揭秘Joby飞行器电机转子轻量化设计与强效散热结构方案

电动飞机的出现为航空业的可持续发展带来了新的希望。与传统燃油飞机相比，电动飞机具有零排放、低噪音、能源效率高等显著优势。电动飞机使用电能作为动力来源，在飞行过程中不会产生二氧化碳等温室气体排放，能够有效减少对环境的污染。同时，电动飞机的噪音水平较低，能够降低对机场周边居民的噪音干扰，提高居民的生活质量。此外，电动飞机的能源效率相对较高，能够降低运营成本，提高航空公司的经济效益。

然而，要实现电动飞机的广泛应用，还面临着诸多技术挑战。其中，电动机作为电动飞机的核心动力部件，其性能的提升是关键。电动机的重量、效率、功率密度等指标直接影响着电动飞机的飞行性能和续航里程。因此，研发高性能、轻量化的电动机成为航空电动化发展的重要任务。

在现有的航空电动机技术中，转子作为电动机的重要组成部分，存在着一些亟待解决的问题。传统的电动机转子通常采用较为厚重的结构设计，这使得转子的重量较大，从而增加了整个电动机的重量。电动机重量的增加会导致电动飞机的负载增大，进而影响飞机的飞行性能和续航里程。例如，在一些小型电动飞机中，由于电动机重量过大，飞机的有效载荷受到限制，无法搭载更多的乘客或货物，降低了飞机的运营效率。

从散热性能方面来看，传统转子的设计也存在不足。在电动机运行过程中，转子会产生大量的热量，如果这些热量不能及时散发出去，会导致转子温度升高，进而影响电动机的性能和寿命。传统转子的材料和结构设计往往不利于热量的传导和散发，容易造成热量积聚，降低了电动机的可靠性和稳定性。

此外，传统转子的密封性能也有待提高。在航空环境中，电动机需要在复杂的工况下运行，面临着灰尘、杂物等污染物的侵入风险。如果转子的密封性能不佳，污染物进入转子内部，会对电动机的正常运行造成严重影响，甚至可能导致电动机故障。

以图1A-1C所示的传统径向磁通永磁电机拓扑结构为例(图1A展示了内转子拓扑结构102，图1B展示了外转子拓扑结构104，图1C展示了双转子拓扑结构106)，这些结构中的转子在设计上或多或少都存在上述问题。在实际应用中，这些问题严重制约了电动飞机的发展和推广。

图1A-C部分径向磁通永磁电机拓扑结构的示意性局部横截面图

为了解决上述问题，本文提出了一种具有轻质磁转子的电动机，其设计理念和结构创新为航空电动机的发展提供了新的思路和方法。

本文设计的电动机转子外壳采用钛合金材料，相较于传统的金属材料，钛合金具有重量轻、强度高的优点，能够有效降低转子的重量。如图2所示的轻质转子200，其转子外壳202由钛合金制成，包括第一法兰208和第二法兰210，通过管状部分212连接。这种结构设计不仅保证了转子的强度，还减轻了转子的重量。同时，转子外壳的外表面206设计为光滑表面，在飞行过程中能够减少空气阻力，进一步提高电动机的效率。

图2 部分转子的透视局部横截面图

在一些示例中，如图3所示的轻质转子500，转子外壳502的设计更加优化。它由两部分组成，管状部分516和第二法兰514为一部分，第一法兰512为单独的轮廓环形部分。第一法兰512通过过盈配合812与管状部分516连接，这种连接方式不仅保证了连接的牢固性，还便于安装和拆卸。同时，第一法兰512上设置有凹槽814，与管状部分516上的相应凸片816配合，用于定位，确保了转子各部分的精确安装。

图3 部分转子的透视局部横截面图

转子中的永磁体沿转子外壳的内表面布置，如图2-3所示，永磁体204和504分别位于转子外壳202和502的内表面圆周凹槽中。这种布置方式能够充分利用永磁体的磁性，提高电动机的性能。同时，永磁体通过薄膜粘合剂固定在转子外壳上，如图4-5所示，粘合剂304和810将永磁体牢固地粘结在转子外壳上，确保永磁体在转子高速旋转过程中不会发生位移。

