Электрический подводный движитель
ELECTRICAL UNDERWATER MOTOR

Изобретение относится к основным элементам судового оборудования и может быть использовано в качестве подводного движителя для их перемещения в жидких средах, например, в речной или морской водах.
Известна энергетическая установка, предназначенная для перемещения судна на поверхности или под водой, состоящая из гребного винта, приводимого во вращение судовым электродвигателем посредством гребного вала. Гребной винт состоит из ступицы и лопастей, установленных на ступице радиально на одинаковом расстоянии друг от друга и повернутых на одинаковый угол относительно плоскости вращения. При вращении гребного винта лопасти захватывают массу воды из набегающего потока и отбрасывают ее назад, сообщая ей дополнительный момент импульса. Сила реакции отбрасываемой воды передает импульс лопастям, лопасти - гребному валу, посредством ступицы, гребной вал - корпусу судна при помощи опорного подшипника [1].
Недостатком данного устройства является наличие гребного вала, что приводит к увеличению массы энергетической установки и снижению коэффициента полезного действия за счет дополнительных трущихся деталей.
Известен электромагнитный движитель в жидких средах [RU 2265550 С1 МПК В63Н 1/16, опубликованная 10.12.2005], содержащий шихтованный ферромагнитный цилиндрический сердечник статора с трехфазной капсулированной обмоткой, жестко закрепленный в аппарате, и вращающуюся часть в виде полого шихтованного ферромагнитного сердечника с короткозамкнутой медной обмоткой, внутри которого размещены лопасти винта, отличающийся тем, что каждая из лопастей винта представляет собой трехслойную структуру, две наружные части которой выполнены из латуни, бронзы или пластика, а внутренняя представляет собой постоянный магнит из спекаемого порошкового материала высокой коэрцитивной силы, а число лопастей четное, равное числу полюсов обмотки статора.
Недостатком данного устройства является использование постоянных магнитов, которые под воздействием внешних магнитных полей размагничиваются, что может привести к выходу его из строя. Так же использование для производства магнитов дорогостоящих материалов существенно увеличивает стоимость устройства. Еще одним недостатком устройства является сложный ремонт, вследствие наличия сильных магнитов в роторе процесс извлечения ротора из статора является затруднительным.
Известны зарубежные установки электродвигателей-движителей, разработанные в рамках концепций: ERP, IMP, RDT, EPS и т.д. Данные концепции определяют базовые типы конструкций кольцевых электродвигателей-движителей: с кольцевым гребным винтом со ступицей на валу; с кольцевым гребным винтом со ступицей без вала; с кольцевым гребным винтом без ступицы. Анализ современного состояния технологий создания кольцевых электродвигателей-движителей показал, что в их конструкциях распространение получили гребные электроприводы на базе вентильных (синхронных двигателей с постоянными магнитами) и вентильно-индукторных двигателей [2].
Недостатком данных устройств является использование постоянных магнитов, которые под действием внешних магнитных полей размагничиваются и существенно увеличивают стоимость устройства.
Задачей изобретения является создание электрического подводного движителя, при осуществлении которого достигается технический результат, заключающийся увеличение надежности устройства и уменьшении его стоимости за счет использования ротора без постоянных магнитов и наличием лопаток.
Указанный технический результат достигается тем, что электрический подводный движитель содержит шихтованный сердечник статора из электротехнической стали с трехфазной обмоткой, и вращающийся ротор с сердечником из электротехнической стали с короткозамкнутой обмоткой, сердечник статора неподвижно закреплен в корпусе движителя, корпус жестко закреплен на станине, в которой имеется отверстие для прокладки электрического кабеля, на корпус при помощи подшипников установлен вал, на вал установлены лопатки и сердечник ротора с продольными каналами, между сердечником статора и сердечником ротора имеется воздушный зазор, на металлические части движителя может быть нанесен слой из водонепроницаемого материала.
На фиг. 1 - изображен электрический подводный движитель, вид спереди.
На фиг. 2 - изображен продольный разрез электрического подводного движителя, стрелками показано направление движения жидкости.
На фиг. 3 - изображен ротор электрического подводного движителя, вид спереди.
