автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка конструкции и технологии изготовления электрических машин открытого исполнения, работающих в приводах забортных механизмов глубоководных подводных аппаратов

Министерство общего и профессионального образования РГб ОД Российской Федерации

2 НО И ^Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

300-летию Российского морского флота посвящается

На правах рукописи

ВЕТОХИН Виктор Иванович

УДК 621.313; 333.027.4; 65-213, 32(0,88.8)

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ОТКРЫТОГО ИСПОЛНЕНИЯ, РАБОТАЮЩИХ В ПРИВОДАХ ЗАБОРТНЫХ МЕХАНИЗМОВ ГЛУБОКОВОДНЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1997

Диссертационная работа выполнена в Научно-исследовательском проекгно-конструкторском и технологическом институте Ленинградского производственного электромашиностроительного объединения (открытого акционерного общества) "Электросила".

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

член-корреспондент Российской академии наук (РАН)

ДАНИЛЕВИЧ Я.Б. доктор технических наук, профессор

ЦЕЛЕМЕЦКИЙ В.А. доктор технических наук, профессор ЯСАКОВ Г.С.

Ведущее предприятие - Санкт-Петербургское Морское бюро

машиностроения (СПМБМ) "Малахит", Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится " А 1997 г.

в ( И часов в Актовом зале на заседании диссертационного совета Д 053.23.02 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ.

Автореферат разослан "/£_"

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, в одном экземпляре просим направлять в диссертационный совет по адресу: 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., д.З.

Ученый Секретарь диссертационного совета Д 053.23.02 доктор технических наук, профессор А1 ДЯДИК А.Н.

03!ДО ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш.

В связи с интенсивным освоением Мирового океана, развитием морской геологии, добычей подводных полезных ископаемых, одной из актуальных задач судового электромашиностроения становится разработка и освоение новых типов электрических машин (ЗЛ), активные части которых способны работать в непосредственном контакте с окружающей морской водой, обладающей высокой химической активностью и ионной электропроводностью. Морская вода в своем составе имеет в больших количествах различные биоорганизмы (в виде биомассы), инородные частицы (ил, ракуши,песок и др.), анионы, катионы, сульфиды, карбонаты, сероводород, борную кислоту и т.д., которые вызывают различные виды морской коррозии и электрохимические процессы в виде электрохимической коррозии металлов и сплавов активных частей ЭМ при погружении ее в морскую воду. Причем, скорость коррозии металлов и сплавов возрастает с увеличением глубияп погружения (гидростатического давления), а также скорости движения воды внутри ЭМ от вращения ротора, при которой происходит сшвакие продуктов коррозии с активных частей и на их месте образование новых.

При разработке и освоении новых типов Ш, предназначенных для приводов забортных механизмов глубоководных подводных аппаратов (ГПА), добычных морских установок (ЛМУ), исследовательских батискафов, роботов и др. при работе в морской воДё на больших глубина:: главной проблемой является создание и разработка новых материалов, входящих в конструкцию электрических машин,

обмоточных проводов, электроизоляционных материалов, новых материалов скользящих пар подшипников, обладаниях высокой прочностью и удельной нагрузкой с антифрикционными и антикоррозионными характеристиками и низким коэффициентом трения. Ь« менее сложной и трудной задачей является разработка новых передовых технологий при изготовлении указанных материалов, подшипников, обмотки, узлов токоподвода и внутримашньшх соединений, а такке технологий и способов изготовления подшипниковых узлов, укладки протяжных обмоток и способов сборки ЭМ по сравнению с технологиями общепромышленных и малозаполненных герметичных погружных ЭМ.

До настоящего времени на ГПА, ДМУ и др., в России и за рубежом в основном, используются герметичные маслозалолненные погружные электрические двигатели (ПЭд), которые имеют повышенные массогабаритные характеристики из-за наличия компенсирующих узлов от температурного расширения масла и противодавления, каскадных торцовых уплотнений вала и Заполнителя (масла). При больших погружениях герметичный корпус ГПА и Д.1У изготавливают с усиленной толщиной стенки и поэтому уменьшение массогабарит-ных характериспос оборудования является проблемной задачей. Кроме того, торцовые уплотнения, металлографитовые и фторопластовые подшипники чувствительны к повышенным механическим нагрузкам и гидравлическим ударам, которые являются основной причиной разгерметизации ПЭД и попаданию морской воды внутрь двигателя. При обводнении масла двигатель выходит из строя из-за химической и электрохимической коррозии активных частой (электротехническая сталь, подшипники, вал и т.д.), и из-за снижения"

изоляции обмотки статора до критического состояния, твердая изоляция которой работоспособна яри обводнении масла до 0,3$. Наряду с этим, существуйте ПЭД ограничены в глубине погружения (до 1500 м), имеют малый ресурс непрерывной работа (до 6000 чаосв), не ремонтоспособны, не допускают больших кренов и дифферентов, довольно сложны в конструктивном исполнении.

Массовое использование этих малин в большом количестве при освоении ресурсов Мирового океана ставит под угрозу экологическую чистоту вода возмогшими утечками масла. Поэтому вопрос создания ЗМ- без заполнения полостей диэлектрическими жидкостями из нефти весьма актуален и на первый план выдвигается задача создания Ш открытого исполнения с охлаждением ее активных частей, в том числе обь.отки и подшипников непосредственно окружавдей морской водой. При этом ЗЛ не должны иметь в своей конструкции токсических материалов, угрожающих жизни'.биоорганизмов (планктонам).

Эта проблема тем более актуальна, что Мировой океан - будущее жизни человечества на ^ашей планете. Задача человечества при создании ЩУ - беречь шзнь Мирового океана, подцёротвать экологическое равновесие, ибо его биомасса при фотосинтезе дает планете около 80% кислорода.

Диссертант взял на себя труд по созданию высоконадежных, экологически чистых ЗМ открытого исполнения, работающие в морской воде на неограниченной глубине погружения в приводах забортных механизмов ША и ЯМУ, при любых кренах и дифферентах с высокими энергетическими и значительными уменьшенными тссо-

габаритными характеристиками, которые позволят., обеспечить гарантированный ресурс не менее 10000 чаоов и срок службы 10 лет. Настоящая работа выполнена по тематическому плану НИИ ШЭО (АО) пЭлектросила".

Цель работы заключалась в разработке конструкции ЭМ открытого исполнения, активные часта которых непосредственно омываются морской водой, не нарушая ее экологии, с высокой работоспо-собносаыо, надежностью, живучестью, с большим ресурсом работы на неограниченной глубине погружения (средняя глубина Мирового океана - 6500 м), а также в разработке технологии изготовления Ш открытого исполнения для работы в указанных условиях в качестве приводов различных механизмов ГПА и ДО1У, в том числе для систем автоматики и робототехника.

Для .достижения указанной цели необходимо было решить сле-дуыдие задачи:

- рассмотреть, проанализировать вопросы коррозии конструк-ционшх материалов, обмоточных проводов, подшипниковых узлов, работающих в морской воде;

- разработать основы теории гидролитической стойкости материалов, находящихся в контакте между собой, к морской воде;

- теоретически обосновать и разработать технические требования на материалы, обмоточные провода, подшипники и ЭМ в целом, работаыдих в морской воде (как электролите) с учетом глубины погружения и скорости движения морской вода внутри ЭМ при вращении ротора;

- теоретически обосновать и разработать конструкцию и технологию изготовления, методику расчета электрохимической защиты

от контактной коррозии, подшипников, схемы и твхнолодш изготовления протяжных обмоток статоров и токс&юдвод к нему;

- разработать конструкцию, технологию изготовления и- способ сборки Ш открытого исполнения для привода силовых забортных механизмов, а также систем автоматика и роботехники;

- разработать теоретические основы проектирования и расчета 31 открытого исполнения, работящих в морской воде, по сравнению с почуянный герметичными Ш и общепромышленного назначения, в том числе массогабаритше и виброакустические характеристики (ВАХ).

Научная новизна. На основе научных и экспериментальных исследований установлено и подтверждено, что при погружении в морскую воду чистых металлов, а также при электрическом контакте разнородных металлов проявляются, в основном, биологическая и электромеханическая коррозия, которая возникает при контактировании меаду собой различных металлов или сплавов с различными электродами потенциалами, ишепцих между собой плотный механический (электрический) контакт. Контактная коррозия является определяющей (основной) и поэтому необходимо иметь способы борьбы с ней. В результате тщательных исследований в диссертации сформулированы основы теории гидролитической стойкости материалов в морской воде применительно к корабельному электромашиностроению с учетом собственных электродных потенциалов активных частей сМ, входящих в ее конструкцию.

Основы гидролитической стойкости материалов являются основополагающими , без учета и знания которых невозможно сконструировать и изготовить ЭМ открытого исполнения на больше ресурсы

работы в морской воде. С учетом этого разработана конструкция Ш типа ЗЫВ и еа технология изготовления и способ сборки, разработана электрохимическая протекторная защита, приостановившая контактную коррозию активных частей ЭМ, дана методика расчета протекторов о учетом глубин погружения и движения морской вода внутри ЭМ.

Впервые разработаны высокоиагрукенные меташюкерашческие подцшшике скольжения, их технология изготовления методом горячее прессовки вкладышей из композиционных порошковых материалов, з^ибошханнческЕе характеристики которых на порядок выше, чей у фторопластовых к кетадло1рафатовых, применяемых в настоя-щ2 мэмэнт в подобных устройствах. Разработанная методика расчета основных характерй'Ьтнк е определения коэффициента трендя и коэффициента треякл гроганая отличается от известных тем,' что коэффициента треиая и трения трогаши определяются из потерь гвдостого хода на воздухе е в воде при работе мзпстны на холостом ходу. Разработано усчройство дая определения этих коэффициентов на изготовленной машине, ранее определялись на машинах трения, результата которых отличаются от реальных после окончательной обработка вкладаией подщшшиков в сборка ЕМ.

Разработанные теоретические основы проектирования позводи-ле установить отличительные особенности проектирования и.расчета ЗМ оифытого исполнения с повышенными плотностями токов в обмотке статора с учетом непосредственного охлаждения активных частей .морской водой. Научной новизной основ проектирования является теоретячэвкое обоснование методика определения размеров

активного ядра Ш, исходя из заданного даакзтра корпуса и повышенной плотности тока с?атора($2-3 раза ¡знпз, чем у герметичных 3,0, которая определяет сечеше обкокУшого провода црогяв-ной обмотки. Это сечение является главнкм крзгерзем. определения геометрии лаза и конструюда аютвного ядра Ш. После выбора обмоточного црозода с полимерной нзожцией и определения гэемэт-рза паза, графическим методом определяют количество проводов **" в пазу и количество низков в фазе.

При расчета энергетических характеристик и НЦД ЕМ научно-"' обоснован и предложены новый метод и аналитические форцулы дая определения гидравлических потерь трения ротора о морскую воду, в зависимости от геометрических размеров ротора, частоты вращения и гидравлического коэффициента трения, предложены формулы для его определения в зависимости от размеров, веса ротора и. числа Рейнолвдса.

Теоретически обоснованы особенности теплового расчета ЭМ открытого исполнения. Тепло от всех видов потерь путем тепло. проводаосш передается непосредственно окрухащей забортйой морской воде. Поэтому самой нагретой частот® является обмотка в пазах, а ее максимальная температура определяется температурой забортной воды,плюс перепад температуры в полимерной изоляции обмоточного провода и выкладке паза. Получены а даны математические зависимости для расчета температур нагрева различных участков частей Ш.

