Винтолопастной электромагнитный движитель глубоководного применения

Полезная модель относится к основным элементам подводного электрооборудования, а именно к движителям и предназначена для пространственного перемещения водных объектов различного назначения в морской воде по системе прямого привода, например, таких как подводные лодки и необитаемые телеуправляемые подводные аппараты инспекции трубопроводов, подводных конструкций, для поиска затонувших технических устройств.
Известно согласно [1] устройство, предназначенное для перемещений в жидкой среде, состоящее из приводного двигателя и винта, осуществляющее поступательное движение за счёт преобразования электроэнергии в двигателе и передачи её 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). Наряду с этим не предусмотрены конструктивные меры обеспечения глубоководного применения.
Известно также [2] устройство, которое содержит конструкцию, аналогичную синхронному электродвигателю без демпферной (пусковой) обмотки, но явнополюсного магнитоэлектрического возбуждения. При этом рабочие элементы движителя, создающие тягу (усилие) поступательного перемещения в виде винтовых лопастей из металла или углепластика закреплены во внутренней цилиндрической части самого шихтованного сердечника ротора.
Описанная конструкция имеет следующие недостатки:
1. Любой вариант крепления лопастей в шихтованном сердечнике ротора нарушает магнитопроводимость ферромагнетика и вызывает дополнительные потери энергии при её преобразовании.
2. Отсутствие демпферной обмотки на роторе усложняет процесс пуска в работу синхронного двигателя и может нарушить его работу при динамических операциях по нагрузке.
3. Использование электрической редукции ограничивает универсальность использования устройства так как, с одной стороны требует разработку новой технологической оснастки, отличной от широко используемой для серийно выпускаемых различными производителями электродвигателей, а с другой накладывает определенные ограничения на выбор количества чисел пар полюсов машины, зубцов сердечников статора и ротора и соответственно рабочие скорости объекта движения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является один из вариантов, описанных в [3], а именно КЭДД-кольцевой электродвигатель движитель с гребным винтом без ступицы. Он представляет собой синхронный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ). Подвес ротора в нем выполнен на керамических подшипниках скольжения, смазываемых и охлаждаемых забортной водой, имеется модульное герметичное исполнение обмоток и сегментная конструкция гребного винта (ГВ) из композиционного материала, позволяющая производить замену лопастей из композиционного материала без проведения демонтажа самой установки.
Основным недостатком описанной конструкции является невозможность использования её в условиях глубоководного погружения из-за возможной большой разницы давлений внутри и снаружи корпуса синхронного электродвигателя, что может привести к разрушению элементов обмотки статора. Кроме этого возможное отсутствие у СДПМ демпферной обмотки приводит с одной стороны к росту уровня динамических колебаний в скорости вращения винтолопастных элементов движителя, а с другой стороны к необходимости принятия дополнительных мер по обеспечению начального пускового момента.
Целью предлагаемой полезной модели является увеличение коэффициента полезного действия в установившемся режиме, надежное обеспечение начального пускового момента и повышение устойчивости в работе при динамических изменениях нагрузки.
Задачей, на которую направлено конструктивное решение заявляемой полезной модели, является максимальное использование существующих технологий изготовления серийно выпускаемых электродвигателей и исключение возможных специальных мер по компенсации давления морской воды при глубоководном применении.
Для достижения указанной цели предложен винтолопастной электромагнитный движитель глубоководного применения, содержащий синхронный электродвигатель магнитоэлектрического возбуждения с шихтованным ферромагнитным цилиндрическим сердечником статора с капсулированной трехфазной обмоткой, пропитанной водостойкой от морской воды изоляцией, отличающийся тем, что вращающийся шихтованный ферромагнитный сердечник ротора электродвигателя имеет неодимовые постоянные магниты радиальной намагниченности и короткозамкнутую пусковую (демпферную) обмотку, размещен с зазором радиального направления внутри сердечника статора на трубчатой цилиндрической конструкции, внутри которой расположены винтовые сегментированные лопасти без центральной ступицы, при этом винтолопастной электромагнитный движитель оснащён сетчатыми фильтрами грубой и тонкой очистки морской воды, охлаждающей обмотки и сердечники статора и ротора.
Технический результат заключается в повышении экономичности преобразования электроэнергии и экономии материальных ресурсов на изготовление с применением существующей технологии электромашиностроения с исключением возможных специальных мер по компенсации давления морской воды на больших глубинах.
Технический результат достигается совокупностью всех признаков, заявленных в формуле полезной модели.
В отличие от прототипа, в котором размещение лопастей движителя внутри сердечника ротора электродвигателя исключает использование вала, что удешевляет конструкцию, однако нарушает магнитопроводимость ферромагнетика и вызывает дополнительные потери энергии при её преобразовании, в предлагаемой полезной модели лопасти размещены в трубчатой конструкции, что исключает такие потери.
