Классификация асинхронных двигателей по конструкции массивных ферромагнитных роторов - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

10417
Классификация асинхронных двигателей по конструкции массивных ферромагнитных роторов

К ферромагнитным материалам (ферромагнетикам) относятся железо (конструкционные стали, электротехнические стали в виде тонких листов и т.д.), чугун, никель, кобальт, гадолиний, различные сплавы, спрессованные смеси из ферромагнитного порошка и изоляционного материала, ферриты и другие композиционные соединения.

В электромашиностроении наибольшее применение нашли электротехнические стали и чугун. Для массивных ферромагнитных роторов в качестве ферромагнетиков наиболее приемлемыми являются конструкционные стали Ст.3, Ст.45 и другие ее марки, а также различные сплавы. Для микромашин возможно применение ферритов.

Характерной особенностью (свойством) ферромагнетиков являются повышенные значения и нелинейность магнитной проницаемости µ=B/H. Это свойство обеспечивает широкие пределы изменения электромагнитных параметров эквивалентных обмоток или их частей в зависимости от частоты вращения ротора и значения подводимого к обмотке статора напряжения. Так, с целью увеличения активного и индуктивного сопротивлений рассеяния короткозамкнутой обмотки ротора и снижения пусковых токов используется короткозамыкающее кольцо из железа.

И если научно-исследовательские работы, проводимые с целью повышения технико-экономических показателей обычных короткозамкнутых двигателей, были направлены на увеличение сопротивлений и пределов их изменения, то аналогичные работы с массивными ферромагнитными роторами (МФР) ведутся с целью снижения значений электромагнитных параметров. Для решения таких задач предложены различные модификации МФР. Основными целями таких работ были, с одной стороны, сохранение естественной механической характеристики двигателя без явно выраженного максимума (придает двигателю хорошие регулировочные и динамические свойства) и, с другой стороны, повышение ее жесткости при малых значениях скольжения (обеспечивает повышение полезной мощности и энергетических показателей в номинальном режиме работы двигателя).

Общая классификация конструкционных исполнений роторов с массивными ферромагнитными элементами

Асинхронные двигатели классифицируются по различным признакам:

  • по назначению;
  • диапазону мощностей;
  • по исполнению;
  • по режимам работы;
  • по классу нагревостойкости изоляции и др.

Ниже приведена классификация асинхронных двигателей по конструкционному исполнению роторов с массивными ферромагнитными элементами с нелинейными (частотно-зависимыми) электромагнитными параметрами.

Предлагаемая ниже классификация является в определенной мере условной, поскольку некоторые конструкции роторов могут быть отнесены одновременно к двум или нескольким группам. Кроме того, некоторые изменения в конструкции ротора, направленные, например, на улучшение условий охлаждения, снижение вибраций и шумов, предотвращение разрушения при тепловой деформации или для удовлетворения других требований, в той или иной мере оказывают влияние на изменение электромагнитных параметров и наоборот.

Асинхронные двигатели, в роторах которых используются массивные ферромагнитные элементы в качестве активных частей (т.е. частей, участвующих в преобразовании энергии), можно подразделить на следующие группы:

  • двигатели с массивными (сплошными) ферромагнитными роторами и их модификациями;
  • двигатели с многослойными конструкциями роторов;
  • двигатели с более сложными конструкционными исполнениями роторов.

Первые конструкционные варианты массивного ферромагнитного ротора представляют собой обычный сплошной однородный и гладкий (с торцовых и боковой поверхностей) цилиндр, выполненный из ферромагнитного материала. Таким материалом была обычная конструкционная сталь. В последствии были предложены различные композиционные материалы. Они характеризуются примерно такими же электромагнитными свойствами, но сравнительно сложной технологией изготовления как самих материалов (ферромагнитных и медных опилок), так и ротора (перемешивания, формовки, прессовки и спекания с заполнителем при высокой температуре). В последнее время разработаны и опробованы марки ферромагнитного чугуна, специально предназначенного для замены стали. При этом ротор может изготовляться способом литья с различными геометрическими формами (например, с пазами).

Предполагаемые положительные свойства обычного МФР нивелировались выявленными в процессе исследований недостатками. Главными из них являлись слишком большие значения активного и индуктивного сопротивления рассеяния. Поэтому Шенфер К.И. предложил первые модификации МФР, которые детально описаны в [1]. Позже были предложены другие конструкционные исполнения МФР, оформленные на уровне изобретений или описанных в статьях. Классификация их в виде структурной схемы показана на рис.1.

