用于电机的转子组件

摘要

一种用于电机的转子组件，包括：芯部，其具有至少一个支柱和盖罩，其中电绕组缠绕在转子组件的周围以限定电极。转子和转子电极相对于定子的旋转产生从电机供应至耗电装置的电流。

权利要求

1.一种用于电机的转子组件，包括：

非叠置结构，其限定了芯部，所述芯部具有至少部分地限定出绕组座的至少一个支柱；

绕组，所述绕组缠绕在所述支柱周围并具有被接收在所述绕组座内的至少一部分；

叠置结构，所述叠置结构限定了盖罩，所述盖罩联接至所述支柱并具有叠置在所述绕组上的一部分，以便与所述芯部共同限定出轴向延伸的绕组槽；

冷却剂通道，所述冷却剂通道定位在所述芯部内并且邻近所述绕组座；

其中所述盖罩由比所述芯部的导电性更弱的材料制成。

2.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述冷却剂通道包括所述芯部中的孔，所述绕组座限定沿其径向延伸的冷却剂槽道。

3.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，还包括邻近所述绕组座的多条冷却剂通道，所述芯部至少部分限定出位于支柱上的所述冷却剂通道。

4.根据权利要求3所述的转子组件，其特征在于，所述绕组座包括至少两个表面，所述至少两个表面中的每一个表面都具有对应的冷却剂通道。

5.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述芯部还包括中央通道，所述中央通道流体地联接至所述冷却剂通道以形成冷却剂回路的一部分。

6.根据权利要求5所述的转子组件，其特征在于，所述芯部还包括径向通道，所述径向通道在所述冷却剂通道与所述中央通道之间延伸，以进一步形成制冷剂回路的至少一部分。

7.根据权利要求6所述的转子组件，其特征在于，所述冷却剂通道、中央通道和径向通道都在所述芯部的内部，所述径向通道还包括由所述绕组座限定的不邻近于所述冷却剂通道的冷却剂槽道。

8.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述芯部还包括设置在所述绕组座上的热导体。

9.根据权利要求8所述的转子组件，其特征在于，所述热导体是施加于所述绕组座的涂层。

10.根据权利要求1所述的转子组件，还包括至少一个楔形件，所述至少一个楔形件构造成将所述绕组偏压到所述绕组座中。

11.根据权利要求10所述的转子组件，其特征在于，所述至少一个楔形件包括偏压元件。

12.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述芯部由比所述盖罩热传导性更强的材料制成。

13.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述盖罩由钴制成，或者所述芯部由钢制成。

说明书

用于电机的转子组件

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请在35 U.S.C.§119下要求于2013年9月6日提交的国际申请No. PCT/US2013/058424的优先权，该国际申请通过引用而完全结合于本申请中。

背景技术

[0003] 将诸如电动马达和/或发电机之类的电机用于能量转换。在飞机工业中，见到具有马达和发电机模式结合的电动马达是常见的，其中，将处于马达模式中的电机用于起动航空器发动机，并且根据该模式，所述电机也用作发电机，以便供应电力至航空器系统。无论模式如何，该机器通常包括具有主要绕组的转子，所述主要绕组被驱动以由诸如机械机器或电机之类的旋转源旋转，对于一些飞机而言，该旋转源可以是燃气涡轮发动机。

发明内容

[0004] 一种用于电机的转子组件，包括：非叠置结构，其限定了具有至少部分地限定出绕组座的至少一个支柱（post）的芯部；缠绕在所述支柱周围并具有被接收在绕组座内的至少一部分的绕组；叠置结构；所述叠置结构限定了盖罩，所述盖罩联接至所述支柱并具有叠置在绕组上的一部分，以便与所述芯部共同限定出轴向延伸的绕组槽；以及冷却剂通道，所述冷却剂通道定位在所述芯部内并且邻近所述绕组座。

