Патент на изобретение №2271013

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АБСОЛЮТНОГО СКОЛЬЖЕНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области измерения угловой скорости с помощью электрических или магнитных средств и может быть использовано для измерения абсолютного скольжения асинхронного двигателя (преимущественно герметичного электронасоса). Устройство содержит датчик в виде катушки индуктивности и электрический фильтр, при этом датчик размещен в пространстве между лобовой частью обмотки статора и валом ротора, на поверхности вала ротора выполнен по меньшей мере один возмущающий элемент в виде углубления, предназначенный для изменения магнитного потока через катушку индуктивности при подаче электропитания на обмотку статора и вращении указанного вала, а электрический фильтр измерительного устройства выполнен в виде активного фильтра верхних частот. Изобретение обеспечивает увеличение мощности сигнала, несущего информацию о значении частоты вращения ротора, и расширение частотного диапазона сигнала, несущего информацию о значении частоты скольжения. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области измерения угловой скорости (конкретно – с помощью электрических или магнитных средств) и может быть использовано для измерения абсолютного скольжения асинхронного двигателя (преимущественно в составе герметичного электронасоса).

Скольжение асинхронной машины, как известно, численно равно отношению угловой скорости вращающегося магнитного поля относительно ротора (называемой угловой скоростью скольжения) к угловой скорости этого поля относительно статора. Скольжение функционально связано с вращающим моментом асинхронной машины, причем величина скольжения характеризует как режим работы (двигатель, электромагнитный тормоз, генератор), так и области внутри режима (например, устойчивой и неустойчивой работы двигателя). Частоту, соответствующую угловой скорости скольжения, называют частотой скольжения (или абсолютным скольжением).

Для герметизации механических (например, центробежных) насосов часто применяют встроенный двигатель, целиком расположенный в пределах герметичного корпуса насоса. Одним из типов конструктивного исполнения герметичного электронасоса является экранированный электронасос, характеризуемый тем, что полость статора асинхронного двигателя изолирована экраном (статорной перегородкой) от жидкой среды. Конструкцию электронасоса (например, узел сопряжения полости ротора двигателя и проточной части насоса) значительно упрощает применение перекачиваемой жидкости для смазки и охлаждения подшипников, а также охлаждения статора и ротора (Поклонов С.В. Асинхронные двигатели герметичных электронасосов. – Л.: Энергоатомиздат (Ленингр. отд-ние), 1987. C.4…5]. При этом желательно обеспечить непосредственное использование перекачиваемой жидкости (без автономного контура со средствами очистки и охлаждения), что, однако, связано с воздействием этой жидкости с рабочими значениями как давления, так и температуры на подшипниковые горловины (щиты), экран и элементы в полости ротора.

Из описания изобретения способ измерения скорости вращения ротора герметичною электродвигателя [SU 173486: МПК G 01 р 3/54. – Опубл. 21.07.1965. Бюл. № 15] известно устройство, включающее датчик (в виде катушки индуктивности), помещенный во внешнее электромагнитное поле, возникающее при работе двигателя, усилитель и набор электрических фильтров, настроенных так, чтобы из ЭДС, наведенной в датчике, через фильтры проходили только полезные сигналы с частотой вращения ротора или частотой скольжения.

Известно устройство для измерения абсолютного скольжения асинхронной машины [SU 866476: МПК³ G 01 р 3/56, Н 02 К 15/00. – Опубл. 23.09.1981, Бюл. № 35], содержащее индуктивный датчик, предназначенный для размещения вне машины (например, в ее торцовой зоне), усилитель и ряд последовательно соединенных электрических фильтров, включающий активный фильтр нижних частот.

В обоих аналогах из ЭДС датчика выделяют сигналы, индуктируемые низкочастотными составляющими магнитного потока, в противоречии с тем, что вклад любой гармоники магнитного поля в индуктируемую ЭДС пропорционален частоте гармоники. Это влечет усложнение измерительного устройства, в частности необходимость отдельного усилителя сигнала датчика и применения нескольких фильтров (в прототипе, например, режекторного, настроенного на частоту электропитания машины и включенного между усилителем и активным фильтром нижних частот).

Кроме того, размещение датчика во внешнем электромагнитном поле, возникающем при работе электродвигателя, может быть исключено (например, из-за характеристик среды, окружающей встроенный электронасос) или нецелесообразно (если по условиям взаимодействия с окружающей средой приняты конструктивные меры для существенного уменьшения электромагнитного поля).

Задача, решаемая изобретением, состоит в упрощении измерительной аппаратуры, обеспечивающей (в эксплуатационных условиях герметичного электронасоса) точность измерения частоты скольжения асинхронного двигателя, достаточную для использования в системе управления (например) для защитного отключения двигателя в случае достижения установленного предельного значения абсолютного скольжения). Изобретение обеспечивает следующие, в частности, технические результаты: увеличение мощности сигнала, несущего информацию о значении частоты вращения ротора, и расширение частотного диапазона сигнала, несущего информацию о значении частоты скольжения.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения абсолютного скольжения асинхронного двигателя, преимущественно герметичного электронасоса, содержащем датчик в виде катушки индуктивности и электрический фильтр,

катушка индуктивности размещена в пространстве между лобовой частью обмотки статора и валом ротора,

на поверхности вала ротора выполнен по меньшей мере один возмущающий элемент в виде углубления с возможностью изменения магнитного потока через катушку индуктивности при вращении указанного вала после подачи электропитания на обмотку статора,

электрический фильтр выполнен в виде активного фильтра верхних частот.

В частном случае целесообразно (по условиям балансировки ротора) выполнение не менее двух одинаковых возмущающих элементов, размещенных равномерно по окружности вала ротора, с одинаковыми траекториями относительно катушки индуктивности при вращении указанного вала.

