винторулевая колонка с безвальным электромагнитным движителем

Формула изобретения

Винторулевая колонка для пространственного перемещения объекта движения относительно жидкой среды и изменения его направления перемещения, содержащая безвальный винто-лопастной движитель и механизм поворота плоскости вращения лопастей, отличающаяся тем, что механизм поворота плоскости вращения лопастей включает в себя два электродвигателя со встроенными электромагнитными тормозами и наружными шестернями, находящимися в зацеплении с косозубым коническим колесом, к которому жестко прикреплена станина винто-лопастного электромагнитного движителя, служащая одновременно направляющей насадкой винта, причем этот электромагнитный движитель выполнен трехфазным синхронным с возбуждением от постоянных магнитов, находящихся в лопастях винта, при этом корпус электромагнитного движителя выполнен с шихтованным ферромагнитным сердечником статора с трехфазной обмоткой, а внутри сердечника статора на расстоянии от него воздушного зазора по радиальному направлению расположен шихтованный ферромагнитный сердечник ротора с короткозамкнутой пусковой обмоткой.

Описание изобретения к патенту

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: info@schottel.de.www.schottel.de.) (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, обеспечивающим 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 такого же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является винторулевая колонка, известная из патента US 2605606, опублик. 05.08.1952. Она содержит поворотный стол с ротором с безвальным движителем в виде лопастей и механизм поворота плоскости вращения лопастей. Последний содержит электродвигатель, на валу которого имеется шестерня, находящаяся в зацеплении с зубчатым колесом.

К колесу жестко прикрепляется станина поворотного стола, служащая одновременно направляющей насадкой винта и корпусом, в котором располагается полый ротор, содержащий внутри лопасти движителя.

Описанная конструкция прототипа содержит следующие недостатки. Использование одного электродвигателя в механизме поворота не только существенно снижает надежность функционирования ввиду увеличенных нагрузок на детали узлов передачи, но и не удовлетворяет требованиям Морского Регистра. Наряду с этим наличие прямозубой передачи межу валом электродвигателя и поворотным столом при отсутствии тормозного устройства приводит к неустойчивости положения плоскости вращения лопастей, а следовательно, и к излишнему рысканию объекта движения на курсе. Кроме описанных недостатков отсутствие поля возбуждения со стороны ротора с лопастями приводит к дополнительному потреблению энергии движителем от источника электроснабжения и снижению коэффициента полезного действия.

Целью изобретения являются: повышение качества функциональных возможностей устройства и его быстродействия, сокращение времени переходных процессов, повышение коэффициентов мощности и полезного действия, снижение механических нагрузок на рабочие элементы зубчатой передачи.

Необходимый технический результат достигается новым заявленным устройством следующего вида: винторулевая колонка для пространственного перемещения объекта движения относительно жидкой среды и изменения его направления перемещения, содержащая безвальный винто-лопастной движитель и механизм поворота плоскости вращения лопастей, отличающаяся тем, что механизм поворота плоскости вращения лопастей включает в себя два электродвигателя со встроенными электромагнитными тормозами и наружными шестернями, находящимися в зацеплении с косозубым коническим колесом, к которому жестко прикреплена станина винто-лопастного электромагнитного движителя, служащая одновременно направляющей насадкой винта, причем этот электромагнитный движитель выполнен трехфазным синхронным с возбуждением от постоянных магнитов, находящихся в лопастях винта, при этом корпус электромагнитного движителя выполнен с шихтованным ферромагнитным сердечником статора с трехфазной обмоткой, а внутри сердечника статора на расстоянии от него воздушного зазора по радиальному направлению расположен шихтованный ферромагнитный сердечник ротора с короткозамкнутой пусковой обмоткой.

Отличительными признаками заявленного изобретения от прототипа являются:

1. введение в механизм поворота плоскости вращения лопастей двух электродвигателей вместо одного;

2. введение в механизм поворота плоскости вращения лопастей в каждом из электродвигателей встроенных электромагнитных тормозов;

3. замена в механизме поворота плоскости вращения лопастей прямозубого зацепления шестерни и колеса на косозубое;

4. введение вовнутрь лопастей движителя постоянных магнитов высокой коэрцитивной силы из спекаемых порошковых материалов с редкоземельными элементами.

Введение в механизм поворота плоскости вращения лопастей двух электродвигателей вместо одного приводит к уменьшению нагрузки на зубья шестерни зацепления с колесом, что повышает надежность работы механизма.