附图说明

[0005] 在附图中：

[0006] 图1是能够作为起动机/发电机工作并且具有根据本发明第一实施方式的转子组件的电机的截面图。

[0007] 图2是沿图1的线2-2剖开的图1的转子组件的局部透视截面图。

[0008] 图3是图2的转子组件的标为III的区域的放大部分。

[0009] 图4是来自图2的转子组件的转子芯部的透视图。

[0010] 图5是根据本发明的第二实施方式的转子组件的局部截面图。

[0011] 图6是根据本发明的第三实施方式的转子组件的局部截面图。

[0012] 图7是根据本发明的第四实施方式的转子组件的局部截面图。

具体实施方式

[0013] 尽管本发明的实施方式可在利用同步电机或主机的任何环境中实施，但它的具体示例为发电机。该发电机当前被设想成在喷气发动机环境中实施。作为选择，本发明的实施方式可包括起动机/发电机并可提供涡轮发动机起动能力，其中，该起动机/发电机提供机械动力以通过起动方法来驱动涡轮发动机。对于所设想的发电机环境进行的简短概要应该有助于对其进行更为充分的理解。

[0014] 图1示出了安装在燃气涡轮飞机发动机上或其内部的电机组件10。该燃气涡轮发动机可以是通常用在现今商业和军用航空中的诸如通用电气GEnx或CF6系列发动机之类的涡轮风扇发动机或者它可以是诸如涡轮螺旋桨飞机或涡轮轴之类的多种其它已知的燃气涡轮发动机。

[0015] 电机组件10包括第一机器12和同步的第二机器18，该第一机器12具有励磁器转子14和励磁器定子16，该同步的第二机器18具有主机转子20和主机定子22。至少一个动力连接件设置在电机组件10的外部上，以便往来于电机组件10传递电力。动力通过示出为电力缆线30之类的该动力连接件直接地或间接地传送至电力负载并且可以从电机组件10提供具有参考地输出的三相电。

[0016] 电机组件10还包括可旋转轴32，该可旋转轴32机械地联接至围绕旋转轴线34的轴向旋转源，该轴向旋转源可以是燃气涡轮发动机。可旋转轴32由间隔开的轴承36支承。励磁器转子14和主机转子20安装于可旋转轴32，用于相对于可旋转地固定在电机组件10内的定子16、22旋转。定子16、22可安装于电机组件10的壳体部分的任何适当的部分。可旋转轴32构造成使得来自运转中的涡轮发动机的机械力向该轴32提供旋转。作为选择，在起动机/发电机的示例中，电机组件10的可旋转轴32的旋转在起动模式期间提供了机械力，该机械力通过轴32传递，以便向涡轮发动机提供旋转。

[0017] 可旋转轴32可还包括中央冷却剂通道28，该中央冷却剂通道28沿轴32的内部轴向地延伸。该中央冷却剂通道28使得诸如油或空气之类的冷却剂流经可旋转轴32的内部。在所示实施方式中，第二机器18设置在电机组件10的后部中，并且第一机器12设置在电机组件10的前部中。可设想出第一机器12和第二机器18的其它位置。

[0018] 图2示出了主机转子组件40的透视图，其中，截掉了该组件40的轴向前端的至少一部分。转子组件40被示出成包括具有至少一个支柱44的芯部42，所述至少一个支柱44从该芯部42径向延伸，可彼此电绝缘的转子绕组46可缠绕在所述至少一个支柱44的周围以限定用于该组件40的电极(pole)48。如所示，转子组件40的四个电极48中的每一个包括一个转子绕组46，所述一个转子绕组46轴向地缠绕在支柱44的周围以限定出转子绕组组50。例如，该芯部42可由非叠置的或非叠层的、实心的或整体式的本体材料模制而成、形成或钻孔而成。芯部本体材料的一个这种示例可以是钢。例如，可利用增材制造（additive manufacturing）来设想出芯部42的替代本体材料和结构。

