CN113978702B - 一种航空用的多级串联式轮缘驱动涵道推进器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空用的多级串联式轮缘驱动涵道推进器，涉及航空电推进及轮缘电机的技术领域。轮缘电机的结构包括：环形定子磁芯，环形转子磁芯，永磁体或鼠笼型导条(和电机种类相关)，多电机串联式共定子绕组，转子加固结构。本发明的涵道推进器可以有效改善电推进飞机在高速飞行下涵道推力不足和功率上限较小的问题。通过多台轮缘电机级联的方式提高推进器整体推重比和风扇压力比，不仅突破了一台电机驱动的传统涵道推进器和两台电机组成的共轴反桨结构的电机数量限制，而且也解决了大功率涵道推进器电机体积大难以安装支撑以及会影响涵道气动性能的问题。
Description
技术领域
本发明涉及航空电推进技术领域，具体涉及一种航空用的多级串联式轮缘驱动涵道推进器。
背景技术
随着电推进技术的发展，所需的电推进功率越来越大，所需的电机体积越来越大。传统涵道结构会因为电机体积增大从而影响气动性能，不能采用电机直驱风扇的方式，多采用高速电机加减速器匹配大桨径风扇的设计，而这种低速大桨结构不适合高速平飞的大功率推进作用。
共轴对转式涵道推进器，采用了两个电机驱动，但是对功率的增加效果有限，而且因为两个电机相对放置的结构，对涵道的气动影响很大，也不适合高速飞行的推进需求。
分布式电推进方式将大功率电机转换成多个小功率电机，但是相应的电机控制器数量更多，控制更困难，飞机的气动布局也需要相互耦合设计。
因此急需一种大功率高效率，适用性强的航空电力推进器。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种多级串联式轮缘驱动涵道推进器，该推进器结构合理，控制难度低，装配简单，重量轻，适配性高，适用于航空领域的大功率高速平飞推进。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种航空用的多级串联式轮缘驱动涵道推进器，设置在飞行器或飞机的机翼和机身交界处或者尾部区域，由涵道导管、多级串联的轮缘电机及内置风扇、电机转子及风扇的限位支撑结构和涵道中心非旋转的加固轴组成。其中，多级轮缘电机串联式结构的最小单元组合结构分别为三台电机串联的三级轮缘涵道推进器和两台电机串联的对转式轮缘涵道推进器。
按照上述方案进一步地，各级轮缘电机的定子和转子都布置在涵道导管内部，转子和叶片围带集成并被防护套加固，叶片围带和内置风扇桨叶叶尖相连接；各级轮缘电机的内置风扇中心处于同一轴线；各级轮缘电机的内径从大到小依次排列，即前后风扇的桨径不同，前级风扇内径最大，后级风扇内径最小，涵道内径相应变化；风扇桨叶越靠近叶片围带的部分桨叶越宽剖面越大，越靠近轴心叶剖面越小，更契合轮缘驱动方式，可以提供更大的推力。
进一步地，多级轮缘电机串联需要考虑推进器整体重量和轴向长度的限制，各轮缘电机的定子绕组采用串联方式，即前一个电机的A相绕组在穿过A+定子槽之后不形成端部绕组结构回到A-槽，而是通过后续的轮缘电机定子槽直到最后一个轮缘电机再形成端部绕组返回，B相和C相绕组同样按照上述的方式绕制。在串联过程绕组导线可以分路和并联，从而满足各级电机的绕组绕制和额定工作电流。各级电机的每相安匝数为相同值。
进一步地，控制器的直流母线电压需大于各级电机反电势之和。
进一步地，为避免电机结构影响涵道内的气动性能，定子和转子以及叶片围带完全埋在涵道导管内部；涵道导管外表面内部和定子铁芯贴合。定子绕组端部贴合涵道导管内壁，即电机定子与转子气隙侧涵道壁。
