CN104578581B - 发电机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发电机系统，包括可旋转轴和辅助永磁发电机(PMG)，可旋转轴配置成围绕轴的中心纵轴旋转，并且辅助永磁发电机(PMG)安装在轴上，使得辅助PMG配置成围绕中心纵轴而随可旋转轴旋转。该系统包括具有转子和定子的绕场磁通切换电机。转子安装在轴上，使得转子配置成围绕中心纵轴而随轴旋转。定子包括直流(DC)励磁线圈和交流(AC)电枢线圈。DC励磁线圈操作地连接在用于激励DC励磁线圈的辅助PMG上。

Description

发电机系统
技术领域
旋转电机用于各种广泛的应用，例如汽车应用、航空和航天应用、船舶应用、工业应用等等。旋转电机包括转子和定子。旋转电机可能是电动机，其中转子相对于定子旋转，从而将电能转换成机械能。旋转电机还包括发电机，其中在转子和定子之间的相对旋转将机械能转换成电能。发电机的一个示例是一种在飞机上使用的发电机，例如，但不局限于用于为飞机的电系统供应电源。
背景技术
至少某些已知的发电机系统包括三相绕场同步旋转电机(即，绕场同步发电机)。无电刷激励器操作地连接在绕场同步发电机上，用于激励场绕组。无电刷激励器包括可控制的固定的直流(DC)激励和连接在旋转整流器上的三相旋转电枢，其为绕场同步发电机的旋转场绕组供应主激励要求。电源通过辅助永磁发电机(PMG)(pilot permanent magnetgenerator)供应至无电刷激励器。
包括绕场同步发电机的已知的发电机系统不是没有缺点。例如，这种发电机系统的无电刷激励器和旋转整流器可能增加了成本，并且/或者降低了系统的可靠性。此外，可能难以充分地从绕场同步发电机的转子的旋转的主动绕组中移除热量，其可能降低系统的可靠性。此外，因为旋转整流器和主动绕组的原因，绕场同步发电机可能不适合于在相对苛刻的环境中使用，在这种苛刻的环境中，绕场同步发电机暴露于相对较高的温度、相对较低的温度、湿气、化学制品、灰尘、磨损材料、冲击负载、振动等等中。
发明内容
在一个实施例中，一种发电机系统包括可旋转轴和辅助永磁发电机，可旋转轴配置成围绕轴的中心纵轴旋转，并且辅助永磁发电机(PMG)安装在轴上，使得辅助PMG配置成围绕中心纵轴随可旋转轴旋转。该系统包括具有转子和定子的绕场磁通切换电机。转子安装在轴上，使得转子配置成围绕中心纵轴而随轴旋转。定子包括直流(DC)励磁线圈和交流(AC)电枢线圈。DC励磁线圈操作地连接在用于激励DC励磁线圈的辅助PMG上。
在一个实施例中，飞机包括机身和载于机身上的发动机。发动机包括可旋转轴，其配置成围绕轴的中心纵轴旋转。发电机系统载于机身上。发电机系统包括安装在发动机轴上的辅助永磁发电机(PMG)，使得辅助PMG配置成围绕中心纵轴而随轴旋转。该系统包括具有转子和定子的绕场磁通切换电机。转子安装在发动机轴上，使得转子配置成围绕中心纵轴而随轴旋转。定子包括直流(DC)励磁线圈和交流(AC)电枢线圈。DC励磁线圈操作地连接在用于激励DC励磁线圈的辅助PMG上。
在一个实施例中，发电机系统包括可旋转轴、直流(DC)电源和绕场磁通切换电机，可旋转轴配置成围绕轴的中心纵轴旋转。电机包括转子和定子。转子安装在轴上，使得转子配置成围绕中心纵轴而随轴旋转。定子包括DC励磁线圈和交流(AC)电枢线圈。DC励磁线圈操作地连接在用于激励DC励磁线圈的DC电源上。
一种发电机系统包括：
可旋转轴，其配置成围绕轴的中心纵轴旋转；
辅助永磁发电机(PMG)，其安装在轴上，使得辅助PMG配置成围绕中心纵轴而随轴旋转；以及
绕场磁通切换电机，其包括转子和定子，转子安装在轴上，使得转子配置成围绕中心纵轴而随轴旋转，定子包括直流(DC)励磁线圈和交流(AC)电枢线圈两者，DC励磁线圈操作地连接在用于激励DC励磁线圈的辅助PMG上。
优选地，还包括电压调节器，其操作地连接在辅助PMG和DC励磁线圈之间。
优选地，定子的DC励磁线圈沿着定子的弧长而与定子的AC电枢线圈重叠。
优选地，DC励磁线圈包括多个DC励磁线圈，并且AC电枢线圈包括多个AC电枢线圈，并且其中DC励磁线圈不沿着定子的弧长与AC电枢线圈重叠。
优选地，DC励磁线圈包括多个DC励磁线圈，AC电枢线圈包括代表一组三相绕组的第一、第二和第三相AC电枢线圈，DC励磁线圈按照与第一、第二和第三相AC电枢线圈重叠的方式沿着定子的弧长交错于第一、第二和第三相AC电枢线圈之间。
优选地，转子包括转子底座和从转子底座相对于中心纵轴径向延伸的转子齿。
优选地，转子是分段的转子。
优选地，系统不包括旋转整流器。
优选地，系统不包括无电刷激励器。
优选地，定子包括定子底座和从定子底座相对于中心纵轴径向延伸的定子齿，DC励磁线圈缠绕在至少一个相对应的定子齿周围，AC电枢线圈缠绕在至少一个相对应的定子齿周围。
一种飞机，包括：
机身；
载于机身上的发动机，发动机包括可旋转轴，其配置成围绕轴的中心纵轴旋转；以及
载于机身上的发电机系统，发电机系统包括：
辅助永磁发电机(PMG)，其安装在发动机的轴上，使得辅助PMG配置成围绕中心纵轴而随轴旋转；以及
绕场磁通切换电机，其包括转子和定子，转子安装在发动机的轴上，使得转子配置成围绕中心纵轴而随轴旋转，定子包括直流(DC)励磁线圈和交流(AC)电枢线圈两者，DC励磁线圈操作地连接在用于激励DC励磁线圈的辅助PMG上。
优选地，还包括电压调节器，其操作地连接在辅助PMG和DC励磁线圈之间。
