[1]Изобретение относится к электротехнике и электромашиностроению и предназначено для применения в асинхронных электродвигателях.
[2]Известен ротор асинхронного электродвигателя серии 4А [Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик и др. - М.: Энергоиздат, 1982], содержащий сердечник ротора, короткозамкнутую обмотку ротора и вал. При этом сердечник ротора изготовлен из электротехнической стали в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами и зафиксирован на стальном валу цилиндрической формы. Короткозамкнутая обмотка ротора изготовлена из сплава алюминия в виде конструкции типа "беличья клетка", стержни которой расположены в пазах сердечника ротора, а короткозамыкающие кольца - на торцевых поверхностях сердечника ротора. Короткозамыкающие кольца имеют неизменные радиальный и аксиальный размеры любого поперечного сечения.
[3]Недостатками такого ротора являются низкое качество процессов запуска и самозапуска электродвигателя и сопряженного с ним технологического оборудования, обусловленное низкой кратностью пускового момента mп, и низкое качество напряжения потребителей, подключенных к питающей сети, вследствие высокой кратности пускового тока iп электродвигателя.
[4]Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является ротор серийного асинхронного электродвигателя 4А355М2У3 [Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик и др. - М.: Энергоиздат, 1982], содержащий сердечник ротора, короткозамкнутую обмотку ротора и вал, причем сердечник ротора изготовлен в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами и зафиксирован на валу, короткозамкнутая обмотка ротора выполнена в виде конструкции типа "беличья клетка", стержни которой расположены в пазах сердечника ротора, а короткозамыкающие кольца расположены на торцевых поверхностях сердечника ротора и имеют неизменные радиальный и аксиальный размеры любого поперечного сечения.
[5]Недостатками данного технического решения являются недостаточное качество процессов пуска и самозапуска электродвигателя и сопряженного с ним технологического оборудования, обусловленное низкой кратностью пускового момента mп электродвигателя, и низкая надежность работы питающей сети вследствие высокой кратности пускового тока iп электродвигателя.
[6]Техническая задача изобретения состоит в повышении кратности пускового момента и снижении кратности пускового тока электродвигателя за счет повышения эффективности использования материала короткозамыкающих колец ротора.
[7]Технический результат заключается в повышении надежности работы электродвигателя и сопряженных с ним питающей сети и технологического оборудования за счет улучшения его пусковых показателей.
[8]Это достигается тем, что ротор асинхронного электродвигателя содержит сердечник шириной 
, выполненный в виде цилиндрического шихтованного пакета с пазами и зафиксированный на валу, короткозамкнутую обмотку, выполненную в виде конструкции типа "беличья клетка" и содержащую стержни длиной , высотой hc и шириной bc, расположенные в пазах сердечника ротора, и короткозамыкающие кольца, расположенные на торцевых поверхностях сердечника ротора и выполненные с радиальной высотой an и аксиальной толщиной bn, согласно изобретению на четных зубцовых делениях длиной t2 короткозамыкающих колец в радиальном направлении выполнены проточки прямоугольной формы длиной 
и глубиной h, расположенные симметрично относительно осей симметрии четных зубцовых делений, при этом относительная длина 
проточек выбирается по формуле 
, относительная глубина h* проточек выбирается с учетом необходимости обеспечения допустимого перегрева ротора по выражению
[9]
,
[10]а абсолютные значения длины и глубины проточек определяются, как 
и h=h*⋅bn,
[11]где 
- относительная площадь поверхности охлаждения короткозамыкающих колец в долях от соответствующей площади короткозамыкающих колец без радиальных проточек,
[12]
- относительные значения теплового потока в стержнях и короткозамыкающих кольцах обмотки ротора в долях от соответствующих показателей ротора без проточек,
[13]
- относительная длина стержней клетки,
[14]kαy - коэффициент повышения теплоотдачи короткозамыкающих колец за счет турбулентности охлаждающего воздуха в областях проточек.
[15]Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема основных конструктивных узлов ротора асинхронного электродвигателя, на фиг. 2 показана детализированная конструкция короткозамыкающих колец обмотки ротора, на фиг. 3 представлены зависимости относительного активного сопротивления элемента кольца (кривая 1), относительного индуктивного сопротивления элемента кольца (кривая 2), относительной массы колец (кривая 3) и относительной площади поверхности охлаждения колец (кривая 4) от относительной толщины кольца под проточкой, на фиг. 4 показана векторная диаграмма номинальных токов в стержнях, на фиг. 5 представлена векторная диаграмма пусковых токов в стержнях.
[17]
,
[18]а абсолютные значения длины и глубины проточек определяются, как 
и h=h*⋅bn,
[19]где 
- относительная площадь поверхности охлаждения короткозамыкающих колец 4 в долях от соответствующей площади короткозамыкающих колец 4 без радиальных проточек,
[20] - относительные значения теплового потока в стержнях 3 и короткозамыкающих кольцах 4 обмотки ротора в долях от соответствующих показателей ротора без проточек,
[21] - относительная длина стержней 3 клетки,
[22]kαy - коэффициент повышения теплоотдачи короткозамыкающих колец 4 за счет турбулентности охлаждающего воздуха в областях проточек 5.
