БЕСЩЕТОЧНЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Область техники
[1] Полезная модель относится к бесщеточным синхронным генераторам, предназначенным для использования на летательных аппаратах, условия эксплуатации которых допускают воздушное охлаждение генератора, например на вертолетах.
Предпосылки к созданию полезной модели
[2] Традиционный бесщеточный синхронный генератор (далее – бесщеточный генератор), предназначенный для использования на летательном аппарате совместно с газотурбинным двигателем, содержит три последовательно соединенных друг с другом синхронных генератора, а именно: подвозбудитель, возбудитель и основной генератор. Индуктор подвозбудителя, якорь возбудителя и индуктор основного генератора расположены на приводном валу бесщеточного генератора (далее – приводной вал), и соответственно, являются роторами. Одновременно с этим, в качестве статоров данных генераторов выступают якорь подвозбудителя, индуктор возбудителя и якорь основного генератора, которые расположены на несущем корпусе бесщеточного генератора (далее – несущий корпус).
[3] Индуктор подвозбудителя содержит постоянные магниты, поэтому для создания ЭДС в обмотке якоря подвозбудителя достаточно самого факта вращения приводного вала, что обеспечивает автономность работы подвозбудителя и бесщеточного генератора в целом. Закрепленный на несущем корпусе первичный выпрямитель преобразует переменный ток, протекающий в обмотке якоря подвозбудителя, в постоянный ток, который подается на обмотку индуктора возбудителя, в результате чего в обмотке якоря возбудителя также индуцируется переменная ЭДС и протекает переменный ток.
[4] Обмотка якоря возбудителя, в свою очередь, соединена с обмоткой индуктора основного генератора через основной выпрямитель, поэтому в обмотке индуктора основного генератора протекает постоянный ток. Индуцируемый в обмотке якоря основного генератора переменный ток создает на ее концах трехфазное переменное напряжение, которое поступает в бортовую сеть летательного аппарата. Следует отметить, что основной выпрямитель расположен на приводном валу, что позволяет избежать использования щеток для передачи электрического тока на основной выпрямитель и от него, или другими словами, реализовать концепцию бесщеточного генератора.
[5] Генератор, выполненный согласно описанной выше конфигурации, содержит выделяющие тепло компоненты, такие как обмотки, сердечники, диоды основного выпрямителя и т.п., и требует интенсивного охлаждения. В этих целях на приводном валу генератора вблизи передней подшипниковой опоры устанавливают вентилятор, который создает воздушный поток, проходящий в продольном направлении через весь объем корпуса генератора и обеспечивающий эффективный отвод тепла от указанных компонентов.
[6]  Прототипом изобретения является генератор ГТ40ПЧ8Б, в основных чертах соответствующий описанной выше конфигурации. Конструкция прототипа раскрыта в документе «Генераторы ГТ40ПЧ8Б и ГТ40ПЧ8В. Руководство по технической эксплуатации 8А0.311.017 РЭ» от 01.08.2000, представленном в Интернете на 30.03.2022, г.: http://www.aviakrug.com/docs/tech_docs/y408rus.pdf (стр. 5, 7-11). Для закрепления на летательном аппарате прототип снабжен крепежным фланцем, который расположен на торцевом участке несущего корпуса со стороны приводной шестерни, закрепленной на приводном валу. Несущий корпус удерживает приводной вал посредством двух подшипников, установленных на торцевых участках несущего корпуса. Между закрепленными в подшипниках опорными цапфами на приводном валу закреплены крыльчатка, индуктор основного генератора, основной выпрямитель, якорь возбудителя и индуктор подвозбудителя.
[7] Ввиду того, что столь большое число массивных устройств оказывается установленным на приводном валу между опорными цапфами, приводной вал испытывает значительную изгибающую нагрузку. Для устойчивости к данному неблагоприятному фактору приводной вал должен обладать очень высокой жесткостью, что требует выполнения приводного вала с использованием большого количества металла, вследствие чего приводной вал становится весьма тяжелым.
