МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
MAGNETIC FLUID SEAL OF ELECTRIC MOTOR SHAFT

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации вращающего вала электродвигателей, например, взрывозащищенных, электродвигателей с измененяемыми частотой вращения и удерживающим перепадом давления герметизируемой среды.
Известно магнитное жидкостное уплотнение вращающегося вала (Авторское свидетельство СССР №544808, МПК F16J 15/40, F16J 15/43, F16J 15/53, 1977 г.), в корпусе которого установлен кольцевой постоянный магнит и катушка индуктивности, питающая током, индуктированным во вспомогательной обмотке. С торцов кольцевого постоянного магнита установлены полюсные наконечники, образующие с валом зазор, заполненный магнитной жидкостью.
Недостатком указанного уплотнения низкая надежность герметизации при уплотнении переменных по величине давлений, т.к. герметизирующая способность указанного уплотнения зависит только от частоты вращения вала и не зависит от изменения перепада давлений.
Известно магнитное уплотнение вала (Авторское свидетельство СССР №887856, МПК F16J 15/40, F16J 15/43, 1981 г.), содержащее в корпусе катушку индуктивности, полюсные приставки и кольцевые полости для заполнения магнитной жидкостью, преобразователь перепада давления и регулятор тока для изменения напряженности магнитного поля катушки в зависимости от изменения давления.
Недостатком указанного магнитного уплотнения является недостаточная надежность, из-за возможности дополнительного нагрева магнитной жидкости. Также данная конструкция не исключает вытекание магнитной жидкости из рабочего зазора при отключении катушки от источника питания так как исчезает магнитный поток необходимый для удержания магнитной жидкости в зазоре.
Известно магнитожидкостное уплотнение (Авторское свидетельство СССР №1709151, МПК F16J15/40, 1992 г.), принятое за прототип, содержащее установленный в корпус магнитный узел в виде магнита и полюсных наконечников, образующих с валом уплотняемый зазор, заполненный магнитной жидкостью, и узел регулирования магнитного потока, включающий электрическую цепь с датчиком давления, реле с прерывателем, входящим в электрическую цепь узла регулятора магнитного потока, а последний выполнен в виде кольцевых катушек индуктивности, соединенных с реле и прерывателем и размещенных на наружных торцевых поверхностях полюсных наконечников в корпусах из магнитного материала, установленных соосно вала.
Недостатками прототипа низкий ресурс работы и невысокая степень надежности герметизации вала электродвигателя с переменной частотой вращения, из-за отсутствия контроля разогрева и вязкости магнитной жидкости в зависимости от скорости вращения уплотняемого вала, а так отсутствие возможности плавного регулирования магнитной индукции в рабочем зазоре уплотнения.
Технический результат заключается в повышении ресурса работы магнитожидкостного уплотнения при обеспечении надежности герметизации и плавном регулировании магнитной индукции в рабочем зазоре уплотнения.
Технический результат достигается тем, что в магнитожидкостном уплотнении вала электродвигателя, содержащем установленный в корпусе магнитный узел в виде магнита и полюсных наконечников, образующих с валом уплотняемый зазор, заполненный магнитной жидкостью, и узел регулирования магнитного потока, включающий две кольцевые катушки индуктивности, размещенные на наружных торцевых поверхностях полюсных наконечников в корпусах из магнитного материала, установленные соосно вала, соединенные с датчиком давления и реле с прерывателем, узел регулирования магнитного потока, дополнительно содержит две кольцевые катушки индуктивности, размещенные на полюсных наконечниках установленные соосно вала в корпусах, соединенные с транзисторным регулятором тока, к которому подключен датчик частоты вращения вала, а в уплотняемом зазоре размещен датчик температуры магнитной жидкости соединенный с прерывателем, выполненный с возможностью подключения к устройству управления электродвигателем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведено заявляемое магнитожидкостное уплотнение вала электродвигателя, на фиг. 2 - схема узла регулирования магнитного потока.
