CN109398725B

CN109398725B - 具有冷却系统的轴向分段式外转子永磁电机螺旋桨

Info

Publication number: CN109398725B
Application number: CN201811574453.XA
Authority: CN
Inventors: 井永腾; 于占洋; 李岩; 王凯东; 杜建民; 王紫丞
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2022-05-06
Anticipated expiration: 2038-12-21
Also published as: CN109398725A

Abstract

本发明涉及一种具有冷却系统的轴向分段式外转子永磁电机螺旋桨，螺旋桨连接在机壳上，机壳的一侧通过后端盖封闭，后端盖固定有后端盖风扇，机壳的另一侧固定有前端盖，转子轭部连接在机壳的内周，转子轭部的内侧设有多排周向均匀分布的块状的永磁体，永磁体的内侧设有定子，定子连接在定子支架内环上，前端盖连接在套管上，并与套管一起过盈配合在轴承上，前端盖固定有前端盖风扇，支撑轴穿过轴承、套管和前端盖、前端盖风扇与轴承内圈和定子支架固定在一起，支撑轴轴心设有用于穿过导线的导线孔，导线孔通过密封塞密封，电机壳体内腔充满变压器油。本发明减少了定子铁心损耗和永磁体涡流损耗、更有效地散热。

Description

具有冷却系统的轴向分段式外转子永磁电机螺旋桨

技术领域

本发明涉及直升机螺旋桨领域，尤其涉及一种电动直升飞机用具有冷却系统的轴向分段式外转子永磁电机螺旋桨。

背景技术

由于稀土永磁电机具有体积小、重量轻、优良的控制特性等一系列优点，稀土永磁电机的技术发展迅速，在航空航天领域显示出广泛的应用前景和强大的生命力。电动直升飞机是以电能替代其他形式次级能源的飞机，是未来飞机发展的必然趋势。随着全世界石油资源的枯竭，石油价格不断的上涨，各国能够利用的石油资源也迅速减少；另一方面随着燃油不断的使用，导致了全球温室效应、雾霾等严重的气候问题，迫切需要开发出节能环保的新能源电动直升机，节能环保的新能源电动直升机的开发具有非常重要的现实意义。但由于永磁电机机壳与螺旋桨一起旋转，永磁电机的散热条件较差，如不能及时对电机进行散热将会对电机安全性能和稳定性能造成严重威胁，甚至烧坏电机。因此，需要设计一套合理的冷却系统结构对电动直升飞机螺旋桨的永磁电机进行散热，使永磁电机处于合适的运行温度范围内，防止运行出现故障，保障电机安全可靠地运行。

发明内容

发明目的

本发明提供一种具有冷却系统的轴向分段式外转子永磁电机螺旋桨，针对电机在运行时会存在温度过高的问题，采用了轴向分段式的电机拓扑结构，减少了定子铁心损耗和永磁体涡流损耗，同时该结构能够对直升飞机用永磁电机进行更有效地散热，使永磁电机处于合适的运行温度范围内，防止运行出现故障，保障电机安全可靠地运行，保障电机的安全性能和稳定性能。

技术方案

一种具有冷却系统的轴向分段式外转子永磁电机螺旋桨，其特征在于：包括螺旋桨、电机壳体、定子、转子、风扇和支撑轴；所述电机壳体包括机壳和端盖，端盖又包括前端盖和后端盖，螺旋桨周向均匀的连接在机壳上，机壳的一侧通过后端盖封闭，后端盖位于电机壳体内腔固定有后端盖风扇，机壳的另一侧固定有前端盖，转子包括转子轭部和永磁体，转子轭部连接在机壳的内周，转子轭部的内侧设有多排周向均匀分布的块状的永磁体，每一排的永磁体轴向位置皆是相对应的，周向及轴向相邻的永磁体之间留有空隙，永磁体的内侧设有定子，定子包括定子绕组和环形的多排定子铁心，所述多排定子铁心每排的定子铁心之间垫有垫块，每排定子铁心从一侧到另一侧依次旋转相同角度，多排定子铁心的定子齿形之间成定子斜槽，定子绕组穿过定子斜槽缠绕在多排定子铁心的定子齿上，多排定子铁心的内侧设有定子支架，定子支架外圈结构为多排定子支架外环，多排定子支架外环的排数与多排定子铁心的排数相同，并紧贴于多排定子铁心的内周，缠绕有定子绕组的多排定子铁心的两侧紧贴设有定子铁心前端部挡板和定子铁心后端部挡板，通过周向均匀分布的端部压紧块将定子铁心前端部挡板和定子铁心后端部挡板固定在缠绕有定子绕组的多排定子铁心两侧，每个端部压紧块径向皆连接有支架辐条，每个支架辐条的另一端皆连接在定子支架内环上，前端盖连接在套管上，并与套管一起过盈配合在轴承上，前端盖位于电机壳体内腔固定有前端盖风扇，支撑轴穿过轴承、套管和前端盖、前端盖风扇与轴承内圈和定子支架固定在一起，支撑轴轴心设有用于穿过导线的导线孔，导线孔通过密封塞密封，电机壳体内腔充满变压器油。

