ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАГНИТНЫХ МУФТ ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ МАШИН

2- Б с т

4.3.2.9.Число полюсов в полумуфтах

X

Расчётное значение 2р округляется до ближайшего целого числа, после чего расчёт требует уточнения. По полученным геометрическим размерам мож­ но построить модель для численного метода расчёта, например методом конеч­ ных элементов (программы ELCUT, ANSYS и др.). В результате может быть по­ лучена угловая характеристика муфты М(Э) и откорректированы основные раз­ меры. Далее рассчитываются моменты инерции ведущих и ведомых частей, ко­ торые дают возможность оценить динамику работы турбомеханизма (программы Mathcad, Matlab). Примеры расчёта магнитных муфт представлены в прил. 1.

4.3.3. Расчёт геометрических размеров муфты с циркулярным намагничиванием ПМ (конструкция MS12UR04)

4.3.3.1. Величина немагнитного зазора.

Величина немагнитного зазора 5Н определяется в соответствии с реко­ мендациями п. 4.1 аналогично п. 4.3.2.1 (рис. 4.10)

161

4.3.3.2. Полюсное деление магнитной муфты

Желаемая величина полюсного деления определяется по аналогии с п. 4.3.2.5 при заданном оптимальном значении А,2опт= 0,24. Откуда

4.3.3.3. Максимальный крутящий момент магнитной муфты

При определении максимального момента, передаваемого муфтой, не­ обходимо учитывать те же рекомендации, что и в п. 4.3.2.5, т. к. они имеют об­

где Мт а х — максимальный момент, передаваемый муфтой, Н-м; М„ — номинальный момент турбомеханизма, Н«м;

к„ — коэффициент перегрузочной способности муфты, который может быть выбран в соответствии с типом используемого двигателя.

4.3.3.4. Диаметр защитного экрана

Диаметр защитного экрана D3 практически всегда равен диаметру маг­ нитной муфты (DM) и определяется из конструктивных особенностей агрегата. Например, диаметр экрана можно принять равным диаметру ротора электро­ двигателя Da, для того чтобы размеры муфты не превышали габаритов двигате­ ля. Таким образом

163

4.3.3.5. Число полюсов муфты

Число полюсов муфты определяется по заданному диаметру DM и жела­ тельной величине полюсного деления т:

4.3.3.6. Максимальная индукция в немагнитном зазоре под центром полюса

Максимальное значение индукции зависит от параметров применяемого постоянного магнита и может быть рассчитано в соответствии с уравнениями (2.58, 2.63):

магнита в соответствии с температурным коэффициентом остаточной индук­ ции.

4.3.3.7. Толщина кольца магнита полумуфты

Толщина магнита определяется из условия наилучшего использования материала при циркулярном намагничивании:

164

4.3.3.8. Соотношение между активной длиной муфты и её диаметром

где k t = 0,4295-V0'7649; k2 =1,31-1,845-Л,2; Xl = 5H/(2-hm).

После определения геометрических размеров муфты их желательно от­ корректировать в соответствии с нормальными рядами чисел. Далее необходи­ мо определить моменты инерции вращающихся частей и проверить динамику работы машины.

Выводы

1. Экспериментально полученные характеристики магнитных муфт с высокой точностью могут быть аппроксимированы синусоидальной функцией (коэффициент множественной корреляции R не менее 0.996).

2. Предлагаемая методика расчёта позволяет определить максимальный момент передаваемый различными конструкциями магнитных муфт с погреш­ ностью 3 % при условии входного контроля параметров используемых мате­ риалов, и с погрешностью 7 % при использовании справочных данных.

165

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Магнитные муфты являются удобным и эффективным средством созда­ ния герметичных турбомеханизмов, отличающихся простотой, повышенной надёжностью и высокой экономичностью эксплуатации, они успешно конкури­ руют с другими типами герметичных агрегатов в атомной, химической, биоло­ гической и других отраслях промышленности.

По мере расширения механизации и автоматизации производственных процессов потребность в магнитных муфтах будет возрастать. Разработка но­ вых материалов для постоянных магнитов способствует расширению области применения магнитных муфт. Одновременно с этим возрастает потребность в современных более точных методах расчёта и проектирования герметичных турбоагрегатов, позволяющих максимально сократить сроки проектирования новых устройств и уменьшить объём экспериментальных исследований при создании макетных образцов.

