RU2722873C1 - Propulsion system with annular electric motor for underwater vehicles of large autonomy - Google Patents
Propulsion system with annular electric motor for underwater vehicles of large autonomy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2722873C1 RU2722873C1 RU2019145015A RU2019145015A RU2722873C1 RU 2722873 C1 RU2722873 C1 RU 2722873C1 RU 2019145015 A RU2019145015 A RU 2019145015A RU 2019145015 A RU2019145015 A RU 2019145015A RU 2722873 C1 RU2722873 C1 RU 2722873C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stator
- rotor
- electric motor
- propulsion
- screw
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
- B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
- B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
- B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
- B63H1/14—Propellers
- B63H1/16—Propellers having a shrouding ring attached to blades
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Ocean & Marine Engineering (AREA)
- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к подводному судостроению, в частности к перемещению подводных объектов, преимущественно к неатомным подводным аппаратам большой автономности, путем образования струи и создания движущей продольной силы.The invention relates to underwater shipbuilding, in particular to the movement of underwater objects, mainly to non-nuclear underwater vehicles of great autonomy, by forming a jet and creating a driving longitudinal force.
Известен погружной кольцевой судовой движитель (патент №2526303 RU, приоритет от 05.03.2013), состоящий из кольцевого статора, кольцевого ротора, снабженного лопастной системой.Known submersible ring ship propulsion (patent No. 2526303 RU, priority dated 05.03.2013), consisting of an annular stator, an annular rotor equipped with a blade system.
Известны и другие двигательно-движительные комплексы (патент №2204502 RU, приоритет от 18.07.2001; патент №2585207 RU, приоритет от 22.12.2014).Other motor-propulsion systems are also known (RU patent No. 2204502, priority of July 18, 2001; RU patent No. 2585207, priority of December 22, 2014).
Известна движительная установка с встроенным двигателем для водных транспортных средств с несколькими электродвигателями, приводящими в действие один гребной винт (патент US 5252875, приоритет от 28.03.1991, этот патент принят за прототип). Погружной движитель представляет собой цилиндрическую насадку, внутри которой установлены две идентичные обмотки статора синхронного привода, гребной винт со ступицей, в которую установлен опорно-упорный подшипник, два идентичных ротора, закрепленных на периферии гребного винта, намагниченность которых обеспечивается постоянными магнитами.Known propulsion system with a built-in engine for watercraft with several electric motors that drive one propeller (US patent 5252875, priority from 03/28/1991, this patent is adopted as a prototype). The submersible mover is a cylindrical nozzle, inside which two identical windings of the synchronous drive stator are installed, a propeller with a hub, in which a thrust bearing is installed, two identical rotors mounted on the periphery of the propeller, the magnetization of which is ensured by permanent magnets.
Действие устройства заключается в преобразовании электрической энергии в механическую посредством гидродинамической передачи. Тяга образуется за счет реакции отбрасываемой струи. Изменение тяги достигается за счет изменения мощности (частоты вращения) гребного винта. Гидродинамический упор воспринимается опорно-упорным подшипником, охлаждающимся и смазывающимся забортной водой.The action of the device is to convert electrical energy into mechanical energy through hydrodynamic transmission. The thrust is formed due to the reaction of the discarded jet. The change in traction is achieved by changing the power (speed) of the propeller. The hydrodynamic emphasis is perceived by a thrust bearing, which is cooled and lubricated by sea water.
К недостаткам прототипа относятся:The disadvantages of the prototype include:
- невозможность достижения заданного высокого КПД (0,95) двигателя на режиме экономического хода при мощности в сотни раз меньшей по отношению к мощности в режиме полного хода при использовании синхронного электродвигателя (СЭД) с постоянными магнитами в роторе, диаметром более одного метра и ограничением двигателя по массе;- the impossibility of achieving a given high efficiency (0.95) of the engine in the economic running mode when the power is hundreds of times lower than the power in full speed when using a synchronous electric motor (EDMS) with permanent magnets in the rotor, with a diameter of more than one meter and engine limitation by weight;
- сложность использования низковольтных кольцевых двигателей с большими диаметрами расточки ротора, малой толщины ротора и статора и значительной мощности, требующих разбиения обмотки на параллельные секции, приводящие к появлению уравнительных соединений или большого количества герметичных токовводов;- the complexity of using low-voltage ring motors with large diameters of the bore of the rotor, the small thickness of the rotor and stator and significant power, requiring the splitting of the winding into parallel sections, leading to the appearance of equalizing connections or a large number of sealed current leads;
- необходимость использования системы термостатирования силовых ключей инвертора, установленных в прочном корпусе аппарата.- the need to use the temperature control system of the inverter power switches installed in a sturdy housing of the device.
