CN109560626A - 永磁电机 - Google Patents

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Abstract

一种永磁电机具有支承成周向排的永磁体的转子。电机进一步具有定子，其与转子同轴且具有承载相应的线圈绕组的成周向排的定子齿。齿为由磁体产生的磁通提供路径，由此当转子相对于定子旋转时电磁地联结磁体和线圈。齿具有线圈绕组安装于其上的相应的芯体部分和定位在芯体部分和转子之间的相应的末梢部分。末梢部分在第一位置和第二位置之间可控制地旋转，在第一位置，各齿的末梢部分和芯体部分在角度上对齐，以增强磁体和线圈之间的磁通联结，在第二位置，各齿的末梢部分旋转成不与它的芯体部分在角度上对齐，以减少磁体和线圈之间的磁通联结。末梢部分被偏压到第二位置。

Description

永磁电机
技术领域
本公开涉及一种永磁电机。
背景技术
永磁(PM)电机可提供非常高的功率和转矩密度，且因此对于许多航天发电和电动机(例如泵送和促动)应用是有吸引力的选择。但是，尤其在发电应用中，由永磁体提供的激励的永久性可能是缺点。特别地，在一些情形中关掉激励可能是必要的，尤其在其中机器具有危险故障(例如在线圈绕组内的单匝电短路)的情况下。一个选择将是关掉驱动发电机的电源，但是当该电源为主发动机时这显然可能是不现实的。因此，为了解决问题，提出了其它解决方案，包括：
·采用所谓的容错机器设计，其中机器设计成能够在可能的故障情况的子集下安全运行。但是，由于此类设计可能不能够适应子集外部的故障，它们最多仅提供部分解决方案。
·将在发电机的传动系中并入机械分离机构。这移除了对发电机的机械输入，但是典型地增加了成本、重量和复杂性。
发明内容
本公开的电机以不同的方式解决了问题，即在检测到故障的情况下通过将磁通从与定子线圈绕组联结的定子芯体区域转移开，且由此移除在定子绕组中的感应电压，该感应电压为有破坏性的短路电流的来源。
因此，在第一方面，本公开提供了一种永磁电机，其具有：
轴线；
转子，其围绕轴线旋转且支承成周向排的永磁体；
定子，其与转子和轴线同轴，定子具有承载相应的线圈绕组的成周向排的定子齿，齿为由磁体产生的磁通提供路径，由此当转子相对于定子旋转时电磁地联结磁体和线圈；
其中，齿具有线圈绕组安装于其上的相应的芯体部分和定位在芯体部分和转子之间的相应的末梢部分，成周向排的末梢部分在第一位置和第二位置之间围绕轴线可控制地旋转，在第一位置，各齿的末梢部分和芯体部分在角度上对齐，以增强磁体和线圈之间的磁通联结，在第二位置，各齿的末梢部分旋转成不与它的芯体部分在角度上对齐，以减少磁体和线圈之间的磁通联结。
可旋转的末梢部分对电磁性能可具有最小的影响，且不必要增加电机的总体体积或质量。而且它们可以快速起作用来使故障电流几乎立即消除，且不需要与旋转转子进行在机械方面的相互作用。
电机可作为发电机和/或作为电动机运行。
在第二方面，本公开提供了具有根据第一方面的电机的燃气涡轮发动机。例如，机器可作为由燃气涡轮发动机提供动力的发电机(例如通过从发动机的轴吸走动力)，或作为为发动机系统提供动力的电动机(例如作为发动机燃料系统的燃料泵、发动机油系统的油泵，或作为调节发动机的可变几何构件的促动器)运行。
现在将陈述本公开的进一步的可选特征。这些特征可单独应用或与本公开的任一方面进行任何结合来应用。
末梢部分可偏压到第二位置。方便地，末梢部分可被弹簧偏压到第二位置。
通过使末梢部分偏压到第二位置，机器可提供失效安全运行模式。特别地，如果负责使末梢部分旋转且主动地使末梢部分保持在第一位置的促动器失效，则偏压可用来使末梢部分自动旋转至第二位置，且因此减少磁体和线圈之间的磁通联结。
末梢部分在旋转至第一位置之后可与芯体部分滑动地接合。大体上，为了增强磁体和线圈之间的磁通联结，在第一位置使末梢部分与芯体部分密切接触是有利的。末梢部分和芯体部分可具有相应的配合面，当末梢部分在旋转至第一位置之后与芯体部分滑动地接合时，配合面阻止末梢部分旋转超过第一位置。除了阻止过度旋转，配合面还可辅助在末梢部分和芯体部分之间的转矩传递，虽然典型地仅仅沿一个方向(且因此只与机器的发电机或电动机用途一致)。
在第二位置，第一间隙可打开以使末梢部分与芯体部分隔开。通过打开这些间隙，可提高磁体和线圈之间的磁通联结的减少。
在第二位置，各末梢部分可在角度上定位在相邻的芯体部分之间的中间。大体上，将各末梢部分定位在该中间位置处有助于使磁体和线圈之间的磁通联结的减少最大化。
