ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАГНИТНЫХ МУФТ ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ МАШИН

вокупность критериальных показателей, для которых определены оптимальные соотношения геометрических размеров и числа полюсов, из условия передачи заданного максимального момента при минимальном расходе магнитного мате­ риала. Сформулированы рекомендации по проектированию подобных уст­ ройств.

Втретьей главе рассмотрены вопросы динамики работы электроприво­ дов турбомеханизмов с магнитными муфтами. Представлены результаты ис­ следований нерегулируемого электропривода герметичного насоса от асин­ хронного двигателя с одной и двумя магнитными муфтами, а также регули­ руемого электропривода с вентильным электродвигателем и магнитной муфтой. Определены критерии, позволяющие избежать неблагоприятных сочетаний па­ раметров электродвигателя, магнитной муфты и турбомеханизма и обеспечи­ вающие надежный пуск нерегулируемого агрегата. При использовании регули­ руемых электроприводов, по сути, снимаются ограничения, связанные с пуском машины, а магнитная муфта может быть спроектирована по условиям макси­ мального использования магнитных материалов для установившегося режима работы с заданным запасом устойчивости.

Вчетвёртой главе дан анализ факторов, определяющих главные разме­ ры магнитных муфт, изложены основы инженерной методики проектирования этих устройств, являющиеся первым этапом проектирования и основой для применения методов математического моделирования при помощи современ­ ных программных средств. Изложена методика расчета радиальных магнитных муфт для герметичных машин, включающая как общие рекомендации, так и пример расчета муфты конкретной конструкции.

Взаключении сформулированы выводы и представлены основные ре­ зультаты, полученные в работе.

Вприложении приведен пример использования разработанной методи­ ки проектирования магнитной муфты и показаны результаты математического моделирования различных магнитных систем муфт, которые могут быть реали­ зованы в практике машиностроения, представлены акты о внедрении результа­ тов работы.

11

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Область и перспективы применения электромагнитных устройств для бесконтактной передачи момента вращения

Многие технологические процессы современного производства в атом­ ной, химической, перерабатывающей, биологической и других отраслях про­ мышленности требуют осуществлять перемешивание, циркуляцию или подачу с определенным расходом агрессивных сред или жидкостей, не допускающих утечки. Все способы передачи момента вращения от двигателя к турбомеханизму можно подразделить на контактные и бесконтактные. К первым можно отнести все классические способы с применением механических муфт и валопроводов. При этом всегда возникает технологическая проблема обеспечения герметичности уплотнений по валопроводу приводов установок.

Проблема может быть решена за счет применения электромагнитных устройств для бесконтактной передачи механической энергии в герметичные камеры аппаратов, работающих в агрессивной, высокотоксичной, радиоактив­ ной или особо чистой среде. Передача механической энергии магнитным полем и наличие зазора между элементами сделали возможным передачу энергии без контактных уплотнений через тонкостенные перегородки — экраны. Возмож­ ны два способа бесконтактной передачи момента вращения:

1) использование самого электродвигателя, когда ротор и турбомеханизм находятся в перемещаемой среде;

2) использование промежуточного устройства — магнитной или элек­ тромагнитной муфты между электродвигателем и турбомеханизмом, обеспечи­ вающим необходимую степень герметичности.

Очевидно, что для реализации первого способа подходят только бескон­ тактные электрические машины, к которым относятся асинхронные и синхрон­ ные управляемые машины различных типов. Наиболее широко используют

12

асинхронные машины, конструкция которых наиболее проста, а надёжность самая высокая. Реализация второго способа возможна на базе магнитных муфт синхронной или асинхронной конструкции. При этом наиболее компактны син­ хронные муфты с постоянными магнитами, которые позволяют передавать мо­ мент вращения внутрь герметичного экрана практически без потерь. Примене­ ние подобных механизмов является идеальным решением, обеспечивающим надежную и безопасную эксплуатацию технологического оборудования при наличии сред со специфическими свойствами [12].

В этом качестве экранированные механизмы широко используются для привода герметичных насосов реакторов, мешалок и т. п. Они незаменимы в фармацевтической, парфюмерной и пищевой промышленности, где требуется высокая степень стерильности.

