Мотор-колесо для самолета

Изобретение относится к авиационной технике, а конкретно к колесам для шасси самолета со встроенными электродвигателями, и может быть использовано в качестве колеса самолета с прямым приводом и торможением.

Известно мотор-колесо, содержащее встроенную в колесо асинхронную электрическую машину, при этом статор с магнитопроводом неподвижно закреплен на оси колеса, на магнитопроводе статора размещены магнитные элементы, ротор установлен подвижно на оси колеса и имеет магнитопровод с короткозамкнутыми обмотками (Макаров Ю.В., Черепанов В.Д. Мотор-колесо. Патент России 2334626, МПК В60K 7/00, опубл. 2008.09.27, Бюл. №27) [1].

Известное мотор-колесо имеет недостаточный пусковой момент, сложную систему управления и низкий КПД.

Известно мотор-колесо, содержащее обод, вал, электропривод с электродвигателем и источником регулируемого напряжения, статор электродвигателя жестко закреплен на полом валу, на статоре размещены катушки обмоток, ротор соединен с ободом колеса и подвижно закреплен на подшипниках и на валу, имеет магнитопровод с постоянными магнитами, размещенными равномерно с чередующейся полярностью магнитов, две группы коллекторов, электрически подключенных к источнику питания (Шкондин В.В., Молчанов К.В. Мотор-колесо. Патент России 2035114, МПК H02K 23/00, B60K 7/00, опубл. 1995.05.10, Бюл. №13) [2].

Известное мотор-колесо имеет сложную конструкцию, низкий КПД и значительные нагрузки на подшипники вала.

Известен синхронный электродвигатель с магнитной редукцией, содержащий корпус, два магнитопровода статора с зубцами и с многофазными обмотками, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами, ротор медленного вращения на валу с подшипниками и статор имеют чередующиеся диски, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, магнитопроводы статора выполнены в виде колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевых поверхностях колец магнитопроводов статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z_c и на диске ротора z_p связаны равенством z_p=z_c±2р, где р - число пар полюсов обмотки статора, а угловые размеры ферро-магнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, подшипник ротора быстрого вращения установлен посередине на валу ротора медленного вращения, а толщина постоянных магнитов h_м на роторе быстрого вращения связана с толщиной и количеством рабочих зазоров соотношением h_м = 2 mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения, на торцевых поверхностях коронок зубцов выполнены выступы, положение которых совпадает с ферромагнитными элементами дисков статора. (Афанасьев А.Ю., Макаров А.В., Березов Н.А. Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией. Патент РФ №2668817, МПК Н02K 51/00, Н02K 21/24, Н02K 19/06, Н02K 16/00, опубл. 2018.10.08, Бюл. №28) [3].

Этот электродвигатель трудно встроить в колесо шасси самолета.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по конструкции и достигаемому эффекту, принятым за прототип, является мотор-колесо, содержащее шину, обод и диски колеса, полую ось, насаженную на полуось автомобиля, электродвигатель, состоящий из закрепленного на полой оси статора с катушками обмотки, размещенных с фиксированным угловым расстоянием, ротор, соединенный с ободом колеса и подвижно закрепленный на подшипниках на полой оси, и датчик положения ротора, чередующиеся диски ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, магнитопроводы выполнены в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам мотор-колеса, накладные зубцы с коронками и с катушками установлены на торцевых поверхностях магнитопроводов, на торцевых поверхностях коронок имеются клиновидные выступы, которые совместно с ферромагнитными элементами дисков статора, а также ферромагнитные элементы дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z_c и на диске ротора z_p связаны равенством z_p=z_c±2р, где р - число пар полюсов статора, ротор быстрого вращения в виде диска с 2р постоянными магнитами в виде секторов, намагниченными аксиально с чередующейся полярностью, установлен с подшипником на полой оси посередине между магнитопроводами, причем толщина магнита h_м=2mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора, на полой оси закреплен фланец статора с коническими отверстиями, число которых совпадает с числом конических стержней ступицы автомобиля, насаженной на полуось автомобиля с резьбой для крепления мотор-колеса с помощью винта и шайбы. (Афанасьев А.Ю. и др. Мотор-колесо. Заявка №2017144340, решение о выдаче патента от 18.09.2018) [4].

