RU2708118C1 - Способ накопления и стабилизации вырабатываемого напряжения бесколлекторным генератором в составе гибридной силовой установки - Google Patents
Способ накопления и стабилизации вырабатываемого напряжения бесколлекторным генератором в составе гибридной силовой установки Download PDFInfo
- Publication number
- RU2708118C1 RU2708118C1 RU2018120677A RU2018120677A RU2708118C1 RU 2708118 C1 RU2708118 C1 RU 2708118C1 RU 2018120677 A RU2018120677 A RU 2018120677A RU 2018120677 A RU2018120677 A RU 2018120677A RU 2708118 C1 RU2708118 C1 RU 2708118C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- power
- generator
- brushless generator
- battery
- hybrid
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 title description 3
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 title description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 title description 2
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 10
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 10
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000012447 hatching Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 238000010399 three-hybrid screening Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
- B64C27/00—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
- B64D35/00—Transmitting power from power plants to propellers or rotors; Arrangements of transmissions
- B64D35/02—Transmitting power from power plants to propellers or rotors; Arrangements of transmissions specially adapted for specific power plants
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способу накопления и стабилизации вырабатываемого напряжения бесколлекторным генератором в составе гибридной силовой установки беспилотного летательного аппарата. Выход бесколлекторного генератора через выпрямитель подключают к нагрузке, параллельно которой подключают по меньшей мере один буферный литий-полимерный аккумулятор. Достигаемый технический результат состоит в увеличении времени полета беспилотного летательного аппарата.
Description
Изобретение относится к области малой авиации, а именно к силовым установкам беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), и может быть использовано при конструировании энергетических узлов транспортных, преимущественно БПЛА, в частности, с гибридными силовыми установками (ГСУ).
Существуют два основных решения для стабилизации напряжения выдаваемого генератором с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС): применение реле-регулятора с контролем напряжения питания обмотки возбуждения для генераторов с такой обмоткой и контроль оборотов ДВС в зависимости от нагрузки.
Традиционным методом является применение электрических генераторов с обмоткой возбуждения. Подобные генераторы применяют на различной технике - автомобилях, мотоциклах, тракторах и даже самолетах малой авиации. К недостаткам следует отнести высокую массу и габариты, относительно низкий коэффициент полезного действия (КПД) из-за больших зазоров между ротором и статором. Данные недостатки, однако, обеспечивают простоту конструкции, ремонтопригодность, не высокую стоимость и приемлемую стабильность выходного напряжения. Тем не менее, отношение мощности к массе у генераторов данной конструкции слишком велико, что не позволяет применять их на БПЛА, особенного малого класса - до 100 кг.
Другим направлением является изменение оборотов ДВС, чем и обеспечивается изменение величины напряжения при изменении величины нагрузки от нуля до максимального значения.
Недостатком применение ГСУ на БПЛА является усложнение конструкции аппарата в целом и его отдельных модулей в частности, увеличение взлетной массы аппарата и уменьшение грузоподъемности. Однако все указанные недостатки полностью компенсируются увеличением времени полета БПЛА в 4-8 раз, по сравнению с чисто электрической силовой установкой.
Гибридная силовая установка, преобразующая энергию топлива в энергию электрического тока, является оптимальным решением для увеличения полетных характеристик беспилотных летательных аппаратов мультироторной компоновки. Разработанная конструкция гибридной силовой установки демонстрирует возможность отказа от привычной зарядки аккумуляторной батареи, при этом сохраняется возможность использовать тягу электрических двигателей. ГСУ в данном случае выступает модулем, который устанавливается вместо аккумуляторной батареи.
Известны (http://legion.aero/%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F/hybrix20) гибридные квадрокоптеры, выполненные с использованием гибридных технологий, например квадрокоптер HYBRIX.20 компании «Легион», которые могут обеспечивать до 2-3 часов времени полета, что полностью подтверждает правильность выбранного гибридного пути для увеличения времени полета коптеров на данном этапе развития БПЛА многороторного типа.
Известна (RU, патент 2462397, опубл. 27.09.2012) силовая установка для летательного аппарата, содержащая движитель, который предназначен для создания прямой тяги с использованием передаваемой в него энергии движения, первый преобразователь энергии, который предназначен для обеспечения движителя первой энергией движения, получаемой, по меньшей мере, из первого топлива или получаемой, по меньшей мере, из второго топлива, при этом первый преобразователь является двигателем, который может работать на разных видах топлива, а первое топливо, и второе топливо отличаются друг от друга, управляющее устройство, предназначенное для управления подачей первого топлива и второго топлива в первый преобразователь энергии, первый резервуар, который предназначен для обеспечения первого преобразователя энергии первым топливом, и второй резервуар, который предназначен для обеспечения первого преобразователя энергии вторым топливом, причем первый преобразователь энергии и/или второй преобразователь энергии выбирают из группы, содержащей двигатели с турбонаддувом, двигатели с турбонаддувом, в которых используются камеры сгорания с переменным объемом, поршневые двигатели, роторно-поршневые двигатели, электродвигатели и газовые турбины.
