CN111306194A - 一种航空发动机模块化永磁体内置结构锥形磁轴承 - Google Patents

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曹鑫
俞强
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Abstract

本发明公开了一种航空发动机模块化永磁体内置结构锥形磁轴承，包括四个定子模块以及四个永磁体，定子模块和永磁体交替拼接形成锥形磁轴承，定子模块在锥形磁轴承径向上的横截面为E型，定子模块包括圆弧形齿轭、小定子齿、两个端部，小定子齿设置于圆弧形齿轭面向锥形磁轴承中心的一面的中间，两个端部分别设置于圆弧形齿轭面向锥形磁轴承中心的一面的两端，每个小定子齿上均放置一套绕组，每套绕组均独立控制，每个永磁体及与该永磁体接触的两个端部共同形成一大定子齿，相邻两个永磁体的磁极方向相反。本发明提出一种新型的永磁体磁通偏置结构，该结构除结构简单、控制方便外，同时增加定子结构强度，且适合于模块化安装。

Description

一种航空发动机模块化永磁体内置结构锥形磁轴承
技术领域
本发明涉及一种航空发动机模块化永磁体内置结构锥形磁轴承，属于磁轴承本体设计技术领域。
背景技术
航空发动机是飞机上的动力源，发动机一方面输出推力，作为飞机的一次能源；同时通过提取轴将机械能转化为可向飞机上的各种设备提供包括电能、液压能和气压能等形式的二次能源。航空多电发动机是以传统航空燃气涡轮发动机为基础，配装主动磁性轴承、内置一体化起动机/发电机、分布式电子控制***、电动燃油泵和电力作动器等新部件和***的一种新型航空发动机。多电发动机采用转轴、磁悬浮轴承及起动发电机的集成一体化共轴设计方式，具有可靠性更高、运行和维护费用更低的优势。
但是，多电发动机缺少了传动部件后，其轴向推力、径向振动力与电磁转矩直接耦合在一起，尤其随着电气负荷的增加，两者间的影响已经不能再被忽略。当电气负荷突变时，将导致转子发生不平衡径向力和扭转力，产生相应的振动位移，进而影响发动机***在正常工况下的运行特性。因此，这就对锥形磁轴承的结构刚度提出了很高的要求。典型的永磁偏置磁轴承主要采用永磁体内置于定子齿的方式，结构简单，控制方便。但其降低了定子齿结构强度，不适合多电发动机复杂振动工况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种航空发动机模块化永磁体内置结构锥形磁轴承，通过改变磁轴承定子中永磁体的放置方式，从而增强磁轴承的结构强度，而且一定程度上能够增加磁轴承的悬浮出力。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种航空发动机模块化永磁体内置结构锥形磁轴承，包括四个结构相同的定子模块以及四个相同的永磁体，定子模块和永磁体交替拼接形成锥形磁轴承，所述定子模块在锥形磁轴承径向上的横截面为E型，定子模块包括一个圆弧形齿轭、一个小定子齿、两个端部，两个端部的结构相同，小定子齿和两个端部均设置于圆弧形齿轭的同一侧，小定子齿设置于圆弧形齿轭面向锥形磁轴承中心的一面的中间，两个端部分别设置于圆弧形齿轭面向锥形磁轴承中心的一面的两端，每个定子模块的小定子齿上均套有一套绕组，且每套绕组均独立控制，每个永磁体以及与该永磁体接触的两个端部共同形成一个大定子齿，大定子齿的齿极宽度为36°，小定子齿的齿极宽度为18°，相邻两个永磁体的磁极方向相反。
作为本发明的一种优选方案，所述大定子齿相对于锥形磁轴承齿轭的倾斜角与小定子齿相对于锥形磁轴承齿轭的倾斜角相等。
作为本发明的一种优选方案，所述永磁体在锥形磁轴承轴向上的横截面为梯形。
作为本发明的一种优选方案，所述定子模块的两端在锥形磁轴承轴向上的横截面为梯形。
作为本发明的一种优选方案，所述永磁体在锥形磁轴承轴向上的横截面与定子模块的两端在锥形磁轴承轴向上的横截面大小相同。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明提出的一种航空发动机模块化永磁体内置结构锥形磁轴承，解决了锥形磁轴承定子结构刚度小的问题，进而减小了锥形磁轴承的定子形变量，同时，该结构磁轴承的径向悬浮出力更大。
2、相比于传统结构而言，本发明改善了定子上的应力分布，进而减小了定子形变，增强了磁轴承的结构强度。
附图说明
图1是本发明一种航空发动机模块化永磁体内置结构锥形磁轴承的立体结构图。
