PL225074B1 - Uzwojenie klatkowe głębokożłobkowe silnika indukcyjnego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest uzwojenie klatkowe głębokożłobkowe silnika indukcyjnego klatkowego, zwłaszcza średniej i dużej mocy, z uzwojeniem wykonanym techniką prętowania.

Uzwojenia wirników silników indukcyjnych klatkowych dużej mocy standardowo są wykonane z prętów prostokątnych bądź trapezowych miedzianych, rzadziej mosiężnych, które na czołach są połączone pierścieniami zwierającymi metodą lutowania, zgrzewania lub spawania. Jest to uzwojenie klatkowe głębokożłobkowe. W czasie rozruchu silnika w uzwojeniu klatkowym wirnika przepływa prąd o dużym natężeniu, który generuje szereg zjawisk dynamicznych i termicznych wywołujących naprężenia w materiałach prętów i pierścieni, które działają niszcząco na ich strukturę. Szybkozmienne naprężenia dynamiczne w klatce pochodzą od żłobkowej siły elektrodynamicznej będącej wynikiem współdziałania prądu płynącego w prętach oraz magnetycznego strumienia rozproszenia żłobkowego. Jest to siła pulsująca, o częstotliwości podwojonej w stosunku do częstotliwości prądu wirnika. Siła ta skierowana jest do dna żłobków. Do siły elektrodynamicznej dodaje się siła odśrodkowa. Siły te gen erują, w prętach, sztywno zamocowanych do pierścieni zwierających, pulsujące naprężenia zginające, prowadzące do zmęczenia materiału klatki. Drugim źródłem szybkozmiennych naprężeń w klatce są obwodowe drgania jej pozapakietowej części, pochodzące m.in. od pulsacji momentu obrotowego silnika. Są one szczególnie duże w pierwszych chwilach po załączeniu silnika, kiedy w prądzie występuje składowa aperiodyczna. Obwodowe drgania wirnika, a więc i jego klatki, mogą pochodzić również od napędzanej maszyny roboczej. Drgania te przenoszą się na uzwojenie wirnika poprzez sprzęgło i wał i osiągać mogą znaczne wartości, zwłaszcza jeśli między silnikiem a maszyną roboczą znajduje się przekładnia mechaniczna o znacznym stopniu zużycia, a sprzęgło jest sztywne i nie posiada dostatecznych własności tłumiących. Naprężenia termiczne w klatce wirnika pochodzą od rozszerzaln ości cieplnej prętów i pierścieni zwierających, które nie mogą swobodnie odkształcać się, gdyż pręty, ze względu na działanie sił elektrodynamicznych, muszą być ciasno osadzane w żłobkach.

Naprężenia dynamiczne i naprężenia termiczne sumują się, ich maksimum występuje w miejscu połączenia prętów z pierścieniami zwierającymi. W miejscu tym występuje też skokowa zmiana obciążanego przekroju, wywołując znane zjawisko spiętrzania naprężeń poprzez działanie karbu. Właśnie na połączeniach prętów z pierścieniami, podczas eksploatacji silnika, zdarzają się najczęściej pęknięcia i przełamania prętów klatki. Istnieje cały szereg znanych i stosowanych sposobów eliminowania, lub zmniejszania szkodliwych naprężeń w klatce. W tym celu ogranicza się wielkość promieniowych luzów prętów w żłobkach, (warianty takich rozwiązań są przedstawione w opisach PL-208648, GB1,044,574, JP-53008708), oraz uelastycznia się miejsce połączenia prętów z pierścieniami, najczęściej poprzez różnorodne nacinania, wydłużanie prętów i wyginanie pozapakietowej części prętów oraz stosowanie pierścieni segmentowych. Procesy te utrudniają i zwiększają koszty wykonania silnika. Wydłużanie prętów niekorzystnie zwiększa również całkowity wymiar długości wirnika. Miejsca nacięć prętów są również miejscami w których rozpoczyna się proces zmęczeniowego pękania materiału klatki. Podłużne nacięcia prętów (jak np. w zgłoszeniu patentowym PL409518) skutkują niekorzystnie zwiększeniem gęstości prądu w obszarze nacięć, co prowadzi podczas rozruchu do znacznie szybszego wzrostu temperatury w tym obszarze. Pękanie prętów klatki, na ich połączeniu z pierścieniem zwierającym, rozpoczynają się z reguły od drobnych rys i nieznacznych pęknięć, które nie mają jeszcze wpływu na parametry elektromechaniczne silnika i praktycznie są niewykrywalne stosowanymi metodami diagnostycznymi. Jednak rozpoczęty proces pękania pręta narasta w trakcie eksploatacji silnika w miarę ilości odbytych rozruchów i ostatecznie doprowadza do całkowitego odłamania pręta od pierścienia.

