SE462251B

SE462251B - SHORT-ASYNCHRONOUS MOTOR FOR FREQUENCY DRIVE DRIVE

Info

Publication number: SE462251B
Application number: SE8803518A
Authority: SE
Inventors: C Sadarangani
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1988-10-04
Filing date: 1988-10-04
Publication date: 1990-05-21
Also published as: SE8803518L; WO1990004280A1; SE8803518D0; AU4321289A

Description

462 25.1 sjunkande varvtal samtidigt som motorns egenkylning försämras med av- tagande varvtal. Speciellt utgör detta en nackdel vid sådana motordrifter där belastningen avtar med varvtalet, eftersom verkningsgraden där kommer att bli låg vid lägre varvtal. 462 25.1 decreasing speed at the same time as the engine's self-cooling deteriorates with decreasing speed. This is especially a disadvantage in such motor drives where the load decreases with the speed, since the efficiency there will be low at lower speeds.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen avser att åstadkomma en motor av inledningsvis angivet slag, där med bibehållande av motorns övriga egenskaper en reduktion av över- tonsförlusterna erhålles. Uppfinningen avser vidare att åstadkomma en motor, där den övertonsströmmarna begränsande differentiella läckreaktan- sen inom motorns normala arbetsområde ökar med avtagande belastning.DISCLOSURE OF THE INVENTION The invention intends to provide an engine of the type initially indicated, where while maintaining the other properties of the engine a reduction of the harmonic losses is obtained. The invention further intends to provide a motor in which the harmonic currents limiting the harmonic currents within the normal operating range of the motor increase with decreasing load.

Vad som kännetecknar en motor enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.a FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall i det följande beskrivas i anslutning till bifogade figurer 1-3. Figur 1 visar en del av ett snitt vinkelrätt mot rotations- axeln hos en motor enligt uppfinningen. Fig 2 visar mera i detalj ett rotorspår med angränsande delar av rotorkärnan. Figur 3 visar läckflöde som funktion av belastningsström hos motorn.What characterizes an engine according to the invention appears from the appended claims. FIGURE DESCRIPTION The invention will be described in the following in connection with the appended figures 1-3. Figure 1 shows a part of a section perpendicular to the axis of rotation of a motor according to the invention. Fig. 2 shows in more detail a rotor groove with adjacent parts of the rotor core. Figure 3 shows leakage flow as a function of load current of the motor.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Figur 1 visar en del av ett snitt genom en motor enligt uppfinningen i ett plan som är vinkelrätt mot motorns rotationsaxel. Motorn har en laminerad rotorkärna 1, dvs rotorkärnan är uppbyggd som ett plàtpaket, med plåtarnas plan parallella med figurens plan. I figuren visas även schematiskt motorns stator 2 och luftgapet 3 mellan rotorn och statorn. Luftgapets tjocklek är i figuren betecknad med d. Rotorn har ett flertal i huvudsak axiellt förlöpande och längs rotorns omkrets jämnt fördelade rotorledare 4, 5, 6 etc. I det visade exemlet utförs rotorlindningen av en s k gjuten burlindning, dvs rotorledarna utgörs av i rotorspåren ingjuten metall, exempelvis aluminium eller en aluminiumlegering. Mellan varje rotorledare och rotorns mot statorn vända yta ll är tunna slitsar H2, 52, 62 anordnade i rotorkärnan. Slitsarna löper i radiell riktning i huvudsak utefter hela avståndet mellan varje rotorledare och rotoryta 11. I axiell riktning löper slitsarna längs rotorns hela axiella utsträckning. Rotorspåren och 462 251 rotorledarna är droppformade, dvs deras mot rotorytan 11 vända delar är krökta, varigenom uppnås att avståndet mellan ett rotorspår och rotorytan är minst vid spårets centrala del och ökar mot sidorna av spåret.DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Figure 1 shows a part of a section through a motor according to the invention in a plane perpendicular to the axis of rotation of the motor. The motor has a laminated rotor core 1, ie the rotor core is constructed as a plate package, with the plane of the plates parallel to the plane of the figure. The figure also schematically shows the motor stator 2 and the air gap 3 between the rotor and the stator. The thickness of the air gap is denoted in the figure by d. The rotor has a plurality of substantially axially extending and evenly distributed rotor conductors 4, 5, 6 etc. along the circumference of the rotor. metal, for example aluminum or an aluminum alloy. Between each rotor conductor and the surface 11 of the rotor facing the stator, thin slots H2, 52, 62 are arranged in the rotor core. The slots run in the radial direction substantially along the entire distance between each rotor conductor and the rotor surface 11. In the axial direction the slots run along the entire axial extent of the rotor. The rotor grooves and the rotor conductors 462 251 are rotor-shaped, i.e. their parts facing the rotor surface 11 are curved, whereby it is achieved that the distance between a rotor groove and the rotor surface is at least at the central part of the groove and increases towards the sides of the groove.

