Электропривод подводного аппарата



Электропривод подводного аппарата
Электропривод подводного аппарата
Электропривод подводного аппарата
Электропривод подводного аппарата

 


Владельцы патента RU 2466057:

Открытое акционерное общество "Завод "Дагдизель" (RU)
Общество с ограниченной ответственностью "Эмтех" (RU)

Изобретение относится к области водного транспорта и направлено на усовершенствование подводного аппарата, который обеспечивает передвижение в водной среде автономных средств, и может быть использовано как движитель автономных средств в надводном и подводном положениях. Электропривод подводного аппарата (Фиг.1) включает в себя герметичный корпус 1, в котором размещены источник питания 2 и электродвигатель 3. Электродвигатель имеет два статора 5 и 6 и два ротора 7 и 8, установленные на соосных валах 9 и 10, на выходных концах которых за пределами корпуса 1 размещены винты 12 и 13 встречного вращения. В корпусе 1 размещен также инвертор 14 с полупроводниковыми модулями 15, расположенными на внутренней поверхности корпуса. Модули 15 размещены таким образом, чтобы их теплопроводящие эластичные элементы 17 были установлены на контактных площадках 18 корпуса 1. Выводы 19 обмоток электродвигателя 3 подсоединены к модулям 15. На статоре 5 в пазах 20 размещена многофазная обмотка 21, в полостях 22 ротора 7 установлены постоянные магниты 23. На торцевых частях роторов 7 и 8 расположены вентиляционные лопатки 25 и 26, а в корпусе 3 электродвигателя выполнены радиальные отверстия.. Технический результат заключается в повышении надежности конструкции электропривода подводного аппарата, снижении уровня шума и вибраций и повышении дальности автономного хода. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Электропривод подводного аппарата относится к устройствам, обеспечивающим передвижение в водной среде автономных средств, и может быть использован как движитель автономных средств в надводном и подводном положениях.

Известно устройство торпеды по патенту №3145678, от 25 августа 1964 г., США, имеющей герметичный корпус, в котором расположен электродвигатель с двумя выходными валами, обеспечивающими встречное вращение двух приводных винтов, установленных в хвостовой части торпеды. Для снижения излучаемых торпедой шумов и вибраций электродвигатель установлен в корпусе через специальные шумо- и вибропоглощающие прокладки.

Недостатками указанного технического решения являются отсутствие возможности регулирования параметров питания электродвигателя и, как следствие, отсутствие возможности влиять на шумовые и вибрационные характеристики электродвигателя и торпеды в целом посредством целенаправленного изменения параметров питающего напряжения электродвигателя.

Известно устройство электропривода подводного аппарата, взятого за прототип, имеющего герметичный корпус, в котором установлен коллекторный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов, имеющий два соосных встречно вращающихся вала, которые за пределами корпуса непосредственно приводят во вращение винты. Двигатель питается от аккумулятора, имеет комплекты щеток для подачи электрического напряжения на вращающиеся части электродвигателя и систему совмещенных со щетками балансировочных противовесов. Система управления работой двигателя находится в отдельном герметичном устройстве за пределами герметичного корпуса с двигателем (США, патент №2010/0003871 А1 от 07.01.2010 г.).

Недостатками данного технического решения являются низкая надежность устройства, обусловленная применением коллекторного электродвигателя со скользящими силовыми контактами - щеточно-коллекторным узлом, значительно снижающим надежность электродвигателя и устройства в целом, а также размещение системы управления работой электродвигателя в виде удаленного герметичного самостоятельного устройства, что увеличивает общие габариты рассматриваемого устройства и снижает его помехозащищенность и надежность. При использовании источника питания ограниченной энергоемкости, например аккумуляторной батареи, применение коллекторного электродвигателя, имеющего низкий коэффициент полезного действия, снижает дальность автономного хода подводного аппарата.

Целью изобретения является создание надежного электропривода подводного аппарата с низким уровнем шума и вибраций и повышенной дальностью автономного хода.

