Электроприводное устройство летательного аппарата (варианты)

Изобретение относится к области авиации, в частности к электроприводам винтов летательных аппаратов. Электропривод (1) летательного аппарата, в частности вертолета (20), по меньшей мере с одним несущим винтом (23), приводимым во вращение посредством динамоэлектрической машины (2), выполнен сдвоенного типа. Находящийся в воздушном зазоре (12) ротор (6) содержит постоянные магниты (13) на несущем устройстве (14), причем статоры (4, 5) динамоэлектрической машины (2) и/или ротор (6) содержат охлаждающие средства. Между приводимым во вращение несущим винтом и динамоэлектрической машиной (2) расположена планетарная передача (3) в осевом продолжении динамоэлектрической машины (2). Динамоэлектрическая машина (2) и планетарная передача (3) расположены в общем корпусе и содержат общую опору (7), расположенную между динамоэлектрической машиной (2) и планетарной передачей (3). Несущее устройство (14) ротора (6) выполнено составным и в форме колокола. По меньшей мере один статор (4, 5) содержит масляный контур для охлаждения, при этом масляный контур охватывает, помимо статора (4, 5), также и планетарную передачу (3). Достигается увеличение КПД приводного устройства. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к электроприводному устройству летательного аппарата, в частности вертолета, по меньшей мере с одним винтом.

Винт является вращающейся частью машины, например вертолета или винтового самолета. При этом под винтом следует понимать его лопасти, втулку, на которой они закреплены, и вращающуюся заодно с ними ось вращения со своей опорой.

Винты, которые приводят в движение самолеты, называются также воздушными винтами или пропеллерами. В частности, у вертолетов следует стремиться к сравнительно высокой удельной мощности, выраженной в кВт/кг, чтобы повысить грузоподъемность вертолета.

Из DE 3915526 А1 известен сдвоенный электродвигатель, полый ротор которого приводится во вращение снаружи и изнутри, в результате чего должна достигаться сравнительно более высокая мощность по сравнению с традиционными электродвигателями.

Из DE 19856647 А1 известен высокомоментный электродвигатель, выполненный в виде высокополюсной электромашины с возбуждением от постоянных магнитов и содержащий ротор в форме полого цилиндра из мягкого железа, который с обеих сторон снабжен постоянными магнитами, расположен коаксиально между внешним и внутренним статорами и соединен с возможностью вращения с установленным внутри корпуса машины валом.

Такие сдвоенные выполнения известны из множества публикаций, например CN 1909340 A, CN 201113670 Y, WO 2007/024224 A или JP 3237295 A.

Из ЕР 1612415 А2 известны ветрогенератор, привод судна и т.п. сдвоенного типа и с присоединенным к нему редуктором.

Из WO 09/143669 А известен вертолет со сдвоенными несущими винтами, приводимыми во вращение посредством электродвигателей.

Из WO 2010/029113 А2 известна электроприводная система с роторным кольцом, на котором расположены магниты, служащая для привода спортивных летательных аппаратов.

Из ЕР 1931015 А2 известен стартер-генератор сдвоенного типа для летательных аппаратов.

Из US 4259809 известно приводное устройство самолета, привод которого через планетарную передачу вращает пропеллер.

Из DE 202008002249 U1 известен вертолет, содержащий динамоэлектрическую машину сдвоенного типа в качестве приводного двигателя.

Из WO 2010/017766 А1 известно транспортное средство, колесное или транспортное устройство, например автомобиль, поезд, летательный аппарат или вертолет с блоком двигатель-генератор.

Недостатком известных до сих пор вариантов двигателей или приводов вертолетов является то, что имеющиеся концепции лишь условно подходят, в частности, для вертолетов из-за сложных конструкций и тем самым большой массы привода. Исходя из этого в основе изобретения лежит задача создания привода винта летательного аппарата, в частности вертолета, который при небольшой собственной массе отдавал бы сравнительно высокую мощность.

Поставленная задача решается посредством электропривода по п.1 формулы.

Динамоэлектрическая машина - электродвигатель - сдвоенного типа и, в частности, планетарная передача расположены согласно изобретению в общем корпусе в качестве привода винта вертолета или другого летательного аппарата, например одно- или многомоторного пропеллерного самолета. Планетарная передача установлена сообща с электродвигателем. Это уменьшает число мест опоры и обеспечивает, таким образом, компактный привод.

Размер электродвигателя определяется требуемым крутящим моментом. Для этого подходит непосредственный привод, в частности моментные двигатели. Для получения приводной системы с высоким коэффициентом использования необходимо эксплуатировать электродвигатель с высокими оборотами, в частности более 10000 мин^-1. Особенно предпочтительно, тем самым, компактно объединить моментный двигатель с планетарной передачей, чтобы получить, во-первых, требуемый крутящий момент, а, во-вторых, - требуемую частоту вращения, в частности для привода несущего винта вертолета.

