1.本发明属于航空发动机试车台技术领域，尤其涉及一种新型高速启动机。
背景技术：
2.航空发动机启动机(apu)是航空器上的一种辅助动力装置，用于启动飞机的主发动机。
3.目前市场上的apu启动机产品大多采用航空专用元件，其最高转速一般在10000转左右，而常规民用电机，其功能、转数、安全保护等措施又难以满足高速发动机的启动需求。因此，需要一种新型的高速启动机来替代航空专用元件。
技术实现要素：
4.本发明提供一种新型高速启动机，其采用高速电机作为动力源，取代了传统的航空专用元件，同时采用高速自动离合器和剪断式力矩限制器，实现了高速发动机的启动需求，并保证了启动机的安全性，可广泛应用于航空发动机启动机领域。
5.本发明采用如下技术方案予以实现。
6.一种新型高速启动机，用于启动飞机的主发动机，所述启动机包括：剪断式力矩限制器2、外轴承对3、高速自动离合器4、内轴承对5、安装座6以及高速电机7；
7.所述剪断式力矩限制器2一端与飞机附件通过花键插入连接，所述剪断式力矩限制器2的另一端限制在内轴承对5内，所述内轴承对5固定在高速自动离合器4外圈上，所述飞机附件外部连接发动机；
8.所述外轴承对3固定在安装座6内部，所述外轴承对3支撑高速自动离合器4外圈，所述安装座6用于连接飞机附件和高速电机7，所述高速电机7与外轴承对3通过花键连接。
9.进一步的，所述剪断式力矩限制器2是启动机力矩传递过程的一级传递轴，其材质与飞机附件1保持一致，所述剪断式力矩限制器2的定位依靠安装座6与飞机附件1保持相对同轴可控。
10.进一步的，所述高速自动离合器4是启动机力矩传递过程的二级传递轴，通过楔块实现剪断式力矩限制器2和高速自动离合器4外圈的单向传递功能，高速自动离合器4内圈由剪断式力矩限制器2替代，高速自动离合器4外圈支撑内轴承对5，并连接高速电机7。
11.进一步的，所述剪断式力矩限制器2上设置有力矩削弱区，所述力矩削弱区设置在与飞机附件连接的花键结构对应的区域，且力矩削弱区一端保留在飞机附件1内，另一端限制在内轴承对5内。
12.进一步的，所述力矩削弱区的采用圆周削弱。
13.进一步的，所述剪断式力矩限制器2内与高速自动离合器4对应的区域作加硬处理，用于替代高速自动离合器4内圈。
14.进一步的，对于不同型号的发动机，采用所述启动机启动时，需更换满足发动机接口参数的间断式力矩限制器2和安装座6。
15.进一步的，安装座6用于连接飞机附件1和高速电机7，安装座6与高速电机7连接采用螺栓-法兰结构，定位采用止口定位，确保整个力矩传递路径相对同轴可控。
16.本发明技术方案采用高速电机作为动力源，取代了传统的航空专用元件，提高了启动机的启动速度和效率。本发明采用高速自动离合器，其最高转速可达1万转，实现了高速发动机的启动需求。同时，本发明还采用剪断式力矩限制器，保证了启动机的安全性。
附图说明
17.图1为本发明实施例提供的一种新型高速启动机的结构示意图；
18.其中，1-飞机附件，2-剪断式力矩限制器，3-外轴承对，4-高速自动离合器，5-内轴承对，6-安装座，7-高速电机。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明。
20.本发明实施例提供一种新型高速启动机，用于启动飞机的主发动机，如图1所示，所述启动机包括：剪断式力矩限制器2、外轴承对3、高速自动离合器4、内轴承对5、安装座6以及高速电机7；
21.所述剪断式力矩限制器2一端与飞机附件通过花键插入连接，所述剪断式力矩限制器2的另一端限制在内轴承对5内，所述内轴承对5固定在高速自动离合器4外圈上，所述飞机附件外部连接发动机；
22.所述外轴承对3固定在安装座6内部，所述外轴承对3支撑高速自动离合器4外圈，所述安装座6用于连接飞机附件和高速电机7，所述高速电机7与外轴承对3通过花键连接。
23.具体的，
24.飞机附件为被试试验件发动机随机附件，通常为甲供设备，依照不同发动机其接口、参数各不相同，其扭矩输入通常为花键输入，花键规格以飞机附件为准。
