RU2638560C2 - Клетка ротора асинхронного электродвигателя с повышенной добротностью пуска - Google Patents
Клетка ротора асинхронного электродвигателя с повышенной добротностью пуска Download PDFInfo
- Publication number
- RU2638560C2 RU2638560C2 RU2016113941A RU2016113941A RU2638560C2 RU 2638560 C2 RU2638560 C2 RU 2638560C2 RU 2016113941 A RU2016113941 A RU 2016113941A RU 2016113941 A RU2016113941 A RU 2016113941A RU 2638560 C2 RU2638560 C2 RU 2638560C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- short
- rings
- starting
- quality factor
- electric motor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K17/00—Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
- H02K17/02—Asynchronous induction motors
- H02K17/16—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
- H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
- H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Induction Machinery (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области электротехники и предназначено для применения в асинхронных электродвигателях, работающих в электроприводах с тяжелыми условиями пуска. Технический результат изобретения состоит в повышении добротности пуска асинхронного электродвигателя. Клетка ротора асинхронного электродвигателя содержит стержни и медные короткозамыкающие кольца. При этом медные короткозамыкающие кольца снабжены кольцевыми экранами. Указанные экраны выполнены двухслойными из ферромагнитной стали и меди. Экраны имеют Г-образную форму поперечного сечения и закрывают верхние и наружные боковые поверхности колец. 3 ил., 2 табл.
Description
Изобретение относится к электротехнике и электромашиностроению и предназначено для применения в асинхронных электродвигателях.
Известен способ повышения добротности пускоасинхронного электродвигателя, заключающийся в использовании эффекта вытеснения тока в стержнях короткозамкнутой клетки ротора. Согласно данному способу ток вытесняется в верхние части стержней клетки, в результате чего активное сопротивление и коэффициент мощности клетки увеличиваются, а индуктивное сопротивление снижается. ([1. Вольдек А.И. Электрические машины: Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. - 3-е изд. перераб. - Л.: Энергия, 1978, глава 27, рис. 27-2].) В случае интенсивного эффекта вытеснения тока рост коэффициента мощности имеет доминирующий характер, что выражается в преобладающем повышении кратности пускового момента по отношению к кратности пускового тока и в общем повышении добротности пуска электродвигателя ,
где mп и iп - кратности пускового момента и пускового тока.
Недостатком данного способа является ограниченное влияние эффекта вытеснения тока в стержнях на величину добротности пуска. Это связано с тем, что ограниченные радиальные размеры ротора не позволяют существенно интенсифицировать эффект вытеснения тока (см. [1], рис. 27-2).
Известны также устройства короткозамкнутых клеток ротора, реализующие известный способ. Это клетки глубокопазных электродвигателей, клетки двухклеточных двигателей, клетки двигателей с колбообразной, клинообразной и другими формами поперечного сечения стержней, замкнутых по торцам короткозамыкающими кольцами. ([2. Сергеев П.С. и др. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, переработ. и доп.: М. Энергия, 1969, параграф 13-5], [1], параграфы 27-1, 27-2, 27-3.)
Недостатком известных устройств является низкая добротность пуска, реализуемая ими. Для серийных асинхронных электродвигателей, имеющих кратности пускового момента и пускового тока в диапазонах mп=1.0-2.2, iп=5.5-7.5 ([3. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/ А.Э. Кравчик и др. - М.: Энергоиздат, 1982]), ее значения не превышают
при гипотетическом максимальном значении , соответствующем полностью активному пусковому току. Известные возможности повышения значение добротности пуска ограничены тем, что в существующих клетках ротора влияние на ее величину оказывает вытеснение тока в стержнях. В короткозамыкающих кольцах клетки эффект вытеснения тока выражен слабо, как это имеет место у двигателей мощностью более 100 кВт, или практически не выражен, как это имеет место у двигателей мощностью менее 100 кВт. (См., например, выражения (27-1), [1].) Причиной слабой выраженности эффекта вытеснения тока в кольцах является отсутствие ферромагнитного окружения с трех сторон каждого короткозамыкающего кольца.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является клетка ротора асинхронного электродвигателя, содержащая стержни и медные короткозамыкающие кольца, причем медные короткозамыкающие кольца снабжены кольцевыми экранами из ферромагнитной стали, выполненными в виде плоских колец и закрывающими внутренние и наружные боковые поверхности колец ([2], параграф 13-5, пункт 7). Благодаря ферромагнитным стальным экранам, данное техническое устройство, называемое далее "прототип", усиливает эффект вытеснения тока в короткозамыкающих кольцах клетки и позволяет повысить добротность пуска на величину порядка 15-17 процентов по сравнению с серийными электродвигателями.
