一种直升机电磁动力传动系统的制作方法
1.本技术属于航空装备动力及传动系统技术领域，尤其涉及一种混电或全电直升机电磁动力传动系统。
背景技术：
2.在石化能源日趋紧张和全球气候变暖等多重因素影响下，电力推进技术作为一种清洁能源技术，得到广泛开发。电力推进技术用于直升机领域，可以充分体现其推进效率高、结构简单、维护容易等优点，符合航空装备环保、节能、降噪的发展要求。
3.直升机一般采用单轴进行升力输出，旋翼转速低且扭矩大，而低速、高扭矩工作状态下的电动机必然产生功率密度低的问题。因此采用纯电动机直驱的方式进行升力输出很难实现。
4.混电方式采用电动机补偿旋翼输出，实现发动机动力和旋翼不同工作状态的优化，是一个现阶段较合理的方式，但电机和传统直升机机械传动系统的耦合存在困难，带来了复杂的测量、计算和控制问题。
5.磁齿轮是一种无接触的磁力传动装置，可以与电机复合，组成结构紧凑的磁齿轮复合电机，同时具有变速能力，仅通过电机系统的控制就可实现不同转动部件扭矩的耦合，大大简化了控制系统的要求。
6.然而，如何结合磁齿轮的特点和优势满足混电、全电直升机的设计要求，搭建结构简单、重量可控的电磁动力及传动系统，是电推进直升机技术未来发展不可忽视的问题。
技术实现要素：
7.为了解决上述技术问题，第一方面，本技术提供了一种直升机电磁动力传动系统，包括：
8.发动机；
9.磁齿轮复合电机，包括调制型磁齿轮和永磁电机；其中，所述调制型磁齿轮包括内环、外环、以及设置在所述内环与外环之间的调制环；所述内环采用永磁体形成磁场极对数；
10.主减速器，所述主减速器的一端与所述发动机连接，所述主减速器的另一端与所述内环连接；
11.旋翼输出轴，与所述调制环连接；其中，所述旋翼输出轴上设置有旋翼系统。
12.优选地，还包括：
13.电动机/发电机，与所述外环连接；
14.中央功率控制系统，与所述电动机/发电机连接；
15.储能电池组，与所述中央功率控制系统连接。
16.优选地，所述调制型磁齿轮设置在所述永磁电机的定子与转子之间；其中，所述永磁电机的定子与所述外环连接，所述转子能够带动所述调制环转动。
17.优选地，所述调制型磁齿轮的极数比为4:12:8；所述永磁电机为6极三相同步的电机。
18.第二方面，本技术还提供了一种直升机电磁动力传动系统，包括：
19.磁齿轮复合电机，包括调制型磁齿轮和永磁电机；其中，所述调制型磁齿轮包括内环、外环、以及设置在所述内环与外环之间的调制环；
20.主电机控制器，与所述内环连接；
21.电动机/发电机，与所述外环连接；
22.中央功率控制系统，与所述电动机/发电机连接；
23.储能电池组，分别与所述主电机控制器和所述中央功率控制系统连接；
24.旋翼输出轴，与所述调制环连接；其中，所述旋翼输出轴上设置有旋翼系统。
25.优选地，还包括：
26.发动机；
27.主发电机，与所述发动机连接；其中，所述发电机用于向所述储能电池组充电。
28.优选地，所述永磁电机的转子与所述外环连接；所述内环包括内环绕组和内环铁芯，构成所述永磁电机的定子。
29.优选地，所述调制型磁齿轮的极数比为4:12:8；所述永磁电机为6极三相同步的电机。
30.与现有技术相比，本技术的有益技术效果：
31.本技术通过磁齿轮和电机技术，搭建直升机混电、全电动力及传动架构，实现动力输出优化，提升直升机的燃油效率和操控性，为新型直升机的研制和电推进技术应用提供了一套理想架构模式。
附图说明
32.图1是本技术实施例提供的一种直升机电磁动力传动系统的示意图；