优选地，定子的DC励磁线圈沿着定子的弧长而与定子的AC电枢线圈重叠。
优选地，DC励磁线圈包括多个DC励磁线圈，并且AC电枢线圈包括多个AC电枢线圈，并且其中DC励磁线圈不沿着定子的弧长与AC电枢线圈重叠。
优选地，转子包括转子底座和从转子底座相对于中心纵轴径向延伸的转子齿。
优选地，转子是分段的转子。
优选地，发电机系统不包括旋转整流器。
优选地，发电机系统不包括无电刷激励器。
一种发电机系统，包括：
可旋转轴，其配置成围绕轴的中心纵轴旋转；
直流(DC)电源；以及
绕场磁通切换电机，其包括转子和定子，转子安装在轴上，使得转子配置成围绕中心纵轴而随轴旋转，定子包括DC励磁线圈和交流(AC)电枢线圈两者，DC励磁线圈操作地连接在用于激励DC励磁线圈的DC电源上。
优选地，除了绕场磁通切换电机之外，系统不包括任何其它旋转电机。
附图说明
图1是发电机系统的一个实施例的示意图。
图2是图1中所示的发电机的绕场磁通切换电机的一个实施例的横截面图。
图3是图2中所示的电机的一部分的放大的横截面图。
图4是图2和图3中所示的电机的一部分的示意图，其显示了图2和图3中所示的电机的直流(DC)励磁线圈和交流(AC)电枢线圈的典型实施例的形态。
图5是绕场磁通切换电机的另一实施例的一部分的放大的横截面图。
图6是绕场磁通切换电机的另一实施例的一部分的放大的横截面图。
图7是绕场磁通切换电机的另一实施例的一部分的放大的横截面图。
图8是绕场磁通切换电机的另一实施例的一部分的放大的横截面图。
图9是绕场磁通切换电机的另一实施例的一部分的放大的横截面图。
图10是绕场磁通切换电机的另一实施例的一部分的放大的横截面图。
图11是飞机的一个实施例的示意图。
图12是发电机系统的另一实施例的示意图。
具体实施方式
当结合附图进行阅读时，以下某些实施例的详细说明将得到更好的理解。应该懂得，各种实施例并不局限于图中所示的布置和仪器。
如此处所用，以单数形式引用，且前缀“一”或“一个”的元件或步骤应该被理解为不排除所述元件或步骤的复数，除非明确地陈述了这种除外情形。此外，对“一个实施例”的引用不应理解为排除额外实施例的存在，其也包含所陈述的特征。此外，除非明确陈述相反的情况，否则“包括”或“具有”带特殊属性的一个元件或多个元件的实施例可包括额外的不具有该属性的这种元件。
各种实施例提供了发电机系统，其包括绕场磁通切换电机。各种实施例的至少一个技术效果是减少发电机系统的构件的数量，其可减少成本和/或提高发电机系统的可靠性。例如，绕场磁通切换电机的使用可使旋转整流器和/或无电刷激励器从发电机系统中消除。各种实施例的至少一个技术效果是一种发电机系统，其同例如包括绕场同步电机的已知的发电机系统相比更容易移除热量(热量可能降低系统的可靠性)。各种实施例的至少一个技术效果是一种发电机系统，其同至少某些包括绕场同步电机的已知的发电机系统相比更适合于在发电机系统暴露于相对较高的温度、相对较低的温度、湿气、化学制品、灰尘、磨损材料等等的环境中使用。
如将在下面所述，各种实施例的绕场磁通切换电机的定子包括绕场磁通切换电机的所有主动绕组。这种被动转子的至少一个技术效果是，同例如包括绕场同步电机的已知的发电机系统相比，可将转子做得更为机械坚固，并因此更适合于相对较高的速度、相对较高的温度和/或相对苛刻的环境。各种实施例的绕场磁通切换电机的MTBF可能高于至少某些已知的发电机系统，因为在转子上消除了旋转整流器、无电刷激励器和/或主动绕组。各种实施例的至少一个技术效果是提高发电机系统的功率密度的可能性，因为无电刷激励器的消除可消除一组端部绕组。这里所述和/或所示的绕场磁通切换电机可实现模块化多相和/或多个三相通道配置。
图1是发电机系统10的一个实施例的示意图。发电机系统10可用于在任何应用中产生电源，例如，但不局限于汽车应用、航空和航天应用、船舶应用、工业应用等等。用于系统10的应用的一个非限制性示例是飞机机载应用(例如图11中所示的飞机800)，例如，但不局限于将电源供应至飞机的电系统(例如图11中所示的电系统803)，用作用于起动飞机发动机(例如图11中所示的飞机发动机804)的电动机等等。
系统10包括可旋转轴12，其沿着中心纵轴14而延伸一定的长度。轴12配置成围绕中心纵轴14旋转。轴12可能是更大的系统(例如发动机、飞机等等)的另一构件的轴，更大的系统包括系统10。例如，轴12可能是电动机的输出轴、内燃机的曲轴、燃气涡轮发动机的轴等等。
系统10包括辅助永磁发电机(PMG)16和绕场磁通切换电机18。电机18包括定子20和转子22。电机18的转子22安装在轴12上，使得转子22围绕中心纵轴14而随轴12旋转。电机18是一种发电机，其中在转子22和定子20之间的相对旋转将机械能转换成电能。如将在下面更详细地所述，电机18的定子20包括电机18的所有主动绕组24。具体地说，定子20包括直流(DC)励磁线圈26和交流(AC)电枢线圈28。
辅助PMG16包括转子30和定子32。在所示的实施例中，转子30包括一个或多个永久磁铁34，并且定子32包括单相或三相电枢36。辅助PMG16安装在轴12上。具体地说，辅助PMG16的转子30安装在轴12上，使得转子30围绕中心纵轴14而随轴12旋转。如图1中所示，辅助PMG16操作地连接在电机18的DC励磁线圈26上，使得辅助PMG16配置成激励DC励磁线圈26。具体地说，辅助PMG16的定子32的电枢36电连接在电机18的DC励磁线圈26上，使得辅助PMG16的电枢36产生电信号(通过发电机系统10的电压调节器38转换成DC电流)，其激励电机18的DC励磁线圈26。
