кольца. Благодаря этому, а также в связи с асимметрией, вносимой различием магнитных проницаемостей пакета магнитопровода ротора (μ2), стального слоя Г-образного экрана (μ4) и медного слоя Г-образного экрана (μ0)

μ2>>μ4>>μ0,

пусковые токи вытесняются в правый нижний угол короткозамыкающего кольца и, в значительной мере, в медный слой экрана, обладающий коэффициентом мощности, близким к единице. В связи с этим при пуске существенно повышается коэффициент мощности всей клетки ротора. Совместное действие обоих факторов реализует преобладающий рост кратности пускового момента по отношению к кратности пускового тока и общее повышение добротности пуска электродвигателя. Подбор толщины слоев экрана Г-образной формы обеспечивает рост добротности пуска электродвигателя с заявляемой клеткой не менее чем в 2 раза по отношению к показателям прототипа и серийных электродвигателей. В номинальном режиме ток равномерно распределяется по всей площади короткозамыкающего кольца. В этом режиме частоты токов клетки составляют 1-2 Гц, поэтому влияние повышенных индуктивных сопротивлений короткозамыкающих колец на рабочие характеристики электродвигателя относительно невелико.

Приведенные выше положения подтверждаются результатами аналитических расчетов и моделирования токов и сопротивлений короткозамыкающего кольца, проведенного в среде ELCUT.

Количественная оценка результатов изобретения была произведена на основе формул (13-42) и (13-180) [2]. В соответствии с ними

Здесь: первые индексы "1", "2" указывают на принадлежность токов , полных сопротивлений z и активных сопротивлений r цепям статора и ротора, вторые индексы "1", "50" указывают на номинальный и пусковой режимы с частотами токов 1 Гц и 50 Гц соответственно, r2.1, z2.1 - активное и полное сопротивления клетки в номинальном режиме; r2.50, z2.50 - активное и полное сопротивления клетки в пусковом режиме; s1=0.02 - номинальное скольжение; cos(ϕ2.1), cos(ϕ2.50) - коэффициенты мощности клетки в номинальном и пусковом режимах.

Оценочная формула для добротности пуска была записана в предположении справедливости следующего соотношения

,

где cos(ϕ1), cos(ϕ50) - коэффициенты мощности короткозамыкающих колец клетки в номинальном и пусковом режимах. С учетом принятых допущений

Данные расчетов и моделирования короткозамыкающих колец заявляемого устройства приведены на фиг. 2 и в таблице 1, а прототипа - на фиг. 3 и в таблице 2.

Фиг. 2 представляет распределение токов в короткозамыкающем кольце клетки с двухслойным экраном, имеющим поперечное сечение Г-образной формы и закрывающим верхнюю и наружную боковую поверхности медного короткозамыкающего кольца в соответствии с фиг. 1. Экран выполнен в виде колец из ферромагнитной стали (Ст. 3) и меди, с толщиной каждого слоя 1 мм. Короткозамыкающее кольцо выполнено из меди и имеет поперечное сечение прямоугольной формы размером 44×28 мм. Пакет ротора считался непроводящим электрический ток, а значение его относительной магнитной проницаемости принималось равным μ2=1000 о.е. На фиг. 2 показано распределение плотности тока в короткозамыкающем кольце клетки при частотах тока 50 Гц (пусковой режим) и 1 Гц (номинальный режим). Результаты моделирования свидетельствуют о том, что в пусковом режиме ток вытесняется в правый нижний угол короткозамыкающего кольца и, в значительной мере, в медный слой Г-образного экрана, обладающий коэффициентом мощности, близким к единице. Это существенно повышает коэффициент мощности и добротность пуска всей клетки. В номинальном режиме (правая сторона фиг. 2) ток равномерно распределяется по площади кольца.

Сводные данные расчета сопротивлений короткозамыкающего кольца с двухслойным экраном Г-образной формы приведены в таблице 1. Здесь же приведены значения коэффициента мощности короткозамыкающего кольца в пусковом и номинальном режимах, значения коэффициентов изменения сопротивлений короткозамыкающего кольца под действием эффекта вытеснения тока

, ,

а также значения добротности пуска, рассчитанные по формуле (1), и оценочные значения кратностей пускового тока и пускового момента электродвигателя.

