电动飞行器推进系统的制作方法

1.本公开总体涉及飞行器的推进系统，更具体地说，涉及用于飞行器的直接驱动电动管道式风扇推进系统。


背景技术：

2.飞行器的传统推进系统包括马达，该马达借助旋转轴传递扭矩，以驱动推进风扇来驱策飞行器。旋转轴通常被容纳在马达内部或直接与马达联接。
3.在管道式风扇推进系统的情况下，马达通常位于管道内并与风扇同轴(例如，风扇的下游)。风扇叶片附接到与驱动风扇的马达轴连接的中央轮毂。为了达到更高的推力，可以使用具有较高额定功率的马达。然而，具有较高额定功率的马达往往具有较大的外径，这在马达位于管道内时会降低推进效率。例如，对于固定的机舱直径，较大的马达直径可能超过风扇的最佳轮毂/尖端比率。
4.为了补偿由于马达位于风扇叶片下游而造成的效率损失，风扇叶片的长度可以增加以产生必要的推力水平。然而，较大的马达和较大的风扇叶片可能会大大增加推进系统的重量。此外，随着推进系统的尺寸和重量的增加，该系统的推力-重量比通常会下降。另外，这样的系统可能会遭受明显增加的振动，这可能需要更频繁的维护，增加对机械故障的脆弱性，并且/或者产生更高水平的可听噪音。


技术实现要素：

5.提供以下介绍是为了向读者介绍下面的更详细的论述。该介绍并不意图限制或限定任何要求保护的或尚未要求保护的发明。一项或多项发明可能存在于本文件任何部分(包括其权利要求和附图)中所公开的元件或工艺步骤的任何组合或子组合中。
6.在本文公开的电动飞行器推进系统中，管道式风扇叶片被集成到电机中。一般来说，旋转的风扇叶片构成了电机的转子组件的一部分。通过消除对驱动马达轴的要求，本文公开的电力推进系统允许主要气流经过电机。这可提供增加的推进效率。
7.另外，本文公开的电力推进系统的拓扑结构可以允许电机在其直径和轴向长度之间具有相对高的长宽比。这可能允许电机容纳一组多相多极的定子绕组。此外或另选地，高长宽比可使电机可扩大规模以提供更高的输出功率，而不会在轭或定子的齿中达到磁饱和。另外或另选地，高长宽比可以减少转子组件的重量和/或旋转惯性。
8.在本文公开的系统中，推进风扇叶片固设到内轮毂和外护罩上，轮毂、风扇叶片和护罩构成电机的转子和风扇组件的一部分。为了补偿高速操作期间的至少一部分预期的离心力和/或环向应力，转子和风扇组件的至少一些部件优选在其制造和/或组装期间被预加载(例如在径向方向上)，这样，当转子和风扇组件处于静止状态时，至少一些部件处于压缩作用下。例如，定位在护罩的外表面上的转子磁体、护罩和/或风扇叶片可以被预加载压缩。通过对转子和风扇组件的部件预加载，在转子和风扇组件旋转期间产生的一部分离心力可以通过缓解预压缩应力而被有效地"抵消"，导致在高速操作期间转子和风扇组件上的净拉
伸应力较少。
9.根据本公开的一个大方面，提供了一种用于飞行器的电力推进系统，该系统包括：机舱，其限定了从所述机舱的入口端到所述机舱的出口端的主要空气流道；电机，包括：定子，其定位在所述机舱中，并包括一个或多个定子绕组；以及转子和风扇组件，其定位在所述主要空气流道中，该转子和风扇组件包括：圆柱形风扇护罩，其具有第一端、第二端、内表面和外表面；多个转子磁体，其定位在所述风扇护罩的所述外表面上，并与所述一个或多个定子绕组同心；风扇轮毂，其同心地定位在所述风扇护罩内部，该风扇轮毂具有第一端、第二端、内表面、外表面以及风扇旋转轴线，所述风扇轮毂经由一个或多个轴承安装在中央支撑轴上；和多个叶片，其在所述风扇护罩和所述风扇轮毂之间延伸。
10.在一些实施方式中，当所述转子和风扇组件处于静止状态时，所述多个转子磁体在径向方向上被预加应力。
11.在一些实施方式中，所述转子和风扇组件进一步包括套筒，用于将所述多个转子磁体固设到所述圆柱形风扇护罩。
12.在一些实施方式中，所述套筒是压缩套筒，对所述多个转子磁体施加压缩载荷。
13.在一些实施方式中，每个风扇叶片的外端均直接固设到所述风扇护罩的所述内表面。
14.在一些实施方式中，每个风扇叶片的外端均借助一个燕尾榫固设到所述风扇护罩的所述内表面。
15.在一些实施方式中，当所述转子和风扇组件处于静止状态时，所述多个风扇叶片在径向方向上被预加应力。
16.在一些实施方式中，每个风扇叶片的内端均具有风扇叶片基座，并进一步包括定位在每个风扇叶片基座和所述风扇轮毂之间的至少一个螺母，其中所述至少一个螺母在所述径向方向上对所述风扇叶片施加压缩载荷。
17.在一些实施方式中，每个风扇叶片基座均在所述风扇叶片基座的一侧具有伸出的特征，并在所述风扇叶片基座的相对侧具有互补的凹口，用于接纳相邻风扇叶片基座的所述伸出特征。
18.在一些实施方式中，所述多个转子磁体以halbach配置定位。
19.在一些实施方式中，所述一个或多个定子绕组包括多相容错绕组(polyphase fault tolerant winding)。
20.在一些实施方式中，所述多相绕组包括至少三相。
21.在一些实施方式中，所述的系统进一步包括多个导叶，这些导叶定位在所述电机下游的所述主要空气流道中，以促进由所述转子和风扇组件相对于所述机舱旋转产生的周向气流朝轴向气流的重新定向。
22.在一些实施方式中，所述多个导叶为所述中央支撑轴提供结构支撑。
23.在一些实施方式中，所述定子具有内定子直径和轴向定子长度，其中所述内定子直径至少是所述轴向定子长度的4倍、至少是20倍或者至少是20倍。