Известное мотор-колесо имеет низкие энергетические показатели в связи с наличием четных пространственных гармоник магнитодвижущей силы и не имеет функции механического торможения.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении энергетических характеристик и получении функции механического торможения при посадке самолета, а также в использовании его кинетической энергии для подзарядки аккумулятора.

Технический результат достигается тем, что в мотор-колесо, содержащее шину, обод и диски колеса, полую ось, запрессованную в стойку шасси, электродвигатель, состоящий из закрепленного на полой оси статора с катушками обмотки, размещенных с фиксированным угловым расстоянием, ротор, соединенный с ободом колеса и подвижно закрепленный на подшипниках на полой оси, и датчик положения ротора, чередующиеся диски ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, магнитопроводы выполнены в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам мотор-колеса, накладные зубцы с коронками и с катушками установлены на торцевых поверхностях магнитопроводов, на торцевых поверхностях коронок имеются клиновидные выступы, которые совместно с ферромагнитными элементами дисков статора, а также ферро-магнитные элементы дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z_c и на диске ротора z_p связаны равенством z_p=z_c±2р, где р - число пар полюсов статора, ротор-индуктор в виде диска с 2р постоянными магнитами в виде секторов, намагниченными аксиально с чередующейся полярностью, установлен с подшипником на полой оси посередине между магнитопроводами, причем толщина магнита h_м=2mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора, введены две пневматические емкости и два диска тормоза, наборы упругих колец статора и ротора, причем кольца магнитопроводов, диски статора и ротора установлены подвижными в осевом направлении, а их немагнитные сектора выполнены из карбона и имеют толщину, превышающую толщину ферромагнитных элементов, количество зубцов на кольце магнитопровода z=6p, а катушки намотаны вокруг двух зубцов, катушки, смещенные на угол π/2 эл.рад, соединены последовательно и согласно, а катушки, смещенные на угол π эл.рад, соединены последовательно встречно и образуют три фазы обмотки статора.

Сущность технического решения поясняется на фиг. 1 - фиг. 7, где:

фиг. 1 - продольное сечение мотор-колеса;

фиг. 2 - ротор-индуктор с постоянными магнитами;

фиг. 3 - диск статора;

фиг. 4 - диск ротора;

фиг. 5 - зубцы с коронками и катушками;

фиг. 6 -закон распределения МДС обмотки прототипа;

фиг. 7 - закон распределения МДС обмотки электродвигателя заявки.

Далее детально представлены конструктивные особенности признаков, приведенных на указанных фигурах.

На фиг. 1 представлено продольное сечение мотор-колеса, где

1 - стойка шасси; 2 - полая ось; 3, 4 - опоры; 5, 6 - подшипники колеса; 7, 8 - диски колеса; 9 - обод колеса; 10 - шина; 11, 12 - магнитопроводы; 13-16 - кольца магнитопроводов; 17, 18 - зубцы; 19, 20 - катушки; 21, 22 - диски статора; 23, 24 - диски ротора; 25, 26 - упругие кольца статора; 27, 28 - упругие кольца ротора; 29 - постоянный магнит; 30 - подшипник; 31, 32 - кольца статора; 33-35 - кольца ротора; 36 - трубопровод; 37 - жгут; 38, 39 - пневматические емкости; 40, 41 - диски тормоза; 42 - ферромагнитный элемент датчика положения ротора.

Заявленная конструкция собрана следующим образом. В стойку шасси 1 запрессована полая ось 2. На ней установлены опоры 3, 4, на которые установлены подшипники 5, 6 колеса. На них опираются диски 7, 8 колеса, жестко связанные с ободом 9 колеса, на котором установлена шина 10.

На опоры 3, 4 установлены подвижно кольца 11, 12, магнитопровода, ограниченные кольцами 13-16. На кольце 11 установлено двенадцать зубцов 17 с коронками и с катушками 19. На кольце 12 установлено двенадцать зубцов 18 с коронками и с катушками 20.

На полой оси 2 установлены подвижно в осевом направлении (кроме внутренних) диски 21, 22 статора и подшипник 30, на который опирается ротор-индуктор с четырьмя постоянными магнитами 29. Также установлены подвижно в осевом направлении упругие кольца 25, 26 статора и кольца 31, 32 статора.