齿可进一步具有相应的固定部分，固定部分相对于芯体部分固定，且当末梢部分在第一位置和第二位置之间旋转时，末梢部分可滑动地移动越过固定部分。对于这样的布置，在相邻的固定部分之间可提供第二间隙，以当末梢部分在第一位置时使齿彼此沿周向隔开。而且，当末梢部分移动至第二位置时，末梢部分可桥接第二间隙以形成围绕转子的环形优先磁通路径。在通过机器的横截面上，固定部分在形状上可基本为矩形。
固定部分可径向定位在末梢部分和芯体部分之间。备选地，固定部分可径向定位在末梢部分和转子之间。有利地，该环形优先磁通路径绕过芯体部分，且因此进一步有助于减少磁体和线圈之间的磁通联结。
各末梢部分可具有线圈侧面和径向隔开的转子侧面，末梢部分在角度范围上扩张成使得从线圈侧面到转子侧面有径向距离。因此，在通过机器的横截面上，末梢部分在形状上可基本为梯形。
电机可进一步具有促动器以使末梢部分在第一位置和第二位置之间可控地旋转。然后促动器可构造成当促动器停用时提供允许末梢部分在偏压作用下旋转至第二位置的失效安全模式。促动器可构造成使末梢部分可变地定位在第一位置和第二位置之间的任何位置处，或促动器可构造成使末梢部分只定位在第一位置和第二位置处。
附图说明
现在将参照附图，作为示例来描述本公开的实施例，其中：
图1显示了通过涵道风扇燃气涡轮发动机的纵截面；
图2A示意性地显示了通过永磁电机的横截面，永磁电机使它的定子齿的末梢部分在第一旋转位置；
图2B示意性地显示了通过图2A的永磁电机的横截面，其中末梢部分在第二旋转位置；
图3A显示了图2A的电机的磁场分布的有限元分析预测，其中末梢部分在第一位置；
图3B显示了图2B的电机的磁场分布的有限元分析预测，其中末梢部分在第二位置；
图4显示了图2和图3的电机的一个齿的部分的放大图，其中末梢部分在第二位置；
图5A显示了通过三个齿的截面示意图，其中末梢部分在第一位置；
图5B显示了通过三个齿的截面示意图，其中末梢部分在第二位置；以及
图6显示了通过三个齿的截面示意图，其中固定部分在芯体部分和末梢部分之间，其中末梢部分在第二位置。
具体实施方式
参照图1，涵道风扇燃气涡轮发动机以10总体指示，并且具有主旋转轴线X-X。在轴流系列中，发动机包括空气进口11、推进风扇12、中压压缩机13、高压压缩机14、燃烧设备15、高压涡轮机16、中压涡轮机17、低压涡轮机18和核心发动机排气喷嘴19。机舱21总体包围发动机10且限定进口11、旁路管22和旁路排气喷嘴23。
在运行期间，进入进口11的空气由风扇12加速以产生两股空气流：到中压压缩机13中的第一空气流A和穿过旁路管22以提供推进推力的第二空气流B。中压压缩机13在将空气流A传送到高压压缩机14之前压缩引导到其中的空气流A，在高压压缩机14中发生进一步压缩。
从高压压缩机14排出的压缩空气引导到燃烧设备15中，在燃烧设备15中压缩空气与燃料混合并且混合物燃烧。然后合成的热燃烧产物在高压涡轮机16、中压涡轮机17和低压涡轮机18中膨胀且由此驱动高压涡轮机16、中压涡轮机17和低压涡轮机18，之后通过喷嘴19排出以提供额外的推进推力。高压涡轮机、中压涡轮机和低压涡轮机通过合适的互连轴分别驱动高压压缩机14、中压压缩机13和风扇12。
本公开可应用于的其它燃气涡轮发动机可具有备选的构造。作为示例，此类发动机可具有备选数目的互连轴(例如两个)和/或备选数目的压缩机和/或涡轮机。进一步，发动机可包括在从涡轮机到压缩机和/或风扇的传动系中提供的齿轮箱。
燃气涡轮发动机具有一个或多个永磁电机。例如，电机可作为由上述互连轴中的一个提供动力的发电机，或者作为为例如发动机的燃料系统或油系统的泵或调节发动机的可变叶片的促动器提供动力的电动机运行。
在图2A中的横截面中示意性地显示了永磁电机。机器具有支承成周向排的永磁体32(如在图2A中显示为六个)的内部转子30。转子30围绕轴线28旋转。机器还具有提供成周向排的定子齿36(如在图2A中显示为九个)的同轴外部定子34，在定子齿36周围绕有相应的线圈绕组(在图2A中未显示)。齿为由磁体产生的磁通提供路径，由此当转子相对于定子旋转时电磁地联结磁体和线圈。
各定子齿36由许多不同的构件形成，即固定的且在其上安装相应的线圈绕组的芯体部分36a和在芯体部分的径向内侧的末梢部分36b。还可有另一固定部分36c，如在图2中显示的那样，其在末梢部分的径向内侧。齿的末梢部分可在图2A中显示的第一位置(其中末梢部分与它们相应的芯体部分在角度上对齐)和图2B中显示的第二位置(其中末梢部分旋转成不在角度上对齐，典型地旋转半个齿距到在相邻的芯体部分之间的中间点)之间旋转。
