RU2030064C1

RU2030064C1 - Asynchronous machine with squirrel-cage rotor

Info

Publication number: RU2030064C1
Authority: RU
Inventors: В.Х. Мириманян
Original assignee: Российско-итальянское совместное предприятие "Технопарк"; Виген Хигатурович Мириманян
Priority date: 1991-06-21
Filing date: 1991-06-21
Publication date: 1995-02-27
Also published as: WO1993000736A1

Abstract

FIELD: electric machine engineering. SUBSTANCE: invention relates to home appliance and industrial electric motor drives. Asynchronous machine with squirrel-cage rotor has stator with multiphase screw-like winding distributed in axial direction and rotor with axial conductive bars and elements shorting them. Shorting elements can be in the shape of rings or screw-like bars. Stator with winding can be divided with longitudinal-radial partitions into two or more parts. EFFECT: facilitated manufacture. 8 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к асинхронным электрическим машинам и может быть использовано в высокоскоростном бытовом и промышленном электроприводах, а также электростанциях с высокоскоростным приводом. The invention relates to asynchronous electric machines and can be used in high-speed domestic and industrial electric drives, as well as power plants with a high-speed drive.

Известны коллекторные машины различных конструкций (1). Обеспечивая в качестве двигателей достаточно высокую частоту вращения, они имеют такие существенные недостатки, как низкую надежность, нетехнологичность, сложность обслуживания, малый срок службы из-за наличия щеточно-коллекторного узла. Known collector machines of various designs (1). Providing a sufficiently high speed as engines, they have such significant drawbacks as low reliability, low tech, low maintenance, short life due to the presence of a brush-collector assembly.

Наиболее близкой к предлагаемой является асинхронная машина с короткозамкнутым ротором, содержащая ферромагнитный статор с пазами и размещенной в них многофазной якорной обмоткой, ротор с электропроводными аксиальными стержнями и замыкающими элементами в виде колец (2). Такая машина в качестве двигателя лишена недостатка коллекторных благодаря отсутствию коллектора и щеток, проста и надежна. Однако, существенным ее недостатком является то обстоятельство, что при питании от сети частоты f принципиально не может обеспечить частоты вращения n > 60f об/мин, а в качестве генератора - частоты напряжения f < n/60 Гц, и как следствие этого, имеет ограниченную область применения. Closest to the proposed one is a squirrel-cage asynchronous machine containing a ferromagnetic stator with slots and a multiphase anchor winding placed in them, a rotor with electrically conductive axial rods and locking elements in the form of rings (2). Such a machine as an engine is devoid of a lack of collector due to the lack of a collector and brushes, simple and reliable. However, its significant drawback is the fact that when powered by a frequency f, it cannot fundamentally provide rotation speeds n> 60f rpm, and as a generator, voltage frequencies f <n / 60 Hz, and as a consequence, it has a limited application area.

Целью изобретения является расширение области применения при сохранении простоты и надежности. The aim of the invention is to expand the scope while maintaining simplicity and reliability.