Задача, решаемая данным изобретением - создание движителя для подводного аппарата (ПА), обладающего большой дальностью, возможностью форсажного хода и тем самым расширяющего функциональные возможности аппарата, а также повышение его надежности. Для этого движитель должен иметь высокий КПД на всех режимах работы, простую конструкцию с минимальным количеством систем.The problem solved by this invention is the creation of a propulsion device for an underwater vehicle (PA) having a long range, the possibility of afterburning and thereby expanding the functionality of the device, as well as increasing its reliability. For this, the propulsion device must have high efficiency in all operating modes, a simple design with a minimum number of systems.
Поставленная задача достижения высокого КПД в режимах полного хода и экономического хода достигается за счет изменяемой индукции магнитного поля ротора кольцевого электродвигателя с постоянными магнитами.The task to achieve high efficiency in full speed and economic stroke is achieved due to the variable induction of the magnetic field of the rotor of the ring motor with permanent magnets.
Решение проблемы использования подводных низковольтных двигателей достигается путем размещения в статоре (насадке) силовых ключей инвертора. Параллельно работающие инверторы соединены с независимыми секциями обмотки, в этом случае нет необходимости в уравнительных соединениях.The solution to the problem of using underwater low-voltage engines is achieved by placing inverter power switches in the stator (nozzle). Parallel-working inverters are connected to independent sections of the winding, in this case there is no need for equalizing connections.
Все секции обмотки питаются от своего секционного инверторного моста, который контролирует и выравнивает ток в группе катушек, расположенных в диаметрально противоположных секторах двигателя. Для питания двигателя необходимы всего два провода (шины), рассчитанные на ток постоянного напряжения, благодаря чему уменьшается количество токовводов в прочный корпус ПА и увеличивается коэффициент использования проводников при отсутствии скин-эффектов.All sections of the winding are powered by their sectional inverter bridge, which controls and equalizes the current in a group of coils located in diametrically opposite sectors of the motor. To power the motor, only two wires (busbars), designed for direct current voltage, are needed, which reduces the number of current leads to the rugged PA housing and increases the utilization of conductors in the absence of skin effects.
Также установка инвертора за борт ПА решает проблему его охлаждения. Не требуется дополнительная система термостатирования (охлаждения), устанавливаемая в прочный корпус (ПК) ПА, что повышает надежность, улучшает массогабаритные характеристики и упрощает конструкцию аппарата.Also, installing an inverter overboard the PA solves the problem of cooling it. An additional temperature control (cooling) system, installed in a robust housing (PC) PA, is not required, which increases reliability, improves overall dimensions and simplifies the design of the apparatus.
На фиг. 1 представлен общий вид кольцевого движителя, состоящего из:In FIG. 1 shows a General view of the ring mover, consisting of:
- насадки 1, в которую интегрирован статор 2 синхронного многополюсного двигателя с продольным и тангенциальным секционированием;-
- статора 2 монолитного, залитого жестким компаундом, с интегрированными силовыми ключами 3;-
- винта 4 со ступицей, в которой установлен опорно-упорный подшипник 5;- a
- ротора 6, интегрированного в обечайку винта, с механизмом 7 изменения индукции магнитного поля ротора;- the
- пилонов 8 и спрямляющего аппарата 9, выполняющих функцию жесткого крепления насадки к кормовому обтекателю 10.-
На фиг. 2 представлено трехмерное изображение движительного комплекса с кольцевым электродвигателем.In FIG. 2 presents a three-dimensional image of a propulsion system with a ring electric motor.
На фиг. 3 представлено трехмерное изображение движителя в сечении.In FIG. 3 shows a three-dimensional image of the mover in cross section.
