Медогонка с прямым электрическим приводом

Полезная модель относится к сельскому хозяйству, в частности к конструкции медогонок, и может быть использована в пчеловодстве для получения медопродуктов с заполненных медом сотовых рамок, при воздействии на них центробежных сил в процессе вращения ротора медогонки.
Медогонки, использующие центробежные силы в процессе откачки меда имеют схожие конструкции и отличаются в основном расположением рамок (хордиальные, радиальные или хордиально-радиальные) и видом привода.
Привод ротора медогонки может быть либо ручным (до 8 гнездовых сотовых рамок), или электромеханическим (от 4 до 28 гнездовых сотовых рамок). Медогонки с такой производительностью используют на пасеках, сравнительно больших по количеству пчелосемей.
Известная медогонка М4.32.РЭ [1] (Лукьянов В.Д., Павленко В.Н., пчеловодческих инвентарь, пасечное оборудование: Справочник: Агрономиздат, 1988. - С. 71-73), содержит цилиндрический корпус, внутри которого установлен цилиндрический ротор для размещения рамок с сотами, при этом плоскости этих рамок могут быть расположены по хордами или радиусам цилиндрического ротора.
Известна медогонка [2] (патент Украины №73727, МПК А01К 59/00, Бюл. №19, 2012 г.), содержащая цилиндрический бак с крышкой, электромеханический привод, ротор для размещения рамок с сотами.
Известна медогонка [3] (патент Украины №65029, МПК А01К 59/00, Бюл. №22, 2011 г.), содержащая электромеханический привод, цилиндрический бак, ротор для размещения рамок с сотами, где плоскости этих рамок расположены перпендикулярно вертикальной оси вращения ротора.
Известна медогонка [4] (патент России №2501212, МПК А01К 59/04, Бюл. №35 2013 г.), включающий сборник меда и ротор с установленными в нем на расстоянии от оси его вращения кассетами для размещения в них сотовых рамок, где сборник меда есть корпусом медогонки и выполнен в виде прямого кругового цилиндра с дном и вертикальной осью вращения ротора, установленной в подшипниках верхнем и нижнем, причем верхний подшипник установлен на поперечной планке, закрепленной на верхнем основании корпуса медогонки, ротор имеет форму призмы с верхним и нижним основаниями в виде многоугольников.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства, является электрическая хордиально-радиальная медогонка [5] (патент России №2523007, МПК А01К 59/04, Бюл. №20, 2014), которая содержит бак с крышкой, внутри которого расположен с возможностью вращения от приводного устройства барабан, имеющий горизонтальные и вертикальные фиксаторы, выполненные с возможностью радиального крепления сотовых рамок, и втулки-фиксаторы, размещенные на верхних и нижних спицах и выполненные с возможностью хордиального крепления кассет.
Недостатками ближайшего аналога, как и всех конструкций медогонок, приведенных выше является то, что в качестве приводного устройства используются электрические двигатели с замедляющими редукторами.
В качестве источника вращения применяют двигатели постоянного тока (ДПТ) или асинхронные двигатели переменного тока (АД).
Асинхронные двигатели устанавливаются на большие стационарные медогонки [2]. Для регулирования направления и частоты вращения АД применяют специализированные частотные преобразователи, стоимость которых может составлять значительную часть стоимости всей медогонки.
ДПТ используют как для стационарных, так и для нестационарных медогонок, которые могут получать питание как от стандартной сети 220В, дизель-генераторных станций, так и от аккумуляторных батарей. Преимуществом ДПС над АД является относительная простота управления частотой вращения с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), что значительно уменьшает стоимость привода и системы управления медогонкой. Кроме того, ДПТ имеет лучшие массогабаритные параметры, пусковые характеристики и характеристики регулирования.