电压调节器38操作地连接在辅助PMG16和电机18的DC励磁线圈26之间。具体地说，电压调节器38操作地连接在辅助PMG16的电枢36和电机18的DC励磁线圈26之间。电压调节器38配置为通过连续地调节激励电机18的DC励磁线圈26的DC电流，从而调节主发电机电枢绕组28(即，AC电枢线圈28)的输出电压。因为系统10不使用激励器，所以电压调节器38直接连接在绕场磁通切换电机18的DC励磁线圈26上。同例如使用绕场同步旋转电机(未显示)的发电机系统的电压调节器相比，电压调节器38因此可能需要比至少某些已知的发电机系统的电压调节器更强。
如上面简要所述，发电机18是绕场磁通切换电机18。这里使用的“绕场磁通切换电机”被限定为这样一种电机，其中电机的所有主动绕组定位在电机的定子上。换句话说，“绕场磁通切换电机”在电机的转子上不包括任何主动绕组(使得转子是一种被动转子)。电机18的转子22可能是带齿的转子或分段的转子。DC励磁线圈26可能与AC电枢线圈28重叠或者不与AC电枢线圈28重叠。换句话说，DC励磁线圈26可以重叠的方式交错于AC电枢线圈28之间，或者DC励磁线圈26和AC电枢线圈28可能是并不重叠的集中绕组。下面将描述和显示绕场磁通切换电机18的实施例的各种示例。
在图1所示的实施例中，电机18的定子20围绕转子22而延伸，使得转子22在定子20内部旋转。或者，转子22围绕定子20而延伸，使得转子22配置成围绕定子20旋转。如在图1中可以看出，在所示的实施例中，系统10不包括旋转整流器(未显示)或无电刷激励器(未显示)。
图2是电机18的一个实施例的横截面图。电机18的定子20包括定子核芯40，其产生磁场。定子核芯40延伸弧长AL。定子核芯40的径向(相对于中心纵轴14)内表面42限定了定子核芯40的中心开口44。
在定子20的所示实施例中，定子核芯40包括定子底座46和多个定子齿48，其从定子底座46径向(相对于中心纵轴14)延伸。定子齿48从定子底座46径向延伸至定子齿48的末端50。在定子20的所示实施例中，定子齿48从定子底座46径向(相对于中心纵轴14)向内延伸。如在图2中可以看出，定子齿48设置为径向围绕中心纵轴14，使得定子齿48沿着定子核芯40的弧长AL彼此间隔开。定子磁心40包括定子槽52，其在相邻的定子齿48之间沿着定子核芯40的弧长AL而延伸。换句话说，定子槽52设置有定子齿48，其处于定子齿48和定子槽52沿着定子核芯40的弧长AL交替的形态。定子槽52从定子底座46径向(相对于中心纵轴14)延伸。在定子20的所示实施例中，定子槽52从定子底座46径向(相对于中心纵轴14)向内延伸。在某些备选实施例中，相邻的定子齿48的末端50连接在一起。
定子20包括电机18的所有主动绕组24。具体地说，DC励磁线圈26缠绕在相对应的定子齿48周围，并且AC电枢线圈28缠绕在相对应的定子齿48周围。DC励磁线圈26沿着定子核芯40的弧长AL交错于AC电枢线圈28之间。具体地说，DC励磁线圈26和AC电枢线圈28沿着定子核芯40的弧长AL进行交替地设置。可选地，DC励磁线圈26可沿着定子核芯40的弧长AL与AC电枢线圈28重叠。
AC电枢线圈28可能是或代表任何数量的相，例如，但不局限于单相、三相、六相等等。在电机18的所示实施例中，AC电枢线圈28代表一组或多组三相绕组。具体地说，AC电枢线圈28分别包括第一、第二和第三相AC电枢线圈28a，28b和28c。在图2中出于清晰起见以不同的交叉阴影线显示了各个线圈26，28a，28b和28c。
定子核芯40可包括任何数量的定子齿48和任何数量的定子槽52。在定子20的所示实施例中，定子核芯40包括二十四个定子齿48和二十四个定子槽52。定子核芯40可包括任何数量的DC励磁线圈26和任何数量的AC电枢线圈28。当定子20包括多个相的AC电枢线圈28时，定子20可包括任何数量组的相。例如，在电机18的所示实施例中，定子20包括四组三相绕组，使得定子20包括十二个AC电枢线圈28。
转子22包括转子核芯54。转子核芯54包括本体56，其沿着中心纵轴14延伸一定的长度。转子核芯54的本体56延伸弧长AL1。本体56配置成围绕中心纵轴14相对于定子20旋转。在转子22的所示实施例中，本体56包括转子底座58、径向(相对于中心纵轴14)从转子底座58延伸的多个磁性部段60、以及径向(相对于中心纵轴14)从转子底座58延伸的多个非磁性部段62。在转子22的所示实施例中，部段60和62从转子底座58径向(相对于中心纵轴14)向外延伸。磁性部段60和非磁性部段62以磁性部段60和非磁性部段62交替的形态沿着转子核芯54的弧长AL1进行设置。换句话说，磁性部段60设置为径向围绕中心纵轴14，使得磁性部段60沿着转子核芯54的弧长AL1彼此间隔开，并且非磁性部段62在相邻的磁性部段60之间沿着转子核芯54的弧长AL1而延伸。在转子22的所示实施例中，转子22是带齿的转子，其中磁性部段60限定了转子核芯54的转子齿60。
