一种电机、转子系统及微型燃气轮机发电机组

摘要

本发明提供一种电机、转子系统及微型燃气轮机发电机组，所述电机套设于转轴上，所述电机包括线圈、定子与壳体；其中，所述线圈沿轴向缠绕在定子内，所述线圈两端延伸出定子，所述定子外套设所述壳体，所述壳体两端设有端盖，所述转轴贯穿端盖与定子以安装在电机内，所述转轴上套设空气轴承，所述空气轴承设置在端盖与转轴之间，所述空气轴承为节流孔靠边式空气轴承。本发明中，节流孔位于轴承靠近边缘位置，可以减小轴承密封部分的轴向长度，同时电机线圈通过绕线设计，可以将轴承塞到电机线圈下，并根据需要减少定子的长度和体积，减少定子中气路的长度和大小，从而减小转子的轴向长度。

权利要求

1.一种电机，所述电机套设于转轴上，其特征在于，所述电机包括线圈、定子与壳体；

其中，所述线圈沿轴向缠绕在定子内，所述线圈两端延伸出定子，所述定子外套设所述壳体，所述壳体两端设有端盖，所述转轴贯穿端盖与定子以安装在电机内，所述转轴上套设空气轴承，所述空气轴承设置在端盖与转轴之间；

所述空气轴承包括圆筒状本体，所述本体端部外周一体成型有多个同心的环状阻尼座，所述阻尼座径向安装有阻尼器，所述阻尼座径向设置有与所述阻尼器匹配的安装槽，所述阻尼座之间设置沿径向贯通所述本体的节流孔，所述本体设置阻尼座与节流孔的部分为空气轴承静压部分，所述本体未设置阻尼座与节流孔的部分为空气轴承动压部分。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述本体的一端外周一体成型所述多个同心的环状阻尼座；

所述空气轴承静压部分设置在端盖与转轴之间，空气轴承静压部分靠边设置在端盖一端，空气轴承动压部分设置在定子两端延伸出的线圈与转轴之间。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述本体的两端外周均一体成型有所述多个同心的环状阻尼座，两端的阻尼座之间分别设置沿径向贯通所述本体的节流孔；

所述空气轴承静压部分与动压部分均设置在端盖与转轴之间，空气轴承静压部分靠边设置在端盖两端。

4.根据权利要求3所述的电机，其特征在于，所述本体一端的阻尼座与节流孔相对于另一端的阻尼座与节流孔对称设置。

5.根据权利要求2～4任一项所述的电机，其特征在于，所述本体一端的阻尼座设置为1～3个，所述节流孔沿本体周向分布为一排，对应的所述节流孔设置为1～3排。

6.根据权利要求5所述的电机，其特征在于，所述节流孔数量为6～25个/排，所述节流孔直径小于500um。

7.根据权利要求5所述的电机，其特征在于，所述本体一端的阻尼座设置为2个，对应的所述节流孔设置为1排；

或者，所述本体一端的阻尼座设置为3个，对应的所述节流孔设置为2排，所述阻尼座与节流孔间隔设置；

或者，所述本体一端的阻尼座设置为2个，对应的所述节流孔设置为2排。

8.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述本体一端的端面与该端最外侧的阻尼座的端面重合。

9.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述节流孔为阶梯孔或者截面是漏斗状或者圆锥状的变径孔。

10.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述阻尼座等径设置，所述阻尼座沿轴向宽度相等。

11.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机一侧端盖外设置推力轴承，所述推力轴承为箔片式或者一体式推力轴承。

12.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机上设有用于为空气轴承供气、排气的通道，所述用于为空气轴承供气、排气的通道设置在端盖或壳体上；

所述定子呈圆柱体，且在圆柱体的中心位置形成有供所述转轴安装的通孔，所述定子的外径侧形成有沿圆柱体的轴向延伸、沿圆柱体的周向均布的多个外线槽，所述定子的内径侧形成有沿圆柱体的轴向延伸、沿圆柱体周向均布的多个内线槽，线圈沿圆柱体的轴向缠绕于所述外线槽和内线槽内。

