CN112610524A - 一种采用空气动压轴承支撑的轴流风扇 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞机环境控制技术领域，尤其涉及一种采用空气动压轴承支撑的轴流风扇。采用深沟球脂润滑轴承的电动轴流风扇方案可靠性低，寿命短。本发明在内部拉杆依次穿过导流板、风扇叶轮、止推轴、电机轴、锥形轴和磁极转子并在两端部锁紧，止推轴、电机轴和锥形轴均为回转体结构且具有腔体，相邻的腔体之间连通；止推轴和锥形轴在壁面上具有通孔；风扇壳体具有一体式多级环形结构，在最外层的外壳上具有穿线管和进气罩上与外部气体连通的管道，在电机定子套筒上有冷却气槽；在最内层是左轴承套筒，其外围具有周向分布的轴向冷却气孔；在风扇轮毂上具有冷却气孔。可靠性高、寿命长；保证电机和动压轴承的充分冷却，提高风扇的故障检测和诊断能力。

Description

一种采用空气动压轴承支撑的轴流风扇

技术领域

本发明属于飞机环境控制技术领域，尤其涉及一种采用空气动压轴承支撑的轴流风扇。

背景技术

如图1所示，飞机电动环控系统取消了发动机引气，采用电驱动压气机压缩空气为空调系统提供气源，同时系统也取消了与空气循环机共轴的风扇，改由电驱动风扇抽吸冲压空气为系统提供冷源。在飞机通风系统中，通过电动轴流风扇来实现座舱空气回流、货舱通风和电子设备舱通风等功能。

航空电动风扇通过电机驱动风扇叶轮对气体做功，增加气体的静压和动压，并将一部分动压通过风扇内的后置导叶，进一步转换成静压，克服管道阻力和系统前后压差，从而实现气体的流通，实现系统通风功能。已有的航空电动风扇见图2，采用深沟球轴承对产品转子进行支撑，轴承采用润滑脂进行冷却，仅仅将电机转子装入风扇壳体，风扇壳体静叶流道内流过从风扇入口的气体对电机定子和轴承进行冷却的方案，电机与转轴采用分体结构。主要存在三个问题：

1)随着工作时间的增长，润滑脂会消耗变质，最终导致轴承失效，可靠性和寿命较难满足要求；

2)当风扇功率较大时，电机和轴承的冷却效果不明显。润滑脂的稳定工作温度一般小于150℃，而电动环控系统中抽吸的来自初级换热器和次级换热器的冲压空气的温度一般在150℃以上，此时，采用深沟球脂润滑轴承的电动轴流风扇方案无法达到可靠性高，寿命长的要求。

3)由于转子重量较重，会造成轴承载荷增大，降低轴承使用寿命。

发明内容

本发明的目的：设计一种空气动压轴承支撑的电动轴流风扇，提高电动轴流风扇的可靠性和寿命，提高了通风系统的集成性以及整个系统的可靠性。

本发明的技术方案：一种采用空气动压轴承支撑的轴流风扇，在其内部拉杆依次穿过导流板、风扇叶轮、止推轴、电机轴、锥形轴和磁极转子并在两端部锁紧，其中所述止推轴、电机轴和锥形轴均为回转体结构且具有腔体，相邻的腔体之间连通；所述止推轴和锥形轴在壁面上具有通孔；

轴流风扇具有风扇壳体，其具有一体式多级环形结构，其中在最外层的外壳上具有穿线管和进气罩上与外部气体连通的管道；在中间层的电机定子套筒内侧固定安装有电机定子，在电机定子套筒上有冷却气槽；在最内层是左轴承套筒，其外围具有周向分布的轴向冷却气孔；

所述风扇叶轮在风扇轮毂上具有冷却气孔；

所述止推轴在靠近左侧端部的区域具有凸环，其夹在轴承盖板和左轴承套筒的底板之间，且在凸环和轴承盖板之间是左止推动压轴承，在凸环和左轴承套筒的底板之间是右止推动压轴承；在所述止推轴的杆部外侧与左轴承套筒之间套装有径向动压轴承和轴承套；轴承盖板与止推轴之间具有径向间隙，左轴承套筒的底板与止推轴之间具有径向间隙；

