CN101222172B - 旋转机械的可变磁性联接 - Google Patents

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Abstract

一种用于在涡轮风扇发动机(10)的一对独立且同时地旋转的轴之间传递扭矩的系统，包括磁性变速箱(110)。所述磁性变速箱(110)有第一环结构(116)、第二环结构(112)和中间环结构(114)。每个环结构都有穿过其上的一个环形孔，环上嵌有多个磁极件(202)。中间环结构(114)置于第一环结构(116)和第二环结构(114)之间。每个环结构均同轴同心，且相对其它环结构能够独立旋转。第一环结构(116)和第二环结构(112)每个都和单独的旋转发动机轴联接，而中间环(114)可操作，用于在这对轴之间传递扭矩。优选地，中间环结构(114)与旋转机械联接。旋转机械有一个控制器，且此机械可操作用于调整轴对之间传递的扭矩比。

Description

旋转机械的可变磁性联接
技术领域
本发明涉及一种用于联接旋转机械的方法和装置，更具体地涉及涡轮风扇机械(turbofan machine)的高压(HP)和低压(LP)涡轮轴的联接。
背景技术
气体涡轮发动机通常包括一个或多个压缩机，其后按顺序跟有燃烧室及高压和低压涡轮机。这些发动机部件在一个环形的外部机壳内根据串行流连通(serial flow communication)的方式排列，并围绕发动机的纵轴中心线进行布置。压缩机在工作时由相应的涡轮机及压缩机气体驱动。压缩机气体和燃料混合，在燃烧室被点火，以产生高温燃烧气体。燃烧气体流过高压和低压涡轮机，涡轮机将高温燃烧气体产生的功率提取(extract)出来，用于驱动压缩机，并用来产生辅助输出功率。
发动机功率被转换成轴功率或牵引力来为飞行中的飞机提供动力。例如，在其它的可旋转负载中，如支路涡轮风扇发动机的风扇转子，或燃气涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨，从高压和低压涡轮提取出的功率用来驱动相应的风扇转子和螺旋桨。
人所共知，涡轮发动机的单个部件在工作时需要不同的功率参数。例如，风扇旋转速度被周缘速度限制在某个程度，并且，由于风扇直径很大，因此旋转速度必然很低。而另一方面，主压缩机由于其周缘直径小得多，因此可以以更高的旋转速度进行驱动。因此，对飞机气体涡轮发动机里的风扇和主压缩机，有必要采用具有独立的功率传递装置的高压和低压涡轮机。此外，由于涡轮在较高的旋转速度下效率较高，因此驱动风扇的低速涡轮需要额外的级来提取必要的功率。
许多新的飞机系统被设计成能够比现有的飞机系统提供更大的电力负载。商用客机设计的电力系统规格正在被发展成其电力要求可能是现有商用客机的两倍。这一增长的电力要求必须由从为飞机提供动力的发动机中提取出的机械能派生出来。当飞机发动机以相对较低的功率水平运转时，如，当缓慢地从某个高度下降时，从发动机的机械能中提取出这一额外的电能可能会降低适当操作发动机的能力。
传统上，电能是从气体涡轮发动机中的高压(HP)发动机线轴(engine spool)上提取出来的。HP发动机线轴相对较高的运转速度使其成为驱动联接到发动机的发电机的理想机械功率源。然而，人们希望还可以从发动机中其它的来源获取功率，而不是仅仅依靠HP发动机线轴来驱动发电机。LP发动机线轴提供了备用的功率转换来源，但是，LP发动机线轴相对较低的速度典型情况下要求使用变速箱，因为低速发电机常常比高速运行的相同标称功率的发电机要大。
不过，当发动机以相对较低的功率水平(如，正在或接近从某个高度缓慢下降，低功率滑行，等)运转时，从发动机提取这种额外的机械能可能会导致发动机的可操作性降低。传统上，这种功率是从高压(HP)发动机线轴提取的。它相对较高的运转速度使其成为驱动联接到发动机上的发电机的理想机械功率源。但是，通过借助于一些其它方法向其传递扭矩和功率，人们有时希望还可以增加这个线轴上可以提供的功率数。
发动机内另一个功率源是低压(LP)线轴，该线轴典型情况下以比HP线轴慢得多的速度运转，并且覆盖相对较宽的速度范围。在没有转换的情况下分接这一低速机械功率源会导致使用不切实际的体积庞大的发电机。
