ГЕРМЕТИЧНЫЙ ЭКРАНИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
TIGHT SHIELDED ELECTRIC MOTOR

Предлагаемое изобретение относится к областям электромашиностроения и нефтехимического машиностроения и может найти применение в приводах центробежных герметичных электронасосов и перемешивающих устройств герметичных реакторов с высокими требованиями к герметичности технологических процессов.
В настоящем изобретении усовершенствуются известные конструкции герметичных экранированных электродвигателей с экранами (цилиндрическими тонкостенными гильзами из немагнитных коррозионно-стойких материалов с большим удельным сопротивлением и высокой магнитной проницаемостью) внутри пакета статора и по наружной поверхности ротора (для защиты от воздействия жидкостей, находящихся в зазоре между ними). Экраны таких «сухих» статоров и роторов обычно выполняются из нержавеющих сталей типа 12Х18 H10Т, нихромов типа ЭИ-442, титановых сплавов типа ВТ-3 и других немагнитных коррозионно-стойких материалов (см., например, Васильцов Э.А, Невелич В.В. «Герметические электронасосы». М., Машиностроение, 1968 г., стр.211-246, Н.М.Синев, П.М.Удовиченко. «Герметические водяные насосы атомных энергетических установок». Атомиздат, 1967 г., стр.83-100, А.С.Аринушкин и др. «Авиационные центробежные насосные агрегаты». М., 1967, стр.140-173, а также герметичный экранированный электродвигатель по патенту РФ 2373622, авторские свидетельства SU 1556203, SU 1038596, патент RU 2005917, свидетельства на полезную модель RU 21427 и RU 4567; а.с. SU 1777203, SU 1815424, SU 1566443, SU 1818486, SU 1763721, свидетельство на полезную модель RU 30403 и др.
Конструкция герметичного экранированного электродвигателя по патенту RU 2373622 может быть принята за базовый объект. Недостатками указанных конструкций являются:
- необходимость подбора материала экранов (гильз) для определенных агрессивных сред. Так, например, нихромовые гильзы в коррозионном отношении оказываются недостаточно надежными;
- необходимость выполнять тонкостенные металлические экраны (например, при изготовлении методами холодной вытяжки) с одинаковой толщиной (0,25-0,5 мм) по всей длине статорного пространства;
- низкая надежность тонкостенных металлических экранов, особенно сварных по длине цилиндра, вследствие воздействия на них механических, температурных, коррозионных и др. нагрузок, что приводит к выходу из строя электродвигателей.
Кроме того, недостатками конструкции по патенту RU 2373622 являются:
- ступенчатая составная форма экрана, что даже при образовании склеиванием монолитной конструкции приводит к неравномерности восприятия гетерогенной системой разного рода нагрузок (механических, тепловых, электромагнитных и др.) и магнитной проницаемости экрана;
- армирование материала тонкостенных экранов (обычно 0,25÷0,6 мм) в виде кольцевой намотки нитей или в виде замкнутых колец, особенно с учетом низкого модуля упругости полимеров, не обеспечивает устойчивости формы экранов и также создает анизотропную среду свойств материалов экранов. А армирование металлической проволокой в ряде случаев не обеспечивает должной адгезии ее к основному материалу.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. возможность выполнять экраны с различной плавноменяющейся толщиной и формой участков гомогенной изотропной системы по их длине и повышение надежности и качества экранов за счет подбора неармированных материалов, стойких в очень агрессивных средах (таких как минеральные и органические кислоты и их ангидриды, щелочи и т.д.), и создания заранее необходимых именно устанавливаемому экрану и совместимых в выбранном материале улучшенных электромагнитных и антикоррозионных, а также механических и др. характеристик. Кроме того, предусматривается изготовление из аналогичных материалов и других деталей электродвигателя (подшипниковых щитов и распорных втулок статора, прижимных колец ротора и т.д.).
Решение указанной задачи достигается за счет того, что в электродвигателе, герметичном, экранированном, содержащем станину и подшипниковые щиты, с расположенными между ними статором, по внутренней расточке которого установлен закрепленный к подшипниковым щитам тонкостенный экран, изготовленный из немагнитных с высоким удельным электрическим сопротивлением материалов, и ротором, по наружной поверхности которого также установлен закрепленный к его кольцам тонкостенный экран, выполненный из аналогичных материалов, согласно изобретению указанные экраны выполнены цельноизготовленными с плавноменяющейся толщиной и формой из неармированных многокомпонентных (или многослойных) композитных или углеродных материалов с заранее заданными антикоррозионными, электромагнитными и механическими свойствами, причем из этих же материалов выполнены и закрепляющие экраны другие детали статора и ротора (подшипниковые щиты статора, кольца ротора и др.).
Уровень совместимых физико-механических, теплофизических антикоррозионных, электрических и магнитных характеристик и их распределение по направлениям в указанных неармированных материалах экранов можно регулировать в зависимости от предъявляемых требований в каждом конкретном случае технологическими способами, наполнителями (углеродные наночастицы, тонкодисперсные частицы металлов, нитридов, керамики и т.д.) и термообработкой. Указанные материалы с высоким эффективным уровнем соответствия одновременно антикоррозийных и электромагнитных характеристик требованиям, предъявляемым к экранам (гильзам) герметичных электронасосов, находятся пока еще в стадиях разработки (см. ссылки ниже в описании).