[8] Далее, поскольку прототип имеет консольное закрепление, а торцевые участки несущего корпуса с установленными в них подшипниками оказываются далеко разнесенным друг от друга, то значительной изгибающей нагрузке подвержена и цилиндрическая часть несущего корпуса. Меры по усилению цилиндрической части также связаны с увеличением материалоемкости и веса несущего корпуса, что является нежелательным для бесщеточного генератора, применяемого в авиации.
[9] Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в снижении веса бесщеточного генератора с воздушным охлаждением.
Сущность полезной модели
[10] Для решения указанной технической проблемы в качестве полезной модели предложен генератор электрического тока, содержащий несущий корпус, вал, основную генерирующую машину, генератор основного возбуждения, генератор исходного возбуждения и воздушную крыльчатку. Несущий корпус включает в себя первый и второй щиты, а также цилиндрическую часть, расположенную между ними, при этом первый щит имеет наружный крепежный фланцевый участок. Вал удерживается первой и второй подшипниковыми опорами, установленными соответственно в первом и во втором щитах. Индуктор основной генерирующей машины и воздушная крыльчатка закреплены на валу между первой и второй подшипниковыми опорами. Якорь генератора основного возбуждения и индуктор генератора исходного возбуждения закреплены на валу с той стороны второй подшипниковой опоры, которая противоположна стороне расположения первой подшипниковой опоры.
[11] Технический результат полезной модели состоит в том, что длина участка приводного вала, находящегося между подшипниковыми опорами, значительно уменьшена, что естественным образом уменьшает плечо действия силы тяжести самого приводного вала и элементов, закрепленных на валу. Соответственно уменьшается и момент указанной силы, или другими словами, изгибающая нагрузка. Ввиду данного обстоятельства приводной вал может быть выполнен с использованием меньшего количества металла, и соответственно с меньшим весом. Аналогичным образом снижается изгибающая нагрузка на цилиндрическую часть несущего корпуса, что также позволяет выполнить ее с меньшей толщиной стенки, а значит более легкой.
[12] В частном случае полезной модели на внутренней поверхности цилиндрической части выполнены продольные ребра, к вершинам которых прикреплен якорь основной генерирующей машины. Данное исполнение позволяет, во-первых, увеличить прочность цилиндрической части без существенного увеличения ее веса, а во-вторых, создать каналы для охлаждения якоря основной генерирующей машины.
[13] В другом частном случае полезной модели второй щит снабжен гильзой, пролегающей в осевом направлении в сторону, которая противоположна стороне расположения первого щита, а вал снабжен ступицей, расположенной внутри гильзы. Индуктор генератора основного возбуждения при этом закреплен на внутренней поверхности гильзы, а якорь генератора основного возбуждения закреплен на цилиндрической стенке ступицы. Данное исполнение позволяет обеспечить закрепление индуктора генератора основного возбуждения на втором щите, а не на цилиндрической части корпуса, как это выполнено в прототипе. Благодаря такому решению описанный ниже легкий корпус, по существу, не имеет силовой функции и может быть выполнен облегченным.
[14] В развитии данного частного случая на радиальной стенке ступицы закреплен выпрямительный блок, включенный в электрическую цепь между якорем генератора основного возбуждения и индуктором основной генерирующей машины. Данное исполнение позволяет разместить выпрямительный блок, не увеличивая продольный размер приводного вала, т.е. минимизируя изгибающую нагрузку на приводном валу.
[15] В другом частном случае полезной модели бесщеточный генератор содержит легкий корпус, прикрепленный к несущему корпусу со стороны второго щита. Поскольку легкий корпус не является силовым элементом конструкции корпуса, он может быть выполнен тонкостенным и характеризоваться малым весом. Соответственно, используемая в полезной модели пара из несущего корпуса и легкого корпуса оказывается существенно легче, чем выполняющий ту же самую функцию несущий корпус прототипа.
