CN115664079A - 一种电推进涵道风扇及飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电推进涵道风扇及飞行器，其中，该电推进涵道风扇包括定子组件和转子组件；所述定子组件为环状，所述转子组件转动安装在所述定子组件内；所述定子组件用于驱动所述转子组件转动，并使所述转子组件在径向方向上实现悬浮转动；所述定子组件的两端固定设有支撑件，所述支撑件通过止推轴承与所述转子组件转动连接；所述转子组件为环状，其内部设有叶片。本发明能够实现电推进系统高转速、低噪声、简化机械结构的功能。

Description

一种电推进涵道风扇及飞行器

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种电推进涵道风扇及飞行器。

背景技术

目前的风扇多采用轴传动的方式，即，通过轴来传递扭矩。为了达到较高的转速，通常采用磁悬浮的方式进行支撑。但通过轴来传递扭矩会导致一系列的问题，诸如通过轴系传动，转速受到机构结构限制；传统轴系结构动力装置的推进结构与轴系连接，转动时会产生巨大的噪音，对环境造成声音污染；存在这些问题和缺点的原因主要是现有技术对于传统轴系结构动力装置的研究到了顶点，需要突破就只能从全新的结构着手。

而飞行器所采用的电推进涵道风扇，对于转速的要求更高，且噪音污染也随转速的提高而增大，效率也随之下降。

如何对电推进涵道风扇做进一步的改进，以实现电推进系统高转速、低噪声、简化机械结构的功能，是本领域亟待解决的重要技术问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种电推进涵道风扇及飞行器，以解决现有技术中的不足，它能够实现电推进系统高转速、低噪声、简化机械结构的功能。

本发明提出了一种电推进涵道风扇，其中：包括定子组件和转子组件；

所述定子组件为环状，所述转子组件转动安装在所述定子组件内；

所述定子组件用于驱动所述转子组件转动，并使所述转子组件在径向方向上实现悬浮转动；

所述定子组件的两端固定设有支撑件，所述支撑件通过止推轴承与所述转子组件转动连接；

所述转子组件为环状，其内部设有叶片。

如上所述的电推进涵道风扇，其中，可选的是：所述转子组件还包括转子轴、外支撑圈、支撑杆和永磁体；

所述外支撑圈为圆筒状，其外周设有用于安装所述永磁体的槽；

所述支撑杆设置在所述外支撑圈的端面处，所述支撑杆与所述转子轴固定连接。

如上所述的电推进涵道风扇，其中，可选的是：所述止推轴承为气动止推轴承或机械止推轴承。

如上所述的电推进涵道风扇，其中，可选的是：所述定子组件包括环形件、铁芯和绕组线圈；

所述环形件沿圆周方向均匀开设有多个安装槽，所述铁芯安装在所述安装槽内，所述绕组线圈缠绕在所述铁芯上。

如上所述的电推进涵道风扇，其中，可选的是：所述铁芯外周涂覆有抗腐蚀层。

如上所述的电推进涵道风扇，其中，可选的是：所述转子轴、所述外支撑圈和所述支撑杆由铝合金材料一体铸造成型。

如上所述的电推进涵道风扇，其中，可选的是：所述永磁体的数量为12到36个。

如上所述的电推进涵道风扇，其中，可选的是：所述永磁体粘接或嵌设在所述外支撑圈上。

如上所述的电推进涵道风扇，其中，可选的是：所述电推进涵道风扇至少存在两种工作状态：

第一工作状态下，通过电力驱动，转子组件处于径向悬浮状态，并高速转动；

第二工作状态下，在惯性作用下和/或在气流作用下转动，产生电力。

本发明还提出了一种飞行器，其中，包括如上述任一项所述的电推进涵道风扇。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明通过在定子组件上设置绕组线圈，将通入的电流形成磁场产生磁力使转子组件维稳悬浮状态并进入工作高速旋转状态。转子组件为环状，其内部直接固设有叶片，即，转子组件与叶片一体设置，直接受定子驱动后转动，而不经过其他机械结构传动。相比于通过机械结构进行传动的传统风扇，本发明具有更高的效率。

由于利用磁悬浮结构，实现在转子组件在定子组件径向上悬浮，能够减少机械摩擦，有利于达到更高的转速。同时，消除了机械传动带来的噪音。

本发明通过磁悬浮技术，减少机械传动部件，能够突破传统轴系推进装置受到的结构限制，能够提高电推进系统高转速、低噪声、无轴化功能。通过无轴化将传统轴系动力系统解耦，取消传统轴系结构限制，能够为未来飞行推进器一体化的设计方案提供新路线。

附图说明

图1为本发明提出的电推进涵道风扇的剖视图；

图2为本发明提出的电推进涵道风扇的立体图；

图3为本发明提出的定子组件的结构示意图；

图4为本发明提出的定子组件的剖视图；

图5为本发明提出的转子组件的主视图；

图6为本发明提出的转子组件剖视图。

附图标记说明：

1-定子组件，2-转子组件，3-止推轴承；

11-支撑件，12-环形件，13-铁芯，14-安装槽；

21-叶片，22-转子轴，23-外支撑圈，24-支撑杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参照图1到图6，本实施例提出了一种电推进涵道风扇，其中：包括定子组件1和转子组件2。所述定子组件1固定设置，用于驱动所述转子组件2转动。具体实施时，定子组件1固定安装在发动机的进气道内。

