Полный текст

Введение. Для электроприводов возвратно-поступательного движения различных промышленных механизмов рационально применять цилиндрический линейный вентильный двигатель (ЦЛВД). В нефтедобывающей промышленности ЦЛВД можно использовать для бесштанговой добычи нефти из скважин погружными агрегатами, которые могут служить в качестве альтернативы станкам-качалкам, широко распространенным в настоящее время [1, 2]. Принцип действия ЦЛВД, основанный на создании электромагнитных сил и движении электромагнитного поля, соответствует вентильным электрическим машинам вращательного движения, отличие заключается лишь в том, что магнитное поле перемещается линейно. На вторичном элементе ЦЛВД находятся постоянные магниты, так что основные конструктивные особенности машины соответствуют вентильным двигателям [3, 4]. При проектировании ЦЛВД основное внимание пришлось уделить увеличению удельного силового усилия, которое двигает вторичный элемент. Для реализации этой задачи проводился расчетный поиск рациональной конструкции вторичного элемента и индуктора, при котором создается максимальное силовое усилие. В результате математических исследований были проведены многовариантные расчеты множества кривых статических угловых характеристик для различных конструкций ЦЛВД. В результате была выбрана конструкция, дающая наибольшее силовое усилие [5, 6]. Работа ЦЛВД осложнена существованием эффекта тяжения, который возникает при смещении вторичного элемента относительно оси индуктора [7]. В результате силы трения между вторичным элементом и индуктором значительно увеличиваются. Это связано с тем, что вторичный элемент и индуктор начинают соприкасаться, что приводит к уменьшению силового усилия на вторичном элементе. Кроме того, возникнет сильный износ поверхностей индуктора и вторичного элемента. Поэтому расчет усилий тяжения и реализация методов по его устранению являются важной задачей для получения необходимых характеристик ЦЛВД. Взаимодействие между индуктором и вторичным элементом ЦЛВД. На рис 1, а показан ЦЛВД, который состоит из 3 частей. Постоянные магниты имеют следующие технические характеристики: Нс = 1400 кА/м, В = 1,2 Тл. Индуктор состоит из чашек, составляющих зубцы и пазы, в которых находятся катушки трехфазного индуктора. Полюсное деление двигателя составляет τ = 30 мм, а величина зубцового деления tz = 10 мм. Катушки каждой фазы трехфазной обмотки соединяются последовательно на протяжении длины индуктора. Фазы питаются от подключенного преобразователя частоты (ПЧ). Обмотки фаз цилиндрического индуктора создают линейное бегущее магнитное поле, направление и скорость движения которого изменяются при помощи ПЧ [8, 9]. Вторичный элемент имеет диаметр Dp = 53 мм. Между вторичным элементом и индуктором существует воздушный зазор δ, который составляет 1,5 мм. Вторичный элемент расположен симметрично относительно оси индуктора, т.е. их оси совмещены. При таком взаимном расположении осей вторичного элемента и индуктора усилие тяжения между ними равно нулю. d Dp Y X Dp Dс t d tz 1 2 3 а б Рис. 1. ЦЛВД в продольном (а) и поперечном (б) сечении: 1 - корпус, в виде трубы; 2 - цилиндрический индуктор, состоящий из ферромагнитных чашек с уложенными в них фазами трехфазной обмотки; 3 - вторичный элемент, содержащий постоянные магниты и совершающий возвратно-поступательное движение При смещении оси вторичного элемента относительно оси индуктора воздушный зазор по образующей диаметра становится неравномерным, что приводит к появлению усилий тяжения, направленных к поверхности индуктора с наименьшим зазором [10-12]. Вторичный элемент в результате изгибается под действием возникающих усилий тяжения, что, как следствие, приводит к еще большей неравномерности рабочего воздушного зазора. В результате возникновения радиальных усилий тяжения неравномерность рабочего воздушного зазора увеличивается так, что зазор с одной стороны в пределе становится равен нулю, а с противоположной стороны становится максимальным (рис.1, б). Соответственно силы трения между вторичным элементом и индуктором значительно возрастают, что обусловлено их взаимным касанием, это приводит к уменьшению силового усилия и возникновению значительного износа поверхностей вторичного элемента и индуктора. Для