В заявляемой полезной модели, так же, как и в прототипе, используется электродвигатель магнитоэлектрического возбуждения, но в прототипе не предусмотрена демпферная обмотка, что ведёт к возникновению неустойчивости в работе при динамических скачках нагрузки. Такое устранено в заявляемой полезной модели за счет введения в конструкцию короткозамкнутой пусковой (демпферной) обмотки. Именно действие этой обмотки позволяет устранять отмеченную неустойчивость.
В заявляемой полезной модели, в отличие от прототипа, предусмотрена возможность глубоководного применения с охлаждением морской водой за счет прохождения её через сетчатые фильтры грубой и тонкой очистки при вращении сегментообразных лопастей от работы синхронного электродвигателя магнитоэлектрического возбуждения с пусковой (демпферной) короткозамкнутой обмоткой на сердечнике ротора.
Предлагаемая полезная модель винтолопастного электромагнитного движителя глубоководного применения устроена согласно чертежу на фиг. 1 и фиг. 2 следующим образом.
В цилиндрическом корпусе 1, из карбида кремния, размещен шихтованный из листов электротехнической стали сердечник статора 8, в пазах которого располагается трехфазная капсулированная электропроводящая обмотка 7, пропитанная водостойкой изоляцией. Внутри сердечника статора 8 на расстоянии рабочего зазора радиального направления расположен шихтованный из листов электротехнической стали сердечник ротора 5 с пазами для полюсов 9 постоянных ниодимовых магнитов Nd-Fe-B и пазами для размещения электропроводящих стержней 15 пусковой обмотки с короткозамыкающими кольцами 6, 12. Сердечник ротора напрессован на трубчатую конструкцию 4 из карбида кремния, внутри которого размещены сегментообразные винтовые лопасти 14 без центральной ступицы из композиционного материала. Внутри статора подвес ротора обеспечен работой двух керамических подшипников скольжения 3, 16, смазываемых и охлаждаемых забортной водой и размещенных в двух щитах 2, 19, фиксируемых по окружности болтами 11 с резьбой. Винтовые лопасти с двух противоположных сторон осевого направления защищены сетчатыми фильтрами 15 грубой очистки морской воды, и они фиксируются по внутренней поверхности цилиндра подвесок.
Рабочий зазор между сердечниками статора и ротора, с двух противоположных сторон осевого направления, защищены сетчатыми фильтрами 13 тонкой очистки морской воды, и они фиксируются к внутренней цилиндрической части корпуса модели, а сам корпус 1 опирается и фиксируется на опорной раме 18.
В сердечнике ротора имеются цилиндрические сквозные отверстия 17, параллельные стержням короткозамкнутой обмотки ротора, и они служат для циркуляции морской воды при работе модели, улучшая теплоотвод и поддерживая допустимую рабочую температуру элементов модели.
Для возможности транспортировки всей конструкции имеется рым-болт 10, фиксируемый к корпусу.
Описываемый винтолопастной электромагнитный движитель глубоководного применения работает следующим образом. При подаче трехфазного напряжения промышленной частоты или частоты обусловленной работой специального преобразователя на обмотку 7 статора от возникающего тока появляется бегущее вдоль окружности магнитное поле. Магнитный поток от этого поля замыкается через сердечники статора 8 и ротора 5, проходя дважды через рабочий зазор 8. Во встречном направлении по аналогичному контуру замыкается магнитный поток, создаваемый двумя соседними постоянными магнитами радиальной намагниченности, а также поток, создаваемый током короткозамкнутой обмотки 15, 6, который проходит по ней от индуктированной электродвижущей силы. Взаимодействие перечисленных потоков приводит к появлению тангенциальных электромагнитных сил, совокупные действия которых создает результирующий электромагнитный момент, вращающий ротор и лопасти винта. Ввиду кривизны поверхностей лопастей винта образуются силы реакции морской воды осевого направления, совокупное действие которых приводит к поступательному перемещению объекта, на котором посредством опорной рамы 18 зафиксирован (закреплен) движитель.
В заключении отметим, что в прототипе хотя и используется синхронный электродвигатель магнитоэлектрического возбуждения, вращающий в своем сердечнике ротора винт в виде сегментообразных лопастей, обеспечивая поступательное перемещение объекта, но в сравнении с заявляемой моделью не обеспечивает устойчивость в работе при динамических колебаниях нагрузки, не предусматривает возможность глубоководного применения и охлаждения обмотки морской водой одновременной возможностью очистки её за счет фильтров и периодических реверсов в направлении вращения.
1. Справочник по теории корабля. Под редакцией Войткунского Я.И. Том 1. - Л.: Судостроение, 1985, с 432.
2. Электромагнитный движитель в жидких средах с электрической редукцией. Патент РФ № 2421373, В63Н 1/26.
3. Бочаров Л.Ю. Характеристики зарубежных технологий создания кольцевых электродвигателей - движителей для необитаемых подводных аппаратов и кораблей. // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2014, т. 7, №2, стр. 88 (с. 86-90).