Przedmiotem wynalazku jest klatka wirnika silnika indukcyjnego głębokożłobkowego, zwłaszcza silnika dużej mocy, przewidzianego do dużej ilości rozruchów, załączanego bezpośrednio na sieć, wykonana techniką prętowania.The subject of the invention is a rotor cage of a deep-groove induction motor, especially a high-power motor, designed for a large number of starts, connected directly to the network, made with the use of the rod-forming technique.
Uzwojenia wirników silników indukcyjnych klatkowych dużej mocy są umieszczane w żłobkach o różnych kształtach. Na rysunkach fig. 1, fig. 2 i fig. 3 pokazano trzy charakterystyczne kształty żłobków: fig. 1 przedstawia żłobek o przekroju prostokątnym, fig. 2 żłobek o przekroju stopniowanym złożony z dwóch prostokątów, a na rysunku fig. 3 żłobek o równoległych ściankach bocznych i łukowych ściankach wewnętrznej i zewnętrznej. W żłobkach są ułożone pręty lite, zazwyczaj miedziane, o sm ukłym kształcie. Na rysunku fig. 4 pokazano lity pręt 4 uzwojenia wirnika umieszczony w żłobku prostokątnym 1. Pręty 4 na zewnątrz, poza pakietem blach wirnika, są zwarte pierścieniami miedzianymi, tworząc klatkę. Takie rozwiązanie uzwojenia wirnika jest rozwiązaniem standardowym. Duży wymiar promieniowy prętów pozwala na dobre wykorzystanie fizycznego zjawiska wypierania prądu, które występuje w prętach klatki w początkowej fazie rozruchu i znacząco poprawia parametry rozruchowe (zwiększa moment rozruchowy a zmniejsza prąd) silnika. W czasie rozruchu silnika na pręty klatki działa duża żłobkowa siła elektrodynamiczna będąca efektem współdziałania płynącego w prętach klatki prądu o wielkim natężeniu, oraz strumienia magnetycznego rozproszenia żłobkowego wirnika. Jest to siła pulsująca o częstotliwości podwojonej w stosunku do częstotliwości prądu wirnika, skierowana jest do dna żłobka. Siła ta jest odwrotnie proporcjonalna do szerokości żłobka. W wirnikach głębokożłobkowych o smukłym kształcie prętów litych może ona osiągać znaczne wartości. Naprężenia zginające w węzłach: pręty pierścienie, wywołane przez tę siłę, stanowią poważne zagrożenie dla trwałości ustroju klatki. Maksimum naprężeń występuje w miejscu połączenia prętów z pierścieniami zwierającymi, tutaj też najczęściej zdarzają się pęknięcia i przełamania prętów klatki podczas eksploatacji silnika, przy jego kolejnych rozruchach. Znanym sposobem zabezpieczenia prętowanego wirn ika klatkowego od niszczącego działania żłobkowej siły elektrodynamicznej jest ciasne, promieniowe osadzanie prętów w żłobkach poprzez podbijanie klinami lub rozpęczanie prętów, jak ujawniono m.in. w opisach PL 165445, PL 208684, JP 53008708, GB 1044574. Rozwiązania te zwiększają trwałość klatki wirnika, jednak ich skuteczność zmniejsza się w trakcie eksploatacji. Pręty w żłobkach, mimo tych zabezpieczeń z upływem czasu zwiększają swój luz promieniowy, co prowadzi do drgań a następnie pęknięć od sił elektrodynamicznych. Innym sposobem zmniejszania naprężeń na połączeniach prętów z pierścieniami zwierającymi może być zmniejszanie sztywności tego połączenia. Znane są sposoby zmniejszenia sztywności połączenia prętów z pierścieniami. Jednym z nich jest podzielenie pręta na przewody równoległe. Na rysunku fig. 5 pokazano podział pręta w żłobku prostokątnym 1 na cztery przewody 5 równoległe o jednakowych wymiarach. Drugim rozwiązaniem jest odpowiednie uformowanie kształtu pierścieni zwierających oraz ich promieniowe nacinanie między sąsiednimi prętami. Mankamentem jest wzrost kosztów wykonania uzwojenia. Ponadto miejsca nacięć w pierścieniach stanowią potencjalne ogniska rozwoju zmęczeniowych pęknięć materiału klatki. Znane jest także z opisu GB 146,242 rozwiązanie uzwojenia klatkowego wirnika w którym pręty miedziane wirnika są podzielone na przewody równoległe k. Przewody k są przeplatane, a między przewodami k są umieszczone w żłobkach cienkie przekładki (blaszki) żelazne e. Podział prętów wirnika na przewody k i ich przeplatanie ma na celu wyrównywanie rozkładu gęstości prądu w prętach w czasie rozruchu silnika. Celem przekładek żelaznych e jest izolacja między przewodami k i zwiększenie strumienia rozproszenia żłobkowego, co skutkuje wzrostem reaktancji uzwojenia wirnika. Obydwa te zabiegi powodują