CN109209642B - 电机设备 - Google Patents

Abstract

一种电机设备，包括：转子，其具有纵向轴线并且布置成围绕所述纵向轴线在第一圆周方向上旋转，所述转子限定用于在其中收纳流体的一个或多个导管，所述一个或多个导管包含入口和出口；和流体引导件，其限定第一孔口，所述第一孔口布置成在第二方向上将流体引向所述转子，所述第二方向在所述第一周向方向上具有正周向分量。

Description

电机设备

技术领域

本公开涉及电机设备。

背景技术

例如发电机和马达等的电机可以包含定子、转子、磁体装置以及电导体（通常称为“绕组”）。在一些实例中，磁体装置可以是安装在转子上的永磁体，而电导体可以安装在定子上。在这样的电机作为发电机操作的情况下，转子可以旋转并且由磁体装置产生的移动磁场引发电导体中的电流以提供自电机的电输出。在这样的电机作为马达操作的情况下，可以向电导体供电以产生吸引/排斥磁体装置的磁场并由此引起转子旋转。安装在转子上的磁体装置可能在操作期间产生热能，而这可能对电机的操作有害。

发明内容

根据第一方面，提供了一种电机设备，其包括：转子，其具有纵向轴线并且布置成围绕纵向轴线在第一周向方向上旋转，所述转子限定用于在其中收纳流体的一个或多个导管，所述一个或多个导管包含入口和出口；以及流体引导件，其限定第一孔口，所述第一孔口布置成在第二方向上将流体引向转子，所述第二方向在第一周向方向上具有正周向分量。

所述第一孔口的定向可以在第一周向方向上具有正周向分量。

流体引导件可以包括定位在第一孔口内的一个或多个叶片。所述一个或多个叶片可以定向成在第二方向上引导流体。

所述第二方向可以具有径向分量。

所述转子可以包括径向涡轮机，所述径向涡轮机布置成将流体引导到一个或多个导管的入口中。

电机设备可以进一步包括定子。径向涡轮机可以限定孔口，所述孔口布置成将流体引向转子和定子之间的间隙。

转子可以包括径向压缩机，所述径向压缩机布置成从一个或多个导管的出口收纳流体。

转子可以包括定位在转子的一个或多个导管的出口处的涡轮机。

流体引导件可以限定第二孔口，所述第二孔口布置成从电机设备排出流体。

流体引导件可以是电机设备的壳体。

根据第二方面，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括根据前述段落中任一段落所述的电机设备。

燃气涡轮发动机可以进一步包括核心发动机壳体和叶片。核心发动机壳体和叶片可以限定用于将流体提供到流体引导件的第一孔口的导管。

燃气涡轮发动机可以进一步包括压缩机、涡轮机以及连接到压缩机和涡轮机的轴件。轴件的第一部分可以在涡轮机的下游延伸。电机设备可以直接安装在轴件的第一部分上。

根据第三方面，提供了一种包括根据前述段落中任一段落所述的燃气涡轮发动机和电机设备的系统。

本领域技术人员将明白，除了相互排斥的情况之外，关于以上方面中的任何一个所描述的特征可以在细节上作必要的修改而适用于任何其它方面。此外，除了互相排斥的情况之外，本文描述的任何特征可以应用于任何方面和/或与本文描述的任何其它特征组合。

附图说明

现在将参考附图仅通过举例来描述实施例，其中：

图1说明根据第一实例的电机设备的平面图；

图2A说明根据第二实例的电机设备的横截面侧视图；

图2B说明图2A中所说明的电机设备的平面图。

图3A说明根据第三实例的电机设备的横截面侧视图；

图3B说明图3A中所说明的电机设备沿截面A-A的横截面正视图；

图4A说明根据第四实例的电机设备的横截面侧视图；

图4B说明图4A中所说明的电机设备沿截面A-A的正视图；

图5说明根据第五实例的电机设备的横截面侧视图；

图6说明根据第六实例的电机设备的横截面正视图；

图7说明根据一个实例的包括电机设备的燃气涡轮发动机的横截面侧视图；以及

图8说明根据各种实例的包括电机设备的系统的示意图。

具体实施方式

在以下描述中，术语“连接”和“联接”意指可操作地连接和联接。应当明白，在所提及的特征之间可以存在任何数目个中间组件，包含没有中间组件。

图1说明根据第一实例的电机设备10的平面图。电机设备10包含转子12和流体引导件14。电机设备10可以配置成作为发电机或作为电动马达操作。

在一些实例中，电机设备10可以是模块。如本文所使用，词语“模块”是指一个或多个特征在晚些时候并且可能由另一个制造商或由最终用户包含的装置或设备。例如，在电机设备10是模块的情况下，电机设备10可以仅包含转子12和流体引导件14，并且其余特征（举例来说，例如磁体装置、定子和电绕组）可以由另一个制造商或由最终用户添加。

