CN118323431A - 一种电动轮缘驱动对转涵道风扇 - Google Patents

Abstract

本发明一种电动轮缘驱动对转涵道风扇，属于航空电推进领域，是一种航空用的轮缘驱动型对转涵道式推进器。所述的一种电动轮缘驱动对转涵道风扇，在涵道内设置两级对转风扇，在风扇两侧采用锥形滑动轴承满足风扇轴向推力和径向转动支撑，该结构为无轮毂构型，去除了现有电动轮缘驱动涵道风扇的支撑轴系结构，有效提高了涵道风扇推重比和气动性能。并通过在涵道内设计散热通气孔，避免了电机因高温产生故障。

Description

一种电动轮缘驱动对转涵道风扇

技术领域

本发明属于航空电推进领域，具体涉及一种电动轮缘驱动对转涵道风扇，是一种航空用的轮缘驱动型对转涵道式推进器。

背景技术

近年来，电动飞机成为研究热点，电力推进已经成为未来航空业发展的必然趋势。相比传统的电机驱动，轮缘驱动推进技术可以减少叶尖涡出现并提升整体能量利用率。电动轮缘驱动风扇将电动机与风扇融合，具有结构紧凑、控制灵活、布置便利等优点，在航空电力推进领域具有巨大的发展潜力。

传统的轮缘驱动涵道风扇，一般是采用一个风扇做单向运动，存在扭矩不平衡的问题，同时仅有一个风扇做单向运动，其推重比较低，效率不高。而推重比是衡量航空推进装置性能的重要技术指标之一，其对飞机的飞行速度、机动性和有效载荷等具有直接影响，高推重比是航空发动机发展始终追求的目标。

现有航空用电动轮缘驱动涵道风扇普遍采用有轮毂构型。有轮毂构型保留了风扇的轴系结构，但其并不起驱动作用，而是作为支撑结构固定风扇位置。然而，由于轮毂占据了一定的涵道空间，导致空气流动受到阻碍，有轮毂构型在空气流量、推力和扭矩方面仍有较大限制。

同时，电动轮缘驱动涵道风扇采用环形电机作为驱动装置。在电机工作过程中，随着电流在绕组线圈中流入流出，根据焦耳定律，电机内部会产生大量的热，从而导致其工作效率降低。现有的轮缘驱动对转涵道风扇，电机嵌在涵道内部，处于近似密闭空间，仅靠自然冷却效果很差。为了控制电机内部温度稳定，可行方案之一是设计额外的冷却系统。然而，冷却系统会增加涵道风扇自重，导致推重比降低。此外，这一系统同样会增加涵道风扇的设计难度和机械复杂程度。

发明内容

要解决的技术问题：为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种电动轮缘驱动对转涵道风扇，在涵道内设置两级对转风扇，在风扇两侧采用锥形滑动轴承满足风扇轴向推力和径向转动支撑，该结构为无轮毂构型，去除了现有电动轮缘驱动涵道风扇的支撑轴系结构，有效提高了涵道风扇推重比和气动性能。并通过在涵道内设计散热通气孔，避免了电机因高温产生故障。

本发明的技术方案是：一种电动轮缘驱动对转涵道风扇，包括涵道、前轮缘驱动电机、后轮缘驱动电机、锥形滑动轴承、前轮缘风扇、后轮缘风扇；所述涵道设有中心贯通孔，贯通孔一端为进风口，另一端为出风口；所述涵道内孔壁设有两个环形安装槽，所述前轮缘驱动电机、后轮缘驱动电机分别安装于两个安装槽内，其中前轮缘驱动电机靠近进风口一端；所述前轮缘风扇与前轮缘驱动电机的转子内圈固定，所述后轮缘风扇与后轮缘驱动电机的转子内圈固定，所述前轮缘风扇和后轮缘风扇的叶片旋向相反；四个所述锥形滑动轴承分别安装于前轮缘驱动电机转子和后轮缘驱动电机转子两侧，用于限定两个电机转子的位置并支撑转子转动；所述涵道设有多个通气孔，所述通气孔沿涵道周向均布，通气口的入口位于涵道进风口端外壁，通气口的出口位于涵道出风口端内壁，所述通气口接通前轮缘驱动电机定子内槽孔和后轮缘驱动电机的定子内槽孔。

