СУДОВАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА С СИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ, УСТАНАВЛИВАЕМАЯ В ВИДЕ ГОНДОЛЫ Российский патент 2001 года по МПК B63H23/24 B60L11/00 

Изобретение относится к области судовых силовых установок и предназначается для использования при конструктивном выполнении трехфазного электродвигателя, который с целью непосредственного привода по меньшей мере одного гребного винта находится в обтекаемой части корпуса, устанавливаемой на нижней стороне корпуса судна.

В известной судовой силовой установке такого типа в качестве электродвигателя используют электродвигатель трехфазного переменного тока с короткозамкнутым ротором, при этом ротор установлен на полом валу, который в свою очередь соединен через сцепление с проходящим внутри полого вала приводным валом. Приводной вал соединен непосредственно с гребным валом. В такой судовой силовой установке статор электродвигателя окружен трубообразным корпусом, который в свою очередь встроен в седлообразную трубную опорную часть корпуса, закрепленного на нижней стороне корпуса судна в виде гондолы.

Охлаждение электродвигателя, включая подшипники ротора, производят пресной водой, которую из расположенного в корпусе судна бака накачивают внутрь корпуса электродвигателя и проводят по замкнутому контуру (US-A 2714866).

В аналогично выполненной судовой силовой установке статор трехфазного электродвигателя для охлаждения с помощью воды, обтекающей выполненную обтекаемой часть корпуса, встроен с геометрическим замыканием в эту часть корпуса. При этом внутреннее пространство части корпуса, в которой размещен трехфазный электродвигатель, заполнено водой под давлением. Эта вода служит для смазки подшипников и для переноса тепла (DE-C-917475).

В другой судовой силовой установке такого типа, которая может быть выполнена для мощностей привода 10 МВт и более, динамоэлектрический электродвигатель опирается своим статором на радиально расположенные перемычки из листового металла в окружающем корпусе; используемые для этого перемычки из листового металла служат одновременно для образования охлаждающих каналов для подаваемого из корпуса судна газообразного охлаждающего средства. В качестве электродвигателя обычно используют синхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, причем ротор за счет расположения на выполненном полым, пропускающим воду приводном валу может дополнительно охлаждаться. В таком приводном устройстве обычно стремятся к тому, чтобы соотношение между максимальным диаметром корпуса привода и диаметром гребного винта составляло менее 0,65, предпочтительно, в диапазоне от 0,4 до 0,5. При этом следует учитывать, что диаметр гребного винта можно выбирать не любой величины. Это указанное соотношение внешних диаметров влияет на пропульсионный коэффициент полезного действия; он тем больше, чем меньше указанное соотношение диаметров (USA 5403216; публикация "Новое поколение стандартных дизель-электрических ролкерных паромов" фирмы Kv & rner Masa-Yard на сессии "RoRo 94" 27,04.1994 в Готенбурге, Дания).

В основе изобретения лежит задача, исходя из судовой силовой установки с признаками ограничительной части пункта 1 формулы изобретения (DE-C-917475), создать такой привод для мощностей привода в мегаваттном диапазоне и при этом обеспечить благоприятный пропульсионный коэффициент полезного действия.

Для решения этой задачи согласно изобретению предусмотрено, что трехфазный электродвигатель выполнен как синхронный электродвигатель и имеет мощность привода по меньшей мере 2 МВт, что ротор (10) синхронного электродвигателя выполнен как ротор с возбуждением от постоянных магнитов, и что внутреннее пространство частей корпуса, в которых размещен синхронный электродвигатель, свободно от протекающего через них охлаждающего средства.

При таком выполнении силовой установки за счет использования синхронного двигателя с практически не создающим джоулевых тепловых потерь ротором с возбуждением от постоянных магнитов нет необходимости в дополнительных мерах для охлаждения приводного электродвигателя, поскольку ротор с возбуждением от постоянных магнитов имеет меньшие радиальные размеры, чем короткозамкнутый ротор, то одновременно понижается потребность в радиальном пространстве приводного электродвигателя. Это приводит к выгодному соотношению между внешним диаметром корпуса привода и внешним диаметром гребного вала, так что приводное устройство для судовой силовой установки такой мощности имеет отличный коэффициент полезного действия привода. За счет использования мер согласно изобретению можно конструировать судовые силовые установки, в которых соотношение внешнего диаметра обтекаемо выполненной части корпуса к внешнему диаметру гребного винта составляет менее или максимально равно 0,4.

