ВИНТОРУЛЕВАЯ КОЛОНКА С ЭЛЕКТРОДВИЖИТЕЛЕМ Российский патент 2025 года по МПК B63H1/00 B63H5/125 

Область техники

Изобретение относится к области судостроения, а именно к конструкции винторулевых колонок и может быть использовано для обеспечения движения и маневрирования судна.

Уровень техники

Известно изобретение RU 2320516 С1, «Пропульсивная система с погружным электродвигателем», МПК В63Н 1/16, В63Н 5/14, содержащее автономный корпус и реверсивный погружной электродвигатель, статор которого прикреплен к корпусу, а ротор с внутренней стороны имеет как единое целое круговое кольцо. Катушки статора размещены по кругу параллельно центральной оси двигателя. С обоих торцов статора соосно размещены роторы с круговым кольцом, к внутренней поверхности которого закреплены лопасти гребного винта. Внутренний диаметр кругового кольца равен внутреннему диаметру статора. Оба ротора имеют единый вал, который одновременно является валом гребных винтов. Вал прикреплен к стойкам, закрепленным к несущим конструкциям корпуса и/или статора. Ступицы гребных винтов снабжены подшипниками вала.

Недостатками указанного технического решения являются возникновение эффекта кавитации при высокой частоте вращения ротора электродвигателя, неоднородность физических свойств статора электродвигателя, а также отклонение рабочих параметров статора электродвигателя при росте напряженности электромагнитного поля, высокое сопротивление пропульсивной системы с погружным электродвигателем при движении судна на малом ходу. (RU 2320516 С1, http://new.fips.ru).

Известно изобретение RU 2349494 С2, «Винторулевая колонка с безвольным электромагнитным движителем», МПК В63Н 20/16, содержащее безвольный винтолопастной движитель и механизм поворота плоскости вращения лопастей. Механизм поворота плоскости вращения лопастей включает в себя два электродвигателя со встроенными электромагнитными тормозами и наружными шестернями, находящимися в зацеплении с косозубым коническим колесом, к которому жестко прикреплена станина винтолопастного электромагнитного движителя, служащая одновременно направляющей насадкой винта. Этот электромагнитный движитель выполнен трехфазным синхронным с возбуждением от постоянных магнитов, находящихся в лопастях винта. Корпус электромагнитного движителя выполнен с шихтованным ферромагнитным сердечником статора с трехфазной обмоткой. Внутри сердечника статора на расстоянии от него воздушного зазора по радиальному направлению расположен шихтованный ферромагнитный сердечник ротора с короткозамкнутой пусковой обмоткой.

Недостатками указанного технического решения являются возникновение эффекта кавитации при высокой частоте вращения ротора электромагнитного движителя, неоднородность физических свойств статора электромагнитного движителя, а также отклонение рабочих параметров статора электромагнитного движителя при росте напряженности электромагнитного поля, высокое сопротивление винторулевой колонки при движении судна на малом ходу. (RU 2349494 С2, http://new.fips.ru).

Из известных технических решений близким по назначению и технической сущности к заявленному объекту является изобретение RU 2349493 С1, «Винторулевая колонка системы прямого привода», МПК В63Н 5/125, содержащее безвольный винтолопастной электромагнитный движитель с постоянными магнитами радиальной намагниченности и механизм поворота плоскости вращения электромагнитного движителя с двумя электродвигателями в корпусной части объекта перемещения. Магниты расположены на внешней поверхности ротора электромагнитного движителя, а в механизме поворота плоскости вращения электромагнитного движителя использованы два безвольных синхронных электродвигателя с постоянными магнитами радиальной намагниченности. Магниты электродвигателей механизма поворота плоскости вращения электромагнитного движителя и ротора электромагнитного движителя в радиальном направлении охвачены тонким медным цилиндром, выполняющим роль короткозамкнутой обмотки. Электромагнитный тормоз обеспечивает неподвижное состояние механизма поворота плоскости вращения электромагнитного движителя.

Недостатками указанного технического решения являются возникновение эффекта кавитации при высокой частоте вращения ротора электромагнитного движителя, неоднородность физических свойств статора электромагнитного движителя, а также отклонение рабочих параметров статора электромагнитного движителя при росте напряженности электромагнитного поля, высокое сопротивление винторулевой колонки при движении судна на малом ходу. (RU 2349493 С1, http://new.fips.ru).

Сущность изобретения

Технической задачей является разработка конструкции винторулевой колонки с электродвижителем, которая исключает неоднородность физических свойств статора электродвижителя и отклонение рабочих параметров статора электродвижителя при росте напряженности электромагнитного поля, а также препятствует появлению эффекта кавитации при высокой частоте вращения ротора электродвижителя, повышает КПД системы при движении судна на малом ходу.

