CN110739789A - 斜式散热片外转子电机和平流层飞艇 - Google Patents

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高鸿启
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Abstract

本发明提供一种斜式散热片外转子电机，包括内定子组件、外转子组件、电机控制器、内定子固定装置和外转子支撑装置；所述外转子组件包括外转子、设置在外转子内表面上的永磁铁块、第一盖板和第二盖板，所述第一盖板和第二盖板分别固定在外转子沿轴向方向的两端，外转子、第一盖板和第二盖板形成腔室，并将内定子组件包围；第一盖板与外转子支撑装置连接；所述外转子的外表面设置成斜式散热片的形状，或所述外转子组件还包括斜式散热片，所述散热片固定在外转子的外表面；内定子固定装置与内定子组件连接；外转子转动时，斜式散热片形状的外转子外表面或斜式散热片随着外转子转动，并形成固定方向的第一气流；所述电机控制器设置在所述第一气流的下游。

Description

斜式散热片外转子电机和平流层飞艇
技术领域
本发明涉及散热领域，具体涉及平流层飞艇的电机散热。
背景技术
平流层飞艇在平流层环境下飞行时，由于空气稀薄致使空气的流动散热效果较差，其推进系统的电动机散热是一个亟待解决的问题。
传统电机散热方法通常需要增加一个风机和一个风道来提高空气流动散热效率，但因此增加了重量和能耗，增强了系统的复杂性。
目前在研的平流层飞艇推进电机多采用永磁铁内转子方式，这种电机的内转子永磁铁受热后热量继续在密闭的电机定子腔内很不容易导出，造成内转子的温度很高，如果温度超过永磁铁的最高工作温度，永磁铁易在高温下退磁，这种情况的出现将使平流层飞艇推进系统彻底丧失推进动力。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
本发明为研制平流层飞艇推进系统的电动机，解决在平流层环境下平流层飞艇电机本体的散热问题，提高转子永磁铁的退磁温度临界点并解决电机控制器的散热问题。
本发明提供一种斜式散热片外转子电机，包括内定子组件、外转子组件、电机控制器、内定子固定装置和外转子支撑装置；
所述外转子组件包括外转子、设置在外转子内表面上的永磁铁块、第一盖板和第二盖板，所述第一盖板和第二盖板分别固定在外转子沿轴向方向的两端，外转子、第一盖板和第二盖板形成腔室，并将内定子组件包围；第一盖板与外转子支撑装置连接；所述外转子的外表面设置成斜式散热片的形状，或所述外转子组件还包括斜式散热片，所述散热片固定在外转子的外表面；
内定子固定装置与内定子组件连接；
外转子转动时，斜式散热片形状的外转子外表面或斜式散热片随着外转子转动，并形成固定方向的第一气流；
所述电机控制器设置在所述第一气流的下游。
外转子外表面的斜式散热片形状或斜式散热片随着外转子转动能够增加冷空气对散热片表面的流速，带走更多的热量；同时，在转动的过程中形成第一气流，第一气流能够冷却放置在第一气流下游的电机控制器。
进一步的，所述内定子组件包括内定子和设置在内定子上的内定子齿槽绕组。
进一步的，所述内定子固定装置包括内定子轴固定支撑架、内定子轴和内定子轴轴承，内定子轴穿过第二盖板的中心处，并连接内定子轴固定支撑架和内定子组件，内定子轴轴承设置在内定子轴上，并固定在第二盖板上。
更进一步的，所述内定子轴轴承采用向心推力轴承。向心推力轴承能够同时承受范围较大的径向力和轴向力，适用于需要轴向力的飞艇电机上。内定子轴轴承的内圈与内定子轴固定连接，外圈与出风口风扇固定连接，电动机转动时，内定子轴轴承内圈与内定子轴固定不动，内定子轴轴承外圈随第二盖板转动。
进一步的，所述外转子支撑装置包括外转子轴固定支撑架、外转子轴和外转子轴轴承，外转子轴固定在第一盖板的中心处，连接第一盖板和外转子轴固定支撑架，外转子轴轴承设置在外转子轴上并固定在外转子轴固定支撑架上。
更进一步的，所述外转子轴轴承采用向心推力轴承。向心推力轴承能够同时承受范围较大的径向力和轴向力，适用于需要轴向力的飞艇电机上。外转子轴轴承的内圈与外转子轴固定连接，外圈与外转子轴固定支撑架固定连接，电机转动时，外转子轴轴承内圈与外转子轴随第一盖板转动，外转子轴轴承外圈与外转子轴固定支撑架固定不动。
更进一步的，所述第一盖板和外转子轴一体成型。