进一步地，转子的防护套选择导热性较好的合金材料，防护套在转子轴向两侧压紧转子，整体都卡在叶片围带上的凹槽里。叶片围带采用钛合金材料。
进一步地，电机气隙从转子防护套外侧延长到定子绕组端部对应位置的涵道内壁处，形成辅助散热风道。
进一步地，各级轮缘电机的转子轴向限位支撑结构套在内置风扇中心孔径处的加固轴上，各级轴向限位支撑结构套在支撑杆上并通过卡位进行互相限位；轴向限位结构和加固轴都不旋转，加固轴两端的径向有三片或四片辐条状支撑杆连接到涵道导管。
进一步地，各级轮缘电机的转子径向限位结构固定在轴向限位支撑结构内。转子径向限位结构可以旋转，其内部与轴向支撑结构接触的是内径很小的滚珠轴承，径向限位结构轴向两侧与轴向限位结构两端之间是两个内径稍大的滚珠轴承。
本发明的有益效果：
1.本发明采用的轴向多级轮缘电机串联方式的涵道推进器结构，采用的多级定子绕组相连的绕组设置，取消了电机间的绕组端部，减少了推进器的轴向长度，降低了电机的端部损耗，不仅解决了传统的大功率推进电机体积重量大设计安装困难的问题；而且解决了主流翼缘分布式推进电机布局不适合高速飞行的问题；
2.本发明采用的轴向多级轮缘电机串联方式的涵道推进器结构，利用绕组导线分路和并联的结合方式，实现了多级对转，解决了分布式推进布局电机控制器多，电力系统设计困难的问题，对于单独的多级推进器只需要一个总控制器即可；
3.本发明采用的内径前大后小的轮缘电机串联结构，增大了涵道的进气截面，增加了涵道的出气速度，提高了涵道的风扇压比，改善了涵道的气动性能；
4.本发明本发明采用的转子加固结构，不仅转子叠片中叠有的高强度钛合金叠片，而且加厚叶片围带和两侧加固片之间还有加强梁，解决了轮缘电机高转速时转子应力过大且易形变的问题；
5.本发明采用的转子限位结构，有效的解决了传统轮缘电机高转速时摩擦损失大，转子位置稳定困难的问题。
附图说明
图1是本发明所述多级串联式轮缘驱动涵道推进器的最小单元组合结构中的三级式轮缘涵道推进器及其剖视图，亦在实施例1中详细说明。
图2是本发明实施例1中的三级式轮缘涵道推进器的轮缘电机串联结构示意图。
图3是本发明实施例1中的三台串联的轮缘电机内部结构示意图。
图4是本发明所述多级串联式轮缘驱动涵道推进器的定子绕组连接方式。
图5是本发明所述多级串联式轮缘驱动涵道推进器的最小单元组合结构中的对转式轮缘涵道推进器及其剖视图，亦在实施例2中详细说明。
图6是本发明实施例2中的两级对转式轮缘驱动涵道推进器的内部结构图，包括轮缘电机定子和转子以及转子加固结构。
图7是本发明所述多级串联式轮缘驱动涵道推进器的转子加固结构。
图8是本发明所述多级串联式轮缘驱动涵道推进器的转子限位和支撑结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
图1为本发明所述的多级串联式轮缘驱动涵道推进器的最小单元组合结构中的三级式轮缘涵道推进器。如图1所示，外部结构是涵道导管11，内部有三台串联排布的轮缘电机12。如图2和图3所示，三台轮缘电机12的结构组成包括电机定子121、多级串联的定子绕组122，电机定子绕组端部123、电机转子124和转子导条125。如图4所示，定子绕组122采用串联方式，即前一个电机的A相绕组在穿过A+定子槽之后不形成端部绕组结构回到A-槽，而是通过后续的轮缘电机定子槽直到最后一个轮缘电机再形成端部绕组123返回，B相和C相绕组同样按照上述的方式绕制。