CN111654132A - 一种航空电静液作动器用湿式永磁容错电机 - Google Patents

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Abstract

一种航空电静液作动器用湿式永磁容错电机，电机将柱塞泵泄露液压油引入电机内部，使得电机的定、转子及气隙均浸泡在液压油中，以湿式油冷方式对电机散热；在电机、泵连接方式上取消两轴间动密封，以紧凑配合方式缩小了整体体积；在电机内部结构上，设计了切向式聚磁结构转子，转子外侧采用小槽口磁桥防漏磁并固定永磁体，转子内侧利用不导磁的T型花键轴隔磁，并加强结构强度，同时永磁体采用分段设计，降低了涡流损耗；定子采用各相独立、单层集中绕组的容错结构，并使用独立H桥驱动供电。通过省略液压油、充油泵及其入口、以及电机泵间的动密封，结构简单，散热性能良好，满足高速运行的特殊聚磁结构转子兼具高可靠性和高功率密度。

Description

一种航空电静液作动器用湿式永磁容错电机
技术领域
本发明属于航空电机设备技术领域，特别涉及一种基于油冷散热技术和容错技术的永磁容错电机。
背景技术
航空电静液作动器，作为多电飞机的动作执行部件，其研究受到了关注。目前已有的航空电静液作动器相关产品或专利，其结构主要有以下几个类型：1)、作动器的电机与柱塞泵采用动密封相互隔离，电机内部不进油的方式；这种结构下，电机与泵间需要较大尺寸动密封，运行过程中会持续摩擦损耗，同时也降低了整体的功率密度；2)、电机机壳和轴油冷方式；如美国EATON公司的MPEV3-056，将液压油引入电机机壳和轴，对电机直接进行散热的方式。这种结构中，尤其是中空轴的设计，牺牲了电机泵的强度和刚度，因而限制了整体的运行速度，不能适应电机泵高速高压运行，不符合高功率密度电静液作动器的发展方向。3)、作动器电机与泵高度融合结构一体化方式(如专利201610624553.3)，这一种作动器电机泵构型，要优于前面两种构型，但仍然存在着一些不足；在这一专利提出的构型中，虽取消了动密封，将电机壳体内部均浸泡在液压油中，但电机内部通入的散热液压油，需要单独提供一个入油口，这就需要为单独的散热油提供相应的充油泵，以实现向电机内部充油，增大了系统整体重量，降低了功率密度。且电机与泵直接采用同一壳体，加工难度增加，出现故障后，电机泵需要整体拆下进行替换，这使得作动器进行修理保养过程中，会造成不必要的浪费。
此外，上面三类结构形式中采用的驱动电机，包括了异步电机，永磁同步电机和无刷直流电机三种形式，异步电机功率密度和效率较差；永磁同步电机为三相绕组，虽功率密度满足航空航天应用要求，但三相绕组电机并不能在故障后继续维持运行，可靠性受到了限制；无刷直流电机虽控制方法简单，但存在转矩脉动大的固有缺陷，尤其是在伺服控制领域此缺陷尤为明显。
发明内容
针对过往航空电静液作动器中电机与泵配合上存在的缺陷，以及作动器电机泵向高压高速化发展面临的电机功率密度底，可靠性不足的问题，本发明提出了一种适用于航空电静液作动器的高速湿式永磁容错电机，通过对电机本身的结构设计，以及对电机与泵间配合方式及油路的特殊设计，缩小电机体积，提高电机的散热效果，同时提高电机功率密度，保证电机可靠性，满足高速运行的条件。