[0019] 转子组件40的每个电极48还包括盖罩52。转子组件40还包括附加径向元件54，所述附加径向元件54围绕该组件40径向地间隔开，邻近于多个盖罩52，并且与所述多个盖罩52处于交替结构中。每个盖罩52至少部分地叠置在每个支柱44、电极48和转子绕组组50上，并且通过径向元件54与每个相邻的盖罩52间隔开，使得芯部42的共同的盖罩52、径向元件
54和支柱44至少部分地限定出用于接收转子绕组46的轴向延伸的绕组槽56。

[0020] 每个盖罩52可由诸如钴叠置件（laminations）之类的多个叠置件形成或构成。在该示例中，由于其高磁阻特性和电阻特性并且由此由于其使每个电极48的表面处的涡电流最小化的能力，因此，钴叠置件可包括盖罩52。钴叠置件仅是用于构建盖罩52的材料的一种示例，并且可设想出一种或多种替代材料成分。将盖罩52与芯部46相比，该盖罩52与芯部42相比可以是电力传导较弱的并且是热传导较弱的。

[0021] 每个盖罩52与芯部42的支柱44经由盖罩52与所述支柱44的互锁而可拆卸地联接。如所示，该互锁包括盖罩52上的突起58和支柱44上的凹处60，其中，盖罩突起58和支柱凹处
60均具有局部呈圆形的互补的截面，使得突起58被接收在支柱凹处60内，以便将盖罩52可拆卸地联接至支柱44。作为选择，可设想出这样的实施方式，其中，所述互锁元件是颠倒的，例如，支柱44上的突起58和盖罩52上的凹处60。

[0022] 芯部42还至少部分限定出位于支柱44上的内部冷却剂通道62和径向冷却剂通道64，该内部冷却剂通道62邻近于绕组槽56设置并且以与该绕组槽56平行的方式轴向延伸，该径向冷却剂通道64从芯部42的中央径向延伸至每个内部冷却剂通道62。内部冷却剂通道
62可例如被模制、形成或钻孔到芯部42中，并且通过例如支柱44的薄部分与转子绕组46至少部分地隔离开，从而允许在绕组46与冷却剂之间进行热传递。可旋转轴32可另外包括多个冷却剂通道孔66，所述多个冷却剂通道孔66在轴32的周围径向间隔开，使得它们与径向冷却剂通道64对齐，并且允许冷却剂从中央冷却剂通道28往来于径向冷却剂通道64流动。

[0023] 带有冷却剂通道孔66和中央冷却剂通道28的、组装后的可旋转轴32与带有内部冷却剂通道62和径向冷却剂通道64的芯部42限定了冷却剂路径，其中，冷却剂可从冷却剂通道孔66通过径向冷却剂通道64流体地横越、流动或被强制泵送至内部冷却剂通道62，并且被返回至中央冷却剂通道28。转子组件40的后部轴向端可包括两组相同的（duplicate）冷却剂通道孔66和径向冷却剂通道64，使得冷却剂可沿中央冷却剂通道28和内部冷却剂通道62横越、流动或被强制轴向泵送以形成冷却剂回路。在该示例中，整个冷却剂回路可位于芯部42的内部。可设想出冷却剂通过冷却剂通道孔66、径向冷却剂通道64和内部冷却剂通道
62、及中央冷却剂通道28的替代流动、路径和回路。

[0024] 现在转向图3，转子组件40被示出为还包括位于支柱44的至少一部分上的第二突起68，该第二突起68是有键的，以被接收在径向元件54的第二凹处70中。第二突起68和第二凹处70具有相似的截面，使得突起68被接收在凹处70内，以便将径向元件54可拆卸地联接至芯部42。此外，径向元件54被示出为还抵接诸如楔形件72之类的偏压元件，该偏压元件构造成使得径向元件54与芯部42的联接将转子绕组46偏压或紧固到绕组槽56中。转子绕组46到绕组槽56中的偏压确保了绕组46与槽56之间的物理接触，该物理接触用于经由传导来增强热传递。可设想出替代联接，其中，将压缩径向元件54可拆卸地联接至芯部42从而将转子组件46偏压到绕组槽56中。

