RU2417505C1

RU2417505C1 - Electric motor of mining mill of direct drive system

Info

Publication number: RU2417505C1
Application number: RU2010116296/07A
Authority: RU
Inventors: Фарит Файзович Уразов (RU); Фарит Файзович Уразов; Антон Николаевич Захаренков (RU); Антон Николаевич Захаренков; Николай Сергеевич Нещеретный (RU); Николай Сергеевич Нещеретный
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-04-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: electric motor has a circular segmented stator core, laminated from sheets of electric steel, in a stand, with three-phase winding laid into core slots, inside which there is a rotor installed in the form of the mill body, outside of which in grooves there are permanent magnets arranged from alloy Nd-Fe-B (neodymium - iron - boron), and between them there are electroconductive rods of short-circuited winding, and steel armoured boards laid in shock absorbers are fixed inside to the body with screws.

EFFECT: reduced material intensity of electric motor manufacturing, higher efficiency of energy transformation and reduction of operating costs.

3 dwg

Description

Изобретение относится к электродвигателям особого типа, использующим электромагнитную индукцию с магнитоэлектрическим возбуждением.The invention relates to a special type of electric motors using electromagnetic induction with magnetoelectric excitation.

Известны мельницы горнорудного оборудования, предназначенные для помола различной руды, например, такие как шаровые трубные (Фридкин П.A. «Безредукторный дугостаторный электропривод». - М.: Энергия, 1970 г., стр.138).Known mills for mining equipment designed for grinding various ore, for example, such as ball pipes (Fridkin P.A. “Gearless arc-driven electric drive.” - M.: Energy, 1970, p. 138).

Отличительной особенностью электроприводов таких мельниц является необходимость разновременного осуществления двух низких скоростей вращения - рабочей (15-22) об/мин и монтажной (1,5-2,2) об/мин. В широко эксплуатируемых устройствах такая задача решается применением двух двигателей - рабочего (обычно высоковольтного) и вспомогательного (обычно низковольтного), каждый из которых передает энергию крупной высокопроизводительной мельнице при вращении через механические зубчатые редукторы обычные или планетарные.A distinctive feature of the electric drives of such mills is the need for the simultaneous implementation of two low speeds of rotation - working (15-22) rpm and mounting (1.5-2.2) rpm. In widely operated devices, this problem is solved by the use of two engines - a working (usually high-voltage) and auxiliary (usually low-voltage) engines, each of which transfers energy to a large high-performance mill when rotating through ordinary or planetary gear mechanical gears.

Недостатками такой реализации являются высокие материалоемкость, стоимость, потери энергии, эксплуатационные расходы из-за использования редукторов.The disadvantages of this implementation are the high material consumption, cost, energy loss, operating costs due to the use of gearboxes.

Известна электрическая машина по патенту США №4803387, кл. Н02К 41/06. Машина содержит статор, выполненный из множества электромагнитов, имеющих обмотки возбуждения и U-образные магнитопроводы с явновыраженными полюсами, заканчивающимися поверхностями дугообразной формы, и вторичный элемент, или ротор, выполненный в виде бесконечного кинематически гибкого звена, состоящего из отдельных жестких элементов из немагнитного материала, шарнирно соединенных между собой с помощью двух пальцев, одни концы которых вставлены в проушины жестких элементов, а другие выступают с двух сторон элемента и могут входить в углубления двух колес с целью осуществления зацепления с ними.Known electric machine according to US patent No. 4803387, CL. Н02К 41/06. The machine contains a stator made of many electromagnets having excitation windings and U-shaped magnetic circuits with distinct poles ending in arched surfaces, and a secondary element or rotor made in the form of an infinite kinematically flexible link consisting of separate rigid elements made of non-magnetic material, pivotally interconnected with two fingers, some ends of which are inserted into the eyes of rigid elements, while others protrude from both sides of the element and can enter glubleniya two wheels for the purpose of engaging with them.

Такая машина имеет следующие недостатки: сложность и ненадежность узла механической передачи с гибким звеном и колесами; необходимость питания от сложного специального преобразователя, а не от промышленной сети; высокий удельный расход активной стали машины из-за неодинаковости длин магнитопроводов статора и ротора.Such a machine has the following disadvantages: the complexity and unreliability of the mechanical transmission unit with a flexible link and wheels; the need for power from a complex special converter, and not from an industrial network; high specific consumption of active steel of the machine due to the uneven length of the stator and rotor magnetic circuits.

