Массивный ротор электрической машины

 

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения и может быть использовано при изготовлении роторов для асинхронных двигателей динамического режима работы, регулируемых, с требованием по ограничению вибраций и шумов. Задачей изобретения является улучшение энергетических показателей двигателя с массивным ротором. Поставленная задача обеспечивается тем, что массивный ротор электрической машины выполняют с кольцевыми (КК) и осевыми (ОК) канавками с определенными размерами на определенном расстоянии друг от друга - шириной b_кк = b_ок = ((1, 3 - 2,0) δ , глубиной h_кк +(0,6 - 0,7_ Δv_э , h_ок = (3 - 4)h_кк, с расстояниями l_кк = (10 - 15)b_кк, l_ок = 0,25 τ между кольцевыми и осевыми канавками, соответственно, где δ - воздушный зазор, Δv_э - средняя глубина проникновения в ротор первой пары зубцовых гармоник, τ - полюсное деление. При этом кольцевые канавки заполнены ферромагнитным диэлектрическим материалом на всю глубину, а осевые канавки заполнены электропроводящим немагнитным материалом на высоту - h_ок - h_кк. 2 ил.

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к электрическим машинам переменного тока и пригодно к изготовлению роторов для асинхронных двигателей (АД) динамического режима работы, регулируемых, с требованием по ограничению вибраций и шумов.

Для таких АД разработаны и достаточно широко применяются роторы специальных конструкций - глубокопазные, двухклеточные, с измененной формой паза, массивные, двухслойные, комбинированные и другие. Известен, например, асинхронные двигатели с массивным ротором из ферромагнитного материала или двухслойным ротором из материала с заданными электромагнитными свойствами. На торцах таких роторов, как правило, устанавливают медные кольца [1].

Положительными качествами асинхронных двигателей с массивными или двухслойными роторами являются хорошие пусковые, регулировочные и виброшумовые характеристики, благодаря чему они нашли применение в ряде специальных электроприводов. Более широкому их применению препятствуют худшие по сравнению с обычными короткозамкнутыми двигателями энергетические показатели - КПД и коэффициент мощности.

Известен также массивный ротор из ферромагнитного материала, на наружной поверхности которого фрезеруются продольные пазы, которые в некоторых случаях могут заполняться электропроводящим материалом [2]. Недостатком такого ротора является то, что увеличиваются вибрации АД, снижается его коэффициент мощности.

Наиболее близким к предлагаемому является асинхронный двигатель с массивным ротором, на наружной поверхности которого выполнены кольцевые канавки, расположенные коаксиально относительно оси вращения, шириной b = (6 - 10) δ , глубиной h = (2 - 3)b и расстоянием между канавками l = (0,13 - 0,25)τ (δ - воздушный зазор, τ - полюсное деление) и заполненные электропроводным материалом, преимущественно медью [3] (прототип).

По технической сущности и достигаемому результату данное решение весьма близко к предложенному изобретению.

Недостатками данной конструкции являются увеличенные геометрические размеры канавок - ширины b и глубины h, а также заполнение их электропроводным материалом, в частности, медью.

Рассмотрим для примера двигатель малой мощности (P≈3 кВт), имеющий воздушный зазор δ = 0,5 мм, активную длину ротора L≈100 мм и число полюсов 2p = 4. Исходя из рекомендуемых в прототипе соотношений, геометрические размеры кольцевых канавок для ротора составляют: b = 3 - 5 мм; h = 6 - 15 мм; l = 10 - 20 мм. Таким образом имеем общее количество канавок от восьми до четырех, а их общая ширина равна 20 - 25 мм, что составляет 20 - 25% от активной длины ротора. Поскольку канавки заполнены электропроводным немагнитным материалом, то это приводит к увеличению эквивалентного воздушного зазора, соответствующему росту намагничивающего тока и снижению коэффициента мощности. Поскольку рассматриваемые двигатели изначально имеют пониженный cos ϕ , что связано со значительными потоками рассеяния в роторе, такое действие кольцевых канавок следует признать отрицательным.

Заполнение канавок электропроводным материалом - медью, кроме того, приводит к увеличению коэффициента ослабления мощности Koc и, как следствие, к уменьшению активной мощности, вращающего момента и КПД. Действительно, при установке только на торцах ротора медных короткозамыкающих колец возрастают осевые составляющие токов ротора и, соответственно, увеличивается вращающий момент. Действие заполненных медью кольцевых канавок как промежуточных колец оказывается обратным, тем более, что глубина канавок соизмерима с глубиной проникновения в тело ротора основной гармоники поля; осевые составляющие токов в роторе уменьшаются, а поперечные возрастают, что приводит к снижению вращающего момента и КПД.