На фиг. 4 представлен механизм 7 изменения индукции магнитного поля ротора.In FIG. 4 shows a
Статор 2 состоит из сердечника, обмотки, нажимных колец. Бандажных колец двигатель не имеет. Статор 2 двигателя имеет секционирование, в продольном направлении разделен на две идентичные не связанные общим магнитным потоком части, что повышает надежность СЭД и позволяет гибко организовывать режимы частичных нагрузок.The
Сердечник статора 2 собирается из штампованных сегментов анизотропной электротехнической стали, запрессовывается между нажимными кольцами и фиксируется от перемещения с помощью шпонок. Сборка сердечника производится непосредственно в корпусе статора.The
Корпус статора 2 представляет собой стальную обечайку с аксиальными разъемами, позволяющими собрать обмотку в ограниченном пространстве. В листах сердечника статора выполнены прямоугольные пазы, в которые уложена обмотка. Обмотка статора состоит из трехфазной «звезды» с укорочением шага. Схема обмотки содержит один виток и выполнена из литцендрированного прямоугольного проводника. Все фазные катушки включены последовательно.The
В каждом сечении двигателя проходит не более трех соединений, рассчитанных на полный фазный ток. В корпус статора 2 встроены силовые ключи 3 инвертора. В этом случае нет необходимости в уравнительных соединениях. Все секции обмотки питаются от своего секционного инверторного моста.In each cross section of the motor, no more than three connections are designed for a full phase current. In the housing of the
Инверторный мост контролирует и выравнивает ток в группе катушек, расположенных диаметрально противоположно. Для питания двигателя необходимы всего два провода (шины), рассчитанных на ток постоянного напряжения. Для максимального увеличения коэффициента заполнения паза (с целью увеличения КПД и снижение потерь в двигателе) катушки наматываются непосредственно на полюсе статора.The inverter bridge controls and equalizes the current in a group of coils located diametrically opposite. To power the motor, only two wires (busbars), designed for DC current, are needed. To maximize the groove fill factor (in order to increase efficiency and reduce losses in the motor), the coils are wound directly at the stator pole.
Полюсы устанавливаются в корпус статора 2, фиксируются винтами к шпонкам и расклиниваются изоляционными немагнитными клиньями в межполюсном зазоре. Между магнитопроводами полюсов сохраняется гарантированный минимальный паразитный зазор. Для контроля температуры в обмотке предусмотрена установка термопреобразователей сопротивления, которые укладываются в лобовых зонах с равномерным распределением по окружности.The poles are installed in the
Ротор 6, как и статор 2 секционирован в осевом направлении, концентрично располагается во внутренней расточке статора 2. Он снабжен механизмом 7 изменения индукции магнитного поля ротора и представляет собой сборную конструкцию, состоящую из винта 4, выполненного как единое целое с обечайкой и ступицей, магнитопровода, собранного на обечайке винта, постоянных магнитов в виде магнитных блоков 11, которые установлены в магнитопровод и могут быть выполнены цилиндрическими. Крепление магнитопровода к обечайке винта 4 ротора осуществляется крепежными винтами через стержни, запрессованные в магнитопровод, являющиеся одновременно штифтами, обеспечивающими прочность магнитопровода. В магнитопроводе выполнены отверстия, в которых установлены съемные намагниченные магнитные блоки 11 с постоянными магнитами марки не ниже N45SH. Магнитопровод ротора герметичен, по внешней поверхности магнитопровод защищен обечайкой из стали 12Х18Н10Т сваренной со щеками магнитопровода ротора усиковым швом. Цилиндрические обечайки в туннелях под магнитные блоки 11 развальцованы с уплотнением резиновым кольцом.The
Механизм 7 изменения индукции магнитного поля (см. фиг. 1 и, более детально, фиг. 4) ротора выполнен с возможностью поворота магнитных блоков 11. Поворот магнитных блоков 11 может быть реализован при использовании привода 14, соединенного с магнитными блоками посредством зубчатого колеса 13, шестерни 12 или шарнирно соединенных тяг. В качестве привода 14 может использоваться:The
- собственный момент электродвигателя;- own moment of the electric motor;
- электросервопривод, установленный на роторе;- electric actuator mounted on the rotor;
- гидравлический сервопривод, вмонтированный в конструкцию ротора.- a hydraulic servo drive mounted in the rotor design.
Инверторный блок представляет собой размещенные в герметичных корпусах инверторы на базе IGBT транзисторов и драйверов системы управления.The inverter unit is an inverter housed in sealed enclosures based on IGBT transistors and control system drivers.
Датчик положения ротора (ДПР) расположен в ступице винта 4 и представляет собой резольвер с синусно-косинусными обмотками на статоре и магнитопровод специального профиля, обеспечивающего минимальное количество гармоник в сигнале, установленный на роторе (в ступице винта). ДПР не имеет специально выделенной обмотки возбуждения, обмотки датчика соединены по мостовой схеме, с подачей возбуждения на одну из диагоналей моста и съемом полезного сигнала с другой диагонали.The rotor position sensor (DPR) is located in the hub of the
Опорно-упорный подшипник 5 - подшипниковая опора скольжения, смазываемая морской водой. Эта опора находится в ступице винта 4 и представляет собой стальные втулки, запрессованные в ступицу винта. Ось опорно-упорного подшипника 5 закреплена на кормовой оконечности ПА. На оси установлены керамические или полимерные вкладыши опорно-упорного подшипника, обеспечивающие восприятие радиальной и осевой нагрузок с минимальным коэффициентом трения. Подача смазывающей воды происходит через отверстия в оси опорно-упорного подшипника 5 и через смазывающие канавки во вкладыше опорно-упорного подшипника.