Известна конструкция (RU, патент 2532672 опубл. 10.11.2014) беспилотного тяжелого электроконвертоплана, в которую входят двигатели силовой установки, передающие мощность через главный редуктор и валы трансмиссии на поворотные тянущий и толкающий винты, расположенные соответственно в носовой и кормовой части фюзеляжа, обеспечивающие горизонтальную и соответствующим отклонением вертикальную тягу, а также силовая установка, выполненная по параллельно-последовательной гибридной технологии силового привода, снабжена левыми и правыми передними и задними мотогондолами с электродвигателями, вращательно связанными с соответствующими винтами толкающей группы, а также с двумя передними и одной задней гибридными мотогондолами, в каждой из которых наряду с тянущим винтом размещен обратимый электромотор-генератор, вращательно связанные как с последним через муфту сцепления, так и с газотурбинным двигателем, систему электропривода, включающую все электродвигатели, аккумуляторные перезаряжаемые батареи, преобразователь энергии с блоком управления силовой передачи, подключающим и отключающим электродвигатели и газотурбинные двигатели, переключающим генерирующую мощность и порядок подзарядки аккумуляторов, который обеспечивается только при горизонтальном полете его программируемым системно-логическим контроллером блока управления, получая от датчика уровня зарядки аккумуляторов и наличии их полной зарядки или падении ее до 30% от ее максимума, выдает управляющие сигналы на выполнение при этом соответственно очередного времени зависания или включение в каждой гибридной мотогондоле газотурбинного двигателя для генерации мощности от внутреннего источника, но и дистанционное управление выходной электромагнитной муфтой сцепления, расцепляющей выходной вал обратимого электромотора-генератора с валом соответствующего тянущего винта, установленного во флюгерное положение, причем с целью обеспечения возможности создания и суммарной взлетной мощности при вертикальном взлете, посадке и висении, но и как генерирующей мощности, составляющей 25% от последней, так и с одновременным обеспечением крейсерской мощности, составляющей 25% или 20% от суммарной взлетной мощности и создающей горизонтальную тягу соответственно для третьей или второй крейсерской скорости полета, его гибридная силовая установка, включающая в передних и задней трехвинтовых модулях как шесть мотогондол с толкающими винтами, передние две левых и две правых из которых, имея между парами равные, имеют сумму пиковой мощности четырех их электродвигателей, равновеликую только двум задним электродвигателям, так и три гибридные мотогондолы с тянущими винтами, передние две из которых, имея между собой равные, имеют сумму располагаемой их мощности также равновеликой только одной задней, содержащие в каждой из них и структуре располагаемой мощности наряду с пиковой мощностью обратимого электромотора-генератора, снабжена газотурбинным двигателем, имеющим взлетную мощность, составляющую равную пиковой мощности последнего, но и с обеспечением как одного способа работы, так и одного способа генерации мощности при заряде аккумуляторов соответственно как совместной работы с последним, имеющим режим электромотора, на один вал соответствующего несущего винта при вертикальном взлете, посадке и висении, так и самостоятельной работы при передаче номинальной его мощности и на последний, имеющий режим электрогенератора при крейсерском режиме горизонтального полета.
Известна (RU, патент 133470, опубл. 20.10.2013) силовая установка гибридного транспортного средства, характеризующаяся тем, что включает большое заднее колесо, а также раскладываемые и фиксируемые в плоскостях, перпендикулярных заднему колесу, два маршевых винта, соединенных с помощью системы элементов -угловых редукторов либо шарниров равных угловых скоростей (ШРУСов), валов, карданных валов, с валом, проходящим через ось заднего колеса, на котором находится звездочка, по которой может перемещаться цепь либо ремень мотоцикла, передающие вращение этой звездочке от трансмиссии, причем подшипники установлены не только на оси заднего колеса, но и в двух ответвлениях вилки заднего колеса таким образом, что вал заднего колеса крепится внутри трех подшипников.
Недостатком всех выше перечисленных конструкций силовых гибридных установок следует признать отсутствие возможности накопления и стабилизации вырабатываемого напряжения генератором, входящим в состав гибридной силовой установки (ГСУ), что препятствует получению положительного энергетического баланса
Техническая проблема, решаемая с использованием разработанного способа, состоит в обеспечении при использовании гибридной силовой установки, в состав которой входит бесколлекторный генератор, положительного энергетического баланса.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в увеличении времени полета беспилотного летательного аппарата.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ накопления и стабилизации вырабатываемого напряжения бесколлекторным генератором в составе гибридной силовой установки для получения положительного энергетического баланса. Согласно разработанному способу выход бесколлекторного генератора через выпрямитель подключают к нагрузке, параллельно которой подключают, по меньшей мере, один буферный литий-полимерный аккумулятор.
