EP1384661A1 - Gouverne de navire asservie en position angulaire par un moteur électrique - Google Patents

Gouverne de navire asservie en position angulaire par un moteur électrique Download PDF

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EP1384661A1
EP1384661A1 EP03102053A EP03102053A EP1384661A1 EP 1384661 A1 EP1384661 A1 EP 1384661A1 EP 03102053 A EP03102053 A EP 03102053A EP 03102053 A EP03102053 A EP 03102053A EP 1384661 A1 EP1384661 A1 EP 1384661A1
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EP
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rudder
motor
helm
ship
electric motor
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EP03102053A
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Nicolas Moneuse
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Alstom SA
Original Assignee
Alstom SA
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H25/00—Steering; Slowing-down otherwise than by use of propulsive elements; Dynamic anchoring, i.e. positioning vessels by means of main or auxiliary propulsive elements
    • B63H25/06—Steering by rudders
    • B63H25/08—Steering gear
    • B63H25/14—Steering gear power assisted; power driven, i.e. using steering engine
    • B63H25/26—Steering engines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
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    • B63H25/06—Steering by rudders
    • B63H25/08—Steering gear
    • B63H25/14—Steering gear power assisted; power driven, i.e. using steering engine

Definitions

  • the invention relates to a ship control surface comprising a seat forming part of the structure of the ship, in which is pivotally mounted a rudder, said rudder being controlled in angular position by a motor.
  • the invention applies more particularly to a large ship such than a liner in which the servo in rudder position is assisted by machinery.
  • the rudder is linked in movement to at least two hydraulic motors which are supplied with pressurized oil by a hydraulic central.
  • This hydraulic power station itself comprises two electric motors powered by an electrical network to ensure redundancy in the control of the rudder.
  • the rudder which is movable in rotation along a vertical axis includes in its upper part a toothed crown located in a horizontal plane, and a output pinion of each hydraulic motor is meshed in this crown to transmit a torque to the rudder.
  • This solution requires the implementation of one or more power plants hydraulics associated with high pressure pipes which occupy a large volume and require specific maintenance.
  • the object of the invention is to remedy these drawbacks by proposing a an electric servo control having a space requirement reduced and requiring minimal maintenance.
  • the invention relates to a ship's steering system comprising a seat forming part of the structure of the ship, in which is mounted pivoting a rudder, said rudder being slaved in angular position by a motor, characterized in that said motor is an electric motor comprising a stator rigidly fixed to said seat, and a rotor rigidly attached to said rudder.
  • This motor which is an orientation motor transmits the torque required to control the rudder by track electromagnetic, i.e. without physical contact, which eliminates wear problems. Maintaining a fixed position is then carried out by a power supply adapted to the type of electric motor in place.
  • the rudder includes a steering cone pivotally mounted in the seat, and the engine electric is mounted inside this control cone. congestion of the control surface according to the invention is thus further reduced.
  • the rudder can include a submerged part in the form of a saffron, or else under shape of a bulb containing a propulsion engine of the ship.
  • the cooling of the orientation motor can be by deflecting part of the ventilation intended for the motor of propulsion. It is thus not necessary to implement means additional ventilation specially dedicated to cooling the slewing motor.
  • the stator comprises multiple windings which are powered by electrical sources independent. These electrical sources could be converters of dedicated power, thus ensuring redundancy in the function of servo-control, to ensure the safe operation of the control surface according to the invention.
  • the single figure is a sectional view of the control surface according to the invention.
  • a ship's control surface includes a rudder 1 rotatably mounted in a seat 2 which is integral with the structure of a ship not shown.
  • the rudder 1 here comprises a control cone 1 'connected to the seat 2 by a rotary mechanical connection 3, so that it is suitable to rotate around a vertical axis AX along which it extends.
  • This cone of rudder 1 'crosses the structure of the ship in a sealed manner to maintain a submerged part 1 "shown partially in the figure.
  • This part submerged 1 is rigidly fixed to the control cone 1" and forms the part active rudder 1 to steer the ship on a certain dependent heading from its position around the axis AX.
