Клетка ротора асинхронного электродвигателя с низким пусковым током

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для применения в мощных асинхронных электродвигателях, работающих с источниками питания ограниченной мощности. Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности прямого пуска электродвигателей повышенной мощности от сети ограниченной мощности. Клетка ротора асинхронного электродвигателя содержит стержни и медные короткозамыкающие кольца. Медные короткозамыкающие кольца с размерами поперечного сечения 25×44 мм со стороны верхних и наружных боковых поверхностей закрыты экранами из ферромагнитной стали, выполненными в виде колец толщиной 2 мм с поперечным сечением Г-образной формы. 3 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к электротехнике и электромашиностроению и предназначено для применения в асинхронных электродвигателях, работающих с источниками питания ограниченной мощности.

Известен способ снижения пускового тока асинхронного электродвигателя, заключающийся в использовании эффекта вытеснения тока в стержнях короткозамкнутой клетки ротора. Согласно данному способу, ток при пуске вытесняется в верхние части стержней клетки, благодаря чему их активное сопротивление увеличивается, а индуктивное - уменьшается ([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 достаточно интенсивного эффекта вытеснения тока рост активного сопротивления стержней клетки преобладает, а пусковой ток электродвигателя снижается.

Недостатком данного способа является ограниченное влияние эффекта вытеснения тока в стержнях на величину пускового тока. 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 высокая кратность пускового тока iп ≈ 6-7.5, реализуемая ими. Это связано с недостаточным сопротивлением клетки в пусковом режиме, а также с тем, что основное влияние на кратность пускового тока оказывает вытеснение тока в стержнях клетки. 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 недостаточности сопротивления клетки и слабой выраженности эффекта вытеснения тока в короткозамыкающих кольцах является отсутствие ферромагнитного окружения с трех сторон каждого короткозамыкающего кольца.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является клетка ротора асинхронного электродвигателя, содержащая стержни и медные короткозамыкающие кольца, у которой медные короткозамыкающие кольца охвачены с обеих сторон экранами из ферромагнитной стали, выполненными в виде колец ([2], параграф 13-5, пункт 7). Благодаря экранам из ферромагнитной стали данное техническое устройство, называемое далее "прототип", позволяет снизить кратность пускового тока на величину порядка 3-5 процентов.

Недостатком такого технического устройства является высокая кратность пускового тока, находящаяся, по данным [2], на уровне iп ≈ 6-7, что снижает для него возможности осуществления прямого пуска от сети ограниченной мощности.

Причины высокой кратности пускового тока прототипа, при прочих равных условиях, заключаются не только в недостаточно высоком сопротивлении короткозамыкающих колец, но и в низком коэффициенте их мощности. Вытеснение пускового тока в клетке прототипа происходит к верхней и нижней поверхностям короткозамыкающего кольца, не закрытым ферромагнитным экраном, что способствует интенсивному снижению индуктивного сопротивления. В силу симметрии физических характеристик сред пусковой ток распределяется равномерно по ширине короткозамыкающего кольца, что снижает интенсивность роста активного сопротивления. В этих условиях повышение активного сопротивления кольца в значительной мере компенсируется снижением его индуктивного сопротивления. Соответствующие повышение полного пускового сопротивления клетки и снижение кратности пускового тока невелики. Проведенные расчеты позволяют оценить снижение кратности пускового тока прототипа в 4%, по отношению к конструкции без экранов, присущей серийным электродвигателям. Таким образом, ферромагнитные стальные экраны, выполненные в виде плоских колец и охватывающие с внешних и внутренних боковых сторон короткозамыкающие кольца в клетках прототипа, недостаточно эффективно снижают кратность пускового тока.

Техническая задача изобретения заключается в снижении кратности пускового тока электродвигателя до значения не менее чем на 25% по отношению к прототипу.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности прямого пуска электродвигателей повышенной мощности от сети ограниченной мощности.

Технический результат достигается тем, что в клетке ротора асинхронного электродвигателя, содержащей стержни и медные короткозамыкающие кольца, медные короткозамыкающие кольца с размерами поперечного сечения 25×44 мм со стороны верхних и наружных боковых поверхностей закрыты экранами из ферромагнитной стали, выполненными в виде колец толщиной 2 мм с поперечным сечением Г-образной формы.

Устройство клетки ротора с экранами из ферромагнитной стали, выполненными в виде колец с поперечным сечением Г-образной формы, иллюстрируется фиг. 1. На ней показаны: 1 - верхняя и нижняя границы стержня клетки, 2 - пакет магнитопровода ротора, 3 - короткозамыкающее кольцо клетки, 4 - экран.

