ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТРАНСМИССИИ ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ БОЕВЫХ МАШИН

Рон Хэр и Алан Лосе, представители группы "деренс системз" фирмы Fмс

 

 

Новые требования к передаче мощности и появление в настоя­щее время быстродействующих мощных полупроводниковых приборов обеспечили конкурентоспособность электрических трансмиссий для боевых машин по сравнению с механическими, а во многих отноше­ниях даже имеют превосходство над ними. Эти достижения позво­лили решить проблему, связанную с внедрением электрических пе­редач в боевых машинах, так как эти приборы значительно повы­сили эффективность и надежность узлов конструкции, не обходных для Функционирования электрических приводов.

Так как электрическая энергия распределяется с помощью гибких кабелей, генераторы, контроллеры и тяговые электродви­гатели могут размещаться вне зависимости друг от друга. Вытекающая из этого свобода компоновки обеспечивает возможность решения многих противоречивых требований в конструкции боевой ма­шины.

Более того, принятие концепций электрических приводов зависит от уровня появляющихся технологий. В боевой машине буду­щего топливные элементы будут превращать топливо непосредствен­но в электрическую энергию, удваивая экономию топлива. Полу проводниковая технология уменьшит габариты и повысит эффективность электрического привода. Мощность для вооружения направленной энергии, электромагнитных пушек и электромагнитной брони будет подаваться тем же источником энергии, который приводит в дейст­вие гусеницы.

Батареи с высокой плотностью энергии будут накапливать энергию, вырабатываемую во время снижения скорости и маневров при спусках, для использования ее во время разгона, преодоления подъема, высокоманевренных действий и скрытных действий. Между тем система распределения электрической энергии будет постоянно регистрировать команды членов экипажа и незамедли­тельно распределять вырабатываемую и накопленную энергию туда, где она может использоваться лучше всего.

Датчики на гусенице будут оптимизировать подвижность в ус­ловиях труднопроходимой местности, и обеспечивать управляемые ускорение при разгоне, замедление при торможении и повороты. Раздельные пульты управления машиной позволят' членам экипажа, размещенным в башне, управлять машиной в условиях ограниченной видимости; будет вмонтирован командный интерфейс дистанцион­ного управления.

Ясно, что электрические приводы будут доминировать в облас­тях приведения боевой машины в движение и распределения энергии. Так в настоящее время началось состязание за передачу в произ­водство первой боевой гусеничной машины с электроприводом и высокими характеристиками. Концепция "полностью электрического танка", показанная на рисунке ниже, основана на имеющейся в настоящее время технологии, включая электрические двигатели.

 

концепция полностью электрического танка

Особенностями этой концепции полностью электрического танка, основанной на современной технологии, являются элект­рические приводы гусеницы и накопление импульсной энергии для электромагнитных орудий и брони:

1 - башня с электроприводом; 2 - двига­тели электрических приводов; 3 - схема формирования и мпульсов и аккумуляторная батарея; 4 - двигатель/генератор мощ­ностью 1500 л.с.; 5 - электромагнитная броня; 6 - электромагнитная пушка

 

Развитие технологии

Преимущества движения с помощью электродвигателя известны разработчикам трамваев с начала века. Этот вид движения был принят для таких транспортных средств, так как электрическая энергия может эффективно распределяться по подвесным проводам или по третьим (контактным) рельсам. Однако не легко было использовать системы электродвигателей нас высокоманевренных гусеничных боевых машинах, хотя они использовались на некоторых ранних танках.

В случаях применения в средствах низкой маневренности, таких как трамваи, железнодорожные локомотивы и средства минирования, где полная эффективность и отношения габаритов и массы менее важны, скорость и крутящий момент электродвигателя и могут контролироваться относительно легко с помощью простых  систем регулирования. Использование же систем регулирования, основанных на обычных технических решениях, в гусеничных маши­нах привело к созданию систем движения, которые не могли состя­заться с механическими системами по общим характеристикам и эф­фективности.

В прошлом электронные приборы не могли легко регулировать быстроменяющееся потребление мощности на ведущих колесах. Вот почему электронные регуляторы мощности переменного тока прошло­го состояли из больших рядов тиристоров со сложной схемой переключения. В установках, разрабатываемых ранее для исследова­тельских целей с электрическими приводами, большое количество функциональных узлов и выделение тепла приводили к частым отказам электроприводов. Это негативный опыт привел к заключе­нию, что электрические приводы еще не готовы к конкуренции с их более надежными эффективными механическими передачами.

