CN101227120B - 叶尖电机 - Google Patents

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Abstract

一种电磁机，其通过在风扇叶片翼型的尖部上设置转子磁极，并且围绕叶片翼型而周向地设置定子元件，而从发动机产生电能。当叶片翼型上的极尖被激励的时候，这些极尖转动通过定子元件，从而导致定子中的磁通量变化。磁通量变化引起了用于提供动力的电势。

Description

叶尖电机
技术领域
本发明涉及电机(electrical machine)，尤其涉及气体涡轮发动机内的电机。
发明背景
气体涡轮发动机比如航空发动机要求为发动机内和发动机外的多种目的而产生电能，比如用于为控制系统提供动力，或者为机架提供电能。如今，供应气体涡轮发动机所需要的电能的发电机由机械变速箱所驱动。发电机和机械变速箱安装在发动机的机舱内。发电机的尺寸在不断增加，以便满足飞机不断增加的动力要求。对于机翼安装型或机身安装型气体涡轮发动机而言，发电机增加的尺寸可能要求扩大机舱，从而导致增加了飞机阻力。
一种系统提供了电机，其作为发电机或马达而运行，并且结合在气体涡轮发动机内。压缩机叶片可在径向外端被罩起来，以便将叶片的空气动力部分从电转子突出部隔开。除了罩之外，电机上设置有附接到压缩机叶片上的转子突出部。突出部在磁通芯体通道内运行，从而引起位于发动机的燃烧气体路径外部的电机内容易获得优化的磁通路径。叶片的罩形成了围绕气体路径的外部周缘的环，用于容纳气体，罩在罩与通道的壁之间具有密封，以便抵抗围绕罩并进入通道的气体泄露。
另一种系统提供了从发动机的转动构件到发电机之间的机械联接，以便产生足够的电能，进而满足不断增加的要求。另一种试图减小机械联接系统内的机械复杂度的系统，将发电机结合在发动机的旋转线轴(spool)内，优选地结合在高压线轴内。然而，已发现：发动机的中心轴线区域内的空间限制导致这个建议并不完全令人满意。
类似地，另一种气体涡轮发动机包括发电机。发电机也可作为马达来运行，以便提供驱动力，比如用于启动发动机。发动机包括至少一个转动叶片环。马达/发电机由转动部分和固定部分所形成，转动部分包括转动叶片环，固定部分包括多个周向地围绕叶片环设置的线圈。虽然此方法减小了机器构造的复杂度，然而它依赖于传统的方法和系统来对风扇叶片进行激励。
因此，需要一种方法和系统，以便将气体涡轮风扇或压缩机叶片作为磁极使用，以便用于集成式电机，进而在现有的机舱内产生增加的飞机发动机电能，同时提供横向磁通量电机，其适合于风扇或压缩机叶尖的结构，以便激励系统。
发明内容
以下段落总结了本发明的实施例，该发明由这里所附的独立权利要求所限定。在一个实施例中，本发明涉及叶尖(blade tip)电机，其具有横向磁通量机、配置有多个叶片和多个转子磁极元件的转动叶片结构。多个转子磁极元件中的各个转子磁极元件，设置在多个叶片中的其中一个的末端上。叶尖电机也包括多个定子元件，其中多个定子元件中的各个定子元件，周向地设置并周向地围绕多个叶片的周向周缘的至少一部分而隔开。叶尖电机也具有至少一个线圈元件。横向磁通量机为转动叶片结构提供激励，其具有旋转运动，并且其中该多个转子元件靠近该多个定子元件，而不是穿过该多个定子元件而通过，从而导致至少一个线圈元件内的磁通量变化。
本发明的另一个实施例涉及气体涡轮发动机，其具有低压线轴涡轮和高压线轴涡轮、压缩腔室、增压燃烧腔室、排放系统以及转动叶片结构，其中转动叶片结构具有多个叶片。叶尖电机也包括多个转子元件，其中多个转子元件中的各个转子元件设置在多个叶片中的一个叶片的末端上。本发明也包括多个定子元件，其中多个定子元件中的各个定子元件周向地设置并周向地围绕多个叶片的周向周缘而隔开。此外，多个定子元件中的一个定子元件上设置有至少一个线圈元件，并且气体涡轮发动机具有转动叶片结构，该转动叶片结构具有旋转运动，其中转子元件靠近多个定子元件而通过，从而导致至少一个线圈元件内的定子元件的磁通量变化。
