ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ВЕТОХИНА "ЭМВ"

Заявляемое решение (полезная модель) относится к области электротехники, в частности к погружным электрическим машинам, которые применяются для приводов различных подводных морских механизмов (буровых и добычных установок при разработке полезных ископаемых на морском дне, шлюзовых установок водоканалов, гребных и подруливающих устройств глубоководных подводных аппаратов и др.), а также для приводов скважных насосов в геологоразведовочных работах, в очистных сооружениях, в механизмах целлюлозно-бумажной и химической промышленности.
Известная «Электрическая машина Ветохина «ЭМВ» (см. патент №1813228, Б.И. №16, 1993 г.) содержит статор, ротор с валом, установленным в подшипниках, и подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода морской воды, статор и ротор имеют протекторную защиту из алюминиево-магниево-цинкового сплава.
Данная машина обеспечивает надежную длительную работу в качестве привода любого подводного механизма, находящегося на неограниченной глубине погружения в морской воде, которая является охладителем внутренних активных частей электродвигателя, в том числе обмотки и подшипников.
Однако при повышенных плотностях тока и наличии пазов на статоре и роторе будут возникать повышенные поля рассеяния, увеличивается гармонический состав в кривой магнитного поля в рабочем зазоре, которые вызывают дополнительные потери мощности, уменьшают КПД двигателя, понижают коэффициент мощности. Уменьшение количества витков в фазе равносильно уменьшению активного сопротивления статора, поэтому при пуске увеличивается пусковой ток.
Из известных электрических машин наиболее близкой к заявляемой, выбранной заявителем за прототип, является «Электрическая машина Ветохина «ЭМВ» (см. патент №2043691, Б.И. №25, 1995 г.).
Статор выполнен аналогично предыдущей машине, ротор имеет вместо короткозамкнутой обмотки гильзу, напрессованную на шихтованный ротор без пазов. Недостатками данной конструкции ЭМВ являются наличие гармоник, вызванных пазовостью статора, и утолщенная магнитоэлектропроводящая гильза, которая увеличивает эквивалентный рабочий зазор между ротором и статором, из-за которого растет ток холостого хода, и уменьшается коэффициент мощности (cosφ). Несмотря на то, что при пуске падает пусковой ток, зато увеличиваются потери мощности в гильзе, и в целом ухудшаются энергетические характеристики ЭМВ.
Задачей данного технического решения является устранить указанные недостатки, улучшить пусковые и энергетические характеристики машины за
счет уменьшения эквивалентного немагнитного рабочего зазора и дополнительных короткозамкнутых витков, уложенных в пазах статора.
Задача решается тем, что в известной электрической машине, содержащей статор и ротор с обмотками, вал, протекторную защиту, охлаждающие отверстия, в монолитном роторе из магнитной стали на периферии выполнены равномерно распределенные концентрические отверстия, в которые помещены медные круглые стержни, концы которых втугую с плотным электрическим контактом вставлены короткозамыкающие торцевые медные кольца, а на поверхность ротора напрессована магнитоэлектропроводящая гильза из высокопрочного композиционного материала толщиной, равной половине длины проникновения электромагнитной волны, и длиной, соответствующей плотному электрическому контакту с короткозамкнутыми кольцами, а место стыковки колец, стержней и гильзы спаяно или сварено в один узел, причем в каждом пазу статора размещено по одному обмоточному проводу, которые соединены в короткозамкнутые витки с шагом основной обмотки, при этом количество короткозамкнутых витков на пару полюсов равняется числу пазов на полюс и фазу. Количество медных стержней в роторе на 20% меньше для малогабаритных машин, или на 20% больше для крупных машин от числа пазов статора.
Изобретение поясняется чертежами, в которых:
- на фиг.1 показан продольный разрез машины с длиной гильзы, равной длине ротора и двум толщинам короткозамкнутых колец;
- на фиг.2 показан продольный разрез машины с длиной гильзы, равной длине ротора;
- на фиг.3 показаны короткозамкнутые витки, уложенные в пазы фазы «А» протяжной статорной обмотки с концентрическими витками;
- на фиг.4 показаны короткозамкнутые витки того же статора, только для обмотки с концентрическими витками «вразвалку».