Известна электрическая машина по патенту РФ №2074491 от 27.02.1997 г., при которой в трехфазном асинхронном короткозамкнутом двигателе ротор выполнен в виде гибкого кинематического звена, например приводной цепи, включающей электромагнитные элементы, соединенные с пластинами цепи и содержащие проводники, перемычки и магнитопровод. Статор содержит обмотку и магнитопровод, состоящий из отдельных прямолинейных участков, плавно переходящих один в другой. Электромагнитные элементы выполнены в виде проводников, окруженных магнитопроводом, концы которых соединены перемычками.A known electric machine according to the patent of the Russian Federation No. 2074491 of 02.27.1997, in which the rotor in a three-phase asynchronous squirrel-cage motor is made in the form of a flexible kinematic link, for example, a drive circuit comprising electromagnetic elements connected to circuit plates and containing conductors, jumpers and a magnetic circuit. The stator contains a winding and a magnetic circuit, consisting of separate rectilinear sections, smoothly passing one into another. The electromagnetic elements are made in the form of conductors surrounded by a magnetic circuit, the ends of which are connected by jumpers.

Для такой машины, предназначенной к использованию в электроприводе с пониженной скоростью вращения, вполне очевидна техническая сложность конструкции для практической реализации и ненадежность отдельных элементов, например, таких как приводная цепь с пластинами.For such a machine, intended for use in an electric drive with a reduced speed of rotation, the technical complexity of the design for practical implementation and the unreliability of individual elements, for example, such as a drive chain with plates, are quite obvious.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому (при условии исключения зубчатых колеса и подвенцовой шестерни) являются дугостаторные машины (Свечарник Д.В. Электрические машины непосредственного привода: Безредукторный электропривод. - М.: Энергоатомиздат, 1988 г., стр.131).The closest technical solution to the claimed one (provided that the gears and the pinion gear are excluded) are arc-guarding machines (D.V. Svecharnik. Direct-drive electric machines: Gearless electric drive. - M.: Energoatomizdat, 1988, p. 131).

Для дугостаторных синхронных электродвигателей с электромагнитным возбуждением характерным является наличие шихтованного сердечника статора, имеющего трехфазную обмотку барабанного типа, уложенную в его пазы, который охватывает только часть окружности.For arc-driven synchronous electric motors with electromagnetic excitation, the presence of a lined stator core having a three-phase drum-type winding laid in its grooves, which covers only part of the circle, is characteristic.

Основными недостатками такого решения являются появление существенных паразитных моментов, добавочных потерь, несимметрии фазных токов и низкая величина энергетической эффективности, характеризуемая произведением КПД - η на коэффициент мощности cos φ, примерно равная 0,2, что почти в 4 раза меньше, чем у машин с полностью кольцевыми сердечниками.The main disadvantages of this solution are the appearance of significant spurious moments, additional losses, asymmetry of phase currents and a low value of energy efficiency, characterized by the product of the efficiency - η by the power factor cos φ, which is approximately 0.2, which is almost 4 times less than for machines with completely ring cores.

Целью изобретения являются повышение эффективности преобразования энергии с сокращением эксплуатационных расходов.The aim of the invention is to increase the efficiency of energy conversion with reduced operating costs.

Поставленная цель достигается тем, что электродвигатель горнорудной мельницы системы прямого привода с шихтованным из листов электротехнической стали зубчатым сердечником статора имеет пазы с уложенной в них трехфазной обмоткой, питаемой напряжением промышленной частоты, и при этом сердечник, размещенный в станине, сегментирован в полную кольцевую форму, причем внутри на расстоянии воздушного зазора от него расположен ротор в виде корпуса мельницы, имеющей свои подшипники скольжения, а снаружи корпуса в углублениях размещены постоянные магниты из сплава ниодим-железо-бор, между которыми расположены проводящие стержни короткозамкнутой обмотки, а внутри корпуса по всей длине сердечника статора крепятся винтами стальные бронеплиты, уложенные в амортизаторы.This goal is achieved by the fact that the electric motor of a mining mill of a direct drive system with a toothed stator core lined from sheets of electrical steel has grooves laid in them with a three-phase winding fed by voltage of industrial frequency, and the core placed in the bed is segmented into a full ring shape, and inside, at a distance of the air gap from it, there is a rotor in the form of a mill body having its bearings, and outside the body in the recesses are placed constantly niobium-iron-boron alloy magnets, between which are located the conductive rods of the short-circuited winding, and steel armor plates mounted in shock absorbers are screwed inside the housing along the entire length of the stator core.

