ДВИГАТЕЛЬНО-ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ АГРЕГАТ
DRIVE-TRANSFORMER UNIT

Изобретение относится к области специальных электрических машин, а именно, к конструкции электрических асинхронных герметизированных двигателей, используемых в промышленных установках для работы в химически агрессивных, радиационных и взрывоопасных газообразных и жидких средах, при высоких давлениях и температуре.
Известны асинхронные двигатели для привода устройств, работающих в герметичных объектах или агрессивных средах, со статором, вынесенным за пределы объекта (среды), в котором вращается ротор, и отделенным от ротора герметичной перегородкой-экраном [1, с.26, рис.5]. Электродвигатель [1], содержит установленные в корпусе статор и ротор, расположенные в полостях, разделенных герметичной перегородкой. Герметичная перегородка-экран выполнена в виде сплошной, тонкостенной цилиндрической гильзы, расположенной между статором и ротором.
Недостатками таких двигателей являются низкие энергетические характеристики из-за увеличенного на толщину гильзы зазора между статором и ротором. Кроме этого, часть энергии электромагнитного поля не передается в ротор, а выделяется в виде тепла от действия вихревых токов, наводимых в экране при пересечении его основным магнитным потоком. Другими недостатками являются сложные системы разгрузки тонкостенной гильзы от аксиально-радиальных усилий в герметичном объекте и трудности отвода тепла с ротора, находящегося в герметичной полости и охваченного основным источником тепловыделения.
Известны также асинхронные двигатели для привода устройств, работающих в герметичных объектах или агрессивных средах [2]. Электродвигатель для герметичных объектов, описанный в [2] и принятый в качестве прототипа, представляет собой, как сказано в описании, двигательно-трансформаторный агрегат, включающий электродвигательное и трансформаторное устройства. Агрегат содержит двигатель со статором и ротором расположенными внутри герметичного объекта, отделенного от трансформатора перегородкой и трансформатор-преобразователь напряжения и числа фаз с вращающимся магнитным полем, выполненный с первичной обмоткой присоединенной к трехфазной сети и вторичной z-фазной стержневой обмоткой, расположенной в z пазах магнитопровода трансформатора, замкнутой с одной стороны короткозамыкающим кольцом, а с другой соединенной с Z стержнями обмотки статора.
Недостатком этого устройства является значительный вылет и объем меди лобовых частей первичной распределенной обмотки трансформатора при большом числе пазов, приходящихся на полюс и фазу (больше двух). Это соответственно приводит к увеличению длины соединительных стержней между вторичной обмоткой трансформатора и обмоткой статора двигательной части агрегата, тем самым, ухудшая его энергетические показатели. Кроме этого, при большом количестве соединительных стержней, усложняется их герметичная установка в перегородке и снижается надежность работы агрегата.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение области применения и повышение энергетических характеристик и надежности двигательно-трансформаторного агрегата.
Поставленная задача решается за счет того, что двигательно-трансформаторный агрегат включает электродвигательное и трансформаторное устройства. Трансформаторная часть агрегата выполнена с первичной обмоткой присоединенной к трехфазной сети и вторичной z-фазной стержневой обмоткой, расположенной в z пазах магнитопровода трансформатора, замкнутой с одной стороны короткозамыкающим кольцом.
Двигательная часть агрегата содержит асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и статором со стержневой обмоткой, электрически соединенной со вторичной стержневой обмоткой трансформатора, а с другой стороны замкнутой короткозамыкающим кольцом.
В отличие от известного технического решения электродвигатель расположен внутри герметичного объекта, отделенного от трансформатора перегородкой, а стержни трансформатора соединены с Z стержнями-гермовводами, расположенными в перегородке, причем каждый стержень-гермоввод с другой стороны электрически соединен с n стержнями обмотки статора через промежуточные электропроводные дугообразные сегменты, примыкающие к статору (где n=1, 2, … - кратное число между стержнями обмотки статора и вторичной обмотки трансформатора). Электрическое соединение каждого стержня вторичной обмотки трансформатора с n стержнями обмотки статора выполнено в двигательной части агрегата.
