Прочитать публикацию в формате PDF 305 Кб Для чтения PDF необходима программа Adobe Reader

Опубликовано по п.20 Приложения №1

ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЁТ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОЛИТНОГО НАСОСА

Вертинский П.А. г.Усолье – Сибирское

[email protected]

I. Краткое магнитодинамическое введение.

Как выяснилось, объективно-историческая ошибка в направлении силовой характеристики электромагнитного взаимодействия токов, привнесенная опытами Х. Эрстеда и вошедшая в фундаментальную систему уравнений Максвелла /1/, значительно затруднила технические решения в электротехнике /2/.

Действительно, самоочевидный вывод магнитодинамики /3/ об электро- магнитной индукции при изменении магнитного натяжения вблизи проводника с изменением тока во времени :

, (1)

(2)

в традиционном электродинамическом анализе можно получить лишь путем длительных преобразований по избавлению из выражений самой величины силовой характеристики - магнитной напряженности H через многоэтапные замены переменных параметров, заранее зная на основании эмпирического закона Фарадея о существовании такой величины – электродвижущей силы электро- магнитной индукции. То есть, если в законе Фарадея :

(3)

принять во внимание, что , (4)

где , (5)

а по закону Био – Савара –Лапласа , (6)

то можно величину ЭДС выразить:

(7)

обозначив через константу -А все постоянные коэффициенты всех предыдущих преобразований.

(8)

Как видим, выражение (8) с учетом конкретных параметров магнитной среды и правила Ленца , выражаемых константой - А полностью аналогично нашему выводу ( 2 ) на основе магнитодинамики / 1 /.

К сказанному по выражениям для ЭДС электромагнитной индукции (2) и (8)

можно добавить, что величина ЭДС состоит из двух частей :

, (9)

где : (10)

- 2 -

и (11)

Ясно, что Е₁ возникает вследствие изменения тока I со временем , а E₂

возникает в результате взаимодействия вторичного тока I₂ с первичным I₁ при

изменении расстояния между ними.

Данное обстоятельство , выраженное в зависимости (8) необходимо отметить здесь особенно. Дело в том, что с позиций классической электродинамики эта функциональная зависимость не является самоочевидной, а нами выше она выявлена уже по заранее эмпирически известному выводу (3). Но зависимость ЭДС от () означает принципиальную возможность создания сверхвысоких напряжений в непосредственной близости от первичных проводников с перемеными токами. Так, например, электролиты , проводимость которых на 5– 6 порядков меньше проводимости металлических проводников, традиционной электротехникой не рассматриваются в качестве возможных электрических цепей.

Вместе с тем, из выражения (11) непосредственно следует, что при погружении первичной обмотки в электролит возможно образовать в нем значительные токи и, следовательно, вызвать заметные электромагнитные (см.патенты РФ№2041779,№2026768 и др.) электромеханические(см.патенты РФ ( № 1424998,№1574906 и др.) или электрохимические (см.патенты РФ№2147555, № 2197550 и др.) эффекты /1/.

II. Обоснование работы магнито-динамического электролитного насоса.

Одним из ярких примеров оптимизации привода на основе магнитодинамического представления являются технические решения в области насосостроения и запорно-регулирующей аппаратуры , реализованные в изобретениях автора. Известно, что уже в начале ХХ века промышленность поставила ряд важных проблем перед насосостроением , к настоящему времени из которых не нашли своего полного разрешения задачи обеспечения коррозионной стойкости и высокой надежности работы насосных установок, так как эти характеристики почти полностью определяются надежностью подшипников приводных механизмов.

Поиск разрешения этих технических противоречий в насосостроении продолжается уже в условиях более жестких требований , чем они предъявлялись в начале ХХ века, так как современное насосное и запорно-регулирующее оборудование работает в агрессивных рабочих средах с напорами и производительностью , о которых не знали инженеры прошлого века.

Повысить надежность работы насосных установок оказалось возможным

путем отказа от использования подшипников в насосном оборудовании вообще , что вполне реально для магнитодинамического привода , в котором

- 3 -

оказалось принципиально возможным непосредственное преобразование электроэнергии в механическую работу рабочего органа.

II-1. Устройство магнито-динамического электролитного насоса по заявке

№ 5059437 / 06 /3/.

Насос предназначен для перекачивания агрессивных электропроводящих сред и может быть использован в металлургии, энергетике , химической и т.п. областях промышленности.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности работы и сроков эксплуатации при сохранении высокой производительности в условиях агрессивности перекачиваемых рабочих сред.