13.一种转子系统，其特征在于，包括转轴、依次设置于转轴上的电机、压气机以及透平，所述转轴具有第一轴段和第二轴段，第一轴段的直径大于第二轴段的直径，第一轴段和第二轴段的过渡处形成有台阶面，所述电机设置于第一轴段上，所述压气机、透平设置于第二轴段上，压气机的一端与所述台阶面抵接；

所述电机为权利要求1～12任一项所述的电机，所述空气轴承设置于电机两端。

14.根据权利要求13所述的转子系统，其特征在于，所述电机内靠近压气机一端的空气轴承本体向端盖外延伸有缩径段；

所述缩径段向一端渐变式外缩径或者所述缩径段向一端渐变式内缩径；

所述缩径段延伸至转轴的台阶面处；

所述缩径段厚度小于4mm。

15.一种微型燃气轮机发电机组，其特征在于，包括权利要求13～14任一项所述的转子系统、电机机匣、燃气轮机机匣以及燃烧室；

所述电机机匣罩设于电机的外周，所述燃气轮机机匣罩设于压气机和透平的外周，并且与电机机匣连接，所述燃烧室与燃气轮机机匣连接，并且燃烧室的进气口与压气机的排气口连接，燃烧室的排气口与透平的进气口连接。

说明书

一种电机、转子系统及微型燃气轮机发电机组

技术领域

[0001] 本发明涉及转子系统技术领域，具体涉及一种电机、转子系统及微型燃气轮机发电机组。

背景技术

[0002] 微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为25～300kW，基本技术特征是采用径流式叶轮机械以及回热循环。微型微型燃气轮机发电机组通常是包括同轴安装的发电机和微型燃气轮机。具体地，微型燃气轮机主要包括压气机、燃烧室及透平三大部件。空气进入压气机后被压缩成高温高压的空气，然后供给燃烧室与燃料混合燃烧，其产生的高温高压燃气在透平中膨胀做功，推动透平转动，透平进而带动发电机发电。燃气轮机转子系统的转速超过40000RPM(转/分钟)时，普通机械轴承已不能满足工作转速的需求，因此，现有技术提出了采用非接触性轴承替代原有的机械轴承，其中，最有代表性的为空气轴承。

[0003] 但现有技术中空气轴承存在如下缺陷：现有的静压空气轴承在关闭静压时，无法工作，需要一直将高压气源保持打开状态，而且需要通过较大的供气压力使轴承间隙内的气膜产生较大的刚度和阻尼来维持转子运动状态的稳定，因此需要多的节流孔和较大的孔径，静压气体轴承一直保持静压供气状态时消耗的功率也较大。

[0004] 同时，在关闭静压的时候，节流孔会阻碍轴承气膜的产生。在关掉静压供气或者直接拔掉供气管的时候，节流孔部分就是直接连通大气，可以认为此处压力始终与大气压力相当。假如动压气膜在此处形成的压力高于大气压力时，节流孔处，气体会从轴承内部由节流孔流到外面；假如动压气膜在此处形成的压力低于大气压力时，节流孔处，外界气体就会由节流孔处进入到轴承内。因此，在关闭静压供气或者直接拔掉静压供气气管时，节流孔部位会出现气膜压力突变，气膜不连续，气体更倾向于通过节流孔部位将压力卸掉，而不是在轴承间隙内被挤压，因此导致轴承承载力降低，转子在轴承内的位置下降，转子的下边缘会更贴近轴承内边缘，容易发生碰撞。

[0005] 并且，节流孔部位因为气体的进出会产生额外的干扰力，干扰轴承内部气膜的稳定性，容易导致轴承失稳，从而导致转子和轴承发生碰撞，使转子转速下降甚至直接停机。而高速运动的转子和轴承相接触是很危险的，可以导致轴承转子当场报废。

