Блок из двигателя и генератора для гибридной силовой установки самолета

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение энергоэффективности. Система привода воздушного винта самолета состоит из двигателя, генератора и силовой электроники. При этом генератор и двигатель расположены в одном корпусе концентрично относительно друг друга. Генератор имеет внутренний ротор, который приводится в движение от газотурбинного двигателя, а двигатель - внешний ротор, вал которого механически соединен с воздушным винтом самолета. Блок силовой электроники расположен между статорами двух электрических машин. 1 ил.

 

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано для производства электрических машин.

Известен аксиальный асинхронный двигатель [патент РФ №96117306 А, кл. H02K 17/16, H02K 16/02, 10.11.1998], содержащий корпус, внутри которого размещены двухсторонний с двумя рабочими поверхностями статор, два ротора, насаженные на два раздельных вала и подшипниковые узлы, при этом две обмотки статора, имеющего соответственно две рабочие поверхности, выполнены симметричными в электрическом и магнитном (пространственном) отношении, обеспечивающем нулевое значение суммарного магнитного потока в общем ярме статора для обеих его рабочих поверхностей, с возможностью уменьшения высоты этого ярма до значения, минимально необходимого по условию его механической прочности.

Недостатком аналога является объединенная конструкция двух статоров, в следствии чего невозможно использовать обмотку одного якоря для работы в генераторном режиме, а обмотку другого якоря - в двигательном.

Известен двигатель [патент РФ №2442270 С, кл. H02K 16/02, H02K 1/27, 10.02.2012], имеющий магнитопроводы, расположенные концентрически, при этом указанный двигатель содержит: ротор, имеющий множество цилиндрических магнитопроводов, выполненных в виде многоступенчатой конструкции в радиальном направлении, и множество магнитов, соответственно прикрепленных к магнитопроводам с чередованием полярности магнитов в периферийном направлении; и статор, имеющий металлические сердечники якоря, обращенные к соответствующим магнитопроводам, и множество катушек якоря, намотанных на сердечники якоря, обращенные к магнитам, причем магниты прикреплены к внешней и внутренней кольцевым поверхностям магнитопроводов и расположены друг к другу в радиальном направлении, а катушки ротора расположены на внешней и внутренней сторонах металлических сердечников якоря, обращенных к магнитам, а также неподвижный вал, расположенный в центре вращения ротора, в котором ротор дополнительно имеет вращающийся диск, соединенный через соответствующие магнитопроводы с неподвижным валом, а статор дополнительно имеет неподвижный диск для жесткого соединения металлических сердечников якоря с неподвижным валом.

Недостатком аналога является объединенная конструкция двух статоров, в следствии чего невозможно использовать обмотку одного якоря для работы в генераторном режиме, а обмотку другого якоря - в двигательном.

Известна электрическая машина, описанная в научно-техническом журнале DOI: 10.1109/OPTIM. 2015.7426987 IEEE Transactions on Industry Applications,, название статьи: Dual Stator/Rotor Brushless DC Motors: A Review of Comprehensive Modelling Based on Parametric Approach and Coupled Circuit Model, содержащая две электрические машины на одном валу, при этом одна имеет внешний ротор, другая внутренний, чтобы разделить магнитные цепи двух машин между статорами расположено кольцо из латуни.

Недостатками аналога являются: во-первых, невозможность работы машин одновременно в двух разных режимах (генераторный и двигательный) из-за их крепления к общему валу, во-вторых, высокие габаритные показатели в следствии нерационального использования пространства между статорами.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является гибридный авиационный двигатель [U.S. patent №9194285 В2 int. cl. В64С 27/00, F02B 63/04, B64D 27/24, B64D 27/02, 27.11.2015], содержащий приводной двигатель (в данном случае двигатель внутреннего сгорания), соединенный с валом генератора, который через инвертор питает двигатель, приводящий в движение воздушный винт, а также заряжает бортовые аккумуляторы.

Недостатками ближайшего аналога являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные высокими массогабаритными показателями всей системы привода воздушного винта (наличие отдельных корпусов для каждой электрической машины, большая длина электрических проводов между генератором и двигателем, расположенными на большом расстоянии друг от друга)

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей самолета за счет снижения массогабаритных показателей системы привода воздушного винта.

Технический результат - снижение потребления топлива за счет уменьшения массы системы привода воздушного винта, снижение выбросов вредных веществ в атмосферу, улучшение динамических показателей самолета.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в системе привода воздушного винта самолета, состоящей из двигателя, генератора и силовой электроники, согласно изобретению генератор и двигатель расположены в одном корпусе концентрично относительно друг друга, генератор имеет внутренний ротор, который приводится в движение от газотурбинного двигателя, а двигатель - внешний ротор, вал которого механически соединен с воздушным винтом самолета, при этом блок силовой электроники расположен между статорами двух электрических машин.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан поперечный разрез блока из двигателя и генератора.

Предложенная конструкция состоит из генератора 1, имеющего внутренний ротор 2, который состоит из вала 3, магнитопровода 4, постоянных магнитов 5, и внешнего статора 6, который состоит из магнитопровода 7 с уложенной в нем обмоткой якоря 8 и из двигателя 9, имеющего внешний ротор 10, который состоит из полого цилиндрического вала 11, магнитопровода 12, постоянных магнитов 13 и внутреннего статора 14, который состоит из магнитопровода 15 с уложенной в нем обмоткой якоря 16. При этом две электрические машины не имеют общего вала, а между внешним статором 6 и внутренним статором 14 имеется область, в которой расположен блок электроники 17 обеих машин, а также общий корпус 18.

Система привода воздушного винта самолета работает следующим образом: вал 3 генератора 1 механически соединен с газотурбинным двигателем, при работе газотурбинного двигателя внутренний ротор 2 приходит во вращение, магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами 5, пересекает обмотку 8 внешнего статора 6, уложенную в магнитопроводе 7, и создает в ней электродвижущую силу, при подключении нагрузки через блок электроники 17, расположенный между магнитопроводами 4 и 15 по обмотке якоря 8 начинает протекать ток. В то же время при подаче напряжения на обмотку якоря 16 двигателя 9, уложенную в магнитопроводе 15, через блок электроники 17 по обмотке 16 внутреннего статора 14, уложенной в пазах магнитопровода 12 начинает протекать ток, взаимодействие потока, создаваемого током якоря и потока возбуждения, создаваемого постоянными магнитами 13, расположенным на внешнем роторе 10, приводит к появлению на валу 11 вращающего момента, который механически соединен с воздушным винтом, приводящим в движение самолет. В данном случае двигатель и генератор находятся в одном корпусе, что существенно уменьшает массу электрической проводки между ними, также блок электроники 17 перенесен непосредственно внутрь корпуса, между двумя статорами, что приводит к уменьшению пространства занимаемого всей системой.

Таким образом предложенное изобретение позволяет снизить потребление топлива за счет уменьшения массы системы привода воздушного винта, снизить выбросы вредных веществ в атмосферу, улучшить динамические показатели самолета.

Система привода воздушного винта самолета, состоящая из двигателя, генератора и силовой электроники, отличающаяся тем, что генератор и двигатель расположены в одном корпусе концентрично относительно друг друга, причем генератор имеет внутренний ротор, который приводится в движение от газотурбинного двигателя, а двигатель - внешний ротор, вал которого механически соединен с воздушным винтом самолета, при этом блок силовой электроники расположен между статорами двух электрических машин.