zmniejszenie prądu rozruchowego silnika i pozwalają kształtować charakterystykę momentu rozruchowego silnika. Rozwiązanie to nie usztywnia przewodów w żłobku, które pod wpływem zmiennych sił elektrodynamicznych drgają, co powoduje zmęczeniowe łamanie ich końcówek.The rotor windings of high-power squirrel-cage induction motors are placed in slots of various shapes. Figures 1, 2 and 3 show three characteristic shapes of grooves: Figure 1 shows a groove with a rectangular cross-section, Figure 2 shows a groove with a stepped cross-section composed of two rectangles, and in Figure 3 a groove with parallel walls side and arched inner and outer walls. Solid bars, usually copper, of a smooth shape are placed in the grooves. Figure 4 shows the solid bar 4 of the rotor winding placed in a rectangular slot 1. The bars 4 on the outside, apart from the bundle of rotor sheets, are compact with copper rings to form a cage. This rotor winding is a standard solution. The large radial dimension of the bars allows for good use of the physical phenomenon of current displacement that occurs in the bars of the cage in the initial stage of the start-up and significantly improves the starting parameters (increases the starting torque and reduces the current) of the motor. During the engine start-up, a large groove electrodynamic force acts on the cage bars, which is the effect of the interaction of the high intensity current flowing in the cage bars and the magnetic flux of the rotor slot. It is a pulsating force with double the frequency of the rotor current, directed towards the bottom of the slot. This force is inversely proportional to the width of the slot. In deep-groove rotors with slender solid rod shapes, it can reach considerable values. Bending stresses at the nodes: bars and rings caused by this force pose a serious threat to the durability of the cage structure. The maximum stresses occur at the point where the bars connect with the shorting rings, here, too, cracks and fractures of the cage bars occur most frequently during the engine operation, with its subsequent starts. A known method of securing a squirrel cage rotor from the destructive effect of a groove electrodynamic force is to tightly, radially embed the rods in the slots by tamping with wedges or expanding the rods, as disclosed in in the descriptions PL 165445, PL 208684, JP 53008708, GB 1044574. These solutions increase the durability of the rotor cage, but their effectiveness decreases during operation. The bars in the slots, despite these safeguards, increase their radial clearance with time, which leads to vibrations and then cracks due to electrodynamic forces. Another way to reduce the stress on the connections of the rods with the shortening rings may be to reduce the stiffness of this connection. There are known methods of reducing the stiffness of the connection of bars with rings. One is to divide the rod into parallel wires. Figure 5 shows the division of a bar in a rectangular slot 1 into four parallel conductors 5 of equal dimensions. The second solution is to properly shape the shortening rings and cut them radially between adjacent bars. The drawback is the increase in winding costs. In addition, the notch locations in the rings are potential foci of fatigue cracks in the cage material. Also known from GB 146,242 is the solution of the rotor cage winding in which the copper bars of the rotor are divided into parallel conductors k. The conductors k are interlaced, and between the conductors k there are thin iron spacers (plates) e placed in the grooves. The division of the rotor rods into conductors ki their interleaving is aimed at leveling the current density distribution in the bars during engine start-up. The purpose of the iron spacers e is to insulate between the conductors k and to increase the groove flux, which results in an increase in the reactance of the rotor winding. Both these measures reduce the starting current of the motor and allow to shape the characteristics of the starting torque of the motor. This solution does not stiffen the wires in the slot, which vibrate under the influence of variable electrodynamic forces, which causes fatigue breaking of their tips.
