一种基于磁性减速的空气涡轮起动机

1.本发明涉及航空空气涡轮起动机技术领域，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：

2.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。
3.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。
4.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：
5.1.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。
6.2.行星齿轮传动系工作时噪声、振动明显。
7.3.行星齿轮传动系润滑方式复杂，后期维护难度大。
8.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。


技术实现要素：

9.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。
10.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；
11.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；
12.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；
13.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；
14.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；
15.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；
16.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；
17.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；
18.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；
19.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。
20.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。
21.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。
22.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：
23.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；
24.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。
25.5.一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：
26.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；
27.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。
28.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：
29.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；
30.s2：获取磁性齿轮输入角加速度的最大临界值表达式为：
[0031][0032]
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；
[0033]
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。
[0034]
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：
[0035]
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；
[0036]
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。
[0037]
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：
[0038]
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；
[0039]
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。
[0040]
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：
[0041]
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；
[0042]
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；
[0043]
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；
[0044]
s4：构造定子铁心的最大结构变形量的目标函数；
[0045]
s5：构造约束条件；
[0046]
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；
[0047]
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；
[0048]
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。
[0049]
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。
[0050]
与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：
[0051]
(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。
[0052]
(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。
[0053]
(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。
[0054]
(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。
[0055]
(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。
[0056]
(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。
[0057]
(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。
[0058]
(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。
附图说明
[0059]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
[0060]
图1为本发明的空气涡轮起动机总体结构的剖切示意图；
[0061]
图2为本发明的壳体与导向器总成结构的剖切结构示意图；
[0062]