Выполнение двигательно-трансформаторного агрегата в соответствии с вышеназванными основными признаками расширяет возможные области применения, а также повышает энергетические характеристики и надежность за счет уменьшения длины соединительных стержней между вторичной обмоткой трансформатора и обмоткой статора двигательной части агрегата, тем самым, улучшая его энергетические показатели. Кроме этого, при меньшем в n раз количестве соединительных стержней, упрощается их герметичная установка в перегородке и повышается надежность работы агрегата.
Признаки, касающиеся выполнения магнитопровода трансформатора цилиндрическим, а статора и ротора двигателя - дисковыми, развивают общие признаки и поэтому являются частными.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами. На фиг.1 изображен продольный разрез двигательно-трансформаторного агрегата. На фиг.2 - поперечный разрез по А-А двигателя с дисковым статором. На фиг.3 - развернутый кольцевой разрез Б-Б по осям стержней-гермовводов. На фиг.4 - развертка активных поверхностей трансформатора и статора со стороны стержней (фиг.4, а); распределение магнитодвижущих сил (МДС) по среднему диаметру трансформатора и двигателя от токов в стержневых обмотках трансформатора (фиг.4, б) и статора (фиг.4, в), соответственно.
Двигательно-трансформаторный агрегат содержит трансформаторное устройство 1 и электродвигательное устройство 2. Трансформатор 1 выполнен с первичной распределенной обмоткой 3 присоединенной к трехфазной сети переменного тока и вторичной z-фазной стержневой обмоткой 4, расположенной в z пазах 5 магнитопровода 6 трансформатора 1, Стержни 4 вторичной обмотки трансформатора 1 замкнуты с одной стороны короткозамыкающим кольцом 7. Асинхронный двигатель 2 выполнен с короткозамкнутым ротором 8 и статором 9 со стержневой обмоткой 10, расположенной в пазах сердечника 11. Стержни 10 обмотки статора 9 с одной стороны электрически соединены через стержни-гермовводы 12 со вторичной стержневой обмоткой 4 трансформатора 1, а с другой стороны замкнуты короткозамыкающим кольцом 13. Электродвигатель 2, расположенный внутри герметичного объекта, отделен от трансформатора 1 перегородкой 14. Каждый из Z стержней-гермовводов 12, расположенных в перегородке 14, электрически соединен с n стержнями 10 обмотки статора 9 через промежуточные электропроводные дугообразные сегменты 16 (где n=1, 2, … - кратное число между стержнями обмотки статора и стержнями вторичной обмотки трансформатора). Электрическое соединение каждого стержня вторичной обмотки трансформатора 4 с n стержнями 10 обмотки статора через дугообразные сегменты 16 выполнено в двигательной части агрегата. Перегородка 14 может быть частью фланца корпуса электродвигателя, герметично закрывающего люк в корпусе герметичного объекта (на чертежах не показан), либо может быть частью корпуса герметичного объекта.
Двигательно-трансформаторный агрегат (ДТА) работает следующим образом.
1
T
S
1
При подключении первичной трехфазной распределенной обмотки 3 трансформатора 1 с p парами полюсов к трехфазной сети с частотой f возникают протекающие токи, которые создают вращающееся магнитное поле с частотой вращения n=60f/p. Это поле, пересекая стержни 4 вторичной Z-фазной обмотки трансформатора (Z - число стержней) наводят в них электродвижущие силы (ЭДС). В Z-фазной стержневой обмотке 4 трансформатора 1 электрически соединенной через стержни-гермовводы 12 и дугообразные сегменты 16 с nZ-фазной стержневой обмоткой 10 статора 9 протекают токи, создавая ступенчатую кривую магнитодвижущих сил (МДС) F (см. фиг.4, б). Первая гармоника МДС вращается с той частотой, что и вращающееся магнитное поле трансформатора. Z-фазные токи вторичной стержневой обмотки 4 трансформатора 1 с помощью дугообразных сегментов 16 разделяются на входе стержневой обмотки 10 статора 9 на nZ-фазные токи (n=1, 2, …), сохраняя то же число полюсов 2p. nZ-фазная система токов, протекающая по стержням 10, образует ступенчатую кривую магнитодвижущих сил (МДС) F (см. фиг.4, в) и создает в рабочем зазоре между статором 9 и короткозамкнутым ротором (кз-ротором) 8 вращающееся магнитное поле с тем же числом полюсов 2p и с той же частотой вращения n, что и поле трансформатора 1. Это поле, проходя через ротор 8, наводит в его короткозамкнутой обмотке ЭДС, что вызывает протекание в этой обмотке токов и создает электромагнитный момент, который приводит ротор во вращение, аналогично обычному асинхронному двигателю с кз-ротором.