Według wynalazku klatka wirnika silnika indukcyjnego głębokożłobkowego w którym pręty uzwojenia wirnika, na wysokości żłobków, składają się z kilku przewodów równoległych zwartych na czołach pierścieniami charakteryzuje się tym, że między przewodami jest umieszczony płaski pręt metalowy korzystnie niemagnetyczny, nie połączony z pierścieniami zwierającymi.According to the invention, the rotor cage of a deep-groove induction motor in which the rotor winding rods, at the height of the slots, consist of several parallel conductors shorted at the ends by rings, characterized in that a flat metal rod, preferably non-magnetic, is placed between the conductors, not connected to the shorting rings.
Pręt ten posiada odpowiednio dobraną grubość, tak aby ograniczyć promieniowe luzy zespołu prętów przewodzących prąd i tym samym ograniczyć ich drgania występujące w trakcie rozruchu.This bar has a suitably selected thickness to limit the radial clearances of the set of current-carrying bars and thus limit their vibrations occurring during start-up.
Przedmiot wynalazku pokazano na rysunkach na których: fig. 6 przedstawia pręt dzielony w żłobku prostokątnym z klinem metalowym w środku, fig. 7 pręt dzielony w żłobku stopniowanym z klinem metalowym w środku i fig. 8 pręt dzielony w żłobku o ściankach łukowych z klinem metaloPL 224 891 B1 wym w środku. Według wynalazku każdy pręt 4, uzwojenia wirnika, na wysokości żłobka 1 składa się z kilku przewodów 5 równoległych zwartych na czołach pierścieniami, przy czym między przewodami 5 jest umieszczony pręt 6 metalowy, korzystnie niemagnetyczny i nie połączony z pierścieniami zwierającymi. Na rysunku fig. 6 w żłobku prostokątnym 1 znajdują się cztery przewody 5 równoległe o jednakowych wymiarach, a w środku między przewodami 5 jest wbity pręt metalowy 6 niemagnetyczny i nie połączony z pierścieniami zwierającymi, który pełni funkcje klina usztywniającego przewody 5 w żłobku. W żłobku prostokątnym stopniowanym 2 są umieszczone cztery przewody szersze 5.1 i trzy przewody węższe 5.2 dopasowane do szerokości żłobka 2, a między przewodami 5.1 jest wbity pręt metalowy 6 niemagnetyczny i nie połączony z pierścieniami zwierającymi, jak to pokazano na rysunku fig. 7. W żłobku o ściankach łukowych 3 są umieszczone cztery przewody: dwa prostokątne 5.3 i dwa o ściankach łukowych 5.4 dopasowanych do łuków ścianek żłobka 3, a między przewodami 5.3 jest wbity pręt metalowy 6 niemagnetyczny i nie połączony z pierścieniami zwierającymi, jak to pokazano na rysunku fig. 8. Przewody 5 w żłobku mają sumaryczne przekrój w przybliżeniu równy przekrojowi pręta litego 4, jak na rysunku fig. 4. We wszystkich wyżej wymienionych rozwiązaniach uzwojenia wirnika przewody na czołach są zwarte dwoma pierścieniami, podobnie jak pręty lite 4, tworząc klatkę uzwojenia. Pręt 6, wbity z odpowiednią siłą, eliminuje luzy promieniowe przewodów 5 w żłobku zabezpieczając je przed drganiami.The subject of the invention is shown in the drawings, where: Fig. 6 shows a bar divided in a rectangular slot with a metal wedge in the middle, Fig. 7 a divided bar in a stepped slot with a metal wedge in the middle and Fig. 8 a bar divided in a slot with curved walls with a metal wedge 224,891 B1 inside. According to the invention, at the height of the slot 1, each rotor winding rod 4 consists of several parallel conductors 5, short-circuited at their ends, and