CN104079134B - 一种航空机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机转子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种航空机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机转子,其特征在于:转轴为实心轴,在转轴与转子铁芯相衔接的圆周上采用热过盈配合,且位于转子铁芯一侧圆周上设有多个半圆形空气槽;在转子轭部外径与内径中心圆周上均匀设有多个圆形的第一孔槽,第一孔槽的数目与永磁体磁钢数目相等,且第一孔槽的圆心位于每片磁钢的中心轴线上。本发明中的永磁无刷直流电机对飞机和导弹等飞行器动力装置的减重非常有利,因此其在航空航天领域的应用前景很好,优化后方案与原方案相比减重可达到40%。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域,设计一种轻量化大功率永磁无刷直流电机设计,具体涉及一种航空机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机转子。
背景技术
近年来,稀土永磁电机及其控制技术成功地扩展到航空航天领域。航空航天机载装备对体积、重量、可靠性要求严格,体积小、重量轻、单位体积出力大是航空航天领域对各类电机的基本要求。稀土永磁体具有的高矫顽力特别是高内禀矫顽力和高磁能积可以使稀土永磁电机在相同条件下具有更小的体积和重量,适用于航空航天领域高功率密度电机的技术需求,国内在这一领域研究和应用起步较晚,研制任务紧、技术难度大,国外对我国实行技术封锁。
通过检索,中国专利CN102916523A,名称《一种同轴减速执行器》提出了一种电机转子为中空结构的设计方法,截然不同于本专利中实心转轴及特殊键槽的设计结构;中国专利CN202679100U,名称《一种新型高速永磁无刷直流电机转子》仅提出一种永磁无刷直流电机转子,转子铁芯通过多层矽钢片叠压而成,矽钢冲片上分布有多个铸铝孔,矽钢冲片通过铸铝孔内铸铝连接而成,其电机的转子结构无法满足实现航空机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机。
根据航空航天机载装备电机的设计指标进行电机的结构设计,由于电机要在脱离地面的低气压环境下工作,除了满足要求的设计指标外,电机的体积越小,重量越轻越好,因此减重设计很关键。
近年来,稀土永磁电机及其控制技术成功地扩展到航空航天领域。航空航天机载装备对体积、重量、可靠性要求严格,体积小、重量轻、单位体积出力大是航空航天领域对各类电机的基本要求。稀土永磁体具有的高矫顽力特别是高内禀矫顽力和高磁能积可以使稀土永磁电机在相同条件下具有更小的体积和重量,适用于航空航天领域高功率密度电机的技术需求,国内在这一领域研究和应用起步较晚,研制任务紧、技术难度大,国外对我国实行技术封锁。
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,本发明提出一种航空机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机转子,在不改变结构材料和保证电机磁性能特性、机械强度和承载能力合格条件的情况下,通过在电机转子特殊方位上凿孔,进一步实现了航空航天机载装备永磁无刷直流电机轻量化、大功率、高效能的特点。
技术方案
一种航空机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机转子,包括永磁体磁钢1;转子铁芯2;转轴3;其特征在于:还包括第一孔槽4和空气槽6;转轴3为实心轴,在转轴3与转子铁芯2相衔接的圆周上采用热过盈配合,且位于转子铁芯2一侧圆周上设有多个半圆形空气槽6;在转子轭部外径与内径中心圆周上均匀设有多个圆形的第一孔槽4,第一孔槽4的数目与永磁体磁钢1数目相等,且第一孔槽4的圆心位于每片磁钢的中心轴线上。
在均匀排布的多个第一孔槽4之间设有圆形的第二孔槽5,第二孔槽5的圆心与第一孔槽4的圆心位于同一个圆周上。
