Мотор-колесо для летательного аппарата
MOTOR-IN-WHEEL FOR AN AIRCRAFT

Изобретение относится к самолетостроению, а конкретно к колесам для шасси самолета со встроенными электродвигателями, и может быть использовано в качестве колеса самолета с прямым приводом, торможением и рекуперацией электроэнергии.
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).
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 Н02К 23/00, В60К 7/00, БИ 13, 1995.05.10).
Известное мотор-колесо имеет сложную конструкцию, низкий КПД и значительные нагрузки на подшипники вала.
c
p
p
c
M
M
Известен синхронный электродвигатель с магнитной редукцией, содержащий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами и с подшипником, 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, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности другого кольца имеются клиновидные выступы, имеющие свои одинаковые угловые размеры и положения с ферромагнитными элементами дисков статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z и на диске ротора медленного вращения z связаны равенством z-z±2р, где р - число пар полюсов обмотки статора, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, отличающийся тем, что подшипник ротора быстрого вращения установлен на валу ротора медленного вращения, а толщина постоянных магнитов h на роторе быстрого вращения определяется соотношением h=2mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения (Афанасьев Анатолий Юрьевич, Макаров Алексей Витальевич, Березов Николай Алексеевич. Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией. Патент РФ №2604058, МПК Н02К 16/02, Н02К 19/24, Н02К 19/06, опубл. 2016.12.10, Бюл. №34).
Этот электродвигатель трудно встроить в автомобильное колесо.
c
p
p
c
м
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, 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 и на диске ротора z связаны равенством z=z±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=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 (Афанасьев Анатолий Юрьевич, Каримов Артур Рафаэлевич, Студнева Евгения Евгеньевна. Мотор-колесо для самолета. Патент РФ №2703704, МПК B60T 17/06, B60K 7/00, H02K 19/06, B60T 1/02 опубл. 2019.10.21, Бюл. №30).
Его недостатком является сложность укладки обмотки в ограниченном пространстве электродвигателя, расположенного в шасси летательного аппарата, что ведет к увеличению размеров мотор-колеса.
Его недостатком является отсутствие подпружинивания электродвигателя. Таким образом, вес электродвигателя является составляющей неподрессоренной массы электромобиля. Отсутствие пружинного механизма в электродвигателе приводит к серьезному риску деформации ротора при динамических колебаниях и при ударе шасси летательного аппарата с взлетно-посадочной полосой, что нарушает равномерность воздушного зазора между статором и ротором, который может привести к заклиниванию вращения ротора.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в улучшении безопасности конструкции и повышении надежности мотор-колеса.
c
p
p
c
м
введена
Технический результат достигается тем, что в мотор-колесо, содержащее шину, обод и диски колеса, две пневматические емкости и диски тормоза, наборы упругих колец статора и ротора, катушки, намотанные вокруг двух зубцов,  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 и на диске ротора z связаны равенством z=z±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=2mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора,  демпфирующая конструкция, состоящая из соединительной вилки, имеющую два конца и цилиндрическую соединительную часть, установленную на подшипниках, которая предотвращена от осевого смещения с помощью специальных фиксирующих элементов, например, с помощью кольцевых стопоров. Демпфирующая конструкция дополнительно содержит стержень, имеющий цилиндрическую форму, который проходит в поперечном направлении между двумя концами соединительной вилки и жестко соединен с ней застежками, демпферной пружиной и опорой.
Сущность технического решения поясняется фиг. 1 – 5, где
Фиг. 1 – продольное сечение электродвигателя;
Фиг. 2 – ротор-индуктор с постоянными магнитами;
Фиг. 3 – диск статора;
Фиг. 4 – диск ротора;
Фиг. 5 – зубцы с коронками и катушками.
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 – подшипники соединительной вилки; 13 – стержень; 14 – соединительная вилка; 15 – демпфирующая пружина; 16, 17 - магнитопроводы; 18-21 - кольца магнитопроводов; 22, 23 - зубцы; 24, 25 - катушки; 26, 27 - диски статора; 28, 29 - диски ротора; 30, 31 - упругие кольца статора; 32, 33 - упругие кольца ротора; 34 - постоянный магнит; 35 - подшипник; 36, 37 - кольца статора; 38-40 - кольца ротора; 41 - трубопровод; 42 - жгут; 43, 44 - пневматические емкости; 45, 46 - диски тормоза; 47 - ферромагнитный элемент датчика положения ротора, 48 - корпус электродвигателя.
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 подшипники 11, 12 опирается демпфирующая конструкция. Демпфирующая конструкция дополнительно содержит стержень 13, имеющий цилиндрическую форму, который проходит в поперечном направлении между двумя концами соединительной вилки 14 и жестко соединен с ней застежками (на фиг. 1 не обозначен), демпфирующей пружиной 15 и опорой 4. Опора дополнительно имеет трубчатые части для движения вдоль нее стержня.
Демпфирующая пружина 15 прикреплена к соединительной вилке 14, к верхней и нижней части опоры 4, что обеспечивает гашение вертикальных колебаний соединительной вилки 14 и мотор-колеса.