针对这种转换，人们已经提出了许多解决方案，包括不同类型的常规传动装置，机械传动装置，以及电机装置。这些解决方案之一是利用一个第三中间压力(IP)线轴来单独驱动发电机的涡轮发动机。不过，这个第三线轴有时也要求联接到HP线轴。用来联接IP和HP线轴的手段是机械变速器或粘性联接机构。
2005年5月24日公告的，标题为“带扭矩调制能力的差速传动涡轮发动机(Differential Geared Turbine Engine with Torque ModulationCapacity)”的美国专利US 6,895,741公开了一种具有三个轴的机械传动发动机。通过采用附加的周转齿轮(epicyclic gear)传动装置，风扇、压缩机和涡轮轴被以机械方式进行联接。电磁机械可被控制，来有选择地针对压缩机和风扇的速度特征调制扭矩，或调制涡轮，压缩机和风扇之间的旋转速度关系。所述机械可以被用作电子起动机。压缩机转子轴和风扇转子轴其中之一或两者均可以由接收电能，并作为电动机工作从而以电气方式启动发动机的机械转动。但是，这并没有给不使用机械变速箱而联接同时转动的HP和LP涡轮轴提供解决方案。
因此，存在对这样一种系统的需要，这种系统能够不使用机械变速箱而可控地传递以不同速度各自旋转的机械之间的功率；并存在对使用磁性联接技术传递各自旋转机械之间扭矩的系统的需要。
发明内容
本发明描述了一种新方法，所述方法用于可变地传递从一台旋转机械到另一台旋转机械的机械扭矩，其仅依靠行星磁性变速箱的磁性作用将两台机械相互联接。第二种方法用于可变地控制所述扭矩传递。本发明可用于涡轮风扇发动机，来联接涡轮风扇发动机中以不同速度旋转的轴，从而可控地传递功率。通过将相对高速和低速的发动机轴连接到一个周转齿轮磁性变速箱，可通过可控地操纵所述周转齿轮变速箱的第三输入来调制出有效的传动比。在正常工作速度范围内，扭矩调制提供了轴间可控的功率传递。本发明对于从发动机提取出更大数量的机械能，或增强动态发动机性能尤其有用。作为可选方案，可采用附加传动来获得想要的可操作性范围。
一方面，本发明涉及用于在发动机的一对独立且同时旋转的轴之间传递扭矩的系统。所述系统包括一个磁性变速箱。所述磁性变速箱有第一环结构，第二环结构和中间环结构。所述第一环结构，第二环结构和中间环结构每个都包括一个穿过其中的环形孔，且其上有多个内嵌的磁极。中间环结构被置于第一环结构和第二环结构之间。第一环结构，第二环结构和中间环结构以同轴的方式布置，彼此同心，且相对其它环结构均可以独立地旋转。第一环结构和第二环结构各自和单独的旋转发动机轴相联。中间环结构和第一环结构及第二环结构配合，决定该轴对之间进行扭矩-扭矩传递(torquetransferred torque)的扭距的水平。
中间环结构可联接到一台旋转机械。所述旋转机械有一个控制器，此机械可操作用来调整轴对之间的角速度比，并由此调节轴对之间传递的功率比。在一个实施例中，旋转机械是一台设置成响应于由控制器发出的信号从中间环结构接收功率并向中间环结构提供功率的电动机/发电机，使得功率在旋转轴对之间能够可变地分配。
另一方面，本发明涉及一台气体涡轮发动机。所述气体涡轮发动机包括低压涡轮线轴和高压涡轮线轴，至少一个压缩级，燃烧室，排气系统和旋转风扇叶片装置。低压涡轮线轴和高压涡轮线轴通过磁性变速箱进行磁性联接。所述磁性变速箱有第一环结构，第二环结构和中间环结构。所述第一环结构，第二环结构和中间环结构每个都包括一个穿过其中的环形孔，且其上有多个内嵌的磁极件。中间环结构被置于第一环结构和第二环结构之间。第一环结构，第二环结构和中间环结构以同轴的方式布置，彼此同心，且相对其它环结构可独立旋转。第一环结构和第二环结构各自和单独的旋转发动机轴相联。中间环可操作，用来在高压涡轮线轴和低压涡轮线轴之间传递扭矩。中间环结构可与旋转机械相联。所述旋转机械有一个控制器，该机械可操作用于调节高压涡轮线轴和低压涡轮线轴之间传递的功率比。所述旋转机械可以是一台设置成响应于由控制器发出的信号从中间环结构接收功率并向中间环结构提供功率的电动机/发电机，使得功率在旋转轴对之间能够可变地分配。
本发明还涉及在气体涡轮发动机的第一和第二独立旋转轴之间传递扭矩的方法。所述方法包括如下步骤：提供具有第一环结构，第二环结构和中间环结构的可调节磁性变速箱，所述第一环结构，第二环结构和中间环结构每个都包括一个穿过其中的环形孔，且其上有多个内嵌的磁极，中间环结构被置于第一环结构和第二环结构之间，第一环结构，第二环结构和中间环结构以同轴的方式布置，彼此同心，且相对其它环结构可独立旋转；将磁性变速箱的第一轴联接到第一环结构；将磁性变速箱的第二轴联接到第二环结构；将旋转机械和中间环结构相联，且所述中间环结构和第一环结构，第二环结构以及旋转机械三者中至少两者同时旋转；通过操纵旋转机械向中间环结构提供或从中提取功率，从而控制第一环结构和第二环结构之间传递的功率比。