Насосы являются одним из самых распространенных видов оборудова­ ния и используются практически во всех отраслях промышленности. Во многих случаях целесообразность применения герметичных электронасосов обуслов­ лена возможностью полной автоматизации процесса, дистанционного управле­ ния и контроля за их работой.

Электронасосы с асинхронным экранированным двигателем хорошо из­ вестны [8, 10, 68]. Существует большое количество разновидностей насосов указанного типа, которые используются для перекачивания различных жидко­ стей в зависимости от температуры, наличия в них абразивов, температуры за­ мерзания и застывания жидкости и т. п. Асинхронные электродвигатели для герметичных насосов имеют строго специализированную конструкцию, кото­ рая обладает худшими энергетическими показателями по сравнению с обыч­ ными асинхронными двигателями.

Магнитная муфта обладает тем ценным качеством, что может работать совместно с классическими типами электродвигателей, при этом двигатель на­ ходится вне рабочей зоны насоса и допускает замену, ремонт, профилактиче­ ское обслуживание, что существенно повышает надежность и безопасность технологического процесса. Существуют устройства, которые перекачивают

13

столь опасные среды, что требуют двух герметичных экранов. В этом случае наиболее простым техническим решением является применение двух магнит­ ных муфт. Область применения магнитных муфт непрерывно расширяется, этому способствуют успехи нашей промышленности в освоении выпуска со­ временных постоянных магнитов на базе редкоземельных материалов (Nd-Fe-B) с рекордными магнитными свойствами (Вг = 1,1 ч- 1,2 Тл, НсВ = 800 ч- 850 кА/м). В настоящее время успешно преодолевается один из самых больших недостатков этих магнитов — зависимость магнитных свойств от температуры окружающей среды. Созданы постоянные магниты, стабильно работающие при 200 - 250 °С.

Необходимо отметить еще одно важное качество магнитной муфты: она защищает механизм от перегрузки, так как при превышении расчетной нагруз­ ки на ведомой полумуфте магнитная связь между полумуфтами разрывается, и электродвигатель не переходит в режим короткого замыкания. После остановки электродвигателя и устранения причин перегрузки работоспособность устрой­ ства может быть восстановлена.

В настоящее время в различных отраслях промышленности успешно ра­ ботают центробежные, вихревые и винтовые герметичные насосы с магнитны­ ми муфтами [15, 16, 17, 36, 38, 39, 55]. Разработаны серии герметичных элек­ троприводов для микробиологической промышленности, серия приводов к фер­ ментаторам для получения антибиотиков [40, 41], приводы для герметичных компрессоров и т. д. В ЗАО «Гидрогаз» (г. Воронеж) разработаны и серийно из­ готавливаются химические герметичные насосы (ГХ) с магнитной муфтой на мощности от 0,57 до 27 кВт. Многолетний опыт эксплуатации вышеперечис­ ленных машин в жестких условиях потенциально опасного производства под­ тверждает их высокие эксплуатационные показатели, главными из которых яв­ ляются герметичность, надежность и долговечность [12, 47].

Несмотря на это магнитные муфты, как и другие технические устройст­ ва, постоянно совершенствуются. Появляются новые материалы, в том числе и материалы для постоянных магнитов, что открывает пути для создания новых, более совершенных устройств. В современных условиях процесс проектирова-

14

ния магнитных муфт должен проходить в сжатые сроки с высокой степенью достоверности расчётов и минимальным количеством макетных образцов. Оче­ видно, что это не мыслимо без совершенствования методик расчёта, ориенти­ рованных на использование самых современных программных и технических средств.

1.2.Современные электроприводы герметичных насосов и компрессоров

Основной особенностью конструкций герметичных электронасосов яв­ ляется отсутствие уплотнений по валопроводу. Герметизация электронасосов достигается двумя основными способами с применением:

— моноблочной конструкции насоса и электродвигателя, при этом эле­ менты ротора и подшипники могут быть погружены в рабочую жидкость;

- магнитного привода, который позволяет передавать момент вращения от электродвигателя внутрь герметичного экрана.

