用于飞行器的电驱动器的冷却的制作方法

用于飞行器的电驱动器的冷却
1.本发明涉及一种具有风扇的电驱动器，该风扇包括用于飞行器的导管风扇
、
压缩机或螺旋桨，其中，该电驱动器包括具有定子和转子的具体是永久激磁的电机
。
2.在用于车辆的电力推进系统的发展中，需要能够输出高功率的电机，使得所有组合的电机的系统功率为几千瓦
(kw)(
例如用于客车
)、
几百千瓦
(
例如用于短距离飞机或卡车
)、
或高达兆瓦
(mw)(
例如用于货机或超级车
)。
需要高度优化和高效的电机来满足这些应用领域的要求
。
对于飞行器，另一个因素是电驱动器必须具有高的功率重量比
(kw/kg)
并且同时被设计成具体是故障安全的
。
3.为了在电机中产生电场，通常使用永磁体来代替在高开关频率下工作的载流线圈
(
具有高激磁损耗
)。
这具有以下优点：电机的效率增加，但导致磁体和转子轭
(rotor yoke)
的强烈加热，尤其是在具有高功率输出的机器中
。
然而，随着磁体的温度升高，磁场输出降低，这又降低了电机的效率
。
当磁体被操作超过其最大操作温度时，其最初经历可逆损失，变得磁性较小并且驱动效率下降
。
然而，在高温度阈值以上，磁体遭受不可逆损失，在该不可逆损失下，由于磁体的永久退磁，机器的效率永久受损
。
为了克服温度感应退磁的问题，具有永久高功率输出的电机的磁体必须被冷却
。
从现有技术中已知两种系统
。
一方面，磁体可以是液体冷却的
。
另一方面，冷却空气流可以被引导至转子和定子之间的空气间隙
(
电磁间隙
)。
然而，具体用于飞行器中，这些选择具有不同的缺点
。
在不冷却磁体的情况下，必须限制功率输出，使得在磁体周围发生的自然对流足以将它们保持在最大温度以下
。
因此，电驱动器的效率在没有冷却的情况下会受损
。
液体冷却在其设计中从根本上非常复杂，增加了驱动器的总重量，并且不提供所需的可靠性和故障安全性
。
此外，冷却电机转子的旋转磁体会给所需的液体冷却系统增加很大程度的复杂性
。
可替代地，可以进行将冷却空气转向到电驱动器中
。
这将需要配置复杂的气流系统，从而增加驱动系统的整体质量
。
此外，由于空气的冷却介质和电机中空气间隙的小尺寸，这种解决方案的冷却性能不是特别有效
。
此外，必须在所有可能的操作条件下，例如在巡航飞行中，在
s/vtol
的悬停飞行中，或在飞行器的地面操作中确保电机的永久冷却空气流
。
4.因此，本发明的任务是提供一种具有用于飞行器的风扇的电力推进系统，其一方面提供对电动机的高效冷却，另一方面具有低复杂性和低重量的故障安全设计，以便确保飞行器的电力高效且同时可靠的操作
。
该任务通过根据权利要求1的具有风扇的电驱动器和根据权利要求
13
的具有至少一个这种电驱动器的飞行器来解决
。
在本说明书中，术语风扇旨在涵盖导管风扇
、
压缩机和螺旋桨
。
在本发明的实施方式中，它可以包括叶片
、
盘和到轴的连接件
。
5.根据本发明的具有风扇的电驱动器的特定特征在于，驱动器的电动机的磁体的冷却可以通过转子叶片来执行，因为转子的磁体与轴处于良好的热接触，并且轴与连接到其上的转子叶片处于良好的热接触
。
部件之间的这些导热连接和部件本身因此将热量从转子的磁体传导到飞行器的转子叶片，在推进系统的操作期间
(
由于转子叶片本质上在高速气流中操作，并且因此充当非常强大的冷却翅片
)
，这些转子叶片总是由进入的空气冷却
。
通过在由电驱动器共同旋转的相关部件之间建立导热连接，系统的复杂性可以保持较低，因
为所有相关部件围绕驱动器的旋转轴线一起旋转
。
加热部件与转子叶片的直接热耦接还意味着，当电机以高速旋转时，导致磁体的更大加热，转子叶片的旋转速度也增加，吸入更多的空气并确保磁体的冷却，而与飞行器的实际运动速度无关，即使当飞行器处于悬浮或地面模式且很少或没有运动到周围空气质量时也是如此
。
将该推进系统的转子叶片用作用于飞行器的电机的转子的磁体的散热器具有进一步的优点，一方面，具有根据本发明的冷却系统的推进系统的复杂性和功率重量比与不具有冷却的相同推进系统的复杂性和功率重量比大致相当，以及，另一方面，即使在重载
(
高热输入
)
