Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

УСИЛИЕ ТЯЖЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ МЕЖДУ СТАТОРОМ И ВТОРИЧНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ

Мирзин А.М. 1 Коротаев А.Д. 1 Шутемов С.В. 1
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ)»
В статье рассмотрена методика расчета усилия тяжения, необходимого для определения трения вторичного элемента об статор. Рабочим усилием цилиндрического линейного вентильного двигателя является осевое усилие, которое создает возвратно-поступательное движение безштангового насоса, находящегося в скважине. Усилие тяжения возникает из-за смещения вторичного элемента цилиндрического линейного вентильного двигателя относительно оси статора. При этом зазор между статором и ротором будет неравномерным. Решена задача по распределению поля по длине неравномерного зазора. В работе дан расчет усилия тяжения в случае, когда вторичный элемент лежит на поверхности статора. В результате расчетов выяснилось, что усилие тяжения значительно и его необходимо учитывать для определения сил трения. На основе данного анализа был сделан вывод о необходимости использования немагнитных центраторов, расположенных определенным образом, для снижения сил трения.
магнитная цепь.
усилие тяжения
статор
ротор
магнитный зазор
постоянные магниты
цилиндрический линейный вентильный двигатель
1. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. – М.: Высшая школа, 1990. – 416 с.
2. Зечихин Б.С., Журавлев С.В., Ситин Д.А. Расчетные коэффициенты синхронных машин с редкоземельными магнитами // Электричество. – 2009. – № 3.
3. Киселев В.В., Харлан Г.Д., Чохели М.А., Яковенко В.А. Технология сборки ротора вентильного двигателя с высококоэрцитивными магнитами // Электротехника. – 1990. – № 8.
4. Ключников А.Т., Коротаев. А.Д., Шутемов С. В. Моделирование цилиндрического линейного вентильного двигателя // Электротехника. – 2013. – № 11.
5. Овчинников И.Е., Адволоткин Н.П. Закономерности проектирования вентильных двигателей с постоянными магнитами для станков с чпу и других механизмов // Электротехника. – 1988. – № 7.
6. Шимчак И.В. Инновационные конструкции магнитных систем синхронных машин с постоянными магнитами // Электричество. – 2009. – № 9.

ЦЛВД [4] используется для привода безштангового насоса для добычи нефти из скважин. В настоящее время такие двигатели в России не производятся. Сборка и работа цилиндрического линейного вентильного двигателя осложнена усилием тяжения, возникающим из-за смещения вторичного элемента относительно оси статора.

Продольный разрез статора и вторичного элемента показан на рис. 1. На индукторе имеются зубцы и пазы, в которых находятся цилиндрические катушки статора. Полюсное деление τ = 30, а зубцовое деление tz = 10. Катушки соединяются последовательно на протяжении длины индуктора и образуют трехфазную обмотку, которая питается от преобразователя частоты (ПЧ), находящегося вблизи устья скважины на поверхности. Обмотка цилиндрического индуктора создает бегущее магнитное поле, скорость движения которого и направление изменяются с помощью ПЧ. ЦЛВД получает питание от ПЧ с помощью длинного кабеля, находящегося в скважине, длина которого равна глубине опускания двигателя.

Рис. 1. Продольный разрез статора и ротора

Ротор (вторичный элемент) имеет симметричное положение, т.е. горизонтальная ось проходит по середине штока, а зазор между статором и ротором составляет 1,5 мм по всей длине. В этом случае результирующее усилие тяжения между статором и ротором равно нулю. Концы штока ротора выступают за пределы цилиндрического индуктора с обеих сторон и закрепляются в подшипниках скольжения. В случае износа подшипников зазор между статором и ротором может быть неравномерным, что приводит к появлению усилия тяжения к одной из поверхностей статора. Шток ротора изгибается, и этот факт приводит к еще большему изменению рабочего зазора. Неравномерность рабочего зазора приводит к появлению радиальных усилий притяжения ротора к индуктору, в результате чего зазор, с одной стороны, будет равен нулю, а с противоположной – будет максимальным (рис. 2).

Рис. 2. Определение величины зазора δв поперечном сечении ЦЛВД

В этом случае силы трения между индуктором и вторичным элементом значительно увеличатся, что приведет к уменьшению силы на выходе штока и возникнет дополнительный износ поверхностей индуктора и вторичного элемента.