具体地，请参照图1到图4，所述定子组件1为环状，所述转子组件2转动安装在所述定子组件1内。即，所述转子组件2能够在所述定子组件1内转动，为了实现磁悬浮的效果，所述转子组件2与所述定子组件1之间可以有一定的间隙。所述定子组件1用于驱动所述转子组件2转动，并使所述转子组件2在径向方向上实现悬浮转动。即，转子组件2在径向上的悬浮，由定子组件1来实现。

在实际应用时，电推进涵道风扇工作过程中，还受到较大的轴向力，在轴向力的作用下，转子组件2的端面容易与定子组件接触并产生摩擦阻力。为了对转子组件的轴向进行限制。所述定子组件1的两端固定设有支撑件11，所述支撑件11通过止推轴承3与所述转子组件2转动连接。即，通过止推轴承3来抵消轴向的推力。从而使涵道风扇能够进一步减小阻力，提高转速。

具体实施时，所述支撑件11可以为十字形，也可以是多个沿定子组件径向分布的杆件。

所述转子组件2为环状，其内部设有叶片21。设置时，直接将叶片21固定设置在转子组件2的内部，在转子组件2转动的同时，叶片21也转动。不经过其他机械结构来传动。能够有效减少机械传递过程中的损耗，相比于传统的涵道风扇，本发明具有的更高的效率。

由于利用磁悬浮结构，实现在转子组件在定子组件径向上悬浮，能够减少机械摩擦，有利于达到更高的转速。同时，消除了机械传动带来的噪音。

本发明通过磁悬浮技术，减少机械传动部件，能够突破传统轴系推进装置受到的结构限制，能够提高电推进系统高转速、低噪声、无轴化功能。通过无轴化将传统轴系动力系统解耦，取消传统轴系结构限制，能够为未来飞行推进器一体化的设计方案提供新路线。

在具体实施时，为了实现上述功能，所述转子组件2按以下结构进行设计，即，所述转子组件2还包括转子轴22、外支撑圈23和永磁体(图中未示出)。所述转子轴22用于安装止推轴承3，以实现轴线方向的控制。外支撑圈23用于布置永磁体，以配合定子组件1产生悬浮作用和推动转子组件2转动的效果。具体地，所述外支撑圈23为圆筒状，其外周设有用于安装所述永磁体的槽。该槽可以是环形槽，也可以是方槽。永磁体为长方体形，其可以是粘在所述槽内，也可以是嵌设在该槽内，只要能够保证永磁体与外支撑圈23固定连接即可。

在具体实施时，转子组件2除永磁体之外的部分，一体设计。具体地，请参照图5，叶片21的外端可以直接与外支撑圈23连接。工作时，动力直接由外支撑圈23传递到叶片21上，进而产生气流。

请参照图6，也可以是，定子组件2还包括支撑杆24，具体地，所述支撑杆24设置在所述外支撑圈23的端面处，所述支撑杆24与所述转子轴22固定连接。叶片21与转子轴22固定连接。如此，在工作时，动力由外支撑圈23传递到支撑杆24，然后再由支撑杆24传递到转子轴22上。相比于这种方式，直接将叶片21与外支撑圈23连接，能够降低转子轴22的内部应力，有利于提高扭矩传递的上限，同时，能够减少由于设置支撑杆24而带来的进气阻力。

具体实施时，为了实现轴向位置的控制，所述止推轴承3为气动止推轴承或机械止推轴承。设置机械止推轴承，虽然能够实现对于轴向力的抵消，但机械止推轴承仍存在机械摩擦，通过设置气动止推轴承3，能够进一步减小摩擦，有利于使转速进一步提高，效率也进一步提高。

在具体实施时，为了实现对于转子组件2驱动及控制其径向悬浮，所述定子组件1包括环形件12、铁芯13和绕组线圈(图中未示出)。所述环形件12用于设置铁芯13和绕组线圈，以及便于与发动机的连接。具体地，所述环形件12沿圆周方向均匀开设有多个安装槽14，所述铁芯13安装在所述安装槽14内，所述绕组线圈缠绕在所述铁芯13上。所述永磁体的数量为12到36个。其中，优选24个长方体永磁体。

为了防止铁芯13发生氧化，所述铁芯13外周涂覆有抗腐蚀层。具体实施时，整个环形件12及铁芯13的外周，需要涂一层抗氧化、抗腐蚀的油漆，作用是包裹铁心13、隔离空气，以便能够尽可能地减少定子铁心与空气接触，导致定子腐蚀降低导磁能力。在实施时，若环形件12并非铁质件，也可以仅在铁芯13上涂覆抗氧化、抗腐蚀的油漆。