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：提供一种航空电静液作动器用高速湿式永磁容错电机，所述高速湿式永磁容错电机包括：前轴承盖、前轴承、卡簧、高饱和磁密的定子铁心、定子绕组、电机转子、高强度不导磁的电机转轴、后轴承、旋转变压器、旋变固定端盖、电机后闷盖、电机后端壳、用于连接处静密封的O型圈、电机机壳和电机出线座；所述电机转子包括永磁体和转子铁心；所述高速湿式永磁容错电机的电机转子采用切向式聚磁结构，电机转子铁心外侧设计了带有小槽口的磁桥，借助所述磁桥槽口的局部饱和防止永磁体沿转子铁心外侧漏磁，磁桥较厚的两肩用于固定永磁体，提高结构强度，避免高速旋转时，较大的永磁体的离心力直接作用在磁桥上较薄的槽口处；所述电机转轴采用高强度不导磁的钛合金材料，电机转轴与转子铁心内侧采用T形花键的连接配合，利用该材料不导磁的特点，实现转子铁心内侧相邻永磁体间的隔磁，以免磁通沿内侧铁心闭合形成漏磁；在高速旋转时，T型花键的两肩能够拉住具有向外运动趋势的转子铁心，将承担转子离心力的位置由较为薄弱的外侧磁桥处转移到内侧铁心与T型花键相配合的T型槽处，加强结构强度；在高速湿式永磁容错电机中采用8极10槽5相的结构，定子绕组采用隔齿嵌放、相互独立的单层集中绕组形式，电机各相绕组由独立的H桥驱动电路供电；在高速湿式永磁容错电机与作动器柱塞泵连接配合方式上取消了电机与作动器柱塞泵间的动密封，大幅缩短了电机转轴的轴伸长度，使其不超过前轴承盖端面，整体结构更为紧凑；在电机转轴前端轴径处设计有渐开线外花键，与伸入电机机壳内的柱塞泵轴进行配合连接；在壳体连接上，电机无前端盖，柱塞泵无后端盖，电机机壳前端配置有连接螺口，柱塞泵壳后端也配置有连接螺口，电机机壳和柱塞泵壳直接通过螺钉连接；电机机壳前端口设计有止扣槽，槽内装有O型圈进行静密封，以代替之前的动密封；连接后的电机和柱塞泵成为一个整体，体积明显缩小；在高速湿式永磁容错电机的油路设计上：省略液压油充油泵及其入口、以及电机与泵间的动密封；不再为电机在电机机壳上单独配置充油泵或入油口，前轴承盖配置有4个通孔作为泄油口，直接连通柱塞泵腔，利用泵的柱塞与配流盘间泄露的一部分液压油引入电机进行冷却；作动器运行时，泄露液压油充满柱塞泵壳内部，由前轴承盖通孔和前轴承内外圈间隙泄露进入电机，电机内部的定子铁心、转子铁心、电机转轴、气隙、旋转变压器、前轴承和后轴承，均浸泡在液压油中；液压油从电机机壳前端流经气隙和定子绕组间缝隙到机壳后端，对流径区域散热；完成从前端到后端的散热后，充满电机机壳和电机后端壳的液压油，由电机机壳侧面的出油口流出，经馈油管道送回作动器油箱。
优选地，所述永磁体呈“辐条”状布置在转子铁心内部，永磁体的磁场沿切向方向充磁，相邻槽中的永磁体磁场方向相对布置，以NNSSNNSS的顺序绕转子铁心进行排布；呈辐条状布置的永磁体沿径向方向等分为两段，两段永磁体的磁场方向相同，并入到同一个转子槽中，以减轻涡流效应，降低涡流损耗。
优选地，在电机的密封设计上，不在电机与泵间使用动密封，前轴承、后轴承均为开口深沟球轴承，可泄露入油循环油润滑，提高可靠性；在柱塞泵壳与电机机壳连接配合的止扣上，在电机机壳与电机后端壳连接配合的止扣上，在电机后端壳和电机后闷盖连接配合的止扣上，均配置有相应尺寸的O型圈；在电机出线座中，以环氧胶灌封实现密封。
优选地，定、转子间的气隙尺寸设计满足铜损PCu和搅拌损失Ps之和为最小；电机增大气隙尺寸，转子搅拌液压油的无量纲摩擦系数Cf会降低，搅拌损失Ps会减小；同时，增大气隙尺寸后，电机气隙磁阻增大，相应的电机磁负荷Bδ会降低，为保证电机具有相同功率输出，需要增大电负荷A，因而电机铜损Pcu会增大，这与搅拌损失Ps变化趋势相反；因此充分抑制电机的功率损失，提高电机效率，需借助有限元计算，寻优电机气隙尺寸，使得：
Figure BDA0002550942150000041
上式中，Cf为转子搅拌液压油的无量纲摩擦系数，ρ为液压油密度，ν为液压油运动粘度，lef为转子轴向长度，ω为转子转速；A为电机电负荷，R为相绕组电阻，W为一相绕组串联匝数，D为转子外径，m为电机相数，其单位量纲皆为国际单位制。
优选地，所述前轴承盖配置的4个通孔为Φ3通孔。
优选地，所述用于连接处静密封的O型圈材质采用氟橡胶。