Изобретение поясняется чертежами:

На рис. 1-а) показана схема подключения насоса к блоку электропитания и в

гидромагистраль.

На рис. 1-б) – соединение половины вида с половиной разреза корпуса насоса.

На рис. 1-в) - вид торца насоса с частичным вырезом по А – А на рис. 1-б).

На рис. 1-г) - диаграмма величины магнитного потока развертки поверхности

магнитопровода со временем его изменения вдоль образующей

цилиндрической поверхности корпуса насоса.

Рис.1. (Рис. 1 по источнику /3/ )

Насос содержит трубчатый корпус-магнитопровод 1, по концам которого выполнены резьбовые сгоны 2 и 3 для присоединения типовых штуцеров входа и выхода насоса в гидромагистраль , а на внутренней поверхности выполнены кольцевые пазы 4. В пазах 4 размещена трехфазная зигзагообразная обмотка 5 , закрытая щитками 6 , например, с помощью клинового крепления.

- 4 -

Лобовые участки 7 зигзагов обмотки 5 размещены в продольном , общем для всех зигзагов, пазу 8 на внутренней поверхности корпуса 1, от которого выполнены выводы 9 начал и концов каждой фазы А, В, С обмотки 5.

Электропитание насоса осуществляется с помощью типового блока электропитания, содержащего типовые преобразователь частоты и переключатель

фаз напряжения при необходимости регулирования производительности и направления гидропотока в магистрали.

II-2. Принцип действия и работы насоса :

При включении электропитания на трехфазную зигзагообразную обмотку 5 каждая ее фаза создает магнитный поток, величина которого может быть выражена :

(12-а)

(12-в)

(12-с)

В результате супрерпозиции этих фазных магнитных потоков вблизи внутренней поверхности корпуса насоса образуется общий магнитный поток величиной :

(12)

Таким образом, вдоль образующей цилиндрической поверхности внутри корпуса

Создается бегущая волна магнитного поля, амплитуда которой смещается с течением времени на величину : (13)

В результате в электропроводящей рабочей среде индуцируется асинхронный короткозамкнутый ток , который увлекается за бегущей волной магнитного поля вместе с рабочей средой, что и приводит к образованию гидропотока по каналу насоса в направлении порядка следования фаз напряжения на фазах обмотки 5 насоса.

Так как по каналу насоса предотвращаются помехи гидропотоку, а взаимодействие магнитного поля с рабочей средой предотвращает деформации корпуса и абразивное трение частиц рабочей среды по внутренней поверхности корпуса, то этими обстоятельствами и обеспечиваются высокая надежность работы насоса и длительные сроки его эксплуатации при низком

гидравлическом сопротивлении. При этом осуществляется возможность изменения направления гидропотока путем переключения порядка следования фаз напряжения на фазах обмотки с помощью коммутационной аппаратуры.

Так как электропроводность электролитов различается в широких пределах в зависимости от состава, концентрации, температуры рабочей среды и частоты тока, то необходимым требованием к блоку электропитания насоса является наличие преобразователя частоты, например, тиристорного типа и др.

По заявке № 5059437/06 автором получено решение Роспатента о выдаче патента на изобретение «Магнито-динамический электролитный насос».

- 5 -

III. Расчет параметров конструкции насоса.

III-1. Основные положения и исходные данные на проектирование опытно-

конструкторской модели насоса.

Как это следует из М П К данного изобретения /3/, разработка носит пионерский характер, что предъявляет особые требования к процессам

проектирования и конструирования данной опытно-конструкторской модели насоса.

Прежде всего, данное обстоятельство свидетельствует об отсутствии разработанных методик проектирования и конструирования , аналогичных изложенным в многочисленных курсах расчета, проектирования и конструирования электрических машин и аппаратов. Как это ясно из описания устройства работы насоса, изложенного выше, по существу физических процессов мы имеем дело с трансформатором, первичная обмотка которого выполнена трехфазной , а вторичная обмотка представляет собой рабочую электропроводящую среду, в которой индуцируются короткозамкнутые токи.

При отсутствии разработанных методик проектирования и расчетов в нашем распоряжении остается самый общий энергетический принцип, заключающийся в определении по теореме Ланжевена баланса активных и реактивных мощностей, как это описано в литературе, на которую придется ссылаться по ходу расчетов и проектирования.