末梢部分36b和另一固定部分36c可采取不同的形状和形式。但是，典型地，末梢部分在横截面上在形状上为曲边梯形，使得它们在角度范围上向转子伸展开。另一固定部分在形状上可为曲边矩形，例如，具有与末梢部分的最大角度伸展相同的角度范围。
在图2A中显示的第一位置，各齿36的部分36a-c成对齐的堆叠，末梢部分36b夹在芯体部分36a和另一固定部分36c之间且与芯体部分36a和另一固定部分36c物理接触。虽然另一固定部分和末梢部分具有比芯体部分更宽的角度范围，但是邻近齿之间的间距由相邻固定部分之间的间隙和相邻末梢部分之间的间隙保持。
在图2B中显示的第二位置，末梢部分36b的旋转导致它们滑动地脱离芯体部分36a，使得另外的间隙在末梢部分和芯体部分之间打开。而且，末梢部分的角度范围可使得在第二位置它们桥接相邻固定部分36c之间的间隙。这在转子30周围形成了环形优先磁通路径。
图3A显示了当末梢部分36b在第一位置时图2A和图2B的9槽6极电机的磁场分布的有限元分析预测，且图3B显示了当末梢部分36b在第二位置时电机的磁场分布的有限元分析预测。在分析中建立了160 mm转子孔的模型。在第一位置，齿36的部分36a-c的对齐增强了在磁体32和线圈绕组之间的磁通联结。相反，在第二位置，末梢部分36b旋转成不对齐，且特别地末梢部分和芯体部分36a之间间隙的打开，结合环形优先磁通路径在转子30周围的产生，通过使大多数磁通移位(“短路”)到环形优先路径中，显著地减少了与线圈绕组的磁通联结(到正常水平的约10%)。通过移除在线圈绕组中的显著比例的感应电动势，这迅速减小了在定子中流动的任何电流。末梢部分36b和固定部分36c合适地定形和定尺寸以传送移位的磁通而没有过度的磁饱和。
图2和图3的9槽6极电机的每极具有1.5个槽，其提供了高齿宽-磁极宽比，且因此大比例磁通可通过单个末梢部分36b移位至环形优先路径。
为了提高电机对系统故障的鲁棒性，末梢部分36b可偏压(例如，通过弹簧机构)至第二位置。因此，主动地促动末梢部分以克服偏压作用而使它们旋转到第一位置，以进行正常运行。在检测到故障的情况下，则可移除对促动机构的激励，且末梢部分在偏压作用下返回至安全的第二位置。有利地，该类型的布置可迅速且自动减小在定子中流动的任何电流，因此，在促动机构或它的电气和控制系统中发生故障的情况下，提供了失效安全运行模式。此外，不需要与旋转转子30在机械方面的相互作用。
促动机构可为，例如由小型电动机驱动的高齿圈，或直接限制行程旋转促动器。为了减轻在促动机构上的负担，可减小在第一位置和第二位置之间的旋转角度。这促成定子带有更多的齿。例如，定子可具有36、48或72个槽，甚至是对于低至2、4或6的极数。72槽定子将需要仅2.5°的旋转。
除了以上指出的优点，电机需要很少或不需要在总体外壳体积或机器质量上的增加(除了对于促动机构)。
图4显示了一个末梢部分36b和它的芯体部分36a和固定部分36c的放大图，其中末梢部分在第二位置。末梢部分和芯体部分可具有配合面38，其相对于周向方向成角度，且因此当末梢部分在旋转到第一位置之后与芯体部分滑动地接合时阻止末梢部分的旋转超过第一位置。此外，配合面有助于在机器中的转矩传递(虽然仅沿一个方向)。
图5A和图5B显示了电机的更简单的实施例，其中各齿仅包括芯体部分36a和末梢部分36b。图5为成阵列的定子齿的一部分的示意性表示；应理解，齿将布置为如在图2中示出的那样在轴线和转子32周围的周向阵列。在图5A中，末梢部分36b在第一位置与它们相应的芯体部分36a径向对齐。在图5B中，末梢部分36b在第二位置旋转成不对齐。
在图6中，存在径向定位在末梢部分36b和芯体部分36a之间的另一固定部分36c。在一些实施方式中，固定部分36c可与芯体部分36a成一体；即芯体部分36a包括邻近末梢部分36b的具有更宽的周向范围的区段。在图6中，末梢部分36b在第二位置旋转成不与固定部分36c和芯体部分36a径向对齐。
虽然以上在适应故障情况的两位置运行模式的背景下描述，但是可旋转的末梢部分36b可用作在连续或阶梯模式(即，通过旋转末梢部分至第一位置和第二位置之间的位置)中的场削弱机构，以减少与线圈绕组的磁通联结。这可以有助于降低在高速下的损耗且适应过电压情况。它还可用于降低变流器的额定功率。