本发明的一个优点是：在没有进一步增加机舱尺寸的情况下，飞机发动机的发电量得以增加。
本发明的又一个优点是：改善了叶片的偏移性能。
本发明的另一个优点是：在没有降低性能的情况下，允许轴向主轴的运动。
本发明的又另一个优点是：将磁极与叶片的导边(leading edge)结合起来，并且改善了尖部构造。
从优选实施例的以下更详细的描述出发，并结合附图，本发明的其它特征和优点将变得清楚，附图通过举例的形式展示了本发明的原理。
附图说明
图1为穿过传统气体涡轮发动机的简化截面。
图2展示了本发明的单相线圈配置。
图3展示了本发明，其围绕图1中的风扇组件而设置。
图3A为展示于图3中的区域3A的放大图。
图4展示了具有单个线圈绕组的单个定子芯体。
图5展示了在定子芯体内感应出的定向磁场。
图6展示了本发明的俯视图，展示了磁极和转子的角度。
图7展示了本发明的备选实施例的俯视图。
在可能的场合中，相同的标号将在所有附图中用来指相同或类似的部件。
具体实施方式
高旁路飞机气体涡轮发动机10示意性地展示于图1中。在运行过程中，空气被风扇12推动。空气的一部分绕过发动机的核心，并且用于产生驱动发动机的推力。空气的一部分在增压器14和发动机的压缩机16部分内被压缩到大气压力的10-25倍，并且在处理中被绝热地加热。该加热及压缩后的空气被导向至发动机18的燃烧室部分内，空气与经由燃料喷嘴系统20供应的燃料在燃烧室部分内混合起来。燃料被点燃，并且燃烧过程将气体加热。这些热气体通过高压涡轮22和低压涡轮24，转动盘在此提取能量，以便驱动发动机的风扇和压缩机。一旦热气体通过高压涡轮，那么热气体被认为是核心气体(core gas)，而不是燃烧气体。气体然后通到排放系统26，该排放系统26包括中心体32，气体在此产生用于飞机驱动的推力。
图2展示了前风扇组件12的局部示意图，前风扇组件12包括电机37的一部分。为清晰起见，没有显示所有的风扇叶片40和芯体44，然而应当理解：叶片40和芯体(core)44以有规律的间隔围绕风扇周缘而隔开。电机37具有由多个转子磁极(pole)38形成的转子组件。转子磁极38附接到叶片40上，或者与叶片40一体地形成。更具体地，叶片40的基部41连接到轮毂43上，并且叶片40和轮毂43之间的接触面处设置有传统的机构，用于维持充分的气流限定并且用于防止泄露。叶片40和轮毂43可以传统的方式而安装到轮毂43上，或者备选地，叶片40和轮毂43可以为整体构造。风扇叶片40设置在轮毂43上，从而使叶片40的导边面向电机37的外部，并且定子段或磁场芯体44形成一定角度，从而使它们与叶尖42对齐。优选地，叶片40没有隐蔽起来。横向磁通量机(flux machine)提供了对电机进行激励的方法。如果转子磁极38为永久磁块，那么不需要线圈50激励来发电。此外，如果转子磁极38具有透磁性，比如在磁阻机(reluctance machine)的情况下，那么线圈50可被激励。
