Совмещенная гребная электрическая установка открытого типа

Изобретение относится к области судовой электротехники, в частности - к погружным электрическим машинам, которые могут быть использованы в составе гребной электрической установки (ГЭУ) подводных обитаемых и необитаемых малогабаритных объектов с неограниченной глубиной погружения, а также в качестве подруливающих устройств, активных рулей любых подводных и надводных объектов. Сущность изобретения состоит в том, что в совмещенной ГЭУ открытого типа, включающей гребной винт, встроенный в полый цилиндрический ротор, статор с обмотками и подшипниковые щиты, объединенные в единую конструкцию, применен асинхронный электродвигатель с полым трехслойным ротором, который выполнен в виде сборки из трех концентрических цилиндров различной толщины из различных материалов с наперед заданными электромагнитными свойствами, согласно данному изобретению наружный цилиндр толщиной h_нар совмещает функции рабочего элемента и экрана и имеет на поверхности винтоканавочную нарезку, средний рабочий цилиндр толщиной h_раб, в котором индуцируются рабочие вихревые токи, выполнен из отдельных сегментов в количестве n_сегм, каждый сегмент имеет узкие продольные пазы в осевом направлении в количестве n_паз, все сегменты замкнуты между собой с торцов токопроводящими короткозамыкающими кольцами, внутренний цилиндр толщиной h_вн, выполняющий роль магнитопровода, набранный из отдельных пластин толщиной 0,5-2 мм и закрытый снаружи защитным герметизирующим экраном, геометрические размеры элементов ротора выбираются из соотношений h_нар=(2-2,5)Δ_ν≈2-3 мм, h_раб=0,9Δ₂, h_вн=(1,2-1,5)Δ₃, h_к=Δ_ν, a_к=0,7-1 мм, в_к=3-3,5 мм, n_сегм=2р, h_п=(0,6-0,7)Δ₂, a_п=1,5-2 мм, в_п=τ/4, где Δ_ν, Δ₂, Δ₃ - глубина проникновения магнитного поля в соответствующий цилиндр, h_к, а_к и в_к - соответственно глубина, ширина и шаг винтовой канавки, 2р - число полюсов, h_п, a_п и в_п - соответственно глубина, ширина и расстояние между продольными пазами, τ - полюсное деление ротора, ν - гармоника поля высокого порядка. Технический результат от использования изобретения состоит в том, что предлагаемая совмещенная ГЭУ с асинхронным электродвигателем позволяет в полной мере реализовать все преимущества асинхронных двигателей с многослойным полым ротором при их работе в составе ГЭУ. Двигатели такой конструкции менее сложны при изготовлении, нежели синхронные с постоянными магнитами, питаются от стандартной трехфазной сети, управляются стандартной пускорегулирующей аппаратурой, не оказывают негативного влияния на питающую сеть, обладают пониженной вибрацией, обеспечивают наилучшие энергетические показатели (КПД и cosϕ) при номинальной нагрузке, а высокий пусковой момент при малом пусковом токе, мягкая механическая характеристика и большая частота включений улучшают основные эксплуатационные характеристики установки при переходных режимах (пуск, реверс, регулирование частоты вращения) и повышают ее экономичность в целом. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области судовой электротехники, в частности к погружным электрическим машинам, которые могут быть использованы в составе гребной электрической установки (ГЭУ) подводных обитаемых и необитаемых малогабаритных объектов с неограниченной глубиной погружения, а также в качестве подруливающих устройств, активных рулей любых подводных и надводных объектов.

Известна совмещенная ГЭУ открытого типа с синхронным электродвигателем, включающая гребной винт, встроенный в полый цилиндрический ротор, статор с обмотками и подшипниковые щиты [1]. В этой ГЭУ объединены в единое конструктивное устройство винт и синхронный электродвигатель с постоянными магнитами. Гребной винт насажен на вал, вставленный в подшипники подшипниковых щитов, лопасти винта охвачены ободом ротора, на наружной поверхности которого размещены постоянные магниты, закрытые антикоррозионным экраном. Статор с обмотками расположен в полости внешней кольцевой насадки, охватывающей ротор, полость насадки герметична и заполнена трансформаторным маслом. Эта конструкция совмещенной ГЭУ является наиболее близкой к заявляемой, поэтому принята в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются сложность изготовления ротора с постоянными магнитами, необходимость применения для питания и регулирования специальной силовой аппаратуры, повышенный уровень вибрации, отрицательное влияние на сеть ограниченной мощности. Кроме того, при разгерметизации полости внешней кольцевой насадки произойдет утечка трансформаторного масла, что приведет к выходу электродвигателя из строя и загрязнению окружающей среды.