  • the angular position of the rudder 1 around the axis AX is controlled by controlling the angular position of the cone which is located inside the ship.
  • the control cone 1 has a diameter which decreases from top to bottom, and it plunges into the seat which forms a conical well substantially complementary.
  • the rotary link 3 is located in a plane horizontal of the upper part of the control cone 1 'corresponding to the part of larger diameter of this cone.
  • a circular joint 4 surrounds the low diameter low part of the control cone to ensure tightness with the lower part of the seat 2 which is also weak diameter.
  • a toothed crown internal is usually mounted inside the top of the cone, so that hydraulic or electric motors having their pinions meshed in this internal toothing are able to move in rotation of the rudder around the axis AX.
  • this drive system with a ring gear linked in rotation to motors is replaced by a single large motor diameter said orientation motor, mainly comprising a rotor 5 rigidly fixed to the rudder 1, cooperating with a stator 6 which is rigidly fixed to the seat 2.
  • the rotor 5 and the stator 6 are chosen large diameters to facilitate the transmission of large torques.
  • Such an engine of orientation may be designed so as to surround the control cone 1 ', or on the contrary be mounted inside this control cone in in order to reduce the size of the control surface, this choice being conditioned by sizing requirements corresponding in particular to powers to be brought into play in the motor to achieve servo-control.
  • the motor is mounted at inside the upper part of the control cone 1 '.
  • the rotor 5 which substantially defines a toroidal shape is positioned in a horizontal plane by being fixed to the internal surface of the control cone 1. It cooperates with the stator 6 which also has a generally toroidal shape but of weaker diameter, and which is mounted inside the rotor 5 in the same plane horizontal than the latter. More particularly, the stator 5 plunges into the control cone 1 'while being held in its upper part by a circular cover 7 of large diameter covering the control cone and fixed rigidly to the seat 2.
  • stator comprising 5 'windings electrically powered by a 8 power converter such as frequency and voltage converter variables connected to a power supply network of the ship.
  • the rotor 6 is here passive and mainly comprises 6 'squirrel cages arranged on along its outer periphery, to form with the stator a motor asynchronous.
  • the implementation of such an asynchronous motor presents in in addition to the advantage of facilitating the locking in position of the rudder by adjusting the frequency of supply of the motor to that of the sliding of the rotor so as to cancel the mechanical speed of said rotor.
  • This arrangement consisting in mounting the windings on the stator at place of mounting them on the rotor is interesting for the implementation of several windings each supplied by a power converter dedicated to him.
  • the amount of wiring is increased, but these wiring are connected to the stator which is fixed, which simplifies their installation.
  • Setting work of several windings fed separately ensures in addition redundancy in the position control function which improves the operational safety of the control surface according to the invention.
  • the submerged part 1 ′ of the rudder 1 can be a rudder, or a bulb containing an electric motor propelling the ship, also called pod.
  • this propulsion engine is generally cooled by a ventilation system circulating an air flow in the bulb.
  • This air flow enters the upper part of the control surface through a circular opening 7 ' made in the cover 7, which is indicated by the arrow R in the figure.
  • this air flow is also used to cool the slewing motor, so there is no need to provide additional resources dedicated to cooling the slewing motor of the rudder.
  • control surface comprises a conical connection
  • control surface comprises a conical connection

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Abstract

La gouverne de navire comprend une assise (2) faisant partie de la structure du navire, dans laquelle est monté pivotant un gouvernail (1), ce gouvernail (1) étant asservi en position angulaire par un moteur (5, 6). Le moteur est un moteur électrique comprenant un stator (5) rigidement fixé à ladite assise (2), et un rotor (6) rigidement fixé audit gouvernail (1).Ce moteur d'orientation est alimente à fréquence et tension variables et transmet le couple nécessaire à l'asservissement du gouvernail par voie électromagnétique, c'est à dire sans contact physique, ce qui élimine les problèmes d'usure. D'autre part, la gouverne est simplifiée par la réduction du nombre d'équipements qui la constituent, ce qui facilite son installation à bord et contribue à améliorer sa fiabilité. <IMAGE>