所述第一孔槽4上,距离永磁体磁钢1正下方,圆孔往外设有凹槽。
所述第一孔槽4内径为转子轭部厚度的0.4~0.7倍。
所述第二孔槽5内径为第一孔槽4内径的0.4~0.6倍。
所述第一孔槽4与第二孔槽5相邻两个孔槽之间圆心角间隔30°。
所述空气槽6的半径大小为转子轭部厚度的0.2~0.3倍。
有益效果
本发明提出的一种航空机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机转子,克服了传统的航空航天有刷直流电机的缺点,用电子换向取代机械换向,解决了高空稀薄空气条件下电机换向恶劣、工作时间短、有换向火花、转速受限制、可靠性差等问题;与航空航天交流电机相比,具有体积小、重量轻、功率密度高的特点。满足航空航天领域电机体积小、重量轻、控制灵活、无换向火化、结构简单、抗振动能力强以及高效高可靠性的技术要求。
特别是在不影响电机性能的前提下,本发明对永磁无刷直流电机的电磁场、应力场和温度场也进行了相应的分析和研究,基于有限元仿真的分析方法,通过对电机物理场的综合分析,验证了所设计的电机是否能满足在工作条件下的稳定、安全运行,并根据数据和分析结果对该电机转子结构进行减重设计,使转子的设计达到最优化。通过在电机转子特殊方位上设置孔槽和空气槽,在确保电机磁场强度、机械强度和承载能力的情况下,减轻了电机转子的重量,实现了航空航天机载装备永磁无刷直流电机轻量化、大功率、高效能的特点。既减轻了航空航天机载装备永磁无刷直流电机重量,又能满足电机机械强度的要求,同时开凿的孔槽可做为通风道,有通风冷却的功能,有利于电机自身散热,对减少电机工作过程中的发热量起到一定作用,解决了航空航天机载装备电机超重的普遍问题,实现永磁无刷直流电机的轻量化大功率。
本发明中的永磁无刷直流电机对飞机和导弹等飞行器动力装置的减重也非常有利,因此其在航空航天领域的应用前景很好,优化后方案与原方案相比减重可达到40%。
附图说明
图1:为本发明中航空航天机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机转子结构设计示意图;
图2:是实施例中永磁无刷直流电机转子外形及尺寸,单位mm;
图3:是实施例二中永磁无刷直流电机转子外形及尺寸单位mm;
1.永磁体磁钢;2.转子铁芯;3.转轴;4.第一孔槽;5.第二孔槽;6.空气槽。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
本发明实施例的航空机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机转子,如图1所示,包括1.永磁体磁钢;2.铁芯;3.转轴;4.沿磁钢中心轴线上孔槽;5.沿磁钢间隙轴线上孔槽;6.键槽。
本发明实施例中转子磁极为表贴瓦片式,由六片永磁体磁钢1均匀分布构成六极电机,这种转子磁路结构比较简单、加工制造方便,易于实现最优化设计,适用于永磁无刷直流电机,转子加紧圈以防止磁钢高速时被甩出。转子铁芯2由冷轧硅钢片叠压而成,在磁密较小的地方,减重优化,分别凿有六个沿磁钢中心轴线上第一孔槽4和沿磁钢间隙轴线上第二孔槽5,相互间隔,均匀分布在转子圆周上;六个沿磁钢中心轴线上第一孔槽4分别位于每一片永磁体磁钢1中心轴线下方,整体结构为大圆圆孔,在距离永磁体磁钢1正下方,磁密较小,可以进一步减重优化,圆孔往外凿有方孔;六个沿磁钢间隙轴线上第二孔槽5分别位于两片永磁体磁钢1之间的中心轴线上,整体结构为小圆圆孔;转轴3为实心轴,均匀分布有六个半圆空气槽6。
所述的沿磁钢中心轴线上孔槽4和沿磁钢间隙轴线上孔槽5,均为大小圆孔,由于截面积突然发生变化,而使在这些部位附近,应力集中,会削弱电机的机械强度,降低电机的承载能力,在保证电机磁场强度、机械强度和电机性能的情况下进行优化,采用圆角过渡。在实际的加工中,采用圆角过渡是一种简单方便的缓解应力集中现象。
所述的空气槽6为六个半圆,采用圆角过渡,均匀分布在转轴3上,空气槽6尺寸根据转轴3大小确定,与沿磁钢间隙轴线上第二孔槽5之间留有间隙。键槽是转子与转轴连接的关键部分,通过它来传递力矩。
