CN107454991B

CN107454991B - 湿腔电机

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Publication number: CN107454991B
Application number: CN201580078715.1A
Authority: CN
Inventors: 黄豪; J.齐沃特; 贾小川
Original assignee: GE Aviation Systems LLC
Current assignee: GE Aviation Systems LLC
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2020-11-17
Anticipated expiration: 2035-04-10
Also published as: BR112017020181A2; US11081936B2; CA2981251A1; US20180097424A1; CN107454991A; EP3281281A1; JP2018511295A; WO2016164032A1

Abstract

一种湿腔电机包括：定子芯，其具有两个定子极，所述两个定子极由柱形件和卷绕所述柱形件而形成定子绕组的导线形成，其中所述定子绕组具有端匝；和转子，其具有两个转子极和用于液体冷却剂流动穿过所述转子的通道，且被配置成相对于所述定子旋转；以及至少一个流体端口，其与所述通道以及所述定子绕组端匝流体连通，其中所述端匝将暴露于穿过所述通道的液体冷却剂。

Description

湿腔电机

背景技术

现有飞行器发动机包括电机或发电机系统，其利用发电机模式下运行的飞行器发动机将电能提供到飞行器上的电力系统和组件。一些飞行器发动机可进一步包括起动机/发电机(S/G)系统，其充当起动飞行器发动机的电动机，且充当发电机以在发动机处于运行中之后将电能提供到飞行器上的电力系统。电动机和发电机可以是湿腔系统，其中容纳转子和定子的腔暴露于液体冷却剂；或是干腔系统，其中所述腔未暴露于液体冷却剂。干腔系统也可利用一个或多个内含冷却系统中的液体冷却剂，但只要腔未暴露于液体冷却剂，就仍将其视为干腔。现有湿腔或干腔系统这两个类型都具有相应的优点。举例来说，相比于湿腔系统，干腔系统一般具有较低损耗、较高效率、较高可靠性、所需维护较少且姿态独立。相比之下，湿腔电机的功率密度可显著高于干腔电机的功率密度，这归因于湿腔电机的较高冷却效力。

发电机系统的操作要求或操作环境会增大对湿腔或干腔系统的冷却要求。举例来说，靠近涡轮发动机的高温环境的发电机系统还可包括围绕定子或发电机的外部冷却夹套，由此，冷却夹套将定子的外表面暴露于横贯冷却夹套的冷却剂。添加冷却系统通常增大成本、复杂性，并且使发电机系统的重量和大小要求增多。

发明内容

在一个方面中，一种湿腔电机包括：定子芯，其具有由柱形件和卷绕所述柱形件而形成定子绕组的导线所形成的两个定子极，其中所述定子绕组具有端匝；转子，其配置成相对于所述定子旋转，且具有两个转子极和用于液体冷却剂流动穿过所述转子的通道；热传导和电绝缘材料层，其在所述定子芯与所述定子绕组之间环绕所述定子绕组；以及至少一个流体端口，其与所述通道和所述定子绕组端匝流体连通，其中所述端匝将暴露于穿过所述通道的液体冷却剂。

在另一方面中，一种发电系统包括湿腔机，所述湿腔机具有：定子芯，其具有由柱形件和卷绕所述柱形件而形成定子绕组的导线所形成的两个定子极，其中所述定子绕组具有第一和第二端匝；转子，其配置成相对于所述定子旋转，所述转子包括两个转子极和用于液体冷却剂流动穿过所述转子的通道；热传导和电绝缘材料层，其在所述定子芯与所述定子绕组之间环绕所述定子绕组；以及至少一个流体端口，其与所述通道和所述定子绕组端匝流体连通，其中所述端匝将暴露于穿过所述通道的液体冷却剂。所述发电系统使所述端匝暴露于穿过所述通道的液体冷却剂。

在又一方面中，一种组装定子芯的方法包括：将热传导和电绝缘材料层插入所述定子芯的一组槽中；以及按两极配置将一组绕组排布在所述定子芯的所述一组槽中且使绕组端匝轴向延伸经过所述一组槽。所述热传导和电绝缘材料定位于所述定子芯与所述一组绕组之间。

附图说明

在图式中：

图1是具有根据本发明的实施例的起动机/发电机(S/G)的燃气涡轮发动机的透视图。

图2是图1的发电机的外部的透视图。

图3是沿图2的线III-III截取的S/G的示意性横截面图。

图4是图2的主机的定子的截面视图。

图5是说明组装所述主机的定子的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例可实施在使用电动机的任何环境中，不论所述电动机是提供驱动力还是产生电力。出于此描述目的，大体上将此类电动机称为电机、电机组件或类似用语，意在阐明一个或多个定子/转子组合可以包括在所述机器中。虽然此描述主要涉及提供发电的电机，但此描述也适用于提供驱动力的电机或同时提供驱动力和发电的电机。此外，虽然本说明主要针对飞行器环境，但本发明的实施例适用于使用电机的任何环境。因此，简述所涵盖的环境应有助于更充分的理解。

