CN103618422B - 电磁驱动风扇装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁驱动风扇装置，安装于航空发动机上，包括轮盘、永磁体、风扇叶片、空心圆筒钢架和线圈绕组；所述轮盘为圆筒形状，在其内周上内嵌有圆环形的永磁体以产生对称的四极磁通，并在其外周上固定有多个风扇叶片，从而构成风扇转子；线圈绕组被分相、分组叠压在一起，然后固定在铁心的周向槽或径向轭上，整体构成一个圆环固定在所述圆筒钢架上，从而构成风扇定子，风扇定子配置于风扇转子内，永磁体包裹着线圈绕组，永磁体和线圈绕组之间存在一定尺寸的间隙，构成间隙磁场。本发明可以实现风扇转子驱动电磁化、无轴化，提高风扇的稳定性和可控裕度，大大减轻风扇重量，从而提高航空发动机风扇效率和整机效率，减轻发动机重量和提高推重比。

Description

电磁驱动风扇装置

技术领域

本发明涉及电磁驱动技术领域，具体而言，本发明特别涉及一种电磁驱动风扇装置。

背景技术

未来先进航空发动机将会朝多电或全电技术发展，美、英、法等国都启动了多电发动机研究计划，预计在2015年～2020年得到实际应用。美国在1988年制定的IHPTET计划中，第一次提出研究以磁悬浮轴承为支撑的多电或全电航空发动机，并在10年进展中研制出了满足上天要求的高温磁悬浮轴承系统。该项技术已成为21世纪先进航空发动机的关键高新技术之一。

所谓磁悬浮多电航空发动机，是在航空发动机上用磁悬浮轴承取代传统的滚动轴承，用集成在发动机主轴上的起动/发电机来提供所需的电源，并用全部电气化传动附件取代机械式传动附件，实现发动机和飞机的全电气化传动。NASA的研究结果表明，该技术可将发动机的重量减轻15％并提高5％的效率，而且发动机的可靠性、维护性大大提高，是未来高推重比发动机首选的动力传输方案。

在未来的多电飞机上，飞机的空气起动系统、环境控制系统、机翼防冰系统、刹车系统、机械液压飞行控制系统等都将采用电力驱动，飞机所有电力都由多电发动机提供。除此之外，多电技术能提高发动机的推重比，从而增大军用飞机的武器载荷；可用于生成激光或微波束，作为机载高能束武器的能源；多电发动机还能大大改善未来民用客机的舒适性，满足客户的用电等高品质服务的需要。

由上可知，未来新型航空发动机将会朝多电技术方向发展，航空发动机上嵌套了一个较大功率的集发电机与电动机功用一体的直流电机以满足需要。目前的应用设计方案是将嵌入式起动/发电机和涡轮嵌套在一起，将电枢组件放在涡轮内部，与转轴固定在一起，将轭和励磁组件放在涡轮外部，和机匣壁功用一体。

基于多电飞机和多电发动机技术，有必要开发一种新型的采用电磁驱动方式的风扇装置及系统，目前还未见此种采用电磁方式驱动发动机风扇或压气机的相关报导，其具有技术上的新颖性和可行性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁驱动风扇装置，以实现风扇转子驱动的电磁化、无轴化，提高风扇各项性能。

为了实现上述目的，本发明提供的一种电磁驱动风扇装置的技术方案为：

一种电磁驱动风扇装置安装于航空发动机上，其包括轮盘、永磁体、风扇叶片、空心圆筒钢架、线圈绕组；所述轮盘为圆筒形状，在其内周上内嵌有圆环形的所述永磁体以产生对称的四极磁通，并在其外周上固定有多个所述风扇叶片，从而构成风扇转子；所述线圈绕组被分相、分组叠压在一起，然后固定在铁心的周向槽或径向轭上，整体构成一个圆环固定在所述圆筒钢架上，从而构成风扇定子，所述风扇定子配置于所述风扇转子内，所述永磁体包裹着所述线圈绕组，所述永磁体和所述线圈绕组之间存在一定尺寸的间隙，构成间隙磁场。

优选所述风扇转子包括分别位于所述风扇定子两侧的第一级风扇转子、第二级风扇转子，以构成一低压压气机系统。

分析可知，本发明提供的电磁驱动风扇装置可以实现风扇转子驱动的电磁化、无轴化，提高风扇的稳定性和可控裕度，大大减轻风扇重量，从而提高航空发动机风扇效率和整机效率，减轻发动机重量和提高推重比。

