Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЁТ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОЛИТНОГО НАСОСА

Вертинский П.А. г.Усолье - Сибирское

pavel-35@mail.ru

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.

Тогда лишь, выполнив дифференцирование выражения (7), получим, что

(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)

(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 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.

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».

III. Расчет параметров конструкции насоса

индукция магнитный электролитный насос

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)

(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.

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:

№№ пп	Наименование расчетных величин	Расчетная Формула	Единица измерения
1.	Полная мощность		ВА
2.	Активная мощность		ВТ
3.	Сила тока фазного		А
4.	Допустимое сечение провода		мм2
5	Сечение магнитопровода корпуса		см2
6.	Количество витков обмотки на 1 в		Витков
7.	Активное сопротивление фазы		Ом
8.	Индуктивность фазы обмотки		Гн
9.	Реактивное сопротивление фазы Обмотки		Ом
10.	Полное сопротивление фазы обмотки		Ом
11.	Расчетная величина тока фазного		А

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.

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

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:

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

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:

№№ пп	Наименование величн	Обозначение	Численное значение
1	Общая длина корпуса	lкор	600 мм
2	Внешний диаметр корпуса	D	100 мм
3	Внутренний диаметр корпуса	d	60 мм
4	Общее число пазов кольцевых	Nоб	54
5	Общее число витков фазы	Nф	440
6	Число жил провода в пазу	nж	25
7	Ширина полюса и ширина паза	hпол= hпаз	5 мм
8	Глубина паза и высота полюса	hpol = hpaz	5 мм
9	Толщина стенки корпуса	hк	15 мм
10	Провод обмоточный марки ПЭВ	dпр	0,8 мм
11	Сталь трансформаторная Э310		20 мм х 0,5 мм
12	Число пар полюсов фазы		9

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.

Рис. 2 (Рис.2. по источнику /3/)

№ пп	Наименование частей	Марка	ГОСТ или ТУ материалов	№№ рис.
1	Корпус	Ф - 50	ТУ - 6 - 05 - 600 - 77	Рис.3
2	Штуцер	Ф - 50	ТУ - 6 - 05 - 600 - 77	Рис.2
3	Магнитопровод	Э310	ГОСТ 21427.4-78	Рис.4 и Рис.5
4	Обмотка	ПЭВ	ГОСТ 7262-78	Рис.6
5	Рабочая камера	Ф-4Д	ТУ - 6 - 05 - 600- 77	Рис.7
6	Прокладка	КЩ	ГОСТ 18698 - 79	Рис.2
7	Коллектор	Ф - 50	ТУ - 6 - 05 - 600 -77	Рис.8

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

Рис. 3 Корпус насоса

Рис.4 Магнитопровод индуктора насоса

№№ пп	Наименование частей	Марка	ГОСТ или ТУ Материалов	Примечание
1.	Магнитопровод	Э310	21427.4-78	Шихтовка
2.	Фиксатор выводов	Ф-50	ТУ 6-05-600-77

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.

Рис. 5 Комплектующие детали индуктора и обмотки

№№ пп	Наименование частей	Марка	ГОСТ или ТУ Материалов	Примечание
1.	Пластина лобовая	Э310	21427.4-78	18 шт.
2.	Пластина полюсная	Э310	21427.4-78	610 шт.
3.	Пластина торцевая	Э310	21427.4-78	10 шт.
4.	Пластина промежуточная	Э310	21427.4-78	10 шт.
5.	Пластина выводная	Э310	21427.4-78	10 шт.
6.	Жгут П Э В	П Э В	7262-78	3 шт.
7.	Пластина упорная	Ф-50	ТУ 6-05-60-77	Рис.6

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).

Рис.6 Обмотка индуктора

№№ пп	Наименование частей	Марка	ГОСТ или ТУ Материалов	Примечание
1.	Рабочая камера	Ф-4Д	ТУ 6-05-600-77	Рис.7
2.	Жгут П Э В	П Э В	7262-78	54 витка
3.	Пластина упорная	Ф-50	ТУ 6-05-600-77	Рис.5

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.

Рис. 7 Рабочая камера насоса

Рис. 8 Коллектор обмотки индуктора

№№ пп	Наименование частей	Марка	ГОСТ или ТУ Материталов	Примечание
1.	Трубка	П Х В	14332-78	3 шт.
2.	Жила	П Э В	7262-78	75 шт.
3.	Крышка	Ф-50	ТУ 6-05-600-77
4.	Колодка	Ф-50	ТУ 6-05-600-77	2 шт.

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. 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, 1997. 144 с.

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.

Размещено на Allbest.ru

...