[发明专利]一种基于无轴轮缘磁悬浮风扇的分布式电动/发电一体化推进系统

说明书

本发明属于航空电推进技术领域，是一种基于无轴轮缘磁悬浮风扇的电动/发电一体化分布式推进系统，包括无轴轮缘磁悬浮风扇(1)、涡轴发电机(2)、集成控制器(3)、双向逆变器(4)、蓄电池(5)、机载用电设备(6)；涡轴发电机(2)和蓄电池(5)通过集成控制器(3)驱动分布式无轴轮缘磁悬浮风扇(1)，为飞行器提供推力；无轴轮缘磁悬浮风扇(1)兼容推进、发电两种工作模式并可相互转换，以磁悬浮轴承代替机械轴承，采用环型转子(8)构型，取消中心轮毂，并紧凑地集成永磁同步电机与电磁轴承；飞行器高空巡航飞行时通过双向流动叶型(10)将部分分布式无轴轮缘磁悬浮风扇(1)调整为高空发电模式，采用集成控制器(3)中的最大功率点跟踪算法得到最佳风能利用系数，最大化输出电力向蓄电池(5)充电。此种基于无轴轮缘磁悬浮风扇的电动/发电一体化分布式推进技术方案将有助于改善飞行器气动特性，实现分布式电推进器的多功能一体化、集成化和能源高效利用率，从而提高飞行器的续航能力和多任务适应性。

所属技术领域

本发明属于航空电推进技术领域，更具体地，涉及一种基于无轴轮缘磁悬浮风扇的分布式电动/发电一体化推进系统技术方案。

背景技术

航空工业节能减排、低碳环保的发展趋势是未来航空动力变革的重要方向，分布式推进与能量回收是其中的重要技术路径。分布式推进方式可以增加等效涵道比，其带来的灵活的推进器布置方式兼顾垂直起降能力，进一步提升飞行器的起降性能。能量回收利用技术在电动汽车的成功应用证明了可以进一步减少碳排放的可行性，飞机在高空中飞行时，高空中蕴含的巨大风能为实现能量回收提供了条件。

近年来逐渐研究的无轴轮缘电机驱动构型为航空电推进系统的未来发展提供了新思路。无轴轮缘驱动推进系统是将推进装置与驱动电机集成一体，与传统的电机、轴系和推进装置的结构相比，不仅取消了传统的穿舱推进轴系和密封系统而且大幅减少传动机构，从而提高推进系统的效率与空间利用率。

在推进功率相当的情况下，提升电机转速可以有效减轻电机重量。但是机械轴承在高转速时发热严重，不但减小了电机的寿命，而且带来较大的噪音。磁浮轴承使电机转子和定子之间没有机械接触，从而避免在高转速下剧烈的机械磨损，因此磁悬浮轴承适用于无需润滑、无污染、寿命长且万转以上高转速工况。

风能被称为绿色能源，风速随海拔的升高显著增加，在高空中风能密度可以达到地面的数倍甚至数十倍，风速的提升使得高空风力发电所需的扫风面积减小，风力发电系统可以实现小型化，因此飞行器巡航阶段进行风力发电实现能量回收具备可行性。风速的变化会导致风力发电的效率变化，为了实现风能利用率的最大化，须根据风速变化实时调节发电机条件，从而实现风力发电的最大功率跟踪。

本发明专利结合以上技术背景，针对无轴轮缘电推进构型，设计了一种基于无轴轮缘磁悬浮风扇的分布式电动/发电一体化推进系统，包括分布式推进架构、一种紧凑型无轴轮缘磁悬浮风扇结构、一体化双向流动叶型以及改进的最大功率点跟踪算法，从而实现分布式电推进器的多功能一体化、集成化和能源高利用率。

发明内容

为满足航空工业绿色低碳、环保高效的发展需求，解决传统航空推进方式燃料消耗大、能量利用率低的问题，本发明提供一种基于无轴轮缘磁悬浮风扇的电动/发电一体化分布式推进系统，其中电动/发电一体化使磁悬浮风扇可在推进器与高空风力发电机功能之间切换，既作为推进单元，又实现部分高空风能的回收利用，进一步提高能量利用效率，减少能源消耗；分布式推进器改善飞行器气动特性，提高推进效率，提高飞行器安全性能和任务能力；采用电磁轴承的无轴轮缘驱动结构有助于实现高转速和支承结构轻质化；兼容推进、发电能力的双向流动叶型(10)，在电动发电一体化策略中不影响风扇效率，实现了风扇叶型的多功用性；最大功率点跟踪算法联合使用最佳叶尖速比法和爬山搜索法，保证了跟踪速度和跟踪精度，进一步提高了发电时风能利用率。

为实现上述目的，本发明提供一种基于无轴轮缘磁悬浮风扇的电动/发电一体化分布式推进系统，包括无轴轮缘磁悬浮风扇(1)、涡轴发电机(2)、集成控制器(3)、双向逆变器(4)、蓄电池(5)、机载用电设备(6)。