С.В. Леонов,
Томский политехнический
университет
В ряде отраслей промышленности
при автоматизации технологических процессов требуется решать вопросы
герметичного исполнения оборудования, содержащего подвижные части различных
приводных устройств. Актуальность герметизации отдельных установок несомненна в
связи с высокой степенью химической активности перерабатываемых веществ,
представляющих потенциальную опасность не только для технологического
оборудования, но и для окружающей биологической среды.
Существует несколько способов
герметизации приводных устройств:
1) установка сальниковых и
торцевых уплотнений;
2) поддержание разности
давлений между рабочей зоной и внешней средой;
3) применение герметизирующих
экранов разделяющих рабочую зону и внешнюю среду.
Часто задачи герметизации
решаются путём использования электрических машин с сальниковыми уплотнениями.
Тем не менее, ни одна из существующих конструкций сальников не обеспечивает
надежного уплотнения вала, особенно под действием высокого давления. На практике
показателем нормального состояния и удовлетворительной работы сальникового
уплотнения принято считать наличие небольшого просачивания жидкости через зазор
между набивкой и поверхностью вала, то есть негерметичность. Вследствие
ненадежной работы уплотнений требуется постоянное наблюдение за работой
механизмов, а также частая замена изнашиваемых частей [1].
Вопрос “абсолютной”
герметизации можно решить путем применения специально спроектированных
герметичных электромеханических устройств. К ним можно отнести магнитные муфты и
электрические машины, имеющие в конструкции немагнитный экран установленный
непосредственно в воздушном зазоре.
Достоинством магнитных муфт
считается использование в их составе редкоземельных постоянных магнитов,
позволяющих создавать в единице объема высокий магнитный момент недостижимый
электромагнитным способом. Однако, в регулируемых электроприводах и в
конструкциях с ограниченными массогабаритными показателями, использование
магнитной муфты не всегда целесообразно и в некоторых случаях невозможно.
Учитывая последнее обстоятельство, авторами статьи выполняются исследования в
области создания новых видов герметичных электрических машин [2, 3].
Впервые патент на конструкцию
герметичной электрической машины (ГЭМ) был выдан в 1914 году, однако активное
промышленное использование началось только с развитием атомной энергетики.
Герметизирующий немагнитный экран устанавливается в рабочем воздушном зазоре и
имеет в цилиндрической машине форму стакана, в котором на подшипниковых опорах
вращается ротор. Функциональное назначение статорной перегородки – это
локализация вредных веществ в пределах технологического оборудования и
сохранность параметров изоляции обмотки статора. Перегородка испытывает действие
разнообразных сил и механических напряжений, обусловленных нагревом, поэтому
материал перегородки должен быть механически прочным и коррозионностойким к
агрессивной среде, например нержавеющая сталь или нихром. В последнее время
механические свойства отдельных видов пластмасс и керамики не уступают металлам,
поэтому данные материалы могут быть использованы при изготовлении немагнитного
экрана. Тем не менее, далее будем рассматривать самый худший, с позиций
энергетики, вариант, у которого экран выполнен из нержавеющей стали.
В настоящее время,
промышленностью в основном выпускаются герметичные асинхронные двигатели с
номинальными частотами вращения 1500 и 3000 об/мин. Соответственно в
токопроводящем экране могут протекать токи с частотами до 50 Гц при условии, что
машина не подключена к регулируемому преобразователю частоты. С точки зрения
электромагнитных процессов экран для электрической машины представляет собой
дополнительную активно-индуктивную нагрузку. Несмотря на увеличение
сопротивления индуктивной составляющей с ростом частоты питающего тока, активная
составляющая остается неизменной и определяет потери машины, которые
прямолинейно зависят от частоты питающего тока. В целом, использование
асинхронной машины в составе герметичного двигателя нежелательно, так как
необходимо передавать через экран электромагнитную мощность для создания
активной составляющей тока ротора (т.е. приводного момента).
В промышленности в основном требуются герметичные электрические машины,
работающие в двигательном режиме. При этом механизмы, для которых создается
электропривод, чаще нуждаются в существенно более низких частотах вращения или
скоростях перемещения. Традиционным решением в таких случаях является
высокоскоростной двигатель, работающий совместно с редуктором. Анализ с позиций
наибольшей эффективности приводит к выводу, что суммарная масса, габаритные
размеры, стоимость и КПД при таком подходе в достаточно большом классе
применений весьма существенно отличаются от соответствующих параметров самих
двигателей. Поэтому, на наш взгляд, большой практический интерес представляет
безредукторный электропривод, т.е. герметичный низкоскоростной электродвигатель.
Кроме того, так как номинальная производительность машин, подающих воду, сыпучие
материалы или другое сырье, выбирается, зачастую с большим запасом, то возникает
необходимость регулирования режимов их работы.
Стремление к улучшению
технико-экономических показателей электрических машин, удовлетворение
потребностей современной усложняющейся технологии производства и, наконец,
достижения в получении новых материалов подталкивают к поиску новых решений
обозначенной проблемы.
Данная техническая задача
решается путём применения дисковой электрической машины. В герметичной
электрической машине (ГЭМ) дискового типа изображённой на рис. 1 статорная
перегородка выполнена в виде обычного листа металла. Статор составляют стержни,
шихтованные из электротехнической стали, с уложенной на них трехфазной обмоткой.
Стержни закреплены на корпусе машины и окружены статорной перегородкой.

