CN101728911A - 改进的永磁容错电机 - Google Patents

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J·M·克恩
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J·D·范丹
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Abstract

本发明提供了一种PM电机(10)。这种PM电机(10)包括定子(12)，其包括定子芯(14)，其中，定子芯(14)限定了多个阶梯形定子槽(16)。定子(12)包括缠绕在阶梯形定子槽(16)内的多个分数槽集中绕组(18)。定子(12)还包括至少一个槽楔(22)，其配置成关闭相应的其中一个阶梯形定子槽(16)的开口，其中，槽楔(22)还配置成调整PM电机(10)中的漏电感。PM电机(10)还包括转子(24)，其具有转子芯(26)并设置在定子(12)的外部且与定子(12)同心，其中，转子芯(26)包括设置在多个轴向分段的磁铁的周围的叠片式护铁结构。

Description

改进的永磁容错电机
相关申请的交叉引用
本申请涉及以下共同待决的转让给与本申请相同的受让人并与本申请一起提交的题名为“永磁容错电机中的热管理”的美国专利申请序号No.12/249,626，其全部内容通过引用而结合在本文中。
技术领域
本发明通常涉及永磁(PM)电机，例如发电机和/或电动机。具体地说，本发明涉及容错PM电机。
背景技术
许多新的飞机系统设计成适应比当前飞机系统上的电负荷更大的电负荷。当前正在发展的商业客机设计的电系统规格可能需要高达两倍于当前商业客机的电功率。这种提高的电功率的需求必须源于从为飞机提供动力的发动机提取的机械功率。当以相对较低的功率水平运转飞机发动机时，例如，当从高空怠速下降时，从发动机的机械功率提取的这种额外电功率可能降低恰当运转发动机的能力。
传统上，在燃气涡轮发动机中，从高压(HP)发动机轴(engine spool)提取电功率。HP发动机轴的相对较高的运转速度使其成为驱动连接到发动机上的发电机的理想的机械功率源。然而，其需要从发动机中的补充源提取功率，而非仅仅依赖于HP发动机轴来驱动发电机。LP发动机轴提供了备选的功率传递源，然而，LP发动机轴的相对较低的速度通常需要使用传动箱，因为低速发电机通常大于运转于较高速度的相似额定的发电机。
PM电机(或发电机)是一种用于从LP轴提取电功率的可行装置。然而，航空应用需要容错，并且如下所述，PM电机在某种情况下可能发生故障，并且用于容错PM发电机的现有技术受到诸如增大的尺寸和重量等缺陷的困扰。
如本领域中的技术人员已知的那样，发电机可利用永久磁铁(PM)作为产生用于电感应的高量级磁场的主要机构。这种电机也被称为PM电机，由其它的电气构件和机械构件组成，例如配线或绕组、轴以及轴承等，可将机械能转换成电能，其中，在电动机的情况下，则是反向转换。不同于可受电能控制的电磁铁，例如接通和断开，PMs始终保持，也就是说，由PM产生的磁场由于其内在的铁磁性质而持续存在。因此，如果具有PM的电气设备发生故障，那么可能由于持续存在的PM的磁场而不可能很方便地停止该设备，造成该设备继续运转。这种故障可能是故障电流的形式，该故障电流是由于定子绕组中的缺陷或由于设置在该设备中的有缺陷的或磨损的机械构件所引起的机械故障而产生的。因此，在发生上述故障或其它相关故障期间无法控制PM，其可能损坏电机和/或耦合到电机上的设备。
此外，目前用于PM电机中的容错系统极大地增加了这些设备的尺寸和重量，限制了可采用这种PM电机的应用范围。此外，这种容错系统需要复杂的控制系统的繁复设计，极大地增加了PM电机的成本。
