УСТРОЙСТВО ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
AIR COOLING DEVICE FOR ELECTRIC MOTORS

Область техники
Изобретение относится к авиационной технике, конкретно, к многовинтовым винтокрылым летательным аппаратам с вертикальным взлетом и посадкой, а именно, к мультикоптерам, в которых несущие винты расположены в двух параллельных плоскостях (ярусах), находящихся выше и ниже фюзеляжа летательного аппарата (ЛА).
В изобретении заявляется новая конструкция мультикоптера, обеспечивающая повышение надежности, стабильности и управляемости его полетом в результате достижения оптимального соотношения устойчивости и маневренности мультикоптера за счет двухъярусного расположения несущих винтов в двух параллельных плоскостях выше и ниже центра тяжести ЛА.
Предшествующий уровень техники
Для нормальной работы электродвигателей, в частности электродвигателей, приводящих во вращение винты летательных аппаратов, необходимо обеспечить наибольшую степень их охлаждения и возможность поддержания в требуемых пределах теплового состояния двигателя при различных режимах и условиях работы. Для мощных электродвигателей используются системы охлаждения, обеспечивающие циркуляцию воздушного потока между их основными конструктивными элементами. Благодаря такому решению тепловая энергия отбирается непосредственно с нагретых обмоток и деталей двигателя, что позволяет поддерживать требуемую температуру даже при работе с максимально допустимой мощностью. Для этого устройство охлаждения электродвигателей должно создавать достаточный поток охлаждающего воздуха. При этом воздух, обдувающий детали электродвигателя, не должен содержать частицы влаги, а также абразивные частиц, способных нарушить целостность изоляции обмоток электродвигателя.
Для отделения от воздушного потока частиц влаги и твердых абразивных частиц на практике используются разные подходы. Первый основан на использовании центробежных сил, под действием которых происходит удаление твердых частиц. Принцип действия таких устройств состоит в следующем: поток запыленного воздуха вводится в аппарат через входной патрубок тангенциально. Под действием центробежной силы частицы пыли выносятся из потока, оседают на стенках аппарата и попадают в нижнюю часть устройства. Очищенный от пыли газовый поток выводится через выходной патрубок. Недостаток такого способа очистки - большие габариты устройств в осевом направлении.
В патенте US 7648544 В2 (опубл. 19.01.2010 г.) представлен сепаратор с вихревой трубой для отделения твердых частиц от исходного материала, содержащего газ и твердые частицы. Отделение диспергированных частиц от газов в данном устройстве происходит за счет центробежных сил, создаваемых системой завихрения газового потока. Твердые частицы опускаются вниз под действием силы тяжести. Недостатком такого устройства являются большие габариты в осевом направлении.
В патенте US 10233801 В2 (опубл. 19.03.2019 г.) представлено устройство для очистки загрязненного газа, предназначенное для отделения мелких твердых и/или жидких частиц, взвешенных в газе. Устройство представляет собой вертикальный цилиндрический корпус, в котором перпендикулярно оси корпуса расположены неподвижные перегородки с отверстиями. Между перегородками вращаются крыльчатки, закрепленные на вращающейся оси устройства. Газ проходит вдоль оси устройства через множество отверстий в неподвижных перегородках, а загрязнения, содержащиеся в газе, скапливаются на вращающихся крыльчатках и под действием центробежной силы отбрасываются к боковым поверхностям цилиндрического корпуса. Под действием силы тяжести загрязнения перемещаются в нижнюю часть устройства и выводятся из него. Недостатком устройства является необходимость большого количества пар перегородка-крыльчатка для обеспечения эффективного разделения газообразной и твердой и/или жидкой фракций и, как следствие, большие габаритные размеры в осевом направлении. Кроме того, подобная система охлаждения не может создать большого расхода газа из-за большого аэродинамического сопротивления.
Другой подход к системам очистки запыленного воздуха заключается в пропускании его через систему фильтров. Однако при таком способе невозможно создать достаточно большого воздушного потока на выходе устройства из-за высокого аэродинамического сопротивления.
