ИНДУКТОР ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАСОСА Российский патент 2005 года по МПК H02K44/06 H02K41/25 

Изобретение относится к МГД технике. Оно может быть использовано в линейных индукционных электромагнитных насосах для перекачивания жидкометаллических теплоносителей в реакторах на быстрых нейтронах, а также в других установках для технологических целей.

Известны цилиндрические линейные индукционные насосы [1], основными узлами которых являются индуктор, содержащий внешний магнитопровод, набранный из листовой электротехнической стали, с обмоткой, уложенной в пазы внешнего магнитопровода, внутренний магнитопровод и линейный канал кольцевого сечения, охватывающий внутренний магнитопровод. Трехфазная обмотка с постоянным числом витков в пазу по длине создает бегущее вдоль канала магнитное поле, при взаимодействии которого с индуктированными в жидком металле токами появляется электромагнитное усилие, обеспечивающее перемещение жидкого металла в канале насоса.

Недостатком насосов с такими индукторами является повышенный расход электроэнергии, обусловленный влиянием продольного концевого эффекта, и низкий к.п.д.

Известно, что для ослабления влияния продольного концевого эффекта в индукторах линейных индукционных насосах используют градацию линейной токовой нагрузки на концах индуктора по линейному закону в пределах полюсного деления τ или двух полюсных делений 2τ или градацию ступенчатую в пределах фазной зоны на длине полюсного деления [2, 3].

Использование градации линейной токовой нагрузки по линейному закону на концах индуктора в пределах τ и 2τ позволяет повысить эффективность насоса, но увеличивает трудоемкость и стоимость его изготовления, так как требуется дополнительная технологическая оснастка для изготовления катушек с переменным числом витков.

Известен также индуктор линейной индукционной машины [4], содержащий магнитопровод с индуктирующими участками, в пазах которого уложена трехфазная обмотка возбуждения с целым числом полюсов, имеющая постоянное число витков в средней части и переменное в концевых частях. В таком индукторе градация линейной токовой нагрузки выполнена по линейному закону в пределах каждой фазной зоны по концам индуктора на длине полюсного деления и магнитопровод по концам имеет шунтирующие участки.

Недостатком указанной конструкции являются невысокие энергетические показатели, связанные со значительным влиянием продольного концевого эффекта, имеющего место в концевых шунтирующих зонах, и обусловленные наличием в них пульсирующих полей.

Кроме того, в индукционных насосах, в силу небольших скоростей движения жидкого металла при питании от сети промышленной частоты f=50 Гц, фазная зона состоит из небольшого числа пазов на полюс и фазу q=2 и вынесение градации в пределах фазной зоны при этих значениях q затруднено. Далее использование в обмотке катушек с переменным числом витков на концах увеличивает трудоемкость изготовления катушек и их стоимость, поскольку для изготовления и запечки катушек с переменным числом витков требуется дополнительная технологическая оснастка.

Стоит задача повысить развиваемое давление и коэффициент полезного действия за счет уменьшения влияния продольного концевого эффекта, а также упростить технологию изготовления индуктора за счет использования обмотки с постоянным числом витков по всей длине индуктора и соответствующего соединения катушек в фазных зонах на крайних полюсных делениях.

Это достигается тем, что в известном индукторе цилиндрического линейного индукционного насоса, содержащем наружный магнитопровод с пазами, трехфазную обмотку возбуждения в виде дисковых катушек с постоянным числом проводников в каждом пазу при числе полюсов 2р≥3 и четном числе пазов на полюс и фазу q=2, 4, 6..., каждая фазная зона у полюсов на входе и выходе разделена на n=q/2 катушечных групп, по две катушки в группе, которые соединены параллельно между собой в группе, а катушечные группы внутри фазной зоны соединены последовательно, при этом у остальных полюсов все катушки в фазных зонах соединены последовательно.

Как показали расчетные и экспериментальные исследования характеристик цилиндрического линейного индукционного насоса с индуктором, у которого трехфазная обмотка выполнена с соединением катушек в фазных зонах на полюсных делениях на входе и выходе насоса в соответствии с предлагаемым техническим решением, это позволяет повысить развиваемое электромагнитное давление и к.п.д. насоса до 6% по сравнению с электромагнитным насосом, имеющим такую же обмотку возбуждения, но без соединения катушек и фазных зон на концевых полюсах согласно предлагаемому техническому решению.

На фиг.1 изображен продольный разрез индуктора цилиндрического линейного индукционного насоса; на фиг.2 показана схема соединения обмотки для индуктора с числом пазов на полюс и фазу q=2, а на фиг.3 - схема соединения индуктора с числом пазов на полюс и фазу q=4.

Индуктор цилиндрического линейного индукционного насоса (фиг.1) содержит наружный магнитопровод 1, в пазах которого уложена трехфазная обмотка 2. Имеется внутренний магнитопровод 3, наружная тонкостенная обечайка 4, внутренняя тонкостенная обечайка 5, которые образуют кольцевой канал 6.

На фиг.2 показана схема соединения обмотки индуктора с числом полюсов 2р=6 и числом пазов на полюс и фазу q=2, а на фиг.3 - схема соединения с числом полюсов 2р=4 и числом пазов на полюс и фазу q=4. Фазные зоны A; Z; В; X; С; Y состоят из двух (фиг.2) и четырех (фиг.3) катушек, катушки у концевых полюсных делений τ₁ и τ₆ (фиг.2) и τ₁ и τ₃ (фиг.3) в фазных зонах разделены на n=q/2=1 (фиг.2) и n=q/2=2 (фиг.3) катушечных групп по две катушки в каждой группе. Катушки внутри группы соединены между собой параллельно, а внутри фазной зоны катушечные группы (фиг.3) - последовательно у концевых полюсных делений, а у других полюсных делений τ₂-τ₅ (фиг.2) и τ₃ (фиг.3) катушки в фазных зонах соединены последовательно.

