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CN108382566A - 一种磁悬浮旋翼结构 - Google Patents

一种磁悬浮旋翼结构 Download PDF

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CN108382566A CN201810060703.1A CN201810060703A CN108382566A CN 108382566 A CN108382566 A CN 108382566A CN 201810060703 A CN201810060703 A CN 201810060703A CN 108382566 A CN108382566 A CN 108382566A
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胡业发
熊振宇
吴华春
程鑫
陈昌皓
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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮旋翼结构，旋转驱动模块采用盘式永磁无刷直流电机，螺旋桨与电机转子固定连接为一整体，电机定子固定在旋翼环上定子上；在旋翼环转子的上端面上设置旋翼环上定子，下端面下设置旋翼环下定子；感应轨安装在旋翼环转子的上端面上，保持架和滚珠安装在旋翼环转子的下端面上，永磁Halbach阵列沿竖直方向在感应轨的上下对应位置处分别嵌入旋翼环上定子和旋翼环下定子的凹槽内；径向EMS支承模块的衔铁环紧邻设置在旋翼环转子的外围并与旋翼环转子固定在一起，三个电磁铁及位移传感器均布在旋翼环转子外侧，并固定在旋翼环下定子上。解决大尺寸旋翼无法使用机械轴承支承的问题，降低无人机的振动噪声并提高其隐身性能。

Description

一种磁悬浮旋翼结构
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体涉及到一种磁悬浮旋翼结构。
背景技术
随着现代工业的快速发展，广泛应用于各工业领域的旋转机械正向着高转速、高精度、大负载和智能化的方向发展，对支承的关键部件—轴承提出了严格的要求。而传统的机械轴承难以满足工业应用的需求，磁悬浮轴承便成为旋转机械的理想支承体，无论是在高速运动场合还是低速洁净场合都有广阔的应用前景。同时，磁悬浮技术不仅仅局限于旋转机械的应用，在减振降噪、轨道交通(磁悬浮列车)等方面也有着广泛的应用。
磁悬浮技术是上世纪60年代中期开始研究的一项现代支承技术，是集电磁学、电子技术、控制学、机械学和动力学等多种学科交叉形成的技术,人类对它研究的成功标志着对传统支承技术的革命。在电子技术、电磁学和相关理论不断发展的推动下，磁悬浮技术得到了长远的发展，尤其在支承系统方面得到了广泛应用，其中最重要的一项应用便是磁悬浮轴承。随着磁悬浮技术研究的不断发展，现有的磁悬浮支承种类非常多。
按磁悬浮原理分类，电磁悬浮EMS、电动悬浮EDS、永磁悬浮PMS、高温超导悬浮HTS和混合磁悬浮。EMS式磁悬浮是通过对电磁铁的实时控制，产生可控电磁力使物体悬浮的；EDS式磁悬浮是利用变化的磁场在金属导体中感应出涡流，涡流磁场与激励磁场之间的排斥力实现悬浮的；PMS式磁悬浮是利用永磁体之间的吸引力或排斥力实现悬浮的；HTS式磁悬浮是利用高温超导材料的钉扎特性实现悬浮的；混合磁悬浮是利用上述两种或更多方式共同实现悬浮的。
盘式永磁无刷直流电机轴向尺寸短，可适合用于严格要求薄型安装场合；采用无铁芯电枢结构，不存在普通电机齿槽引起的转矩脉动，转矩输出平稳；不存在迟滞损耗，所以效率较高；转动部分只是电枢绕组，转动惯量小，具有优良的快速反应能力。基于盘式永磁无刷直流电机优良的性能和较短轴向尺寸，非常适合机器人、电动自行车、小型飞行器等场合的应用。
当无人机旋翼采用外缘支承，若要求旋翼尺寸大、转速高，常规机械轴承无法满足要求；如果旋翼采用中心轴支承，这与传统无人机结构类似，在隐身、空气动力学方面优势发挥不出来。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为无人机设计一种磁悬浮旋翼结构，解决大尺寸旋翼无法使用机械轴承支承的问题，降低无人机的振动噪声并提高其隐身性能。