Рис.1 Классификация асинхронных двигателей с массивными ферромагнитными роторами

Рис.1 Классификация роторов с массивными ферромагнитными сердечниками

Выявив недостатки асинхронных двигателей со сплошным массивным ферромагнитным ротором, Шенфер К.И. предложил первое изменение в эту конструкцию. Оно заключалось в применении короткозамкнутых колец на торцах цилиндрического ротора, выполненных из цветных металлов. Предполагалось, что осевые токи в массиве ротора будут замыкаться на торцах через короткозамыкающие кольца с меньшим электрическим сопротивлением. Это должно было бы привести к улучшению характеристик двигателя. Однако, крепление короткозамыкающих колец к массиву с помощью болтов, не обеспечивало достаточного и надежного электрического контакта между соприкасающимися поверхностями и в таком варианте не привело к существенному улучшению характеристик.

С целью повышения технологичности и обеспечения надежного электрического контакта Харитонов А.М. предложил конструкцию МФР (рис.2), в которой короткозамыкающие кольца (поз. 1) из немагнитного материала с малым удельным электрическим сопротивлением размещены в кольцевых выточках, сделанных в торцовых частях, и скреплены с ротором (поз. 2) посредством заливки [5].

Рис.2 Констнукция МФР Харитонова А.М.

Рис.2 Констнукция МФР Харитонова А.М.

Следующим предложением Шенфера К.И. было усовершенствование МФР путем выполнения на цилиндрической поверхности ротора продольных узких пазов. Затем он объединил это предложение с предыдущим. Само по себе выполнение продольных пазов не вызывает затруднений, то есть является высоко технологичным, но весьма трудоемким при их фрезеровании.

Первоначальные исследования двигателей с зубчатым МФР показали, что применение пазов не приводит к существенному улучшению характеристик. В то же время, сочетание выполнения пазов с применением медных короткозамыкающих колец приводит к заметному улучшению характеристик двигателя [1].

Более глубокие исследования показали, что при различных числах и размерах пазов в МФР можно добиться значительного улучшения показателей двигателей. Число пазов и их геометрия зависят от числа пазов статора, числа полюсов, габарита двигателя и других факторов. На рис.3 показана конструкция МФР, в котором пазы (поз. 1) фрезерованы только в активной части машины, т.е. на длине, равной длине пакета стали статора. Не фрезерованные части с обоих торцов ротора как бы образуют короткозамыкающие кольца.

Рис.3 

В авторском свидетельстве [2] предложена конструкция МФР с открытыми пазами (поз. 1 на рис.4) и оптимальными размерами, а лобовые части имеют диаметр на стыке с зубцовой зоной меньше диаметра ротора на 0,4…1,0 высоты зубца (рис.4). Сравнивая эти конструкции, видим, что они противоречат друг другу.

Рис.4

Различные конструкционные исполнения МФР со своеобразным исполнением лобовых частей показаны на рис.5,а–е [8] и рис.5,ж, з [9]. Множество вариантов МФР с разными геометрическими параметрами торцовых зон с короткозамкнутыми кольцами приведено в [3].

С целью снижения добавочных потерь на поверхности МФР от зубцовых гармоник статора предложено выполнять канавки (кольцевые проточки) прямоугольного сечения (см., например, рис.5,г), расположенные на равном расстоянии в осевом направлении. Расстояние между канавками и их глубина приблизительно в 20 раз больше воздушного зазора.

Различные конструкционные исполнения МФР со своеобразным исполнением лобовых частей

 

Рис.5 Различные конструкционные исполнения МФР со своеобразным исполнением лобовых частей

Сосредоточение магнитного поля у цилиндрической поверхности массивного ротора позволяет выполнять ротор в виде полого цилиндра. Это способствует снижению массы и махового момента ротора, повышению быстродействия двигателя и улучшению условий отвода тепла с увеличенной поверхности активной части ротора. Экспериментально установлено, что замена сплошного ротора ротором в виде полого цилиндра (рис.6) с толщиной стенки 25 мм практически не оказывает влияния на ухудшение характеристик и энергетических показателей двигателя. Эксперименты проводились с двигателем номинальной мощностью Р=13,0 кВт и числом полюсов 2р=4. Возможность выполнения МФР в виде тонкостенного полого цилиндра подтверждается и опубликованными данными [4].

Рис.6

Это обстоятельство подсказывает возможность и целесообразность выполнения асинхронного двигателя с внешним ротором (поз. 1 на рис.7) в виде тонкостенного полого цилиндра (рис.7). Положительными свойствами такой конструкции двигателя являются: сравнительная простота изготовления; сравнимые с обычными короткозамкнутыми двигателями масса и габариты на единицу мощности; хорошие условия для охлаждения; отличные регулировочные и пусковые свойства; возможность совмещенного выполнения ротора и механизма. Двигатели с внешним ротором могут найти широкое применение для различных намоточных устройств, рольгангов, насосов, мешалок, вентиляторов, транспортеров (мотор-роликов), мотор-колес, электроинструментов, сельскохозяйственных машин и т.п. Замена в них короткозамкнутого ротора на МФР придает асинхронным двигателям улучшенные пусковые, регулировочные и динамические характеристики, а также преимущества, рассмотренные выше.