转子12可以包括任何合适的铁磁材料（举例来说，例如铁、镍或钴）并且可以具有任何合适的形状（例如，转子12可以具有圆形横截面形状或多边形横截面形状）。转子12具有纵向轴线16并且布置成围绕纵向轴线16在第一周向方向18上旋转。转子12限定导管20，所述导管用于在其中收纳流体并且包含入口22和出口24。

流体引导件14可以包括用于引导流体流动的任何合适的结构。例如，流体引导件14可以是电机设备10的组件，并且在一些实例中，可以是电机设备10的静态组件，例如电机设备10的壳体。流体引导件14限定第一孔口26，所述第一孔口布置成在第二方向上（由箭头30表示）将流体引向转子12。第二方向在第一周向方向上具有正周向分量（由角度32表示）。因此，第一孔口26可以被认为是围绕纵向轴线16将流体“旋动”到转子12。

在操作中，转子12围绕纵向轴线16在第一周向方向18上旋转，并且安装在转子12上的磁体装置产生流入到转子12内的热能。流体引导件14在第二方向上将流体引导到转子12，并且流体经由入口22进入导管20。流体然后沿着导管20流动并且在出口24处离开转子12。

电机设备10可以提供若干优点。首先，热能可以从转子12传递到流过导管20的流体。这可以有利地冷却转子12并且可以防止电机设备10被相对较高的操作温度损坏。其次，流体从第一孔口26到转子12的旋动可以有利地减小转子12所经历的风阻阻力。在流体从高压源提供并且具有比转子12更高的旋转速度的情况下，流体的旋动可以在转子12上提供有益的风阻效应。第三，随着流体和转子12之间的相对速度差由于流体的旋动而减小，电机设备10可以减小流向转子12的流体流的相对总温度。

图2A和图2B分别说明根据第二实例的电机设备101的横截面侧视图和平面图。电机设备101类似于电机设备10，并且在特征类似的情况下，使用相同的参考标记。

电机设备101包含轴件34、转子12、安装在转子12上的磁体装置36、定子38、第一轴承40、第二轴承42以及壳体14。

轴件34布置成在第一周向方向18上围绕纵向轴线16旋转。转子12和磁体装置36安装在轴件34上并且因此也布置成围绕纵向轴线16旋转。磁体装置36可以是永磁体装置，或者可以是布置成充当电磁体（以获得绕线场或感应）的细长电导体（其可以称为“绕组”），或者可以包括多个铁磁叠片（其中电机101是开关磁阻马达）。

壳体14具有垂直于纵向轴线16延伸的第一端构件44和第二端构件46。壳体14的第一端构件44通过第一轴承40安装在轴件34上，并且壳体14的第二端构件44通过第二轴承42安装在轴件34上。因此，壳体14相对于轴件34是静止的。定子38安装在第一端构件44和第二端构件46之间的壳体14上，并且相对于轴件34、转子12和磁体装置36也是静止的。定子38可以包括永磁体装置，或者可以包括配置成充当电磁体的细长电导体（其可以称为“绕组”），或者可以包括多个铁磁叠片（其中电机101是开关磁阻马达）。

壳体14的第一端构件44限定围绕纵向轴线16布置成环的多个第一孔口26。多个第一孔口26布置成从流体源收纳流体，并且壳体14因此为电机设备101提供流体引导。如图2B中所说明，第一孔口26的定向在第一周向方向上具有正周向分量（由角度32表示）。第一孔口26的定向也具有轴向分量（即，第一孔口26也沿着纵向轴线16延伸）。因此，多个第一孔口26布置成在第二方向上（由箭头30表示）将流体引向转子12，其中第二方向在第一周向方向上具有轴向分量和正周向分量。

壳体14的第二端构件46限定用于从电机设备101排出流体的一个或多个第二孔口48。

转子12限定用于在其中收纳流体的多个导管20，并且每个导管20包含入口22和出口24。转子12包括定位在导管20的出口24处的涡轮机50。涡轮机50布置成从导管20收纳流体并且布置成在第一周向方向18上向轴件34提供扭矩（并且因此向轴件34提供额外的动力）。在一些实例中，涡轮机50由转子12中的多个斜孔形成。

图3A和图3B分别说明根据第三实例的电机设备102的横截面侧视图和横截面正视图（沿图3A中的视图A-A）。电机设备102类似于电机设备10、101，并且在特征类似的情况下，使用相同的参考标记。

电机设备102与电机设备101的类似之处在于，轴件34、转子12以及磁体装置36布置成围绕纵向轴线16在第一周向方向上旋转。转子12可以或可以不包括位于导管20的出口24处的涡轮机。

