Снижение расхода материалов, уменьшение стоимости и улучшение показателей тихоходного асинхронного электродвигателя

Тихoхoдный аcинхрoнный преoбразoватель энергии

Автoры: Беляев Евгений Фрoлoвич, Цылёв Павел Никoлаевич, Влаcoв Евгений Алекcандрoвич

Изoбретение oтнocитcя к oблаcти электрoтехники, преимущеcтвеннo к электромашиноcтроению. Тихоходный аcинхронный преобразователь энергии, работающий от cети трехфазного переменного напряжения, cодержит cтатор, включающий цилиндричеcкий шихтованный магнитопровод c пазами на внутренней поверхноcти, и ротор c короткозамкнутой обмоткой, уcтановленный c воздушным зазором внутри магнитопровода cтатора. Количество пазов в магнитопроводе выполнено в четыре раза большим произведения количества пар полюсов на число пазов, приходящихся на полюс и фазу. В пазах магнитопровода статора уложены секции двух обмоток, оси которых смещены в пространстве на 90 электрических градусов. Количество витков в одной из обмоток в 3 раз меньше, а сечение провода в 3 раз больше количества витков и сечения провода другой обмотки. Обмотка с меньшим количеством витков и большим сечением провода подключена к одной из фаз и нейтрали питающей сети, а обмотка с большим числом витков и меньшим сечением провода подключена к двум другим фазам. Техническим результатом изобретения является снижение расхода активных материалов, уменьшение стоимости и улучшение энергетических и динамических показателей тихоходного асинхронного преобразователя энергии. 4 ил.

Известны асинхронные двухобмоточные преобразователи энергии, работающие от сети однофазного переменного напряжения. Они состоят из статора, содержащего шихтованный магнитопровод с пазами на внутренней поверхности, и ротора с короткозамкнутой обмоткой, установленного с воздушным зазором внутри статора. В пазах магнитопровода статора уложены секции двух обмоток, оси которых смещены в пространстве на 90°. Обе обмотки питаются от одной и той же сети, причем в цепь одной из обмоток включен фазосдвигающий конденсатор, с помощью которого осуществляется сдвиг токов в обмотках по фазе во времени (см. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высших техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. - Л.: Энергия, 1974, с.609-614, рис.30-6).

Недостатком известных устройств является наличие фазосдвигающего элемента, использование которого усложняет преобразователь, снижает надежность его работы и повышает стоимость. Кроме того, параметры фазосдвигающего элемента подбираются исходя из условия получения кругового вращающегося магнитного поля или только при пуске электромеханического преобразователя, или в номинальном режиме его работы или в обоих указанных режимах. В последнем случае емкость фазосдвигающего элемента состоит из двух частей, одна из которых после окончания процесса пуска отключается посредством выключателя. При других частотах вращения ротора магнитное поле в зазоре является эллиптическим, что обусловливает ухудшение рабочих характеристик электромеханического преобразователя. Данный недостаток особенно существенен при использовании электромеханического преобразователя в приводе механизмов с изменяющимся моментом нагрузки.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является тихоходный асинхронный преобразователь энергии, работающий от сети трехфазного переменного напряжения. Он состоит из статора, содержащего шихтованный магнитопровод с пазами на внутренней поверхности, и ротора с короткозамкнутой обмоткой, установленного внутри статора с воздушным зазором по отношению к нему. Количество пазов магнитопровода статора в шесть раз больше величины произведения числа пар полюсов и числа пазов, приходящихся на полюс и фазу. Так в преобразователе с числом пар полюсов равным десяти и числом пазов на полюс и фазу равным двум количество пазов магнитопровода статора составляет 120. В пазах магнитопровода статора расположены секции, из которых образованы три обмотки, оси которых смещены в пространстве на 120 электрических градусов. Все секции каждой из обмоток, а следовательно, и обмотки в целом, выполнены проводом одинакового сечения с одинаковым числом витков и подключены на одинаковые по величине напряжения трехфазной сети, сдвинутые по фазе во времени на 120° (см. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н. Общая электротехника. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1974, с.340-344, рис.10.1). Данное устройство принято за прототип.

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявленным изобретением: статор, включающий цилиндрический шихтованный магнитопровод с пазами на внутренней поверхности и обмотки с пространственным сдвигом осей, образованные одинаковым числом секций, уложенных в пазах магнитопровода; ротор с короткозамкнутой обмоткой, установленный с воздушным зазором внутри магнитопровода статора.