Поставленная цель достигается тем, что в электроприводе подводного аппарата, содержащем обтекаемый водой герметичный корпус, в котором размещены источник питания и установленный через вибропоглощающие прокладки электродвигатель с двумя соосными выходными валами, которые за пределами герметичного корпуса аппарата непосредственно приводят во вращение винты встречного вращения, согласно изобретению электродвигатель содержит расположенные в корпусе два неподвижных статора с многофазными обмотками и два вращающихся во встречных направлениях ротора, в герметичном корпусе дополнительно расположен инвертор для питания обмоток электродвигателя, силовые полупроводниковые модули инвертора размещены на внутренней стороне герметичного корпуса с возможностью рассеивания в окружающей воде потерь мощности модулей посредством теплового контакта их теплорассеивающих поверхностей с герметичным корпусом подводного аппарата, при этом обмотки электродвигателя подключены к источнику питания через силовые полупроводниковые модули инвертора.

Кроме того, в специальных полостях ротора размещены постоянные магниты.

Кроме того, каждый ротор размещен на втулке со сквозными осевыми каналами, на торцевых частях роторов расположены вентиляционные лопатки, а в корпусе электродвигателя выполнены три ряда радиальных отверстий, причем один ряд расположен между статорами, второй ряд - со стороны винтов и третий - с противоположной от винтов стороны электродвигателя.

Кроме того, многофазные обмотки каждого статора и подключенные к ним силовые полупроводниковые модули инвертора разделены на две или более группы, подсоединенные к источнику питания.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером выполнения со ссылкой на чертежи, на которых показаны:

- Фиг.1 - общий вид устройства.

- Фиг.2 - поперечное сечение устройства в зоне размещения силовых полупроводниковых модулей инвертора.

- Фиг.3 - поперечное сечение устройства в зоне электродвигателя.

- Фиг.4 - варианты схемы соединения обмоток двигателя с силовыми полупроводниковыми модулями инвертора.

Электропривод подводного аппарата (Фиг.1) включает в себя герметичный металлический корпус 1, в котором размещены источник питания 2 и электродвигатель 3, установленный в нем через вибропоглощающие прокладки 4. Электродвигатель имеет установленные в корпусе 3 два статора 5 и 6 и два ротора 7 и 8, установленных на соосных валах 9 и 10. На выходных концах валов 9 и 10 через промежуточную муфту 11 за пределами герметичного корпуса 1 установлены винты 12 и 13 встречного вращения. В герметичном корпусе 1 размещен также инвертор 14 с силовыми полупроводниковыми модулями 15.

На внутренней поверхности герметичного корпуса 1 подводного аппарата (Фиг.2) размещены силовые полупроводниковые модули 15 инвертора 14. Модули 15 размещаются таким образом, чтобы их теплорассеивающие поверхности 16 через теплопроводящие эластичные элементы 17 были установлены на специальных контактных площадках 18 герметичного корпуса 1. Выводы 19 обмоток электродвигателя 3 (см. Фиг.1) подсоединены к силовым модулям 15.

На статоре 5 в пазах 20 размещена (Фиг.3) многофазная обмотка 21, в специальных полостях 22 ротора 7 установлены постоянные магниты 23.

Каждый ротор размещен на втулке со сквозными осевыми каналами 24 (см. Фиг.2), на торцевых частях роторов 7 и 8 расположены вентиляционные лопатки 25 и 26, а в корпусе 3 электродвигателя выполнены три ряда радиальных отверстий, причем один ряд 27 расположен между статорами, второй ряд 28 - со стороны винтов и третий 29 - с противоположной от винтов стороны электродвигателя.

Многофазные обмотки (Фиг.4) каждого из статоров 5 и 6 подключены к силовым полупроводниковым модулям инвертора. Через силовые полупроводниковые модули 15 обмотки подключены к источнику питания 2. Параллельно выводам источника питания подключен блок конденсаторов С. В корпусе подводного аппарата 1 размещен также блок управления 30 (см. Фиг.1) работой силовых полупроводниковых модулей 15.

Для питания электродвигателя большой мощности предлагается многофазные обмотки каждого из статоров 5 и 6 разделить на группы (Фиг.4,б) и подключить к силовым полупроводниковым модулям с образованием параллельных, идентичных по работе, каналов мощности.