接下来参考图3，在一个实施例中，电机37具有被传统地称为横向磁通量机的配置。转子磁极38设置在叶尖42上，并且由透磁性材料比如钢构造而成，但也可由任何透磁性材料构造而成。定子组件包括一系列磁场芯体44和线圈(coil)50。每个芯体44为马蹄形形状的元件，并且由透磁性材料构造而成。如图3A中详细地展示的那样，每个芯体44具有两个从基体48延伸的突出臂44a、44b。芯体44的臂44a、44b形成了通道49。芯体44周向地围绕定子组件而设置，从而形成向内地朝向的通道49。一个或多个导电线圈50通过通道49，从而形成围绕分段的叶片环的外周缘的连续环。多个线圈50可提供通道并且将发电机输出的电相位分开。向内地朝向的通道49设置成使得在电机37借助激励的运行过程中，叶尖42靠近通道49而通过，该叶尖42形成了叶片环，该通道49环绕一个相位线圈(phase coil)或多个相位线圈50，从而在每个线圈50内感应出电流。
如图3所示，芯体44周向地围绕定子线圈50而隔开。线圈50和多个定子芯体44保持静止，并且因此根据多个叶片40的转动而提供发电。定子芯体44设置成使得线圈50搁置在芯体44的向内地朝向的通道49的内部。当风扇12转动时，叶尖44靠近向内地朝向的通道49而通过。
单个定子芯体44放置成横跨在由图2中的虚线所指示的单个线圈50上。单个定子芯体44周向地围绕风扇组件12和叶片40而设置，以便允许叶片42靠近芯体内的向内地朝向的通道49而通过，并且靠近线圈50而通过。当叶片40转动时，转子磁极38靠近向内地朝向的通道49以及一个或多个线圈50而通过。磁极38通过线圈50和芯体44的运动导致磁通路径穿过芯体44而行进，其转化为电能，如下面更详细地描述的那样(一般地参考图5)。除了单一定子线圈50之外，也可以使用多于一个的周向定子线圈50。
图4和图5展示了本发明的优选实施例，定子组件中的每个芯体部44包括分离的定子线圈46，其围绕芯体44的基体部48而包裹。
现有技术描述了一种系统，且磁通量大体上轴向地穿越气隙。单个线圈46包括适当的电连接(图未示)，从而允许单个线圈46可被激励而产生磁通量，该磁通量大体上径向地穿越间隙而导向，该间隙位于芯体44和磁极38(一般地参考图5)之间，并且仅仅轴向地通过透磁性的叶尖磁极或定子芯体的一部分而导向。如图所示，每个定子芯体44为马蹄形或C形，并且具有缠绕芯体44的基体48的单个线圈46。单个定子芯体44设置成与图3中的单个线圈配置内的定子芯体44类似，因为定子芯体44周向地围绕路径而设置，风扇叶片40在该路径内转动，并且通道49导向至叶片40。向内地朝向的通道49定位成使得在发动机的运行过程中，转子磁极38靠近通道49而通过。当转子磁极38靠近通道49而通过时，定子芯体44与磁极38内的磁通量发生变化。该磁通量的变化感应出电压，从而在线圈46内提供电能。
当风扇或压缩机运行时，每个单个的转子磁极38通过每个定子芯体44及其相关的定子线圈46。在转动中的某个点处，即当磁极38和芯体44对齐的时候，形成了磁通路径。转子磁极38内的磁通路径由箭头54标示，其大体上平行于风扇12的转动轴线。芯体44内的磁通路径由箭头56、60和62所标示。磁通路径然后横穿芯体44与磁极38之间的气隙52，流经芯体臂部44b、芯体基体44与芯体臂部44a，然后又穿越气隙52，并且回到磁极38内。因为本发明将横向磁通量施加到电机37内，磁通量没有沿着风扇叶片的整个长度而径向地自风扇组件行进，正如它在传统磁通量机中所运行的那样。磁通量缩短了的路径使得这种机器成为可能，该机器在此用于产生电能。
从上述描述可容易地理解：正如所描述的那样，借助叶片40上的磁极38相对于线圈46的运动，电机37既能够作为发电机使用，也能够作为马达使用。因此，当发动机10在运行时，线圈46或50可分接出来，以便从发动机10以电能的形式吸收动力。当电机37作为发电机使用时，机械力驱动转子30。在马达容量中，线圈46和50被赋予能量，其导致机器转动，比如用于为涡轮发动机提供启动扭矩。
