一种航空电静液作动器用湿式永磁容错电机制造技术

一种航空电静液作动器用湿式永磁容错电机，电机将柱塞泵泄露液压油引入电机内部，使得电机的定、转子及气隙均浸泡在液压油中，以湿式油冷方式对电机散热；在电机、泵连接方式上取消两轴间动密封，以紧凑配合方式缩小了整体体积；在电机内部结构上，设计了切向式聚磁结构转子，转子外侧采用小槽口磁桥防漏磁并固定永磁体，转子内侧利用不导磁的T型花键轴隔磁，并加强结构强度，同时永磁体采用分段设计，降低了涡流损耗；定子采用各相独立、单层集中绕组的容错结构，并使用独立H桥驱动供电。通过省略液压油、充油泵及其入口、以及电机泵间的动密封，结构简单，散热性能良好，满足高速运行的特殊聚磁结构转子兼具高可靠性和高功率密度。

【技术实现步骤摘要】
一种航空电静液作动器用湿式永磁容错电机
本专利技术属于航空电机设备
，特别涉及一种基于油冷散热技术和容错技术的永磁容错电机。
技术介绍
航空电静液作动器，作为多电飞机的动作执行部件，其研究受到了关注。目前已有的航空电静液作动器相关产品或专利，其结构主要有以下几个类型：1)、作动器的电机与柱塞泵采用动密封相互隔离，电机内部不进油的方式；这种结构下，电机与泵间需要较大尺寸动密封，运行过程中会持续摩擦损耗，同时也降低了整体的功率密度；2)、电机机壳和轴油冷方式；如美国EATON公司的MPEV3-056，将液压油引入电机机壳和轴，对电机直接进行散热的方式。这种结构中，尤其是中空轴的设计，牺牲了电机泵的强度和刚度，因而限制了整体的运行速度，不能适应电机泵高速高压运行，不符合高功率密度电静液作动器的发展方向。3)、作动器电机与泵高度融合结构一体化方式(如专利201610624553.3)，这一种作动器电机泵构型，要优于前面两种构型，但仍然存在着一些不足；在这一专利提出的构型中，虽取消了动密封，将电机壳体内部均浸泡在液压油中，但电机内部通入的散热液压油，需要单独提供一个入油口，这就需要为单独的散热油提供相应的充油泵，以实现向电机内部充油，增大了系统整体重量，降低了功率密度。且电机与泵直接采用同一壳体，加工难度增加，出现故障后，电机泵需要整体拆下进行替换，这使得作动器进行修理保养过程中，会造成不必要的浪费。此外，上面三类结构形式中采用的驱动电机，包括了异步电机，永磁同步电机和无刷直流电机三种形式，异步电机功率密度和效率较差；永磁同步电机为三相绕组，虽功率密度满足航空航天应用要求，但三相绕组电机并不能在故障后继续维持运行，可靠性受到了限制；无刷直流电机虽控制方法简单，但存在转矩脉动大的固有缺陷，尤其是在伺服控制领域此缺陷尤为明显。
技术实现思路
针对过往航空电静液作动器中电机与泵配合上存在的缺陷，以及作动器电机泵向高压高速化发展面临的电机功率密度底，可靠性不足的问题，本专利技术提出了一种适用于航空电静液作动器的高速湿式永磁容错电机，通过对电机本身的结构设计，以及对电机与泵间配合方式及油路的特殊设计，缩小电机体积，提高电机的散热效果，同时提高电机功率密度，保证电机可靠性，满足高速运行的条件。为了达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：提供一种航空电静液作动器用高速湿式永磁容错电机，所述高速湿式永磁容错电机包括：前轴承盖、前轴承、卡簧、高饱和磁密的定子铁心、定子绕组、电机转子、高强度不导磁的电机转轴、后轴承、旋转变压器、旋变固定端盖、电机后闷盖、电机后端壳、用于连接处静密封的O型圈、电机机壳和电机出线座；所述电机转子包括永磁体和转子铁心；所述高速湿式永磁容错电机的电机转子采用切向式聚磁结构，电机转子铁心外侧设计了带有小槽口的磁桥，借助所述磁桥槽口的局部饱和防止