因此，存在着对改进的容错PM电机的需求。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种PM电机。这种PM电机包括定子，其包括定子芯，其中，定子芯限定了多个阶梯形定子槽。定子包括缠绕在阶梯形定子槽内的多个分数槽集中绕组。定子还包括至少一个槽楔，其配置成关闭相应的其中一个阶梯形定子槽的开口，其中，槽楔还配置成调整PM电机中的漏电感。PM电机还包括转子，该转子具有转子芯并设置在定子的外部且与定子同心，其中，转子芯包括设置在多个磁铁的周围的叠片式护铁结构。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种PM电机。这种PM电机包括定子，其包括定子芯，其中，定子芯限定了多个阶梯形定子槽。定子包括缠绕在阶梯形定子槽内的多个分数槽集中绕组。定子还包括包绕在各匝绕组的周围的至少一个绝缘层。定子还包括至少一个槽楔，其配置成关闭相应的其中一个阶梯形定子槽的开口，其中，槽楔还配置成调整PM电机中的漏电感。PM电机还包括转子，其具有转子芯并设置在定子的外部且与定子同心，其中，转子芯包括设置在多个磁铁的周围的叠片式护铁结构。
根据本发明的另一个实施例，公开了一种制造PM电机的方法。该方法包括提供定子，该定子包括限定了多个阶梯形定子槽的定子芯。该方法还包括形成多个分数槽绕组，并将分数槽绕组放入相应的阶梯形定子槽中。该方法还包括通过槽楔来盖住相应的其中一个阶梯形定子槽的至少一个开口。该方法还包括将包括转子芯的转子设置在定子的外部且与定子同心，其中，转子芯包括设置在多个磁铁的周围的叠片式护铁结构。
附图说明
当参照附图并阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些以及其它特征、方面和优点，其中，在所有附图中相似的标号表示相似的部件，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的PM电机的示意图；
图2是图1的PM电机中的定子槽的放大图，其显示了磁通密度分布；
图3根据本发明的一个实施例的图1的PM电机中的包括绝缘层的线圈绕组的截面图；
图4是流程图，其代表了制造根据本发明的一个实施例的PM电机的方法中的步骤；
图5是根据本发明的一个实施例的示例性的PM电机的示意图，其包括作为用于热管理的机构的冷却管；
图6是用于根据本发明的一个实施例的PM电机的另一个示例性的冷却装置的示意图；
图7是用于根据本发明的一个实施例的PM电机的又一个示例性的冷却装置的示意图；以及
图8是流程图，其代表了用于形成根据本发明的一个实施例的PM电机中的冷却管的方法中的步骤。
标号列表
10永磁(PM)电机
12定子
14定子芯
16定子槽
18分数槽集中绕组
22槽楔
24转子
26转子芯
28叠片式护铁结构
32保持环
42磁通密度分布
44被缠绕的定子齿
46线圈
48未被缠绕的定子齿
62线圈绕组
66主绝缘
92提供定子，该定子包括限定了多个阶梯形定子槽的定子芯
94形成多个分数槽绕组
96将分数槽绕组放入相应的阶梯形定子槽中
98通过槽楔来盖住相应的其中一个阶梯形定子槽的至少一个开口
100将包括转子芯的转子设置在定子的外部且与定子同心，其中，转子芯包括设置在多个磁铁周围的叠片式护铁结构
110示例性的PM电机
114冷却管
116分数槽集中绕组
118第一绝缘层
120第二绝缘层
122环氧树脂层
132使用插入物以形成至少一个冷却管
134进行真空压力浸渍
136使树脂硬化
138移除插入物
具体实施方式
如以下详细讨论的那样，本发明的实施例用于永磁容错电机。如此处所使用的那样，术语“容错”是指各种电机线圈/相位之间的磁去耦和物理去耦，同时减少噪声、转矩脉动以及谐波通量成分。另外，这种改进的容错PM电机具有高的功率密度和效率。此外，这种电机配置的实施例增加了电感，以减少故障电流，并提供所需的电压调节。