Суть заявляемой конструкции заключается в том, что в известной совмещенной ГЭУ открытого типа, включающей гребной винт, встроенный в полый цилиндрический ротор, статор с обмотками и подшипниковые щиты объединенные в единое конструктивное устройство, применен асинхронный электродвигатель с полым трехслойным ротором, который выполнен в виде сборки из трех концентрических цилиндров различной толщины из различных материалов с наперед заданными электромагнитными свойствами, наружный цилиндр толщиной h_нар совмещает функции рабочего элемента и экрана и имеет на поверхности винтоканавочную нарезку, средний рабочий цилиндр толщиной h_раб, в котором индуцируются рабочие вихревые токи, выполнен из отдельных сегментов в количестве n_сегм, каждый сегмент имеет узкие продольные пазы в осевом направлении в количестве n_паз, все сегменты замкнуты между собой с торцов токопроводящими короткозамыкающими кольцами, внутренний цилиндр толщиной h_вн, выполняющий роль магнитопровода, набранный из отдельных пластин толщиной 0,5-2 мм и закрытый снаружи защитным герметизирующим экраном, геометрические размеры элементов ротора выбираются из соотношений h_нар=(2-2,5)Δ_ν≈2-3 мм, h_раб=0,9Δ₂, h_вн=(1,2-1,5)Δ₃, h_к=Δ_ν, а_к=0,7-1 мм, в_к=3-3,5 мм, n_сегм=2р, h_п=(0,6-0,7)Δ₂, а_п=1,5-2 мм, в_п=τ/4, где Δ_ν, Δ₂, Δ₃ - глубина проникновения магнитного поля в соответствующий цилиндр, h_к, а_к и в_к - соответственно глубина, ширина и шаг винтовой канавки, 2р - число полюсов, h_п, а_п и в_п - соответственно глубина, ширина и расстояние между продольными пазами, τ - полюсное деление ротора, ν - гармоника поля высокого порядка, статор имеет обмотку, выполненную из проводников со специальной термостойкой изоляцией, капсулированную в зоне пазов и лобовых частей специальным герметизирующим теплопроводящим компаундом, кроме того, весь статор, включая внутреннюю расточку, обращенную к зазору, наружную поверхность и зону лобовых частей обмотки, закрыт тонкостенным герметизирующим экраном переменного сечения, подшипниковые щиты выполнены в форме стаканов, целиком охватывающих снаружи сборку статора через демпфирующие вставки, имеющих боковые ребра обтекаемого сечения и центрирующих ротор в расточке статора и обеспечивающих его вращение в подшипниках скольжения, выполненных из специальных материалов, предназначенных для работы в морской воде.