Указанная цель достигается тем, что пазы статора машины выполнены скошенными по винтообразной траектории вдоль оси машины, а якорная обмотка и замыкающие стержни ротора элементы распределены в аксиальном направлении, причем замыкающие элементы ротора размещены в его активном поверхностном слое. При этом замыкающие стержни ротора элементы могут быть выполнены в виде колец, расположенных в кольцевых пазах перпендикулярно оси машины. Кроме того, замыкающие стержни ротора элементы могут быть также выполнены в виде винтообразных стержней, размещены в специально для них выполненных скошенными по винтообразной траектории вдоль оси машины пазах и гальванически соединены с аксиальными стержнями в местах пересечений с ними. Якорная обмотка машины составлена из секций, каждая из которых состоит из винтообразной активной части и прямолинейной лобовой части, причем лобовые части секций размещены в специально выполненном для них в статоре аксиальном пазу. Воздушный зазор вдоль окружности расточки статора в области лобовых частей якорной обмотки (аксиального паза статора) целесообразно выполнять неравномерным за счет уменьшения радиального размера статора. Аксиальный паз статора целесообразно выполнять глубиной, близкой по величине к радиальному размеру статора или сквозным в радиальном направлении с образованием щели. Статор и якорная обмотка могут быть подразделены продольными промежутками на две или более части, причем секции каждой части якорной обмотки состоят из двух активных частей и двух размещенных в указанных промежутках лобовых частей. В случае выполнения замыкающих элементов ротора винтообразными шаги и направления "винтов" пазов статора и ротора с винтообразной траекторией целесообразно выполнять одинаковыми. This goal is achieved by the fact that the grooves of the stator of the machine are made beveled along a helical path along the axis of the machine, and the anchor winding and the locking rods of the rotor elements are distributed in the axial direction, and the locking elements of the rotor are placed in its active surface layer. In this case, the locking rods of the rotor elements can be made in the form of rings located in annular grooves perpendicular to the axis of the machine. In addition, the locking rods of the rotor elements can also be made in the form of helical rods, placed in grooves specially made for them, beveled along a helical path along the axis of the machine, and galvanically connected to the axial rods at the points of intersection with them. The anchor winding of the machine is made up of sections, each of which consists of a helical active part and a rectilinear frontal part, and the frontal sections of the sections are placed in an axial groove specially made for them in the stator. The air gap along the circumference of the stator bore in the region of the frontal parts of the anchor winding (axial groove of the stator) is advisable to be made uneven by reducing the radial size of the stator. It is advisable to perform the axial groove of the stator with a depth close in magnitude to the radial size of the stator or through in the radial direction with the formation of a gap. The stator and the anchor winding can be divided by longitudinal gaps into two or more parts, and the sections of each part of the anchor winding consist of two active parts and two frontal parts located in the indicated gaps. If the locking elements of the rotor are made helical, the steps and directions of the “screws” of the grooves of the stator and rotor with a helical path are advisable to perform the same.

На фиг.1 изображен пример конструкции машины; на фиг.2 - пример ротора машины с кольцевыми замыкающими элементами (схематично); на фиг.3 - пример ротора машины с винтообразными замыкающими элементами (схематично); на фиг. 4 - пример схемы якорной обмотки машины с отношением n_c/f = 120 об/мин Гц; на фиг.5 - картина полярности магнитного поля обмотки по фиг.4 в воздушном зазоре (развертка по окружности); на фиг.6 - вид на машину с подразделенным на две части статором с торца при снятом щите; на фиг.7 - пример схемы якорной обмотки для машины с подразделенным на две части статором и отношением n_c/f = 120 об/мин Гц (развертка по окружности); на фиг.8 - пример схемы якорной обмотки с отношением n_c/f = 240 об/мин Гц.Figure 1 shows an example of a machine design; figure 2 is an example of a rotor of a machine with annular locking elements (schematically); figure 3 is an example of a rotor of a machine with helical locking elements (schematically); in FIG. 4 is an example of an anchor winding circuit of a machine with a ratio of n _c / f = 120 rpm Hz; figure 5 is a picture of the polarity of the magnetic field of the winding of figure 4 in the air gap (scan around the circumference); figure 6 is a view of the machine with a stator divided into two parts from the end with the shield removed; Fig. 7 is an example of an anchor winding circuit for a machine with a stator divided into two parts and a ratio of n _c / f = 120 rpm Hz (circular scan); Fig. 8 is an example of an anchor winding circuit with a ratio n _c / f = 240 rpm Hz.