图1说明燃气涡轮发动机10，其具有附件齿轮箱(AGB)12和根据本发明的实施例的起动机/发电机(S/G)14。燃气涡轮发动机10可以是涡扇发动机，例如在现有商业和军事航空中普遍使用的General Electric GEnx或CF6系列发动机，或其可以是多种其它已知燃气涡轮发动机，例如涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机。燃气涡轮发动机10还可具有加力燃烧室，其燃烧低压涡轮区域的下游额外量的燃料以增大排气的速度，且由此增大推进力。AGB 12可以借助于机械取力器16耦合到燃气涡轮发动机10的涡轮轴(未展示)。燃气涡轮发动机10可以是用在现有商业和军事航空中的任何合适的燃气涡轮发动机，或其可以是多种其它已知燃气涡轮发动机，例如涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机。燃气涡轮发动机10的类型和特性与本发明无密切关系，本文将不再进一步描述。虽然展示和描述S/G14，但本发明的实施例可包括任何电机或发电机，且并不限于可提供起动功能的发电机实施例。

图2较清晰地说明S/G 14和其外壳18，所述外壳可包括用于将S/G 14夹紧到AGB12的夹紧接口20。可在S/G 14的外部上提供多个电连接以用于将电力传入和传出S/G 14。所述电连接可进一步通过缆线连接到具有燃气涡轮发动机10的飞行器的电力分配节点以向飞行器上的灯和座椅后背显示器等各种物体供电。S/G 14包括液体冷却剂系统，其用于冷却或消散由S/G 14的组件或由靠近S/G 14的组件产生的热，所述靠近S/G 14的组件的一个非限制性实例可以是燃气涡轮发动机10。举例来说，S/G 14可包括使用油作为冷却剂的液体冷却系统。液体冷却系统可包括用于控制对S/G 14的冷却剂供应的冷却流体入口端口82和冷却流体出口端口84。虽未展示，但本发明的实施例可进一步包括其它液体冷却系统组件，例如以流体方式与冷却流体入口端口82和冷却流体出口端口84耦合的液体冷却剂贮存器，以及强制性地将冷却剂供应穿过端口82、84或S/G 14的液体冷却剂泵。油仅仅是可用于本发明的实施例中的一个非限制性液体冷却剂实例。

在图3中最佳地看到S/G 14的内部，此图是图2中所示的S/G14的截面视图。可旋转轴40位于S/G 14内，是支撑多种组件的主要结构。可旋转轴40可以具有单一直径，或可沿其长度变化的直径。可旋转轴40由间隔开的轴承42和44支撑。S/G 14的若干元件具有固定组件和旋转组件，其中旋转组件提供于可旋转轴40上。这些元件的实例可包括容纳于主机腔51内的主机50、励磁机60和永磁发电机(PMG)70。对应的旋转组件分别包括主机转子52、励磁机转子62和PMG转子72，且对应的固定组件包括主机定子54或定子芯、励磁机定子64和PMG定子74。以此方式，主机转子52、励磁机转子62和PMG转子72安置在可旋转轴40上。固定组件可以安装于外壳18的任何合适的部分。主机定子54、励磁机定子64和PMG定子74界定可旋转轴40延伸穿过的内部。

应理解，主机转子52、励磁机转子62和PMG转子72可以有多个转子极，且主机定子54、励磁机定子64和PMG定子74可以有多个定子极，使得可以产生磁场且S/G 14可以通过磁场与载电流导体的相互作用而操作，以产生力。转子极和定子极中的至少一个可由具有柱形件和卷绕所述柱形件而形成绕组的导线的芯形成，其中所述绕组具有至少一个端匝。励磁机60可将直流电提供到主机50的绕组，且主机50和PMG 70可在可旋转轴40旋转时供应AC电力。

S/G 14的组件可以是已知发电机的任何组合。举例来说，主机50可以是同步发电机或异步发电机。除此实施例中所展示的附件之外，可存在需要操作以用于特定应用的其它组件。举例来说，除了所示机电附件之外，可存在从同一可旋转轴40驱动的其它附件，例如液体冷却剂泵、流体压缩机或液压泵。

