Асинхронный жидкостнозаполненный электродвигатель Советский патент 1992 года по МПК H02K9/19 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к асинхронным водоза- полненным погружным электродвигателям для привода скважинных насосов.

Известен асинхронный жидкостноза- полненный электродвигатель, содержащий статор с аксиальными каналами, ротор с валом цилиндрической формы, подшипниковые щиты с радиальными подшипниками, подпятник, днище.

Недостатками этого двигателя являются сложность конструкции из-за наличия большого количества элементов - вала, радиальных подшипников и щитов подшипниковых, большой эксцентриситет ротора относительно расточки статора из-за отклонения размеров ротора без вала, радиальных подшипников, щитов подшипниковых, корпуса статора, прогиба ротора под действием сил одностороннего магнитного притяжения и радиальной составляющей гидродинамической силы; низкие энергетические характеристики (cos p, КПД), обусловленные механическими потерями в радиальных подшипниках, магнитными напряжениями в воздушном зазоре и в роторе из-за большой величины воздушного зазора (д0 между статором и ротором и наличия вала в ярме ротора, а также недостаточное охлаждение поверхности статора и ротора ввиду отсутствия напорного устройства, обеспечивающего принудительное движение жидкости через зазор из одной полости двигателя в другую; низкие технические параметры, низкая надежность, увеличенный шум и вибрация из-за износа подшипников поддействием на ротор сил одностороннего магнитного притяжения и радиальной составляющей гидродинамической силы, вызванных неконцентричным вращением ротора.

Наиболее близким к предлагаемому является асинхронный жидкостнозапол- ненный электродвигатель типа ПЭДВ250- 320В5, содержащий статор с аксиальными каналами, ротор с полым валом, .имеющий поверхность цилиндрической формы, подшипниковые щиты с радиальными подшипниками, подпятник, днище и напорное устройство в виде центробежного колеса (ТУ 16-513-303-82, электродвигатель асинхронный типа ПЭДВ250-320В5),

Недостатками этого двигателя являются сложность конструкции из-за наличия ва- ла, радиальных подшипников, щитов подшипниковых, центробежного колеса; большой эксцентриситет ротора относительно статора из-за отклонения размеров ротора без вала, радиальных подшипников,

щитов подшипниковых, корпуса статора, листов статора и качество их шихтовки, прогиба ротора поддействием сил одностороннего магнитного притяжения и радиальной

составляющей гидродинамической силы; низкие энергетические характеристики (cos p, КПД) из-за механических потерь в радиальных подшипниках, дополнительной мощности, потребляемой напорным устройством

0 (рабочим колесом), обеспечивающим охлаждение поверхностей статора и ротора в зазоре, больших магнитных напряжений в воздушном зазоре и в роторе из-за большой величины воздушного зазора между

5 статором и ротором и наличия вала в ярме ротора, низкие технические параметры; низкая надежность, увеличение шума и вибраций из-за износа подшипников под действием на роторе сил одностороннего

0 магнитного притяжения и радиальной составляющей гидродинамической силы, вызванных неконцентрическим вращением ротора.

Целью изобретения является упроще5 ние конструкции и повышение энергетических характеристик.

Указанная цель достигается тем, что в асинхронном жидкостнозаполненном электродвигателе, содержащем статор с акси0 альными каналами, ротор, подпятник, днище и напорное устройство, наружная поверхность ротора выполнена по винтовой поверхности с отношением длины ротора к шагу винтовой поверхности, равным це5 лому числу, что позволяет уменьшить величину воздушного зазора между статором и верхней кромкой винтовой поверхности до образования гидростате дина ми чес ко го смазывающего слоя жидкости между ста0 тором и ротором и соответственно обеспечивающего концентрический подвес (расположение) ротора в расточке статора и образование напорного устройства (насосного эффекта между статором и рото5 ром), кроме того, наружная поверхность ротора выполнена из антифрикционного материала.

Упрощение конструкции электродвигателя осуществляется за счет наружной по0 верхности ротора, выполненной по винтовой поверхности с отношением длины ротора к шагу винтовой поверхности, равным целому числу, которые обеспечивают гидростатодинамический подвес ротора в

5 статоре и насосного эффекта между статором и ротором.