本发明为解决其技术问题采用以下的技术方案：
一种磁悬浮旋翼结构，其由螺旋桨、旋转驱动模块、轴向EDS支承模块和径向EMS支承模块组成；旋转驱动模块采用盘式永磁无刷直流电机，螺旋桨与电机转子固定连接为一整体，电机定子固定在旋翼环上定子上，旋翼环转子紧邻电机定子设置在电机定子的外围；在旋翼环转子的上端面上设置旋翼环上定子，下端面下设置旋翼环下定子；轴向EDS支承模块的感应轨安装在旋翼环转子的上端面上，保持架和滚珠安装在旋翼环转子的下端面上，永磁Halbach阵列沿竖直方向在感应轨的上下对应位置处分别嵌入旋翼环上定子和旋翼环下定子的凹槽内；径向EMS支承模块的衔铁环紧邻设置在旋翼环转子的外围并与旋翼环转子固定在一起，三个电磁铁及位移传感器均布在旋翼环转子外侧，并固定在旋翼环下定子上。
进一步的，电机定子和电机转子上下相对设置，电机定子固定在旋翼环上定子上，电机转子固定在旋翼环转子上。
进一步的，电机定子和电机转子均采用粘接或螺纹连接的方式分别固定；旋翼环上定子、旋翼环下定子和旋翼环转子均采用轻质材料制作。
进一步的，所述感应轨相对应放置于旋翼环转子上、下端面的凹槽内。
进一步的，所述感应轨通过粘接与旋翼环转子固定连接。
进一步的，所述永磁Halbach阵列在旋翼环上定子的凹槽、旋翼环下定子的凹槽内都呈均布状态，且永磁Halbach阵列在旋翼环上定子和旋翼环下定子中呈上下交错对应设置；永磁Halbach阵列中各模块沿轴向的投影在感应轨的轮廓内。
进一步的，永磁Halbach阵列通过粘接分别与旋翼环上定子和旋翼环下定子固定连接。
进一步的，所述感应轨与永磁Halbach阵列之间留有气隙，该气隙大于滚珠分别与旋翼环上定子、旋翼环下定子之间的气隙。
进一步的，所述衔铁环通过粘接、螺纹连接或过盈连接的方式与旋翼环转子固定在一起，衔铁环与位移传感器之间、电磁铁和位移传感器之间分别留有气隙。
进一步的，三个电磁铁周向均布并设置在旋翼环转子外侧的旋翼环下定子的凹槽内；沿周向，三个位移传感器分别安装在每个电磁铁的两个磁极中间；沿径向，电磁铁均布在位移传感器外侧，位移传感器均布在旋翼环转子外侧。
通过测量各个电磁铁与衔铁环之间的气隙大小，实现对旋翼环转子的径向支承。
本发明将磁悬浮技术应用到无人机旋翼的支承上，让磁悬浮技术无接触、高转速的优势充分发挥出来；盘式永磁无刷直流电机体积小、重量轻、效率高，使旋翼的结构更加紧凑。两者结合不但可以提高旋翼环的转速，同时对降低旋翼环的振动噪声和提高其隐身性能具有重要的作用。解决了现有无人机旋翼在大尺寸、高转速时，支承结构复杂的问题，同时减少了旋翼的振动噪声，提高了隐身性能。与现有技术相比，具有以下的主要的优点：
1.解决了现有的无人机旋翼支承结构无法适用于大尺寸、高转速的情况，利用磁悬浮技术无接触、高转速的优势，解决无法使用机械轴承支承的问题，降低无人机的振动噪声并提高其隐身性能。
2.采用盘式永磁无刷直流电机驱动，具有体积小、重量轻、效率高的特点，使磁悬浮旋翼结构紧凑。
附图说明
图1是本发明磁悬浮旋翼的剖面图。
图2是本发明磁悬浮旋翼的轴测图。
图3是图2拆去旋翼环上定子的俯视图。
图4是径向EMS支承模块的俯视图。
图5是轴向EDS支承模块的俯视图。
图6是轴向EDS支承模块的仰视图。
图中：1.旋翼环转子；2.旋翼环下定子；3.滚珠；4.保持架；5.永磁Halbach阵列；6.感应轨；7.电磁铁；8.位移传感器；9.衔铁环；10.旋翼环上定子；11.电机转子；12.电机定子；13.螺旋桨。
具体实施方式
下面结合实例及附图对本发明作进一步说明。
本发明提供的磁悬浮旋翼结构，其由螺旋桨13、旋转驱动模块、轴向EDS支承模块和径向EMS支承模块组成。旋转驱动模块采用盘式永磁无刷直流电机，螺旋桨13与旋转驱动模块的电机转子11固定连接为一整体，电机定子12固定在旋翼环上定子10上，旋翼环转子1紧邻电机定子12设置在电机定子12的外围；在旋翼环转子1的上端面上设置旋翼环上定子10，下端面下设置旋翼环下定子2；轴向EDS支承模块的感应轨6安装在旋翼环转子1的上端面上，保持架4和滚珠3安装在旋翼环转子1的下端面上，永磁Halbach阵列5沿竖直方向在感应轨6的上下对应位置处分别嵌入旋翼环上定子10和旋翼环下定子2的凹槽内；径向EMS支承模块的衔铁环9紧邻设置在旋翼环转子1的外围并与旋翼环转子1固定在一起，三个电磁铁7及位移传感器8均布(如图1，位移传感器8上下的是将其固定的结构，电磁铁7均布在位移传感器8外侧，位移传感器8均布在旋翼环转子1外侧)在旋翼环转子1外侧，并固定在旋翼环下定子2上。