Таким образом, заявляемая конструкция совмещенной ГЭУ открытого типа с асинхронным электродвигателем отличается от прототипа тем, что ротор выполнен в виде сборки из трех концентрических цилиндров различной толщины из различных материалов с наперед заданными электромагнитными свойствами, наружный цилиндр толщиной h_нар совмещает функции рабочего элемента и экрана и имеет на поверхности винтоканавочную нарезку, средний рабочий цилиндр толщиной h_раб, в котором индуцируются рабочие вихревые токи, выполнен из отдельных сегментов в количестве n_сегм, каждый сегмент имеет узкие продольные пазы в осевом направлении в количестве n_паз, все сегменты замкнуты между собой с торцов токопроводящими короткозамыкающими кольцами, внутренний цилиндр толщиной h_вн, выполняющий роль магнитопровода, набранный из отдельных пластин толщиной 0,5-2 мм и закрытый снаружи защитным герметизирующим экраном, геометрические размеры элементов ротора выбираются из соотношений h_нар=(2-2,5)Δ_ν≈2-3 мм, h_раб=0,9Δ₂, h_вн=(1,2-1,5)Δ₃, h_к=Δ_ν, а_к=0,7-1 мм, в_к=3-3,5 мм, n_сегм=2р, h_п=(0,6-0,7)Δ₂, а_п=1,5-2 мм, в_п=τ/4, где Δ_ν, Δ₂, Δ₃ - глубина проникновения магнитного поля в соответствующий цилиндр, h_к, а_п и в_п - соответственно глубина, ширина и шаг винтовой канавки, 2р - число полюсов, h_п, а_п и в_к - соответственно глубина, ширина и расстояние между продольными пазами, τ - полюсное деление ротора, ν - гармоника поля высокого порядка, статор имеет обмотку, выполненную из проводников со специальной термостойкой изоляцией, капсулированную в зоне пазов и лобовых частей специальным герметизирующим теплопроводящим компаундом, кроме того, весь статор, включая внутреннюю расточку, обращенную к зазору, наружную поверхность и зону лобовых частей обмотки, закрыт тонкостенным герметизирующим экраном переменного сечения, полностью исключающим возможность взаимодействия элементов статора с окружающей средой или их повреждения, подшипниковые щиты выполнены в форме стаканов, целиком охватывающих снаружи сборку статора через демпфирующие вставки, имеющих боковые ребра обтекаемого сечения и центрирующих ротор в расточке статора и обеспечивающих его вращение в подшипниках скольжения, выполненных из специальных материалов, предназначенных для работы в морской воде. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой конструкции критерию «новизна».

Сравнительный анализ заявляемой конструкции с другими разработками (см. патент Российской федерации №2065656, №2106733) показал, что ранее в асинхронных электродвигателях роторы заявляемой трехслойной полой конструкции не использовались. Конструкция трехслойного полого ротора, внешний слой которого ослабляет действие полей высших гармоник, закрывает внутренние пазы и выполняет роль защитного экрана, средний рабочий сегментированный слой с продольными пазами, с торцовыми токопроводящими кольцами, по которому протекают основные токи ротора, и внутренний слой, набранный из пластин для замыкания магнитного потока, а также заявляемые геометрические и электромагнитные параметры и их соотношения для слоев в совокупности позволяют обеспечить наилучшие энергетические показатели (КПД и cosϕ) при номинальной нагрузке. Высокий пусковой момент при малом пусковом токе и мягкая механическая характеристика улучшают основные эксплуатационные характеристики установки при переходных режимах - пуск, реверс, регулирование частоты вращения, повышают ее экономичность в целом. Кроме того, в конструкции на роторе отсутствуют открытые пазы, рабочие токи распределены в массиве ротора и эффективно демпфируют электромагнитные взаимодействия от полей высших гармоник. Пазы и лобовые части обмотки статора капсулированы специальным теплопроводящим компаундом. Между сборкой статора и охватывающими ее корпусами подшипниковых щитов установлена вибродемпфирующая проставка. Вращение ротора с гребным винтом в опорах обеспечивается подшипниками скольжения. Совокупность этих конструктивных решений обеспечивает максимальное ограничение вибрации, излучаемой в окружающую среду. Проблема воздействия морской воды и содержащихся в ней микроорганизмов в данной конструкции эффективно решается применением для обмотки статора провода со специальной изоляцией, полным ее капсулированием вместе с сердечником в защитном экране и защитой активных элементов ротора специальным экраном, полностью исключающим их контакт со средой.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о соответствии заявляемой конструкции критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлена совмещенная ГЭУ с асинхронным двигателем, продольный разрез;

на фиг.2 - вид А на фиг.1;

на фиг.3 - совмещенная ГЭУ с асинхронным двигателем, поперечный разрез.

