CN107117326A - 基于永磁电磁混合制动的航母阻拦系统、装置及制动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于永磁电磁混合制动的航母阻拦系统、装置及制动机，制动机包括两个制动单元，每个制动单元的定子包括均为金属导磁材料的外层和内层和非导磁材料的中层部，线圈缠绕于外层和内层之间的空隙，永磁体和转子导磁齿分设于线圈两侧，永磁体可在定子内通过气缸调节其在定子内的位置。本发明通过调节永磁体工作个数和线圈电流大小改变磁场强度，从而达到调节阻拦索力的大小，且利用循环水冷却装置散热，散热效果好。
Description
技术领域
本发明属于航母舰载机着舰拦阻技术领域，尤其是涉及一种基于永磁与电磁混合制动的航母阻拦系统及其阻拦装置。
背景技术
现代固定翼舰载机飞行速度约200-300km/h，为使其在长度有限的航母甲板上安全着舰，必须安装航母阻拦系统。
现有技术中大多数航母采用液压缓冲式阻拦装置，它包含多种精密控制阀，动密封等，结构复杂，成本高昂，同时耗去大量电力，技术难度大。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种结构简单，成本低廉，控制方便，响应速度快，力矩可调，且耗电少的基于永磁与电磁混合制动的航母阻拦系统及其阻拦装置，以解决上述技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于永磁电磁混合制动的航母阻拦制动机，包括对称设置于一根传动轴的两个液冷式永磁制动单元，每个液冷式永磁制动单元包括定子、转子和线圈，所述定子固定不动且相对传动轴转动连接，转子与传动轴相固定；
所述转子设有沿圆周分布的导磁齿；
所述定子包括均为圆筒形的外层和内层，其中外层和内层均为金属导磁材料；外层套于内层之外，两者之间存有间隙，
所述线圈缠设于所述间隙的中部，转子的导磁齿嵌入所述间隙且位于线圈的一侧，线圈另一侧的间隙中设有分别与定子的外层的内表面和内层的外表面相贴合的中层部，中层部为金属非导磁材料；
所述定子内部开设有至少一圈永磁部容纳孔圈，且每圈包括以传动轴为圆心均布的多个永磁部容纳孔，每个永磁部容纳孔的轴心位于传动轴的径向方向，每个永磁部容纳孔由开设于定子外层的上部盲孔、贯通开设于中层部的中部通孔和开设于定子内层的下部盲孔拼接组成；定子外层设有与上部盲孔孔顶贯通的气管快插接头，定子内层设有与下部盲孔孔底贯通的气管快插接头；
每个永磁部容纳孔中容纳有一永磁部，所述永磁部包括衔铁和容纳于衔铁内的永磁体；永磁部能在永磁部容纳孔中沿传动轴的径向移动，且下部盲孔的孔深长度与中部通孔的长度之和大于永磁部的长度；
且永磁部的永磁体的长度满足以下条件：当永磁部顶端抵顶上部盲孔的孔顶时，永磁体的上、下两端部分别嵌入上部盲孔、下部盲孔内。
进一步，转子通过连接件与传动轴相固定。
进一步，导磁齿之间还设有加强筋。
进一步，所述转子导磁齿的齿顶圆弧与所述定子外层内表面圆弧之间保持约1.5毫米的间隙；所述转子导磁齿的齿底圆弧与所述定子内层外表面圆弧之间保持约1.5毫米的间隙。
进一步，定子还设有为定子降温的水冷机构。
进一步，所述水冷机构包括：定子外层表面有进出水口，内部有冷却水道；定子内层表面有进出水口，内部也设有冷却水道。
本发明还提出了基于永磁电磁混合制动的航母阻拦装置，包括左右布置的两台上述的基于永磁电磁混合制动的航母阻拦制动机。
本发明还提出了基于永磁电磁混合制动的航母阻拦系统，包括上述的基于永磁电磁混合制动的航母阻拦装置。
进一步，本系统还包括中央集中控制器、气缸系统、复位装置、速度采集装置、可调支撑、包含水冷机构的循环水冷却装置、滑轮缓冲装置、拉力传感器、阻拦索、滑轮；