所述机壳内周设有限位凸起，转子轭部外周设有与限位凸起相匹配的扣片槽，转子轭部通过限位凸起和扣片槽卡接在机壳的内周。

所述转子轭部包括多排相同的转子轭，相邻转子轭之间垫有转子垫块，转子轭部的两侧分别设有环形的截面似“工”型的机腔前端工型垫块和机腔后端工型垫块，机腔前端工型垫块的另一侧紧贴在前端盖上，机腔后端工型垫块的另一侧紧贴在后端盖上，将转子轭部轴向固定。

所述转子轭周向均匀开有用于镶嵌永磁体的镶嵌槽，永磁体是安装固定在镶嵌槽内的。

所述前端盖风扇和后端盖风扇的风扇叶片是相反角度朝向的，以便旋转时产生相向的油压，形成油路。

所述前端盖和后端盖与机壳连接处的内圈皆设有一圈截面为半圆形的端盖胶条槽，端盖胶条槽塞有挤压密封胶条用于密封。

所述挤压密封胶条截面圆心处设有挤压内腔，挤压密封胶条截面外周圈设有多个均布的密封凸起。

每个斜槽最两侧的定子齿总的旋转量为一个齿距。

优点及效果

1.定子支架不是实心结构，由一个定子支架内环、多个定子支架外环和连接支架内外环间的多根放射状辐条组成，定子支架由铝合金整体铸造而成，电机内部结构更为紧凑和合理，在减轻电机重量的同时保证电机结构符合性能要求，提高电机内部空间利用率。

2.本发明的冷却系统是封闭式的，并且能够保证电机壳体内腔中的变压器油的顺利流通，将电机内部的热量传递到电机外部，具有良好的冷却效果，风扇的尺寸大小和形状由电机的内部结构和工作特性决定。

3.由于直升飞机用永磁电机的热源主要集中在定子铁心和绕组上，通过定子铁心轴向上的分段结构，可以通过油内冷冷却方式将定子铁心和绕组中间部位产生的热量及时带走，并通过端盖和机壳将热量传递出去，可以有效地降低电机温升，使电机全域温升分布更为均匀。

4.电动直升飞机用轴向分段式结构，降低了定转子铁心上的铁损耗和永磁体上的涡流损耗，有效的抑制了永磁电机的局部温升过高；同时定子铁心采用斜槽结构，降低了齿槽转矩，有利于电机平稳运行。

