CN115123539A - 一种直升机磁悬浮电动尾桨 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直升机磁悬浮电动尾桨，由永磁同步电机、涵道式转子桨盘以及磁悬浮轴承系统组成。其中永磁同步电机具有高功率密度、大转矩、转矩脉动小等特点，符合直升机电动尾桨的各项性能指标；涵道式转子桨盘由电机转子铁心、电机永磁体贴片、永磁体护套、转子衬套、转子铁环、隔磁环、传感器检测环、桨叶以及桨叶固定架组成；磁悬浮轴承系统由N对径向磁悬浮轴承与M对沿电机定子圆周均匀布置的轴向磁悬浮轴承组成，磁悬浮轴承座集成有保护轴承及转子位移传感器。本发明大幅减小了桨叶的挥舞振动，同时采用磁悬浮轴承支承转子，实现转子无摩擦、无磨损、高效率运行，并可在尾桨受到气流扰动时进行主动减振控制，提高尾桨运行的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及直升机电传动领域、磁悬浮领域，尤其涉及一种直升机磁悬浮电动尾桨结构。
背景技术
直升机电动尾桨系统以发电机-电缆-驱动电机-尾桨的电传动系统代替尾水平轴-中间减速器-尾斜轴-尾减速器-尾桨的机械传动机构，其最直接的优点在于尾桨与主旋翼的运动解耦，显著提升直升机的机动飞行性能，当直升机处于巡航飞行状态时，可使尾桨以计算所得最佳转速运行，提高直升机的续航能力。相比复杂的机械传动机构，电传动系统也大大了提高尾桨在极端环境中的工作可靠性，降低了尾桨失效的风险。
直升机尾桨工作环境复杂多变，改变尾桨转速时桨盘所产生拉力的反作用力会发生变化，转子桨盘会受到轴向及径向气流扰动，同时电动尾桨系统会受到直升机机身的基础振动扰动。采用直驱式构型的电动尾桨系统具有结构简单、系统效率高等优点，但桨盘受外部扰动时会将扰动力直接传递至电机，造成电机振动，降低电机的工作稳定性，严重影响电机寿命，而直升机对动力驱动系统的安全性和可靠性要求十分苛刻。因此，需要设计一种全新构型来改善直驱式电动尾桨系统所面临的上述问题。
主动式磁悬浮轴承通过对转子施加可控电磁力以实现转子的无接触悬浮，具有无摩擦，无需润滑，寿命长，效率高，可控刚度阻尼等特点，在工业中有着较广泛的应用前景。将磁悬浮轴承引入直升机电动尾桨系统，使转子桨盘与定子实现无接触悬浮，消除了两者的摩擦，大幅减小直升机尾桨所产生的噪声，延长电动尾桨系统的使用寿命，同时可针对外部扰动进行减振控制，提高电动尾桨在复杂工况下的工作稳定性。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，设计了一种直升机磁悬浮电动尾桨，以提高电动尾桨系统的工作效率，改善电动尾桨转子的振动问题，延长系统工作寿命。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种直升机磁悬浮电动尾桨总体布局如图1所示，其特征在于，包括、涵道式转子桨盘(图2)，大转子内径永磁同步电机(图3)，N对径向磁悬浮轴承(图4)、M对轴向磁悬浮轴承(图5)。N、M为大于等于1的自然数。
如图2所示，所述涵道式转子桨盘包含电机转子铁心(23)、电机永磁体贴片(21)、永磁体护套(20)、转子衬套(11)、磁悬浮轴承铁环a(8)、磁悬浮轴承铁环b(25)、隔磁环(24)、传感器检测环(6)、桨叶(16)及桨叶固定架(17)。其中，永磁体护套(20)由铝合金线切割制成，通过紧定螺钉与电机转子铁心(23)连接，与永磁体贴片(21)间隙配合，并通过注胶进行固定。永磁体贴片(21)正对于电机电枢部分。磁悬浮轴承铁环a(8)、传感器检测环(6)、隔磁环(24)、电机转子铁心(23)、隔磁环(24)、磁悬浮轴承铁环b(25)依次以过盈热套的方式与转子衬套(11)配合。桨叶(16)与转子衬套(11)内圆固连，并通过桨叶固定架(17)约束桨叶叶尖。
