Двигательная установка подводного аппарата Российский патент 2019 года по МПК B63H21/00 

Двигательная установка подводного аппарата относится к области морской подводной техники, а именно к устройствам, обеспечивающим передвижение в водной среде подводных аппаратов, работающих на больших глубинах.

Известны двигательно-движительные установки подводных аппаратов, в состав которых входят высокоскоростной электродвигатель и магнитная муфта в виде специального магнитного редуктора для обеспечения герметизации, понижения частоты вращения ротора и передачи вращающего момента от выходного вала высокоскоростного электродвигателя к валу движителя через немагнитную оболочку (Patent No.: US 8,512,084B1).

Передача вращающего момента с вала электродвигателя на гребной винт также реализована в двигательно-движительных установках одного из лидеров в области разработки и изготовления двигательно-движительных установок для подводных аппаратов - фирмы «Tecnadyne», которая обеспечивает серийный выпуск установок с широким диапазоном тяговых характеристик и различном напряжении питания (www.tecnadyne.com).

В состав двигательно-движительных установок фирмы «Tecnadyne» входят встроенный электродвигатель и магнитная муфта для обеспечения герметизации и передачи вращающего момента от выходного вала электродвигателя к гребному винту через немагнитную оболочку (www.tecnadyne.com).

До глубины 1500 м внутренние полости указанной двигательно-движительной установки находятся в воздушной среде, а при использовании подводного аппарата на глубине свыше 1500 м из-за возможного разрушения немагнитного разделителя сред магнитной муфты эта полость заполняется нейтральной жидкостью.

К недостаткам данных двигательно-движительных установок можно отнести: а) повышенные масса и габаритные размеры ввиду применения магнитных муфт; б) отсутствие возможности форсировки двигательно-движительной установки (режим ускорения для подводного аппарата в целом), так как при превышении крутящего момента магнитные полумуфты начнут проскальзывать друг относительно друга, и выходная частота вращения гребного (движителя) винта не изменится.

Наиболее близкой установкой, принятой за прототип, является двигательно-движительная установка подводного аппарата, патент RU 2557291, содержащая электродвигатель, который расположен в воздушной среде, и редуктор, размещенный в жидкой среде. Между электродвигателем и редуктором установлена магнитная муфта. При этом магнитопроницаемая перегородка магнитной муфты является герметизирующим уплотнительным элементом и разделяет внутреннее пространство двигательно-движительной установки на воздушную полость и полость, заполненную жидкостью. Электродвигатель соединен с ведущей магнитной полумуфтой, а ведомая магнитная полумуфта соединена с редуктором, вал которого соединен с валом движителя.

При работе двигательно-движительной установки высокооборотный электродвигатель приводит во вращение вал и ведущую полумуфту, которая за счет сил магнитного взаимодействия приводит в движение ведомую полумуфту и передает вращающий момент к валу редуктора. При этом электродвигатель находится в воздушной среде.

В режиме форсирования, благодаря тому, что магнитная муфта перенесена на низкомоментное звено передачи, она имеет запас по передаваемому моменту, равный передаточному отношению редуктора, поэтому ведущая полумуфта и ведомая полумуфта не проскальзывают друг относительно друга.

Данная двигательно-движительная установка обладает следующими недостатками: а) повышенная масса и габаритные размеры двигательно-движительной установки из-за применения магнитной муфты и редуктора; б) система управления двигательно-движительной установки размещена в отдельном помещении подводного аппарата, что уменьшает его полезный объем для перевозки груза; в) недостаточное охлаждение электрического двигателя, обеспечиваемое воздушной средой, в которой он находится, при форсировании может привести к его перегреву; г) недостаточная надежность при применении на значительных глубинах из-за возможного разрушения магнитопроницаемой перегородки магнитной муфты под действием повышенного гидростатического давления.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании конструкции двигательной установки подводного аппарата, позволяющей обеспечить стойкость к повышенному гидростатическому давлению, улучшение отвода тепла от электродвигателя, повышение эффективности управления электродвигателем, повышение эффективности использования внутреннего объема корпуса подводного аппарата, уменьшение массогабаритных параметров и повышение надежности двигательной установки.

Техническим результатом является повышение эксплуатационных характеристик подводного аппарата путем улучшения технических характеристик двигательной установки.