进一步的，所述第一盖板和第二盖板均为带有桨叶的风扇，第一盖板和第二盖板随外转子转动形成固定方向的第二气流，所述气流从第一盖板进入腔室，并从第二盖板排出腔室。将外转子两端的盖板设置为带有桨叶的风扇形式，第一盖板和第二盖板随着电机外转子的转动，第一盖板吸进冷空气，冷空气进入外转子、第一盖板和第二盖板形成的腔室内，冷却腔室内的内定子、内定子齿槽绕组和永磁铁块，冷空气经过热量交换后形成热空气，热空气从第二盖板排出腔室。通过这种方式，使外转子腔体内的空气强迫对流，起到了通风散热的作用。
更进一步的，所述第一气流方向和第二气流方向一致。第一气流和第二气流的方向一致，同时对电机控制器进行外表面强制对流冷却。
更进一步的，所述第一盖板包括外圈扇叶、中圈加强筋和内圈扇叶；中圈加强筋设置在外圈扇叶和内圈扇叶之间。中圈加强筋用于增强第一盖板的机械强度和刚度。
更进一步的，所述第二盖板包括外圈扇叶、中圈加强筋、内圈扇叶、内圈加强筋和轴孔；轴孔设置在第二盖板中心处，内圈加强筋设置在内圈扇叶和轴孔之间，中圈加强筋设置在外圈扇叶和内圈扇叶之间。内圈加强筋和中圈加强筋用于增强第二盖板的机械强度和刚度。
进一步的，所述永磁铁块采用钕铁硼永磁铁块或钐钴永磁铁块。
更进一步的，所述永磁铁块采用钐钴永磁铁块。钕铁硼永磁铁块的最大磁能积为260BHmax/(kj/m2)，最高工作温度为150℃。虽然钐钴永磁铁块的最大磁能积为200BHmax/(kj/m2)，但是其最高工作温度为300℃，使电机可以在更恶劣的热环境条件下工作。
进一步的，所述外转子的外表面的斜式散热片的形状和所述斜式散热片均包括两片以上的叶片，所述叶片与外转子旋转轴之间的角度为45°以上且小于90°或大于270°且在315°以下。
外转子旋转方向与第一气流方向按右手定则，右手大拇指指向为第一气流的方向，右手其他手指指向为叶片旋转方向，则叶片与外转子旋转轴之间的角度为45°以上且小于90°。外转子旋转方向与第一气流方向按左手定则，左手大拇指指向为第一气流的方向，左手其他手指指向为叶片旋转方向，则叶片与外转子旋转轴之间的角度大于270°且在315°以下。
更进一步的，所述叶片与外转子旋转轴之间的角度为60°或300°。如果叶片与外转子旋转轴之间的夹角小，则叶片的迎风角度大，则外转子旋转需要克服的空气阻力较大。与螺旋桨的浆矩原理基本一致，叶片与外转子旋转轴之间的角度为60°或300°能够达到的效果最佳。
更进一步的，所述叶片采用涡轮叶片。
本发明还提供一种平流层飞艇，包括所述的斜式散热片外转子电机。
本发明的有益效果是：
本发明采用永磁电机转子外置的方式，将转子作为外转子便于永磁铁块的散热，其优越性有如下几点：
1、在电机外转子的外表面设置斜式散热片或直接将电机外转子的外表面加工成斜式散热片形状，增大外转子对外辐射面积，可以更好的向外空深冷处辐射热量。
2、随着外转子的转动，斜式散热片形状和斜式散热片随着外转子转动的过程中形成空气流，增加散热片表面的冷空气流速，带走更多的热量。
3、斜式散热片形状和斜式散热片随着外转子转动的过程中形成空气流，对放置在空气流下游的电机控制器进行冷却。
4、采用钐钴永磁铁块，最高工作温度为300℃，使电机可以在更恶劣的环境条件下工作，防止永磁铁块的退磁。
5、将第一盖板和第二盖板设置成带有桨叶的风扇，冷却腔室内内定子、内定子齿槽绕组和永磁铁块。
6、第一盖板和第二盖板形成的第二气流冷却电机控制器。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是实施例1的外转子电机结构示意图；
图2是实施例1的外转子7的结构示意图；
图3是实施例1第一盖板的结构示意图；
图4是实施例1第二盖板的结构示意图；
图5是实施例2的外转子电机结构示意图；
图6是实施例2的外转子7和斜式散热片13的结构示意图；