本发明的进一步技术方案是：所述前轮缘驱动电机、后轮缘驱动电机均为环形永磁直流电机，所述前轮缘驱动电机的定子、后轮缘驱动电机的定子分别固定于涵道内孔对应的环形安装槽内，前轮缘驱动电机、后轮缘驱动电机的定子内圈周向均设有定子内槽孔；所述前轮缘驱动电机的电机绕、后轮缘驱动电机的电机绕组均采用环形绕制方式，通过各自的定子内槽孔缠绕于环形定子；所述前轮缘驱动电机的转子位于前轮缘驱动电机的定子内圈，所述后轮缘驱动电机的转子位于后轮缘驱动电机的定子内圈。

本发明的进一步技术方案是：所述前轮缘风扇由前轮缘风扇叶片和前轮缘驱动电机的转子组成，多个所述前轮缘风扇叶片均布于前轮缘驱动电机转子的内圈，前轮缘风扇叶片的根部与前轮缘驱动电机转子的内圈固接，前轮缘风扇叶片的叶尖朝向前轮缘驱动电机转子的轴线。

本发明的进一步技术方案是：所述后轮缘风扇由后轮缘风扇叶片和后轮缘驱动电机的转子组成，多个所述后轮缘风扇叶片均布于后轮缘驱动电机转子的内圈，后轮缘风扇叶片的根部与后轮缘驱动电机转子的内圈固接，后轮缘风扇叶片的叶尖朝向后轮缘驱动电机转子的轴线。

本发明的进一步技术方案是：所述前轮缘驱动电机的绕组、后轮缘驱动电机的绕组均外接独立的电源为其供电。

本发明的进一步技术方案是：所述前轮缘驱动电机、后轮缘驱动电机工作时旋转方向相反，且受外部控制系统独立控制。

本发明的进一步技术方案是：所述锥形滑动轴承包括轴承外圈、轴承内圈，所述轴承外圈和轴承内圈间斜面接触，该接触面上涂有润滑油；所述轴承外圈固定安装于涵道内孔上的轴承安装位中，所述轴承内圈与前轮缘驱动电机转子或后轮缘驱动电机转子固定连接。

本发明的进一步技术方案是：所述通气孔的横截面为弧形孔，每个通气孔对应接通多个前轮缘驱动电机定子和后轮缘驱动电机定子的内槽孔。

一种采用所述电动轮缘驱动对转涵道风扇的飞行器，所述电动轮缘驱动对转涵道风扇安装于飞行器的机翼下方或机翼与机身交界处或机身尾部。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明采用无轮毂构型轮缘驱动涵道风扇，相较于其他航空用轮缘驱动涵道风扇，完全去除了轴系结构，提高涵道风扇空气流量的同时，进一步减小了空气阻力，进而提高了涵道风扇的推力和扭矩。此外，该设计简化了涵道风扇的机械结构，减小设备重量，从而提高整体推重比。

本发明采用电推进对转风扇技术，以提高涵道风扇推重比。电推进对转风扇技术具有以下优点：在结构方面，由于取消了两排转子中间的静子，在实现相同增压比的前提下，对转风扇使涵道风扇的轴向长度更短，重量更轻，可以大幅提高涵道风扇的推重比；在气动方面，由于取消了静子部件，从而消除了与其相关的诸如摩擦和泄漏等因素导致的气动损失，进而提高风扇的气动效率。此外，对转结构使得转子产生的陀螺力矩互相抵消，降低了陀螺力矩效应对发动机和飞机控制产生的不利影响，进而提升了航空器的飞行性能。本发明将电推进对转风扇技术配合锥形滑动轴承设计有效结合，在限定两个电机转子位置即限定两个风扇位置的同时，起到轴向传递推力的作用。在两个电机工作时，前轮缘驱动电机和后轮缘驱动电机通入反向电流，产生反向磁场，进而带动前轮缘风扇、后轮缘风扇对转并产生推力。转子环转动带动叶片旋转，进而产生升力或推力，该结构降低大约10％的能量损失，减少了轴系等传动部件，提高了能量传递效率。

本发明锥形滑动轴承实现涵道风扇推力轴承和径向轴承的一体化设计，在一定程度上降低了涵道风扇自重，还可以简化涵道风扇的机械结构，从而降低设计难度和维护成本，增加了设备的使用寿命。

