АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ГЕРМЕТИЧНЫМ ЭЛЕКТРОНАСОСОМ
INDUCTION MOTOR WITH SEALED ELECTRIC PUMP

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции асинхронного двигателя с герметичным электронасосом для перекачки жидкостей.
Известны два основных типа конструктивного исполнения герметичных электронасосов, в которых используются трехфазные асинхронные двигатели (АД) соответствующей конструкции [1]. Известен тип герметичного электронасоса, у которого полость статора его АД изолирована от перекачиваемой жидкости - экранированные электронасосы. Соответственно такие АД называют асинхронными двигателями экранированных электронасосов (АД ЭЭН) или просто экранированными АД. Они имеют наибольшее число особенностей, принципиально отличающих их от АД общего назначения, что вносит существенные отличия и затруднения в их расчет, изготовление и эксплуатацию.
Известна конструкция АД ЭЭН, выбранного в качестве прототипа, у которого полость статора с его обмоткой и короткозамкнутая обмотка массивного ротора герметизируются тонкостенными экранами из немагнитной стали, зазор между которыми заполнен циркулирующей перекачиваемой жидкостью [2]. Известная конструкция АД ЭЭН имеет ряд существенных недостатков. Такой АД является лишь частью моноблочного агрегата, включающего еще гидравлическую часть и устройства охлаждения. Наличие защитных экранов статора и ротора требует на их изготовление расхода специальной немагнитной стали, а также дополнительной работы на их изготовление и установку. Лобовые части обмотки статора в торцевой зоне АД ЭЭН окружены массивными стальными конструктивными элементами. Немагнитная сталь экранов имеет относительно высокое удельное электрическое сопротивление и в них выделяется значительное количество тепловой энергии. Сердечник его массивного ротора, выполненный не из электротехнической стали, также создает дополнительные потери. В защитных экранах и на трение ротора о жидкость в зазоре теряется 10-15% энергии, подведенной к АД. Потери в массивных элементах торцевой зоны снижают КПД двигателя больше чем на 1,5%. В результате большой величины всевозможных потерь АД имеет относительно низкий КПД, не превышающий 70%. Относительно большой зазор между расточкой статора и ротором (до 4 мм), необходимый для установки двух экранов, требует большой величины МДС обмотки статора, что приводит к большому значению тока статора, а также к большой величине потоков рассеяния и, как следствие, к низкому значению коэффициента мощности cosφ.
Цель изобретения - создать конструкцию трехфазного АД, способного одновременно выполнять функцию герметичного электронасоса и обладать высокими электромагнитными и эксплуатационными свойствами.
Указанная цель достигается следующим образом: статор АД обычной конструкции, его трехфазная обмотка создает вращающееся магнитное поле, в котором вращается массивный ротор. Массивный ротор АД выполнен полым в виде массивного толстостенного цилиндра из маломагнитного сплава [3]. Толщина стенки массивного цилиндра определяется глубиной проникновения основного поля статора в сердечник ротора при рабочей частоте вращения ротора. Торцы массивного цилиндра герметично закрыты фланцами, укрепленными на валу ротора. Фланцы выполнены из металла с низким удельным электрическим сопротивлением и одновременно выполняют роль короткозамыкающих колец для уменьшения поперечных токов массивного цилиндра и уменьшения их потерь. С этой же целью должно быть большим отношение длины массивного цилиндра к полюсному делению (1/τ>2) [4]. Внутренний диаметр массивного цилиндра и его длина, а значит объем полости ротора, определяются объемом перекачиваемой жидкости. Концы вала тоже полые, их стенки имеют отверстия, через эти отверстия и полости вала полость ротора соединяется с внешним пространством. Внутри полости ротора на валу закреплено рабочее колесо, имеющее диаметр полости ротора. Массивный цилиндр и торцевые фланцы ротора одновременно служат герметичным корпусом электронасоса, внутри него находится рабочее колесо, которое при вращении ротора будет перегонять жидкость внутри полости ротора со стороны всасывания в сторону нагнетания. Т.е., когда ротор вращается, он одновременно выполняет функцию герметичного электронасоса, так что электронасос и его АД представляют собой единый агрегат. Таким образом, заявляемая конструкция АД герметичного электронасоса соответствует критерию изобретения «новизна». Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволяет сделать вывод о соответствии критерию «существенные отличия».
Сущность изобретение поясняется чертежом, на котором схематически представлена конструктивная схема АД с герметичным электронасосом. АД имеет статор 1 обычной конструкции, отделенный от массивного ротора обычным воздушным зазором 2. Его массивный ротор полый, он представляет собой массивный толстостенный цилиндр 3 из маломагнитного сплава. Торцы массивного цилиндра герметично закрываются фланцами 4, укрепленными на валу 5, выполненными из метала с малым удельным электрическим сопротивлением. Массивный цилиндр 3, торцевые фланцы 4 и вал 5 образуют герметичную полость насоса 6, в средней части которой на валу ротора 5 закреплено рабочее колесо насоса 7. Концы вала 5 тоже имеют полости 8, в стенках которых имеются отверстия 9. Через отверстия 9 и полости вала 8 герметичная полость ротора 6 соединяется с внешним пространством со стороны всасывания и со стороны нагнетания. При вращении ротора под действием вращающегося поля статора рабочее колесо внутри полости ротора, вращаясь вместе с валом, будет перекачивать (перегонять) жидкость из полости ротора со стороны всасывания в полость со стороны нагнетания. Направление движения жидкости внутри полостей вала и ротора указано на чертеже стрелками. Таким образом, при вращении ротор одновременно выполняет роль осевого горизонтально герметичного электронасоса.
Кроме того, массивный ротор из маломагнитного сплава имеет повышенное электрическое сопротивление, поэтому АД обладает повышенным пусковым моментом, пониженными пусковым и рабочим токами и допускает практически неограниченное число прямых пусков. Обе половины агрегата со стороны всасывания и со стороны нагнетания совершенно одинаковы, поэтому при реверсивном АД насос тоже будет реверсивным, т.е. можно изменять направление вращения ротора и соответственно направление движения жидкости на противоположное.
Использование АД с полым массивным ротором, выполняющим функцию герметичного электронасоса, позволяет получить единый компактный агрегат сравнительно простой конструкции и уменьшенных габаритов, что снижает его массу и повышает его производительность и эксплуатационные свойства. Отсутствие всевозможных специфических потерь энергии и полей рассеяния значительно повышает КПД и коэффициент мощности cosφ АД и его насос могут работать в реверсивном режиме. Конструкция АД проще конструкции АД ЭЭН, он имеет меньшую металлоемкость и меньшие трудозатраты при изготовлении. АД с массивным ротором из немагнитного сплава имеет повышенный пусковой момент, пониженные пусковой и рабочий токи, и допускает практически неограниченное число прямых пусков в обоих направлениях.
Источники информации
1. Васильцов Э.А., Невелич В.В. Герметические электронасосы. - М: Машиностроение, 1968.
2. Поклонов С.В. Асинхронные двигатели герметичных электронасосов. - Л: Энергопромиздат, 1987.
3. Могильников B.C. Асинхронные электродвигатели с массивными и двухслойными роторами. ВМФ, 1976.
4. Середа В.П. Исследование распределения токов в гильзе двухслойного ротора асинхронной машины. Сб-к научных трудов Даг. НИОЭ, Махачкала, 1974. Вып.4, стр. 175-181.