Одновременно с этим распределение одной нагрузки на две шестерни двух электродвигателей, каждый из которых по мощности меньше, чем один заменяемый, приводит к повышению быстродействия и сокращению времени протекания переходных процессов (пуск, торможение, реверс) за счет снижения моментов инерции. Наряду с этим удовлетворяются требования Морского Регистра судоходства.

Введение в механизм поворота плоскости вращения лопастей в каждом из электродвигателей встроенных электромагнитных тормозов повышает точность фиксации положения плоскости вращения винтовых лопастей при ее поворотах на заданный угол и устраняет причину рысканья объекта движения.

Замена в механизме поворота плоскости вращения лопастей прямозубого зацепления шестерни и колеса на косозубую делает передачу самотормозящейся, что повышает точность фиксации положения плоскости вращения винтовых лопастей при отключениях электродвигателей.

Введение вовнутрь лопастей движителя постоянных магнитов высокой коэрцитивной силы из спекаемых порошковых материалов с редкоземельными элементами создает для движителя или винтовых лопастей синхронный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов. Последний исключает потребление реактивной мощности из системы электроснабжения, создавая опережающий коэффициент мощности и повышая коэффициет полезного действия.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлен схематический разрез устройства в вертикальной плоскости вращения винтовых лопастей, на фиг.2 - разрез в аналогичной поперечной плоскости.

Согласно формуле изобретения в механизме поворота плоскости вращения лопастей 5 имеются два электродвигателя 7 со встроенными электромагнитными тормозами.

Двигатели жестко крепятся к корпусу 6, связанному жестко с корпусом объекта движения. На валу этих двигателей имеются шестерни 9, которые находятся в зацеплении с одним косозубым коническим колесом 10. К колесу жестко крепится станина винтолопастного движителя с корпусом 1, служащим одновременно направляющей насадкой винта. Станина опирается на подшипник скольжения 8 и имеет возможность, благодаря косозубому зацеплению и электродвигателям, поворачиваться вокруг вертикальной оси, изменяя положение плоскости вращения лопастей.

Электромагнитный движитель выполнен в виде синхронного электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов, находящихся внутри лопастей 5 винта. Указанный электродвигатель внутри станины имеет шихтованный ферромагнитный сердечник 2 статора с трехфазной обмоткой. Внутри этого сердечника ввиду подшипника скольжения 3 находится шихтованный сердечник ротора 4 с короткозамкнутой пусковой обмоткой.2

Предлагаемая винторулевая колонка работает следующим образом. При определенном положении косозубого конического колеса 10 (аналог пера руля на судне) от источника электроэнергии объекта движения запускается электродвигатель движителя 2, 4, 5 и осуществляется пространственное перемещение объекта движения (судна или аппарата).

При необходимости смены направления перемещения объекта без отключения электродвигателя движителя включаются от того же источника на короткое время один или два одновременно расторможенных электродвигателя 7 механизма поворота. Этим самым изменяется положение плоскости вращения винтовых лопастей на заданный угол и осуществляется смена направления перемещения объекта движения.

Согласно требованиям Морского Регистра число электродвигателей 7 механизма поворота должно быть не менее двух с условием, что каждый из них обеспечивает поворот плоскости вращения винта на определенный угол за определенное время. При больших массах перемещаемых объектов и тяжелых условиях плавания (льды) число электродвигателей механизма поворота увеличивают, устанавливая всегда их четное число, а также на одном объекте движения применяют несколько винторулевых колонок.

В динамических операциях замедления скорости перемещения объекта или его движения по инерции обмотка статора движителя может служить источником электроэнергии. Эту энергию через современный полупроводниковый управляемый преобразователь можно возвращать в бортовую электросеть объекта движения. Отмеченное повышает эффективность преобразования энергии на объекте движения и коэффициент полезного действия винторулевой колонки.

Тот же управляемый преобразователь может по определенному закону осуществлять изменение частоты и напряжения питания для обмотки статора движителя, и тем самым будет осуществляться регулирование частоты вращения винтовых лопастей, а значит, и скорости перемещения объекта движения.

В заключение можно утверждать, что заявленное устройство приводит к повышению качества функциональных возможностей, например устранению излишнего рыскания объекта движения на курсе. В устройстве снижены механические нагрузки на рабочие элементы зубчатой передачи, сокращены времена переходных процессов, повышены быстродействие, коэффициенты мощности и полезного действия.