В патенте US 10926210 В2 (опубл. 23.02.2021 г.) представлен очиститель воздуха, предназначенный для удаления твердых частиц и примесей. Очиститель имеет цилиндрический корпус с расположенными снизу отверстиями для забора загрязненного воздуха. Поступивший в очиститель воздух проходит через систему фильтров, которая может включать в себя один или несколько угольных фильтров предварительной очистки, НЕРА-фильтр, УФ-лампу, электронный воздухоочиститель с поляризованной средой, ионизированный очиститель, генератор озона или другие фильтрующие/очищающие компоненты. Взвешенные частицы, имеющиеся в воздухе, задерживаются системой фильтров. После фильтров воздух с помощью центробежного вентилятора направляется к выходным отверстиям. Недостатком такого очистителя воздуха является невозможность обеспечения достаточного потока воздуха, необходимого для охлаждения внешнего устройства.
На практике применяются также устройства охлаждения, не имеющие систем очистки охлаждающего воздуха. Недостатками таких устройств является возможность нарушения целостности изоляции обмоток двигателя из-за воздействия абразивных веществ, присутствующих в неочищенном воздухе.
В патенте RU 2570066 С2 (опубл. 10.12.2015 г.) представлена система воздушного охлаждения электродвигателя, в которой охлаждение происходит с помощью рабочего колеса вентилятора, установленного на валу ротора с возможностью вращения и с возможностью соединения или отсоединения от ротора посредством автоматического устройства сцепления. Недостатком такого устройства является отсутствие системы очистки воздуха, используемого для охлаждения электродвигателя, от взвешенных частиц и частиц влаги.
В патенте US 10704561 В2 (опубл. 07.07.2020 г.) представлена система воздушного охлаждения, представляющая собой много лопастной вентилятор. Вентилятор вращается в плоскости отверстия в корпусе, в который нагнетается воздух. На внешних краях лопастей вентилятора расположены щетки, выполненные из волокон полимерного или натурального материала. Щетки расположены таким образом, что перекрывают зазор между лопастью вентилятора и краем отверстия и могут изгибаться в процессе вращения лопасти вентилятора при ударе ее о край отверстия. Щетки обеспечивают уплотнение между нагнетающим воздух вентилятором и краем отверстия корпуса. Система обеспечивает требуемый расход воздуха, однако, не обеспечивает его очистку от взвешенных в нем твердых частиц.
Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является изобретение, представленное в патенте RU 2713452 С1 (опубл. 05.02.2020 г.). В патенте представлена закрытая электрическая машина с воздушным охлаждением. Для обеспечения эффективного охлаждения корпус устройства выполнен сложной формы с внешними и внутренними кольцевыми ребрами для увеличения эффективной площади охлаждения. Кроме этого, кольцевые ребра охлаждения выполнены и на якоре электрической машины. При этом ребра одной поверхности расположены в кольцевых выемках между соседними ребрами другой поверхности с возможностью относительного окружного перемещения. Внутренняя полость якоря электродвигателя изолирована от внешней среды при помощи сальниковых уплотнений. Недостатком такого устройства является сложность изготовления конструкции с кольцевыми ребрами охлаждения, большие габариты устройства, необходимые для увеличения эффективной площади охлаждения, невозможность увеличения теплоотвода от электродвигателя при увеличении выделяемой мощности, а также неизбежность проникновения через сальниковые уплотнения загрязнений и пыли, содержащей абразивные вещества, которые не удаляются из замкнутого внутреннего пространства в процессе работы электродвигателя.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Схема винтомоторной группы (далее ВМГ) ЛА вертикального взлета и посадки.
Фиг. 2а. Устройство воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки.
Физ. 2.б. Устройство воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки в сборе.
Фиг. 2в. Схема распределения воздушных потоков в устройстве воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки.
Фиг. З. Защитный диск устройства воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки.
Фиг. 4. Крыльчатка устройства воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки: а - вид сверху, б - вид сбоку.
Фиг. 5. Диск очистки устройства воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки.
Фиг. 6. Корпус устройства воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки.
Фиг. 7. Схема установки дисков очистки устройства воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки.
Фиг. 8а. Устройство воздушного охлаждения для нижнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки.
Фиг. 8б. Схема распределения воздушных потоков в устройстве воздушного охлаждения для нижнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки.