所述电机定子12和电机转子11上下相对设置，电机定子12固定在旋翼环上定子10上，电机转子11固定在旋翼环转子1上，均采用粘接或螺纹连接的方式分别固定。旋翼环上定子10、旋翼环下定子2和旋翼环转子1均采用轻质材料制作。
所述感应轨6相对应放置于旋翼环转子1上、下端面的凹槽内，通过粘接与旋翼环转子1固定连接。
所述永磁Halbach阵列5均布在旋翼环上定子10、旋翼环下定子2的凹槽内(旋翼环下定子2的凹槽被挡住了，由于视角问题都看不到，可以参考图5和图6，永磁Halbach阵列5在旋翼环上定子10和旋翼环下定子2上上下交错对应；)，通过粘接分别与旋翼环上定子10和旋翼环下定子2固定连接，永磁Halbach阵列5沿轴向的投影在感应轨6的轮廓内。Halbach阵列是工程上的近似理想结构，用最少量的磁体产生最强的磁场。
所述感应轨6与永磁Halbach阵列5之间留有气隙，该气隙一般为1.5mm，且该气隙大于滚珠3分别与旋翼环上定子10、旋翼环下定子2之间的气隙。
所述衔铁环9通过粘接、螺纹连接或过盈连接的方式与旋翼环转子1固定在一起，衔铁环9与电磁铁7之间、衔铁环9和位移传感器8之间分别留有0.5mm和0.3mm气隙。
所述的三个电磁铁7均布在旋翼环转子1的外侧，通过粘接或螺栓连接的方式固定在旋翼环下定子2的凹槽内。
所述的三个位移传感器8通过螺纹连接的方式，沿周向与电磁铁7同轴设置并分别安装在每个电磁铁7的两个磁极中间(图4中各电磁铁7的左右端是两个磁极，中间是传感器)，通过测量各个电磁铁7与衔铁环9之间的气隙大小，实现对旋翼环转子1的径向支承。
具体说来：
旋转驱动模块为盘式永磁无刷直流电机，其结构如图1至图3所示。其具有优良的性能和较短轴向尺寸，非常适合机器人、电动自行车、小型飞行器等场合的应用。盘式永磁无刷直流电机的电机定子12和电机转子11均为圆盘型，上下相对放置，产生轴向的气隙磁场。定子铁心一般由双面绝缘的冷轧硅钢片带料冲制卷绕而成，定子绕组的有效导体在空间呈径向分布。电机转子11为高磁能积的永磁体和强化纤维树脂灌封而成的薄圆盘。其初始设计参数如表1所示。
表1 盘式永磁无刷直流电机的初始设计参数
额定功率 4000W 额定电枢电流 13.3A
额定电压 110V 总气隙长度 0.59mm
额定转速 4800rpm 实际电动势 103V
额定效率 88％ 实际转速 4728.3rpm
永磁体材料 NTP33H 输入功率 4432W
永磁体形状 扇形 实际效率 87％
永磁体外径 57.5cm 极对数 6
永磁体内径 53.5cm 每极夹角 7度
永磁体每极截面积 24.28cm2 电流密度 7.08A/mm2
径向EMS支承模块的结构如图4所示，主要基于电磁力原理，由6极(图4中各电磁铁7的左右端是两个磁极，一个磁极(N或S)就是一极，一般成对出现)径向磁力轴承组成，每个电磁铁呈120°均布在旋翼环转子1侧壁，通过位移传感器连续监测旋翼环转子1径向位移变化，控制系统采用设定的控制策略校正电磁铁的电流，从而控制每个电磁铁的吸引力，为旋翼环转子1提供径向支承力。
径向EMS支承模块的初始设计参数如表2所示。
表2 径向EMS支承模块的初始设计参数
参数 变量名 数值 单位
单边工作气隙 x0 0.5 mm
最大工作电流 Im 3 A
磁极数 Np 6 个
最大承载力 Fm 100 N
线圈匝数 N 320 匝数
漆包线直径 dw 0.674 mm
径向轴承定子内径 d2 701 mm
径向磁力轴承定子厚度 h 6 mm
轴承定子外径 da 781 mm
计算最大承载力 Fm 132 N
轴向EDS支承模块的结构如图5至图6所示，永磁Halbach阵列5和感应轨6分别安装在旋翼环上下端面(旋翼环上定子10下端面、旋翼环下定子2上端面)。其中，永磁材料选用NdFe35的铷铁硼，采用四模块两波长的Halbach阵列。为简化Halbach阵列的制造，将Halbach阵列设计为直线型结构。