Рис.7

 

Асинхронные двигатели с массивными ферромагнитными роторами и короткозамкнутыми обмотками

Описание этой группы роторов выделено в отдельный параграф, чтобы обратить внимание читателей на важность, возможность решения проблемы регулируемого электропривода и перспективность практического применения.

Варьированием числом стержней, геометрическими параметрами и свойствами применяемых материалов для короткозамкнутой обмотки можно получить спектр характеристик, приближающихся к характеристикам двигателей с короткозамкнутым или массивным ферромагнитным роторами. Этому способствуют специально разработанные для этих целей марки электромагнитного чугуна. Хорошие литьевые свойства чугуна позволяют получать образцы роторов различных геометрических форм с требуемым числом, сечением, расположением и формой пазов. Заливка пазов алюминием может осуществляться по традиционной технологии изготовления обычных роторов с короткозамкнутой обмоткой.

Вложение стержней короткозамкнутой обмотки в МФР может осуществляться на различную глубину. При этом высота промежутка над стержнем до поверхности ротора должна приближаться к глубине проникновения электромагнитной волны в ферромагнитный массив при скольжении s=1. В такой конструкции пусковой момент двигателя создается токами в зубцах. По мере увеличения скорости вращения снижается частота токов и увеличивается глубина проникновения электромагнитной волны. В работе двигателя все большее участие принимает короткозамкнутая обмотка, придавая необходимый вид механической характеристике.

Экспериментальные исследования АД с МФР и короткозамкнутыми обмотками показали, что для получения удовлетворительных регулировочных характеристик вложение меди в них должно составлять примерно 15…20% от вложения меди в обычных короткозамкнутых роторах, что обеспечивает значительное удешевление таких двигателей.

Поскольку данные результаты получены при переменном сечении стержней, а необходимые свойства получены при размещении стержней на дне паза, то были продолжены исследования АД с МФР с различным числом пазов и их сечением и нормальным расположением стержней [5].

Предложены различные модификации МФР с короткозамкнутыми обмотками. Так, на рис.8,а показана конструкция, в которой стержни короткозамкнутой обмотки (поз. 1) размещаются в закрытых пазах. Они располагаются от поверхности МФР ротора на расстоянии, равном глубине проникновения электромагнитной волны при скольжении s³0,8. Рекомендуется стержни изолировать от МФР или снабжать их на некоторой длине от торцов покрытием, улучшающим контакт с МФР.

Рис.8

На рис.8,б показано осевое сечение МФР, в закрытых пазах которого расположены стержни короткозамкнутой обмотки. Короткозамыкающие кольца расположены в торцовых выточках и закрыты крышкой из материала с низкой магнитной проницаемостью. Для уменьшения магнитного потока рассеяния над стержнями фрезерованы пазы [6].

В этом же патенте предложена модификация ротора, состоящего из двух или более концентрических цилиндров из материала с высокой магнитной проницаемостью. Цилиндры сварены вместе по торцам. Однако такую конструкцию уже необходимо отнести к многослойным роторам, которые будут рассматриваться отдельно.

Кроме перечисленных модификаций МФР предложены и исследованы АД с МФР, выполненными из сплавов (железо, никель, медь). Основной задачей в этом случае было добиться оптимальных значений магнитной проницаемости, при которой характеристики двигателя значительно улучшаются по сравнению с характеристиками АД с МФР из стали. Однако технология изготовления этих роторов такова, что требует новых производственных площадей, нового материала и установки нового оборудования. Вместе с тем, энергетические показатели и использование габаритной мощности двигателя с такой конструкцией ротора остаются низкими.

Литература

  1. Шенфер К.И. Асинхронные машины. – М.-Л.: ГОНТИ РЭЛ, 1938.
  2. А.с. 650163 СССР. М. Кл HК 1/22. Массивный ротор асинхронной машины/Лищенко А.И. – Опубл. в Б.И., 1979, №8.
  3. Лищенко А.И., Лесник В.А. Асинхронные машины с массивным ферромагнитным ротором. – К.: Наук. думка. – 1984.
  4. Pat. 48640 PNR. Wirnik bexurwojemowy do trojfozomegosilniko elektryeznego/Jan Cotek. – Publ. 15.10.1964.
  5. Вербовой А.П., Вербовой П.Ф., Съянов А.М. Экспериментальные исследования асинхронных двигателей с массивными ферромагнитными роторами/Препр. НАН Украины. Ин-т электродинамики; №793. – К., 1996.
  6. Pat. 1129064 GBR. Improvement in or relating to rotors for Asynchronous machines/Walter Reichle. – Publ. 02.10.1968.
Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus