基于EPF叶片、HK7050的大功率电动金属涵道

modisc

感谢版主加精，本帖内包括尽量详细描述的制作过程和可直接下载的CAD图纸、设计图等，供大家参考！附件请在百度云中下载，永久公开有效：https://pan.baidu.com/s/1Zjw2B3ur3u12KJHFOfYJgg
背景介绍：
1, 目前最大的商品化模型电动涵道是德国的Schubeler DS-215-DIA HST 195mm Carbon EDF Ducted Fan，驱动电机为专门设计的DSM10066-290 Motor。驱动电机应该为内转子，Kv为290rpm/v。具体参数如下：
导流管内径: 195 mm
扫风面积: 215 cm2
包括整个EDF、电机、外固定支架在内的重量: 3400 g
推力: 215-250 N
转速: 12.000-14.000 U/min
输入功率 9,8-15,6 kW
电压: 12-14S



2, EPF是TW一家专门做EDF的公司，有64-120mm的全系列产品，基本都是基于外转子的电动涵道，多轴承设计，质量、动平衡都很不错。最近联系到EPF厂家定制了一款最大直径216mm的合金涵道叶片（叶片设计据说是他们的一个客户），原配天蝎星HK7050 Kv340电机。厂家自己有设计整个合金外壳、支架。EPF原厂的叶轮和外壳据说是用5轴机械臂配合特殊夹具整块雕刻，成本还是非常高的，虽未量产，但整套售价还是比较合理。因个人原因，自己针对这款216mm的涵道叶片，结合自己绕的HK7050 Kv236（槽满率超过原厂40%），设计了一套基于铝合金的外壳支架。供大家参考。
以下是厂家预先提供的一些叶片照片：




涵道设计：
整体设计上采用铝合金材质，主要原因是加工难度，其次原因是材料费用，也因此在这个涵道的设计上，不存在那些高端碳纤涵道（如vasafan、和之前提到的Schubeler）的stator导流叶，这也是最大的弊端。
以下是DS-215的rotor/stator设计


最终的涵道设计主要包括三方面：前盖/双向角接触轴承、导流管、后盖/深沟球轴承。如下图


设计细节：
1，角接触轴承：由于该叶片的吹风方向朝上，也就是朝着电机到前盖的方向鼓风，因此叶片的受到向下的作用力；而取出轴承与前盖之间为紧密配合，取出轴承时要对轴承内环施加向上的作用力。正由于轴承可能会受到两个轴向方向作用力的情况，因此采用了双排角接触轴承。单排角接触轴承只能承受一个方向的、优于深沟球轴承的作用力。这种尺寸的双排角接触轴承，又要转速足够高，可选用的是进口主轴轴承。涵道运转时的轴向作用力绝大多数将作用在前盖的角接触轴承，还有一部分将作用于电机内最靠近定子的、上方的轴承上。但没有轴向作用力发生在下方电机轴承和底盖轴承。采用不同尺寸的轴承也是为了避免共振。
2，叶轮与电机的固定：
该叶轮在设计上是固定在电机转子的铝合金底座上，因此对轴的要求就比较低一些了，也就是轴和电机转子底座之间的作用力就不存在了，轴只是为了同心。这个设计对外转子驱动涵道而言是比较理想的。如果完全靠电机轴来传送动力，那么轴和电机转子底座之间的配合、机米螺丝、轴的表面硬度要求就非常高了，毕竟靠那两个小小的机米螺丝来承受所有阻力还是蛮虚的。
3，气息：
由于铣床和机床加工出来的前后盖和导流管精度都还算比较高，比较给力点的铣床加工可以到±0.05mm，车床可以做到极高的同心度。而前后盖均配备轴承来确保转子的中心位置，且铝合金导流管的刚性非常好，比碳纤维高很多，因此可以把气息做的非常小。原本设计叶片和导流管内径间的气息距离是0.5mm，后来因为加工导流管的时候我都在场，发现同心度非常好，最后把气息改为0.4mm。依靠前后盖的两个相对大尺寸的轴承来确保转子高速运转时的稳定性，对电机的两个12*21*5的微型轴承的压力就小了很多。
4，材料：
因为材料成本原因，前后盖就选用了7075铝合金，导流管选择了6061 T6。因为是第一次做，对多少厚度的板材、多厚的管材也没有一个概念，因此就凭想象把板材厚度定为20mm，管材的最薄处定为2mm、配合7mm厚、7mm宽的筋来起到加固作用。实际上做出来、装配之后感觉刚性非常好，站个200斤的人都没问题。目前除电机和转子外的重量为3.3kg，实际上有可能可以做的更小。另外，如果不怎么考虑成本，或者有尺寸合适的材料，甚至可以用TC4钛合金来做前后盖和导流管；从比重来看，7075大约2.6，TC4为4.51；但是TC4的硬度可达35，比最好的铝材都高了好几个档次。

