ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ В ЖИДКИХ СРЕДАХ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ РЕДУКЦИЕЙ
ELECTROMAGNETIC PROPULSOR IN FLUID MEDIA WITH ELECTRIC REDUCTION

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.
1
1
2
Принцип электрической редукции, изложенный в [2] и реализованный в примерах конкретных конструкций [3], определяет частоту вращения ротора (об/мин) через частоту f (Гц) напряжения питания обмотки статора, число пар полюсов машины р, число зубцов z сердечника статора и число зубцов z или полюсов ротора в виде:
,
1
что для примера показанной на фиг.1 и фиг.2 конструкции при стандартной российской частоте f=50 Гц дает результат:
,
то есть с величиной электрической редукции, равной
.
э
При необходимости получения другой величины i 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.