Figur 2 visar mera i detalj den i ett rotorspår 41 anordnade rotorledaren 4 samt angränsande delar av rotorkärnan. Rotorspåret 41 har raka kanter 411, 412 samt cirkelbågformad botten 414 och topp 413. Krökningsradien hos rotorspårets toppdel är betecknad med R och krökningsradien hos spårets botten med r. Rotorspårets höjd är betecknad med H och avståndet mellan rotorspårets topp och rotorytan 11 är betecknat med h.Figure 2 shows in more detail the rotor conductor 4 arranged in a rotor groove 41 and adjacent parts of the rotor core. The rotor groove 41 has straight edges 411, 412 and circular arcuate bottom 414 and top 413. The radius of curvature of the top part of the rotor groove is denoted by R and the radius of curvature of the bottom of the groove by r .

Den mellan rotorspåret och rotorytan anordnade slitsen 42 sträcker sig i radiell riktning utefter väsentligen hela avståndet mellan rotorspåret och rotorytan. Närmast rotorspåret 41 är en brygga 43 anordnad. Denna brygga hindrar ledarmaterialet från att vid gjutningen tränga in i slitsen.The slot 42 arranged between the rotor groove and the rotor surface extends in radial direction along substantially the entire distance between the rotor groove and the rotor surface. Closest to the rotor groove 41 is a bridge 43. This bridge prevents the conductor material from penetrating into the slot during casting.

Närmast rotorytan 11 är vidare en andra brygga 44 anordnad i syfte att minska rotorns luftfriktionsförluster. De båda nu nämnda bryggorna utföres lämpligen med så liten utsträckning i radiell led som det av tillverk- ningstekniska skäl är möjligt att åstadkomma.Closest to the rotor surface 11, a second bridge 44 is further arranged in order to reduce the air friction losses of the rotor. The two bridges now mentioned are suitably constructed to such a small extent in the radial direction that it is possible to achieve for manufacturing technical reasons.

Den mellan rotorspåret och rotorytan belägna delen av rotorkärnan beteck- nas i figur 2 med hänvisningssiffran 7. Slitsens 42 bredd, dvs dess ut- sträckning i tangentiell riktning, betecknas i figuren med b.The part of the rotor core located between the rotor groove and the rotor surface is denoted in Figure 2 by the reference numeral 7. The width of the slot 42, ie its extension in the tangential direction, is denoted in the figure by b.

En motor enligt uppfinningen kan ha 28 rotorledare och i övrigt följande data: Märkspänning 380 V Märkström 155 A Märkvarvtal 9000 r/m Märkeffekt 80 kW Rotordiameter 211 mm och vidare de i figur 2 angivna måtten = 3,5 mm = 5,5 mm 27,5 mm _ 3,5 mm = 0,2 mm 2 mm. mdiïtrlbdtá u ||| 462 251 De båda bryggornas 43, 44 utsträckning i radiell led kan vara 0,2 mm.A motor according to the invention can have 28 rotor conductors and otherwise the following data: Rated voltage 380 V Rated current 155 A Rated speed 9000 r / m Rated power 80 kW Rotor diameter 211 mm and further the dimensions given in figure 2 = 3.5 mm = 5.5 mm 27 .5 mm _ 3.5 mm = 0.2 mm 2 mm. mdiïtrlbdtá u ||| 462 251 The extent of the two bridges 43, 44 in the radial direction can be 0.2 mm.