该与泵配合紧凑、油路简洁、兼顾高功率密度和高可靠性的切向式聚磁高速湿式永磁容错电机，在电机电磁结构方面，在此电机中采用了特殊设计的切向式聚磁结构转子。转子铁心外圈设计了小槽口磁桥，利用磁桥槽口处的局部饱和来防止永磁体沿转子铁心外侧漏磁。要达成磁桥的局部饱和，磁桥尺寸须设计的尽量的小，但尺寸过小会降低磁桥的结构强度，在转子高速旋转离心力的作用下，可能会造成破坏。为减弱这一点影响，磁桥两侧设计了较厚的两肩用于固定永磁体，以免高速旋转时，较大的永磁体离心力直接作用在磁桥较薄的槽口处。此外，为加强磁桥处能够抵抗高速旋转产生的离心力，本发明特别设计了T型花键用于转子冲片与转轴的配合，电机转轴T型花键的两肩可以有效拉住整个转子冲片，将主要承担旋转离心力载荷的位置由转子最外圈较为薄弱磁桥移动到转子内圈更为坚固尺寸更厚的T型花键槽的肩部，这样，本发明电机也就更能适应高速下的应用场合，与高速高压柱塞泵进行配合。本发明的电机转轴采用高强度不导磁材料，在与转子冲片进行连接配合的同时，还隔离开转子冲片内相邻的永磁体，起到防止转子铁心内侧永磁体漏磁的作用。此外，在转子设计细节方面，为降低电机的发热，在切向式聚磁结构转子内采用了二分段的磁极结构，永磁体沿径向方向分等为了两段，两段永磁体的磁密方向相同。按照分段化布置方式设计的电机，因单块永磁体体积减小，有效降低了整块永磁体上的涡流损耗。经电磁有限元计算，分段后的永磁体涡流损耗降低了一半以上。这限制了电机转子部分的发热，使得永磁体向高温退磁区域运行的趋势减小，增强了电机的可靠性。
在电机与作动器柱塞泵的配合方式上，为达成整体紧凑简洁的结构形式，本发明取消了柱塞泵与电机间动密封及联轴器，并大幅缩短了电机转轴的轴伸长度，使其不超过电机前轴承盖端面。电机转轴前端轴颈处设计有渐开线外花键，与伸入电机机壳内的柱塞泵轴的渐开线内花键配合连接，尽量缩小了整体电机泵的轴向长度。在壳体连接上，电机无前端盖，柱塞泵无后端盖，电机机壳前端配置有连接螺口，柱塞泵后端也配置有连接螺口，电机机壳和柱塞泵壳直接通过螺钉连接。连接后的电机、柱塞泵成为一个整体，体积明显缩小。
在电机散热油路设计上，不单独为电机在壳体上设计配置液压油入油口或充油泵。作动器柱塞泵具有一定的容积效率，一般在95％以上，液压油无法全部通过配流盘进入作动器，一部分会发生泄露，本发明电机使用这部分泄露油对电机进行散热，容积效率外液压油的有效利用减轻了整体作动器的体积和结构。电机内部的定转子、气隙以及前后轴承，均浸泡在液压油中。液压油流经电机内部后，由电机机壳侧面出油口流出，带走热量，流回作动器油箱。泄露液压油同样也直接进入电机前后轴承内部，实现轴承的循环油润滑，消除了因润滑消耗而增加的温升和轴承疲劳，增强了整体电机泵和作动器的可靠性。
在电机的密封设计上，取消了动密封之后，电机与泵间，电机机壳与电机后端壳间，电机后端壳与电机后闷盖间，均采用止扣加氟橡胶O型圈的方式进行密封，以保证在相互接触位置，能够承担一定的系统背压，并保证不会有油泄露；在电机出线座，利用环氧密封胶进行密封，防止液压油自出线端泄露。
进一步，电机设计过程考虑到电机内引入液压油的影响。因电机内部均浸泡在液压油中，所以在电机转动过程中，转子搅拌液压油会产生油液搅拌损失。航空电静液作动器为了达到高功率密度，柱塞泵与驱动电机常设计为高压高速运行，因此，在液压油中产生的油液搅拌损失须纳入电机设计过程考虑。该油液搅拌损失，除了与转速有关外，还与电机尺寸尤其是气隙尺寸有关，通过合理设计电机的气隙尺寸，能够在一定程度上降低这一附加损耗。
电机运行时，转子搅拌液压油产生的油液搅拌损失Ps(W)为：
PS＝Cfρν2lefω (2)
其中，Cf为转子搅拌液压油的无量纲摩擦系数，ρ为液压油密度，ν为液压油运动粘度，lef为转子轴向长度，ω为转子转速。
