Обмотка трехфазного линейного индукционного насоса

Изобретение относится к области электротехники и МГД-техники, касается особенностей выполнения обмоток цилиндрических линейных индукционных насосов и может быть использовано в насосах для перекачивания жидкометаллических теплоносителей, применяемых в атомной, металлургической, химической и космической областях техники. Сущность изобретения состоит в том, что в обмотке трехфазного линейного индукционного насоса, содержащей три полюса и две параллельные ветви, образованные последовательным соединением катушечных групп в фазных зонах, имеющей постоянное число витков в катушках, согласно данному изобретению первая параллельная ветвь образована путем последовательного соединения катушечных групп на первом полюсном делении с половиной катушечных групп у второго полюсного деления, причем катушки катушечной группы второй фазной зоны, расположенной на входе у первого полюсного деления, соединены параллельно, а вторая параллельная ветвь образована путем последовательного соединения катушечных групп третьего полюсного деления со второй половиной катушечных групп второго полюсного деления. Технический результат - снижение несимметрии токов питания по фазам в данной обмотке, повышение давления, развиваемого насосами с такими обмотками, а также повышение КПД насосов. 2 ил.

 

Изобретение относится к области МГД-техники, в частности к усовершенствованию обмоток цилиндрических линейных индукционных насосов. Оно может быть использовано в насосах для перекачивания жидкометаллических теплоносителей в контурах атомных электростанций с реакторами на быстрых нейтронах, в металлургической, химической и космической областях техники.

Известен ряд конструкций цилиндрических линейных индукционных насосов (в книге В.А.Глухих, А.В.Тананаев, И.Р.Кириллов. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. Москва, Энергоатомиздат, 1987). Основными узлами насосов являются индуктор с трехфазной обмоткой и кольцевой канал, охватывающий внутренний магнитопровод. Трехфазная обмотка создает бегущее магнитное поле вдоль канала, при взаимодействии которого с индуктированными токами в жидком металле возникает электромагнитная сила, которая перемещает жидкий металл в канале.

Известно также, что для уменьшения подводимого напряжения обмотку насосов выполняют с параллельными ветвями. Причем образование параллельных ветвей происходит путем последовательного соединения катушечных групп в фазных зонах на соседних парах полюсов и число параллельных ветвей может быть равным числу пар полюсов (в препринте A.M.Андреев, Б.Г.Карасев, И.Р.Кириллов, А.П.Огородников, В.П.Остапенко, Г.Т.Семиков. Результаты экспериментального исследования цилиндрического линейного индукционного насоса ЦЛИН-5/700. Препринт А-0345. Л., НИИЭФА, 1977, 22 стр.).

Недостатком такого технического решения является то, что оно пригодно только для четного числа полюсов. Кроме того, в указанном насосе имеет место неравномерное распределение потребляемого тока в обмотке по параллельным ветвям при магнитных числах Рейнольдса R_m≥1, так как магнитное поле ослаблено на входе из-за влияния продольного концевого эффекта. В результате потокосцепление и э.д.с. в катушках, расположенных на первом полюсном делении у входа, в зоне ослабленного поля, уменьшается в сравнении с остальными катушками. Это приводит при постоянном напряжении на насосе к увеличению тока потребляемыми первыми от входа катушками и неравномерному распределению его по полюсным делениям. Указанное увеличение тока может быть весьма значительным и доходить до 44%.

Для уменьшения влияния несимметрии токов по фазам и в параллельных ветвях используют различные технические приемы. Известна (из авторского свидетельства СССР №639086, кл. Н02К 44/06, БИ №47, 1978 г.) обмотка трехфазной линейной индукционной машины, в которой для уменьшения несимметрии токов по параллельным ветвям одна из параллельных ветвей образована путем последовательного соединения фазных зон на первом и последнем полюсном делении, а остальные параллельные ветви образованы путем последовательного соединения фазных зон на соседних полюсных делениях.

Такое техническое решение пригодно для использования только при четном числе полюсов и достаточно протяженных по длине насосах.

Известна (патент РФ №1648228, кл. Н02К 44/06, БИ №3, 1994) обмотка трехфазного линейного индукционного насоса, содержащая параллельные ветви, выполненная с нечетным числом полюсов и тремя видами градации на концевых полюсных делениях на длине τ, в которой одна из параллельных ветвей обмотки содержит фазные зоны концевых полюсных делений, которые соединены последовательно между собой и с фазными зонами одного из полюсных делений с постоянным числом витков.