Недостатком такого технического устройства является низкая добротность пуска. Задачи разработки современных энергоэффективных асинхронных электродвигателей требуют повышения добротности пуска не менее чем в 2 раза.
Техническая задача изобретения заключается в повышении добротности пуска электродвигателя не менее чем в 2 раза.
Технический результат достигается тем, что в клетке ротора асинхронного электродвигателя, содержащей стержни и медные короткозамыкающие кольца, медные короткозамыкающие кольца со стороны верхних и наружных боковых поверхностей закрыты двухслойными экранами из ферромагнитной стали и меди, выполненными в виде колец с поперечным сечением Г-образной формы.
Устройство такой клетки иллюстрируется фиг. 1, на которой показано: 1 - стержень ротора (пунктирными линиями показаны верхняя и нижняя границы стержня), 2 - пакет магнитопровода ротора, 3 - медное короткозамыкающее кольцо, 4 - стальной слой экрана с поперечным сечением Г-образной формы, 5 - медный слой экрана с поперечным сечением Г-образной формы.
Клетка ротора по фиг. 1 работает так же, как и клетка серийного электродвигателя, но со следующими особенностями. Во-первых, ферромагнитный слой экрана Г-образной формы в 2-3 раза повышает индуктивные сопротивления медных короткозамыкающих колец, что способствует снижению кратности пускового тока. Во-вторых, ферромагнитный слой экрана Г-образной формы, закрывая не только наружную боковую, но и верхнюю поверхность короткозамыкающего кольца, создает, совместно с пакетом магнитопровода ротора, условия "открытого вниз паза" для токов короткозамыкающего кольца. Благодаря этому, а также в связи с асимметрией, вносимой различием магнитных проницаемостей пакета магнитопровода ротора (μ2), стального слоя Г-образного экрана (μ4) и медного слоя Г-образного экрана (μ0)
μ2>>μ4>>μ0,
пусковые токи вытесняются в правый нижний угол короткозамыкающего кольца и, в значительной мере, в медный слой экрана, обладающий коэффициентом мощности, близким к единице. В связи с этим при пуске существенно повышается коэффициент мощности всей клетки ротора. Совместное действие обоих факторов реализует преобладающий рост кратности пускового момента по отношению к кратности пускового тока и общее повышение добротности пуска электродвигателя. Подбор толщины слоев экрана Г-образной формы обеспечивает рост добротности пуска электродвигателя с заявляемой клеткой не менее чем в 2 раза по отношению к показателям прототипа и серийных электродвигателей. В номинальном режиме ток равномерно распределяется по всей площади короткозамыкающего кольца. В этом режиме частоты токов клетки составляют 1-2 Гц, поэтому влияние повышенных индуктивных сопротивлений короткозамыкающих колец на рабочие характеристики электродвигателя относительно невелико.
Приведенные выше положения подтверждаются результатами аналитических расчетов и моделирования токов и сопротивлений короткозамыкающего кольца, проведенного в среде ELCUT.
Количественная оценка результатов изобретения была произведена на основе формул (13-42) и (13-180) [2]. В соответствии с ними
Здесь: первые индексы "1", "2" указывают на принадлежность токов , полных сопротивлений z и активных сопротивлений r цепям статора и ротора, вторые индексы "1", "50" указывают на номинальный и пусковой режимы с частотами токов 1 Гц и 50 Гц соответственно, r2.1, z2.1 - активное и полное сопротивления клетки в номинальном режиме; r2.50, z2.50 - активное и полное сопротивления клетки в пусковом режиме; s1=0.02 - номинальное скольжение; cos(ϕ2.1), cos(ϕ2.50) - коэффициенты мощности клетки в номинальном и пусковом режимах.