在串联过程绕组导线采用分路和并联的连接方式，从而满足各级电机的绕组绕制和额定工作电流，各级电机的每相安匝数为相同值。转子加固结构包括叶片围带13，两侧加固片17和铆接加固梁18。叶片围带13的截面成凹形，轮缘电机的转子124嵌在叶片围带13中，叶片围带的宽度和两端转子导条125的距离相等，加固片17从两端紧紧压住转子和叶片围带，沿圆周分布的加固梁18穿过加固片和叶片围带，进一步提高结构强度。转子124采用实心转子或参杂钛合金叠片的高强度结构，两侧的加固片选择钛合金材料，叶片围带采用钛合金材料，加固梁选择强度更好的合金材料。内置风扇桨叶14和叶片围带13是一个整体，风扇桨叶越靠近叶片围带的部分桨叶越宽剖面越大，越靠近轴心叶剖面越小，在轮缘驱动的模式下这种桨型可以提高更大的转矩和推力。风扇桨叶在轴心部分和转子的限位支撑结构15相连接，限位支撑结构套在静止不动的高强度加固轴16上，加固轴在串联的轮缘推进电机结构的两端通过径向支撑轴和涵道导管11固定在一起。如图8所示，限位支撑结构包括轴向限位支撑结构151和径向限位支撑结构152。轴向限位结构的目的是限制转子及内置风扇在轴向的位置不会因为风扇向后压气而改变，是固定在加固轴上的。径向限位支撑结构套在了轴向限位支撑结构的凹槽内，径向限位支撑结构和轴向限位结构之间是滚珠轴承，径向限位支撑结构两端和轴向支撑结构的凹槽两端槽壁之间也是滚珠轴承。内置风扇14可以采用前两级风扇正向旋转最后一级反向旋转，和前后风扇都正向旋转，中间风扇反向旋转的两种驱动方式。
实施例2
图5为本发明所述的多级串联式轮缘驱动涵道推进器的最小单元组合结构中的两级式对转式轮缘涵道推进器.如图2所示，外部结构是涵道导管21，内部有两台串联排布转向相反的轮缘电机22。如图6所示，两台轮缘电机22的结构组成包括电机定子221、多级串联的定子绕组222，电机定子绕组端部223、电机转子224和转子导条225。如图4所示，定子绕组222采用串联方式，即前一个电机的A相绕组在穿过A+定子槽之后不形成端部绕组结构回到A-槽，而是通过后续的轮缘电机定子槽直到最后一个轮缘电机再形成端部绕组223返回，B相和C相绕组同样按照上述的方式绕制。在串联过程绕组导线采用分路和并联的连接方式，从而满足各级电机的绕组绕制和额定工作电流，各级电机的每相安匝数为相同值。转子加固结构包括叶片围带23，两侧加固片27和铆接加固梁28。叶片围带23的截面成凹形，轮缘电机的转子224嵌在叶片围带23中，叶片围带的宽度和两端转子导条225的距离相等，加固片27从两端紧紧压住转子和叶片围带，沿圆周分布的加固梁28串过加固片和叶片围带，进一步提高结构强度。转子224采用实心转子或参杂钛合金叠片的高强度结构，两侧的加固片选择钛合金材料，叶片围带采用钛合金材料，加固梁选择强度更好的合金材料。内置风扇桨叶24和叶片围带23是一个整体，风扇桨叶越靠近叶片围带的部分桨叶越宽剖面越大，越靠近轴心叶剖面越小，在轮缘驱动的模式下这种桨型可以提高更大的转矩和推力。风扇桨叶在轴心部分和转子的限位支撑结构25相连接，限位支撑结构套在静止不动的高强度加固轴26上，加固轴在串联的轮缘推进电机结构的两端通过径向支撑轴和涵道导管21固定在一起。如图8所示，限位支撑结构包括轴向限位支撑结构151和径向限位支撑结构152。轴向限位结构的目的是限制转子及内置风扇在轴向的位置不会因为风扇向后压气而改变，是固定在加固轴上的。径向限位支撑结构套在了轴向限位支撑结构的凹槽内，径向限位支撑结构和轴向限位结构之间是滚珠轴承，径向限位支撑结构两端和轴向支撑结构的凹槽两端槽壁之间也是滚珠轴承。