Винторулевая колонка системы прямого привода

Изобретение относится к водоплавающему оборудованию и может быть использовано для пространственного перемещения объекта на поверхности или внутри жидкой среды при одновременном обеспечении возможности изменения направления такого перемещения. Винторулевая колонка представляет собой электроприводной движитель плавучего объекта и содержит винтовые лопасти, лопастной винт, синхронный электродвигатель с постоянными магнитами на роторе. Статор синхронного двигателя посредством других безвальных синхронных двигателей может поворачиваться вокруг вертикальной оси с фиксацией необходимого положения. Технический результат состоит в исключении механических передаточных звеньев, сокращении материалоемкости, повышении маневренности перемещения и экономичности полезного преобразования энергии. 3 ил.

 

Изобретение относится к основным элементам судового оборудования, а именно к судовым движителям, и предназначено для пространственного перемещения объектов движения на поверхности или внутри жидкой среды при одновременном обеспечении возможности изменения направления такого перемещения.

Известны устройства (каталог фирмы Schottel GmbH & Со. KG. Schottel Transverse Thruster Mainzer Str. 99-D-56322 Spay/Germany e-mail: [e-mail].) (см. приложение 1), предназначенные для перемещения судов в виде винторулевых колонок типа «Aquamaster" или "Schottel", осуществляющие поступательное движение произвольного направления за счет энергии двигателя внутреннего сгорания, в частности дизеля. Недостатками таких устройств являются: низкий коэффициент полезного действия, сложность механических передач, участвующих в процессе передачи энергии винту для вращения и поворота его плоскости гидравлическим приводом, очень большой уровень вибраций элементов самого устройства и передача их на конструктивные элементы объекта движения, низкая эксплуатационная надежность.

Известны устройства (каталог фирмы ABB Azimuthing Electric Propulsion Drive Azipod Oy Laivanrakentajantie 2, 00980 HELSINKI, Finland. Tel. + 35810222030) (см. приложение 2) типа "Azipod», предназначенные для перемещения судов и изменения направления их движения за счет использования электроэнергии двумя электродвигателями - первым, вращающим винт, и вторым, поворачивающим плоскость его вращения на определенный угол. Недостатком таких устройств являются значительные массогабаритные показатели, с одной стороны, ввиду наличия вала между первым электродвигателем и винтом, обеспечивающем вращение последнего, и, с другой стороны, ввиду сложности механической передачи вращения от удаленного второго электродвигателя к гондоле, содержащей первый электродвигатель. Эти недостатки приводят не только к увеличению материальных затрат на изготовление, но и к снижению коэффициента полезного действия винторулевой колонки.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является устройство «Винторулевая колонка с безвальным электромагнитным движителем» по заявке №2005137267/11 (041629) от 30.11.2005 г., рассматриемой ФИПС. В нем использован электромагнитный движитель в жидких средах по патенту №2265550 от 10.12.2005 г. и два электродвигателя, поворачивающие через одноступенчатую косозубую механическую передачу плоскость вращения лопастей движителя, причем в электродвигателях встроены электромагнитные тормозы.

Недостатками прототипа является следующее.

1. Наличие механической зубчатой передачи.

2. Ограниченность в числе винтовых лопастей движителя со встроенными постоянными магнитами только четным и малым числом для реализации принципа работы синхронного двигателя и соответственно невозможность получения без промежуточного преобразователя для питания обмотки статора низкой потребной частоты вращения лопастей движителя.

3. Сложность изготовления лопастей со встроенными постоянными магнитами из порошкового материала.

4. Наличие у движителя шихтованного сердечника ротора синхронного двигателя.

5. Наличие встроенных электромагнитных тормозов в каждом из электродвигателей привода косозубой механической передачи не позволяет работать каждому из них раздельно, что снижает надежность работы винторулевой колонки.

6. Наличие центральной стальной ступицы винтовых лопастей движителя увеличивает потери на трение жидкости, в которой работает винт и ухудшает гидродинамику ее движения, создавая опасность наматывания на винт посторонних объектов (сетей, тросов, фалов и прочего).

