一種直升機電磁動力傳動系統的制作方法
1.本技術屬于航空裝備動力及傳動系統技術領域，尤其涉及一種混電或全電直升機電磁動力傳動系統。
背景技術：
2.在石化能源日趨緊張和全球氣候變暖等多重因素影響下，電力推進技術作為一種清潔能源技術，得到廣泛開發。電力推進技術用于直升機領域，可以充分體現其推進效率高、結構簡單、維護容易等優點，符合航空裝備環保、節能、降噪的發展要求。
3.直升機一般采用單軸進行升力輸出，旋翼轉速低且扭矩大，而低速、高扭矩工作狀態下的電動機必然產生功率密度低的問題。因此采用純電動機直驅的方式進行升力輸出很難實現。
4.混電方式采用電動機補償旋翼輸出，實現發動機動力和旋翼不同工作狀態的優化，是一個現階段較合理的方式，但電機和傳統直升機機械傳動系統的耦合存在困難，帶來了復雜的測量、計算和控制問題。
5.磁齒輪是一種無接觸的磁力傳動裝置，可以與電機復合，組成結構緊湊的磁齒輪復合電機，同時具有變速能力，僅通過電機系統的控制就可實現不同轉動部件扭矩的耦合，大大簡化了控制系統的要求。
6.然而，如何結合磁齒輪的特點和優勢滿足混電、全電直升機的設計要求，搭建結構簡單、重量可控的電磁動力及傳動系統，是電推進直升機技術未來發展不可忽視的問題。
技術實現要素：
7.為了解決上述技術問題，第一方面，本技術提供了一種直升機電磁動力傳動系統，包括：
8.發動機；
9.磁齒輪復合電機，包括調制型磁齒輪和永磁電機；其中，所述調制型磁齒輪包括內環、外環、以及設置在所述內環與外環之間的調制環；所述內環采用永磁體形成磁場極對數；
10.主減速器，所述主減速器的一端與所述發動機連接，所述主減速器的另一端與所述內環連接；
11.旋翼輸出軸，與所述調制環連接；其中，所述旋翼輸出軸上設置有旋翼系統。
12.優選地，還包括：
13.電動機/發電機，與所述外環連接；
14.中央功率控制系統，與所述電動機/發電機連接；
15.儲能電池組，與所述中央功率控制系統連接。
16.優選地，所述調制型磁齒輪設置在所述永磁電機的定子與轉子之間；其中，所述永磁電機的定子與所述外環連接，所述轉子能夠帶動所述調制環轉動。
17.優選地，所述調制型磁齒輪的極數比為4:12:8；所述永磁電機為6極三相同步的電機。
18.第二方面，本技術還提供了一種直升機電磁動力傳動系統，包括：
19.磁齒輪復合電機，包括調制型磁齒輪和永磁電機；其中，所述調制型磁齒輪包括內環、外環、以及設置在所述內環與外環之間的調制環；
20.主電機控制器，與所述內環連接；
21.電動機/發電機，與所述外環連接；
22.中央功率控制系統，與所述電動機/發電機連接；
23.儲能電池組，分別與所述主電機控制器和所述中央功率控制系統連接；
24.旋翼輸出軸，與所述調制環連接；其中，所述旋翼輸出軸上設置有旋翼系統。
25.優選地，還包括：
26.發動機；
27.主發電機，與所述發動機連接；其中，所述發電機用于向所述儲能電池組充電。
28.優選地，所述永磁電機的轉子與所述外環連接；所述內環包括內環繞組和內環鐵芯，構成所述永磁電機的定子。
29.優選地，所述調制型磁齒輪的極數比為4:12:8；所述永磁電機為6極三相同步的電機。
30.與現有技術相比，本技術的有益技術效果：
31.本技術通過磁齒輪和電機技術，搭建直升機混電、全電動力及傳動架構，實現動力輸出優化，提升直升機的燃油效率和操控性，為新型直升機的研制和電推進技術應用提供了一套理想架構模式。
附圖說明
32.圖1是本技術實施例提供的一種直升機電磁動力傳動系統的示意圖；
33.圖2是本技術實施例提供的一種內轉子式磁齒輪復合電機的結構示意圖；
34.圖3是本技術實施例提供的另一種直升機電磁動力傳動系統的示意圖；
35.圖4是本技術實施例提供的一種內定子式磁齒輪復合電機的結構示意圖；