Фиг. 9. Защитный диск устройства воздушного охлаждения для нижнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении эффективного охлаждения электродвигателя за счет формирования достаточного для каждого режима работы электродвигателя потока воздуха, очищенного от влаги и абразивных частиц, при сохранении малых габаритов устройства в осевом направлении.
Указанный технический результат достигается тем, что очистка охлаждающего воздуха происходит за счет центробежных сил, действующих на твердые частицы, возникающих при их взаимодействии с вращающимися дисками очистки, а двигатель охлаждается воздушным потоком, очищенным от абразивных частиц.
Указанный технический результат достигается также за счет того, что элементы устройства охлаждения размещаются на валу охлаждаемого электродвигателя и вращаются с той же частотой, и с ростом потребляемой двигателем мощности при увеличении числа оборотов растет объем забираемого и прокачиваемого через фильтр и обмотки электродвигателя очищенного воздуха.
Существенным отличием предлагаемого решения от прототипа является то, что конструкция устройства обеспечивает охлаждение электродвигателя очищенным от влаги и абразивных частиц воздухом, причем поток охлаждающего воздуха автоматически увеличивается с ростом потребляемой двигателем мощности.
Другим существенным отличием предлагаемого решения от прототипа является простота конструкции и малые габариты устройства в осевом направлении.
Варианты осуществления изобретения
На Фиг. 1 представлена схема винтомоторной группы (ВМГ) летательного аппарата (ЛА) вертикального взлета и посадки. В рассматриваемом варианте изобретения ВМГ включает в себя верхний и нижний винты ЛА (11), которые приводятся во вращение электродвигателями (207) (Фиг. 2а); кронштейн (12) крепления ВМГ к штангам ЛА (на схеме не показано); верхнее (13) и нижнее (14) устройства воздушного охлаждения электродвигателей.
1. Устройство воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя винтомоторной группы летательного аппарата вертикального взлета и посадки.
На Фиг. 2а 2б представлено устройство воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ (13). Устройство включает в себя крышку (201), которая служит для предотвращения прямого попадания механических примесей и капель жидкости при неработающем двигателе, защитный диск (203), крыльчатку (204), которая обеспечивает забор атмосферного воздуха и его прокачку через обмотки электродвигателя, диски очистки (205а, 205б, 205в). Все элементы устройства последовательно собираются на валу (206) электродвигателя (207) и вращаются с частотой вращения электродвигателя. Между отдельными элементами устройства устанавливаются регулировочные шайбы (202, 202а, 202б, 202в, 202г), обеспечивающие необходимый зазор. Электродвигатель с собранными элементами устройства помещен в перфорированный корпус (208).
На Фиг. 2в представлена схема распределения воздушных потоков в устройстве воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки. Здесь (209) - направление потока входящего атмосферного воздуха, (210) - направление выбрасываемых за пределы устройства охлаждения присутствующих в атмосферном воздухе механических примесей и капель жидкости, (211) - выход очищенного воздуха, направляемый на охлаждение обмоток электродвигателя.
На Фиг. 3 представлен защитный диск устройства воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА (203), который препятствует попаданию в устройство охлаждения крупных механических частиц. Входящий атмосферный воздух попадает внутрь через отверстия (31). Каналы (32) служат для прохода атмосферного воздуха к дискам очистки. (33) - крепежные отверстия, предназначенные для сборки элементов устройства охлаждения. В другом исполнении устройства воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки защитный диск может быть выполнен в виде кольца, прорези которого выполнены в виде металлической сетки.
На Фиг. 4 представлена крыльчатка (204), которая обеспечивает забор атмосферного воздуха и его прокачку через устройство охлаждения электродвигателя. Крыльчатка (204) имеет лопасти (41), которые в рассматриваемом варианте изобретения выполнены как единое целое со ступицей (42). Края каждой лопасти (41) отогнуты на некоторый угол относительно плоскости ступицы (42). В ступице (42) выполнены крепежные отверстия (43).
На Фиг. 5 представлен диск очистки (205) устройства воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА. В рассматриваемом варианте изобретения устройство воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА содержит три диска очистки (205). В диске (205) выполнены каналы (51). Проходя по каналам (51), воздух подвергается очистке от мелких механических примесей и капель жидкости. Каналы (51) ориентированы относительно крепежных отверстий (52) на разный угол α° для каждого из трех дисков (205).