24.在一些实施方式中，所述定子具有内径，并进一步包括用于容纳所述定子的定子外壳，所述定子外壳包括：同心地绕所述定子定位的环形壳体，所述环形壳体具有第一端、第二端、内表面、外表面以及壳体直径；与所述环形壳体的所述第一端联接的前定子面板，
所述前定子面板的内径与所述定子的所述内径大体一致；以及与所述环形壳体的所述第二端联接的后定子面板，所述后定子面板的内径与所述定子的所述内径大体一致。
25.在一些实施方式中，用于所述一个或多个定子绕组的功率电子装置与所述环形壳体联接。
26.在一些实施方式中，所述前定子面板和所述后定子面板中的至少一者与所述环形壳体是整体形成的。
27.在一些实施方式中，所述前定子面板的前表面上设置有多个冷却翅片。
28.在一些实施方式中，所述的系统进一步包括定位在所述定子外壳周围的多个冷凝器。
29.在一些实施方式中，所述的系统进一步包括多个气流管道，每个气流管道均定位成将空气导引到所述多个冷凝器之一的上游端。
30.在一些实施方式中，所述的系统进一步包括与所述多个冷凝器和所述一个或多个定子绕组中的至少一者热连通的热管。
31.在一些实施方式中，所述转子和风扇组件进一步包括转子冷却系统。
32.在一些实施方式中，所述转子冷却系统包括至少一个与所述多个转子磁体中的每一者热连通的转子热管，每个转子热管均配置成响应所述转子磁体与环境空气之间的温度差而促进所述转子热管内流体的振荡运动。
33.在一些实施方式中，其中圆柱形风扇护罩具有轴向护罩长度，多个风扇叶片具有轴向叶片长度，并且其中轴向护罩长度不超过轴向叶片长度的105％。
34.在一些实施方式中，所述转子和风扇组件进一步包括与所述风扇轮毂的所述第一端联接的鼻锥。
35.在一些实施方式中，所述的系统进一步包括定位在所述转子和风扇组件下游的轮毂整流罩。
36.在一些实施方式中，所述的系统进一步包括与所述轮毂整流罩联接的线性致动器，其中所述轮毂整流罩可以在延伸位置和缩回位置之间有选择地移动，其中所述轮毂整流罩的至少一部分定位在所述机舱的出口喷嘴中。
37.根据本公开的另一个大方面，提供了一种包括本文公开的电力推进系统的飞行器。
38.本领域的技术人员将理解，本文公开的方法或设备可以体现本文所包含的任何一个或多个特征，并且这些特征可以以任何特定的组合或子组合使用。
39.下面将更详细地描述各种实施方式的这些和其他方面及特征。
附图说明
40.为了更好地理解所描述的实施方式并更清楚地示出它们如何被实施，现在将以实施例的方式参考附图，在附图中：
41.图1是根据一个实施方式的用于飞行器的电力推进系统的立体图；
42.图2是图1的电力推进系统的另一个立体图；
43.图3是图1的电力推进系统的局部分解、局部剖视图；
44.图4是图1的电力推进系统的横截面图；
45.图5是图1的电力推进系统的立体剖视图；
46.图6是图1的电力推进系统的旋转风扇组件的立体图；
47.图7是图6的旋转风扇组件的局部分解立体图；
48.图8a是图6的旋转风扇组件的风扇叶片和中央轮毂之间的连接的立体图；
49.图8b是图8a的中央轮毂和风扇叶片的端视图；
50.图9是用于飞行器的电力推进系统的旋转风扇和静态导叶组件的气流行为的模型；
51.图10是图1的电力推进系统的定子外壳的立体图；
52.图11是图10的定子外壳的局部分解立体图，以及用于导引气流越过冷凝器的凹陷管道；
53.图12是图1的电力推进系统的永磁马达的立体的局部剖视图；
54.图13是根据一个实施方式的凹陷管道的立体效果图；
55.图14是图13的凹陷管道的气流行为的模型；
56.图15是根据一个实施方式的冷凝器的立体效果图；
57.图16是图15的冷凝器的气流行为的模型；
58.图17是根据一个实施方式的定子冷却系统的立体图；
59.图18是图17的定子冷却系统的一部分的立体图；
60.图19是根据另一个实施方式的定子冷却系统的立体图；
61.图20是图19的定子冷却系统的另一个立体图；
62.图21是图19的定子冷却系统的一部分的立体图；
63.图22是根据另一个实施方式的定子冷却系统的立体图；
64.图23是图22的定子冷却系统的另一个立体图，为清晰起见，移除了部分护套；
65.图24是根据一个实施方式的转子冷却系统的立体图；
66.图25是图24的转子冷却系统的一部分的立体图；
67.图26是飞行器的立体图，示出了电力推进系统的示例性安装位置；
68.图27是根据另一个实施方式的用于飞行器的电力推进系统的立体剖视图，其中轮毂整流罩处于缩回位置；
69.图28是图27的电力推进系统的另一个立体图，其中轮毂整流罩处于延伸位置；
70.图29是根据另一个实施方式的风扇轮毂和风扇叶片组件的局部分解立体图；
71.图30是图29的风扇轮毂和风扇叶片末端的立体端视图；
72.图31是图29的实施方式的楔形环的立体前端视图；以及
73.图32是图31的楔形环的立体后端视图。
74.所包括的附图用于示出本说明书教导的物品、方法和设备的各种实施例，并不意图以任何方式限制教导的范围。
具体实施方式
75.下面描述了各种设备、方法和组合物，以提供每个要求保护的发明的实施例。下面描述的任何实施方式都没有限制任何要求保护的发明，而且任何要求保护的发明可以涵盖与下面描述的那些设备和方法不同的设备和方法。所要求保护的发明不限于具有下述任何