转子核芯本体56的转子底座58包括径向(相对于中心纵轴14)内表面64，其限定了转子核芯54的中心开口66。转子核芯54包括分别由磁性和非磁性部段60和62的末端表面68和70所限定的周边。如在图3中可以看出，转子核芯54的周边具有沿着转子核芯54的弧长AL1大致恒定的曲率半径。换句话说，末端表面68和70具有彼此大致相同的半径，并且沿着中心纵轴14共心地对准，使得转子核芯54的周边沿着转子核芯54的弧长AL1是大致平滑的。空隙G延伸在转子核芯54的周边和定子核芯40的径向内表面42之间。转子底座58可包括一个或多个榫眼(未显示)，其配置成接收相对应的轴12(图1)的榫头(未显示)，用于将转子核芯本体56安装到轴12上。除了榫眼和榫头之外或作为备选，还可提供其它装置用于将转子核芯本体56安装到轴12上。
转子核芯54的本体56可由多个叠片的一个或多个堆叠来形成。作为使用一个或多个叠片堆叠的备选，转子核芯本体56可由单件材料形成。转子核芯本体56的转子底座58可由磁性材料与磁性部段60和/或非磁性部段62整体地形成。例如，当转子核芯54的本体56由叠片堆叠形成时，堆叠内的各个叠片或各个层的转子底座58可由磁性材料与叠片的磁性部段60和/或非磁性部段62整体地形成。此外，举例来说，在转子核芯本体56由单件材料形成的实施例中，转子底座58是单件材料，其由磁性材料与转子核芯54的所有磁性部段60和非磁性部段62整体地形成。在转子22的所示实施例中，磁性部段与转子底座58磁性地连通，使得转子22是带齿的转子。换句话说，转子底座58携带磁通量。无论是由叠片堆叠或由单件材料构成，转子22的带齿的转子结构都将转子22与“分段的”转子22区分开来，“分段的”转子22包括具有磁性部段的转子核芯，磁性部段与转子底座且彼此是磁隔离的或分段的。定子20和/或转子22可包括或不包括永久磁铁。
如下面将更详细描述的那样，磁性部段60和非磁性部段62可由磁性材料彼此整体地形成，其中非磁性部段62是在由磁性材料形成之后变成非磁性的。在其它实施例中，并且如将在下面所述，非磁性部段62相对于磁性部段60由分立构件形成。
转子核芯54可包括任何数量的磁性部段60和/或非磁性部段62。例如，转子核芯54可包括任何数量的转子齿60。转子核芯54可包括与定子核芯40所包括的定子齿48的数量相同数量的转子齿60。备选地，定子核芯40可包括比转子核芯54所包括的转子齿60的数量更大或更少数量的定子齿48。在电机18的所示实施例中，转子核芯54包括十四个转子齿60，使得发电机18的所示实施例包括比转子齿60更大数量的定子齿48。
可选地，通过如下措施最大限度地减小转子风阻损失：(1)使用双相磁性材料制成转子22中的单个叠片(需要是非磁性的区域[例如非磁性部段62等]进行去磁化)；及/或(2)在相邻的磁性部段60之间提供插件，从而沿着转子22的弧长将转子22的周边提供作为大致平滑的表面。
在电机18的操作中，DC励磁线圈26结合转子22的旋转而产生电机18的磁通量的变化。当转子核芯54相对于定子核芯40旋转时，DC励磁线圈26的激励造成磁通量的大小和/或方向(即，极性或符号)随磁通量链接至后续的AC电枢线圈28上而变化。转子22相对于定子20的旋转因而造成磁通量以交替形态“切换”极性，其根据法拉第定律在AC电枢线圈28中造成AC电压感应，从而实现能量转换。
图3是电机18的一部分的放大的横截面图。图4是电机18的一部分的示意图，其显示了沿着定子核芯40的弧长AL(在图4中未显示)的DC励磁线圈26和AC电枢线圈28的形态。如上面简要所述，在沿着定子核芯40的弧长AL的DC励磁线圈26和AC电枢线圈28的形态内，DC励磁线圈26可与AC电枢线圈28重叠。例如，DC励磁线圈26包括DC励磁线圈26b和AC电枢线圈28，其包括AC电枢线圈28aa和28ba。在电机18的所示实施例中，线圈28aa和28ba具有不同的相。但在其它实施例中，线圈28aa和28ba可具有相同的相。AC电枢线圈28aa和28ba包括相对应的末端72和74，其沿着定子核芯40的弧长AL是彼此相反的。如在图3和图4中可以看出，DC励磁线圈26b与AC电枢线圈28aa的末端72及AC电枢线圈28ba的末端74重叠。
如上所述，在电机18的所示实施例中，AC电枢线圈28分别包括四组第一、第二和第三相AC电枢线圈28a，28b和28c。在图3中出于清晰起见以不同的交叉阴影线显示了各个线圈26，28a，28b和28c。出于清晰起见，在图3和图4中分别只显示了两组第一、第二和第三相AC电枢线圈28a，28b和28c。此外，只有DC励磁线圈26和其中一组第一、第二和第三相AC电枢线圈28a，28b和28c的形态将分别参照图3和图4进行具体描述。应该懂得在图3和图4中未显示的DC励磁线圈26和成组的第一、第二和第三相AC电枢线圈28a，28b和28c分别具有与图3和图4中所示且在下面所述的DC励磁线圈26和成组的第一、第二和第三相AC电枢线圈28a，28b和28c的形态相同的形态。
如在图3和图4中可以看出，DC励磁线圈26沿着定子核芯54的弧长AL分别以与第一、第二和第三相AC电枢线圈28a，28b和28c重叠的方式而交错于第一、第二和第三相AC电枢线圈28a，28b和28c之间。具体地说，定子核芯54的定子齿48包括沿着定子核芯40的弧长AL连续设置的定子齿48a，48b，48c，48d，48e，48f，48g和48h。换句话说，定子齿48a和48b沿着定子核芯40的弧长AL彼此相邻定位，定子齿48b和48c彼此相邻定位，等等。第一相AC电枢线圈28aa缠绕在定子齿48b和48c周围。第二相AC电枢线圈28ba缠绕在定子齿48d和48e周围，而第三相AC电枢线圈28ca缠绕在定子齿48f和48g周围。虽然显示各个AC电枢线圈28缠绕在两个相对应的定子齿48周围，但是各个AC电枢线圈28可缠绕在任何数量的相对应的定子齿48周围，例如从而提供预定数量的重叠的DC励磁线圈26和AC电枢线圈28。