所述的永磁体磁钢1材料考虑电机的工作温度,有良好的热稳定性;同时为减小电机体积重量,选择高剩磁、高矫顽力的永磁材料。
所述的转子铁芯2材料首先需满足电机的需求,不同的方案选择不同饱和磁感应强度的冲片材料,为提高电机效率,应选择低损耗的材料,在此基础上选择价格便宜、工艺简单的材料。
所述的转轴3材料选择应有足够的强度,对应力集中敏感性好加工性能良好。
所述的转轴3为实心轴,均匀分布有六个半圆空气槽6和转子铁芯2采用热过盈配合。不仅实现了减重优化,而且确保了连接的稳定性。
具体实施例:【实施例一】飞机风机用2kW永磁无刷直流电动机上的转子结构:
飞机运行在10000左右高空,外界大气压约为地面气压的1/4,需要通过风机保障机舱内气压,同时保持机舱内空气保持循环。本项目设计2kW永磁无刷直流电动机作为环控风机的动力源。
飞机对体积重量、可靠性都有严格要求。永磁无刷直流电机与有刷直流电机相比,用电子换向取代机械换向,解决了有刷直流电机存在的换向火花、换向片易磨损、换向片需维护等问题;永磁无刷直流电机采用稀土永磁体励磁,相比异步电机等,具有体积小、重量轻,功率密度高的特点。
如图2所示,为该永磁无刷直流电机转子外形及尺寸图:、
转子磁极为表贴瓦片式,由六片永磁体磁钢1均匀分布构成六极电机,这种转子磁路结构比较简单、加工制造方便,易于实现最优化设计,适用于永磁无刷直流电机,转子加紧圈以防止磁钢高速时被甩出。转子铁芯2由冷轧硅钢片叠压而成,在磁密较小的地方,减重优化,分别凿有六个沿磁钢中心轴线上第一孔槽4和沿磁钢间隙轴线上第二孔槽5,相互间隔,均匀分布在转子轭部外径与内径中心圆周上,圆周直径为37.6mm。
转子轭部外径51.4mm,转子轭部内径24mm,转子轭部厚度13.7mm,第一孔槽4内径8.6mm,为转子轭部厚度的0.63倍。
六个沿磁钢中心轴线上第一孔槽4分别位于每一片永磁体磁钢1中心轴线下方,整体结构为大圆圆孔,内径为转子轭部厚度的0.4~0.7倍,实施例为0.63倍=8.6mm。在距离永磁体磁钢1正下方,磁密较小,可以进一步减重优化,距离永磁体磁钢1正下方不小于1.5mm处,圆孔往外有凹槽;六个沿磁钢间隙轴线上第二孔槽5分别位于两片永磁体磁钢1之间的中心轴线上,整体结构为小圆圆孔,第二孔槽5内径为第一孔槽4内径的0.4~0.6倍,实施例为0.53倍=4.6mm;转轴3为实心轴,均匀分布有六个半圆空气槽6,空气槽6的半径大小为转子轭部厚度的0.2~0.3倍,实施例为0.22倍,半径为3mm。沿磁钢中心轴线上第一孔槽4和沿磁钢间隙轴线上第二孔槽5,采用圆角过渡。第一孔槽4与第二孔槽5相邻两个孔槽之间圆心角间隔30°。
永磁体磁钢材料选用有良好的热稳定性、高剩磁、高矫顽力的永磁材料钐钴2:17永磁体,磁钢厚度5mm。为提高电机效率,转子冲片材料选择低损耗、工艺简单的DW310-35材料。转轴材料选择40Cr,有足够的强度,对应力集中敏感性好加工性能良好。转轴为实心轴,六个半圆键槽和转子采用过盈配合,不仅实现了减重优化,而且确保了连接的稳定性。
【实施例二】现结合飞机风机用18kW永磁无刷直流电动机项目:
如图3所示,为该永磁无刷直流电机转子外形及尺寸图,包括1.永磁体磁钢;2.转子铁芯;3.转轴;4.第一孔槽。
如图3所示,为该永磁无刷直流电机转子外形及尺寸图。转子磁极为表贴瓦片式,由六片永磁体磁钢1均匀分布构成六极电机,这种转子磁路结构比较简单、加工制造方便,易于实现最优化设计,适用于永磁无刷直流电机,转子加紧圈以防止磁钢高速时被甩出。转子铁芯2由冷轧硅钢片叠压而成,在磁密较小的地方,减重优化。
该永磁无刷直流电机转子,包括永磁体磁钢1;转子铁芯2;转轴3;其特征在于:还包括第一孔槽4;转轴3为实心轴;在转子轭部外径与内径中心圆周上均匀设有多个圆形的第一孔槽4,第一孔槽4的数目与永磁体磁钢1数目相等,且第一孔槽4的圆心位于每片磁钢的中心轴线上。
第一孔槽4上,距离永磁体磁钢1正下方,磁密较小,圆孔往外设有凹槽,可以进一步减重优化。
转子轭部外径89.2mm,转子轭部内径30mm,转子轭部厚度29.6mm,第一孔槽4内18mm,为转子轭部厚度的0.61倍。