При этом снижается материалоемкость и исключаются механические зубчатые передачи с необходимым техническим результатом согласно новому заявленному устройству следующего вида.This reduces material consumption and excludes mechanical gears with the necessary technical result according to the new claimed device of the following type.

Электродвигатель горнорудной мельницы системы прямого привода, содержащий сварную станину с сегментированным шихтованным из электротехнической стали кольцевым сердечником статора, во внутренние пазы которого уложена трехфазная обмотка, питаемая напряжением стандартной частоты f=50 Гц. В расточке сердечника статора с воздушным зазором δ от нее расположен ротор, являющийся частью шаровой трубной горнорудной мельницы, имеющей свои подшипники для вращения. Это означает, что на длине сердечника статора в небольших наружных углублениях корпуса мельницы расположены сегменты постоянных магнитов из порошкового сплава Nd-Fe-B (неодим-железо-бор) радиальной намагниченности, а между ними расположены проводящие стержни из проводникового сплава, короткозамкнутых обмоток электрических машин, замкнутые с двух противоположных сторон короткозамкнутыми кольцами из того же сплава. На длине сердечника статора с внутренней стороны корпуса мельницы вдоль всей окружности его внутреннего диаметра винтами к корпусу крепятся сегменты бронеплит при наличии амортизаторов из синтетического материала между корпусом и бронеплитами и между самими бронеплитами.An electric motor of a direct-drive mining mill, containing a welded bed with a segmented ring of stator core made of electrical steel, in the internal slots of which a three-phase winding is placed, powered by a voltage of standard frequency f = 50 Hz. A rotor is located in the bore of the stator core with an air gap δ from it, which is part of a ball tube mining mill, which has its bearings for rotation. This means that along the length of the stator core in the small external recesses of the mill body there are segments of permanent magnets of powder alloy Nd-Fe-B (neodymium-iron-boron) of radial magnetization, and between them there are conductive rods of a conductive alloy, short-circuited windings of electrical machines closed on two opposite sides by short-circuited rings of the same alloy. On the length of the stator core on the inside of the mill body along the entire circumference of its inner diameter, segments of armored plates are attached to the body with screws in the presence of synthetic shock absorbers between the body and the armored plates and between the armored plates themselves.

Отличительными признаками заявленного изобретения от прототипа являются:Distinctive features of the claimed invention from the prototype are:

1) шихтованный сердечник статора с трехфазной обмоткой занимает собой полную окружность, а не ее часть;1) the lined stator core with a three-phase winding occupies a full circle, and not part of it;

2) стальной корпус мельницы одновременно является частью магнитопровода электродвигателя, выполняя роль ярма сердечника ротора на рабочем пути замыкания магнитного потока в машине;2) the mill mill steel body is simultaneously part of the magnetic circuit of the electric motor, acting as the yoke of the rotor core on the working path of magnetic flux closure in the machine;

3) магнитоэлектрическое возбуждение в виде постоянных магнитов на роторе вместо электромагнитного возбуждения в виде обмотки питаемой постоянным током, через контактные кольца и щетки;3) magnetoelectric excitation in the form of permanent magnets on the rotor instead of electromagnetic excitation in the form of a winding powered by direct current, through contact rings and brushes;

4) использование короткозамкнутой обмотки на роторе, стержни которой размещаются между полюсами постоянных магнитов;4) the use of a short-circuited winding on the rotor, the rods of which are placed between the poles of permanent magnets;

5) применение специального соотношения между числом полюсов ротора и числом зубцов сердечника статора при кольцевом типе размещения обмотки на зубцах.5) the use of a special relationship between the number of poles of the rotor and the number of teeth of the stator core in the ring type of placement of the winding on the teeth.

Использование кольцевого сердечника статора и аналогичного для ротора исключает появление краевых эффектов при распределении силовых линий рабочих магнитных потоков реакции якоря и возбуждения. Это приводит к устранениям нессиметрии фазных токов обмотки статора, добавочных потерь, паразитных моментов и повышению коэффициента полезного действия.The use of the annular core of the stator and a similar one for the rotor eliminates the appearance of edge effects in the distribution of the lines of force of the working magnetic fluxes of the reaction of the armature and excitation. This leads to the elimination of the asymmetry of the phase currents of the stator winding, additional losses, spurious moments and increase the efficiency.