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются:

устранение механической зубчатой передачи, упрощение и унификация конструкций всех электродвигателей с возможностью их применения для любой из скоростей вращения лопастей движителя, повышение эффективности преобразования потребляемой электроэнергии.

Технические результаты - устранение механической зубчатой передачи, упрощение и унификация всех применяемых в конструкции электродвигателей, снижение материалоемкости, повышение эффективности преобразования электроэнергии.

Указанные технические результаты при осуществлении изобретения достигаются тем, что винторулевая колонка системы прямого привода, которая устанавливается на объекте движения, содержит безвальный винтолопастный электромагнитный движитель с постоянными магнитами радиальной намагниченности и механизм поворота плоскости вращения с двумя электродвигателями в корпусной части объекта перемещения, отличается тем, что магниты расположены вне лопастей движителя на роторе синхронного электродвигателя, а в механизме поворота плоскости вращения лопастей исключена механическая зубчатая передача и использованы два безвальных синхронных электродвигателя с постоянными магнитами радиальной намагниченности, при этом электродвигатели и ротор движителя снабжены демпферными обмотками, выполненными в виде медных гильз, а электромагнитный тормоз расположен вне электродвигателей у корпусной части объекта движения.

Сущность изобретения заключается в том, что в винторулевой колонке любой из электродвигателей, являясь по принципу действия синхронным, содержит: шихтованный цилиндрический ферромагнитный сердечник статора с пазами, в которые уложена трехфазная распределенная капсулированная обмотка статора, получающая питание от трехфазного источника электроэнергии, ротор с постоянными магнитами из спекаемого порошкового материала, поверх которых расположены сплошные медные гильзы, выполняющие роль демпферной обмотки, а сами магниты расположены в углублениях стальных ферромагнитных цилиндров, выполняющих, с одной стороны, роль ярма ротора магнитной цепи синхронных электродвигателей, а с другой стороны, роль несущих конструкций передачи моментов для винтовых лопастей движителя и для поворотной части конструкции винторулевой колонки в целом. Используемая конструкция винтовых лопастей «обратной стреловидности» для движителя ввиду особого гидродинамического движения жидкости не позволяет посторонним протяженным объектам (сети, тросы, фалы) наматываться на лопасти винта движителя.

Отличительными признаками заявляемого изобретения от прототипа является то, что для обеспечения возможности смены направления перемещения объекта движения колонка оснащается устройством с двумя синхронными электродвигателями с возбуждением от постоянных магнитов и одним вынесенным за их пределы электромагнитным тормозом без использования механической зубчатой передачи.

Другим отличительным признаком заявляемого изобретения от прототипа является то, что для безвального винтолопастного электромагнитного движителя постоянные магниты размещаются не в лопастях винта, а в углублениях наружной стороны стальной ферромагнитной цилиндрической конструкции и при этом винтовые лопасти крепятся с внутренней стороны конструкции с исключением стальной центральной ступицы.

Использование в винторулевой колонке безвального винтолопастного электромагнитного движителя позволяет, исключив ступицу (вал), сократить материальные затраты и уменьшить вероятность намотки на лопасти посторонних предметов, например сетей или тросов.

Использование в винторулевой колонке механизма поворота плоскости вращения лопастей движителя позволяет изменять направление движения объекта, а также исключение в нем зубчатой механической передачи сокращает материальные затраты на изготовление конструкции и повышает надежность и экономичность работы и быстродействие при маневрах объекта.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен схематический разрез устройства в вертикальной плоскости, на фиг.2 - частичный разрез в аналогичной поперечной плоскости и на фиг.3 частичный разрез в горизонтальной плоскости.

