一种基于磁性减速的空气涡轮起动机

本发明涉及航空空气涡轮起动机，具体涉及一种基于磁性减速的空气涡轮起动机，尤其涉及一种基于磁性齿轮传动的空气涡轮起动机。

背景技术：

1、受结构和循环过程的限制，航空发动机无法自主点火起动，需要起动机带动航空发动机运转起动。因此，必须要在航空发动机上安装起动机，以满足航空发动机的工作需求。

2、目前，空气涡轮起动机已成为现在几乎所有高涵道比航空发动机的起动辅助装置。在航空发动机起动过程中，辅助动力装置(auxiliary power unit)产生压缩空气并输送给空气涡轮起动机。在高压气体的驱动下，空气涡轮起动机带动航空发动机转动，达到起动转速时，发动机喷油点火并与起动机脱开，完成起动过程。

3、基于磁性齿轮传动的空气涡轮起动机与常规基于行星齿轮传动的空气涡轮起动机是有很大区别的。常规基于行星齿轮传动的空气涡轮起动机存在以下问题：

4、1.行星齿轮传动系结构复杂，部件众多，导致基于行星齿轮传动的空气涡轮起动机体积和重量较大。

5、2.行星齿轮传动系工作时噪声、振动明显。

6、3.行星齿轮传动系润滑方式复杂，后期维护难度大。

7、为了解决或改善以上问题，发明了一种基于磁性减速的空气涡轮起动机。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种基于磁性减速的空气涡轮起动机，解决了现有技术中空气涡轮起动机结构复杂、重量大、体积大和可靠性差的问题。

2、本发明一方面，提供了一种基于磁性减速的空气涡轮起动机，包括壳体与导向器总成结构和磁性齿轮；

3、磁性齿轮包括转子、磁性齿轮定子总成结构和磁性齿轮转子支撑结构；

4、转子包括分体设置在磁性齿轮的壳体与导向器总成结构内的输出转子总成结构和输入转子总成结构，输出转子总成结构轴向开设有用于套设输入转子总成结构的中空部；

5、输出转子总成结构、磁性齿轮定子总成结构和输入转子总成结构相互套接，且均安装在壳体与导向器总成结构内；

6、所述输入转子总成结构和输出转子总成结构之间形成第一环形腔；

7、所述输出转子总成结构沿轴向突于输入转子总成结构的一端周向设置有连接部，所述连接部上贯穿设置有与输入转子总成结构同轴的输出轴；

8、所述输出轴与输入转子总成结构之间形成有第二环形腔；磁性齿轮转子支撑结构沿所述壳体与导向器总成结构在第二环形腔内的轴向设置；磁性齿轮转子支撑结构分别与输入转子总成结构和输出轴相连，以对输出转子总成结构和输入转子总成结构形成支撑；

9、磁性齿轮定子总成结构包括定子支撑架、定子铁心组件、定子注塑填料和定子端板；定子铁心组件包括多个间隔设置的定子铁心；

10、输入转子总成结构包括转子轴、导转组件和磁性部；磁性部包括输入转子永磁体合件；

11、输入转子总成结构、输出转子总成结构与磁性齿轮定子总成结构之间分别形成内气隙和外气隙。

12、可选地，第一环形腔的一端与中空部相连通，且另一端与壳体与导向器总成结构内部连通；壳体与导向器总成结构在第一环形腔内设置有磁性齿轮定子总成结构；磁性齿轮定子总成结构与壳体与导向器总成结构的连接处位于第一环形腔与壳体与导向器总成结构内部的连通处内。

13、可选地，壳体与导向器总成结构包括装夹部，装夹部周向装配在输出轴上，且装夹部位于连接部背离输出转子总成结构的一侧；其中，装夹部与输出轴的装配处设置两组第一支撑组件。

14、本发明的另一方面，还公开了一种面向磁性齿轮损耗特性的分析方法，用于分析前述基于磁性减速的空气涡轮起动机的磁性齿轮损耗特性，具体步骤如下：

15、s1、获取磁性齿轮磁场的分布情况，对磁密幅值随时间变化的波形进行傅里叶级数分解，获得各次磁场谐波的交变频率及磁密幅值；

16、s2、基于涡流损耗模型和铁耗分离模型获得磁性齿轮的总体能量损耗。

17、5.一种磁性齿轮的定子铁心变形量的分析方法，用于分析权利要求1-3任一项所述的基于磁性减速的空气涡轮起动机的定子铁心变形量，具体步骤为：

18、s1：分析磁性齿轮磁场的分布情况，获得磁性齿轮定子总成结构中定子铁心组件的电磁拉力分布；

19、s2：将定子铁心组件建模为悬臂梁模型；将定子铁心组件的电磁拉力分布作为外载荷，基于悬臂梁模型，对定子铁心组件的结构变形进行分析。

20、本发明的另一方面，还公开了一种面向磁性齿轮的起动响应特性分析方法，用于分析前述的基于磁性减速的空气涡轮起动机的磁性齿轮的起动响应特性，具体步骤为：

21、s1：设定输入转子总成结构的转子轴的稳定转速、测试时长及步长值；基于转子轴的稳定转速、测试时长及步长值获得转子轴的速度时间曲线；将转子轴的速度时间曲线作为磁性齿轮的驱动条件；