参考图2，叶片40的形状显示为矩形，并且具有空气动力学扭曲。然而，应当理解：叶片40可具有适于机器性能的任何其它合适形状。叶片40优选地定形并且定位成为叶片40产生最具空气动力性的路径，从而在叶片40上提供较少的应力。然而，应当理解：叶片40可具有任何形状，其适于发动机并且适于具有位于叶尖42上的磁极38。
文中描述的新颖配置允许在以前是不可能的多种选择。如图6和图7所示，由于磁通路径可为分散的环路，仅仅由叶片40的圆周的一部分制成机器是可能的。这种配置也允许以多种方法构造多个相位，这在以前是不可能的。磁通路径为与单个线圈46，而不是多个线圈46相关的分散环路。单个线圈46可串联或并联地连接，以便形成一个或多个相位。图6展示了芯体元件44，其与叶片40对齐，并且因此与磁极38对齐，从而为穿越磁极38与芯体元件44之间的气隙(图未示)的磁通量的径向方向产生路径，并且该路径轴向地穿过磁极38和芯体元件44的一部分。图7展示了机器，其具有多列芯体元件44，并且具有叶片40和磁极38，从而在径向方向产生穿越气隙(图未示)的磁通路径。磁通路径在径向方向上限定于磁极38和芯体元件44之间，并且轴向地穿过磁极38和芯体元件44的一部分。叶片40在叶片偏移角61处对齐，从而当磁通量在叶片转动63(一般地参考图5)的方向内行进时，磁通量流过所述的路径。偏移角61大体上为相对于轴向方向65的锐角。
虽然本发明以风扇叶片配置的形式进行了描述，然而电机37也可以设置在压缩机16上，其中磁极38附接到压缩机16的叶片上，或者集成于其上，而电机37的其余部分则如上面叙述的那样设置。此外，风扇叶片可设置成并非全部叶尖为转子磁极。从而允许一定的灵活性，以便接受电机设计，其独立于空气动力学要求，比如要求用于气流的风扇叶片的数量，可不同于电器系统内的磁极的必要数量。此外，由于叶尖集成于叶片，具有很少的与修改后的叶尖相关联的额外重量，因此叶片环上产生很少的离心力或其它力。这种配置(图未示)也提供了要求用于系统的电能，但未涉及系统内的每个单独的叶尖。
此书面描述使用实施例，包括最佳模式来公开本发明，并且使得本领域内的任何技术人员能够制造并且使用本发明。本发明的专利范围由权利要求所限定，并且可以包括出现于本领域内的普通技术人员上的其它实施例。如果它们具有结构元件，且这些结构元件与权利要求的字面语言没有实质性的区别的话，那么这些其它实施例应当位于权利要求的范围之内。
部件列表：
10传统的气体涡轮发动机
12前风扇组件
14核心发动机
16低压主轴
18中压主轴
20高压主轴
22涡轮组件
24涡轮
26轴线
28压缩机
30涡轮转子组件
34压缩机
36涡轮转子组件
37电机装置
38转子磁极
39芯体端部
40风扇叶片
41叶片根部
42叶尖
43盘/轮毂
44定子芯体
44a芯体臂部
44b芯体臂部
45定子组件
46多个定子线圈
47叶片环
48芯体基部
49向内地朝向的通道
61偏移角
62叶片环
64周向间隙
50单个定子线圈
52磁场
54穿过磁极的磁场
56穿过芯体的磁场
58穿过芯体基部的磁场
60穿过芯体并且返回到磁极的磁场

Claims (13)

1.一种叶尖电机，其包括：
转动叶片结构，所述转动叶片结构配置成具有多个叶片(40)；
多个转子磁极元件(38)，所述多个转子磁极元件(38)中的各个转子磁极元件(38)设置在所述多个叶片(40)的其中一个的末端(42)上；
多个透磁性定子芯体元件(44)，所述多个透磁性定子芯体元件(44)中的各个定子芯体元件(44)具有基体和从所述基体延伸的第一臂与第二臂，并且围绕所述多个叶片(40)的周向周缘的至少一部分而周向地隔开，所述第一臂与第二臂形成通道；