Теоретически проанализированы математические зависигдасти для расчета сопротивления изоляции обмоток статора, коЙЙицаен—V та трения и трэния трогания мэталлокерашческах подшипников, а

также зависимости составлящих бегущих магнитных пешей в немагнитном зазоре компенсированных линейных индукторов в зависимости от линейной токовой нагрузки.

Теоретически обоснованы и разработаны различные модификации конструкций ЭМ открытого исполнения, охватывающих практически все забортные механизмы ША. и ДОУ, в том числе микромашины дня систем автоматики и робототехники, а также линейных индукционных машин поступательного и возвратно-поступательного движения. Разработана методика расчета винтоканавочного ротора для ЭЙ с короткозаыкнутам ротором и гильзой на роторе из магнито-эдвктропрооодящего материала, винтоканавочная нарезка повышает надежность и ВАХ машины.

Практическая пенйость. Разработаны технологические анструк-цан с .описаняем техпроцессов изготовления Ш открытого испсяна-ния, укладки протяжных обмоток и способы сборки, подготовлен цех-изготовитель для выполнения заказов и серийного выпуска электродвигателей типа АМВ (Асинхронная машина Ветохина).

На основании поэтапного исследования узлов, деталей, обмоток, контактной коррозии и тЗд. разработаны методики расчета протекторов от контактной коррозии .в зависимости от глубины погружения, движения морской воды внутри машины, • предложена методика расчета винтоканавочного ротора с целью придания ламинарного движения морской вода по зазору и вымывания инородных час-виц из двигателя.

Разработаны схемы протяжные обмоток статоров из обмоточных проводов с полимерной изоляцией, токоподвод и их технология из-

готовления для любых Ш по мощности, частоте вращения с охватом мощностей от 100 Вт до 300 кВт, напряжением до 600 В. Тоководвод соединения питающего кабеля с обмоткой статора впервые применен на этих машинах, запеченная монолитная изоляция из облученного полиэтилена обеспечивает высокую надежность в высокое сопротивление изоляции не менее 500 МОм. На герметичных маслозаполненных Ш применяются штепсельные соединителе, обладающие вероятностью разгерметизации от вибрации и обладают свойством отпотевания резины.в месте соединения разъема, и как результат падение сопротивления изоляции в этом соединении.

Подготовлен цех-изготовитель на АО"Электросила" для выполнения заказов и серийного выпуска электродвигателя типа ШВ для нуяд морского флота и народного хозяйства.

. Винтоканавочный ротор внедрен в электродвигателях приводов гребных винтов и насосов на ГПА. типа "Поиск", г.Севастополь; Способ определения коэффициента трения и трения трогания подшипников внедрен на АО"Элекзросила". Изготовлены и испытаны опытные конструкции электродвигателей чипа АМВ-3 и АМВ-5, прошедщие испытания по полной программе на стенде в искусственной морской воде и длительные ресурсные испытания в естественных морских •условиях в течение 10000 ч. Они рекомендованы на серийное изготовление.

Личный вклад автора состоит в разработке научно-технической программы на 1985-1995 годы по созданию электрических машин (Ж) открытого исполнения, работающих в морской воде на неограниченной глубине погружения. Программа полностью и в полном объеме выполнена. Программой было предусмотрено разработка технических

-У1

требований на ЗЛ открытого исполнения, обмоточные провода, подшипники, материалы, по которым поэтапно создавались отдельные узлы 3/1.

За указанный срок автором были изготовлены пять модификаций асинхронных ЗМ типа АМВ, которые проходили испытания на стевде в искусственной морской воде и в натурных условиях в бассейне Черного моря. Из них два опытных электродвигателя типа АМВ-3 и АМВ-5 мощностью 9 и 5 кВт подготовлены к серийному промышленному изготовлению.

3 результате работы, проделанной в 1987-1992 годах по изучению зарубежных и отечественных патентов, современных достижений по изоляции, по конструкционным и порошковым материалам, морской коррозии и собственных научных разработок были созданы три типа Ж открытого исполнения и запатентованы в СССР и России шестнадцатью патентами. Для мощных.забортных механизмов (гребные винты, активные рули, насосы и т.д.) .- "Электрическая машина Ветохина ЗМВ", исполняется, в основном, асинхронного типа. Для средних и малых мощностей - "Торцевая машина Ветохина ТЗМВ", изготавливается с дисковыми индукторами и ротором, в асинхронном ТЗМВ ротор выполняется из набора дисков между индукторами в виде дисков из магнитоэлектропроводящего материала, в синхронном ТШВ в окна диска ротора вставлены постоянные магниты, полюса которых напралены в стороны индукторов в осевом направлении. Для системы автоматики и роботоехники разработаны машины* малых мощностей - -- "Электрическая микромашина Ветохина ЭШВ", в которой подшипниковые узлы оовмещены с подшипниковыми щитами, а ротор выполнен в взде монолитного узла с валом. В асинхронном 2ШВ на активную часть ротора насажена гильза из магнизопроводящей металлокерамики,

выполняицей роль короткозамкнутой обмотка. В синхронной ЗШВ на роторе из высокопрочной антикоррозионной немагнитной стали размещены постоянные магниты.

В теоретическом плане автором разработаны основы теории гидролитической стойкости материалов, работаюцих в морокой воде в вышеприведенных корабельных ЭМ. Э^а теория является фундаментом для проектирования и конструирования сМ с использованием разработанных новых обмоточных проводов, подшипников и т.д. только отечественного производства. В соответствии с основами теории гидролитической стойкости предложена методика расчета протекторной защиты активных частей статора и ротора, предложены аналитические зависимости определения размеров протекторов в зависимости от глубины погружения и движения морской вода внутри машины от вращения ротора на ресурс 10000 часов и срок службы 10 лет. Протекторы в данном случае приостанавливают контактную коррозию и несут роль анода и будут коррозировать, а активные часта Ж будут находиться в.исходном состоянии и нести функщп: катодов. Предложена методика определения основных трибошхаш,-ческих характеристик металлокерамических подшипников и спосо"' определения коэффициентов трения и трения трогания, полученк

зависимости их количественного определения. Способ внедрен и применяется на АО"Электросила" для определения этих коэффициентов на подшипниках скольжения Щ.

Разработана, методика расчета и получены зависимости по определению конструкции и характеристик винтоканавочного ротора с ыногозаходной резьбой, предложены схемы протяжных обмоток статоров, их расчет и рекомендации по выбору, выведены зависимости определения бегущих полей в немагнитном зазоре линейных индукционных машин и предложены компенсированное индукторы, которые будут создавать только бегущие поля в зазоре, создающие полезный напор.

Теоретически обоснована и разработана методика проектирования и расчета ЭМ открытого исполнения с повышенной плотностью тока в обмотке статора с учетом охлаждения обмоток-непосредственно морской водой.

Апробация работы. Основные положения и научно-технические работы по диссертации периодически ежегодно докладывались (1987-1992 годы) на забытом экспертном совете НШ ЛПЭО"Электросила", а также на: 5-й Всесоюзной научно-технической конференции

"Проблемы повышения технического уровня судового электрооборудования" (ЦНШСЭТ, г.Ленинград, 1989 г.); на Всесоюзном семинаре "Совершенствование судовых и автономных электромеханических систем" (СВШИУ, г.Севастополь, 1990 г.); на заседании кафедры электротехники (.№ 32) Севастопольского высшего военно-морского инженерного училища, 1991 г.; на заседании малого ученого Совета института электродинамики АН УССР, г.Киев, 1991 г.; на заседании кафедры электроэнергетических систем Военно-морской академии им.ада.Н,Г.Кузнецова, Ленинград (С.-Петербург) 1991, 1995 гг.); на заседании кафедры электротехники и измерений Высшего военно-морского инженерного училища им.Ф.Э.Дзержинского, С.-Петербург, 1995 г.; на заседании кафедры электротехники Ленинградского высшего военно-морского инженерного училища им.В.И.Ленина, г.Пушкин, 1991 г.; на заседании кафедры "Электрооборудование судов" С.-Петербургского морского технического университета, 1996 г.; на семинаре международной выставки иЫЕ1_-96 "Приводы, средства управления и автоматического регулирования", г.С.-Петербург, 1996 г.

Даны рекламы на машины типов ЭМВ И.Д. № 456-95, 2ММВ И.Л. И 3-95, ТЗМВ И.Л. № 2-95, на металлокерамический подшипник скольжения типа ПС ЭМВ И.Л. И 623-95 и на Асинхронную машину Ветохина типа АМВ-5 И.Л. № 624-96, через НТЦ г.Санкт-Петербург, 1995-1996.

Рекламные материалы с описанием технических характеристик ЭМ опубликованы в периодической печати массовой информации: газета "Электросила" Л 32, 16.II.1994 г.; газета "Электросила" Л 8, 24.04.1996 г.; газета "Новый Петербургъ", № 46, 28.11.1996 г.; газета.'.'Экстра Балт", № 4 , 30.01.1997 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в печатных статьях, из них 12 закрытых и приведенных

в списке научных трудов, 16 патентах и 10 авторских свидетельствах, из них 7 а.с. - закатах и приведенных в списке научных трудов, а также в 9 научно-технических отчетах НИИ АО "Электросила", из них 4 отчета закрытого оформления, которые использовались в качестве рабочего материала в объединении "Электросила" и СПМШ "Малахит".

Структура и объем -работы. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав текста, заключения, содержит 229 страниц машинописного текста, 64 рисунка, 20 таблиц и списка используемой литературы из 144 наименований, всего 270 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш диссертации, сформулированы, задачи исследования, намечена последовательность -проведения научной работы, определены пути решения поставленных задач и кратко изложены основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе произведен анализ применяемых в Ро,ссии и за. рубежом погружных электрических двигателей СПЭД) в качестве приводов гребных винтов, насосов активных рулей, подруливащих устройств, лебедок и т.д., глубоководных подводных аппаратов (ГПА) ■и добычных морских установок ОШУ) .Произведен краткий исторический обзор по применению и эксплуатации ПЭД, установленных за бортом обитаемых и необитаемых ГПА и ДМУ. Проанализированы технические решения, по конструктивному исполнению этих машин, ко-торые,,прздусма;тривают три.вида исполнения:

п

1) .Закрытое ш герметичное, при котором внутренние полости двигателя заполнены жидким диэлектриком (трансформаторное тело, керосин и др.) или иалоагрессивной пресной водой, с определенным водородным показателем РН, слукащши для компенсации противодавления, изоляцией от внешней морской вода внутренних активных частей электродвигателя, охлаждения и смазки подшипников.

2). Экранированное, при котором обмотка статора вместе с пакетом железа, и. бочка, ротора закрыты экранам, предохранявшим от соприкосновения активных частей статора и ротора с забортной морской водой, иногда эти машины называют "гильзованными". Полость статора • при атом заливают диэлектрической жидкостью и. устанавливают мембранный компенсатор для вышеуказанных целей, по зазору меяду ротором и статором и через подшипники проходит морская вода.

3). Открытое, при котором все внутренние полости охладцают-ся забортной морской водой, в том числе обмотки и электротехническое железо статора и ротора, вал, подшипники и т.д. (разработка автора).