Повышение энергетических характеристик электродвигателя осуществляется из- за меньшего зазора между статором и ротором, отсутствия вала ротора, которые

снижают магнитные напряжения в воздушном зазоре и роторе, улучшают охлаждение поверхностей статора и ротора в зазоре из- за наличия принудительного движения жидкости непосредственно через зазор из одной полости электродвигателя в другую под действием насосного эффекта винтовой поверхности ротора, таким образом, возрастает КПД и cos ip.

Повышается надежность электродвигателя и снижается шум электродвигателя из- за уменьшения вибрации и износа пары скольжения статор-ротор, так как при концентрическом подвесе ротора в статоре силы одностороннего магнитного притяжения и радиальной составляющей гидростатоди- намической смазывающего слоя жидкости, возникающие вдоль верхней кромки ротора, за один полный шаг уравновешивают сами себя.

Кроме того, снижается масса двигателя и его материалоемкость за счет исключения вала, подшипников радиальных, подшипниковых щитов и рабочего колеса.

Уменьшая одновременно значения воздушного зазора между статором и ротором и механическое потери на трение и работы напорного устройства, выполнение верхней кромки или всей наружной поверхности ротора с винтовой поверхности из антифрикционного материала позволяет уменьшить механические потери трения ротора о жидкость, нагрев двигателя и, соответственно, увеличить энергетические характеристики и надежность двигателя.

Наружная поверхность ротора выполнена по винтовой поверхности с отношением длины ротора к шагу винтовой поверхности, равным целому числу, которые в совокупности с наносным эффектом между статором и ротором обеспечивают образование гидростатодинамического смазывающего слоя жидкости между статором и ротором, концентрически подвешивая ротор в статоре, а также обеспечивают охлаждение внутренней поверхности двигателя.

При этом ротор можно выполнить без вала, а двигатель без радиальных подшипников, подшипниковых щитов, а напорное устройство без рабочего колеса, т.е. упрощается конструкция двигателя; сила гидростатодинамического смазочного слоя жидкости, возникающая вдоль верхней кромки винтовой поверхности ротора состоит из двух составляющих - радиальной и осевой. Радиальная составляющая располагает ротор концентрично в статоре, уменьшая этим вибрацию и шум двигателя, и уравновешивает односторонние силы магнитного притяжения ротора к статору и эффекта Мангуса, уменьшая прогиб ротора.

Осевая составляющая с учетом направления выполнена винтовой поверхности и

вращения ротора уменьшает осевые силы насоса и тяжести ротора, действующие на подпятник, увеличивая его надежность.

Выполнение ротора без вала, позволяющее увеличить его ярмо, и уменьшение

0 зазора между статором и ротором за счет уменьшения зазора между статором и верхней кромкой винтовой поверхности ротора, дает возможность уменьшить магнитные напряжения в ярме ротора и

5 зазоре (которые в сумме составляют не менее 70-90% в погружных электродвигателях) и увеличить за счет этого КПД и cos p, электродвигателя.

Величина зазора в асинхронных элект0 родвигателях зависит в основном от внутреннего диаметра статора, диаметра и длины вала между подшипниками: от внутреннего диаметра статора зависят неизбеж- ные производственные отклонения

5 (допуски при механической обработке листов и сборке их в пакеты статора и ротора; от диаметра и длины вала между подшипниками зависит прогиб вала.

Производственные отклонения (долу0 ски) в предлагаемом электродвигателе меньше, чем в прототипе, так как исключены отклонения механической обработки подшипниковых щитов и посадочных поверхностей корпуса статора под ними из-за

5 отсутствия подшипниковых щитов.

Значение зазора в асинхронных водоза- полненных погружных электродвигателях, в основном, зависит от отношения длины и диаметра вала между подшипниками, кото0 рые доходят до 25, т.е. значение зазора зависит от прогиба вала.

Учитывая, что в предлагаемом электродвигателе производственные отклонения и прогиб ротора меньше, меньше значения

5 суммарного зазора между статором и кромками винтовой поверхности ротора, соответственно верхнее и нижнее, чем значение зазора между статором электродвигателя (прототип), так как зазор между

0 статором и верхней кромкой всегда меньше из-за необходимости создания гидростатодинамического смазывающего слоя жидкости, то значение зазора между статором и ротором всегда меньше значения за5 зора между статором и ротором двигателя (прототип).