1
2
Вышеописанная конструкция по существу представляет агрегат из двух электрических машин (разновидность машинно-трансформаторных агрегатов, рассмотренных в [3]), электрически связанных стержневыми обмотками 4 и 10 и разделенных герметичной перегородкой 14. Одна электрическая машина (в левой части от перегородки 14) является понижающим трансформатором 1 с вращающимся магнитным полем и преобразователем числа фаз из m=3 для трехфазной распределенной обмотки статора 3, подключенной к трехфазной сети, в число фаз m=Z для вторичной стрежневой обмотки 4 трансформатора. При этом вторичная обмотка трансформатора образует Z-фазную лучевую звезду, электрически замкнутую кольцом 7. Вторая электрическая машина (в правой части от перегородки 14) представляет собой асинхронный двигатель с обычным короткозамкнутым ротором 8 и статором 9 с nZ-фазной стержневой обмоткой возбуждения, электрически замкнутой кольцом 9 и подключенной ко вторичной обмотке трансформатора 4 через электрические стержни-гермовводы 12 и дугообразные сегменты 16.
Двигательная часть ДТА выполнена с низковольтной стержневой обмоткой статора 9 без изоляционного покрытия стержней 10 (аналогично короткозамкнутой обмотке ротора обычного асинхронного двигателя). Это дает возможность повысить до единицы коэффициент заполнения пазов проводниковым материалом и сократить до минимума длину лобовых частей обмоток, тем самым - увеличить энергетические показатели в двигательной части агрегата. Фазное напряжение, подаваемое на стержневую обмотку 10 статора не превышает 2-3 вольта. Такая конструкция двигателя позволяет использовать его во взрыво- и пожароопасных средах, а также при высоких температурах окружающей среды (до 500-600°) и сильном радиационном излучении (например, в электроприводе механизмов в зоне реактора атомных электростанций).
В рассматриваемой конструкции ДТА решена задача улучшения гармонического состава МДС nZ-фазной стержневой обмотки возбуждения статора (см. фиг 4, в) по сравнению с МДС вторичной Z-фазной стержневой обмоткой трансформатора (фиг 4, б) при уменьшенном в n раз числа герметичных вводов 12 в двигательную часть ДТА.
В этом случае первичная обмотка трансформаторной части ДТА может быть использована с минимальным количеством пазов на полюс и фазу q=1. Это упрощает укладку катушек и позволяет снизить длину вылета и металлоемкость лобовых частей первичной обмотки трансформатора, что обеспечивает минимальные массогабаритные показатели агрегата.
Дисковое выполнение статора и ротора двигательной части ДТА обеспечивает ее малую осевую длину - часто необходимое требование для двигателей герметичных объектов, работающих в экстремальных условиях окружающей среды, а также обеспечивает конструктивную пластичность при сочленении с рабочими органами привода.
Источники информации
1. Вишневский Н.Е., Глуханов Н.П., Ковалев И.С. Машины и аппараты с герметичным электроприводом. Л.: Машиностроение, 1977.
2. Забора И.Г., Вильданов К.Я. и др. Электродвигатель для герметичных объектов. Патент РФ №2173926. Опубл. 20.09.2001. Бюл. №26.
3. Свечарник Д.В., Забора И.Г. Машинно-трансформаторный агрегат // Электротехника. 1998. №9. С.1-8.