无量纲摩擦系数随电机内液压油的Reynolds数变化而变化，可以按照下式计算：
Figure BDA0002550942150000061
其中，η为气隙间隙比，为转子外径与定子内径之比；Re为电机气隙内液压油Reynolds数，定义如下：
Figure BDA0002550942150000062
其中，v为流体流速，μ为液压油动力粘度，s为气隙尺寸，ρ为液压油密度。
由上式可以计算得到，在定转子间气隙s增大之后，可以在一定程度上降低附加搅拌损失。气隙尺寸s是电机设计的关键尺寸之一，另一个会受到气隙尺寸s明显影响的电机损耗，主要是电机的铜耗。按照电机尺寸设计的D2L公式可知，电机的磁负荷Bδ、电负荷A及电机尺寸，服从下面的关系：
Figure BDA0002550942150000071
其中，D为电机转子外径，n为电机转子转速，lef为转子有效长度，P’为电机计算功率，KNM和Kdp分别为电机的气隙磁场波型系数和绕组系数，a'p为计算极弧系数。而A和Bδ为电机的电负荷和磁负荷。
已知在永磁体用量不变的条件下，当气隙尺寸s扩大时，电机的磁负荷Bδ会减小，在体积不变的条件下，为保证电机能够有相同的功率输出，必须要增大电机的电负荷A，才能弥补磁负荷Bδ带来的影响，而电负荷A的增大会进一步增大电机的铜耗
Figure BDA0002550942150000072
其中，A为电机电负荷，R为相绕组电阻，W为一相绕组串联匝数，D为转子外径，m为电机相数。
基于以上分析，扩大气隙尺寸s会使电机铜耗增大，同时油液搅拌损失会减小，两者的变化趋势相反。本发明通过有限元详细计算以电机铜耗和油液搅拌损失为主的各项损失，合理选取电机气隙尺寸s，可以有效抑制电机运行的功率总和损失到最小，进而提高电机的功率密度。
本发明的高速湿式永磁容错电机定子采用10槽8极5相的单层集中绕组结构，电机各相绕组间相互独立，隔齿嵌放，实现电机各相绕组间的电隔离、热隔离、磁隔离，提高了电机的可靠性。特别是，电机各相绕组采用各相独立的H桥全桥驱动电路，实现了电机各相绕组间的电气隔离。在电机发生相绕组故障之后，可以切除所在相绕组的驱动电路，改变电机的电流分配策略，利用剩下的相继续保证电机的转矩输出。只要保证电机仍有三相剩余，就可以保证电机能够进行连续的转矩输出。
综上，本发明提供的技术方案创新之处以及取得的有益技术效果如下：
(1)为高速湿式永磁容错电机特殊设计了切向聚磁结构转子，利用该结构的聚磁效应，大幅提高了永磁容错电机的气隙磁密，进而提高电机的功率密度。发明利用转子外圈小槽口磁桥的局部饱和，实现了永磁体的防漏磁，并借助磁桥两侧较厚的肩部位置固定永磁体；转轴与转子冲片配合采用T型花键，利用T型花键肩部拉住向外运动转子铁心，加强了电机转子的结构强度，能适应高速场合下的应用；转轴采用不导磁材料，限制了转子内侧永磁体的漏磁；进一步，聚磁转子设计采用了径向分段式的永磁体设计，在相同的气隙磁密输出下，降低永磁体涡流损耗，限制了电机转子部分的温升，提高了电机的可靠性。
(2)简洁紧凑的电机泵连接配合设计。取消了柱塞泵与电机间的动密封和联轴器，并大幅减小了电机转轴轴伸长度，柱塞泵轴轴伸直接伸入电机机壳内并采用渐开线花键的方式与电机转轴配合，电机壳体各连接处采用氟橡胶O型圈进行静密封。
(3)不用在电机机壳单独为电机设计入油口和充油泵，直接利用柱塞泵容积效率外的泄露液压油来对电机进行散热，这种湿式电机散热结构，结构紧凑体积小，电机内部包括定转子、气隙、轴承均浸泡在液压油内，大幅提高了散热能力，减轻了轴承疲劳，从而提高了电机的功率密度和可靠性。
