ПОГРУЖНОЙ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ОТКРЫТОГО ИСПОЛНЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H02K29/00 H02K5/132 H02K1/06 

Изобретение относится к области корабельного электромашиностроения, в частности к погружным электрическим машинам, которые применяются для привода гребных винтов, активных рулей подруливающих устройств, швартовных и якорных механизмов, различных насосов, водометов и т.д. глубоководных подводных обитаемых и необитаемых аппаратов, а также в качестве приводов насосов и буровых машин в нефтегазовой отрасли.

Научно-технический прогресс и перспективы развития интенсивного освоения добычи минеральных ресурсов со дна Мирового океана и на материке, например, разработка новых месторождений нефти и газа в Сибирском энергетическом районе Тюмени, Оренбурга, а также для освоения больших минеральных ресурсов нефти и газа Арктического континентального шельфа требуется достаточно много технических средств и рабочих механизмов, которые должны приводиться в движение высоконадежными погружными электрическими двигателями (ПЭД), имеющими высокие энергетические характеристики и большой диапазон регулирования частоты вращения. Кроме того, для глубоководных подводных обитаемых и необитаемых аппаратов (ГПА) ВМФ на большие глубины погружения и для средств освоения глубин Мирового океана требуются погружные электродвигатели с пониженными массогабаритными характеристиками.

До настоящего времени для привода различных забортных механизмов ГПА (гребные винты, подруливающие устройства, насосы и др.), а также для привода насосов и буровых механизмов нефтескважин используются погружные герметичные маслозаполненные ПЭД с довольно сложной многоступенчатой гидрозащитой и торцовых многоступенчатых уплотнений, установленных со стороны приводного вала. При раскрытии уплотнений и попадании забортной воды в полость двигателя, он выходит из строя из-за электрохимической коррозии активных частей и снижения сопротивления изоляции обмотки статора, т.е. герметичные маслозаполненные ПЭД обладают пониженной надежностью и работоспособностью. Охлаждение ПЭД осуществляется забортной окружающей водой через корпус.

В настоящее время ведутся работы по внедрению экологически чистых ПЭД открытого исполнения, главным образом асинхронного типа для привода забортных механизмов ГПА для ВМФ и буровых установок нефтегазовой отрасли с охлаждением внутренних частей забортной агрессивной водой. Эти машины обладают высокой надежностью, неограниченной глубиной погружения, работают при любых кренах и дифферентах, имеют большой ресурс и срок службы. (см. Ветохин В.И. Новый погружной электродвигатель типа АМВ-5. Судостроение. 1997, №4).

В течение последних 20 лет в промышленности на воздухе находят применение новые конструкции вентильно-индукторных двигателей (ВИД). ВИД - это относительно новый тип электромеханического преобразователя энергии, который сочетает в себе свойства и электрической машины, и интегрированной системы регулируемого электропривода. ВИД - это индукторная машина, в которой преобразование энергии осуществляется за счет изменения индуктивностей обмоток, расположенных на явно выраженных зубцах статора, из-за перемещения относительно них зубчатого магнитопровода ротора без обмотки. Питание ВИД осуществляется от вентильного преобразователя (коммутатора), который поочередно переключает обмотки статора двигателя в строгом соответствии с сигналами от датчика положения ротора. Для управления полупроводниковым преобразователем используется микропроцессор. При последовательной, периодической коммутации фаз статора, вращение ротора осуществляется с угловой скоростью, пропорциональной частоте коммутации.

Достоинства ВИД:

1) надежность и простота конструкции и технологии изготовления;

2) возможность получать как сверхвысокие, так и сверхнизкие частоты вращения вала;

3) отсутствие скользящего электрического контакта;

4) электромагнитная редукция вращения ВИД и гибкость системы управления;

5) ротор ВИД имеет малый момент инерции, что позитивно отражается на динамике его работы;

6) ВИД способен работать в тяжелых перегрузочных режимах и в широком диапазоне нагрузок;

7) ВИД обладает высокими энергетическими характеристиками и КПД.

