Бесколлекторный бессальниковый безосевой двигатель-винт/вентилятор

Изобретение принадлежит к области техники электрических машин и механизмов и может быть использовано при создании тяговых и рулевых двигателей-винтов плавсредств.
Хорошо известны способы привода различного рода винтов с помощью электромоторов различных типов. Передача крутящего момента при этом происходит через рабочую ось двигателя. Рабочая ось при этом оказывается нагруженной, что отрицательно сказывается на долговечности конструкции. Кроме того, в случае использования конструкции для привода гребных винтов, необходимо предпринимать меры по герметизации самого двигателя и/или ввода вала.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению относится устройство, описанное в патенте Японии № JP 0058082092 A «Sealless Pump» МПК F04D 13/02 оп. 17.05.1983, в котором используется бесщеточный привод крыльчатки водяного бессальникового насоса. При этом крыльчатка насоса расположена на ведущей оси двигателя, а на нерабочей плоскости крыльчатки по ее диаметру расположены постоянные магниты, при этом снаружи корпуса водяного насоса расположены статорные катушки, датчик положения крыльчатки и схема управления статорными катушками. Подобная конструкция предполагает отсутствие герметизирующих сальников, поскольку ведущая ось с крыльчаткой находится внутри камеры насоса. Однако приток жидкости, осуществляемый со стороны рабочей плоскости крыльчатки и отток жидкости, осуществляемый с одного из ее боков, предполагают наличие нагрузки на рабочую ось устройства. Кроме того, данная конструкция хорошо работает в качестве жидкостного насоса небольшой производительности и совершенно непригодна для работы в качестве гребного винта плавсредства.
В основу изобретения поставлена задача упрощения конструкции, повышения ее долговечности и придания ей свойств гребного винта плавсредства. Она решается благодаря тому, что в бесколлекторном бессальниковом безосевом двигателе-винте, содержащем с внешней стороны корпуса из немагнитного материала статорные катушки, датчик положения, схему управления статорными катушками, а с внутренней стороны корпуса постоянные магниты,
отличающимся тем, что корпус устройства цилиндрической формы выполнен в виде отрезка трубы необходимого диаметра, через которую проходит нагнетаемая жидкость, при этом внутри этого отрезка трубы расположен гребной винт с ненагруженной осью его фиксации с соответствующими суппортами и внешней цилиндрической обоймой, жестко прикрепленной к винту и расположенной с его внешней стороны по его периметру и расположенной между этим винтом и корпусом устройства, причем в обойме размещены постоянные магниты, причем обойма, центральная часть гребного винта и суппорты имеют обтекаемую форму.
Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными прототипами показывает, что заявляемое устройство проявляет новые технические свойства, заключающиеся в упрощении конструкции двигателя-винта, повышения ее долговечности и придания ей свойств гребного винта плавсредства, что позволяет устанавливать заявляемое устройство на плавсредства в качестве тяговых или рулевых двигателей-винтов.
Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в устройстве-прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в конструкции крыльчатки насоса, отсутствует возможность его использования в качестве гребных винтов плавсредства.
Конструкция бесколлекторного бессальникового безосевого двигателя-винта показана на фиг.
Бесколлекторный бессальниковый безосевой двигатель-винт состоит из корпуса 1 цилиндрической формы (отрезка трубы) изготовленного из немагнитного материала, суппортов 2, винта 3, обоймы 4 с постоянными магнитами 5, статорных катушек 6, датчик положения 7 и устройства управления статорными катушками 8.
При этом винт 3 зафиксирован с помощью ненагруженной оси в суппортах 2, установленных внутри корпуса 1. К лопастям винта с его внешней стороны по периметру жестко прикреплена обойма 4. Причем обойма 4 расположена между винтом 3 по его периметру и корпусом устройства 1 цилиндрической формы. Внутри обоймы размещены постоянные магниты 5. Число магнитов 5 и катушек 6 выбирают исходя из требований производительности устройства.
Работает бесколлекторный бессальниковый безосевой двигатель-винт следующим образом.
Устройство управления 8 осуществляет последовательную во времени коммутацию статорных катушек 6 двигателя, создавая тем самым с внешней стороны его корпуса 1 вращающееся в определенную сторону магнитное поле, которое без потерь передается во внутреннюю область корпуса 1. Вращающееся магнитное поле вызывает вращение постоянных магнитов 5, находящихся в обойме 4 в соответствующую сторону. Поскольку обойма 4 жестко прикреплена к лопастям винта 3 с его внешней стороны по его периметру, то вращение обоймы с магнитами приводит к вращению винта. При этом винт производит нагнетание жидкости в соответствующую сторону. При вращении обоймы с магнитами 4 датчики положения 7 вырабатывают сигнал, подаваемый на устройство управления 8, позволяющий синхронизировать вращение винта 3 и магнитного поля. Статорные катушки 6 с внешней стороны корпуса 1 и магниты 5 внутри обоймы 4 расположены таким образом, что при коммутации статорных катушек 6 устройством управления 8 возникающий крутящий момент не приводит ни к появлению сил, действующих на фиксирующую ось винта в поперечном направлении, ни к появлению торсионных сил, действующих на ось. Передача крутящего момента на винт 3 через рабочую ось отсутствует как таковая. При этом, при построении, например, гребного винта большой производительности, и, соответственно, применении гребного винта большого диаметра, крутящий момент будет достигать существенных величин, что обеспечит высокую производительность двигателя винта как такового.
Фиксирующая ось винта 3 и суппорты 2 необходимы лишь для того, чтобы предотвратить «сваливание» винта 3 на одну сторону цилиндрического корпуса 1 под действием собственно силы тяжести винта 3. Эта фиксация винта 3 необходима только лишь в нерабочем состоянии устройства, когда крутящий момент отсутствует. В рабочем состоянии устройства действующие силы намного превышают силу тяжести и компенсируют ее, делая поперечную нагрузку на фиксирующую ось винта 3 пренебрежимо малой.
В рабочем состоянии устройство обеспечивает нагнетание жидкости, что вызывает возникновении с одной стороны силы, действующей на фиксирующую ось винта 3 продольно. С другой стороны эта сила компенсируется силами притяжения постоянных магнитов 5, установленных в обойме 4, к статорным катушкам 6, установленных на корпусе 1 устройства. Другими словами в рабочем состоянии сила, вызванная нагнетанием жидкости, передается, главным образом, на корпус 1 устройства не через фиксирующую ось винта 3 и суппорты 2, а через статорные катушки. При этом нет необходимости устанавливать на плавсредстве упорный подшипник, через который сила тяги от гребного винта через вал гребного винта передается на корпус плавсредства. Сила тяги от гребного винта передается на корпус устройства непосредственно через магнитное поле, действующее между постоянными магнитами, соединенными с гребным винтом, и статорными катушками, соединенными с корпусом плавсредства. Небольшая сила, действующая на фиксирующую ось винта продольно, присутствует только лишь в нерабочем состоянии устройства при движении, например, плавсредства по инерции.
Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с использованием заявляемого бесколлекторного бессальникового безосевого двигателя-винта по основному назначению в качестве гребного винта плавсредства, составляющим одно целое с двигателем. Отсутствие контактных щеток, сальников и рабочей нагрузки на ось устройства повышает его долговечность и делает его исключительно полезным в заявленном применении. Другой аспект применения заявляемой полезной модели связан с возможностью использования бесколлекторного бессальникового безосевого двигателя-винта в качестве подруливающего устройства плавсредства.