CN110168213B - 用于驱动航空推进装置的高速电机 - Google Patents

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Abstract

提供一种电机，其包括转子盘，所述转子盘沿径向方向延伸，并且具有转子凸缘，该转子凸缘附接到转子盘或与转子盘一体形成并且基本上沿轴向方向延伸。多个转子磁体安装在转子盘上并由转子凸缘支撑，使得转子凸缘吸收施加在磁体上的离心载荷并实现高速操作。

Description

用于驱动航空推进装置的高速电机
技术领域
本主题大体涉及一种电机，更具体地，涉及一种高速电机。
背景技术
为了有用的目的，电机，例如电动机和发电机，用于各种工业中以将电能转换成机械能，反之亦然。例如，电机用于汽车，航空，海事和其他工业中以操作飞行器，直升机，汽车，船，潜艇，火车和/或任何其他合适的运载工具。
为了减少燃料消耗并提高推进效率，通常希望使用具有大功率密度(这里称为电机的比功率或功率重量比)的电机。具有高比功率的电机可以更小并且更轻，同时产生与更重的电机相等或更大的功率。
已知增加电机的转速会增加功率重量比。然而，随着旋转速度增加，电机的各种旋转部件上的应力也增加。结果，用于保持电机的旋转部件的保持结构必须更大和更重，因此增加了成本，尺寸和重量。例如，某些电机使用盘保持结构，其允许比传统机器更高的尖端速度和功率密度。然而，由于转子盘在高速操作期间经受大的离心力，转子部件施加在转子盘上的应力可能限制电机达到更高速度的能力。
因此，期望一种具有用于提高比功率和效率的特征的电机。更具体地，具有用于实现电机的高速操作以改善性能和比功率的特征的电机将是特别有益的。
发明内容
本发明的方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实践本发明来学习。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了限定轴向方向，径向方向和周向方向的电机。电机包括可绕轴向方向旋转的转子盘和转子凸缘，转子凸缘附接到转子盘或与转子盘一体形成，并且基本上沿着轴向方向从转子盘延伸。多个转子磁体安装到转子盘并靠着转子凸缘定位，定子组件可与转子磁体一起操作以产生转矩。
在本公开的另一示例性实施例中，提供了一种电机，其被构造为驱动安装到飞行器地机身的后端的边界层摄取风扇。电机包括驱动轴，该驱动轴机械地联接到边界层摄取风扇并限定轴向方向和径向方向。转子盘安装到驱动轴并可绕轴向方向旋转，转子盘基本上沿径向方向从驱动轴延伸到转子尖端。转子凸缘附接到转子盘或与转子盘一体形成，并且基本上沿着轴向方向从转子盘延伸。多个转子磁体安装到转子盘并靠着转子凸缘定位，定子组件可与转子磁体一起操作以产生扭矩。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征，方面和优点。包含在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其参考附图，其中：
图1是根据本公开的各种示例性实施例的飞行器的俯视图。
图2是图1的示例性飞行器的左舷侧视图。
图3是安装到图1的示例性飞行器的燃气涡轮发动机的示意性横截面视图。
图4是根据本公开的示例性实施例的后发动机的示意性横截面视图。
图5是根据本公开的示例性实施例的用于图4的示例性后发动机的电机的立体横截面视图。
图6是根据本公开的示例性实施例的图5的示例性电机的转子组件和定子组件的横截面视图。
图7是根据本公开的示例性实施例的用于图4的示例性后发动机的另一电机的立体横截面视图。