Использование стального корпуса мельницы в роли ярма сердечника ротора упрощает конструкцию, снижает материалоемкость.The use of the steel body of the mill as the yoke of the rotor core simplifies the design, reduces material consumption.

Применение постоянных магнитов для возбуждения вместо электромагнитного исключает электрические потери на возбуждение и скользящий контакт, чем повышает КПД и увеличивает надежность в работе.The use of permanent magnets for excitation instead of electromagnetic excludes electrical losses due to excitation and sliding contact, which increases the efficiency and increases the reliability.

Использование короткозамкнутой обмотки ротора повышает результирующий электромагнитный момент двигателя особенно в момент времени пуска в ход мельницы.The use of a short-circuited rotor winding increases the resulting electromagnetic moment of the motor, especially at the time of start-up of the mill.

Применение специального соотношения между числами полюсов возбуждения и зубцов сердечника статора согласно источникам [3, 4] позволяет получить необходимую электрическую редукцию для получения двух разных скоростей вращения мельницы - рабочей и монтажной, у двух электродвигателей, рабочего и вспомогательного, которые конструктивно полностью аналогичны.The use of a special ratio between the numbers of field poles and the teeth of the stator core according to the sources [3, 4] allows to obtain the necessary electric reduction to obtain two different speeds of rotation of the mill - working and mounting, for two electric motors, working and auxiliary, which are structurally completely similar.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен схематический разрез устройства в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения двигателя, совмещенную с таковой для мельницы, на фиг.2 - разрез в вертикальной поперечной плоскости перпендикулярной оси вращения, на фиг.3 - схематическое изображение примера размещения обмотки статора в пазах его сердечника для коэффициента электрической редукции, равной 4.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a schematic section of the device in a vertical plane passing through the axis of rotation of the engine, combined with that for the mill, figure 2 is a section in a vertical transverse plane perpendicular to the axis of rotation, figure 3 is a schematic Image of an example of placement of a stator winding in the grooves of its core for an electric reduction coefficient of 4.

Согласно формуле изобретения электродвигатель горнорудной мельницы системы прямого привода имеет сварную станину 1 с кольцевым ферромагнитным зубчатым шихтованным сердечником 2, в пазы которого уложена трехфазная обмотка 3, питаемая напряжением стандартной промышленной частоты, и внутри сердечника 2 размещен ротор в виде стального цилиндрического корпуса 4 трубной мельницы, с наружной стороны которого в углублениях на длине сердечника статора размещены сегменты постоянных магнитов 5 радиальной намагниченности, между которыми установлены проводящие стержни короткозамкнутой обмотки 6, а с внутренней стороны винтами 7 к корпусу 4 через эластичные амортизаторы 8 на той же длине крепятся стальные бронеплиты 9 по всему периметру окружности внутреннего диаметра корпуса мельницы, загруженной мелющими телами 10 (например, шары) и размалываемым материалом, например на цементных заводах известняк при мокром помоле или клинкер при сухом.According to the claims, the electric drive mill of a direct drive mining mill has a welded bed 1 with an annular ferromagnetic gear lined core 2, in the grooves of which a three-phase winding 3, powered by a voltage of standard industrial frequency, is laid, and inside the core 2 there is a rotor in the form of a steel cylindrical body 4 of a tube mill, on the outside of which in the recesses along the length of the stator core are placed segments of permanent magnets 5 of radial magnetization, between which the conductive rods of the short-circuited winding 6 are len, and from the inside, screws 7 to the body 4 through elastic shock absorbers 8 on the same length are attached steel armor plates 9 around the entire circumference of the circumference of the inner diameter of the mill body loaded with grinding bodies 10 (for example, balls) and milled material, for example, in cement plants, limestone with wet grinding or clinker with dry grinding.