Конструкция винторулевой колонки как единого технического устройства состоит из двух узлов. Первый узел, обеспечивающий само перемещение объекта движения, есть электромагнитный движитель в жидких средах безвальной винтолопастной конструкции, то есть по принципу действия синхронного электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов 1 на фиг.1 и фиг.2, шихтованный из листов электротехнической стали сердечник статора 2 на фиг.1 и фиг.2 электродвигателя расположен внутри корпуса 3 на фиг.1 - фиг.2, имеющего возможность ввиду подшипников скольжения 4 на фиг.1 поворачиваться вокруг вертикальной оси на произвольный угол действием любого из двух синхронных электродвигателей узла (второго) поворота плоскости вращения винтовых лопастей. Корпус 3 на фиг.1 имеет с двух сторон направляющие насадки 5 на фиг.1 и по горизонтальной линии оси вращения лопастей является разъемным. Внутри сердечника статора электродвигателя движителя, имеющего трехфазную капсулированную обмотку 6 на фиг.2, ввиду подшипников скольжения 7 на фиг.1 ротор электродвигателя может вращаться вокруг горизонтальной оси за счет электромагнитного момента. Ротор представляет собой полый стальной ферромагнитный цилиндр 8 на фиг.1 и фиг.2, внутри которого размещены винтовые лопасти 9 на фиг.1 и на фиг.2, а с наружи цилиндра в специальных выемках размещены постоянные магниты 1 на фиг.1 и фиг.2, которые в радиальном направлении охвачены тонким медным цилиндром 10, выполняющим роль короткозамкнутой (демферной) обмотки синхронного электродвигателя. Рабочий воздушный зазор между сердечником статора и ротора обеспечивается двумя кольцевыми подшипниками скольжения 7 на фиг.1, а сами постоянные магниты изготовлены из порошкового сплава Nb-Fe-B (ниодим-железо-бор) и имеют радиальную намагниченность.

Второй узел для поворота плоскости вращения винтовых лопастей по конструкции электродвигателей аналогичен описанному синхронному двигателю. Ротор каждого из электродвигателей содержит цилиндрическую полую внутри часть стального корпуса 3 на фиг.1 и снаружи его в выемках размещены постоянные магниты 11 на фиг.1 и фиг.3, поверх которых расположены медные тонкие цилиндры 12 на фиг.1 и фиг.2. Роторы от шихтованных сердечников статоров 13 на фиг.1 и фиг.3 отделяются рабочим воздушным зазором ввиду подшипников скольжения 14 на фиг.1. Сердечники статоров запрессованы в цилиндрическую неподвижную конструкцию 15 на фиг.1 и фиг.3 корпуса объекта движения. Неподвижное состояние плоскости вращения винтовых лопастей обеспечивается электромагнитным тормозом 16 на фиг.1 аналогично тормозам крановых механизмов грузоподъемных лебедок.

Предлагаемая винторулевая колонка работает следующим образом. При определенном положении плоскости вращения лопастей винта 9 на фиг.1 и фиг.2 от источника электроэнергии объекта движения запускается электродвигатель движителя и осуществляется пространственное перемещение объекта - судна или аппарата.

При необходимости смены направления перемещения объекта без отключения электродвигателя движителя 1, 2, 5, 7, 8, 9 на фиг.1 и фиг.2 растормаживается тормоз 16 на фиг.1 и включается от того же источника на короткое время один или два электродвигателя узла поворота 11, 12, 13, 14 на фиг.1 и фиг.3. Этим самым изменяется положение плоскости вращения винтовых лопастей на необходимый угол и осуществляется смена направления перемещения объекта движения. Новое направление перемещения фиксируется отключением (остановкой) электродвигателя узла поворота и фиксацией тормоза.

Винторулевая колонка системы прямого привода, устанавливаемая на объекте движения, содержащая безвальный винтолопастной электромагнитный движитель с постоянными магнитами радиальной намагниченности и механизм поворота плоскости вращения с двумя электродвигателями в корпусной части объекта перемещения, отличающаяся тем, что магниты расположены вне лопастей движителя на роторе синхронного электродвигателя, а в механизме поворота плоскости вращения лопастей использованы два безвальных синхронных электродвигателя с постоянными магнитами радиальной намагниченности, при этом электродвигатели и ротор движителя снабжены демпферными обмотками, выполненными в виде медных гильз, а электромагнитный тормоз расположен вне электродвигателей у корпусной части объекта движения.