[0025] 芯部42还包括处于转子绕组46和支柱44的界面处的绕组座74，用于接收转子绕组46。绕组座74可还包括热传导且电绝缘的层76，该层76将转子绕组46与支柱44隔离开。该热传导层76可例如由施加于绕组座74的涂层形成。可设想出替代的热传导层76的结构和装配，例如通过粘接剂粘结、机械固定等。同样如所示，径向冷却剂通道64可还沿绕组座74的槽道78延伸，其中，该槽道78并不邻近于内部冷却剂通道62。作为选择，该槽道78可还包括附加内部冷却剂通道62，所述附加内部冷却剂通道62以与现有通道62平行或相交的方式沿旋转轴线34轴向地行进。

[0026] 图4示出了转子组件40的芯部42的一种实施方式，其中，卸下了盖罩52、径向元件54、转子绕组46和其它可拆卸部件。

[0027] 在发电运转期间，转子组件40通过诸如与可旋转轴32相联接的涡轮发动机之类的机械力围绕旋转轴线34旋转。在旋转期间，转子绕组46被通电以形成电极48，例如，来自励磁器转子14的整流的交流电力输出的直流电力。电极48相对于主机定子22的旋转产生诸如交流电力输出之类的电力输出，该电力输出随后被电力缆线30传送至诸如配电节点之类的电力系统。

[0028] 通过供能后的转子绕组46传送的直流电在该绕组46中产生热。由于芯部42比盖罩52热传导更强，因此所产生的热的一部分被经由绕组座74的热传导层76远离转子绕组46传递至芯部42。此外，楔形件72朝向绕组座74偏压该转子绕组46，以确保绕组46与座74之间的牢固的热传导界面。

[0029] 转子组件40也被构造成将转子绕组46中产生的热以及传递至芯部42的热经由上述冷却剂路径和回路28、62、64、66、78移除。例如，越过转子组件40的冷却剂可经由直接邻近于内部冷却剂通道62的热传导层76直接移除由转子绕组46产生的热。在另一示例中，所产生的热可被如上所述首先传递至芯部42，并且随后经由冷却剂路径和回路28、62、64、66、78被传递至冷却剂。

[0030] 当转子组件40以每分钟预期的高转数（RPM）旋转时，离心力倾向于径向向外推动转子绕组46，这会在热传导层76与绕组46之间形成间隙。通过对流越过转子绕组46与热传导层76之间的间隙进行的该热传递是效率很低的，并且由此是不合乎需要的。盖罩52、径向元件54和楔形件74与转子组件40的共同联接倾向于对抗转子绕组46上的离心力，并且通过确保绕组46停留在适当位置中并且与绕组座74的热传导层76相接触来帮助增强经由传导从绕组46至冷却剂进行的热传递。

[0031] 另外，在发电运转期间，由于通电电极48与定子22之间的空气间隙中的变化的磁场和/或磁通谐波，因此，转子组件40相对于主机定子22的旋转通常导致涡电流损失。由于这些涡电流损失主要发生在电极48表面处或其附近，因此，所述损失会由于盖罩52的叠置结构而被最小化，该叠置结构是电力传导较弱的，并且由此较小地受到所述损失的磁性影响。较少的涡电流损失还导致较少的、由电极48表面处或其附近的损失所产生的热。

[0032] 在发电运转期间，突起58和凹处60还提供了盖罩52与支柱44和芯部42的牢靠互锁。例如，在旋转期间，离心力会试图将盖罩52与支柱44和芯部42分离开。盖罩52通过互锁的突起58和凹处60而与支柱44和芯部42的互锁防止或阻碍了该分离。此外，盖罩52与支柱44和芯部42的互锁提供了抗旋转锁定，该抗旋转锁定被构造成阻碍盖罩52与支柱44的相对旋转。径向元件54的组装还支持抗旋转锁定构造。