a metal rod 6, preferably non-magnetic, and not connected to the short-circuiting rings, placed between the conductors 5. In Fig. 6, in the rectangular slot 1 there are four parallel conductors 5 of equal dimensions, and in the center between the conductors 5 is a non-magnetic metal rod 6 driven in and not connected to the shorting rings, which acts as a wedge stiffening the conductors 5 in the slot. In the rectangular stepped slot 2 there are four wider conductors 5.1 and three narrower conductors 5.2 adjusted to the width of the slot 2, and a non-magnetic metal rod 6 is hammered between the conductors 5.1 and not connected with the shorting rings, as shown in Fig. 7. In the slot with curved walls 3 there are four conductors: two rectangular 5.3 and two with curved walls 5.4 fitted to the curves of the groove walls 3, and between the conductors 5.3 a metal rod 6 is driven, non-magnetic and not connected with shorting rings, as shown in Fig. 8 The conductors 5 in the slot have a total cross-section approximately equal to that of the solid bar 4 as shown in Fig. 4. In all the above-mentioned designs of the rotor winding, the conductors at the ends are short-circuited with two rings, similar to the solid bars 4, forming a winding cage. The rod 6, driven in with appropriate force, eliminates the radial play of the conductors 5 in the slot, securing them against vibrations.
Uzwojenie klatkowe głębokożłobkowe wirnika silnika indukcyjnego, w tym wykonaniu, ma kilka zalet. Zastąpienie litych prętów 4 klatki, według dotychczasowych rozwiązań, prętami składającymi się z kilku przewodów 5 równoległych, o znacznie mniejszych wymiarach na wysokości żłobków, ułatwia wykonanie uzwojenia. W wirnikach o żłobkach prostokątnych stopniowanych 2, korzystnych ze względu na osiągane parametry rozruchowe silnika, stosuje się handlowe przewody o przekroju prostokątnym bez konieczności ich dopasowywania do wymiarów żłobków 2. Przewody 5 mają, w porównaniu z przewodami litymi 4, większą elastyczność w kierunku promieniowym, co sprawia że żłobkowa siła elektrodynamiczna nie wywołuje w węzłach połączenia przewodów 5 z pierścieniami naprężeń niebezpiecznych. Ponadto elastyczność pozapakietowej części prętów klatki zmniejsza naprężenia zginające powstające w klatce od rozszerzalności cieplnej pierścieni zwierających, która m a miejsce podczas każdego rozruchu silnika.The deep-groove rotor cage winding of an induction motor in this embodiment has several advantages. Replacing the solid bars 4 of the cage, according to the previous solutions, with bars consisting of several parallel conductors, with much smaller dimensions at the height of the slots, facilitates the production of the winding. In rotors with rectangular, stepped 2 slots, which are advantageous due to the motor start-up parameters, commercial conductors with a rectangular cross-section are used without the need to adjust them to the dimensions of the slots 2. Conductors 5 have, compared to solid conductors 4, greater flexibility in the radial direction, which causes that the groove electrodynamic force does not cause dangerous stresses in the nodes of connection of wires 5 with rings. In addition, the flexibility of the off-package part of the cage bars reduces the bending stresses arising in the cage from the thermal expansion of the short-circuiting rings that occurs during each engine start-up.