Магнитожидкостное уплотнение (МЖУ) вала электродвигателя содержит корпус 1, выполненный из немагнитного материала. В корпусе 1 установлен в магнитный узел в виде кольцевого магнита 2 и полюсных наконечников 3 и 4, образующих уплотняемый зазор 5 с валом 6, заполненный магнитной жидкостью. На поверхностях полюсных наконечников 3 и 4, обращенных к валу 6, выполнены кольцевые канавки. Между полюсными наконечниками 3 и 4 установлена немагнитная втулка 7, охватывающая концентрично с равномерным зазором вал 6 и препятствующая залипанию магнитной жидкости к магниту 2. На наружной торцевой поверхности полюсного наконечника 3 соосно вала 6 установлены первая кольцевая катушка индуктивности 8, размещенная в кольцевом корпусе 10, выполненном из магнитного материала, охватывающем концентрично с равномерным зазором вал 6. На наружной торцевой поверхности полюсного наконечника 4 соосно вала 6 установлены вторая кольцевая катушка индуктивности 9, размещенная в кольцевом корпусе 11, выполненном из магнитного материала, охватывающем концентрично с равномерным зазором вал 6. К первой и второй катушкам 8 и 9 подключен датчик давления 12, соединенный с реле 13 с шунтирующим диодом 14 через контакт 15. На полюсном наконечнике 3 соосно первой катушке 8 и валу 6 установлена третья кольцевая катушка индуктивности 16, размещенная в кольцевом корпусе 10, выполненном из магнитного материала, охватывающем концентрично с равномерным зазором вал 6. На поверхности полюсного наконечника 4 соосно второй катушке 9 и валу 6 установлена четвертая кольцевая катушка индуктивности 17, размещенная в кольцевом корпусе 11, выполненном из магнитного материала, охватывающем концентрично с равномерным зазором вал 6. Третья и четвертая катушки 16 и 17 соединены с транзисторным регулятором тока 18, к которому подключен датчик частоты вращения 19 вала. Узел регулирования магнитного потока включает катушки индуктивности 8 и 9, датчик давления 12, шунтирующий диод 14, реле 13 с контактом 15, катушки индуктивности 16 и 17, датчик частоты вращения вала 19, транзисторный регулятор тока 18. В качестве датчика частоты вращения 19 может применяться, например, тахогенератор, фотоэлектрический датчик с прерывателем или другие датчики измерения частоты вращения вала. В уплотняемом зазоре 5 размещен датчик температуры 20 магнитной жидкости соединенный с прерывателем, выполненный с возможностью подключения к устройству управления электродвигателем. В качестве датчика температуры 20 магнитной жидкости может применяться, например, электронный термодатчик, содержащий терморезистор или термопару.
Магнитожидкостное уплотнение вала электродвигателя работает следующим образом.
1
Магнитный поток Ф, образованный постоянным магнитом 2, создает магнитную индукцию, способную удержать магнитную жидкость в рабочем зазоре 5 только при минимальном повышении давлении в рабочей камере. Применение постоянного магнита 2 с характеристиками, обеспечивающими создание минимально необходимой магнитной индукции, снижает возможность расслоения магнитной жидкости в МЖУ до начала эксплуатации, например, при хранении.