Задачей изобретения является улучшение энергетических показателей двигателя с массивным ротором.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в асинхронном двигателе с массивным ротором, на наружной поверхности которого имеются кольцевые (кк) и осевые (ок) канавки, эти канавки выполняются с размерами b_кк = b_ок = (1,3 - 2,0) δ , h_кк =(0,6 - 0,7) Δv_э , h_ок = (3 - 4)h_кк, l_кк = (10 - 15)b_кк и l_ок = 0,25τ (b и h - ширина и глубина канавок, l - расстояние между канавками, δ = воздушный зазор, Δv_э - средняя глубина проникновения в ротор первой пары зубцовых гармоник, τ - полюсное деление), причем кольцевые канавки на всю глубину заполняют ферромагнитной диэлектрической массой, а осевые канавки - электропроводящим немагнитным материалом на высоту = h_ок - h_кк.

На фиг. 1 схематически изображен разрез предлагаемого ротора по продольной оси; на фиг. 2 - сечение, А-А на фиг. 1.

Массивный рабочий цилиндр 1 выполняют из магнито и электропроводящего материала с заданными электромагнитными свойствами и напрессовывают на вал 2 из конструкционной стали. В рациональной конструкции ротора - в двухслойном роторе - между рабочим цилиндром и валом располагают шихтованный сердечник с высокой магнитной проницаемостью и высоким электросопротивлением. К торцам массивного цилиндра приваривают или припаивают кольца 3 из хорошо проводящего материала, преимущественно из меди.

Первоначально проводят фрезерование осевых канавок на роторе с геометрическими размерами b_ок = b_кк, h_ок = (3 - 4)h_кк и расстоянием между канавками l_ок = 0,25 τ . Эти канавки заполняют электропроводящим немагнитным материалом (медь, алюминий) так, чтобы общая высота этого заполнения составляла - h_ок - h_кк.

Затем по наружной поверхности ротора протачивают кольцевые канавки шириной b_кк = (1,3 - 2,0) δ , глубиной h_кк = (0,6 - 0,7) Δv_э и расстоянием между ними l_кк = (10 - 15)b_кк. Эти канавки заполняют ферромагнитной диэлектрической массой, например, смеси порошка железа, эпоксидной смолы и отвердителя, или путем газопламенного напыления смеси железного порошка и окислов алюминия.

При любой технологии должно быть обеспечено полное заполнение канавок и надежное сцепление ферромагнитной массы со стенками канавок.

Выполнение осевых и кольцевых канавок с указанной геометрией и заполнением в совокупности придает двигателю дополнительные положительные качества. Физически это объясняется следующим образом.

Основное назначение кольцевых канавок - уменьшение добавочных потерь в поверхностном слое ротора от высших гармоник вихревых токов. Указанные потери обычно составляют (10 - 15)% от подводимой мощности. При этом ширина канавки b_кк минимальна и для двигателей малой и средней мощности не превышает 0,7 - 1,0 мм, а их заполнение ферромагнитной диэлектрической массой позволяет в максимальной степени ограничить величину намагничивающего тока, так как эквивалентный воздушный зазор для магнитного потока взаимной индукции при заполнении практически не изменяется. Поскольку основная часть добавочных потерь в массивном роторе от высших гармоник поля (75 - 85%) определяются первой парой зубцовых гармоник, а их затухание в массиве весьма велико, глубина канавок h_кк ограничена и, как правило, не превышает 1,5 - 2,0 мм. Соотношения для b_кк и h_кк,также как и оптимальное расстояние между канавками l_кк, определены теоретически и подтверждены экспериментально.

Необходимость осевых канавок обусловлена задачей ограничения магнитных потоков рассеяния, а их заполнение на определенную глубину электропроводящим материалом - уменьшением сопротивления ротора осевым токам основной гармоники, что способствует повышению коэффициента мощности цепи массивного ротора и двигателя в целом, а также его КПД. Выполнение в среднем четырех осевых канавок на одно полюсное деление при указанной их геометрии мало сказывается на величине эквивалентного воздушного зазора, а также на вибрациях магнитной природы, что также подтверждено расчетами и экспериментами.

При названных условиях энергетические показатели (η и cosϕ) двигателя с массивным ротором описанной конструкции превосходят показатели двигателя с массивным ротором с промежуточными короткозамыкающими кольцами соответственно на (2,5 - 3,0)% и на 0,05 - 0,07.

Наряду с этим предложенная конструкция двигателя является технологичной, компактной и весьма надежной в эксплуатации.

Изобретение позволяет получить значительную экономию в процессе эксплуатации двигателей за счет повышения их энергетических показателей.

Формула изобретения

Массивный ротор электрической машины, на наружной поверхности которого выполняются кольцевые (кк) и осевые (ок) канавки, отличающийся тем, что канавки выполняют с геометрическими размерами b_кк = b_ок = (1,3-2,0)δ; h_ок (3 4) h_кк; l_кк (10 15) b_кк; l_ок= 0,25τ, где b и h ширина и глубина канавок; l расстояние между канавками; δ - воздушный зазор;
средняя глубина проникновения в ротор первой пары зубцовых гармоник;
τ - полюсное деление,
причем кольцевые канавки заполняют ферромагнитной диэлектрической массой на всю глубину, а осевые канавки электропроводящим немагнитным материалом на глубину
л

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2