Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR INCREASING THE OPERATING EFFICIENCY OF ASYNCHRONOUS SHORT-CIRCUITED ELECTRIC MACHINES, AND AN ASYNCHRONOUS SHORT-CIRCUITED ELECTRIC MACHINE (VARIANTS)
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/002334
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention pertains to the field of power generation and can be used in electromechanical energy conversion systems, in particular in asynchronous short-circuited machines. The essence of the proposed invention is that the action of a rotating electromagnetic field of a stator on the short-circuited turns of a rotor winding extending through areas adjacent to the pole pitch limits of the stator is supplemented by the additional action of a rotating electromagnetic field of the stator on sections of the short-circuited turns of the rotor winding extending through areas adjacent to the limits of a half pole pitch of the stator. The present method and the machine variants based thereon make it possible to provide a machine in which the engine starting current ratio is lower by comparison with machines of the prior art because of the prevention of losses on the braking effect, which makes it possible to increase the starting frequency without load reduction and to use the machine in the most severe operating conditions with an increased load on the shaft, wherein the machine maintains the rotating field effect and can still be fully operational upon the disconnection of one phase, generating in the phase-disconnected winding a high-quality harmonic voltage for the missing phase.

Inventors:
BAYDASOV NIKOLAY LVANOVICH (RU)
Application Number:
PCT/RU2009/000674
Publication Date:
January 06, 2011
Filing Date:
December 08, 2009
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
JOINT STOCK COMPANY TECHNOLOGY SMP (RU)
BAYDASOV NIKOLAY LVANOVICH (RU)
International Classes:
H02K17/18; H02K3/12
Foreign References:
RU2208892C22003-07-20
RU2192091C12002-10-27
RU2045802C11995-10-10
US4095332A1978-06-20
DE51083C
DE51083C
US4095332A1978-06-20
FR2208892A11974-06-28
Attorney, Agent or Firm:
GAVRILOVA, Elena Arkadievna (RU)
ГАВРИЛОВА, Елена Аркадьевна (RU)
Download PDF:
Claims:
Формула изобретения

1. Способ повышения эффективности работы асинхронной короткозамкнутой электрической машины, заключающийся в воздействии вращающегося электромагнитного поля статора на короткозамкнутые витки обмотки ротора, проходящие через зоны, прилегающие к границам полюсного деления статора, отличающийся тем, что дополнительное воздействие вращающегося электромагнитного поля статора осуществляют на участки короткозамкнутых витков обмотки ротора, проходящие через зоны, прилегающие к границам половины полюсного деления статора.

2. Асинхронная короткозамкнутая электрическая машина, содержащая магнитный сердечник статора с комплектом обмоток и ротор, выполненный в виде магнитного сердечника с обмоткой, состоящей из короткозамкнутых витков, включающих изолированные токопроводящие стержни, расположенные в пазах ротора параллельно оси его вращения, отличающаяся тем, что каждый короткозамкнутый виток включает два последовательно соединённых изолированных токопроводящих стержня, отстоящих один относительно другого на расстоянии, определяемом половиной полюсного деления статора и расположенных в пазах ротора в зонах, прилегающих к его соответствующим границам.

3. Асинхронная короткозамкнутая электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что стержни каждого короткозамкнутого витка располагаются в пазах ротора, прилегающих к границам половины полюсного деления статора внутри них.

4. Асинхронная короткозамкнутая электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что стержни каждого короткозамкнутого витка располагаются в пазах ротора, прилегающих к границам половины полюсного деления статора вне их.

5. Асинхронная короткозамкнутая электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что стержни каждого короткозамкнутого витка располагаются таким образом, что один из них находится внутри половины полюсного деления статора, а другой располагается за пределами последнего в пазах ротора, прилегающих к его соответствующим границам.

6. Асинхронная короткозамкнутая электрическая машина, содержащая магнитный сердечник статора с комплектом обмоток и ротор, выполненный в виде магнитного сердечника с обмоткой, состоящей из короткозамкнутых витков, включающих изолированные токопроводящие стержни, расположенные в пазах ротора параллельно оси его вращения, отличающаяся тем, что каждый виток включает в себя четыре последовательно соединённых стержня, два из которых размещены в одном пазу ротора, а два других расположены в двух смежных пазах ротора на расстоянии от первого паза, определяемом половиной полюсного деления статора и прилежащих с двух сторон к его границе.

Description:
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АСИНХРОННОЙ

КОРОТКОЗАМКНУТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И АСИНХРОННАЯ

КОРОТКОЗАМКНУТАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ).