Стержни 1 клетки ротора располагаются в пазах, выполненных вблизи внешней поверхности пакета 2 магнитопровода ротора, и выполняются методом литья совместно с короткозамыкающими кольцами 3 клетки в виде единой конструкции из меди. При этом прилегание короткозамыкающих колец 3 клетки ротора к торцевым поверхностям пакета 2 магнитопровода ротора обеспечивает ей надежную фиксацию относительно пакета 2 магнитопровода ротора и всего ротора в целом. Короткозамыкающие кольца 3 клетки ротора выполняются с размерами поперечного сечения 25×44 мм. Экран 4 выполняется в виде кольца из ферромагнитной стали толщиной 2 мм, имеет поперечное сечение Г-образной формы высотой 44 мм и шириной 25 мм, располагается так, что закрывает наружную боковую и верхнюю поверхности короткозамыкающего кольца 3 и крепится к нему посредством резьбовых соединений.

Клетка ротора с экранами из ферромагнитной стали, имеющими поперечное сечение Г-образной формы, работает следующим образом. Ферромагнитный экран 4 Г-образной формы совместно с пакетом 2 магнитопровода ротора создает условия "открытого вниз паза" для токов короткозамыкающего кольца 3. Благодаря этому, а также в связи с асимметрией, вносимой различием магнитных проницаемостей пакета 2 магнитопровода ротора и ферромагнитного стального экрана 4, при пуске токи вытесняются в нижний правый угол короткозамыкающего кольца 3. Это способствует интенсивному росту активного сопротивления и экстенсивному снижению индуктивного сопротивления короткозамыкающего кольца 3. Выбор, для медных короткозамыкающих колец 3, с размерами поперечного сечения 25×44 мм, значения толщины 2 мм для стального ферромагнитного экрана 4 обеспечивает при пуске 7-8-кратный рост активного сопротивления короткозамыкающего кольца 3 и 25-30 процентное снижение его индуктивного сопротивления. В результате полное пусковое сопротивление клетки возрастает на величину около 35-40 процентов по отношению к пусковому сопротивлению клетки прототипа. Этого роста пускового сопротивления клетки достаточно для снижения кратности пускового тока электродвигателя на 25%.

В номинальном режиме частоты токов клетки составляют 1-2 Гц, поэтому влияние вносимых ферромагнитными стальными экранами 4, повышенных индуктивных сопротивлений короткозамыкающих колец 3 на рабочие характеристики электродвигателя относительно невелико.

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

Кратность пускового тока электродвигателя согласно формуле (25-5) [1] при s=1 равна

Здесь первый индекс "2" указывает на принадлежность коэффициента мощности, а также полных и активных сопротивлений клетке ротора, вторые индексы "1", "50" указывают на номинальный и пусковой режимы с частотами токов 1 Гц и 50 Гц соответственно, s=0.02 - номинальное скольжение.

Оценочная формула для расчета кратности пускового тока была записана по аналогии с формулой (1) в следующем виде:

где cos(αϕ1), cos(ϕ50) - коэффициенты мощности короткозамыкающих колец клетки в номинальном и пусковом режимах, - коэффициент изменения активного сопротивления короткозамыкающего кольца под действием эффекта вытеснения тока, r1, r50 - активные сопротивления короткозамыкающих колец клетки в номинальном и пусковом режимах, c - поправочный коэффициент, учитывающий соотношение сопротивлений кольца и сопротивлений клетки ротора в целом. Его формула

была получена методом аппроксимации формулы (1) формулой (2) на множестве относительных значений параметров асинхронного электродвигателя, типичных для мощных асинхронных электродвигателей. Формулы (2), (3) позволяют производить оценку кратности пускового тока электродвигателя по результатам моделирования его короткозамыкающих колец.

Данные расчетов и моделирования короткозамыкающих колец заявляемого устройства приведены на фиг. 2 и в табл. 1, а прототипа - на фиг. 3 и в табл. 2. Фиг. 2 представляет клетку заявляемого устройства с экраном 1 из ферромагнитной стали (Ст. 3 толщиной 2 мм), имеющим поперечное сечение Г-образной формы и закрывающим верхнюю и наружную боковые поверхности медного короткозамыкающего кольца 3.

Кольцо 3 имеет поперечное сечение прямоугольной формы размером 44×28 мм. На фиг. 2 (и далее на фиг. 3) обозначено: 1 - Г-образный экран из ферромагнитной стали (на фиг. 3 поз. 1 - экраны из ферромагнитной стали в виде плоских колец толщиной 1 мм), 2 - пакет магнитопроводаротора, 3 - медное короткозамыкающее кольцо клетки. Пакет ротора считался непроводящим электрический ток, а значение его относительной магнитной проницаемости принималось равным μ2=1000 о.е. На фиг. 2 (и далее на фиг. 3) показано распределение плотности тока в короткозамыкающем кольце клетки при частотах тока 50 Гц (пусковой режим) и 1 Гц (номинальный режим). Результаты моделирования (см. фиг. 2) свидетельствуют о том, что в пусковом режиме ток вытесняется в правый нижний угол кольца, занимая приблизительно 15% его площади. Его плотность составляет 11-12 А/мм2. В номинальном режиме (правая сторона фиг. 2 и фиг. 3) ток равномерно распределен по площади кольца с плотностью 1.62 А/мм2.