Оценочная формула для добротности пуска была записана в предположении справедливости следующего соотношения
где cos(ϕ1), cos(ϕ50) - коэффициенты мощности короткозамыкающих колец клетки в номинальном и пусковом режимах. С учетом принятых допущений
Данные расчетов и моделирования короткозамыкающих колец заявляемого устройства приведены на фиг. 2 и в таблице 1, а прототипа - на фиг. 3 и в таблице 2.
Фиг. 2 представляет распределение токов в короткозамыкающем кольце клетки с двухслойным экраном, имеющим поперечное сечение Г-образной формы и закрывающим верхнюю и наружную боковую поверхности медного короткозамыкающего кольца в соответствии с фиг. 1. Экран выполнен в виде колец из ферромагнитной стали (Ст. 3) и меди, с толщиной каждого слоя 1 мм. Короткозамыкающее кольцо выполнено из меди и имеет поперечное сечение прямоугольной формы размером 44×28 мм. Пакет ротора считался непроводящим электрический ток, а значение его относительной магнитной проницаемости принималось равным μ2=1000 о.е. На фиг. 2 показано распределение плотности тока в короткозамыкающем кольце клетки при частотах тока 50 Гц (пусковой режим) и 1 Гц (номинальный режим). Результаты моделирования свидетельствуют о том, что в пусковом режиме ток вытесняется в правый нижний угол короткозамыкающего кольца и, в значительной мере, в медный слой Г-образного экрана, обладающий коэффициентом мощности, близким к единице. Это существенно повышает коэффициент мощности и добротность пуска всей клетки. В номинальном режиме (правая сторона фиг. 2) ток равномерно распределяется по площади кольца.
Сводные данные расчета сопротивлений короткозамыкающего кольца с двухслойным экраном Г-образной формы приведены в таблице 1. Здесь же приведены значения коэффициента мощности короткозамыкающего кольца в пусковом и номинальном режимах, значения коэффициентов изменения сопротивлений короткозамыкающего кольца под действием эффекта вытеснения тока
а также значения добротности пуска, рассчитанные по формуле (1), и оценочные значения кратностей пускового тока и пускового момента электродвигателя.
Результаты моделирования свидетельствуют о следующем. Достигнутое в заявляемом устройстве значение добротности пуска составляет , что в 2.6 раза больше, чем у прототипа (, см табл. 2). Клетка с двухслойным экраном Г-образной формы интенсивно использует эффект вытеснения тока в короткозамыкающих кольцах. На это указывают высокое значение коэффициента вытеснения тока kr=10.54, низкое значение кратности пускового тока
высокое значение кратности пускового момента
и существенное снижение индуктивного сопротивления кольца в пусковом режиме (у прототипа , см. табл. 2). В номинальном режиме за счет ферромагнитного слоя экрана индуктивное сопротивление короткозамыкающих колец клетки по сравнению с прототипом возросло в 2.0 раза (с 0.36 до 0.73, см. табл. 2 и табл. 1). При этом номинальный коэффициент мощности короткозамыкающих колец клетки понизился на 7% (с 0.98 до 0.91, см. табл. 2 и табл. 1). Приведенная выше оценочная формула для кратности пускового тока (2) получена при тех же допущениях, что и формула для добротности пуска (1).
Аналогичные данные прототипа приведены для сравнения на фиг. 3 и в таблице 2.