(4)本发明提出的高速湿式永磁同步容错电机，是基于湿式运行条件下进行的设计，转子高速旋转造成的搅拌损失纳入了电机设计过程。在电机尺寸设计，尤其是气隙尺寸设计上，以求电机各项损失之和为最小，提高电机效率，限制电机的温升。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及技术方案将变得更加具体和清楚。
附图说明
图1是本发明的高速湿式永磁容错电机的结构示意图。
图2是本发明的高速湿式永磁容错电机与柱塞泵的连接示意图。
图3是本发明的高速湿式永磁容错电机的前视图。
图4是本发明的高速湿式永磁容错电机的切向式聚磁转子的结构示意图。
图5是本发明的高速湿式永磁容错电机定转子的结构示意图。
1、前轴承盖 2、前轴承 3、卡簧 4、定子铁心
5、转子铁心 6、电机转轴 7、后轴承 8、旋转变压器
9、旋变固定端盖 10、电机后闷盖 11、电机后端壳 12、氟橡胶O型圈 13、出油口14、销钉 15、电机机壳 16、柱塞泵壳
17、柱塞 18、柱塞缸 19、配流盘 20、斜盘
21、8个M6螺钉 22、柱塞泵轴 23、4个M3螺孔 24、4个Φ3通孔
25、8个M6螺孔 26、电机出线座 27、永磁体 28、磁桥 29、定子绕组
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的一个实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件、链路和连接关系未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
本发明提供了一种适用于航空电静液作动器的高速湿式永磁容错电机方案，电机直接利用作动器柱塞泵泄露油作为油源对电机进行散热，而不单独在电机机壳15上设置入油口及充油泵，节省体积，提高了功率密度。电机与柱塞泵的连接配合使用简洁紧凑的结构形式，大幅减小尺寸体积。同时，本发明设计了适用于高速湿式永磁容错电机的切向式高聚磁转子，永磁体27呈“辐条状”嵌入转子铁心5内，并沿径向分两段布置，在提高气隙磁密的同时降低永磁体损耗。转子铁心5外侧采用磁桥28的方式固定永磁体27并防漏磁，在转子铁心5内侧采用T型花键的方式和电机转轴6配合，利用T型花键的两肩拉住转子铁心5以降低最外侧磁桥28的应力，提高转子的结构强度，使其能够适应高速下的运行工况。此外，本发明的高速湿式永磁容错电机方案采用10槽8极5相电机结构，定子绕组29各相间相互独立，提高电机的可靠性。
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方案。
图1为本发明提供的一种用于航空电静液作动器的高速湿式永磁容错电机的结构示意图。电机内结构主要包括：前轴承盖1、前轴承2、卡簧3、定子铁心4、定子绕组29、转子铁心5、永磁体27、电机转轴6、后轴承7、旋转变压器8、旋变固定端盖9、电机后闷盖10、电机后端壳11、氟橡胶O型圈12、电机机壳15、电机出线座26。本发明的电机壳体由电机机壳15和电机后端壳11这两部分共同组成，定子铁心4、定子绕组29、转子铁心5、永磁体27及前轴承2处于电机机壳15中，旋转变压器8和后轴承7处于电机后端壳11中，电机转轴6贯穿这两部分壳体；在整体电机机壳15侧面，配置有出油口13。
下面结合图1和图2对电机连接方式和密封设计进行说明。本发明的高速湿式永磁同步电机与柱塞泵的连接，不采用动密封以及联轴器，电机转轴6轴伸大幅缩短，其轴头不超过前轴承盖1前端。电机转轴6前端轴径配置有渐开线外花键，与伸入电机机壳15内的柱塞泵轴22的渐开线内花键直接配合，实现紧凑的配合连接。在壳体配合上，电机不配置前端盖，泵不配置后端盖，在电机机壳15前端配置有8个M6螺孔25，在柱塞泵壳16后端配置有8个适配尺寸大小的通孔，泵壳体和电机壳体的连接直接通过8个M6螺钉21实现。连接后的电机、柱塞泵成为一个整体，体积明显缩小。在电机壳体后端，电机转轴6不伸出壳体外，不配置轴孔，用闷盖形式与电机后端壳11进行配合。在电机机壳15前端与柱塞泵壳16连接处，电机后端壳11与电机机壳15连接处、电机后闷盖10与电机后端壳11连接处，均设计有止扣，在止扣中布置有相应尺寸的氟橡胶O型圈12，以实现相应连接处的静密封，使得电机壳体内部的液压油不会泄露。在电机出线座26，灌注有环氧密封胶进行密封，以防液压油由出线处泄露。