一种设备、方法或组合的所有特征的设备、方法和组合，或不限于具有下述多种或所有设备、方法或组合的共同特征。下述设备、方法或组合有可能不是任何要求保护的发明的实施方式。下述的设备、方法或组合中公开的、本文件中没有要求保护的任何发明可能是另一个保护性文书的主题，例如连续的专利申请，并且申请人、发明人和/或所有人不打算通过在本文中的公开而中止、放弃或向公众奉献任何此发明。
76.此外，可以理解的是，为了简单和清晰地进行说明，在认为适当的情况下，附图标记可以在图中重复，以表示相应或类似的元件。此外，为了提供对本文所描述的示例性实施方式的彻底理解，列出了许多具体细节。然而，本领域的普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文所述的示例性实施方式。在其他情况下，公知的方法、程序和部件没有被详细描述，以避免掩盖本文所述的示例性实施方式。而且，该描述不应视为限制本文所述的示例性实施方式的范围。
77.虽然本文公开的设备和方法关于固定翼飞行器进行具体描述并用于固定翼飞行器，但可以理解的是，该设备和方法可以另选地与其他类型的飞行器和/或其他类型的交通工具(例如气垫船、直升机、超级高铁吊舱)一起使用。还可以理解的是，该设备和方法可以用于提供非主要推力(例如作为直升机尾旋翼、在垂直起降(vtol)应用中以及/或非vtol飞行器的紧急制动，例如类似于直升机的自动旋转)。还可以理解的是，该设备和方法可以另选性地用于其他应用(例如，轴流式压缩机、通风扇)。
78.图1至图5示出了用于飞行器的电力推进系统的示例性实施方式，该电力推进系统一般被称为1000。参考图1和图2，电力推进系统1000包括定位在机舱100中的电机。该电机包括：安装到机舱的定子；以及可由定子驱动的转子和风扇组件。电力可以供应给一个或多个定子绕组，以引起转子和风扇组件的旋转。当旋转时，转子和风扇组件中的风扇叶片促进气流经过机舱，从而产生机械推力。因此，电力推进系统1000可以表征为管道式轴流风扇推进系统。另外，由于扭矩从定位在风扇叶片周围的定子施加到转子和风扇组件，因此电力推进系统1000可以额外地或另选地表征为轮缘驱动的推进系统。
79.机舱100为电机提供空气动力学外壳。例如，机舱100可以作为飞行表面以减少空气动力阻力。在图示的实施例中，机舱100包括可选的冷却管道500，以通过在定子外壳上导引气流(下文进一步讨论)来协助从定子中散热。例如，入口空气可以被导引穿过位于机舱100的前端102的一个或多个冷却管道500，而出口空气可以在位于机舱100的后端104附近的出口194排出。
80.机舱100的部分或全部可以由复合材料(例如纤维增强热塑性塑料)形成。使用这样的材料可以减小机舱的重量和/或提高机舱100的结构性能。
81.参考图3至图5，电力推进系统1000包括：定子，其被总体标识为200，围绕从主空气入口112到主空气出口114延伸穿过机舱100的主要空气流道160。限定空气流道160的机舱100的内部轮廓120可以配置成支持机械推力的产生。例如，设置在出口114附近的机舱100的尾部124(其可以表征为出口喷嘴124)可以作为离开冷却系统的气流的扩散器喷嘴，以协助与离开主要空气流道160的气流混合。
82.转子和风扇组件定位在定子200的内部，总体被标识为300，它被配置成借助定子200绕轴线105旋转。转子和风扇组件300的轮毂310(可称为风扇轮毂310)经由一个或多个轴承307安装在中央支撑轴150上。在图示的实施例中，中央支撑轴150从定位在电机转子和
风扇组件300的下游的非旋转导叶组件400的中央轮毂405延伸。
83.导叶组件400包括从轮毂405延伸到机舱100的多个空气动力导叶420。优选地，导叶420为中央轮毂405提供结构支持，从而为中央支撑轴150提供结构支撑。换句话说，导叶组件400作为转子和风扇组件300绕其旋转的轴和轴承系统的支撑。
84.导叶420优选地配置成促进由转子和风扇组件相对于机舱的旋转而产生的周向气流朝轴向气流重新定向。例如，导叶420可以配置成重新获得由旋转的转子和风扇组件300带来的一些漩涡损失，并使气流变直，以减少马达载荷扭矩，并增加整体推进效率。此外或另选地，导叶420的扫掠角度可以配置成使得转子和风扇组件300的出气角度与导叶420的入口角度对准，从而使气流穿过轮叶弦线，直到它与转子和风扇组件300的轴向方向对准。此外或另选地，导叶420的径向外端428可以集成到机舱100中，以将管道式风扇下游产生的周向流纠正为轴向流。
85.导叶420可以由任何合适的材料(例如碳纤维增强的复合材料)制成。可以理解的是，复合导叶可以包括一种或多种机械添加剂，例如用于增加导叶的刚度和/或用于向中央支撑轴150提供额外的结构支撑。
86.对于一个或多个轴承307，可以理解的是，可以采用不同的轴承拓扑结构。例如，双角接触滚珠轴承可用于提供低运行摩擦，同时承受高径向、推力和/或动态载荷。双角接触滚珠轴承也可以适用于高速操作，因为它们通常可以容忍不对准，这可以减少由转子带来的轴承应力。双角接触滚珠轴承也可以提供类似于多轴承系统的载荷响应，这可以被认为是有利的。在一些实施例中，可使用加压的毛细管轴承来平衡转子。在一些实施例中，可以使用主动磁性轴承系统来平衡转子。