Выполнение наружной поверхности ротора по винтовой поверхности позволяет улучшить охлаждение поверхностей расточки статора и ротора за счет напорного устройства, т.е. за счет образования насосного эффекта непосредственно в зазоре между статором и ротором, таким образом за счет улучшения охлаждения можно увеличить нагрузку двигателя или уменьшить его температуру нагрева, т.е. возрастет КПД и надежность двигателя.

КПД электрической машины представляет собой отношение полезно отдаваемой мощности PZ к подводимой мощности

р2 PV Ч . где Pi Ра + Р, Р представляет

Pi

собой сумму всех потерь в электрической машине (потери в проводниках, потери в стали, потери от вихревых токов, механические потери).

Исходя из указанной формулы следует, что чем меньше сумма (Р) потерь, тем ближе по величине подводимая мощность к полезной, тем выше КПД.

В предлагаемом изобретении потери в проводниках снижаются за счет улучшения охлаждения статора и ротора, т.е. снижения температуры их нагрева, а следовательно, сопротивления.

На фиг. 1 изображен асинхронный жид- костнозаполненный электродвигатель, разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Асинхронный жидкостнозаполненный электродвигатель содержит статор 1 с аксиальными каналами 2 вдоль пазов 3 между проводниками 4 из водостойкого обмоточного провода, ротор 5 с муфтой 6, примыкающий к верхнему его торцу 7 для передачи вращательного момента, ротор 5 опирается торцом 8 на подпятник 9, установленный в днище 10 и полости 11 и 12. Наружная поверхность 13 ротора 5 выполнена по винтовой поверхности с отношением длины ротора к шагу винтовой поверхности, равным целому числу.

Зазор д между статором 1 и верхней кромкой 14 ротора 5 мал (в несколько десятков микрон), а зазор 62 между статором 1 и нижней кромкой 15 ротора 5 меньше или, например, равен зазору между статором 1 и ротором 5 электродвигателей, принятых за аналог и прототип, имеющих наружную поверхность ротора 5,выполненную по цилиндрической поверхности.

Зазор 62 между статором 1 и нижней кромкой 15 ротора 5 равен или больше одностороннего зазора -у между статором 1

и ротором 5 электродвигателей, принятыми за аналог и прототип.

При этом в асинхронном жидкостноза- полненном электродвигателе наружная поверхность ротора по длине выполняется из

отдельных участков с отношением длины каждого участка к шагу винтовой поверхности на этом участке, равным целому числу; участки с наружной поверхностью ротора по

цилиндрической поверхности имеют зазор между статором и ротором 5з, выполняют условие д дз д0, необходимое для циркуляции жидкости.

Для повышения износостойкости верхняя кромка или вся наружная поверхность ротора по винтовой поверхности выполняется из антифрикционного материала.

Принцип работы асинхронного жидко- стнозаполненного электродвигателя следующий.

При подключении электродвигателя к сети ротор 5 начинает вращаться. Жидкость из полости 11 под действием насосного эффекта винтовой поверхности 13 ротора 5

через зазор движется в осевом направлении, создавая давление, смазывая и охлаждая поверхность статора 1 и ротора 5, поступая в полость 12, откуда через каналы 2 вдоль пазов 3 между проводниками возвращается в полость 11.

Учитывая, что в любом поперечном сечении ротор 5 имеет круглую форму, ось которого смещается параллельно поверхности винтовой формы с верхней 14 и нижней 15 кромками, а также то, что зазор 5i между статором 1 и верхней кромкой 14 ротора 5 меньше удвоенного значения высоты гидростатодинамического смазывающего слоя жидкости 2h, вращение ротора в совокупности с давлением возникающего насосного эффекта способствует образованию между статором 1 и ротором 5 вдоль всей длины верхней кромки 14 винтовой поверхности 13 гидростатодинамического

смазывающего слоя жидкости, радиальная составляющая которого, действуя на ротор 5, подвешивает (располагает) его относительно поверхности статора 1 концентрич- но, уравновешивая и уменьшая этим

действие сил одностороннего магнитного притяжения, эффекта Мангуса в жидкости и инерции массы ротора 5, а осевая составляющая совместно с осевой силой гидростатодинамического смазывающего слоя

жидкости, возникающего между торцом 8 ротора 5 и подпятником 9, противодействуют осевым силам насоса и тяжести ротора 5.

