CC BY
10
УДК 621.314.58 ББК 31.264.5 Т 31
Кашин Яков Михайлович
Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой электротехники и электрических машин Кубанского государственного технологического университета, профессор кафедры авиационного радиоэлектронного оборудования Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков им. А.К. Серова, Краснодар, e-mail: jlms@mail.ru Копелевич Лев Ефимович
Доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и электрических машин Кубанского государственного технологического университета, Краснодар, e-mail: kkllev@mail.ru Самородов Александр Валерьевич
Кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и электрических машин Кубанского государственного технологического университета, Краснодар, e-mail: alex.samorodoff@gmail.com Голованов Александр Александрович
Заместитель начальника цикла эксплуатации авиационной техники Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков им. А.К. Серова, Краснодар, e-mail: golovavia@mail.ru
Феофанова Анастасия Сергеевна
Магистрант кафедры электротехники и электрических машин Кубанского государственного технологического университета, Краснодар, e-mail: oleinikova1397@gmail.com
Технология прямого привода применительно к установкам центрифугального сепарирования*
(Рецензирована)
Аннотация. Приводится анализ технических решений в области технологии прямого привода технологических машин. Предлагается сепараторная установка совмещенной конструкции прямого привода с возможностью жидкостного охлаждения статора с одновременной рекуперацией тепловых потерь.
Ключевые слова: технология прямого привода, электромеханические преобразователи энергии, тепловые потери, преобразование энергии.
Kashin Yakov Mikhaylovich
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Electrical Engineering and Electrical Machines, Kuban State University of Technology, Professor of the Department of Aviation Radioelec-tronic Equipment, Krasnodar Air Force Institute for Pilots named after A.K. Serov, Krasnodar, e-mail: jlms@mail.ru
Kopelevich Lev Efimovich
Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Engineering and Electrical Machines, Kuban State University of Technology, Krasnodar, e-mail: kkllev@mail.ru
Samorodov Aleksandr Valeryevich
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Engineering and Electrical Machines, Kuban State University of Technology, Krasnodar, e-mail: alex.samorodoff@gmail.com
Golovanov Aleksandr Aleksandrovich
Deputy Chief of Aviation Operation Cycle of Aeronautical Equipment, Krasnodar Air Force Institute for Pilots named after A.K. Serov, Krasnodar, e-mail: golovavia@mail.ru
Feofanova Anastasiya Sergeevna
Master's Degree Student of the Department of Electrical Engineering and Electrical Machines, Kuban State University of Technology, Krasnodar, e-mail: oleinikova1397@gmail.com
Direct drive technology for centrifugal separation plants
Abstract. The paper analyzes the technical solutions in the field of technology of direct drive of technological machines. The authors propose a separator unit with direct drive with the possibility of liquid cooling of the stator with the simultaneous recuperation of heat loss.
Keywords: direct drive technology, electromechanical energy converters, heat loss, energy conversion.
* Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Администрации Краснодарского края в рамках научного проекта № 19-48-230010 ра.
В последнее время в области электромеханических преобразователей энергии (в основном электродвигателей) бурно развивается технология прямого привода (direct drive). В соответствии с этой концепцией электродвигатель и приводимый им в движении механизм являются единым целым. Само понятие «прямой привод» означает, что механизм непосредственно подключен к приводящему его в движение электродвигателю, то есть не имеет передаточных элементов. Это относится как к вращательному, так и к линейному передвижению.
Это позволяет улучшить массогабаритные характеристики и удешевить устройство, а в отдельных случаях уменьшить потери энергии.
Достоинства электрических машин с прямым приводом:
1. Отсутствие ремня привода редуктора или любого другого механизма передачи механической энергии, что уменьшает вероятность выхода установки в целом из строя.
2. Меньшая вибрация во время работы. Это обеспечивается отсутствием у машины передающего звена и центральным расположением двигателя, что благотворно сказывается на общей центровке и балансировке всего механизма.
3. Низкий уровень шума во время работы.
4. Меньшее электропотребление за счет уменьшения механических потерь на трение.
5. Более длительный срок эксплуатации.
6. Большее быстродействие по управлению исполнительным механизмом и рабочей машиной.
Компоненты механической передачи накладывают ограничения на то, как быстро можно произвести запуск и остановку исполнительного механизма. Из-за этих факторов понижается возможная пропускная способность машины с традиционным приводом, что напрямую влияет на ее производительность. Машины с прямым приводом быстрее изменяют скорость вращения, могут резко останавливаться и менять направление вращения, что значительно сказывается на качестве технологического процесса, обеспечиваемого этими машинами.
Кроме того, традиционные передаточные механизмы имеют редуктор, ремень/шкив или кулачковый механизм. Но любой, даже самый прецизионный редуктор имеет люфт, у ременчатой передачи и кулачковых механизмов тоже есть погрешности, не говоря о том, что они увеличивают размеры привода, что в некоторых случаях их применения особенно критично. В связи с этим технология прямого привода является весьма перспективной. Она находит все большее применение также в станкостроении. Необходимость создания высоко-моментных электродвигателей привела разработчиков к созданию совмещенной конструкции синхронных двигателей с постоянными магнитами на роторе.