循环水冷却装置通过其水冷机构为阻拦装置散热，防止制动力矩热衰退，增强其持续制动能力；
复位装置对阻拦后的阻拦索进行回收复位，为下次着舰做准备；
中央集中控制器电连接拉力传感器、复位装置、阻拦装置、气缸系统，实现对阻拦索系统进行实时控制。
进一步，中央集中控制器通过气缸控制阻拦装置中的永磁体工作个数，调节力矩大小，拉力传感器将信号传给中央集中控制器，中央集中控制器对线圈电流进行控制。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明的阻拦装置，结构简单，耗电量少且控制方便。阻拦索带动制动机转子旋转，转子导磁齿位于定子内层和外层之间，定子内部均匀放置永磁体，并且有冷却水道，转子随传动轴转动时，与导磁齿正对的定子表面受磁力线切割而产生电涡流，从而在定子表面产生热量，这些热量最后通过冷却水道中的冷却水带走，本发明就是利用这种原理不断地消耗和转化飞机的机械能，从而起到制动的作用。
本发明的阻拦索绕在制动机的传动轴上，结构简单；制动机采用液冷式永磁电磁混合制动机，结构简单，可靠性高；制动机转子转动惯量小，对传动系统影响小；正常状态下利用永磁体提供磁场基本不耗电使阻拦系统有较快的制动响应，工作状态时永磁体和线圈同时工作提供磁场，同时可以调节永磁体工作个数和线圈电流大小改变磁场强度，从而达到调节阻拦索力的大小，利用循环水冷却装置散热，散热效果好。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种基于永磁电磁混合制动的航母阻拦索系统示意图；
图2为制动机处于工作状态时的剖视示意图；
图3为制动机在阻拦索复位时永磁体处于非工作状态的剖视示意图；
图4为制动机主要结构参数示意图；
图5为制动机转子结构示意图；
图6为制动机定子的剖视图，此时永磁体处于工作状态位置。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明的基于永磁电磁混合制动的航母阻拦系统，如图1所示，其包括中央集中控制器(1)、气缸系统(2)、复位装置(3)、速度采集装置(4)、阻拦装置(5)、可调支撑(6)、循环水冷却装置(7)、滑轮缓冲装置(8)、拉力传感器(9)、阻拦索(10)、滑轮(11)；
循环水冷却装置(7)主要用于为阻拦装置(5)散热，防止制动力矩热衰退，增强其持续制动能力；复位装置(3)对阻拦后的阻拦索进行回收复位，为下次着舰做准备；中央集中控制器电连接拉力传感器(9)、复位装置(3)、阻拦装置、气缸系统，实现对阻拦索系统进行实时控制。
所述阻拦装置包含左右两台制动机，每台制动机包括对称设置于一根传动轴(59)的两个液冷式永磁制动单元，每个液冷式永磁制动单元包括定子、转子和线圈，所述定子固定不动且相对传动轴转动连接，转子通过连接件与传动轴相固定，转子(5.7)随传动轴(58)一起旋转；两根阻拦索(10)的一端分别绕在对应的传动轴(58)上；
所述转子(57)设有沿圆周分布的导磁齿(571)；较佳的，导磁齿(571)之间还设有加强筋(572)；
所述定子包括均为圆筒形的外层和内层，其中外层和内层均为金属导磁材料；外层套于内层之外，两者之间存有间隙，
所述线圈(56)缠设于所述间隙的中部，转子的导磁齿(571)嵌入所述间隙且位于线圈的一侧，线圈另一侧的间隙中设有分别与定子的外层的内表面和内层的外表面相贴合的中层部(54)，中层部为金属非导磁材料；
所述定子内部开设有至少一圈(本实施例为两圈)永磁部容纳孔圈，且每圈包括以传动轴为圆心均布的多个永磁部容纳孔，每个永磁部容纳孔的轴心位于传动轴的径向方向，每个永磁部容纳孔由开设于定子外层的上部盲孔(521)、贯通开设于中层部的中部通孔(541)和开设于定子内层的下部盲孔(581)拼接组成；定子外层设有与上部盲孔(521)孔顶贯通的气管快插接头(51)，定子内层设有与下部盲孔(581)孔底贯通的气管快插接头；