При включении напряжения на обмотку 2 в кольцевом канале 6 между наружным магнитопроводом 1 и внутренним магнитопроводом 3 образуется бегущее магнитное поле, под воздействием которого в жидком металле в кольцевом канале 6 возникают кольцевые токи, при взаимодействии этих токов с приложенным магнитным полем образуется осевая электромагнитная сила, перемещающая металл от входа к выходу.

При использовании предлагаемого технического решения в индукторе линейная токовая нагрузка уменьшена на концевых полюсных делениях в 2 раза по сравнению с линейной токовой нагрузкой на остальных полюсных делениях. Благодаря этому продольный концевой эффект, связанный с разомкнутостью магнитопровода и со входом и выходом рабочего тела в зону магнитного поля, существенно снижается, поэтому у насоса с индуктором, выполненным в соответствии с предлагаемым техническим решением, увеличивается развиваемое электромагнитное давление и повышается коэффициент полезного действия по сравнению с электромагнитным насосом, имеющим индуктор с традиционной обмоткой.

Предлагаемая обмотка обеспечивает более равномерное распределение потребляемого тока по фазам и повышение эффективности насоса при больших магнитных числах Рейнольдса R_m=μσω/α², где μ - магнитная проницаемость перекачиваемой среды, σ - электропроводность, ω=2πf - круговая частота, τ - полюсное деление, α=π/τ.

Известно, что при работе насоса с магнитными числами Рейнольдса R_m>1 с традиционной обмоткой [5] имеет место ослабление магнитного поля на входе из-за влияния продольного концевого эффекта. В результате потокосцепление и ЭДС в катушках, расположенных на входе в зоне ослабленного поля, уменьшается по сравнению с остальными катушками, что приводит, при постоянном напряжении на насосе, к увеличению тока, потребляемого насосом, и неравномерному распределению его по фазам. Если линейная токовая нагрузка выбрана на уровне предельной, то указанное увеличение тока приведет к уменьшению габаритной мощности машины и развиваемого давления за счет снижения линейной токовой нагрузки во избежание перегрева обмотки. Использование индуктора с обмоткой согласно предлагаемому техническому решению позволяет избежать увеличения тока на входных катушках, так как магнитное поле на входе нарастает постепенно и линейная токовая нагрузка уменьшена в два раза на входном и выходном полюсных делениях. Это позволяет эксплуатировать насос при линейной токовой нагрузке, выбранной на уровне допустимой по тепловым соображениям.

Использование в индукционном насосе индуктора с обмоткой в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет упростить технологию изготовления насоса и уменьшить стоимость его изготовления, так как не требуется разрабатывать и изготавливать технологическую оснастку, необходимую при изготовлении катушек с переменным числом витков.

Источники информации

1. В.А.Глухих, А.В.Тананаев, И.Р.Кириллов. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. Москва, Энергоиздат, 1987.

2. А.М.Андреев и др. Исследование продольного краевого эффекта на модели цилиндрического линейного насоса. Магнитная гидродинамика, 1969, №3, с.97-100.

3. H.Araseki, Igor R.Kirillov, Gennady V.Preslisky, Anatoly P.Ogorodnikov. Double-supply-frequency pressure pulsation in annular linear induction pump, part II: reduction of pulsation by linear winding grading at both stator ends. Nuclear Engineering and Design, 200 (2000), 397-406.

4. Авторское свидетельство СССР №896722, кл. Н 02 К 41/025, заявлено 24.12.79 (прототип). Опубликовано БИ 1-82, стр.242.

5. А.М.Андреев, Б.Г.Карасев, И.Р.Кириллов, А.П.Огородников, В.П.Остапенко, Г.Т.Семиков. Результаты экспериментального исследования цилиндрического линейного индукционного насоса ЦЛИН-5700. Препринт А-0345, НИИЭФА, Ленинград, 1977.

Индуктор наоса предназначен для использования в МГД технике. Индуктор состоит из магнитопровода с пазами и трехфазной обмотки возбуждения в виде дисковых катушек, причем обмотка имеет число пар полюсов больше или равно трем и выполнена с четным числом пазов на полюс и фазу. В индукторе у концевых полюсов каждая фазная зона разделена на катушечные группы, по две катушки в группе, внутри которой катушки соединены параллельно, а катушечные группы внутри фазной зоны соединены последовательно; у остальных полюсов все катушки соединены последовательно. Изобретение обеспечивает повышение развиваемого давления и КПД. 3 ил.

Индуктор цилиндрического линейного индукционного насоса, содержащий наружный магнитопровод с пазами, трехфазную обмотку возбуждения в виде дисковых катушек с постоянным числом проводников в каждом пазу, отличающийся тем, что при числе полюсов 2р≥3 и четном числе пазов на полюс и фазу q=2, 4, 6... каждая фазная зона у полюсов на входе и выходе разделена на n=q/2 катушечных групп, по две катушки в группе, которые соединены параллельно между собой в группе, а катушечные группы внутри фазной зоны соединены последовательно, при этом у остальных полюсов все катушки в фазных зонах соединены последовательно.