ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ГОРНОРУДНОЙ МЕЛЬНИЦЫ СИСТЕМЫ ПРЯМОГО ПРИВОДА
ELECTRIC MOTOR OF MINING MILL OF DIRECT DRIVE SYSTEM

Изобретение относится к электродвигателям особого типа, использующим электромагнитную индукцию с магнитоэлектрическим возбуждением.
Известны мельницы горнорудного оборудования, предназначенные для помола различной руды, например, такие как шаровые трубные (Фридкин П.A. «Безредукторный дугостаторный электропривод». - М.: Энергия, 1970 г., стр.138).
Отличительной особенностью электроприводов таких мельниц является необходимость разновременного осуществления двух низких скоростей вращения - рабочей (15-22) об/мин и монтажной (1,5-2,2) об/мин. В широко эксплуатируемых устройствах такая задача решается применением двух двигателей - рабочего (обычно высоковольтного) и вспомогательного (обычно низковольтного), каждый из которых передает энергию крупной высокопроизводительной мельнице при вращении через механические зубчатые редукторы обычные или планетарные.
Недостатками такой реализации являются высокие материалоемкость, стоимость, потери энергии, эксплуатационные расходы из-за использования редукторов.
Известна электрическая машина по патенту США №4803387, кл. Н02К 41/06. Машина содержит статор, выполненный из множества электромагнитов, имеющих обмотки возбуждения и U-образные магнитопроводы с явновыраженными полюсами, заканчивающимися поверхностями дугообразной формы, и вторичный элемент, или ротор, выполненный в виде бесконечного кинематически гибкого звена, состоящего из отдельных жестких элементов из немагнитного материала, шарнирно соединенных между собой с помощью двух пальцев, одни концы которых вставлены в проушины жестких элементов, а другие выступают с двух сторон элемента и могут входить в углубления двух колес с целью осуществления зацепления с ними.
Такая машина имеет следующие недостатки: сложность и ненадежность узла механической передачи с гибким звеном и колесами; необходимость питания от сложного специального преобразователя, а не от промышленной сети; высокий удельный расход активной стали машины из-за неодинаковости длин магнитопроводов статора и ротора.
Известна электрическая машина по патенту РФ №2074491 от 27.02.1997 г., при которой в трехфазном асинхронном короткозамкнутом двигателе ротор выполнен в виде гибкого кинематического звена, например приводной цепи, включающей электромагнитные элементы, соединенные с пластинами цепи и содержащие проводники, перемычки и магнитопровод. Статор содержит обмотку и магнитопровод, состоящий из отдельных прямолинейных участков, плавно переходящих один в другой. Электромагнитные элементы выполнены в виде проводников, окруженных магнитопроводом, концы которых соединены перемычками.
Для такой машины, предназначенной к использованию в электроприводе с пониженной скоростью вращения, вполне очевидна техническая сложность конструкции для практической реализации и ненадежность отдельных элементов, например, таких как приводная цепь с пластинами.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому (при условии исключения зубчатых колеса и подвенцовой шестерни) являются дугостаторные машины (Свечарник Д.В. Электрические машины непосредственного привода: Безредукторный электропривод. - М.: Энергоатомиздат, 1988 г., стр.131).
Для дугостаторных синхронных электродвигателей с электромагнитным возбуждением характерным является наличие шихтованного сердечника статора, имеющего трехфазную обмотку барабанного типа, уложенную в его пазы, который охватывает только часть окружности.
Основными недостатками такого решения являются появление существенных паразитных моментов, добавочных потерь, несимметрии фазных токов и низкая величина энергетической эффективности, характеризуемая произведением КПД - η на коэффициент мощности cos φ, примерно равная 0,2, что почти в 4 раза меньше, чем у машин с полностью кольцевыми сердечниками.
Целью изобретения являются повышение эффективности преобразования энергии с сокращением эксплуатационных расходов.
Поставленная цель достигается тем, что электродвигатель горнорудной мельницы системы прямого привода с шихтованным из листов электротехнической стали зубчатым сердечником статора имеет пазы с уложенной в них трехфазной обмоткой, питаемой напряжением промышленной частоты, и при этом сердечник, размещенный в станине, сегментирован в полную кольцевую форму, причем внутри на расстоянии воздушного зазора от него расположен ротор в виде корпуса мельницы, имеющей свои подшипники скольжения, а снаружи корпуса в углублениях размещены постоянные магниты из сплава ниодим-железо-бор, между которыми расположены проводящие стержни короткозамкнутой обмотки, а внутри корпуса по всей длине сердечника статора крепятся винтами стальные бронеплиты, уложенные в амортизаторы.
При этом снижается материалоемкость и исключаются механические зубчатые передачи с необходимым техническим результатом согласно новому заявленному устройству следующего вида.
Электродвигатель горнорудной мельницы системы прямого привода, содержащий сварную станину с сегментированным шихтованным из электротехнической стали кольцевым сердечником статора, во внутренние пазы которого уложена трехфазная обмотка, питаемая напряжением стандартной частоты f=50 Гц. В расточке сердечника статора с воздушным зазором δ от нее расположен ротор, являющийся частью шаровой трубной горнорудной мельницы, имеющей свои подшипники для вращения. Это означает, что на длине сердечника статора в небольших наружных углублениях корпуса мельницы расположены сегменты постоянных магнитов из порошкового сплава Nd-Fe-B (неодим-железо-бор) радиальной намагниченности, а между ними расположены проводящие стержни из проводникового сплава, короткозамкнутых обмоток электрических машин, замкнутые с двух противоположных сторон короткозамкнутыми кольцами из того же сплава. На длине сердечника статора с внутренней стороны корпуса мельницы вдоль всей окружности его внутреннего диаметра винтами к корпусу крепятся сегменты бронеплит при наличии амортизаторов из синтетического материала между корпусом и бронеплитами и между самими бронеплитами.