图4 图2中转子的局部剖视图

图5 图3中转子的局部剖视图

此外，在图6所示的轻质转子500的管状部分516内表面，还设置有多个轴向凹槽904。这些轴向凹槽用于容纳部分粘合剂，在固定永磁体时，粘合剂填充在轴向凹槽中，为永磁体和管状部分之间提供了额外的机械连接，进一步增强了永磁体与转子外壳之间的连接强度，提高了电动机运行的可靠性。

图6 图3中轻质转子的管状部分和第二法兰的局部透视图

为了进一步减轻转子重量并提高散热性能，在转子外壳的外表面设置了蜂窝板。如图3，7-8所示，在转子外壳502的外表面凹槽506中设置了铝制蜂窝环600，蜂窝环600由蜂窝板700制成。蜂窝板700具有独特的结构，其壁与板的平面相切，这种结构使得蜂窝板在切向方向上具有抗压强度，同时又具有一定的柔韧性，可以围绕与板平面平行的轴弯曲。

图7 图3中轻质转子的透视局部横截面图

图8 适用于形成图3中转子外壳周围环的蜂窝板的透视图

因此，合适尺寸且带有切口604的蜂窝板700能够包裹在转子外壳502的管状部分516上并放入凹槽506中，其端部连接形成蜂窝环600，并且在一些示例中，蜂窝板700还与外表面508粘结。当蜂窝环600围绕转子外壳502组装时，形成蜂窝板700的六边形管面向径向方向。

蜂窝板的应用不仅减轻了转子的重量，还提高了转子的散热性能。钛合金虽然强度高、重量轻，但导热性较差，而铝制蜂窝板具有良好的导热性，能够将转子外壳产生的热量快速传递出去，有效地解决了转子散热问题，保证了电动机的正常运行。

为了防止灰尘和杂物进入转子内部，本文设计了一种迷宫式密封结构。如图9所示，在转子的第一法兰208上形成凹槽310，这些凹槽与密封环402上的一个或多个凸起404配合形成迷宫式密封400。密封环402与定子连接，相对于机舱1002(见图10，图10为用于飞机1100的推进系统1000的后透视图)固定，而转子200与转子叶片1006和整流罩1004连接并一起旋转。

图9 适用于图2中转子的迷宫式密封的透视局部横截面图

在这种密封结构中，密封环402和第一法兰208之间没有直接接触，因此在使用过程中不会产生接触摩擦损失。同时，由于第一法兰208的凹槽310和密封环402的凸起404之间形成了复杂的路径，灰尘和杂物很难通过该路径进入转子内部，有效地提高了转子的密封性能，保护了电动机的内部结构，延长了电动机的使用寿命。

本文设计的具有轻质磁转子的电动机可作为飞机推进系统的重要组成部分。如图10-11所示，飞机推进系统1000包括机舱1002，机舱为电动机驱动的转子叶片组件1008提供气动覆盖和支撑结构。转子叶片组件1008包括本文所述的转子200或转子500，转子与转子叶片1006和整流罩1004连接。在飞机底部隐藏的是与机舱1002连接的定子。在使用过程中，通过定子的电流产生电磁力，作用于永磁体204/504，进而驱动转子200/500旋转，使转子叶片组件1008旋转，为飞机1100提供推力。

图10 适用于飞机的推进系统的后透视图

图11 飞机的前透视图

此外，飞机1100还包括机身1102、机翼1104、稳定器1106、多个可倾斜推进系统1000和多个固定推进系统108。可倾斜推进系统1000中的倾斜机构能够使包括转子500、定子、转子叶片1006和整流罩1004的组件在水平和垂直位置之间倾斜，这种设计使得飞机1100能够实现垂直起降和垂直飞行。而本文所述的轻质转子500的应用，由于其重量较轻，能够有效降低飞机的负载，同时其良好的散热性能也有助于提高飞机推进系统的性能，为飞机的安全、高效飞行提供了有力保障。

综上所述，本文提出的具有轻质磁转子的电动机通过优化转子结构设计、改进密封性能以及合理应用于飞机推进系统，有效地解决了当前航空电动机中存在的重量大、散热差、密封不良等问题，为航空电动化的发展提供了一种创新且有效的解决方案，具有广阔的应用前景和重要的现实意义。

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