许多其它的功率联接技术涉及多电动机/发电机装置，此类装置用发电方法将机械能转换为电能，该电能然后被应用至电动机，电动机把电能转换回另一根轴上的机械能。这种系统大量地依赖电力接线，电源连接器，以及辅助控制系统来实现功率转换，而成本及不可靠性也随之增加。
本发明的一个优势是在发动机线轴之间不需要机械联接或接触，从而减少了振动传递。
本发明的另一个优势是它既可位于发动机内部亦可位于发动机外部。
而本发明的又一个优势是其可应用于其它类型的需要可变扭矩传递的机械装置(如，混合动力汽车传动等)
本发明还有一个优势是其允许一个旋转轴到另一个旋转轴之间没有任何机械接触的连续可变扭矩功率联接。本发明还允许没有转换成电能的中间转换过程的扭矩或功率联接。
本发明的另一个优势是它提供了一种在任何多线轴涡轮发动机的线轴之间可控地传递机械能的方法，此方法可容许使用机械传动装置时会造成的缺陷。由于输入和输出之间没有机械接触，因而发生严重故障或咬死的机会较小。
本发明提供了一种以对发动机容量影响最小的方式从涡轮发动机中提取更大量机械功率的系统，通过可变地选择功率提取源，所述系统可以隐性地提升发动机的可操作性。
通过下列更详细的描述和优选实施例，以及与之相关联的以范例方式显示本发明原理的附图，本发明的其它特征和优势将变得更加明显。
附图说明
图1是普通涡轮风扇发动机的示意图。
图2是磁性周转齿轮传动装置的示意图。
图3是机械周转齿轮行星变速箱的示意图。
图4是显示图3所示周转齿轮变速箱的矢量数学关系的列线图。
图5是具有可变磁性变速箱的涡轮风扇发动机10的示意图。
图6是显示可变磁性变速箱三环排列的分解图。
图7是一个优选实施例的示意图，该图显示了带可变磁性变速箱的涡轮风扇发动机，该变速箱有可变扭矩控制器。
图8是图7中所示可变扭矩控制器的示意图。
图9显示了一个简化的装置，其中磁性变速箱以固定比率排列联接到HP线轴和LP线轴。
在任何可能的地方，所有附图中相同的标号用来指相同或相似的零件。
零部件清单
涡轮风扇发动机10
风扇35
增压器11
高压压缩机20
燃烧室22
高压涡轮23
低压涡轮27
低压线轴29
高压线轴21
磁性周转齿轮变速箱110
内磁性环112
中间或中级环114
外磁性环116
磁极件112a
磁极件114a
磁极件116a
机械周转齿轮变速箱120
太阳齿轮122
行星齿轮124
环形齿轮126
太阳齿轮轮齿122a
行星齿轮轮齿124a
环形齿轮轮齿126a
载架(carrier)121
行星齿轮124
齿轮角速度轴线132
齿轮角速度轴线ωp134
齿轮角速度轴线ωr136
载架速度ωc坐标140
水平轴线138
太阳齿轮速度ωs坐标142
环形齿轮速度ωr坐标144
箭头146
箭头148
交点ωs152
交点ωc154
交点ωr156
斜线158
电动机/发电机(M/G)160
起动机/发电机变速箱162
起动机/发电机164
起动机/发电机166
可变扭矩联接器200
永磁体202
转子204
输出轴206
箭头208
具体实施方式
图1所示为示范性普通涡轮风扇发动机10，其具有风扇35，增压器11，高压压缩机20，燃烧室22，高压涡轮23以及低压涡轮27，所有的部件均根据串行的轴向流关系布置。所述风扇35，增压器11以及低压涡轮由低压线轴29按串行方式连接。高压压缩机20，燃烧室22和高压涡轮由高压线轴21按串行方式连接。
主发动机中的燃烧室22将来自高压压缩机20的增压空气和燃料混合，并将得到的燃料和空气混合物点火产生燃烧气体。这些气体所做的一部分功由高压涡轮叶片(未示出)提取出来，用于驱动高压压缩机20。燃烧气体从主发动机排出到一个功率涡轮或一个具有一排低压涡轮叶片的低压涡轮(未示出)中。