Использование роторов с возбуждением от постоянных магнитов вместо короткозамкнутых роторов или роторов с внешним возбуждением через контактные кольца для синхронных электродвигателей само по себе известно, в частности, для электродвигателей с мощностью привода до около 30 кВт (Siemens-Z., 1975, N 49, страницы 368 - 374). Такие электродвигатели с приводной мощностью от около 2 до 5 МВт уже созданы для привода гребных винтов подводных лодок, причем электродвигатель, выполненный очень коротким в осевом направлении и тем самым относительно большим по внешнему диаметру, расположен внутри корпуса судна. В этом электродвигателе все полюсные наконечники ротора выполнены из нескольких постоянных магнитов из специального сплава самария и кобальта и склеены с полюсным сердечником. Пакет статора этого электродвигателя окружен двумя охлаждающими кольцами, через которые протекает пресная вода. Пресную воду охлаждают в теплообменниках морской водой (проспект "ПЕРМАСИН-электродвигатели для привода гребных винтов подводных лодок фирмы Сименс АГ", номер заказа E 10 001-A930-A29, "Jahrbuch der Schiffsbautechnischer Gesellschaft", 1987, страницы 221-227).

Если выполненную согласно изобретению судовую силовую установку используют в верхнем диапазоне мощности (более чем 5-10 МВт), то необходимо обращать внимание также на эффективное охлаждение лобовых частей обмотки. В этом случае может быть целесообразным придать каждой лобовой части обмотки статора дополнительное охлаждающее устройство. Такие дополнительные охлаждающие устройства можно без особых дополнительных затрат расположить в полости, обусловленной конструкцией электродвигателя, если в качестве охлаждающего устройства выбрать либо вентиляторы, которые расположены внутри лобовых частей обмотки на валу ротора, либо каждой лобовой части со стороны торца придать трубообразное в поперечном сечении кольцо, которое снабжено распылительными отверстиями и полость которого соединена посредством насоса с расположенным ниже вала ротора отстойником изоляционного масла. В обоих вариантах тепло от охлаждающего средства - будь то воздух или изолирующее масло - также как от статора отводят через окружающие стенки корпуса электродвигателя.

Продольное сечение соответствующих двух примеров выполнения нового приводного устройства схематично показаны на фиг. 1 и 2.

Фиг. 1 - приводное устройство с воздушным охлаждением лобовых частей обмотки статора.

Фиг. 2 - приводное устройство с распылительным охлаждением лобовых частей обмотки.

Приводное устройство согласно фиг. 1 состоит из выполненной обтекаемо, имеющей форму гондолы части 1 корпуса с расположенным в ней синхронным двигателем, состоящим из статора 7 и ротора 10, и из хвостовика 20, через который приводное устройство может быть прикреплено к дну корпуса судна. Корпус 1 состоит из выполненной в виде полого цилиндра части 2 и концевых крышек 3 и 4, в которых размещены подшипники приводного вала 5. На одном из концов приводного вала установлен гребной винт 6.

Статор 7 синхронного электродвигателя вставлен с геометрическим замыканием в полую цилиндрическую часть 2, например, эта часть корпуса 1 в горячем состоянии запрессована на пакет статора. Обмотки статора выступают лобовыми частями 8 и 9 обмотки. Ротор 10 синхронного электродвигателя выполнен сам по себе известным образом как ротор с возбуждением от постоянных магнитов и через несущую конструкцию 11 опирается на приводной вал 5. Несущая конструкция 11 снабжена осевыми прорезями 16.

Внутри обеих лобовых частей 8 и 9 обмотки расположено по одному вентилятору 12. С помощью этого вентилятора находящийся в полости синхронного электродвигателя воздух завихряется и при этом обтекает лобовые части 8 и 9 обмотки. Охлаждение синхронного электродвигателя в целом происходит в основном через полую цилиндрическую часть 2 корпуса 1, которая при движении судна отдает тепло в обтекающую воду.