25.剪断式力矩限制器2作为启动机的关键部件，是力矩传递过程的一级传递轴，其材质通常与飞机附件1保持一致以减少对飞机附件1的磨损，其与飞机附件1采用花键插入结构，定位依靠安装座6与飞机附件1保持相对同轴可控；剪断式力矩限制器2作为距试验件飞机附件1最近传递设备，削弱区设置在花键附近，可有效保护飞机附件1，同时当扭矩峰值冲击时，削弱区两端，一端保留在飞机附件1内，另一端限制在内轴承对5内，防止其因断裂造成额外飞脱损伤；剪断式力矩限制器2内离合器4区域局部作加硬处理，用于替代离合器内圈，参与离合器4脱开、啮合动作，完成力矩自高速电机7至飞机附件1的传递过程。
26.外轴承对3通过定距套、端盖、轴肩等固定在安装座6内，用于支撑离合器4外圈，同时采用花键与高速电机7连接，将高速电机7转数、扭矩等通过离合器4传递至剪断式力矩限制器2。
27.离合器4作为启动机的关键部件，是力矩传递过程的二级传递轴，用于控制力矩传递的脱开、啮合，通过机械结构(楔块)实现剪断式力矩限制器2和外圈的单向传递功能，满足飞机附件1的固定转速、固定扭矩、单向传递、随时啮合等功能需求。离合器4内圈由剪断式力矩限制器2替代，外圈同时满足脱开啮合、支撑内轴承对5、连接高速电机7三种功能要求，其中脱开啮合区域局部加硬处理。
28.内轴承对5用于支撑剪断式力矩限制器2使用，其通过轴肩、端盖、波形垫等固定在离合器4外圈上，同时当剪断式力矩限制器2发生断裂后，确保不会产生额外的飞脱损害。
29.安装座6用于连接飞机附件1和高速电机7，其中与飞机附件1连接形式依照不同规格以飞机附件1为准，与高速电机7连接采用螺栓-法兰结构，定位采用止口定位，确保整个传递路径相对同轴可控。
30.高速电机7作为启动机的动力装置，其参数需满足不同飞机附件1的转数、扭矩的功能需求，同时其通过安装座6承载在飞机附件1上，其重量、长度等自身参数需尽量小型化、轻量化，其电机外壳、散热片等均采用铝材质，内部主转轴、绕线等均需作轻量化处理，以避免对飞机附件1产生额外载荷，与离合器4采用花键连接形式传递扭矩。
31.进一步的，本发明技术方案还可以采用电子控制系统，对启动机的运行进行控制和监测。电子控制系统可以实现启动机的自动化控制，提高启动机的稳定性和可靠性。同时，电子控制系统还可以对启动机的运行状态进行监测和诊断，及时发现和排除故障。
32.(1)启动机的自动化控制：电子控制系统可以通过传感器检测启动机的状态和环境参数，例如转速、电流、温度、振动等因素。根据预设的参数和逻辑控制算法，电子控制系统可以自动启动、停止和调节高速电机的转速。在针对不同产品和时，可以设置启动机快速达到预定速度后维持一定时间，以确保发动机启动完成，同时在发动机启动后自动停止减少对启动机相关部件的磨损。
33.(2)控制时序的设计：根据特定产品和特定高速条件，电子控制系统可以设计适合的控制时序。在启动机启动过程中，可以设置一系列的操作步骤和时序，以确保启动机的稳定性和可靠性。具体的控制时序可以根据启动机的特性和产品要求进行调整和优化。启动机由于其工作特性，需要短时间(20～30秒)达到工作转数，同时达到其最大输出扭矩，但其整体工作时间较短(大约60s)，针对该特性在控制时序时需实时监视其转数和扭矩值，并通过高采样率数据采集器收集数据修正控制系统，满足启动机功能需求
34.(3)转速精确控制：电子控制系统可以通过调节电机的电压和频率来实现对转速的精确控制。使用pid控制算法或其他合适的控制策略，电子控制系统可以根据设定值和反馈信号来调节电机的驱动力，以达到所需的转速。
35.(4)故障监测和诊断：电子控制系统还可以对启动机的运行状态进行实时监测和诊断。通过传感器和算法，电子控制系统可以检测启动机的转速和电流，并与预设的标准进行比较。如果发现异常或故障，电子控制系统可以发出警报并采取相应的措施，例如自动停止启动机、显示故障代码或发送报警信息。