轴向EDS支承模块主要采取EDS悬浮形式，在旋翼环转子1的上下端面分别装有铝制环形感应轨6，与铝环对应位置的上下定子端面装有永磁Halbach阵列5(图5和图6分别是俯视和仰视，只包含感应轨6和永磁Halbach阵列5，永磁Halbach阵列5在旋翼环上定子10和旋翼环下定子2上，而感应轨6在旋翼环转子1的上下端面上)。当永磁阵列的稳恒磁场与感应轨6存在相对运动时，会使感应轨产生感应电动势，进而产生随磁场源运动的涡流，而感应轨中的涡流也会在周围空间激发磁场，该磁场与稳恒磁场相互作用下产生斥力(悬浮力)和阻碍两者相对运动的阻力(磁阻力)。当旋翼环高速旋转时，轴向EDS支承模块产生斥力为旋翼环提供轴向支承力。
当旋翼环的转速为4000～7000rpm，则EDS悬浮模块的线速度为135～236m/s，单组Halbach阵列所受的悬浮力约为16～18N。旋翼上侧安装12组Halbach阵列5，则可提供192～216N的竖直向上的悬浮力，旋翼下侧安装5组Halbach阵列5，则可提供80～90N的竖直向下的悬浮力。轴向EDS支承模块的初始设计参数如表3所示。
表3 轴向EDS支承模块的初始设计参数

Claims (10)

1.一种磁悬浮旋翼结构，其特征在于：由螺旋桨、旋转驱动模块、轴向EDS支承模块和径向EMS支承模块组成；旋转驱动模块采用盘式永磁无刷直流电机，螺旋桨与电机转子固定连接为一整体，电机定子固定在旋翼环上定子上，旋翼环转子紧邻电机定子设置在电机定子的外围；在旋翼环转子的上端面上设置旋翼环上定子，下端面下设置旋翼环下定子；轴向EDS支承模块的感应轨安装在旋翼环转子的上端面上，保持架和滚珠安装在旋翼环转子的下端面上，永磁Halbach阵列沿竖直方向在感应轨的上下对应位置处分别嵌入旋翼环上定子和旋翼环下定子的凹槽内；径向EMS支承模块的衔铁环紧邻设置在旋翼环转子的外围并与旋翼环转子固定在一起，三个电磁铁及位移传感器均布在旋翼环转子外侧，并固定在旋翼环下定子上。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮旋翼结构，其特征在于：电机定子和电机转子上下相对设置，电机定子固定在旋翼环上定子上，电机转子固定在旋翼环转子上。
3.根据权利要求2所述的磁悬浮旋翼结构，其特征在于：电机定子和电机转子均采用粘接或螺纹连接的方式分别固定；旋翼环上定子、旋翼环下定子和旋翼环转子均采用轻质材料制作。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮旋翼结构，其特征在于：所述感应轨相对应放置于旋翼环转子上、下端面的凹槽内。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮旋翼结构，其特征在于：所述感应轨通过粘接与旋翼环转子固定连接。
6.根据权利要求1所述的磁悬浮旋翼结构，其特征在于：所述永磁Halbach阵列在旋翼环上定子的凹槽、旋翼环下定子的凹槽内都呈均布状态，且永磁Halbach阵列在旋翼环上定子和旋翼环下定子中呈上下交错对应设置；永磁Halbach阵列中各模块沿轴向的投影在感应轨的轮廓内。
7.根据权利要求1所述的磁悬浮旋翼结构，其特征在于：永磁Halbach阵列通过粘接分别与旋翼环上定子和旋翼环下定子固定连接。
8.根据权利要求1所述的磁悬浮旋翼结构，其特征在于：所述感应轨与永磁Halbach阵列之间留有气隙，该气隙大于滚珠分别与旋翼环上定子、旋翼环下定子之间的气隙。
9.根据权利要求1所述的磁悬浮旋翼结构，其特征在于：所述衔铁环通过粘接、螺纹连接或过盈连接的方式与旋翼环转子固定在一起，衔铁环与位移传感器之间、电磁铁和位移传感器之间分别留有气隙。
10.根据权利要求1所述的磁悬浮旋翼结构，其特征在于：三个电磁铁周向均布并设置在旋翼环转子外侧的旋翼环下定子的凹槽内；沿周向，三个位移传感器分别安装在每个电磁铁的两个磁极中间；沿径向，电磁铁均布在位移传感器外侧，位移传感器均布在旋翼环转子外侧。
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