Шестифазный генератор для бортовых гибридных силовых установок беспилотных летательных аппаратов

[001] Область техники
[002] Полезная модель относится к электрическому оборудованию, а именно к генераторам переменного тока на постоянных магнитах для системы питания силовых электрических цепей беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
[003] Уровень техники
[004] При использовании в качестве энергетической установки БПЛА двигателя внутреннего сгорания (ДВС), вращающего ротор генератора тока на постоянных магнитах, как правило, используется трехфазная схема включения обмоток статора генератора. Обмотки статора коммутируются по схеме «звезда» или «треугольник», с последующим выпрямлением тока посредством схемы из шести или двенадцати диодов. При таком построении выпрямителя на выходе получают пульсирующее постоянное напряжение с коэффициентом пульсаций 14% в лучшем случае. Такой большой коэффициент пульсаций требует применения в цепях потребителей сглаживающих конденсаторов и/или электронного стабилизатора. Поскольку токи потребления электромоторами винтомоторных групп БПЛА имеют значительную величину, то сглаживающие конденсаторы должны быть очень большой емкости, что, соответственно, влечет за собой заметное увеличение массы энергетической установки в целом. В качестве сглаживающих элементов также могут применяться аккумуляторные батареи, однако работа в цепи с пульсирующим током вызывает их быструю деградацию, что снижает надежность и увеличивает стоимость БПЛА.
[005] В публикации заявки США US 2015137716, 21.05.2015 описан многофазный генератор переменного тока для транспортных средств, включающий ротор, статор с обмотками, подключаемыми к нагрузке через МОП-транзисторы. При этом в аналоге раскрывается схема подключения пяти обмоток по схеме пятиконечной звезды.
[006] Недостатком указанной конструкции является высокий уровень пульсации напряжений, а также использование транзисторов, которые увеличивают вес устройства.
[007] Наиболее близким аналогом полезной модели является шестифазный генератор для системы питания силовых электрических цепей БПЛА, описанный в публикации заявки Кореи KR 20190117884, 17.10.2019. Указанный аналог имеет то же назначение и включает ротор и статор с шестью обмотками, подключенные к нагрузке. При этом схема подключения в указанном аналоге не раскрыта, что позволяет утверждать о наличии описанных выше недостатков, связанных с повышенным уровнем пульсаций и необходимостью применения стабилизаторов, что приведет к увеличению веса силовой энергетической установки.
[008] Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является невозможность эффективного применения генераторов переменного тока, в составе бортовых гибридных силовых установок БПЛА.
[009] Раскрытие сущности полезной модели
[010] Технический результат полезной модели заключается в снижении веса силовой установки БПЛА, использующей генератор.
[011] Указанный технический результат достигается в полезной модели за счет того, что шестифазный генератор переменного тока на постоянных магнитах для бортовых гибридных силовых установок беспилотных летательных аппаратов включает ротор с постоянными магнитами, статор с шестью обмотками и диодный выпрямитель, содержащий двенадцать диодов и имеющий выходы на нагрузку. При этом обмотки статора подключены к диодному выпрямителю по схеме двух треугольников, смещенных друга относительно друга на 60°.
[012] Согласно частным вариантам реализации полезной модели:
[013] - обмотки размещены в статоре таким образом, что вершины треугольников образуют правильный шестиугольник,
[014] - диодный выпрямитель включает три линии по четыре диода, подключаемые к нагрузке параллельно, причем вершины треугольников обмоток попарно и симметрично подключены к указанным трем линиям,
[015] - обмотки статора подключены к коммутирующей пластине при помощи коммутирующих проводов, а к диодному выпрямителю - с помощью выходных проводов.
[016] В отличие от аналогов в рассматриваемом генераторе предусмотрен статор с шестью обмотками, размещенных по схеме двух треугольников, что позволяет снизить уровень пульсаций и, как следствие, отказаться от использования конденсаторов, электронных стабилизаторов и других элементов. В результате снижается вес установки, что является крайне важным применительно к бортовым установкам для питания БПЛА.
[017] Краткое описание чертежей
[018] Полезная модель поясняется фигурами, где:
на фигурах 1 и 2 показана конструкция силовой установки (в виде стенда) с ДВС и шестифазным генератором,
на фигуре 3 показана схема подключения обмоток статора генератора к нагрузке;
на фигуре 4 показана схема формы тока на обмотках для трехфазного генератора;
на фигуре 5 показана схема формы тока на обмотках для заявленного шестифазного генератора;
[019] Элементы конструкции и другие объекты обозначены на фигурах следующими позициями:
1 - ДВС,
2 - топливный бак,
3 - переходная муфта,
4 - генератор,
5 - ротор,
6 - статор,
7 - коммутирующая пластина,
8 - коммутирующие провода,
9 - выходные провода,
10 - диодный выпрямитель
11 - нагрузка
12 - рама
13 - обмотки статора,
14 - диод,
А, В, С, D, Е, F - вершины треугольников, образованных обмотками.
[020] Осуществление полезной модели
[021] Заявленный генератор постоянного тока предназначен для работы в качестве источника питания электромотора силовой установки БПЛА. Указанная силовая установка включает ДВС (1), топливный бак (2), переходную муфту (3) и заявленный шестифазный генератор (4). Генератор (4) содержит ротор (5) с постоянными магнитами, статор (6), коммутирующую пластину (7), коммутирующие провода (8), выходные провода (9), а также диодный выпрямитель (10) с выходом на нагрузку (11).
[022] Элементы тестовой установки монтировались на единой раме (12) из алюминиевого профиля. В рабочей установке рама (12) представляет собой мотораму, установленную в фюзеляж беспилотного летательного аппарата.
[023] Обмотки (13) статора (6) коммутируются в задней части статора на коммутирующей пластине (7) при помощи коммутирующих проводов (8). Коммутация обмоток (13) происходит со смещением на 60 градусов. Выходные провода (8) подключают обмотки статора (6) к диодному выпрямителю (9). Диодный выпрямитель (10) в свою очередь подключается к нагрузке (10).
[024] ДВС (1) может иметь различное число цилиндров и различную мощность в зависимости от необходимой потребляемой мощности. Охлаждение ДВС может осуществляться как с помощью вентилятора, так и с помощью водяного охлаждения.
[025] Генератор (4) построен по шестифазной схеме (см. фиг. 3), в которой статор (6) имеет шесть обмоток (13а, 13b, 13 с, 13d, 13е, 13f), подключаемых к нагрузке (11) через диодный выпрямитель (10) из двенадцати диодов (14).Указанные обмотки соединены в два треугольника (А-В-С) и (D-E-F), которые размещены в статоре (6) со смещением один относительно другого на 60° таким образом, что вершины (A,B,C,D,E,F) этих треугольников образуют правильный шестиугольник. Соответственно, количество слотов магнитопровода статора (6) для размещения обмоток должно быть кратным шести. Указанные вершины (A,B,C,D,E,F) треугольников попарно подключены к трем линиям диодного выпрямителя, которые подключены к нагрузке (11) параллельно. В каждой линии предусмотрено по четыре диода (14).
[026] При работе установки ДВС (1) через свой выходной вал выдает крутящий момент через переходную муфту (3) на ротор (5). Ротор (5) с постоянными магнитами возбуждает обмотки статора (5).
[027] Указанная конфигурация позволяет получить уровень пульсаций 3,44% средней выпрямленной электронной движущей силы (ЭДС) (см. фигуру 5). При трехфазной конструкции генератора (см. фигуру 4) уровень пульсации составляет около 14%.