Усилие тяжения приводит к значительным трудностям при сборке ЦЛВД [3], когда вторичный элемент вставляется в статор. При одностороннем тяжении вторичный элемент становится на перекос и притягивается к индуктору, при этом возникают большие тормозные силы, которые с трудом приходиться преодолевать. Значительного ослабления силы трения можно добиться с помощью специальных немагнитных центраторов, которые устанавливаются на вторичном элементе на определенном расстоянии друг от друга. Диаметр центратора выбирается из условия Dц <Dс и Dр <Dц , чтобы при сборке зазор между статором и ротором ограничивался центратором.

На рис. 2 показано сечение ЦЛВД в поперечном направлении, когда ротор полностью притянут к статору и зазор δmin=0, а зазор δmах=3мм, т.е. ротор лежит на поверхности статора. Радиус статора Rc=56, а ротора Rp=53, при этом центры радиусов О1 и О2 будут сдвинуты на С=1,5мм по оси Y. Зазор δ в зависимости от угла n будет определяться из треугольника О1, О2, Dр , стороны которых обозначены Rp=b, a, с, и углы α,β,γ.

Согласно теоремы синусов имеем

(1)

где β = 1800 – n

из (1) имеем

(2)

α = 1800 – γ–β(3)

(4)

a = sinα*k(5)

Из геометрии согласно рис. 2 получаем зазор между статором и ротором в зависимости от угла n.

δ = Rc–a (6)

На рис. 3 показаны секторы, на которые разбит диаметр статора, всего 12 секторов. Угол n отсчитывается от оси Y и разбивается на 6 значений: 00, 300, 600, 900, 1500, 1800, которые определяют сектора разбивки статора. На протяжении дуги сектора считаем зазор неизменным. Эти зазоры рассчитываются по формулам (1–6), для каждой разбивки и показаны на диаметре статора.

Рис. 3. Разбивка диаметра статора на сектора

Магнитные индукции в зазоре каждого сектора разбивки также считаются неизменными. Относительная магнитная проницаемость статора и ротора принимается равной бесконечности.

Согласно [2,5] кривая размагничивания современных коэрцитивных магнитов с большой зоной линейного участка, расположенной во втором квадранте кривой размагничивания, может быть для практических расчетов заменена прямой вплоть до пересечения с осью Н. Значение Н0 дается в справочнике, и прямая проводится по двум точкам Н0 и Вr.

Упрощения, достаточный для практических рекомендаций расчет можно вести в соответствии с эквивалентной схемой цепи, изображенной на рис. 4, в котором FM – МДС магнита

FM = H0*L0(7)

(8)

LM – длина магнита по направлению его намагничивания,

QM – поперечное сечение,

Br – остаточная индукция магнита.

Рис. 4. Эквивалентная схема замещения магнитной цепи

(9),

где Rδc – магнитное сопротивление воздушного зазора на половине полюса

(10)

Расчет магнитного потока и магнитной индукции в каждой секции определяется на основании схемы замещения, показанной на рис. 4.
(11)

Магнитная индукция в зазоре каждого сектора

(12)

Как показывает практика расчета магнитных систем с постоянными магнитами, магнит ведет себя как источник потока, аналогично источнику тока. Это связано с тем, что его внутреннее сопротивление значительно больше всех магнитных сопротивлений магнитной цепи. В этом случае влияние зазора на тяговое усилие не столь значительно по сравнению с другими типами двигателей. В связи с этим принимаем допущение, что расчет магнитной индукции производится при условии равномерного зазора по длине окружности, равной зазору расчетной секции, и ведется по формулам (7-12). В результате расчетов получаем величину силы тяжения, необходимой для расчета трения ротора об статор. Выяснилось, что усилие тяжения значительно и его необходимо учитывать для определения сил трения. На основе данного анализа был сделан вывод о необходимости использования немагнитных центраторов, расположенных определенным образом, для снижения сил трения.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «ПНИПУ» при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор № 02.G25.31.0068 от 23.05.2013 г. в составе мероприятия по реализации постановления Правительства РФ № 218).

Рецензенты:

Шевелев Н.А., д.т.н., профессор, проректор по учебной работе, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), г. Пермь.

Щицин Ю.Д., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Сварочное производство и технология конструкционных материалов», Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), г. Пермь.


Библиографическая ссылка

Мирзин А.М., Коротаев А.Д., Шутемов С.В. УСИЛИЕ ТЯЖЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ МЕЖДУ СТАТОРОМ И ВТОРИЧНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=11637 (дата обращения: 24.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252