На ободе 9 колеса установлены подвижно в осевом направлении диски 23, 24 ротора, упругие кольца 27, 28 ротора и неподвижно кольца 33-35 ротора. Диски 21, 22 статора и диски 23, 24 ротора чередуются в пространстве. Ротор-индуктор размещен симметрично относительно колец 11, 12.

На опоры 3, 4 установлены диски 40, 41 тормоза. Между ними и кольцами 11, 12 установлены пневматические емкости 38, 39 соответственно. К ним подведен трубопровод 36. К катушкам 19, 20 подведен жгут 37. На диске 8 колеса установлен ферромагнитный элемент датчика положения ротора.

Подшипник 30 имеет большую ширину и является радиально-упорным для обеспечения требуемого положения ротора-индуктора. Ротор-индуктор имеет четыре постоянных магнита 29 из высококоэрцитивного магнитотвердого материала, имеющие вид секторов (на фиг. 2 показаны закрашенными), и немагнитные сектора (на фиг. 2 не закрашены). Сектора намагничены по оси вращения и образуют на торцевых поверхностях чередующиеся полюса.

Диски 21, 22 статора имеют чередующиеся секторы из магнитомягкого материала (на фиг. 3 показаны темными) и немагнитного материала (на фиг. 3 светлые). Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали. Диски 23, 24 ротора имеют чередующиеся секторы из магнитомягкого материала (на фиг. 4 показаны темными) и немагнитного материала (на фиг. 4 светлые).

Немагнитный материал дисков 21-24 - карбон, имеющий хорошие фрикционные свойства. Толщина ферромагнитных секторов на 0,1 мм меньше толщины немагнитных секторов.

Количества ферромагнитных элементов дисков статора z_c и ферромагнитных элементов дисков ротора z_p, приходящихся на одно полюсное деление, отличаются на единицу. На фиг. 3, 4 показан случай, когда число пар полюсов p=2, z_c=20, z_p=24.

Ферромагнитные элементы дисков статора и ротора выполнены из электротехнической стали шихтованными для уменьшения потерь в стали на вихревые токи, поскольку в процессе работы магнитная индукция в секторах изменяется.

На фиг. 5 показаны зубцы с катушками. Зубцы 17, 18 имеют вид секторов. Катушки 19, 20 намотаны вокруг двух зубцов. Катушки А и -А смещены на угол π/2 и соединены последовательно и согласно. Аналогично размещены и соединены соответственно катушки В, -В и С, -С. Катушки, расположенные диаметрально, соединены последовательно встречно и образуют три фазы обмотки статора: А, В и С. Серым цветом выделены катушки фазы В.

Магнитопроводы 11, 12 и зубцы 17, 18 выполнены лентой из электротехнической стали путем навивки. На торцевых поверхностях коронок зубцов 17, 18 имеются клиновидные выступы. Их угловое положение и количество соответствуют ферромагнитным элементам дисков 21, 22 статора. Промежутки между выступами заполнены карбоном.

Мотор-колесо работает следующим образом. При отсутствии избыточного давления в пневматических емкостях 38, 39 упругие кольца 25-28 раздвигают диски статора и ротора, обеспечивая между ними зазоры в 0,1-0,2 мм. По сигналам датчика положения ротора бортовой преобразователь частоты вырабатывает трехфазную систему напряжений.

При подаче на катушки 19, 20 обмотки статора по жгуту 37 трехфазной системы напряжений возникает вращающееся магнитное поле с четырьмя полюсами. Оно увлекает за собой ротор-индуктор. Вместе с ним вращаются области большой магнитной индукции в дисках статора и ротора. В результате ротор поворачивается так, что места совпадения положений ферромагнитных элементов дисков статора и соответствующих ферромагнитных элементов дисков ротора находятся в зонах максимума модуля магнитной индукции.

За половину периода напряжения питания T/2=π/ω ротор-индуктор повернется на угол π/2, а места максимума модуля магнитной индукции повторятся. При этом ротор должен повернуться на один сектор, т.е. на угол 2π/z_p. Следовательно, магнитный редуктор имеет передаточное отношение z_p/4. Поэтому скорость вращения ротора будет ω_м=2ω/z_p. Здесь ω - угловая частота напряжения питания. Момент на валу ротора М_м=z_pM_б/2.