В последние пять лет разработка новых систем управления скоростью и крутящим моментом двигателя, а также повышение характеристик мощных полупроводниковых приборов значительно изменили ситуацию. Системы регулирования электродвигателей переменного тока, разработанные специально для использования в  боевых машинах и имеющие повышенную работоспособность, в настоящее время достаточно малы и эффективны, по массе и габаритам близки к механическим приводам. А новые микропроцессорные Системы управления придает электрической трансмиссии гибкость и ряд других преимуществ.

Ранний вариант системы электрической трансмиссии был создан, чтобы доказать, что боевые машины с электрическими трансмиссиями могут быть более маневренными, более надежными и эффективными, чем гусеничные машины с механическими трансмиссиями. Отдельные электродвигатели приводят в действие каждое ведущее колесо; генератор переменного тока с приводом от двигателя размещен за панелями с правого борта машины. Хотя с виду система проста, потребовались годы для разработки, чтобы довести электрическую трансмиссию до уровня требуемых характеристик и надежности.

 

Гибкость конструкции

В механических трансмиссиях необходимость точной центровки агрегатов с жесткой связью приводных валов накладывает ограничения при компоновке. Более того, жесткая связь агрегатов приводит к большим объемам моторно-трансмиссионной установки.

В электрической трансмиссии соединение агрегатов посредством гибких кабелей обеспечивает разработчикам значительно боль­шее количество вариантов для размещения основных элементов трансмиссии. Это, возможно, единственный способ обеспечить машине с высокой мощностью силовой установки живучесть, низкий  профиль и более прочную броню. На рисунке ниже сравниваются основные элементы силовой установки, которые могут быть соединены гибкими кабелями в электрических приводах с их механическими эквивалентами с жестким соединением приводных валов.

 

Механические трансмиссии имеют точную центровку соединений. Их устранение в электрических приводах обеспечивает конструкции большую гибкость

 

Механические трансмиссии имеют точную центровку соединений. Их устранение в электрических приводах обеспечивает конструкции большую гибкость:

I - механические приводы: 1 - двигатель; 2 - трансмиссия; 3 - гидротрансформатор; 4 - многоступенчатая зубчатая передача/ фрикционы; 5 - рычаги управления; 6 - гидростатические дифференциалы механизма поворота; 7 - тормоза; 8 - органы управления движением; 9 -универсальный шарнир; 10 - бор­товая понижающая передача; 11 - левая гусеница; 12 - правая гусеница;

II - электрические приводы: 1-двигатель; 2 - генератор; 3 - электрическая силовая шина; 4 - контроллер системы; 5 - органы управления движением; 6 - мощностомерный мост; 7 - электродвигатель; 8 - бортовая понижающая передача; 9 - левая гусеница; 10 - правая гусеница; а - механическое соединение; б - элект­рическое соединение

 

Электрическая трансмиссия обеспечивает унификацию шасси для все возрастающего разнообразия боевых машин. Для всех компоновок в данной категории по, массе приводной двигатель, электронная аппаратура, генераторы и органы управления могут быть идентичными. Для других категорий по массе уровни мощности могут легко регулироваться путем изменения габаритов электродвигателя и количества модулей котроллера мощности.

Унифицированное шасси с электрическими приводам может быть приспособлено к переменам по массе и дифференту, являющимся результатом изменений полезной нагрузки или модуля боевой задачи, путем перекомпоновки основных элементов. Многочисленные компоновки двигателя/генератора (которые практически возможны за счет легкости, с которой могут комбинироваться многочисленные источники электрической энергии) превышают гибкость и живучесть конструкции, обеспечивая больший полезный объем.

Реальными стали также компоновка машин о задним приводом/задним входом. Для БМП будущего с высокой живучестью будут необходимы приводы гусениц с задним расположением ведущих колес, чтобы обеспечить установку усиленной лобовой брони. Фирма FMC использовала электродвигатель высокой удельной мощности и гибкость размещения элементов, свойственную конструкциям электрических приводов, для разработки концепций ма­шины с задним приводом и с входом для личного состава с кормы. На рисунке ниже показана одна из возможных компоновок для БМП буду­щего.