Отличительными признаками заявленного изобретения от прототипа являются:
1) шихтованный сердечник статора с трехфазной обмоткой занимает собой полную окружность, а не ее часть;
2) стальной корпус мельницы одновременно является частью магнитопровода электродвигателя, выполняя роль ярма сердечника ротора на рабочем пути замыкания магнитного потока в машине;
3) магнитоэлектрическое возбуждение в виде постоянных магнитов на роторе вместо электромагнитного возбуждения в виде обмотки питаемой постоянным током, через контактные кольца и щетки;
4) использование короткозамкнутой обмотки на роторе, стержни которой размещаются между полюсами постоянных магнитов;
5) применение специального соотношения между числом полюсов ротора и числом зубцов сердечника статора при кольцевом типе размещения обмотки на зубцах.
Использование кольцевого сердечника статора и аналогичного для ротора исключает появление краевых эффектов при распределении силовых линий рабочих магнитных потоков реакции якоря и возбуждения. Это приводит к устранениям нессиметрии фазных токов обмотки статора, добавочных потерь, паразитных моментов и повышению коэффициента полезного действия.
Использование стального корпуса мельницы в роли ярма сердечника ротора упрощает конструкцию, снижает материалоемкость.
Применение постоянных магнитов для возбуждения вместо электромагнитного исключает электрические потери на возбуждение и скользящий контакт, чем повышает КПД и увеличивает надежность в работе.
Использование короткозамкнутой обмотки ротора повышает результирующий электромагнитный момент двигателя особенно в момент времени пуска в ход мельницы.
Применение специального соотношения между числами полюсов возбуждения и зубцов сердечника статора согласно источникам [3, 4] позволяет получить необходимую электрическую редукцию для получения двух разных скоростей вращения мельницы - рабочей и монтажной, у двух электродвигателей, рабочего и вспомогательного, которые конструктивно полностью аналогичны.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен схематический разрез устройства в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения двигателя, совмещенную с таковой для мельницы, на фиг.2 - разрез в вертикальной поперечной плоскости перпендикулярной оси вращения, на фиг.3 - схематическое изображение примера размещения обмотки статора в пазах его сердечника для коэффициента электрической редукции, равной 4.
Согласно формуле изобретения электродвигатель горнорудной мельницы системы прямого привода имеет сварную станину 1 с кольцевым ферромагнитным зубчатым шихтованным сердечником 2, в пазы которого уложена трехфазная обмотка 3, питаемая напряжением стандартной промышленной частоты, и внутри сердечника 2 размещен ротор в виде стального цилиндрического корпуса 4 трубной мельницы, с наружной стороны которого в углублениях на длине сердечника статора размещены сегменты постоянных магнитов 5 радиальной намагниченности, между которыми установлены проводящие стержни короткозамкнутой обмотки 6, а с внутренней стороны винтами 7 к корпусу 4 через эластичные амортизаторы 8 на той же длине крепятся стальные бронеплиты 9 по всему периметру окружности внутреннего диаметра корпуса мельницы, загруженной мелющими телами 10 (например, шары) и размалываемым материалом, например на цементных заводах известняк при мокром помоле или клинкер при сухом.
Предлагаемый электродвигатель работает следующим образом. Для получения рабочей скорости вращения процесса помола материала трубной мельницей от промышленного источника электроэнергии подают номинальное трехфазное напряжение на обмотку 3 статора основного двигателя, от чего через нее будет проходить электрический ток. Последний образует в магнитной системе машины вращающееся (бегущее) магнитное поле (поток обмотки статора), наводящее электродвижущие силы в проводниках короткозамкнутой обмотки 6 ротора, и под их действием возникает электрический ток в ней, создающий свое бегущее магнитное поле (поток обмотки ротора). Взаимодействие указанных потоков приводит к появлению электромагнитного момента, приводящего во вращение и ротор, и всю мельницу, выполняющую в таком движении полезную работу по измельчению загруженного материала. Наряду с указанным моментом одновременно появляется и момент от взаимодействия потока обмотки статора с потоком, созданным постоянными магнитами 5 ротора, также участвующий в образовании результирующего движущего (вращающего) момента.
1
2
Установившаяся скорость (частота) вращения ротора n согласно источникам (Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1974 г., стр.839; www.bavatia-direct.co.za) связана с частотой f напряжения питания обмотки статора, числом пар полюсов р от постоянных магнитов ротора и числом зубцов сердечника статора z известным соотношением , где z=2р.
1
Следовательно, для получения рабочей скорости вращения, например, порядка 20 об/мин необходимо при f=50 Гц, 2p=24 иметь z=22, что обусловит скорость , то есть электрическую редукцию
1
1
Для получения монтажной скорости вращения мельницы отключением обмотки статора основного электродвигателя останавливают вращение мельницы в свободном выбеге и вновь запускают ее подачей напряжения питания на обмотку статора вспомогательного электродвигателя меньшей мощности по конструкции полностью аналогичного основному электродвигателю, но имеющего другие значения 2р и z. Например, при f=50 Гц, 2p=144, z=140 получается число оборотов
, то есть при значении величины электрической редукции, равной
При снижении материалоемкости и сокращении эксплуатационных расходов заявляемое устройство в реализации приведет к повышению энергетической эффективности примерно в 3,5 раза при значениях η=0,85 и cosφ=0,85.