PL225067B1 - Pierścienie zwierające pręty klatki wirnika silnika indukcyjnego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku są pierścienie zwierające pręty klatki wirnika silnika indukcyjnego głębkożłobkowego przystosowanego do eksploatacji przy rozruchach częstych i długotrwałych.

W napędach urządzeń przemysłowych i maszyn roboczych, o długim czasie rozruchu, stosowane są silniki indukcyjne jednoklatkowe, najczęściej z wirnikiem głębokożłobkowym. Klatka takiego wirnika posiada dużą pojemność cieplną, co pozwala na uruchomienie układów napędowych o dużych momentach bezwładności, a więc i długich czasach rozruchu. W celu uzyskania w tych silnikach dobrych parametrów rozruchowych pręty klatki wirnika są wąskie i smukłe, o przekroju prostokątnym, trapezowym, lub do nich zbliżonym. W prętach takich wykorzystywane jest zjawisko wypierania prądu występujące w pierwszych chwilach rozruchu, co pozwala na ograniczenie wielkości prądu rozruch owego i zwiększenie momentu.

W czasie rozruchu na pręty klatki działa siła elektrodynamiczna F będąca efektem współdziałania płynącego w prętach klatki prądu rozruchowego oraz strumienia magnetycznego rozproszenia żłobkowego wirnika. Jest to siła F pulsująca, o częstotliwości pulsacji równej podwojonej częstotliwości płynącego w wirniku prądu. Amplituda siły F jest odwrotnie proporcjonalna do szerokości żłobka, w wirnikach głębokożłobkowych o smukłych kształtach prętów może osiągać znaczne wartości. Wektor siły elektrodynamicznej F skierowany jest promieniowo do dna żłobka. Siła F wywołuje pulsujące naprężenia zginające w prętach, których maksimum znajduje się w miejscu połączenia prętów z pierścieniami zwierającymi. Drugim niebezpiecznym dla klatki zjawiskiem występującym podczas rozruchu są odkształcenia termiczne prętów i rozszerzalność cieplna pierścieni zwierających. Wynikiem wymienionych zjawisk są statyczne naprężenia zginające w prętach. Maksimum tych naprężeń występuje w miejscu połączenia prętów z pierścieniami. W tym samym miejscu sztywnego połączenia prętów z pierścieniami występuje skokowa zmiana obciążanego przekroju poprzecznego, gdyż przekrój pierścienia zwierającego jest znacząco większy od przekroju pręta. Występuje tu więc efekt spiętrzania naprężeń (działanie karbu) i w tym właśnie miejscu podczas eksploatacji silnika najczęściej dochodzi do pęknięć lub przełamań klatki. Dla minimalizacji naprężeń w miejscu połączenia prętów z pierścieniem stosowane są różne rozwiązania zmniejszające sztywność konstrukcji klatki w tym miejscu. Znane i stosowane są różne wyginania prętów i zwiększanie ich długości w części pozapakietowej. Stosowane jest też promieniowe nacinanie pierścieni zwierających, na pewnej wysokości, między sąsiednimi połączeniami prętów z pierścieniem. Rozwiązania te znacznie utrudniają wykonawstwo wirnika klatkowego, ponadto wszelkie nacięcia pierścieni mogą być miejscami w których rozpoczyna się proces zmęczeniowego pękania materiału klatki. Znane jest z opisu CN201332343 (Y) wykonanie segmentowe pierścieni zwierających pręty uzwojenia wirnika. Pierścienie segmentowe są równej grubości i wszystkie segmenty leżą na podzwojniku. Segmenty pierścienia nie przylegają do siebie. Celem tego podziału pierścienia na segmenty jest poprawa chłodzenia uzwojenia wirnika. Równa grubość pierścieni powoduje, że mają tę samą sztywność i nie uelastyczniają węzła połączenia pierścieni z prętami uzwojenia. Znane jest także z opisu JP2010154730 (A) rozwiązanie pierścieni zwierających z pakietu blach miedzianych. Blachy miedziane pierścieni zwierających mają identyczną grubość i przylegają do siebie. Rozwiązanie to zostało podyktowane technologią wykonania wirnika. Znane jest także ze zgłoszenia patentowego PL 395737 A1, rozwiązanie w którym pierścienie zwierające pręty klatki wirnika silnika indukcyjnego głębokożłobkowego złożone są z kilku segmentów w kształcie pierścieni o różnej grubości, przy czym segment zewnętrzny jest najgrubszy, segmenty środkowe są cieńsze od segmentu zewnętrznego, a segmenty od strony jarzma wirnika są najcieńsze. Wszystkie segmenty pierścienia zwierającego mają tę samą średnicę wewnętrzną i leżą na podzwojniku, który je usztywnia, co znacząco ogranicza możliwość odkształcenia termicznego części czołowych prętów uzwojenia.

Według wynalazku pierścień zwierający pręty uzwojenia wirnika silnika indukcyjnego głębokożłobkowego jest złożony z kilku segmentów w kształcie pierścieni o różnej grubości, przy czym segment zewnętrzny jest najgrubszy i jest osadzony na podzwojniku, natomiast segmenty środkowe są cieńsze od segmentu zewnętrznego, a segmenty od strony jarzma wirnika są najcieńsze i charakteryzuje się tym, że segmenty środkowe mają średnicę wewnętrzną większą od średnicy zewnętrznej podzwojnika, a segmenty od strony jarzma wirnika mają średnicę wewnętrzną większą od średnicy wewnętrznej segmentów środkowych. Wszystkie segmenty tworzące pierścień zwierający są rozs unięte między sobą na odległość δ.