Фиг. 3 представляет прототип с двумя экранами из ферромагнитной стали в виде плоских колец, выполненных из стали (Ст. 3 толщиной 1 мм) и закрывающих обе боковые поверхности медного короткозамыкающего кольца. Короткозамыкающее кольцо имеет прямоугольное сечение размером 44×28 мм. На фиг. 3 показаны: 2 - сердечник магнитопровода ротора, 3 - медное короткозамыкающее кольцо, 4 - стальные экраны в виде плоских колец. На фиг. 3 приведено распределение плотности тока в короткозамыкающем кольце клетки при частотах тока 50 Гц (пусковой режим) и 1 Гц (номинальный режим). Вытеснение тока при пуске происходит к широким - верхней и нижней, поверхностям короткозамыкающего кольца, не закрытым ферромагнитным экраном. Пусковой ток распределяется приблизительно равномерно по ширине короткозамыкающего кольца, занимая около трети его площади. Соответствующий коэффициент изменения активного сопротивления составляет kr=2.75. Добротность пуска для прототипа имеет величину и находится на уровне показателей серийных электродвигателей. В таблице 2 приведены сводные данные моделирования короткозамыкающего кольца прототипа.
В целом, прототип неэффективно использует эффект вытеснения тока и имеет кратности пускового тока и пускового момента iп=5.19; mп=1.51. По сравнению с прототипом у клетки с Г-образными двухслойными экранами добротность пуска повысилась в 2.6 раза. Таким образом, заявляемое устройство короткозамкнутой клетки ротора решает техническую задачу изобретения.
Технический результат изобретения состоит в повышении добротности пуска электродвигателя в 2.6 раза, в повышении пускового момента в 1.71 раза, а также в снижении пускового тока в 1.49 раза.
Использование изобретения дает возможность эксплуатации электродвигателей с заявленными клетками в электроприводах с тяжелыми условиями пуска, что существенно расширяет конкурентные преимущества таких электродвигателей.
Claims (1)
- Клетка ротора асинхронного электродвигателя, содержащая стержни и медные короткозамыкающие кольца, причем медные короткозамыкающие кольца снабжены кольцевыми экранами, отличающаяся тем, что экраны выполнены двухслойными из ферромагнитной стали и меди, имеют Г-образную форму поперечного сечения и закрывают верхние и наружные боковые поверхности колец.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016113941A RU2638560C2 (ru) | 2016-04-11 | 2016-04-11 | Клетка ротора асинхронного электродвигателя с повышенной добротностью пуска |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016113941A RU2638560C2 (ru) | 2016-04-11 | 2016-04-11 | Клетка ротора асинхронного электродвигателя с повышенной добротностью пуска |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016113941A RU2016113941A (ru) | 2017-10-13 |
RU2638560C2 true RU2638560C2 (ru) | 2017-12-14 |
Family
ID=60120302
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016113941A RU2638560C2 (ru) | 2016-04-11 | 2016-04-11 | Клетка ротора асинхронного электродвигателя с повышенной добротностью пуска |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2638560C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2690680C1 (ru) * | 2018-09-19 | 2019-06-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Ротор асинхронного электродвигателя |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US1694061A (en) * | 1926-08-13 | 1928-12-04 | Klaus L Hansen | Self-starting induction motor |
SU114331A1 (ru) * | 1957-11-10 | 1957-11-30 | Г.М. Штерн | Ротор асинхронного двигател |
US4309635A (en) * | 1979-02-07 | 1982-01-05 | Hitachi, Ltd. | Squirrel-cage rotor having end rings of double structure |
SU1103326A1 (ru) * | 1983-04-29 | 1984-07-15 | Киевский Ордена Трудового Красного Знамени Институт Инженеров Гражданской Авиации Им.60-Летия Ссср | Ротор асинхронного короткозамкнутого двигател |
US4970424A (en) * | 1987-11-17 | 1990-11-13 | Fanuc Ltd. | Rotor construction for high speed induction motor |
UA30332U (ru) * | 2007-10-15 | 2008-02-25 | Восточноукраинский Национальный Университет Имени Владимира Даля | Асинхронный мотор-вентилятор |
WO2015151362A1 (ja) * | 2014-03-31 | 2015-10-08 | 三菱電機株式会社 | 籠型モータの回転子および籠型モータ |
-
2016
- 2016-04-11 RU RU2016113941A patent/RU2638560C2/ru active IP Right Revival