图3为本发明的空气涡轮起动机的输入转子总成的示意图；
[0063]
图4为本发明的空气涡轮起动机的输入转子总成结构的剖切示意图；
[0064]
图5为本发明的输出转子总成的结构示意图；
[0065]
图6为本发明的输出转子总成的剖切示意图；
[0066]
图7为本发明的空气涡轮起动机的定子总成的结构示意图；
[0067]
图8为本发明的空气涡轮起动机的定子总成的剖切示意图；
[0068]
图9为本发明的空气涡轮起动机腔内空气流动示意图；
[0069]
图10为本发明的磁性齿轮转子支撑结构的单侧结构示意图；
[0070]
图11为本发明的空气涡轮起动机的结构示意图；
[0071]
图12为本发明的磁性齿轮定子总成结构中导磁材料和非导磁材料分别占定子总成结构的周向角度的示意图；
[0072]
图13为本发明的导磁环的鸽尾结构示意图；
[0073]
图14为本发明的永磁体的周向分块示意图。
[0074]
附图标记：
[0075]
1壳体与导向器总成结构、101涡轮导向器、102导流锥、103轴承定子、104第一定子外罩、105第二定子外罩、106后端罩、107轴端密封圈、108输出转子定位套、2输入转子总成结构、201空气涡轮、202输入转子导磁环、203输入转子永磁体合件、204输入转子护套、205输入转子挡板、206高速角接触球轴承、207轴承挡圈、208锁紧环、209输入转子阻尼器、210双层螺旋弹性挡圈、3输出转子总成结构、301输出转子永磁体合件、302输出转子导磁环、303输出主轴、304超越离合器、305输出转子总成结构的输出轴、306输出端从动轴、307轴承隔圈、308角接触球轴承a、309角接触球轴承b、310轴用双层螺旋弹性挡圈、311滚针轴承a、312滚针轴承b、4磁性齿轮定子总成结构、401定子铁心、402定子支撑架、403定子注塑填料、404定子端板、5支撑定子。
具体实施方式
[0076]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0077]
本发明的一个具体实施例，如图1-14，公开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1和磁性齿轮；
[0078]
磁性齿轮包括转子、磁性齿轮定子总成结构4和磁性齿轮转子支撑结构；
[0079]
转子包括分体设置在磁性齿轮的壳体与导向器总成结构1内的输出转子总成结构3和输入转子总成结构2，输出转子总成结构3轴向开设有用于套设输入转子总成结构2的中空部；
[0080]
输出转子总成结构3、磁性齿轮定子总成结构4和输入转子总成结构2相互套接，且均安装在壳体与导向器总成结构1；
[0081]
其中，壳体与导向器总成结构1的内壁与输出转子总成结构3外壁之间、输出转子总成结构3与磁性齿轮定子总成结构4之间、磁性齿轮定子总成结构4与输入转子总成结构2之间均为间隔设置，形成内气隙和外气隙，以使气体流动通过；
[0082]
磁性齿轮转子支撑结构包括中部带有环状固定结构的支撑定子5，以及设置在支撑定子5内外两端的三点式的支撑定位结构；三点式的支撑定位结构包括两个第二支撑组件和一个第三支撑组件，并且不处于一条直线上，使得第一支撑组件和第二支撑组件在同一端形成三角形的稳定支撑结构，保证了支撑机构对输出转子总成结构的输出轴305以及输入转子总成结构之间在转动中的稳定导转支撑。
[0083]
本发明提供的磁性齿轮转子支撑结构，最大程度上减少了转子总长度和转子的径向尺寸，降低起动机总重量，与传统行星齿轮起动机相比，本发明的磁性齿轮减少了复杂的支撑机构与部件，使用输入输出转子通过共轴嵌套的方式作为支撑方案，降低了整个系统的复杂程度；磁性齿轮定子总成中的定子铁心组件采用定子支撑架进行固定，取消了连接桥结构，进一步的减小了起动机的总重量。
[0084]
进一步地，输入转子总成结构2的外侧和输出转子总成结构3的内侧之间形成有第
一环形腔，第一环形腔的径向宽度沿输入转子总成结构2周向相等；输出转子总成结构3沿轴向突于输入转子总成结构2的一端周向设置有连接部，连接部上贯穿设置有与输入转子总成结构2同轴的输出轴305；输出轴305的外侧与输入转子总成结构2的内侧之间形成有第二环形腔，以及壳体与导向器总成结构1在第二环形腔内沿轴向设置有支撑机构，支撑机构分别与输入转子总成结构2和输出轴305相连，以对输出转子总成结构3和输入转子总成结构2形成支撑。
[0085]
进一步地，通过在输入转子总成结构2和输出转子总成结构3之间形成有用于放置定子总成结构4的第一环形腔，一方面能够对定子总成结构4与输入转子和输出转子输入转子之间形成间隔，另一方面与输出转子间除了磁场的耦合作用外可以相互独立，降低了整个转子结构的复杂程度。
[0086]
进一步地，通过形成径向宽度沿输入转子总成结构2周向相等的第一环形腔，使得输入转子和输出转子在高速转动中，内、输出转子不产生直接接触，振动与噪声较小。同时，还具有过载保护功能，即在过载情况下，磁性齿轮能通过失步运行来保护结构不受到物理破坏，当过载发生时，低速转子受到的合力矩突然增大，使其旋转速度迅速降低，两个转子角位移差快速增大，当传递扭矩最大值小于负载转矩时，低速转子继续减速，转子角位移差继续扩大。之后不论角位移差如何变化，传递转矩小于负载转矩，负载转矩会使低速转子速度降低至为0。在此过程中高速转子受到的传递力矩逐渐增大，并在正向和负向最大值之间交替出现。以上分析可以看出当过载发生时，低速转子速度逐渐降低为0，高速转子速度变化并开始震荡，高速转子和低速转自之间的角位移差不断扩大，去掉负载后仍能正常工作，体现了自动过载保护的优势；解决了由于定子总成结构4和输入转子总成结构2、输出转子总成结构3之间磁性大从而导致的旋转过程中的不稳定性，基于磁性齿轮传动的空气涡轮起动机，其壳体与导向器总成中安装了输出定子定位套，输出转子定位套内圆柱面设置有周向均匀分布的8个滚柱，输出转子定位套套接在输出转子导磁环外圆柱面，可以有效限制输出转子的径向位移，提高旋转过程的稳定性。同时输出转子总成中输出转子导磁环内表面设计了鸽尾结构，该结构用于固定输出转子永磁体。输出转子总成中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的传递，能防止空气涡轮起动机的反向驱动，进一步提高了稳定性。
[0087]
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1内部相连通；壳体与导向器总成结构1在第一环形腔内设置有定子总成结构4，定子总成结构4与壳体与导向器总成结构1的连接处位于第一环形腔与壳体与导向器总成结构1内部的连通处内。由此，第一环形腔不仅能够用于定子总成结构4的安装，而且通过定子总成结构4与输入转子和输出转子之间的缝隙对内部流动空气进行导流，并且通过将定子总成结构4固定在壳体与导向器总成结构1的连接处设置在第一环形腔与壳体与导向器总成结构1内部的连通处内，能够将影响第一环形腔均匀度的连接处设置在空气导向流动的末端，以保证定子总成结构4与输入转子与输出转子之间缝隙的均匀度，进一步降低对空气在装置内部流动的干扰，使得输入转子和输出转子的转动更加稳定，同时降低能量损耗与机体磨损。
[0088]
可选地，壳体与导向器总成结构1包括装夹部，装夹部周向装配在输出轴305上，且装夹部位于连接部背离输出转子总成结构3的一侧；其中，装夹部与输出轴305的装配处设置两组第一支撑组件。
[0089]
可选地，以连接部为界限，输入转子和输出转子都位于连接部的一侧，在连接部的另一侧周向设置用于导向并夹持输出轴305的装夹部，可对输出转子与输出轴305的连接总结构具有两端的导向转动部位，进一步提高装置内部的高速工作部件的稳定性，降低在高速转动中出现震动或偏心运动，提升传送稳定性，降低损耗。
[0090]
可选地，支撑定子5，远离连接部的一端与壳体与导向器总成结构1相连，且另一端设置在第一环形腔与中空部的连通处内；第二支撑组件，设置至少两个，用于连接支撑定子5和输入转子总成结构2；第三支撑组件，用于连接支撑定子5和输出轴305，且沿输出轴305轴向位于相邻第二支撑组件之间。
[0091]