图1是永磁(PM)电机10的示意图。PM电机10包括定子12，改定子12具有定子芯14。定子芯14限定了多个阶梯形定子槽16，该定子槽16包括缠绕在阶梯形定子槽16中的多个分数槽集中绕组18。分数槽集中绕组提供了PM电机10的各种相位和线圈之间的磁去耦和物理去耦。在所示的实施例中，阶梯形定子槽16具有两阶梯结构。在其它实施例中，阶梯形定子槽16可包括多于两个的阶梯。在特定的实施例中，分数槽集中绕组18径向向内缠绕在两阶梯结构的第一阶梯上，并且径向向外缠绕在两阶梯结构的第二阶梯上。在另一个实施例中，分数槽集中绕组包括多个李兹线(Litz wires)。
至少一个槽楔22关闭相应的其中一个阶梯形定子槽16的开口。这使得可调整PM电机10的漏电感。在一个示例中，漏电感在大约100μH至大约110μH之间的范围内。在一个实施例中，槽楔包括铁-环氧树脂。其它合适的槽楔材料包括但不限于，非磁性材料、陶瓷以及环氧化物。包括转子芯26的转子24设置在定子12外部并与之同心。在一个实施例中，转子芯26包括多个轴向段，该轴向段彼此电绝缘以减少涡电流损失。转子芯26包括设置在多个磁铁30的周围的叠片式护铁结构28。磁铁也是轴向分段的，以减少涡电流损失。在一个非限制性的示例中，各个磁铁包括一百个(100)分段。护铁结构28是叠片式，以减少由于定子12中所产生的磁通的不期望的谐波分量而引起的涡电流损失。在特定的实施例中，PM电机10包括至少一个设置在护铁结构28周围的保持环32，以保持磁铁30。在一个非限制性的示例中，保持环32包括碳纤维。其它合适的保持环材料包括但不限于，因科镍合金(Inconel)和碳素钢。在另一个实施例中，保持环32被预加负载，以便最大限度地减小疲劳效应并延长转子24的寿命。在又一个实施例中，PM电机10具有在大约1.46kW/Kg至大约1.6kW/Kg之间的范围内的功率密度。在所示的实施例中，PM电机10是一种反结构(inside out configuration)，其中，转子24在定子12的外部旋转。在其它实施例中，转子24可设置在定子12的内部。在又一些其它实施例中，电机10可包括多个相位数量。
图2是定子槽16(图1)的放大图，其显示了磁通密度分布42。如图所示，与传统的定子槽结构相比，被线圈46缠绕的定子齿44和未被缠绕的定子齿48受到相似的磁通密度，其表示需要利用绕组的铜和叠片式护铁的铁。这改善了电机的功率密度。此外，为了简化制造和最大限度地利用槽，PM电机10具有开口槽16(图1)，使得线圈46可被放入槽的内部。通过槽楔22来关闭槽16，如图1中所指和所示。
图3是线圈绕组62的截面图，其显示了用于减少匝与匝之间发生故障的可能性的绝缘。绕组62包括几束绞线(未显示)。在一个实施例中，绕组62是多个李兹线。绝缘层，也被称为“股间绝缘”，包绕在各绞线的周围。此外，在各个绕组62的周围可覆盖另一绝缘层(未显示)。在绕组62的周围还环向地应用了主绝缘(ground wallinsulation)66。主绝缘66减少了匝-匝故障的可能性，从而提高了电机的可靠性。在特定的实施例中，主绝缘66包括云母和/或聚酰亚胺。在一个非限制性的示例中，聚酰亚胺是
Figure G2009102068703D0000071
图4是流程图，其代表了制造PM电机的方法中的步骤。该方法包括在步骤92中提供定子，该定子包括限定了多个阶梯形定子槽的定子芯。在特定的实施例中，阶梯形定子槽具有两阶梯结构。该方法还包括在步骤94中形成多个分数槽绕组。在步骤96中，将分数槽绕组放入相应的阶梯形定子槽中。在一个实施例中，步骤94包括将绕组径向向内包绕在两阶梯结构的第一阶梯上和径向向外包绕在两阶梯结构的第二阶梯上。在步骤98中，通过槽楔来盖住相应的其中一个阶梯形定子槽的至少一个开口。在步骤100中，将包括转子芯的转子设置在定子的外部且与定子同心。转子芯包括设置在多个轴向分段的磁铁的周围的叠片式护铁结构。在特定的实施例中，转子芯包括多个轴向分段。在另一个实施例中，至少一个保持环设置在护铁结构的周围。在采用多个保持环的实施例中，由于所期望的材料的利用而存在着对整体套管厚度的有效减少。