36.其中：1-內環；11-內環永磁體；12-內環輪轂；13-內環繞組；14-內環鐵芯；2-調制環；21-軟磁柱；22-支撐柱；3-外環；31-外環內永磁體；32-外環殼體；33-外環外永磁體；4-電動機/發電機；41-電動機繞組/發電機繞組；42-電動機鐵芯/發電機鐵芯；5-旋翼輸出軸；6-中央功率控制系統；7-儲能電池組；8-旋翼系統；9-主電機控制器；10-發動機；11-主發電機；12-主減速器。
具體實施方式
37.本技術提供的一種混電、全電直升機電磁動力及傳動系統，實現直升機混電、全電動力架構，以磁齒輪復合電機構型為中心進行動力和傳動布局，磁齒輪部分實現動力軸高轉速至旋翼軸低轉速的高減速比扭矩傳動，輔助電機起到電動/發電作用，同時實現無級變速控制、動力輔助輸出和電能反充的功能，在中央功率控制系統的作用下，發動機、旋翼處于最佳工作點為直升機提供推動力輸出，同時儲能電池提供補償動力，降低對動力、傳動機
械的總功率要求。
38.其中，磁齒輪復合電機，是一種調制型的磁齒輪和電機的復合裝置，磁齒輪結構是通過由軟磁性材料形成格柵的調制環，將內環和外環不同極數的磁場進行調制，使兩者氣隙磁場實現耦合，從而實現扭矩及轉速在各個環之間進行分配，實現動力傳遞和轉速調節；電機結構是通過在磁齒輪外環復合一套永磁同步電機/發電機，當外加功率時，驅動外環正向或反向轉動，起到調節調制環轉速及增減扭矩的作用，當動力富余時，外環轉動感應繞組產生電流，向儲能電池充電。
39.其中，磁齒輪復合電機，具有多種結構方式，其磁齒輪為磁場調制型，可以是徑向調制型，也可以是軸向調制型；其外電機為電動/發電機，可以是同步永磁結構，也可以采用其他形式的電機。
40.其中，磁齒輪復合電機，采用混電動力及傳動架構時，其內環可以為永磁體多極磁場，高速旋轉軸和內環輪轂聯結，帶動內環高速旋轉；采用全電動力及傳動架構時，其內環為多極繞組鐵芯定子，采用線圈繞組形成多極磁場，通過電流控制形成旋轉多極磁場，類似于內環高速旋轉，其電力可以由儲能電池單獨供應，也可以由發動機通過發電機提供。
41.其中，傳動系統，其傳動比由內、外環和調制環極數的關系確定，是連續可調的，根據不同的直升機減速設計需求，可以用單一的磁齒輪復合電機直接實現，也可以和機械減速器共同實現。
42.其中，電磁動力及傳動系統，根據控制系統的復雜性，其外電機的速度調節功能和功率輸出/輸入功能可以有由單個磁齒輪復合電機實現，也可以由一個磁齒輪復合電機加一個輔助電機實現。
43.其中，電磁動力及傳動系統，磁齒輪內環磁場旋轉既可驅動調制環旋轉，帶動單旋翼轉動，也可以驅動調制環和外環正反向旋轉，實現共軸雙旋翼轉動。
44.其中，電磁動力及傳動系統，可以應用于渦輪發動機為動力的直升機，可以用于純電動直升機，也可以用于其他具有類似動力和傳動需求的裝備中。
45.本技術通過磁齒輪和電機技術，搭建直升機混電、全電動力及傳動架構，實現動力輸出優化，提升直升機的燃油效率和操控性，為新型直升機的研制和電推進技術應用提供了一套理想架構模式。
46.在本技術其他實施例中，本技術提供的一種混電直升機電磁動力及傳動系統典型架構，適用于各種直升機，請參閱圖1。發動機10的輸出軸引入到主減速器12，實現部分減速比和旋轉方向的90
°
轉向，齒輪箱輸出軸和磁齒輪的內環1相聯結，帶動磁齒輪復合電機的內環1高速轉動。
47.該磁齒輪復合電機為一種同軸徑向調制型磁齒輪復合電機，請參閱圖2。其由一套典型的4:12:8極數比的調制型磁齒輪和一個6極三相同步永磁電機復合而成，永磁電機的轉子和磁齒輪外環組成一個部件，按電磁波原理，由于極數不同，永磁電機的磁場波和磁齒輪的磁場波不會產生干擾，兩者的控制是獨立的。根據眾所周知的調制型磁齒輪原理，當磁齒輪的內環1、外環3和調制環2的極數符合式(1)的數值要求后，內環的動力輸入可以轉換至調制環和外環的扭矩輸出，且符合式(2)的規律。
48.n
p
＝pi+po????????????????????????????