本发明将前轮缘驱动电机转子和前轮缘风扇一体化设计，后轮缘驱动电机转子和后轮缘风扇一体化设计，简化涵道风扇内部结构，降低产品重量。

本发明通气孔结构能够实现电机自冷却，即不借助额外冷却设备而达到降低两个电机工作温度的效果。本发明的通气孔，贯通前轮缘驱动电机的定子和后轮缘驱动电机的定子的内槽孔，气体从涵道外壁的通气孔入口处进入，经过两个电机定子的内槽孔，将热量从位于涵道尾部的通气孔出口处带出，实现电机自冷却。由于避免了额外增加冷却设备，有效减轻了涵道风扇的重量，降低了设计难度和机械复杂度，提高了涵道风扇的推重比和工作效率，保证涵道风扇运行的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明电动轮缘驱动对转涵道风扇的整体外观示意图；

图2为本发明电动轮缘驱动对转涵道风扇的内部结构示意图；

图3为本发明中前轮缘驱动电机和前轮缘风扇的主视示意图；

图4为本发明电动轮缘驱动对转涵道风扇的内部结构剖视图；

图5为本发明中涵道进风口端的锥形滑动轴承的安装示意图；

图6为本发明中锥形滑动轴承整体结构图；

图7为本发明中锥形滑动轴承的轴承内圈和轴承外圈配合示意图。

附图标记说明：1.涵道、11.进风口、12.出风口、13.通气孔、2.前轮缘驱动电机、21.前轮缘驱动电机的转子、22.前轮缘驱动电机的定子、23.前轮缘驱动电机的定子内槽孔、3.后轮缘驱动电机、31.后轮缘驱动电机的转子、32.后轮缘驱动电机的定子、4.锥形滑动轴承、41.轴承外圈、42.轴承内圈、5.前轮缘风扇、51.前轮缘风扇叶片、6.后轮缘风扇、61.后轮缘风扇叶片。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参阅图1-4，本发明所述一种电动轮缘驱动对转涵道风扇，是一种由涵道内腔中的两级环形永磁直流电机分别驱动前后两级无轴风扇对转，具有自冷却和精确风扇调控能力的航空用的轮缘驱动型对转涵道风扇。适用于中小型无人机及航空分布式推进系统，其安装位置可灵活选择，根据需求可安装于飞行器的机翼下方、机翼与机身的交界处、机身尾部区域等位置。本发明的目的是优化涵道风扇结构，完全去除涵道风扇中的轴系结构，提高涵道风扇的推重比和能量传递效率，通过在涵道上设计通气孔实现涵道电机自冷却，保证涵道风扇稳定的推进力。

本发明所述的一种电动轮缘驱动对转涵道风扇，包括涵道1、前轮缘驱动电机2、后轮缘驱动电机3、锥形滑动轴承4、前轮缘风扇5、后轮缘风扇6。

涵道1设有中心贯通孔，贯通孔一端为进风口11，另一端为出风口12。涵道1内孔壁并排设有两个环形安装槽，前轮缘驱动电机2、后轮缘驱动电机3分别安装于两个安装槽内，其中前轮缘驱动电机2靠近进风口11一端。具体的，前轮缘驱动电机2、后轮缘驱动电机3均采用环形永磁直流电机，环形永磁直流电机作为动力装置，具有结构简单，振动噪音小，推重比高，可靠性高等优势，在中小型无人机及航空分布式推进等方向具有巨大的应用潜力。前轮缘驱动电机的定子22、后轮缘驱动电机的定子32分别固定于涵道1内孔对应的环形安装槽内，前轮缘驱动电机的定子22和后轮缘驱动电机的定子32内圈周向均设有定子内槽孔，前轮缘驱动电机2和后轮缘驱动电机3的电机绕组均采用环形绕制方式，前轮缘驱动电机2的绕组缠绕于前轮缘驱动电机定子22的内槽孔23，后轮缘驱动电机3的绕组缠绕于后轮缘驱动电机定子32的内槽孔。前轮缘驱动电机2的绕组、后轮缘驱动电机3的绕组均外接电源为其供电。前轮缘驱动电机2、后轮缘驱动电机3均与外部控制系统连接，并能实现独立操控。工作时，前轮缘驱动电机3、后轮缘驱动电机3旋转方向相反，产生的陀螺力矩互相抵消，降低了陀螺力矩效应对发动机和飞机控制产生的不利影响，进而提升了航空器的飞行性能。