Description

L'invention concerne une gouverne de navire comprenant une assise faisant partie de la structure du navire, dans laquelle est monté pivotant un gouvernail, ledit gouvernail étant asservi en position angulaire par un moteur. L'invention s'applique plus particulièrement à un navire de grande taille tel qu'un paquebot dans lequel l'asservissement en position du gouvernail est assisté par une machinerie.
Classiquement, le gouvernail est liée en mouvement à au moins deux moteurs hydrauliques qui sont alimentés en huile sous pression par une centrale hydraulique. Cette centrale hydraulique comprend elle-même deux moteurs électriques alimentés par un réseau électrique pour assurer une redondance dans l'asservissement du gouvernail. Plus particulièrement le gouvernail qui est mobile en rotation selon un axe vertical comprend dans sa partie supérieure une couronne dentée située dans un plan horizontal, et un pignon de sortie de chaque moteur hydraulique est engrené dans cette couronne pour transmettre un couple d'asservissement au gouvernail. Cette solution nécessite la mise en oeuvre d'une ou plusieurs centrales hydrauliques associée à des tuyauteries haute pression qui occupent un volume important et nécessitent un entretien spécifique.
Dans une évolution plus récente, la couronne est entraínée en mouvement par l'intermédiaire de moteurs électriques, ce qui permet de s'affranchir de la centrale hydraulique. Compte tenu des puissances à mettre en jeu pour déplacer le gouvernail, cette solution conduit à multiplier le nombre de moteurs électriques et à équiper chacun d'eux d'un réducteur de vitesse, de manière à assurer la transmission d'un couple suffisamment élevé. Cette disposition présente l'inconvénient d'un encombrement supplémentaire dû à la nécessite d'un nombre important de moteurs équipés de réducteurs de vitesse, et elle nécessite un entretien régulier de ces réducteurs pour les maintenir dans des conditions de fonctionnement satisfaisantes.
Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un une gouverne à asservissement électrique présentant un encombrement réduit et nécessitant un entretien minimal.
A cet effet, l'invention a pour objet une gouverne de navire comprenant une assise faisant partie de la structure du navire, dans laquelle est monté pivotant un gouvernail, ledit gouvernail étant asservi en position angulaire par un moteur, caractérisé en ce que ledit moteur est un moteur électrique comprenant un stator rigidement fixé à ladite assise, et un rotor rigidement fixé audit gouvernail. Ce moteur qui est un moteur d'orientation transmet le couple nécessaire à l'asservissement du gouvernail par voie électromagnétique, c'est à dire sans contact physique, ce qui élimine les problèmes d'usure. Le maintien en position fixe est alors effectué par une alimentation adaptée au type de moteur électrique en place. Dans le cas d'un moteur synchrone, le blocage en position est réalisé en injectant un courant continu dans les bobinages rotor/stator. Par contre, dans le cas d'un moteur asynchrone, celui-ci est réalisé en ajustant la fréquence d'alimentation à celle du glissement du rotor, c'est à dire un ajustement à la même fréquence, de manière à annuler la vitesse mécanique du rotor. Cet agencement simplifie la gouverne par réduction du nombre d'équipements qui la constituent, ce qui facilite son installation à bord et contribue à améliorer sa fiabilité.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le gouvernail comprend un cône de gouverne monté pivotant dans l'assise, et le moteur électrique est monté à l'intérieur de ce cône de gouverne. L'encombrement de la gouverne selon l'invention est ainsi encore réduit. Le gouvernail pourra comprendre une partie immergée sous forme d'un safran, ou bien sous forme d'un bulbe renfermant un moteur de propulsion du navire. Dans le cas d'un bulbe immergé renfermant un moteur de propulsion refroidi par un système de ventilation, le refroidissement du moteur d'orientation pourra être réalisé en déviant une partie de la ventilation destinée au moteur de propulsion. Il n'est ainsi pas nécessaire de mettre en oeuvre des moyens supplémentaires de ventilation dédiés spécialement au refroidissement du moteur d'orientation.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le stator comprend plusieurs enroulements qui sont alimentés par des sources électriques indépendantes. Ces sources électriques pourront être des convertisseurs de puissance dédiés, assurant ainsi une redondance dans la fonction de d'asservissement, pour assurer la sûreté de fonctionnement de la gouverne selon l'invention.
L'invention sera maintenant décrite plus en détail, et en référence au dessin annexé qui en illustre une forme de réalisation à titre d'exemple non limitatif.
La figure unique est une vue en coupe de la gouverne selon l'invention.