图2(a)是传统永磁体内置于定子齿结构图。
图2(b)是本发明模块化永磁体内置定子结构图。
图3是两种永磁体不同放置时磁轴承径向力对比图。
图4(a)是传统永磁体内置于定子齿结构对应的形变云图。
图4(b)是本发明模块化永磁体内置定子结构对应的形变云图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，为一种航空发动机模块化永磁体内置结构锥形磁轴承的立体结构图。采用永磁体模块化内置于定子齿结构，结构简单，控制方便，同时增加定子结构强度，并且每组定子模块采用E形结构，适合于模块化安装。此外，在相同条件下，模块化定子结构要比横内置于定子齿结构产生更大的径向力，磁轴承的结构强度增强。
如图2(a)、图2(b)所示，为不同定子结构的锥形磁轴承图。其中，图2(a)为永磁体内置于定子齿的结构，该定子上有8个齿极，每个齿极宽度相等，均为22.5°。其中，在4个不相邻的齿极上内置永磁体，永磁体安装方式和磁极方向如图所示，其用于产生偏置磁场。在另外4个不相邻的齿极上放置绕组X1、X2、Y1、Y2，每套绕组均有独立的功率电路进行供电，用于打破原有的磁场平衡，产生径向力。该种结构的磁轴承结构简单，控制方便。但其降低了定子齿结构强度，不适合多电发动机复杂振动工况。因此，本发明提出一种新型的永磁体磁通偏置结构，如图2(b)所示。该结构与图2(a)所示结构相比，有两处不同点。首先，定子齿极宽度不同。图2(a)所示结构的定子齿极宽度均为22.5°，而在本发明提出的结构中，放置绕组的齿极宽度为18°，放置永磁体的齿极宽度为36°。其次，永磁体安装方式不同。在本发明提出的结构中，永磁体均竖直嵌放在定子中。该结构除了具备图2(a)所示结构的优点外，同时增加定子结构强度，并且每组定子模块采用E形结构，适合于模块化安装，称之为模块化永磁体内置定子结构(简称模块化定子结构)。本发明通过改变磁轴承定子中永磁体的放置方式，从而增强磁轴承的结构强度，而且一定程度上能够增加磁轴承的悬浮出力。
如图3所示，为两种永磁体不同放置时磁轴承径向力对比图。将两种结构的磁轴承分别导入有限元仿真软件ANSYS中，设定两种结构磁轴承的X、Y绕组中均通入20A的电流。仿真结果表明，传统结构磁轴承产生75.3N的径向力，本发明提出的模块化定子结构产生132.2N的径向力，即在相同条件下，模块化定子结构要比横内置于定子齿结构产生更大的径向力。
如图4(a)、图4(b)所示，分别为两种永磁体不同放置形变云图。在相同仿真条件下，对两种结构进行了电磁-力耦合仿真。由图可得，模块化定子结构相比于传统结构而言，改善了定子上的应力分布，进而减小了定子形变。仿真结果说明，本发明所提出的模块化结构的最大形变量能减小到传统结构的1/10。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种航空发动机模块化永磁体内置结构锥形磁轴承，其特征在于，包括四个结构相同的定子模块以及四个相同的永磁体，定子模块和永磁体交替拼接形成锥形磁轴承，所述定子模块在锥形磁轴承径向上的横截面为E型，定子模块包括一个圆弧形齿轭、一个小定子齿、两个端部，两个端部的结构相同，小定子齿和两个端部均设置于圆弧形齿轭的同一侧，小定子齿设置于圆弧形齿轭面向锥形磁轴承中心的一面的中间，两个端部分别设置于圆弧形齿轭面向锥形磁轴承中心的一面的两端，每个定子模块的小定子齿上均套有一套绕组，且每套绕组均独立控制，每个永磁体以及与该永磁体接触的两个端部共同形成一个大定子齿，大定子齿的齿极宽度为36°，小定子齿的齿极宽度为18°，相邻两个永磁体的磁极方向相反。
2.根据权利要求1所述航空发动机模块化永磁体内置结构锥形磁轴承，其特征在于，所述大定子齿相对于锥形磁轴承齿轭的倾斜角与小定子齿相对于锥形磁轴承齿轭的倾斜角相等。
3.根据权利要求1所述航空发动机模块化永磁体内置结构锥形磁轴承，其特征在于，所述永磁体在锥形磁轴承轴向上的横截面为梯形。
4.根据权利要求1所述航空发动机模块化永磁体内置结构锥形磁轴承，其特征在于，所述定子模块的两端在锥形磁轴承轴向上的横截面为梯形。
5.根据权利要求1所述航空发动机模块化永磁体内置结构锥形磁轴承，其特征在于，所述永磁体在锥形磁轴承轴向上的横截面与定子模块的两端在锥形磁轴承轴向上的横截面大小相同。
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