Предложена двигательная установка, содержащая встроенный бесконтактный моментный двигатель постоянного тока погружного исполнения обращенной конструкции. Статор бесконтактного моментного двигателя постоянного тока установлен на неподвижном корпусе двигательной установки, На роторе бесконтактного моментного двигателя постоянного тока в подшипниковой опоре закреплен гребной винт (движитель) двигательной установки, способный вращаться в обоих направлениях, расположенный соосно статору двигательной установки. Датчик положения ротора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока на эффекте Холла установлен в прочном корпусе на торце статора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока. На прочном корпусе двигательной установки установлена кольцевая насадка, служащая для увеличения тяги на малых скоростях и предохранения гребного винта двигательной установки от повреждений при контакте с твердыми препятствиями. Внешнему контуру установки придана обтекаемая форма для снижения гидродинамического сопротивления. Система управления электродвигателем, провода питающего и информационного кабеля, электрические соединители расположены в прочном полом корпусе двигательной установки.

Предложенная двигательная установка предназначена для работы в составе подводных аппаратов на больших глубинах погружения с применением электрической машины погружного исполнения с постоянными магнитами обращенной конструкции и управлением переключением фаз по сигналам датчиков Холла. Такое решение позволяет добиться максимального упора при кратковременном форсировании электродвигателя, исключить применение манжетных уплотнений на валу двигателя, магнитных муфт и механических передач, позволяет сэкономить массу и габаритные размеры двигательной установки и максимально эффективно использовать внутренний объем.

Внутренний объем герметичного статора заполнен нейтральной жидкостью, при этом компактный гидрокомпенсатор выравнивает давление внутренних полостей статора и окружающей среды при колебаниях ее температуры и давления. Охлаждение бесконтактного моментного двигателя постоянного тока производится напором проточной воды в зазоре между ротором и статором. В конструкции отсутствуют подвижные уплотнительные элементы, что повышает общую надежность двигательной установки. Система управления, размещенная в прочном корпусе с теплоотводом в окружающую среду, позволяет добиваться на выходе бесконтактного моментного двигателя постоянного тока значительных моментов вращения, обеспечивая необходимые для функционирования глубоководного аппарата значения упоров при заданных скоростях движения подводного аппарата.

Существенными отличительными признаками предлагаемого изобретения, повышающими эксплуатационные характеристики подводного аппарата за счет улучшения технических характеристик двигательной установки, являются:

- расположение статора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока внутри ротора, что позволяет добиться стойкости к повышенному гидростатическому давлению путем заполнения статора электродвигателя нейтральной жидкостью и применения гидрокомпенсатора, большей величины упора с охлаждением статора проточной водой через зазор между ротором и статором электродвигателя, улучшения эффективности управления электродвигателем благодаря встроенному в статор датчику положения ротора, а также позволяет исключить из конструкции подвижные уплотнительные элементы, магнитные муфты и промежуточные механические передачи, понижающие надежность работы двигательной установки и увеличивающие ее массогабаритные параметры;

- расположение встроенной системы управления в прочном корпусе двигательной установки, позволяющее более эффективно использовать внутренний объем подводного аппарата;

- расположение на прочном корпусе установки кольцевой насадки, служащей для увеличения тяги на малых скоростях и предохранения гребного винта двигательной установки от повреждений при контакте с твердыми препятствиями.

На фиг. представлена конструкция двигательной установки. В движение гребной винт двигательной установки приводится бесконтактным моментным двигателем постоянного тока погружного исполнения обращенной конструкции, состоящим из статора 1 и ротора 2, причем статор расположен коаксиально внутри ротора. В пазы статора 1 бесконтактного моментного двигателя постоянного тока, установленного на неподвижном корпусе 3, уложена обмотка 4. Ротор включает в себя магниты 5, расположенные в пазах вала 6. Для управления электродвигателем в статоре установлен датчик положения ротора 7. В качестве опоры ротора использованы подшипники качения 8. Гребной винт 9 жестко закреплен в подшипниковой опоре на роторе бесконтактного моментного двигателя постоянного тока. В прочном корпусе 10 двигательной установки установлена встроенная система управления 11, обеспечивающая формирование сигналов управления бесконтактным моментным двигателем постоянного тока и связь с электроникой на борту подводного аппарата, состоящая из платы контроллера привода и обработки сигналов от датчика положения ротора 7, платы контроля питания, платы драйверов, платы интерфейсной. Коммутация обмоток статора осуществляется платой контроллера привода по сигналам датчика положения ротора, отрабатывающего изменение магнитного поля вращающегося ротора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока. Управление бесконтактным моментным двигателем постоянного тока осуществляют плата контроллера привода с платой обработки сигналов от датчика положения ротора и плата драйверов. Плата контроллера привода выполняет следующие функции: а) расчет алгоритмов управления двигателем; б) измерение токов и напряжений платы драйверов; в) формирование импульсов включения и выключения драйверов транзисторов платы драйверов; г) обработку сигналов с датчика положения ротора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока выполненного на базе датчиков Холла. Плата драйверов осуществляет формирование вращающегося вектора тока в статоре бесконтактного моментного двигателя постоянного тока, а также измерение фазных токов и напряжения питания. Разъемы 12 глубоководного исполнения служат для подключения двигательной установки к подводному аппарату. Кронштейн 13 обеспечивает восприятие создаваемого двигательной установкой упора на корпус подводного аппарата, защищая глубоководные разъемы от повреждений. Полость вокруг обмотки статора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока залита нейтральной жидкостью, выравнивающей давление забортной воды. Компенсация залитого объема изолирующей жидкости при изменении ее температуры и забортного давления осуществляется встроенным гидрокомпенсатором 14. Охлаждение силовой электроники происходит через внешний корпус установки окружающей средой. Охлаждение обмотки статора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока происходит проточной водой в рабочем зазоре. На прочном корпусе двигательной установки закреплена кольцевая насадка 15, служащая для увеличения тяги на малых скоростях и предохранения гребного винта от повреждений при контакте с твердыми препятствиями. Внешнему контуру двигательной установки придана обтекаемая форма для снижения гидродинамического сопротивления.