 

Концепция БМП с усиленной лобовой броней, с входом для личного состава с кормы и с задними ведущие колесами

Концепция БМП с усиленной лобовой броней, с входом для личного состава с кормы и с задними ведущие колесами:

1 - двигатель/генератор переменного тока; 2 - лобовая броня; 3 - электродвигатель/ бортовая передача

 

Пульты управления движением удобны для выполнения боевых задач, требующих точного маневрирования, или управления в условиях ограниченной видимости. Они могут быть сравнительно легко обеспечены в системах электрических приводов путем электрического соединения пульта управления с блоком данных/управления машины. показана колонка управления водителя, установленная для оценки в испытательную установку с электрической трансмиссией фирмы FMC. Колонка управления ^обеспечивает полное управление разгоном, поворотом и торможением.

 

 

Характеристики

Основной причиной, превосходящих характеристик электрической трансмиссии является эффект "бесступенчатой передачи". Нет никакого выключения сцепления или переключения передач, просто ровная непрерывная подача мощности к гусеницам.

Во время испытаний испытательная установка с электрической трансмиссией легко превзошла по разгону и маневренности БТР М-113АЗ с механическими приводами, хотя обе машины были приведены в соответствие друг другу по мощности, максимальной скорости и массе. На рисунке ниже показано, почему это произошло. Мощность, реализуемая для подвижности в системах электрических приводов, значительно выше в диапазоне скоростей 0-20 миль/ч, где разгон и подвижность в действительности имеют значение.

 

Сравнение мощности при полной нагрузке, получаемой от гидродинамической и электрической трансмиссий

Сравнение мощности при полной нагрузке, получаемой от гидродинамической и электрической трансмиссий, показывает, что у электрической трансмиссии получена большая реализация мощности:

1 - реализуемая мощность (%); 2 - скорость машины (миль/ч); 3 – отдаваемая мощность двигателя; 4 - реализуемая мощность на ведущем колесе (ограниченная скольжением гусеницы); 5 - дополнительная мощность для большей подвижности; 6 - элек­трический привод; 7 – механический привод

 

Так как двигатель не имеет жесткой связи с ведущими колесами, частота вращения его вала не зависит от скорости машины. Таким образом, система имеет полный контроль над режимом рабо­ты двигателя. В нее также подается информация о потребной мощности для электродвигателя. Это означает, что двигатель работает с заданным уровнем мощности. Система же управления обеспечивает работу двигателя в зоне топографической характеристики с наименьшим расходом топлива.

В электрических трансмиссиях вспомогательное оборудова­ние приводится в действие от электродвигателей, что исключает наличие механических связей с двигателем внутреннего сгорания. Устранение этих механических связей повышает простоту и надежность. Более того, мощность, подаваемая к электродвигателям вспомогательных приводов, всегда находится под полным контролем системы. Например, при высоких окружающих температурах вентиляторы в боевых машинах обычно потребляют 15 процентов полной мощности двигателя. Системы управления электрическими трансмиссиями могут легко модулировать мощность двигателя вентиляторов до минимальной требуемой, снижая расход топлива и шум и сохраняя больше мощности, реализуемой для подвижности.

Оценки эффективности элементов и систем силовых установок показывают, что эффективность механических и электрических в узком смысле сравнима. Однако в обычно используемых механических трансмиссиях тяговая мощность ограничивается эксплуатационным числом оборотов двигателя, которое значительно ниже около точек переключения передач.

В рабочих условиях машины с электрическими, и механическими трансмиссиями должны иметь подобную эффективность силовых установок, во время длительных маршей по дорогам, где скорости машин становятся умеренными, а преобразователь крутящего момента большую часть времени находится в стабилизированном виде. Однако системы с электрическими приводами будут более эффективными в условиях, где требуются маневренность и высокие тяговые усилия, таких как холмистая местность и грязь. Дальнейшее совершенствование электрических трансмиссий будет иметь направление обеспечения работы двигателя с наименьшим расходом топлива и рациональным регулированием потребляемой мощности вспомогательными приводами.