下面结合图1、图2和图3对电机内油路设计进行说明。作动器柱塞泵具有一定的容积效率，一般航空作动器柱塞泵的容积效率在95％左右，有5％的液压油会从柱塞和配流盘之间泄露，转速越高，柱塞泵流量越大，泄露液压油也就越多，本发明利用这一部分泄露液压油引入电机对电机散热。前轴承盖1除转轴轴孔外，另设计有8个孔口，其中4个为M3螺孔23，用于固定前轴承盖，并实现电机前轴承2的轴向定位，还有4个为Φ3通孔24，在对应应位置，电机机壳15也有4个Φ3通孔，通过这些通孔连通了电机机壳15内部和柱塞泵壳16内部，用于实现柱塞泵内泄露液压油流入电机内部。除4个Φ3通孔24外，前轴承2为开式深沟球轴承，轴承内外圈全间隙同样可以泄露进液压油，液压油起到对轴承循环润滑的作用，以加强电机在高速下运行的可靠性。
液压油从柱塞17和配流盘19间泄露后，充满柱塞泵壳16内部腔体，因前轴承盖1通孔和前轴承2内圈外间隙连通了电机和柱塞泵两侧腔体，液压油泄露进入电机，充满电机机壳15和电机后端壳11内部，定子铁心4、定子绕组29、转子铁心5、永磁体27、电机转轴6、旋转变压器8、前轴承2和后轴承7均浸泡在液压油中。液压油由定子铁心4和转子铁心5间气隙及定子绕组29内缝隙，自电机机壳15前端，流到电机机壳15后端，在这个过程中，对流径区域散热，带走它们的热量。完成从前端到后端的散热后，充满电机机壳15和电机后端壳11的液压油，由电机机壳15侧面的出油口13流出，经馈油管道送回作动器油箱。
下面结合图1和图4对电机内部转子结构进行说明。图4为本发明提供的高速湿式永磁容错电机内部转子结构。本发明在电机中采用永磁体27呈“辐条状”布置的切向聚磁型转子，切向是指永磁体27沿转子切向方向充磁，相邻槽中的永磁体27按磁场方向相对布置，以“NNSSNNSS”的顺序绕转子铁心5进行排布，一个转子极距范围内的永磁体磁场相互加强，以达到聚磁的效果，如图4所示。此外，布置在一个槽中的永磁体27，沿径向方向均分为两段，两段永磁体27的充磁方向相同。因缩小了一整块永磁体27的体积(将一块分为两块)，减小了永磁体27内的涡流效应，相应的减小了涡流损耗，降低了永磁体27的温升，提高了电机及作动器整体的可靠性。在转子铁心5外侧，设计了小槽口磁桥28，磁桥较厚两肩用于固定转子铁心5槽内的永磁体，并利用磁桥28槽口部分的局部磁饱和来抑制永磁体27在转子铁心5内部的漏磁。在高速运行时，永磁体27有趋向外运动的离心力，磁桥28部分的尺寸设计除防止永磁体27漏磁外，还须承受永磁体27向外运动趋势带来的离心力，一般情况下，磁桥28为转子铁心5内应力最高区域，因此，磁桥28部分设计须保证一定的结构强度。在本发明中，电机转轴6与转子铁心5配合处，特别设计成了T型花键的配合形式，比传统矩形花键多出来横向的“肩部”，电机转轴6采用钛合金材料制成，结构强度高，利用T型花键的肩部，拉住整个具有向外运动趋势的转子铁心5，将转子铁心5内应力最高处由磁桥28转移到更为坚固的与T型花键相配合的T型槽处，因而加强了整个转子的结构强度，更能适应高速下的应用。钛合金材料为非导磁合金材料，电机转轴6采用钛合金材料，除加强转子整体结构强度外，还起到转子铁心5内侧永磁体27隔磁的作用，进一步加强了切向式聚磁结构转子的聚磁能力，提高电机的功率密度。在转子内永磁体27装配完成之后，将转轴T型花键上涂覆厌氧型密封胶，装入转子铁心5中，待轴身T型花键轴向两端和转子铁心5轴向两端对齐后，用两个不导磁的卡簧3在转子铁心5两侧进行固定，用于防止电机在高速运行时，转子铁心5在轴向方向上的窜动，装配完成后如图1所示。