[0006] 此外，当轴承非常靠近压气机进口时，轴承的厚度会遮挡一部分压气机的进口空间，阻碍压气机吸气，降低压气机的效率。

发明内容

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种电机、转子系统及微型燃气轮机发电机组。

[0008] 本发明的技术方案如下：

[0009] 根据本发明的一个方面，提供一种电机，所述电机套设于转轴上，所述电机包括线圈、定子与壳体；

[0010] 其中，所述线圈沿轴向缠绕在定子内，所述线圈两端延伸出定子，所述定子外套设所述壳体，所述壳体两端设有端盖，所述转轴贯穿端盖与定子以安装在电机内，所述转轴上套设空气轴承，所述空气轴承设置在端盖与转轴之间；

[0011] 所述空气轴承包括圆筒状本体，所述本体端部外周一体成型有多个同心的环状阻尼座，所述阻尼座径向安装有阻尼器，所述阻尼座径向设置有与所述阻尼器匹配的安装槽，所述阻尼座之间设置沿径向贯通所述本体的节流孔，所述本体设置阻尼座与节流孔的部分为空气轴承静压部分，所述本体未设置阻尼座与节流孔的部分为空气轴承动压部分。

[0012] 进一步的，所述本体的一端外周一体成型所述多个同心的环状阻尼座；

[0013] 所述空气轴承静压部分设置在端盖与转轴之间，空气轴承静压部分靠边设置在端盖一端，空气轴承动压部分设置在定子两端延伸出的线圈与转轴之间。

[0014] 进一步的，所述本体的两端外周均一体成型有所述多个同心的环状阻尼座，两端的阻尼座之间分别设置沿径向贯通所述本体的节流孔；

[0015] 所述空气轴承静压部分与动压部分均设置在端盖与转轴之间，空气轴承静压部分靠边设置在端盖两端。

[0016] 进一步的，所述本体一端的阻尼座与节流孔相对于另一端的阻尼座与节流孔对称设置。

[0017] 进一步的，所述本体一端的阻尼座设置为1～3个，所述节流孔沿本体周向分布为一排，对应的所述节流孔设置为1～3排。

[0018] 进一步的，所述节流孔数量为6～25个/排，所述节流孔直径小于500um。

[0019] 进一步的，所述本体一端的阻尼座设置为2个，对应的所述节流孔设置为1排；

[0020] 或者，所述本体一端的阻尼座设置为3个，对应的所述节流孔设置为2排，所述阻尼座与节流孔间隔设置；

[0021] 或者，所述本体一端的阻尼座设置为2个，对应的所述节流孔设置为2排。

[0022] 进一步的，所述本体一端的端面与该端最外侧的阻尼座的端面重合。

[0023] 进一步的，所述节流孔为阶梯孔或者截面是漏斗状或者圆锥状的变径孔。

[0024] 进一步的，所述阻尼座等径设置，所述阻尼座沿轴向宽度相等。

[0025] 进一步的，所述电机一侧端盖外设置推力轴承，所述推力轴承为箔片式或者一体式推力轴承。

[0026] 进一步的，所述电机上设有用于为空气轴承供气、排气的通道，所述用于为空气轴承供气、排气的通道设置在端盖或壳体上；

[0027] 所述定子呈圆柱体，且在圆柱体的中心位置形成有供所述转轴安装的通孔，所述定子的外径侧形成有沿圆柱体的轴向延伸、沿圆柱体的周向均布的多个外线槽，所述定子的内径侧形成有沿圆柱体的轴向延伸、沿圆柱体周向均布的多个内线槽，线圈沿圆柱体的轴向缠绕于所述外线槽和内线槽内。