Применяемые ПЭДд имеют ряд общих недостатков:

- сложность конструкции и .ограниченность-глубины погружения;

- не обеспечивается полная гарантия работы узла уплотнения,

при нарушениях которого внутрь ПЭД попадает морская вода, и дви-

/

гатель выходит из строя..из-за коррозии химического, биологического и электрохимического характера. Б маслозаполненнсм исполнений система твердой изоляции обмоток работоспособна Тгри обводнении масла до 0,1%. В водозаполненном исполнении при попадании морской вода в полость двигателя выходят из строя металлорези-новые подшипники, электротехническая сталь, обмотки и т.д.;

- во всех маслозаполненных ПЭДах в случае нарушения герметизации на поверхности воды появляются масляные пятна в виде тонких плавающих пленок, закрывающее доступ кислорода и солнечного света в верхние слои морской воды для обеспечения фотосинтеза биоорганизмов (планктонов), т.е. загрязняет окружающую морскую воду, нарушая экологию;

- в экранированном варианте увеличиваются потери от вихревых токов в гильзе, увеличивается эквивалентный немагнитный зазор, что влечет за собой снижете КОД двигателя, коэффициента мощности, уменьшение пускового момента и в итоге снижение энергетических характеристик.

- герметизация, наличие жидкого заполнителя, уплотнений, экранируицих гильз увеличивают массогабаритдае характеристики ПЭДов, что является большим недостатком их применения на ЗЖ на большие глубины погружения, в которых прочный корпус изготавливается со стенкой оболочки большой толщины;

- гильзованное (экранированное) и напсулированное исполнение статорной обмотки в различных компаундах ПЭД делают их нере-монтоспособными, в случае брака намотки статора, он не ремонтируется, а изготавливается новый;

- применяемые металлографитовые подшипники и торцовые уплотнения восприимчивы к ударным и повышенным механическим возыуще-ниям.

Указанные недостатки устраняются в ЭМ открытого исполнения, разработанных авторш.

Машина должна обладать высокой надежностью и длительной работоспособностью в разгерметизированном исполнении с охлаждением всех актившх частей, В' том числе обмотки, электротехнического железа и подшипников, непосредственно морской забортной

водой на неограниченной глубине погружения при любых кренах и деферентах непрерывно в течение 10000 часов со сроком службы не менее 10 лет.

Целью настоящей работы является разработка такой конструкции электрической машины открытого варианта, который позволит применять их в качестве приводов забортных механизмов (гребные винты, насосы, активные рули и т.д.) ГПА и ДДУ в морской воде с любой химической активностью, соленостью, при наличии в ней биоорганизмов, заиления и других взвешенных органических и неорганических частиц, находящихся в коллоидном состоянии, а также наличии хлоридов, дисульфидов, сероводорода, борной кислоты и т.д.

Решена главная проблема - борьба с морской коррозией активных частей ЭМ.

Сформулировано определение гидролитической стойкости материалов и разработаны основы теории гидролитической коррозионной стойкости и требования к стойкости материалов применительно к корабельному электромашиностроению. Б основу гидролитической стойкости заложены понятия сохранения механических, физико-химических и диэлектрических характеристик материалов и обмоточных проводов при болышрс гидростатических давлениях (погружениях), высокой соленостью Ши Цдо- 3,5%), наличием катионов, анионов, гидрокарбонатов, сульфидов, биоорганизмов и т.д. в морской воде.

Рассмотрены вопросы коррозии чистых металлов в соответствии с электрохимическим рядом электродных потенциалов чистых металлов, при электрическом контакте нескольких металлов з морской воде, которая проявляется в основном как электрохимическая,

биологическая и контактная.

Анализ электрохимической коррозии в морской воде (электролите) позволил установить, что в ЭМ, в которой конструкция состоит из различных металлических частей, имеющих между собой электрический контакт, будет проявляться в основном контактная ' коррозия, при которой подвергаются сильной коррозии части Ш с белее низким электродным потенциалом, т.е. поверхность электротехнической стали ротора и статора.

В качестве основной характеристики коррозионной стойкости металлов принята скорость коррозии, выражающаяся в линейных размерах - миллиметры в год. Иногда эту характеристику называют проникновением коррозии.

Анализом различных источников исследований установлено, что с глубиной погружения до 5000*6000 м скорость коррозии металлов увеличивается примерно в 1,5 раза по сравнению с горизонтом. На основании этих исследований предложена зависимость определения скорости коррозии металлов и сплавов в зависимости от глубины погрузке ния.

Эти результаты необходимо учитывать при проектировании и конструировании ЭМ открытого исполнения коэффициентом скорости коррозии /^дк материалов от глубины погружения в морскую воду, который находится в пределах = 1,2 4-1,5 1,2 при погружении до 500 м 1,5 при погружении до 5000 м и более.

В соответствии с техническими требованиями для ЭМ открытого исполнения и с учетом основ теории гидролитической стойкости

«

материалов применительно к корабельному электромашиностроению

автором разработала и запатентована в СССР (России) электрическая шпшна переменного тока, работаицая в морской воде на любой глубине погружения.

На рис.1 представлена электрическая машина ЗМВ асинхронного типа. Расшифровка позиций не приводится, подробно описано в диссертации.

В конструкцию электрической малшш типа ШВ входят различные металлы и сплавы, которые находятся в плотном электрическом контакте меящу собой. Поэтому при погружении в морскую воду (электролит) будут происходить электрохимические процессы на активных частях ЭМВ, где каждый металл будет играть роль электрода. Разность потенциалов между указанными металлами вызывает контактную коррозию, разрушающую их. Разрушению подвергается тот металл, у которого электродный потенциал ниже (анод) и контактирующий с морской водок, т.е. в данном случае - поверхности расточки статора и бочки ротора в немагнитном рабочем зазоре, что влечет за собой увеличение величины немагнитного зазора и может достигнуть критического состояния и не обеспечить требуемого ресурса работы ЭМ, поэтому необходимо железо статора и ротора перевести из анодного состояние в катодное, то же самое произвести с короткозам-кнутой обмоткой ротора.

Автором разработана электрохимическая протекторная защита от контактной коррозии в морской воде активных частей ЭМБ в соответствии с основами гидролитической стойкости материалов с использование;,I алшишево-ыагниево-цинкового сплава, который выполняет функции анода, а активные части 2МВ переходят в катодное состояние.

i з м z

На рпс.1, для защити от контактной коррозии статора по торцам внутрь корпуса I вплотную к пакету гелеза статора 3 запрессованы кольца-протекторы 4, например из сплава ШР- ЗМ. Ротора 5 -на свободные концы вала вплотную к пакету железа напрессованы втулки - протекторы 10 из того ке сплава.

Так как алюмшиево-магниевый сплав имеет электродный потенциал значительно ниже, чем потенциалы остальных частей ЗМ, то он несет функции анода и будет подвергаться коррозии, а остальные • части будут нести катодные свойства и находиться в исходном состоянии.

В электрической машине ЗШ охлаадахщая жидкость - морская вода (электролит) находится в движении от вращения ротора, происходит смывание продуктов электрохимической коррозш и образование на их месте новых. В связи с чем должна быть введена поправка на скорость движения электролита коэффициентом ^ , учитывающим вращение ротора, т.е. движение морской вода внутри полости ЭТО.

Автором на основании тщательных исследований установлено, что^Лу находится в пределах(1,4+1,6),

1.4 - для малых частот вращения ротора до 750 об/мин,

1.5 - больших частот вращения до 3000 об/мин и выше.

Таким образом скорость.коррозии активных частей в линейных размерах с учетом глубины погружения и скорости движения морской вода внутри ЭШЗ определяется по формуле

П = /Л . ^ . . т0-3 , (I)

О год

где К - потеря массы г/м^.год (Г - плотность ыеталла г/см3

В выражении (I) с учетомуЧкИ/^скорость коррозии П для активных частей 3!! ограничивается и равно П = 0,005+0,01 мм/пщдля протекторов - П = 0,3+0,5 ш/год.

Поэтому толщина протекторов поз.4,10, рисЛ о учетом коэффициента запаса принимается равной 8+10 им на 15 лет.

Авторам на различных моделях электродвигателей типа АМБ экспериментально установлено, что контактная коррозия электротехнической стали статора и ротора в нешгиатном зазоре отсутствует прз условии:

- 1 (2)

91 20 '

где площадь втулки - протектора (активная),

соцрикасанцаяся с морской ведой; площадь поверхности ротора, соприкасавшаяся с морской ведой.

Ввиду малости величины толщины втулок по сравнению с их дайной, в расчете их можно не учитывать. После соответствующих преобразований (2)- получим зависимость длины протекторе от длины активной части ротора

+ . (з)

Ншашй предел относится к контактным шрам с малой разностью потенциалов, верхний - с более высокой разностью потенциалов между контактирующими деталями из металла или сплава. -¿¡_~ длина активной части ротора (пакета); Я, - длина в аксиальном направлении втулки - протектора 10, рис.1.

Глада вторая посвящена разработке конструкции подшипников,.

у

обмотка с токоподводш, методик их расчета, технологии изготовления и способов оборки мадмны. В главе произведен краткий обзор

существующих подшипников, которые применяются в механизмах для работы в агрессивных дидких средах.

Существующие подшипники не отвечают требованиям, предъявляемым к ним по иеханнческЕы, ударным, антифрикционным, антикоррозионным характеристикам и гидролитической стойкости к морской воде, обладавшей большой химической активностью, наличием в своем составе биоорганизмов и различных взведенных инородных частиц.

Основными требованиями, предъявляемыми ко всей антгфрикцгон-нны материалам для морской вода, являются, мкнтаалытай коэффициент трения, высокая износостойкость, высокая стойкость к электрохимической и биологической коррозии.

Этим требованиям отвечает композиционный вксокодлотннй антифрикционный порошковый материал (металлокерамика), который был разработан авторш совместно с ЕРНПО Ш г.Минск. В итоге работы отработана технология его изготовления методов» горячей штампован под болышм удельным давлением.

Химический состав материала Бр05Н2С5Гр1ДМ1. В составе цифра показывают процентное содержание легирующего элемента, а буквы -название элемента, т.е. О - олово, Н - никель, С - свинец, Гр -графит, ДМ - дисульфид молибдена. Основа - оловянисто-никелевая бронза.

Технологический процесс изготовления вкладышей состоит из следующих операций:

1. Приготовление шихты требуемого химсостава.

2. Прессование исходной заготовки требуемой формы* размеров и перистости.

3. Спекание исходной заготовки с целью достижения требуемых" физико-механических свойств при температурах, обеспечивающих сохранение структура и разового состава твердой смазки.

4. Нанесение техкологЕческой смаэкн.

5. Нагрев исходной заготовки в защитной атмосфере до требу-еинх тешхзратур.

6. Горячая пластическая дефоргадвя порошковой заготовки, т.е. прессование (калибровка) в специальной нагретой матрице.

7. Контроль качества материала к заготовки.

Праосованге исходных заготовок (опертая 2) проводилось при

удадьнсы давлении 5 т/см^.

Нагрев спеченной заготовки (операция 5) производится в пачн аре температуре (550-600)°С.

Горячая штамповка (операция 6) осуществляется ш прессе при удельном давлении 8 т/см2, при этом не допускается сколы, расслоения, коррозия.