可选地，每组第一支撑组件和第二支撑组件均包括至少一个角接触轴承206，以及第三支撑组件包括滚针轴承312。
[0092]
可选地，输入转子与轴承定子间通过角接触轴承支撑，以追求到在较高的转速下的稳定性，同时让其能承受较大的载荷；输出转自与定子间采用滚针轴承312，使整个共轴结构的径向结构更为紧凑，降低整体的质量。
[0093]
可选地，输入转子总成结构2沿轴向突于输出转子总成结构3的一端周向设置有动力部，动力部位于连接处背离输出转子总成结构3的一侧。
[0094]
可选地，沿轴向方向上，将动力部设置在输入转子总成结构2突于输出转子总成结构3的一端，并且进一步的将动力部位于连接处背离输出转子总成结构3的一侧，可降低外部气流带动动力部时对最终的输出转子总成结构3的转动影响，进一步降低流动空气对内部转动结构的干扰。
[0095]
可选地，滚针轴承312和第一支撑组件和第二支撑组件的角接触轴承206的滚动体中心与输出轴305轴线的径向距离均不相等。
[0096]
可选地，相对于输出后的轴线位置在径向方向上，设置不同位置的轴承滚动中心，可避免过大的轴向作用力对轴承结构的破坏，同时通过多个不同径向位置的轴承设置，保证了输入转子总成结构、输出转子总成结构和输出轴305同时在转动中的稳定转动。
[0097]
可选地，装夹部、输入转子总成结构2、输出转子总成结构3、定子总成结构4沿和第二支撑组件输出轴305轴线的投影均位于连接部上；以及第三支撑组件和支撑定子5沿输出轴305轴线的投影均位于输出轴305上。
[0098]
可选地，在结构的位置布置时，预先考虑连接部的环形面积，并将在轴向方向上将装夹部、输入转子总成结构2、输出转子总成结构3、定子总成结构4沿和第二支撑组件输出轴305轴线的投影均位于连接部上，并根据各个结构具体使用时的大小尺寸，对连接部的环形面积进行限定和缩小，使得整体的结构更加的紧凑，能够有效降低径向长度，并且输入转子、定子总成结构4、输出转子、支撑结构、以及输出轴305于支撑结构对应的步骤采用层层套接的结构，能够有效降低轴向的多节布设缺陷，能够降低装置整体的轴向尺寸。
[0099]
可选地，磁性齿轮定子总成结构设置在输入转子总成结构和输出转子总成结构之间，该磁性齿轮定子总成结构包括：
[0100]
定子支撑架402，定子支撑架402包括多个等间距周向设置的支撑板和多个安装部，安装部设置于相邻两个支撑板之间；
[0101]
定子铁心组件401，定子铁心组件401包括多个等间距轴向设置的定子铁心；定子铁心插设在安装部内，与组成安装部的相邻两个支撑板过盈配合；
[0102]
支撑板的轴线与定子铁心的轴线水平；相邻两个定子铁心与支撑板之间形成凹槽；
[0103]
定子注塑填料403，填充于凹槽内；
[0104]
定子端板404，用于与定子支撑架402相配合，以将定子铁心组件401固定在相邻两个支撑板之间。
[0105]
本发明提供的磁性齿轮定子总成结构，定子铁心401取消了连接桥结构，采用定子支撑架402进行固定，具备转矩性能更好，相比有连接桥结构可以传递更大的扭矩，提升5％-50％转矩性能。同时在传递效率上，相比较现有的双连接桥、内连接桥和外连接桥可提升3％的效率。且端部漏磁较少。具体来说定子由定子支撑架402、铁心以及定子注塑材料构成，内、输出转子表面均附有永磁体，导磁、非导磁材料块间隔排布形成调磁环。考虑到定子铁心交变磁场频率较高，铁心使用非晶材料进行堆叠而成，在高频状态下损耗相对较低。同时支撑架选用密度较低同时不导磁的7075铝合金，既降低了减速器的质量，同时不对内转转子以及调磁定子共同作用行程的磁场造成影响。通过支撑架结构实现间隔排列，并使用热固性材料进行填充，达到提高结构强度与减重的目的。内、输出转子和定子间分别有一层环状的充满空气的均匀间隙。由于对转矩性能要求低，且由于惯性思维陷入了认为有连接桥才能增加结构强度的误区中，实际无连接桥不止可以在转矩性能上优于其他结构，甚至可以通过变换结构，采用支撑架及热固性材料填充支撑架结构间隔达到提高结构强度且质量较轻的目的，在大幅提升性能的前提下，结构强度和成本仍可达到有连接桥结构的要求。对于本发明空气涡轮起动机中磁性齿轮定子总成4设有定子支撑架402，可在保证定子总成4机械强度的基础上，降低定子铁心沿定子支撑架径向的阻挡，提高定子铁心401的磁场调制性能。并且无连接桥齿轮定子这样的结构，可以带来的更明显的传扭效果，同时转矩性能也是磁性减速器的重要性能参数之一，它能够直观反应出磁性减速器的工作特性、最大工作转矩以及承载能力等指标。
[0106]
可选地，定子端板404上装配有多个螺栓，支撑板沿定子总成4的轴向开设有与螺栓相配合的孔，以及定子支撑架402远离支撑板的一端侧壁开设有固定孔；和/或
[0107]
定子端板404靠近定子支撑架402的一端面开设有定位槽，以及定子铁心401上设置有与定位槽相插接的定位块。
[0108]
可选地，定子支撑架402采用开设固定孔的方式与外部连接，而定子端板404通过螺栓与支撑板装配固定，具体地，孔与固定孔的轴线相互垂直；
[0109]
对于定子端板404上有于定位槽，在对定子铁心401夹持后通过定位槽和定位块插接定位，实现对定子铁心401对的径向定位。
[0110]
可选地，定子支撑架402为周向环体结构，且具有一轴心；多个支撑板沿轴心周向设置；安装部沿定子支撑架402的内部相连通，且安装部沿定子支撑架402的径向贯通设置。
[0111]
可选地，为了与输出转子和输入转子相互支配，将定子支撑架402设置为周向环体结构，使得其具有一个轴心；对安装部采用沿定子支撑架402的径向贯通设置，使得定子铁心401在夹持固定后能够在定子支撑架402的径向方向前后暴露，进一步提高铁芯的利用效率。
[0112]
可选地，支撑板的壁厚沿定子支撑架402的径向由内向外逐渐增大，以使支撑板形成两个倾斜侧壁；轴心同时位于所有支撑板的倾斜侧壁所在的平面内；定子铁心401与支撑
板相配合的侧壁与倾斜侧壁平行，和/或定子铁心401与支撑板相配合的侧壁开设有用于容纳支撑板端部的安装槽。
[0113]
可选地，凹槽包括沿定子支撑架402径向排列的第一凹槽和第二凹槽；定子总成4和输出转子之间形成有与第一凹槽相连通的外气隙；定子总成4和输入转子之间形成有与第二凹槽相连通的内气隙。
[0114]
可选地，通过对凹槽沿定子支撑架402径向分成第一凹槽和第二凹槽，且分别填充定子注塑填料403，能够在安装定子铁芯组件后对定子支撑架402内外壁进行壁面的光滑度优化。
[0115]
可选地，外气隙和内气隙与轴心同轴设置；外气隙和内气隙沿定子支撑架402的径向的厚度均相等，且内气隙的厚度采用下述公式计算：
[0116]hin
＝k*maxu
total
+z；
[0117]
其中，h
in
为内气隙的厚度、k为安全裕度系数、maxu
total
为输入转子在工作过程中内气隙的厚度的改变量、z为输入转子的热膨胀量；
[0118]
对该定子总成4的内气隙的厚度，maxu
total
＜0.22mm、z＝0.15mm、k＝1.5，需满足下述公式：
[0119]hin
＞0.22*1.5+0.15，在考虑制造成本的状况下，对h
in
＝0.5mm。
[0120]
可选地，首先在结构设计时，由于调磁定子设计之初一定伴随着铁心损耗，因此在设计时为降低其损耗系数，从而减小其铁心损耗，从而在选材和尺寸设计上降低了损耗系数；其次磁性齿轮减速器内外气隙厚度气的大小影响着系统的磁场分布，气隙的变化会直接影响整个磁性减速器的性能。因此在通过对于如下三种情况的分析(1)只改变内气隙下的损耗变化(2)只改变外气隙下的损耗变化(3)内外气隙一起改变下的损耗变化。确定磁性损耗与气隙厚度的关系，从而在abaqus软件中添加载荷，振动等变量，算出最优气隙厚度为0.5mm；此外在考虑端部漏磁对转矩性能的影响时，通过建立了4种不同结构磁性减速器的三维有限元分析模型，和不同结构磁性减速器在考虑端部漏磁效应时输出转子的静态转矩变化图。从而发现无连接桥结构会减少内输出转子间的磁阻，会有更多的磁力线到达输出转子永磁体，从而使得空气域中的磁力线减少，减轻了端部漏磁效应。
[0121]
进一步地，对u