Моноблочные конструкции насосов подразделяются на электронасосы с экранированным электродвигателем и электронасосы с так называемым «мок­ рым» статором. Герметичные насосы с мокрым статором не имеют экрани­ рующей гильзы; у них полость статора заполнена рабочей средой, имеющей непосредственный контакт с обмотками и железом статора и ротора. Для пре­ дохранения обмотки статора от рабочей среды их покрывают изоляцией. Желе­ зо статора покрывают защитным лаком. В качестве примера можно привести конструкцию насоса для перекачивания трансформаторного масла (рис. 1.1).

Очевидно, что насосы этого типа применяют для перекачивания ней­ тральных жидкостей, т. к. возникают трудности, связанные с выбором изоляции, способной противостоять агрессивному действию рабочей жидкости и резким колебаниям давления и температуры в полости статора. К этому же классу насо­ сов относятся герметичные насосы с газовой подушкой (рис. 1.2).

15

Преимущества герметичных насосов с экранирующей гильзой:

-насосы могут быть сконструированы для достаточно широкого диапа­ зона рабочих давлений и передаваемых мощностей;

-насосы могут транспортировать жидкости любой степени агрессивно­ сти и токсичности;

-насосы обеспечивают абсолютную стерильность транспортируемых продуктов и полную взрыво- и пожаробезопасность.

К недостаткам насосов этого типа следует отнести:

-невозможность быстрой замены и ремонта электродвигателя;

-необходимость полной замены агрегата при разрушении герметизи­ рующей гильзы;

-трудность обеспечения герметичности трубопровода при демонтаже электродвигателя.

Асинхронные двигатели экранированных электронасосов имеют наи­ большее число особенностей, принципиально отличающих их от электродвига­ телей общего назначения [68]:

1.Наличие в зазоре между расточкой статора и ротора двух тонкостен­ ных экранов из немагнитной стали, имеющей относительно высокое удельное электрическое сопротивление.

2.Вращение ротора в рабочей жидкости, циркулирующей через гид­ равлический зазор между статором и ротором и охлаждающей подшипники, статорный экран и ротор.

3. Относительно большой зазор между расточкой статора и ротора (8 = 2-5-4мм), необходимый для установки двух экранов и прокачки рабочей

жидкости.

4.Большое отношение длины активной части к полюсному делению (/ /

т> 2), необходимое для снижения потерь в экране статора, пропорциональных

т3, и потерь на трение цилиндрической поверхности ротора о жидкость, про­ порциональных т .

19

5.Массивный ротор с короткозамкнутой обмоткой. Сердечник ротора при этом выполняется как одно целое для обеспечения жесткости вала по кри­ тической частоте вращения при большом отношении 11%.

6.Закрытые и полузакрытые пазы статора. При этом выбирается такая форма клиньев, при которой исключалась бы, как недопустимая, деформация экрана статора от внутреннего давления.

7.Массивные стальные конструктивные элементы в торцовой зоне двигателя (нажимные плиты, крышки, подшипниковые горловины), окружаю­ щие лобовые части обмотки статора.

Достоинства этой конструкции очевидны. Машина имеет наиболее про­ стую и надёжную вращающуюся часть, она может работать в достаточно широ­ ком диапазоне температур (от 10 до 200 °С). Герметизирующая гильза (экран), воспринимающая внутреннее давление, опирается на конструктивные элементы статора и поэтому может быть выполнена достаточно тонкой (приблизительно 0,3 мм). К недостаткам следует отнести: более низкие энергетические показате­ ли электродвигателя по сравнению с классическим типом асинхронных машин, что связано с большим немагнитным зазором ( 2 - 4 мм); герметичная гильза, находящаяся в переменном магнитном поле и опирающаяся на статор, постоян­ но подвергается воздействию знакопеременных усилий и может быть внезапно разрушена, что выводит машину из строя.

Перечисленные недостатки практически не устранимы. Поэтому иссле­ дования должны быть направлены на создание конструкций, позволяющих лег­ ко демонтировать статор машины без нарушения герметичности насоса и даю­ щих возможность выполнять контроль экрана, не допуская внезапного разру­ шения.

Альтернативным решением является использование бесконтактных дви­ гателей постоянного тока (БДПТ) [9]. Применение этих машин в герметичных насосах требует более детальных исследований. Использование современных постоянных магнитов позволяет получить высокие энергетические показатели. Однако более сложная конструкция машины не может гарантировать требуе-

20