所述电机轴包括左侧的电机转子部分以及右侧的转轴部分，在所述转轴部分外侧依次套装有径向动压轴承、轴承套和轴承壳体，轴承壳体在右端部具有凸环，凸环上具有电缆通道，在该轴承壳体右端还固定有霍尔板，霍尔板的中部与锥形轴之间有间隙；所述进气罩覆盖整个右端面结构。

有利地，所述电机转子部分径向由内向外包括轴、电机转子磁极和外套，通过在轴上开轴对称的扇形槽，将电机转子磁级安装到扇形槽中，外面增加外套进行固定。

有利地，轴的材料采用导磁材料。

有利地，所述外壳和电机定子套筒之间通过风扇静叶连为一体。

有利地，经过所述穿线管的电缆分别与电机和霍尔板连接。

有利地，风扇气体从进口进入后，首先通过锥形的导流板导流，经过风扇叶轮增压，继而通过风扇壳体上的静叶进一步将动压转为静压，继而通过安装在风扇后端的进气罩导流后，气体从风扇出口排出。

有利地，轴承套通过卡环进行轴向定位，通过轴承套上的键与风扇壳体、轴承壳体的键槽配合进行周向定位。

有利地，电机定子过盈安装到风扇壳体的槽内，定子端部集成铂电阻温度传感器，霍尔板上安装有霍尔传感器，用于感应磁级转子上安装的磁级旋转产生的位置信号，位置信号由霍尔板上的电路变换后输出。

有利地，进气罩上的冷却气管连接到风扇壳体上的冷却气接口，将外部冷却空气引入，冷却空气通过内部通道对电机和轴承进行冷却。

有利地，部分冷却气经过轴承壳体上的电缆通道进入电机定子所在腔体，之后经过电机定子套筒上的冷却气槽、左轴承套筒的轴向冷却气孔和风扇轮毂上的冷却气孔排出；

部分冷却气经过轴承壳体上的电缆通道进入电机定子所在腔体，之后经过电机定子和电机转子部分之间的间隙、左轴承套筒的轴向冷却气孔和风扇轮毂上的冷却气孔排出；

部分冷却气经过霍尔板与锥形轴之间的间隙、右端动压轴承和轴承套之间的间隙、电机定子和电机转子部分之间的间隙、左轴承套筒的轴向冷却气孔和风扇轮毂上的冷却气孔排出；

部分冷却气经过霍尔板与锥形轴之间的间隙、锥形轴的通孔、止推轴的通孔、左端动压轴承和轴承套之间的间隙、左轴承套筒的轴向冷却气孔和风扇轮毂上的冷却气孔排出；

部分冷却气经过霍尔板与锥形轴之间的间隙、锥形轴的通孔、止推轴的通孔、右止推动压轴承、左止推动压轴承和风扇轮毂上的冷却气孔排出。

本发明的有益效果：

本发明的一种空气动压轴承支撑的电动轴流风扇，相对已有方案具有以下有益效果：

1)空气动压轴承支撑的电动轴流风扇相比深沟球脂润滑轴承电动轴流风扇，更加适应电动环控系统冲压空气的高温环境，同时，通过合理设计的动压轴承转子具有可靠性高、寿命长的特点；