图5是示例性的PM电机110的示意图，该电机包括作为用于热管理的机构的冷却管114。在所示的实施例中，冷却管114设置在分数槽集中绕组116的周围。在特定的实施例中，绕组116是李兹线。第一绝缘层118设置在冷却管114的周围。此外，第二绝缘层120设置在第一绝缘层118的周围。在一个实施例中，第一绝缘层118和第二绝缘层120由云母或聚酰亚胺中的至少一个形成。环氧树脂层122将冷却管114附连到绕组116上。在特定的实施例中，第三绝缘层在绕组116离开定子芯的位置设置在绕组116的外层的周围，以减少在该位置点的电应力，该第三绝缘层例如为云母“泥”，但不限于此。
图6是用于PM电机的另一个示例性的冷却装置的示意图。在所示的实施例中，冷却管114(图5)设置在第一绝缘层118和第二绝缘层120之间。第一绝缘层118设置在绕组的周围，并通过环氧树脂层122而附连到绕组上。第一绝缘层在可能电导通的绕组116和冷却管114之间提供了一定程度的电绝缘。这最大限度地减小了沿着绕组116短路的可能性。另外，在芯末端，第一绝缘层118不需要破裂以容许冷却管114暴露于冷却流体和/或连接到冷却歧管上的开口。这还降低了电击穿问题的可能性。虽然在电气方面更为稳固，但绕组116和冷却管114之间的第一绝缘层118将增大绕组116和冷却剂之间的热阻。在特定的实施例中，第三绝缘层在绕组116离开定子芯的位置设置在绕组116的外层的周围，以减少在该位置点的电应力，该第三绝缘层例如为云母“泥”，但不限于此。
图7是用于PM电机的另一个示例性的冷却装置的示意图。在所示的实施例中，冷却管114(图5)设置在第二绝缘层120的外侧。第一绝缘层118设置在绕组的周围，并通过环氧树脂层122而附连到绕组上。第一绝缘层和第二绝缘层在可能电导通的绕组116和冷却管114之间提供了一定程度的电绝缘，该电绝缘甚至更大于图6中的结构所提供的电绝缘。这进一步最大限度地减小了沿着绕组短路的可能性。另外，在芯末端，第一绝缘层和第二绝缘层不需要破裂以容许冷却管暴露于冷却流体和/或连接到冷却歧管上的开口。这进一步地降低了电击穿问题的可能性，并超过了图6中所示的实施例的降低程度。虽然电气方面更为稳固，但绕组116和冷却管114之间的第一绝缘层118和第二绝缘层120将增大绕组116和冷却剂之间的热阻。在一个实施例中，也称为“槽绝缘衬”的第三绝缘层可设置在定子槽的壁的周围。在另一个实施例中，第四绝缘层可包绕在冷却管114的周围，该第四绝缘层例如为
Figure G2009102068703D0000081
但不限于此。
图8是流程图，其代表了用于形成PM电机中的冷却管的方法中的步骤。该方法包括在步骤132中使用插入物以形成至少一个冷却管。在特定的实施例中，在步骤134中进行真空压力浸渍，以沉淀用于附连多个导线的树脂。在步骤136中使树脂硬化。在步骤138中移除插入物，使得硬化后的树脂限定至少一个冷却管。
如上所述，可在多种应用中采用PM电机。其中之一包括航空应用，例如飞机发动机。具体地说，PM电机可以是PM发电机，该PM发电机用于从安装在飞机上的涡轮风扇发动机的旋转部件，例如低压(LP)涡轮轴产生补充电功率。PM电机还可用于其它非限制性的示例，例如用于航天应用、工业应用以及工业用具中的牵引应用、风力涡轮和燃气涡轮、起动器-发电机(starter-generator)。
上述PM电机的各种实施例因而提供了一种提供具备高的功率密度、可靠性和容错能力的PM电机的途径。该PM电机还容许一种新颖的可改进功率密度的热管理装置。而且，这种PM电机甚至在高运转速度和高操作温度下运转时，具备最小的噪声、振动、涡电流损失和转矩脉动。这些技术和系统还容许高效的永磁电机。