Описание

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в системах электромеханического преобразования энергии, а именно, в асинхронных короткозамкнутых электрических машинах.

Известен "Асинхронный электродвигатель", содержащий статор, и ротор с обмоткой типа "беличья клетка", состоящей из множества токопроводящих стержней, расположенных в пазах симметрично по периметру на его поверхности и накоротко замкнутых на его торцах замыкающими кольцами (патент N° 51083 кл. H02K17/16, 1889г., Германия), и работающий по способу магнитного сцепления первичного вращающего электромагнитного поля статора с наведённым в роторе вторичным электромагнитным полем.

Недостатками данной машины являются низкие технические, энергетические, эксплуатационные и удельные технико-экономические показатели, как, например, недостаточный КПД, и коэффициент мощности, большой пусковой ток, большой ток холостого хода, малый пусковой момент, мягкая механическая характеристика и большое номинальное скольжение. Все указанные недостатки являются следствием сильного изменения результирующего магнитного поля машины и уменьшения модуля векторного произведения электромагнитных полей статора и ротора из-за сильного влияния продольной составляющей "реакции якоря" ротора, а также малые степени эффективности образования результирующего электромагнитного момента токопроводящими стержнями "беличьей клетки", имеющими в данный момент электродвижущие силы меньше, чем электродвижущие силы стержней, находящиеся на магнитной оси поля статора, из-за блокировки максимальной электродвижущей силой малых электродвижущих сил.

Известен "METHOD OF MAKING HIGH ЕFFIСIЕNСY INDUCTION MOTOR WITH MULTI-CAGE CIRCUIT ROTOR", содержащий статор и ротор, включающий множество токопроводящих стержней, расположенных в пазах симметрично по периметру на его поверхности и замыкающих колец, соединяющих указанные стержни в нечётное количество отдельных тождественных контуров (патент N° 4,095,332, кл. H02K 17/12, 1978г., Соединённые Штаты Америки), и работающий по тому же способу. Применение данного технического решения позволяет уменьшить действие высших гармоник напряжения питания статора как электромагнитного тормоза машины, однако его недостатком является малый пусковой момент, что ограничивает его использование только приводами с так называемой "вентиляторной" характеристикой, имеющей малый нагрузочный момент на пуске.

Наиболее близким по технической сущности является "ИНДУКЦИОННЫЙ АСИНХРОННЫЙ МОТОР", содержащий статор и ротор, включающий в себя токопроводящие стержни, расположенные в пазах симметрично по периметру и параллельно оси вращения мотора, причём на каждой торцевой стороне ротора конец каждого стержня соединен со всеми теми концами стержней, которые сдвинуты относительно упомянутого стержня по периметру ротора на величину угла полюсного деления (патент N° 2208892, кл. H02K17/16, 2003г., Россия). Указанное техническое решение осуществляет способ, при котором "п" векторов магнитных полей статора и ротора образуют результирующий электромагнитный момент.

К недостаткам данного способа относится то, что увеличение момента в данном техническом решении имеет место только при некоторых положениях ротора относительно статора, что приводит к неравномерности вращающего момента по развороту ротора без достаточного увеличения пускового момента. Это ограничивает его применимость приводами с так называемой "вентиляторной" характеристикой, имеющей малый нагрузочный момент на пуске, увеличивающийся по квадратичной зависимости по мере разгона. Неравномерность же вращающего момента вызывает стуки, шумы и вибрации при работе машины и ограничивает её применимость маховиковыми приводами, а также влияет на повышенный износ.

Сущность предложенного способа заключается в том, что к воздействию вращающегося электромагнитного поля статора на короткозамкнутые витки обмотки ротора, проходящие через зоны, прилегающие к границам полюсного деления статора, добавляется дополнительное воздействие вращающегося электромагнитного поля статора осуществляющееся на участки короткозамкнутых витков обмотки ротора, проходящих через зоны, прилегающие к границам половины полюсного деления статора.