2)设计进口导流板和出口导流罩，保证气流平稳流动，降低气流损失；

3)通过从外部引入冷却空气，合理设计冷却气道，保证电机和动压轴承的充分冷却；

4)通过集成霍尔位置传感器和铂电阻温度传感器，为电机驱动器提供控制信号和电机温度信号，提高风扇的故障检测和诊断能力；

5)通过将轴和电机转子集成设计，使轴作为电机转子的一部分，降低了转子重量，提高了电机的效率。

附图说明

图1是飞机电动环控系统原理图。

图2是目前的航空电动风扇的结构示意图。

图3是本发明结构示意图。

图4是本发明转子结构示意图。

图5是霍尔板示意图。

图6是磁极转子示意图。

图7是冷却空气流动示意图。

图8是电机轴磁极安装示意图。

图9是电机轴截面示意图

图10是轴承套结构示意图

图11是风扇壳体剖面示意图

图12是轴承壳体剖面示意图

图13风扇叶轮结构示意图

其中，a-风扇进口 b-风扇出口 1-导流板 2-风扇叶轮 3-风扇壳体 4-电机定子5-轴承壳体 6-穿线管 7-进气罩 8-拉杆 9-自锁螺母 10-磁极转子 11-霍尔板 12-锥形轴 13-电机轴 14-止推轴 15-轴承套 16-径向动压轴承 17-右止推动压轴承 18-左止推动压轴承 19-轴承盖板 11a-霍尔电路板 11b—霍尔传感器 11c—霍尔输出线 10a-外套10b-磁极 10c-内套 13a-轴 13b-电机转子磁极 13c-外套 3a-外壳 3b-风扇静叶 3c-左轴承套筒 3d-电机定子套筒 3e-冷却气槽 3f-冷却气孔 3g-键槽 5a-右轴承套筒 5b-键槽 5c-冷却气孔 2a-风扇叶片 2b-风扇轮毂 2c-冷却气孔

具体实施方式

参见图3，一种空气动压轴承支撑的电动轴流风扇，包括导流板1、风扇叶轮2、风扇壳体3、电机定子4、轴承壳体5、穿线管6、进气罩7、拉杆8、自锁螺母9、磁极转子10、霍尔板11、锥形轴12、电机轴13、止推轴14、轴承套15、径向动压轴承16、右止推动压轴承17、左止推动压轴承18、轴承盖板19；其中风扇叶轮2安装在止推轴14左端，导流板1安装风扇叶轮2左端，电机转子和轴集成在一起形成电机轴13与止推轴14的右端连接，锥形轴12安装在电机轴13右端，用于将产生霍尔传感器信号的磁极转子10连接到转子上，整体转子通过拉杆8和自锁螺母9进行固定，形成风扇转子；轴承壳体5连接到风扇壳体3的法兰上，在风扇壳体3和轴承壳体5的内部安装两个轴承套15，轴承套15内部安装两个径向动压轴承16，在风扇壳体3和轴承盖板19分别安装右止推动压轴承17和左止推动压轴承18，四个轴承将转子支撑起来；电机定子4供电线缆、温度传感器线缆和霍尔信号线缆通过安装在风扇壳体3和轴承壳体5之间的穿线管6连接到风扇壳体3的电连接器上；进气罩7上的冷却气管连接到风扇壳体3上的冷却气接口，将外部冷却空气引入，冷却空气通过内部通道对电机和轴承进行冷却。

风扇气体从进口进入后，首先通过锥形的导流板1导流，保证气流平稳，经过风扇叶轮2增压，继而通过风扇壳体3上的静叶进一步将动压转为静压，继而通过安装在风扇后端的进气罩7导流后，气体从风扇出口排出。

电机定子4过盈安装到风扇壳体3的槽内，定子端部集成铂电阻温度传感器。

参见图4，导流板1和风扇叶轮2悬臂安装在转子左侧，电机转子放置到两个径向动压轴承16之间，磁级转子10通过锥形轴12安装到转子右侧，止推轴14上设置用于承担轴向力的止推板，置于左端径向动压轴承16和风扇叶轮2之间，通过拉杆8和自锁螺母9对转子进行预紧形成产品转子。