DC励磁线圈26a缠绕在定子齿48a和48b周围。DC励磁线圈26a与第三相AC电枢线圈28cb的末端76重叠，并且沿着定子核芯40的弧长AL而与第一相AC电枢线圈28aa的末端78重叠。如在图3中可以看出，第三相AC电枢线圈28cb的末端76在与第一相AC电枢线圈28aa的末端78相同的定子槽52a内延伸。末端76和78在定子槽52a内彼此相反。
DC励磁线圈26b缠绕在定子齿48c和48d周围。DC励磁线圈26b沿着定子核芯40的弧长AL而与第一相AC电枢线圈28aa的末端72重叠。DC励磁线圈26b还沿着定子核芯40的弧长AL而与第二相AC电枢线圈28ba的末端74重叠。如在图3中可以看出，DC励磁线圈26a的末端80在与DC励磁线圈26b的末端82相同的定子槽52b内延伸。末端80和82在定子槽52b内彼此相反。
DC励磁线圈26c缠绕在定子齿48e和48f周围。DC励磁线圈26c沿着定子核芯40的弧长AL而与第二相AC电枢线圈26ba的末端84重叠。DC励磁线圈26c还沿着定子核芯40的弧长AL而与第三相AC电枢线圈236ca的末端86重叠。DC励磁线圈26d缠绕在定子齿48g和48h周围。DC励磁线圈26d沿着定子核芯40的弧长AL而与第三相AC电枢线圈26ca的末端88重叠。DC励磁线圈26d还沿着定子核芯40的弧长AL而与第一相AC电枢线圈26ab的末端90重叠。
虽然显示各个DC励磁线圈26缠绕在两个相对应的定子齿48周围，但是各个DC励磁线圈26可缠绕在任何数量的相对应的定子齿48周围，从而例如提供预定数量的重叠的DC励磁线圈26和AC电枢线圈28。各个DC励磁线圈26可与相对应的AC电枢线圈26重叠任何的量，其可经过选择，从而为电机18提供一个或多个电属性和/或机械属性。
现在单独参照图3，在转子22的所示实施例中，磁性部段60和非磁性部段62由磁性材料与彼此且与转子底座58整体地形成。在由磁性材料形成之后，然后使非磁性部段62变成非磁性的，从而分别形成磁性和非磁性部段60和62的形态。一旦非磁性部段62已经变成非磁性的，转子核芯54的材料就可被称为“双状态材料”。非磁性部段62可使用任何方法、措施、工艺、结构等等而变成非磁性的，例如，但不局限于使用激光等等。在某些备选实施例中，磁性部段60和非磁性部段62由非磁性材料与彼此且与转子底座58整体地形成，之后对磁性部段60(和可选地转子底座58，例如如果转子是带齿的转子)进行磁化。
如上所述，替代形成双状态材料，非磁性部段62可相对于磁性部段60由分立构件形成。图5是绕场磁通切换电机218的另一实施例的一部分的放大的横截面图。电机218包括定子220和转子222。转子222包括转子底座258、径向(相对于中心纵轴214)从转子底座258延伸的多个磁性部段260、以及径向(相对于中心纵轴214)从转子底座258延伸的多个非磁性部段262。磁性部段260和非磁性部段262沿着转子222的弧长以磁性部段260和非磁性部段262交替的形态进行设置。在转子222的所示实施例中，转子222是带齿的转子，其中磁性部段260限定了转子222的转子齿260。
非磁性部段262相对于磁性部段260由分立构件形成。例如，转子222包括转子槽263，其在相邻的磁性部段260之间沿着转子222的弧长而延伸。转子槽263设置有磁性部段260，其沿着转子222的弧长以磁性部段260和转子槽263交替的形态进行设置。转子槽263径向(相对于中心纵轴214)从转子底座258延伸。在转子222的所示实施例中，转子槽263从转子底座258径向(相对于中心纵轴214)向外延伸。非磁性部段262是填充转子槽263的填充材料。换句话说，非磁性部段262在转子槽263内延伸，并且填充由相邻的磁性部段260之间的转子槽263所限定的空间。用于形成非磁性部段262的填充材料可能是任何非磁性材料。
转子222包括分别由磁性和非磁性部段260和262的末端表面268和270所限定的周边。如在图5中可以看出，转子222的周边具有沿着转子222的弧长大致恒定的曲率半径，使得周边沿着转子222的弧长是大致平滑的。
可选地，转子套筒265围绕转子222的周边而延伸。转子套筒265可有利于将非磁性部段262的填充材料保持在转子槽263内。如从图5中应该明白，转子套筒265可为转子222提供沿着转子222的弧长大致平滑的周边。在包括转子套筒265的某些实施例中，用于形成非磁性部段262的填充材料是空气和/或另一流体。
转子套筒265可能是非磁性的，非电传导的，或者同转子222的其它构件相比可能具有减少的导电率。当包含转子套筒265时，在转子套筒265和定子220的径向内表面226之间可限定空隙。当不包含转子套筒253时，空隙可在转子核芯224的周边和定子220的径向内表面226之间延伸。
图6是绕场磁通切换电机318的另一实施例的一部分的放大的横截面图。电机318包括定子320和转子322。转子322包括转子底座358、径向(相对于中心纵轴314)从转子底座358延伸的多个磁性部段360、以及径向(相对于中心纵轴314)从转子底座358延伸的多个非磁性部段362。磁性部段360和非磁性部段362沿着转子322的弧长以磁性部段360和非磁性部段362交替的形态进行设置。在转子322的所示实施例中，转子322是带齿的转子，其中磁性部段362限定了转子322的转子齿362。