[23]Таким образом, аксиальная толщина короткозамыкающего кольца 4 имеет различную величину на нечетных и четных зубцовых делениях (величину bn на нечетных зубцовых делениях и величину b<bn на четных зубцовых делениях под проточкой 5).
[24]Ротор асинхронного электродвигателя работает следующим образом.
[25]Вращающееся магнитное поле, взаимодействуя с токами короткозамкнутой обмотки ротора, порождает электромагнитные силы, которые реализуются в форме момента, приложенного к ротору и передающегося на его вал 2 к рабочей машине. Этот момент совершает полезную работу по преодолению момента сопротивления рабочей машины. В пусковом режиме избыточный, по отношению к моменту сопротивления рабочей машины, пусковой момент совершает работу по разгону ротора электродвигателя до номинальной частоты вращения.
[26]Выполнение проточек 5 снижает массу короткозамыкающих колец 4 и повышает эффективность использования их материала. Относительная масса короткозамыкающих колец 4 клетки с радиальными проточками 5 в долях от массы колец клетки без проточек выражается формулой
[27]
[28]где 
- относительная длина проточки, h*=h/bn - относительная глубина проточки 5. Эффективность использования материала короткозамыкающих колец оценивалась значением коэффициента эффективности
[29]
[31]
[32]добротность пуска. Как следует из выражений (1), (2), повышение относительных размеров 
и h* проточек 5 способствует повышению коэффициента эффективности использования материала короткозамыкающих колец 4.
[34]
[35]Преобладающее, по отношению к влиянию пониженного пускового тока, влияние повышенного активного сопротивления обеспечивает повышенный пусковой момент электродвигателя
[36]
[37]где р - число пар полюсов электродвигателя, m - число фаз электродвигателя, ƒ1 - частота питающего напряжения.
[38]Выполнение проточек 5 на короткозамыкающих кольцах 4 обеспечивает рост сопротивлений короткозамкнутой обмотки ротора, сопровождающийся интенсивным ростом ее активного сопротивления 
и коэффициента мощности
[39]
[40]Для активного и индуктивного сопротивлений элементов короткозамыкающих колец 4 четных зубцовых делений, входящих в соответствующие сопротивления короткозамкнутой обмотки ротора в качестве слагаемых, справедливы следующие выражения
[41]
[42]где коэффициенты kdr, kdx учитывают снижение толщины короткозамыкающего кольца 4 до величины b<bn за счет проточек 5; сопротивления Ry, Xy соответствуют элементам короткозамыкающего кольца 4 без проточек. Выражения для коэффициентов kdr, kdx имеют вид:
[43]
[44]где 
- относительная высота короткозамыкающего кольца 4,
[45]
- относительный диаметр короткозамыкающего кольца 4.
[46]Зависимость kdr(h*) по (9) и (7) определяет интенсивность роста активного сопротивления короткозамкнутой обмотки ротора и, как следствие, интенсивность роста коэффициента мощности cos(ϕ2) и пускового момента электродвигателя при повышении глубины проточек 5. Зависимость kdx(h*) по (10) и (8) определяет интенсивность роста индуктивного сопротивления короткозамкнутой обмотки ротора 
и, как следствие, интенсивность снижения пускового тока электродвигателя при повышении глубины проточек 5.
[47]Как видно из расчетных кривых, приведенных на фиг. 3, где b*=1-h*, согласно проведенным расчетам, функция kdr(h*) по (9) имеет существенно более высокие темпы роста, чем функция kdx(h*) по (10). Этим определяется опережающий рост коэффициента мощности короткозамкнутой обмотки ротора и рост пускового момента электродвигателя при повышении глубины проточек 5.
[48]Выполнение проточек 5 в короткозамкнутой обмотке ротора, содержащей z2 стержней 3, создает в ней z2/2 локальных областей длиной 
, аксиальной шириной b, радиальной высотой an, расположенных по центрам четных зубцовых делений и обладающих повышенными сопротивлениями, повышенным коэффициентом мощности и повышенным уровнем теплового потока. Повышенные значения сопротивлений короткозамкнутой обмотки ротора и ее коэффициента мощности обеспечивают снижение пускового тока и повышение пускового момента электродвигателя. Локальность областей, повышенные значения площади поверхности охлаждения и коэффициента теплоотдачи обеспечивают поддержание теплового состояния ротора в рамках допустимого роста перегрева +3%.
[49]Таким образом, выполнение проточек 5 в короткозамкнутой обмотке ротора решает поставленную техническую задачу.
[50]Опытным путем получены данные, подтверждающие достижение заявленного технического результата. Количественная оценка результатов изобретения производилась путем математического моделирования пускового и номинального режимов электродвигателя 4А355М2У3.