87.可选择地，空气可以被导引穿过轮毂310(例如经由鼻锥390)，以便为轴承307提供被动冷却。
88.图6至图8b示出了示例性的转子和风扇组件300。参考图7，转子和风扇组件300包括圆柱形风扇护罩340、风扇轮毂310以及多个风扇叶片320，这些风扇叶片在风扇护罩340和风扇轮毂310之间延伸。
89.在图示的实施例中，每个风扇叶片320的径向外端328均使用燕尾状布置固设到护罩340的内表面346上，从每个风扇叶片320的外端328延伸的“销”329被接纳在护罩340的狭槽或“尾”347中。可以提供一个或多个锁定销(未示出)以抑制或防止叶片一旦被联接到护罩340时的轴向移动。
90.可以理解的是，另选地，销329和狭槽347可以是冷杉树状的。
91.在图示的实施例中，每个风扇叶片320的径向内端326均具有风扇叶片基座330。风扇叶片基座330使用一个或多个机械紧固件(例如螺纹沉孔螺栓335)固设到轮毂310的外表面318。
92.在图示的实施例中，每个风扇叶片基座330均在一侧具有伸出特征333，并在相对侧具有用于接纳相邻风扇叶片基座330的伸出特征333的互补凹口337。这样的布置可以具有一个或多个优点。例如，在安装过程中，伸出部133可以作为滑移平面来在维度上定位风扇叶片320。伸出部133还可以在相邻的风扇叶片之间提供一些结构支撑，例如用于在整个转子和风扇组件300上分布剪切应力，从而减少局部应力集中因素的影响。
93.提供单独的风扇叶片320可以具有一个或多个优点。例如，单独的风扇叶片320可
以例如在损坏的情况下被移除和/或替换。
94.在图示的实施例中，转子和风扇组件300包括15个风扇叶片320。可以理解的是，一个或多个另选实施方式中可以提供更多或更少的风扇叶片320。
95.风扇叶片320可能是用于亚音速到跨音速流动状态的低压比涡轮机械叶片。风扇叶片320的扫掠翼面轮廓可以设计为最大限度地提高转子和风扇组件300的尖端速度和压力比。在这样的实施例中，风扇叶片320的弦(即从每个叶片的前缘到后缘的轴向长度)可以足够宽，以提供转子和风扇组件300的稳定性和效率。可以理解的是，在叶片弦长和叶片阻力之间存在权衡。
96.风扇叶片320可以由任何合适的材料(例如碳纤维增强的聚合物(cfrp)或金属合金(例如钛或铝合金))制成。
97.在图示的实施例中，转子和风扇组件300包括鼻锥390。优选地，鼻锥390与轮毂310一起旋转，以预先将一部分进入电力推进系统1000的空气旋转起来。还图示了不旋转的可选轮毂整流罩490。
98.如上所述，轮毂310优选地经由一个或多个轴承307安装在中央支撑轴150上。优选地，轴承307包括一个或多个角接触轴承以提升转子的同心度。
99.可选地，鼻锥390可以配置成导引空气穿过轮毂310，以便为轴承307提供被动冷却。
100.转子和风扇组件300还包括定位在风扇护罩340的外表面348上的多个转子磁体350。在图示的实施例中，使用压缩套筒360固设磁体350。另选地，转子磁体350可以固设到护罩340的外表面，或部分或全部埋在护罩340内。
101.转子和风扇组件300优选配置成借助定子200以相对高的速度旋转。例如，转子和风扇组件300可以具有大约7000转/分钟(rpm)的操作速率，以及大约8500转/分钟的最大速率。在这样的速度下，风扇叶片上的离心力和/或护罩340和磁体套筒360上的环向应力可能是显著的。当电机具有相对高的长宽比(即转子直径与转子的轴向长度之间的比率)时，这些力和应力可能特别显著。例如，电力推进系统1000的实施方式在7,000rpm时可能具有约290m/s的转子尖端速度，在8,500时具有约350m/s的转子尖端速度。
102.为了补偿至少一部分离心力和/或环向应力，当转子和风扇组件处于静止状态时，转子磁体350可以在径向方向被压缩加载。通过对转子磁体350进行压缩预加载，转子磁体的最大拉伸载荷可能因此增加。这可能导致转子和风扇组件300的最大拉伸载荷增加，这可能增加转子组件的最大旋转速度和/或电力推进系统1000的推力输出。
103.例如，磁体350可以是钕(ndfeb)磁体，其通常具有75至80mpa的折断强度。通过对转子磁体350进行压缩预加载，转子和风扇组件300的旋转过程中产生的环向应力的一部分在拉伸力占主导地位并导致转子磁体350的折断或断裂之前可以被导引成缓解从套筒360传来的压缩力，从而导致磁体350上的更高的安全操作环向应力。换句话说，转子和风扇组件300的旋转过程中产生的一部分离心力可以通过缓解预压缩应力而被有效地"抵消"，从而导致转子磁体350上的净拉伸应力较少。
104.较高的最大操作环向应力的效果实际上是转子和风扇组件300的较高的最大旋转速度，这可以增加电力推进系统1000的最大推力输出。
105.压缩力可以以任何合适的方式施加到磁体350。例如，在组装转子和风扇组件300
期间，可经由压缩套筒360施加预压缩应力。压缩套筒360可另选地表征为过盈配合套筒。优选地，当转子和风扇组件处于静止状态时，压缩套筒360向磁体350施加显著的压缩力。