Vid en motor enligt uppfinningen är dimensioneringen så gjord att de centrala delarna av kärnpartierna 7, dvs delarna närmast slitsarna, vid märkström hos motorn arbetar vid magnetiseringskurvans knä eller nära detta knä. Såväl flöde som ström är tidsvariabla storheter och magneti- seringskurvan förutsätts i detta sammanhang avse effektivvärdena hos dessa båda storheter. Vid normalt förekommande plåtkvaliteter innebär det ovan nämnda villkoret att vid märkström hos motorn flödestätheten i de närmast slitsen 42 belägna delarna av rotorkärnan bör ligga mellan 1,5 T och 2,2 T för att fördelarna med uppfinningen skall erhållas.In a motor according to the invention, the dimensioning is made so that the central parts of the core portions 7, i.e. the parts closest to the slots, at rated current of the motor work at the knee of the excitation curve or near this knee. Both flow and current are time-variable quantities and the magnetization curve is assumed in this context to refer to the efficiency values of these two quantities. In the case of normally occurring sheet grades, the above-mentioned condition means that at a rated current of the motor, the flux density in the parts of the rotor core located closest to the slot 42 should be between 1.5 T and 2.2 T in order to obtain the advantages of the invention.

I figur 3 visas läckflöde LF som funktion av motorströmmen I. Med Il/1 betecknas motorns märkström och med Il/2 motorströmmen vid halv belast- ning. Kurvan A i figur 3 visar läckflödet som funktion av strömmen vid en tidigare känd maskin med slutna rotorspår. De mellan rotorspåren och rotorytan belägna delarna av rotorkärnan går i mättning redan vid låg motorström, vilket medför att kurvan A inom praktiskt taget hela delen av motorns belastningsområde utgörs av en praktiskt taget rät linje med låg lutning. Den differentiella reaktansen är därför som inledningsvis nämnts låg inom större delen av motorns arbetsområde, vilket ger de inledningsvis nämnda nackdelarna.Figure 3 shows the leakage flow LF as a function of the motor current I. With Il / 1 is denoted the rated current of the motor and with Il / 2 the motor current at half load. Curve A in Figure 3 shows the leakage flow as a function of the current in a previously known machine with closed rotor grooves. The parts of the rotor core located between the rotor grooves and the rotor surface saturate already at low motor current, which means that curve A within practically the entire part of the motor load range consists of a practically straight line with a low slope. The differential reactance is therefore, as initially mentioned, low within most of the working range of the engine, which gives the disadvantages mentioned initially.

Med B och C betecknas i figur 3 två exempel på motsvarande kurvor vid en maskin enligt uppfinningen. Utseendet hos dessa båda kurvor kan styras genom lämpligt val av dimensionerna hos slitsen 42 samt av dimensioner och form hos den mellan spåret och rotorytan belägna kärndelen 7. Som framgår av figur 3 är inom större delen av arbetsområdet (utom vid de lägsta be- lastningarna) lutningen hos kurvorna B och C större än lutningen hos kurvan A. Detta innebär att vid en maskin enligt uppfinningen den diffe- rentiella läckreaktansen är avsevärt högre än vid en tidigare känd maskin och därför övertonsförlusterna lägre. Som framgår av figur 3 ökar vidare lutningen hos kurvorna B och C väsentligt med avtagande ström. Detta innebär itt den differentiella läckreaktansen ökar när motorns belastning avtar, ;_lket av de inledningsvis angivna orsakerna medför väsentliga för- delar, i synnerhet vid sådana motordrifter där belastningsmomtentet avtar med varvtalet och frekvensen, t ex vid drift av kompressorer eller pumpar.B and C in Figure 3 denote two examples of corresponding curves in a machine according to the invention. The appearance of these two curves can be controlled by appropriate selection of the dimensions of the slot 42 and of the dimensions and shape of the core part 7 located between the groove and the rotor surface. As shown in Figure 3 is within most of the working area (except at the lowest loads) the slope of curves B and C is greater than the slope of curve A. This means that in a machine according to the invention the differential leakage reactance is considerably higher than in a previously known machine and therefore the harmonic losses are lower. As can be seen from Figure 3, the slope of curves B and C also increases significantly with decreasing current. This means that the differential leakage reactance increases when the engine load decreases, which for the reasons stated initially entails significant advantages, especially in those motor drives where the load torque decreases with speed and frequency, for example when operating compressors or pumps.