total
为输入转子在工作过程中内气隙的厚度的改变量，采用下述公式计算：
[0122]
max
total
＝1+2+3；
[0123]
其中，u1为离心载荷和转矩载荷引起的位移变化量、u2为振动引起的位移变化量、u3为减速器的工艺公差；
[0124]
具体地，u1基于有限元平台，在施加最大载荷45000rpm后，观察到由离心力引起的的最大位移为0.0803mm。u2基于有限元平台，对输入转子进行谐响应分析，由于减速器输入转子转速不高于45000rpm，最高频率小于750hz，所以输入转子在实际工作中不会有共振现象的发生。而在750hz频率下输入转子振动位移的最大值小于0.0005mm。调磁环定子公差定为0.046mm，输入转子永磁体护套的公差定为0.074mm，所以两者总的公差u3大小将不会超过0.12mm。
[0125]
可选地，在同一定子总成结构上，导磁材料所占定子总成结构的周向角度为θ
sp
，非导磁材料所占定子总成结构的周向角度为τ
sp，
该定子总成结构的开槽率为α，则满足下述公
式：
[0126][0127]
其中，α的取值为[0，1]，开槽率α为安装部沿定子总成结构周向的开设率；
[0128]
可以理解的是，定子铁心为导磁材料，支撑板和填充材料为非导磁材料；
[0129]
在相同的定子铁心组的磁场强度下，计算不同开槽率下的定子总成结构对输入转子和输出转子的输出转矩，并获取最大的输出转矩对应的开槽率，即为α＝0.45。
[0130]
可选地，通过一定齿轮定子结构优化，使其工作状态更好。研究不同调磁环开槽率下的输出转矩，从而选择了最佳的调磁环开槽率0.45，将输出扭矩提升了4nm。通过表面响应法和遗传算法对调磁定子的结构参数进行优化。在不降低同轴磁性齿轮峰值转矩的基础上，寻找到了最优的参数组合，有效提高了调磁定子结构的稳定性。
[0131]
可选地，定子支撑架402采用7075铝合金制成，定子铁心401的导磁部采用非晶叠片相互叠加组成，定子注塑填料403为热固性塑料。
[0132]
可选地，磁性齿轮定子总成4中包括定子铁心4011、定子支撑架402、定子注塑填料403和定子端板404。其中，定子铁心401材料为非晶软磁，定子支撑架402材料为7075铝合金，定子铁心401通过过盈连接安装在定子支撑架402的隔断中间，实现周向的均匀分布。定子注塑填料403采用热固性塑料，填充于定子支撑架402的内外空隙间，使定子总成4成为圆柱体。定子端板404通过螺栓与定子支撑架402连接。
[0133]
可选地，该磁性齿轮输出转子总成结构包括：
[0134]
第一轴体，用于与外部从动端相连并输出输出转子总成结构产生的动力；
[0135]
第二轴体，第一轴体内沿轴向贯穿设有用于套设第二轴体的中通孔，且第一轴体和第二轴体之间采用单向传动设置；
[0136]
磁性部，用于与第二轴体相连并输送扭转力，磁性部包括多个输出转子永磁体合件301和用于将输出转子永磁体合件301与第二轴体相连的输出转子导磁环302；
[0137]
输出转子导磁环302内壁沿周向设置多个用于安装转子永磁体合件的凹槽，凹槽的槽宽沿底部至开口的方向逐渐缩减；
[0138]
输出转子永磁体合件301在每个凹槽内沿第二轴体的轴向插接多个，且输出转子永磁体合件301由至少两个永磁体沿第二轴体的周向拼接组成。
[0139]
本发明提供的磁性齿轮输出转子总成结构，在输出转子导磁环302内壁设计了多个鸽尾结构的凹槽，并采用环氧树脂对输出转子永磁体合件301进行贴合固定，可对输出转子永磁体合件301进行有效固定；
[0140]
对第一轴体和第二轴体通过单向传动的设置进行动力传递，可在防止第二轴体被反向转动的第一轴体驱动的同时简化结构；
[0141]
进一步地，将径向充磁的永磁体各单磁极均匀分为多块，并安装固定。即在上述永磁体合件的基础上将每个单个永磁体均匀分成多块，仍保持其安装位置进行安装固定，分块后永磁体组成一块整体式磁极进行安装；由此降低了永磁体的涡流损耗，改进后的空气涡轮起动机磁性齿轮减速器中输出转子总成的永磁体合件进行周向分块，可有效降低永磁体的铁耗。
[0142]
在一些实施例中，第二轴体外壁沿周向向外形成有延伸边，以及输出转子导磁环
302内壁开设有与延伸边的边部相对接的环形槽，且环形槽与凹槽相通；
[0143]
其中，延伸边的侧壁边缘沿周向形成有定位板，相邻凹槽之间形成有与定位板相抵接的肋板。
[0144]
在该实施例中，在第二轴体与输出转子导磁环302进行安装时，对第二轴体的外壁向外延伸伸展形成延伸边，可增大第二轴体的周向安装尺寸，有利于安装连接更大直径的输出转子导磁环302，输出转子导磁环302用于安装输出转子永磁体合件301的表面更大，以便安装更多数量的输出转子永磁体合件301，且易于与外部定子相配合；通过对延伸边周向形成定位板，可对环形槽进行抵接，以对述输出转子导磁环302进行定位，且将定位板在抵接后与肋板想抵接，可使得凹槽内放置的输出转子永磁体合件301进行单边的限位，有助于输出转子永磁体合件301的稳定安装。
[0145]
具体地，输出转子导磁环302的端面开设有与环形槽相通的缺口，延伸边边缘设置有能够与缺口相插接的插块，以使输出转子导磁环302和带有延伸边的第二轴体咬合固定，并在插块与缺口在输出转子导磁环302的轴线方向通过打孔螺接螺栓固定，以形成在轴向和径向的固定装配。
[0146]
在一些实施例中，第二轴体和第一轴体通过传动机构相连，传动机构用于使第一轴体跟随以预设方向转动的第二轴体转动或第二轴体不会跟随以相反方向转动的第一轴体转动。
[0147]
在该实施例中，第二轴体和第一轴体通过传动机构相连并实现单向的传动，以实现传动机构用于使第一轴体跟随以预设方向转动的第二轴体转动或第二轴体不会跟随以相反方向转动的第一轴体转动，避免第二轴体被外部反转的扭转力带动转动。
[0148]
具体地，传动机构为输出端离合器。
[0149]
具体地，第一轴体为输出端从动轴306、第二轴体为输出主轴303，输出轴合件包括输出主轴303、输出端从动轴306、输出端花键轴305、输出端离合器；输出端从动轴306和输出端花键轴305焊接形成从动轴焊合件；从动轴焊合件与输出主轴303之间通过输出端离合器进行连接；输出端离合器为超越离合器304，超越离合器304为单向离合器，从而能防止空气涡轮起动机被反向驱动。
[0150]
在一些实施例中，第一轴体靠近磁性部的端部沿径向向外扩展以形成与中通孔相通的第一扩展边，以及延伸边靠近第二轴体的边部沿第二轴体轴向向磁性部扩展以形成第二扩展边；
[0151]
第一扩展边、第二扩展边和第二轴体的外壁共同围成带有开口的环形容纳腔；
[0152]
其中，传动机构安装在环形容纳腔靠近第二轴体的一端。
[0153]
在该实施例中，通过对第一轴体靠近磁性部的端部向外扩展形成l行的第一扩展边，以对第一轴体在中通孔内形成周向的环形内台体，通过延伸边靠近第二轴体的边部向磁性部方向扩展，使得延伸边沿第一轴体轴向的剖切后单边为z形结构，且靠近第二轴体的边部形成有环形的下凹台体，且下凹台体和环形内台体相对设置，使得与第二轴体的外壁相配合形成具有开口的环形容纳腔；
[0154]
将传动机构设置在环形容纳腔靠近第二轴体的一端，能够对传动机构在径向方向直接布置在第二轴体和第一轴体之间。
[0155]
在一些实施例中，环形容纳腔内设置有用于连接第二轴体和外部壳体的角接触球
轴承b309，以及第一轴体外壁通过角接触球轴承a308与外部壳体相连，且角接触球轴承a308的端面与第一扩展边相连；和/或
[0156]
第二轴体一端的外壁通过滚针轴承a311与中通孔相连，第二轴体的另一端通过滚针轴承b312与外部壳体相连，且传动机构位于滚针轴承a311和滚针轴承b312之间。
[0157]
进一步地，两个角接触球轴承a308和两个角接触球轴承b309之间分别设置轴承隔圈307，保持两轴承间的轴向距离；
[0158]
进一步地，角接触球轴承a308靠近输出端花键轴一端设置轴用双层螺旋弹性挡圈310，用于角接触球轴承a308的轴向定位；
[0159]
进一步地，位于第一轴体和第二轴体之间的滚针轴承a311设置有孔用双层螺旋弹性挡圈313，用于滚针轴承a311的轴向定位。
