CN102480173B - 屏蔽电动机抑制屏蔽套涡流方法和装置 - Google Patents

Abstract

屏蔽电动机抑制屏蔽套涡流方法和装置，该方法的特点是：通过在屏蔽电动机中的屏蔽套形成大小相等方向相反涡流感应电势的相互抵消，实现抑制屏蔽套涡流和涡流损耗；该装置的特点是：整个屏蔽电动机由两个轴向排列的定子和两个同轴装配的转子构成，两个定子和两个转子在结构形式和尺寸参数上相同，两个定子绕组在周向空间上相差一个极距，两个定子共用一个定子屏蔽套，两个转子共用一个转子屏蔽套。本发明可以最大限度地抵消涡流感应电势，从根源上抑制涡流电流和涡流损耗，可以提高屏蔽电动机效率，实现降耗节能的目的，而且涡流损耗降低有利于降低温升，可以减小屏蔽套温度变形，提高屏蔽泵运行的可靠性、稳定性和安全性。

Description

屏蔽电动机抑制屏蔽套涡流方法和装置

技术领域

本发明涉及一种特种电动机的设计技术，特别是涉及一种屏蔽电动机抑制屏蔽套涡流方法和装置，属于动力工程中的密封传动技术和特种电动机技术领域。其主要应用于要求无动密封和无泄漏的全密封装置的电气驱动，可广泛用于屏蔽电泵、磁力泵、磁力搅拌反应釜、磁力阀门、真空磁力驱动设备、磁力驱动检测仪表以及其它磁力传动系统。

背景技术

目前，主要应用于核电、军工、石油、化工、制冷、医药、食品行业和生物工程等领域的屏蔽电泵和磁力密封阀门等，都需要采用全密措施对腐蚀性、剧毒性、放射性、易燃易爆、易挥发和高温或贵重液体加以屏蔽。由屏蔽电动机和泵组合一体的无泄露屏蔽电泵是全密封磁力传动的典型设备，屏蔽电动机结构包括定子及定子屏蔽套、转子及转子屏蔽套、出线盒、叶轮、泵体、机壳、端盖、推力盘、转轴、前后轴承室及其内部的轴承和轴承套等部件，由于没有动密封，实现了传输物质完全不外泄。屏蔽电动机的定、转子屏蔽套大多是由耐高压、耐腐蚀、高强度、良导热的金属材料制成的；屏蔽电动机的旋转磁场会在定转子屏蔽套内产生涡流感应电势，形成涡电流造成屏蔽套涡流功耗，所以屏蔽电动机效率要比同功率同极数的普通电动机低很多。同时，屏蔽套涡流损耗会把电能转化为热量，影响屏蔽电动机的温升，特别是屏蔽套发热会造成屏蔽套变形，严重时屏蔽套会发生破裂导致泄漏、伤害、爆炸等安全事故。因此，消除和抑制屏蔽套涡流意义重大，且有工程实用价值，是当前屏蔽电动机产品升级换代的关键技术难题。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述不足，提出了一种从消除屏蔽套中涡流感应电势来抑制屏蔽套涡流的方法及其实用装置屏蔽电动机。

本发明给出的技术解决方案是：这种屏蔽电动机抑制屏蔽套涡流方法，其特点是：通过在屏蔽电动机中的屏蔽套形成大小相等方向相反涡流感应电势的相互抵消，实现抑制屏蔽套涡流和涡流损耗。

本发明给出的这种屏蔽电动机的结构特征是；整个屏蔽电动机由两个轴向排列的定子和两个同轴装配的转子构成，两个定子和两个转子在结构形式和尺寸参数上相同，两个定子绕组在周向空间上相差一个极距，两个定子共用一个定子屏蔽套，两个转子共用一个转子屏蔽套。

为了增强上述方案的合理性，本发明还包括以下附加技术特征：

所述的屏蔽电机拥有两个轴向排列的定子，使得定子绕组通入电流会在电动机内产生两个旋转磁场。

所述的屏蔽电机拥有两个同轴装配的转子，使得两个转子产生的电磁转矩可以叠加合成为总转矩。

所述的屏蔽电机的两个定子绕组在周向空间上相差一个极距亦即180°电角度，且两套定子和转子在结构形式和尺寸参数上一样，使得电动机内两个旋转磁场在屏蔽套内产生的涡流感应电势大小相等而方向相反，以相互抵消。