Асинхронная машина с короткозамкнутым ротором содержит ферромагнитные статор 1 (см. фиг. 1) с многофазной якорной обмоткой 2 (в примере фиг.1 - трехфазной) и ротор 3. Статор 1 закреплен в корпусе 4 и выполнен с пазами 5, 6 и 7 по числу фаз А, В и С обмотки 2. Пазы скошены по винтообразной траектории вдоль оси машины. По существу зубцово-пазовый слой статора представляет собой многозаходную (m - заходную, где m - число фаз якорной обмотки) винтообразную структуру, а фазы А, В и С обмотки 2, размещенные соответственно в винтообразных пазах 5, 6 и 7, распределены в аксиальном направлении. Ротор 3 в активном поверхностном слое имеет короткозамкнутую обмотку, состоящую из электропроводных аксиальных стержней 8, распределенных по окружности, и замыкающих стержни 8 элементов 9, распределенных в аксиальном направлении. При этом замыкающие элементы 9 могут быть выполнены в виде колец (см. фиг. 2), что достаточно технологично. Возможно также выполнение замыкающих элементов 9 в виде винтообразных стержней (см. фиг.3), что конструктивно сложнее и менее технологичнее, но обеспечивает улучшенные характеристики машины за счет увеличения взаимоиндуктивной связи обмоток статора и ротора. Фактически винтообразные пазы под такие замыкающие элементы образуют многозаходную винтовую структуру поверхностного слоя ротора (в примере фиг. 3 - шестизаходную). Якорная обмотка 2 машины представляет собой распределенные в осевом направлении секции 10 (см. фиг.4), соединенные между собой в обычном порядке. Сами секции 10 являются фактически полукатушками со скошенной по винтовой линии активной частью 11 винтообразной формы и прямолинейной лобовой частью 12. Лобовые части 12 размещены в специально выполненном для них пазу 13 (см. фиг.1). Ввиду того, что аксиальная линия лобовых частей якорной обмотки (ось паза 13) является границей скачкообразного изменения полярности поля статора (см. фиг.5), что приводит к созданию тормозного момента в машине, то для ослабления указанного момента воздушный зазор в этой области выполнен неравномерным за счет уменьшения радиального размера статора (см. фиг.1). The squirrel-cage asynchronous machine contains a ferromagnetic stator 1 (see Fig. 1) with a multiphase anchor winding 2 (three-phase in the example of Fig. 1) and a rotor 3. The stator 1 is fixed in the housing 4 and is made with grooves 5, 6 and 7 along the number of phases A, B and C of the winding 2. The grooves are beveled along a helical path along the axis of the machine. Essentially, the tooth-groove layer of the stator is a multi-start (m - entry, where m is the number of phases of the anchor winding) screw-like structure, and phases A, B and C of winding 2, located respectively in the helical grooves 5, 6 and 7, are distributed in the axial direction. The rotor 3 in the active surface layer has a short-circuited winding, consisting of conductive axial rods 8 distributed around the circumference, and the closing rods 8 of the elements 9 distributed in the axial direction. In this case, the locking elements 9 can be made in the form of rings (see Fig. 2), which is quite technologically advanced. It is also possible to make the closing elements 9 in the form of helical rods (see FIG. 3), which is structurally more complex and less technologically advanced, but provides improved machine performance by increasing the mutual inductive coupling of the stator and rotor windings. In fact, helical grooves for such locking elements form a multi-helical helical structure of the surface layer of the rotor (in the example of Fig. 3 - six-way). The anchor winding 2 of the machine is an axially distributed section 10 (see figure 4), interconnected in the usual manner. The sections 10 themselves are actually semi-coils with a helical-shaped active part 11 and a rectilinear frontal part 12. The frontal parts 12 are placed in a groove 13 specially made for them (see Fig. 1). Due to the fact that the axial line of the frontal parts of the anchor winding (groove axis 13) is the boundary of the abrupt change in the polarity of the stator field (see Fig. 5), which leads to the creation of a braking moment in the machine, then to weaken the specified moment, the air gap in this region is made uneven by reducing the radial size of the stator (see figure 1).