[0160]
在一些实施例中，永磁体的高度和长度与其所组成的输出转子永磁体合件301的高度和长度相同，且永磁体的宽度小于与其所组成的输出转子永磁体合件301的宽度。
[0161]
在该实施例中，在将多个永磁体组成输出转子永磁体合件301时，通过横向的周向对接排列组合，使得转子永磁体合件至在宽度方向递增，在长度和高度方向的大小不变，以便在凹槽内进行安装，以及在同一凹槽内多个输出转子永磁体合件301的连续对接安装。
[0162]
在该实施例中，内转子上磁极对数为4，外转子上磁极对数为29，调磁定子块数为33，铁芯尺寸、永磁体尺寸等参数一定时，具体数据见表1。
[0163]
表1外转子永磁体铁耗变化情况，考虑永磁体周向分块
[0164][0165]
表1表明：其他条件不变时，在不同工作环境下，对输出转子永磁体进行周向分块可以有效降低永磁体铁耗。
[0166]
在一些实施例中，输出转子导磁环302的内径大于第二轴体与第一轴体套设的连接处与第二轴体轴线的径向距离。
[0167]
在该实施例中，通过将输出转子导磁环302的内径大于第二轴体与第一轴体套设的连接处与第二轴体轴线的径向距离，使得位于中间的第一轴体和第二轴体的转动更加稳定，同时增大力臂有利于第一轴体和第二轴体的带动。
[0168]
可选地，磁性齿轮输入转子总成结构包括：
[0169]
转子轴，转子轴内沿轴向贯穿设有供外部轴体穿过的空心部；导转组件，设置在空心部内壁，用于在外部轴体与转子轴产生周向的相对转动时限制外部轴体与转子轴之间的轴向移动；磁性部，周向设置在转子轴外侧壁，用于与外部定子产生磁力，以带动转子轴周
向转动；输入转子护套204，罩设在磁性部外部，输入转子护套204外壁任意一点沿转子轴的径向与转子轴的轴线的距离为固定值；其中，外部定子与输入转子护套204在相对面上沿转子轴径向的每对对应点之间的距离相等。
[0170]
本发明提供的磁性齿轮输入转子总成结构，通过设有输入转子护套204，可对磁性部进行固定，有效防止其在高速旋转过程中脱落；
[0171]
在各个表面间的距离设置时，将输入转子护套204外壁任意一点沿转子轴的径向与转子轴的轴线的距离为固定值，以及将外部定子与输入转子护套204在相对面上沿转子轴径向的每对对应点之间的距离相等，使得输入转子护套204可保证输入转子与外部调磁定子间的气隙具有较好的均匀度，并进一步使得航空发动机空气涡轮201起动机具有较好的可靠性、稳定性及工作性能。
[0172]
具体地，空气涡轮201一体成型在转子轴上。
[0173]
在一些实施例中，转子轴外壁同轴开设有环形槽，且沿转子轴的轴向开设至少一个，环形槽的两个端部沿转子轴的轴向外形成有突于环形槽底部的环形肋板，以及磁性部包括有与环形肋板相抵接的输入转子导磁环202；其中，输入转子导磁环202、环形肋板和环形槽之间围成有应变腔。
[0174]
在该实施例中，通过在环形槽上径向向外形成环形肋板，并对输入转子导磁环202进行抵接，以实现对磁性部整体的支撑，通过形成应变腔，能够在转子轴在高速旋转中收到作用力产生径向变形或径向受热膨胀时，进行体积的容纳，以避免直接作用在输入转子导磁环202，并进一步通过输入转子永磁体合件作用在输入转子护套204，造成工作中的表面不平整。
[0175]
在一些实施例中，导转组件包括有在空心部端部设置的多个高速角接触球轴承206，相邻的高速角接触球轴承206的内端面通过轴承挡圈207相连，以形成对空心部内壁中部的覆盖；其中，多个高速角接触球轴承206分别与输入转子护套204和转子轴上的空气涡轮201沿转子轴径向相对应。
[0176]
在该实施例中，通过设置的多个高速角接触球轴承206能够对转子轴和外部输出转子的轴体进行装配，并对二者在相对转动下进行相连，将多个高速角接触球轴承206分别与输入转子护套204和转子轴上的空气涡轮201相对应，可使得空气涡轮201和与输入转子护套204相对应的产生扭转力的磁性部对应的转子轴对应位置进行导向支撑，保证了转子轴在转动中的稳定，进一步增强输入转子护套204与外部定子之间在相对转动中的间隙均匀。
[0177]
进一步地，空心部的内壁和高速角接触球轴承206的外端面共同安装输入转子阻尼器209，对高速角接触球轴承206振动加以抑制，并减小其产生碰磨；转子轴的内壁装配有用于对高速角接触球轴承206限位的锁紧环208。
[0178]
在一些实施例中，磁性部还包括有输入转子永磁体合件203，输入转子永磁体合件203设置在输入转子护套204和输入转子导磁环202之间；输入转子永磁体合件203包括有多对沿输入转子导磁环202合件周向设置的永磁体；其中，沿输入转子导磁环202的周向和轴向，相邻的永磁体的磁极不同。
[0179]
在该实施例中，通过将输入转子永磁体设置在输入转子护套204和输入转子导磁环202之间，借助输入转子护套204和输入转子导磁环202完整的内壁对永磁体进行夹持限
位，进一步保证了转子永磁体在转动中的稳定，以使在长期使用中结构稳定。
[0180]
在一些实施例中，当高速角接触球轴承206与输入转子护套204沿转子轴的径向相对应时，高速角接触球轴承206与应变腔相对应；和/或同一对永磁体之间的对接缝隙与环形肋板沿转子轴的轴向相错设置；和/或转子轴上设置有与输入转子导磁环202的端面相连的承接部。
[0181]
在该实施例中，对于安装在与输入转子护套204沿转子轴的径向相对应的高速角接触球轴承206，通过将高速角接触球轴承206进一步沿转子轴径向与应变腔相对应，可使得转子轴受到高速角接触球轴承206的偏心力后，通过应变腔进行震动和外突吸收，且通过环形肋板远离变形，保证了在高速工作中的间隙均匀，进一步抑制同轴磁性齿轮的峰值转矩会有明显下降、脉动转矩幅值、起动响应时间和铁耗则会有一定程度的增加的问题；
[0182]
在设置了两个以上的环形槽时，通过将两个对接的永磁体的对接缝隙与环形肋板沿转子轴的轴向相错设置，使得相邻环形槽上的环形肋板的对接缝隙与永磁体的对接缝隙相错，保证了在转子轴受到冲击时，定子与输入转子护套204的间隙保持稳定不变化；
[0183]
通过设置承接部能够对输入转子导磁环202进行限位固定，避免了在高速转动中产生的震动对输入转子导磁环202的位置产生影响，使得永磁体与定子的径向相对位置稳定。
[0184]
具体地，应变腔为环体，且沿环体的径向向外逐渐收窄，使得应变腔与输入转子导磁环202相对面小于应变腔远离输入转子导磁环202的一端面，以降低对输入转子导磁环202的施力。
[0185]
在一些实施例中，输入转子导磁环202外壁的一端装配有输入转子挡板205，输入转子挡板205用于沿输入转子导磁环202的轴向支撑永磁体；其中，永磁体设置在输入转子导磁环202、输入转子挡板205和输入转子护套204围成的容纳腔内。
[0186]
在该实施例中，通过设置输入转子挡板205可对永磁体进行一端的轴向支撑，使得永磁体的位置在轴向方向具有限位，以避免在工作中由震动产生的移动，并进一步采用输入转子导磁环202、输入转子挡板205和输入转子护套204围成的容纳腔对永磁体安装固定，在对于多对永磁体时，便于保证彼此之间的距离均等。
[0187]
在一些实施例中，永磁体与输入转子导磁环之间采用环氧树脂胶贴合固定；和/或输入转子护套通过间隙填料固定并罩设在永磁体外部。
[0188]
在该实施例中，保证高速转动时结构的强度；碳纤维材料不会影响气隙磁场的分布；保证气隙的均匀，减小气隙不均匀对同轴磁性齿轮工作性能的负面影响，具体为峰值转矩下降，脉动转矩幅值、起动响应时间和铁耗增加。
[0189]
在该实施例中，碳纤维护套质量轻、抗拉强度高，工作时不会产生涡流损耗。耐温好、导热快、不导磁，高速旋转时动平衡强；永磁材料抗压强度较大而抗拉强度很小，具体为≤80mpa，在高速转子离心力成为主要载荷的情况下，考虑到永磁体难以承受巨大的离心力，必须对永磁体采取保护措施，且材料具有一定可加工性，光滑表面质量保证气隙均匀。
[0190]
在一些实施例中，永磁体的对数满足以下关系式：p
in
+p
out
＝ns；其中，ns为输入转子永磁体合件的调磁环铁芯块数，即为永磁体的个数、p
in
为永磁体的对数、p