Работает электропривод подводного аппарата следующим образом. При подаче из блока управления 30 команды на открытие силовых полупроводниковых модулей 15 на выводы обмоток подается напряжение от источника питания 2 и по обмоткам протекает многофазный ток, который создает вращающееся магнитное поле статора. Взаимодействие вращающегося поля статора с полем возбуждения постоянных магнитов 23 ротора обеспечивает создание вращающего момента. Фазные обмотки статоров 5 и 6 коммутируются полупроводниковыми модулями 15 в такой последовательности, при которой создаются встречно направленные вращающиеся поля, что обеспечивает встречное вращение роторов 7 и 8 и соответственно винтов 12 и 13. Блок конденсаторов С обеспечивает стабильность напряжения на выводах обмоток и обмен реактивной мощностью с инвертором 14.

Размещение силовых полупроводниковых модулей 15 на площадках 18 внутренней поверхности герметичного металлического корпуса 1 подводного аппарата позволяет эффективно решить задачу охлаждения модулей 15 и за счет этого минимизировать габаритные размеры инвертора 14. Для обеспечения минимального теплоперепада в месте контакта корпуса подводного аппарата 1 и модулей их теплорассеивающие поверхности 15 установлены на площадках 18 через теплопроводящие эластичные элементы 17, например термопасту.

Размещение блока управления 30 на минимальном расстоянии от силовых модулей 15 позволяет в целом уменьшить габариты электропривода и повысить его помехозащищенность и помехоизлучение.

Для возбуждения ротора 7 применена эффективная конструкция, в которой магниты 23 встраиваются в полости ротора 22 и не требуют специального крепления на роторе.

Для обеспечения охлаждения электродвигателя образованы каналы для осевой вентиляции. Охлаждающие потоки, показанные на Фиг.1 стрелками, из аксиальных каналов роторов 24 под воздействием центробежных вентиляционных лопаток 25 и 26 движутся вдоль лобовых частей обмоток статоров 5 и 6, далее проходят через радиальные отверстия 28 и 29 в корпусе электродвигателя и, отдав тепло омываемому водой корпусу подводного аппарата 1, возвращаются внутрь электродвигателя. Вибропоглощающие прокладки 4 локализуют прохождение воздушных потоков в пределах длины электродвигателя и блокируют выход подогретого воздуха в зону инвертора 14.

Питание обмоток электродвигателя может быть выполнено по схеме, показанной на Фиг.4,а. Для обеспечения питания электродвигателя большой мощности с целью снижения токов, коммутируемых модулями 15, предлагается формировать параллельные ветви из трехфазных обмоток, подключая их к отдельным модулям 15 (см. Фиг.4,б).

Положительный эффект предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности работы и дальности хода подводного аппарата за счет применения электропривода на основе энергетически более высокоэффективного бесколлекторного электродвигателя с постоянными магнитами. Именно за счет применения электродвигателя с двумя неподвижными статорами с многофазными обмотками и двумя вращающимися во встречных направлениях роторами с постоянными магнитами удается обеспечить встречное вращение винтов при одновременном отказе от применения ненадежного щеточно-коллекторного узла. Размещение силовых полупроводниковых модулей на внутренней поверхности герметичного корпуса обеспечивает минимальный объем, занимаемый инвертором, за счет высокоэффективного отвода мощности потерь в полупроводниковых элементов и их рассеивание в окружающей аппарат воде. Применение вентиляции двигателя и отвод части выделяемых в нем потерь мощности на корпус подводного аппарата также позволяет уменьшить массу и объем, занимаемый электродвигателем.

Применение инвертора с системой управления позволяет за счет целенаправленного изменения параметров питающего напряжения на обмотках обеспечить минимальный уровень шумов и вибраций, излучаемых электродвигателем и подводным аппаратом в целом.

Разделение на параллельные каналы мощности за счет формирования независимых параллельных ветвей из трехфазных обмоток и силовых полупроводниковых модулей позволяет наращивать мощность электропривода в целом при использовании однотипных силовых полупроводниковых модулей.