Охлаждение двигателя производится с внешней поверхности статора 2 (и через рабочий зазор - ротора) набегающим потоком воды.The engine is cooled from the outer surface of the stator 2 (and through the working clearance of the rotor) by an incoming flow of water.
Движительный комплекс с кольцевым электродвигателем для подводных аппаратов большой автономности работает следующим образом.A propulsion system with a ring electric motor for underwater vehicles of great autonomy works as follows.
Во время движения ПА в зависимости от обстановки требуется изменение режимов полного или экономического хода изменением тяги. Изменение тяги достигается за счет изменения мощности (частоты вращения) гребного винта. Гидродинамический упор воспринимается опорно-упорным подшипником, охлаждающимся и смазывающимся забортной водой.During the movement of the PA, depending on the situation, a change in the modes of full or economic progress by a change in traction is required. The change in traction is achieved by changing the power (speed) of the propeller. The hydrodynamic emphasis is perceived by a thrust bearing, which is cooled and lubricated by sea water.
При этом от источника постоянного тока, установленного в прочном корпусе ПА через два гермоввода по двум кабелям, подается питание на секции инверторного моста, которые питают секции обмоток статора, контролируя и выравнивая ток в группе катушек, расположенных в диаметрально противоположных секторах двигателя.At the same time, a direct current source installed in a solid PA housing through two pressure glands through two cables supplies power to the inverter bridge sections, which feed the stator winding sections, controlling and equalizing the current in the group of coils located in diametrically opposite sectors of the motor.
При уменьшении скорости хода ПА и потребляемой мощности более чем в сто раз от номинальной, для увеличения КПД двигателя включается в работу механизм изменения индукции магнитного поля ротора.When reducing the speed of the PA and power consumption by more than a hundred times the nominal, to increase the efficiency of the engine, the mechanism for changing the induction of the magnetic field of the rotor is switched on.
При этом подается питание на электродвигатель, ротор вращается, включается привод механизма изменения индукции магнитного поля ротора.In this case, power is supplied to the electric motor, the rotor rotates, the drive of the mechanism for changing the induction of the magnetic field of the rotor is turned on.
Привод механизма изменения индукции магнитного поля ротора воздействует на соединенные с ним магнитные блоки путем их поворота. Магнитные блоки под воздействием привода поворачиваются до заданного положения, которое определяет датчик положения ротора, настраивая оптимальное магнитное поле для увеличения КПД двигателя.The drive mechanism for changing the induction of the magnetic field of the rotor acts on the magnetic blocks connected to it by turning them. Under the influence of the drive, the magnetic blocks rotate to a predetermined position, which is determined by the rotor position sensor, setting the optimal magnetic field to increase the motor efficiency.
Движительный комплекс с кольцевым электродвигателем для подводных аппаратов большой автономности расширяет функциональные возможности ПА, обеспечивает большую дальность подводного хода за счет различных режимов его работы с высоким КПД. Исключает большое количество токовводов в прочный корпус подводного аппарата, тем самым упрощает конструкцию и увеличивает надежность аппарата. Так же решает проблему охлаждения инвертора и исключает установку дополнительных систем термостатирования в прочном корпусе аппарата.A propulsion system with a ring electric motor for underwater vehicles of great autonomy expands the functionality of the PA, provides a greater range of underwater travel due to various modes of its operation with high efficiency. Eliminates a large number of current leads into the robust housing of the underwater vehicle, thereby simplifying the design and increasing the reliability of the device. It also solves the problem of cooling the inverter and eliminates the installation of additional thermostatic systems in a rugged housing.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019145015A RU2722873C1 (en) | 2019-12-30 | 2019-12-30 | Propulsion system with annular electric motor for underwater vehicles of large autonomy |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019145015A RU2722873C1 (en) | 2019-12-30 | 2019-12-30 | Propulsion system with annular electric motor for underwater vehicles of large autonomy |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2722873C1 true RU2722873C1 (en) | 2020-06-04 |
Family
ID=71067775