[0028] 根据本发明的另一方面，提供一种转子系统，包括转轴、依次设置于转轴上的电机、压气机以及透平，所述转轴具有第一轴段和第二轴段，第一轴段的直径大于第二轴段的直径，第一轴段和第二轴段的过渡处形成有台阶面，所述电机设置于第一轴段上，所述压气机、透平设置于第二轴段上，压气机的一端与所述台阶面抵接；

[0029] 所述电机为上述的电机，所述空气轴承设置于电机两端。

[0030] 进一步的，所述电机内靠近压气机一端的空气轴承本体向端盖外延伸有缩径段；

[0031] 所述缩径段向一端渐变式外缩径或者所述缩径段向一端渐变式内缩径；

[0032] 所述缩径段延伸至转轴的台阶面处；

[0033] 所述缩径段厚度小于4mm。

[0034] 根据本发明的另一方面，提供一种微型燃气轮机发电机组，包括上述的转子系统、电机机匣、燃气轮机机匣以及燃烧室；

[0035] 所述电机机匣罩设于电机的外周，所述燃气轮机机匣罩设于压气机和透平的外周，并且与电机机匣连接，所述燃烧室与燃气轮机机匣连接，并且燃烧室的进气口与压气机的排气口连接，燃烧室的排气口与透平的进气口连接。

[0036] 本发明的有益效果：

[0037] 1、本发明中，节流孔位于轴承靠近边缘位置，故而可以减小轴承密封部分的轴向长度，同时在电机线圈通过绕线设计，可以将轴承塞到电机线圈下，并根据需要减少定子的长度和体积，减少定子中气路的长度和大小，从而减小转子的轴向长度。

[0038] 2、本发明中，节流孔位于轴承靠近边缘位置，为节流孔非对称分布的混合式空气轴承，由于节流孔非常偏于轴承的一侧，故没有注气需求的一侧是非常薄的结构，一根转轴的直径在已经确定的情况下，其长度是决定它是否是细长轴的重要指标，对临界频率有着至关重要的影响，所以将空气轴承较薄的部分塞进电机线圈两侧的出线侧之内，可以大幅降低端面占用的空间，可以为转子节省出约等于电机整个磁芯的长度，对缩短转子、降低临界频率有着决定性的作用。

[0039] 3、本发明中，通过对轴承进行缩径式结构调整，将轴承的阻尼器安装位的支点设置成尽量远离压气机进口的一端，定子也相应回缩。阻尼器安装位的支点之外的轴承厚度缩减，只有动压式空气轴承的作用，这样可以在保证轴承有足够支撑力的情况下尽可能的细，避免遮挡进气。

[0040] 4、本发明的空气轴承节流孔的位置靠近轴承的一侧或者两侧，在减少节流孔的直径和节流孔的数量的情况下，通过数量极少的小直径节流孔，同样能够实现空气轴承保持良好的静压载荷。

[0041] 5、本发明的动静压混合式空气轴承，只需要在转子静止的状态下开启静压将转子悬浮并且能够平稳的使转子达到满足动静压切换状态，或者在转子降速过程中，在动压状态无法维持转子稳定时打开静压供气使转子平稳的降转速直至停止，不需要一直开着静压供气，能够降低静压供气的流量和功耗。

[0042] 6、本发明节流孔靠边式设计，能够使受节流孔漏气影响的轴承的轴向长度尽量减小，从而能够产生稳定气膜的部分尽量长，维持转子在纯动压状态下的稳定性，能够减小节流孔对动压气膜的影响。

[0043] 7、本发明将节流孔设置于空气轴承靠近边缘位置，不同于普通的动压空气轴承和普通的静压空气轴承两侧对称的设计，节流孔非对称分布，相当于将动压轴承和静压轴承通过结构设计串联到一起。可以通过改变静压供气使动压部分和静压部分产生不同的承载力、产生不同的刚度和阻尼，耦合转子动力学设计，可以产生不同的稳定效果，帮助维持转子的稳定性以及帮助转子通过共振模态。

