Результат интеллектуальной деятельности: ТОРПЕДНЫЙ ДИСКОВЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области боеприпасов, а более конкретно к электродвигателям торпед.

Известны торпеды, энергосиловые установки которых построены на основе коллекторного биротативного электродвигателя постоянного тока, где ротор и статор вращаются во встречных направлениях и передают вращающий момент винтам (Ю.И. Стекольников, О.А. Сурганов. Транспортный модуль морского подводного оружия. Исследовательское проектирование. Монография. г. Санкт-Петербург, 2008, стр.134-151).

Основными недостатками известного двигателя являются его низкие удельные характеристики, шумы и вибрация, возникающие при вращении якоря и трения щеток. Электродвигатель торпеды работает на пределе технических возможностей, основные параметры и физические процессы в двигателе являются предельно допустимыми и ограничены таким критерием, как нагрев активных частей до состояния, близкого к тепловому разрушению конструкционных материалов. Коллекторные торпедные электродвигатели по КПД, коммутационным, электромагнитным и тепловым параметрам приблизились к предельно допустимым значениям, и их использование в перспективных торпедах ограничивается возросшими требованиями как по абсолютным, так и по удельным значениям мощностей.

Известны торпеды иностранных государств, энергосиловые установки которых выполнены на основе бесщеточных вентильных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов, в том числе:

- модифицированная итальянская торпеда типа A2444/S mod 3 фирмы Wass. (Дайджест зарубежной прессы. ВМС и кораблестроение №58 стр.62);

- легкая противолодочная торпеда европейского производства MU90 с бесщеточным двигателем и электронной системой управления (Дайджест зарубежной прессы. ВМС и кораблестроение №59 стр.53-58);

- французская электрическая дальноходная торпеда типа F21. Опубликовано 02.02.2011 г. (Сайт http;//www.France republic/com/focus/news/2667731/posts. «Франция пополняет арсенал новыми торпедами»).

Указанные торпедные электродвигатели содержат цилиндрический статор с многофазной обмоткой и цилиндрический ротор с распределенными по окружности магнитными вставками из постоянных магнитов. Для обеспечения работы вентильного торпедного двигателя на обмотки каждой фазы в определенной последовательности подаются импульсы тока от торпедного электронного коммутатора, в результате чего образуется вращающееся магнитное поле, которое проходит через полюса ротора, статора, воздушные зазоры, замыкается на магнитопроводах статора со стороны торцов двигателя и приводит во вращение цилиндрический ротор с магнитными вставками. Синхронный режим работы двигателя обеспечивается датчиком положения ротора, который вырабатывает управляющие сигналы для работы электронного коммутатора в зависимости от угла поворота ротора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и принятым в качестве прототипа является электрический двигатель немецкой торпеды типа ДМ 2А4 Seahake Mod 4. (Дайджест зарубежной прессы. ВМС и кораблестроение №67, стр.211-221). Торпеда DM2A4 фирмы Atlas Elektronik содержит высокооборотный вентильный электродвигатель на постоянных магнитах с электронной системой управления. Основным недостатком прототипа является то, что часть конструкционных материалов (электротехническая сталь сердечников и торцевые части обмоток) не принимают активного участия в процессе электромеханического преобразования энергии, а выполняют пассивную роль для замыкания магнитных потоков и электрических токов, что ведет к снижению КПД и возрастанию габаритов торпедного двигателя. Недостатком прототипа является и то, что его конструкция не позволяет наращивать мощность без существенных конструкционных изменений как статора, так и цилиндрического ротора с магнитными вставками. Кроме того, двигатель имеет значительный уровень шума из-за ограниченного количества обмоток статора, что при малых оборотах ротора вызывает шумы вследствие пульсаций электромагнитного момента.

Задачей заявляемого изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик торпедного электродвигателя, повышение его мощности и надежности при одновременном снижении шумоизлучения.

Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в том, что заявляемый торпедный двигатель выполнен в виде последовательно сочлененных вентильных дисковых двигательных модулей. Вал переднего вентильного двигательного модуля с насаженным на него ротором проходит через внутреннюю полость вала заднего модульного двигателя с насаженным на него ротором, обеспечивая возможность работы валов на винты в режиме противовращения. Ротор каждого двигательного модуля выполнен в виде диска со сменными магнитными вставками, а на статоре размещены П-образные сердечники, на которых намотаны силовые обмотки. Размеры, количество и место крепления магнитных вставок на диске-роторе определяются расстоянием между торцевыми поверхностями П-образных сердечников и толщиной их набора. Сердечники закреплены по окружности неподвижного статора попарно торцами друг к другу так, что магнитные вставки на роторе, который установлен в промежутке между сердечниками, совпадают в проекции с торцами каждой пары двух П-образных сердечников. Между торцами сердечников образуется воздушный зазор, в котором находится вращающийся диск-ротор с магнитными вставками.

Наращивание мощности торпедного дискового вентильного электродвигателя осуществляют путем создания пакета из двигательных дисковых модулей, расположенных последовательно в корпусе торпеды, или за счет изменения размеров и количества магнитных вставок на роторе с одновременной заменой П-образных сердечников с обмотками, а также за счет изменения количества витков и толщины провода в обмотках. Наращивание мощности отдельного двигательного модуля осуществляют за счет изменения его габаритов, количества дисков-роторов и количества неподвижных статоров. Число дисков-роторов в модуле устанавливается на единицу меньше количества неподвижных частей. Изменяя размеры и число магнитных вставок на роторе, число П-образных сердечников с обмотками, в широком диапазоне значений меняют величину токов и питающих напряжений, тем самым энергетические характеристики двигателя изменяются без его конструктивной доработки. Для отвода тепла торцевые оконечности каждого двигательного модуля снабжены полостями-теплообменниками, через которые при помощи насоса пропускается охлаждающая забортная вода. Двигательные дисковые модули посредством амортизаторов акустически изолированы от корпуса торпеды и друг от друга.