下面参见图2，此图显示了磁性周转齿轮传动装置或变速箱110，其包括内磁体环112，中间或中级环114，以及外磁体环116。每个环(内环112，中间环114及外环116)都装有预定数量的磁极件112a，114a以及116a，这些零件嵌在沿环结构112，114和116的空隙之间。磁极件112a和116a由永磁体构成，磁极件114a由磁力可穿透的材料构成，磁极件114a之间则由磁力不能穿透的部分114b隔开。内环结构和外环结构112，116由磁力能够穿透的材料构成。磁性变速箱110有固定的扭矩比，该扭矩比由每个环112，114和116上的磁极件数量决定。磁性变速箱110联接涡轮风扇发动机10的HP和LP线轴21，29。注意所述固定扭矩比只有在环112，114，116的旋转速度满足下面列出的公式1时才适用。由于发动机中的力使得转子的速度各自独立，因此只有在中间环能够在足够低的负载下没有滑动地自由旋转时，才能够实现理想的扭矩分离。固定扭矩比是一个理想属性，它描述了磁性变速箱110的运转趋向。在磁性变速箱110上加上负载，会导致所述磁性变速箱偏离这一理想的关系，但造成这些细微速度变化[见下面公式1]的合力位于恢复所述理想的扭矩比，并使得这些速度趋向一致[如公式1]的方向上。
磁性变速箱110提供了与图3所示机械周转齿轮行星变速箱120相当的完全被动式磁性变速箱设计。在磁性传动装置110中获得了高度的磁性联接，这使得该装置具有了可以与机械周转齿轮行星变速箱120相媲美的扭矩密度。但是，所述磁性变速箱110工作时环112，114和116之间没有机械接触，因而减小了机械振动。牵出扭矩使磁性变速箱110可以滑行，与机械传动装置在扭矩过剩的情况下会发生咬死和断裂相比，这一特性容许了一个安全系数。磁性变速箱110和机械周转齿轮变速箱相比还有额外的优越性，因为磁性变速箱的传动比可以小于1(即，i0＜1.0)，而机械周转齿轮变速箱(见例如下面的公式2)的传动比则限制为i0＞1.0(对差速变速箱，i0＝1.0)。
再参见图3，如上所述，磁性变速箱110有内环112，中间环114以及外环116，它们类似于机械周转齿轮变速箱120中的三个主要部件，即，最里面的“太阳”齿轮122、中间“行星”齿轮124以及最外面的环形齿轮126分别对应内环112，中间环114以及外环116。每个齿轮122，124和126上的齿分别代表122a，124a和126a。载架121用来保持围绕“太阳”齿轮122的中间“行星”齿轮124的一致位置。
参见图4，太阳齿轮122的角速度(由ωs代表)，行星齿轮124的角速度(由ωp代表)以及环形齿轮126的角速度(由ωr代表)如图4所示的列线图所示。每个齿轮角速度ωs，ωp和ωr分别由纵轴线132，134和136代表。角速度ωs，ωp和ωr由如下的公式1确定，其中载架的速度ωc可对应于行星齿轮的角速度ωp：
ωc(1-i0)＝ωs-(i0)(ωr)    公式1
其中行星齿轮组的传动比为i0，
i0＝-zr/zs    公式2
zr＝环形齿轮的齿数
zs＝太阳齿轮的齿数
载架速度ωc的纵坐标140沿横坐标轴138位于太阳齿轮速度ωs和环形齿轮速度ωr的纵坐标142，144之间。载架坐标140按横轴138下面的箭头146，148所示的1比-i0的比率将两条外部坐标142，144之间的距离分开。线158与纵轴线132，134及136的交点150，152及154分别定义了角速度ωs，ωc和ωr的值。通过改变周转齿轮传动装置的速度，斜线158旋转。扭矩Ts，Tc和Tr根据公式3作用在太阳齿轮122，行星齿轮124以及环形齿轮126的轴上：
Tsωs+Tcωc+Trωr＝0    公式3
下面参见图5，该图示意性地显示了在HP线轴21和LP线轴29之间布置有可变磁性变速箱110的涡轮风扇发动机10。磁性变速箱110的外环116和HP线轴21联接，内环112和LP线轴29联接，而第三个环114和电动机/发电机(M/G)160联接。发动机10还包括和HP线轴21联接的常规变速箱162，用来驱动起动机/发电机164，166，它们给飞机系统提供最初的电能来源。应该理解本发明可用于具有多于两根线轴的发动机，从而可以和发动机具备更高速度和更低速度的线轴联接。中间环114和M/G160联接。为了取消联接，使得中间环114能够空转，从而使发动机线轴21，29之间没有由磁性变速箱110提供的联接，或者为了调整内环112和外环116之间联接的程度或百分比，中间环114可分成两个有效环114b和114c，这两个环可进行可控调节，从而使磁场的相位调整提前或延后。