Вертолет на электрической тяге
ELECTRIC-POWERED HELICOPTER

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к конструкциям летательных аппаратов вертолетного типа. Технический результат заключается в повышении эксплуатационных качеств вертолета благодаря уменьшению уровня шумов, увеличению внутреннего пространства, повышению безопасности и упрощению конструкции.
Из уровня техники известен вертолет (патент РФ №2364550, В64С 27/04, дата публикации 20.08.2009), содержащий каркас, винтомоторную установку, которая крепится к базовой конструкции с возможностью кругового наклона на требуемый угол относительно вертикальной оси вертолета. Соосные винты имеют жесткое крепление лопастей с автоматической авторотацией от центробежной силы. Лопасти винтов моно- или решетчато-щелевые, по длине цельные или складные. На корпусе вертолета установлены аэродинамические крылья путевого продвижения и поворота вертолета. Винтомоторная установка включает в себя двигатель внутреннего сгорания, штурвал-трапеция закреплен на винтомоторной установке с возможностью управлять полетом вертолета. К недостаткам вертолета относятся высокий уровень шумов и сложность управления.
В последнее время в мировой авиационной промышленности наблюдается тенденция на использование в летательных аппаратах, в частности вертолетах, в качестве силовой установки электрических двигателей. Использование электромоторов не наносит вред экологии и существенно удешевляет эксплуатацию таких летательных аппаратов. При этом электрические вертолеты лишены одного из главных недостатков своих обычных собратьев - относительно долгой предвзлетной подготовки, запуска двигателя и раскрутки винтов перед взлетом.
Прототипом заявленного изобретения может служить электрический вертолет японской компании Hirobo (http://gearmix.ru/archives/23668) (фиг. 1). Вертолет использует соосную схему расположения лопастей. Электрический мотор расположен внутри кабины вертолета.
По сравнению с заявляемым изобретением прототип имеет следующие недостатки:
- Ограниченное внутреннее пространство за счет размещения силовой установки в кабине вертолета
- сложность системы управления.
В заявляемом изобретении за счет специфической кольцевидной формы используемых электрических моторов имеется возможность вывести их за пределы внутреннего пространства вертолета, тем самым увеличив полезный внутренний объем вертолета. Кроме этого существенно упрощается система управления вертолетом.
Обобщенно технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении эксплуатационных качеств вертолета благодаря уменьшению уровня шумов, увеличению внутреннего пространства, повышению безопасности и упрощению системы управления вертолетом.
Заявляемый вертолет на электрической тяге иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-7.
Фиг. 1 - общий вид электрического вертолета Hirobo
Фиг. 2 - различные варианты компоновки моторов.
Фиг. 3 - безъякорный электромотор компании MAGNAX.
Фиг. 4 - варианты кольцевидного мотора в упрощенном виде
Фиг. 5 - упрощенная схема ротора
Фиг. 6 - обобщенная схема конструкции мотора.
Фиг. 7 - схема взаимодействия магнитных потоков.
Вертолет на электрической тяге относится к конструкциям летательных аппаратов вертикального взлета и посадки, в силовой установке которого используются кольцевидные электрические моторы. В случае использования двух моторов они располагаются соосно друг под другом. Для компенсации реактивного момента роторы моторов вращаются в противоположных направлениях. Силовая установка крепится к базовой конструкции с возможностью кругового наклона на требуемый угол относительно вертикальной оси вертолета. К роторам моторов прикреплены лопасти вертолета, причем лопасти по длине могут быть цельными или складными. В отличие от стандартной схемы размещения винтомоторной установки в современных вертолетах конструктивная особенность кольцевидного мотора позволяет выполнить оригинальное нестандартное размещение и крепления мотора относительно фюзеляжа вертолета.
Кольцевидный электрический мотор характеризуется тем, что имеет форму кольца, тороида или пустотелого цилиндра. На фиг. 4 представлены несколько обобщенных вариантов кольцевидного мотора в упрощенном виде. Как видно из рисунка статор 7 и ротор 8 имеют кольцевидную форму. Четыре первых варианта представляют моторы с внешним расположением ротора 8, последний вариант - с внутренним расположением ротора 8. Более подробно описание кольцевидного мотора как объекта патентования будет изложено ниже по заявке.