如图3所示，所述永磁同步电机定子(19)采用硅钢片叠压制成，且电枢长度与永磁体贴片(21)宽度相等。
如图4所示，所述径向磁悬浮轴承由径向磁悬浮轴承座(4)、径向磁悬浮轴承铁心(10)、径向磁悬浮轴承压板(5)、磁悬浮轴承绕组线圈(15)、磁悬浮轴承线圈护套(22)、径向保护轴承(9)、径向转子位移传感器(18)组成。其中，径向保护轴承(9)通过销钉与径向磁悬浮轴承座(4)连接，保护轴承外圆与磁悬浮轴承铁环a(8)的间隙为0.3mm。径向转子位移传感器(18)正对于传感器检测环(6)，并通过定位孔安装于径向磁悬浮轴承座(4)固连。径向磁悬浮轴承铁心(10)通过定位块与径向磁悬浮轴承座(4)配合，并通过径向磁悬浮轴承压板(5)进行固定，使径向磁悬浮轴承铁心(10)与磁悬浮轴承铁环a(8)的间隙为0.5mm。磁悬浮轴承绕组线圈(15)通过磁悬浮轴承线圈护套(22)与径向磁悬浮轴承铁心(10)固连。径向磁悬浮轴承座(4)通过螺栓与电机机壳(3)固连。
轴向磁悬浮轴承由轴向磁悬浮轴承a和轴向磁悬浮轴承b组成，轴向磁悬浮轴承a与轴向磁悬浮轴承b的区别为轴向磁悬浮轴承座的安装位置到轴向磁悬浮轴承铁心的距离有所不同。如图5所示，所述轴向磁悬浮轴承由轴向磁悬浮轴承座(2)、轴向磁悬浮轴承铁心(13)、轴向磁悬浮轴承压板(1)、磁悬浮轴承绕组线圈(15)、磁悬浮轴承线圈护套(22)、轴向保护轴承(12)、轴向转子位移传感器(14)组成。其中，轴向保护轴承(12)通过销钉与径向磁悬浮轴承座(2)连接，轴向保护轴承(12)的外圆与磁悬浮轴承铁环(8)轴向平面的间隙为0.3mm。轴向转子位移传感器(14)与轴向磁悬浮轴承压板(1)固连，并正对于磁悬浮轴承铁环(8、25)的轴向平面。轴向磁悬浮轴承铁心(13)通过定位孔与轴向磁悬浮轴承座(2)配合，并使用螺栓将轴向磁悬浮轴承压板(1)、轴向磁悬浮轴承铁心(13)、轴向磁悬浮轴承座(2)进行固定。轴向磁悬浮轴承铁心(13)与磁悬浮轴承铁环(8)的间隙为0.5mm。磁悬浮轴承绕组线圈(15)通过磁悬浮轴承线圈护套(22)与轴向磁悬浮轴承铁心(13)固连。轴向磁悬浮轴承座a和轴向磁悬浮轴承座b通过螺栓与电机机壳(3)固连。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.采用高功率密度永磁同步电机，使用双闭环矢量控制策略，相较永磁直流无刷电机具有更优的调速性能，转矩脉动更小，电机的抗负载扰动能力更强。
2.桨叶与涵道式桨盘固连，并通过桨叶固定架进行约束，消除了叶尖挥舞振动，使桨盘结构强度大幅增加。
3.采用磁悬浮轴承支承桨盘，具有无摩擦，无需润滑，噪音小，寿命长，效率高等特点。
4.由于取消了传统机械轴承支承，磁悬浮轴承可对桨盘所受外部扰动进行主动减振控制，减少传递给直升机机身的振动，提高电动尾桨在复杂工况下的工作稳定性。
5.将转子位移传感器、保护轴承安装于磁悬浮轴承座，大幅提高空间利用率，减少了安装误差。
附图说明
图1为永磁悬浮电动尾桨结构示意图。
图2为涵道式转子桨盘结构示意图。
图3为永磁同步电机定子结构示意图。
图4为径向磁悬浮轴承结构示意图。
图5为轴向磁悬浮轴承结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
