[發明專利]一種基于無軸輪緣磁懸浮風扇的分布式電動/發電一體化推進系統

在審

• 申請號: 202210363646.0
• 申請日: 2022-04-07
• 公開（公告）號: CN114837970A
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 康林;楊文將;黃海峰;白明亮;徐存;姚軒宇;蔣承志
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;中國航空發動機研究院
• 主分類號: F04D25/08
• 分類號: F04D25/08;F03D9/11;F03D9/25;F04D27/00;F04D29/058;F04D29/38
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本發明屬于航空電推進技術領域，是一種基于無軸輪緣磁懸浮風扇的電動/發電一體化分布式推進系統，包括無軸輪緣磁懸浮風扇(1)、渦軸發電機(2)、集成控制器(3)、雙向逆變器(4)、蓄電池(5)、機載用電設備(6)；渦軸發電機(2)和蓄電池(5)通過集成控制器(3)驅動分布式無軸輪緣磁懸浮風扇(1)，為飛行器提供推力；無軸輪緣磁懸浮風扇(1)兼容推進、發電兩種工作模式并可相互轉換，以磁懸浮軸承代替機械軸承，采用環型轉子(8)構型，取消中心輪轂，并緊湊地集成永磁同步電機與電磁軸承；飛行器高空巡航飛行時通過雙向流動葉型(10)將部分分布式無軸輪緣磁懸浮風扇(1)調整為高空發電模式，采用集成控制器(3)中的最大功率點跟蹤算法得到最佳風能利用系數，最大化輸出電力向蓄電池(5)充電。此種基于無軸輪緣磁懸浮風扇的電動/發電一體化分布式推進技術方案將有助于改善飛行器氣動特性，實現分布式電推進器的多功能一體化、集成化和能源高效利用率，從而提高飛行器的續航能力和多任務適應性。

所屬技術領域

本發明屬于航空電推進技術領域，更具體地，涉及一種基于無軸輪緣磁懸浮風扇的分布式電動/發電一體化推進系統技術方案。

背景技術

航空工業節能減排、低碳環保的發展趨勢是未來航空動力變革的重要方向，分布式推進與能量回收是其中的重要技術路徑。分布式推進方式可以增加等效涵道比，其帶來的靈活的推進器布置方式兼顧垂直起降能力，進一步提升飛行器的起降性能。能量回收利用技術在電動汽車的成功應用證明了可以進一步減少碳排放的可行性，飛機在高空中飛行時，高空中蘊含的巨大風能為實現能量回收提供了條件。

近年來逐漸研究的無軸輪緣電機驅動構型為航空電推進系統的未來發展提供了新思路。無軸輪緣驅動推進系統是將推進裝置與驅動電機集成一體，與傳統的電機、軸系和推進裝置的結構相比，不僅取消了傳統的穿艙推進軸系和密封系統而且大幅減少傳動機構，從而提高推進系統的效率與空間利用率。

在推進功率相當的情況下，提升電機轉速可以有效減輕電機重量。但是機械軸承在高轉速時發熱嚴重，不但減小了電機的壽命，而且帶來較大的噪音。磁浮軸承使電機轉子和定子之間沒有機械接觸，從而避免在高轉速下劇烈的機械磨損，因此磁懸浮軸承適用于無需潤滑、無污染、壽命長且萬轉以上高轉速工況。

風能被稱為綠色能源，風速隨海拔的升高顯著增加，在高空中風能密度可以達到地面的數倍甚至數十倍，風速的提升使得高空風力發電所需的掃風面積減小，風力發電系統可以實現小型化，因此飛行器巡航階段進行風力發電實現能量回收具備可行性。風速的變化會導致風力發電的效率變化，為了實現風能利用率的最大化，須根據風速變化實時調節發電機條件，從而實現風力發電的最大功率跟蹤。

本發明專利結合以上技術背景，針對無軸輪緣電推進構型，設計了一種基于無軸輪緣磁懸浮風扇的分布式電動/發電一體化推進系統，包括分布式推進架構、一種緊湊型無軸輪緣磁懸浮風扇結構、一體化雙向流動葉型以及改進的最大功率點跟蹤算法，從而實現分布式電推進器的多功能一體化、集成化和能源高利用率。

發明內容

為滿足航空工業綠色低碳、環保高效的發展需求，解決傳統航空推進方式燃料消耗大、能量利用率低的問題，本發明提供一種基于無軸輪緣磁懸浮風扇的電動/發電一體化分布式推進系統，其中電動/發電一體化使磁懸浮風扇可在推進器與高空風力發電機功能之間切換，既作為推進單元，又實現部分高空風能的回收利用，進一步提高能量利用效率，減少能源消耗；分布式推進器改善飛行器氣動特性，提高推進效率，提高飛行器安全性能和任務能力；采用電磁軸承的無軸輪緣驅動結構有助于實現高轉速和支承結構輕質化；兼容推進、發電能力的雙向流動葉型(10)，在電動發電一體化策略中不影響風扇效率，實現了風扇葉型的多功用性；最大功率點跟蹤算法聯合使用最佳葉尖速比法和爬山搜索法，保證了跟蹤速度和跟蹤精度，進一步提高了發電時風能利用率。

為實現上述目的，本發明提供一種基于無軸輪緣磁懸浮風扇的電動/發電一體化分布式推進系統，包括無軸輪緣磁懸浮風扇(1)、渦軸發電機(2)、集成控制器(3)、雙向逆變器(4)、蓄電池(5)、機載用電設備(6)。