Недостатком известного тихоходного асинхронного преобразователя энергии, принятого за прототип, является наличие большого числа пазов и зубцов магнитопровода статора. Это обусловливает значительный диаметр расточки статора, большой наружный диаметр ротора, а при малой мощности преобразователя - малую осевую длину магнитопровода. В результате длина лобовых частей секций обмотки кольцеобразного статора превышает длину активных частей, расположенных в пазах магнитопровода, что ведет к повышенному расходу обмоточного провода, росту электрических потерь и полей рассеивания. Большой наружный диаметр ротора обусловливает большую высоту его ярма, магнитная индукция в котором оказывается значительно меньше допустимых значений. Это приводит к недоиспользованию электротехнической стали ротора, вызывая т.н. «скрытый отход» стали [см. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств: учеб. для студентов вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1988, с.354]. Кроме того, ротор большого диаметра характеризуется большим маховым моментом, вызывает ухудшение динамических показателей электропривода.

Задачей изобретения является снижение расхода активных материалов, уменьшение стоимости и улучшение энергетических и динамических показателей тихоходного асинхронного преобразователя энергии.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном тихоходном асинхронном преобразователе энергии, работающем от сети трехфазного переменного напряжения, содержащем статор, включающий цилиндрический шихтованный магнитопровод с пазами на внутренней поверхности и обмотки с пространственным сдвигом осей, образованные одинаковым числом секций, уложенных в пазах магнитопровода, и ротор с короткозамкнутой обмоткой, установленный с воздушным зазором внутри магнитопровода статора, количество пазов в магнитопроводе выполнено в четыре раза большим произведения количества пар полюсов на число пазов, приходящихся на полюс и фазу, в пазах магнитопровода уложены секции двух обмоток, оси которых смещены в пространстве на 90 электрических градусов, причем количество витков в одной из обмоток в 3 раз меньше, а сечение провода в 3 раз больше количества витков и сечения провода другой обмотки, при этом обмотка с меньшим количеством витков и большим сечением провода подключена к одной из фаз и нейтрали питающей сети, а обмотка с большим числом витков и меньшим сечением провода подключена к двум другим фазам.

Отличительные признаки предлагаемого устройства от прототипа: количество пазов в магнитопроводе выполнено в четыре раза большим произведения количества пар полюсов на число пазов, приходящихся на полюс и фазу; число обмоток, уложенных в пазах магнитопровода, равно двум; пространственный угол сдвига осей обмоток равен 90 электрических градусов; количество витков в одной из обмоток в 3 раз меньше, а сечение провода в 3 раз больше количества витков и сечения провода другой обмотки; обмотка с меньшим количеством витков и большим сечением провода подключена к одной из фаз и нейтрали питающей сети; обмотка с большим числом витков и меньшим сечением провода подключена к двум другим фазам. Отличительные признаки в сочетании с известными позволяют снизить расход активных материалов, уменьшить стоимость и улучшить энергетические и динамические показатели тихоходного асинхронного преобразователя энергии.

Уменьшение числа пазов и зубцов, т.е. зубцовых делений магнитопровода статора, способствует сокращению длины расточки статора, ее диаметра, диаметра ротора и высоты его ярма.

Уменьшение диаметра расточки статора позволяет при оптимальной его длине в осевом направлении увеличить отношение l/D (l - длина статора в осевом направлении, D - диаметр расточки статора), что является необходимым условием разработки преобразователей энергии с хорошими рабочими и энергетическими характеристиками.

Использование в заявляемом преобразователе двух обмоток на статоре приводит к уменьшению количества секций, длины полюсного деления и лобовых частей, что способствует снижению расхода обмоточного провода, электрических потерь и полей рассеивания. Последние два фактора благоприятно влияют на улучшение энергетических показателей преобразователя.

Изготовление ротора уменьшенного диаметра позволяет экономить электротехническую сталь и снизить величину его махового момента, а снижение высоты ярма ротора способствует росту магнитной индукции и ведет к лучшему использованию его материала. Электромеханический преобразователь, имеющий меньший маховой момент, характеризуется улучшенными динамическими показателями, что особенно важно при разработке систем электропривода различных механизмов.

Выполнение количества витков в одной из обмоток в 3 раз меньшим, а сечение провода в 3 раз большим количества витков и сечения провода другой обмотки позволяет улучшить рабочие характеристики преобразователя за счет создания кругового вращающего магнитного поля в диапазоне изменения скольжения s от 1 до 0.

Предлагаемый тихоходный асинхронный преобразователь энергии иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.

На фиг.1 схематически изображен тихоходный асинхронный преобразователь энергии.

