ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ В ЖИДКИХ СРЕДАХ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ РЕДУКЦИЕЙ Российский патент 2011 года по МПК B63H1/26 

Изобретение относится к основным элементам судового электрооборудования, а именно к судовым движителям, и предназначено для пространственного перемещения водных объектов различного назначения по системе прямого привода в жидкой среде, например, в морской воде, нефтепродуктах и других или по их поверхности.

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).

Использование электрической редукции, заключающееся в том, что при определенном соотношении числа зубцов сердечника статора с обмоткой, питаемой от источника электроэнергии трехфазного тока, и числа полюсов постоянных магнитов сердечника ротора, когда последний вращается со скоростью, меньшей, чем скорость вращения магнитного поля статора, известно и описано в [3], но без применения принципа системы прямого привода. Последний означает, что передача энергии рабочему органу механизма для совершения полезной работы осуществляется без промежуточных конструктивных элементов - валов, редукторов, трансмиссий.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является устройство:

«Электромагнитный движитель в жидких средах», патент RU 2265550 C1 B63H 1/16, в котором электродвигатель и винт пространственно совмещены, то есть винт конструктивно размещен внутри синхронного двигателя так, что его сердечник ротора расположен по радиальному направлению на периферийной окружности диаметра лопастей винта.

Недостатками прототипа являются:

1. Расположение постоянных магнитов внутри лопастей винта, что технологически существенно усложняет конструкцию к изготовлению;

2. Предопределенность одинаковости числа пар полюсов постоянных магнитов и числа лопастей, и их обязательной четности, что исключает использование относительно рентабельного нечетного числа лопастей винтов;

3. Применение крепления лопастей винта с двух концов, один из которых расположен в центральной ступице не только технологически усложняет исполнение конструкции, но и создает дополнительное бесполезное сопротивление движению жидкости в центре вращения, снижая коэффициент полезного действия винта.

4. Для получения практически приемлемого диапазона частоты вращения лопастей винта при их малом числе и соответственно числа пар полюсов постоянных магнитов требуется обеспечение питания обмотки статора от сети стандартной частоты через преобразователь частоты с большим диапазоном регулирования, а последнее, как известно, приводит к снижению коэффициента полезного действия преобразователя.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности и экономичности преобразования электроэнергии при реализации поступательного движения водного объекта внутри жидкости или по ней.

Технический результат - эффективное преобразование потребляемой энергии за счет переноса постоянных магнитов из лопастей винта на обечайку сердечника ротора, достигается путем изменения конструкции крепления лопастей винта и использования определенного соотношения числа обмотанных зубцов шихтованного сердечника статора и числа полюсов постоянных магнитов, обеспечивающего необходимую величину электрической (электромагнитной) редукции, для получения нужной частоты вращения лопастей движителя.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в электромагнитном движителе в жидких средах с электрической редукцией для пространственного перемещения водного объекта в виде устройства, содержащего шихтованный ферромагнитный цилиндрический (внутри полый) сердечник статора с трехфазной капсулированной обмоткой, жестко закрепленный в объекте движения, когда согласно изобретению витки обмотки концентрически намотаны на зубцы сердечника статора, а вращающуюся часть в виде магнитомягкого цилиндрического ферромагнитного сердечника ротора, во внутренней цилиндрической полости которого размещены винтовые лопасти без центральной ступицы, число которых может быть произвольным, а с наружной стороны в углублениях сердечника ротора расположены полюса постоянных магнитов радиальной намагниченности, причем числа зубцов статора и полюсов ротора находятся в определенном соотношении, обеспечивая электрическую редукцию устройства.

Отличительными признаками заявляемого изобретения от прототипа являются:

1. Постоянные магниты вынесены из лопастей винта на наружную поверхность ферромагнитного не шихтованного сердечника ротора, выполняющего одновременно роли обечайки периферийного крепления лопастей винта, и магнитопровода (спинка сердечника ротора) для замыкания рабочего магнитного потока, проходящего через зазор между неподвижным сердечником статора и вращающимся ротором с винтовыми лопастями.

2. Трехфазная обмотка шихтованного сердечника статора выполнена не барабанного, а кольцевого типа, когда витки каждой фазы по определенной схеме охватывают определенное число зубцов сердечника статора.

3. Неодинаковость числа "полюсов" сердечника статора и числа постоянных магнитов ротора.

4. Лопасти винта крепятся только с одного конца к внутренней стороне сердечника ротора из ферромагнитного не шихтованного кольца или обечайки (ярмо магнитопровода), а с наружной стороны расположены постоянные магниты.

5. Исключена короткозамкнутая стержневая обмотка ротора.

Первый признак в виде вынесения постоянных магнитов из лопастей винта на наружную цилиндрическую поверхность ферромагнитного не шихтованного сердечника ротора с одной стороны совершенствует (упрощает) технологию изготовления, а с другой стороны уменьшает магнитный поток рассеяния и тем повышает коэффициент полезного действия (КПД) двигательной части движителя.

Второй признак в виде использования витков обмотки статора кольцевого, а не барабанного типа на каждом из зубцов сердечника статора приводит к росту намагничивающей силы каждого зубца, и из-за пространственного смещения осей магнитных потоков зубцов и полюсов постоянных магнитов, появлению существенных тангенциальных сил, приводящих к возникновению момента, крутящего ротор с лопастями со скоростью, меньшей скорости вращения магнитного поля статора, то есть электрической (электромагнитной) редукции.

Третий признак в виде неодинаковости числа "пар полюсов", создаваемых обмоткой статора при протекании по ней тока от источника питания электроэнергией движителя и числа пар полюсов постоянных магнитов ротора, обеспечивает необходимую электрическую (электромагнитную) редукцию от частоты вращения магнитного поля обмотки статора к частоте вращения ротора с его ярмом, постоянными магнитами полюсов и лопастями винта движителя.