Сводные данные расчета сопротивлений короткозамыкающего кольца с Г-образным экраном из ферромагнитной стали приведены в таблице 1. Здесь же приведены значения коэффициента мощности короткозамыкающего кольца в пусковом и номинальном режимах, значение кратности пускового тока, рассчитанное по формулам (2), (3), а также значения коэффициентов изменения сопротивлений короткозамыкающего кольца под действием эффекта вытеснения тока

Результаты расчетов и моделирования свидетельствуют о следующем. Достигнутое в заявляемом устройстве значение кратности пускового тока составляет iп=4.36, что на 26% ниже, чем у прототипа (iп=5.88, см. табл. 2). Кроме того, клетка с Г-образным экраном из ферромагнитной стали эффективно использует вытеснение тока в короткозамыкающих кольцах. На это указывают высокое значение коэффициента вытеснения тока kr=7.26 и повышенное относительное значение коэффициента мощности при пуске

Аналогичный показатель серийных асинхронных электродвигателей не превышает значения 0.3. По сравнению с прототипом индуктивное сопротивление короткозамыкающих колец клетки в номинальном режиме возросло в 3.1 раза (с 0.36 до 1.12, см. табл. 2 и табл. 1). При этом коэффициент мощности короткозамыкающих колец клетки в номинальном режиме понизился на 15% (с 0.98 до 0.83, см. табл. 2 и табл. 1).

Аналогичные данные прототипа приведены для сравнения на фиг. 3 и в табл. 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 внешнюю и внутреннюю боковые поверхности медного короткозамыкающего кольца 3. Короткозамыкающее кольцо имеет прямоугольное сечение размером 44×28 мм. Вытеснение тока при пуске происходит к верхней и нижней поверхностям короткозамыкающего кольца, не закрытого ферромагнитным экраном. Пусковой ток распределяется приблизительно равномерно по ширине короткозамыкающего кольца, занимая около трети его площади. В табл. 2 приведены сводные данные расчетов и моделирования короткозамыкающего кольца прототипа.

По сравнению с прототипом у клетки с Г-образными экранами из ферромагнитной стали кратность пускового тока снизилась на 26%. Таким образом, заявляемое устройство короткозамкнутой клетки ротора решает техническую задачу изобретения.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности прямого пуска электродвигателей повышенной мощности от сети ограниченной мощности.

Использование изобретения дает возможность эксплуатации электродвигателей с заявленными клетками в электрических сетях ограниченной мощности, что существенно расширяет конкурентные преимущества таких электродвигателей.

Клетка ротора асинхронного электродвигателя, содержащая стержни и медные короткозамыкающие кольца, отличающаяся тем, что медные короткозамыкающие кольца с размерами поперечного сечения 25×44 мм со стороны верхних и наружных боковых поверхностей закрыты экранами из ферромагнитной стали, выполненными в виде колец толщиной 2 мм с поперечным сечением Г-образной формы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для применения в асинхронных электродвигателях, работающих в электроприводах с тяжелыми условиями пуска.

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 электротехники, в частности к конструкции синхронного генератора на постоянных магнитах, используемого в системах автономного электроснабжения.

Статор // 2642431
Изобретение относится к области электротехники, в частности к статору электрической машины. Технический результат – улучшение качества изоляции статора.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам с постоянными магнитами. Технический результат – повышение надёжности крепления магнитов, снижение колебаний крутящего момента.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции статора электрической машины. Технический результат – снижение потерь на вихревые токи, обеспечение геометрических допусков путем вращательного наращивания кольцевых электромагнитных стальных пластин.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к гибридному двигателю, работающему при пуске в режиме асинхронного индукционного двигателя, а затем переходящему в синхронный режим.

Изобретение относится к области электротехники и касается ротора для реактивного электродвигателя. Технический результат – повышение пусковых характеристик.

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).

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для применения в асинхронных электродвигателях, работающих в электроприводах с тяжелыми условиями пуска.

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.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в повышении стабильности и к.п.д. Устройство для аккумулирования энергии содержит по меньшей мере одну электрическую машину типа генератора с использованием силы Лоренца или типа двигателя, имеющую ротор (1) и статор (4). Ротор (1) образует инерционный маховик и содержит по меньшей мере один магнит (5), прикрепленный к ротору (1); и по меньшей мере одно средство (3, 7) экранирования магнитного потока. Статор (4) выполнен без ферромагнитного материала и имеет обмотку. Средство (3, 7) экранирования потока установлено с возможностью синхронного вращения с магнитом (5) ротора (1). 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для применения в мощных асинхронных электродвигателях, работающих с источниками питания ограниченной мощности. Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности прямого пуска электродвигателей повышенной мощности от сети ограниченной мощности. Клетка ротора асинхронного электродвигателя содержит стержни и медные короткозамыкающие кольца. Медные короткозамыкающие кольца с размерами поперечного сечения 25×44 мм со стороны верхних и наружных боковых поверхностей закрыты экранами из ферромагнитной стали, выполненными в виде колец толщиной 2 мм с поперечным сечением Г-образной формы. 3 ил., 2 табл.

Наверх