ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ РАБОЧЕГО ОРГАНА ПЕРЕГРУЗОЧНОЙ МАШИНЫ СИСТЕМЫ ПРЯМОГО ПРИВОДА Российский патент 2013 года по МПК H02K21/22 B66C17/00 B66C9/00 H02K17/14 

Изобретение относится к электродвигателям особого типа, использующим электромагнитную индукцию и с магнитоэлектрическим возбуждением и может быть использовано в электроприводах судовых рабочих механизмов грузовых стрел, спускоподъемных лебедок и катков кранов, перекрытий твиндеков, как нерегулируемых, так и регулируемых по скорости.

Известны многочисленные рабочие органы перегрузочных машин, имеющие низкую скорость вращения, получаемую от приводного электродвигателя через механическую зубчатую передачу. Например, такие как барабаны грузоподъемных лебедок и ленточных транспортеров, катки тележек и мостов кранов, порталы портальных кранов (Александров М.П. Грузоподъемные машины. М.: Высшая школа, 2000, стр.303, 334, 362, 437).

Недостатками такой реализации являются высокие материалоемкость, дополнительные потери в динамических режимах разгона при пуске и реверсе, стоимость и эксплуатационные расходы на смазочные материалы зубчатых передач.

Известна электрическая машина по патенту США №4803387, кл. Н02К 41/06. Машина содержит статор, выполненный из множества электромагнитов, имеющих обмотки возбуждения и U-образные магнитопроводы с явновыраженными полюсами, заканчивающимися поверхностями дугообразной формы, и вторичный элемент, или ротор, выполненный в виде бесконечного кинематически гибкого звена, состоящего из отдельных жестких элементов из немагнитного материала и шарнирно соединенных между собой с помощью двух пальцев, одни концы которых вставлены в проушины жестких элементов, а другие выступают с двух сторон элемента и могут входить в углубления двух колес с целью осуществления зацепления с ними.

Такая машина имеет следующие недостатки: сложность и ненадежность узла механической передачи с гибким звеном и колесами;

необходимость питания от сложного специального преобразователя, а не от промышленной сети; высокий удельный расход стали машины из-за неодинаковости длин магнитопроводов статора и ротора.

Известна электрическая машина по патенту РФ №12074491 от 27.02.1997 г., при которой в трехфазном асинхронном короткозамкнутом двигателе ротор выполнен в виде гибкого кинематического звена, например приводной цепи, включающей электромагнитные элементы, соединенные с пластинами цепи и содержащие проводники, перемычки и магнитопровод. Статор содержит обмотку и магнитопровод, состоящий из отдельных прямолинейных участков, плавно переходящих один в другой. Электромагнитные элементы выполнены в виде проводников, окруженных магнитопроводом, концы которых соединены перемычками.

Для такой машины, предназначенной к использованию в электроприводе с пониженной скоростью вращения, вполне очевидна техническая сложность конструкции для практической реализации и ненадежность отдельных элементов, например, таких как приводная цепь с пластинами.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому при условии исключения бронеплит, мелющих тел и амортизаторов является "Электродвигатель" по заявке №2010116296/07 (023145) от 23.04.2010 с решением ФИПС о выдаче патента от 25.11.2010.

Основным недостатком такого решения является невозможность его использования в конструктивном отношении для совершения полезной работы снаружи, а не внутри электродвигателя.

Целью изобретения является повышение эффективности преобразования энергии, а также сокращение материальных затрат при изготовлении и экономия эксплуатационных расходов.

Поставленная цель достигается тем, что электродвигатель рабочего органа перегрузочной машины системы прямого привода с шихтованным из листов электротехнической стали цилиндрическим зубчатым сердечником статора, в наружных пазах которого уложена трехфазная обмотка, питаемая напряжением промышленной частоты, и при этом согласно изобретению, с наружи на расстоянии воздушного зазора от сердечника размещен ротор в виде цилиндрического стального корпуса движущего элемента рабочего органа, в котором размещен шихтованный из листов электротехнической стали сердечник ротора с углублениями для постоянных магнитов из сплава Nd-Fe-B (неодим-железо-бор), между которыми в пазах размещены стержни короткозамкнутой обмотки.