图8是根据本公开的示例性实施例的图7的示例性电机的转子组件和定子组件的横截面视图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和说明书中的相同或类似的标记已用于指代本发明的相同或相似的部分。
如本文所使用的，术语“第一”，“第二”和“第三”可以互换使用以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。术语“前”和“后”是指基于实际或预期的行进方向的部件的相对位置。例如，“前”可以指基于飞行器的预期的行进方向的飞行器的前部，并且“后”可以指基于飞行器的预期的行进方向的飞行器的后部。术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。
现在参考附图，其中相同的附图标记在所有附图中表示相同的元件，图1提供了示例性飞行器10的俯视图，其可以结合本发明的各种实施例。图2提供了如图1所示的飞行器10的左舷侧视图。如图1和图2共同所示，飞行器10限定了延伸通过其的纵向中心线14、竖直方向V、横向方向L、前端16和后端18。此外，飞行器10限定了在飞行器10的前端16和后端18之间延伸的平均线15。如本文所用，“平均线”是指沿着飞行器10的长度延伸的中点线，未考虑飞行器10的附件(例如下面讨论的机翼20和稳定器)。
此外，飞行器10包括机身12和一对机翼20，机身12从飞行器10的前端16朝向飞行器10的后端18纵向延伸。如本文所用，术语“机身”通常包括飞行器10的本体的全部，例如飞行器10的尾翼。这样的机翼20中的第一个相对于纵向中心线14从机身12的左舷侧22横向向外延伸，并且这样的机翼20中的第二个相对于纵向中心线14从机身12的右舷侧24横向向外延伸。用于所示示例性实施例的每个机翼20包括一个或多个前缘襟翼26和一个或多个后缘襟翼28。飞行器10还包括竖直稳定器30和一对水平稳定器34，竖直稳定器30具有用于偏航控制的舵翼32，每个水平稳定器34具有用于俯仰控制的升降襟翼36。机身12还包括外表面或表皮38。然而，应当理解，在本公开的其他示例性实施例中，飞行器10可以附加地或替代地包括任何其他合适的稳定器构造，其可以或可以不沿着竖直方向V或水平/横向方向L直接延伸。
图1和2的示例性飞行器10包括推进系统100，在此称为“系统100”。示例性系统100包括一个或多个飞行器发动机和一个或多个电动推进发动机。例如，所描绘的实施例包括多个飞行器发动机和电动推进发动机，每个飞行器发动机构造成安装到飞行器10，例如安装到一对机翼20中的一个。更具体地，对于所描绘的实施例，飞行器发动机被构造为燃气涡轮发动机，或者更确切地说，涡轮风扇喷气发动机102,104，其以翼下构造附接到机翼20并悬挂在机翼20下方。另外，电动推进发动机构造成安装在飞行器10的后端，因此所描绘的电动推进发动机可以称为“后发动机”。此外，所描绘的电动推进发动机构造成摄取和消耗形成飞行器10的机身12上的边界层的空气。因此，所描绘的示例性后发动机可被称为边界层摄取(BLI)风扇106。BLI风扇106在机翼20和/或喷气发动机102,104后方的位置处安装到飞行器10。具体地，对于所描绘的实施例，BLI风扇106在后端18处固定地连接到机身12，使得BLI风扇106结合到后端18处的尾部或与其混合，并且使得平均线15延伸穿过其。然而，应当理解，在其他实施例中，电动推进发动机可以以任何其他合适的方式构造，并且可以不必构造为后风扇或BLI风扇。