106.压缩套筒360可以由具有高的比刚度的材料(例如碳纤维增强的复合材料、钛或铝合金等)制成。
107.此外或另选地，当转子和风扇组件处于静止状态时，风扇叶片320可以在径向方向上被加载压缩，以便在磁体350上提供向外的压缩力。通过预先对风扇叶片320进行压缩加载，叶片320和/或护罩340可以在磁体350的内表面上施加径向向外的力，导致磁体350上的压缩载荷(因为磁体例如通过压缩套筒360被保留在位置上)。
108.例如，预应力风扇叶片320可以增加转子磁体350上的压缩力，这可以允许使用更薄的套筒360。这可能有利地促进电机的较小的气隙，较小的气隙可能增加电力推进系统1000的扭矩/功率密度。
109.可以理解的是，可以使用任何合适的方法在径向方向上对风扇叶片320进行压缩加载。如图8a和8b所示，一个或多个螺母331可以置于每个风扇叶片基座330和轮毂310之间，以对风扇叶片施加预压缩应力。例如，一旦紧固件335被安装，螺母331就可以旋转，以在叶片320上提供预应力。另选地，螺母331可以配置成在紧固件335被拧紧时增加压缩载荷(例如经由沉头布置)。
110.另选地，一个或多个环形楔子可以定位在风扇叶片和风扇轮毂之间，以在风扇叶片上施加预压缩应力。在图29至32所示的实施例中，一对楔形环380配置成使用燕尾状布置与风扇叶片基座330接合。如可能从图31和32中最佳看出的，楔形环380具有：大致圆柱形的内表面386；以及锥形的外表面388。因此，当楔形环380插入风扇叶片基座330和风扇轮毂310的外表面318之间时，它们可以在风扇叶片320施加向外的压缩力。
111.在一些实施方式中，压缩套筒360可以向磁体350提供足够的压缩力，并且可能不需要对叶片320进行预压缩。
112.在高速旋转期间，护罩340中的整体冯-米斯应力(特别是径向应力)可能很高。因此，护罩340优选由具有高比刚度值的材料制成，以抑制或防止转子变形。如上所讨论的，每个风扇叶片320的径向外端328均可以固设到护罩340的内表面346。将风扇叶片320直接联接到护罩340可以增加转子和风扇组件300的整体刚度，这可能导致电力推进系统1000的更大的操作包络(envelope)(例如，更高的速度/更好的安全系数/更低的转子变形)。
113.在不需要预压缩叶片320的实施方式中(例如，在压缩套筒360向磁体350提供足够的压缩力的情况下)，风扇叶片320可以在张力(例如，将护罩340径向拉向轮毂310)或压缩(例如，将护罩340径向推离轮毂310)下被预加应力，以进一步减少转子和风扇组件300的变形。例如，可以不提供螺母331，并且拧紧紧固件335可以对叶片320预加应力。
114.在图示的实施例中，外表面348和内表面346具有大致相同的轮廓。换句话说，护罩340具有基本不变的径向厚度。可以理解的是，外表面348和内表面346在一个或多个另选实施方式中可以具有不同的轮廓。
115.提供具有本文所述的转子和风扇组件300的电力推进系统1000可以具有一个或多个优点。例如，由于每个风扇叶片320均固设到内轮毂310和外护罩340，因此每个风扇叶片均可能在动态加载下具有足够的刚度和/或可靠性，以促进电力推进系统1000被用作机架安装的边界层摄入(boundary layer ingestion,bli)系统的一部分，该边界层摄入系统处
理显著的入口气流畸变。
116.作为另一个实施例，由于每个风扇叶片均连接到护罩340，风扇叶片的尖端和限定穿过机舱100的主要流道的结构之间没有间隙；当与典型的轴驱动的管道风扇推进系统相比时，这可能使得降低可听噪音。
117.图9示出了来自风扇叶片320、导叶420和穿过电力推进系统1000的主要空气流道的模型的输出的模型输出。流线90表示空气被旋转的风扇叶片320搅动，并由下游的导叶420在轴向方向上重新对准。
118.进行了模拟，其中解决了瞬态转子-导叶的相互作用，以预测机舱100内的流动行为。建模表明，导叶420(可统称为静止的叶片排)起着拉直出口气流的作用，从而将损失于旋转速率的动能的至少一部分恢复为推力。
119.来自类似系统的初步建模和数据外推，预测推力性能与轴驱动涡轮风扇相当。例如，由于相对高的旁通流量，与类似功率输出的轴驱动涡轮风扇相比，电推进系统1000可提供约80％或更多的推力。
120.图10至12示出了示例性的定子200。参考图11，定子200包括多个绕组210。绕组210可由铜、铜合金或其他合适的材料制成。
121.参考图12，转子护罩340和转子磁体350的尺寸被设计为同心地嵌套在定子200内。在图示配置中，定子200以及转子和风扇组件300可以表征为轮缘驱动永磁电机或轮缘驱动永磁马达。
122.定子绕组210可以以任何合适的配置布置。优选地，绕组210布置为一组多相多极定子绕组210。例如，定子200的相对大的直径可以提供足够数量的定子狭槽205来安装三相或多相的绕组，用冗余的绕组来增加容错性。定子绕组210可以以星形或三角形配置连接。
123.转子磁体350可以以任何合适的配置布置。例如，磁体350可以以halbach配置的方式进行极化。其他配置(例如平行、径向)可用于一个或多个另选实施方式中。