Поставленная задача решается посредством того, что сердечник статора (1) фиг.1, 2, 3 выполнен из композитного материала со связующей добавкой имеющей свойства магнитно-мягких материалов. После ротора (2) фиг.3, расположен спрямляющий аппарат (4) лопасти (5) которого одним концом соединены с внутренней поверхностью корпуса (3), а другим со ступицей (6) спрямляющего аппарата (4), в ступице (6) спрямляющего аппарата (4) расположен жестко закрепленный вал ротора (2) с установленными на нем шарнирными опорами, а ее торцевая поверхность сопряжена с обтекателем (7). Колонка (8) имеет гидродинамический профиль.

Винторулевая колонка с электродвижителем имеет статор (1) фиг.1, 2, 3, сердечник которого выполнен из композитного материала со связующей добавкой имеющей свойства магнитно-мягких материалов, например, эпоксидный компаунд с порошком пермаллой, который в процессе производства заливается в форму изготовленную по технологии 3D-печати. Наличие связующей добавки со свойствами магнитно-мягких материалов, порошок пермаллой, в сердечника статора (1) позволяет исключить неоднородность физических свойств статора (1) электродвижителя и отклонение рабочих параметров статора (1) электродвижителя при росте напряженности электромагнитного поля. В частном случае исполнения, сердечник статора (1) выполнен из пластин электротехнической стали. Сердечник статора (1) содержит обмотку. Обмотка статора (1) залита компаундом в корпусе (3) для ее изоляции. Корпус (3) выполнен в виде кольцевой направляющей насадки, представляющей собой замкнутое кольцо с плоско-выпуклым профилем. Площадь входного отверстия корпуса (3) больше, чем площадь выходного отверстия корпуса (3). Винт расположен в наиболее узком сечении. Плоско-выпуклый профиль корпуса (3) препятствует оголению лопастей винта в условиях волнения водной среды. Ротор (2) расположен в полости статора (1), который закреплен в корпусе (3) винторулевой колонки. Ротор (2) выполнен в виде полого цилиндра, на внешней поверхности которого, расположены магниты с чередованием полюсов, а во внутреннем пространстве, находятся лопасти, одним концом сопряженные со внутренней поверхностью ротора (2), другим со ступицей винта. В центральной части ротора (2) расположены шарнирные опоры на которых совершает вращение ротор (2), при этом данные шарнирные опоры сопряжены с валом ротора (2). Ротор (2) и статор (1) образуют электродвижитель винторулевой колонки постоянного тока с вентильным управлением. В частном случае исполнения винторулевая колонка с электродвижителем может содержать как минимум два статора (1) и два ротора (2), при этом роторы (2) имеют как левое направление вращения так и правое направление вращения по течению потока водной среды через корпус (3) винторулевой колонки. Винторулевая колонка с электродвижителем имеет спрямляющий аппарат (4) фиг.1, расположенный после ротора (2). Лопасти (5) спрямляющего аппарата (4) одним концом соединены с внутренней поверхностью корпуса (3), а другим со ступицей (6). В ступице (6) спрямляющего аппарата (4) расположен жестко закрепленный вал ротора (2) с установленными на нем шарнирными опорами, а ее торцевая поверхность сопряжена с обтекателем (7). Такое исполнение позволяет уменьшить сопротивление ступицы (6) спрямляющего аппарата (4) при движении судна. Корпус (3) соединен с колонкой (8) фиг.1, 2, 3 имеющей гидродинамический профиль. Такое исполнение колонки (8) позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление винторулевой колонки при движении судна на малом ходу и повысить КПД системы, кроме того, гидродинамический профиль колонки (8) находящейся в потоке водной среды, вызванном вращающимся винтом винторулевой колонки, создает дополнительный упор. Гидродинамический профиль колонки (8), обтекаемый водной средой под углом атаки, создает гидродинамическую силу, которая раскладывается на осевую и радиальную составляющие. Радиальная составляющая гидродинамической силы оказывает давление на корпус, а осевая составляющая образует дополнительную силу тяги. Направление и величина осевой составляющей гидродинамической силы зависят от угла атаки водной среды, который определяется режимом работы винта, а именно, чем меньше частота вращения винта и выше удельная нагрузка на винт, тем больше угол атаки и осевая составляющая гидродинамической силы увеличивает тягу. Колонка (8) фиг.2, противоположным от корпуса (3) концом, сопряжена с поворотным узлом (9). Поворотный узел (9) имеет возможность вращения вокруг вертикальной оси проходящей через его центр, а также соединен с основанием (10) винторулевой колонки и содержит зубчатое колесо (11) фиг.1 находящееся в зацеплении с зубчатым колесом редуктора электродвигателя (12) приводящего в движение поворотный узел (9) фиг.2. Электродвигатель (12) фиг.1 с редуктором расположены на основании (10) винторулевой колонки. Винторулевая колонка соединяется с корпусом судна через основание (10).