所述的屏蔽电机两个定子共用一个定子屏蔽套，为电动机内两个旋转磁场在定子屏蔽套内产生的涡流感应电势的相互抵消提供路径。

所述的屏蔽电机两个转子共用一个定子屏蔽套，为电动机内两个旋转磁场在转子屏蔽套内产生的涡流感应电势的相互抵消提供路径。

所述的屏蔽电机两个定子绕组接入相同大小、相同频率和相同相序的交流电源，使得电动机内两个旋转磁场强度相等、转速相同、转向一致，且磁场极性在旋转过程中相差一个极距，两个转子上的电磁转矩大小相等、方向相同，联合实现机电能量转换。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：屏蔽电动机由两个轴向定子和两个同轴装配的转子构成，特别适合屏蔽泵细而长的结构特点，两个定子各相绕组在周向空间上相差一个极距安置，使涡流感应电势方向相反起到相互抵消的作用，结构工艺简单易行；屏蔽电机两套定子和转子在结构形式和尺寸参数上一样，使电动机内两个旋转磁场在屏蔽套内产生的涡流感应电势在数量上大小相等，确保涡流感应电势抵消的程度和效果。

本发明从消除屏蔽套中涡流感应电势的角度出发来抑制屏蔽套涡流的方法，与现有技术中普遍采用的选择高电阻率屏蔽套材料通过增加涡流路径电阻来抑制涡流的方法相比，有思路和本质上的区别，体现了本发明的新颖性和创造性。

本发明的屏蔽电动机，可以最大限度地抵消涡流感应电势，从而抑制涡流电流和涡流损耗，可以提高屏蔽电动机效率，实现降耗节能的目的。涡流损耗降低有利于降低温升，特别是可以减小屏蔽套温度变形，确保屏蔽泵运行的可靠性、稳定性和安全性。

附图说明

图1为采用本发明技术的实施例屏蔽泵电动机结构示意图

图2为本发明实施例屏蔽电动机内两个旋转磁场的空间分布

图3为本发明实施例屏蔽电动机屏蔽套内涡流电势和涡流路径

图中标号：1泵体，2轴承，3壳体，4a、3b定子绕组，5a、5b定子铁心，6定子屏蔽套，7a、7b转子铁心，8a、8b转子绕组，9转子屏蔽套，10接线盒，11转子屏蔽端板，12推力盘，13转轴，14端盖，15机座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体技术方案做进一步说明：

本发明的一个实施例为一种屏蔽泵电动机，如图1所示，主要由泵体1、轴承2、壳体3、定子绕组4a和4b、定子铁心5a和5b、定子屏蔽套6、转子铁心7a和7b、转子绕组8a和8b、转子屏蔽套9、接线盒10、转子屏蔽端板11、推力盘12、转轴13、端盖14和机座15构成。

定子绕组4a和4b在结构形式、导线材质、导线规格、成形尺寸和联结方式上相同，定子绕组4a和4b对应相绕组沿圆周方向错开一个极距τ＝πD_i1/(2p)，即定子绕组4a的轴线与定子绕组4b对应相绕组的轴线错开180°电角度即π电弧度，定子绕组4a和4b建立旋转磁场的空间分布曲线B_δ＝f(α)如图2所示，其中α为气隙内圆周角度(单位：电角度或电弧度)；定子铁心5a和5b在内外径尺寸、铁心材质、槽型数量、槽形尺寸和铁心长度上相同，采用0.35-0.5mm厚硅钢片冲槽后叠压制成；定子绕组4a和4b采用漆包线绕制成，并在嵌入定子铁心5a和5b槽内后进行浸漆绝缘处理。两个定子共用的定子屏蔽套6采用0.2-1.0mm厚的非磁性1Cr18Ni9Ti不锈钢板、sus316L或非磁性、高电阻、高强度Hastelloy-C(哈氏-C)合金钢板焊接成形，定子屏蔽套6压入定子铁心5a和5b内圆后两端与机壳3及端盖14配接密封。