电机设备102与电机设备101的不同之处在于，壳体14限定径向向内延伸且位于第一端构件44和定子38之间的一个或多个第一孔口26。壳体14包括多个叶片52，所述叶片定位在一个或多个第一孔口26内并且定向成在第二方向上将流体引向转子12。第二方向在第一周向方向18上具有径向分量37（朝向纵向轴线16向内）和正周向分量32。

转子12包含径向涡轮机54，所述径向涡轮机从转子12的左侧延伸（如图3A中所说明），并且布置成将从一个或多个第一孔口26收纳的流体引导到一个或多个导管20的入口22中。径向涡轮机54包含多个径向对齐的叶片56，所述叶片布置成从流体中提取功，并且由此降低流体的温度。在一些实例中，径向涡轮机54的叶片可能不是完全径向的，并且叶片的径向角度可能随着叶片的半径变化。

图4A和图4B分别说明根据第四实例的电机设备103的横截面侧视图和横截面正视图。电机设备103类似于电机设备102，并且在特征类似的情况下，使用相同的参考标记。

电机设备103与电机设备102的不同之处在于径流涡轮机54限定一个或多个孔口58，所述孔口布置成将流体引向转子12和定子38之间的间隙60。一个或多个孔口58提供通过径向涡轮机54中的膨胀过程的泄放部分路径以泄放部分冷却和膨胀的流体，以充满转子12和定子38之间的间隙60。从一个或多个孔口58排出的流体的旋转速度可以被控制为转子12的旋转速度的一半，以使转子12和定子38之间的间隙60中的风阻发热最小化。例如，可以提供一个或多个孔口58中的每一个中的一个或多个周向组件（例如一个或多个叶片）以实现流体的期望旋转速度。

图5说明根据第五实例的电机设备104的横截面侧视图。电机设备104类似于电机设备103，并且在特征类似的情况下，使用相同的参考标记。

电机设备104与电机设备103的不同之处在于，转子12包括径向压缩机62，所述径向压缩机从转子12的右侧延伸并布置成从相应的一个或多个导管20的一个或多个出口24收纳流体。径向压缩机62布置成增加离开转子12的流体的压力，并且因此可以允许转子12在较低的流体压力下操作。径向压缩机62因此可以增加径向涡轮机54的涡轮机膨胀比。

电机设备104与电机设备103的不同之处还在于，壳体14在定子38上轴向延伸并且因此容纳定子38。壳体14、定子38和第二端构件46限定用于从电机设备101排出流体的一个或多个第二孔口48。一个或多个第二孔口48径向延伸穿过壳体14并且与径向压缩机62的出口轴向对齐。在一些实例中，一个或多个第二孔口48可以不是完全径向的（例如它们可以具有周向组件和/或轴向组件）。此外，一个或多个第二孔口48可以不与径向压缩机62的出口完全轴向对齐（或者可以根本不对齐）。

图6说明根据第六实例的电机设备105的横截面正视图。电机设备105类似于电机设备10、101、102、103、104，并且在特征类似的情况下，可以使用相同的参考标记。

电机设备105包含转子12和定子38，所述转子和所述定子之间限定间隙60。从径向最内部分开始，转子12包含限定多个导管20的导热构件64、铁磁构件66（例如背衬铁）、磁体装置36和带68。导热构件64联接到铁磁构件66，并且磁体装置36通过带68联接到铁磁构件66。

导热构件64可以包括任何合适的材料。在一些实例中，导热构件64可以包括与铁磁构件66相同的材料（并且可以与铁磁构件66成为一体并且可以是其一部分）。在其它实例中，导热构件64可以包括与铁磁构件66不同的材料并且可以包括具有低磁导率的轻质导热材料，例如铝。

导热构件64可以被制造成完整的环，或者可以由折叠的金属薄片制成。折叠可以被设计成通过封闭任何间隙来最小化导热构件64的内表面上的风阻摩擦。例如，导热构件64的折叠金属薄片可以限定具有三角形横截面形状的导管20。这也可以有利地增加用于散热的导热构件64的可用表面积。

应当明白，电机设备10、101、102、103、104中的任何一个可以具有图6中所说明的结构。

图7说明根据一个实例的包括电机器设备10、101、102、103、104、105的燃气涡轮发动机70的横截面侧视图。燃气涡轮发动机70具有旋转轴线72并且包括进气口74、推进风扇76、前锥体77、压缩机78、燃烧设备80、涡轮机82、轴件84、尾锥体86、核心发动机壳体88、涡轮机出口导叶90、第一排气喷嘴92和第二排气喷嘴95。机舱94通常包围燃气涡轮发动机70并且限定进气口74、第一排气喷嘴92和旁路管道93。第二排气喷嘴95由核心发动机壳体88和尾锥体86限定。

核心发动机壳体88和涡轮机出口导叶90限定用于将流体从旁路管道93提供到流体引导件14的一个或多个第一孔口26的导管96。在尾锥体86的壳体与电机设备10、101、102、103、104、105的壳体14分离的情况下，尾锥体86还限定了导管96。