2
3
2
3
2
3
При работе электродвигателя узел регулирования магнитного потока обеспечивает оптимальные параметры магнитного поля в рабочем зазоре уплотнения, в зависимости от условий эксплуатации, например, для режимов останова, кратковременного или продолжительного режимов работы. При вращении вала электродвигателя на магнитную жидкость действуют центробежные силы, стремящиеся оторвать магнитную жидкость от вала и нарушить работоспособность уплотнения. При увеличении частоты вращения вала необходимо увеличивать магнитный поток в рабочем зазоре МЖУ, увеличивая магнитную силу, удерживающую магнитную жидкость в МЖУ, например, путем увеличения тока в катушках индуктивности. При вращении вала 6 сигнал от датчика частоты вращения 19 поступает на контакт «база б» транзисторного регулятора тока 18, который открывает транзистор, обеспечивая протекания тока в цепи через контакты «эмиттер э» и «коллектор к», происходит включение третьей и четвертой катушек индуктивности 16 и 17, в которой возбуждается дополнительные магнитные потоки Ф и Ф, повышающий магнитную индукцию в рабочем зазоре 5 уплотнения. Пропускная способность транзисторного регулятора тока 18 изменяется в зависимости величины сигнала от датчика частоты вращения 19. При повышении частоты вращения вала 6 по сигналу от датчика частоты вращения 19 увеличивается пропускная способность транзисторного регулятора тока 18, что приводит к увеличению дополнительных магнитных потоков Ф и Ф, при снижении частоты вращения вала 6 по сигналу от датчика частоты вращения 19 уменьшается пропускная способность транзисторного регулятора тока 18, что приводит к уменьшению дополнительных магнитных потоков Ф и Ф.
4
5
4
5
При повышении давления в рабочей камере, выше заданной границы, сигнал от датчика давления 12, расположенного в рабочей камере, поступает на реле 13. Посредством контакта 15 происходит включение первой и второй катушек индуктивности 8 и 9, возбуждающих дополнительные магнитные потоки Ф и Ф, повышающие магнитную индукцию в рабочем зазоре 5 уплотнения. При понижении давления контакты датчика давления 12 размыкаются, происходит обесточивание реле 13 и размыкание контакта 15, при этом первая и вторая катушки индуктивности 8 и 9 обесточиваются и прекращается возбуждение дополнительных магнитных потоков Ф и Ф. Диод 14 нужен для предотвращения повреждения элементов сети высоковольтным импульсом ЭДС самоиндукции, который возникает при обесточивании обмотки реле 13. При предельной индукции магнитных потоков из-за чрезмерных магнитных сил может разрушаться поверхностно-активная оболочка магнетитовых частиц, их агрегатирование, что приводит к потере способности магнитной жидкости удерживать перепад давления.
Одновременно повышение магнитного потока в МЖУ увеличивает вязкость магнитной жидкости. Кроме того, увеличение частоты вращения вала увеличивает скорость сдвига слоев магнитной жидкости в МЖУ. Оба эти фактора увеличивают вязкостные потери в магнитной жидкости и ее разогрев. Предельная температура работоспособности магнитной жидкости в МЖУ не превышает 130-150°С. При большей температуре начинается вскипание магнитной жидкости и происходит потеря работоспособности МЖУ. Кроме того, повышение вязкости магнитной жидкости увеличивает собственный момент трения МЖУ. При повышении температуры магнитной жидкости в рабочем зазоре 5, например, до +120С, датчик температуры 20, расположенный в МЖУ вала электродвигателя, размыкается, происходит обесточивание всей цепи электродвигателя. Это обеспечивает защиту магнитной жидкости от вскипания, расслоения и, тем самым, увеличивая ресурс работы МЖУ, исключает аварийные ситуации.
Применение узла регулирования магнитного потока, включающего датчик давления 12, датчик частоты вращения 19 вала и обеспечивающего плавное регулирования магнитной индукции в рабочем зазоре, и оснащение МЖУ датчиком температуры 20 магнитной жидкости позволяет производить настройку МЖУ в зависимости от условий эксплуатации, например, для режимов останова, кратковременного или продолжительного режимов работы. Заявляемое магнитожидкостное уплотнение вала электродвигателя можно настроить с учетом критического удерживаемого перепада давления МЖУ для соответствия требуемому перепаду давления, с учетом предельной частоты вращения вала электродвигателя и предельной температуры магнитной жидкости.
Таким образом, заявляемое магнитожидкостное уплотнение вала электродвигателя обеспечивает повышение ресурса работы, надежность герметизации и плавное регулировании магнитной индукции в рабочем зазоре уплотнения.