36.进一步的，本发明采用了高速自动离合器，其最高转速可达1万转，可以满足高速发动机的启动需求。同时，高速自动离合器可以自动控制离合，使得启动机的启动更加平稳和可靠。与传统的离心式离合器、摩擦式离合器等类型相比，本专利采用的高速自动离合器相比的结构更加简单，易于维护和更换。同时，可实现单向传递、机械脱开—加持等优势。
37.高速自动离合器的内部结构如下：
38.内外圈：离合器的主要部分是内圈和外圈，它们通过轴承支撑并可以实现相对高速旋转。
39.楔块：楔块是离合器的关键部件，它们被布置在内外圈之间。楔块的数量和布置方式可以根据实际需求进行设计，不同规格启动机可采用相对近似结构。
40.高速自动离合器的装配关系如下：
41.内外圈的装配：内外圈通过轴承支撑，可以相对旋转。内圈与发动机的输入轴连接，外圈与传动系统的输出轴连接。
42.楔块的布置：楔块被布置在内外圈之间，并通过其特殊的形状和保持架离合器的工作状态。当内外圈存在速度差时，楔块会受到力的作用，改变姿态，从而使离合器脱开或啮合。
43.具体的，高速自动离合器具备如下优势：
44.单向传递效果：通过楔块的特殊形状和位置设计，当内外圈存在速度差时，楔块会改变姿态，从而实现离合器的脱开或啮合动作。这样可以实现单向传递效果，即在某一方向上传递扭矩，而在另一方向上离合。例如：当内圈高速，外圈低速(内圈旋转、外圈静止)楔块释放，内外圈不存在相对力矩传递关系，内外圈可各自自由旋转，即离合器脱开状态；当内圈低速，外圈高速(内圈静止、外圈旋转)楔块加持，内外圈存在相对力矩传递关系，内强制依照外圈速度运转，即离合器啮合状态。达到单向传递目的。
45.机械脱开-加持效果：通过楔块的特殊形状和位置设计，结合内外圈的相对旋转，离合器可以实现机械脱开和加持效果。当内外圈速度差较大时，楔块会改变姿态，使离合器脱开，从而实现启动机的平稳启动。当内外圈速度差较小时，楔块会改变姿态，使离合器加持，从而增加传动系统的可靠性。
46.简单结构和易维护性：相比传统的离心式离合器和摩擦式离合器，高速自动离合器采用的楔块式结构更加简单，无弹簧、摩擦片等结构，易于维护和更换。这样可以降低维护成本和维修时间。
47.进一步的，本发明中的剪断式力矩限制器采用轴上局部削弱区的设计，通过对轴上的局部区域进行削弱，从而在传力过程中对力矩进行物理限制。这种设计可以有效地防止启动机的过载和损坏，确保力矩传递过程中峰值可靠。轴上局部削弱区的设计需要根据实际需求进行优化，包括削弱区域的位置、大小、形状等参数。通过对这些参数的优化，可以实现对传力力矩的精确控制，保证启动机的安全性和可靠性。
48.(1)削弱区位置：削弱区域的位置会直接影响到力矩的传递路径。将削弱区域放置在离力矩源头较远的位置，可以使得力矩在传递过程中逐渐减弱。而将削弱区域放置在离力矩源头较近的位置，则会使得力矩在传递过程中较快地被削弱。结合本项目应用情况，削弱区用于作为保护发动机最终手段，其位置布置在仅靠发动机传递花键区附近，确保当力矩峰值出现时可以有效保护发动机。
49.(2)削弱区大小：削弱区域的大小会决定削弱的程度。削弱区域越大，力矩的削弱效果就越明显。相反，削弱区域越小，力矩的削弱效果就越小。对削弱区的设置依照不同发动机型号在前期数值仿真的基础上需对传递轴进行力矩扭断试验，最终确定削弱区大小。
50.(3)削弱区形状：削弱区域的形状也会对削弱效果产生影响。不同形状的削弱区域会对力矩的不同部分产生不同程度的削弱。例如，一个圆形的削弱区域可能会对力矩的整个范围产生均匀的削弱效果，而一个椭圆形的削弱区域可能会对力矩的某个方向产生更强的削弱效果。针对启动机运行状态及发动机自身特性，削弱区采用圆周削弱，确保各类载荷均可有效吸收、防护。
51.本发明技术方案采用高速电机作为动力源，取代了传统的航空专用元件，提高了
启动机的启动速度和效率。本发明采用高速自动离合器，其最高转速可达1万转，实现了高速发动机的启动需求。同时，本发明还采用剪断式力矩限制器，保证了启动机的安全性。