O) 462 251 Genom anpassning av slitsarnas bredd och av formen hos rotorspårets mot rotorytan vända del kan formen hos den kurva som anger läckflödet som funktion av strömmen styras inom vida gränser. Såväl rotorspårreaktansen som den differentiella rotorspårreaktansen kan därigenom optimeras för de vid varje motordrift rådande övertons- och belastningsförhållandena. Vid den ovan beskrivna motorn erhölls ett förhållande mellan de differentiella rotorspårreaktanserna vid halvbelastning resp vid märklast på cirka 3,6.By adapting the width of the slots and the shape of the part of the rotor groove facing the rotor surface, the shape of the curve indicating the leakage flow as a function of the current can be controlled within wide limits. Both the rotor track reactance and the differential rotor track reactance can thereby be optimized for the harmonic and load conditions prevailing at each motor operation. In the engine described above, a ratio between the differential rotor track reactances at half load and at rated load of about 3.6 was obtained.

Det har visat sig att för att väsentliga fördelar skall åstadkommas nämnda förhållande inte bör understiga 1,25. Vid omriktarmatade motorer av aktuellt slag blir motorns maximala moment lägre vid dellast än vid märk- ström. Vid motorer enligt uppfinningen blir denna reduktion av maximal- momentet mindre än vid tidigare kända motorer, vilket utgör en ytterligare fördel hos en motor,enligt uppfinningen.It has been found that in order for significant benefits to be achieved the said ratio should not be less than 1.25. In the case of inverter motors of the type in question, the maximum torque of the motor is lower at partial load than at rated current. In the case of motors according to the invention, this reduction of the maximum torque becomes smaller than in the case of previously known motors, which constitutes an additional advantage of a motor, according to the invention.

Den ovan beskrivna motorn utgör endast ett exempel på hur en motor kan utformas enligt uppfinningen. Uppfinningen är sålunda tillämpbar vid motorer med andra typer av rotorlindningar än gjutna burlindningar, exempelvis stavlindningar. Fördelarna hos uppfinningen erhålles i högsta möjliga grad vid en motor som dels har de ovan beskrivna slitsarna och dels uppvisar den ovan beskrivna krökta formen hos rotorspårens mot rotorytan vända delar. Vid en motor enligt uppfinningen kan dock slitsarna 42 etc slopas i vissa rotorplåtar eller i alla rotorplåtarna. Likaså kan rotorspårens mot rotorytan vända delar ges en annan form än den ovan beskrivna cirkelbågformen. Väsentligt för att fördelarna med uppfinningen skall erhållas är dock att formen hos rotorspårets mot rotorytan vända del och avståndet h är så valda att en i tangentiell riktning begränsad del av kärnpartiet 7 ovanför varje rotorspår arbetar vid eller nära magnetise- ringskurvans knä. Som ett alternativ till slitsarna 42 etc kan motsvarande delar av rotorplåtarna behandlas, t ex mekaniskt eller termiskt så att deras magnetiska egenskaper försämras. Bryggorna 44 närmast rotorytan 11 ger en väsentlig sänkning av friktionsförlusterna vid motorer som arbetar vid höga varvtal. I de fall friktionsförlusterna är av mindre betydelse, t ex vid lågvarviga motorer, kan dessa bryggor slopas. I de fall rotor- lindningen icke utgöres av en gjuten burlindning kan likaså bryggorna 43 närmast rotorspåret slopas.The engine described above is only an example of how an engine can be designed according to the invention. The invention is thus applicable to motors with other types of rotor windings than cast cage windings, for example rod windings. The advantages of the invention are obtained to the highest possible degree with an engine which partly has the slits described above and partly has the above-described curved shape of the parts of the rotor grooves facing the rotor surface. In the case of a motor according to the invention, however, the slots 42 etc. can be eliminated in certain rotor plates or in all the rotor plates. Likewise, the parts of the rotor grooves facing the rotor surface can be given a different shape than the circular arc shape described above. Essential for obtaining the advantages of the invention is, however, that the shape of the part of the rotor groove facing the rotor surface and the distance h are chosen so that a tangentially limited part of the core portion 7 above each rotor groove acts at or near the knee of the excitation curve. As an alternative to the slots 42, etc., corresponding parts of the rotor plates can be treated, for example mechanically or thermally, so that their magnetic properties deteriorate. The bridges 44 closest to the rotor surface 11 provide a significant reduction of the friction losses in motors operating at high speeds. In cases where the friction losses are of minor importance, for example in the case of low-speed motors, these bridges can be eliminated. In cases where the rotor winding does not consist of a cast cage winding, the bridges 43 closest to the rotor groove can also be eliminated.