определения сил трения, действующих при соприкосновении вторичного элемента с индуктором, необходимо рассчитать эффект тяжения, возникающий в магнитной системе [13-15]. Рассчитаем эффект тяжения, для чего проведем разбивку диаметра вторичного элемента и индуктора на 12 секторов в соответствии с рис. 2. В1 В2 В3 В4 В5 В6 Х Y В1¢ В2¢ В3¢ В4¢ В5¢ В6¢ Рис. 2. Разбивка диаметра магнитной системы ЦЛВД на сектора Угол n отсчитывается от оси Y и разбивается на 6 угловых значений: 0, 30, 60, 90, 120, 150 град, которые определяют сектора разбивки индуктора. Согласно уравнению Максвелла сила притяжения между индуктором и вторичным элементом в зазоре зависит от величины магнитной индукции в каждом секторе по окружности диаметра индуктора: (1) где S - площадь каждого сектора, S = mi · ι = 13,4·10-3. Силы, действующие в каждом секторе, направлены в разные стороны, поэтому в соответствии с системой уравнений результирующие силы по секторам определяется по формулам: Fс1 = Fв1 - Fв1¢; Fс2 = Fв2 - Fв2¢; Fc3 = Fв3 - Fв3¢; Fc4 = Fв4 - Fв4¢; Fc5 = Fв5 - Fв5¢; Fc6 = Fв6 - Fв6¢; (2) Составляющая усилия секции FCn по оси FYn равна: FYn = FCn · cos(a). (3) В результате находим силу тяжения Fm ЦЛВД, возникающую по оси Y, в соответствии с уравнением (4) Расчет величины сил тяжения ЦЛВД Оси сектора Индукция на концах осей, Bс, Тл Угол оси α, градус Силы на концах осей, H Результат силы по осям, FCn, H Результат силы по оси Y, FBn, H n n¢ FВn FВn¢ B1-B1¢ 0,836 0,615 0 3730 2017 1712,4 1712,4 B2-B2¢ 0,794 0,628 30 3362 2175 1187 1057,5 B3-B3¢ 0,756 0,660 60 3048 2323 725 426 B4-B4¢ 0,710 0,710 90 2020 2020 0 0 B5-B5¢ 0,660 0,756 120 2323 3048 725 426 B6-B6¢ 0,628 0,794 150 2175 3362 1187 1057,5 Итого Fт, H 4679,4 H Значения величин сил тяжения вторичного элемента ЦЛВД по секторам сведем в таблицу. В результате проведенных магнитных расчетов получили значение усилия тяжения по оси Y и выяснили, что его необходимо учитывать для определения сил трения, так как оно значительно по величине. Расчеты показали, что величина силы тяжения равна 4,7 кН, из чего можно определить величину силы трения вторичного элемента об индуктор. Такое значительное по величине тяжение приводит к прогибу вторичного элемента, которое превышает величину воздушного зазора [16]. В результате появляются значительные силы трения, падает силовое усилие на вторичном элементе. Первая экспериментальная конструкция индуктора, представленная на рис. 3, не дала необходимого по техническому заданию силового усилия в 4 кН. Усилие, показанное двигателем на экспериментальном стенде, оказалось равным по величине 3 кН. Модернизация ЦЛВД для устранения эффекта тяжения и повышения силового усилия. Несимметрия величины зазора между вторичным элементом и индуктором является только одной из причин, которая приводит к появлению усилий тяжения. Также к значительному увеличению эффекта тяжения может приводить и возникающая магнитная несимметрия конструкции индуктора (рис. 3). Этот факт связан с возникновением асимметрии радиального магнитного потока между вторичным элементом и индуктором в связи с наличием только одного паза под прокладку трехфазных соединительных обмоток [17-19]. Рис. 3. Вариант индуктора с одним пазом под трехфазную обмотку В результате возникает асимметрия радиального магнитного потока между вторичным элементом и индуктором, вследствие чего появляется дополнительная сила тяжения. Асимметрия радиального магнитного потока приводит к тому, что вторичный элемент притягивается к индуктору, что создает дополнительное механическое трение, уменьшающее силовое усилие. Для устранения этого вредного явления в модуле ЦЛВД был добавлен дополнительный промежуточный центратор для уменьшения величины возникающего трения и центрирования вторичного элемента относительно оси индуктора. Диаметр центратора выбирается из условия: Dц < (Dр + 2δ) и Dр < Dц, чтобы при работе ЦЛВД зазор между вторичным элементом и индуктором ограничивался центратором. Также была изменена на осесимметричную конструкция индуктора для значительного ослабления эффекта тяжения. Изменению подверглась конструкция канала индуктора для размещения концов трехфазной обмотки. Вместо одного канала для всех трех фаз изготовили три отдельных канала, по одному