[16] В развитии данного частного случая легкий корпус содержит третий щит, снабженный гильзой, пролегающей в осевом направлении в сторону второго щита, при этом якорь генератора исходного возбуждения закреплен на внутренней поверхности гильзы. Такое закрепление якоря генератора исходного возбуждения представляется целесообразным с точки зрения удобства монтажа. В то же время, поскольку якорь генератора исходного возбуждения имеет сравнительно небольшой вес, то он не оказывает существенной нагрузки на легкий корпус, и его размещение на легком корпусе не сопровождается заметным утяжелением последнего.
Краткое описание чертежей
[17] Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:
фиг. 1 – продольный разрез бесщеточного генератора, выполненного согласно полезной модели;
фиг. 2 – общий вид второго щита бесщеточного генератора, выполненного согласно полезной модели.
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов бесщеточного генератора, отображенных на фигурах, могут являться условными и могут быть показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов бесщеточного генератора и их причинно-следственную связь с заявленным техническим результатом.
Осуществление полезной модели
[18] Осуществление полезной модели будет показано на наилучших известных авторам примерах ее реализации, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[19] В дальнейшем изложении понятия «подвозбудитель», «возбудитель» и «основной генератор» являются идентичными понятиям «генератор исходного возбуждения», «генератор основного возбуждения» и «основная генерирующая машина» соответственно, а понятие «подшипник» – понятию «подшипниковая опора».
[20] Бесщеточный генератор 1 (фиг. 1) содержит несущий корпус 10, который образован первым щитом 11, вторым щитом 12 и цилиндрической частью 13, выполненными из алюминиевого сплава и жестко скрепленными друг с другом так, что цилиндрическая часть 13 расположена между первым щитом 11 и вторым щитом 12. В первом и во втором щитах 11 и 12 установлены соответственно первый и второй подшипники 21 и 22, которые удерживают приводной вал 30 с возможностью его вращения.
[21] Следует отметить, что форма цилиндрической части 13 может отличаться от строго цилиндрической и определяться с учетом необходимости закрепления навесного оборудования и т.п. Аналогично этому, первый и второй щиты 11 и 12 могут иметь различную форму при условии образования вместе с несущей частью 13 несущего корпуса 10 и надлежащего закрепления первого и второго подшипников 21 и 22.
[22] На первом щите 11 расположен фланцевый участок 14, который предназначен для закрепления бесщеточного генератора 1 на летательном аппарате. Фланцевый участок 14 может быть выполнен с первым щитом 11 заодно или представлять собой отдельную деталь, прикрепленную к первому щиту 11.
[23] Приводной вал 30 образован скрепленными друг с другом первым и вторым вальными элементами 31 и 32. Первый вальный элемент 31 выполнен полым, а второй вальный элемент 32 имеет участок, который вставлен в полость первого вального элемента 31 со стороны первого щита 11 с обеспечением жесткой фиксации. На свободном конце второго вального элемента 32 выполнена приводная шестерня 33, которая предназначена для вхождения в зацепление с шестерней редуктора, передающего крутящий момент от двигателя летательного аппарата.
[24] Таким образом, бесщеточный генератор 1 предназначен для консольного закрепления через первый щит 11, при этом удержание приводного вала 30 в заданном положении обеспечивается несущим корпусом 10, обладающим высокой жесткостью. Одновременно с этим бесщеточный генератор 1 снабжен легким корпусом 90, который по существу, не является силовым элементом для удержания приводного вала 30. Функция легкого корпуса 90 подробно раскрыта ниже.
[25] Бесщеточный генератор 1 включает в себя три синхронных генератора: основной генератор 40, возбудитель 50 и подвозбудитель 60. Индуктор 41 основного генератора, якорь 52 возбудителя и индуктор 61 подвозбудителя закреплены на приводном валу 30 и являются роторами в своих генераторах 40, 50, 60 соответственно. Одновременно с этим, в качестве статоров генераторов 40, 50, 60 выступают соответственно якорь 42 основного генератора, индуктор 51 возбудителя и якорь 62 подвозбудителя. Якорь 42 основного генератора и индуктор 51 возбудителя закреплены на несущем корпусе 10, а якорь 62 подвозбудителя закреплен на легком корпусе 90.