Основным источником электрического тока является бесколлекторный электрогенератор. По правилу обратимости электрических машин, любой бесколлекторный электрический двигатель может работать в режиме генератора. При работе бесколлекторного электродвигателя в режиме генератора остается открытым вопрос по стабилизации значения выходного напряжения при резком изменении мощности нагрузки и соответственно тока потребления. Например, при долговременном потреблении максимальной мощности генератор выйдет на номинальный режим работы. При резкой остановке БПЛА мощность потребления электродвигателями резко уменьшится в несколько раз. Поскольку генератор будет вращаться относительно быстро, он начнет выдавать повышенное напряжение, способное вывести из строя полезную нагрузку. Для избегания этого явления предложено параллельно нагрузке, подключить буферную LiPo аккумуляторную батарею (АКБ), соответствующего напряжения, мощности и емкости. Так как LiPo аккумуляторная батарея работает в относительно узком диапазоне напряжений 3,3-4,2 В на ячейку при токах заряда до 10С и разряда до 30С в номинальном режиме, то именно эта аккумуляторная батарея и будет играть роль накопителя, буфера, стабилизатора и обеспечивать напряжение опорного уровня. Это позволит:
1. При не работающем генераторе - использовать энергию аккумулятора;
2. При работающем генераторе на малых оборотах - аккумулятор отдает энергию;
3. При работающем генераторе на номинальных оборотах -аккумулятор заряжается, нагрузка питается от генератора;
4. При работе генератора на высоких оборотах - аккумулятор принимает на себя излишки энергии, тем самым ограничивает максимальное напряжение, выдаваемое генератором.
Практически все режимы работы аккумулятора в таком случае являются кратковременными, до выхода генератора на установившийся режим работы (как правило, не более 1-3 сек.) При эксплуатации ГСУ в составе БПЛА желательно удерживать баланс энергии несколько большим 100% в течение длительного времени - всего полета. При отрицательном балансе энергии, менее 80-90% от необходимого, буферная АКБ может полностью разрядиться, что приведет к отказу электроснабжения всего БПЛА. При положительном балансе энергии, более 120-130% от потребляемого может произойти чрезмерный заряд буферной АКБ с последующим выходом ее из строя. Для недопущения этих событий необходимо следить за уровнем баланса энергии и оставлять его в пределах 105-110%.
В состав ГСУ входит управляющий ДВС блок на основе гувернера - контроллера оборотов. В то же время в цепи питания ГСУ установлен литий-полимерный аккумулятор, который в случае превышения мощности, выдаваемой электрогенератором потребляемой мощности БПЛА, берет нагрузку на себя, тем самым производится подзарядка аккумулятора.
Предельные мощностные характеристики ГСУ связаны с максимальными выходными возможностями бесколлекторного электрогенератора. В частности, при работе бесколлекторного электрогенератора Turnigy SK6363 в режиме мотора на напряжении 38 В, максимально допустимый ток составляет 100 А. Таким образом, потребляемая мощность двигателем составляет P=I*U=100*38=3800 Вт. Как уже было сказано выше, при этом электрический двигатель будет вращаться со скоростью 8740 оборотов в минуту. Следуя принципу обратимости электрических машин, можно предположить, что, бесколлекторный электродвигатель, работающий в режиме электрогенератора, будет способен выдать 100 А при подключенной эквивалентной нагрузке в 3800 Вт на оборотах 8740 единиц в минуту. Значение 8740 об./мин округлим до близкого 8500 об./мин, в виду удобства сравнения мощностей. В виду очевидного наличия потерь как на самом бесколлекторном электрогенераторе, так и на блоках выпрямления и стабилизации напряжения, конечные точные выходные значения ГСУ можно будет определить только экспериментально.
Для поддержания нужных оборотов бесколлекторного электрогенератора, выходная мощность ДВС на соответствующих оборотах должна быть не ниже выходной мощности бесколлекторного электрогенератора с учетом потерь.
РДВС≥K*РГСУ
Где К - коэффициент тепловых потерь электрогенератора
Так как зависимость мощности ДВС от оборотов точно не известна, рассмотрим значение оборотов ДВС на номинальном значении - 8500 об./мин. В этом случае мощность ДВС JC120 EVO составляет 12,5 л. с (9350 Вт). Учет тепловых и механически потерь передачи энергии выражен в коэффициенте К, который принимается за 1,3. В итоге условие превышение мощности ДВС выполняется:
9350[Вт]≥1,3*3800[Вт]
9350[Вт]≥4940[Вт]
Вывод: даже с учетом потерь, выходная мощность ДВС превышает потребляемую мощность бесколлекторного электрогенератора в 1,89 раз. Это дает нам потенциальную возможность для подбора более легкого и мене мощного ДВС для ГСУ и как следствие - уменьшение массы и топливо потребления установки.