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019145015A RU2722873C1 (en) | 2019-12-30 | 2019-12-30 | Propulsion system with annular electric motor for underwater vehicles of large autonomy |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2722873C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU202199U1 (en) * | 2020-09-14 | 2021-02-05 | Игорь Сергеевич Ковалев | Propeller head |
RU2743261C1 (en) * | 2020-07-30 | 2021-02-16 | Акционерное общество "Центр судоремонта "Звездочка" (АО "ЦС "Звездочка") | Watercraft propeller system |
CN113889362A (en) * | 2021-09-01 | 2022-01-04 | 北京机电工程研究所 | Starting and stopping control device and starting and stopping control method of pectoral fin-imitated propulsion aircraft |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3708251A (en) * | 1968-07-01 | 1973-01-02 | North American Rockwell | Gearless drive method and means |
US5252875A (en) * | 1990-08-23 | 1993-10-12 | Westinghouse Electric Corp. | Integral motor propulsor unit for water vehicles with plural electric motors driving a single propeller |
RU2614745C2 (en) * | 2013-01-31 | 2017-03-29 | Кейтерпиллар Пропалшн Продакшн Аб | Vessel propulsion plant |
RU2617310C2 (en) * | 2015-09-09 | 2017-04-24 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Combined propulsion system vessel |
-
2019
- 2019-12-30 RU RU2019145015A patent/RU2722873C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3708251A (en) * | 1968-07-01 | 1973-01-02 | North American Rockwell | Gearless drive method and means |
US5252875A (en) * | 1990-08-23 | 1993-10-12 | Westinghouse Electric Corp. | Integral motor propulsor unit for water vehicles with plural electric motors driving a single propeller |
RU2614745C2 (en) * | 2013-01-31 | 2017-03-29 | Кейтерпиллар Пропалшн Продакшн Аб | Vessel propulsion plant |
RU2617310C2 (en) * | 2015-09-09 | 2017-04-24 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Combined propulsion system vessel |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2743261C1 (en) * | 2020-07-30 | 2021-02-16 | Акционерное общество "Центр судоремонта "Звездочка" (АО "ЦС "Звездочка") | Watercraft propeller system |
RU202199U1 (en) * | 2020-09-14 | 2021-02-05 | Игорь Сергеевич Ковалев | Propeller head |
CN113889362A (en) * | 2021-09-01 | 2022-01-04 | 北京机电工程研究所 | Starting and stopping control device and starting and stopping control method of pectoral fin-imitated propulsion aircraft |
CN113889362B (en) * | 2021-09-01 | 2024-05-03 | 北京机电工程研究所 | Starting and stopping control device and starting and stopping control method for pectoral fin-simulated propulsion aircraft |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2722873C1 (en) | Propulsion system with annular electric motor for underwater vehicles of large autonomy | |
US5607329A (en) | Integrated motor/marine propulsor with permanent magnet blades | |
US3708251A (en) | Gearless drive method and means | |
US5306183A (en) | Propulsion systems for submarine vessels | |
US6231407B1 (en) | Ship propulsion with a gondola-like synchronous motor | |
US5185545A (en) | Dual propeller shock resistant submersible propulsor unit | |
US20120093668A1 (en) | Rim driven thruster having propeller drive modules | |
KR101493623B1 (en) | Variable-pitch propeller | |
GB2482689A (en) | Rotor structure of dynamo-electric machine | |
US11738876B2 (en) | Electrical propulsion unit for an aircraft and method for using such a propulsion unit | |
CN212172503U (en) | Circumferential multi-motor driven annular electric propeller supported by water lubricating bearing | |
CN105471210B (en) | Permanent magnet motor | |
US5702273A (en) | Marine propulsion system for underwater vehicles | |
AU2017225324A1 (en) | Drone for triggering sea mines | |
CN105270594A (en) | Permanent magnet motor propulsion technology | |
AU2019358345A1 (en) | Drone for triggering naval mines, having an electric drive | |
KR101363514B1 (en) | Propulsion apparatus for ship and ship having the same | |
EP2728712A1 (en) | A power generator for a hydro turbine | |
GB2440400A (en) | Starting a rim driven pm motor by an associated induction motor | |
EP2594479A1 (en) | Rim driven thruster having propeller drive modules | |
JP2513217B2 (en) | Electric propulsion system for ships | |
Ishak et al. | Electrically actuated thrusters for autonomous underwater vehicle | |
Brown | Submersible Outboard Electric MotorPropulsor | |
Richardson et al. | Design of a switched reluctance sector motor for an integrated motor/propeller unit | |
Tessarolo et al. | A novel fault-tolerant high-thrust inverter-controlled permanent magnet linear actuator as a direct-drive for shipboard loads |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TC4A | Change in inventorship |
Effective date: 20210514 |
|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20220418 Effective date: 20220418 |