Опора 4 может быть соединена с несущим элементом летательного аппарата, которым может быть какая-либо либо рама или корпус самолета (при отсутствии подходящих элементов конструкции). Несущий элемент не ограничивается представленными примерами, и для крепления мотор-колеса можно использовать другую подходящую часть летательного аппарата. Соединение между опорой и опорным элементом может быть выполнено с помощью болтового соединения.
На опоры 3, 4 установлены подвижно кольца 16, 17, магнитопровода, ограниченные кольцами 18-21. На кольце 16 установлено двенадцать зубцов 22 с коронками и с катушками 24. На кольце 17 установлено двенадцать зубцов 23 с коронками и с катушками 25.
На полой оси 2 установлены подвижно в осевом направлении (кроме внутренних) диски 26, 27 статора и подшипник 35, на который опирается ротор-индуктор с четырьмя постоянными магнитами 34. Также установлены подвижно в осевом направлении упругие кольца 30, 31 статора и кольца 36, 37 статора.
На ободе 9 колеса установлены подвижно в осевом направлении диски 28, 29 ротора, упругие кольца 32, 33 ротора и неподвижно кольца 38-40 ротора. Диски 26, 27 статора и диски 28, 29 ротора чередуются в пространстве. Ротор-индуктор размещен симметрично относительно магнитопровода 16, 17.
На опоры 3, 4 установлены диски 45, 46 тормоза. Между ними и магнитопроводом 16, 17 установлены пневматические емкости 43, 44 соответственно. К ним подведен трубопровод 41. К катушкам 24, 25 подведен жгут 42. На диске 8 колеса установлен ферромагнитный элемент датчика положения ротора.
Подшипник 35 имеет большую ширину и является радиально-упорным для обеспечения требуемого положения ротора-индуктора. Ротор-индуктор имеет четыре постоянных магнита 34 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 26, 27 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 28, 29 ротора имеют чередующиеся секторы из магнитомягкого материала (на фиг. 4 показаны темными) и немагнитного материала (на фиг. 4 светлые).
Немагнитный материал дисков 26-29 - карбон, имеющий хорошие фрикционные свойства. Толщина ферромагнитных секторов на 0,1 мм меньше толщины немагнитных секторов.
c
p
c
p
Количества ферромагнитных элементов дисков статора z и ферромагнитных элементов дисков ротора z, приходящихся на одно полюсное деление, отличаются на единицу. На фиг. 3, 4 показан случай, когда число пар полюсов p=2, z=20, z=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 22, 23 имеют вид секторов. Катушки 24, 25 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 16, 17 и зубцы 22, 23 выполнены лентой из электротехнической стали путем навивки. На торцевых поверхностях коронок зубцов 22, 23 имеются клиновидные выступы. Их угловое положение и количество соответствуют ферромагнитным элементам дисков 26, 27 статора. Промежутки между выступами заполнены карбоном.
Мотор-колесо работает следующим образом. При отсутствии избыточного давления в пневматических емкостях 43, 44 упругие кольца 30-33 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 24, 25 обмотки статора по жгуту 42 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.
p
p
м
p.
м
p
б
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. Следовательно, магнитный редуктор имеет передаточное отношение z/4. Поэтому скорость вращения ротора будет ω=2ω/z Здесь ω - угловая частота напряжения питания. Момент на валу ротора М=zM/2.
Наличие нескольких дисков статора и ротора вызывает многократную деформацию магнитного поля в зоне дисков, что увеличивает развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели.
При подаче сжатого воздуха по трубопроводу 41 в пневматические емкости 43, 44 на магнитопроводы 16, 17 действуют силы, перемещающие их к середине на 1-2 мм. При этом зубцы 22, 23 и диски 26-27 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.
При посадке самолета, а именно, при соприкосновении шасси о взлетно-посадочную полосу, происходит сильный удар, что может привести к серьезному риску деформации ротора, что нарушает равномерность воздушного зазора между статором и ротором, который может привести к заклиниванию вращения ротора. Избежать эту проблему позволяет, установленная демпфирующая конструкция, которая за счет сжатия демпфирующей пружины и движения соединительной вилки вдоль паза, обеспечивает гашение вертикальных колебаний и защищает конструкцию мотор-колеса от сильных ударов и толчков.
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.
w
BH
Удельная энергия магнитного поля определяется выражением:  = /2.
h
m
m
м
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: = 2δ, где δ – зазор между дисками,  – число дисков ротора.
Внедрение демпфирующей конструкции в систему заявляемого мотор-колеса позволяет гасить динамические колебания подвижных частей и уменьшает риск деформации ротора при ударе шасси летательного аппарата о взлетно-посадочную полосу. Это в свою очередь повышает гарантию сохранения равномерности воздушного зазора между статором и ротором, изменение которого в отрицательную сторону может привести к заклиниванию вращения ротора и поломке всей системы мотор-колеса.
Таким образом, благодаря введению демпфирующей конструкции улучшена безопасность и повышена надежность мотор-колеса, что позволит снизить экономические затраты, за счет уменьшения проблем на техническое облуживание всей системы.