下面结合图1和图5对电机内部定子结构进行说明。图5为本发明提供的高速湿式永磁容错电机的定子铁心4及定子绕组29结构。电机采用8极10槽5相的电机结构，8极由转子铁心58个槽内磁场方向沿切向的永磁体27组成，而定子铁心4则均匀布置有10个平底槽，用于嵌放定子绕组29。电机的定子绕组29按照节距＝1的单层集中绕组方式嵌放入定子槽中，两个槽中的线圈为一组，构成一相绕组，10个槽形成隔齿嵌放的独立5相绕组。5相绕组间相互隔离，不连接形成电机的中性点，每相绕组选择由一独立H桥驱动电路供电，有效地实现相绕组之间物理隔离、磁隔离、热隔离和电气隔离，以实现故障状态下的永磁容错电机缺相运行。上述定子铁心4和定子绕组29，定子铁心4采用高磁饱和软磁合金1J22，用于减小电机体积，提高电机的功率密度；定子绕组29采用耐高温聚酰亚胺漆包线，提高电机的温度阈值，进而提高电机的功率密度。在定子铁心4叠装完成，定子绕组29嵌线完毕之后，定子铁心4槽口添加槽楔，填平定子槽口，处理平滑，以降低搅拌液压油液碰撞到定子槽口表面而造成的附加损耗。槽楔添加完毕后，定子整体装入到电机机壳15内，使用3个用于固定的销钉14，将定子铁心4固定到电机机壳15上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改、等同替换、和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释此实施例的原理、实际应用。

Claims (6)

1.一种航空电静液作动器用高速湿式永磁容错电机，其特征在于，所述高速湿式永磁容错电机包括：前轴承盖(1)、前轴承(2)、卡簧(3)、高饱和磁密的定子铁心(4)、定子绕组(29)、电机转子、高强度不导磁的电机转轴(6)、后轴承(7)、旋转变压器(8)、旋变固定端盖(9)、电机后闷盖(10)、电机后端壳(11)、用于连接处静密封的O型圈(12)、电机机壳(15)和电机出线座(25)；所述电机转子包括永磁体(27)和转子铁心(5)；
其中，所述高速湿式永磁容错电机的电机转子采用切向式聚磁结构，电机的转子铁心(5)外侧设计了带有小槽口的磁桥(28)，借助所述磁桥(28)槽口的局部饱和防止永磁体(27)沿转子铁心(5)外侧漏磁，磁桥(28)较厚的两肩用于固定永磁体，提高结构强度，避免高速旋转时，较大的永磁体(27)的离心力直接作用在磁桥(28)上较薄的槽口处；所述电机转轴(6)采用高强度不导磁的钛合金材料，电机转轴(6)与转子铁心(5)内侧采用T形花键的连接配合，利用其不导磁的特点，实现转子铁心(5)内侧相邻永磁体(27)间的隔磁，以免磁通沿内侧铁心闭合形成漏磁；在高速旋转时，T型花键的两肩能够拉住具有向外运动趋势的转子铁心(5)，将承担转子离心力的位置由较为薄弱的外侧磁桥(28)处转移到内侧铁心与T型花键相配合的T型槽处，加强结构强度；
在该高速湿式永磁容错电机中采用8极10槽5相的结构，定子绕组(29)采用隔齿嵌放、相互独立的单层集中绕组形式，电机各相绕组由独立的H桥驱动电路供电；
在高速湿式永磁容错电机与作动器柱塞泵连接配合方式上取消了电机与作动器柱塞泵间的动密封，大幅缩短了电机转轴(6)的轴伸长度，使其不超过前轴承盖(1)端面，整体结构更为紧凑；在电机转轴(6)前端轴径处设计有渐开线外花键，与伸入电机机壳(15)内的柱塞泵轴(22)进行配合连接；在壳体连接上，电机无前端盖，柱塞泵无后端盖，电机机壳(15)前端配置有连接螺口，柱塞泵壳(16)后端也配置有连接螺口，电机机壳(15)和柱塞泵壳(16)直接通过螺钉连接；电机机壳(15)前端口设计有止扣槽，槽内装有O型圈(12)进行静密封，以代替之前的动密封；连接后的电机和柱塞泵成为一个整体，体积明显缩小；