如上文所解释，S/G 14可以是油冷式，且因此可包括冷却系统80。冷却油可用于消散由S/G 14的电气和机械功能产生的热。使用油的冷却系统80也可提供对S/G 14的润滑。在所示实施例中，S/G14可以是具有冷却系统80的液体冷却式湿腔系统，所述冷却系统被说明为包括用于控制对冷却系统80的冷却流体供应的冷却流体入口端口82和冷却流体出口端口84。冷却系统80可进一步包括例如冷却流体贮存器86和各种冷却通路。可旋转轴40可以为主机转子52、励磁机转子62和PMG转子72提供一个或多个流动通道或路径(展示为箭头85)。如所示，主机转子52进一步包括说明为两个轴向间隔开的流体端口87的至少一个流体端口87，例如喷嘴，其与一个或多个流动通道85流体连通并且配置成将主机腔51的至少一部分暴露于穿过通道85的冷却剂。举例来说，随着可旋转轴40旋转，至少一个流体端口87可围绕轴40旋转，使得横贯流动通道85的冷却流体可以通过所述至少一个流体端口87暴露、喷洒或以其它方式沉积到腔51中，例如到绕组、绕组端匝上，或到最接近流体端口87的旋转路径的替代性或额外组件上。

在湿腔发电机中，准许冷却流体直接接触或直接暴露于主机腔51中的组件，例如主机定子54或主机转子52。这种湿腔方法因其较高冷却效力而增大湿腔S/G 14的功率密度。

现有湿腔方法的问题在于，虽然可利用至少一个流体端口87来从主机腔51中最接近端口87的组件消散或去除热，但与所述至少一个流体端口87间隔开的组件，例如与所示任一流体端口87间隔开的主机定子54的轴中心89，可能仍留有不合需要的热，从而导致S/G14性能或输出降低。举例来说，不合需要的热可能通过归因于在S/G 14操作期间所产生的磁滞或涡电流所致的定子芯损耗而造成。常规发电机可通过在定子与定子绕组之间包括低导热层(例如，大致0.12瓦每摄氏度-米；“W/mC”)以将小部分热从定子热传导到绕组同时外部冷却夹套将大部分热从所述定子热传导掉来解决此问题。常规外部冷却夹套包括环绕主机定子54的至少一部分的冷却剂通路，其中夹套冷却剂通路以流体方式与例如通道85的液体冷却剂源耦合。横贯冷却夹套的液体冷却剂提供冷却以确保所需S/G 14操作，但冷却系统的添加会增大成本、复杂性，且使发电机系统的重量和大小要求增多。

通过使用热传导和电绝缘材料层来增大主机定子54相较于现有实施例的冷却能力，本发明的实施例提供替代性解决方案来解决至少主机定子54的冷却问题。由于本发明的实施例显著地增大主机定子54冷却能力，因此除了上文所描述的冷却系统80(例如通道85、流体端口87、冷却剂泵或冷却剂贮存器86)之外，可在无需或无S/G 14外部的额外冷却系统的情况下来设计或操作S/G 14。换句话说，本发明的实施例提供一种湿腔S/G 14，其中可在无需或无至少一外部液体冷却夹套的情况下来设计或操作系统，使得所述系统提供大于或等于预定等级的冷却，其中所述预定等级基于外部液体冷却夹套。

相比之下，现有定子端匝和绕组利用极低热导率材料绝热，从而使包括绕组和端匝中的热损耗中的大部分热损耗通过转子和定子芯，到达冷却系统80。出于示范性目的，本申请的其余部分将聚焦于主机50的定子部分；然而，应理解，以下解释也可应用于励磁机60、PMG 70和主机50的定子和转子部分。

一般来说，当材料类型允许电荷流动穿过其到一定程度时，所述材料是电导体或电绝缘体(即电绝缘)。材料对电流的接收程度的度量被称为电导率，且那些具有高电导率的材料被称为电导体，而那些具有低电导率的材料被称为电绝缘体。设计成具有低电阻以使得其以最小电能损失来传送电流的物体被称为电导体。另外，一般来说，当材料类型允许热例如经由热流动或横贯其到一定程度时，所述材料是热导体(即热传导)或热绝缘体。材料对热流的接收程度的度量被称为热导率，且那些具有高导率的材料被称为热导体，而那些具有低导率的材料被称为热绝缘体。