Недостатком указанного технического решения является то, что его можно использовать, когда число полюсов в индукторе 2р_п>5, однако для коротких индукторов, имеющих 2р_п=3 такие обмотки, выполненные по указанному техническому решению, не пригодны, так как дают несимметрию по фазам до 23%.

Известна также принимаемая за прототип (Патент Англии №1379676, кл. Н02К 41/02, 1975 г.) трехфазная обмотка с постоянным числом витков по всей длине индуктора, в которой число параллельных ветвей «а» равно числу пазов на полюс и фазу «q», т.е. a=q. В насосах, работающих при частоте f=50 Гц число пазов на полюс и фазу обычно q=2, поэтому количество параллельных ветвей при использовании такой обмотки ограничено и не превышает q=a=2.

Такая обмотка может быть использована при четном и нечетном числе полюсов. Однако она не обладает равномерным распределением тока по фазам. В этой обмотке имеет место увеличение тока за счет эффекта размагничивания на первом полюсном делении и за счет пульсирующего поля, обусловленного разомкнутостью магнитопровода. При числе полюсов 2р_п=3 несимметрия по фазам и использование указанной обмотки при q=a=2 достигает 24%.

Изобретение направлено на решение задачи уменьшения несимметрии токов по фазам, повышения развиваемого давления и коэффициента полезного действия в насосе, имеющем 2р_п=3 за счет соответсвующего образования параллельных ветвей на полюсных делениях и параллельного соединения катушек у второй фазной зоны Z у первого полюсного деления на входе.

Это достигается тем, что в известной обмотке трехфазного линейного индукционного насоса, содержащей три полюса и две параллельные ветви, образованные последовательным соединением катушечных групп в фазных зонах, имеющей постоянное число витков в катушках, первая параллельная ветвь согласно изобретению образована путем последовательного соединения катушечных групп на первом полюсном делении с половиной катушечных групп у второго полюсного деления, причем катушки катушечной группы второй фазной зоны, расположенной на входе у первого полюсного деления, соединены параллельно, а вторая параллельная ветвь образована путем последовательного соединения катушечных групп третьего полюсного деления со второй половиной катушечных групп второго полюсного деления.

Из экспериментальных исследований различных обмоток, имеющих число полюсов 2р_п=3, число пазов на полюс и фазу q=2 и число параллельных ветвей а=2, выполненных по предлагаемому техническому решению и по прототипу, следует, что заявляемое в качестве изобретения техническое решение позволяет снизить несимметрию токов по фазам до 4,3%, то есть почти в 5 раз по сравнению с прототипом и другими аналогичными обмотками, в том числе и с одноступенчатой градацией линейной токовой нагрузки на концах индуктора. Уменьшение несимметрии токов в фазах обмотки вызывает увеличение развиваемого давления и повышение КПД насоса, так как существенно снижаются давление и потери в жидком металле от токов обратной последовательности и пульсирующих полей.

На фиг.1 показан продольный разрез индуктора цилиндрического линейного индукционного насоса. На фиг.2 показана схема трехфазной обмотки по предлагаемому техническому решению.

Индукционный насос, представленный на фиг.1, содержит наружный магнитопровод 1, в пазах которого уложена трехфазная обмотка 2, имеющая постоянное число витков в катушках, а также внутренний магнитопровод 3 и кольцевой канал 4, образованный наружной 5 и внутренней обечайками 6. Согласно схеме соединения трехфазной обмотки с числом полюсов 2р_п=3, числом пазов на полюс и фазу q=2, с числом параллельных ветвей а=2, представленной на фиг.2, фазные зоны AZB XCY у всех трех полюсных делений τ₁; τ₂ и τ₃ состоят из двух катушек и образуют катушечную группу. Катушечные группы у фазных зон AZB первого полюсного деления τ₁ соединены последовательно с половиной катушечной группы у фазных зон XCY второго полюсного деления τ₂ и таким образом образуют первую параллельную ветвь, причем катушки 3 и 4 в катушечной группе у фазной зоны Z на первом полюсном делении соединены в параллель, а вторая параллельная ветвь образована путем последовательного соединения второй половины катушечных групп у фазных зон XCY второго полюсного деления τ₂ с катушечными группами фазных зон AZB третьего полюсного деления τ₃.