(1)
[0049][0050]
其中，pi為內環永磁體11的極對數，其角速度為ωi，po為外環永磁體31的極對數，其角速度為ωo，n
p
為調制環極數，即軟磁柱21的格柵數，其角速度為ω
p
。
[0051]
式(1)表明了3個環的極數關系，式(2)則表明了外環3的轉動方向和內環1相反，而調制環2轉動方向與內環1相同，在本實例中內環1為4對極，外環2為8對極，調制環2為12極，是一種減速齒輪。根據式(2)的關系，當調制環2固定不動時，外環3的最高減速比為2，當外環3不動時，調制環2的最高減速比為3。
[0052]
當額外增加助力，外電機通電后如使外環3加速反轉時，則調制環2將獲得更高的減速比(gr》3)和更高的扭矩，外電機通電后如使外環3正轉時，則調制環2將獲得更高的速度(gr《3)和更低的扭矩；當旋翼扭矩足夠時，外環3自然進行反向旋轉，這是外環永磁體會在繞組中感應出三相電流，通過功率控制器相應模塊可以實現對儲能電池的反充，在整個過程中，直升機發動機和機械傳動可以一直保持在優化工作狀態。根據以上原理，調制環2和旋翼輸出軸5聯結；電動/發電機4和中央功率控制系統6相聯結。中央功率控制系統6根據直升機的飛行環境、電池電量和飛行操作等指令，通過調整旋翼姿態和電動/發電機4的功率狀態，實現各種飛行任務。
[0053]
在本技術其他實施例中，與上述實施例的操控原理一致，組合架構更符合全電直升機電磁動力及傳動系統要求，請參閱圖3。
[0054]
區別一，磁齒輪內環1不采用永磁體形成磁場極對數，而是采用內環繞組13與內環鐵芯14構成一個電機定子，請參閱圖4。該電機定子共有12個電樞槽，繞有12組線圈，采用3相交流電方式提供4對極旋轉磁場，其轉速和輸入頻率相關，即ωi＝πf/2，頻率越高，角速度越大，同時輸入的功率越大，功率密度得到提高。由于磁場的極數結構并未發生變化，所以本實例的磁齒輪運行規律和實施實例1的式(1)、式(2)完全一樣。
[0055]
區別二，儲能電池組7作為直接動力輸出源，磁齒輪復合電機作為主電機提供轉動動力輸出，由主電機控制器9控制，電力從儲能電池組7提取，如果采取混電模式，發動機10通過主發電機11給儲能電池組7充電，參閱圖3，如果采用全電模式，則發動機10和主發電機11可以從架構中取消。
[0056]
由于現階段儲能電池的能量密度還不高，采用全電模式，及完全由儲能電池供電會導致整機重量大幅上升，是難以實現的，混電模式雖然依然保留了發動機，增加了發電機，但由于功率分配大幅優化，可以采用更低功率配置的發動機和高功率密度發電機，和同樣傳統架構相比可以實現減重，且儲能電池容量需求不大，增重并不明顯，因此就整體而言，重量控制是得到優化的。