下，高效冷却系统确保电力推进系统的效率，由此保证推进系统的长期可靠性并允许高功率密度设计
。
6.根据优选实施方式，该电机被设计为内转子
。
这具有以下优点：由于其设计而具有圆形结构的电机的转子被布置在内部
。
在可替代实施方式中，该机器还可以被设计成一种出转轮
(out-runner)
，该出转轮甚至可以具有比入转轮更高的扭矩和可能更高的功率，但是然后定子冷却变得更加复杂
。
当内转子与具有小螺旋桨直径的快速旋转螺旋桨组合时，内转子的实施方式是特别有利的
。
对于内转子的转子冷却，根据本发明的磁体的冷却是特别适合的，因为液体冷却由于有限的安装空间而非常复杂，并且冷却空气的流入由于螺旋桨居中地位于同一旋转轴线上而受到严重限制
。
7.优选地，磁体以环形结构布置在层压铁芯的外侧上
。
这种布置的优点在于，磁体围绕驱动系统的旋转轴线位于环形转子的径向最外位置
。
这使得定子和转子之间的磁通量最大化，其中转子和定子仅由空气间隙隔开
。
为了电机的高效率，转子和定子之间的距离
(
空气间隙
)
被选择为尽可能小，具有由制造公差产生的最小距离
。
因此，根据本发明的冷却允许电机的有效设计，因为冷却不必穿过空气间隙
。
在另一优选实施方式中，磁体被布置成海尔贝克配置
。
这种布置还增加了功率密度，但减少了对铁
(
层压
)
芯的需要
。
在可能的实施方式中，没有铁或层压铁芯
。
在该实施方式中，与包括
(
层压
)
铁芯的实施方式相比，在磁体和用作散热器的叶片之间的冷却路径可以更加减小
。
在本发明的另一个实施方式中，磁体包括外套筒
。
外套筒使得更难以从磁体吸取热量，从而在这种配置中，在充当散热器的叶片上的冷却提供了特别的优点
。
8.根据优选实施方式，电驱动器包括导管，并且风扇是布置成在导管内旋转的导管式风扇，其中，定子通过叶片连接到管道，所述叶片布置在由转子旋转时转子叶片产生的气流中
。
在该实施方式中，电驱动器的冷却通过形成用于转子的散热器的旋转转子叶片和形成用于定子的散热器的叶片的组合来实现
。
由于风扇是导管式风扇并且叶片布置在由转子叶片产生的气流中的导管内，因此确保了在电驱动器运行时转子和定子都被有效地冷却
。
9.根据优选实施方式，叶片通过包括导热材料的轮毂固定地连接到定子，使得叶片形成定子的散热器
。
轮毂的导热材料使得定子和叶片之间的接口具有良好的导热性，使得叶片有效地提供用于冷却定子的散热器
。
该定子可以包括以下各项中的至少一项：层压
、
线圈
、
封装端绕组和互连件
。
这些部件中的一些可能在电驱动器运行期间产生热量，因此，根据电驱动器的当前功率消耗需要冷却
。
由于叶片被由风扇的转子叶片产生的气流冷却，并且风扇的旋转速度与电驱动器的功率消耗相关，可以确保即使电驱动器的功率消耗增加，冷却在每种情况下总是有效的
。
根据实施方式，由定子和轮毂之间的接触电阻
、
轮毂材料的导热率
、
叶片材料的导热率和由导管风扇产生的气流内的叶片表面提供的传热系数高于
100w/(m2×
k)
，优选高于
200w/(m2×
k)。
这些值可以通过如上所述的定子和叶片之间的热接
口来实现
。
根据优选实施方式，叶片和轮毂加工成单件
(
也称为“叶片集成盘”或“整体叶盘”)
，优选由铝或钛制成
。
通过将轮毂和叶片加工成单件，即使没有附加的热连接材料，热阻也减小
。
为了进一步增加通过叶片的热传递，叶片还可以包括热管
。
热管可以穿过轮毂延伸到定子中
。
10.根据优选实施方式，该轴被设计为中空轴，以减小驱动系统的质量并提高功率重量比
。
因此，具体地，旋转质量保持较低以提高驱动系统的效率
。
此外，这允许气流被引导通过轴以有助于额外的冷却
。
可替代地，该空腔还可以填充有冷却剂以改进从电机区域到转子叶片区域的热传递
。
11.根据优选实施方式，层压铁芯由层压铁钢形成以提供软磁芯，从而即使在高激磁频率下也防止涡流的发生，该涡流又将电能转换成热
。
层压和绝缘片材堆的实施方式也称为“层压”。
这减少了输入到电机中的热量，因此需要较少的冷却功率
。
12.根据优选实施方式，该轴通过摩擦连接
(
例如通过压配合
)
紧固在该电机的转子中
。