Исходя из общего выражения величины энергии магнитного поля :

, (14)

где , (15)

если гн/м

В источнике /4/ дана таблица В-1 ( см.стр.9) линейных размеров трансформаторов в зависимости от их характеристик , а на основе энергетического подхода в источнике /5/ ( см.стр.238 и далее) мощность и основные размеры электромашин связаны между собой выражением (1447) на стр. 667 , частными следствиями которого с большой точностью на практике применяются расчетные формулы:

(16)

и (17)

где : S_m - площадь сечения магнитопровода в см² ,

P - потребляемая мощность в ВТ,

N₁ - число витков на 1 вольт напряжения обмотки,

или, как это широко используется в источнике /6/ , представляются в виде графиков для определения габаритных размеров машин по заданным мощностям ( см.рис. 6 –7 на стр. 164 и др.) в зависимости от используемых материалов.

- 6 -

Разумеется, выражение (6-131) для определения сопротивления обмотки по источнику /6/, выражения (6-1) и (6-2) с ссответствующими таблицами на стр.248 источника /7/ для определения индуктивностейц и т.п. общеизвестные

выражения могут здесь нами применяться без каких-либо ограничений, так как они позволяют получать искомые значения с большой точностью :

, (18)

, (19)

где - активное сопротивление проводника в Ом,

- удельное сопротивление проводникового материала в Ом.мм² / м,

- число витков обмотки,

- линейные размеры ит сечения соответствующих элементов.

Сводя в общую таблицу наиболее общие расчетные формулы , получим

следующий формуляр расчета проектируемой модели насоса:

- 7 -

Здесь опущены геометрические преобразования с использованием табличных значений, источники которых указаны непосредственно перед конкретным расчетом.

Так как все уазанные в формуляре расчетные выражения отражают зависимости линейного характера, не содержат сингулярностей и разрывов, то

данное обстоятельство позволяет принять за основу проектирование уменьшенной действующей физической модели насоса, которая при необходимости методом геометрического подобия может быть использована для обоснований расчета заданных показателей проектируемого насоса с учетом результатов экспериментальных измерений при работе физической модели насоса.

В соответствии с описанием устройства и работы проектируемого насоса в объем проектных расчетов не включены расчеты блока электропитания, который используется типовым по своему прямому назначению.

Исходные данные на проектирование насоса в соответствии с изложенными соображениями могут быть приняты следующие :

А. Рабочая среда насоса - насыщенный раствор поваренной соли , характеризующийся свойствами :

Концентрация - С = 26 % ( 100 % насыщения)

Плотность - _ж = 1,2 кг / л

Температура - Т = + 18 ^оС

Б. Рабочий режим - непрерывный в погружном положении.

В. Рабочие характеристики насоса в непрерывном режиме :

Производительность - Q = 1 л / сек

Напор на выходе - Н = 40 м

Общий к.п.д. - = 50 %

Коэффициент мощности - = 0,5

Напряжение фазное - U_ф = 220 в

Частота тока - f = 50 гц

Г. Непрерывный режим работы насоса в погружном положении предопределяет его принудительное охлаждение потоком рабочей среды, что исключает из проектных разработок тепловые расчеты и вентиляционные устройства , характерные для электрических машин.

Д. Погружное положение насоса предполагает с учетом его устройства и работы горизонтальное положение канала на станине с вертикальными штуцерами входа и выхода в гидромагистраль.

- 8 -

Е. Условия эксплуатации насоса предъявляют повышенные требования к коррозионной стойкости его металлических частей , что предопределяет необходимость соответствующей коррозионной защиты путем использования коррозионностойких полимеров.

Ж. Устройство и работа проектируемого насоса исключают в процессе его эксплуатации возникновения циркуляций потока и вибраций корпуса, что снижает соответствующие требования к механической прочности корпуса и жесткости его закрепления на станине.

III-2. Расчет параметров и конструктивных элементов модели насоса:

1) По рабочим характеристикам п. III-1-В ) вычислим механическую мощность насоса:

2) По заданному общему к.п.д. = 50 % определим потребляемую мощность:

3) Потребляемая мощность позволяет вычислить ток фазный :

3 а

4) Величина фазного тока позволяет теперь определить сечение медного провода фазной обмотки:

где i_пр = 5 - средняя предельно допустимая плотность тока по медному проводу. С учетом схемы обмоточного провода круглого сечения на рис.26-1 по источнику /8/ на стр.357 выбираем для обмотки провод марки ПЭВ d = 0,8 мм по ГОСТ 7262-78.

5) Сечение магнитопровода по формуле (5) расчета п.III-1 составляет:

С учетом равнозначности фазных полюсов принимаем для каждого :

6) Из расчетной формулы (6) формуляра п. III-1 находим число витков обмотки

на 1 вольт:

витка на 1 вольт.