Технический результат предложенного способа и осуществлённых на его основе вариантов машины заключается в том, что в машине, по сравнению с известной, снижается кратность пускового тока двигателем за счёт исключения потерь на тормозной эффект, позволившая увеличить частоту пусков без снижения нагрузки и применять машину в самых тяжёлых условиях эксплуатации с увеличенной нагрузкой на валу. Машина сохраняет эффект вращения поля и продолжает полноценно выполнять свою работу при отключении одной фазы, генерируя в отключенную фазную обмотку гармоническое напряжение отсутствующей фазы высокого качества с клирфактором менее 1%.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается за счёт того, что подведённая к статору машины энергия переменного тока создаёт в нём первичное вращающееся магнитное поле, которое благодаря магнитному сцеплению с ротором, наводит в его короткозамкнутых витках электрический ток для создания вторичного магнитного поля, причём витки, представляющие собой пары короткозамкнутых стержней, расположенных по периметру ротора таким образом, что ток от стержней каждой пары, находящихся в области генерирования его максимальных значений и, как следствие, наименьшей интенсивности магнитного поля статора и с минимальным электромеханическим взаимодействием со статором, направляется к стержням соответствующих пар, с максимальными значениями магнитного поля статора, создавая тем самым условия для дополнительного воздействия вторичного поля ротора на первичное поле статора как в поперечном, так и в продольном направлении с помощью первой, второй и последующих чётных гармоник, что увеличивает эффективность электромеханического взаимодействия между ротором и статором как для повышения механической мощности, передаваемой на вал, так и для сохранения работоспособности машины при отключении фазы питания статора.

На фиг.l изображён вид с торца 1-го варианта заявленной машины.

На фиг 2 изображён вид с торца 2-го варианта заявленной машины.

На фиг.З изображены механические характеристики первого (b) и второго (с)

вариантов заявленной машины по сравнению с прототипом (а).

На фиг.4 изображены зависимости выходной (е) и потребляемой (е') мощности заявленной машины по сравнению с прототипом (d), (d').

Одно из конкретных конструктивных исполнений машины для осуществления заявленного способа представляет собой асинхронную короткозамкнутую электрическую машину, представленную на фиг.l (число пар полюсов не регламентируется). Машина содержит, например, двухполюсный статор 1 и ротор 2 с восемнадцатью изолированными токопроводящими стержнями 3-3' ротора 2, размещёнными попарно в девяти пазах 4 (количество стержней ротора не регламентируется), причём концы каждого стержня 3 из одного паза соединены с концами каждого соответствующего стержня 3 Л из другого паза, который сдвинут по периметру ротора 2 на расстояние, определяемое величиной, ближайшей к величине половины полюсного деления статора 1 , образуя, таким образом, отдельные короткозамкнутые витки из двух последовательно соединённых стержней 3-3 \ Другое конструктивное исполнение машины для осуществления заявленного способа представляет собой, например, асинхронную короткозамкнутую электрическую машину, представленную на фиг.2. Машина содержит двухполюсный статор 1 и ротор 2 с тридцатью шестью изолированными токопроводящими стержнями 3-3\ 3 Л > -3" Л ротора 2, размещёнными по четыре в девяти пазах 4, причём концы каждой пары стержней 3-3' соединены соответственно с концами стержня З λ \ который отнесён по периметру ротора 2 на расстояние, определяемое величиной, ближайшей к величине половины полюсного деления статора 1 в его пределах, и с концами стержня 3"\ который отнесён по периметру ротора 2 на расстояние, определяемое величиной, ближайшей к величине половины полюсного деления статора 1 за его пределами. При этом стержни 3-3'-3"-3'" каждой группы соединены между собой в последовательную цепь, образуя отдельные короткозамкнутые витки.

Первый вариант исполнения применяется в асинхронных короткозамкнутых электрических машинах при их использовании в качестве двигателей общего применения с жёсткой механической характеристикой.

Второй вариант исполнения применяется в асинхронных короткозамкнутых электрических машинах при их использовании в качестве тяговых двигателей с повышенным пусковым моментом.

Машина работает следующим образом:

При использовании машины в качестве двигателя первичные обмотки статора 1 присоединяются к питающей сети с чередованием во времени двух (или более) фаз, сдвинутых относительно друг друга. При этом через обмотки начинают протекать токи, устанавливающие вращающееся магнитное поле статора. Магнитное поле имеет нерегулярную структуру, обусловленную проходящими токами. Причём, в местах максимальных токов поле максимально, а там, где кривая тока переходит через ноль, поле практически отсутствует. Эти две области отстоят друг от друга на величину, равную половине полюсного деления. Следует обратить внимание на тот факт, что в области максимального поля кривая первичного тока испытывает перегиб и её производная равна нулю, а в области минимального поля кривая тока пересекает своё нулевое значение и её производная имеет максимальное значение. Такое вращающееся магнитное поле, установленное в пакете статора, взаимодействует с пакетом неподвижного ротора, в котором при скольжении -1 устанавливается такое же нерегулярное вращающееся вторичное магнитное поле. Вторичное поле индуцирует вторичные токи в короткозамкнутых стержнях 3 ротора 2, и эти токи устанавливают своё магнитное поле. Вторичные токи, также как и первичные имеют нерегулярную структуру со сдвигом между максимумом и минимумом на величину, равную половине полюсного деления. Причём там, где первичный ток и поле имеют максимальное значение, вторичный ток и поле равны нулю из-за нуля производной от тока и потока, а там где первичный ток и поток имеют минимальные значения с максимумом производной, вторичный ток и поле имеют максимальное значение. Поскольку стержни 3 ротора 2 с максимальным значением тока замыкаются на стержни 3\ отстоящие на