永磁体沿转子铁心外侧漏磁，磁桥较厚的两肩用于固定永磁体，提高结构强度，避免高速旋转时，较大的永磁体的离心力直接作用在磁桥上较薄的槽口处；所述电机转轴采用高强度不导磁的钛合金材料，电机转轴与转子铁心内侧采用T形花键的连接配合，利用该材料不导磁的特点，实现转子铁心内侧相邻永磁体间的隔磁，以免磁通沿内侧铁心闭合形成漏磁；在高速旋转时，T型花键的两肩能够拉住具有向外运动趋势的转子铁心，将承担转子离心力的位置由较为薄弱的外侧磁桥处转移到内侧铁心与T型花键相配合的T型槽处，加强结构强度；在高速湿式永磁容错电机中采用8极10槽5相的结构，定子绕组采用隔齿嵌放、相互独立的单层集中绕组形式，电机各相绕组由独立的H桥驱动电路供电；在高速湿式永磁容错电机与作动器柱塞泵连接配合方式上取消了电机与作动器柱塞泵间的动密封，大幅缩短了电机转轴的轴伸长度，使其不超过前轴承盖端面，整体结构更为紧凑；在电机转轴前端轴径处设计有渐开线外花键，与伸入电机机壳内的柱塞泵轴进行配合连接；在壳体连接上，电机无前端盖，柱塞泵无后端盖，电机机壳前端配置有连接螺口，柱塞泵壳后端也配置有连接螺口，电机机壳和柱塞泵壳直接通过螺钉连接；电机机壳前端口设计有止扣槽，槽内装有O型圈进行静密封，以代替之前的动密封；连接后的电机和柱塞泵成为一个整体，体积明显缩小；在高速湿式永磁容错电机的油路设计上：省略液压油充油泵及其入口、以及电机与泵间的动密封；不再为电机在电机机壳上单独配置充油泵或入油口，前轴承盖配置有4个通孔作为泄油口，直接连通柱塞泵腔，利用泵的柱塞与配流盘间泄露的一部分液压油引入电机进行冷却；作动器运行时，泄露液压油充满柱塞泵壳内部，由前轴承盖通孔和前轴承内外圈间隙泄露进入电机，电机内部的定子铁心、转子铁心、电机转轴、气隙、旋转变压器、前轴承和后轴承，均浸泡在液压油中；液压油从电机机壳前端流经气隙和定子绕组间缝隙到机壳后端，对流径区域散热；完成从前端到后端的散热后，充满电机机壳和电机后端壳的液压油，由电机机壳侧面的出油口流出，经馈油管道送回作动器油箱。优选地，所述永磁体呈“辐条”状布置在转子铁心内部，永磁体的磁场沿切向方向充磁，相邻槽中的永磁体磁场方向相对布置，以NNSSNNSS的顺序绕转子铁心进行排布；呈辐条状布置的永磁体沿径向方向等分为两段，两段永磁体的磁场方向相同，并入到同一个转子槽中，以减轻涡流效应，降低涡流损耗。优选地，在电机的密封设计上，不在电机与泵间使用动密封，前轴承、后轴承均为开口深沟球轴承，可泄露入油循环油润滑，提高可靠性；在柱塞泵壳与电机机壳连接配合的止扣上，在电机机壳与电机后端壳连接配合的止扣上，在电机后端壳和电机后闷盖连接配合的止扣上，均配置有相应尺寸的O型圈；在电机出线座中，以环氧胶灌封实现密封。优选地，定、转子间的气隙尺寸设计满足铜损PCu和搅拌损失Ps之和为最小；电机增大气隙尺寸，转子搅拌液压油的无量纲摩擦系数Cf会降低，搅拌损失Ps会减小；同时，增大气隙尺寸后，电机气隙磁阻增大，相应的电机磁负荷Bδ会降低，为保证电机具有相同功率输出，需要增大电负荷A，因而电机铜损Pcu会增大，这与搅拌损失Ps变化趋势相反；因此充分抑制电机的功率损失，提高电机效率，需借助有限元计算，寻优电机气隙尺寸，使得：上式中，Cf为转子搅拌液压油的无量纲摩擦系数，ρ为液压油密度，ν为液压油运动粘度，lef为转子轴向长度，ω为转子转速；A为电机电负荷，R为相绕组电阻，W为一相绕组串联匝数，D为转子外径，m为电机相数，其单位量纲皆为国际单位制。优选地，所述前轴承盖配置的4个通孔为Φ3通孔。优选地，所述用于连接处静密封的O型圈材质采用氟橡胶。该与泵配合紧凑、油路简洁、兼顾高功率密度和高可靠性的切向式聚磁高速湿式永磁容错电机，在电机电磁结构方面，在此电机中采用了特殊设计的切向式聚磁结构转子。