Вентильно-индукторные электроприводы пока не нашли массового применения. Используются частично в некоторых видах электроприводов общепромышленного применения на воздухе, например, электротранспорта, в станкостроении, в бытовой технике и д.р. (см. ДВИ 500/3000-УЗ производства РУСЭЛКОМ). Вопрос использования ВИД в качестве приводов, работающих в морской воде и агрессивных средах, до настоящего времени не ставился, авторы впервые начали работать над этой проблемой.

Известна электрическая машина открытого исполнения Электрическая машина Ветохина «ЭМВ», (см. патент №2072609, Б.И. №3, 27.01.97), которая содержит статор, ротор с валом, установленным в подшипниках, корпус, заполненный жидким охладителем, и подшипниковые щиты с отверстиями. В качестве охладителя использована морская вода, а отверстия в подшипниковых щитах для входа и выхода воды расположены двумя группами. Данная машина обеспечивает надежную работу в качестве привода любого подводного механизма, находящегося на неограниченной глубине погружения в морской воде и отверстия в щите обеспечивают надежное охлаждение всех активных частей ЭМВ. Однако в данной машине отсутствует электрохимическая протекторная защита, поэтому ее активные части внутри машины будут подвергаться контактной коррозии в морской воде, и ресурс ее будет ограничен.

Из известных электрических машин наиболее близкой к заявляемой, выбранной за прототип, является Электрическая машина Ветохина «ЭМВ», (см патент №1813228, Бюл.№16, 30.04.93), которая содержит статор с трехфазной протяжной обмоткой и ротор с медной короткозамкнутой обмоткой. Охлаждение осуществляется окружающей жидкостью, входящей и выходящей через отверстия в подшипниковых щитах. Для защиты от контактной коррозии внутренних активных частей машины на валу ротора и в корпусе статора с обоих торцов запрессованы втулки-протекторы из сплава алюминия, длина которых в аксиальном направлении составляет от 0,05 до 0,1 длины пакета сердечника ротора. Однако использование протекторных втулок и колец машины не позволяют применить их в вентильно-индукторных электродвигателях, в которых сердечники статора и ротора имеют явнополюсную конструкцию.

Целью изобретения является значительно повысить надежность, живучесть, долговечность и энергетические характеристики разработанного погружного вентильно-индукторного электродвигателя открытого исполнения при работе в морской воде на любой глубине погружения за счет исключения контактной коррозии электротехнической стали статора и ротора с помощью протекторных шин статора, размещенных между зубцами пакета статора, и протекторных дисков ротора с зубцами, напрессованных на свободные концы вала вплотную к пакету ротора. Кроме того, создание гладкой цилиндрической внешней поверхности ротора запрессованными монолитными немагнитными клиньями между соседними зубцами ротора позволит значительно улучшить виброакустические характеристики машины (ВАХ).

Указанная цель достигается тем, что в известном погружном вентильно-индукторном электродвигателе открытого исполнения, содержащем статор с ярмом и явнополюсными зубцами с катушками возбуждения на них, ротор с явнополюсными зубцами без обмотки, вал, установленных в подшипниках, и подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода окружающей морской воды, статор имеет протекторную защиту в виде дуговых шин-протекторов из алюминиево-магниево-цинкового сплава толщиной 8-10 мм и длиной, равной длине пакета статора, вставленных между соседними зубцами вплотную к внутренним поверхностям ярма и боковым поверхностям зубцов, а ротор имеет протекторную защиту из того же сплава в виде дисков с зубцами такой же толщины и буртиками толщиной 8-10 мм, напрессованных на свободные концы вала вплотную к торцовым поверхностям пакета ротора с зубцами и полностью их покрывающими с плотным электрическим контактом между диском, пакетом ротора и вала, при этом в пространстве между соседними зубцами по осевым направляющим под концами зубцов размещены высокопрочные монолитные немагнитные клинья из стеклотекстолита или аналогичного материала длиной, равной сумме длины пакета ротора и двум толщинам протекторных дисков, причем эти монолитные клинья вместе с зубцами представляют собой единую цилиндрическую конструкцию пакета ротора с гладкой внешней поверхностью.