[51]Ротор электродвигателя имеет следующие технические данные:
[52]| число пар полюсов | р=1 |
| число стержней короткозамкнутой обмотки ротора | z2=38 |
| длина стержней | ℓδ=365 мм |
| внешний диаметр короткозамыкающих колец | Dk=307 мм |
| размеры поперечного сечения короткозамыкающих колец | an×bn=50×45 мм |
| относительная длина проточек | kℓ=0.59 |
| относительная глубина проточек | h*=0.7 |
[53]Расчет производился для электродвигателя без проточек на короткозамыкающих кольцах 4 и электродвигателя с радиальными проточками 5, имеющими относительные размеры 
, h*=0.7, на элементах короткозамыкающих колец 4 четных зубцовых делений. Отдельно, по формулам (9), (10), (1) были рассчитаны зависимости kdr(b*), kdx(b*), M*(b*), представленные на фиг. 3 в виде графиков 1, 2, 3 соответственно. Зависимость, представленная на фиг. 3 в виде графика 4, рассчитывалась по формуле 
.
[54]Значение b*=0 на фиг. 3 соответствует варианту «без проточек». Расчетные результаты, приведенные на графиках 1 и 2 фиг. 3, подтверждают опережающий рост активного сопротивления и коэффициента мощности четных зубцовых делений кольца короткозамкнутой обмотки ротора.
[55]Сводные данные расчета режимов в относительных единицах приведены в табл. 1 и табл. 2. Номинальный электрический КПД клетки рассчитывался как отношение полной механической мощности к электромагнитной мощности. Добротность клетки рассчитывалась по формуле (3), относительная масса короткозамыкающих колец 4 - по формуле (1), коэффициент эффективности - по формуле (2), перегрев ротора - по формуле 
, для которой значение коэффициента kαy=1.05 принималось по рекомендациям опубликованных источников.
[56]
[57]Данные табл. 1 свидетельствуют о следующих фактах.
[58]1. Номинальное скольжение для заявляемой конструкции повышается на 23% с соответствующим повышением электрических потерь. При этом превышение температуры ротора возрастает на 2%.
[59]2. Номинальный электрический КПД клетки снижается на 0.2%, что компенсируется снижением механических потерь электродвигателя, обусловленным снижением номинальной частоты вращения ротора.
[60]3. Практически исключительно (на 69%) потери растут в кольцах, которые хорошо охлаждаются. Рост потерь в стержнях клетки составляет 0.7%, что способствует стабильности теплового состояния ротора.
[61]4. На 27% повышается эффективность использования материала короткозамыкающих колец.
[62]5. Имеет место слабая и преимущественно - фазовая, асимметрия токов клетки в заявляемой конструкции. На фиг. 4 приведена векторная диаграмма номинальных токов в стержнях. Окружность соответствует номинальному току прототипа 1 о.е. Токи в стержнях имеют величины "четный"/"нечетный"=1.007/0.997 о.е.
[63]Таким образом, в целом негативное влияние радиальных проточек на номинальные показатели ротора электродвигателя невелико.
[64]
[65]Данные табл. 2 свидетельствуют о следующих фактах.
[66]1. Обеспечивается существенный - на 20% рост коэффициента мощности заявляемой конструкции.
[67]2. Обеспечивается существенная "активизация" колец заявляемой конструкции. Так рост мощности колец составил 63% против 18% роста мощности всей клетки.
[68]3. Обеспечивается существенный - на 52% рост эффективности использования материала короткозамыкающих колец в заявляемой конструкции.
[69]4. Обеспечивается существенный - на 18% рост кратности пускового момента, при снижении кратности пускового тока на 2%.
[70]5. Пусковые токи заявляемой конструкции практически симметричны. Они приведены на векторной диаграмме токов в стержнях, представленной на фиг. 5. Окружность очерчивает звезду пусковых токов прототипа, величиной 7 о.е. Токи в заявляемой клетке имеют величины "четный"/"нечетный"=6.896/6.844 о.е.
[71]Таким образом, радиальные проточки обеспечивают существенное повышение показателей качества пусковых режимов асинхронного электродвигателя. В наибольшей степени это относится к двухполюсным асинхронным электродвигателям с высотой оси вращения 315-355 мм.
[72]Использование изобретения позволяет снизить расход активных материалов, гарантировать надежный пуск и самозапуск асинхронных электродвигателей, оснащенных заявленными роторами, за счет повышения эффективности использования материала обмотки ротора, что повышает надежность работы электродвигателя и сопряженных с ним питающей сети и технологического оборудования.
, высотой hc и шириной bc, расположенные в пазах сердечника ротора, и короткозамыкающие кольца, расположенные на торцевых поверхностях сердечника ротора. Короткозамыкающие кольца выполнены с радиальной высотой 
и глубиной h, расположенные симметрично относительно осей симметрии четных зубцовых делений. 2 табл., 5 ил.
,
- относительные значения теплового потока в стержнях и короткозамыкающих кольцах обмотки ротора в долях от соответствующих показателей ротора без проточек,
- относительная длина стержней клетки,
индуктивное сопротивления 
и коэффициент мощности короткозамкнутой обмотки ротора в целом. Рост сопротивлений приводит к снижению пускового тока короткозамкнутой обмотки ротора 
и пускового тока электродвигателя в целом