Celem wynalazku jest wydłużenie czasu procesu pękania prętów, liczonego od chwili powstania pierwszych rys w materiale, aż do momentu całkowitego odłamania pręta od pierścienia, a tym samym zwiększenie okresu żywotności silnika.

Uzwojenie klatkowe głębokożłobkowe silnika indukcyjnego według wynalazku, z prętami prostokątnymi lub trapezowymi i nacięciami na końcówkach o grubości b charakteryzuje się tym, że każde nacięcie pręta o grubości b na swym końcu jest zaokrąglone o średnicy d > b, przy czym każde przejście powierzchni płaskiej w powierzchnię zaokrągloną jest łukowe o promieniu r, i jest styczne do tych powierzchni.

Nacięcia końcówek prętów uelastyczniają połączenia prętów z pierścieniami zwierającym, jak w dotychczasowych rozwiązaniach, natomiast zaokrąglone zakończenie tych nacięć likwiduje karby

PL 225 074 B1 w nacięciach. Likwidacja karbów wydłuża liczbę rozruchów silnika powodujących zmęczeniowe pęk ania prętów.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie rozwiązania na rysunkach na których przedstawiono: fig. 1 rysunek 3D końcówki pręt prostokątnego z nacięciami, fig. 2 kształt nacięcia końcówki pręta i fig. 3 połączenie pręta z pierścieniem zwierającym. Uzwojenie klatkowe głębokożłobkowe silnika indukcyjnego z prętami prostokątnymi 1 lub trapezowymi ma nacięte końcówki prętów 1. Nacięcia prętów 1 są poprzeczne 2, to jest w poprzek grubości prętów 1. Nacięć 2 może być kilka. Na rysunku fig. 1 pokazano trzy nacięcia 2 na wysokości pręta 1 i jedno nacięcie 3 na jego szerokości. Nacięcie na szerokości pręta 1 jest robione tylko w prętach grubszych. Nacięcia 2 i 3 mają grubości b. Każde nacięcie 2 i 3, na końcówkach prętów 1, jest zaokrąglone 2.1 i 3.1 o średnicy d, przy czym d > b. Przejście między powierzchnią płaską 2.1 i 3.1 a powierzchnią zaokrągloną 2.2 i 3.2 jest łukowe o promieniu r styczne do powierzchni płaskiej i do powierzchni zaokrąglonej. Końcówki prętów 1 są połączone z pierścieniami zwierającymi 4 poprzez lutowanie, zgrzewanie bądź spawanie. Pierścienie 4 zwierające są osadzone na podzwojnikach 5. Podzwojniki 5 są zamocowane do pakietu blach wirnika 6.

Nacięcia 2 i 3 końcówek prętów 1, przy sztywnym osadzeniu pierścieni 4 zwierających na podzwojnikach 5, uelastyczniają połączenie prętów 1 z pierścieniami 4. W stanach rozruchowych silnika, przy działaniu na pręty 1 dużych sił dynamicznych i termicznych, końce prętów 1 mogą się częściowo odkształcać, co zmniejsza naprężenia mechaniczne w połączeniach prętów 1 z pierścieniami 4. Połączenia te zwiększają wytrzymałość rozruchową silnika w stosunku do prętów bez nacięć. Po przekroczeniu krytycznej liczby rozruchów, także w tym rozwiązaniu zaczynają się zmęczeniowe pękanie prętów 1 w pobliżu pierścieni 4 zwierających. Procesy pękania rozpoczynają się w miejscach działania karbu, to jest na końcach wycięć 2. Jeśli przejścia między powierzchnią płaską 2.1 i 3.1, a powierzchnią zaokrągloną 2.2 ma powierzchnie łukową o promieniu r i styczną do tych powierzchni, to karbu nie ma. Proces pękania końcówki prętów 1 rozpocznie się znacznie później, żywotność silnika wydłuży się.

Claims (1)

1. Uzwojenie klatkowe głębokożłobkowe silnika indukcyjnego z prętami prostokątnymi lub trapezowymi i z nacięciami na końcówkach o grubości b, znamienne tym, że każde nacięcie (2) i (3) pręta (1) o grubości b na końcu ma powierzchnię zaokrągloną (2.2) i (3.2) o średnicy d > b, przy czym każde przejście powierzchni płaskiej (2.1) i (3.1) w powierzchnię zaokrągloną (2.2) i (3.2) jest łukowe o promieniu r styczne do tych powierzchni.