1. Электропривод подводного аппарата, содержащий обтекаемый водой герметичный корпус, в котором размещены источник питания и установленный через вибропоглощающие прокладки электродвигатель с двумя соосными выходными валами, которые за пределами герметичного корпуса аппарата непосредственно приводят во вращение винты встречного вращения, электродвигатель содержит два расположенных в корпусе неподвижных статора с многофазными обмотками и два вращающихся во встречных направлениях ротора, в герметичном корпусе дополнительно расположен инвертор для питания обмоток электродвигателя, силовые полупроводниковые модули инвертора размещены на внутренней стороне герметичного корпуса с возможностью рассеивания в окружающей воде потерь мощности модулей посредством теплового контакта их теплорассеивающих поверхностей с герметичным корпусом подводного аппарата, при этом обмотки электродвигателя подключены к источнику питания через силовые полупроводниковые модули инвертора, отличающийся тем, что каждый ротор размещен на втулке со сквозными осевыми каналами, и как минимум, на одной из торцевых частей каждого ротора расположены вентиляционные лопатки, а в корпусе электродвигателя выполнены три ряда радиальных отверстий, причем один ряд расположен между статорами, второй ряд - со стороны винтов и третий - с противоположной от винтов стороны электродвигателя.

2. Электропривод подводного аппарата по п.1, отличающийся тем, что в полостях ротора размещены постоянные магниты.

3. Электропривод подводного аппарата по п.1, отличающийся тем, что многофазные обмотки и силовые полупроводниковые модули инвертора разделены на две или более группы, подключенные к источнику питания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к судостроению, в частности к судовым электроэнергетическим установкам с преобразователями частоты и гребными электродвигателями. .

Изобретение относится к области судостроения, в частности к усовершенствованию электроэнергетических установок судов с преобразователями частоты и гребными электродвигателями.

Изобретение относится к области судостроения. .

Изобретение относится к разборным плавучим сооружениям с небольшой осадкой и может быть использовано для самостоятельного передвижения автомобиля по воде. .

Изобретение относится к области транспорта, а именно к судам с электродвижением. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в приводе гребного винта для надводных судов, в приводе гребного винта, представляющего собой пропульсивную установку, в модуле, содержащем пропульсивную установку и выполненном с возможностью разворота относительно корпуса судна.

Изобретение относится к водному транспорту, в частности к судостроению, и касается создания многофункциональных транспортно-перегрузочных комплексов для освоения малых рек, доставки грузов в малодоступные районы и т.д.

Изобретение относится к судостроению и касается создания судовых пропульсивных и/или рулевых комплексов, по крайней мере, частично окруженных водой. .

Изобретение относится к судостроению, а именно к разборным понтонам. .

Изобретение относится к электрическим тяговым системам транспортных средств, в частности к гребной электрической установке

Изобретение относится к области судостроения. Судовая электроэнергетическая установка содержит главный двигатель, соединенный с главным генератором, и локальную систему управления. Главный генератор через электрическую цепь, имеющую первый автоматический выключатель, главные шины и соединенные через трансформатор шины электропотребителей, преобразователь частоты и дополнительный двигатель, соединен с гребным электродвигателем. Дополнительный двигатель соединен с дополнительным генератором, подключенным через второй автоматический выключатель к шинам электропотребителей. В качестве главного и дополнительного генератора использованы трехфазные генераторы с электромагнитным возбуждением, снабженные на выходе первым и вторым датчиками тока фаз. Локальная система управления выполнена с возможностью подключения к системе управления верхнего уровня и подсоединена к первому и второму датчикам тока фаз и датчику напряжения, установленному на шинах электропотребителей. Преобразователь частоты выполнен управляемым обратимым и содержит последовательно соединенные управляемые выпрямитель и инвертор, снабженные собственным контроллером. В выходной силовой цепи выпрямителя и входной силовой цепи инвертора установлены датчики тока, связанные с информационным входом контроллера. С силовым входом управляемого выпрямителя соединен дроссель, подсоединенный другим выводом к датчику напряжения фаз и третьему автоматическому выключателю, подключенному выводом к главным шинам. Датчик напряжения фаз связан с контроллером выпрямителя. В цепи между датчиком тока выходной силовой цепи выпрямителя и датчиком тока входной силовой цепи инвертора установлен конденсаторный накопитель звена постоянного тока и датчик постоянного напряжения, подключенный к обоим контроллерам. Контроллеры подсоединены к задатчику режимов, связанному с локальной системой управления. Достигается повышение качества и эффективного использования электроэнергии на шинах питания. 1 ил.