Разработанная технология позволяет получать шеокошютвый (относительная плотность до 93$), антифрикционный, антикоррозионный катериад с более высокой несущей способностью и износостойкостью.

Автором разработаны конструкции подшипников скольлвкня с ващдазами нз это! металлокерамики со скользящей парой с антикоррозионной высокопрочной неркавевдей сталью марки ДИ48-ВД (ш аналогичной), которае имеют опорные и упорные поверхности и изготавливаются любнх габаритов.

В главе рассмотрены трибомзханкчеокне характеристики этих подшипников, коэффициент трепет которых не зависит от габаритов и от шювдда трения, а зависит от физико-механических свойств порошковогс/материала, т.е. .

— (4)

Ст 2

где «2Г-. - предел текучести на сроз, кгс/ог;

с/т = предел текучести на сжатие, кгс/сьг.

Кроме того, коэффициент трения не зависит от свойств морской вода, так как морская вода не обладает антифрикционными свойствами, поэтому подвишики относятся к классу сухого трения и могут работать на воздухе, смазку обеспечивают лнгиругсцие элементы ДЩ н Со, вода служит доя охяагдзния подешшнков.

Автор«« разработано устройство и способ определения коэффициента трения и трения трогания этих подшипников. Коэффициент трения определяется из характеристики холостого хода на воздухе X = 97*-Р\ , (5)

где Рц - потери мощности в газдзЕШшках на воздухе, кВт (потерями трения ротора о воздух можно пренебречь, ибо вязкость воздуха в Ю3 раз меньше вязкости воды);,

- синхронная частота вращения, об/шш;

Грат - вес ротора, кто;

К 1 - радиус подвижной втулки подшипника, м.

Коэффициент трения трогания определяется с помощью предложенного авторш устройства

г _ В- ■ I (6)

?тР.тРо2. ;

где - вес эталонных гирь, кгс;

£ - длина плеча коромысла устройства^ и* .

Показано, что /• тр.трог, для указанных подшипников в 3+3,5 раза больше, чем ]-т .

Эти данные необходимо учитывать при расчете пусковых моментов, особенно электродвигателей, которые запускаются от аккумуляторных батарей.

Геометрические размеры и механические характеристики подшипников сухого трения определяются, исходя из различных крите- ' ркев и методов.

1. Расчет по критерии прочности заключается в обеспечении необходимой прочности подшипника, материал которого подвергается объемному сжатию под"действием нагрузки.

2. Расчет критерия износостойкости определяется из интенсивности изнашивания трущейся поверхности, определяемой как объем материала дУ, удаленный с единица поверхности на единицу пути трения е линейным износом Д Ь , характеризующимся изменением размера подшипника в направлении, перпендикулярном валу ротора. .

Величина дЬ известна и задается для проектируемого подшипника, в частности дня металлокерамэтеских подшипников при работе в морской воде, равняется

—(о,оо5 ■

3. Расчет по критерия теплостойкости основан на норшлъном тепловоз режиме при установившейся работе подшипника, при котором обеспечивается стабильность физико-механических свойств материалов пары трения и геометрических размеров подшипника и является основным фактором надежности, долговечности и необходимого срока службы.

4. Важным критерием при расчете подшипников сухого трения является критерий теплостойкости - допустимое значение произведения давления на скорость скольжения рэу] , которое характеризует увеличение температуры вследствие тепловыделения во время трения. При повышенной температуре подшипника допускают меньшее давление и скорость-, их срок службы уменьшается. Следовательно, критерий (параметр) [р у] определяет долговечность подшипника при повышенных удельных нагрузках и скоростях скольжения, чем выше Ср у] » тем виде класс подшипника. Автором совместно с ВРНПО Ш г.Минск вперше разработаны и внедрены в ЭМВ открытого исполнения йа цорскую воду васйконагруженные металлокерамические подшипники

хи. и ДЛ

скольжения с [р'у] = 2000*-2500 —?- , химический состав и

сиг ' с

технология изготовления вкладышей приведены вниз.

В главе рассмотрены различные схемы протяжных обмоток, их расчет,разработан способ технологии их ншотки челночным методом из нового обмоточного правода с изоляцией из облученного сшитого полиэтилена к меди к фторопласта 2М внешнего слоя. Автором разработан токоподвод сети к обмотке с петедыо соединительных коробок, укрепленных внутри корпуса, изолировка мест соединений производится запеченной полиигрной пленкой, а негерметичше коробки заполняются гидролитически стойким компаундом холодного отвераде-ния. Для малых машин разработан эквивалентный вариант токоподво-да, электрическое соединение кабеля с обмоткой производится без коробок выводов, места соединения изолируются запеченной попиляр-ной пленкой.

В главе рассмотрен способ сборки ЭМ открытого исполнения, который сводится к двум операциям. Собирается ЭМ полностью без обмотки, с окончательными механическими обработками, проверяется механическое вращение ротора, бой и разбег вала ротора. Этот этап называется - промежуточная сборка.

Затем ЭМ разбирается, производится укладка протяжной обмотки, методом погружения намотанного статора в ёмкость с соленой водой {3,о% ЫаСО определяется сопротивление изоляции, которое должно быть не менее 5ООМ0н, если меньше, то фаза перематывается ковша проводом, так как места повреждения подим^рной изоляции никаким;: клеяки не склеиваются и никакими лакалш не пропитываются, а только свариваются ш запекаются, в заводских условиях выполнить это не реально. После немотки статора проводится окончательная сборка ЭМ, никакие механические доработки не разрешаются, Ж направляется на испытания и после их успешного

завершения - заказчику.

Тштья глава посвящена отличительным особенностям проектирования и расчета ЭМ открытого исполнения, которые определяются конструкцией машины, все активные части которой омываются непосредственно забортной морской водой. Многолетнее изучение различных моделей машин типа АМВ показало, что максимальная абсолютная температура нагрева ^аптш определяется температурой меди обмотки, которая равна температуре забортной вода плюс перепад температуры в изоляции провода из облученного полиэтилена и фторопласта и выкладки паза.

Эта температура не превышает 50°С при температуре заборной вода 32°С.

Из этих физических соображений плотность тока по обмотке можно увеличить в несколько раз при одинаковой линейной токовой нагрузке'и рабочей индукции в рабочем немагнитном зазоре по • сравнению с герметичной авдкостнозаполненной машиной. Это позволяет значительно уменьшать массогабаритнке характеристики Ш щн одинаковой мощности или увеличить полезную мощность при одинаковых габаритах активного ядра герметичного и открытого исполнения, даже при уменьшении коэффициента заполнение паза медью обмоточного провода в 1,5 раза по сравнению с герметичными мас-лозадолненнши ПЭДами.

В ЗМВ открытого исполнения обмоточные провода имеют утолщенную полимерную "изоляцию и юэтсму коэффициент заполнения паза будет меньше, чем у герметичной маслозаполненной шаш с лавсановой изоляцией обмоточного провода. Это уменьшение компенсируется повышением плотности тока по виткам обмотки статора.

Действительно, допустим плотность тока увеличивается в три раза. Тогда для двух ЗМ герметичного и открытого исполнения одинаковых габаритов статоров имеем

Л-ЗЛ , С7).

где - плотность тока герметичной машины, А/мьг •

J¿ - плотность тока откр-той машшы, А/мм2.

При условии равенства линейных токовых нагрузок имеем:

= (8).

где \д/ - количество витков фазы герметичной машины;

1

\iVj- количество витков фазы открытой машины;

IÍ~J^ фазный ток герметичной машины;

фазный ток открытой машины.

Произведя соответствующие преобразования, получим

—= 3 . 19)

\Л/г

Следовательно, для обеспечения одинаковой линейной токовой нагрузки можно уменьшить коэффициент заполнения паза в три раза. На практике по применяемой изоляции проводов и паза герметичной Ш и обмоточных проводов с полимерной изоляцией открытой ЗМ коэффициент заполнения паза уменьшается не более, чем в 1,5 раза. Избыточные витки фаз будут создавать дополнительную мощность. Таким образом, разгерметизация ЭМ позволяет увеличить мощность в I,5*2,0 раза и более при одинаковых габаритах активного ядра. Особенности электромагнитного расчета

Исходными параметрами для электромагнитного расчета ЭМВ яв-

/

ляются полезная мощность на валу, частота вращения ротора (или число полюсов), напряжение и частота сети переменного тока- независимо от приводимого в движение механизма.

Линейная токовая нагрузка, магнитные индукции в немагнитном рабочем зазоре, ярме а зубцах по величине принимаются такими же,

как и для герметичных маслозалолненных ГОД.

Через известную мощность и заданное напряжение линейный ток по фазам будет определяться

г _ Ргн • ¿О3 , (Ю)

Задастся плотностью тока в витках обмотки статора. Дня протяжных обмоток, в фазах которых витки соединены последовательно и по ним протекает линейный ток при соединении "Звезда" с охлаждением витков в пазах и лобовых частях забортной морской водой, плотность тока находится в пределах у = 15+20 А/мм^, это в два три раза больше, чем у герметичных маслозалолненных ПЭД. Тогда сечение оСшоточного провода будет равно

Др-> (II)

где 7 - плотность тока, А/мм2;

Б - сечение обмоточного провода, мм^.

Обмоточные провода для этих машин выпускаются только круглого однопровсдочного исполнения с полимерной 2-х слойной изоляцией, к меда - из облученного сшитого полиэтилена и внешнего слоя - из фторопласта 2М суммарной толщиной 0,45+1,0 ш на сдау сторону, изготавливаемой методом экструзии и на диаметры медной яйлы - 0,5;0,8;1,4;1,6;3.2 мм, . определив сечение провода по (II), выбирают провод из этого ряда проводов.

Это сечение проводов является главным критерием оцределения • геометрии паза и конструкции активного ядра машин в целом.

Как правило генеральный заказчик ГПА, кроме основных энергетических требований выставляет требования по габаритам либо по дайне, либо, по диаметру ЭМ без их изменения в сторону увеличения. Допустим,- задан заказчиком внешний диаметр корпуса два- гателя Дкорн., тогда наружный диаметр сердечника статора будет

равен

— Т>«ор„. — 2$корп. ( м м

где <Г(сорЛ>- толщина стенки корпуса.

Внутренний диаметр сердечника статора для данного типа ЭМ будет равен

Т)1=г Ю'Р*. , (13)

где К = 0,6+0,7.

Длина активной части и внутренний диаметр сердечника статора являются главными размерами асинхронного двигателя.

Связь этих размеров с электромагнитной мощностью, частотой вращения и электромагнитными нагрузками устанавливается уравнением машинной постоянной Арнольда.

Предварительно задавйшсь значением линейной токовой нагрузки, магнитной индукцией в рабочем зазоре, определяют длину активной части сердечника статора по формуле Арнольда

/ = 1°7_ . (14)

Причем, необходимо учесть при определении по (13) и -¿-с по (14) их соотношение существенно влияет на гидравлические потери трения ротора о морскую воду.

При малых частотах вращения до 500 об/мин при час-

тоте вращения 500 об/мин, соответственно, 5 Для

частот вращения 1500+3000 об/мин. т- 2. • При этих соотноше-

ниях гидравлические потери на трение ротора о воду будут минимальными.

