ПОГРУЖНОЙ ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
SUBMERSIBLE LINEAR ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к области машиностроения и направлено на повышение энергетических показателей погружных линейных электродвигателей.
Известен погружной линейный электродвигатель, содержащий неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора. Электродвигатель содержит чередующиеся в осевом направлении кольцевые катушки обмотки якоря, охватываемые массивным магнитопроводом (патент США №5252043 В2, класс МКИ F04B 17/04, U.S. Cl. 417/417, от 1993 года).
Известный электродвигатель имеет низкие энергетические показатели из-за потерь мощности в массивном магнитопроводе якоря.
Известен также погружной линейный электродвигатель, содержащий неподвижную часть (статор) с магнитопроводом, опорными элементами и обмоткой, расположенную внутри корпуса, и подвижную часть (бегун), размещенную внутри статора, и выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении, обмотка связана с цепью питания и выполнена в виде кольцевых катушек, плоскость которых перпендикулярна оси электродвигателя, катушки расположены в осевом направлении между элементами магнитопровода, опорные элементы, по крайней мере частью внешней цилиндрической поверхности механически контактирует с внутренней поверхностью корпуса. Магнитопровод статора содержит кольцевые магнитопроводящие участки, выполненные из пластин, имеющих форму плоских дисков с центральным отверстием для размещения бегуна, и массивные участки, являющиеся частью корпуса (евразийский патент №009268 В1, класс F04B 47/06, приоритет 17.10.2004).
По совокупности признаков данное устройство можно считать наиболее близким к изобретению.
Этот электродвигатель тоже имеет низкий КПД из-за потерь в массивных участках магнитопровода.
Настоящее изобретение направлено на повышении энергетических показателей погружного линейного электродвигателя за счет снижения потерь в магнитопроводе.
Указанный технический результат достигается тем, что в погружном линейном электродвигателе, содержащем неподвижную часть (статор) с магнитопроводом, опорными элементами и обмоткой, расположенную внутри корпуса, и подвижную часть (бегун), размещенную внутри статора, и выполненном с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении, обмотка связана с цепью питания и выполнена в виде кольцевых катушек, плоскость которых перпендикулярна оси электродвигателя, катушки расположены в осевом направлении между элементами магнитопровода, опорные элементы, по крайней мере, частью внешней цилиндрической поверхности механически контактируют с внутренней поверхностью корпуса, согласно изобретению магнитопровод выполнен в виде набора пакетов, собранных каждый в тангенциальном направлении из листов электротехнической стали, имеющих в осевом направлении гребенчатую форму, опорные элементы выполнены с сегментными выемками на внешней поверхности, ориентированными по оси двигателя, число выемок равно, по крайней мере, числу пакетов, пакеты в поперечном сечении электродвигателя расположены внутри корпуса звездообразно так, что внешняя поверхность спинки пакета механически контактирует с внутренней поверхностью корпуса, внутренняя поверхность спинки пакетов между частью зубцов контактирует с одним из опорных элементов.
Таким образом, магнитопровод статора не имеет массивных участков и, как следствие, потерь в них. Эти потери, как показывают расчеты, уже при частоте 50 Гц превышают основные потери в меди обмотки якоря.
В объеме опорных элементов, примыкающем к внутренней поверхности корпуса, выполнены сквозные по осевой длине выемки, число которых, по крайней мере, больше равно единице.
Полость статора может быть герметизирована за счет того, что электродвигатель снабжен тонкостенными цилиндрическими гильзами, статор снабжен торцевыми элементами, гильзы размещены на внутренней поверхности магнитопровода. Гильза, торцевые элементы, опорные элементы и корпус герметично соединены между собой.
Для улучшения охлаждения внутри, по крайней мере в части каналов, образованных выемками в опорных элементах, размещены трубки из теплопроводящего материала.
Для сохранения герметичности полости статора, в торцевых элементах выполнены отверстия, число которых равно числу трубок, концы трубок размещены в отверстиях, внешние поверхности трубок герметично соединены с торцевыми элементами.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1. представлен осевой разрез погружного линейного электродвигателя; на фиг.2 - поперечный разрез А-А по зубцу шихтованного магнитопровода, на фиг.3 - поперечный разрез А-А по зубцу шихтованного магнитопровода электродвигателя, в котором в выемках опорных элементов размещены трубки из теплопроводящего материала; на фиг.4 - поперечный разрез Б-Б по катушке статора электродвигателя, в котором в выемках опорных элементов размещены трубки из теплопроводящего материала; на фиг.5 - поперечный разрез В-В по опорному элементу, в котором в выемках размещены трубки из теплопроводящего материала; на фиг.6 - поперечный разрез Г-Г по торцевому элементу с отверстиями, в которых размещены концы трубок из теплопроводящего материала; на фиг.7 - фрагмент осевого разреза погружного линейного электродвигателя, иллюстрирующий один из вариантов размещения опорного элемента.