угол до величины половины полюсного деления или после неё с максимальным значением поля, в последних при пересечении поля индуцируется ток, который устанавливает своё дополнительное вторичное поле в области максимума первичного поля. Этим обеспечивается повышенное электромеханическое взаимодействие между ротором 2 и статором 1 без увеличения пусковых токов. Пусковой момент увеличивается и это приводит к уменьшению времени разгона. Следует обратить внимание на то, что подача тока из активного стержня 3 в пассивный происходит плавно без возникновения каких либо ударов, так как на максимуме тока работает только один источник ЭДС, в результате работа осуществляется на первой гармонике, что уменьшает потери и в стали пакета. После установления электромеханического взаимодействия между ротором 2 и статором 1 возникает вращающий момент и ротор 2 начинает своё вращение. По мере разгона частота вторичного поля уменьшается, и пассивные стержни 3 начинают всё больше намагничивать области максимальных токов первичной цепи в продольном направлении, отдавая в неё всё большую долю циркулирующей через них энергии, что характеризует так называемую "реакцию якоря", потребляемый ток уменьшается и, как следствие - вращающий момент несколько уменьшается. При уменьшающемся токе снижается степень насыщенности стали, увеличивается индуктивность обмоток ротора 2, увеличивается их постоянная времени. Благодаря этому активные стержни 3 по мере разгона все ближе подходят к областям статора 1 с максимальным полем. И теперь не только пассивные, но и активные стержни 3 начинают отдавать свою неиспользованную энергию в первичную цепь при падающей частоте тока вторичной цепи. И при скольжениях -0,25... -0,15, наступает перегиб электромеханической характеристики, а машина выходит на номинальные режимы работы двигателя, которые заканчиваются холостым ходом при скольжениях - 0,005... - 0,001.

При номинальных режимах реакция ротора 2 столь эффективна, а сталь статора 1 намагничивается вторичной цепью настолько достаточно в поперечном направлении, что при этом допустимо отключить одну фазу без ущерба для работоспособности. При отключении одной фазы в номинальном режиме пропорционально возрастает ток в оставшихся фазах, и машина продолжает выполнять свою работу. При этом в статорной обмотке генерируется ЭДС отсутствующей фазы и допустимо заменить механическую нагрузку на валу электрической нагрузкой на свободную фазную обмотку, осуществив режим фазорасщепления в диапазоне скольжения от - 0, 15 до - 0,001.

Автономный генераторный режим обеспечивается также с помощью эффективной реакции ротора 2, когда остаточная намагниченность стали пакета вызывает наведение некоторой ЭДС в первичных обмотках статора 1 вращающейся машины. И в случае подключения к первичным обмоткам электрической ёмкости, в них появляется ток обмена энергией между разнородными накопителями энергии, вызывающий возбуждение машины на частоте вращения вала, с некоторым отставанием, и с напряжением гармонической формы, изменяющемся пропорционально вплоть до номинального при скольжениях от -0,3 до +0,005. Причём при скольжении + 0,002...+ 0,005 генерируется номинальная ЭДС при номинальной частоте, а при более высоких скольжениях выходные частота и напряжение повышаются также линейно выше номинальных значений.

Генераторный режим с отдачей энергии в сеть возникает при подведении механической энергии к валу машины, находящейся в двигательном режиме и раскрутке вала выше синхронной скорости (выше "+ 0" скольжения). Такой режим возможно осуществлять при скольжениях от +0,001 до + 1,17, если позволяет её механическая прочность. При этом, по мере роста скольжения возрастает момент на валу, а выше номинальных режимов, после перегиба характеристики, плавно нарастает потребление опережающей энергии из сети, необходимой для удержания машины в режиме синхронной работы с сетью.

Сравнительные графики характеристик асинхронной короткозамкнутой электрической машины представлены на фиг. 3 - 4.