CN113086219B - 用于飞行器的无轴电发动机、控制方法、一种飞行器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于飞行器的无轴电发动机、控制方法、一种飞行器，发动机壳体前端具有进气道、后端具有尾喷管，二者之间依次安装三组磁悬浮转动机构，第二、三组之间为燃烧室；磁悬浮转动机构包括外壳、环形定子铁心、环形凸边、第一线圈、第二线圈、圆管、叶片、长方体永磁体、环状永磁体。本申请通过三组磁悬浮转动机构实现飞行器发动机电动化、低噪声、无轴化，有效避免传统轴系结构对转动部件转速限制以及功率输出限制，避免噪音污染。

Description

用于飞行器的无轴电发动机、控制方法、一种飞行器

技术领域

本公开涉及活塞技术领域，尤其涉及用于飞行器的无轴电发动机。

背景技术

传统航空涡轴发动机或者涡桨发动机存在结构复杂，体积庞大，效率达到极限、耗能高、功率产出受到轴系结构限制、风扇和涡轮的转速受到轴系结构限制、转动时噪音大造成声音污染等问题，不仅使用范围窄，还无法满足社会未来对于环保、高效的高需求。

因此，本申请提出用于飞行器的无轴电发动机。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了用于飞行器的无轴电发动机。

本发明采用的技术方案是这样的：

用于飞行器的无轴电发动机，包括发动机壳体，所述发动机壳体前端具有进气道、后端具有尾喷管，所述进气道与所述尾喷管之间从前往后依次安装有第一组磁悬浮转动机构、第二组磁悬浮转动机构、第三组磁悬浮转动机构，所述第二组磁悬浮转动机构和第三组磁悬浮转动机构之间为燃烧室；

所述磁悬浮转动机构包括外壳，所述外壳内固定安装定子，所述定子包括环形定子铁心以及分别设于所述环形定子铁心两端的环形凸边，所述环形定子铁心内侧均匀分布有齿槽，所述环形凸边内侧开设有第一环形凹槽，所述第一环形凹槽内均缠绕设置第一线圈，所述齿槽内缠绕设置第二线圈；所述定子内设置有圆管，所述圆管内固定安装多个叶片，沿所述圆管外圆表面设置有环状凹槽，所述环状凹槽与所述环形定子铁心位置相对，所述圆管两端面开设有第二环形凹槽，所述第二环形凹槽与所述第一环形凹槽位置相对，沿所述环状凹槽周向间隔均匀地设置多个长方体永磁体，所述第二环形凹槽内均设置环状永磁体。

优选地，三组所述磁悬浮转动机构的所述叶片从前往后分别为风扇叶片、压气机叶片、涡轮发电机叶片；

所述燃烧室连接有燃料供应系统，包括油箱、增压泵，所述油箱、增压泵、燃烧室通过油管连接；

还包括控制器和储能系统，三组所述磁悬浮转动机构的所述第一线圈、第二线圈、控制器、增压泵、储能系统之间电连接；

所述储能系统、增压泵与所述控制器通信连接。

优选地，所述风扇叶片、压气机叶片、涡轮发电机叶片均安装有转速传感器，所述压气机叶片后方安装有压力传感器，所述涡轮发电机叶片后方安装有温度传感器，所述转速传感器、压力传感器、温度传感器与所述控制器通信连接。

优选地，所述燃料供应系统还包括燃料计量阀和燃料分配器，所述燃料计量阀和所述燃料分配器设置于所述增压泵与所述燃烧室之间的油管上，三组所述磁悬浮转动机构的所述第一线圈、第二线圈、控制器、增压泵、燃料计量阀、储能系统之间电连接，所述燃料计量阀与所述控制器通信连接。

优选地，每组所述磁悬浮转动机构包括至少两级串联的所述定子和叶片。

优选地，所述外壳由前盖和后盖构成，所述前盖和后盖端部扣接固定。

优选地，所述前盖的前端内侧、所述后盖的后端内侧设置有多个用于固定所述定子的定位销。

优选地，所述环形凸边具有定位通孔，所述定位通孔与所述定位销一一对应，所述定位通孔供对应的所述定位销穿过，所述环形定子铁心两端具有定位盲孔，所述定位盲孔与所述定位销一一对应，所述定位销端部插装进对应的所述定位盲孔内。

前述用于飞行器的无轴电发动机的控制方法，

当飞行器处于起飞或者降落状态时，系统启动，所述储能系统放电，为所述控制器、三组所述磁悬浮转动机构的线圈、增压泵、燃料计量阀提供初始电力，所述控制器工作，命令风扇、压气机启动，同时选择涡轮发电机为推进模式，控制器控制增压泵、燃料计量阀工作、燃烧室内点火燃烧，风扇、压气机处于大功率工作状态；