磁性部段360相对于中心纵轴314沿着与中心纵轴314相交的中心径向轴线355而径向延伸。在图6中出于清晰起见只显示了其中两个中心径向轴线355。如在图6中可以看出，各个磁性部段360具有关于相对应的中心径向轴线355非对称的形状。各个磁性部段360可具有关于相对应的中心径向轴线355非对称的任何形状。关于中心轴355的非对称的形状可经过选择，从而提供一种转子磁极形状，其在负载条件下提高了电机318的输出扭矩。
图7是绕场磁通切换电机418的另一实施例的一部分的放大的横截面图。图7显示了分段的转子422。电机418包括定子420和转子422。定子420包括定子底座446和径向(相对于中心纵轴414)从定子底座446延伸的定子齿448。定子420包括定子槽452，其在相邻的定子齿448之间沿着定子420的弧长而延伸。
定子420包括主动绕组424，其包括缠绕在相对应的定子齿448周围的DC励磁线圈426和缠绕在相对应的定子齿448周围的AC电枢线圈428。AC电枢线圈428可能是或代表任何数量的相，例如，但不局限于单相、三相、六相等等。在电机418的所示实施例中，AC电枢线圈428分别包括第一、第二和第三相AC电枢线圈428a，428b和428c。在图7中出于清晰起见以不同的交叉阴影线显示了各个线圈426，428a，428b和428c。
如在图7中可以看出，DC励磁线圈426沿着定子420的弧长交错(即，交替地设置)于AC电枢线圈428之间。图7显示了一个实施例，其中DC励磁线圈426并不沿着定子420的弧长与AC电枢线圈428重叠。相反，图7显示了电机418的主动绕组424为集中绕组，其中DC励磁线圈426不与AC电枢线圈428重叠。
转子422包括转子底座458、径向(相对于中心纵轴414)从转子底座458延伸的多个磁性部段460、以及径向(相对于中心纵轴414)从转子底座458延伸的多个非磁性部段462。磁性部段460和非磁性部段462沿着转子422的弧长以磁性部段460和非磁性部段462交替的形态进行设置。
在转子422的所示实施例中，转子422是一种分段的转子422，其具有分段的转子核芯。具体地说，磁性部段460与转子底座458且彼此是磁隔离的，或分段的。换句话说，转子底座458并不携带磁通量。
转子422可由多个叠片的一个或多个堆叠形成。作为使用一个或多个叠片堆叠的备选，转子422可由单件材料形成。转子底座458可由磁性材料与磁性部段460和/或非磁性部段462整体地形成。例如，当转子422由叠片堆叠形成时，堆叠内的各个叠片或各个层的转子底座458可由磁性材料与叠片的磁性部段460和/或非磁性部段462整体地形成。此外，举例来说，在转子422由单件材料形成的实施例中，转子底座458是单件材料，其由磁性材料与转子422的所有磁性部段460和非磁性部段462整体地形成。定子420和/或转子422可包括或不包括永久磁铁。
在转子422的所示实施例中，磁性部段460和非磁性部段462由双相磁性材料与彼此且与转子底座458整体地形成。在由磁性材料形成之后，然后使非磁性部段462和转子底座458变成非磁性的。一旦非磁性部段462和转子底座458已经变成非磁性的，那么转子422的材料就可被称为“双状态材料”。非磁性部段462和转子底座458可使用任何方法、措施、工艺、结构等等而变成非磁性的，例如，但不局限于使用激光等等。
图8是绕场磁通切换电机518的另一实施例的一部分的放大的横截面图。电机518包括定子520和转子522。转子522包括转子底座558、径向(相对于中心纵轴514)从转子底座558延伸的多个磁性部段560、以及径向(相对于中心纵轴514)从转子底座558延伸的多个非磁性部段562。磁性部段560和非磁性部段562沿着转子522的弧长以磁性部段560和非磁性部段562交替的形态进行设置。在转子522的所示实施例中，转子522是一种分段的转子，其中磁性部段560与转子底座558且彼此是磁隔离的。
非磁性部段562相对于磁性部段560由分立构件形成。例如，转子522包括转子槽563，其在相邻的磁性部段560之间沿着转子522的弧长而延伸。转子槽563设置有磁性部段560，其沿着转子522的弧长以磁性部段560和转子槽563交替的形态进行设置。转子槽563径向(相对于中心纵轴514)从转子底座558延伸。在转子522的所示实施例中，转子槽563从转子底座558径向(相对于中心纵轴514)向外延伸。非磁性部段562是填充转子槽563的填充材料。换句话说，非磁性部段562在转子槽563内延伸，并且填充由相邻的磁性部段560之间的转子槽563所限定的空间。用于形成非磁性部段562的填充材料可能是任何非磁性且非电传导的材料。
转子522包括分别由磁性和非磁性部段560和562的末端表面568和570所限定的周边。如在图8中可以看出，转子522的周边具有沿着转子522的弧长大致恒定的曲率半径，使得周边沿着转子522的弧长是大致平滑的。
可选地，转子套筒565围绕转子522的周边而延伸。转子套筒565可有利于将非磁性部段562的填充材料保持在转子槽563内。转子套筒565可为转子522提供沿着转子522的弧长大致平滑的周边。
转子套筒565可能是非磁性的，非电传导的，或者同转子522的其它构件相比可能具有减少的导电率。当包含转子套筒565时，在转子套筒565和定子520的径向内表面526之间可限定空隙。当不包含转子套筒565时，空隙可在转子522的周边和定子520的径向内表面526之间延伸。