附图说明

图1为本发明实施例的主视结构示意图；

图2为本发明实施例的侧视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明的一实施例包括第一级风扇转子1、第二级风扇转子2、风扇静子3、风扇叶片4、线圈绕组6、轮盘7。第一级风扇转子1、第二级风扇转子2构成航空发动机的低压压气机系统，二者对称地位于一级风扇静子3两侧，并分别包括多个固定于轮盘7圆周的风扇叶片4。轮盘7上内嵌有圆环整体形永磁体以产生对称的四极磁通，线圈绕组6位于永磁体内部，线圈绕组6中通过电流时，电流和永磁体的磁场相互作用产生径向悬浮力，实现两转子的径向稳定悬浮。以永磁无刷直流电机励磁原理为基础，由半导体组成电子开关换向器的无刷驱动，把用作磁场的永磁体作为转子，电枢为定子，变常规转枢式为转场式，通过电励磁的方式来驱动两级风扇转子旋转。通过控制线圈绕组6中电流的大小就可以控制径向悬浮力的大小和风扇转速的大小；通过控制线圈绕组6中电流的方向可以控制风扇转子的旋转方向。

更具体而言，第一级风扇转子1和第二级风扇转子2之间为风扇静子3，风扇静子3有三个方面的作用：一、作为发动机空气流动通道的组成部分；二、作为主要承力部件，发动机转、定子上的所有负荷都通过风扇静子3传给机匣安装节；三、提供两级风扇转子的根部固定和支撑。

无数线圈绕组6被分相、分组叠压在一起，然后固定在铁心的周向槽或径向轭上，整体构成一个圆环。圆环的根部是风扇静子3伸出来的圆筒钢架5，圆筒钢架5内部空心，在保证强度的条件下，可以有效地减轻组件的重量。

风扇叶片4采用榫头形式，如燕尾形榫头，固定在轮盘7上面。与传统发动机风扇不同的是，轮盘7并没有固定在发动机轴上，而是在其内环壁上镶嵌永磁体，永磁体包裹着线圈绕组6，永磁体和线圈绕组6之间存在一定尺寸的间隙，构成间隙磁场。此外，与传统发动机风扇另一个明显不同之处在于，第一级风扇转子1，第二级风扇转子2和一级风扇静子3中心都是空心结构，没有发动机低压转轴系统。并且，第一级风扇转子1和第二级风扇转子2可以实现对转模式，相比传统发动机风扇这是一个进步。

当本发明实施例应用于多电飞机时，其工作过程大致如下：

以多电飞机上嵌套的燃料电池组(发动机稳定工作下已饱和)作电源，向线圈绕组6供电，轮盘7上的永磁体开始励磁，推动第一级风扇转子1、第二级风扇转子2旋转，实现第一级风扇转子1、第二级风扇转子2的起动。同时电源向嵌入式起动/发电机供电，涡轮旋转随后起动。这时就开启整个发动机的工作，随后切断向涡轮供电，单方向往风扇线圈6供电，直到风扇(也即本发明实施例)和涡轮达到慢车转速np，此过程称为起动过程。

风扇和涡轮起动后，发动机空气流动的流场建立。当气流满足燃烧室点火要求时，燃烧室点火，涡轮产生功率加大，接通嵌入式起动/发电机与风扇的供电通道。这样燃料电池和嵌入式起动/发电机两者同时向线圈绕组6供电，风扇转速由慢车转速np继续加速，同时逐步加大燃烧室供油量，直到涡轮功率与压气机功率匹配。此时燃料电池组的电量此时基本耗尽，关闭燃料电池组对风扇的供电，单由嵌入式起动/发电机便可维持风扇的转速n1，风扇进入稳定工况，保持该转速不变。

在风扇稳定工作状态下，增加燃烧室的供油量，涡轮功率增加，转速增加，从而嵌入式起动/发电机的功率也相应增加。这时保持风扇电流大小不变，接通燃料电池和嵌入式起动/发电机的传输通道，从而可实现对燃料电池的充电。