其中，1—内定子轴固定支撑架，2—内定子轴，3—内定子轴轴承，4—第二盖板，5—内定子齿槽绕组，6—永磁铁块，7—外转子，8—外转子轴固定支撑架，9—外转子轴，10—外转子轴轴承，11—第一盖板，12—内定子，13—斜式散热片，131—叶片，132—叶片，14—电机控制器，15—外圈扇叶，16—轴孔，17—中圈加强筋，18—内圈扇叶，19—内圈加强筋，20—外圈扇叶，21—中圈加强筋，22-内圈扇叶，W1—第二气流的冷空气，W2—第二气流的热空气，W3—第一气流，α—斜式散热片形状的外转子外表面的叶片和外转子的旋转轴之间的角度，β—斜式散热片的叶片和外转子的旋转轴之间的角度。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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"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"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
本实施例展示了一种斜式散热片外转子电机，包括：内定子组件、外转子组件、内定子固定装置、外转子支撑装置和电机控制器。
如图1所述，内定子组件包括内定子12和固定在内定子上的内定子齿槽绕组5。
如图1所示，外转子组件包括永磁铁块6、外转子7、第一盖板11和第二盖板4，第一盖板11和第二盖板4形成腔室，并将内定子12和内定子齿槽绕组5包围。外转子7外表面为斜式散热片形状，如图2所示，斜式散热片形状的外转子7的外表面包括多个叶片131，叶片131为涡轮叶片，叶片131与外转子的旋转轴之间的角度α为45°以上且小于90°，优选60°。散热片13旋转形成第一气流W3，按右手定则，右手大拇指指向为第一气流W3的方向，右手其他手指指向为叶片131旋转方向。电机控制器14设置于第一气流W3的下游。永磁铁块6可以采用钕铁硼永磁铁块或钐钴永磁铁块，优选钐钴永磁铁块，钐钴永磁铁块的最高工作温度为300℃。
作为优选的实施方式，如图3所示，第一盖板11为带有桨叶的风扇，具体结构包括外圈扇叶20、中圈加强筋21和内圈扇叶22，中圈加强筋21设置在外圈扇叶20和内圈扇叶22之间，用于增强第一盖板11的机械强度和刚度。如图4所示，第二盖板4为带有桨叶的风扇，具体结构包括外圈扇叶15、中圈加强筋17、内圈扇叶18、内圈加强筋19和轴孔16；轴孔16设置在第二盖板4的中心处，内定子固定装置的内定子轴2穿过轴孔16固定内定子12，内定子轴2上的内定子轴轴承3的外圈与轴孔16固定；内圈加强筋19设置在内圈扇叶18和轴孔16之间，中圈加强筋17设置在外圈扇叶15和内圈扇叶18之间，内圈加强筋19和中圈加强筋17均用于增强第二盖板4的机械强度和刚度。
如图1所示，内定子固定装置用于固定内定子组件，包括内定子轴固定支撑架1、内定子轴2和内定子轴轴承3，内定子轴2穿过第二盖板4的中心处的轴孔16，并连接内定子轴固定支撑架1和内定子12；内定子轴轴承3采用向心推力轴承，内定子轴轴承3的内圈固定在内定子轴2上，内定子轴轴承3的外圈与第二盖板4的轴孔16固定。
如图1所示，外转子支撑装置用于支撑外转子组件的旋转，包括外转子轴固定支撑架8、外转子轴9和外转子轴轴承10，外转子轴9固定在第一盖板11的中心处，连接第一盖板11和外转子轴固定支撑架8，外转子轴9和第一盖板11可以一体成型也可以为可拆卸连接，外转子轴轴承10采用向心推力轴承，外转子轴轴承10的内圈固定在外转子轴9上，外转子轴轴承10的外圈固定在外转子轴固定支撑架8上。
在电机控制器14的控制下，永磁铁块6和内定子齿槽绕组5相互作用，内定子12在内定子轴2和内定子轴固定支撑架1的作用下固定不动，外转子7绕着内定子12转动，并带动斜式散热片形状的外转子7的外表面、第一盖板11、第二盖板4和外转子轴9转动。外转子7转动的过程中产生热量，永磁铁块6将热量传输给外转子7，外转子7的外表面的散热片形状将热量辐射向外空深冷处，由于斜式散热片的形状在旋转的过程中形成第一气流W3，第一气流W3加速热量的散发，同时第一气流W3冷却电机控制器14。同时，第一盖板11在转动的过程中吸进冷空气W1，冷空气W1进入外转子7、第一盖板11和第二盖板4形成的腔室，冷却永磁铁块6、内定子12和内定子齿槽绕组5，热量交换后冷空气W1形成热空气W2；热空气W2由第二盖板4排出腔室，冷空气W1和热空气W2形成强排风冷却的第二气流，第二气流与第一气流W3方向一致，第二气流同时对电机控制器14冷却。通过上述的方式，显著提高了电机在平流层环境下持续工作的适应性，杜绝了因在平流层环境下工作电机内部永磁铁块的高热引起的退磁失力现象。
实施例2：