[26] Индуктор 61 подвозбудителя снабжен тангенциально намагниченными постоянными магнитами, которые размещены в теле сердечника, выполненного как и другие сердечники генераторов 40, 50, 60 в виде пакета листов из электротехнической стали. Трехфазная обмотка якоря 62 подвозбудителя соединена с обмоткой индуктора 51 возбудителя через первичный выпрямитель (не показан). Поскольку первичный выпрямитель соединен с неподвижными обмотками якоря 62 подвозбудителя и индуктора 51 возбудителя, то он может быть закреплен, например на легком корпусе 90, или может быть вынесен за пределы бесщеточного генератора 1.
[27] Заметим, что первичный выпрямитель может быть выполнен в составе блока управления, который помимо выпрямления переменного тока способен изменять силу постоянного тока в обмотке индуктора 51 возбудителя. Данная функция блока управления призвана обеспечить требуемую величину переменного напряжения на концах обмотки якоря 42 основного генератора, которое является выходным напряжением бесщеточного генератора 1.
[28] Трехфазная обмотка якоря 52 возбудителя соединена с обмоткой индуктора 41 основного генератора через основной выпрямитель 53, выполненный в виде диодной схемы и закрепленный на приводном валу 30. Обмотка якоря 42 основного генератора также представляет собой трехфазную обмотку.
[29] Для охлаждения генераторов 40, 50, 60 бесщеточный генератор 1 снабжен вентилятором, который выполнен в виде крыльчатки 70, установленной на приводном валу 30 между индуктором 41 основного генератора и первым подшипниками 21. Крыльчатка 70 обеспечивает поступление охлаждающего воздуха через отверстия в легком корпусе 90 и вывод отработанного воздуха через отверстия 17, выполненные на цилиндрической части 13.
[30] Приводной вал 30 имеет двухопорный участок 34, расположенный между первым и вторым подшипниками 21 и 22, и консольный участок 35, расположенный с той стороны второго подшипника 22, которая противоположна стороне расположения первого подшипника 21. Обратим внимание, что приводной вал прототипа не имеет консольного участка и по существу содержит один лишь только двухопорный участок.
[31] Индуктор 41 основного генератора и крыльчатка 70 закреплены на двухопорном участке 34, в то время как якорь 52 возбудителя и индуктор 61 подвозбудителя закреплены на консольном участке 35. По сравнению с прототипом сила тяжести оборудования, закрепленного на двухопорном участке 34, а также плечи действия данной силы относительно подшипников 21, 22 существенно уменьшены, что выражается в снижении изгибающей нагрузки, действующей на приводной вал 30. Соответственно снижаются и требования к жесткости приводного вала 30, а значит приводной вал 30 может быть выполнен менее металлоемким, т.е. более легким.
[32] В свою очередь, якорь 52 возбудителя и индуктор 61 подвозбудителя, закрепленные на консольном участке 35, являются существенно менее массивными элементами по сравнению с индуктором 41 основного генератора, поэтому приводной вал 30 на своем консольном участке 35 может быть выполнен с еще меньшей жесткостью, а значит и с уменьшенным весом. Как видно на фиг. 1, консольный участок 35 имеет существенно меньший диаметр по сравнению с диаметром двухопорного участка 34. Заметим, что уменьшение жесткости приводного вала на участке размещения якоря возбудителя и индуктора подвозбудителя в прототипе является невозможным.
[33] Далее, поскольку якорь 52 возбудителя и индуктор 61 подвозбудителя размещены на приводном валу 30 за пределами несущего корпуса 10, то по сравнению с прототипом первый и второй щиты 11 и 12 оказываются приближенными друг к другу, а длина цилиндрической части 13 становится меньше. Соответственно уменьшается плечо воспринимаемого цилиндрической частью 13 веса бесщеточного генератора 1, а значит и действующая на цилиндрическую часть 13 изгибающая нагрузка, что позволяет выполнить цилиндрическую часть 13 менее металлоемкой и более легкой. Следует также отметить, что снижение веса приводного вала 30 и цилиндрической части 13 уменьшает нагрузку на второй щит 12, благодаря чему он может быть выполнен с более широкими воздушными проходами 18.
