電磁驅(qū)動風(fēng)扇裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種電磁驅(qū)動風(fēng)扇裝置，其包括：輪盤、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇靜子、線圈繞組；所述輪盤上內(nèi)嵌有圓環(huán)形的永磁體以產(chǎn)生對稱的四級磁通，所述風(fēng)扇轉(zhuǎn)子包括多個風(fēng)扇葉片，所述風(fēng)扇葉片固定于所述輪盤；所述線圈繞組位于所述永磁體內(nèi)部并固定在所述風(fēng)扇靜子上，以在通電時作為定子和所述永磁體的磁場相互作用產(chǎn)生徑向懸浮力，實現(xiàn)所述風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的徑向穩(wěn)定懸??；同時以永磁無刷直流電機勵磁原理為基礎(chǔ)，通過電勵磁的方式來驅(qū)動所述風(fēng)扇轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明提供的電磁驅(qū)動風(fēng)扇裝置可以實現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子驅(qū)動的電磁化、無軸化，提高風(fēng)扇的穩(wěn)定性和可控裕度，大大減輕風(fēng)扇重量，從而提高航空發(fā)動機風(fēng)扇效率和整機效率，減輕發(fā)動機重量和提高推重比。
【專利說明】電磁驅(qū)動風(fēng)扇裝直【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電磁驅(qū)動【技術(shù)領(lǐng)域】，具體而言，本發(fā)明特別涉及一種電磁驅(qū)動風(fēng)扇裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]未來先進航空發(fā)動機將會朝多電或全電技術(shù)發(fā)展，美、英、法等國都啟動了多電發(fā)動機研究計劃，預(yù)計在2015年~2020年得到實際應(yīng)用。美國在1988年制定的IHPTET計劃中，第一次提出研究以磁懸浮軸承為支撐的多電或全電航空發(fā)動機，并在10年進展中研制出了滿足上天要求的高溫磁懸浮軸承系統(tǒng)。該項技術(shù)已成為21世紀(jì)先進航空發(fā)動機的關(guān)鍵聞新技術(shù)之一。
[0003]所謂磁懸浮多電航空發(fā)動機，是在航空發(fā)動機上用磁懸浮軸承取代傳統(tǒng)的滾動軸承，用集成在發(fā)動機主軸上的起動/發(fā)電機來提供所需的電源，并用全部電氣化傳動附件取代機械式傳動附件，實現(xiàn)發(fā)動機和飛機的全電氣化傳動。NASA的研究結(jié)果表明，該技術(shù)可將發(fā)動機的重量減輕15%并提高5%的效率，而且發(fā)動機的可靠性、維護性大大提高，是未來高推重比發(fā)動機首選的動力傳輸方案。
[0004]在未來的多電飛機上，飛機的空氣起動系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、機翼防冰系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、機械液壓飛行控制系統(tǒng)等都將采用電力驅(qū)動，飛機所有電力都由多電發(fā)動機提供。除此之外，多電技術(shù)能提高發(fā)動機的推重比，從而增大軍用飛機的武器載荷；可用于生成激光或微波束，作為機載高能束武器的能源；多電發(fā)動機還能大大改善未來民用客機的舒適性，滿足客戶的用電等高品質(zhì)服務(wù)的需要。
[0005]由上可知，未來新型航空發(fā)動機將會朝多電技術(shù)方向發(fā)展，航空發(fā)動機上嵌套了一個較大功率的集發(fā)電機與電動`機功用一體的直流電機以滿足需要。目前的應(yīng)用設(shè)計方案是將嵌入式起動/發(fā)電機和渦輪嵌套在一起，將電樞組件放在渦輪內(nèi)部，與轉(zhuǎn)軸固定在一起，將軛和勵磁組件放在渦輪外部，和機匣壁功用一體。
[0006]基于多電飛機和多電發(fā)動機技術(shù)，有必要開發(fā)一種新型的采用電磁驅(qū)動方式的風(fēng)扇裝置及系統(tǒng)，目前還未見此種采用電磁方式驅(qū)動發(fā)動機風(fēng)扇或壓氣機的相關(guān)報導(dǎo)，其具有技術(shù)上的新穎性和可行性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種電磁驅(qū)動風(fēng)扇裝置，以實現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子驅(qū)動的電磁化、無軸化，提高風(fēng)扇各項性能。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種電磁驅(qū)動風(fēng)扇裝置的技術(shù)方案為:
[0009]一種電磁驅(qū)動風(fēng)扇裝置，其包括:輪盤、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇靜子、線圈繞組；所述輪盤上內(nèi)嵌有圓環(huán)形的永磁體以產(chǎn)生對稱的四級磁通，所述風(fēng)扇轉(zhuǎn)子包括多個風(fēng)扇葉片，所述風(fēng)扇葉片固定于所述輪盤；所述線圈繞組位于所述永磁體內(nèi)部并固定在所述風(fēng)扇靜子上，以在通電時作為定子和所述永磁體的磁場相互作用產(chǎn)生徑向懸浮力，實現(xiàn)所述風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的徑向穩(wěn)定懸??；同時以永磁無刷直流電機勵磁原理為基礎(chǔ)，通過電勵磁的方式來驅(qū)動所述風(fēng)扇轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
[0010]分析可知，本發(fā)明提供的電磁驅(qū)動風(fēng)扇裝置可以實現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子驅(qū)動的電磁化、無軸化，提高風(fēng)扇的穩(wěn)定性和可控裕度，大大減輕風(fēng)扇重量，從而提高航空發(fā)動機風(fēng)扇效率和整機效率，減輕發(fā)動機重量和提高推重比。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明實施例的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2為本發(fā)明實施例的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。
[0014]如圖1、圖2所示，本發(fā)明的一實施例包括第一級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子1、第二級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子2、風(fēng)扇靜子3、風(fēng)扇葉片4、線圈繞組6、輪盤7。第一級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子1、第二級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子2構(gòu)成航空發(fā)動機的低壓壓氣機系統(tǒng)，二者對稱地位于一級風(fēng)扇靜子3兩側(cè)，并分別包括多個固定于輪盤7圓周的風(fēng)扇葉片4。輪盤7上內(nèi)嵌有圓環(huán)整體形永磁體以產(chǎn)生對稱的四級磁通,線圈繞組6位于永磁體內(nèi)部，線圈繞組6中通過電流時，電流和永磁體的磁場相互作用產(chǎn)生徑向懸浮力，實現(xiàn)兩轉(zhuǎn)子的徑向穩(wěn)定懸浮。以永磁無刷直流電機勵磁原理為基礎(chǔ)，由半導(dǎo)體組成電子開關(guān)換向器的無刷驅(qū)動，把用作磁場的永磁體作為轉(zhuǎn)子，電樞為定子，變常規(guī)轉(zhuǎn)樞式為轉(zhuǎn)場式，通過電勵磁的方式來驅(qū)動兩級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過控制線圈繞組6中電流的大小就可以控制徑向懸浮力的大小和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的大小；通過控制線圈繞組6中電流的方向可以控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。
[0015]更具體而言，第一級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子I和第二級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子2之間為風(fēng)扇靜子3，風(fēng)扇靜子3有三個方面的作用:一、作為發(fā)動機空氣流動通道的組成部分；二、作為主要承力部件，發(fā)動機轉(zhuǎn)、定子上的所有負(fù)荷都通過風(fēng)扇靜子3傳給機匣安裝節(jié)；三、提供兩級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的根部固定和支撐。
[0016]無數(shù)線圈繞組6被分相、分組疊壓在一起，然后固定在周向槽或徑向軛的鐵心上，整體構(gòu)成一個圓環(huán)。圓環(huán)的根部是風(fēng)扇靜子3伸出來的圓筒鋼架5，圓筒鋼架5內(nèi)部空心，在保證強度的條件下，可以有效地減輕組件的重量。
[0017]風(fēng)扇葉片4采用榫頭形式，如燕尾形榫頭，固定在輪盤7上面。與傳統(tǒng)發(fā)動機風(fēng)扇不同的是，輪盤7并沒有固定在發(fā)動機軸上，而是在其內(nèi)環(huán)壁上鑲嵌永磁體，永磁體包裹著線圈繞組6，永磁體和線圈繞組6之間存在一定尺寸的間隙，構(gòu)成間隙磁場。此外，與傳統(tǒng)發(fā)動機風(fēng)扇另一個明顯不同之處在于，第一級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子1，第二級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子2和一級風(fēng)扇靜子3中心都是空心結(jié)構(gòu)，沒有發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)。并且，第一級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子I和第二級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子2可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)模式，相比傳統(tǒng)發(fā)動機風(fēng)扇這是一個進步。