При включении напряжения на обмотку насоса 2 в кольцевом канале 4, расположенном между магнитопроводами 1 и 3, образуется бегущее магнитное поле, под воздействием которого в электропроводящей среде в канале возникают кольцевые токи, при взаимодействии которых с приложенным магнитным полем возникает электромагнитная сила, перемещающая электропроводящую среду от входа к выходу. Известно, что в коротких индукторах индукционных насосов при 2р_п=2; 3 несимметрия токов по фазам достигает 30% и более из-за влияния пульсирующего поля, обусловленного разомкнутостью магнитопровода. Указанное пульсирующее поле пульсирует согласно с током фазы «С», расположенной симметрично относительно середины индуктора. Кроме того, увеличение неравномерности распределения токов по фазам происходит из-за эффекта размагничивания на входном полюсном делении. Неравенство токов по фазам приводит к появлению обратно бегущего магнитного поля, все это снижает развиваемое давление и КПД насоса.

Включение катушечной группы в параллель у фазной зоны Z на первом полюсном делении позволяет уменьшить потокосцепление с фазой «С» от пульсирующего поля и одновременно снизить влияние эффекта размагничивания на фазу «С» на входном полюсном делении и избежать дополнительного увеличения тока в ней. Это приводит к улучшению симметрии токов по фазам, а следовательно, к увеличению развиваемого давления и повышению КПД насоса.

Как установлено авторами изобретения экспериментально путем сравнения различных трехфазных обмоток индуктора с 2р_п=3; q=2; a=2 с числом витков в катушках 21 по предлагаемому техническому решению и по прототипу, наименьшая несимметрия токов по фазам имеет место в трехфазной обмотке по предлагаемому техническому решению и составляет 4,3%.

Заметим, что эта же обмотка с 2p_п=3; q=2; a=2, но без параллельного соединения катушек у фазной зоны Z на входе, а при последовательном их соединении дает несимметрию токов по фазам 20%. Трехфазная обмотка с 2p_п=3; q=2; a=2, выполненная по прототипу, дает несимметрию токов по фазам 24%.

Следует отметить, что трехфазная обмотка с 2р_п=3; q=2; a=2, выполненная по техническому решению (Патент №1648228, кл. Н02К 44/06, БИ №3, 1994 г.) с градацией одноступенчатой (половинное число витков) на концевых полюсных делениях τ₁ и τ₃, когда одна из параллельных ветвей образована путем последовательного соединения катушек у фазных AZB на концевых полюсных делениях τ₁ и τ₃, а другая параллельная ветвь содержит катушки с постоянным числом витков в фазных зонах XCY на втором полюсном делении, имеет несимметрию по фазам 23%.

Заметим, что параллельное соединение катушек у фазных зон, принадлежащих фазе «С» и расположенных (см. фиг.2) в середине, например, катушки 9 и 10 или же на выходе индуктора катушки 15 и 16, или параллельное соединение их одновременно на входе 3 и 4 и на выходе 15 и 16, хотя и уменьшает несимметрию токов до 6 и 7,2%, но в меньшей степени, чем по предлагаемому техническому решению. Наилучший эффект уменьшения токов по фазам имеет место, когда катушки у фазной зоны Z на входе у τ₁ соединены в параллель, несимметрия токов по фазам составляет 4,3% в этом случае.

Предлагаемое техническое решение целесообразно использовать в коротких цилиндрических линейных индукционных насосах, например, для космического применения, которые выполняются с малым числом полюсов 2р_п=2, 3, имеют низкое напряжение электропитания и значительный ток, требуют наименьшей несимметрии токов по фазам. В таких насосах используются обмотки с параллельными ветвями и небольшим числом витков в катушках обмотки возбуждения ˜20, но с бóльшим сечением намоточного электропровода при изготовлении катушек обмотки возбуждения.

Обмотка трехфазного линейного индукционного насоса, содержащая три полюса и две параллельные ветви, образованные последовательным соединением катушечных групп в фазных зонах, имеющая постоянное число витков в катушках, отличающаяся тем, что первая параллельная ветвь образована путем последовательного соединения катушечных групп на первом полюсном делении с половиной катушечных групп у второго полюсного деления, причем катушки катушечной группы второй фазной зоны, расположенной на входе у первого полюсного деления, соединены параллельно, а вторая параллельная ветвь образована путем последовательного соединения катушечных групп третьего полюсного деления со второй половиной катушечных групп второго полюсного деления.