参见图5和图6，霍尔板11上安装有3个霍尔传感器，用于感应磁级转子10上安装的3个磁级旋转产生的位置信号，位置信号经霍尔板11上的电路变换后输出。

参见图7，外部冷却空气通过进气罩7的冷却气管道引入轴流风扇内部，气体分为三路，一部分冷却气通过轴承壳体5上的孔，进入电机定子4腔，一部分通过右端径向动压轴承16和轴承套15之间的间隙，对右端径向动压轴承16进行冷却后，排入电机定子4腔，一部分通过霍尔板11上的孔，进入空心转子内部；进入空心转子内部的气体通过止推轴14上的的孔排出，一路通过左端径向动压轴承16和轴承套15之间的间隙对左端动压轴承16进行冷却后，排入风扇壳体3内腔，一路通过右止推动压轴承17和风扇壳体3的间隙，对右止推动压轴承17进行冷却，然后通过左止推动压轴承18和轴承盖板19的间隙，对左止推动压轴承18进行冷却，冷却气排入风扇叶轮2轮背后；电机定子4腔内的冷却气分别通过设置在风扇壳体3上的冷却槽、电机定子与转子间隙对电机进行冷却，冷却气排入风扇壳体3内腔；排入风扇壳体内腔的冷却空气，通过布置在风扇壳体3上的小孔排到轮背后；所有排入风扇叶轮背后的冷却气，通过布置在风扇叶轮2上的孔排入到导流板1和风扇叶轮2之间的隔腔内，然后通过导流板1和风扇叶轮2之间的间隙排入到风扇进口。电动轴流风扇冷却设计保证电机和动压轴承可靠稳定工作。

参见图8和图9，轴和电机转子进行集成设计结构紧凑的电机轴13，通过在轴13a上开轴对称的扇形槽，将电机转子磁级13b安装到扇形槽中，磁极的NS极性交错安装，外面增加保护罩13c进行固定，轴材料采用导磁材料，当电机工作时，作为电机转子的一部分产生电磁转矩，提高电机效率，降低转子重量。

参见图10，轴承套15上设置有对称的键，用于与风扇壳体3和轴承壳体5进行键槽进行配合，对周向进行定位。

参见图11，风扇壳体3内侧通过风扇静叶3b将左轴承套筒3c和电机定子套筒3d连接到外壳3a上。在电机定子套筒3d上有冷却气槽3e，用于冷却气通过，冷却电机定子4。在左轴承套筒3c内壁上有冷却气孔3f，用于冷却气体排出风扇壳体3。在左轴承套筒3c上有键槽3g，用于与轴承套15的键配合进行周向定位。

和图12，轴承壳体5内侧有右轴承套筒5a，在右轴承套筒处设置有键槽5b，用于与轴承套15的键配合进行周向定位。轴承壳体5上设置了冷却气孔5c，用于冷却气体流过。

参见图13，风扇叶轮2的风扇叶片2a连接到风扇轮毂2b上，在风扇轮毂2b上设置了冷却气孔2c，用于冷却气体流过。

Claims (10)

1.一种采用空气动压轴承支撑的轴流风扇，其特征在于：在其内部拉杆(8)依次穿过导流板(1)、风扇叶轮(2)、止推轴(14)、电机轴(13)、锥形轴(12)和磁极转子(10)并在两端部锁紧，其中所述止推轴(14)、电机轴(13)和锥形轴(12)均为回转体结构且具有腔体，相邻的腔体之间连通；所述止推轴(14)和锥形轴(12)在壁面上具有通孔；

轴流风扇具有风扇壳体(3)，其具有一体式多级环形结构，其中在最外层的外壳(3a)上具有穿线管(6)和进气罩(7)上与外部气体连通的管道；在中间层的电机定子套筒(3d)内侧固定安装有电机定子(4)，在电机定子套筒(3d)上有冷却气槽(3e)；在最内层是左轴承套筒(3c)，其外围具有周向分布的轴向冷却气孔(3f)；

所述风扇叶轮(2)在风扇轮毂(2b)上具有冷却气孔(2c)；

所述止推轴(14)在靠近左侧端部的区域具有凸环，其夹在轴承盖板(19)和左轴承套筒(3c)的底板之间，且在凸环和轴承盖板(19)之间是左止推动压轴承(18)，在凸环和左轴承套筒(3c)的底板之间是右止推动压轴承(17)；在所述止推轴(14)的杆部外侧与左轴承套筒(3c)之间套装有径向动压轴承(16)和轴承套(15)；轴承盖板(19)与止推轴(14)之间具有径向间隙，左轴承套筒(3c)的底板与止推轴(14)之间具有径向间隙；