Изобретение (в частном выполнении для традиционного экранированного электронасоса с двухполюсным двигателем при частотной форме представления результата измерения) поясняется чертежами и временными графиками:

фиг.1 – схема размещения катушки индуктивности;

фиг.2 – структурная схема измерительного устройства;

фиг.3 – сигнал на выходе катушки индуктивности при вращении ротора;

фиг.4 – сигнал на выходе активного фильтра верхних частот измерительного устройства;

фиг.5 – сигнал на выходе детектора измерительного устройства;

фиг.6 – сигнал на выходе компаратора измерительного устройства.

Датчик в виде катушки 1 индуктивности установлен на подшипниковой горловине 2 между лобовой частью 3 обмотки статора асинхронного двигателя и валом 4 ротора, причем продольная ось катушки 1 направлена к оси вращения вала 4 перпендикулярно ей. На уровне катушки 1 индуктивности на поверхности вала 4 ротора выполнены два возмущающих элемента в виде двух одинаковых пазов 5, расположенных диаметрально противоположно. Выводы катушки 1 индуктивности подключены к входу измерительного устройства, включающего, в частности, активный фильтр 6 верхних частот, детектор 7 и компаратор 8.

Действие устройства для измерения частоты скольжения приводится при том (обычном для асинхронного двигателя) допущении, что основной круг процессов, возникающих после подачи электропитания на обмотку статора, охватывают и определяют первые гармоники переменных величин.

Если ротор неподвижен и перед катушкой 1 индуктивности отсутствует какой-либо из пазов 5, то вращающееся магнитное поле изменяет магнитный поток в катушке 1 гармонически во времени, наводя в ней соответственно ЭДС гармонической формы. Если же ротор вращается, то прохождение каждого из пазов 5 перед катушкой 1 индуктивности вызывает импульсное отклонение наводимой ЭДС от гармонической формы за счет увеличения магнитного сопротивления зазора между валом 4 ротора и катушкой 1 и уменьшения абсолютного значения индукции вращающегося магнитного поля на площади паза 5 (фиг.3). Эти отклонения образуют сигнал, несущий информацию о значении частоты вращения ротора. Форма и величина отклонения зависят, во-первых, от формы и размеров возмущающего элемента (в данном случае, паза 5), что позволяет обеспечить необходимую для измерения мощность указанного сигнала, и, во-вторых, от положения отклонения на гармонической кривой ЭДС, из-за чего отклонения получают амплитудную модуляцию с частотой, пропорциональной частоте скольжения и, вообще говоря, числу возмущающих элементов (пазов 5).

Активный фильтр 6 верхних частот, выполненный с полосой задерживания, в которую попадает частота упомянутой ЭДС гармонической формы (например, для частоты электропитания асинхронного двигателя, равной 50 Гц, при узкой переходной области фильтра частоту среза можно принять равной 150 Гц), ослабляет низкочастотные составляющие ЭДС. Однако сигнал на выходе фильтра (фиг.4), образованный пропущенными составляющими (главным образом, с частотами, превышающими частоту среза), сохраняет указанную амплитудную модуляцию, то есть продолжает нести информацию о значении частоты скольжения, отражая ее в частоте огибающей f_мод, (соответствующий период Т_мод=1/f_мод), которая равна двухкратной частоте скольжения (поскольку в данном случае число пар полюсов двигателя отличается от числа возмущающих элементов).

Из выходного сигнала активного фильтра 6 верхних частот детектор 7 выделяет огибающую амплитудно модулированного сигнала (фиг.5), а компаратор 8 формирует прямоугольные импульсы с частотой повторения, также равной f_мод (фиг.6). Этот сигнал может быть использован для управления электронасосом.

В сравнительных опытах по измерению частоты скольжения (абсолютного скольжения) модельного двухполюсного электродвигателя с помощью различных устройств глубина пазов на поверхности вала ротора не превышала 7 мм, а катушка индуктивности была намотана проводом диаметром 0,1 мм, витки которого образовывали цилиндр с внешним диаметром 15 мм, внутренним – 4 мм и высотой 1 мм. В диапазоне скольжения от 0 до 5% было получено практическое совпадение частот скольжения, измеренных с помощью предлагаемого устройства, а также полученных с помощью строботахометра (частота вращения вала ротора) и частотомера (частота электропитания двигателя).

Формула изобретения

1. Устройство для измерения абсолютного скольжения асинхронного двигателя, преимущественно в составе герметичного электронасоса, содержащее датчик в виде катушки индуктивности и электрический фильтр, отличающееся тем, что катушка индуктивности размещена в пространстве между лобовой частью обмотки статора и валом ротора, на поверхности вала ротора выполнен по меньшей мере один возмущающий элемент в виде углубления с возможностью изменения магнитного потока через катушку индуктивности при вращении указанного вала после подачи электропитания на обмотку статора, а электрический фильтр выполнен в виде активного фильтра верхних частот.

2. Устройство для измерения частоты абсолютного скольжения асинхронного двигателя по п.1, отличающееся тем, что на поверхности вала ротора выполнено не менее двух одинаковых возмущающих элементов, размещенных равномерно по окружности вала ротора, с одинаковыми траекториями относительно катушки индуктивности при вращении указанного вала.

РИСУНКИ

PD4A – Изменение наименования обладателя патента Российской Федерации на изобретение

(73) Новое наименование патентообладателя:

Открытое акционерное общество «Центральное конструкторское бюро машиностроения» (RU)

Адрес для переписки:

195112, г. Санкт-Петербург, Красногвардейская пл., д. 3, ОАО «ЦКБМ», В.А. Никитину

Извещение опубликовано: 10.03.2009 БИ: 07/2009