最终设计出的产品如下：
导流管内径: 216.8 mm
扫风面积: 310 cm2
包括整个EDF、电机、外固定支架在内的重量: <6 kg
推力: 待定
转速: 待定
输入功率：待定
电压: <16S
电机：HK7050，10AWG x 10T YY，Kv236；更换长152.3mm、直径12mm的TC4钛合金轴
叶片：14叶合金叶片，最大径216mm
外壳：6061 T6铝管 车床加工，内径216.8mm；7075 T6铝板，20mm厚，铣床加工。
外壳轴承：后盖12*28*10深沟球轴承；前盖12*32*15.9mm双排角接触轴承。

其他：
因为叶片的性能尚未知，适合多少转速也不清楚。但因为该叶片是设计与HK7050 Kv340电机配合，目前航模的电压收到ESC的限制，一般也不会超过16S，也就是60V左右（按3.7V平台电压来计算），那么实际转速应该是低于20000rpm的。但目前我的HK7050的Kv相对较低，而定子线圈已被250度的环氧树脂固定死，因此我重新用川崎1200、0.2mm矽钢片重新线切割了一个7050尺寸的定子，以备万一需要更改kv的情况。


以下是目前手头的一些细节图片，叶片和电机转子还因为要做额外的整体动平衡，还没到手。
HK7050转子

HK7050


HK7050定子


HK7050定子


TC4钛合金支架，典型的钛紫色（线切割吻合外圆的弧面）



装配好的前盖、后盖、外圆。

luyiyue1234

围观一下                  

易牧ycy洋葱

216mm的涵道。。。推力大概能达到多少？10kg？

卓力格图king

浩大的叶片！

modisc

一楼已更新部分图片

飞不高的小小鸟

猛

modisc

感谢版主加精，已更新制作细节、参数、CAD图。待转子到位后继续更新。

aron

happyxihua

航空工业有希望了

dpf1979

有这条件和设备为啥不去研发航模用的涡扇发动机啊？浪费了！无论如何改进都无法改变涵道发动机留空时间短的问题！

刀尖上的海

厉害

modisc

TC4 钛合金电机底座
线切割7050定子，0.2mm矽钢片，外径70.2mm（电机气息0.4mm）。2.3mm 200度漆包线，11T，half parallel DD接法。Kv：370rpm/V。

整体重量<5kg


基于7075T6的线切割导流片，制作中。。。


整体观

arnoldswzg

牛逼，要玩涵道，投入真心大

feizhimeng

强大

城市的鸟

这多大推力

雨夜的浪漫

牛！弱弱的问一句楼主。线圈自己绕了以后虽然线圈不转动，对动平衡有没有影响啊？

modisc

雨夜的浪漫 发表于 2019-1-18 04:28
牛！弱弱的问一句楼主。线圈自己绕了以后虽然线圈不转动，对动平衡有没有影响啊？

肯定木有影响哈

雨夜的浪漫

modisc 发表于 2019-5-27 17:09
肯定木有影响哈

在您绕线那个精华帖学了不少东西。自己绕了个水星64 4s改6s就是线圈烧的太厉害了，拆的时候不知道是4圈还是5圈，我改成单线八圈了。线截面是原来的0.85

modisc

雨夜的浪漫 发表于 2019-5-28 10:02
在您绕线那个精华帖学了不少东西。自己绕了个水星64 4s改6s就是线圈烧的太厉害了，拆的时候不知道是4圈还 ...

感谢支持。我也很喜欢epf的设计，感觉很稳固、配合的外转子散热也很完美。他家可以直接买套件来绕，也蛮方便的。厂家也提供动平衡服务，我自己做过3次。就是邮寄太贵。
可惜的就是他家定子没有针对大功率航模电机重新设计，比如想蝎子或者k拍那种增宽的槽支、槽支宽度和厄环厚度2:1的最高效比例等。磁钢是弧形的，就是不知道牌号咋样，感觉不像定制的高牌号～如果弄好这些，水星就是我眼中最完美的函道了～

雨夜的浪漫

modisc 发表于 2019-5-28 10:50
感谢支持。我也很喜欢epf的设计，感觉很稳固、配合的外转子散热也很完美。他家可以直接买套件来绕，也蛮 ...

我欣赏的还是出线的方式，肯定能优化一点推力，叶片还是觉得塑料最实用，铝合金用些次数就打豁口了。然后还希望内转子涵道，电机反过来装，像水星这种样子，后出线丑影响推力。