RU2125759C1

RU2125759C1 - Asynchronous end-plate electric motor

Info

Publication number: RU2125759C1
Application number: RU98106152A
Authority: RU
Inventors: Ю.М. Хатунов; А.Ф. Мамедов; Камиль Якубович и Забора Игорь Михайлович Вильданов
Original assignee: Хатунов Юрий Михайлович; Мамедов Али Фуадович; Вильданов Камиль Якубович и Забора Игорь Георгиевич
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1998-04-03
Publication date: 1999-01-27

Abstract

FIELD: electric drives. SUBSTANCE: device has short-circuited rotor winding with additional ring, which is conjugated to yoke end plate, which contains U-shaped pitches which embrace yoke and are made from alternating magnetic- and current-conducting plates which are electrically connected to short-circuited rings. This results in surface effect in current-conducting plates of U-shaped pitches; thus reaching close to characteristics of asynchronous electric motor with deep cuts or double rotor cage. Heat emission from current which run in rotor winding is passed mainly in end-plate of rotor. EFFECT: improved starting characteristics, temperature mode, increased reliability. 6 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к электрическим асинхронным машинам с короткозамкнутой обмоткой ротора и может быть использовано при разработке асинхронных двигателей торцевого исполнения. The invention relates to electric asynchronous machines with a short-circuited rotor winding and can be used in the development of asynchronous motors of the front design.

В известных конструкциях асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяют глубокие пазы и двойную короткозамкнутую обмотку [1]. Однако основная часть тепла при пуске таких двигателей выделяется в области стержней короткозамкнутой обмотки, близкой к рабочему зазору и обмотке статора. Это затрудняет теплоотдачу, ухудшает температурный режим, снижает эксплуатационную надежность короткозамкнутых двигателей, особенно при работе с частыми пусками. Кроме того, в торцевом исполнении глубокие пазы ротора (более 30 мм) увеличивают осевой размер и металлоемкость двигателя. In the known designs of squirrel-cage induction motors, deep grooves and a double squirrel-cage winding are used [1]. However, the main part of the heat when starting such engines is generated in the area of the rods of the short-circuited winding, close to the working gap and the stator winding. This complicates the heat transfer, worsens the temperature regime, reduces the operational reliability of squirrel-cage motors, especially when working with frequent starts. In addition, in the end version, the deep grooves of the rotor (more than 30 mm) increase the axial size and metal consumption of the engine.

В качестве прототипа выбран асинхронный торцевой двигатель, содержащий дисковые магнитопроводы статора с обмоткой возбуждения и ротора с короткозамкнутой обмоткой, включающей стержни и короткозамыкающие кольца, у которого ротор снабжен дополнительным короткозамыкающим кольцом, соединенным с наружным и внутренним короткозамыкающими кольцами и прилегающим к ярму магнитопровода [2]. Такая конструкция создает низкий пусковой момент, как у обычных короткозамкнутых двигателей. As a prototype, an asynchronous end motor is selected, containing disk stator magnetic circuits with an excitation winding and a short-circuited rotor, including rods and short-circuited rings, in which the rotor is equipped with an additional short-circuited ring connected to the outer and inner short-circuited rings and adjacent to the yoke of the magnetic circuit [2] . This design creates a low starting torque, as with conventional squirrel cage motors.