每个永磁部容纳孔中容纳有一永磁部，所述永磁部包括衔铁(53)和容纳于衔铁(53)内的永磁体(55)；永磁部能在永磁部容纳孔中沿传动轴的径向移动，且下部盲孔(581)的孔深长度与中部通孔(541)的长度之和大于永磁部的长度；且永磁部的永磁体(55)的长度(H)满足以下条件：(如图2和图4所示)即当永磁部顶端抵顶上部盲孔(521)的孔顶时(永磁部及其永磁体处于工作位置)，永磁体的上、下两端部分别嵌入上部盲孔(521)、下部盲孔(581)内；
定子还设有为定子降温的水冷机构，本实施例的水冷机构包括：定子外层表面有进出水口，内部有冷却水道；定子内层表面有进出水口，内部也设有冷却水道。
所述转子(57)导磁齿位于定子内层与外层之间，定子外层内表面与内层外表面均受磁力线切割。所述转子(57)导磁齿的齿顶圆弧与所述定子外层内表面圆弧之间保持约1.5毫米的间隙；所述转子(57)导磁齿的齿底圆弧与所述定子内层外表面圆弧之间保持约1.5毫米的间隙。
本系统的工作原理如下：
当飞机着舰并钩住阻拦索时，会带动传动轴(59)转动，同时转子(57)也随之旋转；此时因永磁体(55)根据舰载机的重量对应的个数处于工作位置，磁力线形成回路，同时与导磁齿正对的定子表面受磁力线切割并产生电涡流，从而产生阻碍转子(57)持续转动的阻力矩，该阻力矩通过传动轴(59)传递到甲板阻拦索上，形成对舰载机的制动力，同时中央集中控制器根据拉力传感器的信号对对应的制动机线圈电流进行控制，线圈磁路通过永磁体，并且磁路和永磁体磁路相同，相应的会加强该制动机的磁场，力矩同时相应的增加，对应的阻拦索拉力相应增加可对舰载机进行纠偏；
制动时，由于电涡流只在定子上产生，因而只有定子上产生热量，这些热量通过定子外层和内层的冷却水道中的冷却水带走；
不需要制动时，停止对线圈供电，阻拦索复位时需完全关闭制动机，通过气缸控制永磁体到图3位置，因为下部盲孔(581)的孔深长度与中部通孔(541)的长度之和大于永磁部的长度，永磁部完全处于下部盲孔(581)和中部通孔(541)的孔内，永磁部及其永磁体完全脱离了上部盲孔(521)的范围，而中层部又是非导磁材料，从而使磁力线无法形成回路，定子表面就不会产生电涡流，即不会产生制动力矩。
正常状态永磁体处于工作位置，同时根据舰载机的重量可通过气缸控制永磁体工作个数调节力矩大小，拉力传感器将信号传给中央集中控制器，中央集中控制器对线圈单个制动机内线圈电流进行控制实现对阻拦索系统进行实时控制。
液冷式永磁制动单元的应用实例：
转子与定子材料采用低碳钢，气隙长度1.5mm。其它主要参数如下：定子外层外径R0＝1500mm；定子外层内径R1＝1410mm；定子内层外径R2＝1320mm；定子内层内径R3＝1220mm,R4＝1092mm；制动机宽度w＝475mm；导磁齿齿数z＝90齿；永磁体直径D1＝112mm，永磁t体高度H＝170mm；永磁体共60个；四个液冷式永磁制动单元总重约44吨。
通过仿真计算得当所有永磁体都处于工作位置时，能产生的平均制动力F≈1300kN；假设舰载机重量m＝30000kg，着舰速V0＝83.3m/s，不考虑偏心、偏航、空气阻力、摩擦力等因素时；通过计算得：平均减速度a＝43.3m/s2；制动时间t＝1.92s，制动距离s＝80.0m。中央集中控制柜可以通过调节电流，调节制动时间和制动距离。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于永磁电磁混合制动的航母阻拦制动机，其特征在于：包括对称设置于一根传动轴(59)的两个制动单元，每个制动单元包括定子、转子和线圈，所述定子固定不动且相对传动轴转动连接，转子与传动轴相固定；