Изобретение относится к способу функционирования судового приводного двигателя (2), питаемого по меньшей мере одним импульсным инвертором (3), при котором элементы (5) переключения импульсного инвертора (3) переключаются с изменяемой частотой переключения. Частота переключения вручную управляется обслуживающим персоналом судна независимо от рабочего состояния судового приводного двигателя (2) и импульсного инвертора (3), чтобы изменить акустический спектр шума судна. Судовой приводной двигатель питается несколькими импульсными инверторами, при этом элементы переключения всех импульсных инверторов управляются с одинаковой частотой переключения. Достигается уменьшение шума судового двигателя. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к судостроению, в частности к судовым электроэнергетическим установкам с валогенераторами. Судовая электроэнергетическая установка содержит первый тепловой двигатель, второй тепловой двигатель, валогенератор, генератор, первый, второй и третий валы, вариатор, который соединен с гребным винтом, систему управления, шины питания, датчики скорости вращения. В состав вариатора включены три униполярные машины, которые электрически соединены между собой. При этом ротор валогенератора закреплен на третьем валу, который выполнен полым и установлен коаксиально первому валу с помощью подшипников или электромагнитного подвеса. Также на всех трех валах установлены датчики скорости вращения, соединенные с системой управления, с которой также соединены управляющий вход пускового устройства, возбудитель валогенератора и обмотки возбуждения униполярных машин, а также входы управления разъединительных муфт, автоматических выключателей и блока управления скоростью вращения первого теплового двигателя. Достигается: питание судовых электропотребителей от валогенератора отдельно и совместно с генератором, работа валогенератора в двигательном режиме с постоянной частотой вращения и передачей механической энергии на винт, снижение уровня гармонических составляющих на шинах питания судовых электропотребителей, повышение надежности, снижение массы и габаритов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области судостроения, в частности к судовым системам электродвижения с преобразователями частоты и гребными электродвигателями. Судовая система электродвижения содержит шины распределительного щита, подключенные через автоматический выключатель и дроссель к обратимому преобразователю частоты. К преобразователю частоты с двумя раздельными выходными силовыми цепями подключены соответственно два гребных электродвигателя. Гребные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов имеют кольцевую конструкцию. В полости ротора каждого из электродвигателей установлены гребные винты фиксированного шага. Лопасти первого гребного винта выполнены с противонаправленным разворотом к лопастям второго гребного винта. Преобразователь частоты содержит установленный на входе управляемый выпрямитель, силовой выход которого соединен с конденсаторным накопителем звена постоянного тока, датчик напряжения звена постоянного тока с силовыми входами двух инверторов, а также два задатчика частот. Управление элементами преобразователя частоты осуществляется с помощью локальной системы управления. Достигается повышение КПД, снижение потерь энергии, снижение уровня шума и вибраций. 3 ил.

Изобретение относится к судостроению, в частности к электроэнергетическим установкам судов с преобразователями частоты и гребными электродвигателями. Судовая электроэнергетическая установка содержит главные дизели или турбины, главные синхронные генераторы, аварийный дизель-генератор, обмотки статора, главный распределительный щит, входы выпрямителей преобразования частоты. Обмотки статора через автоматические выключатели подключены к линиям питания главного распределительного щита, к которым через автоматические выключатели подключены входы выпрямителей преобразователей частоты. Число выпрямителей равно числу линий главного распределительного щита, выходы выпрямителей подключены к входам многоуровневых инверторов, составляющих с выпрямителями преобразователи частоты, питающие гребные электродвигатели. К каждой линии главного распределительного щита через автоматические выключатели подключены также первичные многофазные обмотки трансформаторов с вращающимся магнитным полем, а вторичные трехфазные обмотки этих трансформаторов через автоматические выключатели присоединены к трехфазной линии питания распределительного щита остальных судовых потребителей. Обмотка статора аварийного дизель-генератора через автоматические выключатели подключена к трехфазной линии питания судовых потребителей. На статоре каждого главного синхронного генератора размещена одна многофазная обмотка с числом фаз более трех, фазы которой соединены звездой или треугольником, а линии главного распределительного щита имеют такое же число фаз, что и обмотки главных синхронных генераторов. Достигается обеспечение электроэнергией судовых потребителей и электродвигателей от одной электростанции, повышение к.п.д. и качества электроэнергии в судовой сети. 1 ил.

