Результат интеллектуальной деятельности: Двигатель сепаратора совмещенной конструкции

Изобретение относится к электродвигателям, в частности к двигателям электроприводов сепараторов и сепараторных установок, может быть использовано в качестве привода барабанов сепараторов в нефтяной, пищевой, медицинской и других отраслях промышленности, например, сепараторов нефти на нефтяных месторождениях, судовых сепараторов, сепараторов молока и других полидисперсных жидких систем.

Известен электродвигатель сепаратора для жидкости (а.с. СССР №1427501, 30.09.1988 г. авторы Гайтов Б.Х., Копелевич Л.Е., Письменный В.Я., Быков Е.А.), содержащий корпус, смонтированный в нем аксиальный статор электродвигателя с обмоткой, вокруг лобовых частей которой установлены замоноличенные компаундом трубки для сепарируемой жидкости, и закрепленный в подшипниках ротор, выполненный в виде барабана сепаратора.

Существенным недостатком известного из а.с. СССР №1427501 электродвигателя сепаратора является низкая стабильность скорости вращения ротора, выполненного в виде барабана сепаратора, при изменении нагрузки и низкие энергетические показатели (КПД и cosϕ₁).

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является электродвигатель установки для сепарирования нефти (пат. РФ №2593626, 2016 г., автор Копелевич Л.Е.), имеющий статор, содержащий аксиальную часть с сердечником и обмоткой, в лобовых частях которой размещены замоноличенные компаундом трубки для охлаждения статора и подогрева нефти, и закрепленный в подшипниках ротор из электропроводящего, немагнитного материала, выполненный в виде барабана сепаратора, и цилиндрическую часть, содержащую цилиндрический магнитопровод, в пазы которого уложена обмотка, а обмотки двух частей статора соединены последовательно.

Известные из а.с. СССР №1427501 и пат. РФ №2593626 электродвигатели по сути являются двигателями совмещенной конструкции, так как роторы этих двигателей являются одновременно рабочим органом - барабаном сепаратора (установки для сепарирования нефти).

Выполненный в виде барабана сепаратора ротор (далее по тексту - ротор-барабан) является массивным ротором. Ввиду этого, известный из пат. РФ №2593626 электродвигатель имеет ряд недостатков, присущих любому асинхронному двигателю с массивным ротором: низкую стабильность скорости вращения ротора-барабана при изменении нагрузки, низкие энергетические показатели (КПД и cosϕ₁). Низкая стабильность скорости вращения массивного ротора асинхронного двигателя [Куцевалов В.М. Вопросы теории и расчета асинхронных машин с массивными роторами. - М. - Л.: Энергия, 1966.] иллюстрируется его пологой механической характеристикой (фиг. 2, кривая 12), при которой неизбежное, в силу неоднородности многофазного сепарируемого продукта, изменение момента ΔM нагрузки (фиг. 2) приводит к большому изменению скорости вращения Δn₁ массивного ротора (фиг. 2). Диапазон изменения скорости его вращения широк. Это негативно сказывается на качестве результатов сепарирования.

Асинхронные двигатели с массивным ротором отличаются от асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором большими потерями энергии в роторе, обусловленными электромагнитными параметрами массивного ротора (большое значение активного сопротивление массивного ротора [Куцевалов В.М. Вопросы теории и расчета асинхронных машин с массивными роторами. - М. - Л.: Энергия, 1966.]), что приводит к более низкому КПД асинхронного двигателя с массивным ротором по сравнению с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором.

Низкий коэффициент мощности cosϕ₁ у асинхронного двигателя с массивными ротором объясняется большой индуктивной составляющей тока ротора [Куцевалов В.М. Вопросы теории и расчета асинхронных машин с массивными роторами. - М. - Л.: Энергия, 1966; Копылов, И.П. Математическое моделирование электрических машин / И.П. Копылов. - М.: Высш. шк., 2001].

Задачей изобретения является усовершенствование двигателя сепаратора, позволяющее улучшить его эксплуатационные характеристики и энергетические показатели.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение диапазона изменения скорости вращения ротора-барабана двигателя сепаратора при изменении момента его нагрузки при одновременном сохранении высокого пускового момента, присущего двигателям с массивным ротором, и увеличение КПД и cosϕ₁ двигателя сепаратора.