Технология, лежащая в основе высокомоментных двигателей прямого привода, позволяет упростить конструкцию станка и повысить точность перемещения. При этом исключается люфт в редукторе или приводном ремне.
Считается, что большой диаметр и повышенное число полюсов являются отличительными признаками высокомоментных электродвигателей прямого привода. Крутящий момент квадратично зависит от диаметра и прямо пропорционально от длины ротора. Это делает выгодным использование для высокомоментных двигателей аксиальной конструкции [1]. Повышенное число полюсов, которое обеспечивает более высокое удельное содержание меди в обмотках, создающих крутящий момент, приводит к повышению эффективности магнитного поля.
Ротор устанавливается на подшипниках приводимого им в движение механизма, что обеспечивает упрощенный монтаж при минимальном объеме конструкторской работы, а также возможность демонтажа двигателя без разборки механизма.
Большой крутящий момент вызывает выделение тепла в обмотках электродвигателя, которое должно отводиться во избежание его повреждения. Охлаждение также сводит к минимуму температурное расширение статора - такое расширение может оказывать влияние на точность технологического процесса (вследствие увеличения размеров деталей), а также способно вызвать напряженное состояние и повреждение элементов крепления двигателя.
Поскольку двигатель встраивается в конструкцию станка, изготовители оборудования должны принимать во внимание различия в температурном расширении разнородных материалов с тем, чтобы предотвратить повреждение статора при его установке на станке. Ком-паниия Bosch Rexroth решает задачу охлаждения одной из конструкций оборудования, которая допускала лишь частичную установку статора в посадочное отверстие станка.
Авторы предлагают для охлаждения статора применять жидкостное охлаждение путем внедрения в статор системы трубок, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. На примере разработанной авторами сепараторной установки в качестве охлаждающей жидкости может выступать непосредственно сепарируемый материал [2]. В этом случае статор охлаждается более эффективно и равномерно, чем при частичном перекрытии его производственным механизмом, а тепло, выделяемое в статоре в виде потерь, рекуперируется в технологический цикл для дополнительного подогрева сепарируемого материала.
Вышеописанные достоинства «прямого привода» очень важны для промышленных установок центрифугального сепарирования (сепараторов), в том числе обеспечения возможности быстро менять частоту вращения ротора. Хотя обычно сепараторы вращаются с постоянной скоростью, но бывают исключения [3].
Прямой привод зачастую реализуется прямым агрегированием двигателя и приводимого им в движение механизма как, например, мотор-колесо, активно использующееся в последнее время в электрическом транспорте.
Авторы предлагают использовать в качестве ротора двигателя для привода барабана сепаратора сам исполнительный орган сепаратора (барабан). Такое решение может быть успешно реализовано на практике для установок центрифугального сепарирования. В таком варианте статор электродвигателя 1 выполняется аксиальным, а барабан сепаратора 2 приводится во вращение магнитным полем, создаваемым обмоткой статора 1 и, одновременно, играет роль ротора электродвигателя (рис. 1). Это позволяет упростить конструкцию и, соответственно, уменьшить механические потери на трение.
Еа
Рис. 1. Совмещенная конструкция двигателя-сепаратора
Кроме того, подобная конструкция позволяет использовать потери, возникающие в роторе для нагрева барабана, а следовательно, и сепарируемого материала, что зачастую бывает необходимо технологически [4, 5].
В пищевой промышленности и связанных с ней производствах механическое разделение реализуется в процессах очистки молока, медицинских суспензий, получения кормовых дрожжей из барды, при осветлении сусла и вина, обогащении дробины и т.д. При этом, как показано на экспериментах с молоком, виноматериалами, лекарственными и микробиологическими жидкостями, при центрифугальной обработке сырья происходит практически полная эвакуация из обрабатываемого объема микрофлоры, в том числе и патогенной, то есть реализуется как бы холодная пастеризация продукта (молока, вина, сусла, пива) [6].
В молочной промышленности сырое молоко с целью очистки его от механических и других примесей подвергают фильтрованию и (по этапам проведения технологического процесса), как правило, многократной центробежной обработке. При этом исключительно важное значение имеет проблема очистки сырого молока от вредной микрофлоры, от чего зависят сроки его хранения и транспортировки, качество продуктов переработки молока - сливок, сметаны, творога, сыра и др. [6].
Так как производство осуществляют на центрифугах и других сепараторах, процессы сепарирования требуют большого расхода электроэнергии. Соответственно, разработка новых энергосберегающих сепарационных установок представляется актуальной задачей. Применительно к центробежным сепараторам конструкция двигателя-сепаратора аксиальной конструкции авторам представляется наиболее рациональной.