Den ovan beskrivna motorn enligt uppfinningen kan med fördel användas tillsammans med en frekvensomriktare som styrs så att motorns luftgaps- flöde ökar vid minskande varvtal. Härigenom fås en omfördelning av för-The motor according to the invention described above can advantageously be used together with a frequency converter which is controlled so that the air gap flow of the motor increases with decreasing speed. This results in a redistribution of

Claims

462 251 lusts so that the iron losses in the motor increase while the copper losses decrease due to reduced stator and rotor currents. This, together with the groove shape according to the invention, gives an increase in the leakage reactance and thus a reduction in the harmonic losses. PATENT REQUIREMENTS

Short-circuited asynchronous motor for frequency drive operation with a rotor having a core (1) with a plurality of axially extending rotor grooves (41), in which rotor conductors are arranged and in which the rotor core between each rotor groove and the rotor surface (11) has a core portion (7) characterized in that these core portions (7) are designed so that at rated current of the motor the flux density caused by the leakage fields of the rotor conductors within the portions is such that at least some part of each portion works at the knee of the excitation curve.

Short-circuited asynchronous motor according to claim 1, characterized in that said core portions (7) are designed such that at rated current of the motor the flux density caused by the leakage field of the rotor conductors in at least some part of each core portion (7) is between 1.5 T and 2.2 T.

Short-circuited asynchronous motor according to any one of the preceding claims, characterized in that said core portions (7) are designed such that the differential reactance of the motor with respect to the leakage field is at least 1.25 times greater at a motor current rising to half the rated current than at rated current.

Short-circuited asynchronous motor according to any one of the preceding claims, wherein the rotor core (1) consists of a plate package, characterized in that at least some of the plates within said core portions (7) are provided with radially directed slots (42) between each rotor groove (41). ) and the rotor surface (11).

The short circuit according to claim 4 in a motor with a cast cage winding, characterized in that the slots (42) closest to the rotor grooves (41) are provided with bridges (43) to prevent the conductor material from penetrating the slots during casting. n 1:62 251

Short-circuited asynchronous motor according to one of the preceding claims, characterized in that the parts of the rotor grooves (41) facing the rotor surface (11) are curved so that the distance between each groove and the rotor surface is at least at the central part of the groove and increases towards the groove edges.

Short-circuited asynchronous motor according to claim 6, characterized in that the core portions (7) between the rotor grooves (41) and the rotor surface (11) are designed such that at rated current of the motor the flux density caused by the leakage fields of the rotor conductors is such that said central part of each core portion works at the knee of the excitation curve.

Short-circuited asynchronous motor according to claim 7, characterized in that the flux density caused by the leakage field within said central part is between 1.5 T and 2.2 T.