Заявляемая конструкция торпедного дискового вентильного двигателя обеспечивает сокращение длины магнитных линий и падение магнитного потенциала на пути замыкания магнитного потока и исключает отрицательное влияние лобовых частей обмоток каждого двигательного модуля. Торпедный двигатель приобретает компактную форму, возрастает плотность конструкции, и уменьшаются габариты двигателя при одинаковой мощности. Наличие сменных П-образных сердечников с обмотками и отсутствие лобовых частей снижает потери и позволяет создать типоряд двигателей на различные напряжения и токи, а также позволяет реализовать в одной конструкции 2-фазную, 3-фазную и n-фазную обмотки. При этом повышается надежность двигателя, так как отказ одной обмотки вызывает пропорциональное снижение мощности, но работоспособность двигателя сохраняется. Кроме того, многофазное исполнение статорных обмоток позволяет равномерно распределить токовые нагрузки и снизить требования к силовым ключам электронного коммутатора. Наличие принудительной системы охлаждения забортной водой дает возможность использовать двигатель длительный период времени в форсированном режиме работы.

Таким образом, преимуществом заявляемого торпедного дискового вентильного двигателя является:

- повышение плотности конструкции и снижение габаритов двигателя за счет последовательного расположения дисковых двигательных модулей в корпусе торпеды;

- реализация в одной конструкции двух-, трех- и многофазных силовых обмоток, что при соответствующем расположении магнитных вставок на роторе и группировке П-образных сердечников с обмотками на статоре позволяет создать типоряд электродвигателей различной мощности;

- двигатель устойчив к отказам отдельных элементов, что при отключении одной или даже нескольких силовых обмоток приводит только к пропорциональному снижению выходной мощности и возрастанию пульсаций момента, но двигатель сохраняет работоспособное состояние, а потеря мощности частично может быть скомпенсирована повышением нагрузки на оставшихся обмотках;

- двигатель может работать длительный период времени в форсированном режиме, развивая большие моменты за счет наличия торцевых теплообменников и насоса для прокачки забортной воды;

- снижается акустическая заметность торпеды, так как двигательные модули посредством амортизаторов акустически развязаны от корпуса торпеды и от смежных модулей.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, которые являются иллюстрирующим материалом для частного случая выполнения конструкции торпедного дискового вентильного электродвигателя.

На фиг.1 показан продольный разрез, а на фиг.2 - схема организации биротативного вращения валов торпедного дискового вентильного электродвигателя.

В корпусе торпеды 1 последовательно расположены дисковые вентильные двигатели передний 2 и задний 3, которые посредством амортизаторов 4 и 5 акустически развязаны от корпуса торпеды и между собой. Ротор переднего двигателя 6 насажен на вал 7, который проходит через внутреннюю полость вала 8 заднего двигателя, на котором насажен ротор 9, вращающийся в противоположном направлении. На торцевых поверхностях двигателей расположены полости 10, через которые при помощи насоса 11 прокачивается охлаждающая забортная вода. Посредством канала 12 охлаждающие полости двигателей соединены между собой. На роторах, выполненных в виде диска, закреплены магнитные вставки 13, причем количество, размеры и место крепления магнитных вставок зависят от размеров и расстояния между торцами П-образных сердечников 14, на которых намотаны силовые обмотки 15. Сердечники закреплены по окружности на неподвижном статоре таким образом, что их торцы совпадают с магнитными вставками на роторе. Охлаждающая вода через отверстие 16 поступает за борт.

Работа заявляемого торпедного дискового вентильного двигателя заключается в том, что на статорные обмотки 15 переднего 2 и заднего дисковых вентильных двигателей 3, объединенных в требуемое количество фаз, в определенной последовательности подаются импульсы тока от бортового электронного коммутатора торпеды. В результате заданной последовательности поступления импульсов на фазные статорные обмотки образуется вращающееся магнитное поле, которое приводит во вращение диски-роторы 6 и 9. Процесс подачи импульсов питающего напряжения на силовые обмотки синхронизируется при помощи датчика положения ротора, который вырабатывает управляющие команды для электронного коммутатора в зависимости от угла поворота ротора. При поступлении синфазных импульсов тока валы вращаются в одну сторону и работают на один исполнительный орган.

Для организации встречного вращения валов 7 и 8 и насаженных на них дисков-роторов переднего 6 и заднего дисковых модульных двигателей 9 импульсы тока на силовые обмотки 15 переднего и заднего двигательных модулей подаются в противофазе.

Таким образом, представленные описание и чертежи позволяют сделать заключение о том, что заявляемое изобретение обладает новизной, отличаясь от прототипа такими существенными признаками как наличие последовательно сочлененных дисковых двигательных модулей, оснащенных торцевыми полостями-теплообменниками, причем вал переднего дискового модульного двигателя с насаженным диском-ротором проходит через внутреннюю полость вала заднего дискового модульного двигателя с насаженным диском-ротором. Ротор каждого двигательного модуля выполнен в виде диска со съемными магнитными вставками, а на статоре каждого двигательного модуля по окружности закреплены торцами друг к другу сменные П-образные сердечники с силовыми обмотками, что позволяет выполнить поставленную задачу и сделать вывод о наличии изобретательского уровня и промышленной применимости.