Результаты моделирования свидетельствуют о следующем. Достигнутое в заявляемом устройстве значение добротности пуска составляет , что в 2.6 раза больше, чем у прототипа (, см табл. 2). Клетка с двухслойным экраном Г-образной формы интенсивно использует эффект вытеснения тока в короткозамыкающих кольцах. На это указывают высокое значение коэффициента вытеснения тока kr=10.54, низкое значение кратности пускового тока

высокое значение кратности пускового момента

и существенное снижение индуктивного сопротивления кольца в пусковом режиме (у прототипа , см. табл. 2). В номинальном режиме за счет ферромагнитного слоя экрана индуктивное сопротивление короткозамыкающих колец клетки по сравнению с прототипом возросло в 2.0 раза (с 0.36 до 0.73, см. табл. 2 и табл. 1). При этом номинальный коэффициент мощности короткозамыкающих колец клетки понизился на 7% (с 0.98 до 0.91, см. табл. 2 и табл. 1). Приведенная выше оценочная формула для кратности пускового тока (2) получена при тех же допущениях, что и формула для добротности пуска (1).

Аналогичные данные прототипа приведены для сравнения на фиг. 3 и в таблице 2.

Фиг. 3 представляет прототип с двумя экранами из ферромагнитной стали в виде плоских колец, выполненных из стали (Ст. 3 толщиной 1 мм) и закрывающих обе боковые поверхности медного короткозамыкающего кольца. Короткозамыкающее кольцо имеет прямоугольное сечение размером 44×28 мм. На фиг. 3 показаны: 2 - сердечник магнитопровода ротора, 3 - медное короткозамыкающее кольцо, 4 - стальные экраны в виде плоских колец. На фиг. 3 приведено распределение плотности тока в короткозамыкающем кольце клетки при частотах тока 50 Гц (пусковой режим) и 1 Гц (номинальный режим). Вытеснение тока при пуске происходит к широким - верхней и нижней, поверхностям короткозамыкающего кольца, не закрытым ферромагнитным экраном. Пусковой ток распределяется приблизительно равномерно по ширине короткозамыкающего кольца, занимая около трети его площади. Соответствующий коэффициент изменения активного сопротивления составляет kr=2.75. Добротность пуска для прототипа имеет величину и находится на уровне показателей серийных электродвигателей. В таблице 2 приведены сводные данные моделирования короткозамыкающего кольца прототипа.

В целом, прототип неэффективно использует эффект вытеснения тока и имеет кратности пускового тока и пускового момента iп=5.19; mп=1.51. По сравнению с прототипом у клетки с Г-образными двухслойными экранами добротность пуска повысилась в 2.6 раза. Таким образом, заявляемое устройство короткозамкнутой клетки ротора решает техническую задачу изобретения.

Технический результат изобретения состоит в повышении добротности пуска электродвигателя в 2.6 раза, в повышении пускового момента в 1.71 раза, а также в снижении пускового тока в 1.49 раза.

Использование изобретения дает возможность эксплуатации электродвигателей с заявленными клетками в электроприводах с тяжелыми условиями пуска, что существенно расширяет конкурентные преимущества таких электродвигателей.

Клетка ротора асинхронного электродвигателя, содержащая стержни и медные короткозамыкающие кольца, причем медные короткозамыкающие кольца снабжены кольцевыми экранами, отличающаяся тем, что экраны выполнены двухслойными из ферромагнитной стали и меди, имеют Г-образную форму поперечного сечения и закрывают верхние и наружные боковые поверхности колец.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к ротору и способу изготовления ротора электрической машины. Технический результат - улучшение механических свойств ротора.