124.在图示的实施例中，转子和风扇组件300的护罩340可以表征为转子的"背铁"。在一些实施方式中，护罩340可以具有一个或多个磁压层，并且/或者可由金属或复合合金制成。替代地，护罩340可以基本上不含磁性成分(例如，很少或没有钢)。这样的配置——即基本上不含“背铁”——可表征为“空芯”电机。
125.优选地，电机(包括定子200以及转子和风扇组件300)在其直径和其轴向长度之间具有相对较高的长宽比。例如，参考图4，定子200的内径d
stator
可以是定子200的第一端202和第二端204之间的轴向长度l
stator
的至少4倍、至少10倍或至少20倍。
126.提供具有高长宽比的电机可能具有一个或多个优点。例如，它可以促进马达更大的规模，以提供更高的机械输出功率，而不会在轭中或在定子的齿中达到磁饱和。此外或另选地，相对较小的轴向长度可以促进减少转子和风扇组件300的重量和/或惯性。另外或另选地，相对较小的轴向长度可以减少与机舱100的外侧表面的边界层形成有关的表皮阻力。
127.图10和11示出了示例性的定子外壳220，其可以另选地表征为定子壳220。在图示的实施例中，定子外壳220包括同心地定位在定子200周围的环形壳体230、与环形壳体230的第一端232联接的前定子面板240和与环形壳体230的第二端234联接的后定子面板250。虽然图示为单独的部件，但可以理解的是，前定子面板240和后定子面板250中的至少一者以及环形壳体230可以整体地形成。
128.定子外壳220可以是电力推进系统1000的结构部件。例如，外壳220可以为外部连接提供各种安装和附接点。例如，环形壳体230可以具有若干径向翅片或凸缘235，用于支撑定子冷却系统中使用的一个或多个冷凝器。
129.在图示的实施例中，前定子面板240包括从前表面242伸出的多个冷却翅片245。冷却翅片245可以为定子200提供改进的热管理(例如，通过促进端部绕组传导冷却)。可以理解的是，冷却翅片245可以焊接到面板240，或者与之整体地形成(例如通过数控铣削)。翅片245可以由任何合适的材料制成，例如铝合金。
130.可选地，前定子面板240和环形壳体230的第一端232之间可以设置有垫圈(未示出)。例如，这样的垫圈可以在前定子面板240和环形壳体230之间提供水密密封。另外或者另选地，后定子面板250和环形壳体230的第二端234之间可以设置有垫圈(未示出)。优选地，整个定子外壳220可以具有ip65或更高的入口保护码等级。
131.定子外壳220(例如环形壳体230)的部件可以通过如下操作构造：例如3d打印(或通过另一种合适的增材制造方法)具有四面体晶格填充物的壳，并且随后从需要高公差的部分(例如为了便于提供水密密封)移除材料(例如通过研磨、抛光)。这样的结构可能具有理想的性能/重量特性。
132.作为另一个实施例，定子外壳220的部件可以由弯曲的挤压部分(例如铝合金的挤压部分)连结以产生全圆周的部件来构造。另选地，定子外壳220的部件可以是分段压铸的(例如高压铝合金铸件)。这种结构可以具有理想的性能/成本特性。
133.用于电机的功率控制电子装置(未示出)可以设置在任何合适的位置。例如，可在定子外壳220内或机舱100内的其他地方提供功率控制电子装置。在一些实施方式中，由于定子200的大直径，功率电子装置可以直接附接在环形壳体230的外表面238上。这样的位置可以减少或尽量减少电源导线的长度。提供相对较短的电源导线(例如，小于1米)可以促进在较高的输入电频率(例如，超过1千赫)和/或更高的输入电压(例如，800伏或更高)下的操作。此外或另选地，在靠近定子200的地方设置功率电子装置可允许定子冷却系统也用于功率电子装置的冷却。另选地，功率电子装置可以定位在机舱100的其他地方，和/或在安装有电力推进系统1000的飞行器的机身内。
134.图13示出了用于将经过机舱100的空气吸入冷凝器中以协助定子200的热调节的冷却管道500的一个实施例。优选地，冷却管道500是低阻力的空气入口，例如，它可以表征为naca管道。
135.在图示的实施例中，圆角边缘520配置成偏转边界层空气并将自由流空气吸入到位于机舱100内的冷凝器的入口。图14示出了穿过冷却管道500的气流模型的输出，梯度区域代表预期的局部气流速率。
136.如图1和图2所示，冷却管道500优选与机舱100的外表面基本平齐安装。
137.冷却管道500可以以任何合适的方式构造。例如，管道500可以通过成型或3d打印热塑材料形成。在组装过程中，管道500可以固设在机舱100的切口中并被粘附(例如，环氧树脂)到位。虽然图示为单独的部件，但可以理解的是，管道500可以与机舱100的外表面整体形成。
138.图15示出了用于将热从定子冷却系统传递到由冷却管道500导引穿过冷凝器的空气的冷凝器600的实施例。在图示的实施例中，冷凝器600是横流冷凝器。可以理解的是，另
选他实施方式中可以采用其他冷凝器拓扑结构。
139.优选地，冷凝器600有利于高散热率，为强制空气对流提供有效的流道，并具有足够的结构完整性以满足预期的加载条件。为了实现这些设计目标，可能希望确定最小化与气流接触的表面积以降低整个冷凝器的压降与最大化与气流接触的表面积以提高传热率之间的平衡。例如，可以迭代各种设计参数，以便在这些相互竞争的目标之间提供足够的或优选最佳的平衡。