风扇的定位调节是依靠磁场力来进行精确定位。当风扇在轴向方位某侧出现细微的偏摆角时，就通过多电发动机的分布式控制系统进行反馈，适当增大通过该侧的电流，增加相斥电磁力，从而使风扇的偏摆角归为零，实现风扇运转的稳定定位。另一方面，风扇转速的变化也是通过分布式控制系统来控制电流的大小，从而实现转速的调节。

当传统发动机进行节流时，或是由不同的工作状态切换时，很容易破坏压气机(风扇)和涡轮的共同工作线，造成压气机喘振的发生。而本发明实施例由于取消了轴传动系统，将不受同涡轮匹配和共同工作的约束，喘振发生的机率很小，同时由于风扇的轮盘上固定了永磁体，其自振频率相应提高，机械振动发生的可能性更不容易出现。

而当电磁风扇由于某种原因出现喘振时，传感器发出喘振信号，这时只需通过瞬间加大通过风扇的电流，提高风扇的转速，就自动退出喘振。这种调节由于不属于机械调节，采用电磁感应调节，具有快速、精确、全自动化的优点。

应注意，由于风扇功率较大，所以整个电磁系统的负荷较大，导致电流比较大，从而在线路上的电压降、能量耗散相对直流电机来说更大，需要对线圈绕组6进行有效地散热保护。

本发明实施例不仅如上所述适用于航空发动机的低压压气机，同样可以满足高压压气机的需要；不仅能够应用于军用无人机、教练机和战斗机，也可以推广到民用燃气轮机、商务机、公务机和大型客机上。

综上，本发明具有的优点：

结构简单，重量大大减轻。航空发动机采用本发明，由传统的机械传动改为电磁驱动，其最突出的结构特点是：无轴化设计，即去除了发动机传动主轴，同时也去除了鼓筒、轴承、油路润滑等一系列复杂结构。这些金属结构相比本发明采用的线圈绕组和永磁体，尺寸大、重量非常笨重。因此，本发明可以使发动机部件重量得到明显的减轻。

可靠性和维护性大大提高。采用本发明，航空发动机可以去除发动机传动主轴，就不必去考虑主轴、轮盘、轴承等的强度问题，极大地降低了结构设计的复杂难度，对提高可靠性是有益的，另外还降低了风扇转子和静子的安装和拆卸难度，维护性更加方便。

发动机推重比得到提高。推重比是发动机最重要的性能参数。本发明在提供等量的功率和推力下，其重量可以大大减轻，从而发动机的推重比得到了明显的提高。

对转风扇提升发动机压缩效率。本发明的转速大小和方向可以实现灵活、快速调节，从而可以实现发动机压气机的对转模式，对提高压气机的压缩效率、减少压气机级数，间接减少发动机重量和提高推重比，有重要的意义。

应力集中效应明显减弱。由于叶片旋转产生的离心力较大，传统发动机上，轮盘盘心的应变大，应力集中，一般需要采用“鼓加强盘”的措施来提高强度和稳定性。在本发明中，永磁体固定在轮盘内壁，其重量和向心性就能起到类似的作用，应力集中效应明显减弱。

提高发动机工作的喘振裕度。本发明由于取消了轴传动系统，将不受同涡轮匹配和共同工作的约束，喘振发生的机率很小，而当本发明由于某种原因出现喘振时，传感器发出喘振信号，这时只需通过瞬间加大通过电磁风扇的电流，提高转速，就可以自动退出喘振。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (2)

1.一种电磁驱动风扇装置，安装于航空发动机上，其特征在于：包括轮盘、永磁体、风扇叶片、空心圆筒钢架和线圈绕组；所述轮盘为圆筒形状，在其内周上内嵌有圆环形的所述永磁体以产生对称的四极磁通，并在其外周上固定有多个所述风扇叶片，从而构成风扇转子；所述线圈绕组被分相、分组叠压在一起，然后固定在铁心的周向槽或径向轭上，整体构成一个圆环固定在所述圆筒钢架上，从而构成风扇定子，所述风扇定子配置于所述风扇转子内，所述永磁体包裹着所述线圈绕组，所述永磁体和所述线圈绕组之间存在一定尺寸的间隙，构成间隙磁场。

2.根据权利要求1所述的电磁驱动风扇装置，其特征在于：所述风扇转子包括分别位于所述风扇定子两侧的第一级风扇转子、第二级风扇转子，以构成一低压压气机系统。