附图说明

图1是本发明从下侧看到的立体示意图；

图2是本发明去掉螺旋桨的立体结构分解图；

图3是定子支架的立体示意图；

图4是定子部分的立体示意图；

图5是机壳的立体示意图；

图6是螺旋桨的立体示意图；

图7是本发明内部结构的示意图；

图8二分之一转子部分立体示意图；

图9二分之一机腔前端工型垫块立体示意图；

图10是没有定子支架的内部结构剖视示意图；

图11是A处结构放大的示意图；

图12是A处没有挤压密封胶条时的结构示意图；

图13是挤压密封胶条的结构示意图；

图14斜槽原理示意图。

附图标记说明：

1.密封塞、2.导线孔、3.支撑轴、4.套管、5.轴承、6.前端盖、7.前端盖风扇、8.定子支架、9.定子支架内环沉孔、10.定子支架内环、11.多排定子支架外环、12.支架辐条、13.支架外环固定横梁、14.端部压紧块、15.定子铁心前端部挡板、16.定子绕组、17.多排定子铁心、18.垫块、19.定子铁心后端部挡板、20.转子轭部、21.永磁体、22.后端盖风扇、23.机壳、24.后端盖、25.螺旋桨、26.机壳沉孔、27.螺旋桨沉孔、28.电机壳体内腔、29.转子垫块、30.机腔前端工型垫块、31.机腔后端工型垫块、32.扣片槽、33.限位凸起、34.端盖胶条槽、35.挤压密封胶条、36.挤压内腔、37.密封凸起。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9所示，一种具有冷却系统的轴向分段式外转子永磁电机螺旋桨，包括螺旋桨25、电机壳体、定子、转子、风扇和支撑轴3；电机壳体包括机壳23和端盖，端盖又包括前端盖6和后端盖24，机壳23周圈设有与机壳23一体的连接部位，连接部位有机壳沉孔26、螺旋桨25的端部有与连接部位相匹配的形状，设有螺旋桨沉孔27，螺栓穿过机壳沉孔26和螺旋桨沉孔27将二者固定在一起，螺旋桨25周向均匀的连接在机壳23上，机壳23的一侧通过后端盖24封闭，后端盖24与机壳通过螺丝固定在一起，后端盖24位于电机壳体内腔28焊接有后端盖风扇22，机壳23的另一侧同样通过螺丝固定有前端盖6，转子包括转子轭部20和永磁体21，机壳23内周设有限位凸起33，转子轭部20外周设有与限位凸起33相匹配的扣片槽32，转子轭部20通过限位凸起33和扣片槽32卡接在机壳23的内周。转子轭部20包括多排相同的转子轭(本实施例为5排)，相邻转子轭之间垫有转子垫块29，转子轭部20的两侧分别设有环形的截面似“工”型的机腔前端工型垫块30和机腔后端工型垫块31，机腔前端工型垫块30的另一侧紧贴在前端盖6上，机腔后端工型垫块31的另一侧紧贴在后端盖24上，将转子轭部20轴向固定，优选的，机腔前端工型垫块30和机腔后端工型垫块31为有弹性的材料，通过一定的压紧量达到固定的目的。转子轭部20的内侧设有多排周向均匀分布的块状的永磁体21(本实施例为5排)，转子轭周向均匀开有用于镶嵌永磁体21的镶嵌槽，永磁体21是安装在镶嵌槽内的。每一排的永磁体21轴向位置皆是相对应的，周向及轴向相邻的永磁体21之间留有空隙，永磁体21的内侧设有定子，定子包括定子绕组16和环形的多排定子铁心17，多排定子铁心17每排的定子铁心之间垫有垫块18，垫块18与定子铁心点焊，可以更加牢固，每排定子铁心从一侧到另一侧依次旋转相同角度，多排定子铁心17的定子齿形之间成定子斜槽，定子绕组16穿过定子斜槽缠绕在多排定子铁心17的定子齿上，多排定子铁心17的内侧设有定子支架8，定子支架8外圈结构为多排定子支架外环11，多排定子支架外环11的排数与多排定子铁心17的排数相同，并紧贴于多排定子铁心17的内周，缠绕有定子绕组16的多排定子铁心17的两侧紧贴设有定子铁心前端部挡板15和定子铁心后端部挡板19，通过周向均匀分布的端部压紧块14将定子铁心前端部挡板15和定子铁心后端部挡板19固定在缠绕有定子绕组16的多排定子铁心17两侧(本实施例为3个压紧块)，连接完成压紧块后，每个端部压紧块14径向再焊接有支架辐条12，每个支架辐条12的另一端皆焊接在定子支架内环10上，定子支架内环10周圈设有定子支架内环沉孔9，用于固定支撑轴3。前端盖6过盈配合并焊接在套管4上，并与套管4一起过盈配合并焊接在轴承5的外周上，前端盖6位于电机壳体内腔28焊接固定有前端盖风扇7，支撑轴3穿过轴承5、套管4和前端盖6、前端盖风扇7与轴承5内圈过盈配合固定并焊接和定子支架8螺接固定在一起，支撑轴3轴心设有用于穿过导线的导线孔2，导线孔2通过密封塞1塞入密封，电机壳体内腔28充满变压器油，未免变压器油渗漏，组装后要先检查一遍，如有泄漏点要及时使用软性密封材料密封并焊接或铆接固定。前端盖风扇7和后端盖风扇22的风扇叶片是相反角度朝向的，前后风扇同时旋转，形成相向的油压，促使变压器油在电机内部空间中循环流动。

