PL225066B1 - Pręty klatki wirnika silnika indukcyjnego głębokożłobkowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku są pręty klatki wirnika silnika indukcyjnego głębokożłobkowego, wykonanej techniką prętowania, zwłaszcza silnika dużej mocy, przewidzianego do eksploatacji przy dużej ilości rozruchów.

Uzwojenia wirników silników indukcyjnych klatkowych dużej mocy wykonywane są najczęściej techniką prętowania: wykonane z miedzi pręty klatki łączone są z pierścieniami zwierającymi metodą lutowania lub spawania. Jednym z rozwiązań wirnika silnika indukcyjnego dużej mocy jest wirnik jednoklatkowy, głębokożłobkowy. Wysoki, smukły pręt klatki (najczęściej o przekroju w kształcie prostokąta, trapezu, lub litery „L”) pozwala na dobre wykorzystanie fizycznego zjawiska wypierania prądu, które występuje w prętach klatki w początkowej fazie rozruchu, oraz znacząco poprawia parametry rozruchowe silnika (zwiększa moment obrotowy, zmniejsza prąd rozruchowy).

W czasie rozruchu silnika dużej mocy na pręty klatki wirnika działa szereg zjawisk fizycznych zagrażających trwałości klatki. Na ułożoną w pakiecie blach część prętów klatki działa siła elektrodynamiczna będąca efektem współdziałania płynącego w prętach prądu o dużym natężeniu, oraz m agnetycznego strumienia rozproszenia żłobkowego wirnika. Jest to siła pulsująca o częstotliwości podwojonej w stosunku do częstotliwości prądu wirnika. Siła ta jest odwrotnie proporcjonalna do szerokości żłobka. W wirnikach głębokożłobkowych o smukłym kształcie prętów może ona osiągać znaczne wartości. Znanym sposobem zabezpieczenia prętowanego wirnika klatkowego od niszczącego działania żłobkowej siły elektrodynamicznej jest ciasne osadzanie prętów w żłobkach poprzez podbijanie ich klinami, lub odpowiednie rozpęczanie prętów, jak ujawniono m.in. w opisach: PL 165445, PL 208684, JP 53008708, GB 1044574. Rozwiązania te zwiększają trwałość klatki, jednak ich skuteczność zmniejsza się w trakcie eksploatacji silnika; pręty w żłobkach mimo zabezpieczeń, z upływem czasu zwiększają swój luz, co prowadzi do powstawania drgań, a następnie pękania prętów.

Podczas rozruchu dłuższego, trwającego kilkanaście lub kilkadziesiąt sekund, oprócz narażeń od sił elektrodynamicznych występują w klatce znaczne narażenia termiczne. W wysokich, smukłych prętach (gdzie wykorzystuje się zjawisko wypierania prądu) powstaje duży gradient temperatury na wysokości pręta, wywołujący w pręcie momenty i naprężenia zginające. Również rozszerzalność cieplna pierścieni zwierających jest przyczyną powstawania w pręcie naprężeń ścinających i zginających. W niektórych silnikach klatkowych (zwłaszcza eksploatowanych w napędach trakcyjnych) podczas ich rozruchu występują silne drgania obwodowe pozapakietowej części klatki. Drgania te są ró wnież przyczyną naprężeń w prętach.

Maksimum naprężeń w prętach, zarówno tych pochodzących od sił elektrodynamicznych, naprężeń termicznych, oraz naprężeń od drgań obwodowych występuje w miejscu połączenia pręta z pierścieniem. Połączenie to jest sztywne, ponadto w tym miejscu znajduje się skokowa zmiana przekroju obciążanej konstrukcji, skutkująca dodatkowym spiętrzaniem naprężeń. W tym miejscu właśnie, w czasie eksploatacji silnika, najczęściej zdarzają się pęknięcia i przełamania klatki.

Ograniczenie naprężeń na połączeniach prętów z pierścieniami zwierającymi można uzyskać przez zmniejszanie sztywności tego połączenia. Znane są sposoby zmniejszenia sztywności połączenia poprzez odpowiednie uformowanie (drogą obróbki) poprzecznego przekroju pierścieni zwierających oraz dodatkowe promieniowe nacinanie pierścieni między sąsiednimi prętami. Mankamentem jest tu wzrost kosztów wykonania silnika. Ponadto miejsca nacięć w pierścieniach są potencjalnymi ogniskami rozwoju zmęczeniowych pęknięć materiału.

Jeszcze innym sposobem zwiększenia odporności klatki wirnika może być zwiększenie elastyczności pręta klatki przez zastąpienie jednolitego pręta zbiorem kilku równoległych przewodów elementarnych, jak opisano w zgłoszeniu patentowym PL404226, wykonawstwo takiego wirnika jest jednak skomplikowane.