此目的可通过在一条公共键连接轴上安装两个独立的环114b，114c，并提供用于对各自磁场进行相位调整的控制机构(未示出)来实现。另一个备选方法是提供独立的完整的环114，环上具有交错的磁极件114b，114c，磁极件带有外部相位控制器(未示出)，用于各自磁场的控制。控制连接到磁性变速箱110的轴之间的磁性联接的能力，尤其是通过允许中间环空转而使得轴21，29之间没有由磁性变速箱110所提供的联接的能力，为必要时分离两根轴(如HP线轴21和LP线轴29)提供了安全特性。应该注意到，HP线轴21，LP线轴29和M/G的排列可以根据下面进一步细节所讨论的而有选择地进行修改，从而使内环112，中间环114和外环116可以与HP线轴21，LP线轴29及M/G的任意一个联接，进而获得备选的扭矩传递特性。
参见图6，此图是显示磁性变速箱110三环结构的分解图。内环112包括LP线轴磁体112a。在此实施例中中间环114的磁极件114b，114c交错排列，如同轴条纹114b，114c所示。中间环114被连接到M/G 160，用于控制HP线轴21和LP线轴29之间扭矩的相对分配。外部磁体环116联接到HP线轴21，而内部磁体环112联接到LP线轴29。112，114和116这些环每个环都是同轴同心，并相对其它环能够独立旋转。
下面参见图7和图8，它们显示了本发明的优选实施例。磁性变速箱110被构造成使得HP线轴21(该轴通常以比LP线轴29更高的速度旋转)被连接到内环磁体112，从而以较高的速度驱动内环磁体，而LP线轴21则被联接到以比HP线轴更低的速度运转的外环磁体116。例如，对于一套固定的行星齿轮轮齿122a，这种关系遵循了磁性变速箱110的固有传动比。不过，HP和LP线轴21，29可以以变化的速度彼此独立地旋转。在这种情况下，不能接受固定比率的联接，因此中间磁体环114也被设置成独立旋转。中间环114将以公式1和公式2所定义的角速度转动。线158(见图4)在HP对LP速度的某些特定比值会通过零速度点。通过给可移动的中间环114施加一个扭矩，该扭矩根据磁性变速箱公式1和2被传递到内环112和外环116上。在可移动中间环114上施加的扭矩在期望的方向上对传递功率可为正或为负。此扭矩施加在旋转的中间环114上，因此功率在这一位置可按正反任一方向流动。此被传递功率的功率源及负载必须以可变的方式提供。例如，如图5所示，电动机-发电机160可以用来提供或消耗中间环114上的功率。但是，此电能必须从已有的电能系统获取。在这样做时，会以机械的和电的方式产生循环功率。如果不在设计时仔细考虑这一点，会引起功率系统重量和尺寸的增加。为了使不需要的循环功率最小化，采用了可变扭矩联接器200来改变施加到中间环114的输出扭矩或周转齿轮磁性变速箱110的其它输入。
如图8所示，可变扭矩联接器200具有用于输入的旋转永磁体202，驱动输出轴206的旋转鼠笼式感应转子204，以及可滑动磁屏蔽控制(未示出)。转子204在键连接的输出轴206上滑动，以选择性地控制可变扭矩联接器200的输出扭矩。通过将可变扭矩联接器相对发动机中心线轴向滑动，如箭头208所示，调整了感应电流和转子上的扭矩。此联接器200的输出通过轴206施加在磁性变速箱110的输入端中间环114上，从而使变速箱对经过它的功率流进行控制。
除了可变扭矩联接器200以外，还可采用数个其它机构，包括连续及无级变速机械传动机构，液压传动机构，电动机-发电机组合，以及新型电机装置。
本发明公布了一个周转齿轮磁性变速箱110，所述变速箱结合了一种用于对通过其自身的功率流进行控制的连续可变方法。这种连续可变性的应用可在HP和LP线轴21，29的整个操作范围内可选地应用，从而使得，例如，在一些运行方案中中间环114可在没有施加任何扭矩的情况下完全自由旋转。相反地，在其它的运行方案中，如果维持HP线轴21到LP线轴29之间速度比所必需的扭矩固定的话，中间环114可能被限制只能按一个方向旋转。磁性变速箱的固定传动比被变成可变传动比。具有可变传动比的磁性变速箱110提供了控制从第一根机械旋转轴到第二根机械旋转轴的功率传递的能力。可选地，可提供额外的传动阶段来允许对发动机线轴的运行速度进行优化。
下面的表1列出了LP线轴29，HP线轴21及M/G装置160可针对扭矩联接而进行配置的可能组合。
表1
情况 内(太阳)环联接到： 中间(行星)环联接到： 外环联接到：
 1  LP  M/G  HP