这种类型的连接具有以下优点：由于所连接的部件的二维接触，该设计已经提供了导热连接
。
此外，这种类型的紧固不需要任何额外的紧固件，这意味着移动部件的质量可以保持较低
。
13.根据替代性实施方式，该轴是通过材料粘合
(
例如通过焊接，具体是摩擦焊接
)
或粘合而紧固到该电机的转子上的
。
这种形式的连接还具有这样的优点，即部件在宽的面积上彼此连接，从而导热性良好
。
焊接是特别优选的，因为金属部件在没有绝缘分离层或间隙的情况下直接接合
。
此外，这种类型的紧固还提供了形状配合连接的所有优点，并且不需要额外的紧固件，使得总质量可以保持较低
。
在可替代实施方式中，磁铁也可以用胶水固定
。
虽然传统的胶水可以在轴和磁体之间提供隔离层，但是在本发明的优选实施方式中，可以使用具有增加的传热系数的胶水
。
例如，胶水可包括诸如氧化铝的添加剂以增加传热系数
。
14.根据优选实施方式，电机是交流同步电机，其优选地与控制器组合以在使用电池作为电源时使用
dc
来操作电机
。ac
永磁表面安装
(ac pmsn)
机器具有高效率和低磨损
。
这些驱动类型由于其高可靠性和高效率而特别适合于飞行器
。
根据本发明的冷却特别适合于这种类型的电动机，因为磁体的区域由于磁体的去磁温度而具有最高的临界性
。
15.本发明的另一方面涉及飞行器，具体是垂直起降
(vtol)
飞行器，其包括上述任一实施方式的至少一个电驱动器
。
所述至少一个电驱动器可以可枢转地连接到飞行器的机翼
。
优选地，飞行器的机翼包括多个如上所述的电驱动器
。
这些电驱动器中的每个电驱动器至少成组地相对于固定地连接到飞行器机身的机翼可枢转
。
通过相对于固定机翼枢转电驱动器，飞行器可以在悬停配置和巡航配置中操作
。
根据本发明的电驱动器的具体的优点是冷却系统即使在悬停配置中也是足够的，在该悬停配置中，电驱动器需要在高功率下操作，但是没有由飞行器的向前运动产生的空气流
。
16.本发明的其它优点和特征将从以下结合附图给出的优选实施方式的描述中变得清楚
。
附图显示如下：
17.图1示出了根据本发明的一个实施方式的具有螺旋桨的电动致动器的横向截面图，仅示出了上半部
。
18.图2示出了根据本发明实施方式的导管风扇的截面图，仅示出了上半部
。
19.图3示出了处于巡航配置
(
左手侧
)
和悬停配置
(
右手侧
)
的具有本发明实施方式的
导管风扇的电驱动器的横向截面图
。
20.图1示出了具有螺旋桨
12
的电动致动器
2。
应当注意的是，所示出的部件的各个形状仅用于说明的目的，并且具体地，不保留比例
。
在下文中，参考电机4的转子8，其在技术文献中也可选地称为电枢
。
这些术语可互换使用
。
在本发明的上下文中，还应当理解，由合适的导热材料构成的不具有精确材料规格的部件可以具体地由铝
、
铜
、
铁或钢以及具有这些金属的部件的合金形成
。
21.图1示出了根据本发明的电驱动器2的结构，该电驱动器包括螺旋桨
12
和围绕电机4的公共旋转轴线
24
径向布置的电机
4。
电机4包括由铜绕组形成的定子
10
和转子
20。
在转子
20
和定子
10
之间存在空气间隙
12
，该空气间隙通过设计保持尽可能小，使得转子和定子不接触，但是定子和转子之间的磁通量可以尽可能不受阻碍地传输
。
22.电机4被设计为内转子
。
在此，转子8的磁体
20
面向空气间隙
24
并且围绕旋转轴线
24
径向地布置
。
磁体
20
连接到层压铁芯
18
，层压铁芯
18
也围绕旋转轴线
24
径向布置并形成由软铁制成的磁芯
。
环形层压铁芯
18
连接到轴
10
，轴
10
布置在层压铁芯
18
内
。
根据优选实施方式，轴
10
形成为中空轴
。
此外，轴
14
连接到转子叶片
16。
因此，在本技术的范围内，还包括连接，其中转子叶片
16
和轴
14
不直接连接，而是通过盘连接
。
对于这种情况，转子叶片应当优选地部分地插入盘内以与其连接，以便在部件之间实现更好的热传导
。
然而，甚至更优选的是转子叶片与轴一体，也称为“叶片集成盘”(
整体叶盘
)。
在该实施方式中，刀片与轴上的盘一起由单件加工而成
。
单件在叶片和轴之间提供最佳的传热系数
。
