Оптимизация геометрии зубцовой зоны гистерезисной муфты запорной арматуры нефтепровода

Abstract

Актуальность работы связана с поиском новых эффективных технических решений в области электроприводов запорной арматуры трубопроводного транспорта нефтепродуктов на основе использования гистерезисного принципа электромеханического преобразования энергии и новых магнитотвердых материалов. Цель: выявить оптимальную геометрию зубцовой зоны электромагнитной гистерезисной муфты на базе сплава Fe-Cr-Co для получения максимального вращающего момента на основе анализа процессов перемагничивания гистерезисного слоя. Методы: экспериментальные методы исследования магнитных характеристик магнитотвердых материалов с использованием оригинальных лабораторных установок; имитационное моделирование в программе ANSYS MAXWELL; теоретические методы анализа электромагнитного поля. Результаты. Для гистерезисных муфт на базе сплава Fe-Cr-Co 22Х15КА получены и проанализированы зависимости вращающего момента от геометрических параметров зубцовой зоны муфты. Для оценки эффективности использования гистерезисного материала авторами введен коэффициент использования гистерезисного слоя по тангенциальной составляющей магнитного поля. В программе ANSYS MAXWELL разработана имитационная модель электромагнитной гистерезисной муфты с неподвижной обмоткой управления, учитывающая параметры сплава Fe-Cr-Co 22Х15КА. С помощью разработанной модели получены оптимальные значения геометрических размеров зубцовой зоны с целью достижения максимального вращающего момента при фиксированных габаритах и весе. Сделан вывод о том, что вариант электропривода трубопроводной запорной арматуры с гистерезисной муфтой и асинхронным электродвигателем благодаря простоте его реализации, возможности регулирования и ограничения момента в широком диапазоне температур и окружных скоростей можно рассматривать как перспективную альтернативу электроприводам с частотным управлением и тиристорными регуляторами.

The relevance of the paper is related to the search for new efficient technical solutions in the sphere of electric drives for oil pipeline valves based on using the hysteresis principle of electromechanical energy conversion and new hard magnetic materials. The main aim of the research is to reveal with the analysis of the hysteresis layer magnetization the teeth zone optimal geometry of the electromagnetic hysteresis clutch based on the Fe-Cr-Co alloy to obtain the maximum torque. The methods: experimental methods for studying the magnetic characteristics of magnetically hard materials using the original laboratory installations; simulation in the ANSYS MAXWELL, the theoretical methods of electromagnetic field analysis. The results. The authors have obtained and investigated torque dependences on the teeth zone geometric parameters for the clutches based on Fe-Cr-Co 22X15KA alloy. To value the hysteresis material efficiency, the authors introduced the hysteresis layer use coefficient according to the magnetic field tangential component. The model of the electromagnetic hysteresis clutch with fixed control winding, taking into account the parameters of the alloy of Fe-Cr-Co 22X15KA was developed in the ANSYS MAXWELL program. To obtain the maximum torque at the limited clutch sizes and mass the optimal teeth zone geometric dimensions were determined. It is concluded, that the pipeline shut-off valves electric drive with hysteresis clutch and induction motor due to the ease of implementation, the possibility of regulating and limiting the torque in the wide temperatures and rotation speeds range, can be considered as a promising alternative to electric drives with frequency control and thyristor regulators.