前轮缘驱动电机的转子21转动安装于前轮缘驱动电机的定子22内圈，后轮缘驱动电机的转子31转动安装于后轮缘驱动电机的定子22内圈。四个锥形滑动轴承4分别安装于前轮缘驱动电机的转子21和后轮缘驱动电机的转子31两侧，用于限定前轮缘驱动电机的转子21和后轮缘驱动电机的定子22的轴向位置并支撑两个转子转动。具体的，参阅图4-7，锥形滑动轴承4在涵道风扇中具有传递轴向推力的作用，是保证涵道风扇能够正常工作的关键部件之一。锥形滑动轴承4整体呈圆环形，包括轴承外圈41、轴承内圈42，轴承外圈41和轴承内圈42间斜面接触，该接触面上涂有润滑油，液体润滑条件以保证转动顺畅。轴承外圈41固定安装于涵道1内孔上的轴承安装位中，涵道1内孔中共设有四个轴承安装位，其中两个一组，前轮缘驱动电机转子21两侧一组，后轮缘驱动电机转子31两侧一组，每组的轴承安装位中上的轴承外圈41相对安装，实现承担轴向推力的作用。轴承内圈42与前轮缘驱动电机转子21或后轮缘驱动电机转子31固定连接，轴承内圈42安装位置与各自对应的轴承外圈41相对应，以保证轴向限位和转动功能。

前轮缘风扇5和前轮缘驱动电机2为整体结构，具体的，前轮缘风扇5由前轮缘风扇叶片51和前轮缘驱动电机的转子21组成，八个前轮缘风扇叶片51均布于前轮缘驱动电机转子21的内圈，前轮缘风扇叶片51的根部与前轮缘驱动电机转子21的内圈固接，前轮缘风扇叶片51的叶尖朝向前轮缘驱动电机转子21的轴线。当前轮缘驱动电机的转子21转动时，轮缘风扇叶片51随之转动。

后轮缘风扇6和后轮缘驱动电机3为整体结构，具体的，后轮缘风扇6由后轮缘风扇叶片61和后轮缘驱动电机的转子31组成，八个后轮缘风扇叶片61均布于后轮缘驱动电机转子31的内圈，后轮缘风扇叶片61的根部与后轮缘驱动电机转子31的内圈固接，后轮缘风扇叶片61的叶尖朝向后轮缘驱动电机转子31的轴线。当后轮缘驱动电机的转子31转动时，轮缘风扇叶片61随之转动。前轮缘风扇5和后轮缘风扇6的叶片旋向相反。

为了实现涵道风扇中前轮缘驱动电机2、后轮缘驱动电机3的自散热，本发明在涵道1周圈均布多个通气孔13，通气口13的入口位于涵道进风口11端的外壁，通气口13的出口位于涵道出风口12端的内壁，通气口13接通前轮缘驱动电机的定子22和后轮缘驱动电机的定子32的内槽孔，以使在涵道风扇工作时，空气能够从通气口13的入口进入，流经前轮缘驱动电机的定子内槽孔23、后轮缘驱动电机的定子内槽孔后从通气口13的出口流出，从而将热量带出，实现自冷却。为了增大通风面积，通气孔13的横截面应尽可能大，本实施例中通气孔13的横截面为弧形孔，每个通气孔13对应接通多个前轮缘驱动电机定子内槽孔23和后轮缘驱动电机定子32的内槽孔，以提高散热效率。