Технический результат заключается в исключении дополнительных потерь энергии в динамических режимах разгона при пуске и реверсе из-за уменьшения момента инерции, на ряду с этим снижается материалоемкость системы привода из-за исключения промежуточных механических передач и экономится стоимость изготовления и эксплуатационные расходы ввиду уменьшения массы привода и исключения системы смазки.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Электродвигатель рабочего органа перегрузочной машины системы прямого привода содержит сварную опорную конструкционную раму с опорным валом, на котором размещена опорная втулка. С наружи втулки расположен шихтованный из листов электротехнической стали цилиндрический зубчатый сердечник статора с наружными пазами и уложенной в них трехфазной обмоткой, питаемой трехфазным напряжением промышленной частоты. Снаружи сердечника статора на расстоянии рабочего воздушного зазора δ по радиальному направлению расположен шихтованный из листов электротехнической стали сердечник ротора с углублениями и пазами с внутренней стороны. В углублениях размещены постоянные магниты из сплава Nd-Fe-B (неодим-железо-бор) радиальной намагниченности, а в пазах - проводящие стержни из проводникового сплава, замкнутые накоротко торцевыми кольцами. Снаружи сердечник ротора запрессован в цилиндрический стальной корпус, являющийся элементом, воспринимающим усилие нагрузки рабочего органа перегрузочной машины. Например, от намотанного троса грузоподъемной лебедки крана или от ленты транспортера. Кроме этого сам элемент может выполнять роль катка механизмов передвижения тележек, или мостов, или порталов кранов. Наряду со всем описанным в конструкции с двух торцевых сторон сердечников имеются два подшипниковых узла и два подшипниковых щита.

Отличительными признаками заявленного изобретения от прототипа являются:

1) расположение сердечника ротора с полюсами и обмоткой не внутри, а с наружи сердечника статора с его обмоткой;

2) выполнение ротора с цилиндрическим стальным корпусом;

3) наличие подшипниковых узлов, не связанных с конструкцией рабочего органа механизма;

4) наличие универсальной опорной рамы.

Расположение сердечника ротора с полюсами и обмоткой снаружи сердечника статора с его обмоткой позволяет организовать полезный рабочий процесс вне электродвигателя для целого класса различных механизмов перегрузочных машин.

Выполнение ротора с цилиндрическим стальным корпусом позволяет использовать его в качестве ведущих барабанов спускоподъемной лебедки крана и ленточного транспортера или использовать в качестве катков механизмов передвижения тележек или мостов, или порталов кранов.

Наличие подшипниковых узлов, не связанных с конструкцией рабочего органа механизма, позволяет использовать предлагаемое для привода широкого круга рабочих органов перегрузочных машин.

Наличие универсальной опорной рамы позволяет использовать предлагаемое и в качестве ведущего барабана грузоподъемной лебедки или ленточного транспортера, и в качестве ведущего катка механизмов передвижения тележки или моста, или крана.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлен схематический разрез устройства в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения двигателя, на фиг.2 - разрез в вертикальной поперечной плоскости, перпендикулярной оси вращения.

Согласно формуле изобретения электродвигатель рабочего органа перегрузочной машины системы прямого привода имеет стальную сварную опорную раму 1, жестко соединенную болтами 2 с опорным стальным валом 3, на который напрессована опорная стальная втулка 4. На втулку 4 напрессован шихтованный из листов электротехнической стали цилиндрический сердечник статора 5. Сердечник 5 с наружи вдоль окружности имеет пазы и зубцы, а в пазах размещены проводники трехфазной обмотки статора 6, питаемой напряжением стандартной промышленной частоты. Снаружи сердечника статора на расстоянии рабочего воздушного зазора 8 по радиальному направлению размещен шихтованный из листов электротехнической стали сердечник ротора 7, имеющий углубления и пазы. В углублениях размещены постоянные магниты 8 из сплава Nd-Fe-B (неодим-железо-бор), а в пазах размещены стержни 9 из проводникового материала, которые с двух торцевых сторон замкнуты накоротко кольцами из того же материала. Снаружи на сердечник ротора напрессован стальной корпус 10, к которому болтами 11 крепится внутреннее кольцо 12 подшипника, вращающееся вместе с ротором. Наружное кольцо 13 подшипника болтами 14 крепится к внутренней стороне подшипникового щита 15, который в свою очередь болтами 16 крепится к опорной втулке 4.