图9是绕场磁通切换电机618的另一实施例的一部分的放大的横截面图。电机618包括定子620和转子622。转子622包括转子底座658、径向(相对于中心纵轴614)从转子底座658延伸的多个磁性部段660、以及径向(相对于中心纵轴614)从转子底座658延伸的多个非磁性部段662。磁性部段660和非磁性部段662沿着转子622的弧长以磁性部段660和非磁性部段662交替的形态进行设置。在转子622的所示实施例中，转子622是一种分段的转子，其中磁性部段660与转子底座658且彼此是磁隔离的。
磁性部段660相对于中心纵轴614沿着与中心纵轴614相交的中心径向轴线655而径向延伸。在图9中出于清晰起见只显示了其中两个中心径向轴线655。如在图9中可以看出，各个磁性部段660具有关于相对应的中心径向轴线655非对称的形状。各个磁性部段660可具有关于相对应的中心径向轴线655非对称的任何形状。关于中心轴655的非对称的形状可经过选择，从而提供一种转子磁极形状，其在负载条件下提高了电机618的输出扭矩。
图10是绕场磁通切换电机718的另一实施例的一部分的放大的横截面图。电机718包括定子720和转子722。定子720包括电机718的主动绕组724，其包括DC励磁线圈726和AC电枢线圈728。如在图10中可以看出，DC励磁线圈726沿着定子720的弧长交错(即，交替地设置)于AC电枢线圈728之间。图10显示了一个实施例，其中DC励磁线圈726并不沿着定子720的弧长而与AC电枢线圈728重叠。相反，图10显示了电机718的主动绕组724为集中绕组，其中DC励磁线圈726不与AC电枢线圈728重叠。
AC电枢线圈728可能是或代表任何数量的相，例如，但不局限于单相、三相、六相等等。在电机718的所示实施例中，AC电枢线圈728代表一组或多组三相绕组。
如上所述，发电机系统10(图1)可用于在任何应用中产生电源，例如，但不局限于汽车应用、航空和航天应用、船舶应用、工业应用等等。图11是飞机800的一个实施例的示意图，其包括发电机系统10。在所示的实施例中，飞机800是一种固定翼客机，但飞机800可能是任何其它类型的飞机。
飞机800包括机身802、一个或多个发动机804、电系统803以及发电机系统10。发动机804、电系统803和发电机系统10均定位在机身802上，使得发动机804、电系统803和发电机系统10在飞机800飞行期间由机身802来携带。各个发动机804包括可旋转轴806，其配置成围绕轴的中心纵轴旋转。各个发动机804可能是任何类型的发动机，例如，但不局限于涡轮发动机、驱动螺旋桨或其它转子的发动机、径向发动机、活塞发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机等等。虽然只显示了两个，但是飞机800可包括任何数量的发动机804。虽然显示定位在机身802的翼上，但是各个发动机804可具有沿着机身802的任何其它位置。
电系统包括多个电构件808，其沿着机身802定位在各种位置。各个电构件808可能是消耗电源以进行操作的任何类型的电构件。如在图11中可以看出，发电机系统10操作地连接在其中一个或多个发动机804的轴806上。系统10可配置为用作电动机，其起动发动机804的操作。系统10可配置为用作发电机，其在发动机804的操作期间将电源供应至电系统803。虽然只显示了一个，但是飞机800可包括任何数量的系统10。例如，其它发动机804可包括操作地连接在它上面的发电机系统10。虽然显示定位在机身802的翼内，但是系统10可具有沿着机身802的任何其它位置。
图12是发电机系统910的另一实施例的示意图。发电机系统910可用于在任何应用中产生电源，例如，但不局限于汽车应用、航空和航天应用、船舶应用、工业应用等等。
系统910包括可旋转轴912，其沿着中心纵轴914而延伸一定的长度。轴912配置成围绕中心纵轴914旋转。轴912可能是更大系统(例如发动机、飞机等等)的另一构件的轴，更大的系统包括系统910。例如，轴912可能是电动机的输出轴、内燃机的曲轴、燃气涡轮发动机的轴等等。
系统910包括DC电源916和绕场磁通切换电机918。电机918包括定子920和转子922。电机918的转子922安装在轴912上，使得转子922围绕中心纵轴914而随轴912旋转。电机918是一种发电机，其中在转子922和定子920之间的相对旋转将机械能转换成电能。如将在下面更详细地所述，电机918的定子920包括电机918的所有主动绕组924。具体地说，定子920包括DC励磁线圈926和AC电枢线圈28。电机918的转子922可能是带齿的转子或分段的转子。DC励磁线圈926可能与AC电枢线圈928重叠或者不与AC电枢线圈928重叠。
DC电源916操作地连接在电机918的DC励磁线圈926上，使得DC电源916配置成激励DC励磁线圈926。具体地说，DC电源916产生电信号(通过发电机系统910的电压调节器938转换成DC电流)，其激励电机918的DC励磁线圈926。
电压调节器938操作地连接在DC电源916和电机918的DC励磁线圈926之间。电压调节器938配置为通过连续地调节激励电机918的DC励磁线圈926的DC电流，从而调节主发电机电枢绕组928(即，AC电枢线圈928)的输出电压。因为系统910不使用激励器，所以电压调节器938直接连接在绕场磁通切换电机918的DC励磁线圈926上。同例如使用绕场同步旋转电机(未显示)的发电机系统的电压调节器相比，电压调节器938因此可能需要比至少某些已知的发电机系统的电压调节器更强。