Другим преимуществом электрической трансмиссии является ее способность накапливать и снова использовать мощность, создаваемую во время торможения. Эта особенность особенно пригодна для таких машин, как полностью электрический танк, который имеет на борту накопители энергии.

Полный контроль над крутящим моментом и скоростью каждого гусеничного электродвигателя означает, что быстрота поворота также будет высокой на всех скоростях. В гусеничной машине с электрической трансмиссией электродвигатель отстающего борта замедляет гусеницу, образуя электрическую мощность, которая используется электродвигателем забегающего борта. Рекуперация мощности от гусеницы отстающего борта непрерывно меняется и, в отличие от рекуперации мощности, получаемой у гусеничных машин с механической трансмиссией, является независимой от скорости машины. В боевых машинах с электрическими трансмис­сиями любое частное положение органа управления поворотом на постоянный радиус обеспечивается при всех скоростях ма­шины, сообщая водителю ощущения, подобные ощущениям при управ­лении автомобилем при движении как вперед, так и назад. Этого нельзя достичь в гусеничных машинах с механическими трансмис­сиями.

 

Другие особенности

Электрические трансмиссии будут включать в программное обеспечение управления силовой установкой алгоритмы предупреж­дения юза и буксирования гусениц для улучшения характеристик разгона, торможения и поворота в условиях скользкой местности.

Энергия, накапливаемая в конденсаторах или батареях, бу­дет обеспечивать возможность совершать движение на определен­ное расстояние, если двигатель вышел из строя, и бесшумное действие, когда требуется скрытность. В большинстве случаев не будет требоваться никакого отдельного вспомогательного блока питания.

Мощностью вспомогательного оборудования будут управлять, чтобы направлять всю имеющуюся энергию на короткие периоды времени к электродвигателя, обеспечивая, новые уровни под­вижности на поле боя.

Машины будут иметь выбор эксплуатационных режимов. Командир машины сможет выбрать оптимизированные топливную экономичность, подвижность, бросок до укрытия, устойчивость корпуса, ходовые качества, тепловую сигнатуру или другие качества. Может использоваться все, что может измеряться, чтобы помочь работе системе управления.

Будут постоянно осуществляться электрические и тепловые измерения, которые обеспечат работу трансмиссии в пределах допустимых параметров. Диагностические и прогностические алгоритмы обеспечат уменьшение вероятности многих режимов отказов и будут обеспечивать техническое обслуживание и ремонт многих элементов электрических трансмиссии в полевых условиях.

В качестве вариантов будут использоваться модули для управления движением, так как нет механических рычажных систем управления. Замена модуля для управления движением обеспечит возможность полностью дистанционного управления с одного или более удаленных мест.

Бортовая электросистема может действовать как генераторная станция постоянной частоты для подачи больших количеств электрической энергии для РЛС. Электроэнергия с многих машин могла бы даже соединяться для подачи чрезвычайно высоких мощностей для оружия направленного действия будущего.

 

Безопасность

"Когда идет дождь, мы все попадаем на электрический стул?" - такова была общая первоначальная реакция при обсуждении электрических трансмиссий. Однако электросистемы боевых машин во многих отношениях менее опасны, чем домашняя и промышленная системы электроснабжения.

Причина заключается в том, что заземление используется в качестве общей точки соединения для распределения электрической энергии в домашних и промышленных системах.

Так как стоячая вода почти всегда замыкается на землю путем контакта либо с заземленными вертикальными устройствами, либо непосредственно с землей, она обеспечивает эффективный электрический контур в случае случайного контакта с "высокоактивным" проводником во время нахождения его в воде или эффективного соединения с землей каким-нибудь другим способом.

Проводники под напряжением в системах электрических приводов боевых машин не будут соединяться с корпусом или землей. Если проводник случайно замыкается на корпус, автоматическое устройство немедленно отключает питание этой цепи.

Для безопасности защита всех соединений от случайных кон­ов и воды является практической необходимостью. Боевые машины требуют специальной заботы, чтобы избегать электрической проводимости через стоячую воду или жидкую грязь. Проводники будут проходить в машине высоко и все электрические соединения будут заключены в водонепроницаемо кожухи.

Для безопасности обслуживания будут обеспечены механические блокировки и другие устройства. За многие десятилетия анализ электрической безопасности кораблей с электроприводами, дизель-электрических локомотивов, трамваев и средств минирования дал превосходные результаты.