当飞行器处于平飞状态时，系统启动，控制器工作，命令风扇、压气机稳定工作，同时命令涡轮发电机由推进模式转为供电模式，储能系统由放电模式变为充电模式，然后依次命令增压泵工作、燃料计量阀工作、燃烧室点火。

一种飞行器，所述飞行器安装有前述的无轴电发动机。

综上所述，本申请提供了一种新的发动机结构，采用磁悬浮技术和电推进方式，实现了飞行器发动机电动化、低噪声、无轴化，有效避免了传统轴系结构对转动部件的转速限制以及功率输出的限制，避免了噪音污染；

另外，还可以采用多级结构增大推力或者空气流量使得能量使用效率更高。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本发明示意图；

图2是本发明基于起飞/降落状态的控制逻辑图；

图3是本发明基于平飞状态的控制逻辑图；

图4是本发明中磁悬浮转动机构示意图；

图5是本发明中磁悬浮转动机构的剖视图；

图6是本发明中外壳示意图；

图7是本发明中定子示意图；

图8是本发明中定子剖视图；

图9是本发明中圆管、叶片配合示意图；

图10是本发明中圆管、叶片配合的剖视图；

图11是本发明中三级串联结构的示意图。

图中标记：1为发动机壳体，2为进气道，3为尾喷管，4为燃烧室，5为风扇叶片，6为压气机叶片，7为涡轮发电机叶片，8为油箱，9为增压泵，10为控制器，11为储能系统，12为燃料计量阀，13为燃料分配器，14为外壳，15为环形定子铁心，16为环形凸边，17为齿槽，18为第一环形凹槽，19为第一线圈，20为第二线圈，21为圆管，22为叶片，23为环状凹槽，24为第二环形凹槽，25为长方体永磁体，26为环状永磁体，27为前盖，28为后盖，29为定位销，30为定位通孔，31为定位盲孔，32为中心轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

实施例1

如图1至10所示，用于飞行器的无轴电发动机，包括发动机壳体1，发动机壳体1前端具有进气道2、后端具有尾喷管3，进气道2与尾喷管3之间从前往后依次安装有第一组磁悬浮转动机构、第二组磁悬浮转动机构、第三组磁悬浮转动机构，第二组磁悬浮转动机构和第三组磁悬浮转动机构之间为燃烧室4；

磁悬浮转动机构包括外壳14，外壳14与发动机壳体1固定连接，外壳14内具有安装空腔，为定子提供安装区域，外壳14的前后端为通孔状，供气流通过，外壳14内固定安装定子，定子由具有良好导磁性能的硅钢材料制成，定子包括环形定子铁心15以及分别设于环形定子铁心15两端的环形凸边16，环形定子铁心15的结构与现有的电机定子铁心的结构相似，环形定子铁心15内侧周向均匀分布有齿槽17，环形凸边16内侧开设有第一环形凹槽18，第一环形凹槽18内均缠绕设置第一线圈19，齿槽17内缠绕设置第二线圈20，线圈由铜线制成；定子内设置有圆管21，圆管21内固定安装多个叶片22，每组磁悬浮转动机构的各叶片22的内端通过中心轴32固定，中心轴32用于支撑各叶片22，沿圆管21外圆表面设置有环状凹槽23，环状凹槽23与环形定子铁心15位置相对，圆管21两端面开设有第二环形凹槽24，第二环形凹槽24与第一环形凹槽18位置相对，沿环状凹槽23周向间隔均匀地设置多个长方体永磁体25，第二环形凹槽24内均设置环状永磁体26，永磁体由铷铁硼材料制成，永磁体粘贴固定在圆管21上，永磁体用于与线圈通电产生的磁场相互作用，使圆管21和叶片22实现悬浮和转动；第一线圈19和第二线圈20与定子耦合后，通过分布式线圈进行嵌装布线，将线圈通入电流，形成磁场产生径向和轴向的磁力使得圆管21和叶片22进入悬浮状态，并通过磁场产生的切向推力控制圆管21和叶片22高速旋转；

三组磁悬浮转动机构从前往后依次为风扇、压气机、涡轮发电机，三组磁悬浮转动机构的叶片22从前往后分别为风扇叶片5、压气机叶片6、涡轮发电机叶片7；

燃烧室4连接有燃料供应系统，包括油箱8、增压泵9、燃料计量阀12和燃料分配器13，油箱8、增压泵9、燃料计量阀12、燃料分配器13、燃烧室4依次通过油管连接；

还包括控制器10和储能系统11，储能系统11具体设置为蓄电池，三组磁悬浮转动机构的第一线圈19、第二线圈20、控制器10、增压泵9、燃料计量阀12、储能系统11之间电连接；

