Короткозамкнутый ротор

Полезная модель относится к электромашиностроению, а именно - к особенностям конструктивного выполнения короткозамкнутых роторов для электрических машин.

Задачей полезной модели является создание ротора электрических машин, лобовая часть короткозамкнутой обмотки - беличьей клетки которого связана по всему диапазону частот вращения машины с телом ротора таким образом, что не возникает собственных колебаний или возникают только дифференциальные собственные колебания.

Для решения поставленной задачи в короткозамкнутом роторе прижимные кольца, удерживающие пакет железа в сжатом состоянии выполнены таким образом, чтобы между их наружным диаметром и лобовыми частями беличьей клетки был обеспечен минимально возможный зазор равный (0-0,15) мм, короткозамыкающие кольца имеют аксиальные пазы, которые служат для установки этих колец на стержни беличьей клетки. Короткозамыкающие кольца припаяны к стержням беличьей клетки так, чтобы стержни выступали за пределы колец. Короткозамыкающие кольца механически обработаны соосно с валом по внутренней и торцевой поверхности.

Зазор между прижимными кольцами и лобовыми частями стержней беличьей клетки обеспечивает свободное перемещение стержней относительно прижимных колец при термическом изменении геометрических размеров, также, из-за очень малой величины зазора, прижимные кольца препятствуют радиальному смещению короткозамыкающих колец, вследствие односторонних центробежных сил, возникающих из-за остаточного неконтролируемого небаланса этих колец. Механическая обработка внутренней и торцевой поверхности короткозамыкающих колец позволяет снизить описанные выше центробежные силы. Выступающая за пределы короткозамыкающих колец часть стержней беличьей клетки выполняет роль центробежного вентилятора.

Илл.3

Полезная модель относится к электромашиностроению и может применяться при изготовлении электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

Известен короткозамкнутый ротор с обмоткой, выполненной литьем под давлением. В подобной конструкции короткозамыкающие кольца расположены вплотную к пакету железа и выполняют одновременно функцию прижимных колец. На торцевой поверхности короткозамыкающих колец выполнены лопатки центробежного вентилятора, а наружная и внутренняя поверхности имеют возможность механической обработки, что позволяет снизить небаланс короткозамыкающих колец (См. «Руководство по эксплуатации электровоза ВЛ80, Москва, 1982 г., Транспорт, стр. 44»).

Недостатком такого ротора являются: отсутствие зазора между короткозамыкающим кольцом и пакетом железа, препятствующее термическому изменению геометрических размеров стержней беличьей клетки, что может привести к обрыву стержней и относительно высокий остаточный небаланс короткозамыкающих колец, вызванный неравномерностью литья.

Известен короткозамкнутый ротор, обмотка которого выполнена пайкой (сваркой) короткозамыкающих колец со стержнями беличьей клетки, установленными в пазы пакета железа, удерживаемого в сжатом состоянии прижимными кольцами, расположенными под стержнями беличьей клетки. В данной конструкции возможна установка короткозамыкающих колец на расстоянии от пакета железа, достаточном для того, чтобы исключить возникновение вредных воздействий от термического изменения размеров короткозамкнутой обмотки на стержни беличьей клетки (См. «Тяговые

электродвигатели электровозов, Новочеркасск, 1998 г., Агентство Наутилус, стр. 184»).

Недостатком такого короткозамкнутого ротора является то, что у быстро вращающихся асинхронных двигателей выступающие с обеих сторон из пакета железа лобовые части обмотки ротора сильно нагреваются и из-за больших центробежных сил подвергаются опасности разрушения за счет неконтролируемых дисбалансов. Кроме того, любая, набранная из стержней, конструкция беличьей клетки имеет в зоне лобовой части обмотки вибрацию в радиальном направлении, что может привести к разрушению конструкции беличьей клетки.

Для управления центробежными силами в зоне короткозамыкающих колец асинхронной машины в течение многих лет используют усадочные кольца, надеваемые на короткозамыкающие кольца. Усадочные кольца служат лишь для механического предохранения от изгиба. Вся конструкция остается вибрирующей.