在高速湿式永磁容错电机的油路设计上：省略液压油充油泵及其入口、以及电机与泵间的动密封；不再为电机在电机机壳(15)上单独配置充油泵或入油口，前轴承盖(1)配置有4个通孔(24)作为泄油口，直接连通柱塞泵腔，利用泵的柱塞(17)与配流盘(19)间泄露的一部分液压油引入电机进行冷却；作动器运行时，泄露液压油充满柱塞泵壳(16)内部，由前轴承盖(1)通孔和前轴承(2)内外圈间隙泄露进入电机，电机内部的定子铁心(4)、转子铁心(5)、电机转轴(6)、气隙、旋转变压器(8)、前轴承(2)和后轴承(7)，均浸泡在液压油中；液压油从电机机壳(15)前端流经气隙和定子绕组(29)间缝隙到机壳后端，对流径区域散热；完成从前端到后端的散热后，充满电机机壳(15)和电机后端壳(11)的液压油，由电机机壳(15)侧面的出油口(13)流出，经馈油管道送回作动器油箱。
2.根据权利要求1所述的航空电静液作动器高速湿式永磁容错电机，其特征在于：所述永磁体(27)呈“辐条”状布置在转子铁心(5)内部，永磁体(27)的磁场沿切向方向充磁，相邻槽中的永磁体(27)磁场方向相对布置，以NNSSNNSS的顺序绕转子铁心(5)进行排布；呈辐条状布置的永磁体(27)沿径向方向等分为两段，两段永磁体(27)的磁场方向相同，并入到同一个转子槽中，以减轻涡流效应，降低涡流损耗。
3.根据权利要求1或2所述的航空电静液作动器高速湿式永磁容错电机，其特征在于：在电机的密封设计上，不在电机与泵间使用动密封，前轴承(2)、后轴承(7)均为开口深沟球轴承，可泄露入油循环油润滑，提高可靠性；在柱塞泵壳(16)与电机机壳(15)连接配合的止扣上、在电机机壳(15)与电机后端壳(11)连接配合的止扣上、在电机后端壳(11)和电机后闷盖(10)连接配合的止扣上均配置有O型圈(12)；在电机出线座(26)中，以环氧胶灌封实现密封。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的航空电静液作动器高速湿式永磁容错电机，其特征在于：定、转子间的气隙尺寸设计满足铜损PCu和搅拌损失Ps之和为最小；电机增大气隙尺寸，转子搅拌液压油的无量纲摩擦系数Cf会降低，搅拌损失Ps会减小；同时，增大气隙尺寸后，电机气隙磁阻增大，相应的电机磁负荷Bδ会降低，为保证电机具有相同功率输出，需要增大电负荷A，因而电机铜损Pcu会增大，这与搅拌损失Ps变化趋势相反；因此充分抑制电机的功率损失，提高电机效率，需借助有限元计算，寻优电机气隙尺寸，使得：
Figure FDA0002550942140000031
上式中，Cf为转子搅拌液压油的无量纲摩擦系数，ρ为液压油密度，ν为液压油运动粘度，lef为转子轴向长度，ω为转子转速；A为电机电负荷，R为相绕组电阻，W为一相绕组串联匝数，D为转子外径，m为电机相数，其单位量纲皆为国际单位制。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的航空电静液作动器高速湿式永磁容错电机，其特征在于：所述前轴承盖(1)配置的4个通孔(24)为Φ3通孔。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的航空电静液作动器高速湿式永磁容错电机，其特征在于：所述用于连接处静密封的O型圈(12)材质采用氟橡胶。
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