На Фиг. 6 представлен корпус (208) устройства воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА. В корпусе (208) выполнены отверстия (61), расположенные между дисками очистки (205). Эти отверстия предназначены для удаления механических примесей и капель жидкости в процессе работы устройства воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА.
На Фиг. 7 приведена схема установки дисков очистки (205) устройства воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА. Диски (205) устанавливаются таким образом, что каждый последующий диск частично перекрывает каналы (51) предыдущего диска. Это обеспечивается соответствующим углом α°.
Устройство работает следующим образом. Воздух, забираемый крыльчаткой (204), поступает в устройство сбоку через отверстия (31) в защитном диске (203), расположенные на его периферии. Размеры и форма этих отверстий выбираются из следующих соображений. Во-первых, суммарная площадь отверстий должна обеспечивать достаточный поток входного воздуха, необходимый для охлаждения электродвигателя на максимальных рабочих оборотах, и быть не меньше площади сечения на выходе из электродвигателя. Во-вторых, необходимо исключить проникновение внутрь устройства крупных твердых частиц и капель жидкости.
Далее, проходя через каналы (32) защитного диска (203), воздух проходит через каналы (51) дисков (205) очистки. В рассматриваемом варианте изобретения устройство воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА содержит три диска очистки (205). Диски (205) повернуты друг относительно друга на угол α°, что обеспечивает частичное перекрытие каналов (51) в них. Этим, с одной стороны, обеспечивается достаточный поток проходящего через устройство воздуха, с другой стороны, достигается обеспечение взаимодействия твердых частиц, содержащихся в воздухе, с системой дисков, частицы получают радиальную составляющую скорости, выносятся к стенкам корпуса (208) и через отверстия (61) в нем вылетают наружу. Отверстия (61) расположены между дисками очистки (205). Их размеры и форма выбираются такими, чтобы обеспечить выход через них механических примесей и капель жидкости в процессе работы устройства, но вместе с этим, не уменьшить поток воздуха, идущего на охлаждение электродвигателя. Суммарная площадь этих отверстий должна быть не менее чем в 10 раз меньше площади сечения на выходе из электродвигателя.
Размеры и форма отверстий (31) в защитном диске (203), отверстий (61) в корпусе (208), количество дисков очистки, углы взаимной установки дисков очистки α° подбираются экспериментально для конкретной конструкции электродвигателя.
2. Устройство воздушного охлаждения для нижнего электродвигателя винтомоторной группы летательного аппарата вертикального взлета и посадки.
На Фиг. 8а представлено устройство воздушного охлаждения для нижнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки (14), а на Фиг. 8б - схема распределения воздушных потоков в этом устройстве. Устройство (14) включает в себя защитный диск (81), крыльчатку (204), диски очистки (205а, 205б, 205в). Все элементы устройства последовательно собираются на валу (206) электродвигателя (207). Между отдельными элементами устройства устанавливаются регулировочные шайбы (202, 202а, 202б, 202в, 202г, 202д), обеспечивающие необходимый зазор. Электродвигатель с собранными элементами устройства помещен в корпус (208). Атмосферный воздух поступает в устройство (14) снизу через отверстия (91) защитного диска (см. Фиг. 9). (210) - направление выбрасываемых за пределы устройства охлаждения присутствующих в атмосферном воздухе механических примесей и капель жидкости, (211) - выход очищенного воздуха, направляемый на охлаждение обмоток электродвигателя.
На Фиг. 9 представлен защитный диск устройства воздушного охлаждения для нижнего электродвигателя ВМГ ЛА (207), который препятствует попаданию в устройство охлаждения крупных механических частиц. Входящий атмосферный воздух попадает внутрь через отверстия (91). (92) - крепежные отверстия, предназначенные для сборки элементов устройства охлаждения. В другом исполнении устройства воздушного охлаждения для нижнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки защитный диск может быть выполнен из металлической сетки, закрепленной на нижней части корпуса (208).
Работа устройства воздушного охлаждения для нижнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки аналогична работе рассмотренного выше устройства воздушного охлаждения для верхнего электродвигателя ВМГ ЛА вертикального взлета и посадки.