附图说明

[0044] 图1为包含空气轴承的电机一种实施例的结构示意图。

[0045] 图2为空气轴承节流孔一种实施例的结构示意图。

[0046] 图3为空气轴承节流孔另一种实施例的结构示意图。

[0047] 图4为空气轴承节流孔再一种实施例的结构示意图。

[0048] 图5为空气轴承节流孔又一种实施例的结构示意图。

[0049] 图6为包含空气轴承的电机另一种实施例的结构示意图。

[0050] 图7为包含空气轴承的转子系统的结构示意图。

[0051] 图8为空气轴承缩径段的一种实施例的结构示意图

[0052] 图9为空气轴承缩径段的另一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

[0053] 为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合具体实施例、说明书附图对本发明作进一步说明。

[0054] 根据本发明的一个方面，本发明实施例提供一种包含空气轴承的电机。

[0055] 如图1所示，为电机设置的一种实施例，包括线圈31、定子32与壳体33，线圈31沿轴向缠绕在定子32内，线圈31两端延伸出定子32，定子32外套设有壳体33，壳体33两端设有端盖34，转轴2贯穿端盖34与定子32以安装在电机3内，空气轴承1套设在转轴2上，空气轴承1设置在端盖34与转轴2之间。

[0056] 本发明中，空气轴承1为节流孔靠边式空气轴承，如图2所示，为节流孔设置的一种实施例，包括圆筒状本体11，本体11一端外周一体成型有多个同心的环状阻尼座12，阻尼座12径向安装有阻尼器14，阻尼座12径向设置有与阻尼器14匹配的安装槽，阻尼座12之间设置沿径向贯通本体11的节流孔13。本体11设置阻尼座12与节流孔13的部分为空气轴承静压部分，本体11未设置阻尼座12与节流孔13的部分为空气轴承动压部分。

[0057] 优选地，所述阻尼座12设置为1～3个，节流孔13沿本体11周向分布为一排，节流孔13设置为1～3排。

[0058] 具体的，所述节流孔13数量为6～25个/排，节流13孔直径小于500um。

[0059] 优选地，本体11一端的端面与该端最外侧的阻尼座12的端面重合。

[0060] 如图3所示，为节流孔设置的另一种实施例，其中，所述空气轴承本体11两端外周均一体成型有多个同心的环状阻尼座12，两端的阻尼座12之间分别沿本体11径向设置贯通的节流孔13。

[0061] 优选地，空气轴承本体11一端的阻尼座12与节流孔13相对于另一端的阻尼座12与节流孔13对称设置。

[0062] 优选地，空气轴承本体11一端的阻尼座12为两个，节流孔13为一排。

[0063] 如图4所示，为节流孔设置的再一种实施例，空气轴承本体11一端的阻尼座12为三个，节流孔13为两个，阻尼座12与节流孔13间隔设置。

[0064] 如图5所示，为节流孔设置的再一种实施例，其中，空气轴承本体11一端的阻尼座12为两个，节流孔13为两个。

[0065] 优选地，节流孔13为阶梯孔或者截面是漏斗状或者圆锥状的变径孔。

[0066] 优选地，阻尼座12等径设置，阻尼座12沿轴向宽度相等。

[0067] 对于上述实施例所提供的空气轴承结构，对于50mm以下直径的转子，轴承长度小于50mm，空气轴承能够在10-150um的气膜间隙范围内稳定工作，供气压力可选择为1.1-8倍大气压的绝对压力，具有较大的可适应工作范围。

[0068] 本发明实施例所提供的的电机，当节流孔13设置为如图3所示的实施例时，空气轴承静压部分与动压部分均设置在端盖34与转轴2之间，空气轴承静压部分靠边设置在端盖34两端。