7) По фазному напряжению U_ф = 220 в определяем минимум числа витков каждой фазы обмотки :

N_ф = 220 в х 2 витка = 440 витков

- 9 -

Для сокращения числа пазов корпуса насоса положим в пазу по 25 жил , тогда общее число пазов фазы обмотки составит:

Так как число пазов равно числу полюсов, которое может быть лишь целым числом , то принимаем ближайшее значение 18 пазов, что кончструктивно представляет собой 9 пар полюсов на одну фазу обмотки. Тогда общее число пазов трехфазной обмотки составит :

N_об = 3 N_ф = 3 х 18 = 54 паза

8) С учетом значений по пп 5) и 7) ширину полюса принимаем h_п = 5 мм.

Тогда из геометрических соображений можно определить кольцевой периметр полюса:

Это в свою очередь позволяет определить внутренний диаметр канала насоса:

9. Полагая ширину магнитопровода фазы не менее ширины полюса , получим для толщины стенки корпуса:

h _кор =3 h_пол = 15 мм

что приводит к возможности вычисления внешнего диаметра корпуса насоса :

D = d + 2 h _кор + 2 h_пол = 100 мм

10) Так как общее число пазов N_об = 54 паза , то при выполнении условия формулы изобретения , чтобы h_пол = h_паз , получаем общую длину магнитопровода :

l_кор = 54 ( h_пол + h_паз ) = 540 мм

С учетом торцевых частей корпуса принимаем общую длину насоса:

L_нас = 540 + 2 х 30 мм = 600 мм

11) Расчетная формула (9) из формуляра по п.III-1 позволяет теперь определить индуктивность одной пары полюсов обмотки, если принять во внимание значения:

l _k= 3 ( h_пол + h_паз ) = - длина сердечника между полюсами данной пары.

N_ф = 25 - число витков катушки, равное числу жил в пазу.

S_пол = 10 см² – площадь сечения сердечника катушки данной пары.

При этом, учитывая размеры магнитопровода по пп 9) и 10) , выберем по источнику /9/ ( стр.16, 27 и далее) для корпуса сталь марки Э310 ГОСТ 21427-78

ленточный прокат размерами 20 мм х 0,5 мм . Тогда:

что для всех 9 пар полюсов фазы составит индуктивность фазную

L_ф = L₁ х 9 0,2 гн

- 10 -

12) Для частоты промышленного тока f = 50 гц индуктивность фазы L_ф=О,2гн

определяет величину индуктивного сопротивления фазной обмотки по расчетной формуле (9) формуляра п. III-1 :

13) По результатам вычислений по пп 7) и 8) определим величину активного сопротивления фазы обмотки из медного провода по расчетной формуле :

С учетом значения индуктивного сопротивления фазной обмотки по п.12)

это позволяет вычислить полное сопротивление фазной обмотки:

Сводя результаты вычислений , получим формуляр расчетных величин проектируемой модели насоса:

Результаты по пп 1) – 13) характеризуют лишь первичную цепь , поэтому не позволяют определить коэффициент мощности до экспериментальных измерений по определению проводимости рабочей среды, являющуюся вторичной цепью,

и зависящей от часты тока, как это отмечается в литературе /10/ и др.

IV. Особенности конструктивного исполнения модели насоса:

IV-1. Общий вид насоса в сборе представлен на рис.2.

По выполнению требований условий эксплуатации ( п. III-1-Е ) в качестве коррозионностойкого материала для неметаллических частей и деталей насоса выбираем по источнику /11/ , стр.272 фторопласт соответчствующих марок.

- 11 -

Рис.2 (Рис.2. по источнику /3/)

IV-2. Корпус насоса представлен на рис.3.

Корпус насоса состоит из двух полуциллиндрических частей с губками , снабженных отверстиями под болтовые соединения. Нижняя полуциллиндрическая часть корпуса выполнена с лапами для крепления на фундаменте с помощью болтов. Внутренняя поверхность полуциллиндрических частей корпуса имеет угловые пазы в торцевых частях для крепления шихтовки магнитопровода , а снаружи торцы корпуса имеют резьбу для присоединения штуцеров насоса.

С одной стороны корпуса губки выполнены короче длины цилиндра, а на их месте выполнены окна под колодки коллектора обмотки.

IV-3. Магнитопровод насоса представлен на рис.4 и рис.5.