Наиболее близким по технической сущности является известный из патента РФ №02168832 короткозамкнутый ротор, в котором эта задача решается применением установленного на валу опорного кольца, к наружной поверхности которого прилегает своей внутренней поверхностью непосредственно или на отдельных отрезках через упругий элемент короткозамыкающее кольцо и прижато к нему усадочным кольцом, охватывающим короткозамыкающее кольцо.

Данная конструкция обладает хорошими демпфирующими свойствами в отношении вынужденных и резонансных колебаний, однако, вследствие плотного контакта короткозамыкающего кольца с опорным кольцом ведет к возникновению сил, способных разрушить короткозамкнутую обмотку, из-за различного термического изменения геометрических размеров материалов короткозамкнутой обмотки ротора и опорного кольца.

Задачей полезной модели является повышение надежности за счет исключения резонансных колебаний, вызванных остаточным

неконтролируемым небалансом короткозамыкающих колец и вредных воздействий на стержни беличьей клетки вследствие различного термического изменения геометрических размеров материалов короткозамкнутой обмотки ротора и опорного кольца.

Эта задача решается тем, что короткозамкнутый ротор для асинхронной машины, содержащий закрепленный на валу и удерживаемый с обеих сторон прижимными кольцами пакет железа, в пазах которого размещены стержни беличьей клетки, каждый из которых за пределами пакета железа соединен с короткозамыкающими кольцами, при этом пакет железа удерживается в сжатом состоянии прижимными кольцами, выполненными со следующими отличиями: наружный диаметр прижимных колец подобран таким образом, чтобы между этими кольцами и стержнями беличьей клетки был обеспечен зазор =(0-0,15) мм, предотвращающий возникновение противодействия термическому расширению в аксиальном направлении короткозамкнутой обмотки, а прижимные кольца выполняли функцию ограничителя радиальных смещений короткозамыкающих колец, при воздействии на них односторонних центробежных сил, вызванных остаточным небалансом короткозамыкающих колец. В короткозамыкающих кольцах выполнены аксиальные пазы для размещения стержней беличьей клетки, соединение которых с короткозамыкающими кольцами выполнено пайкой по контуру стержня на всей ширине короткозамыкающих колец. Короткозамыкающие кольца защищены от воздействия центробежных сил усадочными кольцами, имеющими на внутренней поверхности кольцевой выступ, фиксирующий усадочное кольцо в осевом направлении на короткозамыкающем кольце, которое имеет на наружной поверхности кольцевой паз, выполненный на (0,5-1,0) мм шире выступа усадочного кольца, что облегчает сборку не оказывая вредного воздействия на прочность конструкции. Предлагаемая конструкция ротора за счет расположения опоры короткозамкнутой обмотки под стержнями (а не короткозамкнутыми кольцами) позволяет произвести

механическую обработку внутренней и торцевой поверхностей короткозамыкающих колец соосно с валом ротора, что значительно уменьшает остаточный неконтролируемый небаланс короткозамыкающих колец. Стержни беличьей клетки, за пределами короткозамыкающих колец, выполняют функцию центробежного вентилятора.

Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображены:

фиг.1 продольный разрез концевой части короткозамкнутого ротора с прижимным кольцом, выполненным в виде ступицы и обода, соединенных радиальными ребрами;

фиг.2 поперечный разрез короткозамыкающего кольца, поясняющий выполнение пайки стержней беличьей клетки;

фиг.3 продольный разрез концевой части короткозамкнутого ротора с прижимным кольцом в форме шайбы.