仍参照图1和图2的实施例，在某些实施例中，推进系统还包括可与喷气发动机102,104一起操作的一个或多个发电机108。例如，喷气发动机102,104中的一个或两个可构造成从旋转轴(例如LP轴或HP轴)向发电机108提供机械动力。尽管在相应的喷气发动机102,104外部示意性地示出，但在某些实施例中，发电机108可定位在相应的喷气发动机102,104内。另外，发电机108可构造成将机械动力转换成电力。对于所描绘的实施例，推进系统100包括用于每个喷气发动机102,104的发电机108，并且还包括电力调节器109和能量存储装置110。发电机108可以向电力调节器109发送电力，电力调节器109可以将电能转换为适当的形式，并且将能量存储在能量存储装置110中或者将电能发送到BLI风扇106。对于所描绘的实施例，发电机108，电力调节器109，能量存储装置110和BLI风扇106都连接到电通信总线111，使得发电机108可以与BLI风扇106和/或能量存储装置110电连通，并且使得发电机108可以向能量存储装置110或BLI风扇106中的一个或两个提供电力。因此，在这样的实施例中，推进系统100可以被称为气电推进系统。
然而，应当理解，图1和图2中描绘的飞行器10和推进系统100仅作为示例提供，并且在本公开的其他示例性实施例中，可以提供具有以任何其他合适方式构造的推进系统100的任何其他合适的飞行器10。例如，应当理解，在各种其他实施例中，BLI风扇106可替代地定位在靠近飞行器10的后端18的任何合适位置处。此外，在其他实施例中，电动推进发动机可以不定位在飞行器10的后端，因此可以不构造为“后发动机”。例如，在其他实施例中，电动推进发动机可以结合到飞行器10的机身中，并因此构造为“吊舱式发动机”或吊舱安装发动机。此外，在其他实施例中，电动推进发动机可以结合到飞行器10的机翼中，因此可以构造为“混合机翼发动机”。此外，在其他实施例中，电动推进发动机可以不是边界层摄取风扇，而是可以作为自由流喷射风扇安装在飞行器10上的任何合适位置。此外，在其他实施例中，推进系统100可以不包括例如电力调节器109和/或能量存储装置110，而是发电机108可以直接连接到BLI风扇106。
现在参考图3，提供了根据本公开的示例性实施例的推进发动机的示意性横截面视图。在某些示例性实施例中，推进发动机可构造为高旁通涡轮风扇喷气发动机200，在此称为“涡轮风扇200”。值得注意的是，在至少某些实施例中，喷气发动机102,104还可以构造为高旁通涡轮风扇喷气发动机。在各种实施例中，涡轮风扇200可代表喷气发动机102,104。然而，替代地，在其他实施例中，涡轮风扇200可以结合到任何其他合适的飞行器10或推进系统100中。
如图3所示，涡轮风扇200限定轴向方向A1(平行于提供用于参考的纵向中心线201延伸)和径向方向R1。通常，涡轮风扇200包括风扇区段202和设置在风扇区段202下游的核心涡轮发动机204。
所示的示例性核心涡轮发动机204通常包括基本上管状的外壳206，其限定环形入口208。外壳206以串行流动关系包围：压缩机区段，该压缩机区段包括增压器或低压(LP)压缩机210和高压(HP)压缩机212；燃烧区段214；涡轮区段，该涡轮区段包括高压(HP)涡轮216和低压(LP)涡轮218；喷射排气喷嘴区段220。高压(HP)轴或线轴222将HP涡轮216驱动地连接到HP压缩机212。低压(LP)轴或线轴224将LP涡轮218驱动地连接到LP压缩机210。
对于所描绘的实施例，风扇区段202包括可变节距风扇226，其具有以间隔开的方式联接到盘230的多个风扇叶片228。如图所示，风扇叶片228大致沿径向方向R1从盘230向外延伸。借助于风扇叶片228可操作地联接到合适的致动构件232，每个风扇叶片228可相对于盘230绕俯仰轴线P旋转，该致动构件232被构造成一致地共同改变风扇叶片228的节距。风扇叶片228，盘230和致动构件232一起可通过横跨动力齿轮箱234的LP轴224一起绕纵向轴线12旋转。动力齿轮箱234包括多个齿轮，用于将LP轴224的旋转速度降低到更高效的旋转风扇速度。