永磁体磁钢材料选用有良好的热稳定性、高剩磁、高矫顽力的永磁材料钐钴永磁体,磁钢厚度6mm。为提高电机效率,转子冲片材料选择低损耗、工艺简单的DW310-35材料。转轴材料选择40Cr,有足够的强度,对应力集中敏感性好加工性能良好。采用本发明中永磁无刷直流电机转子结构,解决了实施例中永磁无刷直流电机结构超重的问题,最终达到设计指标要求。
采用本发明中永磁无刷直流电机转子结构,解决了实施例中永磁无刷直流电机结构超重的问题,最终达到设计指标要求。
本发明在研究高效能稀土电机的同时,受航空航天企业对特殊高效能稀土电机的需求拉动,启动了高效能稀土电机的高功率密度技术、可靠性技术、环境适应性技术、驱动与控制技术、长寿命技术等专题攻关研究,并结合国家一些重点工程需求,研究设计出专用的航空航天机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机。
采用永磁无刷直流电机作为一种航空航天环控风机的动力装置,技术指标对电机体积重量要求严格,结合功率、散热条件、工作制,从体积重量方面分析设计的可行性。电机结构设计要简单紧凑,安装方便,满足轻质、高效要求,同时可实现快速拆卸,便于装备的打包转运。生产制造的关键技术包括转子冲片的整体性及工艺性,高速电机的转子结构与强度。
本发明中永磁无刷直流电机与传统的航空航天有刷直流电机相比,用电子换向取代机械换向,解决了高空稀薄空气条件下电机换向恶劣、工作时间短、有换向火花、转速受限制、可靠性差等问题;与航空航天交流电机相比,具有体积小、重量轻、功率密度高的特点。满足航空航天领域电机体积小、重量轻、控制灵活、无换向火化、结构简单、抗振动能力强以及高效高可靠性的技术要求。特别是对该电机转子结构进行的减重设计,在确保电机磁场强度、机械强度和承载能力的情况下,进一步实现了航空航天机载装备永磁无刷直流电机轻量化、大功率、高效能的特点。
Claims (6)
1.一种航空机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机转子,包括永磁体磁钢(1);转子铁芯(2);转轴(3);其特征在于:还包括第一孔槽(4)和空气槽(6);转轴(3)为实心轴,在转轴(3)与转子铁芯(2)相衔接的圆周上采用热过盈配合,且位于转子铁芯(2)一侧圆周上设有多个半圆形空气槽(6);在转子轭部外径与内径中心圆周上均匀设有多个圆形的第一孔槽(4),第一孔槽(4)的数目与永磁体磁钢(1)数目相等,且第一孔槽(4)的圆心位于每片磁钢的中心轴线上;所述第一孔槽(4)上,距离永磁体磁钢(1)正下方,圆孔往外设有凹槽。
2.根据权利要求1所述的航空机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机转子,其特征在于:在均匀排布的多个第一孔槽(4)之间设有圆形的第二孔槽(5),第二孔槽(5)的圆心与第一孔槽(4)的圆心位于同一个圆周上。
3.根据权利要求1所述的航空机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机转子,其特征在于:所述第一孔槽(4)内径为转子轭部厚度的0.4~0.7倍。
4.根据权利要求2所述的航空机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机转子,其特征在于:所述第二孔槽(5)内径为第一孔槽(4)内径的0.4~0.6倍。
5.根据权利要求2所述的航空机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机转子,其特征在于:所述第一孔槽(4)与第二孔槽(5)相邻两个孔槽之间圆心角间隔30°。
6.根据权利要求1所述的航空机载装备轻量化大功率永磁无刷直流电机转子,其特征在于:所述空气槽(6)的半径大小为转子轭部厚度的0.2~0.3倍。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
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