С целью снижения величины зубцовых гармонических, а следовательно паразитных моментов и добавочных потерь, а также для' -улучшения ВАХ машины желательно выбрать статор с большим числом пазов и с учетом, чтобы число пазов на полюс и фазу С^ было

больше двух, тогда в зависимости от диаметра расточки статора Т>1 выбирают = 2+4. Желательно, чтобы ^ было бы четным, при котором протяжная обмотка выполняется "вразвалку", которая обеспечит хорошую электромагнитную симметрию, т.к. длины витков катушек, вылеты лобовых частей будут одинаковы, что очень важно для улучшения БАХ.

При заданной частоте вращения ротора число пазов статора равно

г^гр-М'Ъ С15)

Далее определяют диаметр, по которому проходит дно паза, высоту паза с учетом толщины мостика закрытия паза статора, зуб-довое деление в ширину паза С паз берется с овальными концами с прямыми н параллельными стенками). После расчета указанных геометрических размеров, шкета железа статора, графическим методом на миллиметровой бумаге в масштабе чертят паз статора, в- пазу учитывают толщину выкладки паза фторлакотканью (0,3+0,5 мм в три слоя), увеличение диаметра обмоточного провода с изоляцией { Аьр+О^ ) мм на свободную протяжку провода фазы и из этого построения определяют количество проводов в пазу .

Тогда число витков фазы обмотки статора будет равняться

. (16) Исходя из' выражения для ЭДС Е^ асинхронных двигателей число витков фазы равно

еде Кв = 0,92+0,95 - коэффициент, учитывающий падение напряжения внутри статора двигателя.

Число витков фазы по (17) делано равняться числу витков со. (16). В случае большого отличия изменяют длину активной части

сердечника по (14) статора (или диаметр расточки пакета железа статора) и расчет корректируется.

Определив геометрию паза статора, количество Пазов, сечение обмоточного провода, количество проводов в пазу и число витков фазы изложенным методом, закладывают эти данные в программу методики расчета асинхронных двигателей общепромышленного назначения й производят расчет Щ в делом.

При расчете КЦЦ ,311 определенную сложность и трудность составляет определена^ механических потерь, которые состоят

Рмех =(РМп-*-Рп^р), 6™ ХЮ)

где Рмп - потери трения в подшипниках;

Рги^р- потери трения ротора о морскую воду.

Механические потери в подшипниках определяются из характеристики холостого хода на воздухе, либо расчетным путем по выражению, предложенного автором

р = ж, ««

где с1 - диаметр подвижной втулки подшипника.

Коэффициент трения в подшипниках определяется по (5).

В Ш открытого исполнения применяются металлокерамикеские подшипники г подшипники из углепластика. Для металлокерамических подшипников коэффициент трения равен 0,03+0,04, для.вкладышей из углепластика марки ЫГЭТ-Т или ФУТ - 0,05+0,06.

Гидравлические потери трения ротора о морскую воду зависят от частоты вращения ротора и его геометрических размеров. т.е. диаметра, длины, шероховатости.

■ По методике инженера Литовского Е.И. (СКТБПЭ "Потенциал" г.Харьков) гидравлические потери равны произведению удельных

гидравлических потерь на площадь поверхности ротора. Удельные гидравлические потери зависят от гидравлического коэффициента сопротивления вращению ротора, массовой плотности жидкости и окружной линейной скорости. Гидравлический коэффициент сопротивления определяется по комограше в зависимости от числа Рейнолзд-са и отношения диаметра ротора к удвоенной толщине зазора.

Другие" метода определения гидравлических потерь, предложенных зарубежными и отечественными авторами для герметичных квд-аостнозаполненных ЭМ сводятся к расчету потерь, определяемых произведением конструктивного коэффициента^ диаметра ротора в четвертой степени, его дайны, куба скорости в об/мин или рад/сек и коэффициента сопротивления. Причем, конструктивный коэффициент полученный на основании опыта и коэффициент сопротивления имеют большой разброс или сложные зависимости, учитывающими различные неровности поверхности ротора, насосные колеса, коллектора и т.д. и как правило расчеты дают завышенные результаты.

Однако, если представить формулу расчета гидравличееких цо-.терь в виде

Рги^р = К-Ъ^-Ь-П^Лт • 40~" (20)

где К - конструктивный коэффициент, учитывающий шеро-

ховатость вращения частей ротора, в пределах 1,1+1,20; - диаметр ротора, см г Ь - длина ротора, см ' К - частота вращения ротора, об/мин;

гидравлический коэффициент трения ротора о жидкость (морскую воду), который по предложенному автором способу, можно определить по формуле

= (рг-Гг)-г (21)

* ^ рот

где Рг' - вес эталонных гирь (КГС) при определении момента трения ротора в воде;-Рг - вес гирь (КГС) при определении момента трения ротора на воздухе; - длина плеча коромысла устройства;* м; Рро1— вес ротора, КГС; Я рот - радиус ротора, м.

Авторш экспериментально и по (21) определен гидравлический коэффициент трения, равным

Хг = .<? <7*4 -Г 0/а5" .

Гидравлический коэффициент трения мошо определить через безразмерное число Рейнольдса, т.е.

Я - ■ Р, = ^ ■ , (22)

где ^ - кинематическая вязкооть морской воды.

Таким образом расчет гидравлических потерь по предложенной формуле (20) и методом определения гидравлического коэффициента трения по способу автора или через безразмерное число Рейнолздса (22) соответствуют реальности.

Эти методы справедливы и применимы при условии, если поверхность ротора и вращакщиеся части подшипников и вала являются гладкими без насосных колес или других конструктивных элементов, которые дают дополнительный насосный эффект при вращении ротора, а также при ламинерном течении морской воды в немагнитном рабочем зазоре.

Опыты на электродвигателях типа АМВ показали, что расхождение опыта и расчета находятся в пределе 3$.

Особенности теплового гасчета . .

Отличительные особенности теплового расчета ЭМ открытого исполнения по сравнению с герметичными маслозаполненными машинами определяются конструкцией Щ- и условиями ее охлаждения. В данной конструкции все виды потерь в статоре и роторе нагревают активные части машины и тепло от них путем теплопроводности передается непосредственно окружающей забортной морской воде.

Поэтому самой нагретой частью ЭМ является обмотка в пазах и максимальная ее температура определяется температурой забортной воды плюс перепад температуры в полимерной изоляции обмоточного провода и в выкладке паза. Перепады температуры соответствующего участка электродвигателя зависят от его толщины, теплопроводности материала или среды и удельных тепловых потоков через поверхность этого участка в предположении, что они имеют радиальное направление и равную плотность по всей длине машины.

Так как тепло создается потерями мощности в Ж, то перепад температуры определяется через удельные тепловые потоки на соответствующих участках.

В общем случае удельный»те плов ой поток на соответствующем участке будет определяться

1 - ^9 , (23)

где 2ГР - сумма потерь, расходуемых на нагрев;

5 - поверхность, через которую передается тепло от более нагретой части ЭМ к менее нагретой.

Перепад температур по пути тепловых потоков на каждом участке Ш определяется

Д

где Н - толщина участка, м;

~ теплопроводность материала, —Ш— .

; м'грзд

Например, перепад тзмпературы по изоляции

в немагнитном рабочем зазоре

где - безразмерное число Еусельта, учитывающее движе-

ние морской веда по зазору, является функцией от числа Рейяолъдса и отношения диаметра расточки статора к удвоенной толщине зазора,

определяется по номограмме. Число Рейнольдса определяется по (22).

Таким образом, зная перепад температур па соответствующих участках ЗМ, можно определить абсолютный нагрев при известной температуре забортной вода в районе плавания. Например, для обмоток

= ^ (27)

Перепад температур в остальных металлических частях будет меньше, т.к. теплопроводность металлов значительно выше, нежели изоляция.

Вышеприведенные утзерддения по расчету температур и приведенные расчетные данные обмоток ШВ-2 и АМВ—5 проверены экспериментально, расхождение не превышает одного процента.

Результаты работы, описанные з главе, отражала-особенности ".•еллового и электромагнитного расчета при определении активного

ядра ЗД, геометрии паза, количества проводов в пазу и фазе, расчет рабочих характеристик и КПД при повышенных плотностях тока, в том числе гидравлических потерь и коэффициента трения ротора о морскую воду.

Эти особенности необходимо учитывать при расчете и проектировании ЭМ открытого исполнения. Расчеты показали, Что данная конструкция Ш дает возможность снизить массо-габаритные характеристики при одинаковой мощности, или увеличить полезную мощность в одних и тех же габаритах по сравнению с герметичными маслозапсл-менными машинами в 2+3 раза.

В четвертой главе рассмотрены различные модели Э;ЛВ открытого исполнения с гильзой на роторе из композиционного магнитоэлектро-проводящего материала, разработанных автором.

Эти модели являются модернизацией ЗМВ, рис.1 с целью улучшения пусковых и виброакустических характеристик с помощью гильз из композиционного порошкового высокошотного магнитоа^еятропров^дя-щего материала.

Для более удачного сочетания рабочих, пусковых и виброакустических характеристик (ВАХ) порошковый материал гильзы подбирается с содержанием чистого железа (Р-е ) 795?, чистой меда (См ) - 1%, остальные лидирующие композиционные порошковые материалы Мц , <4€ , Si , ¡\1! , Сг. к т.д. для подбора оптимальных электромагнитных свойств гильз с удельным электрическим сопротивлением

— (1-т- 2) 40 7; Ом- м . и относительной магнитной проницаемостью у^ 1» = 50+70 до 100, толщина гильзе определяется расчет«.

Для приводов забортных механизмов дау и 1'Ич с тяаелыш пусками, например лебедок, шпилей, брашпилей, насосов и др. автором разработаны три Типа модификаций этих Э;,1:

1) зав асинхронного хила с гильзой из композиционного порошкового кагнитоэлектропроводящего материала, напрессованной на ак-•""шную часть ротора.

¡Задача решается тем, что в известной ЗМВ пакет ротора выполнен шихтованным из электротехнической стали без пазов и обхлотки и закрыт дисками по всей поверхности его торцов, кмеицима через на-, зааше листы с шихтованным пакетса ротора электрический контакт а выполненными из металла или сплаза с электродный потенциалом, расположенном в электрохимическом ряду низе, чем электротехническая сталь, диски и пакет ротора напрессованы на вал и заключены внатяг з гильзу из высокоплотного композиционного порошкового материала на основе .телеза а меди, а. места контакта нажимных листов, дисков и гильзы спаяны между собой, при этом диски с обоих свободных концов зала закреплены напрессованными ннатяг кольцам из нерзавещей стали, пакет ротора с нажимныш листами и дисками имеет ряд сквоз-гзых концентрично расположенных отверстий, связываадих ротор с знешней средой, в пазах пакета статора имеются магнитные клинья лз материала гильзы, а в корпусе с -обоих концов запрессованы втулки-протекторы из сплава алюминия.

В ЗЛВ диски и пакет ротора могут быть выполненными с равны-:.гл диаметрами, а даша гильзы равна суше длин дисков п пакета ротора, И7ПГ длины гильзы и пакета ротора одинаковыми, а диаметр .диска равен сумме диаметра ротора и удвоенной толщины стенки гиль-зн.