Dans la figure unique, une gouverne de navire comprend un gouvernail 1 monté rotatif dans une assise 2 qui est solidaire de la structure d'un navire non représentée. Le gouvernail 1 comprend ici un cône de gouverne 1' relié à l'assise 2 par une liaison mécanique rotative 3, de telle sorte qu'il est apte à tourner autour d'un axe vertical AX le long duquel il s'étend. Ce cône de gouverne 1' traverse la structure du navire de façon étanche pour maintenir une partie immergée 1" représentée partiellement dans la figure. Cette partie immergée 1" est rigidement fixée au cône de gouverne 1" et forme la partie active du gouvernail 1 pour orienter le navire sur un certain cap dépendant de sa position autour de l'axe AX. La position angulaire du gouvernail 1 autour de l'axe AX est pilotée en asservissant la position angulaire du cône de gouverne qui est situé à l'intérieur du navire.
Dans l'exemple de la figure, le cône de gouverne 1' a un diamètre qui décroít de haut en bas, et il plonge dans l'assise qui forme un puits conique sensiblement complémentaire. La liaison rotative 3 est située dans un plan horizontal de la partie supérieure du cône de gouverne 1' correspondant à la partie de plus grand diamètre de ce cône. Un joint circulaire 4 entoure la partie basse de faible diamètre du cône de gouverne pour assurer une étanchéité avec la partie basse de l'assise 2 qui est également de faible diamètre. Dans les gouvernes de l'art antérieur, une couronne à denture interne est généralement montée à l'intérieur de la partie supérieure du cône, de telle sorte que des moteurs hydrauliques ou électriques ayant leurs pignons engrenés dans cette denture interne sont à même de déplacer en rotation le gouvernail autour de l'axe AX.
Selon l'invention, ce système d'entraínement avec une couronne dentée liée en rotation à des moteurs est remplacé par un unique moteur de grand diamètre dit moteur d'orientation, comprenant principalement un rotor 5 rigidement fixé au gouvernail 1, coopérant avec un stator 6 qui est rigidement fixé à l'assise 2. Le rotor 5 et le stator 6 sont choisis de grands diamètres pour faciliter la transmission de couples importants. Un tel moteur d'orientation pourra être conçu de manière à entourer le cône de gouverne 1', ou bien au contraire être monté à l'intérieur de ce cône de gouverne en vue de réduire l'encombrement de la gouverne, ce choix étant conditionné par des impératifs de dimensionnement correspondant notamment aux puissances à mettre en jeu dans le moteur pour réaliser l'asservissement.
Dans l'exemple donné sur la figure unique, le moteur est monté à l'intérieur de la partie supérieure du cône de gouverne 1'. Le rotor 5 qui définit sensiblement une forme torique est positionné dans un plan horizontal en étant fixé à la surface interne du cône de gouverne 1. Il coopère avec le stator 6 qui a également une forme globalement torique mais de plus faible diamètre, et qui est monté à l'intérieur du rotor 5 dans un même plan horizontal que ce dernier. Plus particulièrement, le stator 5 plonge dans le cône de gouverne 1' en étant maintenu dans sa partie supérieure par un capot circulaire 7 de grand diamètre couvrant le cône de gouverne et fixé rigidement à l'assise 2. Dans l'exemple de la figure unique, il s'agit d'un stator comprenant des bobinages 5' alimentés électriquement par un convertisseur de puissance 8 tel qu'un convertisseur à fréquence et tension variables relié à un réseau d'alimentation électrique du navire. Le rotor 6 est ici passif et comprend principalement des cages d'écureuil 6' disposées le long de sa périphérie externe, pour former avec le stator un moteur asynchrone. La mise en oeuvre d'un tel moteur asynchrone présente en outre l'avantage de faciliter le blocage en position du gouvernail en ajustant la fréquence d'alimentation du moteur à celle du glissement du rotor de manière à annuler la vitesse mécanique dudit rotor.
Cette disposition consistant à monter les enroulements sur le stator au lieu de les monter sur le rotor est intéressante pour la mise en oeuvre de plusieurs enroulements alimentés chacun par un convertisseur de puissance qui lui est dédié. La quantité de câblage est augmentée, mais ces câblages sont reliés au stator qui est fixe, ce qui simplifie leur installation. La mise en oeuvre de plusieurs enroulements alimentés séparément assure en outre une redondance dans la fonction d'asservissement en position qui améliore la sûreté de fonctionnement de la gouverne selon l'invention.
La partie immergée 1' du gouvernail 1 selon l'invention peut être un safran, ou bien un bulbe renfermant un moteur électrique de propulsion du navire, encore appelé pod. Dans le cas d'un bulbe 1" renfermant un moteur de propulsion, ce moteur de propulsion est généralement refroidi par un système de ventilation faisant circuler un flux d'air dans le bulbe. Ce flux d'air entre dans la partie supérieure de la gouverne par une ouverture circulaire 7' réalisée dans le capot 7, ce qui est repéré par la flèche R dans la figure. Selon l'invention, ce flux d'air est également mis à profit pour refroidir le moteur d'orientation, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de prévoir des moyens supplémentaires dédiés au refroidissement du moteur d'orientation de la gouverne.
L'invention n'est pas uniquement réservée à la réalisation décrite ci-dessus dans laquelle la gouverne comprend une liaison conique, mais elle pourra également s'appliquer à d'autres types de liaisons mécaniques entre le gouvernail et l'assise.