仍参照图3的示例性实施例，盘230由可旋转的前轮毂236覆盖，该前轮毂236在空气动力学上成形为促进通过多个风扇叶片228的气流。另外，示例性风扇区段202包括环形风扇壳体或外机舱238，其周向地围绕风扇226和/或核心涡轮发动机204的至少一部分。应该理解的是，机舱238可以构造成通过多个周向间隔开的出口导向轮叶240相对于核心涡轮发动机204支撑。此外，机舱238的下游区段242可以在核心涡轮发动机204的外部分上延伸，以便在它们之间限定旁路气流通道244。
另外，所示的示例性涡轮风扇200包括可与风扇226一起旋转的电机246。具体地，对于所描绘的实施例，电机246被构造为同轴安装到LP轴224并且可通过LP轴224旋转的发电机(LP轴224还使风扇226旋转，对于所示实施例，通过动力齿轮箱234)。电机246包括转子248和定子250。在某些示例性实施例中，电机246的转子248和定子250以与下面参照图4描述的电动机336或下面参考图5至8描述的电机350的示例性转子和定子基本相同的方式构造。另外，如将理解的，转子248可以附接到LP轴224，并且定子250可以在核心涡轮发动机204内保持静止。在操作期间，电机可以限定电机尖端速度(即，在电机246的气隙半径处的转子248的线速度，如下所述)。值得注意的是，当涡轮风扇发动机200结合到上面参照图1和图2描述的推进系统100中时，发电机108可以以与图3的电机246基本相同的方式构造。
然而，还应当理解，图3中描绘的示例性涡轮风扇发动机200仅是示例性的，并且在其他示例性实施例中，涡轮风扇发动机200可以具有任何其他合适的构造。例如，尽管转子248被示出为附接到LP轴224，但是应当理解，转子248可替代地附接到HP轴222或任何其它合适的轴。此外，应当理解，在其他示例性实施例中，喷气发动机102,104可以替代地构造为任何其他合适的航空发动机，例如涡轮螺旋桨发动机，涡轮喷气发动机，内燃机等。
现在参考图4，提供了根据本公开的各种实施例的电动推进发动机的示意性横截面侧视图。所描绘的电动推进发动机在飞行器10的后端18处安装到飞行器10，并且构造成摄取边界层空气。因此，对于所描绘的实施例，电动推进发动机被构造为边界层摄取(BLI)后风扇(在下文中称为“BLI风扇300”)。BLI风扇300可以以与上面参照图1和图2描述的BLI风扇106基本相同的方式构造，并且飞行器10可以以与上面参考图1和2描述的示例性飞行器10基本相同的方式构造。
如图4所示，BLI风扇300限定了沿着纵向中心线轴线302(或中心轴线)延伸的轴向方向A2，以及径向方向R2和周向方向C2(绕轴向方向A2延伸的方向，未示出)，纵向中心线轴线302延伸通过其中以供参考。另外，飞行器10限定了延伸穿过其中的平均线15。
通常，BLI风扇300包括可绕中心线轴线302旋转的风扇304和结构支撑系统308。结构支撑系统308被构造用于将BLI风扇300安装到飞行器10，并且对于所描绘的实施例，通常包括内框架支撑件310，多个前支撑构件312，外机舱314，多个后支撑构件316和尾锥318。如图所示，内框架支撑件310附接到机身12的隔板320。多个前支撑构件312附接到内框架支撑件310并且大致沿径向方向R2向外延伸到机舱314。机舱314与BLI风扇300的内壳324限定气流通道322，并且至少部分地围绕风扇304。此外，对于所描绘的实施例，机舱314围绕飞行器10的平均线15延伸大致三百六十度(360°)。多个后支撑构件316也大致沿径向方向R2从机舱314延伸并且在结构上将机舱314连接到尾锥318。