图4说明主机定子54的截面视图，所述主机定子包括具有多个柱形件112的定子芯110。当导线卷绕柱形件112时形成一组绕组114，且绕组区段中轴向延伸经过柱形件112的前部或后部的部分形成至少一个定子绕组端匝116。如所示，绕组114的轴向末端可被配置成具有端匝116，所述端匝共同可界定一组端匝116。应理解，仅展示绕组114的一部分，且另一部分沿着柱形件112的另一侧延伸，且可沿着主机定子54的内圆周径向重复绕组114、柱形件112和端匝116的配置。如所示，主机定子54可进一步包括环绕定子绕组114的至少一部分的导热电绝缘层124。

绝缘层124可由提供于绕组114与定子54之间的热传导和电绝缘材料形成，从而界定由方向箭头108指示的导热路径或通路，以显著地增大芯110与绕组114之间的热导率，且因此增大至少主机定子54的轴中心89与端匝116之间的冷却能力。导热电绝缘层124可由多种材料形成，包括氮化硼、氮化铝和氧化铝，或类似材料。此外，预期层124可包括混合物，所述混合物包括这些材料中的至少一种。举例来说，层124可包括包括氮化硼的混合物。预期层124可呈漆膜或其它涂层的形式，使得绕组114可涂布有所述混合物。此外，绕组114上的不同层和漆膜层都可以形成层124且提供导热性和电绝缘。

预期层124可具有可辅助增大冷却能力的多种属性。举例来说，层124可具有大于1.2W/mC的热导率或大致为常规内衬的热导率的十倍。层124可具有250伏每毫米(V/mm)的最小介电强度。常规热绝缘阻挡层至少阻止或抑制主机定子54与绕组114或端匝116之间的传导性热传递，层124取代常规热绝缘阻挡层且允许显著增大(例如，十倍)冷却定子54的能力。

层124可提供将从定子芯110产生的热到绕组114的热传导108。举例来说，所产生的热可归因于涡电流或磁滞。绕组114提供经由传导路径108的热传导，以供热沿着绕组114传导到端匝116。端匝116借助于位置最接近端匝116的流体端口87暴露于冷却剂。除了增大主机定子54冷却能力之外，层124还可提高沿着定子绕组114到端匝116的长度的冷却能力。大于1.2W/mC的非限制性实例热导率能够借助于热传导108提供对定子54的冷却，大于或等于基于外部液体冷却夹套的预定冷却等级。此外，250V/mm的非限制性介电强度实例被配置成在常见S/G配置中提供定子54与绕组114之间的电绝缘。基于发电机或S/G的所需操作特性，可替代性地配置层124的热传导和电绝缘质量，或可选择层124材料或组合物，所述操作特性包括但不限于热操作特性、电力产生特性、环境热暴露和类似者。

尽管已在燃气涡轮发动机的S/G方面来描述上文实施例，但如上文所描述的此类热传导和电绝缘材料层可用于任何电机中以显著地增大定子或转子冷却能力。应理解，在此类电机中，转子可以有多个转子极，且定子可以有多个定子极，其中转子极和定子极中的至少一个是由具有柱形件和卷绕所述柱形件而形成绕组的导线的芯所形成。绕组具有至少一个端匝，且可邻近所述绕组提供热传导和电绝缘材料层，且其包括所述端匝。上文所描述的本发明的实施例可能非常适合于某些S/G应用，例如最接近涡轮发动机定位且因此对发电机操作造成高温和空间或容积有限的环境的两极发电机(例如两个定子极和两个转子极)。在此实例中，可配置两极发电机，使得湿腔发电机的轴向长度显著比定子芯的直径长。

图5说明根据本发明的实施例的用于组装定子芯的方法200。方法200的第一步骤包括插入步骤210，用于将热传导和电绝缘材料层124插入定子芯110的一组槽中。方法200的下一步骤包括排布步骤220，用于按两极配置将一组绕组14排布在定子芯110的槽中且使绕组端匝116轴向延伸经过所述槽。热传导和电绝缘层124定位于定子芯110与绕组114之间。

所描绘的顺序仅用于说明性目的，而非意在以任何方式限制方法200，应当理解，在不偏离所描述的方法的情况下，方法的各部分可按不同逻辑次序进行，可包括额外或中间部分，或可将方法的所描述部分划分成多个部分，或可省略方法的所描述部分。

本发明涵盖除了上图中所展示的实施例和配置之外的许多其它可能的实施例和配置。另外，可重新布置各种组件的设计和放置，使得可实现许多不同同轴式配置。

上述实施例提供多种益处，包括：其具有较高效率、高度可靠性、较少维护、全姿态操作以及较低重量。通过获得湿腔电机增大的冷却能力，除了将端匝暴露于穿过通道的液体冷却剂之外无需机器外部的冷却系统，所述电机可消除原本需要的额外冷却系统的额外成本、复杂性、重量和大小要求。所得电机与常规湿腔机相比更轻、更小且不那么复杂。在涡轮发动机环境中，此类重量的减小很重要，在飞行期间会提供竞争性优势。降低的复杂性也可对应于减少的随着时间推移的维护，还提供较低操作成本。