На фиг.2 представлена векторная диаграмма напряжений на обмотках и их магнитодвижущих сил в режимах пуска преобразователя (скольжение S_П=1).
На фиг.3 приведена векторная диаграмма напряжений на обмотках и их магнитодвижущих сил в режиме холостого хода (скольжение S₀=0,01).

На фиг.4 изображена зависимость электромагнитного момента тихоходного асинхронного преобразователя от скольжения.

Результаты, представленные на фиг.2-4, получены при моделировании электромагнитных процессов в опытном образце тихоходного асинхронного преобразователя энергии.

Тихоходный асинхронный преобразователь энергии (фиг.1) содержит статор, включающий цилиндрический шихтованный магнитопровод с пазами на внутренней поверхности, в которых уложены секции обмоток 1 и 2, и ротор 3 с короткозамкнутой обмоткой. Ротор 3 установлен внутри статора с воздушным зазором по отношению к статору. На фиг.1 статор условно изображен обмотками А-Х (позиция 1), В-У (позиция 2), оси которых смещены в пространстве на 90°.

Количество пазов, выполненных на внутренней поверхности шихтованного магнитопровода статора в 4 раза больше произведения числа пар полюсов на число пазов, приходящихся на полюс и фазу. Так, например, в преобразователе с числом пар полюсов, равным 10, и числом пазов на полюс и фазу, равным 2, количество пазов магнитопровода составляет 80.

Половина общего числа пазов магнитопровода занята секциями обмотки 1, а вторая половина - секциями обмотки 2. Секции обмоток 1 и 2 уложены и соединены так, что их оси оказываются сдвинутыми в пространстве на 90 электрических градусов. Количество витков в каждой секции обмотки 1, а следовательно, и в обмотке 1 в целом, в 3 раз меньше соответственного числа витков каждой из секций и обмотки 2 в целом. Сечение провода секций обмотки 1 в 3 раз больше сечения провода секций обмотки 2.

Начало и конец обмотки 1 подключены к фазе А и нейтрали N трехфазной четырехпроводной сети переменного напряжения (фиг.1). Начало и конец обмотки 2 подключены к фазам В и С этой же питающей сети (фиг.1). Равноценными являются схемы, в которых начало и конец обмотки 1 подключены к фазе В и нейтрали N, а начало и конец обмотки 2 подключены к фазам С и А, или же начало и конец обмотки 1 подключены к фазе С и нейтрали N, а начало и конец фазы 2 подключены к фазам А и В. Все указанные схемы обеспечивают сдвиг приложенных к обмоткам 1 и 2 напряжений по фазе во времени на 90°.

Работа тихоходного асинхронного преобразователя энергии осуществляется следующим образом.

При подключении обмоток 1 и 2 к трехфазной четырехпроводной сети переменного напряжения в зазоре между статором и ротором 3 возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое при взаимодействии с индуцированными токами в короткозамкнутой обмотке ротора 3 обеспечивает создание электромагнитного момента. Ротор 3 приходит во вращение, и в установившемся режиме работы вращается с частотой, при которой электромагнитный момент преобразователя и момент нагрузки одинаковы по величине.

В предлагаемом тихоходном асинхронном преобразователе энергии круговое вращающееся магнитное поле в зазоре существует во всем диапазоне скольжений от единицы до нуля. В качестве примера на фиг.2 и фиг.3 представлены векторные диаграммы напряжений и магнитодвижущих сил, соответствующих режиму пуска и режиму холостого хода. Согласно фиг.2 вектор магнитодвижущей силы F_A обмотки 1 отстает от вектора напряжения U_A на угол, величина которого определяется сопротивлениями обмоток преобразователя при скольжении, равном единице. На такой же угол отстает вектор магнитодвижущей силы F_BC от вектора напряжения U_BC на зажимах этой обмотки. Магнитодвижущие силы F_A и F_BC равны по величине, а угол сдвига этих векторов составляет 90°.

Результаты, соответствующие режиму холостого хода преобразователя (фиг.3), отличаются только тем, что угол между вектором напряжения U_A и вектором магнитодвижущей силы F_A так же как и угол между вектором напряжения U_BC и вектором магнитодвижущей силы F_BC близок к 90°.

Зависимость электромагнитного момента от скольжения (фиг.4) имеет вид, аналогичный соответствующей характеристике асинхронных трехобмоточных преобразователей энергии.

Предлагаемое изобретение может быть использовано при проектировании и изготовлении тихоходных асинхронных преобразователей энергии мощностью до 10 кВт, необходимых для работы большого класса машин и механизмов.