Технический результат заключается в исключении неоднородности физических свойств статора электродвижителя, отсутствии отклонения рабочих параметров статора электродвижителя при росте напряженности электромагнитного поля, а также в препятствии возникновения эффекта кавитации при высокой частоте вращения ротора электродвижителя, повышении КПД системы при движении судна на малом ходу.

Краткое описание чертежей:

на фиг.1 - схематичное изображение винторулевой колонки с электродвижителем. Аксонометрическая проекция;

на фиг.2 - схематичное изображение винторулевой колонки с электродвижителем. Вид спереди;

на фиг.3 - схематичное изображение винторулевой колонки с электродвижителем. Вид сбоку.

Краткое описание конструктивных элементов:

1 - статор;

2 - ротор;

3 - корпус;

4 - спрямляющий аппарат;

5 - лопасти спрямляющего аппарата;

6 - ступица спрямляющего аппарата;

7 - обтекатель спрямляющего аппарата;

8 - колонка;

9 - поворотный узел;

10 - основание винторулевой колонки;

11 - зубчатое колесо поворотного узла;

12 - электродвигатель с редуктором.

Осуществление заявленного решения

Заявленная винторулевая колонка с электродвижителем работает следующим образом.

Электродвигатель (12) фиг.1 с редуктором, приводящий в движение поворотный узел (9) фиг.2, и статор (1) электродвижителя винторулевой колонки подключают к бортовой сети судна через блок управления. Подают ток на обмотку статора (1) электродвижителя для создания электромагнитного поля взаимодействующего с магнитами, расположенными на внешней поверхности ротора (2) фиг.1, что приводит ротор (2) в движение. Ротор (2) с лопастями винта, вращаясь, засасывает водную среду в корпус (3) винторулевой колонки с последующим выбросом для создания тяги приводящей судно в движение. Величину тяги регулируют частотой вращения ротора (2) электродвижителя. Для изменения направления движения судна или его маневрирования преобразуют направление вектора тяги, поворотом электродвижителя винторулевой колонки вокруг вертикальной оси, а именно, подают ток на электродвигатель (12) фиг.1 приводя во вращение зубчатое колесо редуктора электродвигателя (12) находящееся в зацеплении с зубчатым колесом (11) поворотного узла (9) фиг.2. Крутящий момент с зубчатого колеса редуктора электродвигателя (12) фиг.1 передается зубчатому колесу (11) поворотного узла (9) фиг.2, что приводит к повороту данного узла (9) вокруг вертикальной оси и изменению положения электродвижителя винторулевой колонки.

При работе винта, засасываемый им поток водной среды, вследствие уменьшения проходного сечения корпуса (3) фиг.1 винторулевой колонки увеличивает скорость, которая в плоскости вращения винта получает максимальное значение. Благодаря этому снижается скольжение винта, а из-за отсутствия зазора между краем лопасти винта и корпусом (3) уменьшается перетекание воды через край лопасти винта, что также повышает КПД винта.

Изобретение относится к области судостроения. Винторулевая колонка с электродвижителем содержит статор, сердечник которого выполнен из композитного материала со связующей добавкой, имеющей свойства магнитно-мягких материалов. Ротор выполнен в виде полого цилиндра, на внешней поверхности которого расположены магниты с чередованием полюсов, а во внутреннем пространстве находятся лопасти, одним концом сопряженные с внутренней поверхностью ротора, другим со ступицей винта. После ротора расположен спрямляющий аппарат, лопасти которого одним концом соединены с внутренней поверхностью корпуса, а другим со ступицей спрямляющего аппарата. В ступице спрямляющего аппарата расположен жестко закрепленный вал ротора с установленными на нем шарнирными опорами, а ее торцевая поверхность сопряжена с обтекателем. Корпус соединен с колонкой, имеющей гидродинамический профиль. Колонка сопряжена с поворотным узлом, соединенным с основанием винторулевой колонки и содержащим зубчатое колесо, находящееся в зацеплении с зубчатым колесом редуктора электродвигателя. Достигается исключение неоднородности физических свойств статора электродвижителя, отсутствие отклонения рабочих параметров статора электродвижителя при росте напряженности электромагнитного поля, а также в препятствии возникновения эффекта кавитации при высокой частоте вращения ротора электродвижителя, повышении КПД системы при движении судна на малом ходу. 3 ил.

Винторулевая колонка с электродвижителем, включающая корпус, статор, закрепленный в корпусе, ротор, расположенный в полости статора и содержащий на внешней поверхности магниты, отличающаяся тем, что сердечник статора выполнен из композитного материала со связующей добавкой, имеющей свойства магнитно-мягких материалов, после ротора расположен спрямляющий аппарат, лопасти которого одним концом соединены с внутренней поверхностью корпуса, а другим со ступицей спрямляющего аппарата, в ступице спрямляющего аппарата расположен жестко закрепленный вал ротора с установленными на нем шарнирными опорами, а её торцевая поверхность сопряжена с обтекателем, колонка имеет гидродинамический профиль.