Предложенный способ буферного применения LiPo аккумуляторной батареи является относительно простым, не затратным и эффективным. В основе лежат серийные и достаточно распространенные узлы. Он был проверен на практике и дал положительные результаты.
Claims (1)
- Способ накопления и стабилизации вырабатываемого напряжения бесколлекторным генератором в составе гибридной силовой установки для получения положительного энергетического баланса, характеризуемый тем, что выход бесколлекторного генератора через выпрямитель подключают к нагрузке, параллельно которой подключают по меньшей мере один буферный литий-полимерный аккумулятор.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018120677A RU2708118C1 (ru) | 2018-06-05 | 2018-06-05 | Способ накопления и стабилизации вырабатываемого напряжения бесколлекторным генератором в составе гибридной силовой установки |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018120677A RU2708118C1 (ru) | 2018-06-05 | 2018-06-05 | Способ накопления и стабилизации вырабатываемого напряжения бесколлекторным генератором в составе гибридной силовой установки |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2708118C1 true RU2708118C1 (ru) | 2019-12-04 |
Family
ID=68836580
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018120677A RU2708118C1 (ru) | 2018-06-05 | 2018-06-05 | Способ накопления и стабилизации вырабатываемого напряжения бесколлекторным генератором в составе гибридной силовой установки |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2708118C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2772759C1 (ru) * | 2021-12-10 | 2022-05-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Привязной коптер |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU63297U1 (ru) * | 2006-12-27 | 2007-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский энергетический институт (технический университет)" (ГОУВПО "МЭИ(ТУ)") | Автономное транспортное средство |
RU2303849C1 (ru) * | 2005-11-01 | 2007-07-27 | Василий Васильевич Шкондин | Бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами |
RU2414778C1 (ru) * | 2009-11-26 | 2011-03-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Буферный накопитель энергии |
-
2018
- 2018-06-05 RU RU2018120677A patent/RU2708118C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2303849C1 (ru) * | 2005-11-01 | 2007-07-27 | Василий Васильевич Шкондин | Бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами |
RU63297U1 (ru) * | 2006-12-27 | 2007-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский энергетический институт (технический университет)" (ГОУВПО "МЭИ(ТУ)") | Автономное транспортное средство |
RU2414778C1 (ru) * | 2009-11-26 | 2011-03-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Буферный накопитель энергии |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2772759C1 (ru) * | 2021-12-10 | 2022-05-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Привязной коптер |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108016623B (zh) | 用于增强主动力装置的系统和方法 | |
US20210039798A1 (en) | Propulsion system and methods of use thereof | |
EP3296212B1 (en) | Aircraft propulsion system | |
US10435169B2 (en) | Hybrid electric drive train for VTOL drones | |
US9677466B2 (en) | Method of managing a power demand for the operation of a pilotless aircraft equipped with an internal combustion engine | |
US10301011B2 (en) | Electrified rotorcraft | |
RU2589532C1 (ru) | Гибридный самолет | |
US20210039802A1 (en) | Hybrid propulsion for an aircraft | |
US10906657B2 (en) | Aircraft system with distributed propulsion | |
AU2018357230B2 (en) | Vertical take-off and landing aircraft and transformation gear sets for same | |
AU2017349625A1 (en) | Hybrid aircraft | |
CN109733621B (zh) | 一种多推进模式的混合动力无人机 | |
CN109094790B (zh) | 一种用于直升机的混合动力系统的功率配置方案及控制方法 | |
US11465518B2 (en) | Charging scheme for electric propulsion systems | |
EP4143085A1 (en) | Hybrid fixed vtol aircraft powered by heavy fuel engine | |
Recoskie et al. | Experimental testing of a hybrid power plant for a dirigible UAV | |
CN117585170A (zh) | 一种分布式多桨垂直起降飞行器混合动力系统及管理方法 | |
RU2708118C1 (ru) | Способ накопления и стабилизации вырабатываемого напряжения бесколлекторным генератором в составе гибридной силовой установки | |
RU2638884C1 (ru) | Гибридная силовая установка для многороторных летающих платформ | |
RU2741136C1 (ru) | Система управления и передачи вращательного момента на винт(ы) в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), стартер-генератор, плата управления стартером-генератором и амортизатор для этой системы | |
US20230299605A1 (en) | Power supply device | |
US20230294837A1 (en) | Power supply device | |
EP4406844A1 (en) | Hybrid propulsion systems with power sharing | |
US20230294834A1 (en) | Power supply device | |
EP4406843A1 (en) | Hybrid propulsion systems with power sharing |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200606 |