電磁驅動風扇裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種電磁驅動風扇裝置，其包括：輪盤、風扇轉子、風扇靜子、線圈繞組；所述輪盤上內嵌有圓環形的永磁體以產生對稱的四級磁通，所述風扇轉子包括多個風扇葉片，所述風扇葉片固定于所述輪盤；所述線圈繞組位于所述永磁體內部并固定在所述風扇靜子上，以在通電時作為定子和所述永磁體的磁場相互作用產生徑向懸浮力，實現所述風扇轉子的徑向穩定懸浮；同時以永磁無刷直流電機勵磁原理為基礎，通過電勵磁的方式來驅動所述風扇轉子旋轉。本發明提供的電磁驅動風扇裝置可以實現風扇轉子驅動的電磁化、無軸化，提高風扇的穩定性和可控裕度，大大減輕風扇重量，從而提高航空發動機風扇效率和整機效率，減輕發動機重量和提高推重比。
【專利說明】電磁驅動風扇裝直【技術領域】
[0001]本發明涉及電磁驅動【技術領域】，具體而言，本發明特別涉及一種電磁驅動風扇裝置。
【背景技術】
[0002]未來先進航空發動機將會朝多電或全電技術發展，美、英、法等國都啟動了多電發動機研究計劃，預計在2015年~2020年得到實際應用。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。該項技術已成為21世紀先進航空發動機的關鍵聞新技術之一。
[0003]所謂磁懸浮多電航空發動機，是在航空發動機上用磁懸浮軸承取代傳統的滾動軸承，用集成在發動機主軸上的起動/發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，實現發動機和飛機的全電氣化傳動。NASA的研究結果表明，該技術可將發動機的重量減輕15%并提高5%的效率，而且發動機的可靠性、維護性大大提高，是未來高推重比發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、環境控制系統、機翼防冰系統、剎車系統、機械液壓飛行控制系統等都將采用電力驅動，飛機所有電力都由多電發動機提供。除此之外，多電技術能提高發動機的推重比，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服務的需要。
[0005]由上可知，未來新型航空發動機將會朝多電技術方向發展，航空發動機上嵌套了一個較大功率的集發電機與電動`機功用一體的直流電機以滿足需要。目前的應用設計方案是將嵌入式起動/發電機和渦輪嵌套在一起，將電樞組件放在渦輪內部，與轉軸固定在一起，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動機技術，有必要開發一種新型的采用電磁驅動方式的風扇裝置及系統，目前還未見此種采用電磁方式驅動發動機風扇或壓氣機的相關報導，其具有技術上的新穎性和可行性。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供一種電磁驅動風扇裝置，以實現風扇轉子驅動的電磁化、無軸化，提高風扇各項性能。
[0008]為了實現上述目的，本發明提供的一種電磁驅動風扇裝置的技術方案為:
[0009]一種電磁驅動風扇裝置，其包括:輪盤、風扇轉子、風扇靜子、線圈繞組；所述輪盤上內嵌有圓環形的永磁體以產生對稱的四級磁通，所述風扇轉子包括多個風扇葉片，所述風扇葉片固定于所述輪盤；所述線圈繞組位于所述永磁體內部并固定在所述風扇靜子上，以在通電時作為定子和所述永磁體的磁場相互作用產生徑向懸浮力，實現所述風扇轉子的徑向穩定懸浮；同時以永磁無刷直流電機勵磁原理為基礎，通過電勵磁的方式來驅動所述風扇轉子旋轉。
[0010]分析可知，本發明提供的電磁驅動風扇裝置可以實現風扇轉子驅動的電磁化、無軸化，提高風扇的穩定性和可控裕度，大大減輕風扇重量，從而提高航空發動機風扇效率和整機效率，減輕發動機重量和提高推重比。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明實施例的主視結構示意圖；
[0012]圖2為本發明實施例的側視結構示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步詳細說明。