На фиг. 2 приведены различные обобщенные варианты вертолетов с использованием кольцевидных моторов, выполненных на соосной схеме расположения моторов, но отличающиеся друг от друга компоновкой моторов и формой кузова. Условно один из моторов называется верхним 2, а располагающийся под ним - нижним 3 мотором. Непосредственно к ротору моторов крепятся лопасти 6. На рисунке представлен вариант крепления моторов 2 и 3, при котором часть фюзеляжа 1 базовой конструкции вертолета выполнена в форме шарового пояса 4 и размещается во внутренней центральной части кольцевидных моторов 2 и 3 таким образом, чтобы моторы и часть фюзеляжа 4 имели бы общий центр по типу шарового шарнирного соединения, с возможностью кругового наклона плоскости моторов на требуемый угол относительно общего центра. Пунктирной линией 5 показана условная граница шарового пояса. В рассматриваемых вариантах для наглядности фюзеляж вертолета показан в форме усеченной сферы.
Как уже отмечалось выше, основной конструктивной особенностью заявляемого изобретения является использование кольцевидного электрического мотора, который в свою очередь сам является объектом изобретения в данной заявке. В упрощенном виде мотор был представлен ранее на фиг. 4.
Изобретение относится к электромашиностроительной области, в частности к бесколлекторным электродвигателям постоянного тока на постоянных магнитах и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов и транспортных средств, а именно, в электроприводных летательных аппаратах, скутерах, мотоциклах, автомобилей и так далее. Техническим результатом является увеличение момента силы тяги электромотора и повышение КПД мотора. Кроме этого мотор имеет специфическую кольцеобразную форму, обеспечивающую нестандартные решения при использовании мотора в электроприводах транспортных средств.
Технический результат достигается особенностями конструкции статора и ротора мотора, при которой взаимодействие магнитных потоков, генерируемых обмотками статора и постоянными магнитами ротора осуществляется наиболее эффективным образом.
Из уровня техники известен бесколлекторный роторный электрический двигатель (патент РФ №2528983, H02K 31/00, дата публикации 20.09.2014), содержащий статор с обмоткой и ротор, вращающийся на подшипниках, отличающийся тем, что статор выполнен в виде тороида с внешней намоткой катушки, а ротор, вращающийся внутри статора на подшипниках, имеет постоянные магниты в виде цилиндров, расположенных по касательным к ротору. Недостатком двигателя является сложная конструкция, низкий силовой момент и КПД двигателя.
Прототипом заявленного изобретения может служить безъякорный электрический мотор бельгийской компании MAGNAX (https://zen.yandex.ru/media/htech_plus/magnax-kak-rabotaet-sverhmoscnyi-elektromotor-buduscego-5d93482b4e057700b117fa81), представленный в разобранном виде на фиг. 3. Он состоит ротор, представляющего собой два диска с размещенными на них по окружности постоянными магнитами с аксиальным направлением магнитного потока. В прокладке между двумя роторными дисками размещается неподвижный статор с обмотками, прямолинейные сердечники которых расположены по окружности параллельно оси вращения вала. Ротор мотора вращается благодаря взаимодействию магнитов, которые отталкиваются и притягиваются друг к другу при возникновении магнитного поля. На текущий момент этот мотор считается одним из мощных и эффективных моторов в своей категории.
По сравнению с заявляемым кольцевидным электрическим мотором электромотор MAGNAX имеет следующие недостатки:
1. высокая стоимость за счет удвоенного количества дорогих постоянных магнитов, размещенных на двух роторных дисках
2. Недостаточно эффективное взаимодействие магнитных потоков статора и ротора.
Заявляемый кольцевидный электрический мотор лишен вышеперечисленных недостатков. Кроме этого, как видно из фиг. 4, заявляемый мотор имеет специфическую кольцевидную форму, обеспечивающую дополнительные возможности по применению моторов в качестве электроприводов различных транспортных средствах.
На фиг. 6 представлена обобщенная схема конструкции кольцевидного мотора в двух проекциях с внешним и внутренним расположением ротора.