Поскольку лобовыми частями 12 якорной обмоткой в роторе создается двухполюсное поле, также обуславливающее тормозной момент в машине, то для ослабления или исключения этого нежелательного явления аксиальный паз 13 статора выполнен глубиной, близкой по величине к радиальному размеру статора или сквозным с образованием щели (см. пунктир в области паза 13 на фиг. 1). С точки зрения технологичности и ремонтопригодности может оказаться целесообразным подразделение статора 1 и якорной обмотки 2 продольно-радиальными промежутками 14 на две (фиг.6) или более части. При этом секции каждой части якорной обмотки 2 состоят из двух активных частей 15 и двух размещенных в промежутках 14 лобовых частей 16 (см. фиг.6 и 7). В случае выполнения замыкающих элементов 9 ротора 3 винтообразными (см. фиг.3) для обеспечения максимального электромагнитного момента машины целесообразно шаги "винтов" винтообразных пазов статора и ротора выполнять одинаковыми. Шихтовка машины целесообразна с продольно-радиальным расположением листов. Выше описывалась конструкция машины с наружным статором и внутренним ротором. Однако, возможно также конструктивное выполнение с внутренним статором и наружным ротором, что по технологичным или иным соображениям может оказаться более предпочтительным. Since the frontal parts 12 of the anchor winding in the rotor create a bipolar field, which also determines the braking moment in the machine, to reduce or eliminate this undesirable phenomenon, the axial groove 13 of the stator is made to a depth close to the radial size of the stator or through with the formation of a gap (see dotted line) in the area of the groove 13 in Fig. 1). From the point of view of manufacturability and maintainability, it may be appropriate to subdivide the stator 1 and the anchor winding 2 into longitudinally-radial gaps 14 into two (Fig. 6) or more. In this case, the sections of each part of the anchor winding 2 consist of two active parts 15 and two frontal parts 16 located in the spaces 14 (see Figs. 6 and 7). In the case of the execution of the locking elements 9 of the rotor 3 helical (see figure 3) to ensure maximum electromagnetic moment of the machine, it is advisable to perform the steps of the "screws" of the helical grooves of the stator and rotor to perform the same. The batching machine is suitable with a longitudinally radial arrangement of sheets. The design of the machine with an external stator and an internal rotor was described above. However, it is also possible constructive execution with an internal stator and an external rotor, which for technological or other reasons may be more preferable.

Изобретение основано на идее получения в асинхронной машине высоких частот вращения при низких частотах питающего напряжения (двигатель) и, наоборот, низких частот напряжения при высоких частотах вращения (генератор) путем образования аксиального бегущего в аксиальном направлении винтового магнитного поля. Аксиальное перемещение такого поля относительно элементарных роторных контуров эквивалентно его вращению (см. фиг.5). При этом в зависимости от шага "винта" поля аксиальное перемещение его на одно полюсное деление τ эквивалентно его повороту на определенное число оборотов. Например, перемещение поля на одно полюсное деление τ при шаге "винта" поля, равном полюсному делению τ, эквивалентно его повороту на один оборот, при шаге 0,5 τ - на два оборота и т.д. Поскольку шаг "винта" поля определяется только шагом "винта" якорной обмотки (пазов статора), - эти величины равны друг другу, - то связь между частотой напряжения f и частотой вращения поля статора (синхронная частота вращения) n_с определяется из следующих рассуждений.The invention is based on the idea of obtaining in a induction machine high rotation frequencies at low frequencies of the supply voltage (motor) and, conversely, low voltage frequencies at high frequencies of rotation (generator) by the formation of an axial screw traveling magnetic field in the axial direction. The axial movement of such a field relative to elementary rotor circuits is equivalent to its rotation (see figure 5). Moreover, depending on the pitch of the “screw” of the field, its axial movement by one pole division τ is equivalent to its rotation by a certain number of revolutions. For example, moving the field by one pole division τ at a pitch of the "screw" of the field equal to the pole division τ, is equivalent to turning it one turn, at a step of 0.5 τ - two turns, etc. Since the pitch of the “screw” of the field is determined only by the pitch of the “screw” of the armature winding (stator grooves), - these values are equal to each other, - the relationship between the voltage frequency f and the rotational speed of the stator field (synchronous rotational speed) n _s is determined from the following reasoning.

Перемещение поля статора с шагом "винта" t_B1 = τ на полюсное деление τ соответствует (эквивалентно) повороту поля на один оборот и времени 1/2f c = 1/20 f мин. С учетом обратно пропорциональной зависимости поворота поля от относительного шага "винта" поля (паза) статора t_B1/τ, показанного выше, частота вращения поля (синхронная частота вращения) определяется следующим образом:
n_c=120fτ/t_B1=120fn_B1 об/мин, где n_B1=τ/t_B1 - число витков паза статора, приходящихся на один полюс.The movement of the stator field with the pitch of the screw t _B1 = τ by the pole division τ corresponds (equivalently) to the rotation of the field by one revolution and time 1 / 2f c = 1/20 f min. Given the inversely proportional dependence of the rotation of the field on the relative pitch of the "screw" of the stator field (groove) t _B1 / τ shown above, the field rotation frequency (synchronous rotation frequency) is determined as follows:
n _c = 120fτ / t _B1 = 120fn _B1 rpm, where n _B1 = τ / t _B1 is the number of turns of the stator groove per one pole.