Согласно изобретению (фиг.1, фиг.2) электрическая машина (ЭМВ) содержит корпус 1 статора, в котором пакет 2 сердечника статора, скрепленный по торцам нажимными листами 3 из нержавеющей стали, в пазах пакета 2 статора уложена протяжная трехфазная обмотка 4 из обмоточного провода с двухслойной изоляцией из облученного сшитого полиэтилена к меди и внешнего слоя фторопласта 2М, выполняющего функцию механической защиты изоляции. Статор имеет протекторную защиту пакета 2 сердечника в виде колец 5 из алюминиево-магниево-цинкового сплава, например, АМГ-3М, запрессованных по торцам в корпус 1. Толщина колец 5 протекторов должна быть не менее 8-10 мм, а их длина в осевом направлении должна находиться в пределах 0,05-0,1 длины пакета 2 статора для обеспечения срока службы ЭМВ не менее 10 лет.
Активная часть ротора 6, равная длине пакета 2 статора, выполнена монолитной из магнитной стали, имеет вал 6, который изготавливается либо из той же стали в единой конструкции для малых машин, либо из высокопрочной антикоррозионной стали, например, из стали марки ДИ48-ВД
для крупно габаритных машин. Для электрохимической протеукторноц защиты ротора 6 с валом 7 на концы вала напрессованы с натягом протекторные диски 8 таким образом, чтобы площади соприкосновения имели плотный электрический контакт с ротором 6, причем диски изготовлены из того же материала, что и кольца 5 статора. Для крепления дисков 8 по торцам ротора на свободные концы вала 7 напрессованы внатяг кольца 9 из материала вала.
На периферии тела ротора 6 просверлены равномерно распределенные концентрические отверстия 10, в которые вставлены медные стержни 10 обмотки ротора, диаметр стержней определяется расчетным путем, а количество стержней или отверстий, с целью улучшения виброакустических характеристик, должно быть на 20%меньше для малогабаритных машин или на 20%больше для крупногабаритных от числа пазов статора.
Концы медных стержней 10 втугую вмонтированы с плотным электрическим контактом в отверстия короткозамыкающих колец 11 по торцам ротора 6, а на поверхность ротора напрессована магнитоэлектропроводящая гильза 12 из высокопрочного композиционного материала толщиной, равной половине длины проникновения электромагнитной волны, т.е. в два раза меньшей, чем у прототипа. Конструкция гильзы может быть выполнена в двух вариантах: длина гильзы равняется сумме длины ротора и короткозамкнутых колец, а внутренний диаметр гильзы равен внешнему диаметру ротора (фиг.1); длина ротора и гильзы одинаковые, а диаметр короткозамкнутого кольца равен диаметру ротора и удвоенной толщине стенки гильзы (фиг.2).
Для увеличения электропроводности и механической прочности места стыковки 13 гильзы 12, короткозамкнутых колец 11 и стержней 10 надежно паяются или свариваются, обеспечивая минимальное электрическое сопротивление тангенциальным токам лобовых частей ротора.
Для магнитной симметрии ЭМВ, качественного улучшения кривых магнитных полей в рабочем зазоре, компенсации полей рассеяния в пазах и лобовых частях статора, а также компенсации пульсирующих трансформаторных э.д.с., которые снижают энергетику машины и ухудшают ВАХ, в пазы статора совместно с витками основной обмотки размещены дополнительно по одному витку 14, 15, 16 (фиг.3, фиг.4) из того же провода. Эти витки замкнуты накоротко в соответствии с шагом обмотки и числом пазов на полюс и фазу (фиг.3, фиг.4), количество короткозамкнутых витков на пару полюсов равняется числу пазов на полюс и фазу.
Сборка конструкции ЭМВ, укладка трехфазной протяжной обмотки производится по технологии, описанной в прототипе. Некоторые отличия имеются в изготовлении обмотки ротора, которое известно по аналогу и прототипу.
Работа ЭМВ осуществляется следующим образом.
При погружении ЭМВ вместе с подводным аппаратом (например, батискафом или другим ГПА) в морскую воду полость двигателя заполняется морской водой (электролитом), и все активные части ЭМВ будут
контактировать с морской водой. Холодная вода входит через отверстие 8 и нагретая выходит через отверстие 10. Электрохимическая защита статора 2 и корпуса 1 обеспечивается протекторными кольцами 5, а ротора и навешанных на него активных частей - дисками 8 в течение десяти лет со скоростью коррозии протекторов 0,3-0,5 мм/год.
2
1
В момент включения двигателя скольжение будет равно единице (S=1), и частота тока в роторе 6 имеет наибольшее значение и будет равняться частоте сети (f=f). Индуктивное сопротивление беличьей клетки 10 ротора из медных стержней значительно больше индуктивного сопротивления гильзы 12. Объясняется это тем, что стержни короткозамкнутой беличьей клетки сцеплены с большим числом магнитных силовых линий поля рассеяния. Активное сопротивление гильзы 12 значительно больше короткозамкнутой обмотки, так как удельное активное сопротивление композитного материала гильзы значительно больше удельного сопротивления медных стержней ротора.