Теоретические и экспериментальные исследования, проведённые в на­ стоящей работе, направлены на разработку уточнённой методики расчёта и проектирования магнитных муфт. Обобщая результаты проведённых исследо­ ваний, можно сформулировать следующие выводы:

1. В результате проведённого анализа литературных источников уста­ новлено, что имеются тенденции к расширению области применения герметич­ ных турбоагрегатов с магнитными муфтами благодаря высоким техникоэкономическим показателям этих устройств. Однако дальнейшего совершенст­ вования требуют методики расчёта магнитных муфт на основе изотропных по­ стоянных магнитов (магнитопластов) с заданной структурой поля намагничен­ ности. Отсутствуют данные по вопросам проектирования турбомеханизмов для транспортировки особо опасных сред с двумя герметичными экранами и соот­ ветственно с двумя магнитными муфтами.

2. На основе анализа магнитного поля различных конструкций магнит­ ных муфт получены угловые характеристики, которые с высокой точностью

166

аппроксимируются синусоидальной функцией (корреляционное отношение R2

не менее 0,96) независимо от формы магнитов, числа полюсов и материала по­ стоянного магнита. Исключение составляют ММ с концентраторами магнитно­ го потока в виде стальной арматуры.

3.Применение концентраторов магнитного потока в конструкциях маг­ нитных муфт не приводит к улучшению их удельных силовых характеристик и массогабаритных показателей.

4.Наилучшее использование анизотропного магнитного материала дос­ тигается в явнополюсных конструкциях магнитных систем с простой высоко­ технологичной формой постоянных магнитов в виде прямоугольного паралле­ лепипеда.

5.Установлено, что наилучшими силовыми показателями обладают неявнополюсные магнитные системы с максимальным коэффициентом заполне­ ния активного объёма муфты магнитным материалом.

6.При использовании изотропных постоянных магнитов, в том числе и магнитопластов, наилучшими силовыми и массогабаритными показателями об­ ладают системы с циркулярным намагничиванием полумуфт, не требующие применения магнитопроводов.

7.Установлено, что все конструкции магнитных муфт имеют оптималь­ ные соотношения геометрических размеров, которые определяются величиной немагнитного зазора между полумуфтами. Так, оптимальное отношение вели­ чины немагнитного зазора к суммарной высоте магнитов полумуфт лежит в диапазоне 0,29 - 0,31, а наиболее благоприятное соотношение между величи­ ной зазора и полюсной дугой составляет 0,24 — 0,28. Последнее соотношение, по сути, определяет оптимальное число полюсов при установившемся режиме работы муфты с заданным запасом синхронизирующего момента. Оптимальные соотношения размеров позволяют получить магнитные системы с минималь­ ным расходом магнитного материала при заданной величине передаваемого момента.

167

8.При рассмотрении динамических режимов работы электропривода герметичных турбоагрегатов с магнитной муфтой установлено, что в нерегули­ руемых машинах для обеспечения надёжного пуска при прямом включении в сеть целесообразно уменьшать число полюсов по отношению к оптимальному значению. При этом ухудшаются массогабаритные показатели муфты, но воз­ растает момент инерции внешней полумуфты, процесс пуска становится более плавным и, как следствие, более устойчивым.

9.Применение в качестве электропривода турбомеханизмов частотно управляемых асинхронных или вентильных двигателей позволяет реализовать магнитные муфты с оптимальными геометрическими соотношениями (по усло­ вию максимального использования активных материалов) как в обычных кон­ струкциях турбомеханизмов, так и в конструкциях с двумя герметичными экра­ нами.

10.Экспериментальные угловые характеристики магнитных муфт, по­ лучены с погрешностью AM = ±2 мН-м при доверительной вероятности Р = 0,95,„

подтверждают возможность их аппроксимации синусоидальной функцией М = Мт а х • sin(0) при коэффициенте множественной корреляции R2 не менее 0,96.

11. Предложена методика проектирования магнитных муфт для герме­ тичных турбомеханизмов на основе применения редкоземельных постоянных магнитов Nd-Fe-B, которая позволяет определить максимальный момент пере­ даваемый различными конструкциями магнитных муфт с погрешностью 3 % при условии входного контроля параметров используемых материалов, и с по­ грешностью 7 % при использовании справочных данных. Показаны перспекти­ вы дальнейшего улучшения технико-экономических показателей этих уст­ ройств.