Pręty klatki wirnika silnika indukcyjnego głębokożłobkowego według wynalazku charakteryzują się tym, że końcówki każdego pręta mają nacięcia poprzecznie i nacięcia podłużne, bądź tylko nacięcia poprzeczne. Korzystnie jeśli głębokość nacięć poprzecznych jest różna, przy czym najmniejsza głębokość nacięć znajduje się od strony zewnętrznej żłobka, a największa głębokość nacięć jest od strony dna żłobka. Głębokość nacięć podłużnych może być większa, bądź mniejsza od głębokości nacięć poprzecznych.

Klatka wirnika silnika głębokożłobkowego z naciętymi końcówkami prętów ma większą elastyczność miejsca połączenia prętów z pierścieniami zwierającymi, w stosunku do prętów o końcówPL 225 066 B1 kach litych. Naprężenia mechaniczne w prętach z końcówkami naciętymi, w strefie połączenia z pierścieniami, są mniejsze. Połączenia takie, a więc i cała klatka, mają większą trwałość.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie rozwiązania na rysunkach fig. 1 i fig. 2, na których fig. 1 przedstawia połączenie pręta z pierścieniem zwierającym, a fig. 2 przedstawia końcówkę pręta z trzema nacięciami poprzecznymi i jednym nacięciem podłużnym. Nacięcia poprzeczne 5 są nacięciami obwodowymi, czyli prostopadłymi do osi żłobka. Nacięcia podłużne 6 są nacięciami promieniowymi, czyli wykonanymi w osi żłobka. Pręty 4 klatki wirnika 1 silnika indukcyjnego głębokożłobkowego mają nacięte końcówki. Końcówki każdego pręta 4 mają nacięcia poprzecznie 5 i nacięcia podłużne 6, bądź tylko nacięcia poprzeczne 5. Nacięcia poprzeczne 5 mają różną głębokość, najmniejsza głębokość nacięcia 5 jest od strony zewnętrznej żłobka, a największa głębokość nacięcia od strony dna żłobka, czyli od strony wału 2. Głębokość nacięć podłużnych 6 może być większa, bądź mniejsza od głębokości nacięć poprzecznych 5. Na rysunkach fig. 1 i fig. 2 końcówka pręta 4 ma trzy nacięcia poprzeczne 5 i jedno nacięcie podłużne 6. Liczba nacięć poprzecznych 5 może być inna, np. jedno, dwa, trzy lub więcej. Pręty wąskie, o grubości około 5 mm, nacięć podłużnych 6 nie mają. Pręty grubsze mogą mieć jedno, czasem dwa, nacięcia podłużne 6. Nacięcia 5 i 6, na końcach każd ego pręta 4, zmniejszają sztywność miejsca połączenia prętów 4 z pierścieniem 3 i uelastyczniają to połączenie.

Klatka wirnika z prętami, które na końcach mają wykonane dwa, trzy lub więcej nacięć poprzecznych 5 oraz co najmniej jedno nacięcie podłużne 6, charakteryzuje się większą elastycznością strefy sztywnego połączenia prętów 4 z pierścieniami 3. Połączenie to może być zgrzewane, lutowane bądź spawane. W strefie połączeń występują mniejsze naprężenia w porównaniu z prętami o końcówkach litych. Nacięcia poprzeczne 5 łagodzą naprężenia działające w kierunku dna żłobków, pochodzące od żłobkowej siły elektrodynamicznej, naprężenia termiczne pochodzące od gradientu temperatury w przekroju pręta oraz naprężenia od rozszerzalności cieplnej pierścieni zwierających. Nacięcia podłużne łagodzą naprężenia od drgań obwodowych pozapakietowej części klatki wirnika.

Claims (3)

1. Pręty klatki wirnika silnika indukcyjnego głębokożłobkowego, znamienne tym, że końcówki każdego pręta mają nacięcia poprzecznie (5) i nacięcia podłużne (6), bądź tylko nacięcia poprzeczne (5).

2. Pręty klatki wirnika według zastrz. 1, znamienne tym, że nacięcia poprzeczne (5) mają różną głębokość, najmniejszą głębokość mają nacięcia (5) od strony zewnętrznej żłobka, a największą głębokość mają nacięcia od strony dna żłobka.

3. Pręty klatki wirnika według zastrz. 1, znamienne tym, że głębokość nacięć podłużnych (6) może być większa, bądź mniejsza od głębokości nacięć poprzecznych (5).