所述转子轴22、所述外支撑圈23和所述支撑杆24由铝合金材料一体铸造成型。选材要求密度小、强度高、不易变形；可选用铝合金。主要结构是由叶片21、转子轴22、外支撑圈23组成。其中叶片部分作用是产生气流；转子轴22的长度根据定子组件1长度确定，用于定位风扇叶片的位置并与止推轴承3配合，限制转子组件2向移动并同时与定子组件1两端面铰链接，限制轴向的自由度，保留旋转自由度。将用于驱动和径向悬浮的结构设置在转子组件2的外周处，将用于控制轴向位置的结构设置于中心处，能够有效减小电推进涵道风扇的轴向尺寸，有利于使发动机布置更为紧凑。

具体地，所述电推进涵道风扇至少存在两种工作状态：

第一工作状态下，通过电力驱动，转子组件2处于径向悬浮状态，并高速转动。

第二工作状态下，在惯性作用下和/或在气流作用下转动，产生电力。

即，电推进涵道风扇具有两种工作状态，一是将电能转化为动能，驱动空气流动；二是将动能转化为电能，以实现能量回收。

具体地，当应用于发动机之后，当搭载该发动机的飞行器需要大功率推进时，发动机的涡轮发电系统产生的电能通过电网传递给电推进涵道风扇，电能通过使转子组件2在高速旋转的状态抵消外界干扰、保持稳定；通过绕组线圈产生切向推力使其进入高速旋转的状态。当飞行器在飞行稳态工况时，可通过控制系统停止部分电推进涵道风扇的电力，该部分电推进涵道风扇通过惯性运动进入发电状态为系统进行充电。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上所作的改进，主要是针对实施例1在航空航天技术领域中的应用，与实施例1相同之处不再赘述，以下仅对不同之处进行说明。

本实施例公开了一种飞行器，其中，包括如实施例1所述的电推进涵道风扇。

所述飞行器上的涵道风扇的数量为至少1个，所述飞行器还包括涡轮发电系统，所述飞行器至少具有以下两种工作状态：

第一种工作状态，飞行器需要大功率推进时，发动机的涡轮发电系统产生的电能通过电网传递给电推进涵道风扇，电能通过使转子组件2在高速旋转的状态抵消外界干扰、保持稳定；通过绕组线圈产生切向推力使其进入高速旋转的状态；

第二种工作状态，当飞行器在飞行稳态工况时，可通过控制系统停止部分电推进涵道风扇的电力，该部分电推进涵道风扇通过惯性运动进入发电状态为系统进行充电。

由于电推进涵道风扇将用于驱动和径向悬浮的结构设置在转子组件2的外周处，将用于控制轴向位置的结构设置于中心处，能够有效减小电推进涵道风扇的轴向尺寸，有利于使发动机布置更为紧凑。同时，也能够减小发动机沿进气道方向的尺寸以及重量。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电推进涵道风扇，其特征在于：包括定子组件(1)和转子组件(2)；

所述定子组件(1)为环状，所述转子组件(2)转动安装在所述定子组件(1)内；

所述定子组件(1)用于驱动所述转子组件(2)转动，并使所述转子组件(2)在径向方向上实现悬浮转动；

所述定子组件(1)的两端固定设有支撑件(11)，所述支撑件(11)通过止推轴承(3)与所述转子组件(2)转动连接；

所述转子组件(2)为环状，其内部设有叶片(21)。

2.根据权利要求1所述的电推进涵道风扇，其特征在于：所述转子组件(2)还包括转子轴(22)、外支撑圈(23)和永磁体；

所述外支撑圈(23)为圆筒状，其外周设有用于安装所述永磁体的槽；

所述转子轴(22)、所述外支撑圈(23)和所述叶片(21)为一体结构。

3.根据权利要求2所述的电推进涵道风扇，其特征在于：所述止推轴承(3)为气动止推轴承(3)或机械止推轴承(3)。

4.根据权利要求3所述的电推进涵道风扇，其特征在于：所述定子组件(1)包括环形件(12)、铁芯(13)和绕组线圈；

所述环形件(12)沿圆周方向均匀开设有多个安装槽(14)，所述铁芯(13)安装在所述安装槽(14)内，所述绕组线圈缠绕在所述铁芯(13)上。

5.根据权利要求4所述的电推进涵道风扇，其特征在于：所述铁芯(13)外周涂覆有抗腐蚀层。

6.根据权利要求2所述的电推进涵道风扇，其特征在于：所述转子轴(22)、所述外支撑圈(23)和所述叶片(21)由铝合金材料一体铸造成型。

7.根据权利要求2-6任一项所述的电推进涵道风扇，其特征在于：所述永磁体的数量为12到36个。

8.根据权利要求2-6任一项所述的电推进涵道风扇，其特征在于：所述永磁体粘接或嵌设在所述外支撑圈(23)上。

9.根据权利要求2-6任一项所述的电推进涵道风扇，其特征在于：所述电推进涵道风扇至少存在两种工作状态：

第一工作状态下，通过电力驱动，转子组件(2)处于径向悬浮状态，并高速转动；

第二工作状态下，在惯性作用下和/或在气流作用下转动，产生电力。

10.一种飞行器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的电推进涵道风扇。

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