[0069] 当节流孔13设置为如图2、4、5所示的实施例时，空气轴承静压部分设置在端盖34与转轴2之间，空气轴承静压部分靠边设置在端盖34一端，空气轴承动压部分设置在定子32两端延伸出的线圈31与转轴2之间。

[0070] 工作时，空气轴承静压部分与端盖34和转轴2配合，空气轴承动压部分仅与转轴2配合。

[0071] 如图6所示，为电机设置的另一种实施例，其中电机3一端的空气轴承1设置为如图3所示的空气轴承，另一端的空气轴承1设置为如图5所示的空气轴承。

[0072] 进一步地，电机3两端的空气轴承1可设置为如图2～5所示的任一空气轴承，从而形成多种空气轴承设置方式。

[0073] 优选地，电机3一侧端盖34外可设置推力轴承，推力轴承可为箔片式或者一体式推力轴承。

[0074] 优选地，电机3上还设置有用于给空气轴承1供气、排气的通道，可设置在端盖34、壳体33或者其他不影响电机3功效的位置。

[0075] 优选地，电机3的定子32呈圆柱体状，且在圆柱体的中心位置形成有供所述转轴2安装的通孔，定子32的外径侧形成有沿圆柱体的轴向延伸、沿圆柱体的周向均布的多个外线槽，所述定子32的内径侧形成有沿圆柱体的轴向延伸、沿圆柱体周向均布的多个内线槽，线圈31沿圆柱体的轴向缠绕于所述外线槽和内线槽内。

[0076] 本发明实施例还提供一种包含空气轴承的转子系统，如图7所示，包括转轴2，转轴2具有第一轴段21和第二轴段22，第一轴段21的直径大于第二轴段22的直径，第一轴段21和第二轴段22的过渡处形成有台阶面，依次设置于转轴2上的电机3、压气机4、透平5，电机3通过空气轴承1设置于第一轴段21上，压气机4、透平5设置于第二轴段22上，压气机4的一端与台阶面抵接，空气轴承1设置于电机3两端。

[0077] 优选地，空气轴承静压部分仅设置在端盖34与转轴2之间，空气轴承静压部分靠边设置在端盖34一端或者两端，空气轴承动压部分设置在端盖34与转轴2之间或者设置在定子32两端延伸出的线圈31与转轴2之间。

[0078] 优选地，空气轴承静压部分与端盖34和转轴2配合，空气轴承动压部分仅与转轴2配合。

[0079] 优选地，电机3内靠近压气机4一端的空气轴承本体11向外端盖34外延伸有缩径段。图8-9为图7中A视图部分的局部放大图，如图8所示，为缩径段的一种实施例，所述缩径段向一端渐变式外缩径，如图9所示，为缩径段的另一种实施例，所述缩径段向一端渐变式内缩径。

[0080] 优选地，所述缩径段延伸至转轴2的台阶面处。

[0081] 优选地，所述缩径段厚度小于4mm。

[0082] 本发明实施例还提供一种使用上述转子系统的微型燃气轮机发电机组，该发电机机组包括：上述转子系统，电机机匣6、燃气轮机机匣7以及燃烧室8，电机机匣6罩设于电机3的外周，燃气轮机机匣7罩设于压气机4和透平5的外周，并且与电机机匣6连接，燃烧室8与燃气轮机机匣7连接，并且燃烧室8的进气口与压气机4的排气口连接，燃烧室8的排气口与透平5的进气口连接。

[0083] 作为优选，压气机4的排气口与燃烧室8的进气口之间设置有扩压器，以进一步提高进入透平5做功的高温高压气体的压力。

[0084] 本实施例的燃气轮机发电机组中，轴承设置在电机机匣6内，这样只需保证该机匣内用于设置轴承定子的部位的加工精度即可，在装配时该机匣内用于连接轴承定子的部位通过一次装卡加工即可完成，可见，本实施例降低了燃气轮机发电机组的加工精度和装配精度，降低了成本，适合工程化批量生产。

[0085] 以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能。