[0033] 图5示出了根据本发明的第二实施方式的替代转子组件140。该第二实施方式与第一实施方式相似；因此，相同的部件将以增加100的相似的附图标记进行标识，应理解，对于第一实施方式的相同部件进行的描述适用于第二实施方式，除非另有说明。第一实施方式与第二实施方式之间的区别是，作为选择，盖罩152包括至少截面局部呈梯形的突起158。对应地，芯部142将在支柱144的凹处160中具有互补的梯形截面，用于将盖罩152可拆卸地联接至芯部142。可设想出替代的梯形的或另外的互锁截面。

[0034] 图6示出了根据本发明的第三实施方式的替代转子组件240。该第三实施方式与第一、第二实施方式相似；因此，相同的部件将以增加200的相似的附图标记进行标识，应理解，对于第一和第二实施方式的相同部件进行的描述适用于第三实施方式，除非另有说明。第三实施方式与第一和第二实施方式之间的区别是，盖罩252还包括至少第二突起，该第二突起被示出为与突起158的每一侧间隔开并且位于突起158的每一侧上的拐角指部290，该拐角指部290从盖罩252延伸，并且抵接拐角242的支柱244的相对的拐角。如所示，拐角指部
290具有至少部分呈梯形的截面，但可具有用于可拆卸地联接至芯部242和/或与芯部242互锁的替代截面。对应地，芯部242至少第二凹处中将具有互补的截面，诸如支柱244的拐角指部槽道292。

[0035] 作为选择，可设想出这样的实施方式，其中，互锁元件是颠倒的，例如，支柱244上的拐角指部290和盖罩252上的拐角指部槽道292。另外，尽管示出了两个拐角指部290和对应的拐角指部槽道292，但是可以设想出替代数量的拐角指部290和对应的拐角指部槽道292。

[0036] 拐角指部290可在发电运转期间还提供了盖罩252与芯部242的牢靠互锁。在旋转期间，离心力会试图将盖罩252最为远离电极48的端部与支柱244和芯部242分离开。盖罩252与芯部242通过拐角指部290和对应的拐角指部槽道292进行的附加互锁还紧固住了盖罩252的端部，从而防止分离。此外，盖罩252与芯部242通过拐角指部290和对应的拐角指部槽道292进行的附加互锁提供了附加抗旋转锁定，该附加抗旋转锁定构造成阻碍盖罩252与支柱244的相对旋转。

[0037] 图7示出了根据本发明的第四实施方式的替代转子组件340。该第四实施方式与第一、第二和第三实施方式相似；因此，相同的部件将以增加300的相似的附图标记进行标识，应理解，对于第一、第二和第三实施方式的相同部件进行的描述适用于第四实施方式，除非另有说明。第四实施方式与第一、第二和第三实施方式之间的区别是，盖罩352的拐角指部390与突起158的每一侧间隔开并且位于突起158的每一侧上，该拐角指部390从盖罩352延伸，但是并不抵接拐角342的支柱344的相对拐角。如所示，拐角指部390具有至少部分呈梯形的截面，但可具有用于可拆卸地联接至芯部342和/或与芯部342互锁的替代截面。对应地，支柱344的拐角指部槽道392将具有互补的截面。作为选择，可设想出这样的实施方式，其中，互锁元件是颠倒的，例如，支柱344上的拐角指部390和盖罩352上的拐角指部槽道
392。另外，尽管示出了两个拐角指部390和对应的拐角指部槽道392，但是可以设想出替代数量的拐角指部390和对应的拐角指部槽道392。