 

Восприимчивость к электромагнитным помехам

Сильные токи и быстрое переключение подсистем электрических приводов являются потенциальным источником электромагнитных помех (EMI). Большое внимание к заземлению и экранированию предотвратит образование путей, излучающих помехи. Подавление электромагнитных помех является критической частью любой программ разработки электрических трансмиссий.

Для выживаемости токонесущие проводники следует защищать от осколков и размещать в машине в малоуязвимых местах.

 


Электрооборудование

В противоположность электродвигателям, электрическим генераторам для боевых машин не надо подавать мощность в диапазоне экстремальных скоростей и крутящих моментов, В результате для этого могут использоваться серийные генераторы.

Выбрать приводные электродвигатели для электрических трансмиссий боевых машин значительно сложнее, чем задать крутящий момент, скорость и габариты. Приводные электродвигатели гусениц должны обладать способностью работать при достаточно высоких крутящих моментах и малых скоростях движения. Они должны обеспечить движение боевой машины на максимальной скорости с требуемой силой тяги и еще иметь достаточную резервную мощность для быстрых поворотов.

Электродвигатели должны вырабатывать энергию так же эффективно, как и потребляют. Для максимальной гибкости конструкции следует избегать таких вещей, как поперечные валы рулевых механизмов и диапазоны многоступенчатых передач. А это очень трудная задача.

Типы электродвигателей сильно отличаются по характеристикам и управляемости. Например, униполярные электродвигатели работают при низких напряжениях, что повышает безопасность системы. Синхронные электродвигатели и электродвигатели с постоянным магнитом не вырабатывают энергии, которая может использоваться для поворота и торможения ниже определенных диапазонов скоростей, и обычно являются дорогостоящие, другие электродвигатели не могут обеспечивать высокие крутящие мо­менты при малых скоростях без дополнительного устройства.

Одним из немногих типов электродвигателей, которые будут удовлетворять требованиям гусеничных боевых машин, явля­ется высокоскоростной асинхронный электродвигатель. Асинхрон­ные электродвигатели являются представителям зрелой технологии, и их механическая простота обеспечивает высокую надежность и низкую стоимость. Бронетанковое и автотракторное командование армии США использовало асинхронные электродвигатели в 1965г. для первой машины-испытательной установки с электрической силовой установкой. Номинальные мощности и плотности мощности этих двигателей достаточно высоки для практического применения в электрических приводах гусеничных боевых машин.

 

Электронное управление мощностью

Выбор асинхронных электродвигателей и индивидуальных приводов ведущих колес означает, что вся постоянная мощность и мощность для поворота должны проходить через электронную аппаратуру управления. В тяжелых боевых машинах полная электрическая мощность в диапазоне 1 МВт должна распределяться точно и эффективно для немедленного удовлетворения команд водителя по управлению переходной мощностью поворота и торможения, а также установившейся тягой вперед или назад. Концепции полностью электрического танка требуют также управления и распределения мощности другим потребителям электрической энергии в машине.

Технология полупроводниковых приборов является достиже­нием, которое сделало возможным практическое использование электрических приводов в боевых машинах. Хотя полупровод­никовых приборов мегаваттного уровня еще нет. 1/3-МВт блоки электронной аппаратуры управления уже прошли успешные испы­тания для применения в боевых машинах.

Будущее полупроводниковых приборов высокой мощности блес­тящее. Усовершенствования характеристик и уменьшенные стоимости осуществлялись параллельно с лучше рекламируемыми усовершенствованиями кристаллов ЭВМ. В развитии мощных полупро­водниковых приборов, как и в промышленности вычислительных средств, наметилась тенденция, по крайней мере, вдвойне улучшать характеристики каждый год. Пока не появятся приборы мегаваттного уровня, все требования могут удовлетворяться параллельными соединениями более малых приборов.

Следует еще исследовать все преимущества этой передовой технологии. По мере накопления опыта разработки узлов конструкции все больше появится положительных особенностей. И когда будут продемонстрированы преимущества по надежности, характеристикам и унификации, электрические трансмиссии станут такими же преобладающими в боевых машинах, какими они являются в настоящее время в отраслях минирования, городского и железнодорожного транспорта.