当然，应该理解，并非根据任何特定的实施例可获得所有上述这些目的或优点。因而，例如，本领域中的技术人员将认识到，本文中所描述的系统和技术可以以实现或优化本文所教导的一个优点或一组优点的方式来体现或实行，无须实现本文可能教导或建议的其它目的或优点。
此外，熟练的技术人员将认识到来自不同实施例的各种特征的可互换性。例如，关于一个实施例所描述的轴向分段的转子芯可适合于与关于另一个实施例所描述的两阶梯定子槽结构一起使用。类似地，所描述的各种特征以及各特征的其它已知的等同物均可由本领域中的普通技术人员根据本公开的原理进行混合和匹配，以构造出另外的系统和技术。
虽然本文中仅显示和描述了本发明的某些特征，但本领域中的技术人员将想到许多变型和变化。因此，应该懂得，所附的权利要求旨在覆盖落入本发明的真实要旨内的所有这样的修改和变化。

Claims (10)

1.一种永磁电机(10)，包括：
定子(12)，包括定子芯(14)，所述定子芯(14)限定了多个阶梯形定子槽(16)，并包括：
缠绕在所述阶梯形定子槽(16)内的多个分数槽集中绕组(18)；
以及
至少一个槽楔(22)，配置成关闭相应的其中一个阶梯形定子槽(16)的开口，所述槽楔(22)还配置成调整所述永磁电机(10)中的漏电感；以及
转子(24)，包括转子芯(26)并设置在所述定子(12)的外部且与所述定子(12)同心，其中，所述转子芯(26)包括设置在多个磁铁的周围的叠片式护铁结构(28)。
2.根据权利要求1所述的电机(10)，其特征在于，各个所述阶梯形定子槽(16)具有两阶梯结构。
3.根据权利要求2所述的电机(10)，其特征在于，所述分数槽集中绕组(18)径向向内缠绕在所述两阶梯结构的第一阶梯上，并径向向外缠绕在所述两阶梯结构的第二阶梯上。
4.根据权利要求1所述的电机(10)，其特征在于，还包括设置在所述护铁结构(28)的周围的至少一个保持环(32)。
5.根据权利要求1所述的电机(10)，其特征在于，所述转子芯(26)包括多个轴向分段。
6.一种永磁电机(10)包括：
定子(12)，包括定子芯(14)，所述定子芯(14)限定了多个阶梯形定子槽(16)，并包括：
缠绕在所述阶梯形定子槽(16)内的多个分数槽集中绕组(18)；
包绕在各匝绕组的周围的至少一个绝缘层；以及
至少一个槽楔(22)，配置成关闭相应的其中一个阶梯形定子槽的开口，所述槽楔还配置成调整所述永磁电机中的漏电感；以及
转子(24)，包括转子芯(26)并设置在所述定子(12)的外部且与所述定子(12)同心，其中，所述转子芯(26)包括设置在多个磁铁的周围的叠片式护铁结构(28)。
7.根据权利要求6所述的电机(10)，其特征在于，各个所述定子槽(14)具有两阶梯结构，其中，所述分数槽集中绕组径向向内缠绕在所述两阶梯结构的第一阶梯上，并径向向外缠绕在所述两阶梯结构的第二阶梯上。
8.根据权利要求6所述的电机(10)，其特征在于，所述转子芯(26)包括多个轴向分段。
9.一种制造永磁电机的方法，包括：
提供(92)定子，该定子包括限定了多个阶梯形定子槽的定子芯；
形成(94)多个分数槽绕组；
将所述分数槽绕组放入(96)相应的阶梯形定子槽中；
通过槽楔来盖住(98)相应的其中一个阶梯形定子槽的至少一个开口；以及
将包括转子芯的转子设置(100)在所述定子的外部且与所述定子同心，其中，所述转子芯包括设置在多个磁铁的周围的叠片式护铁结构。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括设置在所述护铁结构的周围的至少一个保持环。
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