168

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абдрахманова, Т. Б. Аналитический метод определения допустимой рабочей температуры постоянных магнитов из сплава Nd-Fe-B / Т. Б. Абдрахма­ нова, Н. И. Подлевский, В. С. Попов // Электронные и электромеханические системы и устройства: тез. докл. НЦП «Полюс». — Томск: Изд-во НЦП «По­ люс», 2000. — С. 96 - 98.

2.Абдрахманова, Т. Б. Исследование характеристик скважинного элек­ тродвигателя на математической модели / Т. Б. Абдрахманова, Н. И. Подлев­ ский, В. С. Попов // Тез. докл. междунар. науч.-практ. конф. Электромеханиче­ ские преобразователи энергии: — Томск: Изд-во ТПУ, 2001. — С. 158.

3.Асинхронные двигатели серии 4А: справочник / А. Э. Кравчик, М. М. Шлаф, В. И. Афонин, Е. А. Соболевская. - М.: Энергоиздат, 1982. - 501 с.

4.Балагуров, В. А. Электрические генераторы с постоянными магнитами

/В. А. Балагуров, Ф. Ф. Галтеев. — М.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с : ил.

5.Башта, Т. М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов. — М.: Машиностроение, 1982. - 423 с.

6.Брынский, Е. А. Электромагнитные поля в электрических машинах / Е. А. Брынский, Я. Б. Данилевский, В. И. Яковлев. — Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1979. - 176 с.

7.Буренин, В. В. Материалы, применяемые для изготовления деталей хи­ мических, нефтяных и судовых центробежных насосов / В. В. Буренин, Д. Т. Гаевик. М.: Цинтихимнефтемаш, 1975. - 44 с.

8.Буренин, В. В. Конструкция центробежных герметичных электрона­ сосов с приводным электродвигателем в газовой подушке / В. В. Буренин, В. П. Дронов // Химическое и нефтяное машиностроение 1974. — № 1. — С. 39 - 41 .

9.Бут, Д. А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромех. и электроэнерг. спец. вузов / Д. А. Бут. — М.: Высш. шк., 1990. - 416 с : ил.

169

10.Васильцов, Э. А. Герметичные электронасосы / Э. А. Васильцов, В.

В.Невелич. — Л.: Машиностроение, 1968. - 260 с.

11.Вольдек, А. И. Электрические машины. Машины переменного тока: учеб. для вузов / А. И. Вольдек, В. В. Попов. — СПб.: Питер, 2007. - 350 с : ил.

12.Ганзбург, Л. Б. Проектирование электромагнитных и магнитных ме­ ханизмов: справочник / Л. Б. Ганзбург, А. И. Федотов. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980. - 364 с : ил.

13.Глухиевский, Л. И. Расчет магнитного поля асинхронной машины с массивным ротором / Л. И. Глухиевский, А. П. Костив. — Львов: Вища школа, 1983.-286 с : ил.

14.Дельман, Р. Щ. Расчет пускового режима экранированных асинхрон­ ных двигателей с массивным ротором с короткозамкнутой клеткой / Р. Щ. Дель­ ман // Электротехническая промышленность. Сер. Электрические машины. — 1977. Вып. 7. — С. 1 - 4 .

15.Добротворский, В. В. Герметичное оборудование с магнитными муф­ тами / В. В. Добротворский, А. Я. Красильников, Л. Н. Сухоростов // Химиче­ ское и нефтяное машиностроение. — 1994. — № 6. — С. 39.

16.Добротворский, В. В. Герметичные насосы для химических произ­ водств / В. В. Добротворский, А. Я. Красильников, Е. А. Николаев. — Сверд­ ловск: СвердНИИхиммаш. — 1990. - 12 с. — Деп. ВИМИ 1991, № Д08465.

17.Добротворский, В. В. Разработка серийных герметичных насосов с магнитной муфтой / В. В. Добротворский, А. Я. Красильников, Л. Н. Сухоросов

//Труды СвердНИИхиммаш. Сер. «Оборудование для оснащения технологиче­ ских производств». — Вып. 2 (66). — Екатеринбург, — 1995. — С. 75 - 81.

18.Домбровский, В. В. Справочное пособие по расчету электромагнитного поля в электрических машинах / В. В. Домбровский. Л.: Энергоатомиздат, — 1983.-186 с. ил:

19.Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. М.: Мир, 1975.-473 с.

20.Зенкевич, О. Конечные элементы и аппроксимация / О. Зенкевич,

170