涵道式转子桨盘如图2所示，所述转子衬套(11)由铝合金制成，自身具有一定隔磁作用，其外圈表面加工有阶梯轴，各轴段分别与磁悬浮轴承铁环a(8)、传感器检测环(6)、电机转子铁心(23)、隔磁环(24)、磁悬浮轴承铁环b(25)通过过盈热套进行配合。永磁体护套(20)由铝合金线切割制成，通过紧定螺钉与电机转子铁心(23)固.所述电机永磁体贴片(21)材料为钕铁硼(Nd-Fe-B)，采用平行充磁，并通过灌胶工艺与铁心和护套固连。所述桨叶(16)与转子衬套(11)通过定位销进行定位，并通过螺栓固连。所述桨叶固定架通过螺栓与桨叶固连。
如图3所示，所述永磁同步电机定子(19)由硅钢片制成，且所述硅钢片叠压后需进行浸漆处理。所述永磁同步电机定子(19)通过定位槽与电机机壳(3)配合，以保证径向转子位移传感器(18)与电机绕组线圈(7)无干涉。
如图4所示，径向磁悬浮轴承座(4)采用铝合金加工制成，其内部开有径向磁悬浮轴承铁心定位槽，使用径向磁悬浮轴承压板(5)压紧径向磁悬浮轴承铁心(10)以实现完全约束。所述径向磁悬浮轴承铁心(10)采用高强度铁合金制成，磁极部分需加工呈圆弧状，该圆弧半径与磁悬浮轴承铁环a(8)的半径之差为0.5mm。安装时通过定位保证径向磁悬浮轴承铁心(10)磁极部分正对于磁悬浮轴承铁环a(8)的径向外表面，且径向磁悬浮轴承铁心(10)与磁悬浮轴承铁环a(8)的间隙为0.5mm。所述径向保护轴承(9)采用高强度合金钢制成，安装时保证径向保护轴承(9)外圆正对于磁悬浮轴承铁环a(8)的径向外表面，且径向保护轴承(9)外圆与磁悬浮轴承铁环a(8)的径向外表面的最小距离为0.3mm。所述径向转子位移传感器(18)为电涡流传感器，通过径向磁悬浮轴承座(4)定位使探头正对于传感器检测环(6)。
如图5所示，轴向磁悬浮轴承座(2)采用铝合金加工制成，其上表面铣有轴向磁悬浮轴承铁心定位槽。轴向磁悬浮轴承铁心(13)采用高强度铁合金制成，磁极部分弯曲呈直角。轴向磁悬浮轴承铁心(13)通过轴向磁悬浮轴承座(2)上的定位槽进行定位以保证磁极正对于磁悬浮轴承铁环a(8)且间距为0.5mm。轴向磁悬浮轴承铁心(13)通过两侧的通孔进行固定。轴向磁悬浮轴承压板(1)通过定位槽与轴向磁悬浮轴承座(2)配合，使用螺栓进行固定并压紧轴向磁悬浮轴承铁心(13)。轴向磁悬浮轴承压板(1)伸出端开有定位孔，用于安装轴向转子位移传感器(14)，并保证轴向转子位移传感器(14)的探头正对于磁悬浮轴承铁环a(8)的轴向外表面。轴向保护轴承(12)采用高强度合金钢制成，安装时保证轴向保护轴承(12)外圆正对于磁悬浮轴承铁环a(8)的轴向外表面，且轴向保护轴承(12)外圆与磁悬浮轴承铁环a(8)的轴向外表面的最小距离为0.3mm。
主动式磁悬浮轴承工作原理如下：
主动式磁悬浮轴承系统的结构主要由定子，转子，传感器，控制器，以及功率放大器五大部分组成，主动式磁悬浮轴承通过非接触式位移传感器检测转子位移，并将位移信号反馈至控制器，经过控制器运算后，输出合适的控制电流至定子电磁铁，从而产生适当的电磁力，使转子悬浮在期望位置。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
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 (1)