Технический результат достигается тем, что в двигателе сепаратора совмещенной конструкции, содержащем корпус, статор и ротор из электропроводящего, немагнитного материала, выполненный в виде барабана сепаратора, при этом статор содержит цилиндрический магнитопровод, в пазы которого уложена обмотка, в лобовых частях которой размещены трубки для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта, замоноличенные компаундом, а ротор жестко закреплен на оси, установленной в подшипниковых опорах, с возможностью вращения, с внутренней стороны барабана сепаратора, в нижней его части параллельно оси его вращения на равном расстоянии друг от друга устанавливают токопроводящие ферромагнитные стержни, соединенные сверху и снизу токопроводящими короткозамыкающими ферромагнитными кольцами, образующие короткозамкнутый ротор, при этом количество токопроводящих ферромагнитных стержней n₂ определяется диаметром нижней части барабана сепаратора D_r в соотношении:

где D_r - диаметр нижней части ротора-барабана, t_Z1 - зубцовое деление статора,

но не менее шести стержней.

Механическая характеристика асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (фиг. 2, кривая 13) более жесткая по сравнению с механической характеристикой асинхронного двигателя с массивным ротором (фиг. 2, кривая 12) [Копылов И. П. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с.]. Более узкий диапазон изменения скорости вращения короткозамкнутого ротора-барабана сепаратора при изменении момента нагрузки ΔM по сравнению с диапазоном изменением скорости вращения массивного ротора-барабана сепаратора при таком же изменении момента нагрузки ΔM иллюстрируется механической характеристикой асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (Δn₂<Δn₁, фиг. 2).

Уменьшение диапазона изменения скорости вращения ротора-барабана асинхронного двигателя сепаратора при изменении момента его нагрузки, достигается тем, что с внутренней стороны барабана сепаратора, в нижней его части параллельно оси его вращения на равном расстоянии друг от друга устанавливают токопроводящие ферромагнитные стержни, соединенные сверху и снизу токопроводящими короткозамыкающими ферромагнитными кольцами, образующие короткозамкнутый ротор.

Сохранение высокого пускового момента, присущего асинхронным двигателям с массивными ротором достигается тем, что предлагаемый двигатель сепаратора совмещенной конструкции имеет двухслойный ротор, состоящий из внешней массивной части, как и прототип, позволяющей обеспечить высокий пусковой момент, и внутренней короткозамкнутой части, позволяющей обеспечить стабильность скорости вращения ротора-барабана сепаратора при изменении момента его нагрузки.

Так как эквивалентное активное сопротивление двухслойного ротора асинхронного двигателя меньше активного сопротивления однослойного массивного ротора асинхронного двигателя [Куцевалов В.М. Вопросы теории и расчета асинхронных машин с массивными роторами. - М. - Л.: Энергия, 1966; Копылов, И.П. Математическое моделирование электрических машин / И.П. Копылов. - М.: Высш. шк., 2001], то потери энергии в двухслойном роторе асинхронного двигателя меньше, чем в однослойном массивном роторе. Вследствие этого КПД асинхронного двигателя с двухслойным ротором выше, чем КПД асинхронного двигателя с массивным ротором. Таким образом, КПД предлагаемого двигателя сепаратора совмещенной конструкции с двухслойным ротором-барабаном выше, чем КПД известного из пат. РФ 2593626 двигателя сепаратора совмещенной конструкции с однослойным массивным ротором-барабаном.

Повышение cosϕ₁ предлагаемого двигателя сепаратора достигается тем, что с внутренней стороны барабана сепаратора, являющегося массивным ротором, в нижней его части параллельно оси его вращения на равном расстоянии друг от друга устанавливают токопроводящие ферромагнитные стержни, соединенные сверху и снизу токопроводящими короткозамыкающими ферромагнитными кольцами, образующие короткозамкнутый ротор.

При пуске в ход асинхронного двигателя с двухслойным ротором частота тока в роторе максимальна и равна частоте сети. Ток распределяется между внешней массивной частью и внутренней короткозамкнутой частью ротора неравномерно [Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Ч. 2. Машины переменного тока. М.: Энергия, 1965. - 704 с.]. При пуске ток, протекающий во внутренней короткозамкнутой части ротора асинхронного двигателя, будет меньше тока, протекающего по внешней массивной части ротора асинхронного двигателя, так как при пуске за счет большого значения скольжения s частота тока в роторе максимальна. В связи с этим электромагнитная волна распределяется по внешней оболочке роторора, т.е. по его массивной части. В результате этого внешняя массивная часть ротора асинхронного двигателя при пуске создает основной вращающий момент. При увеличении скорости вращения асинхронного двигателя с двухслойным ротором частота тока в частях двухслойного ротора будет снижаться. Результатом этого станет снижение индуктивного сопротивления внутренней короткозамкнутой части двухслойного ротора и повышение значения тока в ней. Следовательно, внутренняя часть двухслойного ротора будет создавать все больший вращающий момент.