23.根据本发明的冷却由围绕轴
32
布置并刚性连接到轴
32
的磁体
22
和层压铁芯
24
的导热连接产生
。
转子叶片
16
径向连接到电动机外部的轴
32
上
。
从转子叶片
34
经由轴
32
，层压铁芯
24
到磁体
22
的连接使得所有接头具有良好的导热性
。
在本技术的上下文中，良好的导热率限定为至少
50w/(m*k)
，优选
100w/(m*k)
的导热率
。
这允许转子叶片
16
用作磁体
22
的散热器
。
24.如前所述，电机4中的热输入尤其发生在磁体
22
和层压铁芯
24
的区域中
。
通过用作散热器的转子叶片
34
冷却磁体
22
和层压铁芯
24
，可以减少磁体
22
的热退磁
。
结果，电机可以在恒定时间段内在高功率范围内操作，而不必接受由于变化的磁场引起的大的效率损失
。
结果，驱动系统的功率消耗较低，从而需要较少的电力来产生相同的驱动功率
。
这降低了功耗，并因此相对于限定的电池容量增加了飞行器的范围
。
此外，冷却还允许在电驱动器2的功率极限下的临时操作，例如在雷暴期间或在飞行器的其它驱动系统故障的情况下，而不将磁体
20
引入不可逆退磁的温度范围
。
结果，而且由于与位置无关的冷却能力，根据本发明的系统是特别故障安全的
。
在电驱动系统2的制造中冷却系统的低复杂性也使其成本有效
。
25.图2示出了电驱动器包括导管风扇的实施方式
。
与前述实施方式中使用的相同的附图标记也用于图2中的实施方式的相应部分
。
26.在本实施方式中为中空轴的轴
32
与磁体
24
和一起形成转子
20
的层压铁芯
22
固定连接
。
转子叶片
34
连接到轴
32
，并且转子叶片
、
轴和磁体导热地连接，使得转子叶片
34
形成用于磁体
22
的散热器
。
27.定子
10
包括层压
、
线圈和封装端绕组
11。
定子
10
的所有部件通过轮毂
44
固定地连接到轮叶
42。
轮叶
42
连接到导管
40。
轮叶
42
布置在由围绕轴线
36
旋转时转子叶片
24
产生的气流中
。
28.轮毂
44
在定子
20
和轮叶
42
之间提供热接口
。
优选地，轮毂
44
和轮叶
42
加工成由铝或钛制成的单件
。
因此，在定子
10
中产生的热量经由轮毂
44
传递到轮叶
42
，并且轮叶
42
的表面由旋转的转子叶片
34
产生的气流有效地冷却
。
因此，轮叶
42
形成用于定子
10
的散热器
。
29.应当注意，通过轮叶
42
对定子
10
的冷却是非常有效的，因为定子中产生的热量取决于电驱动器的功率消耗，但是轮叶
42
的定子表面周围的气流也随着电驱动器的功率消耗的增加而增加
。
30.通过转子叶片
34
的转子冷却与通过轮叶
42
的定子冷却的组合有效地冷却电驱动器2，而不需要任何附加的冷却系统，例如液体冷却
。
31.另外，轮叶
42
可以包括在几乎垂直于旋转轴线
36
的方向上的集成热管
(
图中未示出
)。
热管可以延伸到定子
10
的绕组或者甚至延伸到绕组中
。
因此，热管可以进一步提高定子
10
和轮叶
42
的表面之间的导热性
。
32.图3示出了连接到飞行器机翼
50
的电驱动器
。
图3的左手侧示出了电驱动器
10
处于巡航配置的情况
。
在该配置中，电驱动器2的旋转轴线几乎平行于飞行器机翼的翼面绳索
。
在图3的右手侧，示出了悬停配置
。
在该配置中，电驱动器相对于机翼
50
枢转到这样的位置，使得电驱动器的旋转轴线相对于机翼
50
的翼面绳索具有
60
°
至
90
°
之间的角度
。
当电驱动器工作时，由于轮叶
42
周围的气流存在于这些配置中的每一个中，所以转子叶片
34
和轮叶
42
可在这些配置中的每一个中分别有效地用作转子
20
和定子
10
的散热器
。
33.参考符号列表：
34.2 电驱动器
35.4 电机
36.10 具有铜绕组的定子
37.11 封装端绕组
38.12 空气间隙
39.20 转子
40.22 磁体
41.24 层压铁芯
42.30 螺旋桨
43.32 轴
44.34 转子叶片
45.36 旋转轴线
46.40 导管
47.42 轮叶
48.44 轮毂
49.50 机翼
。