1.一种直升机磁悬浮电动尾桨，其特征在于，包括涵道式转子桨盘，大转子内径永磁同步电机，N对径向磁悬浮轴承、M对轴向磁悬浮轴，N、M为大于等于1的自然数；所述涵道式转子桨盘包含电机转子铁心(23)、电机永磁体贴片(21)、永磁体护套(20)、转子衬套(11)、磁悬浮轴承铁环a(8)、磁悬浮轴承铁环b(25)、隔磁环(24)、传感器检测环(6)、桨叶(16)及桨叶固定架(17)；其中，永磁体护套(20)由铝合金线切割制成，通过紧定螺钉与电机转子铁心(23)连接，与永磁体贴片(21)间隙配合，并通过注胶进行固定；永磁体贴片(21)正对于电机电枢部分；磁悬浮轴承铁环a(8)、传感器检测环(6)、隔磁环(24)、电机转子铁心(23)、隔磁环(24)、磁悬浮轴承铁环b(25)依次以过盈热套的方式与转子衬套(11)配合；桨叶(16)与转子衬套(11)内圆固连，并通过桨叶固定架(17)约束桨叶叶尖；所述永磁同步电机定子(19)采用硅钢片叠压制成，且电枢长度与永磁体贴片(21)宽度相等；所述径向磁悬浮轴承由径向磁悬浮轴承座(4)、径向磁悬浮轴承铁心(10)、径向磁悬浮轴承压板(5)、磁悬浮轴承绕组线圈(15)、磁悬浮轴承线圈护套(22)、径向保护轴承(9)、径向转子位移传感器(18)组成；其中，径向保护轴承(9)通过销钉与径向磁悬浮轴承座(4)连接，保护轴承外圆与磁悬浮轴承铁环a(8)的间隙为0.3mm；径向转子位移传感器(18)正对于传感器检测环(6)，并通过定位孔安装于径向磁悬浮轴承座(4)固连；径向磁悬浮轴承铁心(10)通过定位块与径向磁悬浮轴承座(4)配合，并通过径向磁悬浮轴承压板(5)进行固定，使径向磁悬浮轴承铁心(10)与磁悬浮轴承铁环a(8)的间隙为0.5mm；磁悬浮轴承绕组线圈(15)通过磁悬浮轴承线圈护套(22)与径向磁悬浮轴承铁心(10)固连；径向磁悬浮轴承座(4)通过螺栓与电机机壳(3)固连；所述轴向磁悬浮轴承由轴向磁悬浮轴承a和轴向磁悬浮轴承b组成，轴向磁悬浮轴承a与轴向磁悬浮轴承b的区别为轴向磁悬浮轴承座的安装位置到轴向磁悬浮轴承铁心的距离有所不同；所述轴向磁悬浮轴承由轴向磁悬浮轴承座(2)、轴向磁悬浮轴承铁心(13)、轴向磁悬浮轴承压板(1)、磁悬浮轴承绕组线圈(15)、磁悬浮轴承线圈护套(22)、轴向保护轴承(12)、轴向转子位移传感器(14)组成；其中，轴向保护轴承(12)通过销钉与径向磁悬浮轴承座(2)连接，轴向保护轴承(12)的外圆与磁悬浮轴承铁环(8)轴向平面的间隙为0.3mm；轴向转子位移传感器(14)与轴向磁悬浮轴承压板(1)固连，并正对于磁悬浮轴承铁环(8、25)的轴向平面；轴向磁悬浮轴承铁心(13)通过定位孔与轴向磁悬浮轴承座(2)配合，并使用螺栓将轴向磁悬浮轴承压板(1)、轴向磁悬浮轴承铁心(13)、轴向磁悬浮轴承座(2)进行固定；轴向磁悬浮轴承铁心(13)与磁悬浮轴承铁环(8)的间隙为0.5mm；磁悬浮轴承绕组线圈(15)通过磁悬浮轴承线圈护套(22)与轴向磁悬浮轴承铁心(13)固连；轴向磁悬浮轴承座a和轴向磁悬浮轴承座b通过螺栓与电机机壳(3)固连。
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| CN118145004B (zh) * | 2024-05-09 | 2024-07-16 | 四川天舜动力科技有限公司 | 一种文丘里管式磁悬浮动力系统及其飞行器 |
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| CN115123539B (zh) | 2024-02-09 |
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