При разгоне асинхронного электродвигателя увеличивается глубина проникновения электромагнитной волны, так как уменьшается частота тока в роторе вследствие уменьшения скольжения.

Если ротор асинхронного двигателя является однослойным массивным, то увеличение глубины проникновения электромагнитной волны ввиду однородности массивного ротора на коэффициенте мощности cosϕ₁ сказывается незначительно [Куцевалов В.М. Вопросы теории и расчета асинхронных машин с массивными роторами. М. - Л.: Энергия, 1966].

Если ротор асинхронного двигателя является двухслойным (массивный внешний слой и короткозамкнутый внутренний слой), то при увеличении скорости вращения ротора увеличение глубины проникновения электромагнитной волны ввиду неоднородности двухслойного ротора существенно скажется на коэффициенте мощности cosϕ₁, увеличивая его. Это обусловлено тем, что индуктивное сопротивление внутренней короткозамкнутой части двухслойного ротора асинхронного двигателя сепаратора совмещенной конструкции при малых скольжениях будет меньше индуктивного сопротивления однослойного ротора [Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Ч. 2. Машины переменного тока. М.: Энергия, 1965. - 704 с.].

Таким образом, cosϕ₁ предлагаемого двигателя сепаратора совмещенной конструкции с двухслойным ротором-барабаном выше, чем cosϕ₁ известного из пат. РФ 2593626 двигателя сепаратора с однослойным массивным ротором-барабаном.

Количество токопроводящих ферромагнитных стержней n₂ должно быть равно количеству пазов ротора Z₂. Согласно [Проектирование электрических машин: учебник для вузов / И.П. Копылов. - 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Изд-во Юрайт, 2019 - 828 с.] допускается, чтобы количество пазов ротора Z₂ было равно количеству пазов статора Z₁ (Z₂=Z₁).

В соответствии с [Проектирование электрических машин: учебник для вузов / И.П. Копылов. - 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Изд-во Юрайт, 2019 - 828 с.] количество пазов статора Z₁ определяется по формуле (2):

где D - внутренний диаметр статора, t_Z1 - зубцовое деление статора, определяемое по [Проектирование электрических машин: учебник для вузов / И.П. Копылов. - 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Изд-во Юрайт, 2019 - 828 с., рис. 9.26.]. Внутренний диаметр статора D отличается от диаметра ротора-барабана D_r только на двойную величину воздушного зазора δ (фиг. 1, сечение А-А). Так как величина воздушного зазора δ по [Проектирование электрических машин: учебник для вузов / И.П. Копылов. - 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Изд-во Юрайт, 2019 - 828 с.] не превышает 2 мм, то принимаем что D=D_r. Тогда формула для определения количества токопроводящих ферромагнитных стрежней примет вид (1):

Так, к примеру при диаметре нижней части ротора-барабана сепаратора D_r=0,2 м и зубцовом делении статора t_Z1=0,013 м, определенному по [Проектирование электрических машин: учебник для вузов / И.П. Копылов. - 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Изд-во Юрайт, 2019 - 828 с, рис. 9.26], количество токопроводящих ферромагнитных стержней n₂=48 стержней.

Количество токопроводящих ферромагнитных стержней должно быть не менее 6 стержней. Так как для трехфазной обмотки минимальное количество пазов на полюс и фазу равно 1 (q=1), то при количестве фаз - 3 (m=3) и количестве пар полюсов - 1 (p=1), минимальное количество токопроводящих ферромагнитных стержней определяем согласно [Проектирование электрических машин: учебник для вузов / И.П. Копылов. - 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Изд-во Юрайт, 2019 - 828 с.] по формуле:

Таким образом, совокупность предложенных признаков позволяет достичь заявленного технического результата.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого двигателя сепаратора совмещенной конструкции, на фиг. 2 - механические характеристики асинхронного двигателя с массивным ротором и с короткозамкнутым ротором, на фиг. 3 - механическая характеристика предлагаемого двигателя сепаратора совмещенной конструкции.