На фиг.1 и 2 опорная рама 1 показана в положении, когда двигатель работает как привод барабана, который охвачен или тросом грузовой спускоподъемной лебедки или лентой транспортера. В случае, когда двигатель работает как привод катка тележки или моста крана положение опорной рамы меняется на 180° против изображенного и обе части опорной рамы соединяются общей опорной плитой, на которую опирается конструкция тележки или моста крана.

Предлагаемый электродвигатель работает следующим образом. После подключения от промышленного источника электроэнергии трехфазного номинального напряжения на обмотку 6 статора, по ней будет проходить электрический ток. Последний образует в магнитной системе машины вращающееся (бегущее) магнитное поле (поток обмотки статора), наводящее электродвижущие силы в проводниках 9 короткозамкнутой обмотки ротора, и под их действием в ней возникает электрический ток, создающий свое бегущее магнитное поле (поток обмотки ротора). Взаимодействие указанных потоков приводит к появлению электромагнитного момента, приводящего во вращение ротор и совершению полезной работы по перемещению или тросом груза, или катком тележки, или катком моста.

Наряду с указанным моментом одновременно появляется и момент от взаимодействия потока обмотки статора с потоком, созданным постоянными магнитами 8 ротора, также участвующим в образовании результирующего движущего (вращающего) момента.

Установившаяся скорость (частота) вращения ротора n (об/мин) согласно источнику (Вольдек А. И. «Электрические машины». - Л.: Энергия, - 1974 г., стр.839; www.bavatia-direct.co.za) связана с частотой f напряжения питания обмотки статора, числом пар полюсов р от постоянных магнитов ротора и числом зубцов сердечника статора z₁ известным соотношением

где z₂=2р.

Следовательно, для получения рабочей скорости вращения, например порядка 20 об/мин, необходимо при f=50 Гц, 2р=24 иметь z₁=22, что обусловит скорость

то есть электрическую редукцию

Технико-экономический эффект от изобретения состоит в том, что сокращается расход электроэнергии из-за уменьшения момента инерции системы электропривода при сокращении времени переходных процессов на динамические операции пуска, торможения, реверса.

Экономическая составляющая эффекта от изобретения состоит в том, что сокращаются: расход материалов на изготовление системы электропривода, расход электроэнергии при совершении динамических операций, расход смазочных материалов ввиду исключения механических передаточных звеньев между электродвигателем и рабочим органом механизма.

При использовании изобретения для судовых механизмов достигается экономия в расходе топлива судовых дизельгенераторов, питающих электропривод, из-за уменьшения времени протекания переходных процессов пуска и реверса ввиду уменьшения момента инерции. Наряду с этим сокращается расход материальных ресурсов металла и масел на изготовление системы электропривода, экономится расход топлива на совершение движения судна ввиду снижения массы оборудования, сокращается объем, занимаемый оборудованием, и увеличивается таковой для размещения транспортируемого груза.

Изобретение относится к области электротехники, касается механизмов перегрузочного оборудования и может быть использовано для совершения полезной работы по перемещению груза: барабанами спускоподъемных лебедок или ленточных транспортеров, катками тележек и кранов как в судовых, так и в береговых условиях. Технические результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключаются в том, что уменьшается расход электроэнергии при сокращении времени переходных процессов на динамические операции, экономятся материалы как при изготовлении, так и при эксплуатации системы привода. Устройство содержит шихтованный сердечник статора, определенное число зубцов которого обмотано витками трехфазной обмотки, питаемой трехфазным напряжением промышленной частоты, а с наружи его размещен шихтованный сердечник ротора, имеющий изнутри углубления для размещения постоянных магнитов и пазы для размещения стержней короткозамкнутой обмотки, и при этом на сердечник ротора напрессован стальной цилиндрический корпус, выполняющий роль движущего элемента рабочего органа перегрузочной машины. 2 ил.

Электродвигатель рабочего органа перегрузочной машины системы прямого привода с шихтованным из листов электротехнической стали зубчатым сердечником статора, в пазы которого уложена трехфазная обмотка, питаемая напряжением промышленной частоты, отличающийся тем, что снаружи на расстоянии воздушного зазора от сердечника размещен ротор в виде цилиндрического стального корпуса движущего элемента рабочего органа, в котором размещен шихтованный из листов электротехнической стали сердечник ротора с углублениями для постоянных магнитов из сплава Nd-Fe-B (неодим-железо-бор), между которыми в пазах размещены проводящие стержни короткозамкнутой обмотки.