 2  HP  M/G  LP
 3  LP  HP  M/G
  4   HP   LP   M/G
  5   M/G   HP   LP
  6   M/G   LP   HP
另一方面，磁性变速箱110可在涡轮风扇发动机的HP线轴21和LP线轴29之间提供固定比率的扭矩传递，其中如M/G 160或可变扭矩联接器200这样的第三输入没有连接到中间环114。例如，在图9中，有一个简化的装置，其中磁性变速箱110被连接到HP线轴21和LP线轴29。这个装置通过标准的机械变速箱装置162从HP线轴21提取功率，其中变速箱162被连接到一个或多个起动机168，或起动机/发电机164。随着由起动机-发电机164提取得功率增加，LP线轴29可以通过磁性变速箱110提供额外的功率，使得由HP线轴21提供的功率数接近恒定，并允许HP线轴21的速度保持恒定。这至少有三个有益效果，即，(1)提升紧急牵引力所需加速时间短，(2)HP线轴的稳定性富余高，及(3)减少了由于降低LP线轴速度所造成的无效牵引力。扭矩联接磁性变速箱110可用来以其他方式在内部增强性能及可操作性，例如，传递扭矩来优化HP涡轮机23和LP涡轮机27之间的功率分离，或利用LP线轴21作为功率源/接收器来协助主发动机28的加速或减速。注意这种配置不能被用作用于控制稳定态飞行速度稳定性的牵引力控制装置，因为在风扇速度控制下把功率移动到风扇会使循环重新平衡。这会改变燃料流，但不会产生更多的牵引力。
除附图所示的那些范例之外，还有多种涡轮风扇装置可采用磁性变速箱110。作为一个范例，三线轴涡轮风扇(如，HP，LP和辅助)可配置所述磁性变速箱110，使得这三根线轴的任意两根能够联接。作为备选，在有三根线轴的涡轮风扇里，可配置两个磁性变速箱110，来将任何一根线轴与其它两根线轴相联。在另一个其它配置中，可将一个三线轴涡轮风扇配置成使得一个磁性变速箱110能够联接到所有的三根轴，每个环112，114和116联接一根线轴。磁性变速箱110的输入功率可来自涡轮风扇的第三根线轴。或者在两线轴涡轮风扇中，可采用由使用变速箱而形成的第三根附属线轴来分离HP线轴的零件，如连接上的风扇或连接上的增压器。
本发明还可应用于涡轮风扇发动机之外的其它旋转机械。例如，汽车样式的差速驱动系统可采用磁性变速箱110，其中左轴连接到一个环结构，右轴连接到另一个环结构，而中间环固定[即，i0＝1]。在有良好牵引力的直线传动装置(straight-line driving)中，两个环以相同的速度反向旋转。在曲线阶段，环速稍有偏离，一个较快而另一个较慢，且小的恢复扭矩趋向于使较快的轴降速而使较慢的轴加速。如果一个轮脱开，会有一些滑行速度，在这些速度上，大部分扭矩产生作用，从滑行轮上将功率传递到具有所生成的牵引力的轮上，从而使这些轮恢复到相同的旋转速度。
在本发明的另一应用中，一个多发电机发电系统可由一主原动机驱动，其中有一主发电机，而其他发电机为从发电机。主原动机到主发电机之间的联接是刚性的，它连接到多个磁性变速箱110的第一环上。主原动机和从发电机之间的联接是扭转弹性的，相对标称位置具有有限范围的切线位移。从发电机被连接到相同数量的磁性变速箱110的一个或多个二级环上。中间环114被控制用于在所述切线位移地有限范围内使从发电机推后或前进，使得所有的从发电机都以和主发电机相同的相角运转。这种布置消除了变速箱不一致和磨损、转子和定子制造公差等问题(这些问题可导致发电系统中相当大的功率损失)，并使得电负载更均匀地分配在所有发电机上。
本发明的以上书面描述使用包括最佳实施模式的范例来公布本发明，并使得任何具备本领域技术的人员能够制造和使用本发明。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，并可包含具备本领域技术人员想到的其它范例。对于此类其它范例，如果它们的结构元件与所附权利要求的字面语言描述没有实质性的区别，则应属于所附权利要求的范围之内。

Claims (23)

1.一种用于在发动机的独立且同时地旋转的一对轴之间传递扭矩的系统，所述系统包括：
磁性变速箱，所述磁性变速箱包括第一环结构、第二环结构和中间环结构，所述第一环结构、所述第二环结构和所述中间环结构的每一个均具有穿过其中的环形孔和嵌在其中的多个磁极件，所述中间环结构布置在所述第一环结构和所述第二环结构之间，所述第一环结构、所述第二环结构和所述中间环结构的每一个均相对于其余的所述环结构同轴地布置、彼此同心并且可独立地旋转；