На кафедре электротехники и электрических машин Кубанского государственного технологического университета давно ведется работа по созданию различных электромеханических преобразователей энергии аксиального типа, в том числе совмещенных конструкций [79]. Авторы считают, что подобные преобразователи обладают рядом достоинств по сравнению с электромеханическими преобразователями энергии традиционной конструкции.
Вывод. Реализуемая технология прямого привода в технологических установках с электромеханическими преобразователями энергии позволяет минимизировать массога-баритные показатели, а также улучшить энергетические характеристики за счет уменьшения механических потерь в устройствах сопряжения электродвигателя с технологическим оборудованием.
Примечания:
1. Усольцев А. А. Электрические машины автоматических устройств: учеб. пособие Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2011. 213 с.
2. Копелевич Л.Е. Установка для сепарирования нефти: патент на изобретение RUS 2593626, 10.08.2016 г. URL:
https://patentinform.ru/inventions/reg-2593626.html
3. Семенов В.А. Процесс сепарирования в центробежном сепараторе с пульсирующем изменением скорости: дис. ... канд. техн. наук. Краснодар, 2012. 147 с.
4. Копелевич Л.Е. Способ сепарирования нефти: патент на изобретение RUS 2585636, 27.05.2016. URL:
https://yandex.ru/patents/doc/RU2585636C1_20160527
5. Разработка нового вида энергосберегающей установки для переработки нефти / Б.Х. Гайтов, Я.М. Кашин, Л.Е. Копелевич, А.В. Самородов, В. А. Ким // Вестник Адыгейского государственного университета. Сер.: Естественно-математические и технические науки. 2019. Вып. 3 (246). С. 103-108. URL: http://vestnik.adygnet.ru
6. Карамзин А.В. Совершенствование процессов раз-
References:
1. Usoltsev A.A. Electric machines of automatic devices: a textbook. St. Petersburg: SPbSU ITMO, 2011. 213 PP.
2. Kopelevich L.E. Device for the separation of oil: Patent for invention RUS 2593626, 10.08.2016. URL: https://patentinform.ru/inventions/reg-2593626.html
3. Semenov V.A. The separation process in a centrifugal separator with a pulsating change of speed: Diss. for the Cand. of Tech. Sciences degree. Krasnodar, 2012. 147 pp.
4. Kopelevich L.E. Method of the separation of oil: Patent for invention RUS 2585636, 27.05.2016. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2585636C1_20160527
5. Development of a new type of energy-saving installation for oil refining / B.Kh. Gaytov, Ya.M. Kashin, L.E. Kopelevich, A.V. Samorodov, V.A. Kim // The Bulletin of the Adyghe State University. Ser.: Natural-Mathematical and Technical Sciences. 2019. Iss. 3 (246). P. 103-108. URL: http://vestnik.adygnet.ru
6. Karamzin A.V. Improving the separation processes of
деления дисперсных жидкостных систем биологического происхождения с целью создания сокоэф-фективных типов сепараторов: дис. ... канд. техн. наук. Москва, 2006. 183 с.
7. Стабилизированный вентильный аксиально-радиальный ветрогенератор постоянного тока: патент на изобретение RUS 2689211, 22.03.2018 / Я.М. Кашин, А.Я. Кашин, А. С. Князев, А.В. Вой-нов. URL: https://kubstu.ru/data/struct/0056/2019.pdf
8. Двухмерная аксиальная электрическая машина-генератор: патент на изобретение 2349014 RU, 02.07.2007 / Б.Х. Гайтов, А.В. Самородов, Т.Б. Гайтова, Л.Е. Копелевич. БИПМ. URL: http://allpatents.ru/patent/2349014.html
9. Ветро-солнечный генератор для систем автономного электроснабжения / Б.Х. Гайтов, Я.М. Кашин, Л.Е. Копелевич, А.В. Самородов, А.Я. Кашин, А.О. Схашок, В.А. Ким // Электричество: науч. журнал. М.: Изд-во «НИУ МЭИ», 2018. № 1. С. 19-27.
dispersed liquid systems of biological origin in order to create highly efficient types of separators: Diss. for the Cand. of Tech. Sciences degree. Moscow, 2006. 183 pp.
7. Stabilized valve axial- radial direct current wind generator: Patent for invention RUS 2689251, 22.03.2018 / Ya.M. Kashin, A.Ya. Kashin, A.S. Knyazev, A.V. Voynov. URL:
https://kubstu.ru/data/struct/0056/2019.pdf
8. Two-dimensional axial electric machine-generator: Patent for invention RUS 2349014 RU, 02.07.2007 / B.Kh. Gaytov, A.V. Samorodov, T.B. Gaytova, L.E. Kopelevich. BIPM. URL: http://allpatents.ru/patent/2349014.html
9. Wind-solar generator for autonomous power supply systems / B.Kh. Gaytov, Ya.M. Kashin, L.E. Kopelevich, A.V. Samorodov, A.Ya. Kashin, A.O. Skhashok, V.A. Kim // Electricity: Scientific Journal. M.: NIU MEI Publishing House, 2018. No. 1. P. 1927.