2} с зинтоканавочной нарезкой на гильзе ротора и протекторной защитой на корпусе в ввде колец из алюминиевого сплава, в которой корпус статора, выполненный из высокопрочного антикоррозионного материала, имеет на внешней поверхности кольцевые канавки по окружности поверхности, в которые запрессованы вкатят

протекторные кольца-обручи, равномерно распределенные по корпусу, ротор имеет со стороны торцов круговые кольца - протекторы, вставленные к электротехнической стали в гильзу ротора, выполненную из высокопрочного ыагнитоэлектропроЕодацего материала, и приваренные к ней, при этом внешняя поверхность-гильзы ротора имеет рифление в виде многозаходной винтоканавочной нарезки, симметричной относительно центра ртпцт, и ингптп, рптшм половине длины гильзы ротора, причем, протекторные кольца-обручи корпуса и круговые кольца-протекторы ротора выполнены из алшшиево-магыиево-цинковог'о сплава.

Наиболее эффективной конструкцией канавки является полусферическая или треугольная с четным числом заходов Z = 6*12 и глубиной 3+5 мм.

Теоретическая подача винтоканавочного ротора равна

где Р - сечение канавок, м2;

Ь - результирующий шаг, м;

П - частота вращения ротора, об/с.

Теоретическая осевая скорость морской воды

. "/с. (29)

Теоретическую скорость моаао определить через окружную линейную скорость

"т = "окр : ¿з^З , "/с (30)

где ув - угол подъема винтовой канавки, рекомендуемый угол ■■ подъема канавки однозаходного винта равняется 10+14°.

Перепад давления в каналах, от которого зависит затраченная мощность на создание течения, определяется

где уЗ - массовая плотность морской вода, —

Однако фактическая подача, фактическая скорость, потеря набора зависят от геометрических размеров канавок, свойств жидксо-. и, гидравлического сопротивления каналов и т.д. и будет определяться'с учетом коэффициента расхода (объемного КПД), который выведен в диссертации, и равняется

' <32)

М Ат и

где о, - диаметр канала, м;

L- длина ротора, м;

?1Г- гидравлический коэффициент трения (22).

Теоретическая мощность, которая необходима для обеспечения теоретической производительности (подачи) равна

О - к, - вт-Лр . (33)

Соответственно, фактическая мощность будет равняться с учетом объемного КПД ^

ЙР- ■ (34)

юг

3} ЗМВ с гильзой из магнитоэлектропроводяшего материала и насосными колесами в одной конструкции с ротором, позволяющими значительно уменьшить массогабаритные характеристики и повисать надежность за счет исключения раздельного агрегатного исполнения Ш я насоса,'а также узла стыковки. Задача решается,там, что к подшипниковым щитам статора прикреплены полусферические кодухи с цилиндрическими патрубками для крепления в гидравлическую оиотему, подшипниковые щпты в области торцевых поверхностей ротора пм&м скка, расположенные симметрично друг относительно друга я* оси ыа-плшы, на вал ротора в активной зоне расточки статора закреплены" " насосных колес с радиальными лопатками некругового сечения

и

(где И 9-1), расположенных под углом относительно осей ступиц колес, а на свободные концы вала установлены балансировочные эксцентричные втулки или диски из материала вала с радиальной плос-костьй сечения в виде эллипса со смещением его центра относительно оси машины в сторону уменьшенной плотности массы ротора, при ■ этом на концы лопаток насосных колес напрессована цилиндрическая —стя 1ур*™*тоэлектропроводящего материала и внутрь гильзы с ее торцов встык с лопатками крайних насосных пинас укреаяеш-про--текторные кольца из алшиниевонаагниевого сплава.

В пятой главе разработаны ЭМ открытого исполнения для работы в морской воде на любой Глубине погружения в микроисполнении для приводов различных подводных систем автоматики и робототехники.

Разработаны при модификации конструкций микрсмашины типа ЕШВ (Электрическая микромашина Ветохина):

I) ЭММВ асинхронного типа с гильзой из манщтоэлектропрово-дящего'материала на роторе.

С целью обеспечения возможности применения в подводной автоматике и робототехнике, повышения надежности и удлинения срока "службы за счет исключения контактной коррозии активных частей микромашины при одновременном упрощении ее конструкции и снижения массогабаритных характеристик, корпус выполнен из углепластика на основе углеткаш шш углеволокна, пропитанного эпоксидными или фенольными смолами, в ротором запрессован пакет статора из листов нержавешцей магнитной стали, роуор с валом представляют собой монолитный узел из высокопрочной антикоррозионной магнитной стали с насаженной на активную часть'ротора гильзой из магнитоэлектро-проводящей металлокерамики, а шейки вала ротора и подшипниковые щиты, выполненные из химически нейтральной металлокерамики, имеют упорные и опорные скользящие контактирующие поверхности, при этом

подшипниковые щиты вмонтированы л обоих торцов в замки корпуса по скользящей посадки и закреплены с внешней стороны кольцами из нержавеющей антикоррозионной стали.

Такое сочетание элементов конструкции <ШБ исключает прямого

.сонтакта металлов с высоким электродным потенциалом, а следова-

/

тельно исключает возможность появления больших гальванических то-, ков, в силу чего будет прекращена контактная коррозия.

2) ЗШВ синхронного типа с постоянными магнитами на роторе, конструкция которой представлена на рис.2. Расшифровка позиций яе приводится, отличие от предвдущей модели заключается только в роторе. На активной части ядра ротора, выполненного из высокопрочной антикоррозионной термообработашой неркавевдвй немагнитной стали, имеются выступы с наклоном боковых поверхностей по радиусу радиальной плоскости сечения ротора, меаду которыми по поверхности ■ротора вставлены по скользящей посадке с тем ае наклонен контактирующих боковых поверхностей постоянные магнита в виде сегкентов цилиндрической трубы, количество Которых определяется числом полюсов, а длина сегментов и выступов равна длине пакета сердечника статора, и на сегменты постоянных магнитов вместе с Еыступами напрессована втулка, втулка и постоянные магниты с торцов ротора закреплены крепежными кольцами, выполненными из материала ротора, а ненки вала ротора вмонтированы в подшипниковые щиты, при этом по поверхности торцов сердечника статора расположены даски-лротекторы из алшшшево-маишево-цинкового сплава, имепцае плотный электрический контакт с сердечником пакета статора, причем корпус ж втулка ротора выполнены из углепластика на основе углеткаш (углеволок-;:а), подшипниковые щиты - из металлокерамики, а сердечник- пакета статора - из магнитной антикоррозионной нержавеющей стали или корпус и втулка ротора выполнены из материала ротора, подшипниковые

Л 7

щиты - из упомянутого углепластика, а сердечник пакета статора -из электротехнической стали.

3) ЭШВ с гребным винтом в одном узле с ротором - движитель .-вдронавта, в качестве электропривода используются описанные предыдущие микроиашны.

На вал микромашины насажен многолопастной гребной винт с фиксированным шагом, заключенный в насадку, вмонтированную на ензшнюю поверхность корпуса микромашины по скользящей посадке, имеющую со стороны концов лопастей винта концентрично расположенные отверстия по окружности насадки для всасывания забортной воды, причем на насадке размещено кольцо, тлеющее столько же отверстий такого же диаметра для регулирования, подачи заботной вода на гребной винт, насадка со стороны диска винта закрыта крышкой с отверстиями, расположенным! симметрично друг относительно друга, для выхода струи водн, при этом для регулирования упора винта путем закрытая отверстий4 ,за крышкой предусмотрена-поворотная крестообразная заслонка с дисками по числу симметричных отверстий, с диаметром диска, перекрывающим диаметр отверстия, а для вращения заслонки выведен с (горца механический ручной привод.

Реверс осуществляется путем поворота сШВ в пространстве

на 180° на жилете гидронавта, используя приспособление для крепле-

р

ния в вице поворотной подвески (кгйушки).

Разработаны торцевые Ш открытого исполнения типа ТШВ (торцевая электрическая машина Ветохина).

I) ТЗГ.Ш асинхронного типа с дисковыми индукторами и монолитным дисковым ротором.

Корпус машины состоит из нескольких равных секций, жестко скрепленных мезду собой, имелцих конЦентрично расположенные отверстия по окружности поверхности секций для входа и выхода охладцапдей

морской вода, в каждую секцию вмонтирован дисковый индуктор (статор) переменного тока с многофазной обмоткой, активные части катушек которой с обеих сторон закрыты составным защитным экраном из ферромагнитного материала, закрепленным шесте с индуктором в свой корпус, каждая часть составного экрана со стороны активных сторон катушек имеет два ряда концентркчко расположенных отверстий около вала машины и на периферии, причем отверстия одной сторош экрана служат для входа охлаядавдей морской вода, второй сторош -для выхода воды, а ротор состоит из рада монолитных дисков, выполненных из высокопрочного магнитоэлектропроводящего сплава, напрессованных на вал и охватыващих индукторы с обеих сторон, причем количество индукторов, расположенных на расстоянии рабочего немагнитного зазора меаду дисками ротора, на один ыепыпе, чел дисков ротора.

2) ТЭМВ синхронного типа, представленная в продольном разрезе на рис.3. Расшифровка позиций не приводится (сы.диссертацию).

Статор выполнен в виде двух индукторов дискового типа, вмонтированных в корпус по скользящей посадке с далоцъю шпонок к, име-щих трезфазные (многофазные) протяжные обмотки с актпзныш сторонами катушек фаз, выходящими в аксиальном лаиравлешпт к центру машины, в одном из индукторов катушки расположены с драила следованием фаз, во втором - с обратным, и каждая катушка одного индуктора сдвинута в пространстве по отношению к аналогичной второго па 180 электрических градусов, а ротор, расположенный меаду индукторами, посажен жестко на вал машины с фиксацией шпонками выполнен в виде1 монолитного диска, в симметричные друг относительно друга сквозные окна которого запрессованы постоянные магниты в виде трапециодальных параллелепипедов с выходящими разношенными полисами в аксиальном направлении, количество магнитов

Рц,с. 3 .

определяется числом полюсов машины, причем монолитный диск ротора выполнен из высокопрочного антикоррозионного магнитного материала, а корпус машины из аналогичного немагнитного материала.

Разработанная конструкция магнитных систем статора и ротора позволяет использовать ТЭМВ в широких диапазонах в качестве дви-' гателя и генератора. Например, в одной конструкции машины одновременно дао&но использовать один индуктор в качестве синхронного генератора, а второй - в качестве синхронного двигателя и это сочетание генератор-двигатель можно применять в качестве гребных электроустановок (ГЭУ) на роботах и необитаемых подводных аппаратах при исследовании морского дна и осмотре различных подводных объектов.

В главе рассмотрена возможность применения линейных индукционных МГД- машин открытого исполнения для работы в морской воде в судовых энергетических установках.

Для обобщенного случая линейную токовую нагрузку на любом участке индуктора мояно записать в виде

.соз(иН -ПА.ъ) , А/м (35)

где Агл*г амплитуда линейной токовой нагрузки.

Если изменять "К", то будет изменяться амплитуда линейной токовой нагрузки, если изменять "И", будет изменяться скорость передвижения линейной токовой нагрузки, а следовательно и магнитного поля в сторону координаты 2 .