转子铁心外圈设计了小槽口磁桥，利用磁桥槽口处的局部饱和来防止永磁体沿转子铁心外侧漏磁。要达成磁桥的局部饱和，磁桥尺寸须设计的尽量的小，但尺寸过小会降低磁桥的结构强度，在转子高速旋转离心力的作用下，可能会造成破坏。为减弱这一点影响，磁桥两侧设计了较厚的两肩用于固定永磁体，以免高速旋转时，较大的永磁体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航空电静液作动器用高速湿式永磁容错电机，其特征在于，所述高速湿式永磁容错电机包括：前轴承盖(1)、前轴承(2)、卡簧(3)、高饱和磁密的定子铁心(4)、定子绕组(29)、电机转子、高强度不导磁的电机转轴(6)、后轴承(7)、旋转变压器(8)、旋变固定端盖(9)、电机后闷盖(10)、电机后端壳(11)、用于连接处静密封的O型圈(12)、电机机壳(15)和电机出线座(25)；所述电机转子包括永磁体(27)和转子铁心(5)；/n其中，所述高速湿式永磁容错电机的电机转子采用切向式聚磁结构，电机的转子铁心(5)外侧设计了带有小槽口的磁桥(28)，借助所述磁桥(28)槽口的局部饱和防止永磁体(27)沿转子铁心(5)外侧漏磁，磁桥(28)较厚的两肩用于固定永磁体，提高结构强度，避免高速旋转时，较大的永磁体(27)的离心力直接作用在磁桥(28)上较薄的槽口处；所述电机转轴(6)采用高强度不导磁的钛合金材料，电机转轴(6)与转子铁心(5)内侧采用T形花键的连接配合，利用其不导磁的特点，实现转子铁心(5)内侧相邻永磁体(27)间的隔磁，以免磁通沿内侧铁心闭合形成漏磁；在高速旋转时，T型花键的两肩能够拉住具有向外运动趋势的转子铁心(5)，将承担转子离心力的位置由较为薄弱的外侧磁桥(28)处转移到内侧铁心与T型花键相配合的T型槽处，加强结构强度；/n在该高速湿式永磁容错电机中采用8极10槽5相的结构，定子绕组(29)采用隔齿嵌放、相互独立的单层集中绕组形式，电机各相绕组由独立的H桥驱动电路供电；/n在高速湿式永磁容错电机与作动器柱塞泵连接配合方式上取消了电机与作动器柱塞泵间的动密封，大幅缩短了电机转轴(6)的轴伸长度，使其不超过前轴承盖(1)端面，整体结构更为紧凑；在电机转轴(6)前端轴径处设计有渐开线外花键，与伸入电机机壳(15)内的柱塞泵轴(22)进行配合连接；在壳体连接上，电机无前端盖，柱塞泵无后端盖，电机机壳(15)前端配置有连接螺口，柱塞泵壳(16)后端也配置有连接螺口，电机机壳(15)和柱塞泵壳(16)直接通过螺钉连接；电机机壳(15)前端口设计有止扣槽，槽内装有O型圈(12)进行静密封，以代替之前的动密封；连接后的电机和柱塞泵成为一个整体，体积明显缩小；/n在高速湿式永磁容错电机的油路设计上：省略液压油充油泵及其入口、以及电机与泵间的动密封；不再为电机在电机机壳(15)上单独配置充油泵或入油口，前轴承盖(1)配置有4个通孔(24)作为泄油口，直接连通柱塞泵腔，利用泵的柱塞(17)与配流盘(19)间泄露的一部分液压油引入电机进行冷却；作动器运行时，泄露液压油充满柱塞泵壳(16)内部，由前轴承盖(1)通孔和前轴承(2)内外圈间隙泄露进入电机，电机内部的定子铁心(4)、转子铁心(5)、电机转轴(6)、气隙、旋转变压器(8)、前轴承(2)和后轴承(7)，均浸泡在液压油中；液压油从电机机壳(15)前端流经气隙和定子绕组(29)间缝隙到机壳后端，对流径区域散热；完成从前端到后端的散热后，充满电机机壳(15)和电机后端壳(11)的液压油，由电机机壳(15)侧面的出油口(13)流出，经馈油管道送回作动器油箱。/n...