Сущность заявленного асинхронного торцевого двигателя, содержащего дисковые магнитопроводы статора с обмоткой возбуждения и ротора с короткозамкнутой обмоткой, включающей стержни, наружное и внутреннее короткозамыкающие кольца и дополнительное короткозамыкающее кольцо, соединенное с наружным и внутренним кольцами и прилегающее к торцевой поверхности ярма магнитопровода, согласно изобретению заключается в том, что в наружном, внутреннем и дополнительном короткозамыкающих кольцах выполнены пазы по числу стержней обмотки ротора, в которых установлены П-образные зубцы, охватывающие ярмо по периметру в поперечном сечении. При этом П-образные зубцы выполнены составными из чередующихся магнито-и электропроводящих пластин, причем электропроводящие пластины электрически соединены с короткозамыкающими кольцами; дополнительное кольцо имеет переменную толщину, возрастающую от наружного к внутреннему короткозамыкающему кольцу; П-образные зубцы имеют переменную высоту, возрастающую от внутреннего к наружному короткозамыкающему кольцу; П-образные зубцы выполнены с наклоном к торцевой поверхности ярма; П-образные зубцы выполнены со скосом, соответствующим скосу стержней. The essence of the claimed asynchronous end-face motor containing disk stator magnetic circuits with an excitation winding and a rotor with a short-circuited winding, including rods, an outer and inner short-circuit ring and an additional short-circuit ring connected to the outer and inner rings and adjacent to the end surface of the yoke of the magnetic circuit, according to the invention, the fact that in the outer, inner and additional short-circuit rings grooves are made according to the number of rods of the rotor winding, in U-shaped teeth are installed, covering the yoke around the perimeter in cross section. In this case, the U-shaped teeth are made of composite of alternating magnetically and electrically conductive plates, and the electrically conductive plates are electrically connected to short-circuiting rings; the additional ring has a variable thickness, increasing from the outer to the inner short-circuit ring; U-shaped teeth have a variable height, increasing from the inner to the outer short-circuit ring; U-shaped teeth made with an inclination to the end surface of the yoke; U-shaped teeth are made with a bevel corresponding to the bevel of the rods.

Благодаря выполнению короткозамкнутой обмотки ротора с дополнительным кольцом, прилегающим к торцевой поверхности ярма, в котором расположены П-образные зубцы, охватывающие ярмо и выполненные из чередующихся магнито- и электропроводящих пластин, электрически соединенных с короткозамыкающими кольцами, улучшаются пусковые характеристики торцевого асинхронного двигателя за счет выраженного поверхностного эффекта в электропроводящих пластинах П-образных зубцов, приближаясь к характеристикам асинхронного двигателя с глубокими пазами или двойной клеткой ротора. При этом тепловыделение от прохождения пускового тока в обмотке ротора происходит в основном в торцевой области ротора, что улучшает температурный режим работы и эксплуатационную надежность асинхронного двигателя с высоким пусковым моментом. Due to the implementation of the short-circuited rotor winding with an additional ring adjacent to the end surface of the yoke, in which U-shaped teeth are located, covering the yoke and made of alternating magnetically and electrically conductive plates electrically connected to short-circuit rings, the starting characteristics of the end induction motor are improved due to the pronounced surface effect in the conductive plates of the U-shaped teeth, approaching the characteristics of an induction motor with deep grooves or double-cage rotor. In this case, heat generation from the passage of the starting current in the rotor winding occurs mainly in the end region of the rotor, which improves the temperature regime and operational reliability of an induction motor with a high starting torque.

На фиг. 1 изображен асинхронный торцевой двигатель; на фиг. 2 - ротор с П-образными зубцами, охватывающими ярмо по периметру в поперечном сечении; на фиг. 3 - ротор с дополнительным кольцом переменной толщины и П-образными зубцами переменной высоты; на фиг. 4 - поперечное сечение ротора А-А, изображенного на фиг. 2; на фиг. 5 и 6 - развернутые коаксиальные сечения соответственно Б-Б и В-В ротора, изображенного на фиг. 2; на фиг. 7 - поперечное сечение ротора Г-Г, изображенного на фиг. 3. In FIG. 1 shows an asynchronous end motor; in FIG. 2 - a rotor with U-shaped teeth covering the yoke around the perimeter in cross section; in FIG. 3 - a rotor with an additional ring of variable thickness and U-shaped teeth of variable height; in FIG. 4 is a cross section of the rotor AA depicted in FIG. 2; in FIG. 5 and 6 are expanded coaxial sections of the BB and BB rotor shown in FIG. 2; in FIG. 7 is a cross section of the rotor GG depicted in FIG. 3.