所述第一环结构和所述第二环结构的每一个均联接到发动机的单独的旋转轴上，所述中间环结构与所述第一环结构及所述第二环结构协同配合，并决定在该对轴之间传递的扭矩的水平。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中间环结构联接到旋转机械上，而所述旋转机械具有控制器，所述旋转机械可操作以用来调整在该对轴之间传递的扭矩的水平。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述旋转机械是构造成响应于由所述控制器发出的信号而从所述中间环结构接收功率和向所述中间环结构提供功率的电动机/发电机，使得在该对轴之间可变地传递扭矩。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述旋转机械包括转子部分和嵌有多个永磁体的第三环形环结构，所述转子部分包括输出轴并且设置成沿所述旋转机械的轴线双向移动，从而与所述第三环形环结构内的转子磁性联接，所述第三环形环结构被驱动而与发动机的一根独立旋转的轴联接，以便在所述转子部分中感生电磁场，从而有选择地控制输出轴的输出扭矩，并且所述转子部分的所述输出轴联接到所述中间环结构上。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述转子部分是鼠笼式感应转子。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁性变速箱包括与机械式周转齿轮行星变速箱相当的完全被动式磁性变速箱。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁性变速箱的牵出扭矩允许所述第一环结构和所述第二环结构以及所述中间环结构响应于额外施加的扭矩而滑动，从而防止对所述磁性变速箱的机械损伤。
8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一环结构、所述第二环结构以及所述中间环结构分别具有角速度ωr、ωs和ωp，它们通过以下等式相关联：
ωc(1-i0)＝ωs-(i0)(ωr)
其中，比率i0＝-zr/zs，而zr/zs是由位于磁性变速箱的外行星环上的所述第一环结构中的永磁体的数目对在所述第二环结构中的永磁体的数目之比所定义的比率；
其中，ωc对应于所述中间环结构的角速度ωp。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，扭矩Ts、Tc和Tr分别对应于所述第二环结构、所述中间环结构以及所述第一环结构，并且根据如下等式将扭矩施加在所述第一环结构、所述第二环结构以及所述中间环结构上：
Tsωs+Tcωc+Trωr＝0。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发动机是涡轮风扇航空发动机，其具有联接到第一轴上的高压涡轮以及联接到第二轴上的低压涡轮。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中间环结构分成第一磁性环部分和第二磁性环部分，所述第一磁性环部分和所述第二磁性环部分是可控制的，以便将感生在各自的所述第一磁性环部分和所述第二磁性环部分中的磁场的相位调整提前和延后，用于有选择地联接和分离所述中间环结构并且调整在所述第二环结构和所述第一环结构之间联接的磁性的程度。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第一磁性环部分和所述第二磁性环部分安装在公共键连接轴上，并且控制机构构造成调整由所述第一磁性环部分和所述第二磁性环部分产生的各自磁场之间的相对的相位。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第一磁性环部分和所述第二磁性环部分形成为完整的磁性环部分，其具有交错的磁极件和用于各自的所述第一磁性环部分磁场和所述第二磁性环部分磁场的外部相位控制器。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中间环结构分成两个有效环，从而使所述中间环结构构造成能够空转，使得在所述的一对轴之间没有提供的联接。
