Разработка электрической винто-моторной группы для лёгкого летательного аппарата

ФОРМУЛИРОВКА ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАДАЧИ
Разработка Российской, авиационной винто-моторной установки (ВМГ) для лёгких летательных аппаратов. Мощность электрического двигателя 15-20 кВт. Электрический двигатель вентильного типа с постоянными магнитами. Предполагается проработка вариантов с водяным охлаждением и принудительной смазкой подшипников. После изготовления, двигатель пройдёт стендовые испытания с воздушным винтом. В перспективе будет осуществлена установка ВМГ на лёгкий самолёт и лётные испытания.

Общая схема винто-моторной установки
.
Технические характеристики:
Мощность-15кВт
Частота вращения- 2800-3000об/мин
Напряжение- 75В
Ток- 200-300А
Вес двигателя- 4кг
Диаметр воздушного винта- 1000-1200мм
Количество лопастей- 2-3

Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками (ротор – магниты, статор – обмотки). В коллекторном двигателе наоборот, обмотки находятся на роторе. Из конструкции двигателя удаляется довольно сложный, требующий обслуживания и искрящий узел – коллектор. Конструкция двигателя существенно упрощается, становится легче и компактнее. Уменьшаются потери на коммутацию, поскольку контакты коллектора и щетки заменяются электронными ключами. В итоге получаем электродвигатель с наилучшими показателями КПД и показателем мощности на килограмм собственного веса, с широким диапазоном изменения скорости вращения. На практике бесколлекторные двигатели греются меньше, чем коллекторные. Переносят большую нагрузку по моменту. Применение мощных магнитов сделали бесколлекторные двигатели еще более компактными. Такая конструкция двигателя позволяет эксплуатировать его в агресивных средах.
Бесколлекторные двигатели с постоянными магнитами

Контроллер для бесколлекторного двигателя
Контроллер коммутирует определённое количество обмоток статора таким образом, что вектор магнитных полей ротора и статора ортогональны. При помощи ШИМ (широтно-импульсной модуляции) контроллер совершает управление протекающим через двигатель током и регулирует момент, воздействующий на ротор. Коммутацию следует производить таким образом, чтобы Ф0 (поток возбуждения ротора) поддерживался относительно потока якоря постоянным. При взаимодействии такого возбуждения и потока якоря формируется вращающий момент М, стремящийся развернуть ротор и параллельно обеспечить совпадение возбуждения и потока якоря. Однако во время поворота ротора происходит переключение различных обмоток под воздействием датчика положения ротора, в результате чего поток якоря разворачивается по направлению к следующему шагу. Результирующий вектор сдвигается и становится неподвижным по отношению к потоку ротора, что создаёт необходимый момент на валу электродвигателя.

Литий-полимерный аккумулятор (Li-pol) — это более совершенная конструкция литий-ионного аккумулятора. В качестве электролита используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя.
Преимущества
* Большая плотность энергии на единицу объёма и массы;
* Низкий саморазряд;
* Толщина элементов от 1 мм;
* Возможность получать очень гибкие формы;
* Незначительный перепад напряжения по мере разряда.
* Диапазон рабочих температур литий-полимерных аккумуляторов довольно широкий: от −20 до +40 °C по данным производителей.
Литий-полимерный аккумулятор

Во время нашего проекта мы познакомились с конструкциями воздушного винта и самолета, разобрали типы существующих двигателей, получили навык пайки. А также побывали на экскурсиях в МАИ и СКБ МАМИ, где были ознакомлены с металлообработкой, станками, типами соединений деталей и композитными технологиями.
Теоретические и практические занятия

По прототипу и расчётным способом были выбраны габариты и характеристики электродвигателя.
Проектирование

Изготовление деталей (фото изготовленного статора и магнитопровода)
Статор состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы по периметру сердечника.

Испытания
После изготовления ВМГ создаётся программа испытаний. ВМГ устанавливается на моментный испытательный стенд, где снимаются электрические характеристики, механическая мощность электродвигателя. При установке нескольких воздушных винтов, измеряется тяга. В случае получения необходимых характеристик для полёта летательного аппарата принимается решение об установке ВМГ на летательный аппарат.