140.在图示的实施例中，冷凝器600包括一系列由销620分开的板610。这样的布置有利地允许热经由在三维空间中的传导而扩散。
141.在图示的实施例中，销620具有椭圆的截面轮廓。提供椭圆销620可促进稳定的湍流，这可能产生相对较高的传热率。
142.图16示出了来自冷凝器600的计算流体动力学(cfd)模型的速率图输出。流线80表示穿过板610的局部空气速率。值得注意的是，沿冷凝器600的入口端602的一排605销620协助引导空气流进入冷凝器600中。
143.冷凝器600可以以任何合适的方式构造。例如，板610和/或销620可以由铝合金构造，例如通过3d打印或通过另一种合适的增材制造方法。
144.图17和18示出了用于在电力推进系统1000的操作期间从定子绕组210传递热的定子冷却系统的一个实施例。在图示的配置中，提供了若干单独的热管710，以将热能从定子绕组210传递到冷凝器600。这样的系统可以表征为被动定子冷却系统。
145.在图示的实施例中，每个热管710的一部分715均定位在定子狭槽205中，与至少一个定子绕组210相抵接。每个热管710的第一端712与冷凝器600的第一端602联接，每个热管710的第二端714与冷凝器600的第二端604联接。在操作中，由于部分715和冷凝器600之间的热梯度，热管710内的流体在冷凝器600和部分715之间循环。例如，热管710可以是热虹吸管，其使用内部热力学循环以相对高的通量传递热。
146.在图示的实施例中，热管710具有大体平坦的侧面。可以理解的是，热管710可以具有另选形状(例如，椭圆形、圆形)。
147.提供单独的热管710可能具有一个或多个优点。例如，在例如常规维护期间，可以移除和/或替换单独的管道710。
148.热管710可以以任何合适的方式构造。例如，管710可以是3d打印的，具有相对复杂的内部"芯"结构，这可以提高蒸发器的性能。另选地，可以切割、弯曲和封盖拉制或挤压的管子以形成管710。可选地，在封盖前可插入烧结金属粉末芯。
149.图19至21示出了用于在电力推进系统1000的操作期间从定子绕组210传递热的定子冷却系统的另一个实施例。在图示的配置中，穿过多个定子狭槽205的若干流体导管720布置成与一组冷凝器600进行串联流体连通。在操作中，流体被泵送穿过每个导管720和导管720所联接的冷凝器600。这样的系统可以表征为混合动力空气-液体主动定子冷却系统。
150.在图示的实施例中，每个流体导管720均以之字形穿过若干定子狭槽205，在它所穿过的每个狭槽205中至少与一个定子绕组210相抵接。每个导管720的入口端722均与流体泵(未示出)进行流体连通。每个导管720的出口端724均与一个或多个冷凝器600进行流体连通，例如经由中间管730。在操作中，流体被泵送穿过导管720，在那里它可以经由导管壁的传导接收来自定子绕组210的热能。然后，(现在被加热的)流体被泵送穿过一个或多个冷
凝器600，以将热从流体传递到穿过冷凝器的空气，然后经由出口734返回到泵(未示出)。
151.在图示的实施例中，有三个冷却"回路"，分别为入口722a、722b和722c，以及出口734a、734b和734c。可以理解的是，在另选实施方式中可以设置一个、两个或四个或更多的冷却"回路"。
152.导管720可以以任何合适的方式构造。例如，可将拉制、轧制或挤压的管进行弯曲以形成导管720。优选地，导管720的与定子狭槽205中的导体接触的部分被压扁，以便提供增大的接触面积。
153.图22和23示出了用于在电力推进系统1000的操作期间从定子绕组210传递热的定子冷却系统的另一个实施例。在图示的配置中，没有提供冷凝器600和冷却管道500。相反，为定子外壳220提供了流体护套。这样的系统可以表征为主动定子冷却系统。
154.如图23所示，流体护套800包括流体护套主体810，其中设置有多个冷却导管820。冷却导管820在入口和/或出口端822之间延伸，并配置成允许冷却流体穿过冷却护套主体810循环。在图示的实施例中，多个狭槽830径向地延伸穿过流体护套主体810。狭槽830可用于容纳电相连接的布线，和/或容纳定子外壳220和机舱100之间的结构连接。
155.提供冷却护套800可能具有一个或多个优点。例如，冷却护套800可以配置成在恶劣的操作条件和/或环境中操作。在这方面，不需要使用冷却管道500的冷却系统可使得更容易维持定子外壳220的水密完整性。
156.图24和25示出了用于在电力推进系统1000的操作期间从转子磁体350传递热的转子冷却系统的一个实施例。在图示的配置中，提供了若干单独的转子热管760，以从转子磁体350传递热能。这样的系统可以表征为被动转子冷却系统。
157.在图示的实施例中，每个转子热管760的一部分与至少一个转子磁体350相抵接。例如，转子热管760可以嵌入到风扇护罩340的外表面中。每个转子热管760均可以至少部分地充满工作流体(如水-乙二醇或氨)，以传递热能。在操作中，来自磁体350的热被传递到转子热管760内的工作流体，导致蒸汽"蛞蝓"(slug)形成并沿着转子管760膨胀。这种蒸汽"蛞蝓"垂直于磁体350移动到转子管的远离磁体350的部分762，在那里，部分762旋转的空气之间的温度梯度将"蛞蝓"冷凝成流体状态。这导致了转子热管760内部的振荡流体运动。已经在具有高惯性力的应用中测试了(例如用于战斗机的喷气机)类似的"脉动"热管。