[34] Таким образом, размещение индуктора 41 основного генератора на двухопорном участке 34 приводного вала 30, а якоря 52 возбудителя и индуктора 61 подвозбудителя - на консольном участке 35, позволяет выполнить бесщеточный генератор 1 более легким, т.е. решить поставленную перед полезной моделью техническую проблему. Кроме того, как будет показано ниже, снижение веса бесщеточного генератора 1 при сохранении его габаритов на уровне прототипа, предоставляет возможность получения еще одного взаимосвязанного эффекта. Поскольку элементы несущего корпуса 10 и легкого корпуса 90 становятся менее металлоемкими по сравнению с корпусом прототипа, то они получают более широкие воздушные проходы и тем самым способствуют улучшению охлаждения бесщеточного генератора 1.
[35] Далее, якорь 42 основного генератора закреплен на внутренней поверхности цилиндрической части 13. В частности, на внутренней поверхности цилиндрической части 13 выполнены продольные ребра 16, и якорь 42 основного генератора прикреплен к их вершинам. Такое исполнение цилиндрической части 13 позволяет повысить ее жесткость без увеличения металлоемкости, а также создать дополнительные каналы для прохождения охлаждающего воздуха.
[36] Второй щит 12 (фиг. 1 и 2) снабжен первой гильзой 15, которая жестко прикреплена ко второму щиту 12 или выполнена с ним заодно. Первая гильза 15 пролегает в продольном направлении в ту сторону, которая противоположна стороне расположения первого щита 11. Одновременно с этим на консольном участке 35 жестко закреплена ступица 80, содержащая цилиндрическую стенку 81 и радиальную стенку 82. Ступица 80 при этом расположена внутри первой гильзы 15.
[37] Индуктор 51 возбудителя закреплен на внутренней поверхности перовой гильзы 15, а якорь 52 возбудителя закреплен на цилиндрической стенке 81 так, что в радиальном направлении он перекрывается с индуктором 51 возбудителя. Данная конфигурация позволяет закрепить индуктор 51 возбудителя на несущем корпусе 10 без увеличения длины цилиндрической части 13, т.е. без ее продолжения за пределы второго щита 12, что способствует снижению веса бесщеточного генератора 1.
[38] Далее, основной выпрямитель 53 закреплен на радиальной стенке 82 ступицы 80, в результате чего обеспечено его бесщеточное электрическое соединение как с якорем 52 возбудителя, так и с индуктором 41 основного генератора. Кроме того, данное расположение основного выпрямителя 53 обеспечивает его эффективное охлаждение потоком воздуха, чему также способствуют отверстия 83, выполненные на радиальной стенке 82.
[39] Легкий корпус 90 образован цилиндрической частью 91 и третьим щитом 92. Цилиндрическая часть 91 одной своей торцевой стороной прикреплена ко второму щиту 12, при этом на другой торцевой стороне цилиндрической части 91 закреплен третий щит 92. Легкий корпус 90 предназначен для ограничения случайного доступа к возбудителю 50 и подвозбудителю 60, а также для обеспечения опоры якорю 62 подвозбудителя. Установка легкого корпуса 90 на несущем корпусе 10 может быть осуществлена на завершающем этапе сборки бесщеточного генератора 1, что обеспечивает удобство монтажа элементов возбудителя 50, подвозбудителя 60, основного выпрямителя 63, а также множества электрических кабелей, соединяющих эти и другие элементы.