В рассмотренном примере, где n_B1=τ/t_B1=1, при частоте f = 50 Гц n_c = = 6000 об/мин, чего обеспечить в асинхронной машине было невозможно. Изменением n_B1 возможно достижение любых соотношений n_c/f.In the considered example, where n _B1 = τ / t _B1 = 1, at a frequency f = 50 Hz n _c = = 6000 rpm, which was impossible to provide in an asynchronous machine. By changing n _B1, it is possible to achieve any n _c / f ratios.

Следует отметить, что по физическим процессам работа машины во всех режимах (двигатель, генератор, тормоз) ничем не отличается от работы обычной асинхронной машины, где ротор вращается с некоторым скольжением относительно вращающегося поля статора. It should be noted that in physical processes, the operation of the machine in all modes (engine, generator, brake) is no different from the operation of a conventional asynchronous machine, where the rotor rotates with some slip relative to the rotating field of the stator.

Благодаря своей простоте и надежности, а также возможности получения теоретически любых высоких частот вращения при низкой частоте сети и напряжения любых низких частот при высоких частотах вращения, предложенная машина в качестве двигателя может найти широкое применение в бытовом электроприводе (миксеры, кофемолки, фены и т.д.) вместо ненадежных коллекторных двигателей, а также в среднем и крупном промышленном высокоскоростном электроприводе (молотилки, центрифуги и т.д.), где позволит исключить преобразователи частоты, а в качестве генератора - в электростанциях с высокоскоростным (турбинным) приводом, где позволит исключить редукторы. Due to its simplicity and reliability, as well as the ability to obtain theoretically any high speeds at a low network frequency and the voltage of any low frequencies at high speeds, the proposed machine as a motor can be widely used in a domestic electric drive (mixers, coffee grinders, hair dryers, etc.). e.) instead of unreliable collector motors, as well as in medium and large industrial high-speed electric drives (threshers, centrifuges, etc.), where it will exclude frequency converters, and as eratora - in power stations with high-speed (turbine) drive, which would eliminate the gearboxes.

Claims

1. ASYNCHRONOUS MACHINE WITH SHORT-CLOSED ROTOR, comprising a stator with a ferromagnetic core with a cylindrical active surface layer with grooves and a multiphase winding disposed in them, and a concentric rotor with a stator with a ferromagnetic core and axial conductive rods in the active surface layer, and a distinctive surface layer and that, in order to expand the scope by providing a predetermined ratio of rotational speed to voltage frequency while maintaining simplicity and reliably The stator slots are made beveled along a helical path along the axis of the machine, and the stator winding and the locking rods of the rotor elements are distributed in the axial direction, and the locking elements of the rotor are placed in its active surface layer.

2. The machine according to claim 1, characterized in that the locking rods of the rotor elements are made in the form of rings located in the ring grooves made in the core perpendicular to the axis of the machine.

3. The machine according to claim 1, characterized in that the locking rods of the rotor elements are made in the form of helical rods placed in grooves made beveled along a helical path along the axis of the machine, and galvanically connected to the axial rods at the points of intersection with them.

4. The machine according to claims 1 to 3, characterized in that the stator winding is made of sections, each of which consists of a screw-shaped active part and a rectilinear frontal part, and the frontal sections of the sections are placed in an axial groove made in the stator.

5. The machine according to claims 1 to 4, characterized in that the air gap along the circumference of the stator bore in the region of the frontal parts of the stator winding is made uneven by reducing the radial size of the stator.

6. The machine according to claims 1 to 5, characterized in that the axial groove of the stator is made with a depth close to the radial size of the stator, or through in the radial direction with the formation of a gap.

7. Machine according to claims 1 to 3, characterized in that the stator is circumferentially divided by longitudinally-radial gaps into two or more parts, the sections of each part of the winding consisting of two active parts and two frontal parts located in the indicated gaps.

8. The machine according to paragraphs. 1, 3 - 7, characterized in that the steps and directions of the "screws" of the grooves of the stator and rotor with a helical path are made the same.