Торцевой асинхронный двигатель содержит дисковые магнитопроводы статора 1 и ротора 2. В пазах 3 магнитопровода статора расположена обмотка возбуждения 4. В пазах 5 магнитопровода ротора 2 расположены стержни 6 короткозамкнутой обмотки ротора, соединенные с внутренним 7 и наружным 8 короткозамыкающими кольцами. Обмотка ротора содержит дополнительное короткозамыкающее кольцо 9, соединенное с внутренним 7 и наружным 8 короткозамыкающими кольцами и прилегающее к ярму магнитопровода 2. В наружном 8, внутреннем 7 и дополнительном 9 кольцах выполнены пазы, в которых расположены П-образные зубцы 10, охватывающие ярмо магнитопровода 2 по периметру в поперечном сечении. П-образные зубцы 10 выполнены составными из чередующихся магнитопроводящих пластин 11 и электропроводящих пластин 12, электрически соединенных с короткозамыкающими кольцами 7, 8, 9. Дополнительное кольцо 9 имеет переменную толщину, возрастающую от наружного 8 к внутреннему 7 короткозамыкающему кольцу. П-образные зубцы 10 имеют переменную высоту, возрастающую от внутреннего 7 к наружному 8 короткозамыкающему кольцу. П-образные зубцы с образующими их пластинами 11 и 12 выполнены с наклоном под углом α к торцевой поверхности ярма. При скосе стержней 6 обмотки ротора на угол β П-образные зубцы 10 вместе с образующими их пластинами 11 и 12 выполняют на тот же угол. В случае использования на роторе центробежного вентилятора его лопатки 13 примыкают к наружному кольцу 8. Для вентиляционного обдува внутренних частей машины воздухом в корпусе 14 выполнены вентиляционные окна 15. The end induction motor contains disk magnetic circuits of the stator 1 and rotor 2. In the grooves 3 of the stator magnetic circuit there is an excitation coil 4. In the grooves 5 of the magnetic circuit of the rotor 2 there are rods 6 of the short-circuited rotor winding connected to the inner 7 and the outer 8 short-circuit rings. The rotor winding contains an additional short-circuit ring 9 connected to the inner 7 and outer 8 short-circuit rings and adjacent to the yoke of the magnetic circuit 2. In the outer 8, inner 7 and additional 9 rings are grooves in which U-shaped teeth 10 are located, covering the yoke of the magnetic circuit 2 along the perimeter in cross section. U-shaped teeth 10 are made of composite of alternating magnetically conductive plates 11 and electrically conductive plates 12 electrically connected to short-circuit rings 7, 8, 9. The additional ring 9 has a variable thickness increasing from the outer 8 to the inner 7 short-circuit ring. U-shaped teeth 10 have a variable height, increasing from the inner 7 to the outer 8 short-circuit ring. U-shaped teeth with the plates 11 and 12 forming them are made with an inclination at an angle α to the end surface of the yoke. When the rods 6 of the rotor winding are beveled at an angle β, the U-shaped teeth 10 together with the plates 11 and 12 forming them perform at the same angle. In the case of using a centrifugal fan on the rotor, its blades 13 are adjacent to the outer ring 8. For ventilation blowing of the inside of the machine with air in the housing 14, ventilation windows 15 are made.

Такая обмотка ротора может быть выполнена из алюминия литьем под давлением как стержней, так и всех колец с П-образными электропроводящими пластинами, расположенными между заранее установленными на магнитопроводе П-образными магнитопроводящими пластинами из электротехнической стали. Such a rotor winding can be made of aluminum by injection molding of both rods and all rings with U-shaped electrically conductive plates located between U-shaped magnetically conductive plates of electrical steel that are pre-installed on the magnetic circuit.

При работе асинхронного двигателя ток, протекающий по стержням обмотки, в лобовых частях разветвляется, частично замыкаясь по основным кольцам и частично - по дополнительному кольцу. During the operation of an induction motor, the current flowing through the rods of the winding branches in the frontal parts, partially closing along the main rings and partly along the additional ring.

Обмотка такой конструкции совмещает обмотки тороидального и барабанного типов, т. е. ее можно представить в виде системы параллельно соединенных витков, одни из которых охватывают, а другие не охватывают ярмо. Для данной обмотки ротора в малополюсных (2р≤4) и относительно "коротких" машинах (с малым отношением активной длины L₀ к полюсному давлению τ L_o/τ ≤ 0,5) требуется меньше проводникового материала, чем для эквивалентной в электромагнитном отношении обмотки без дополнительного кольца. Это объясняется тем, что участки дополнительного кольца совместно с П-образными электропроводящими пластинами, соответствующие зубцовым делениям ротора, образуют систему радиально направленных в плоскости кольца проводников, которые охватывают ярмо и шунтируют основные короткозамыкающие кольца обмотки ротора. При этом средняя длина таких витков при оговоренных выше условиях (2p≤4 и L_o/τ ≤ 0,5) меньше средней длины витков традиционной короткозамкнутой обмотки.A winding of this design combines the windings of the toroidal and drum types, i.e. it can be represented as a system of parallel-connected turns, some of which cover, and others do not cover the yoke. For a given rotor winding in low-pole (2p≤4) and relatively "short" machines (with a small ratio of active length L ₀ to pole pressure τ L _o / τ ≤ 0.5) less conductive material is required than for an electromagnetically equivalent winding no extra ring. This is explained by the fact that the sections of the additional ring together with the U-shaped conductive plates corresponding to the tooth divisions of the rotor form a system of conductors radially directed in the plane of the ring, which cover the yoke and bypass the main short-circuit rings of the rotor winding. Moreover, the average length of such turns under the above conditions (2p≤4 and L _o / τ ≤ 0.5) is less than the average length of the turns of a traditional short-circuited winding.