для каждой фазы, с пространственным смещением в 120 град в соответствии с рис. 4. Такое изменение конструкции приводит к более равномерному распределению радиального магнитного потока [20]. Это конструктивное изменение ведет к устранению асимметрии магнитного потока, что уменьшает величину эффекта тяжения. Применение осесимметричной конструкции индуктора позволило достичь значительного роста силового усилия за счет уменьшения величины сил тяжения и, как следствие, сил трения. Такое изменение конструкции необходимо для более равномерного распределения радиального магнитного поля. Изменение конструкции индуктора ЦЛВД на осесимметричную позволило достичь роста силового усилия вторичного элемента на 1 кН. Рис. 4. Вариант индуктора с тремя симметричными пазами, каждый под свою фазу При определении силового усилия на вторичном элементе ЦЛВД следует учесть, что оно является разностью электромагнитной силы, создаваемой индуктором, и сил трения вторичного элемента в подшипниках скольжения. Зависимость силового усилия, которое равно разности электромагнитного усилия и силы трения, можно определить по уравнению: FС = FЭ - Fтр (5) На рис. 5 приведены данные экспериментально измеренных силовых усилий на вторичном элементе в зависимости от тока двигателя для двух вариантов конструкции индуктора ЦЛВД, F (см. рис. 3) и F¢ (см. рис. 4). Разница измеренных силовых усилий для двух конструкций индукторов ЦЛВД составляет 1 кН при токе 30 А. При этом необходимо учесть, что существенная разница усилий F и F¢ возникает только при токах, составляющих более 16 А. В соответствии с техническим заданием заказчика длина ЦЛВД, состоящего из 8 модулей, не должна превышать 12 м. Такое техническое ограничение связано с необходимостью использовать стандартное крановое оборудование на нефтяных промыслах. В соответствии с этим требованием важной задачей является повышение величины силового усилия, что позволяет уменьшить длину двигателя. Уменьшение величины эффекта тяжения за счет введения дополнительного промежуточного центратора и применения осесимметричной конструкции индуктора дало возможность увеличить силовое усилие. Экспериментальное исследование, связанное с проблемой тяжения, позволило решить ряд важных теоретических и практических проблем, выработать решения по устранению этого вредного эффекта за счет изменения конструкции ЦЛВД. В результате удалось достичь силовых усилий, предусмотренных техническим заданием. FC, кН I, А 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 F F’ Рис. 5. Силовое усилие на вторичном элементе для двух конструкций: F (см. рис. 3) и F’ (см. рис. 4) Выводы. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований эффекта тяжения выяснили степень его влияния на работу ЦЛВД. Полученные значения сил тяжения и силового усилия для двух рассмотренных конструкций ЦЛВД позволили определить силы трения между вторичным элементом и индуктором. Выяснили, что при работе ЦЛВД величина силы трения между вторичным элементом и индуктором значительна, и ее необходимо учитывать. На основе анализа измеренных и вычисленных сил тяжения и трения был сделан вывод о необходимости использовать немагнитный центратор, который позволяет снизить величину сил трения. Это способствует центрированию вторичного элемента относительно индуктора, что устраняет их касание. Для устранения вредного эффекта тяжения также была изменена конструкция индуктора. Изменению подверглась конструкция пазов индуктора, в которой для размещения проводников трехфазной обмотки сделали три паза. В результате конструкция индуктора стала осесимметричной. Такое изменение конструкции необходимо для более равномерного распределения радиального магнитного поля. Изменение конструкции индуктора ЦЛВД на осесимметричную позволило достичь роста силового усилия вторичного элемента на 1 кН. Все эти мероприятия позволили реализовать условия технического задания заказчика.

Об авторах

А. Д Петрушин

Ростовский государственный университет путей сообщения

А. В Шевкунова

Ростовский государственный университет путей сообщения

Н. В Шулаков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

С. В Шутемов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 54

PDF (Russian) - 18

Ссылки

• Ссылки не определены.