所述转子(57)设有沿圆周分布的导磁齿(571)；
所述定子包括均为圆筒形的外层和内层，其中外层和内层均为金属导磁材料；外层套于内层之外，两者之间存有间隙，
所述线圈(56)缠设于所述间隙的中部，转子的导磁齿(571)嵌入所述间隙且位于线圈的一侧，线圈另一侧的间隙中设有分别与定子的外层的内表面和内层的外表面相贴合的中层部(54)，中层部为金属非导磁材料；
所述定子内部开设有至少一圈永磁部容纳孔圈，且每圈包括以传动轴为圆心均布的多个永磁部容纳孔，每个永磁部容纳孔的轴心位于传动轴的径向方向，每个永磁部容纳孔由开设于定子外层的上部盲孔(521)、贯通开设于中层部的中部通孔(541)和开设于定子内层的下部盲孔(581)拼接组成；定子外层设有与上部盲孔(521)孔顶贯通的气管快插接头(51)，定子内层设有与下部盲孔(581)孔底贯通的气管快插接头；
每个永磁部容纳孔中容纳有一永磁部，所述永磁部包括衔铁(53)和容纳于衔铁(53)内的永磁体(55)；永磁部能在永磁部容纳孔中沿传动轴的径向移动，且下部盲孔(581)的孔深长度与中部通孔(541)的长度之和大于永磁部的长度。
2.根据权利要求1所述的基于永磁电磁混合制动的航母阻拦制动机，其特征在于：永磁部的所述永磁体(55)的长度满足以下条件：当永磁部顶端抵顶上部盲孔(521)的孔顶时，永磁体的上、下两端部分别嵌入上部盲孔(521)、下部盲孔(581)内。
3.根据权利要求1所述的基于永磁电磁混合制动的航母阻拦制动机，其特征在于：导磁齿(571)之间还设有加强筋(572)。
4.根据权利要求1所述的基于永磁电磁混合制动的航母阻拦制动机，其特征在于：所述转子(57)导磁齿的齿顶圆弧与所述定子外层内表面圆弧之间保持约1.5毫米的间隙；所述转子(57)导磁齿的齿底圆弧与所述定子内层外表面圆弧之间保持约1.5毫米的间隙。
5.根据权利要求1所述的基于永磁电磁混合制动的航母阻拦制动机，其特征在于：定子还设有为定子降温的水冷机构。
6.根据权利要求1所述的基于永磁电磁混合制动的航母阻拦制动机，其特征在于：所述水冷机构包括：定子外层表面有进出水口，内部有冷却水道；定子内层表面有进出水口，内部也设有冷却水道。
7.基于永磁电磁混合制动的航母阻拦装置，其特征在于：包括左右布置的两台如权利要求1所述的基于永磁电磁混合制动的航母阻拦制动机。
8.基于永磁电磁混合制动的航母阻拦系统，其特征在于：包括如权利要求7所述的基于永磁电磁混合制动的航母阻拦装置。
9.根据权利要求8所述的基于永磁电磁混合制动的航母阻拦系统，其特征在于：包括中央集中控制器(1)、气缸系统(2)、复位装置(3)、速度采集装置(4)、可调支撑(6)、包含水冷机构的循环水冷却装置(7)、滑轮缓冲装置(8)、拉力传感器(9)、阻拦索(10)、滑轮(11)；
循环水冷却装置(7)通过其水冷机构为阻拦装置(5)散热；
复位装置(3)对阻拦后的阻拦索进行回收复位；
中央集中控制器电连接拉力传感器(9)、复位装置(3)、阻拦装置、气缸系统，实现对阻拦索系统进行实时控制。
10.根据权利要求9所述的基于永磁电磁混合制动的航母阻拦系统，其特征在于：中央集中控制器通过气缸控制阻拦装置(5)中的永磁体工作个数，调节力矩大小，拉力传感器将信号传给中央集中控制器，中央集中控制器对线圈电流进行控制。
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- 2017-06-07 CN CN201710424536.XA patent/CN107117326A/zh active Pending
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