Кроме того, при пуске будет происходить вытеснение тока из стержней в гильзу ближе к рабочему зазору, так как нижние части обмотки ротора, т.е. стержни сцепляются с большим числом линий потока рассеяния, а верхние части, т.е. гильза, с меньшим числом линий потока. Поэтому э.д.с. рассеяния в стержнях будет выше, нежели в гильзе. Так как эти э.д.с. противодействуют э.д.с. основного потока статора, то результирующая э.д.с. в гильзе будет значительно больше, чем в стержнях, соответственно и ток в гильзе будет больше, т.е. происходит его вытеснение в верхнюю часть обмотки ротора, что эквивалентно увеличению активного сопротивления обмотки. Таким образом, высокие пусковые свойства ЭМВ (уменьшение пускового тока, увеличение пускового момента) обеспечиваются пусковой обмоткой - гильзой 12, расположенной в верхней части ротора ближе к рабочему зазору. Гильза изготавливается из композиционного магнитоэлектропроводящего материала с удельным электрическим сопротивлением выше, чем у меди, и толщиной, равной половине проникновения электромагнитной волны (примерно около половины диаметра стержня). С учетом вытеснения плотности тока по сечению общее эквивалентное активное сопротивление обмотки ротора будет высоким и обеспечит значительное уменьшение пускового тока примерно в два-три раза по сравнению с обычным короткозамкнутым двигателем. Индуктивное же сопротивление гильзы во время пуска невелико, на пусковой ток практически не влияет.
Рабочая короткозамкнутая обмотка из стержней 10 имеет при пуске малое активное и несколько повышенное индуктивное сопротивления, и во время пуска эти сопротивления на пусковой ток существенно не влияют, а сама обмотка в этот момент не работает.Обмотка изготовляется из меди и располагается дальше от рабочего зазора за гильзой.
2
2
1
2
По мере возрастания частоты вращения ротора частота тока в роторе f убывает пропорционально скольжению (f=S·f). Скольжение f при номинальном режиме будет равно 0,04, и частота тока в роторе упадет до 2 Гц. В связи с этим уменьшается индуктивное сопротивление
короткозамкнутой обмотки и гильзы пропорционально этой частоте. Распределение плотности тока по высоте стержней и гильзы становится равномерным, эффект вытеснения тока прекращается, и двигатель работает как обычный короткозамкнутый.
Во время работы ЭМВ появляются дополнительные пульсирующие магнитные поля в рабочем зазоре, в пазах, по коронкам зубцов, вызванные несимметрией магнитной системы статора и ротора, неравномерностью рабочего зазора между ротором и статором, пазами статора, а также несимметричностью напряжения питающей сети. Эти пульсирующие поля являются дополнительными источниками виброускорений электромагнитного характера, которые необходимо компенсировать. Компенсация перечисленных магнитных полей во время работы ЭМВ осуществляется одиночными короткозамкнутыми витками (14, 15, 16), уложенными в пазы статора (фиг.3, фиг.4) и соединенными накоротко с шагом основной обмотки. Пульсирующие магнитные поля индуктируют в этих витках э.д.с. самоиндукции, под действием которой в короткозамкнутых витках потечет ток самоиндукции, создающий свое магнитное поле, которое будет направлено навстречу магнитному полю самоиндукции и в виде реакции будет компенсировать пульсирующее магнитное поле от магнитной несимметрии ЭМВ.
Заявляемое решение позволит:
1. С помощью исполнения обмотки ротора в виде тонкого сечения гильзы в качестве пусковой обмотки и стержней беличьей клетки в качестве рабочей обмотки уменьшить пусковой ток и повысить пусковой момент ЭМВ, что очень важно для механизмов с большим начальным статическим моментом.
2. Тонкая гильза позволяет уменьшить величину эквивалентного немагнитного рабочего зазора и снизить ток холостого хода, тем самым повысить коэффициент мощности cosφ, и в итоге улучшить энергетические характеристики ЭМВ.
3. С помощью дополнительных короткозамкнутых витков, уложенных в пазах статора с основной обмоткой с тем же шагом, компенсировать пульсирующие магнитные поля, вызванные несимметрией магнитной системы машины и качественно улучшить виброакустические характеристики.
4. Отсутствие пазов на роторе позволит уменьшить пульсацию магнитного поля в зазоре и уменьшить эквивалентный рабочий зазор, которые существенно улучшают ВАХ и энергетические характеристики машины.