Магнитопровод выполнен шихтовкой пластин клиновидного сечения из трансформаторной стали Э310, имеющих угловые выступы по торцам. Продольный паз магнитопровода для лобовых частей обмотки образован промежуточными ,торцевыми и выводными пластинами , отличающимися от полюсных отсутствием зубцов полюсов. Снаружи магитопровода на его

- 12 -

поверхности вблизи выводных отверстий обмотки выполнены канавки прямоугольного периметра под фиксатор выводов обмотки

- 13 -

Рис.4 Магнитопровод индуктора насоса .

( Рис.3 по источнику /3/ )

IV-4. Обмотка насоса представлена на рис.6.

Обмотка выполнена трехфазной зигзагообразной на цилиндрической внешней поверхности рабочей камеры с помощью упоров на упорной пластине в продольном пазу цилиндрической рабочей камеры. Витки обмотки входят в пазы магнитопровода при обхвате им снаружи и стяжки корпуса болтовыми соединениями в губках корпуса.

• 14 -

Рис.5 Комплектующие детали индуктора и обмотки.

( Рис.4 по источнику /3/ )

Выводы обмотки через отверстия в магнитопроводе и фиксаторе выводов присоединяются с помощью пайки к клеммам колодки со сторон начала и конца каждой фазы. С помощью многожильного жгута по числу жил в обмотке фазы все витки каждой фазы соединяются между собой последовательно, образуя лишь один конец и одно начало фазы. Концы всех фаз соединятся между собой и их место соединения изолируется с помощью трубки ПХВ или изоленты , а начала всех тех фаз через отверстия в колодке выводятся к штепсельному разъему электрокабеля от блока питания. ( на чертежах не показаны

как типовые.)

- 15 -

Рис.6 Обмотка индуктора. ( Рис.5 по источнику /3/ )

Соединительные многожильные фазные жгуты уложены вдоль губок корпуса между колоджками и закрыты крышкой, закрепленной к колодкам винтами.

IV-5. На рис.7 и рис.8 представлены рабочая камера и коллектор обмотки насоса.

В сборе коллекторное устройство представляет собой закрытую , защищенную от агрессивной среды систему неподвижных электроизолированных соединений обмотки индуктора насоса.

- 16 -

Рис.7 Рабочая камера насоса

( Рис.6 по источнику /3/ )

Рис.8 Коллектор обмотки индуктора.

( Рис.7 по источнику /3/ )

- 17 -

После отбортовки торцов рабочей камеры и уплотнения резиновыми прокладками штуцеров с помощью резьбовых соединений закрепляют индуктор насоса, обеспечивая герметичность насоса .

Присоединение штуцеров в гидромагистраль осуществляется эластичными шлангами с закреплением их хомутами ( на чертежах не показаны, как применяемые по своему прямому назначению).

При включении насоса к блоку электропитания могут быть использованы типовые емкостные компенсаторы реактивной мощности ( на чертежах не показаны ).

Литература:

1.Вертинский П.А. I.Магнитодинамика.г.Усолье-Сибирское, 1993 г.,222 с.

2.Вертинский П.А. Оптимизация электромеханических систем методами магнитодинамики //Сб.мат.V н.-пр. конф.»Сибресурс-2002»,ИГЭА,Иркутск,2002.

3.Вертинский П.А. Введение в магнитодинамику, ИрГТУ,Иркутск,1997г.,144с.

4.Васютинский С.Б.Вопросы теории и расчета трансформаторов,Л.»Энергия»1970.

5.Шуйский В.П. Расчет электрических машин. Пер.с нем. Л.»Энергия»,1968 .

6.Копылов И.П. и др.Проектирование электрических машин. М.,»Энергия»,1980.

7.Калантаров П.Л. и др. Расчет индуктивностей .Л.»Энергоатомиздат»,1986.

8.Белоруссов Н.И. и др.Электрические кабели,провода и шнуры.Справочник.

М.,»Энергия»,1979.

9.Никитский В.З. Трансформаторы малой мощности.М.,»Энергия»,1976 .

10.Графов Б.М. и др.Электрохимические цепи переменного тока.М.,»Наука»,1973.

11.Лащинский А.А. и др. Основы конструирования и расчета химической

аппаратуры.Справочник.,Л.»Машиностроение»,1970.

Библиографическая ссылка

Вертинский Павел Алексеевич-один автор ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЁТ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОЛИТНОГО НАСОСА // Научный электронный архив.
URL: http://econf.rae.ru/article/5071 (дата обращения: 24.11.2024).

Получить сертификат

Форма заказа сертификата

Ф.И.О.
Почтовый адрес
Телефон
Авторы
Название работы
E-mail