Четвертый признак в виде крепления лопастей винта с одного конца к внутренней стороне ярма сердечника ротора без центральной ступицы исключает наличие бесполезного сопротивления движению жидкости в центре вращения, улучшает гидродинамику движения жидкости и повышает эффективность действия лопастей винта в создании тяговой силы перемещения объекта в жидкой среде или по ее поверхности. Наряду с этим исключение ступицы крепления дает экономию материалов в расходе на изготовление.

Пятый признак в виде исключения короткозамкнутой обмотки ротора приводит к экономии активных проводниковых материалов в расходе на изготовление и исключению дополнительных электрических потерь двигателя.

В заявляемом электромагнитном движителе в жидких средах с электрической редукцией на основании определенного соотношения числа обмотанных зубцов сердечника статора и числа полюсов постоянных магнитов сердечника ротора известное и описанное в [3] используется по варианту системы прямого привода объясненного выше.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен поперечный разрез предлагаемого электромагнитного движителя, а на фиг.2 - половина продольного разреза. Конструкция движителя соответствует по принципу действия "синхронной" машине с возбуждением от постоянных магнитов, работающей по принципу взаимодействия зубцовых гармоник поля статора и гармоник поля, создаваемых постоянными магнитами [2].

Конструкция электромагнитного движителя в жидких средах с электромагнитной редукцией имеет неподвижную наружную часть (статор), жестко связанную с корпусом перемещаемого объекта и вращающуюся внутреннюю часть (ротор), через полые пространства которого между лопастями винта проходит жидкость, и реакция от жидкости, действующая на винтовые лопасти 5, приводит к поступательному перемещению объекта движения.

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, имеет 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 к центру вращения на расстоянии рабочего "воздушного" зазора расположен ротор.

Ротор представляет собой цилиндр (обечайку) 3 из ферромагнитного магнитомягкого материала, с наружной стороны которого в небольших углублениях расположены постоянные магниты 4 радиальной намагниченности, а с внутренней стороны закреплены винтовые лопасти 5, изготовленные из немагнитных материалов (медь, латунь, бронза) или из углепластика.

Внутри магнитопроводящего сердечника ротора (обечайки) описанные лопасти образуют винт, при вращении которого в жидкости возникают силы реакции, создающие в совокупности тяговую силу для перемещения объекта в жидкости или по ней.

Рабочий "воздушный" зазор между сердечниками статора и ротора образован использованием двух симметричных втулок 6 из керамического материала, показанных на фиг.2 и выполняющих роль наружных и внутренних колец подшипника скольжения.

Предлагаемый электромагнитный движитель в жидких средах с электрической редукцией, 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 замыкается через сердечники статора 1 и ротора 3, проходя дважды через рабочий воздушный зазор δ. Во встречном направлении по аналогичному контуру замыкается магнитный поток, создаваемый двумя соседними постоянными магнитами радиальной намагниченности. Взаимодействие этих потоков приводит к появлению тангенциальных электромагнитных сил, совокупное действие которых создает электромагнитный момент, вращающий ротор и лопасти винта. Ввиду кривизны поверхностей лопастей винта образуются силы реакции жидкости осевого направления, совокупное действие которых приводит к поступательному перемещению объекта.

Принцип электрической редукции, изложенный в [2] и реализованный в примерах конкретных конструкций [3], определяет частоту вращения ротора (об/мин) через частоту f₁ (Гц) напряжения питания обмотки статора, число пар полюсов машины р, число зубцов z₁ сердечника статора и число зубцов z₂ или полюсов ротора в виде:

,

что для примера показанной на фиг.1 и фиг.2 конструкции при стандартной российской частоте f₁=50 Гц дает результат:

,

то есть с величиной электрической редукции, равной

.

При необходимости получения другой величины i_э можно использовать рекомендации [2, 3].

Литература

1. Патент RU 2265550 C1 B63H 1/16. Электромагнитный движитель в жидких средах.

2. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974, 839 с.

3. www.bavatia-direct.co.za.

Изобретение относится к судовому оборудованию и может быть использовано для пространственного перемещения объектов на поверхности и внутри жидкой среды. Движитель содержит шихтованный ферромагнитный цилиндрический сердечник статора с трехфазной капсулированной обмоткой, вращающуюся часть из магнитомягкого цилиндрического сердечника ротора. Трехфазная капсулированная обмотка имеет витки, концентрически намотанные на зубцы сердечника статора. Во внутренней цилиндрической полости ротора размещены винтовые лопасти без центральной ступицы. Технический результат заключается в повышении экономичности преобразования электроэнергии. 2 ил.

Электромагнитный движитель в жидких средах с электрической редукцией для пространственного перемещения объекта в жидкой среде в виде устройства, содержащий шихтованный ферромагнитный цилиндрический сердечник статора с трехфазной капсулированной обмоткой, жестко закрепленный в объекте движения, и вращающийся сердечник ротора, отличающийся тем, что трехфазная капсулированная обмотка имеет витки, концентрически намотанные на зубцы сердечника статора, жестко закрепленного в объекте движения, и вращающуюся часть из магнитомягкого цилиндрического сердечника ротора, во внутренней цилиндрической полости которого размещены винтовые лопасти без центральной ступицы, число которых может быть произвольным, а с наружной стороны в углублениях расположены полюса постоянных магнитов радиальной намагниченности, причем числа зубцов статора и полюсов ротора находятся в определенном соотношении, обеспечивая электрическую редукцию устройства.