[0018]當(dāng)本發(fā)明實施例應(yīng)用于多電飛機時，其工作過程大致如下:
[0019]以多電飛機上嵌套的燃料電池組(發(fā)動機穩(wěn)定工作下已飽和)作電源，向線圈繞組6供電，輪盤7上的永磁體開始勵磁，推動第一級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子1、第二級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子2旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)第一級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子1、第二級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子2的起動。同時電源向嵌入式起動/發(fā)電機供電，渦輪旋轉(zhuǎn)隨后起動。這時就開啟整個發(fā)動機的工作，隨后切斷向渦輪供電，單方向往風(fēng)扇線圈6供電，直到風(fēng)扇(也即本發(fā)明實施例)和渦輪達(dá)到慢車轉(zhuǎn)速np，此過程稱為起動過程。
[0020]風(fēng)扇和渦輪起動后，發(fā)動機空氣流動的流場建立。當(dāng)氣流滿足燃燒室點火要求時，燃燒室點火，渦輪產(chǎn)生功率加大，接通嵌入式起動/發(fā)電機與風(fēng)扇的供電通道。這樣燃料電池和嵌入式起動/發(fā)電機兩者同時向線圈繞組6供電，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由慢車轉(zhuǎn)速np繼續(xù)加速，同時逐步加大燃燒室供油量，直到渦輪功率與壓氣機功率匹配。此時燃料電池組的電量此時基本耗盡，關(guān)閉燃料電池組對風(fēng)扇的供電，單由嵌入式起動/發(fā)電機便可維持風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速nl，風(fēng)扇進入穩(wěn)定工況，保持該轉(zhuǎn)速不變。
[0021]在風(fēng)扇穩(wěn)定工作狀態(tài)下，增加燃燒室的供油量，渦輪功率增加，轉(zhuǎn)速增加，從而嵌入式起動/發(fā)電機的功率也相應(yīng)增加。這時保持風(fēng)扇電流大小不變，接通燃料電池和嵌入式起動/發(fā)電機的傳輸通道，從而可實現(xiàn)對燃料電池的充電。
[0022]風(fēng)扇的定位調(diào)節(jié)是依靠磁場力來進行精確定位。當(dāng)風(fēng)扇在軸向方位某側(cè)出現(xiàn)細(xì)微的偏擺角時，就通過多電發(fā)動機的分布式控制系統(tǒng)進行反饋，適當(dāng)增大通過該側(cè)的電流，增加相斥電磁力，從而使風(fēng)扇的偏擺角歸為零，實現(xiàn)風(fēng)扇運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定定位。另一方面，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的變化也是通過分布式控制系統(tǒng)來控制電流的大小，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
[0023]當(dāng)傳統(tǒng)發(fā)動機進行節(jié)流時，或是由不同的工作狀態(tài)切換時，很容易破壞壓氣機(風(fēng)扇)和渦輪的共同工作線，造成壓氣機喘振的發(fā)生。而本發(fā)明實施例由于取消了軸傳動系統(tǒng)，將不受同渦輪匹配和共同工作的約束，喘振發(fā)生的機率很小，同時由于風(fēng)扇的輪盤上固定了永磁體，其自振頻率相應(yīng)提高，機械振動發(fā)生的可能性更不容易出現(xiàn)。
[0024]而當(dāng)電磁風(fēng)扇由于某種原因出現(xiàn)喘振時，傳感器發(fā)出喘振信號，這時只需通過瞬間加大通過風(fēng)扇的電流，提高風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，就自動退出喘振。這種調(diào)節(jié)由于不屬于機械調(diào)節(jié)，采用電磁感應(yīng)調(diào)節(jié)，具有快速、精確、全自動化的優(yōu)點。
[0025]應(yīng)注意，由于風(fēng)扇功率較大,所以整個電磁系統(tǒng)的負(fù)荷較大,導(dǎo)致電流比較大,從而在線路上的電壓降、能量耗散相對直流電機來說更大，需要對線圈繞組6進行有效地散熱保護。
[0026]本發(fā)明實施例不僅如上所述適用于航空發(fā)動機的低壓壓氣機，同樣可以滿足高壓壓氣機的需要；不僅能夠應(yīng)用于軍用無人機、教練機和戰(zhàn)斗機，也可以推廣到民用燃?xì)廨啓C、商務(wù)機、公務(wù)機和大型客機上。