[0038] 通过本公开内容可设想出的是，除了于上述附图中示出的实施方式和构造之外的许多其它可能的实施方式和构造。例如，本发明的一个实施方式设想出所提及的电机组件10的更多部件或更少部件，例如电极48、盖罩52、转子绕组46等。本发明的另一实施方式设想出利用楔形件72，该楔形件72构造在转子组件46的不同侧上以便将绕组46偏压到绕组座
74中。作为选择，可包括附加楔形件72以便将转子绕组46的多于一侧偏压到绕组座74中。本发明的另一实施方式设想出沿可旋转轴32轴向间隔开的附加的冷却剂通道孔66和径向冷却剂通道64，使得可利用附加的冷却路径和/或回路以增强冷却。另外，可重新设置所述多种部件的设计和布局，使得可实现多种不同的同轴(in-line)构造。

[0039] 在本发明的再一实施方式中，转子绕组组50和绕组座74可构造成例如与所示示例相比顺时针和逆时针旋转10°。可设想到的是，例如，电极44的一侧上的转子绕组46可构造成处于逆时针取向中，同时，电极的相对侧上的对应绕组46可构造成处于顺时针取向中。在该示例中，每个旋转后的转子绕组46可被一个或多个楔形件72保持在适当位置中，以确保绕组46与绕组座74之间的热接触。此外，诸如盖罩52和热传导层76之类的附加部件可还包括略微倾斜的表面，以匹配旋转后的转子绕组46。10°的逆时针旋转是构造的一个示例，并且可设想出沿顺时针和逆时针方向的其它角度。

[0040] 本文中公开的实施方式提供了一种带有盖罩和芯部组件的发电机转子。可在上述实施方式中实现的一个优点是，上述实施方式具有显著提高的热传导以将热量从该组件上移除。与包括叠置材料的芯部相比，与冷却剂路径和/或回路相联接的芯部的改进的热传导率将热量以有效得多的方式从绕组移除至冷却剂。上述实施方式的另一优点是，热传导层以提供改进的机械完整性的方式替换了转子中的典型的槽绝缘衬，并且提供了改进的热传导率。热传导层也替换了热传导或冷却管道和/或翅片，从而减少了元件的数量，并由此提高了转子组件的可靠性。转子组件的增强的热消散允许更高速度的旋转，这会另外产生过多的热。更高速度的旋转会导致改进的发电或改进的发电机效率，而不会增大发电机尺寸。

[0041] 上述实施方式的再一优点是，由于对于通常制造昂贵的叠置材料的用量减少，因此，所述实施方式通过以通常制造廉价的非叠置材料来替换芯部而具有显著降低了的制造成本。此外，通过使用实心本体芯部，可通过诸如钻孔和转子绕组的自动卷绕之类的制造工艺进一步降低成本。再者，可从结构和组件上消除掉附加冷却管道和翅片，其中，将管道焊接至所提供的组件的在先工艺增加了成本。

[0042] 当设计飞机部件时，待处理的重要因素是尺寸、重量、和可靠性。上述转子组件具有数量减少的元件，从而使得整个系统本质上更为可靠。这可能导致重量较低、尺寸较小、性能提高且可靠性提高的系统。元件数量减少并且维护减少将导致产品成本更低并且运转成本更低。在飞行期间，重量降低并且尺寸减小与有竞争力的优点相关联。

[0043] 在尚未已经描述的某种程度上，多种实施方式的不同特征和结构可随意彼此结合地使用。在所有实施方式中并未描述的一个特征并不意味着被解释成它不能是那样，而是仅出于简短描述的目的才并未描述。由此，不同实施方式的多种特征可被随意混合或匹配以形成新的实施方式，无论是否清楚地描述了所述新的实施方式。本文中所述的特征的所有结合或置换都被本公开所涵盖。

[0044] 本书面说明利用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且也使得所属领域技术人员能够实施本发明，所述实施包括制作和利用任何装置或系统并执行任何所结合的方法。本发明的可授予专利权的范围由权利要求限定，并且可包括所属领域技术人员所能够想到的其它示例。如果这种其它示例具有并非不同于权利要求的文字语言的结构元件，或者如果这种其它示例包括与权利要求的文字语言具有非实质性差异的等效结构元件，则这种其它示例意在处于权利要求的范围内。