1 – полюс ротора, 2 – стержень статора, 3 – обмотка, 4 –
герметичная перегородка
Рис.1. Конструкция дисковой
ГЭМ
Очевидным преимуществом
дисковой конструкции ГЭМ, является более высокий момент на единицу объёма
ротора. Этот факт нельзя не учитывать, так как вследствие увеличения воздушного
зазора (из-за статорной перегородки), при одном и том же значении
магнитодвижущей силы, уменьшается магнитное поле в зазоре и как следствие
снижается электромагнитный момент. Однако надо заметить, что магнитное поле
создаваемое с помощью современных постоянных магнитов на основе редкоземельных
элементов хоть и зависит от величины воздушного зазора, но является практически
линейной функцией и даже в разомкнутой магнитной системе не снижается менее 0,25
Тл. Отсутствие ярма статора в данной конструкции снижает влияние потоков
рассеяния и позволяет разработать машину со сравнительно малой индуктивностью
обмоток [2].
Данная конструкция
электрической машины обладает очевидным недостатком, связанным с явнополюсным
исполнением магнитной системы малого диаметра. У машины проявляются значительные
«зубцовые эффекты» обусловленные несинусоидальностью магнитного поля,
существенно снижающие эффективность ее функционирования. Улучшение характеристик
машины возможно путем укорочения шага обмотки, но в данном случае технически это
недостижимо. Тем не менее эффект смещения МДС в данной конструкции с целью
получения более синусоидального магнитного поля можно реализовать путем поворота
дисков ротора по отношению к друг другу на некоторый угол. На рис. 2 (а и б)
изображено примерное распределение магнитной индукции в дисковой электрической
машине без смещения и со смещением соответственно.
а)

б)
а
- без смещения полюсов, б - со
смещением полюсов
Рис.2.
Распределение индукции в воздушном зазоре
Согласно рис. 2 посредством
смещения дисков ротора можно обеспечить более синусоидальное распределение МДС в
электрической машине. Смещение даёт преимущество не только в распределении МДС,
но и в плавности движения ротора. Однако чрезмерное введение угла сдвига роторов
неизбежно приведет к снижению магнитного потока. В связи с этим необходимо
выполнить ряд теоретических исследований направленных на определение наиболее
эффективного значения угла смещения полюсов, а также нахождения величины потерь
в немагнитном экране в функции скорости вращения вала электрической машины.
Теоретические исследования
выполнены с помощью разработанного нами программного комплекса, который
позволяет наглядно моделировать стационарные электромагнитные процессы в
нелинейных магнитных системах с использованием современных методов и алгоритмов
математического анализа электромеханических устройств. Для построения программы
расчета была использована математическая модель, основанная на методе
интегрирования по источникам поля [5].

Рис.3. Описание расчетной
области в
CAD
приложении
На рис. 3 приведена расчетная
область, согласно которой производились исследования по определению степени
влияния смещения полюсов на энергетику герметичного двигателя. В результате
исследований получено, что при смещении полюсов на (0,05¼0,15)t (это угол
сдвига 6¼8°)
мощность машины снижается незначительно. Согласно рис.4 в некоторых случаях
наблюдается увеличение мощности, что связано, по мнению авторов, со снижением
уровня гармонических составляющих МДС. При этом сдвиг роторов на угол 6°
позволил снизить проявление зубцового эффекта и как результат статического
момента сопротивления более чем в 2,5 раза.
В заключении необходимо
отметить, что результаты теоретических исследований были подтверждены
экспериментом с получением следующих характеристик: диаметр машины 105 мм;
длительный крутящий момент около 4 н×м;
диапазон скоростей 30 – 1000 об/мин.
Литература:
1. Синев Н.М.,
Удовиченко П.М. Бессальниковые водяные насосы. – М.: Атомиздат, 1972. – 494с.
2. Кенио Т. Шаговые
двигатели и их микропроцессорные системы управления: Пер. с англ. – М.:
Энергоатомиздат, 1987. – 200с.
3. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. – М.: Энергия, 1980. – 922с.
4. Бут Д.А.
Бесконтактные электрические машины. – М.: Высшая школа, 1985. – 255с.
5. Леонов С.В.,
Муравлев О.П., Калаев В.Е. и др. Вопросы исследования трехмерного магнитного
поля электрических машин с аксиальным магнитным потоком // Изв. Вузов
Электромеханика, 2004. – №5. С.8
|