Изобретение применяется в регулируемых безредукторных асинхронных электроприводах лифтовых установок. Безредукторный электропривод лифта содержит полиспастную подвеску кабины, преобразователь частоты (9) с возможностью формирования напряжений с пониженными по отношению к частоте сети (10) частотами и низкочастотный асинхронный двигатель (1), подключенный к выходу преобразователя частоты (9) и предназначенный для работы с указанными напряжениями.

Изобретение относится к электротехнике и электромашиностроению. Технический результат - повышение надежности работы электродвигателя.

Изобретение касается электрической машины (1, 51), в частности асинхронной машины, и её системы охлаждения. Технический результат - повышение эффективности охлаждения машины.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для определения эксцентриситета ротора электрических машин, в частности асинхронного электродвигателя.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электромашиностроению, и может быть использовано при создании ротора из серийно выпускаемого короткозамкнутого ротора.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам с несколькими роторами и статорами. Технический результат заключается в повышении надежности.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при изготовлении короткозамкнутого ротора асинхронной машины. Технический результат - повышение КПД асинхронной машины.

Изобретение относится к электродвигателям, в частности к подвижным постоянным магнитам и/или немагнитным проводящим шунтирующим частям в роторе для преобразования двигателя из асинхронного индукционного двигателя при запуске в синхронный двигатель.

Изобретение относится к области электромеханики. Технический результат: снижение энергопотребления в режиме холостого хода.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в повышении надежности и эффективности охлаждения.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу изготовления ротора для реактивного электродвигателя. Технический результат - улучшение рабочих характеристик реактивного электродвигателя.

Статор // 2636659
Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции статора. Технический результат – улучшение крепления катушки на изолирующем каркасе.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромагнитным турбинам. Технический результат – повышение эффективности работы.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - повышение эффективности генератора при минимизации его стоимости.

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в электрических приводах машин и механизмов, а также в генераторах электрической энергии.

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть применено для выработки электроэнергии. Изобретение направлено на улучшение эксплуатационных характеристик за счет уменьшения массы, применения широко распространенных чашечных магнитопроводов.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к погружным электродвигателям для подъема пластовой жидкости, и касается исполнения магнитных систем роторов вентильных электродвигателей.

Изобретение относится к электрическому двигателю с низким моментом короткого замыкания, предназначенному для использования в приводном устройстве с несколькими двигателями, приводящими в движение один и тот же элемент.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам вентильно-индукторного типа, и может быть использовано для приводных и генераторных установок в промышленности и на транспорте.

Электрическая машина содержит корпус (1), в котором расположены статор (2) и ротор (4). Корпус (1) проходит, если смотреть в направлении оси вращения (5), от переднего конца (6) к заднему концу (7). Корпус (1) имеет либо вблизи переднего конца (6) воздуховпускное отверстие (10) и вблизи заднего конца (7) воздуховпускное отверстие (11), либо вблизи переднего и заднего концов (6, 7) по одному воздуховпускному отверстию (10), а между ними на параллельной оси вращения (5) стороне (9) - воздуховыпускное отверстие (11). На параллельную оси вращения (5) сторону (9) корпуса (1) надета насадка (13), которая закрывает воздуховпускные отверстия (10) и воздуховыпускное отверстие (11). По меньшей мере, некоторые из труб (14), если смотреть в направлении оси вращения (5), выдаются за статор (2) в направлении переднего и заднего концов (6, 7), так что они при работе отбирают у всасываемого, протекающего внутри корпуса (1) воздуха тепло. Техническим результатом является оптимизация охлаждения. 24 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для применения в асинхронных электродвигателях, работающих в электроприводах с тяжелыми условиями пуска. Технический результат изобретения состоит в повышении добротности пуска асинхронного электродвигателя. Клетка ротора асинхронного электродвигателя содержит стержни и медные короткозамыкающие кольца. При этом медные короткозамыкающие кольца снабжены кольцевыми экранами. Указанные экраны выполнены двухслойными из ферромагнитной стали и меди. Экраны имеют Г-образную форму поперечного сечения и закрывают верхние и наружные боковые поверхности колец. 3 ил., 2 табл.

Наверх