В приводах медогонок в паре с электродвигателем, как правило, применяется редуктор. Необходимость использования редуктора объясняется тем, что барабан (ротор) медогонки имеет максимальные обороты, что обычно не превышают 200 об/мин. При этом номинальная частота вращения при номинальном моменте для стандартных АД начинается от 500…750 об/мин, а для ДПС - от 1000…1500 об/мин. Таким образом, для получения необходимой скорости вращения барабана медогонки приходится использовать редукторы с коэффициентами замедления, находящимися в диапазоне 3…20. Кроме того, использование редуктора позволяет увеличить момент на выходном валу привода, что особенно важно при пуске медогонки (раскрутки барабана).
В качестве замедляющих редукторов медогонок чаще всего используются клиноременные передачи и червячные редукторы. Клиноременные передачи при относительной простоте своей конструкции требуют увеличения высоты всей конструкции медогонки на высоту электродвигателя за счет того, что его ось соосна с осью медогонки.
Этот недостаток отсутствует в червячных редукторах, так как электродвигатель можно размещать ортогонально оси медогонки. К преимуществам червячных редукторов следует отнести их незначительные габариты при значительных коэффициентах замедления. Недостатками червячных редукторов являются значительные потери энергии на трение шестерни и червячного вала и быстрый износ редуктора при остановке вращения барабана медогонки при торможении электродвигателем.
К недостаткам клиноременных передач и червячных редукторов относится необходимость постоянного контроля их технического состояния и обслуживание в случае необходимости. Для клиноременных передач это контроль состояния ремней и их натяжения, а для червячных редукторов контроль люфтов и наличия и состояния смазки.
Таким образом, недостатками электрических приводов медогонок, использующих электродвигатели и редукторы, описанные выше являются:
- значительные массогабаритные параметры асинхронных электродвигателей;
- необходимость наличия источника питания переменного тока напряжением 220В или 380В для асинхронных электродвигателей;
- необходимость наличия специализированного частотного преобразователя в системе управления направлением и частотой вращения асинхронных электродвигателей;
- необходимость постоянного контроля состояния коллекторно-щеточного узла электродвигателя постоянного тока;
- необходимость использования замедляющих редукторов для получения необходимых для медогонок моментов и скоростей вращения, что снижает коэффициент полезного действия привода медогонки и увеличивает ее массу;
- необходимость постоянного контроля технического состояния замедляющих редукторов.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования медогонки с целью упрощения ее конструкции и технического обслуживания, повышение управляемости, надежности и энергоэффективности привода медогонки.
Поставленная задача решается путем замены в электромеханическом приводе медогонки электродвигателя (ДПТ или АД) с редуктором на безколлекторный двигатель постоянного тока (БДПТ, BLDC - Brushless Direct Current в англоязычной литературе), что дает возможность реализовать прямой безредукторный привод барабана медогонки. При этом БДПТ встраивается в барабан медогонки таким образом, что становится его частью.
БДПТ двигатели находят свое применение от микродвигателей CD-DVD приводов до приводов в мотор-колесах велосипедов, скутеров и автомобилей.
Свойства БДПТ:
- максимальный момент при близкой к нулю скорости вращения без перегрузки;
- широкий диапазон изменения частоты вращения;
- безконтактность и отсутствие узлов, требующих частого обслуживания (коллектора);
- возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде;
- большая перегрузочная способность по моменту;
- высокие энергетические показатели (КПД выше 90%);
- большой срок службы и высокая надежность.
Использование БДПТ дает возможность реализовать полностью управляемый процесс откачки меда начиная с раскрутки барабана медогонки с заданным ускорением, поддержания заданной скорости вращения с учетом уменьшения момента инерции барабана с рамками при откачке меда, управляемое торможение и режим реверса.
БДПТ имеют два вида реализации - с внутренним и внешним ротором. В первом случае ротор с постоянными магнитами находится внутри неподвижного статора, который представляет собой шихтованный магнитопровод с обмотками, которые подключены к электронному коммутатору. На статоре закреплены датчики положения ротора. БДПТ с внешним ротором состоит из неподвижного статора, вокруг которого вращается ротор с постоянными магнитами. Примером БДПТ с внешним ротором является мотор-колесо электровелосипеда или скутера.