Кольцевидный электрический мотор характеризующийся тем, что является бесколлекторным электрическим двигателем постоянного тока на постоянных магнитах. Ротор мотора 2 целиком или частично имеет форму обыкновенной шайбы с мультиплицированными на плоской поверхности по окружности выемками или вырезами в соответствии с количеством, размером и формой размещаемых в них постоянных магнитов 9. Магниты характеризуются тем, что имеют аксиальную направленность магнитного потока. Статор представляет собой кольцо из распределенных по окружности обмоток 11 с сердечниками 10 в виде прямоугольных, кольцевидных или другой замкнутой формы магнитопроводов. Магнитопроводы имеют небольшие воздушные зазоры 12 под толщину ротора, обращенные к внешней или внутренней стороне кольца таким образом, чтобы зазоры магнитопроводов образовывали единую круговую сквозную воздушную прорезь, внутри которой располагается и вращается ротор 2. Более наглядная упрощенная схема ротора показана отдельно на фиг. 5.
Как видно, ротор 8 целиком или его базовая часть имеет форму шайбы, на которой размещаются по окружности постоянные магниты 9. В рассматриваемом случае используемые постоянные магниты имеют форму сектора или диска.
На фиг. 7 представлена схема взаимодействия магнитных полей статора и ротора мотора применительно к трем вариантам построения бесколлекторных электрических двигателей постоянного тока с постоянными магнитами:
а) классический бесколлекторный мотор
б) электромотор компании MAGNAX
с) заявляемый кольцевидный мотор
Ротор мотора вращается благодаря взаимодействию магнитных полей статора и ротора, которые отталкиваются и притягиваются друг к другу при возникновении магнитного поля. Для упрощения представленная схема иллюстрирует только притяжение магнитов. Тонкими линиями со стрелочками показаны интенсивность и направление магнитного потока, генерируемые обмоткой 11 статора и постоянным магнитом 9 ротора.
В классическом бесколлекторном моторе сердечники 10 обмоток 11 условно представляют собой прямолинейные магнитопроводы, располагающиеся в радиальном направлениии от оси вращения вала мотора. На фиг. 7 в разделе а) иллюстрируется схема взаимодействия магнитного поля прямолинейного сердечника с магнитным полем постоянного магнита 9. Как видно из рисунка при такой схеме расположения сердечника и постоянного магнита 9 осуществляется одностороннее взаимодействие между магнитными потоками, исходящими с одного конца сердечника 10 и с одной аксиальной стороны магнита 9. При этом потери магнитной индукции существенны.
В электромоторе компании MAGNAX учтены недостатки классического бесколлекторного мотора. Здесь в обмотках 11 также используются сердечники прямолинейной формы 10, которые расположены по окружности параллельно оси вращения вала. Сердечники размещаются между двумя роторными дисками с расположенными на них по окружности постоянными магнитами 9. Однако, как видно на фиг. 7 в разделе б) магнитное поле сердечника 10 взаимодействует с постоянными магнитами 9 одновременно с двух концов. Однако результирующий магнитный поток не носит замкнутый характер и также имеет место рассеивание магнитного потока. Кроме этого существенно возрастает стоимость мотора за счет использования удвоенного количества дорогостоящих постоянных магнитов.
В заявляемом кольцевом моторе исключены недостатки, присущие рассмотренным выше разновидносиям электромотора. Обмотка статора имеет сердечник в виде кольцевидного магнитопровода с воздушным зазором, незначительно превышающим толщину магнита. На фиг. 7 в разделе с) иллюстрируется схема взаимодействия магнитного поля кольцевого сердечника 10 с магнитным полем постоянного магнита 9. Сечение сердечника 10 должно соответствовать форме и размеру магнита 9. При прохождении тока по обмотке генерируется магнитное поле, многократно усиленное сердечником. Направление магнитного потока меняется в зависимости от направления тока в обмотке. В месте воздушного зазора 12 сердечника 10 имеет место незначительное рассеивание магнитного потока. На рисунке линиями показаны также интенсивность и направление магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом 9. Как видно постоянный магнит имеет аксиальную направленность магнитного поля. При прохождении постоянного магнита 9 сквозь воздушный зазор 12 сердечника 10 происходит замыкание магнитного потока. При этом сила магнитного потока в сердечнике увеличивается многократно. При описанном расположении магнитов ротора и сердечника статора сила притяжения воздействует одновременно на две аксиальные стороны магнита, При этом потери магнитной индукции минимальны.
Техническим результатом описанного выше магнитного взаимодействия является увеличение момента силы тяги заявляемого мотора и повышение его КПД.