На фиг. 2, 3 обозначено: 12 - механическая характеристика асинхронного двигателя с массивным ротором, 13 - механическая характеристика асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором; 14 - механическая характеристика асинхронного двигателя с двухслойным ротором-барабаном; ΔM- изменение момента нагрузки двигателя; Δn₁ - изменение скорости вращения массивного ротора асинхронного двигателя при изменении момента нагрузки ΔM; Δn₂ - изменение скорости вращения короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя при изменении момента нагрузки ΔM; Δn₃ - изменение скорости вращения двухслойного ротора-барабана двигателя сепаратора совмещенной конструкции при изменении момента нагрузки ΔM.

Двигатель сепаратора совмещенной конструкции (фиг. 1) содержит корпус 1, статор и ротор 6 из электропроводящего, немагнитного материала, выполненный в виде барабана сепаратора. Статор содержит цилиндрический магнитопровод 2, в пазы которого уложена обмотка 3, в лобовых частях которой размещены трубки 4 для охлаждения статора и подогрева сепарируемого продукта, замоноличенные компаундом 5. Ротор 6 жестко закреплен на оси 7, установленной в подшипниковых опорах 8 и 9, с возможностью вращения.

С внутренней стороны барабана сепаратора, в нижней его части параллельно оси его вращения установлены на равном расстоянии токопроводящие ферромагнитные стержни 11, соединенные сверху и снизу токопроводящими короткозамыкающими ферромагнитными кольцами 10, образующими короткозамкнутый ротор. Таким образом двигатель сепаратора совмещенной конструкции представляет собой двуслойный ротор-барабан, содержащий массивную часть и короткозамкнутую часть.

Двигатель сепаратора совмещенной конструкции работает следующим образом. При подаче напряжения на обмотку 3, уложенную в пазы цилиндрического магнитопровода 2, в ней протекает электрический ток, создающий вращающееся магнитное поле, которое наводит вихревые токи в массивной части установленного в корпусе 1 в подшипниковых опорах 8 и 9 ротора 6, выполненном в виде барабана сепаратора. Взаимодействие вращающегося магнитного поля, созданного током, протекающим в обмотке 3, и магнитного поля, созданного вихревыми токами в массивной части ротора-барабана 6 приводит к возникновению вращающего момента, под действием которого ротор-барабан 6, приходит во вращение вокруг своей центральной оси. С увеличением скорости вращения ротора-барабана 6 происходит уменьшение скольжения s, определяемого по формуле (4):

где n - частота вращения ротора асинхронного двигателя, об/мин; n₁ - синхронная скорость вращения магнитного поля.

Это приводит к уменьшению частоты ƒ₂ вихревых токов, протекающих в роторе-барабане 6, определяемой по формуле (5):

где ƒ₁ - частота питающей сети, s - скольжение.

Это в свою очередь приводит к увеличению глубины проникновения электромагнитной волны, определяемой по формуле (6):

где μ - магнитная проницаемость материала, γ - удельная проводимость материала, ƒ₂ - частота вихревых токов, протекающих в массивной части ротора-барабана.

В результате увеличения глубины проникновения электромагнитной волны вращающееся магнитное поле, создаваемое током, протекающим в обмотке 3, уложенной в пазы цилиндрического магнитопровода 2 статора, наводит ЭДС и в токопроводящих ферромагнитных стержнях 11. Так как эти стержни короткозамкнуты токопроводящими ферромагнитными кольцами 10, то в токопроводящих ферромагнитных стержнях 11 будет протекать электрический ток. Взаимодействие вращающего магнитного поля, создаваемого током, протекающим в обмотке 3, уложенной в пазы цилиндрического магнитопровода 2 статора, и магнитного поля двухслойного ротора-барабана 6, создаваемого вихревыми токами в его массивной части, и токами, протекающими в стержнях 11 его короткозамкнутой части, создает вращающий электромагнитный момент двигателя сепаратора совмещенной конструкции. Таким образом, электромагнитный момент предлагаемого двигателя сепаратора совмещенной конструкции с двухслойным ротором-барабаном (фиг. 3, кривая 14) определяется по формуле (7):

где M₁ - электромагнитный момент, создаваемый массивной (пусковой) частью двухслойного ротора-барабана (фиг. 2, 3, кривая 12); М₂ - электромагнитный момент, создаваемый короткозамкнутой (рабочей) частью двухслойного ротора-барабана (фиг. 2, 3, кривая 13); k₁, k₂ - переменные коэффициенты, зависящие от глубины проникновения электромагнитной волны и степени насыщения массивной (пусковой) части двухслойного ротора-барабана [Копылов, И.П. Математическое моделирование электрических машин / И.П. Копылов. - М.: Высш. шк., 2001].