В целом, насосный эффект ротора 5,

взаимодействуя с гидростатодинамическим смазывающим слоем жидкости, возникающим между статором 1 и ротором 5, и осевым гидродинамическим смазывающим слоем жидкости между торцом 8 ротора 5 и

подпятником 9, обеспечивает себе гидро- статодинамический подвес.

Для осуществления устойчивого равновесия радиальных сил необходимо, чтобы гидростатодинамический смазывающий слой жидкости образовывался по всей окружности ротора вдоль его верхней кромки винтовой поверхности. Это может быть только при условии, что отношение длины ротора к шагу винтовой поверхности равно целому числу, величины зазоров между статором и соответственно верхней и нижней кромками ротора 5i и 62 удовлетворяют

А 1 Ач

условиям di 2h и --- до. а также при наличии давления в этих зазорах (насосного эффекта).

Таким образом, под действием радиальных сил гидростатодинамического смазыва- ющего слоя жидкости ротор займет концентрическое положение относительно статора, т.е. осуществится радиальный гидростатодинамический подвес ротора в статоре.

Для образования напорного устройства (насосного эффекта жидкости) в зазоре на винтовой поверхности 13 ротора 5, жидкость из нижней полости двигателя через зазоры между проводниками 4 пазов 3 статора 1 (коэффициент заполнения пазов проводниками, например, в погружных электродвигателях, выпускаемые по ОСТ 26-06-1161-79 равен 0,45-0,55) поступает в верхнюю полость 12 двигателя, а далее, смазывая и охлаждая поверхности статора и ротора, поступает в нижнюю полость 11.

При очень длинных роторах для осуществления гидростатодинамического подвеса ротора, уменьшая механические потери на трение жидкости о ротор (при роторе с винтовой поверхностью потери на трение увеличиваются, особенно из-за действия жидкостного гидростатодинамического смазывающего слоя жидкости) и обеспече- ние циркуляции жидкости в зазоре между статором и ротором, достаточно на наружной поверхности ротора по длине выполнить отдельные участки с отношением

длины каждого участка к шагу винтовой поверхности на этом участке, равным целому числу, а величины зазоров между статором и соответственно верхней и нижней кромками ротора д л дг выполнить при услоS , в

виях di 2h и 1 - до, т.е. чтобы

жидкостный гидростатодинамический смазочный слой жидкости на каждом участке ротора с винтовой поверхностью образовался по всему диаметру ротора.

Использование предлагаемого изобретения позволит выполнить асинхронные жидкостнозаполненные электродвигатели без радиальных подшипников, щитов подшипниковых, вала и рабочего колеса.

Исключение из конструкции электродвигателя щитов подшипниковых, радиальных подшипников скольжения, вала, уменьшение зазора между статором и ротором, концентричное вращение ротора отно- сительно статора и принудительное движение жидкости через зазор между статором и ротором увеличивает КПД и cos p упрощают конструкцию, снижают металлоемкость и увеличивают надежность электродвигателя.

Формула изобретения

1.Асинхронный жидкостнозаполнен- ный электродвигатель, содержащий статор с аксиальными каналами, ротор, подпятник, днище и напорное устройство, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения энергетических характеристик, наружная поверхность ротора выполнена по винтовой поверхности с отношением длины ротора к шагу винтовой поверхности, равным целому числу.

2.Электродвигатель по п. отличающий с я тем, что наружная поверхность ротора по длине выполнена из отдельных участков с отношением длины каждого участка к шагу винтовой поверхности на этом участке, равным целому числу.

3.Электродвигатель по пп. 1 .отличающийся теп, что наружная поверхность ротора выполнена из антифрикционного материала.

Изобретение относится к электромашиностроению. Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение энергетических характеристик. Электродвигатель содержит статор 1 и ротор 5. Наружная поверхность 13 ротора выполнена винтовой с отношением длины ротора к шагу винтовой поверхности, равным целому числу. Для повышения износостойкости наружная поверхность 13 ротора выполнена из антифрикционного материала. Винтовая поверхность ротора может быть выполнена из отдельных участков, 2 з.п.ф-лы, 2 ил.