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US1694061A (en) * | 1926-08-13 | 1928-12-04 | Klaus L Hansen | Self-starting induction motor |
SU114331A1 (ru) * | 1957-11-10 | 1957-11-30 | Г.М. Штерн | Ротор асинхронного двигател |
US4309635A (en) * | 1979-02-07 | 1982-01-05 | Hitachi, Ltd. | Squirrel-cage rotor having end rings of double structure |
SU1103326A1 (ru) * | 1983-04-29 | 1984-07-15 | Киевский Ордена Трудового Красного Знамени Институт Инженеров Гражданской Авиации Им.60-Летия Ссср | Ротор асинхронного короткозамкнутого двигател |
US4970424A (en) * | 1987-11-17 | 1990-11-13 | Fanuc Ltd. | Rotor construction for high speed induction motor |
UA30332U (ru) * | 2007-10-15 | 2008-02-25 | Восточноукраинский Национальный Университет Имени Владимира Даля | Асинхронный мотор-вентилятор |
WO2015151362A1 (ja) * | 2014-03-31 | 2015-10-08 | 三菱電機株式会社 | 籠型モータの回転子および籠型モータ |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2690680C1 (ru) * | 2018-09-19 | 2019-06-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Ротор асинхронного электродвигателя |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016113941A (ru) | 2017-10-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Nuzzo et al. | Improved damper cage design for salient-pole synchronous generators | |
Dusek et al. | Impact of slot/pole combination on inter-turn short-circuit current in fault-tolerant permanent magnet machines | |
Ugale et al. | Overview of research evolution in the field of line start permanent magnet synchronous motors | |
Xuan et al. | Influence of stator slotting on the performance of permanent-magnet machines with concentrated windings | |
KR101600001B1 (ko) | 모터의 최적 설계 방법 | |
Pourmoosa et al. | A transverse flux generator with a single row of permanent magnets: Analytical design and performance evaluation | |
Li et al. | Calculating the electromagnetic field and losses in the end region of a large synchronous generator under different operating conditions with 3-D transient finite-element analysis | |
Duan et al. | Nonlinear scaling rules for brushless PM synchronous machines based on optimal design studies for a wide range of power ratings | |
Silva et al. | Multiobjective design optimization of generalized multilayer multiphase AC winding | |
Al‐Timimy et al. | Influence of rotor endcaps on the electromagnetic performance of high‐speed PM machine | |
RU2638560C2 (ru) | Клетка ротора асинхронного электродвигателя с повышенной добротностью пуска | |
Tessarolo et al. | A stator winding design with unequally-sized coils for adjusting air-gap space harmonic content of induction machines | |
CN114154367A (zh) | 一种电机齿部磁密比值和最优裂比的确定方法 | |
Aileen et al. | Detection of broken bars in three phase squirrel cage induction motor using finite element method | |
Baserrah | Theoretical and experimental investigations of a permanent magnet excited transverse flux machine with a segmented stator for in-wheel motor applications | |
Karnavas et al. | Design and manufacturing of a single‐phase induction motor: a decision aid tool approach | |
Van Khang et al. | Loss minimization for form-wound stator winding of a high-speed induction motor | |
Li et al. | Parametric study for the design of the end region of large synchronous generators based on three-dimensional transient finite element analysis | |
Nasiri‐Gheidari et al. | Theoretical modeling of axial flux squirrel cage induction motor considering both saturation and anisotropy | |
Serrano-Iribarnegaray et al. | Critical review of the analytical approaches accounting for interbar currents and experimental study of ageing in two-speed asynchronous motors for elevator drives | |
RU2643180C2 (ru) | Клетка ротора асинхронного электродвигателя с низким пусковым током | |
Fireteanu et al. | Teaching induction machine through finite element models | |
Popescu et al. | Thermal analysis of duplex 3-phase induction motor under fault operating conditions | |
Zhou et al. | Influence of interlocking dowels on motor core loss | |
Cheraghi et al. | Determination of torque‐speed characteristic for a two‐speed elevator induction machine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180412 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20200311 |
|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20200313 |