[0027]綜上，本發(fā)明具有的優(yōu)點:
[0028]結(jié)構(gòu)簡單，重量大大減輕。航空發(fā)動機采用本發(fā)明，由傳統(tǒng)的機械傳動改為電磁驅(qū)動，其最突出的結(jié)構(gòu)特點是:無軸化設(shè)計，即去除了發(fā)動機傳動主軸，同時也去除了鼓筒、軸承、油路潤滑等一系列復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這些金屬結(jié)構(gòu)相比本發(fā)明采用的線圈繞組和永磁體，尺寸大、重量非常笨重。因此，本發(fā)明可以使發(fā)動機部件重量得到明顯的減輕。
[0029]可靠性和維護性大大提高。采用本發(fā)明，航空發(fā)動機可以去除發(fā)動機傳動主軸，就不必去考慮主軸、輪盤、軸承等的強度問題，極大地降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜難度，對提高可靠性是有益的，另外還降低了風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和靜子的安裝和拆卸難度，維護性更加方便。
[0030]發(fā)動機推重比得到提高。推重比是發(fā)動機最重要的性能參數(shù)。本發(fā)明在提供等量的功率和推力下，其重量可以大大減輕，從而發(fā)動機的推重比得到了明顯的提高。
[0031]對轉(zhuǎn)風(fēng)扇提升發(fā)動機壓縮效率。本發(fā)明的轉(zhuǎn)速大小和方向可以實現(xiàn)靈活、快速調(diào)節(jié)，從而可以實現(xiàn)發(fā)動機壓氣機的對轉(zhuǎn)模式，對提高壓氣機的壓縮效率、減少壓氣機級數(shù)，間接減少發(fā)動機重量和提高推重比，有重要的意義。
[0032]應(yīng)力集中效應(yīng)明顯減弱。由于葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力較大，傳統(tǒng)發(fā)動機上，輪盤盤心的應(yīng)變大，應(yīng)力集中，一般需要采用“鼓加強盤”的措施來提高強度和穩(wěn)定性。在本發(fā)明中，永磁體固定在輪盤內(nèi)壁，其重量和向心性就能起到類似的作用，應(yīng)力集中效應(yīng)明顯減弱。
[0033]提高發(fā)動機工作的喘振裕度。本發(fā)明由于取消了軸傳動系統(tǒng)，將不受同渦輪匹配和共同工作的約束，喘振發(fā)生的機率很小，而當(dāng)本發(fā)明由于某種原因出現(xiàn)喘振時，傳感器發(fā)出喘振信號，這時只需通過瞬間加大通過電磁風(fēng)扇的電流，提高轉(zhuǎn)速，就可以自動退出喘振。
[0034]由技術(shù)常識可知，本發(fā)明可以通過其它的不脫離其精神實質(zhì)或必要特征的實施方案來實現(xiàn)。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，并不是僅有的。所有在本發(fā)明范圍內(nèi)或在等同于本發(fā)明的范圍內(nèi)的改變均被本發(fā)明包含。
【權(quán)利要求】
1.一種電磁驅(qū)動風(fēng)扇裝置，其特征在于，包括:輪盤、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇靜子、線圈繞組；所述輪盤上內(nèi)嵌有圓環(huán)形的永磁體以產(chǎn)生對稱的四級磁通，所述風(fēng)扇轉(zhuǎn)子包括多個風(fēng)扇葉片，所述風(fēng)扇葉片固定于所述輪盤； 所述線圈繞組位于所述永磁體內(nèi)部并固定在所述風(fēng)扇靜子上，以在通電時作為定子和所述永磁體的磁場相互作用產(chǎn)生徑向懸浮力，實現(xiàn)所述風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的徑向穩(wěn)定懸浮；同時以永磁無刷直流電機勵磁原理為基礎(chǔ)，通過電勵磁的方式來驅(qū)動所述風(fēng)扇轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁驅(qū)動風(fēng)扇裝置，其特征在于，所述風(fēng)扇轉(zhuǎn)子包括分別位于所述定子兩側(cè)的第一級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、第二級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，以構(gòu)成一低壓壓氣機系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁驅(qū)動風(fēng)扇裝置，其特征在于，所述線圈繞組分相、分組疊壓并整體構(gòu)成一個圓環(huán)固定在周向槽或徑向軛的鐵心上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電磁驅(qū)動風(fēng)扇裝置，其特征在于，所述圓環(huán)的根部為所述風(fēng)扇靜子延伸而出的一空心圓筒鋼架。
【文檔編號】H02N15/00GK103618422SQ201310718425
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】薛志虎, 關(guān)發(fā)明 申請人:中國航天空氣動力技術(shù)研究院