Такие гомогенные изотропные материалы обладают высокой однородностью состава и стабильностью характеристик во всех точках( в отличие от армированных).
По данным технической литературы изделия из композитов, примерно, в 2-3 раза легче стали и в 3 раза прочнее ее лучших марок, а применение композитов позволяет снизить трудоемкость изготовления изделий, примерно, на 30%, их материалоемкость в 1,5-3 раза и энергоемкость в 8-10 раз. Исследования коррозийной стойкости углепластиков типа УПФ в более чем 150 средах при температурах от 20 до 100°С дали положительные результаты возможности их применения даже в очень агрессивных средах.
2
При этом существенным отличием и новизной заявляемой конструкции является то, что экраны изготовлены с разной плавноменяющейся толщиной и формой участков цельновыполненного без сварки или склеивания (цельнолитого, цельнопрессованного или напыленного) экрана, что создает плавный переход цилиндров разной толщины в другие формы (например, в конус), обеспечивает лучшую устойчивость формы всего экрана и гарантированное по надежности восприятие давления во внутреннем контуре (в полостях между статорами и роторами), которое, например, в выпускаемых герметичных электронасосах составляет до 100 кг/см. В этом случае утолщенные края цилиндрического экрана облегчают приварку или склейку (клеями, стойкими к агрессивным средам) экрана статора к подшипниковым щитам (которые, как и распорные втулки статора, кольца ротора и другие детали электронасосов, также могут быть изготовлены из композитов, углепластиков или других указанных материалов).
Изготовление экранов из нанокомпозитов еще и обеспечивает более плотное, беззазорное их прилегание к посадочным поверхностям (обычно зазор между статором и металлической гильзой составляет ≤0,2 мм), а их пластичность позволяет снижать нагрузку на экраны при нагреве деталей электродвигателя, возникающую вследствие разных коэффициентов теплового расширения.
Аналогично могут быть изготовлены экраны и для торцевых (дисковых) электродвигателей.
Кроме того, внедрение прогрессивных высокочастотных регулируемых электроприводов, например, в центробежных герметичных насосах, ограничено низкой экономичностью привода - с применением металлических герметизирующих экранов. Это обусловлено тем, что потери в экранирующей металлической гильзе пропорциональны квадрату частоты тока. При увеличении частоты тока от 50 до 400 Гц (авиакосмические устройства) потери в экранирующей гильзе увеличиваются в 64 раза.
Таким образом, заявляемая конструкция имеет вышеуказанные новые технические преимущества по сравнению с базовым объектом и другими приведенными на стр.1 конструкциями.
Данные, подтверждающие достоверность решения задачи изобретения, описаны в специальной технической литературе (см., например, «Физика композиционных материалов» Н.Н.Трофимов и др. «Мир», том I, раздел IV - глава 5, раздел VI - глава 5, и том II, раздел VIII - главы 2, 3, 4, 8; «Нанокомпозиты на основе полимеров и углеродных наночастиц и нановолокон» В.Мордкевич и др., Наноиндустрия, 1/2009, «Композиционные материалы на основе углерода» Костиков В.И. и др.).
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1, 1а, 1б и 2).
Данный герметичный экранированный электродвигатель включает в себя (см. фиг.1): статор 1, расположенный в станине 2 между подшипниковыми щитами 3 и 4 и защищенный по внутренней проточке герметизирующим экраном (гильзой) 5 (на фиг.1 - выполненным из композитных или углеродных неармированных материалов, а на фиг.1a - металлическим). Цельновыполненный композитный экран имеет плавноизменяющуюся толщину и форму по его длине. Экран герметично закреплен к подшипниковым щитам. Внутри экрана статора 5 на валу 6 расположен ротор 7, также защищенный от воздействия жидкости, протекающей в зазоре между статором и ротором, экраном 8. На фиг.2 изображена конструкция статорного экрана 5, выполненная из композитных или углеродных материалов. Экраны из композитов статора и ротора могут быть приварены (или приклеены) к деталям электродвигателя или электронасоса в целом, а могут быть уплотнены между конусно затянутыми их деталями (фиг.1б), также выполненными из аналогичных материалов.
При работе герметичного экранированного электродвигателя статор 1 благодаря закрепленному на подшипниковых щитах 3 и 4 экрану 5 и ротор 7, установленный на валу 6, с закрепленным на кольцах ротора экраном 8, защищены от воздействия протекающей в зазоре между пакетами статора и ротора жидкости. Причем установленные на статоре и роторе экраны из высокопрочных, коррозионно-стойких немагнитных композитов обеспечивают надежное восприятие механических, тепловых нагрузок, высокую коррозионную стойкость и высокую магнитную проницаемость по всем сечениям цилиндрических и конического (для экрана статора) участков экранов.
Предлагаемая новая конструкция герметичного экранированного электродвигателя обеспечивает повышенную механическую и антикоррозионную надежность, обеспечивает устойчивость плавноменяющихся форм участков изотропной системы экранов статора и ротора, имеет практическую ценность и может создать технический и экономический эффект при изготовлении технологического оборудования в электромашиностроительной, нефтехимической и др. отраслях промышленности.