至少一个线圈元件(50)，所述线圈元件(50)设置在所述多个定子芯体元件(44)的所述通道内；
气隙(52)，所述气隙(52)设置在所述转子磁极元件(38)与所述多个透磁性定子芯体元件(44)之间；以及
其中所述转动叶片结构具有旋转运动，其中所述多个转子磁极元件(38)靠近所述多个定子芯体元件(44)而通过，从而导致磁通量变化，并且在至少一个线圈元件(50)内产生电能，其中所产生的磁通量大致径向地穿越所述气隙、经过所述第一臂、所述基体、所述第二臂并且又穿越所述气隙而行进。
2.如权利要求1所述的叶尖电机，其特征在于，所述至少一个线圈元件(50)包括连续的环路，所述环路周向地围绕转动的叶片环(47)而设置。
3.如权利要求2所述的叶尖电机，其特征在于，所述多个定子芯体元件(44)中的各个定子芯体元件(44)设置成横跨所述至少一个线圈元件(50)。
4.如权利要求1所述的叶尖电机，其特征在于，所述至少一个线圈元件(50)围绕所述多个定子芯体元件(44)的一个定子芯体元件(44)的中心而设置。
5.如权利要求1所述的叶尖电机，其特征在于，所述电机配置成从气体涡轮发动机的低压线轴提取能量。
6.如权利要求1所述的叶尖电机，其特征在于，所述电机配置成从气体涡轮发动机的高压线轴提取能量。
7.如权利要求1所述的叶尖电机，其特征在于，所述多个定子芯体元件(44)大致围绕所述多个叶片(40)的周向周缘而设置并周向地隔开。
8.如权利要求1所述的叶尖电机，其特征在于，所述多个定子芯体元件(44)以所述多个叶片(40)的周向周缘上的弧段的形式而设置并周向地隔开。
9.如权利要求2所述的叶尖电机，其特征在于，所述转动的叶片环选自风扇叶片或压缩机叶片。
10.如权利要求1所述的叶尖电机，其特征在于，所述多个定子芯体元件中的各个定子芯体元件基本为马蹄形形状，其中，第一臂和第二臂基本平行，且所述基体基本垂直于所述第一臂和第二臂，且布置为连接所述第一臂和第二臂。
11.一种气体涡轮发动机，其包括：
至少一个压缩机、燃烧器、高压涡轮和低压涡轮，其连续地流通设置，并在环形外壳内绕发动机的纵向轴布置；所述至少一个压缩机在操作中由高压涡轮和低压涡轮及压缩空气驱动；及
布置在环形外壳内的叶尖电机，所述叶尖电机包括：
转动叶片结构，所述转动叶片结构配置成具有多个叶片(40)；
多个转子磁极元件(38)，所述多个转子磁极元件(38)中的各个转子磁极元件(38)设置在所述多个叶片(40)的其中一个的末端(42)上；
多个透磁性定子芯体元件(44)，所述多个透磁性定子芯体元件(44)中的各个定子芯体元件(44)具有基体和从所述基体延伸的第一臂与第二臂，并且围绕所述多个叶片(40)的周向周缘的至少一部分而周向地隔开，所述第一臂与第二臂形成通道；
至少一个线圈元件(50)，所述线圈元件(50)设置在所述多个定子芯体元件(44)的所述通道内；
气隙(52)，所述气隙(52)设置在所述转子磁极元件(38)与所述多个透磁性定子芯体元件(44)之间；以及
其中所述转动叶片结构具有旋转运动，其中所述多个转子磁极元件(38)靠近所述多个定子芯体元件(44)而通过，从而导致磁通量变化，并且在至少一个线圈元件(50)内产生电能，其中所产生的磁通量大致径向地穿越所述气隙、经过所述第一臂、所述基体、所述第二臂并且又穿越所述气隙而行进。
12.如权利要求11所述的气体涡轮发动机，其特征在于，所述电机配置成从气体涡轮发动机的低压线轴提取能量。
13.如权利要求11所述的气体涡轮发动机，其特征在于，所述电机配置成从气体涡轮发动机的高压线轴提取能量。
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