ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ В ЖИДКИХ СРЕДАХ Российский патент 2005 года по МПК B63H1/16 

Изобретение относится к основным элементам судового оборудования, а именно к судовым движителям, и предназначено для пространственного перемещения телеуправляемых аппаратов различного назначения в жидкой среде, например, в морской воде, нефтепродуктах и других.

Известно устройство, предназначенное для перемещений на поверхности или внутри жидкой среды, состоящее из приводного двигателя и винта, осуществляющее поступательное движение за счет преобразования энергии в двигателе и передачи ее лопастному винту. При этом двигатель и винт пространственно разделены и последний находится в жидкой среде. Недостатком такого устройства является наличие вала, соединяющего винт и приводной двигатель, что не только увеличивает массу устройства и количество деталей трения, но и снижает коэффициент полезного действия (КПД) (Справочник по теории корабля. Под редакцией Войткунского Я.И. Том 1. - Л., Судостроение, 1985, с.432)

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является устройство (QUEST Electric Ring Thrusters. ALSTOM Shilling Robotics 201 Cousteau Place, Davis, California 95616-5412 USA. tel: +1(530)753-6718 Fax +1(530)753-8092 E-mail: Sales.schilling@,powerconv.alstom.com www.schilling.com) в котором электродвигатель и винт пространственно совмещены, то есть винт конструктивно размещен внутри асинхронного двигателя так, что его сердечник ротора расположен по радиальному направлению на периферийной окружности лопастей винта.

Недостатком прототипа с одной стороны является потребление обмоткой статора от источника питания реактивной мощности, что приводит к дополнительным электрическим потерям и снижению КПД, а с другой стороны использование нечетного числа лопастей винта приводит к неуравновешенности действия электромагнитных сил и появлению дополнительных усилий на поверхностях трения подшипниковых узлов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности и экономичности преобразования электроэнергии при реализации поступательного движения аппарата.

Технический результат - эффективное преобразование потребляемой электроэнергии за счет исключения потребления реактивной мощности из сети источника питания достигается путем использования магнитного потока постоянных магнитов, встроенных в лопасти движителя, выполняемых трехслойными и четными по количеству.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в электромагнитном движителе для пространственного перемещения телеуправляемого аппарата в виде устройства, содержащего шихтованный ферромагнитный цилиндрический сердечник статора с трехфазной капсулированной обмоткой, жестко закрепленный в аппарате, и вращающуюся часть в виде полого шихтованного ферромагнитного сердечника с короткозамкнутой медной обмоткой, внутри которого размещены лопасти винта, согласно изобретению каждая из лопастей винта представляет собой трехслойную структуру, две наружные части которой выполнены из латуни, бронзы или пластика, а внутренняя представляет собой постоянный магнит из спекаемого порошкового материала высокой коэрцитивной силы и число лопастей четное, равное числу полюсов обмотки статора.

Отличительными признаками заявляемого изобретения от прототипа является то, что внутренние полости каждой из лопаток винта заполнены согласно фиг.1 порошковым материалом из сурьмакобальта, образующим постоянные магниты, а каждая из лопаток сделана трехслойной и число лопаток четное.

Первый признак в виде использования постоянных магнитов приводит к исключению потребления от источника питания реактивной составляющей тока статора, и следовательно, к повышению КПД.

Второй признак в виде возможности изготовления лопастей винта трехслойными позволяет подбирать материал их наружных слоев соответствующими вязкости той среды, в которой предназначен перемещаться телеуправляемый аппарат с целью повышения КПД самого винта.

Третий признак в виде использования четного числа лопастей вместо нечетного приводит к большей уравновешенности действия сил, включая центробежные, а следовательно, к меньшей нагрузке на подшипниковые узлы.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлен поперечный разрез предлагаемого электромагнитного движителя, а на фиг.2 - поперечный разрез его лопастей. Конструкция движителя соответствует по принципу действия синхронной машине с возбуждением от постоянных магнитов и наличием демпферной (успокоительной, короткозамкнутой) обмотки. Конструкция имеет неподвижную наружную часть (статор), жестко связанную с корпусом телеуправляемого аппарата, и вращающуюся внутреннюю часть (ротор), через полые пространства которого между лопастями винта проходит жидкость, и реакция от них приводит к поступательному перемещению аппарата.

Статор по конструкции аналогичен статору трехфазного синхронного электродвигателя, у которого корпусом (станиной) служит направляющее сопло аппарата, не показанное на фиг.1. Сердечник 1 статора шихтованный из листов холоднокатаной электротехнической стали, имеющий штампованные зубцы и пазы. В пазы уложена трехфазная обмотка 2 статора, проводники которой могут быть капсулированы специальным пластиком, устойчивым к воздействию жидкости. Внутри цилиндрического сердечника статора в радиальном направлении от него на расстоянии рабочего «воздушного» зазора расположен ротор.

Ротор снаружи представляет собой шихтованный из листов холоднокатаной электротехнической стали цилиндрический сердечник 3, имеющий со стороны внешней поверхности штампованные зубцы и пазы. В пазы уложены стержни из электротехнической меди, которые с двух торцевых сторон сердечника электрически соединены между собой медными кольцами 5. Стержни и кольца образуют короткозамкнутую (пусковую) обмотку 4 ротора синхронной машины.