Изобретение относится к судостроению, в частности к судовым электроэнергетическим установкам с комбинированным пропульсивным комплексом. Судовая электроэнергетическая установка имеет в своем составе главный тепловой двигатель, разъединительную муфту, дополнительный тепловой двигатель, соединенный с дополнительным генератором, главные шины, шины питания судовых электропотребителей, систему управления установки, автоматические выключатели, датчики тока и датчики напряжения, первый управляемый и обратимый преобразователь частоты, который имеет управляемые выпрямитель и инвертор, конденсаторный накопитель звена постоянного тока, локальный блок управления, также дополнительный гребной электродвигатель, подсоединенный к гребному винту и второй гребной электродвигатель кольцевой конструкции с встроенным вторым гребным винтом, второй преобразователь частоты, преобразователь напряжения и четыре силовые электрические цепи. Достигается уменьшение массы и габаритов, повышение максимального КПД, минимальность потерь энергии и экономичность топлива, повышение надежности электроэнергетической установки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройству для подачи движительной энергии к движительной системе с противоположно вращающимися гребными винтами в морском судне. Устройство содержит первый гребной винт, приводимый вращающимся силовым агрегатом, и второй гребной винт, приводимый двигателем переменного тока. Второй гребной винт вращается в направлении, противоположном первому гребному винту. Генератор переменного тока приводится вращающимся силовым агрегатом, а также электрически соединен с двигателем переменного тока. Скорость вращения второго гребного винта составляет между 95-150% от скорости вращения первого гребного винта. Двигатель переменного тока и генератор переменного тока имеют одинаковую электрическую частоту, и количество полюсов генератора переменного тока составляет от 2 до 40 и количество полюсов двигателя переменного тока составляет от 2 до 40. Отношение количества генератора переменного тока и двигателя переменного тока составляет от 0,05 до 20. Достигается рентабельность устройства для обеспечения электрической энергии на корабле или морском судне. 13 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к судостроению, а именно к конструкциям силовых установок подводных аппаратов. Силовая установка подводного аппарата содержит высокооборотный электродвигатель переменного тока, который соединен с движителем аппарата через редуктор. Редуктор выполнен одноступенчатым с параллельно расположенными входным и выходным валами и с высоким передаточным отношением. Вал электродвигателя является входным валом редуктора, а ось выходного вала редуктора совпадает с основной осью подводного аппарата. Ось электродвигателя смещена относительно основной оси подводного аппарата. Величина смещения электродвигателя равна межцентровому расстоянию валов редуктора. Достигается уменьшение массогабаритных характеристик подводного аппарата, уменьшение шумности и улучшение управляемости силовой установки. 1 ил.

Изобретение относится к судостроению, а именно к движительному агрегату корабля, такому как азимутальный движительный агрегат корабля. Движительный агрегат содержит конструкцию оболочки, электрический двигатель, гребной винт, цилиндрическую секцию, поддерживающую секцию, поддерживающий металлический лист. Поддерживающий металлический лист расположен между поддерживающей секцией конструкции оболочки движительного агрегата и цилиндрической наружной поверхностью цилиндрической секции, секции размещения двигателя конструкции оболочки. Обеспечение дополнительного поддерживания для секции размещения двигателя конструкции оболочки у поддерживающей секции конструкции оболочки. Достигается эффективное охлаждение электрического двигателя и жесткое поддерживание секции. 16 з.п. ф-лы, 24 ил.
Наверх