15.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述旋转机械选自连续变速机械传动机构、无极变速机械传动机构、液压传动机构、电动机-发电机组合。
16.一种气体涡轮发动机，包括：
低压涡轮线轴和高压涡轮线轴、至少一个压缩机、燃烧室、排气系统和旋转风扇叶片装置，所述低压涡轮线轴和所述高压涡轮线轴通过磁性变速箱进行磁性联接；
所述磁性变速箱包括：
第一环结构、第二环结构和中间环结构，所述第一环结构、所述第二环结构和所述中间环结构的每一个均具有穿过其中的环形孔和嵌在其中的多个磁极件，所述中间环结构布置在所述第一环结构和所述第二环结构之间，所述第一环结构、所述第二环结构和所述中间环结构的每一个均相对于其余的所述环结构同轴地布置、彼此同心且可独立地旋转；
所述第一环结构和所述第二环结构中的每一个均联接到所述高压涡轮线轴和所述低压涡轮线轴的其中之一上，所述中间环结构协同操作以在所述高压涡轮线轴和所述低压涡轮线轴之间转递扭矩。
17.根据权利要求16所述的气体涡轮发动机，其特征在于，所述中间环结构联接到旋转机械上，所述旋转机械具有控制器，所述旋转机械可操作用于调节所述高压涡轮线轴和所述低压涡轮线轴之间传递的功率比。
18.根据权利要求17所述的气体涡轮发动机，其特征在于，所述旋转机械是构造成响应于由所述控制器发出的信号而从所述中间环结构接收功率和向所述中间环结构提供功率的电动机/发电机，使得扭矩在该对轴之间可变地分配。
19.根据权利要求17所述的气体涡轮发动机，其特征在于，所述旋转机械包括转子部分和嵌有多个永磁体的第三环形环结构，所述转子部分包括输出轴，并且设置成沿着所述旋转机械的轴线双向移动以便与所述第三环形环结构内的转子磁性联接，所述第三环形环结构被驱动而与发动机的一根独立旋转的轴联接，以在所述转子部分中感生电磁场，从而有选择地控制输出轴的输出扭矩，所述转子部分的所述输出轴联接到所述中间环结构上。
20.一种在气体涡轮发动机的第一独立旋转的轴和第二独立旋转轴之间传递扭矩的方法，所述方法包括如下步骤；
提供可调节磁性变速箱，其具有第一环结构、第二环结构和中间环结构，所述第一环结构、所述第二环结构和所述中间环结构的每一个均具有穿过其中的环形孔和嵌在其中的多个磁极件，所述中间环结构布置在所述第一环结构和所述第二环结构之间，所述第一环结构、所述第二环结构和所述中间环结构的每一个均相对于其余的所述环结构同轴地布置、彼此同心并且可独立地旋转；
将所述气体涡轮发动机的第一独立旋转的轴联接到所述第一环结构上；
将所述气体涡轮发动机的第二独立旋转的轴联接到所述第二环结构上；
将旋转机械联接到所述中间环结构上，
同时旋转所述第一独立旋转的轴和所述第二独立旋转的轴以及所述旋转机械中的至少两个；以及
通过操作所述旋转机械向所述中间环结构提供功率或者从所述中间环结构提取功率，而控制在所述第一环结构和所述第二环结构之间传递的扭矩比。
21.一种在发动机的独立且同时地旋转的多个轴之间传递扭矩的系统，所述系统包括：
磁性变速箱，所述磁性变速箱包括第一环结构、第二环结构和中间环结构，所述第一环结构、所述第二环结构和所述中间环结构的每一个均具有穿过其中的环形孔和嵌在其中的多个磁极件，所述中间环结构布置在所述第一环结构和所述第二环结构之间，所述第一环结构、所述第二环结构和所述中间环结构的每一个均相对于其余的所述环结构同轴地布置、彼此同心且可独立地旋转；
所述第一环结构和所述第二环结构的每一个均联接到所述发动机的多个旋转轴的其中一个上，并且所述中间环结构可操作以在联接的旋转轴之间传递扭矩。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述多个旋转轴包括三个轴，所述第一环结构、所述第二环结构和所述中间环结构的每一个均连接到单独的轴上，并且所述磁性变速箱可操作以在所有三个所述轴之间传递扭矩。
23.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述多个旋转轴包括三个轴，所述系统包括构造成将所述三个轴的任一个连接到其余两个轴上的一对磁性变速箱。
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