out
为外部轴体所在输出转子的永磁体的对数。
[0191]
在该实施例中，可通过更改磁极对数改变输入和输出转子的转速比，以达到所需
要的技术指标。
[0192]
在一些实施例中，周向相邻永磁体的充磁角度设置预设角度；其中，预设角度为60
°
，并采用halbach阵列方式排布对单个永磁体进行充磁。
[0193]
在该实施例中，有效改善磁性齿轮的气隙磁场，降低了脉动转矩；永磁体halbach阵列能在提高基础转矩性能、减少初始起动响应时间的同时削弱非均匀气隙的负面作用。
[0194]
可选地，壳体与导向器总成结构包括：
[0195]
壳体，开设有进气口和多个出气口，壳体远离进气口的一端内壁与外转子结构转动连接；
[0196]
输出转子定位套108，安装在壳体内部，输出转子定位套108套接在外转子结构的外壁上；
[0197]
轴承定子103，同轴设置在壳体内部，壳体的进气口与轴承定子103通过涡轮导向器101相连，涡轮导向器101用于转动连接涡轮；
[0198]
其中，壳体远离进气口的一端和轴承定子103的内壁分别设置有用于连接外转子结构的支撑部，壳体与轴承定子103之间形成有供气体流动的环形腔，且由内向外套接的内转子结构、定子结构和外转子结构将环形腔分割成多个导流腔。
[0199]
本发明提供的空气涡轮起动机壳体与导向器总成结构，具备限制转子径向位移和提高起动机工作性能的空气涡轮起动机壳体和导向器总成，能够在高转速、高温、高压等工况下安全稳定运行。能够达到的增益效果:由于有出气口的存在，气动和能量交换过程中，可以有效降低膨胀气体的温度，从而改善工作条件，提高叶轮工作寿命和可靠性。由于输出转子定位套108的存在，限制了输出转子的径向位移，因此避免了碰磨和共振现象的发生。壳体也起到了保护内部零件，防止外物打伤的作用，同时可以构建气流通道，提高传动性能。
[0200]
开有出气口，可有效控制永磁体在工作过程中的温升。在空气涡轮起动机中，压缩空气作为能量来源，推动涡轮工作叶片进行功率与转矩的输出，同时经过膨胀降温后可以作为冷却介质达到对起动机腔内零部件完成冷却的目的，保证各零部件在合适的温度条件下进行工作；空气流动过程中，压缩空气从进口进入，依次经过涡轮静叶栅、动叶栅，带动涡轮工作叶片进行旋转。此时压缩空气经过膨胀、降温，一部分空气从定子外罩的前端出口流入外界，剩余一部分空气通过内外气隙以及外转子外侧流道，对磁性减速器部分进行冷却，并通过空气涡轮起动机后端空气出口流出。
[0201]
具体地，轴承定子103靠近进气口的一端插设有导流锥102；
[0202]
具体地，外转子结构贯穿壳体远离进气口的一端通过设置轴端密封圈107与壳体相连；
[0203]
在一些实施例中，输出转子定位套内圆柱面设置有周向均匀分布的8个滚柱，输出转子定位套套接在输出转子导磁环外圆柱面，可有效限制输出转子的径向位移。
[0204]
在该实施例中，起动机在工作时，转子的转速会不断增大至临界转速，具体为45000rpm，转子转速越过临界转速这一阶段时，振动最剧烈，这一时间转子径向位移最大。在转子有发生较大径向位移时，定位套通过套接在输出转子导磁环外的圆柱面可以有效限制径向位移，防止转子发生碰磨或避免有害碰磨。航空发动机中，碰磨一般分为无害的碰磨和有害的碰磨。无害的碰磨主要包含以下两个特点：碰磨引起的叶片振动不大；碰磨引起的
叶片振动可以随着时间的流逝逐步消失。而一些会引起叶片持续、剧烈振动的碰磨，就有可能诱发叶片断裂报废、转轴弯曲和整机剧烈振动等更严重的问题。因此，定位套可有效控制碰磨，甚至将有害的碰磨，通过控制其剧烈震动，使之转化为无害的碰磨。
[0205]
定位套也可在一定程度避免共振。从临界转速和模态识别综合判断结构设计，分别对内、外转子建立模态计算模型，将各个轴承与转子接触的部分表面单元设置为刚体，并将计算出的轴承刚度以弹簧的形式添加在相应参考点上。对模态计算结果进行了解读，内外转子前八阶振型特点相似：第三阶及第三阶以上模态的固有频率都是远大于转子工作转速对应的频率，所以发生共振的可能性很小。
[0206]
在一些实施例中，壳体包括端罩、第一定子外罩104和第二定子外罩105；
[0207]
导流腔位于第一定子外罩104和第二定子外罩105内，出气口分别周向设置在第一定子外罩104和第二定子外罩105，且出气口均位于导流腔的端部；
[0208]
其中，端罩包括前端罩和设置有尾气口的后端罩106。
[0209]
进一步地，第一定子外罩与导向器间的连接固定方式为螺纹固接加铆接。
[0210]
在该实施例中，对壳体采用分段式的装配结构，能够方便安装和设计，将多层分割设置的导流腔甚至在第一定子外罩和第二定子外罩内，然后将出气口分别设置在第一定子外罩和第二定子外罩上并与导流腔的端部对应，使得多层的导流腔内部气体流动时，能够更加稳定，避免向外的气体流动造成导流腔内的气流紊乱，进一步保证分割导流腔的定子、内转子和外转子的径向稳定。
[0211]
在一些实施例中，导流腔包括：内气隙腔，位于定子结构和内转子结构之间；
[0212]
外气隙腔，位于定子结构和外转子结构之间，且与内气隙腔的厚度相等；
[0213]
外流道腔，位于外转子结构和壳体之间，外流道腔的厚度大于内气隙腔，且外流道腔的两个端部分别周向对应且连通出气口。
[0214]
在该实施例中，多层结构的导流腔具体分为内气隙腔、外气隙腔和外流道腔，由于在面对同一定子的前提下分别面对内转子和外转子，而二者又都是在工作中处于转动状态的，因此需要保持外气隙腔和内气隙腔沿定子径向方向的厚度相同，在同时面对同一内部空气流动的状况时，保持内转子和外转子的同时转动稳定；
[0215]
将外流道腔的厚度大于内气隙腔和外气隙腔设置，能够承担第一定子外罩和第二定子外罩内的环形腔的更多空间，以便将流动的部分空气从第一定子外罩和第二定子外罩上的出气孔排出。
[0216]
在一些实施例中，定子结构靠近进气口的一端沿轴向突于内转子结构和外转子结构；和/或
[0217]
前端罩与涡轮之间形成有与进气口相通的进气腔，进气腔沿轴承定子103的轴向对应进气腔和外转子结构。
[0218]
在该实施例中，将定子结构靠近进气口的一端突于内转子结构和外转子结构设置，可对将要流进内气隙腔和外气隙腔的空气预先的导流，能够内气隙腔和外气隙腔靠近进气口的端部的乱流，进一步保证内气隙腔和外气隙腔内部流动空气的稳定；
[0219]
由前端罩与涡轮围成的与进气口相通的进气腔，是将进气口流入壳体内部的最初导入流道，且在此流道内空气会被加压，以便形成推力最终带动涡轮转动，因此将进气腔沿环形腔的轴向对应进气腔和外转子结构设置，能够避免高压流动的空气直接的接触到作为
内部动力传递的内转子，保证后续的力传递的稳定。
[0220]
在一些实施例中，外转子结构靠近尾气口的一端设置有轴向罩设于外转子结构、定子结构、内转子结构和轴承定子103的端盖；
[0221]
端盖内设置有分别与外气隙腔和外流道腔相通的集流腔。
[0222]
在该实施例中，由于外转子需要将动力最终传递给同轴的输出轴，因此设置端盖，用于贯穿连接输出轴，保证动力的输出，另一方面，在内气隙腔和外气隙腔内部的空气向尾气口聚集时，进行先行汇集，避免多腔体内部流动空气集中汇集造成内部乱流，对装置的转动工作的部件造成影响。
[0223]
在一些实施例中，端盖轴向开设有用于连通集流和尾气口的连通孔，连通孔沿环形腔轴向位于尾气口和外流道腔之间。
[0224]
在该实施例中，通过设置连通孔对内气隙腔和外气隙腔汇集后的流动空气进行导通，由于外转子在工作时处于转动状态，因此开设连通孔的端盖也处于转动状态，进一步地，连通孔沿端盖的周向等间距开设多个，在多个连通孔的转动下使得在同一周向位置会出现间断的导通现象，避免由端盖导出的气流呈现完整的气流，有助于在流出尾气口之间的汇聚更加平稳，避免多个腔体和孔体之间的不对应导通造成气体紊乱，并保证高速转动的内转子和外转子转动稳定。
[0225]
在一些实施例中，输出转子定位套108沿轴承定子103的径向与位于第一定子外罩104上的出气口相对应。
[0226]