【技术特征摘要】
1.一种航空电静液作动器用高速湿式永磁容错电机，其特征在于，所述高速湿式永磁容错电机包括：前轴承盖(1)、前轴承(2)、卡簧(3)、高饱和磁密的定子铁心(4)、定子绕组(29)、电机转子、高强度不导磁的电机转轴(6)、后轴承(7)、旋转变压器(8)、旋变固定端盖(9)、电机后闷盖(10)、电机后端壳(11)、用于连接处静密封的O型圈(12)、电机机壳(15)和电机出线座(25)；所述电机转子包括永磁体(27)和转子铁心(5)；
其中，所述高速湿式永磁容错电机的电机转子采用切向式聚磁结构，电机的转子铁心(5)外侧设计了带有小槽口的磁桥(28)，借助所述磁桥(28)槽口的局部饱和防止永磁体(27)沿转子铁心(5)外侧漏磁，磁桥(28)较厚的两肩用于固定永磁体，提高结构强度，避免高速旋转时，较大的永磁体(27)的离心力直接作用在磁桥(28)上较薄的槽口处；所述电机转轴(6)采用高强度不导磁的钛合金材料，电机转轴(6)与转子铁心(5)内侧采用T形花键的连接配合，利用其不导磁的特点，实现转子铁心(5)内侧相邻永磁体(27)间的隔磁，以免磁通沿内侧铁心闭合形成漏磁；在高速旋转时，T型花键的两肩能够拉住具有向外运动趋势的转子铁心(5)，将承担转子离心力的位置由较为薄弱的外侧磁桥(28)处转移到内侧铁心与T型花键相配合的T型槽处，加强结构强度；
在该高速湿式永磁容错电机中采用8极10槽5相的结构，定子绕组(29)采用隔齿嵌放、相互独立的单层集中绕组形式，电机各相绕组由独立的H桥驱动电路供电；
在高速湿式永磁容错电机与作动器柱塞泵连接配合方式上取消了电机与作动器柱塞泵间的动密封，大幅缩短了电机转轴(6)的轴伸长度，使其不超过前轴承盖(1)端面，整体结构更为紧凑；在电机转轴(6)前端轴径处设计有渐开线外花键，与伸入电机机壳(15)内的柱塞泵轴(22)进行配合连接；在壳体连接上，电机无前端盖，柱塞泵无后端盖，电机机壳(15)前端配置有连接螺口，柱塞泵壳(16)后端也配置有连接螺口，电机机壳(15)和柱塞泵壳(16)直接通过螺钉连接；电机机壳(15)前端口设计有止扣槽，槽内装有O型圈(12)进行静密封，以代替之前的动密封；连接后的电机和柱塞泵成为一个整体，体积明显缩小；
在高速湿式永磁容错电机的油路设计上：省略液压油充油泵及其入口、以及电机与泵间的动密封；不再为电机在电机机壳(15)上单独配置充油泵或入油口，前轴承盖(1)配置有4个通孔(24)作为泄油口，直接连通柱塞泵腔，利用泵的柱塞(17)与配流盘(19)间泄露的一部分液压油引入电机进行冷却；作动器运行时，泄露液压油充满柱塞泵壳(16)内部，由前轴承盖(1)通孔和前轴承(2)内外圈间隙泄露进入电机，电机内部的定子铁心(...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐金全，金文博，郭宏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11