PL 225 067 B1

Na pierścień zwierający pręty uzwojenia wirnika silnika indukcyjnego głębokożłobkowego, według tego rozwiązania konstrukcyjnego, działa mniejszy moment zginający w stosunku do momentu zginającego występującego w pierścieniach innych konstrukcji. Mniejszy moment zginający, skutkuje mniejszymi naprężeniami w połączeniach prętów z pierścieniami generowanymi przez żłobkowe siły elektrodynamiczne i siły pochodzenia termicznego. Mniejszy moment zginający pierścienia segmentowego uzyskuje się dzięki różnej grubości segmentów i osadzeniu bezpośrednio na podzwojniku tylko jednego, najgrubszego segmentu zewnętrznego. Pozostałe segmenty nie stykają się z podzwojnikiem oraz rozsunięte są względem siebie na odległość 5.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie rozwiązania na rysunkach na których fig. 1 przedstawia przekrój fragmentu wirnika silnika klatkowego w płaszczyźnie osi wału, a fig. 2 przedstawia segmenty pierścienia i ich połączenie z prętem uzwojenia wirnika. Istotą rozwiązania klatki wirnika jest zastąpienie litych pierścieni zwierających, w standardowych wykonaniach uzwojeń klatkowych wirników o grubości d, pierścieniami złożonymi z segmentów pierścieniowych 1,2, 3. Na rysunkach pokazano rozwiązanie w którym każdy z pierścieni zwierający pręty 4 uzwojenia wirnika składa się z sześciu segmentów 1, 2, 3, w tym są trzy segmenty 1 od strony jarzma wirnika 5, dwa segmenty środkowe 2 i jeden segment zewnętrzny 3. Segmenty 1 o najmniejszej grubości, równej a₁ każdy, są usytuowane w pobliżu jarzma wirnika 5. Segment 3 o największej grubości równej a₃ jest segmentem zewnętrznym. Segmenty środkowe 2 mają grubość a₂ każdy. Sumaryczna grubość segmentów 1,2, 3 wynosi (3a₁ + 2a₂ + a₃) = d. Gradacja grubości, to jest wymiarów osiowych, segmentów 1, 2, 3 spełnia nierówność (a₁ < a₂ < a₃). Wszystkie segmenty 1, 2, 3 mają taką samą średnicę zewnętrzną D. Średnica wewnętrzna segmentów 1,2, 3 jest różna. Segment zewnętrzny 3 ma średnicę wewnętrzną D₃ najmniejszą i równą średnicy zewnętrznej podzwojnika 7: jest on osadzony bezpośrednio na podzwojniku 7. Podzwojnik 7 jest przymocowany do konstrukcji usztywniającej 8 pakiet blach jarzma wirnika 5. Pakiet blach wirnika 5 wraz z podzwojnikiem 7 są osadzone na wale 6. Średnice wewnętrzne D₁ i D₂ segmentów 1 i 2 są większe od średnicy zewnętrznej D₃ podzwojnika 7. Średnica wewnętrzna D₁ segmentów 1 jest największa. Średnica wewnętrzna D₂ segmentów środkowych 2 jest mniejsza od średnicy D₁. Średnice wewnętrzne segmentów 1, 2, 3 spełniają nierówność (D₁ > D₂ > D₃). Pierścień zwierający może być podzielony także na inną liczbę segmentów, większą od trzech. Segmenty 1,2, 3, tworzące pierścień zwierający, są rozsunięte między sobą na odległość 5 i nie stykają się. Odległość między segmentami nie musi być identyczna, może być różna. Końcówki prętów 4 wirnika są połączone z segmentami 1,2, 3 poprzez lutowanie, zgrzewanie lub spawanie.

Podział pierścieni zwierających na segmenty 1, 2, 3 i gradacja ich grubości zmniejsza sztywność miejsca połączenia prętów 4 z pierścieniem i uelastycznia to połączenie. Ponadto podzwojnik 7 jest wykonany w formie żeber i przy wirowaniu wirnika 5, przez podzwojnik 7, od strony wału 6 i przez szczeliny 5 między segmentami 1,2, 3 przepływa powietrze, które jest zasysane przez końcówki prętów 4 działające jak wentylator. Powietrze to chłodzi segmenty 1, 2, 3, a także końcówki prętów 4. Taka konstrukcja pierścieni zwierających ułatwia także ich wykonanie. Segmenty 1, 2, 3 mogą być zwijane z płaskich kształtek, a następnie spawane, co przy montażu umożliwia kątowe przemieszczenie spoin w segmentach 1, 2, 3 tworzących pierścień, tym samym zwiększa się trwałość konstrukcji klatki.

Claims (1)

1. Pierścienie zwierające pręty klatki wirnika silnika indukcyjnego głębokożłobkowego złożone z kilku segmentów w kształcie pierścieni o różnej grubości segment zewnętrzny jest najgrubszy i jest osadzony na podzwojniku, segmenty środkowe są cieńsze od segmentu zewnętrznego, a segmenty od strony jarzma wirnika są najcieńsze, znamienne tym, że segmenty środkowe (2) mają średnicę wewnętrzną większą od średnicy zewnętrznej podzwojnika (7), a segmenty (1) od strony jarzma wirnika (5) mają średnicę wewnętrzną większą od średnicy wewnętrznej segmentów środkowych (2).