如图10、图11、图12和图13所示，前端盖6和后端盖24与机壳23连接处的内圈皆设有一圈截面为半圆形的端盖胶条槽34，端盖胶条槽34塞有挤压密封胶条35用于密封。挤压密封胶条35截面圆心处设有挤压内腔36，挤压密封胶条35截面外周圈设有多个均布的密封凸起37，可以有效防止液体渗漏。

如图14所示的斜槽示意图，由于永磁电机开槽的原因，当转子发生转动时永磁体的侧面与其对应定子齿间的磁导将会发生较大改变，随着磁场中储能的不断变化，齿槽转矩将会随之产生。齿槽转矩T_cog通常可定义成磁场储能W对定转子相对位置α(即磁极与定子齿中线的夹角)的负导数。

式中，W—电机内部磁场能量；

α—即磁极与定子齿中线的夹角。

为了便于研究，做以下假设：

(1)电枢铁心的磁导率无穷大，即μ＝∞；

(2)θ＝0的位置设定在任意磁极的中心线上；

(3)永磁体材料的磁导率与真空下的磁导率相同。

由公式(1)可知，对气隙磁场能量求导可以对永磁电机的齿槽转矩进行初步的计算，磁场存储的能量看成永磁和气隙两者之和，即：

式中，μ₀—空气磁导率；

θ—电机沿圆周角度；

B(θ,α)—不同位置下的气隙磁密；

V—体积；

W_air—气隙中磁场存储的能量；

W_pm—永磁体中磁场存储的能量。

该能量W_air由永磁电机的结构、永磁体和定子齿的相对位置等因素决定。对于任一位置α，气隙径向磁密由以下公式表示：

式中，B_r(θ)—永磁体剩磁沿圆周方向的分布；

δ(θ,α)—气隙长度沿圆周方向的分布；

h_m(θ)—永磁体充磁方向长度。

根据公式(2)和(3)可得：

若能得到

和

的傅里叶的展开表达式，就可以得到永磁电机内的磁场能量，进而可以得到永磁电机的齿槽转矩的表达式，对

进行傅里叶展开，假设齿中心线位于θ＝0位置处。那么在[-π/z，π/z]内的傅里叶展开式为：因此对二者进行傅里叶展开可得：

式中：

式中，p—永磁体极对数；

B_r0—傅里叶分解后的基波分量；

B_rn—傅里叶分解后的各次谐波幅值；

G₀—傅里叶分解后的基波分量；

G_n—傅里叶分解后的各次谐波幅值；

α_p—极弧系数；

B_r—永磁体剩磁密度；

z—定子槽数；

θ₀—弧度制表示的槽口宽度；

θ₁—弧度制表示的齿距；

b₀—定子槽口宽度；

k₁、k₂、k₃和k₄—中间变量；

h_m—永磁体厚度；

m和n—表示正整数。

当不考虑斜槽时的齿槽转矩表达式，当m≠n(m＝1,2,3…)时，三角函数在[0，2]内的积分满足：

将式(4)、(5)和(6)代入到(1)中，并结合公式(15)可得齿槽转矩的表达式为：

式中，L_a—电枢铁心轴向长度，在本专利中指的是电机轴向有效长度；

R₁—电枢内径；

R₂—电枢外径；

当定子斜槽时，齿槽转矩表达式如下：

式中，N_s—电枢所斜槽数；

N_p—极数同槽数与极数的最大公约数比值；

GCD—槽数z与极数2p的最大公约数。

由公式(17)可知，要消除齿槽转矩中的第n次谐波，

必须为0，即N_s为1/n的整数倍。在选择N_s时，首先要削弱次数为N_p的齿槽转矩，即

因此理论上斜槽一个齿距就可以完全消除齿槽转矩。

通过对永磁同步电机齿槽转矩的解析计算，得到齿槽转矩的影响因素，本发明中将定子铁心每个斜槽最两侧的定子齿总的旋转量为一个齿距，以减少齿槽转矩对电动直升飞机用永磁电机平稳运行带来的影响。