[0014]如圖1、圖2所示，本發明的一實施例包括第一級風扇轉子1、第二級風扇轉子2、風扇靜子3、風扇葉片4、線圈繞組6、輪盤7。第一級風扇轉子1、第二級風扇轉子2構成航空發動機的低壓壓氣機系統，二者對稱地位于一級風扇靜子3兩側，并分別包括多個固定于輪盤7圓周的風扇葉片4。輪盤7上內嵌有圓環整體形永磁體以產生對稱的四級磁通,線圈繞組6位于永磁體內部，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生徑向懸浮力，實現兩轉子的徑向穩定懸浮。以永磁無刷直流電機勵磁原理為基礎，由半導體組成電子開關換向器的無刷驅動，把用作磁場的永磁體作為轉子，電樞為定子，變常規轉樞式為轉場式，通過電勵磁的方式來驅動兩級風扇轉子旋轉。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扇轉速的大小；通過控制線圈繞組6中電流的方向可以控制風扇轉子的旋轉方向。
[0015]更具體而言，第一級風扇轉子I和第二級風扇轉子2之間為風扇靜子3，風扇靜子3有三個方面的作用:一、作為發動機空氣流動通道的組成部分；二、作為主要承力部件，發動機轉、定子上的所有負荷都通過風扇靜子3傳給機匣安裝節；三、提供兩級風扇轉子的根部固定和支撐。
[0016]無數線圈繞組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，整體構成一個圓環。圓環的根部是風扇靜子3伸出來的圓筒鋼架5，圓筒鋼架5內部空心，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。與傳統發動機風扇不同的是，輪盤7并沒有固定在發動機軸上，而是在其內環壁上鑲嵌永磁體，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，構成間隙磁場。此外，與傳統發動機風扇另一個明顯不同之處在于，第一級風扇轉子1，第二級風扇轉子2和一級風扇靜子3中心都是空心結構，沒有發動機低壓轉軸系統。并且，第一級風扇轉子I和第二級風扇轉子2可以實現對轉模式，相比傳統發動機風扇這是一個進步。
[0018]當本發明實施例應用于多電飛機時，其工作過程大致如下:
[0019]以多電飛機上嵌套的燃料電池組(發動機穩定工作下已飽和)作電源，向線圈繞組6供電，輪盤7上的永磁體開始勵磁，推動第一級風扇轉子1、第二級風扇轉子2旋轉，實現第一級風扇轉子1、第二級風扇轉子2的起動。同時電源向嵌入式起動/發電機供電，渦輪旋轉隨后起動。這時就開啟整個發動機的工作，隨后切斷向渦輪供電，單方向往風扇線圈6供電，直到風扇(也即本發明實施例)和渦輪達到慢車轉速np，此過程稱為起動過程。
[0020]風扇和渦輪起動后，發動機空氣流動的流場建立。當氣流滿足燃燒室點火要求時，燃燒室點火，渦輪產生功率加大，接通嵌入式起動/發電機與風扇的供電通道。這樣燃料電池和嵌入式起動/發電機兩者同時向線圈繞組6供電，風扇轉速由慢車轉速np繼續加速，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，關閉燃料電池組對風扇的供電，單由嵌入式起動/發電機便可維持風扇的轉速nl，風扇進入穩定工況，保持該轉速不變。
[0021]在風扇穩定工作狀態下，增加燃燒室的供油量，渦輪功率增加，轉速增加，從而嵌入式起動/發電機的功率也相應增加。這時保持風扇電流大小不變，接通燃料電池和嵌入式起動/發電機的傳輸通道，從而可實現對燃料電池的充電。
[0022]風扇的定位調節是依靠磁場力來進行精確定位。當風扇在軸向方位某側出現細微的偏擺角時，就通過多電發動機的分布式控制系統進行反饋，適當增大通過該側的電流，增加相斥電磁力，從而使風扇的偏擺角歸為零，實現風扇運轉的穩定定位。另一方面，風扇轉速的變化也是通過分布式控制系統來控制電流的大小，從而實現轉速的調節。