Изобретение поясняется чертежами, в которых:

на фиг.1 показан поперечный разрез 3-х фазного погружного вентильно-индукторного электродвигателя открытого исполнения;

на фиг.2 показан ротор ВИЭД (вид сверху);

на фиг.3 показан протекторный диск ротора с зубцами.

Согласно изобретению погружной вентильно-индукторный электродвигатель открытого исполнения (Фиг.1) содержит корпус 1 диаметром Dкорп, в котором размещены ярмо 2 статора с явнополюсными зубцами 3 диаметром по немагнитному зазору D1 и катушками возбуждения 4 на них из обмоточного провода с полимидно-фторопластовой изоляцией, например, марки ППИ. Статор имеет протекторную защиту от контактной коррозии ярма 2 диаметром Da и зубцов 3 статора в виде дуговых шин-протекторов 5, запрессованных в пазы вплотную к внутренним поверхностям ярма 2 и боковым поверхностям зубцов 3 длиной, равной длине пакета статора 11 и толщиной не менее 8-10 мм, например, из магниевого сплава марки МЛ4 (Фиг.1). На валу 6 размещен пакет 7 ротора, имеющего явнополюсные зубцы 8 диаметром по немагнитному зазору D2, а в пространство между соседними зубцами 8 ротора запрессованы втугую под замки высокопрочные монолитные цилиндрические клинья 9 (Фиг.1, Фиг.2) из стеклотекстолита или аналогичного материала с целью придания ротору гладкой цилиндрической формы. Длина клиньев должна равняться сумме длины пакета ротора 11 и удвоенной толщины протекторных дисков h. Между зубцами пакетов 8 ротора и зубцами 3 пакетов статора имеется немагнитный рабочий зазор 10 (δ), по которому проходит охлаждающая забортная агрессивная вода, обладающая свойствами электролита. Ротор имеет протекторную защиту от контактной коррозии ярма 7 и зубцов 8 пакета ротора в виде дисков 11 с зубцами толщиной h не менее 8-10 мм из того же магниевого сплава как на статоре, покрывающими полностью торцевые поверхности пакета ротора, с плотным электрическим контактом с пакетом ротора и вала и имеющим утолщение 11 диаметром Dбурт в виде буртика 12 (Фиг.3) толщиной, равной толщине диска h, который обеспечит механическую прочность протекторов и удобство при напрессовке дисков на свободные концы вала 6 диаметром dвал.

Работа погружного вентильно-индукторного электродвигателя открытого исполнения осуществляется следующим образом. При вращении ротора в охлаждающей агрессивной морской воде (электролите) ротор и статор оказываются в среде движущегося электролита. При полном соприкосновении всех внутренних активных частей машины с электролитом возникает электрохимическая коррозия на всех активных металлических поверхностях, соприкасающихся с электролитом, т.е. на поверхностях зубцов 8 пакета 7 ротора, на поверхностях зубцов 3 пакета 2 статора в немагнитном рабочем зазоре, на ярме 2 статора, на ярме 7 ротора, на поверхностях протекторных дисков 7 ротора и шинах-протекторов 5 статора. В связи с тем, что электродный потенциал дисков 11 ротора и шин-протекторов 5 статора, изготовленных из магниевого сплава марки МЛ4, значительно ниже, чем электродный потенциал электротехнической стали пакета 2 статора, пакета 11 ротора и вала 6, то происходит электрохимичесая коррозия протекторных дисков 11 ротора и протекторных шин 5 статора с вымыванием продуктов коррозии движущимся электролитом. Физически это значит, что при погружении машины в морскую воду электролит, на концах зубцов, 3 в пакетах расточки статора гальванический ток замыкается по цепи: анодный ток выходит из шины-протектора 5, проходит по электролиту и входит в зубцы 3 статора, зубцы статора 3 являются катодами (вход анодного тока), а шины-протекторы 5 являются анодами (выход анодного тока); в роторе гальванический ток замыкается по цепи: анодный ток выходит из протекторных дисков с зубцами 11, проходит по электролиту и входит в зубцы 8 ротора, зубцы 8 ротора являются катодами (вход анодного тока), а протекторные диски 11 являются анодами (выход анодного тока). Известно, что катоды будут сохранять свое исходное состояние, а аноды будут коррозировать, т.е. растворяться в электролите. В данном случае пакеты статора 2, ротора 7, корпус 1 и вал 6 будут в исходном состоянии, а протекторы 5 и 11 будут подвергаться коррозии и уменьшаться в размерах. Поэтому будет происходить расход материала протекторов, а остальные металлические части машины будут находиться в исходном состоянии на протяжении расчетного, запланированного срока эксплуатации без увеличения величины немагнитного рабочего зазора и связанного с этим падения энергетических характеристик машины, которые будут постоянны весь ресурс. Толщина дисков 11 ротора и протекторных шин 5 статора из алюминиево-магниевого сплава должна быть в пределах (5-8) мм при скорости коррозии протекторов 0,5 мм/год из расчета срока службы в течение 10-15 лет.