储能系统11、增压泵9、燃料计量阀12与控制器10通信连接。

风扇叶片5、压气机叶片6、涡轮发电机叶片7均安装有转速传感器(图中未示出)，用于检测各叶片22的转速，压气机叶片6后方安装有压力传感器(图中未示出)，用于测量压气机之后的压力，涡轮发电机叶片7后方安装有温度传感器(图中未示出)，用于测量涡轮发电机之后的温度，转速传感器、压力传感器、温度传感器与控制器10通信连接，将检测到的转速、压力、温度信号传递给控制器10。

风扇布置在进气道2与压气机之间，用于增加涵道比，将空气进行初步压缩，提供推力；压气机布置在风扇与燃烧室4之间，用于提高进口空气压力，有利于燃烧；燃烧室4布置在压气机和涡轮发电机之间，并与燃料供应装置连接，用于燃烧燃料，产生燃烧气体；涡轮发电机布置在燃烧室4和尾喷管3之间，用于燃气膨胀做功，带动涡轮发电机的叶片22旋转，既可以做推进，又可以发电；涡轮发电机有两种模式：1.推进模式：一般在起飞或者降落时，被控制中心控制，燃烧气体和储能系统11提供动力使得涡轮发电机叶片7完全提供推力；2.供电模式：在平飞稳定状态时，提供飞行器的用电器部分电力以及为储能系统11充电。尾喷管3布置在涡轮发电机之后，使燃气进一步膨胀加速，提高出口气流速度，提供推力。

进一步地，外壳14由前盖27和后盖28构成，前盖27和后盖28端部扣接固定，前盖27端部具有扣接孔，后盖28端部具有扣接销，二者一样对应且相互配合，实现前盖27和后盖28的扣接固定。

前盖27的前端内侧、后盖28的后端内侧设置有多个用于固定定子的定位销29，分别周向间隔均匀地设置4个定位销29；两端的环形凸边16具有定位通孔30，两端均设置4个定位通孔30，定位通孔30与定位销29一一对应，定位通孔30供对应的定位销29穿过，环形定子铁心15两端具有定位盲孔31，两端分别周向间隔均匀地设置4个定位盲孔31，定位盲孔31与定位销29一一对应，定位销29端部插装进对应的定位盲孔31内。

定子表面涂覆有抗氧化涂层，抗氧化涂层具体为油漆层，隔离空气，能够抗氧化、抗腐蚀，尽可能减少定子与空气接触，避免定子腐蚀而降低其导磁能力。

每组磁悬浮转动机构的圆管21和叶片22由铝合金材料一体铸造而成。

前述用于飞行器的无轴电发动机的控制方法：

如图2所示，当飞行器处于起飞或者降落状态时，系统启动，蓄电池放电，为控制器10、三组磁悬浮转动机构的线圈、增压泵9、燃料计量阀12提供初始电力，控制器10工作，命令风扇、压气机启动，同时选择涡轮发电机为推进模式，控制器10控制增压泵9、燃料计量阀12工作、燃烧室4内点火燃烧，风扇、压气机处于大功率工作状态。

如图3所示，当飞行器处于平飞状态，系统启动，控制器10工作，命令风扇、压气机稳定工作，同时命令涡轮发电机由推进模式转为供电模式，蓄电池由放电模式变为充电模式，然后依次命令增压泵9工作、燃料计量阀12工作、燃烧室4点火。

前述两种状态可以随控制器10控制而改变，若是出现紧急情况需要大功率推进，可通过控制器10进行设置。

实施例2

如图11所示，在实施例1基础上，每组磁悬浮转动机构包括至少两级串联的定子和叶片22，即磁悬浮的风扇、磁悬浮的压气机、磁悬浮的涡轮发电机均可设置为两级及以上串联的定子和叶片22结构，本实施例中，具体设置为三级串联结构，增加输出功率。

一种飞行器，该飞行器(图中未示出)安装有实施例1或者实施例2所述的无轴电发动机。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

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至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (9)

1.用于飞行器的无轴电发动机，其特征在于：包括发动机壳体(1)，所述发动机壳体(1)前端具有进气道(2)、后端具有尾喷管(3)，所述进气道(2)与所述尾喷管(3)之间从前往后依次安装有第一组磁悬浮转动机构、第二组磁悬浮转动机构、第三组磁悬浮转动机构，所述第二组磁悬浮转动机构和第三组磁悬浮转动机构之间为燃烧室(4)；