Конструкция электрического подводного движителя основана на базе асинхронной машины с короткозамкнутым ротором. Электрический подводный движитель состоит из корпуса 1, на котором жестко закреплен сердечник 2 статора, выполненный из пластин электротехнической стали (фиг. 2). В пазы сердечника 2 статора уложена трехфазная изолированная обмотка 3, выводы которой могут быть соединены по схеме звезда или треугольник. Внутри корпуса 1 при помощи подшипников 4 установлен вал 5. На вал 5 установлены лопатки 6 (фиг. 1, 2) и сердечник 7 ротора, выполненный из пластин электротехнической стали (фиг. 2, 3). С внешней стороны в пазы сердечника 7 ротора уложена короткозамкнутая обмотка 8 (фиг. 2, 3). Короткозамкнутая обмотка 8 может быть выполнена из алюминия, меди или латуни. Таким образом, ротор состоит из вала 5, лопаток 6, сердечника 7 ротора и короткозамкнутой обмотки 8. Для возможности перемещения ротора относительно сердечника 2 статора между ними имеется «воздушный» зазор. Для возможности перемещения потока жидкости сердечник 7 ротора выполнен с продольными каналами (фиг. 2, 3). С обеих сторон в корпусе 1 имеются отверстия (фиг. 1). Во избежание коррозии металлических частей электрического подводного движителя на них может быть нанесен слой из водонепроницаемых материалов, например водонепроницаемых полимеров. Крепление электрического подводного движителя к корпусу судна осуществляется при помощи станины 9, на которой жестко закреплен корпус 1 (фиг. 1, 2). Внутри станины 9 имеется отверстие для прокладки электрического кабеля, соединяющего обмотку 3 с источником питания.
Электрический движитель работает следующим образом.
При подаче на обмотку 3 переменного трехфазного напряжения по ней начинает протекать электрический ток. Поскольку фазы обмотки 3 сдвинуты геометрически друг от друга на 120 градусов, и так как в симметричной системе токи в обмотках имеют фазовый сдвиг в 120 градусов, создается вращающееся магнитное поле. Вращающееся магнитное поле пересекает проводники короткозамкнутой обмотки 8, индуцируя в них электродвижущую силу, под действием которой в короткозамкнутой обмотке 8 протекает электрический ток. В результате взаимодействия электрического тока, протекающего по короткозамкнутой обмотке 8, и вращающегося магнитного поля статора возникает электромагнитная сила, под действием которой ротор начинает вращаться.
Механическая угловая скорость вращения ротора определяется по формуле [3]:
где s - скольжение;
1
ω - угловая скорость вращение магнитного поля статора, рад/с;
p - число пар полюсов.
Сердечник 2 статора и сердечник 7 ротора служат для замыкания магнитных полей, создаваемых, как отмечалось выше, токами, протекающими по обмотке 3 статора и короткозамкнутой обмотке 8 ротора.
Установленные на одном валу 5 лопатки 6 приходят во вращение, загребая поток жидкости с одной стороны, как показано стрелками (фиг. 2). Затем жидкость проходит через продольные каналы в сердечнике 7 ротора и выбрасывается с другой стороны, создавая реактивную тягу. Сила реакции выбрасываемой жидкости передает импульс лопаткам 6 и сердечнику 7 ротора, лопатки 6 и сердечник 7 ротора - валу 5, вал 5 - при помощи подшипников 4 корпусу 1 движителя, закрепленного на станине 9, и судно приходит в движение. Количество электрических подводных движителей, устанавливаемых на судно, может быть несколько, это зависит от требуемых технических параметров, например скорости движения.
Список использованных источников
1. Справочник по теорий корабля. Под редакцией Войткунского Я.И. Том 1. - Л., Судостроение, 1985. - 432 с.
2. Бочаров Л.Ю. Характеристика зарубежных технологий создания кольцевых электродвигателей-движителей для необитаемых подводных аппаратов и кораблей / Л.Ю. Бочаров // Фундаментальная и прикладная гидрофизика, 2014. - т. 7, №2 - С. 86-90.
3. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. - 3 изд., перераб. - Л.: Энергия, 1978. - 832 с.