揭秘Joby飞行器电机结构的创新设计

随着航空领域的不断发展，电动垂直起降(eVTOL)飞机等新型航空器逐渐成为研究和发展的热点。这类航空器需要高效、可靠的动力系统来支持其飞行，而电动机作为动力系统的核心部件，其性能直接影响着航空器的整体表现。在这样的背景下，研发适用于航空领域的新型电动机具有重要的现实意义和广阔的应用前景。本文提出的电动机构造旨在为航空领域提供一种更优的电动机设计，以满足航空器在动力、效率、稳定性等方面的严格要求。

在传统的电动机设计中，尤其是应用于航空领域的电动机，存在多个方面的问题。首先，在转子结构方面，磁铁与转子壁的连接不够稳固。传统的连接方式可能无法在航空器复杂的飞行环境下，如高转速、强振动等工况下，确保磁铁与转子壁之间的可靠连接，容易出现磁铁松动甚至脱落的情况，这不仅会影响电动机的性能，还可能带来严重的安全隐患。

其次，在定子结构及组装方面，线圈与电路的连接较为繁琐。以往的设计中，通常需要采用诸如点焊等较为复杂的工艺将线圈的剥离端与印刷电路板上的端子进行连接，这种方式不仅增加了组装的难度和时间成本，还容易出现连接不可靠的问题，进而影响电动机的整体性能和稳定性。同时，定子的结构设计可能无法很好地平衡性能与质量，导致电动机在运行过程中存在能量损耗较大、效率较低等问题。

此外，在电动机的整体性能方面，传统设计难以满足航空领域对高效散热和高功率运行的需求。航空器在飞行过程中，电动机长时间处于高负荷运行状态，会产生大量的热量，如果不能及时有效地将热量散发出去，会导致电动机温度过高，进而影响其性能和寿命。而传统的电动机冷却系统在散热效率上存在一定的局限性，无法满足航空器对电动机散热的严格要求。

本文中的电动机转子包括一个圆周壁，该圆周壁被设计用于接收和支撑一排磁铁。如图1所示，转子610的圆周壁708内侧设置有多个磁铁802，这些磁铁802排列形成磁铁阵列。为了实现磁铁与圆周壁的稳固连接，采用了一种特殊的连接方式，即使用粘合剂将多个磁铁与圆周壁进行耦合。

图1 泵风扇转子的局部透视横截面

粘合剂不仅与多个磁铁接触，还与在圆周壁上形成的一个或多个凹槽相接触。如图2所示，在圆周壁708上形成有凹槽904、906，当粘合剂804填充在这些凹槽中并固化后，能够紧紧地将磁铁802固定在圆周壁708上。值得注意的是，凹槽906部分由一个底切908限定，该底切类似于半燕尾槽，向上并远离磁铁802倾斜。当粘合剂804围绕磁铁802成型并固化后，固化的粘合剂与底切908之间形成机械连接，这种机械连接能够提供强大的固定力，确保磁铁在各种复杂工况下都不会松动，极大地提高了转子结构的稳定性和可靠性。

图2 转子圆周壁和磁铁组件的轴向横截面

此外，转子还包括一个与圆周壁相邻的凸缘，用于接收和支撑磁铁阵列，该凸缘上也形成有凹槽，用于容纳粘合剂。如图2所示，凸缘902上的凹槽可以更好地引导粘合剂的分布，进一步增强磁铁与圆周壁之间的连接效果，使得转子在高转速运行时也能保持良好的性能。

定子作为电动机的重要组成部分，其结构和组装方式在本文中也得到了显著优化。定子包括多个齿，每个齿上都缠绕有一个线圈。在传统设计中，线圈与电路的连接较为复杂，而本文采用了一种更为简便、可靠的连接方式。

线圈的一端去除绝缘层后，缠绕在形成于特定齿上或与特定齿相邻的两个间隔开的柱上。如图3所示，在定子齿1200的两端分别设置有两个间隔开的柱1202、1204，线圈1102的剥离端可以缠绕在这些柱上。当线圈缠绕完成后，剥离的导线与位于定子支架上的导电片进行接触，从而实现电路连接。这种连接方式避免了传统的点焊等复杂工艺，简化了组装流程，提高了生产效率，同时也增强了连接的可靠性。

图3 包复成型齿的透视图

为了进一步优化定子的性能，本文对定子齿的结构也进行了改进。如图4所示，用于定子齿的叠片组1000包括位于第一端1002和第二端1004之间的中心部分1006，在第二端1004的中心形成有一个凹槽1008。由于该区域通过叠片组的磁通量较少，设置凹槽1008可以在对性能影响最小的情况下减轻定子的质量，实现了性能与质量的更好平衡。同时，叠片组第一端1002的一侧设置有凸起边缘1010，另一侧有对应的匹配凹槽1012，相邻叠片组的凸起边缘和凹槽相互配合，增加了相邻叠片组之间磁通量通过的面积，从而提高了定子的性能。

图4 定子齿用叠片组的透视图

在定子的组装过程中，采用了一种有序且高效的方式。首先制作叠片组1000，然后对叠片组进行包复成型，形成如图3所示的包复成型齿1200。接着，如图5-8所示，将导线1102缠绕在两个包复成型齿的中心部分，形成双合绕组1300，在缠绕过程中，将导线的两端去除绝缘层并分别缠绕在相应的柱上。之后，将柔性印刷电路板组件(PCBA)1400和缠绕好的双合绕组1300组装到定子支架1500上，使导线缠绕在柱上的剥离端分别与PCBA上的内导电片1404和外导电片1406接触。最后，对组装好的定子进行包复成型，形成如图9所示的最终定子结构，这种包复成型不仅增加了定子的耐用性，还能防止污染物接触到线圈和其他部件，进一步提高了定子的可靠性。

图5 绕线双合件的横截面

图6 绕线双合件的透视图

图7 柔性印刷电路板组件(PCBA)的透视图

图8 定子支架的透视图

图9 包复成型后的组装定子的透视图

本文中的电动机设计在整体性能提升方面也有诸多创新。在散热方面，结合航空器的特点，设计了高效的散热系统。如图10所示，在飞机推进系统500中，集成的泵风扇502能够循环冷却液，冷却液通过散热器508、电动机504和逆变器系统506形成的冷却路径，带走运行过程中产生的热量。同时，泵风扇502还会旋转风扇510，将冷却空气吹过泵风扇、电动机和逆变器系统，进一步增强散热效果。

图10 飞机推进系统的部分横截面

此外，当飞机处于悬停配置时，如图11所示，散热器508暴露在开放空气中，相比垂直配置时，能够获得更多来自风扇和螺旋桨的气流，从而在高功率运行的悬停状态下，为电动机等部件提供更充足的冷却，有效解决了传统电动机在高负荷运行时散热不足的问题。

图11 飞机推进系统以及螺旋桨、机舱等相关部件的倾斜情况

在与航空器整体系统的集成方面，本文的电动机也进行了优化设计。如图12-13所示，电动机作为飞机推进系统108的一部分，与飞机的能源系统200紧密结合。能源系统中的电池组202为电动机提供电能，电池组通过电池伴侣208、电力电子设备214等部件与电动机进行连接和协同工作。同时，电动机与飞机的倾斜机构、叶片变距机构等部件相互配合，实现飞机在不同飞行模式下的稳定运行，如在倾斜旋翼飞机中，电动机能够支持推进系统在向前飞行和悬停飞行等不同状态之间的切换，提高了飞机的整体性能和灵活性。

图12 飞机平面图

图13 图9所示飞机的飞机能源系统示意图

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