前置风扇和后置风扇转向相反。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种航空用的多级串联式轮缘驱动涵道推进器，其特征在于：推进器内部是多台轮缘电机串联排布，其多级轮缘电机串联式结构的最小单元组合结构分别为三台电机串联的三级轮缘涵道推进器和两台电机串联的对转式轮缘涵道推进器；为了提高涵道内部气流压缩效率和推进器风扇压比性能，三级式轮缘涵道推进器的风扇采用前两级风扇正向旋转最后一级反向旋转，以及前后风扇正向旋转且中间风扇反向旋转的两种驱动方式；对转式轮缘涵道推进器的前后风扇转向相反；
轮缘电机的定子和转子布置在涵道导管内部，转子和叶片围带集成并增加加固结构，叶片围带和内置风扇桨叶叶尖相连接；各级轮缘电机的内置风扇中心处于同一轴线；为了实现涵道流道对气体的压缩能力以及提升每级风扇对气体的压缩作用，各级轮缘电机的转速从低到高，并且各级轮缘电机的内径从大到小依次排列，即前后风扇的桨径不同，前级风扇内径最大，后级风扇内径最小，涵道内径相应变化；为了避免影响涵道内的气动性能，定子和转子以及叶片围带完全埋在涵道导管内部；涵道导管外表面内部和定子铁芯贴合；涵道导管管内侧表面和叶片围带内侧表面平行；电机定转子间气隙从转子防护套外侧延长到定子绕组端部对应位置的涵道内壁处，在涵道内高速气流的作用下等效成辅助散热风道，即高速飞行时涵道内置风扇推动涵道内部气流向后时，气流会从后向前通过电机气隙对电机进行散热，同时涵道机壳外侧气流对电机的定子及定子绕组也起到散热作用；
轮缘电机的转子采用鼠笼结构，为减小高速旋转时的导条应力，鼠笼导条截面圆角矩形，靠近转子外侧的圆角半径比靠近转子内侧的圆角半径大，导条端环为焊接的圆环；叶片围带截面成凹形，轮缘电机的转子嵌在叶片围带凹槽中，叶片围带的宽度和两端转子导条端环的宽度相等，两侧成一个平面；为了进一步提高结构强度，加固片从两端紧紧压住转子和叶片围带，沿圆周分布的铆接加固梁串过加固片和叶片围带；转子铁芯采用高强度硅钢片，并且在硅钢片之间叠加钛合金叠片，两侧的加固片选择钛合金材料，叶片围带采用钛合金材料，加固梁的合金材料强度最高；各级轮缘电机的转子轴向限位支撑结构套在内置风扇中心孔径处的加固轴上，各级轴向限位支撑结构套在支撑杆上并通过卡位进行互相限位；轴向限位结构和加固轴都不旋转，加固轴两端的径向有三片或四片辐条状支撑杆连接到涵道导管；各级轮缘电机的转子径向限位结构固定在轴向限位支撑结构内；转子径向限位结构是自由旋转的，其内部与轴向支撑结构接触的是内径很小的滚珠轴承，径向限位结构轴向两侧与轴向限位结构两端之间是两个内径稍大的滚珠轴承。
2.根据权利要求1所述的一种航空用的多级串联式轮缘驱动涵道推进器，其特征在于：各轮缘电机的定子绕组采用级联方式，即各级电机的每相绕组穿过定子槽之后不形成传统的端部绕组结构，而是直接和前后级电机的绕组导线相连，电枢绕组导线在级联排列的第一个和最后一个轮缘电机的外侧形成端部绕组结构；在电机与电机的级联过程绕组导线采用相位分路和并联的方式以从而满足各级电机的绕组绕制和额定工作电流；不同的电机电枢绕组的匝数不同，跨距不同，为了满足单独电机控制器驱动，各级电机的每相安匝数为相同值，即每级电机的每相匝数和工作电流的乘积相等，控制器的直流母线电压大于各级电机反电势之和。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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