Наличие нескольких дисков статора и ротора вызывает многократную деформацию магнитного поля в зоне дисков, что увеличивает развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели.

Мотор-колесо может использоваться на этапе рулежки самолета по аэродрому, а также для раскрутки колеса перед приземлением для предотвращения износа или разрушения колеса во время касания взлетно-посадочной полосы.

При подаче сжатого воздуха по трубопроводу 36 в пневматические емкости 38, 39 на магнитопроводы 11, 12 действуют силы, перемещающие их к середине на 1-2 мм. При этом зубцы 17, 18 и диски 21-24 входят в соприкосновение, и происходит механическое торможение.

Одновременно электродвигатель переводится в режим генератора, преобразующего кинетическую энергию движущегося самолета в электрическую энергию. Трехфазная система напряжений генератора выпрямляется и обеспечивает подзарядку бортового аккумулятора.

Передача момента от ротора-индуктора к ротору является упругой - через магнитное поле. При увеличении момента нагрузки на валу ротора он отстает на некоторый угол от положения, соответствующего холостому ходу.

Электродвигатель не имеет механических контактов между подвижными активными частями, бесшумен в работе, имеет большой срок службы, определяемый подшипниками, допускает ударные нагрузки, так как связь между ротором-индуктором и ротором осуществляется через магнитное поле.

Удельная энергия магнитного поля определяется выражением

При линейной кривой размагничивания максимальная энергия постоянного магнита достигается при условии равенства магнитных сопротивлений постоянного магнита и нагрузки, которой являются зазоры между дисками статора и ротора. Это равенство обеспечивает высокие энергетические показатели и выполняется, если толщина магнита равна сумме длин зазоров между дисками, т.е. при выполнении равенства

h_м=2mδ,

где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора.

Установка подшипника 30 ротора-индуктора на полую ось 2 упрощает конструкцию. Ротор-индуктор усиливает поле, созданное обмоткой двигателя. Благодаря его размещению посередине и размещению зубцов с катушками на обоих кольцах получается симметричная магнитная система и полностью снимается осевое усилие, действующее на вал. Подшипники 5, 6 нагружены лишь радиальными усилиями, что снижает напряжение трогания электродвигателя и повышает его надежность.

Центральное размещение ротора-индуктора с постоянными магнитами снижает магнитный поток рассеяния в магнитном редукторе приблизительно в четыре раза по сравнению с несимметричным размещением. Это увеличивает полезный магнитный поток, проходящий через диски статора и ротора, что увеличивает максимальный вращающий момент электродвигателя.

На фиг. 6 показано распределение магнитодвижущей силы (МДС) F(x) прототипа в момент времени, когда ток в фазе А максимален. Показаны первая F₁(x) и вторая F₂(x) гармоники. МДС одной катушки при максимальном значении тока принята равной 20 А.

На фиг. 7 показано распределение МДС F(х) в момент времени, когда ток в фазе А максимален. Показаны первая F₁(x) и пятая F₅(x) гармоники. МДС одной катушки при максимальном значении тока принята равной 10 А - в два раза меньше, чем в обмотке прототипа. В таблице приведены амплитуды пространственных гармоник для обмотки прототипа с шестью катушками и заявляемой обмотки с двенадцатью катушками.

Видно, что пространственные гармоники МДС, кратные трем, отсутствуют в обеих обмотках. В обмотке заявляемого мотор-колеса отсутствуют четные гармоники. Нечетные гармоники, не кратные трем, в обеих обмотках совпадают.

Среднеквадратическое значение высших пространственных гармоник МДС прототипа и обмотки заявляемого мотор-колеса имеют значения

Видно, что у обмотки заявляемого мотор-колеса действующее значение высших гармоник МДС меньше на 54,28%.

Высшие пространственные гармоники МДС создают аналогичные гармоники магнитной индукции и вызывают дополнительные магнитные потери в стали статора и ротора. Поэтому предлагаемая обмотка имеет значительные преимущества по экономичности.

Таким образом, благодаря введению двух пневматических емкостей и двух дисков тормоза, набора упругих колец статора и ротора, и установки колец магнитопровода, дисков статора и ротора с немагнитными секторами из карбона подвижными в осевом направлении, а также выполнению катушек обмотки вокруг двух зубцов расширены функциональные возможности мотор-колеса и повышены его энергетические характеристики.