В начале пуска асинхронного двигателя, когда частота тока в обмотке ротора f₂ = S f₁ близка к частоте сети f₁ (где скольжение S в начале пуска S порядка 1), эквивалентное активное сопротивление короткозамкнутой обмотки ротора увеличено из-за выраженного поверхностного эффекта в П-образных электропроводящих пластинах, размещенных между П-образными ферромагнитными пластинами, электрически соединенных с участками основных и дополнительного кольца и являющихся их составной частью. Это приводит к повышению пускового момента, как и у короткозамкнутых роторов с глубокими пазами или с двойной беличьей клеткой традиционной конструкции [1].At the start of starting an induction motor, when the current frequency in the rotor winding f ₂ = S f ₁ is close to the network frequency f ₁ (where slip S at the start of start S is about 1), the equivalent resistance of the short-circuited rotor winding is increased due to the pronounced surface effect in U-shaped electrically conductive plates located between the U-shaped ferromagnetic plates, electrically connected to the sections of the main and additional rings and which are their component. This leads to an increase in the starting torque, as in squirrel-cage rotors with deep grooves or with a double squirrel cage of a traditional design [1].

Однако в отличие от обычных асинхронных двигателей с улучшенными пусковыми свойствами предлагаемая конструкция асинхронного двигателя с дополнительным кольцом в виде диска и П-образными зубцами, охватывающими ярмо, существенно улучшает условия охлаждения ротора, поскольку это кольцо и зубцы прилегают к внешней торцевой поверхности ярма и, являясь частью обмотки ротора, где выделяются в виде тепла электрические потери, увеличивает поверхность теплоотвода и снижает температуру обмотки не только ротора, но и обмотки статора, удаленной от этой части обмотки с большим тепловыделением в процессе пуска. However, in contrast to conventional induction motors with improved starting properties, the proposed design of an induction motor with an additional ring in the form of a disk and U-shaped teeth covering the yoke significantly improves the cooling conditions of the rotor, since this ring and teeth are adjacent to the outer end surface of the yoke and, being part of the rotor winding, where electrical losses are generated in the form of heat, increases the surface of the heat sink and reduces the temperature of the winding not only of the rotor, but also of the stator winding remote t of this part of the winding with high heat during startup.

Для более равномерного распределения потерь от прохождения токов в обмотке ротора и снижения температуры нагрева во внутренних частях торцевого асинхронного двигателя дополнительное кольцо выполнено с переменной толщиной, увеличиваясь к внутреннему диаметру так, чтобы площади коаксиальных сечений кольца были примерно равны. Для улучшения условий охлаждения П-образные обмотки ротора выполнены с переменной высотой, увеличиваясь к наружному диаметру так, чтобы наружные части спинок П-образных зубцов выступали из поверхности дополнительно кольца, возрастая к наружному кольцу обмотки ротора. При этом существенно повышается эффективность теплоотдачи с поверхности ротора, так как выступающие части П-образных зубцов служат одновременно токонесущей частью П-образных электропроводящих пластин и вращающимися радиаторами, улучшая конвективный теплообмен с окружающим воздухом. For a more uniform distribution of losses from the passage of currents in the rotor winding and a decrease in the heating temperature in the internal parts of the end induction motor, the additional ring is made with a variable thickness, increasing to the inner diameter so that the area of the coaxial section of the ring is approximately equal. To improve the cooling conditions, the U-shaped windings of the rotor are made with variable height, increasing to the outer diameter so that the outer parts of the backs of the U-shaped teeth protrude from the surface of the additional ring, increasing to the outer ring of the rotor winding. At the same time, the heat transfer efficiency from the rotor surface is significantly increased, since the protruding parts of the U-shaped teeth serve simultaneously as the current-carrying part of the U-shaped electrically conductive plates and rotating radiators, improving convective heat transfer with the surrounding air.