在尚未描述的程度上，各种实施例的不同特征和结构可按需要与其它特征和结构结合使用。一个特征未能在一些实施例中说明并不意味着应解释为不能说明所述特征，而是为了简化描述才未说明。因此，必要时可以混合和匹配不同实施例的各种特征以形成新的实施例，而无论是否已明确描述所述新的实施例。此外，虽然已描述“一组”各种元件，但应理解，“一组”可包括任何数目的相应元件，包括仅一个元件。本发明涵盖本文所描述的特征的所有组合或排列。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最优模式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求限定，并且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包含与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求范围内。

Claims

1.一种湿腔电机，包括：

定子芯，其具有两个定子极，所述两个定子极由柱形件和卷绕所述柱形件而形成定子绕组的导线形成，其中所述定子绕组具有端匝；

转子，其被配置成相对于所述定子芯旋转，并且具有两个转子极和用于液体冷却剂流动穿过所述转子的通道；

热传导和电绝缘材料层，其在所述定子芯与所述定子绕组之间环绕所述定子绕组；以及

至少一个流体端口，其与所述通道和所述定子绕组端匝流体连通，其中所述端匝将暴露于穿过所述通道的液体冷却剂。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述流体端口另外包括流体喷嘴。

3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于：所述流体喷嘴定位在最接近所述端匝的所述转子上，使得所述转子上的所述流体喷嘴被配置成将一组定子绕组端匝暴露于穿过所述通道的液体冷却剂。

4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述端匝由所述定子绕组的轴向延伸经过所述柱形件的部分界定。

5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述层具有大于或等于1.2瓦每摄氏度-米的热导率。

6.根据权利要求5所述的电机，其特征在于：所述层包括氮化硼。

7.根据权利要求5所述的电机，其特征在于：所述层包括混合物，所述混合物包括氮化硼。

8.根据权利要求7所述的电机，其特征在于：所述定子芯或所述绕组中的至少一个涂布有所述混合物。

9.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述层具有250 V/mil的最小介电强度。

10.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述层界定导热通路，其中所述定子芯中产生的热沿着所述通道以传导方式传送到所述端匝。

11.根据权利要求10所述的电机，其特征在于：所述导热通路进一步以传导方式将所述定子绕组中产生的热传送到所述端匝。

12.一种发电系统，包括：

湿腔电机，包括：

定子芯，其具有两个定子极，所述两个定子极由柱形件和卷绕所述柱形件而形成定子绕组的导线形成，其中所述定子绕组具有第一和第二端匝；

转子，其被配置成相对于所述定子芯旋转，所述转子包括两个极和用于液体冷却剂流动穿过所述转子的通道；

至少一个流体端口，其与所述通道以及所述定子绕组端匝流体连通，其中所述端匝将暴露于穿过所述通道的液体冷却剂；

其中所述发电系统将所述端匝暴露于穿过所述通道的所述液体冷却剂。

13.根据权利要求12所述的发电系统，其特征在于：所述湿腔电机进一步包括起动机发电机。

14.根据权利要求12所述的发电系统，其特征在于：所述系统提供大于或等于预定等级的冷却，其中所述预定等级基于外部液体冷却夹套。

15.根据权利要求12所述的发电系统，其特征在于：所述系统最接近涡轮发动机定位。

16.根据权利要求15所述的发电系统，其特征在于：所述湿腔电机的轴向长度显著长于所述定子芯的直径。

17.根据权利要求12所述的发电系统，其特征在于：所述流体端口进一步包括流体喷嘴。

18.根据权利要求12所述的发电系统，其特征在于：所述层具有大于或等于1.2瓦每摄氏度-米的热导率。

19.根据权利要求17所述的发电系统，其特征在于：所述流体端口定位于最接近所述第一或第二端匝中的至少一个的所述转子上，使得所述转子上的所述流体喷嘴被配置成将一组定子绕组端匝暴露于穿过所述通道的液体冷却剂。

20.一种组装根据权利要求1到11中任一项所述的湿腔电机的方法，包括：

将热传导和电绝缘材料的层插入所述定子芯的一组槽中；以及

按两极配置将一组绕组排布在所述定子芯的所述一组槽中，并且使绕组端匝轴向延伸经过所述一组槽；

其中所述热传导和电绝缘材料定位于所述定子芯与所述一组绕组之间。