Статор установки устроен по типу электрической машины переменного тока и включает сердечник (1), в пазах которого размещена трехфазная обмотка (2), выполненная из провода со специальной изоляцией, герметичный сальниковый ввод (3) с герметичным кабелем питания (4) герметизирующего экрана (5, 6, 7) переменного сечения из материала, стойкого к воздействию морской воды. Объемы внутри экрана заполнены герметизирующим теплопроводящим компаундом (8). Полый цилиндрический ротор включает активную рабочую часть с размещенным внутри нее гребным винтом (9). Активная рабочая часть состоит из нескольких элементов с наперед заданными электромагнитными свойствами различной конструкции: внутреннего шихтованного сердечника (10), представляющего собой набор из отдельных пластин толщиной 0,5-2 мм с такими электромагнитными параметрами, чтобы его толщина составляла h_вн=(1,2-1,5)Δ₃, а соотношение параметров для рабочего и внутреннего цилиндров удовлетворяло условию (ρ₂μ_r2/ρ₃μ_r3)≤10^-2, при этом он снаружи закрывается тонкостенным герметизирующим экраном (11), исключающим непосредственный контакт сердечника со средой; среднего рабочего цилиндра (12), выполненного из отдельных сегментов, число которых равно числу полюсов (n_сегм=2р), параметры материала сегментов выбраны в пределах μ_r2=30-50 (при Н≈10⁴ А/м), ρ₂=(1,0-1,5)10^-7 Ом м. На наружной поверхности сегментов профрезерованы узкие продольные пазы (13) глубиной h_п=(0,6-0,7)Δ₂ мм, шириной а_п=1,5-2 мм, с расстоянием между ними в_п=τ/4 (τ - полюсное деление) мм. По торцам все сегменты замкнуты проводящими кольцами (14); наружного цилиндра (15), толщина которого определена следующими зависимостями:

, ;

, ;

, ,

где h_нар, h_раб, h_вн - толщины наружного, рабочего и внутреннего цилиндров; Δ_ν, Δ₂, Δ₃ - глубины проникновения магнитного поля в соответствующий цилиндр; ω - угловая частота, μ₀=4π·10^-7 Гн м - магнитная постоянная; s_н - номинальное скольжение, ν - гармоника поля высокого порядка; s_ν - скольжение ν-й гармоники поля, что достигается при параметрах материала ρ₁=(1,8-2,5)10^-7 Ом м, μ_rν=90-120. Для дополнительного увеличения сопротивления на поверхности цилиндра нанесена многозаходная винтоканавочная нарезка, канавки глубиной h_к=Δ_ν, шириной а_к=0,7-1,0 мм, с шагом в_к=3,0-3,5 мм. Лопасти гребного винта (9) закреплены в верхней части в расточке ротора, а в центральной части - на шейке ротора (16) с фиксацией шпонкой (17), и вращаются вместе с валом (18) в двух опорно-упорных подшипниках скольжения (19), выполненных из специальных материалов, предназначенных для работы в морской воде. Центрирование вращающегося ротора в расточке статора с зазором (20) осуществляется подшипниковыми щитами, выполненными в форме стаканов, боковые ребра (21) которых имеют обтекаемое сечение, а корпуса (22) этих щитов полностью охватывают сборку статора. Между сборкой статора и корпусами щитов расположена вставка (23) из вибродемпфирующего материала. Крепление гребной установки к корпусу объекта выполнено с помощью штанг (24), обеспечивающих возможность ее поворота на 180° относительно вертикальной оси.

Работает ГЭУ по принципу асинхронного двигателя [2]. При подаче питания в обмотку статора (2) ею возбуждается вращающееся магнитное поле, которое индуктирует в наружном (15) и среднем рабочем (12) цилиндрах вихревые токи, в результате создается момент, приводящий ротор со встроенным гребным винтом (9) во вращение, упор вращающегося гребного винта передается объекту. При этом наружный цилиндр (15), совмещающий функции рабочего элемента и защитного экрана, кроме замыкания через него основного магнитного потока взаимоиндукции, воспринимает действие гармоник магнитного поля высокого порядка (зубцовых, проводимости и др.) и обеспечивает их подавление, нанесенная на его поверхность многозаходная винтоканавочная нарезка (не показана) дополнительно увеличивает сопротивление цилиндра и способствует усилению циркуляции воды в зазоре (20) между статором и ротором, что улучшает их охлаждение, а наличие продольных пазов (13) на сегментах рабочего цилиндра (12) эквивалентно действию магнитной анизотропии в роторе. Наличие продольных пазов (13) увеличивает нормальную составляющую индукции и осевые составляющие токов ротора, ослабляет поперечные токи и магнитные потоки рассеяния. Замыкающие проводящие кольца (14) на торцах цилиндра обеспечивают замыкание поперечных токов.