[0023]當傳統發動機進行節流時，或是由不同的工作狀態切換時，很容易破壞壓氣機(風扇)和渦輪的共同工作線，造成壓氣機喘振的發生。而本發明實施例由于取消了軸傳動系統，將不受同渦輪匹配和共同工作的約束，喘振發生的機率很小，同時由于風扇的輪盤上固定了永磁體，其自振頻率相應提高，機械振動發生的可能性更不容易出現。
[0024]而當電磁風扇由于某種原因出現喘振時，傳感器發出喘振信號，這時只需通過瞬間加大通過風扇的電流，提高風扇的轉速，就自動退出喘振。這種調節由于不屬于機械調節，采用電磁感應調節，具有快速、精確、全自動化的優點。
[0025]應注意，由于風扇功率較大,所以整個電磁系統的負荷較大,導致電流比較大,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]本發明實施例不僅如上所述適用于航空發動機的低壓壓氣機，同樣可以滿足高壓壓氣機的需要；不僅能夠應用于軍用無人機、教練機和戰斗機，也可以推廣到民用燃氣輪機、商務機、公務機和大型客機上。
[0027]綜上，本發明具有的優點:
[0028]結構簡單，重量大大減輕。航空發動機采用本發明，由傳統的機械傳動改為電磁驅動，其最突出的結構特點是:無軸化設計，即去除了發動機傳動主軸，同時也去除了鼓筒、軸承、油路潤滑等一系列復雜結構。這些金屬結構相比本發明采用的線圈繞組和永磁體，尺寸大、重量非常笨重。因此，本發明可以使發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。采用本發明，航空發動機可以去除發動機傳動主軸，就不必去考慮主軸、輪盤、軸承等的強度問題，極大地降低了結構設計的復雜難度，對提高可靠性是有益的，另外還降低了風扇轉子和靜子的安裝和拆卸難度，維護性更加方便。
[0030]發動機推重比得到提高。推重比是發動機最重要的性能參數。本發明在提供等量的功率和推力下，其重量可以大大減輕，從而發動機的推重比得到了明顯的提高。
[0031]對轉風扇提升發動機壓縮效率。本發明的轉速大小和方向可以實現靈活、快速調節，從而可以實現發動機壓氣機的對轉模式，對提高壓氣機的壓縮效率、減少壓氣機級數，間接減少發動機重量和提高推重比，有重要的意義。
[0032]應力集中效應明顯減弱。由于葉片旋轉產生的離心力較大，傳統發動機上，輪盤盤心的應變大，應力集中，一般需要采用“鼓加強盤”的措施來提高強度和穩定性。在本發明中，永磁體固定在輪盤內壁，其重量和向心性就能起到類似的作用，應力集中效應明顯減弱。
[0033]提高發動機工作的喘振裕度。本發明由于取消了軸傳動系統，將不受同渦輪匹配和共同工作的約束，喘振發生的機率很小，而當本發明由于某種原因出現喘振時，傳感器發出喘振信號，這時只需通過瞬間加大通過電磁風扇的電流，提高轉速，就可以自動退出喘振。
[0034]由技術常識可知，本發明可以通過其它的不脫離其精神實質或必要特征的實施方案來實現。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。所有在本發明范圍內或在等同于本發明的范圍內的改變均被本發明包含。
【權利要求】
1.一種電磁驅動風扇裝置，其特征在于，包括:輪盤、風扇轉子、風扇靜子、線圈繞組；所述輪盤上內嵌有圓環形的永磁體以產生對稱的四級磁通，所述風扇轉子包括多個風扇葉片，所述風扇葉片固定于所述輪盤； 所述線圈繞組位于所述永磁體內部并固定在所述風扇靜子上，以在通電時作為定子和所述永磁體的磁場相互作用產生徑向懸浮力，實現所述風扇轉子的徑向穩定懸浮；同時以永磁無刷直流電機勵磁原理為基礎，通過電勵磁的方式來驅動所述風扇轉子旋轉。
2.根據權利要求1所述的電磁驅動風扇裝置，其特征在于，所述風扇轉子包括分別位于所述定子兩側的第一級風扇轉子、第二級風扇轉子，以構成一低壓壓氣機系統。
3.根據權利要求1所述的電磁驅動風扇裝置，其特征在于，所述線圈繞組分相、分組疊壓并整體構成一個圓環固定在周向槽或徑向軛的鐵心上。
4.根據權利要求3所述的電磁驅動風扇裝置，其特征在于，所述圓環的根部為所述風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 優先權日:2013年12月23日
【發明者】薛志虎, 關發明 申請人:中國航天空氣動力技術研究院