Для увеличения эквивалентного активного сопротивления обмотки ротора, способствующего увеличению электромагнитного момента при пуске двигателя, необходимо иметь достаточную высоту h электропроводящих П-образных пластин, расположенных между П-образными ферромагнитными пластинами так, чтобы h была больше глубины проникновения электромагнитного поля Δ [1]. Этого можно достичь без увеличения осевой длины торцевого асинхронного двигателя известной конструкции [2] выполнением П-образных зубцов с наклоном под углом к торцевой поверхности ротора, как показано на фиг. 5, 6. To increase the equivalent active resistance of the rotor winding, which contributes to an increase in the electromagnetic moment when starting the engine, it is necessary to have a sufficient height h of conductive U-shaped plates located between U-shaped ferromagnetic plates so that h is greater than the penetration depth of the electromagnetic field Δ [1]. This can be achieved without increasing the axial length of the end induction motor of known design [2] by making U-shaped teeth with an inclination at an angle to the end surface of the rotor, as shown in FIG. 5, 6.

В случае выполнения в роторе скошенных пазов под углом β, на тот же угол скошены П-образные зубцы (см. фиг. 7), которые расположены в одной плоскости с соответствующим стержнем, образуя виток, охватывающий ярмо ротора. If the bevel grooves are made in the rotor at an angle β, the U-shaped teeth (see Fig. 7) are beveled to the same angle, which are located in the same plane with the corresponding rod, forming a coil covering the yoke of the rotor.

Источники информации
1. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. - М.: Энергия, 1980, с. 430-433.Sources of information
1. Ivanov-Smolensky A.V. Electric cars. - M .: Energy, 1980, p. 430-433.

2. Авт. св. СССР 1642551, кл. Н 02 К 17/06, БИ 14, 1994. 2. Auth. St. USSR 1642551, class H 02 K 17/06, BI 14, 1994.

Claims

1. Асинхронный торцевой двигатель, содержащий дисковые магнитопроводы статора с обмоткой возбуждения и ротора с короткозамкнутой обмоткой, включающей стержни, наружное и внутреннее короткозамыкающее кольца и дополнительное короткозамыкающее кольцо, соединенное с наружным и внутренним кольцами и прилегающее к ярму магнитопровода, отличающийся тем, что в кольцах выполнены пазы по числу стержней, в которых установлены П-образные зубцы, охватывающие ярмо по периметру в поперечном сечении. 1. An asynchronous end motor containing disk magnetic circuits of the stator with an excitation winding and a rotor with a short-circuited winding, including rods, an external and an internal short-circuit ring and an additional short-circuit ring connected to the external and internal rings and adjacent to the yoke of the magnetic circuit, characterized in that in the rings grooves are made according to the number of rods in which U-shaped teeth are installed, covering the yoke along the perimeter in cross section.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что П-образные зубцы выполнены составными из чередующихся магнито- и электропроводящих пластин, причем электропроводящие пластины электрически соединены с короткозамыкающими кольцами. 2. The engine according to claim 1, characterized in that the U-shaped teeth are made of composite of alternating magnetically and electrically conductive plates, and the electrically conductive plates are electrically connected to short-circuiting rings.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что дополнительное кольцо имеет переменную толщину, возрастающую от наружного к внутреннему короткозамыкающему кольцу. 3. The engine according to claim 1, characterized in that the additional ring has a variable thickness, increasing from the outer to the inner short-circuit ring.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что П-образные зубцы имеют переменную высоту, возрастающую от внутреннего к наружному короткозамыкающему кольцу. 4. The engine according to claim 1, characterized in that the U-shaped teeth have a variable height, increasing from the inner to the outer short-circuit ring.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что П-образные зубцы выполнены с наклоном к торцевой поверхности ярма. 5. The engine according to claim 1, characterized in that the U-shaped teeth are made with an inclination to the end surface of the yoke.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что П-образные зубцы выполнены со скосом, соответствующим скосу стержней. 6. The engine according to claim 1, characterized in that the U-shaped teeth are made with a bevel corresponding to the bevel of the rods.