На фиг. 1 представлена конструкция медогонки с приводом от БДПТ с внешним ротором (мотор-колесо электровелосипеда). Медогонка состоит из цилиндрического бака с конусным дном 1, поперечной планки 2 с жестко закрепленным на нем одним концом вала БДПТ 3, который является частью барабана 4 для размещения рамок с сотами 5. Второй конец вала БДПТ через муфту 6 жестко связан с неподвижной стержневой опорой 7, которая опирается на вершину конусного дна бака 1. Сигналы управления и обратной связи передаются в блок управления (не показан на рисунке) через верхний полый конец вала БДПТ по проводникам кабеля 8.
При включении медогонки в работу подвижная часть БДПТ закрепленная на барабане 2 начинает вращаться, приводя в движение барабан с размещенными на нем рамками с сотами 5.
Пример конструкции медогонки с приводом от БДПТ с внутренним ротором представлена на рисунке фиг. 2.
Медогонка состоит из цилиндрического бака с конусным дном 1, поперечной планки 2, барабана 4 с размещенными на нем рамками с сотами 5 с центральным подвижным валом 8, нижний конец которого опирается на вершину конусного дна бака. Верхний конец вала 8 вставлен в подшипник, жестко закрепленный на поперечной планке 2. Такая конструкция обеспечивает минимальные осевые колебания вала 8. На верхней части барабана 4 закреплено металлическое кольцо 9, на торцевой поверхности которого закреплены постоянные магниты 10. Таким образом, барабан 4 с металлическим кольцом 9 и постоянными магнитами 10 является ротором БДПТ. Статор БДПТ 11 разделен на две части, закрепленные на обоих концах поперечной планки 2.
Более подробно конструкция одной части статора представлена на рисунке фиг. 3. Каждая часть статора состоит из шихтованного сердечника 12 и трех обмоток 13. Фазные обмотки устанавливаются на полюсные наконечники статора 14. Обмотки каждой части статора включены звездой, а между собой соответствующие обмотки обеих частей статора включены параллельно. При определенной последовательности коммутации токов в обмотках магнитные поля обмоток взаимодействуют с магнитными полями постоянных магнитов и двигают колесо барабана. Скорость вращения барабана зависит от последовательности и скорости коммутации обмоток статора. Датчики положения ротора БДПТ (датчики Холла) установлены между полюсными наконечниками статора 14 и для упрощения чертежа на фиг. З не показаны.
Особенностью выбора параметров БДПТ является превышение момента двигателя над моментом инерции барабана, что дает возможность полного контроля за режимами вращения (разгон, стабилизация, торможение, реверс) барабана медогонки.
Внесенные изменения в конструкцию привода прототипа позволяют:
- упростить конструкцию медогонки;
- упростить техническое обслуживание медогонки;
- повысить управляемость процесса откачки меда, начиная с раскрутки барабана медогонки с заданным ускорением, поддержания заданной скорости вращения с учетом уменьшения момента инерции барабана с рамками при откачке меда, управляемого торможения и режима реверса;
- повысить надежность и продлить срок службы медогонки;
- повысить энергоэффективность привода медогонки.
Примечание: На рисунках Фиг. 1 и Фиг. 2 количество и размещение рамок с сотами (позиционный номер 5) показаны условно.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 Конструкция медогонки с приводом от БДПТ с внешним ротором
Фиг. 2 Конструкция медогонки с приводом от БДПТ с внутренним ротором
Фиг. 3 Конструкция одного из элементов статора БДПТ с внутренним ротором
Источники информации:
1. Лукьянов В.Д., Павленко В.Н., Пчеловодческий инвентарь, пасечное оборудование: Справочник: Агрономиздат, 1988. - С. 71-73;
2. Патент: UA 73727, А01К 59/00, 2012
3. Патент: UA 65029, А01К 59/00, 2011
4. Патент: RU 2501212, А01К 59/04, 2013
5. Патент: RU 2523007, А01К 59/04, 2014