Claims

1.一种具有冷却系统的轴向分段式外转子永磁电机螺旋桨，其特征在于：包括螺旋桨、电机壳体、定子、转子、风扇和支撑轴；所述电机壳体包括机壳和端盖，端盖又包括前端盖和后端盖，风扇包括前端盖风扇和后端盖风扇，螺旋桨周向均匀的连接在机壳上，机壳的一侧通过后端盖封闭，后端盖位于电机壳体内腔固定有后端盖风扇，机壳的另一侧固定有前端盖，转子包括转子轭部和永磁体，转子轭部连接在机壳的内周，转子轭部的内侧设有多排周向均匀分布的块状的永磁体，每一排的永磁体轴向位置皆是相对应的，周向及轴向相邻的永磁体之间留有空隙，永磁体的内侧设有定子，定子包括定子绕组和环形的多排定子铁心，所述多排定子铁心沿轴向排列且每排的定子铁心之间垫有垫块，每排定子铁心从一侧到另一侧依次旋转相同角度，多排定子铁心的定子齿形之间成定子斜槽，定子绕组穿过定子斜槽缠绕在多排定子铁心的定子齿上，多排定子铁心的内侧设有定子支架，定子支架外圈结构为多排定子支架外环，多排定子支架外环的排数与多排定子铁心的排数相同，并紧贴于多排定子铁心的内周，缠绕有定子绕组的多排定子铁心的两侧紧贴设有定子铁心前端部挡板和定子铁心后端部挡板，通过周向均匀分布的端部压紧块将定子铁心前端部挡板和定子铁心后端部挡板固定在缠绕有定子绕组的多排定子铁心两侧，每个端部压紧块径向皆连接有支架辐条，每个支架辐条的一端连接在相应的端部压紧块上，每个支架辐条的另一端皆连接在定子支架内环上，前端盖连接在套管上，并与套管一起过盈配合在轴承上，前端盖位于电机壳体内腔固定有前端盖风扇，支撑轴穿过轴承、套管和前端盖、前端盖风扇与轴承内圈和定子支架固定在一起，支撑轴轴心设有用于穿过导线的导线孔，导线孔通过密封塞密封，电机壳体内腔充满变压器油；

所述机壳内周设有限位凸起，转子轭部外周设有与限位凸起相匹配的扣片槽，转子轭部通过限位凸起和扣片槽卡接在机壳的内周；

所述转子轭部包括多排相同的转子轭，所述多排相同的转子轭沿轴向排列，相邻转子轭之间垫有转子垫块，转子轭部的两侧分别设有环形的截面为“工”型的机腔前端工型垫块和机腔后端工型垫块，机腔前端工型垫块的一侧紧贴在转子轭部的一侧，机腔前端工型垫块的另一侧紧贴在前端盖上，机腔后端工型垫块的一侧紧贴在转子轭部的另一侧，机腔后端工型垫块的另一侧紧贴在后端盖上，将转子轭部轴向固定；

2.根据权利要求1所述的具有冷却系统的轴向分段式外转子永磁电机螺旋桨，其特征在于：所述前端盖风扇和后端盖风扇的风扇叶片是相反角度朝向的。

3.根据权利要求1所述的具有冷却系统的轴向分段式外转子永磁电机螺旋桨，其特征在于：所述前端盖和后端盖与机壳连接处的内圈皆设有一圈截面为半圆形的端盖胶条槽，端盖胶条槽塞有挤压密封胶条用于密封。

4.根据权利要求3所述的具有冷却系统的轴向分段式外转子永磁电机螺旋桨，其特征在于：所述挤压密封胶条截面圆心处设有挤压内腔，挤压密封胶条截面外周圈设有多个均布的密封凸起。

5.根据权利要求1所述的具有冷却系统的轴向分段式外转子永磁电机螺旋桨，其特征在于：每个斜槽最两侧的定子齿总的旋转量为一个齿距。