33.图2是本技术实施例提供的一种内转子式磁齿轮复合电机的结构示意图；
34.图3是本技术实施例提供的另一种直升机电磁动力传动系统的示意图；
35.图4是本技术实施例提供的一种内定子式磁齿轮复合电机的结构示意图；
36.其中：1-内环；11-内环永磁体；12-内环轮毂；13-内环绕组；14-内环铁芯；2-调制环；21-软磁柱；22-支撑柱；3-外环；31-外环内永磁体；32-外环壳体；33-外环外永磁体；4-电动机/发电机；41-电动机绕组/发电机绕组；42-电动机铁芯/发电机铁芯；5-旋翼输出轴；6-中央功率控制系统；7-储能电池组；8-旋翼系统；9-主电机控制器；10-发动机；11-主发电机；12-主减速器。
具体实施方式
37.本技术提供的一种混电、全电直升机电磁动力及传动系统，实现直升机混电、全电动力架构，以磁齿轮复合电机构型为中心进行动力和传动布局，磁齿轮部分实现动力轴高转速至旋翼轴低转速的高减速比扭矩传动，辅助电机起到电动/发电作用，同时实现无级变速控制、动力辅助输出和电能反充的功能，在中央功率控制系统的作用下，发动机、旋翼处于最佳工作点为直升机提供推动力输出，同时储能电池提供补偿动力，降低对动力、传动机
械的总功率要求。
38.其中，磁齿轮复合电机，是一种调制型的磁齿轮和电机的复合装置，磁齿轮结构是通过由软磁性材料形成格栅的调制环，将内环和外环不同极数的磁场进行调制，使两者气隙磁场实现耦合，从而实现扭矩及转速在各个环之间进行分配，实现动力传递和转速调节；电机结构是通过在磁齿轮外环复合一套永磁同步电机/发电机，当外加功率时，驱动外环正向或反向转动，起到调节调制环转速及增减扭矩的作用，当动力富余时，外环转动感应绕组产生电流，向储能电池充电。
39.其中，磁齿轮复合电机，具有多种结构方式，其磁齿轮为磁场调制型，可以是径向调制型，也可以是轴向调制型；其外电机为电动/发电机，可以是同步永磁结构，也可以采用其他形式的电机。
40.其中，磁齿轮复合电机，采用混电动力及传动架构时，其内环可以为永磁体多极磁场，高速旋转轴和内环轮毂联结，带动内环高速旋转；采用全电动力及传动架构时，其内环为多极绕组铁芯定子，采用线圈绕组形成多极磁场，通过电流控制形成旋转多极磁场，类似于内环高速旋转，其电力可以由储能电池单独供应，也可以由发动机通过发电机提供。
41.其中，传动系统，其传动比由内、外环和调制环极数的关系确定，是连续可调的，根据不同的直升机减速设计需求，可以用单一的磁齿轮复合电机直接实现，也可以和机械减速器共同实现。
42.其中，电磁动力及传动系统，根据控制系统的复杂性，其外电机的速度调节功能和功率输出/输入功能可以有由单个磁齿轮复合电机实现，也可以由一个磁齿轮复合电机加一个辅助电机实现。
43.其中，电磁动力及传动系统，磁齿轮内环磁场旋转既可驱动调制环旋转，带动单旋翼转动，也可以驱动调制环和外环正反向旋转，实现共轴双旋翼转动。
44.其中，电磁动力及传动系统，可以应用于涡轮发动机为动力的直升机，可以用于纯电动直升机，也可以用于其他具有类似动力和传动需求的装备中。
45.本技术通过磁齿轮和电机技术，搭建直升机混电、全电动力及传动架构，实现动力输出优化，提升直升机的燃油效率和操控性，为新型直升机的研制和电推进技术应用提供了一套理想架构模式。
46.在本技术其他实施例中，本技术提供的一种混电直升机电磁动力及传动系统典型架构，适用于各种直升机，请参阅图1。发动机10的输出轴引入到主减速器12，实现部分减速比和旋转方向的90