Предлагаемый электродвигатель работает следующим образом. Для получения рабочей скорости вращения процесса помола материала трубной мельницей от промышленного источника электроэнергии подают номинальное трехфазное напряжение на обмотку 3 статора основного двигателя, от чего через нее будет проходить электрический ток. Последний образует в магнитной системе машины вращающееся (бегущее) магнитное поле (поток обмотки статора), наводящее электродвижущие силы в проводниках короткозамкнутой обмотки 6 ротора, и под их действием возникает электрический ток в ней, создающий свое бегущее магнитное поле (поток обмотки ротора). Взаимодействие указанных потоков приводит к появлению электромагнитного момента, приводящего во вращение и ротор, и всю мельницу, выполняющую в таком движении полезную работу по измельчению загруженного материала. Наряду с указанным моментом одновременно появляется и момент от взаимодействия потока обмотки статора с потоком, созданным постоянными магнитами 5 ротора, также участвующий в образовании результирующего движущего (вращающего) момента.The proposed electric motor operates as follows. To obtain a working speed of rotation of the process of grinding the material with a tube mill, a three-phase voltage is applied to the stator winding 3 of the main motor from which an electric current will pass through it. The latter forms a rotating (running) magnetic field (stator winding flow) in the machine’s magnetic system, which induces electromotive forces in the conductors of the short-circuited rotor winding 6, and under their action an electric current arises in it, creating its traveling magnetic field (rotor winding flow). The interaction of these flows leads to the appearance of an electromagnetic moment, which rotates both the rotor and the whole mill, which performs useful work in such a movement to grind the loaded material. Along with the indicated moment, the moment also appears from the interaction of the stator winding flux with the flux created by the permanent magnets 5 of the rotor, which also participates in the formation of the resulting moving (rotating) moment.

Установившаяся скорость (частота) вращения ротора n согласно источникам (Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1974 г., стр.839; www.bavatia-direct.co.za) связана с частотой f напряжения питания обмотки статора, числом пар полюсов р от постоянных магнитов ротора и числом зубцов сердечника статора z₁ известным соотношением

, где z₂=2р.The steady-state speed (frequency) of the rotor rotation n according to the sources (Voldek A.I. the stator, the number of pairs of poles p from the permanent magnets of the rotor and the number of teeth of the stator core z _{1 a} known ratio

where z ₂ = 2p.

Следовательно, для получения рабочей скорости вращения, например, порядка 20 об/мин необходимо при f=50 Гц, 2p=24 иметь z₁=22, что обусловит скорость

, то есть электрическую редукцию

Therefore, to obtain a working rotation speed, for example, of the order of 20 rpm, it is necessary for f = 50 Hz, 2p = 24 to have z ₁ = 22, which will determine the speed

i.e. electrical reduction

Для получения монтажной скорости вращения мельницы отключением обмотки статора основного электродвигателя останавливают вращение мельницы в свободном выбеге и вновь запускают ее подачей напряжения питания на обмотку статора вспомогательного электродвигателя меньшей мощности по конструкции полностью аналогичного основному электродвигателю, но имеющего другие значения 2р и z₁. Например, при f=50 Гц, 2p=144, z₁=140 получается число оборотовTo obtain the mounting rotation speed of the mill by turning off the stator winding of the main electric motor, the mill is stopped in free-run mode and re-started by applying a supply voltage to the stator winding of the auxiliary electric motor of lower power in a design completely similar to the main electric motor, but having different values of 2p and z ₁ . For example, at f = 50 Hz, 2p = 144, z ₁ = 140, the speed is obtained

, то есть при значении величины электрической редукции, равной

, that is, when the value of the electric reduction is equal to

При снижении материалоемкости и сокращении эксплуатационных расходов заявляемое устройство в реализации приведет к повышению энергетической эффективности примерно в 3,5 раза при значениях η=0,85 и cosφ=0,85.With a decrease in material consumption and a reduction in operating costs, the inventive device in implementation will lead to an increase in energy efficiency by about 3.5 times with values of η = 0.85 and cosφ = 0.85.

Claims

An electric motor of a direct-drive mining mill with a stator toothed core burnt from sheets of electrical steel, into the slots of which a three-phase winding is fed, powered by a voltage of industrial frequency, characterized in that the core laid in the bed is segmented into a full annular shape, and inside with an air gap a rotor is placed from it in the form of a mill body, which has its own bearings, and permanent magnets from a neodymium-iron alloy are located in the recesses outside the body -Bor between which are arranged the conductive rods are short-circuited winding inside the housing and the stator core throughout the length of the steel armor plates are fixed by screws, arranged in the dampers.