158.在图示的实施例中，转子热管760具有大体的"狗骨"形状，磁体350远端的部分762具有倒圆的形状。可以理解的是，转子热管760可以具有任何合适的形状(例如，椭圆形、圆形)。
159.在图示的实施例中，每个磁体350均具有两个转子热管760。可以理解的是，在另选实施方式中，可以为每个磁体350提供一个、三个、或四个或更多的转子热管760。
160.转子热管760可以以任何合适的方式构造。例如，管760可以是3d打印的，具有相对复杂的内部"芯"结构和多孔性，这可以改善热性能。另选地，拉制或挤压的管可以被切割、弯曲和封盖以形成管760。可选地，在封盖前可插入烧结金属粉末芯。
161.图26示出了前向飞行的飞行器10，电力推进系统1000安装在各种可能的位置。例如，电力推进系统1000a和1000b被示出在翼下位置。推进系统1000a、1000b借助吊架12a、12b固设到机翼15。
162.电力推进系统1000c安装到机身的主体。
163.电力推进系统1000d安装到机架的后部，并且可以表征为集成到机身中以作为边界层摄取(bli)推进系统。
164.可以理解的是，电力推进系统1000的数量和它们的安装位置可以根据飞行器的整体设计而变更。
165.除了提供主要推力，或作为主要推力的另选，电力推进系统1000的紧凑轮廓可以促进其在飞行器推力或升力特性发生灾难性故障的情况下作为协助紧急降落马达使用。例如，一个或多个电力推进系统1000可以配置成作为紧急推力(例如，用于使飞行器加速以重新获得机翼上的升力)和/或作为紧急vtol着陆装置。
166.图27和28示出了可调节的尾部整流罩的一个实施例。在该实施例中，轮毂整流罩490可以在缩回位置(例如如图27所示)和延伸位置(例如如图28所示)之间移动。在图示的实施例中，轮毂整流罩490连接到线性致动器450(例如线性电动马达、液压致动器)，该致动器可以选择性地在轴向方向延伸和缩回。
167.通过选择性地重新定位轮毂整流罩490，出口流喷嘴124的横截面积可以被调制，例如，以改善风扇在一系列条件下的浪涌余量并提高效率。例如，具有低压力比(即1.5)的高旁路比风扇通常以较低的空气加速度和高质量流率操作，以提高推进效率。然而，由于设计所固有的这种低压力比，在某些情况下，例如在起飞期间，风扇的操作接近于浪涌条件，在此情况下，必须通过降低风扇速度来降低压力比以避免发动机失速。
168.提供可变面积的出口喷嘴可能导致额外的控制因素，以改变独立于风扇速度的风扇压力比。这样做的一个后果是，在广泛的飞行条件下，风扇可以以改进的或优选最佳的风扇和推进效率的平衡进行操作。例如，在起飞过程中，整流罩490可以定位在缩回的位置(例如，如图27所示)，以打开出口喷嘴，从而操作风扇进一步远离浪涌条件，并朝向任何所需的推力下的最大效率。在巡航条件下，整流罩490可以移动到延伸位置(例如，如图28所示)，以关闭出口喷嘴，从而提高风扇的效率。提供更宽的浪涌余量的另一个可能的优点是，可能有更少的叶片颤动/疲劳循环，这可能允许使用更轻的风扇叶片。
169.如上所述，电力推进系统1000的定子200以及转子和风扇组件300可以作为电动马达操作，其中电力被应用于使风扇叶片320旋转以产生机械推力。
170.另选地，电力推进系统1000的定子200以及转子和风扇组件300可以作为电动发电机来操作。例如，在飞行器的下降或着陆期间，定子200可以被操作成对转子和风扇组件300的旋转产生阻力。这可能导致由电力推进系统1000提供的净推力减少，从而导致飞行器的速度降低。这也可能导致产生电力，该电力可用于例如给飞行器上的一个或多个电源(例如电化学电池)充电。
171.电力推进系统1000对于vtol飞行器可能具有一个或多个优点。例如，电力推进系统1000可以具有非常紧凑的轮廓(在直径和/或长度上)，并且因此可以具有相对较低的阻力，例如，当与其他中央轮毂驱动的电动管道风扇相比时。这种紧凑的外形可以使电力推进系统1000特别适用于e-vtol应用，因为电力推进系统1000相对于机架来说可能相对容易操纵(例如枢轴)，并且也可能比其他中央枢纽驱动的电动管道风扇产生更少的阻力。
172.如本文所使用的，措辞"和/或"意指表示包容-或。即，例如，"x和/或y"意指x或y或两者。作为进一步的实施例，"x、y和/或z"意指x或y或z或其任何组合。
173.虽然以上描述了示例性实施方式的特征，但可以理解的是，在不脱离所述实施方
式的精神和操作原则的情况下，所述实施方式的一些特征和/或功能可被修改。例如，通过所代表的实施方式或实施例描述的各种特征可以有选择地相互结合。因此，上面所描述的内容是为了说明要求保护的概念，并且是非限制性的。本领域的技术人员可以理解，在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以做出其他的变体和修改。权利要求的范围不应受到优选实施方式和实施例的限制，而应给予与整体描述相一致的最广泛的解释。