[40] Как упоминалось выше, легкий корпус 90 практически не выполняет силовой функции, поэтому он выполнен тонкостенным и имеет большое число открытых проходов для воздуха, которые могут быть выполнены как на третьем щите 92, так и на цилиндрической части 91. Благодаря данному обстоятельству легкий корпус 90 приобретает малый вес, что создает существенное преимущество перед прототипом, в котором возбудитель и подвозбудитель размещены в объемном и тяжелом несущем корпусе.
[41] Третий щит 92 содержит установочное кольцо 93 и вторую гильзу 94, жестко соединенные друг с другом. Установочное кольцо 93 предназначено для прикрепления третьего щита к цилиндрической части 91, а вторая гильза 94, пролегающая в продольном направлении в сторону второго щита 12, служит для закрепления якоря 62 подвозбудителя. Поскольку якорь 62 подвозбудителя является достаточно легким узлом, то третий щит 92 имеет лишь небольшое число сравнительно тонких крепежных участков, связывающих установочное кольцо 93 со второй гильзой 94, и образующих широкие воздушные проходы 95.
[42] Таким образом, третий щит 92 остается почти полностью открытым в продольном направлении, создавая минимальное препятствие забортному воздуху, поступающему через третий щит 92 в легкий корпус 90. Одновременно с этим множество воздушных проходов может быть выполнено и на цилиндрической части 91. По существу, возбудитель 50, подвозбудитель 60 и основной выпрямитель 63 могут контактировать с более значительным объемом воздуха, чем это доступно аналогичным элементам в прототипе. Данное обстоятельство позволяет повысить эффективность охлаждения не только указанных элементов, но и основного генератора 40, поскольку поступающий к нему воздух является менее нагретым.
[43] Кроме того, ввиду сниженной металлоемкости второго щита 12, его воздушные проходы 18 являются более широкими по сравнению с прототипом, что позволяет уменьшить сопротивление потоку охлаждающего воздуха, направляющегося к основному генератору 40, а значит улучшить его охлаждение.
[44] Далее, на цилиндрической части 91 закреплена клеммная панель 96, которая соединена с обмоткой якоря 42 основного генератора, и с которой снимается выходное напряжение бесщеточного генератора 1. Размещение клеммной панели 96 на легком корпусе 90 позволяет произвести монтаж электрических кабелей, соединяющих обмотку якоря 42 основного генератора с клеммной панелью 96, до установки легкого корпуса 90, что существенно упрощает технологию сборки бесщеточного генератора 1.
[45] Следует отметить и еще одно преимущество бесщеточного генератора 1, которое обеспечивается легким корпусом 90, и которое не достигается в прототипе. Ввиду отсутствия связи со вторым подшипником 22 и с приводным валом 30, третий щит 92 или даже весь легкий корпус 90 могут быть легко демонтированы. Благодаря этому предоставляется возможность получения доступа к возбудителю 50, подвозбудителю 60, основному выпрямителю 63, а также к множеству электрических кабелей бесщеточного генератора 1, например, с целью технического обслуживания указанных элементов и их ремонта.
[46] Воздушное охлаждение бесщеточного генератора 1 осуществляется следующим образом. Крыльчатка 70, которая вращается вместе с приводным валом 30, обеспечивает приток забортного воздуха через воздушные проходы 95 третьего щита 92, а также воздушные проходы, выполненные в цилиндрической части 91. Воздух обтекает подвозбудитель 60, возбудитель 50 и основной выпрямитель 63, после чего через воздушные проходы 18 поступает в несущий корпус 10. Далее воздух проходит через каналы между ребрами 16, отверстия в сердечнике индуктора 41 основного генератора (не показаны), зазор между индуктором 41 и якорем 42 основного генератора и т.п., после чего выбрасывается через отверстия 17. Контакт воздуха с нагретыми элементами бесщеточного генератора 1 сопровождается их охлаждением в результате процесса теплоотдачи.
[47] Бесщеточный генератор 1 может быть установлен на летательном аппарате так, что при нахождении летательного аппарата в полете воздушные проходы 95 третьего щита 92 открыты встречному потоку забортного воздуха, что многократно усиливает его приток.