Внутри полого сердечника ротора расположен гребной винт, лопасти 8 которого в радиальном направлении закреплены с одного конца в ступице 9 из ферромагнитной стали, а с другого конца в шихтованной части 3 сердечника ротора. Каждая из лопастей, число пар которых равно числу пар полюсов обмотки статора, в тангенциальном (поперечном) разрезе, представляет собой трехслойную конструкцию фиг.2. Два наружных слоя выполнены или из немагнитных проводящих материалов (медь, латунь, бронза), или из пластика, а внутренний слой выполнен из прессованного порошкового материала, представляющего собой постоянный магнит 7. Для того чтобы большая часть магнитного потока, создаваемого постоянными магнитами лопастей замыкалась через сердечник статора с обеих сторон заделки лопастей в сердечник ротора, предусмотрены или немагнитные стержни 6 из меди, сваренные по торцам с коротко замыкающими кольцами, или керамические вставки.

Рабочий «воздушный» зазор между сердечниками статора и ротора образован использованием двух симметричных втулок из керамического материала, не показанных на чертеже и выполняющих роль наружных и внутренних колец подшипника скольжения.

Предлагаемый электромагнитный движитель, поперечный разрез которого изображен на фиг.1, в жидких средах работает следующим образом. При подаче трехфазного напряжения промышленной частоты на обмотку статора 2 от возникающего тока появляется бегущее вдоль окружности движителя магнитное поле. Магнитный поток от этого поля, замыкаясь через сердечники статора 1 и ротора 3 и пересекая стержни последнего, наводит в них электродвижущие силы (ЭДС). Под действием последних в короткозамкнутой обмотке ротора 4 возникают токи и образуется также бегущее магнитное поле, магнитный поток от которого замыкается по тому же пути, что и поток от тока обмотки статора. Образуется результирующий магнитный поток, взаимодействие которого с токами обмотки ротора создает электромагнитные силы. Совокупность действия таких сил приводит к образованию электромагнитного момента асинхронной природы. Под действием последнего ротор вместе с лопастями винта приходит во вращение, а реакция жидкой среды на лопастях приводит к поступательному перемещению всего устройства вместе с телеуправляемым аппаратом. Таким образом, происходит начальный пуск движителя, а по достижении ротором скорости вращения, близкой к скорости вращения поля, вступает в действие дополнительный электромагнитный момент от взаимодействия поля постоянных магнитов с полем статора. Такой момент называется синхронным и при равенстве скоростей вращения ротора (постоянных магнитов) и поля статора будет иметь место режим синхронного двигателя.

По конструкции выполнение пусковой обмотки из меди и пазов сердечника ротора глубокими с отношением высоты к ширине примерно 8-10 усиливает действие поверхностного эффекта при пуске и приводит к повышению пускового момента электродвигателя.

Наряду с этим использование меди для короткозамкнутой (пусковой) обмотки ротора приводит к уменьшению ее активного сопротивления в сравнении с применением алюминиевого сплава, а следовательно, ведет к снижению критического скольжения и к облегчению вхождения в синхронизм при наличии нагрузки от вращения винта в жидкости при поступательном перемещении аппарата.

Синхронный двигатель, в отличие от асинхронного, при определенном потоке возбуждения (от постоянных магнитов) может работать без потребления из сети питания реактивного (намагничивающего) тока (коэффициент мощности равен 1).

Это исключает, по сравнению с прототипом, дополнительные электрические потери обмотки статора и повышает КПД устройства. Наряду с этим, в отличие от прототипа, использование четного числа лопастей винта приводит к большей динамической сбалансированности устройства и меньшей нагрузке на поверхности трения подшипниковых узлов. Выполнение лопастей винта, в отличие от прототипа, трехслойными позволяет подбирать материал их наружных слоев соответствующим вязкости той среды, в которой предназначен перемещаться телеуправляемый аппарат. А это позволяет снизить сопротивление трения для винта, повышая его КПД.

Электромагнитный движитель для пространственного перемещения телеуправляемого аппарата в жидких средах содержит шихтованный ферромагнитный цилиндрический сердечник статора с трехфазной капсулированной обмоткой, жестко закрепленный в аппарате, вращающуюся часть в виде полого шихтованного ферромагнитного сердечника с короткозамкнутой медной обмоткой и лопасти винта, размещенные внутри сердечника вращающейся части. Каждая из лопастей винта представляет собой трехслойную структуру, две наружные части которой выполнены из латуни, бронзы или пластика, а внутренняя представляет собой постоянный магнит из спекаемого порошкового материала высокой коэрцитивной силы, а число лопастей четное, равное числу полюсов обмотки статора. Такое выполнение движителя обеспечивает эффективное преобразование потребляемой электроэнергии за счет исключения потребления реактивной мощности из сети источника питания. 2 ил.

Электромагнитный движитель для пространственного перемещения телеуправляемого аппарата в виде устройства, содержащего шихтованный ферромагнитный цилиндрический сердечник статора с трехфазной капсулированной обмоткой, жестко закрепленный в аппарате, и вращающуюся часть в виде полого шихтованного ферромагнитного сердечника с короткозамкнутой медной обмоткой, внутри которого размещены лопасти винта, отличающийся тем, что каждая из лопастей винта представляет собой трехслойную структуру, две наружные части которой выполнены из латуни, бронзы или пластика, а внутренняя представляет собой постоянный магнит из спекаемого порошкового материала высокой коэрцитивной силы, а число лопастей четное, равное числу полюсов обмотки статора.