Claims (7)

  1. Gouverne de navire comprenant une assise (2) faisant partie de la structure du navire, dans laquelle est monté pivotant un gouvernail (1) asservi en position angulaire par un moteur (5, 6) comprenant un stator (5) rigidement fixé à l'assise (2) et un rotor (6) rigidement fixé audit gouvernail (1), caractérisé en ce que le maintien en position dudit gouvernail est assuré par le contrôle de l'alimentation du moteur.
  2. Gouverne de navire selon la revendication 1, dans lequel le moteur est un moteur asynchrone qui est alimenté par un convertisseur de puissance contrôlé pour maintenir en position ledit gouvernail.
  3. Gouverne selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ledit gouvernail comprend un cône de gouverne (1') monté pivotant dans ladite assise (2), et dans laquelle ledit moteur électrique est monté à l'intérieur dudit cône de gouverne (1').
  4. Gouverne selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle ledit gouvernail (1) comprend une partie immergée (1") sous forme d'un safran.
  5. Gouverne selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle ledit gouvernail (1) comprend une partie immergée (1") sous forme d'un bulbe renfermant un moteur de propulsion dudit navire.
  6. Gouverne selon la revendication 2, dans laquelle ledit moteur électrique est refroidi par le système de ventilation dudit moteur de propulsion.
  7. Gouverne selon la revendication 2, dans laquelle le stator (5) comprend plusieurs enroulements électriques (5') alimentés chacun par un convertisseur de puissance indépendant (8).
EP03102053A 2002-07-25 2003-07-09 Gouverne de navire asservie en position angulaire par un moteur électrique Withdrawn EP1384661A1 (fr)

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