В примере выполнения согласно фиг. 2 для охлаждения лобовых частей 8 и 9 обмотки с торцевых сторон лобовых частей обмотки расположено по одному трубообразному в поперечном сечении кольцу 13, которое в направлении лобовых частей обмотки снабжено распылительными отверстиями. Через эти распылительные отверстия можно распылять изолирующее масло, которое находится в отстойнике 14 под приводным валом 5 и оттуда с помощью расположенного вне корпуса 1 насоса закачивается в кольцо 13. Из отстойника 14 для изолирующего масла тепло также отводится через корпус 1, также как из завихренного согласно фиг. 1 воздуха. Отстойник 14 не должен захватывать воздушный зазор электродвигателя. Распылительные кольца могут быть предусмотрены дополнительно к вентиляторам 12 или альтернативно им.

Благодаря тому, что статор с геометрическим замыканием вставлен в выполненный обтекаемо корпус 1 и ротор 10 с возбуждением от постоянных магнитов в радиальном направлении требует меньше места, чем короткозамкнутый ротор, корпус 1 может иметь относительно небольшой внешний диаметр d, так что соотношение между внешним диаметром d корпуса 1 и внешним диаметром D гребного винта 6 достигает относительно небольшой величины, например 0,35, даже если синхронный двигатель выполнен для приводной мощности от 2 до 20 МВт и больше.

Выполнение нового приводного устройства не зависит от того, установлена ли гондола на судне корпуса неподвижно или с возможностью поворота. Тем самым оно пригодно также для так называемых приводов Шоттеля.

Изобретение относится к судостроению и касается создания судовых силовых установок с синхронным электродвигателем. Судовой привод имеет корпус в виде гондолы, установленный на нижней стороне корпуса судна. В корпусе приводного устройства имеется трехфазный синхронный электродвигатель. Мощность привода равна, по крайней мере, 2 МВт. Ротор двигателя выполнен с возбуждением от постоянных магнитов. С осью ротора соединен, по крайней мере, один гребной винт. Статор для охлаждения водой, обтекающей часть корпуса, встроен с геометрическим замыканием в эту часть. Внешний диаметр обтекаемо выполненной части корпуса составляет 40% внешнего диаметра гребного винта. Внутреннее пространство части корпуса, в которой размещен электродвигатель, свободно от протекающего охлаждающего средства. Приводное устройство может иметь дополнительное охлаждающее устройство или в виде вентилятора, расположенного внутри соответствующей лобовой части обмотки на валу ротора, или в виде распылительного устройства, состоящего из трубообразного в поперечном сечении кольца, снабженного распылительными отверстиями. Полость кольца может соединяться с помощью насоса с отстойником изолирующего масла, находящегося под валом ротора. Технический результат реализации изобретения заключается в создании электропривода судна с мощностью в мегаваттном диапазоне при обеспечении благоприятного пропульсивного КПД 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрическое приводное устройство для судна, состоящее из корпуса, устанавливаемого в виде гондолы на нижней стороне корпуса судна, с обтекаемо выполненной частью корпуса для размещения трехфазного электродвигателя, с роторной осью которого соединен, по меньшей мере, один гребной винт, причем статор трехфазного электродвигателя для охлаждения водой, обтекающей обтекаемо выполненную часть корпуса, встроен с геометрическим замыканием в часть (1) корпуса, отличающееся тем, что трехфазный электродвигатель выполнен как синхронный электродвигатель, имеет мощность привода, по меньшей мере, 2 МВт, что ротор (10) синхронного электродвигателя выполнен в виде ротора с возбуждением от постоянных магнитов, что внешний диаметр (d) обтекаемо выполненной части (1) корпуса составляет максимально 40% внешнего диаметра (D) гребного винта (6), и что внутреннее пространство части (1) корпуса, в которой размещен электродвигатель, является свободным от протекающего через него охлаждающего средства. 2. Приводное устройство по п.1, отличающееся тем, что каждой лобовой части (8, 9) обмотки статора (7) придано дополнительное охлаждающее устройство (12, 13). 3. Приводное устройство по п.2, отличающееся тем, что дополнительное охлаждающее устройство состоит из вентилятора (12), расположенного внутри соответствующей лобовой части (8, 9) обмотки на валу (5) ротора. 4. Приводное устройство по п.2, отличающееся тем, что каждой лобовой части (8, 9) обмотки с торцевой стороны придано трубообразное в поперечном сечении кольцо (13), которое снабжено распылительными отверстиями, и полость которого с помощью насоса (15) соединена с отстойником (14) изолирующего масла, находящегося под валом ротора. 5. Приводное устройство по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что полая цилиндрическая часть (2) части (1) корпуса насажена на пакет статора (7) способом горячей запрессовки.