转子绕组8a和8b在结构形式、导线材质、导线规格、成形尺寸和联结方式上相同，转子绕组8a和8b通过在转子铁心7a和7b上冲制的转子槽中置入导电材料并经形成回路来构成，转子绕组8a和8b可为铸铝结构或绕线式结构；转子铁心7a和7b在内外径尺寸、铁心材质、槽型数量、槽形尺寸和铁心长度上相同，采用0.35-0.5mm厚硅钢片冲槽后叠压制成。两个转子共用的转子屏蔽套9采用0.2-1.0mm厚非磁性1Cr18Ni9Ti不锈钢板、sus316L或非磁性、高电阻、高强度Hastelloy-C(哈氏-C)合金钢板焊接成形，转子屏蔽套9压入转子铁心7a和7b外圆后两端与不锈钢转子屏蔽端板11焊接密封。转轴13采用1Cr18Ni9Ti或1Cr17Ni2材质的圆钢经车磨加工成。

一台输出功率一定的屏蔽电动机可由两个定子和两个同轴装配的转子构成，电动机的功率与电机主要尺寸即定子内径和铁心长度、电磁负荷及转速等量之间的关系可由主要尺寸方程式(1)表示：

式中，D_i1为定子内径(m)

l_ef为铁心有效长度(m)

α′_p为计算极弧系数

K_wn为磁场波形系数，对于正弦波分布的磁场波形，K_wn＝1.11

K_dp为定子绕组系数

A为线电流负荷(A/m)

B_δ为气隙磁密幅值(T)

n₁为同步转速(r/min)，即绕组通电后产生旋转磁场的速度，n₁＝60f₁/p

p为电动机极对数

f₁为供电电源的频率(Hz)

η_N为额定效率

为额定功率因数

式(1)可改写成式(2)的形式：

或写成式(3)的形式：

就是说，输出功率P_N可以由输出功率为P_N/2的两台电动机共同提供，这样两台电动机的一种结构方案是，两台电动机的有效铁心长度是输出功率为P_N的电动机有效铁心长度的一半即l_ef/2，电动机的定子沿轴向排列安装在内径同为D_i1的同一机壳内，两台电动机的转子由同一转轴串联在一起，而且其它尺寸和参数均相同；这样，两台电动机具有相同的D_i1、α′_p、K_wn、K_dp、A、B_δ、n₁、p、η_N和

每台电动机的输出功率为P_N/2，联合输出功率为P_N。

屏蔽电动机内旋转磁场在屏蔽套内产生涡电流的根源是涡流感应电势作用在涡流路径上的结果，进而产生涡流损耗，涡流损耗p_w的一般公式可表示为式(4)：

$p_w=I_w^2{R}_w=\frac{U_w^2}{R_w}---\left(4\right)$

式中，I_w为涡电流(A)

U_w为涡流感应电势(V)

R_w为涡流流经路径的等效电阻(Ω)，按欧姆定律

ρ为屏蔽套材料的电阻率(Ω·mm²/m)

l_w为屏蔽套涡流路径长度(m)

s_w为屏蔽套涡流路径截面积(mm²)，与屏蔽套直径及厚度有关

现有技术中抑制屏蔽套涡流的方法是选择电阻率较高的高强度耐腐蚀材料例如哈氏合金制作屏蔽套，即通过增加屏蔽套涡流路径电阻来抑制涡流的办法。从式(4)看见，涡流损耗与涡流感应电势的平方成正比，若能减小涡流感应电势，涡流损耗的降幅会更大，效果会更好，这正是本发明的出发点。

根据电磁感应定律可知，涡流感应电势U_w的大小与气隙磁密B_δ(因非磁性屏蔽套置于电磁气隙中)、旋转磁场对屏蔽套的切割速度v以及被磁场切割部分屏蔽套的长度l_q成正比，可由式(5)表示为：

U_w＝B_δl_qv    (5)