在该实施例中，由于由进气腔导入壳体内部的高压空气会进行多方向的分流，分别由第一定子外罩上的出气口、内气隙腔、外气隙腔和外流道腔进行分流，且进气腔对应外转子，容易导致外转子的转动不稳定，因此将输出转子定位套与出气口对应设置，一方面能够在高压空气分流时确保外转子的转动稳定，另一方面能够对有出气口向外导流时对外转子产生的偏心力进行抑制，保证外转子的转动稳定。
[0227]
本发明另一方面，还提供了一种面向磁性齿轮损耗特性的分析方法，用于分析所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：
[0228]
s1、获取磁性齿轮磁场的分布情况，对磁密幅值(即磁感应强度)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；
[0229]
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；
[0230]
可选地，利用涡流损耗模型分析内转子永磁体(即输出转子永磁体301)和外转子永磁体(即输入转子永磁体203)的涡流损耗分布情况；利用铁耗分离模型分析内转子导磁环、外转子导磁环及调磁环定子的铁心损耗分布情况；由内转子导磁环、外转子导磁环、内转子永磁体、外转子永磁体和调磁环定子的涡流损耗和铁心损耗的能量损耗之和获得磁性齿轮总体能量损耗。
[0231]
其中，铁耗分离模型的表达式为：
[0232][0233]
式中，p
fe
为铁心损耗，ph为磁滞损耗，pe为涡流损耗，ke和kh分别为铁心损耗系数，n为磁场谐波次数，f为磁场的交变频率，ρ为铁心密度，v为铁心体积，b
nr
和b
nt
分别为第n次磁场谐波的径向和切向分量。
[0234]
内转子永磁体和外转子永磁体具有极高的电导率，而磁性齿轮会产生很多交变的磁场谐波，减速器工作时这些谐波切割永磁体而产生较强感应涡流，从而形成涡流损耗，涡流损耗模型的表达式为：
[0235][0236]
式中，pv为涡流损耗，b为永磁体宽度，h为永磁体高度，ρr为永磁体电阻率，v
pm
为永磁体的体积，fn为第n次磁场谐波的交变频率，bn为第n次磁场谐波的交变磁场的磁感应强度。
[0237]
磁性齿轮总能量损耗的表达式为：
[0238]
p
loss
＝p
fe
+pv。
[0239]
本发明另一方面，还提供了一种磁性齿轮的定子铁心变形量的分析方法，用于分析所述基于磁性减速的空气涡轮起动机的磁性齿轮的定子铁心变形量，具体步骤为：
[0240]
s1：分析磁性齿轮磁场的分布情况，通过电磁力分析，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；
[0241]
可以理解的是，定子铁心组件包括多个定子铁心，获得每个定子铁心的电磁拉力分布。
[0242]
s2：将磁性齿轮定子总成结构中的定子铁心组件建模为悬臂梁模型，将其电磁拉力分布作为外载荷，借助悬臂梁模型，对定子铁心组件的结构变形进行分析；
[0243]
定子铁心电磁拉力的表达式为：
[0244][0245][0246]
其中，fr和f
t
分别为定子铁心受到的径向和切向电磁拉力，l为同轴磁性齿轮轴向长度，br和b
t
为定子铁心的径向和切向磁通密度，μ0为空气磁导率，r为定子铁心子半径。
[0247]
本发明另一方面，还提供了一种面向磁性齿轮的起动响应特性分析方法，用于分析所述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：
[0248]
s1：设定输入转子总成结构的主动转子(即：输入转子)的稳定转速、测试时长及步长值；基于主动转子的稳定转速、测试时长及步长值获得主动转子的速度时间曲线；将主动转子的速度时间曲线作为磁性齿轮的驱动条件；
[0249]
示例性地，输入转子总成结构的角加速度为640rpm/s；
[0250]
s2：获取磁性齿轮输入角加速度的最大临界值表达式为：
[0251][0252]
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。
[0253]
s3：主动转子以步骤2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1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、带载的起动响应特性。
[0254]
本发明另一方面，还提供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，用于分析所述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：
[0255]
s1：将空气涡轮起动机涡轮的动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，施加于涡轮动叶片的压力面，持续激励预设时间；
[0256]
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。
[0257]
所述步骤s2中瞬态动力学的表达式为：
[0258][0259]
其中，f(t)为外载荷机理；u为节点位移向量；为节点速度向量；为节点加速度向量；[c]为阻尼矩阵，[m]为质量矩阵；[k]为刚度矩阵。
[0260]
本发明另一方面，还提供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，用于分析所述基于磁性减速的空气涡轮起动机的温度分布，具体步骤为：
[0261]
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；
[0262]
体积热源的表达式为：
[0263][0264]
其中，qv为体积热源，p
loss
为磁性齿轮传动过程中各部件的铁耗，v
loss
为产生铁耗的磁性齿轮部件的体积。
[0265]
等效导热系数的表达式为：
[0266][0267]
其中，λ
eff
为等效导热系数，rr为与气隙接触的转子表面半径，rs为与气隙接触的定子表面半径，re为气隙雷诺数。
[0268]
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。
[0269]
本发明另一方面，还提供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：
[0270]
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k；
[0271]
可选地，待优化参数为定子铁心的外周向角、内周向角和径向高度；k＝3。
[0272]
s2：获取位于优化设计变量空间表面区域的n
sample
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；
[0273]
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；
[0274]
s4：构造定子铁心的最大结构变形量的目标函数；
[0275]
定子铁心的最大结构变形量d的目标函数的表达式为：
[0276]
y(d)＝f(x1,x2,...,xk)； (1)
[0277]
其中，xk为定子铁心样本的第k个待优化形状参数，k＝1,2,
…
,k；
[0278]
取最大结构变形量的倒数l的目标函数作为定子铁心的最大结构变形量d的目标函数，表达式为：
[0279]
y(l)＝f(x1,x2,...,xk)； (2)
[0280]
s5：构造约束条件；
[0281]
s6：基于步骤s3获取的n
sample
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；
[0282]
利用二阶函数对最大结构变形量的倒数l的目标函数进行拟合，二阶函数的表达式为：
[0283][0284]
其中，β0为二阶多元函数的截距；βi为定子铁心的第i个待优化形状参数的系数；β
ij
为定子铁心的第i个和第j个待优化参数的乘积的系数；xi为定子铁心的第i个待优化形状参数，xj为定子铁心的第j个待优化形状参数，i，j＝1,2,