Заявляемая конструкция совмещенной ГЭУ с асинхронным электродвигателем позволяет в полной мере реализовать все преимущества асинхронных двигателей с многослойным полым ротором при их работе в составе ГЭУ. Двигатели такой конструкции менее сложны при изготовлении, нежели синхронные с постоянными магнитами, питаются от стандартной трехфазной сети, управляются стандартной пускорегулирующей аппаратурой, не оказывают негативного влияния на питающую сеть, обладают пониженной вибрацией, обеспечивают наилучшие энергетические показатели (КПД и cosϕ) при номинальной нагрузке, а высокий пусковой момент при малом пусковом токе, мягкая механическая характеристика и большая частота включений улучшают основные эксплуатационные характеристики установки при переходных режимах - пуск, реверс, регулирование частоты вращения и повышают ее экономичность в целом.

Источники информации

1. «Судостроение за рубежом», №8,1987, с.63.

2. Могильников B.C. Асинхронные электродвигатели с двухслойными роторами и их применение [Текст] / B.C.Могильников, A.M.Олейников, А.Н.Стрельников. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 119 с.

1. Совмещенная гребная электрическая установка с асинхронным электродвигателем открытого типа, включающая гребной винт, встроенный в полый цилиндрический ротор, статор с обмотками и подшипниковые щиты, отличающаяся тем, что ротор выполнен в виде сборки из трех концентрических цилиндров различной толщины из различных материалов с наперед заданными электромагнитными свойствами, наружный цилиндр толщиной h_нар совмещает функции рабочего элемента и экрана и имеет на поверхности винтоканавочную нарезку, средний рабочий цилиндр толщиной h_раб, в котором индуцируются рабочие вихревые токи, выполнен из отдельных сегментов в количестве n_сегм, каждый сегмент имеет узкие продольные пазы в осевом направлении в количестве n_паз, все сегменты замкнуты между собой с торцов токопроводящими короткозамыкающими кольцами, внутренний цилиндр толщиной h_вн, выполняющий роль магнитопровода, набранный из отдельных пластин толщиной 0,5-2 мм и закрытый снаружи защитным герметизирующим экраном, геометрические размеры элементов ротора выбираются из соотношений h_нар=(2-2,5)Δ_ν≈2-3 мм, h_раб=0,9Δ₂, h_вн=(1,2-1,5)Δ₃, h_к=Δ_ν, a_к=0,7-1 мм, в_к=3-3,5 мм, n_сегм=2р, h_п=(0,6-0,7)Δ₂, a_п=1,5-2 мм, в_п=τ/4, где Δ_ν, Δ₂, Δ₃ - глубина проникновения магнитного поля в соответствующий цилиндр, h_к, а_к и в_п - соответственно глубина, ширина и шаг винтовой канавки, 2р - число полюсов, h_п, a_п и в_к - соответственно глубина, ширина и расстояние между продольными пазами, τ - полюсное деление ротора, ν - гармоника поля высокого порядка.

2. Совмещенная гребная электрическая установка открытого типа по п.1, отличающаяся тем, что статор имеет обмотку, выполненную из проводников со специальной термостойкой изоляцией, капсулированную в зоне пазов и лобовых частей специальным герметизирующим теплопроводящим компаундом, кроме того, весь статор, включая внутреннюю расточку, обращенную к зазору, наружную поверхность и зону лобовых частей обмотки, закрыт тонкостенным герметизирующим экраном переменного сечения, полностью исключающим возможность взаимодействия элементов статора с окружающей средой или их повреждения.

3. Совмещенная гребная электрическая установка открытого типа по п.1 или 2, отличающаяся тем, что подшипниковые щиты выполнены в форме стаканов, целиком охватывающих снаружи сборку статора через демпфирующие вставки, имеющих боковые ребра обтекаемого сечения и центрирующих ротор в расточке статора и обеспечивающих его вращение в подшипниках скольжения, выполненных из специальных материалов, предназначенных для работы в морской воде.