式中，B_δ为气隙磁密幅值(T)

l_q为被旋转磁场切割部分屏蔽套的长度(m)

v为旋转磁场对屏蔽套的切割速度(m/s)，

对于定子屏蔽套v＝2rn₁π/60，对于转子屏蔽套v＝2rsn₁π/60

s为转子转差率

r为屏蔽套平均半径(定转子屏蔽套的平均半径略有差别)

根据电磁感应定律还可知道，涡流感应电势的方向与旋转磁场穿过屏蔽套的方向以及切割磁场的方向有关，三个方向遵循右手定则。本发明实施例屏蔽泵中两个电动机的所有结构形式和尺寸参数都是一样的，那么两个旋转磁场会在屏蔽套内产生大小相等的涡流感应电势；同时，两个电动机定子绕组沿着圆周方向错开一个极距τ＝πD_i1/(2p)，使得两个旋转磁场的极性沿圆周方向始终错开180°电角度即π电弧度，如图2所示；这样，使得两个旋转磁场在一个极下位置的屏蔽套内产生的两部分涡流感应电势的方向相反，如图3所示，是屏蔽套沿圆周方向展开后涡流感应电势情况，图中虚线为等效涡流流动的路径，z为轴向，α为圆周方向。

在一个极下受两个旋转磁场切割在屏蔽套内产生两个涡流感应电势U_wa和U_wb分别由式(6)表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{wa}}=B_{\mathrm{\δ}}{l}_{q}v\\ U_{\mathrm{wb}}=-B_{\mathrm{\δ}}{l}_{q}v\end{array}\right.---\left(6\right)$

本发明实施例中，一个极下屏蔽套内轴向合成后总的涡流感应电势U_w用式(7)表示为：

U_w＝U_wa+U_wb＝B_δl_qv-B_δl_qv＝0        (7)

同理，在另一个极下屏蔽套内产生两个涡流感应电势U_wa和U_wb分别由式(8)表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{wa}}=B_{\mathrm{\δ}}{l}_{q}v\\ U_{\mathrm{wb}}=-B_{\mathrm{\δ}}{l}_{q}v\end{array}\right.----\left(8\right)$

则在该极下屏蔽套内轴向合成后总的涡流感应电势U_w用式(9)表示为：

U_w＝U_wa+U_wb＝-B_δl_qv+B_δl_qv＝0       (9)

相应的涡流损耗由式(10)表示为：

$p_w=\frac{U_w^2}{R_w}=0---\left(10\right)$

关系式(6)、(7)、(8)、(9)和(10)既适用于定子屏蔽套6也适用于转子屏蔽套9，对于定子屏蔽套v＝2rn₁π/60，对于转子屏蔽套v＝2rsn₁π/60。

Claims (5)

1.一种屏蔽电动机，其特征在于整个屏蔽电动机由两个轴向排列的定子和两个同轴装配的转子构成，两个定子和两个转子在结构形式和尺寸参数上相同，两个定子绕组在周向空间上相差一个极距，两个定子共用一个定子屏蔽套，两个转子共用一个转子屏蔽套。

2.根据权利要求1所述屏蔽电动机，其特征在于所述两个定子绕组在周向空间上相差一个极距亦即180°电角度，且两套定子和转子在结构形式和尺寸参数上一样，使得电动机内两个旋转磁场在屏蔽套内产生的涡流感应电势大小相等而方向相反，以相互抵消。

3.根据权利要求1所述屏蔽电动机，其特征在于所述两个定子共用一个定子屏蔽套，使得电动机内两个旋转磁场在定子屏蔽套内产生的涡流感应电势有相互抵消的路径。

4.根据权利要求1所述屏蔽电动机，其特征在于所述两个转子共用一个转子屏蔽套，使得电动机内两个旋转磁场在转子屏蔽套内产生的涡流感应电势有相互抵消的路径。

5.根据权利要求1所述屏蔽电动机，其特征在于所述两个定子绕组接入相同大小、相同频率和相同相序的交流电源，使得电动机内两个旋转磁场强度相等、转速相同、转向一致，两个磁场的极性在旋转运行过程中空间相位相差一个极距即180°电角度，两个转子上的电磁转矩大小相等、方向相同，电磁转矩叠加以联合实现机电能量转换。

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