Чтобы дополнительно повысить коэффициент использования электропривода, электродвигатель выполнен сдвоенного типа. При этом ротор расположен в воздушном зазоре между внешним и внутренним статорами.

Для повышения коэффициента использования, по меньшей мере, внешний статор при повышенных требованиях к коэффициенту использования, а также внутренний статор охлаждаются жидкостью, в частности маслом. Масло дополнительно необходимо для смазки планетарной передачи. Масло является электроизолирующим веществом и может, тем самым, непосредственно омывать обмотку статора. Охлаждение маслом является, таким образом, эффективным, поскольку тепло поглощается непосредственно источником тепла и одновременно может образовать смазочное вещество для планетарной передачи. Следовательно, требуется лишь один масляный контур, охватывающий статоры и передачу. Обратное охлаждение масла происходит посредством теплообменников в и/или на летательном аппарате. Таким образом, статоры снабжены кожухом, который охватывает, по меньшей мере, обмотку статоров или весь статор, в том числе с пакетом железа, обмоткой и ее лобовой частью. Охлаждение снабженного постоянными магнитами ротора происходит путем подачи воздуха через воздушный зазор электродвигателя.

В другом варианте ротор вращается в вакууме электродвигателя во избежание потерь на трение о воздух.

Чтобы дополнительно уменьшить потери, в частности потери от вихревых токов в роторе, постоянные магниты выполнены шихтованными.

При этом обмотка статоров выполнена многофазной, предпочтительно соответственно трехфазной.

Ротор выполнен полым, поскольку внутри него находится статор. Преимущественно эта полая форма, служащая несущим устройством для постоянных магнитов, представляет собой колокол, выполненный в зоне активной части внутреннего и внешнего статоров в форме полого цилиндра. При этом постоянные магниты расположены на внешней и внутренней боковых поверхностях полого цилиндра. Предпочтительно колокол, на котором расположены постоянные магниты, состоит по меньшей мере из двух частей, что существенно облегчает, например, монтаж ротора между внутренним и внешним статорами.

На периферийной поверхности несущего устройства ротора или в его аксиально проходящих карманах, которые состоят из мягкого железа или содержит арамиды в виде волокон, предусмотрены постоянные магниты. Несущее устройство содержит внутренние, т.е. электромагнитно приданные внутреннему статору, и внешние, т.е. электромагнитно приданные внешнему статору, постоянные магниты.

Чтобы дополнительно повысить к.п.д. всего приводного устройства электродвигатель-планетарная передача и сделать его менее обслуживаемым, предпочтительно по меньшей мере одну опору выполнить в виде электромагнитной опоры.

Описанные признаки обеспечивают привод винта для вертолета с удельной мощностью 8 кВт/кг.

Изобретение и другие предпочтительные варианты его осуществления более подробно описаны ниже со ссылкой на чертежи, на которых изображают:

- фиг. 1: принципиальный вид вертолета;

- фиг. 2: привод несущего винта.

На фиг. 1 изображен принципиальный вид вертолета 20 с несущим винтом 23 и рулевым винтом 22, установленным на хвостовой балке 21. Буквой «Х» обозначен фрагмент, на котором расположен привод 1 несущего винта 23.

На фиг. 2 изображен принципиальный продольный разрез привода 1 несущего винта 23 вертолета 20. Ротор 6 вертикально установленной динамоэлектрической машины 2 содержит на внутренней и внешней сторонах своего несущего устройства 14 постоянные магниты 13.

Для удержания постоянных магнитов 13 даже при повышенных центробежных силах они расположены предпочтительно только на внутренней стороне несущего устройства 14 ротора 6.

В качестве альтернативы этому постоянные магниты 13 расположены на внутренней стороне несущего устройства 14, а постоянные магниты 13, взаимодействующие, в основном, с внешним статором 4, находятся на внешней стороне несущего устройства 14 в аксиально проходящих карманах.

Постоянные магниты 13 выполнены соответственно шихтованными для уменьшения потерь от вихревых токов. Кроме того, постоянные магниты 13, если смотреть по их осевому прохождению ротора 6, расположены наклонно и/или ступенями для обеспечения равномерности отдаваемого крутящего момента привода.

Эти постоянные магниты 13 взаимодействуют с системой обмоток обращенных к ним статоров 4, 5, так что привод 1 создает сравнительно высокий крутящий момент. Расположенная в осевом продолжении динамоэлектрической машины 2 планетарная передача 3 через вал 9 несущего винта приводит его во вращение.

В качестве альтернативы классической планетарной передаче из зубчатых колес реализована передача с такой же функциональностью, а именно повышением частоты вращения посредством постоянных магнитов. Это позволяет избежать шумов передачи, и, кроме того, не требуется обслуживать и заменять быстроизнашивающиеся детали.