所述电机轴(13)包括左侧的电机转子部分以及右侧的转轴部分，在所述转轴部分外侧依次套装有径向动压轴承(16)、轴承套(15)和轴承壳体(5)，轴承壳体(5)在右端部具有凸环，凸环上具有电缆通道，在该轴承壳体(5)右端还固定有霍尔板(11)，霍尔板(11)的中部与锥形轴(12)之间有间隙；所述进气罩(7)覆盖整个右端面结构。

2.根据权利要求1所述的轴流风扇，其特征在于：所述电机转子部分径向由内向外包括轴(13a)、电机转子磁极(13b)和外套(13c)，通过在轴(13a)上开轴对称的扇形槽，将电机转子磁级(13b)安装到扇形槽中，外面增加外套(13c)进行固定。

3.根据权利要求2所述的轴流风扇，其特征在于：轴(13a)的材料采用导磁材料。

4.根据权利要求1所述的轴流风扇，其特征在于：所述外壳(3a)和电机定子套筒(3d)之间通过风扇静叶(3b)连为一体。

5.根据权利要求1所述的轴流风扇，其特征在于：经过所述穿线管(6)的电缆分别与电机和霍尔板(11)连接。

6.根据权利要求1所述的轴流风扇，其特征在于：风扇气体从进口进入后，首先通过锥形的导流板(1)导流，经过风扇叶轮(2)增压，继而通过风扇壳体(3)上的静叶进一步将动压转为静压，继而通过安装在风扇后端的进气罩(7)导流后，气体从风扇出口排出。

7.根据权利要求1所述的轴流风扇，其特征在于：轴承套(16)通过卡环进行轴向定位，通过轴承套(16)上的键与风扇壳体(3)、轴承壳体(5)的键槽配合进行周向定位。

8.根据权利要求1所述的轴流风扇，其特征在于：电机定子(4)过盈安装到风扇壳体(3)的槽内，定子端部集成铂电阻温度传感器，霍尔板(11)上安装有霍尔传感器，用于感应磁级转子(10)上安装的磁级旋转产生的位置信号，位置信号由霍尔板(11)上的电路变换后输出。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的轴流风扇，其特征在于：进气罩(7)上的冷却气管连接到风扇壳体(3)上的冷却气接口，将外部冷却空气引入，冷却空气通过内部通道对电机和轴承进行冷却。

10.根据权利要求9所述的轴流风扇，其特征在于：部分冷却气经过轴承壳体(5)上的电缆通道进入电机定子(4)所在腔体，之后经过电机定子套筒(3d)上的冷却气槽(3e)、左轴承套筒(3c)的轴向冷却气孔(3f)和风扇轮毂(2b)上的冷却气孔(2c)排出；

部分冷却气经过轴承壳体(5)上的电缆通道进入电机定子(4)所在腔体，之后经过电机定子(4)和电机转子部分之间的间隙、左轴承套筒(3c)的轴向冷却气孔(3f)和风扇轮毂(2b)上的冷却气孔(2c)排出；

部分冷却气经过霍尔板(11)与锥形轴(12)之间的间隙、右端动压轴承(16)和轴承套(15)之间的间隙、电机定子(4)和电机转子部分之间的间隙、左轴承套筒(3c)的轴向冷却气孔(3f)和风扇轮毂(2b)上的冷却气孔(2c)排出；

部分冷却气经过霍尔板(11)与锥形轴(12)之间的间隙、锥形轴(12)的通孔、止推轴(14)的通孔、左端动压轴承(16)和轴承套(15)之间的间隙、左轴承套筒(3c)的轴向冷却气孔(3f)和风扇轮毂(2b)上的冷却气孔(2c)排出；

部分冷却气经过霍尔板(11)与锥形轴(12)之间的间隙、锥形轴(12)的通孔、止推轴(14)的通孔、右止推动压轴承(17)、左止推动压轴承(18)和风扇轮毂(2b)上的冷却气孔(2c)排出。

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