…
,k；ε为随机误差；
[0285]
通过最小二乘法对回归系数矩阵β进行估计，表达式为：
[0286][0287]
其中，β为二阶多元函数的截距β0、定子铁心的第i个待优化形状参数的系数βi和的定子铁心的第i个和第j个待优化参数的乘积的系数β
ij
构成回归系数矩阵；为经过最小二乘法计算后的回归系数矩阵β；x为待优化形状参数向量；获得最大结构变形量的倒数向量与待优化形状参数向量x之间的拟合关系，表达式为：
[0288][0289]
将每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代入式(3)～式(5)，拟合获得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y(l)＝f(x)；
[0290]
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；
[0291]
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。
[0292]
本发明另一方面，还提供了一种基于halbach阵列的永磁体排布优化方法，用于优化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中单个永磁体的排布，
以提高磁性齿轮的峰值转矩和传动效率，具体步骤为：将输入转子永磁体合件沿输入转子导磁环202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202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。
[0293]
优选地，n＝4，m＝6；此时，每一组完整磁极的单个永磁体组件的6块单个永磁体的充磁角度按逆时针方向分别为0
°
、300
°
、240
°
、180
°
、120
°
、60
°
。
[0294]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于磁性减速的空气涡轮起动机，其特征在于，包括壳体与导向器总成结构和磁性齿轮；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；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；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；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；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；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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的空气涡轮起动机，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的空气涡轮起动机，其特征在于，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。4.一种面向磁性齿轮损耗特性的分析方法，用于分析权利要求1-3任一项所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：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；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。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：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；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。6.一种面向磁性齿轮的起动响应特性分析方法，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磁性齿轮的起动响应特性，具体步骤为：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；s2：获取磁性齿轮输入角加速度的最大临界值表达式为：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；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。7.一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受高压气体冲击后的冲击振动，具体步骤为：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；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。8.一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温度分布，具体步骤为：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；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。9.一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形状参数，具体步骤为：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；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；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；s4：构造定子铁心的最大结构变形量的目标函数；s5：构造约束条件；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；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；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。10.一种基于halbach阵列的永磁体排布优化方法，用于优化权利要求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。

技术总结
本发明涉及一种基于磁性减速的空气涡轮起动机，属于航空空气涡轮起动机技术领域，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。本发明将同轴磁性齿轮作为空气涡轮起动机的减速传动机构，实现大速比非接触式的变速传动，具有低振动噪声，高功重比，无摩擦无需润滑的特点。针对本发明的空气涡轮起动机，还提出了面向磁性齿轮损耗特性的分析方法、定子铁心变形量的分析方法、起动响应特性分析方法、基于瞬态动力学的冲击振动分析方法、基于流体力学和传热学的温度分布分析方法、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及基于halbach阵列的永磁体排布优化方法，最终获得了同轴磁性齿轮结构的综合优化设计方法。轮结构的综合优化设计方法。轮结构的综合优化设计方法。


技术研发人员：周煜 杜发荣 宋越 赵帅 李雪宇
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/7/4