°
转向，齿轮箱输出轴和磁齿轮的内环1相联结，带动磁齿轮复合电机的内环1高速转动。
47.该磁齿轮复合电机为一种同轴径向调制型磁齿轮复合电机，请参阅图2。其由一套典型的4:12:8极数比的调制型磁齿轮和一个6极三相同步永磁电机复合而成，永磁电机的转子和磁齿轮外环组成一个部件，按电磁波原理，由于极数不同，永磁电机的磁场波和磁齿轮的磁场波不会产生干扰，两者的控制是独立的。根据众所周知的调制型磁齿轮原理，当磁齿轮的内环1、外环3和调制环2的极数符合式(1)的数值要求后，内环的动力输入可以转换至调制环和外环的扭矩输出，且符合式(2)的规律。
48.n
p
＝pi+poꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0049][0050]
其中，pi为内环永磁体11的极对数，其角速度为ωi，po为外环永磁体31的极对数，其角速度为ωo，n
p
为调制环极数，即软磁柱21的格栅数，其角速度为ω
p
。
[0051]
式(1)表明了3个环的极数关系，式(2)则表明了外环3的转动方向和内环1相反，而调制环2转动方向与内环1相同，在本实例中内环1为4对极，外环2为8对极，调制环2为12极，是一种减速齿轮。根据式(2)的关系，当调制环2固定不动时，外环3的最高减速比为2，当外环3不动时，调制环2的最高减速比为3。
[0052]
当额外增加助力，外电机通电后如使外环3加速反转时，则调制环2将获得更高的减速比(gr》3)和更高的扭矩，外电机通电后如使外环3正转时，则调制环2将获得更高的速度(gr《3)和更低的扭矩；当旋翼扭矩足够时，外环3自然进行反向旋转，这是外环永磁体会在绕组中感应出三相电流，通过功率控制器相应模块可以实现对储能电池的反充，在整个过程中，直升机发动机和机械传动可以一直保持在优化工作状态。根据以上原理，调制环2和旋翼输出轴5联结；电动/发电机4和中央功率控制系统6相联结。中央功率控制系统6根据直升机的飞行环境、电池电量和飞行操作等指令，通过调整旋翼姿态和电动/发电机4的功率状态，实现各种飞行任务。
[0053]
在本技术其他实施例中，与上述实施例的操控原理一致，组合架构更符合全电直升机电磁动力及传动系统要求，请参阅图3。
[0054]
区别一，磁齿轮内环1不采用永磁体形成磁场极对数，而是采用内环绕组13与内环铁芯14构成一个电机定子，请参阅图4。该电机定子共有12个电枢槽，绕有12组线圈，采用3相交流电方式提供4对极旋转磁场，其转速和输入频率相关，即ωi＝πf/2，频率越高，角速度越大，同时输入的功率越大，功率密度得到提高。由于磁场的极数结构并未发生变化，所以本实例的磁齿轮运行规律和实施实例1的式(1)、式(2)完全一样。
[0055]
区别二，储能电池组7作为直接动力输出源，磁齿轮复合电机作为主电机提供转动动力输出，由主电机控制器9控制，电力从储能电池组7提取，如果采取混电模式，发动机10通过主发电机11给储能电池组7充电，参阅图3，如果采用全电模式，则发动机10和主发电机11可以从架构中取消。
[0056]
由于现阶段储能电池的能量密度还不高，采用全电模式，及完全由储能电池供电会导致整机重量大幅上升，是难以实现的，混电模式虽然依然保留了发动机，增加了发电机，但由于功率分配大幅优化，可以采用更低功率配置的发动机和高功率密度发电机，和同样传统架构相比可以实现减重，且储能电池容量需求不大，增重并不明显，因此就整体而言，重量控制是得到优化的。