所述磁悬浮转动机构包括外壳(14)，所述外壳(14)内固定安装定子，所述定子包括环形定子铁心(15)以及分别设于所述环形定子铁心(15)两端的环形凸边(16)，所述环形定子铁心(15)内侧均匀分布有齿槽(17)，所述环形凸边(16)内侧开设有第一环形凹槽(18)，所述第一环形凹槽(18)内均缠绕设置第一线圈(19)，所述齿槽(17)内缠绕设置第二线圈(20)；所述定子内设置有圆管(21)，所述圆管(21)内固定安装多个叶片(22)，沿所述圆管(21)外圆表面设置有环状凹槽(23)，所述环状凹槽(23)与所述环形定子铁心(15)位置相对，所述圆管(21)两端面开设有第二环形凹槽(24)，所述第二环形凹槽(24)与所述第一环形凹槽(18)位置相对，沿所述环状凹槽(23)周向间隔均匀地设置多个长方体永磁体(25)，所述第二环形凹槽(24)内均设置环状永磁体(26)；

每组所述磁悬浮转动机构包括至少两级串联的所述定子和叶片(22)。

2.根据权利要求1所述的用于飞行器的无轴电发动机，其特征在于：三组所述磁悬浮转动机构的所述叶片(22)从前往后分别为风扇叶片(5)、压气机叶片(6)、涡轮发电机叶片(7)；

所述燃烧室(4)连接有燃料供应系统，包括油箱(8)、增压泵(9)，所述油箱(8)、增压泵(9)、燃烧室(4)通过油管连接；

还包括控制器(10)和储能系统(11)，三组所述磁悬浮转动机构的所述第一线圈(19)、第二线圈(20)、控制器(10)、增压泵(9)、储能系统(11)之间电连接；

所述储能系统(11)、增压泵(9)与所述控制器(10)通信连接。

3.根据权利要求2所述的用于飞行器的无轴电发动机，其特征在于：所述风扇叶片(5)、压气机叶片(6)、涡轮发电机叶片(7)均安装有转速传感器，所述压气机叶片(6)后方安装有压力传感器，所述涡轮发电机叶片(7)后方安装有温度传感器，所述转速传感器、压力传感器、温度传感器与所述控制器(10)通信连接。

4.根据权利要求3所述的用于飞行器的无轴电发动机，其特征在于：所述燃料供应系统还包括燃料计量阀(12)和燃料分配器(13)，所述燃料计量阀(12)和所述燃料分配器(13)设置于所述增压泵(9)与所述燃烧室(4)之间的油管上，三组所述磁悬浮转动机构的所述第一线圈(19)、第二线圈(20)、控制器(10)、增压泵(9)、燃料计量阀(12)、储能系统(11)之间电连接，所述燃料计量阀(12)与所述控制器(10)通信连接。

5.根据权利要求1所述的用于飞行器的无轴电发动机，其特征在于：所述外壳(14)由前盖(27)和后盖(28)构成，所述前盖(27)和后盖(28)端部扣接固定。

6.根据权利要求5所述的用于飞行器的无轴电发动机，其特征在于：所述前盖(27)的前端内侧、所述后盖(28)的后端内侧设置有多个用于固定所述定子的定位销(29)。

7.根据权利要求6所述的用于飞行器的无轴电发动机，其特征在于：所述环形凸边(16)具有定位通孔(30)，所述定位通孔(30)与所述定位销(29)一一对应，所述定位通孔(30)供对应的所述定位销(29)穿过，所述环形定子铁心(15)两端具有定位盲孔(31)，所述定位盲孔(31)与所述定位销(29)一一对应，所述定位销(29)端部插装进对应的所述定位盲孔(31)内。

8.用于飞行器的无轴电发动机的控制方法，其特征在于：所述控制方法通过权利要求4所述的无轴电发动机实现；

当飞行器处于起飞或者降落状态时，系统启动，所述储能系统(11)放电，为所述控制器(10)、三组所述磁悬浮转动机构的线圈、增压泵(9)、燃料计量阀(12)提供初始电力，所述控制器(10)工作，命令风扇、压气机启动，同时选择涡轮发电机为推进模式，控制器(10)控制增压泵(9)、燃料计量阀(12)工作、燃烧室(4)内点火燃烧，风扇、压气机处于大功率工作状态；

当飞行器处于平飞状态时，系统启动，控制器(10)工作，命令风扇、压气机稳定工作，同时命令涡轮发电机由推进模式转为供电模式，储能系统(11)由放电模式变为充电模式，然后依次命令增压泵(9)工作、燃料计量阀(12)工作、燃烧室(4)点火。

9.一种飞行器，其特征在于：所述飞行器安装有权利要求1至7任一项所述的无轴电发动机。

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