虽然结合以上描述的示例性实施例描述了本发明，但是当给出本公开时许多等效的修改和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，上述的本发明的示例性实施例被认为是说明性的而不是限制性的。对描述的实施例可做各种改变而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.一种永磁电机，具有：
轴线(28)；
转子(30)，其围绕所述轴线旋转且支承成周向排的永磁体(32)；
定子(34)，其与所述转子和所述轴线同轴，所述定子具有承载相应的线圈绕组的成周向排的定子齿(36)，所述齿为由所述磁体产生的磁通提供路径，由此当所述转子相对于所述定子旋转时电磁地联结所述磁体和所述线圈；
其中，所述齿具有所述线圈绕组安装于其上的相应的芯体部分(36a)和定位在所述芯体部分和所述转子之间的相应的末梢部分(36b)，所述成周向排的末梢部分在第一位置和第二位置之间围绕所述轴线可控制地旋转，在所述第一位置，各齿的所述末梢部分和所述芯体部分在角度上对齐，以增强所述磁体和所述线圈之间的磁通联结，在所述第二位置，各齿的所述末梢部分旋转成不与它的芯体部分在角度上对齐，以减少所述磁体和所述线圈之间的磁通联结。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述末梢部分被偏压到所述第二位置。
3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，所述末梢部分被弹簧偏压到所述第二位置。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，其特征在于，所述末梢部分在旋转至所述第一位置之后与所述芯体部分滑动地接合。
5.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，所述末梢部分和所述芯体部分具有相应的配合面(38)，当所述末梢部分在旋转至所述第一位置之后与所述芯体部分滑动地接合时，所述配合面阻止所述末梢部分旋转超过所述第一位置。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，其特征在于，在所述第二位置，第一间隙打开以使所述末梢部分与所述芯体部分隔开。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，其特征在于，在所述第二位置，各末梢部分在角度上定位在相邻的芯体部分之间的中间。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，其特征在于，各末梢部分具有线圈侧面和径向隔开的转子侧面，所述末梢部分在角度范围上扩张成使得从所述线圈侧面到所述转子侧面有径向距离。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，其特征在于，进一步具有促动器以使所述末梢部分在所述第一位置和所述第二位置之间可控制地旋转，所述促动器构造成当所述促动器停用时提供允许所述末梢部分在偏压的作用下旋转至所述第二位置的失效安全模式。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的电机，其特征在于，所述齿各具有相应的固定部分(36c)，所述固定部分相对于所述芯体部分固定，且当所述末梢部分在所述第一位置和所述第二位置之间旋转时，所述末梢部分可滑动地移动越过所述固定部分；
其中，在相邻的固定部分之间提供第二间隙，以当所述末梢部分在所述第一位置时使所述齿彼此沿周向隔开；
其中，当所述末梢部分移动至所述第二位置时，所述末梢部分桥接所述第二间隙以形成在所述转子周围的环形优先磁通路径。
11.根据权利要求10所述的电机，其特征在于，所述固定部分(36c)定位在所述末梢部分和所述芯体部分之间。
12.根据权利要求10所述的电机，其特征在于，所述固定部分(36c)定位在所述末梢部分和所述转子之间。
13.根据权利要求10-12中的任一项所述的电机，其特征在于，在通过所述机器的横截面上，所述固定部分在形状上基本为矩形。
14.一种燃气涡轮发动机(10)，具有根据前述权利要求中的任一项所述的电机。
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