22、s2：获取磁性齿轮输入角加速度的最大临界值表达式为：

23、

24、其中，j为转子转动惯量，t为时间，f为阻尼系数，ω为角速度，t为输入转矩，t’为负载转矩；

25、s3：转子轴以步骤s2获得的磁性齿轮的输入角加速度临界值从初始速度加载到步骤s1设定的稳定转速，获得磁性齿轮输入转子总成结构和磁性齿轮输出转子总成结构空载起动和带载起动的起动响应特性。

26、本发明的另一方面，还公开了一种基于瞬态动力学的空气涡轮起动机受高压气体冲击后的冲击振动分析方法，用于分析前述的基于磁性减速的空气涡轮起动机受高压气体冲击后的冲击振动，具体步骤为：

27、s1：将空气涡轮起动机涡轮叶片两侧的压力差作为空气涡轮起动机冲击振动的激励源施加于涡轮的压力面，持续激励预设时间；

28、s2：使用瞬态动力学计算公式，分析空气涡轮起动机受到高压气体冲击后的冲击振动特性。

29、本发明的另一方面，还公开了一种基于流体力学和传热学的空气涡轮起动机的温度分布分析方法，用于分析前述的基于磁性减速的空气涡轮起动机的温度分布，具体步骤为：

30、s1：以磁性齿轮传动过程中产生的铁耗为热源，使用体积热源计算公式分析磁性齿轮传动过程中输入转子总成结构、输出转子总成结构与磁性齿轮定子总成结构之间的内气隙和外气隙的单位体积生热率；使用等效导热系数计算公式分析空气涡轮起动机的输入转子总成结构、输出转子总成结构与磁性齿轮定子总成结构之间的内气隙和外气隙的散热性能；

31、s2：使用计算流体力学和传热学分析空气涡轮起动机进行轴向通风时，磁性齿轮的输入转子总成结构、输出转子总成结构与磁性齿轮定子总成结构之间的内气隙和外气隙的温度分布情况。

32、本发明的另一方面，还公开了一种基于响应表面法和遗传算法的定子铁心形状参数优化方法，用于优化前述的基于磁性减速的空气涡轮起动机的定子铁心形状参数，具体步骤为：

33、s1：确定同轴磁性齿轮的定子铁心的待优化形状参数及其数目；

34、s2：获取位于优化设计变量空间表面区域的多个定子铁心样本；获取每个定子铁心样本的待优化形状参数值；

35、s3：对获取的所有定子铁心样本进行磁场和结构场仿真，获得每个定子铁心样本的仿真最大结构变形量；

36、s4：构造定子铁心的最大结构变形量的目标函数；

37、s5：构造约束条件；

38、s6：基于步骤s3获取的多个定子铁心样本的待优化形状参数值和仿真最大结构变形量，使用二阶多元函数拟合定子铁心的最大结构变形量的倒数与定子铁心的待优化形状参数的关系函数；

39、s7：基于定子铁心的最大结构变形量的倒数与定子铁心的待优化形状参数的关系函数和约束条件，构建最小化定子铁心的最大结构变形量的最优形状优化问题；

40、s8：运用遗传算法对定子铁心的最大结构变形量的最优形状优化问题进行求解；获得定子铁心最大结构变形量的最小值时对应的定子铁心的待优化参数的最优值。

41、本发明的另一方面，还公开了一种基于halbach阵列的永磁体排布优化方法，用于优化前述的基于磁性减速的空气涡轮起动机的磁性齿轮输入转子永磁体合件的排布，其特征在于，具体步骤为：将输入转子永磁体合件沿输入转子导磁环合件的周向均匀分为n组获得n组单个永磁体组件；每组单个永磁体组件包括m个沿输入转子导磁环合件的轴向排列的单个永磁体；每组单个永磁体组件包括m个单个永磁体构成一对径向充磁的n极和s极的完整磁极。

42、与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：

43、(1)本发明的空气涡轮起动机采用了磁性齿轮进行传动，既满足了航空发动机的起动功率需求，又减小了空气涡轮起动机的体积和重量，具有结构紧凑、高可靠性、维护方便等特点，实现了空气涡轮起动机的高功率密度、小型化和轻量化。

44、(2)本发明的空气涡轮起动机的嵌套式共轴独立双转子内支承设置方式使空气涡轮起动机的输入、输出转子之间除了磁场的耦合作用外相互独立，降低了系统的摩擦和损耗，有利于准确的获取转子系统的动力学特性。

45、(3)本发明的空气涡轮起动机的磁性齿轮定子总成设有定子支撑结构，在保证定子总成机械强度的基础上，提高了定子铁心组件的磁场调制性能。

46、(4)本发明的空气涡轮起动机的壳体与导向器总成设有输出转子定位套，可有效限制输出转子的径向位移，提高系统的工作稳定性。

47、(5)本发明的空气涡轮起动机的壳体与导向器上开有出风口，可有效控制永磁体在工作过程中的温升。

48、(6)本发明的空气涡轮起动机中输出转子总成中输出转子导磁环内表面设置鸽尾结构，可对输出转子永磁体进行有效固定。

49、(7)本发明的空气涡轮起动机中输出转子总成的输出主轴与输出端从动轴焊合件通过超越离合器进行动力传递，可在防止空气涡轮起动机被反向驱动的同时简化结构。

50、(8)本发明的空气涡轮起动机的输入转子总成中设有碳纤维护套，可对输入转子永磁体合件进行固定，有效防止其在高速旋转过程中脱落。