Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2465708

(19)

RU

(11)

2465708

(13)

C1

(51) МПК H02K29/00 (2006.01)

H02K5/132 (2006.01)

H02K1/06 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 17.10.2012 - нет данных Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011117726/07, 03.05.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

03.05.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 03.05.2011

(45) Опубликовано: 27.10.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: SU 1813228 A1, 30.04.1993. RU 2072609 C1, 27.01.1997. RU 2277285 C2, 27.05.2006. SU 1827046 A3, 07.07.1993. US 6153957 A, 28.11.2000. EP 0484525 A1, 13.05.1992.

Адрес для переписки:

197045, Санкт-Петербург, Ушаковская наб., 17/1, начальнику ВУНЦ ВМФ

(72) Автор(ы):

Ясаков Геннадий Серафимович (RU),

Ветохин Виктор Иванович (RU),

Костиков Евгений Алексеевич (RU),

Ахмад Хайдар Рамадан (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" (RU)

(54) ПОГРУЖНОЙ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ОТКРЫТОГО ИСПОЛНЕНИЯ

(57) Реферат:

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.

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 ( ), 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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