Погружной линейный электродвигатель содержит корпус 1, в котором закреплен статор двигателя. Магнитопровод 2 статора выполнен в виде пакетов, набранных в тангенциальном направлении из листов электротехнической стали, имеющих в осевом направлении гребенчатую форму (в данном примере число пакетов равно двенадцати). В поперечном сечении электродвигателя пакеты расположены внутри корпуса звездообразно, то есть оси пакетов расположены как исходящие из одной точки и лежащие в одной плоскости лучи. Внешняя поверхность спинки пакетов контактирует механически с внутренней поверхностью корпуса 1. Внутренняя полость 3 электродвигателя в случае, если полость статора не герметизирована, заполнена маслом, обладающим высокими электроизоляционными и смазывающими свойствами. В пазах магнитопровода размещены кольцевые катушки 4. Катушки 4 электрически соединены между собой, образуя многофазную, например, трехфазную обмотки якоря. Выводы обмотки якоря электрически соединяются с контактами кабельного ввода (не показаны) для связи с цепью питания. Во внешнем объеме опорных элементов 5 выполнены сегментообразные сплошные выемки, ориентированные по оси электродвигателя. Число выемок равно, по крайней мере, числу пакетов. Опорные элементы 5 расположены (фиг.1, 7) в части пазов магнитопровода между группами кольцевых катушек 4. Таким образом, внутренняя поверхность спинки пакетов между частью зубцов контактирует с соответствующим опорным диском 5. Расположение гребенчатых пакетов магнитопровода 2 в выемках опорных дисков 5 звездообразное (фиг.5). Поперечное сечение спинки полюса гребенчатого магнитопровода и выемок в опорных дисках могут отличаться. Остальные выемки служат для прохождения жидкости при работе электродвигателя. Опорные элементы могут быть выполнены с осевым размером, кратным полюсному делению подвижной части (фиг.7).
Электродвигатель может быть выполнен с герметизированным статором. Для герметизации служат тонкостенные цилиндрические гильзы 6 и торцевые элементы 7. Гильзы размещены на внутренней поверхности магнитопровода статора и так же герметично соединены с опорными элементами 5. Внутри, по крайней мере, части каналов, образованных выемками в опорных элементах 5, размещены трубки 8 из теплопроводящего материала, например, из меди. В торцевых элементах 7 выполнены соответствующие по размеру трубкам отверстия 9, число которых равно числу трубок (фиг.6). На фиг.3-6 число трубок и отверстий равно числу пакетов. Концы трубок 8 размещены в отверстиях 9 торцовых элементов 7, внешние поверхности трубок 8 герметично соединены с торцевыми элементами 7. Трубки, гильзы, торцевые элементы, опорные диски и корпус герметично соединены между собой, образуя герметичную полость статора. Дополнительно полость статора может быть заполнена компаундом.
Защита полости двигателя от попадания пластовой жидкости в случае, если полость статора не герметизирована, осуществляется с помощью сальника 10. В реальном двигателе конструкция гидрозащиты может быть любой.
Если статор погружного линейного двигателя герметизирован, его внутренняя полость может быть заполнена пластовой жидкостью. В этом случае гидрозащита может отсутствовать, а роль сальника сводится к защите от попадания твердых примесей в полость двигателя.
Подвижная часть (бегун) электродвигателя содержит чередующиеся (северный - южный) в осевом направлении полюса 11, между которыми расположены постоянные магниты 12. В данном примере (фиг.1) приведена конструкция, в которой полюса выполнены из магнитопроводящего материала, а кольцевые магниты намагничены в осевом направлении. Возможны другие конструкции магнитных систем, например, с радиально намагниченными постоянными магнитами, а также магнитные системы индукторного либо реактивного типа, т.е. без постоянных магнитов. Магнитная система бегуна механически связана с валом 13 через втулку 14, выполненную в данном случае из немагнитного материала. В валу выполнены отверстия 15, служащие для прохода масла.
Работа электродвигателя происходит следующим образом.
При подаче напряжения на обмотку якоря по катушкам обмотки якоря протекают токи, которые, взаимодействуя с магнитным потоком, созданным постоянными магнитами, создают усилие, действующее на бегун в осевом направлении. При соответствующем алгоритме управления к источнику подключаются те обмотки статора, ток в которых обеспечивает максимальное движущее усилие на бегуне. Бегун совершает возвратно-поступательные движения.
При движении бегуна влево масло из левой полуполости статора через каналы статора либо через трубки 8, а также через отверстия 15 поступает в правую полуполость. При этом за счет перемещения масла выравнивается температура внутри полости статора. Таким образом, в заявляемом погружном линейном электродвигателе достигается повышенный коэффициент полезного действия при сохранении постоянства внутреннего объема, т.е. при отсутствии обмена жидкости внутри двигателя с внешней пластовой жидкостью.