Заявляемое техническое решение позволит значительно повысить надежность, живучесть, долговечность при сохранении энергетических характеристик разработанного погружного вентильно-индукторного электродвигателя открытого исполнения при работе в морской воде на любой глубине погружения за счет исключения контактной коррозии электротехнической стали статора и ротора в немагнитном зазоре с помощью протекторных шин статора, размещенных между зубцами пакета статора и протекторных дисков ротора с зубцами, напрессованных на свободные концы вала вплотную к пакету ротора. Кроме того, создание гладкой цилиндрической внешней поверхности ротора запрессованными монолитными немагнитными клиньями между соседними зубцами ротора позволит значительно улучшить виброакустические характеристики (ВАХ) машины.

Изобретение относится к области электротехники и корабельного электромашиностроения, в частности к погружным электрическим машинам, работающим в морской воде, а также может быть использовано для привода скважных насосов и буровых механизмов в нефтегазовой отрасли. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в повышении надежности, живучести, долговечности и энергетических характеристик вентильно-индукторных электродвигателей открытого исполнения путем повышения эффективности электрохимической защиты от контактной коррозии внутренних активных частей при погружении их в морскую агрессивную воду - электролит. Предлагаемый электродвигатель содержит корпус (1), в котором размещены ярмо (2) статора с явнополюсными зубцами (3), катушками возбуждения (4) из обмоточного провода с полиимидно - фторопластовой изоляцией. На валу (6) смонтирован ротор (7) с аналогичными зубцами (8) без обмотки по количеству на два зубца меньше, чем на статоре. Между зубцами (3) статора и зубцами (8) ротора имеется немагнитный рабочий зазор (10), по которому проходит охлаждающая морская вода. Для исключения контактной коррозии электротехнических сталей пакетов статора, ротора, корпуса и вала на свободные концы вала ротора напрессованы диски (11) из магниевого сплава, а между зубцами статора запрессованы шины-протекторы (5) из того же сплава. Диски (11) и шины-протекторы (5) имеют плотный электрический контакт с пакетами ротора (7) и статора (2). 3 ил.

Погружной вентильно-индукторный электродвигатель открытого исполнения, содержащий статор с ярмом и явнополюсными зубцами с катушками возбуждения на них, ротор с явнополюсными зубцами без обмотки, вал, установленный в подшипниках, и подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода окружающей морской воды, отличающийся тем, что статор имеет протекторную защиту в виде дуговых шин-протекторов из алюминиево-магниево-цинкового сплава толщиной 8-10 мм и длиной, равной длине пакета статора, вставленных между соседними зубцами вплотную к внутренним поверхностям ярма и боковым поверхностям зубцов, а ротор имеет протекторную защиту из того же сплава в виде дисков с зубцами такой же толщины и буртиками толщиной 8-10 мм, напрессованных на свободные концы вала вплотную к торцовым поверхностям пакета ротора с зубцами и полностью их покрывающими с плотным электрическим контактом между диском, пакетом ротора и вала, при этом в пространстве между соседними зубцами по осевым направляющим под концами зубцов размещены высокопрочные монолитные немагнитные клинья из стеклотекстолита или аналогичного материала длиной, равной сумме длины пакета ротора и двух толщин протекторных дисков, причем эти монолитные клинья вместе с зубцами представляют собой единую цилиндрическую конструкцию пакета ротора с гладкой внешней поверхностью.