Если в (35) взять К = I, п =1 получим модель с постоянной по амплитуде линейной токовой нагрузкой в обмотанной зоне индукторы. Если на крайних полюсных делениях полонить К ~ I, получим

модель с половинной линейной токовой нагрузкой. На концевых полюсных делениях. Если положить на концах индукторы К = I, М = 2, получится модель-с короткими полюсами на концах индуктора, на этих

участках, следовательно скорость поля уменьшается в два раза; если ке К = 2, И = 2, то будет та же модель, по с удвоенной по амплитуде линейной токовой нагрузкой на :;оротш!х полюсах. Молено получить комбинированную обмотку, расположив в одних и те же пазах обмотки с различными Я? •

Линейные индукционные машины открытого исполнения с компенсированными индукторами, рассмотренными в главе, пока находятся в стадии разработки.

Шестая глава посвящена экспериментальным исследованиям опытных электродвигателей открытого исполнения типа АМВ (Асинхронная маиына Ветохина), изготовленных в объединении "

электросила" под рисоводством автора в трех конструктивных вариантах:

1. С хеороткозашенутым ротором (АШ-З).

2. С гильзой из магнитоэлектропроводящего материала марки С.М-34, насаженной па активную часть ротора (АМВ-4).

3. С короткозамкпутым ротором ц винтоканавочной шестизаход-ной нарезкой па его поверхности с треугольной канавкой глубиной и щриной 3 ш (ДГЛВ-5).

Зсе три шшш люш протекторную павдту из алшиниево-маг-пиевого сплава ;.:ар::л АМГ-ЖЛ ротора в вя.цт втулок, насаженных на концы вата, статора - л колец, запрессованных с торцов в корпусе вплотную к пгкету железа.

Ц/хли ::ея:-:ганий яь:ляась проверка ;г определение гидролитической «тонкости (скорое?,: коррозии) а работоспособности новых ма тор.чалсв (обмо.-с-цл;;: проводов, подшипников, протекторов, гильзы ::а роторе, а т.д.) з конструкции з„х-.тродвигателей типа АМВ щи длвголыо^ работе "орской воде и оценки их ресурса.

Испытания на ресурсе электродвигателя Л.МВ-3 проводились на . холостом ходу в г.орско;: воде на глубине 3 гл в районе бухты "Голландия" в г.Севастополе в течение 10000 часов.

5г

■ Испытания электродвигателя АМВ-4 проводились в искусственной морской воде на стенде АО "Электросила" в течение 500

часов. Испытания ЛМВ-5 проводились на ресурсе в тех же условиях, что и АМВ-4 в течение 10000 часов.

Испытания электродвигателей как в искусственной морской воде, так и в натурных условиях подтвердили гидролитическую стойкость .материалов, пЪдшишшков, обмоточных проводов к морской воде и обеспечивают ресурс непрерывной работы 10000 часов. Контактная коррозия активных частей двигателей полностью приостановлена протекторной защитой. ■

При ревизии АМВ-3 с полной разборкой после скончания испытаний установлено, что обрастание биоорганизмами внутренних частей двигателя отсутствует. Также установлено, что корпус статора, подшипниковые щиты с внешней стороны и выводные питающие концы кабеля покрыты сплошным равномерным слоем биоорганизмов.

Проведенные испытания на нагревание машин подтвердили теоретические обоснования а утверждения о том, что больших нагревов активных частей в ЭМ открытого исполнения не будет, так как тепло, выделенное обмоткой, передаемся непосредственно в окрукавдую морскую воду и существенного влияния этих температур на энергетические и массогабаритные характеристики машин не подтверждается. Абсолютная температура нагрева обмотки статора'при 1,5 кратной плотности тока ,и температуре забортной воды 32°С не превышала 50°С.

Подтверждено, что полезную мощность ЭМ открытого исполнения можно увеличить в 2*3 раза по.сравнению с герметичными машинами ПЭД в одних и тех не габаритах активного ядра.за счет увеличения плотности тока обмотки статора.

Экспериментальные исследования ЕАХ проводились на опытном электродвигателе типа АМБ-5. Измерения уровней виброускорений осуществлялись в 9-ти точках на корпусе з соленой воде

через 500,1500 и 8000 чэсое работы двигателя в горизонтальном, вертикальном и под углом 45° нахождения двигателя в пространстве.

Разброс уровней вибрации составляет 2*3 дБ. Следовательно, вибрация не зависит от положения данной конструкции двигателя в пространстве во время его работы.

Экспериментально подтверждено, что применение винтоканавочной

/

нарезки на поверхности ротора, применение балансировочных дисков в виде эллипса по сечению со смещением большой оси в сторону уменьшенной массы ротора позволяет значительно снизить превышение виброускорений во всем диапазоне частот. 3 целом электродвигатель ЛМВ-5 отвечает требованиям по БАХ, предъявляемым для электрооборудования ГПА и ДМУ.

' ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа является законченным научным трудом, в котором на основании выполненных автором теоретических исследований и разработок решена крупная научная проблема по созданию, разработке и промышленному освоению нового поколения ЗМ открытого исполнения, работающих в морской воде на неограниченной глубине погружения с охлаждением внутренних активных частей непосредственно морской окружающей водой, являющихся перспективными в развитии освоения ресурсов Мирового океана, экологически чистыми,, конкурентоспособными и кэ имеющими аналогов в России и мировой практике.

Проведенные теоретические исследования и разработки внесли определенный Еклад автора в науку и позволили сделать обобщения по созданию ЯМ открытого исполнения и получить конкретный научно-теоретический результат. Впервые автором разработаны основы теории гидро- . литической стойкости материалов к морской воде применительно к судовому электромашиностроению, теоретически обоснованы и разработаны конструкции и методики расчета протекторной защиты, металлокерами-ческих подшипников, винтоканавочного ротора и других узлов ЭМ, а-

■:як:г.е разработаны теоретические основе проектирования и расчета ЭМ открытого исполнения, работещих в морской воде г, пшенными токовыми нагрузками с теплоотдачей от активных частой маяосредстаенно 2 морскую окружающую воду.

Методологический результат заклзочаегсд в логическом последе«»-толыюм изложении материала и составляет внутренне«* единство и ы = мосеязь при расчете узлов и ЗЛ е целом.

Практический результат заключается в том, что решена проблема использования этих машин для приводов силовых механизмов. например гребких винтов, насосов, активных ру*ей лебедок, транспортеров и т.д., а также для приводов механизмов автоматики и робототехники при использовании разработанных автором электрических экологически чистых микромашин, позволшадх строить автоматические слепящие нави-гявдонныа системы, как например гирорулевые, лаги, газогенераторы, источники питания этих систем и т.д.

Основные научные выводы и результата работа

I. Новыми научными результатами являются:

- сформулированы основы теории гидролитической стойкости и коррозии конструкционных материалов, обмоточных проводов, пощтапнико-еых узлов, работающих в морской воде е зависимости от глубины погружения и скорости движения морской воды внутри Ш применительно к кора бе льн ому э ле ктромашностроеншо ;

- теоретически обоснованы и разработаны технические требования на материалы, обмоточные провода, подшипники и ЗМ в целом, работа-вдах в îiopcKoit воде, на основании разработанных автором основ теория гидролитической стойкости материалов;

- теоретически обоснована и решена проблема борьбы с контакт-иол коррозией материалов в морской годе, заложенных в конструкции Эй, разработан способ борьби с контактной коррозией и предложена" электрохимическая протекторная занята активных частей ЭМ, которая приостановила контактную коррозию, впервые даны формулы в методика

'-/г

расчета протекторов с учетом глубины погружения и движения морской золы внутри 31;

- впервые разработаны конструкции ЭЦ открытого исполнения

>ча ЭВМ, ЗММВ, ТЭМВ, технология их изготовления и способ .сборки я гре дна значенных для работы в приводах забсртншс механизмов ГПА, ДМУ и др. на неограниченной глубине погружения в морской воде при любых кренах и дифферентах;

- впервые разработан новый класс вы с оконагрудса иных металлоке-рамических опорно-упорных подшипников скольжения, их технология изготовления совместно с Беларусским республиканским научно-производственным объединением порошковой металлургии (ШШО ПМ) г.Шнека методом горячей штамповки композитных порошков, трибомеханаческиэ . характеристики которых на порядок выше, чем фторопластовых и метал-лографитовых, применяемых в настоящий момент в подобных устройствах, предложена методика расчета основных характеристик и определения коэффициентов трения и трэния трогания лодшпников, выпущены технические условия (ЗУ);

- предложены схемы протяжных обмоток статоров из обмоточных проводов с полимерной изоляцией, токопоцвод в двух вариантах, разработана технология конструкция их изготовления, впервые предложено соединение питающего кабеля высокого давления с фазами обмотки и соединение "звезда" с изолировкой мест соединения заточенными полимерными пленками, обеспечивающих монолитную изоляцию с высокими диэлектрическими характеристиками вместо штепсельного соединителя, в котором ¡заложена возможность разгерметизации при повышенных Еибрациях ЭМ;

- в диссертации рассмотрены, проанализированы отличительные особенности проектирования и расчета 3!Л открытого исполнения с повышенными плотностями тока, пониженным заполнением.паза.медью' с учетом непосредственного охлаждения морской водо'й обмо.тки, пазов. подшипников, пакетов статора и ротора, показано, что неемдтря

на пониженный коэффициент заполнения медью паза, полезную мощность ЗМ открытого исполнения можно увеличить в два-трк раза по сравнению с герметичной маслозаполненной машиной (на опытных электродвигателях типа АМВ-2, АМВ-3 и АМВ-5 подтверздено это доказательство при испытаниях на стенде в искусственной морской воде и естественных морских условиях на ресурсе^ предложен ряд ме-• тодов и спорббов расчета геометрических размеров активного ядра открытого исполнения, определения механических потерь, в том числе гидравлических, и определения гидравлического коэффициента трения гладкого ротора о морскую воду, дана методика расчета «М асинхронного типа с непосредственным охлаждением окружающей морской водой;

- рассмотрены вопросы улучшения БАХ разрабатываемых машин, предложен способ балансировки роторов с помощью дисков в виде эллипса по радиальному сечению со смещением большой оси в сторону уменьшенной массы ротора, а также для повышения надежности и улучшения виброакустических характеристик за счет снижения турбулентности морской воды внутри Ш при вращении ротора, придания ей направленного ламинарного двик^ния по зазору и удаления инородных частиц, попадающих с охлаждающей водой внутрь машины, автором разработан и предложен винтоканавочный ротор, разработана методика его расчета, выведены формулы для расчета многозаходной шшто-канавочной нарезки на поверхности ротора, экспериментальные исследования ВАХ на электродвигателе типа АМВ-5 показали достоверность этих утверждений;

- для механизмов поступательного и возвратно-поступательного .движения предложен ряд компенсированных от продольного кривого эффекта и эффекта разомкнутости ярма линейных индукционных индукторов, приведены зависимости бегущих магнитных полей в немаг-

. нитном рабочем зазоре от линейных токовых нагрузок, которые

позволяют компенсировать пульсирующие ноля без дополнительных коррелирующих катушек. Наличие только бегущих магнитных полей в немагнитном рабочем зазоре увеличивает полезный напор, повыпает КОД наде.зщость, отсутствие компенсирующих катушек снижает массогаба-^ рлтнке характеристики.