本发明所述涵道风扇工作时，前轮缘驱动电机2和后轮缘驱动电机3通入反向电流，产生反向磁场，进而带动前轮缘风扇5和后轮缘风扇6对转并产生推力。本发明具有结构简单，振动噪音小，推重比高，可靠性高等优势，在中小型无人机及航空分布式推进等方向具有巨大的应用潜力。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种电动轮缘驱动对转涵道风扇，其特征在于：包括涵道(1)、前轮缘驱动电机(2)、后轮缘驱动电机(3)、锥形滑动轴承(4)、前轮缘风扇(5)、后轮缘风扇(6)；所述涵道(1)设有中心贯通孔，贯通孔一端为进风口(11)，另一端为出风口(12)；所述涵道(1)内孔壁设有两个环形安装槽，所述前轮缘驱动电机(2)、后轮缘驱动电机(3)分别安装于两个安装槽内，其中前轮缘驱动电机(2)靠近进风口(11)一端；所述前轮缘风扇(5)与前轮缘驱动电机的转子(21)内圈固定，所述后轮缘风扇(6)与后轮缘驱动电机的转子(31)内圈固定；所述前轮缘风扇(5)的叶片和后轮缘风扇(6)的叶片旋向相反；四个所述锥形滑动轴承(4)分别安装于前轮缘驱动电机的转子(21)和后轮缘驱动电机的转子(31)两侧，用于限定两个电机转子的位置并支撑转子转动；所述涵道(1)设有多个通气孔(13)，所述通气孔(13)沿涵道(1)周向均布，通气口(13)的入口位于涵道进风口(11)端的外壁，通气口(13)的出口位于涵道出风口(12)端的内壁，所述通气口(13)接通前轮缘驱动电机的定子(22)和后轮缘驱动电机的定子(32)的内槽孔。

2.根据权利要求1所述电动轮缘驱动对转涵道风扇，其特征在于：所述前轮缘驱动电机(2)、后轮缘驱动电机(3)均为环形永磁直流电机，所述前轮缘驱动电机的定子(22)、后轮缘驱动电机的定子(32)分别固定于涵道(1)内孔对应的环形安装槽内，前轮缘驱动电机的定子(22)和后轮缘驱动电机的定子(32)内圈周向均设有定子内槽孔；所述前轮缘驱动电机(2)和后轮缘驱动电机(3)的电机绕组均采用环形绕制方式，通过各自的定子内槽孔缠绕于环形定子；所述前轮缘驱动电机的转子(21)位于前轮缘驱动电机的定子(22)内圈，所述后轮缘驱动电机的转子(31)位于后轮缘驱动电机的定子(22)内圈。

3.根据权利要求2所述电动轮缘驱动对转涵道风扇，其特征在于：所述前轮缘风扇(5)由前轮缘风扇叶片(51)和前轮缘驱动电机的转子(21)组成，多个所述前轮缘风扇叶片(51)均布于前轮缘驱动电机转子(21)的内圈，前轮缘风扇叶片(51)的根部与前轮缘驱动电机转子(21)的内圈固接，前轮缘风扇叶片(51)的叶尖朝向前轮缘驱动电机转子(21)的轴线。

4.根据权利要求2所述电动轮缘驱动对转涵道风扇，其特征在于：所述后轮缘风扇(6)由后轮缘风扇叶片(61)和后轮缘驱动电机的转子(31)组成，多个所述后轮缘风扇叶片(61)均布于后轮缘驱动电机转子(31)的内圈，后轮缘风扇叶片(61)的根部与后轮缘驱动电机转子(31)的内圈固接，后轮缘风扇叶片(61)的叶尖朝向后轮缘驱动电机转子(31)的轴线。

5.根据权利要求1所述电动轮缘驱动对转涵道风扇，其特征在于：所述前轮缘驱动电机(2)的绕组、后轮缘驱动电机(3)的绕组均外接独立的电源为其供电。

6.根据权利要求5所述电动轮缘驱动对转涵道风扇，其特征在于：所述前轮缘驱动电机(3)、后轮缘驱动电机(3)工作时旋转方向相反，且由外部控制系统独立控制。

7.根据权利要求1所述电动轮缘驱动对转涵道风扇，其特征在于：所述锥形滑动轴承(4)包括轴承外圈(41)、轴承内圈(42)，所述轴承外圈(41)和轴承内圈(42)间斜面接触，该接触面上涂有润滑油；所述轴承外圈(41)固定安装于涵道(1)内孔上的轴承安装位中，所述轴承内圈(42)与前轮缘驱动电机转子(21)或后轮缘驱动电机转子(31)固定连接。

8.根据权利要求1所述电动轮缘驱动对转涵道风扇，其特征在于：所述通气孔(13)的横截面为弧形孔，每个通气孔(13)对应接通多个前轮缘驱动电机定子(22)的内槽孔和后轮缘驱动电机定子(32)的内槽孔。

9.一种采用权利要求1所述电动轮缘驱动对转涵道风扇的飞行器，其特征在于：所述电动轮缘驱动对转涵道风扇安装于飞行器的机翼下方或机翼与机身交界处或机身尾部。