Короткозамкнутый ротор, изображенный на фиг.1, состоит из пакета железа 1, в пазах которого размещены и зафиксированы от аксиальных перемещений кернением в его средней части, стержней 2 беличьей клетки, короткозамыкающих колец 3 с продольными сквозными пазами, соединенных со стержнями 2 беличьей клетки пайкой и защищенных от воздействия центробежных сил усадочными кольцами 4 и прижимных колец 5, удерживающих пакет железа 1 в сжатом состоянии. Наружная поверхность прижимного кольца 5 механически обработана таким образом, чтобы был обеспечен зазор =(0-0,15) мм до стержней 2 беличьей клетки. Прижимные кольца 5 расположены под стержнями короткозамкнутой обмотки, а не под короткозамыкающими кольцами 3. Короткозамыкающие кольца 3 после пайки к стержням 2 беличьей клетки механически обработанны по внутренней и торцевой поверхностям соосно с валом ротора, что позволяет значительно снизить односторонние центробежные силы, возникающие вследствие остаточного неконтролируемого небаланса короткозамыкающих колец 3. Выполнение прижимных колец 5 в виде ступицы и обода,

соединенных радиальными ребрами, позволяют снизить до минимума сопротивление охлаждающему воздуху, проходящему по каналам 6.

Положительный эффект предлагаемой полезной модели проявляется в следующем: короткозамкнутый ротор в процессе работы сильно нагревается. Медные стержни 2 беличьей клетки, имеющие коэффициент термического расширения выше коэффициента термического расширения стали и при нагревании увеличиваются в размерах, что приводит к смещению их лобовых частей относительно прижимных колец 5 в аксиальном направлении. Зазор =(0-0,15) мм, предусмотренный между прижимным кольцом 5 и стержнями 2 беличьей клетки обеспечивает свободное аксиальное перемещение последних. При высоких частотах вращения ротора прижимные кольца, из-за малой величины зазора до стержней 2 беличьей клетки, выполняют функцию ограничителя радиальных смещений короткозамыкающих колец, вызванных односторонней центробежной силой, способной привести к разрушению стержней 2 беличьей клетки. Возникающая сила вызвана неизбежным остаточным небалансом короткозамыкающих колец 3. При отклонении короткозамыкающих колец 3 на величину большую, чем предусмотренный зазор между прижимными кольцами 5 и стержнями 2 беличьей клетки, стержни со стороны противоположной направлению смещения опускаются на прижимные кольца 5, которые препятствуют дальнейшему смещению короткозамыкающих колец 3. В связи с очень малой величиной зазора 8 между прижимными кольцами 5 и стержнями 2 не возникает смещений короткозамыкающих колец 3, способных привести к разрушению беличьей клетки.

Пайка короткозамыкающего кольца 3 со стержнями 2 беличьей клетки, согласно фиг.2, производится на всей ширине короткозамыкающего кольца 3 по прилегающей к кольцу поверхности стержня 2. Площадь контакта при таком исполнении возрастает в несколько раз, что увеличивает надежность соединения и снижает выделение тепла в месте соединения.

На фиг.3 представлен вариант исполнения с прижимными кольцами в виде шайб. Опорой для стержней 2 служит развитая в осевом направлении часть 7 прижимной шайбы 5. Исполнение прижимных колец в виде шайб позволяет выполнить в них аксиальные пазы для размещения в них стержней 2 беличьей клетки. Подобная конструкция прижимных колец позволяет удерживать в сжатом состоянии не только ярмо пакета железа ротора, но и зубцовую зону, что уменьшает распушение сердечника и исключает возможность излома зубцов крайних листов пакета железа ротора. Для прохождения охлаждающего воздуха по вентиляционным каналам 6 в прижимной шайбе 5 предусмотрены отверстия 8, расположенные соосно с каналами 6.

Короткозамкнутый ротор для асинхронной машины, содержащий закрепленный на валу и удерживаемый в сжатом состоянии прижимными кольцами пакет железа, в пазах которого размещены стержни беличьей клетки, каждый из которых за пределами пакета железа соединен с короткозамыкающими кольцами, удерживаемыми в радиальном направлении усадочными и прижимными кольцами, выполняющими функцию опоры для короткозамкнутой обмотки, отличающийся тем, что прижимные кольца установлены с зазором =(0-0,15) мм от стержней беличьей клетки, а короткозамыкающие кольца механически обработаны по внутренней поверхности соосно с валом ротора.