2. Новыми практическими результатами являются:

- соискателем разработать и предложены около десяти модификаций ЗГЛ открытого исполнения для приводов сабортных машин механизмов ЗЖ (гребше бинты, активные рули, насосы и т.д.), которые могут быть использованы на различных современных классах ША и ДТ.!У зри изучении и освоении ресурсов Мирового океана, в том числе на шельфяых разработка;: нефти а газа, а такке дгл приводов механизмов систем автоматики и робототехники в г.птроисполкеник (движители гидронавтов, манипуляторы, следящие системы навигационной техники, приводы антенн, лаги и т.д.) при выполнении работ по добыче-переработке полезных ископаемых со дна мирового океана, не загрязняя окружшцузо воду и не нарушая экологического равновесия, это одно аз главных преимуществ по сравнению с герметичными мас-лозаполненными машинами, причем выпуск этих 31Л моиет осуществлявь любое электромашиностроительное предприятие СНГ или зарубежная фирма по лицензии АО "Электросила";

- предложена методика тасчета я выбора материала протекторов с учетом электродных дотенцкалов контактирующих частей ЭГ.1, глубины погружения, частоты вращения ротора, ресурса :: срока службы;

- разработано устройство дчя определения коэффициента трения и трения трогания подшипников скальяеаня и для определения коэффициента гидравлического сопротцзлеиш трения ^отсра о морскую воду;

- предложенные и разработан. 1ые азторо:.: зысоконагруженные MSr-таллокердаические подшипники сколькения, могут быть использован" для любых палубных механизмов и линхй гребных ::алов кораблей

и других плавсредств при охлаждении их морской водой., в процессе экс-, цлуатации которых получим экономию углеводородных смазок, экологическую чистоту среды за счет высоких удельных нагрузок на опорную и упорную поверхности скользящих пар подшипников, это главное преимущество разработанных подшипников по сравнению с метаялографитовыми и фто-■рошасговыми, применяемых в настоящий момент для этих целей;

- црздложена методика расчета ЭМ открытого исполнения асинхронного типа, даны формулы для расчета электромагнитного и теплового расчета, определения енергетических характеристик, коэффициентов трения, трения трогания, гидравлического сопротивления трения, гидравлических потерь и КЩ;

- разработаны чертежи, техдокументация, отработан весь технологический процесс изготовления электродвигателей типа АМВ(ЭМВ) и подготовлено производство АО" Электросила" на серийное изготовление этих двигателей с охватом мощностей от 100 Вт до 300 кВт включительно. Для укладки противных обмоток статоров ЭМ выпущена технологическая

инструкция с описанием всех техпроцессов изготовления на производстве. «

а также выпущена технологическая инструкция по технологии изготовления. и"способу сборки ЭМ открытого исполнения с описанием очередности техоперацай при изготовлении машины на электромашиностроительном предприятии. Разработанные ЭМ практически охватывают всю номенклатуру электроприводов потенциальных заказчиков в лице "Малахит", "Рубин", "Винт" и др. для установки этих двигателей на ГПА, ДМУ и других плавсредствах.

3. Внедрение теоретических и практических результатов диссертационной работы позволит;

- обеспечить высокую надежность и работоспособность ЩА,ДИУ, роботов и др.при эксплуатации на любой глубине погружения в морской воде при использовании в качестве приводов гребных винтов,рулей, насосов, систем автоматики и т.д. разработанных ЭМ открытого исполнения с охлаждением забортной морской водой;

- обеспечить экологическую чистоту морской воды за счет

отсутствия нефтяных масел з токсичных материалов в конструкции разработанных ЭМ;

- обеспечить высокую непрерывную работоспособность забортных механизмов ГПА и JW на большие ресурсы (не менее IOOOO часов)

сроке слузбы не менее 10 лет;

- обеспечить высокую надежность я работоспособность забортных механизмов ГПА. и ДО" в загрязненных морских водах при наличии в ней ила, биоорганизмов, различных взвешенных инородных частиц, находящихся в коллоидном состоянии в воде, а-таю» при любой штормовой погоде и механических воздействиях внешних сил на объект за счет применения высоконагруженных опорно-упорных ыеталлокерагтес-ких подшипников скольжения, позволяющих работать ЗУ в любом положении в пространстве (любых кренах и дифферентах);

- снизить массу и габариты электрических машин в 2-3 раза при одинаковой мощности по сравнению с герметичными маслозапшшзн-ннма машинами, что очень ваяно при использовании этих машин на глубоководных аппаратах при больших глубинах погружения.

4. Проделанная и изложенная в диссертации работа моает быть квалифицирована как решение 1фупной научно-технической проблемы' - разработка и промышленное обвоение нового поколения электрических машин открытого исполнения для работы в морской среде, что имеет важное народно-хозяйственное и оборонное значение.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Ветохин В.И. Многофазная двухслойная обмотка для линейных индукционных машин, A.C. JS 298998, 1971.

2. Ветохин В.И. Индуктор с разомкнутым-магнитоцроводом, A.C. J& 310032, I97E.

3. Бетсошн В.И. Индуктор линейных индукционных машин, A.C. S 30747&, 1971.

4. Ветохин В.И. Линейные индукционные МЕД - машины дня судо-' вых.энергетических установок./Кибернетика на морском транспорте.,

Издательство "ШЛА. ШЖ" при Киевском Госунаверситете, ß 4, 1974.

' 5. Ватохин В.И. и др. О величине электрического сопротивления

А

" 'изоляции посудных асинхронных двигателей./Вопросы эксплуатации и надежности!, Издательство Первое ГИГ МСП СССР, СПМШ "Малахит", » 49, 1982.

. 6. Ёетохин В.И. и др. Погрушо£ маслозаполненный электродвигатель с вингоканавочным рсторсы./Вопросы эксплуатации и надежности. Издательство..Первое ГПУ МСП СССР СШШ "Малахит", й 56, 1983.

7. Ветохин В.И. и др, К вопросу поднятия сопротивления изоляции погружного асинхронного электродвигателя./В' том же сборнике.

8. Ветохин В.И. Способ определения коэффициента трения тро-гания электрической машины./Патент & I802905A3, приоритет 1991.

9. Взтохин В.И."Электрическая' машина Ветохина SB"(электро-' химическая защита)./Патент В C8I3228A3, приоритет 1990.

10. Ветохин В.И. "Электрическая микршалшна Ветохина 3LMB" (асинхронная с гильзой на роторе)./Патент Л 1827046, приоритет 1991.

11. Ветохин В.И. "Электрическая машина Ветохина 3®" (токо-подвод) ./Патент # I83370IA4 приоритет 1990.

12. Ветохин В.И. "Электрическая машина Ветохина ЗМВ" (метал-локерамический подшипник) ./Патент J6 I833703A4 приоритет 1989.

. 13. Ветохин В.И. "Способ изготовления обмотки статора погружной электрической машины"./Патент № I833704A3 приоритет 1989.

Si

14. Ветохин B.K "Электрическая микрсмашина Ветохина ЗММВ" (дввгжель гидронавта) ./Патент й IS35II4A.3 приоритет 1991.

15. Ветохин В.И. "Электрическая машина Ветохина ЗМВ" (мэтал-.^азрамический-подшипник любых габаритов )./Йатент й I833085A2 приоритет 1990.

/

16. Ветохин В.И. "Способ сборки электрической калина Ветохи-на "ЭВМ"./Патент JS 2006140CI приоритет 1992.

17. Ветохин В.И. "Электрическая мшф05ЯЗЕзна Ветохина "йй!В" (синхронная с постоянными магнитами та роторе)./Патент Jê 204I545CI приоритет 1992.

18. Ветохин В.И. "Торцевая электрическая машина Ветохина ТЭМВ" (асинхронная - дисковый индуктор п монолитный дисковый ротор)./Патент & 204I546CI приоритет 1923.

19. Ветохин В.И. "Торцевая электрическая машина Ветохина •ТШВ" (синхронная - дискошй индуктор и дисковый ротор с постоянными магнитами) ./Патент J6 204I547CI приоритет 1993.

20. Ветохин В.И. "Электрическая кашзна Ветохина ЭМВ" (гильза на роторе)./Патент й 204369ICT приоритет 1992.

21. Ветохин В.И. "Электрическая машина Ветохина ШВ" (ротор® с насосом в единой конструкции) ./Патент й 20S5656CI. приодет 1994.

22. Ветохин В.И. "Электричеекая машина Ветохина ЭМВ" (винто— канавочнач нарезка на роторе, протекторная защита на корпусе)./ Заявка на патент № 93033530/07 от 13.07.93. Положительное решение ввдать патент от 26.09.95.

23. Ветохин В.И. "Электрическая машина Ветохина ЭМВ" (головная на ЗМ открытого исполнения) ./А.С. JS 288381 приоритет 1987.

24. Ветохин В.И. Протяжные обмотай трехфазных асинхронных погрукных электрических машин./"Вопросы эксплуатации и надежности' Ленинград, СПМШ "Малахит", 1989, & 70.

ег

25. Ветохин В.И. Перспектива развития электрических машин открнтого исполнения./"Вопроса эксплуатации и надежности", Ленинград, СПМШ "Малахит** 1989, » 75.

26. Ветохин В.И. К вопросу о перспективе развития, электрических мяптин открытого исполнения./"Вопросы эксплуатации и. надежности", Ленинград, СПМШ "Малахит" 1989, Ж 75.

27. Ветохин В.И. Конструктивные особенности и технологии изготовления электрических машин открытого исполнения и гидролитическая стойкость ее активных частей./"Вопросы эксплуатации и надежности", Ленинград, СПМШ "Малахит" 1991, & 81.

28. Ветохин В.И. Исследование подшипников скольжения, работающих в морской воде {и жидких средах./"Вопросы эксплуатации и надежности",-Ленинград, СПМШ "Малахит" 1995, й 85.

29. Ветохин В.И. Экспериментальное исследование опытных электродвигателей открытого исполнения типа АМВ./"Вопросы эксплуатации и надежности", Ленинград, СПМШ "Малахит" 1995, № 86.

30. Вётсшш В.И, К вопросу о повышении надежности, работоспособности и ресурса новых конструкций электрических машин открытого исполнения, работящих в морской воде./"Вопросы эксплуатации и надежности", Ленинград, СПМШ "Малахит" 1996, й 87.

■31. Ветохин В..И. еГ.др. Отличительные особенности проектирования и расчета электрических машин открытого исполнепия, работающих 'в морской воде./"Вопросы эксплуатации и надежности", Ленинград, СПМШ "Малахит" 1997, » 91.

32." Ветохин В.К. и др. 0 проблеме улучшения виброакустических характеристик электрических машин открытого исполнения, предназначенных. дая работы в приводах забортных механизмов подводных ацш-ратов./"Вопросы эксплуатации и надежности", Ленинград, СПМШ "Малахит" 1997,.# 91.

33. Ветохин В.И. A.C. № 258340,СССР,03.08.IS87.

34. Ветохин В.И. A.C. Ж 275070,СССР, 03.05.1988.

35. Ветохин В.И. A.C. Jë 290192, СССР, 01.03.1989.

36. Зетохян В.И. A.C. » 306688, СССР, 02.01.1990. -37. Ветохин З.И. A.C. Л 311783,СССР,02.04.1990.-

38. Ветохин В.И. A.C. № 321511,00^,03.12.1990.

39. Ветохвд В.И. A.C. ->;■ 331921, СССР, Ol. II. 1991.