本实施例展示了一种斜式散热片外转子电机，实施例2与实施例1的结构基本相同，不同的地方是：如图5和图6所示，外转子7的外表面为圆柱面，外转子组件还包括外转子7的外表面上固定的散热片13，散热片13包括多个叶片132，叶片132为涡轮叶片，叶片132增大了外转子7外表面的面积，同时叶片132与外转子7的旋转轴的之间的角度为β，β大于270°且在315°以下，优选300°。散热片13旋转形成第一气流W3，按左手定则，左手大拇指指向为第一气流W3的方向，左手其他手指指向为叶片132旋转方向。永磁铁块6在转动的过程中发热，热量通过外转子7传递到散热片13，散热片13通过叶片132将热量辐射到外空深处。第一气流W3将第一气流W3下游的电机控制器14冷却。
实施例3：
本实施例展示了一种平流层飞艇，所述平流层飞艇包括实施例1或实施例2的斜式散热片外转子电机。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (16)

1.一种斜式散热片外转子电机，其特征在于，包括：内定子组件、外转子组件、电机控制器、内定子固定装置和外转子支撑装置；
所述外转子组件包括外转子、设置在外转子内表面上的永磁铁块、第一盖板和第二盖板，所述第一盖板和第二盖板分别固定在外转子沿轴向方向的两端，外转子、第一盖板和第二盖板形成腔室，并将内定子组件包围；第一盖板与外转子支撑装置连接；所述外转子的外表面设置成斜式散热片的形状，或所述外转子组件还包括斜式散热片，所述散热片固定在外转子的外表面；
内定子固定装置与内定子组件连接；
外转子转动时，斜式散热片形状的外转子外表面或斜式散热片随着外转子转动，并形成固定方向的第一气流；
所述电机控制器设置在所述第一气流的下游。
2.根据权利要求1所述的斜式散热片外转子电机，其特征在于，所述内定子组件包括内定子和设置在内定子上的内定子齿槽绕组。
3.根据权利要求1所述的斜式散热片外转子电机，其特征在于，所述内定子固定装置包括内定子轴固定支撑架、内定子轴和内定子轴轴承，内定子轴穿过第二盖板的中心处，并连接内定子轴固定支撑架和内定子组件，内定子轴轴承设置在内定子轴上，并固定在第二盖板上。
4.根据权利要求3所述的斜式散热片外转子电机，其特征在于，所述内定子轴轴承采用向心推力轴承。
5.根据权利要求1所述的斜式散热片外转子电机，其特征在于，所述外转子支撑装置包括外转子轴固定支撑架、外转子轴和外转子轴轴承，外转子轴固定在第一盖板的中心处，连接第一盖板和外转子轴固定支撑架，外转子轴轴承设置在外转子轴上并固定在外转子轴固定支撑架上。
6.根据权利要求5所述的斜式散热片外转子电机，其特征在于，所述外转子轴轴承采用向心推力轴承。
7.根据权利要求5所述的斜式散热片外转子电机，其特征在于，所述第一盖板和外转子轴一体成型。
8.根据权利要求1所述的斜式散热片外转子电机，其特征在于，所述第一盖板和第二盖板均为带有桨叶的风扇，第一盖板和第二盖板随外转子转动形成固定方向的第二气流，所述气流从第一盖板进入腔室，并从第二盖板排出腔室。
9.根据权利要求8所述的斜式散热片外转子电机，其特征在于，所述第一气流方向和第二气流方向一致。
10.根据权利要求8所述的斜式散热片外转子电机，其特征在于，所述第一盖板包括外圈扇叶、中圈加强筋和内圈扇叶；中圈加强筋设置在外圈扇叶和内圈扇叶之间。
11.根据权利要求8所述的斜式散热片外转子电机，其特征在于，所述第二盖板包括外圈扇叶、中圈加强筋、内圈扇叶、内圈加强筋和轴孔；轴孔设置在第二盖板中心处；内圈加强筋设置在内圈扇叶和轴孔之间，中圈加强筋设置在外圈扇叶和内圈扇叶之间。
12.根据权利要求1所述的斜式散热片外转子电机，其特征在于，所述永磁铁块采用钕铁硼永磁铁块或钐钴永磁铁块。
13.根据权利要求1所述的斜式散热片外转子电机，其特征在于，所述外转子的外表面的斜式散热片的形状和所述斜式散热片均包括两片以上的叶片，所述叶片与外转子旋转轴之间的角度为45°以上且小于90°或大于270°且在315°以下。
14.根据权利要求13所述的斜式散热片外转子电机，其特征在于，所述叶片与外转子旋转轴之间的角度为60°或300°。
15.根据权利要求13所述的斜式散热片外转子电机，其特征在于，所述叶片采用涡轮叶片。
16.一种平流层飞艇，其特征在于，包括权利要求1-15中任一项所述的斜式散热片外转子电机。
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