Двигательная установка работает следующим образом. От компьютера (верхний уровень управления) команды управления, содержащие задания по скорости ротора, току двигателя по сети информационного кабеля поступают в плату контроллера управления двигательной установкой. Контроллер, формируя широтно-импульсный модулированный сигнал, осуществляет управление скоростью вращения ротора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока, принимая и обрабатывая сигнал обратных связей по скорости и току. Сигнал управления от контроллера поступает в статор бесконтактного моментного двигателя постоянного тока, приводя во вращение ротор бесконтактного моментного двигателя постоянного тока, от которого момент передается непосредственно на гребной винт двигательной установки, создающий необходимый для функционирования глубоководного аппарата для заданных скоростей движения упор. Информация о положении ротора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока снимается с датчика положения ротора.

Таким образом, задача обеспечения стойкости к повышенному гидростатическому давлению решается за счет применения погружного обращенного бесконтактного электродвигателя, состоящего из герметичного статора, заполненного нейтральной жидкостью, с встроенным гидрокомпенсатором и негерметичного ротора.

Задача улучшения теплообмена электродвигателя при повышенном тепловыделении в режиме форсировки решается возможностью протекания забортной воды через зазор между ротором и статором электродвигателя.

Эффективность управления электродвигателем повышается за счет использования встроенного в статор датчика положения ротора электродвигателя.

Повышение надежности и снижение массогабаритных характеристик двигательной установки обеспечивается отсутствием в конструкции подвижных уплотнительных элементов, магнитных муфт и механических передач между двигателем и гребным винтом

Задача повышения эффективности использования внутреннего объема подводного аппарата достигается за счет расположения встроенной системы управления в прочном корпусе двигательной установки.

Увеличение тяги на малых скоростях и предохранения гребного винта двигательной установки от повреждений обеспечивается установкой на прочном корпусе двигательной установки кольцевой насадки.

Технический результат - повышение эксплуатационных характеристик подводного аппарата путем улучшения технических характеристик двигательной установки.

Изобретение относится к морской подводной технике, а именно к устройствам, обеспечивающим передвижение в водной среде подводных аппаратов, работающих на больших глубинах. Двигательная установка подводного аппарата содержит прочный корпус, высокоскоростной электродвигатель и движитель. Высокоскоростной электродвигатель представляет собой бесконтактный моментный двигатель постоянного тока погружного исполнения обращенной конструкции. Ротор двигателя выполнен негерметичным, а статор двигателя выполнен герметичным с полостями, заполненными нейтральной жидкостью, и расположен коаксиально внутри негерметичного ротора. В подшипниковой опоре ротора жестко закреплен гребной винт, а в статор дополнительно встроен гидрокомпенсатор. На торце статора дополнительно установлен датчик положения ротора. Система управления расположена в прочном корпусе, на котором дополнительно установлена кольцевая насадка и разъемы глубоководного исполнения. Достигается повышение эксплуатационных характеристик подводного аппарата. 1 ил.

Двигательная установка подводного аппарата, содержащая прочный корпус, высокоскоростной электродвигатель, движитель, отличающаяся тем, что высокоскоростной электродвигатель представляет собой бесконтактный моментный двигатель постоянного тока погружного исполнения обращенной конструкции, ротор двигателя выполнен негерметичным, статор двигателя выполнен герметичным с полостями, заполненными нейтральной жидкостью, и расположен коаксиально внутри негерметичного ротора, в подшипниковой опоре которого жестко закреплен гребной винт (движитель), в статор дополнительно встроен гидрокомпенсатор, на торце статора дополнительно установлен датчик положения ротора, система управления расположена в прочном корпусе, на котором дополнительно установлена кольцевая насадка и разъемы глубоководного исполнения.