如从上文和图12中应该懂得，发电机系统910只使用单个旋转电机。在图12的所示实施例中，电机918的定子920围绕转子922而延伸，使得转子922在定子920内部旋转。备选地，转子922围绕定子920而延伸，使得转子922配置成围绕定子920旋转。如在图12中可以看出，所示系统910的实施例不包括旋转整流器(未显示)或无电刷激励器(未显示)。
应该懂得，上面的描述倾向于是说明性的，而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可彼此组合使用。另外，在不脱离本发明的范围内还可制成许多改型，使特殊的情形或材料适应本发明的传授知识。这里所述的尺寸、材料类型、各种构件的定向、以及各种构件的数量和位置意图限定某些实施例的参数，而决非意味着限制，并且仅仅是典型的实施例。当审阅上面的说明书时，在权利要求的精神和范围内，许多其它实施例和改型对于本领域中的技术人员将是清楚的。因此本发明的范围将参照附属权利要求、以及这种权利要求所申明的等效条款的全部范围来确定。在附属权利要求中，术语“包括”和“其中”用作相对应的术语“包含”和“此处”的通俗易懂的英语等效。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标记，并不意图对其目标物强加数字要求。此外，以下权利要求的限制没有按照装置-加-功能的格式来书写，并不意图基于35 U.S.C. §112第六段落进行理解，除非这种权利要求的限制明确地使用后随功能声明而缺乏其他结构的词语“用于…的装置”。

Claims (16)

1.一种发电机系统包括：
可旋转轴，其配置成围绕所述可旋转轴的中心纵轴旋转；
辅助永磁发电机PMG，其安装在所述可旋转轴上，使得所述辅助PMG配置成围绕所述中心纵轴而随所述可旋转轴旋转；以及
绕场磁通切换电机，其包括转子和定子，所述转子安装在所述可旋转轴上，使得所述转子配置成围绕所述中心纵轴而随所述可旋转轴旋转，所述定子包括直流DC励磁线圈和交流AC电枢线圈两者，所述DC励磁线圈操作地连接在用于激励所述DC励磁线圈的所述辅助PMG上；
其中，所述发电机系统不包括旋转整流器。
2.根据权利要求1所述的发电机系统，其特征在于，还包括电压调节器，其操作地连接在所述辅助PMG和所述DC励磁线圈之间。
3.根据权利要求1所述的发电机系统，其特征在于，所述定子的所述DC励磁线圈沿着所述定子的弧长而与所述定子的所述AC电枢线圈重叠。
4.根据权利要求1所述的发电机系统，其特征在于，所述DC励磁线圈包括多个DC励磁线圈，并且所述AC电枢线圈包括多个AC电枢线圈，并且其中所述DC励磁线圈不沿着所述定子的弧长与所述AC电枢线圈重叠。
5.根据权利要求1所述的发电机系统，其特征在于，所述DC励磁线圈包括多个DC励磁线圈，所述AC电枢线圈包括代表一组三相绕组的第一、第二和第三相AC电枢线圈，所述DC励磁线圈按照与所述第一、第二和第三相AC电枢线圈重叠的方式沿着所述定子的弧长交错于所述第一、第二和第三相AC电枢线圈之间。
6.根据权利要求1所述的发电机系统，其特征在于，所述转子包括转子底座和从所述转子底座相对于所述中心纵轴径向延伸的转子齿。
7.根据权利要求1所述的发电机系统，其特征在于，所述转子是分段的转子。
8.根据权利要求1所述的发电机系统，其特征在于，所述发电机系统不包括无电刷激励器。
9.根据权利要求1所述的发电机系统，其特征在于，所述定子包括定子底座和从所述定子底座相对于所述中心纵轴径向延伸的定子齿，所述DC励磁线圈缠绕在至少一个相对应的定子齿周围，所述AC电枢线圈缠绕在至少一个相对应的定子齿周围。
10.一种飞机，包括：
机身；
载于所述机身上的发动机，所述发动机包括可旋转轴，其配置成围绕所述可旋转轴的中心纵轴旋转；以及
载于所述机身上的发电机系统，所述发电机系统包括：
辅助永磁发电机PMG，其安装在所述发动机的所述可旋转轴上，使得所述辅助PMG配置成围绕所述中心纵轴而随所述可旋转轴旋转；以及
绕场磁通切换电机，其包括转子和定子，所述转子安装在所述发动机的所述可旋转轴上，使得所述转子配置成围绕所述中心纵轴而随所述可旋转轴旋转，所述定子包括直流DC励磁线圈和交流AC电枢线圈两者，所述DC励磁线圈操作地连接在用于激励所述DC励磁线圈的所述辅助PMG上；
其中，所述发电机系统不包括旋转整流器。
11.根据权利要求10所述的飞机，其特征在于，还包括电压调节器，其操作地连接在所述辅助PMG和所述DC励磁线圈之间。
12.根据权利要求10所述的飞机，其特征在于，所述定子的所述DC励磁线圈沿着所述定子的弧长而与所述定子的所述AC电枢线圈重叠。
13.根据权利要求10所述的飞机，其特征在于，所述DC励磁线圈包括多个DC励磁线圈，并且所述AC电枢线圈包括多个AC电枢线圈，并且其中所述DC励磁线圈不沿着所述定子的弧长与所述AC电枢线圈重叠。
14.根据权利要求10所述的飞机，其特征在于，所述转子包括转子底座和从所述转子底座相对于所述中心纵轴径向延伸的转子齿。
15.根据权利要求10所述的飞机，其特征在于，所述转子是分段的转子。
16.根据权利要求10所述的飞机，其特征在于，所述发电机系统不包括无电刷激励器。
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