轴件84连接到压缩机78和涡轮机82并且包含在涡轮机82下游延伸的第一部分98。电机设备10、101、102、103、104、105直接安装在轴件84的第一部分98上（换句话说，第一部分98可以是图2A、图2B、图3A、图3B、图4A、图4B和图5中所说明的轴件34）。

应当明白，燃气涡轮发动机70可以具有任何数目个压缩机、涡轮机和互连轴件。此外，燃气涡轮发动机70可以另外包括位于轴件84和推进风扇76之间的传动系中的齿轮箱。

图8说明包括电机设备10、101、102、103、104、105和燃气涡轮发动机112的系统110的示意图。

在一些实例中，电机设备10、101、102、103、104、105可以布置成从燃气涡轮发动机112的附件齿轮箱接收电能并且充当电动马达。电机设备10、101、102、103、104、105可以布置成向安装在飞机、船舶或车辆上的推进风扇提供扭矩。

在燃气涡轮发动机112与燃气涡轮发动机70相同的其它实例中，电机设备10、101、102、103、104、105可以布置成从燃气涡轮发动机70的电机设备10、101、102、103、104、105接收电能并且充当电动马达。电机设备10、101、102、103、104、105可以布置成向安装在飞机、船舶或车辆上的推进风扇提供扭矩。

应当理解，本发明不限于上述实施例，并且可以在不脱离本文所描述的概念的情况下进行各种修改和改进。例如，电机设备101、102、103、104的壳体14可以不是专用电机壳体，而是可以由燃气涡轮发动机的结构形成（举例来说，例如燃气涡轮发动机的尾锥体）。

在其它实例中，电机设备10、101、102、103、104可以安装在具有单个排气喷嘴的燃气涡轮发动机内。

除相互排斥的情况以外，任何特征可以单独使用或与任何其它特征组合使用，并且本公开扩展至本文描述的一个或多个特征的所有组合和子组合并包含所述所有组合和子组合。

Claims (14)

1.一种电机设备，包括：

转子，所述转子具有纵向轴线并且布置成围绕所述纵向轴线在第一周向方向上旋转，所述转子限定用于在其中收纳流体的一个或多个导管，所述一个或多个导管在所述转子的轴向端部之间在所述纵向轴线的方向上延伸并且包含入口和出口；以及

流体引导件，所述流体引导件限定第一孔口，所述第一孔口布置成从高压源收纳流体且在第二方向上将所述流体引向所述转子，使得流体经由入口进入所述一个或多个导管并经由出口离开所述一个或多个导管，所述第二方向在所述第一周向方向上具有正周向分量，以给流体提供有比转子更高的旋转速度且围绕纵向轴线将流体旋动到转子，所述流体引导件是电机设备的静态组件。

2.根据权利要求1所述的电机设备，其中所述第一孔口的定向在所述第一周向方向上具有正周向分量。

3.根据权利要求1所述的电机设备，其中所述流体引导件包括定位在所述第一孔口内的一个或多个叶片，所述一个或多个叶片定向成在所述第二方向上引导流体。

4.根据权利要求1所述的电机设备，其中所述第二方向具有径向分量。

5.根据权利要求1所述的电机设备，其中所述转子包括径向涡轮机，所述径向涡轮机布置成将所述流体引导到所述一个或多个导管的所述入口中。

6.根据权利要求5所述的电机设备，进一步包括定子，所述径向涡轮机限定孔口，所述孔口布置成将流体引向所述转子和所述定子之间的间隙。

7.根据权利要求1所述的电机设备，其中所述转子包括径向压缩机，所述径向压缩机布置成从所述一个或多个导管的所述出口收纳所述流体。

8.根据权利要求1所述的电机设备，其中所述转子包括定位在所述转子的所述一个或多个导管的所述出口处的涡轮机。

9.根据权利要求1所述的电机设备，其中所述流体引导件限定第二孔口，所述第二孔口布置成从所述电机设备排出所述流体。

10.根据权利要求1所述的电机设备，其中所述流体引导件是所述电机设备的壳体。

11.一种燃气涡轮发动机，包括根据权利要求1到10中任一项所述的电机设备。

12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，进一步包括核心发动机壳体和叶片，所述核心发动机壳体和所述叶片限定用于向所述流体引导件的所述第一孔口提供流体的导管。

13.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，进一步包括压缩机、涡轮机以及连接到所述压缩机和所述涡轮机的轴件，所述轴件的第一部分在所述涡轮机的下游延伸，所述电机设备直接安装在所述轴件的所述第一部分上。

14.一种燃气涡轮发动机系统，其包括燃气涡轮发动机和根据权利要求1到10中任一项所述的电机设备。

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