Внутренний 5 и внешний 4 статоры установлены неподвижно и содержат соответственно шихтованный пакет железа, преимущественно из сэндвич-листов.

Несущее устройство 14 ротора 6 выполнено предпочтительно составным, причем магнитно-активная часть, на которой расположены постоянные магниты 13, выполнена в форме полого цилиндра. При этом число полюсов на обращенных к внутреннему 5 и внешнему 4 статорам сторонах ротора 6 преимущественно одинаково.

В этом случае опора ротора 6 предусмотрена как на обращенной от привода 1 стороне динамоэлектрической машины 2, так и на обращенной к несущему винту 23 стороне. Таким образом, опора между динамоэлектрической машиной 2 и планетарной передачей 3 образует общую опору планетарной передачи 3 и динамоэлектрической машины 2 сдвоенного типа.

При этом динамоэлектрическая машина 2 и планетарная передача 3 расположены преимущественно в одном корпусе. Это упрощает конструкцию привода 1 и обеспечивает, тем самым, завершающее предварительное изготовление.

Чтобы еще более повысить эффективность привода 1, внутренний 5 и внешний 4 статоры имеют масляное охлаждение. Вследствие этого воздушный зазор 12 динамоэлектрической машины 2, в котором вращается ротор 6, герметизирован с помощью подходящих мер, например кожухами 10, 11. Последние охватывают, по меньшей мере, систему обмоток с ее лобовыми частями 8 и, тем самым, охлаждают ее.

В другом варианте кожухи охватывают также пакеты железа статоров 4, 5, лобовые части 8 обмоток и систему обмоток.

Охлаждающий масляный контур (не показан) предпочтительно, по меньшей мере, частично направлен также через планетарную передачу 3 и служит там, в том числе, для смазки и охлаждения зубчатых колес.

Чтобы дополнительно уменьшить потери ротора 6 трение о воздух внутри воздушного зазора 12 привода сдвоенного типа, в воздушном зазоре 12 преимущественно предусмотрен вакуум.

Благодаря описанному приводу 1 создана приводная система вертолета 20 мощностью от 200 до 300 кВт при частоте вращения примерно 2500 мин^-1 и удельной мощности около 8 кВт/кг.

1. Электропривод (1) летательного аппарата, в частности вертолета (20) по меньшей мере с одним несущим винтом (23), приводимым во вращение посредством динамоэлектрической машины (2),
- причем динамоэлектрическая машина (2) выполнена сдвоенного типа, находящийся в воздушном зазоре (12) ротор (6) содержит постоянные магниты (13) на несущем устройстве (14), причем статоры (4, 5) динамоэлектрической машины (2) и/или ротор (6) содержат охлаждающие средства,
- между приводимым во вращение несущим винтом и динамоэлектрической машиной (2) расположена планетарная передача (3) в осевом продолжении динамоэлектрической машины (2), и
- динамоэлектрическая машина (2) и планетарная передача (3) расположены в общем корпусе и содержат общую опору (7), расположенную между динамоэлектрической машиной (2) и планетарной передачей (3),
- причем несущее устройство (14) ротора (6) выполнено составным и в форме колокола.

2. Привод по п.1, отличающийся тем, что несущее устройство (14) ротора (6) содержит мягкое железо и/или арамид.

3. Привод по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один статор (4, 5) содержит масляный контур для охлаждения.

4. Привод по п.2, отличающийся тем, что охлаждение охватывает, по меньшей мере, обмотку статора.

5. Электропривод (1) летательного аппарата, в частности вертолета (20) по меньшей мере с одним несущим винтом (23), приводимым во вращение посредством динамоэлектрической машины (2),
- причем динамоэлектрическая машина (2) выполнена сдвоенного типа, находящийся в воздушном зазоре (12) ротор (6) содержит постоянные магниты (13) на несущем устройстве (14), причем статоры (4, 5) динамоэлектрической машины (2) и/или ротор (6) содержат охлаждающие средства,
- между приводимым во вращение несущим винтом и динамоэлектрической машиной (2) расположена планетарная передача (3) в осевом продолжении динамоэлектрической машины (2), и
- динамоэлектрическая машина (2) и планетарная передача (3) расположены в общем корпусе и содержат общую опору (7), расположенную между динамоэлектрической машиной (2) и планетарной передачей (3),
- причем несущее устройство (14) ротора (6) выполнено составным и расположено на упомянутой общей опоре (7),
- причем по меньшей мере один статор (4, 5) содержит масляный контур для охлаждения, при этом масляный контур охватывает, помимо статора (4, 5), также и планетарную передачу (3).

6. Привод по п.5, отличающийся тем, что несущее устройство (14) ротора (6) содержит мягкое железо и/или арамид.