在某些实施例中，前支撑构件312和后支撑构件316可各自沿着BLI风扇300的周向方向C2大致间隔开。另外，在某些实施例中，前支撑构件312通常可以构造为入口导向轮叶，并且后支撑构件316通常可以构造为出口导向轮叶。如果以这种方式构造，前和后支撑构件312,316可以引导和/或调节通过BLI风扇300的气流通道322的气流。值得注意的是，前支撑构件312或后支撑构件316中的一个或两个可另外构造为可变导向轮叶。例如，支撑构件可包括位于支撑构件的后端处的襟翼(未示出)，用于引导空气流穿过支撑构件。
然而，应当理解，在其他示例性实施例中，结构支撑系统308可以替代地包括任何其他合适的构造，并且例如可以不包括上面描绘和描述的每个部件。或者，结构支撑系统308可包括上面未描绘或描述的任何其他合适的部件。
BLI风扇300另外在机舱314和尾锥318之间限定喷嘴326。喷嘴326可以构造成从流过其中的空气产生一定量的推力，并且尾锥318可以成形为使BLI风扇300上的阻力量最小化。然而，在其他实施例中，尾锥318可以具有任何其他形状，并且可以例如在机舱314的后端的前方终止，使得尾锥318在后端被机舱314包围。另外，在其他实施例中，BLI风扇300可以不构造为产生任何可测量的推力量，而是可以构造成从飞行器10的机身12的空气的边界层摄取空气，并且增加能量/加速这种空气以减小飞行器10上的整体阻力(并因此增加了飞行器10的净推力)。
仍然参考图4，风扇304包括多个风扇叶片328和风扇轴330。多个风扇叶片328附接到风扇轴330并且大致沿着BLI风扇300的周向方向C2间隔开。如图所示，对于所描绘的实施例，多个风扇叶片328至少部分地被机舱314包围。
此外，对于所描绘的实施例，风扇304可通过电机绕BLI风扇300的中心线轴线302旋转。更具体地，对于所描绘的实施例，电机构造为电动机336，并且BLI风扇300另外包括机械联接到电动机336的动力齿轮箱338。另外，风扇304机械地联接到动力齿轮箱338。例如，对于所示的实施例，风扇轴330延伸到动力齿轮箱338并且联接到动力齿轮箱338，并且电动机336的驱动轴340延伸到动力齿轮箱33并且也联接到动力齿轮箱338。因此，对于所示的实施例，风扇304可通过动力齿轮箱338通过电动机336绕BLI风扇300的中心线轴线302旋转。
动力齿轮箱338可包括任何类型的齿轮系统，用于改变驱动轴340和风扇轴330之间的转速。例如，动力齿轮箱338可以构造为星形齿轮系，行星齿轮系或任何其他合适的齿轮系构造。另外，动力齿轮箱338可以限定齿轮比，如本文所使用的，齿轮比是指驱动轴340的旋转速度与风扇轴330的旋转速度的比率。在某些示例性实施例中，动力齿轮箱338的齿轮比可大于约1：1且小于约1：5。例如，在某些实施例中，动力齿轮箱338的齿轮比可以在大约1：1.5和大约1：3.5之间，例如在大约1：1.2和大约1：2.75之间。应当理解，如本文所使用的，近似项，例如“约”或“近似”，是指在10％的误差范围内。
仍然参考图4的示例性实施例，电动马达336至少部分地位于飞行器10的机身12内。更具体地，风扇304沿着BLI风扇300的中心轴线302定位在动力齿轮箱338的前方，并且电动马达336沿着BLI风扇300的中心轴线302定位在风扇304的前方。然而，根据替代实施例，动力齿轮箱338可定位在飞行器10内的前方位置或任何其他合适位置。
此外，在某些示例性实施例中，BLI风扇300可构造有气电推进系统，例如上面参照图1和图2描述的气电推进系统100。在这样的实施例中，电动机336可以从能量存储装置或发电机(例如图1和2的能量存储装置110或发电机108)中的一个或两个接收电力。
现在参考图5至图8，将描述根据本主题的两个示例性实施例的电机350。更具体地，图5和图6将提供处于轴向通量构造的电机350的横截面视图，并且图7和图8将提供处于径向通量构造的电机350的横截面视图，下面将描述其中的每一个。值得注意的是，相同或相似的编号可以指代图5至图8中的相同或相似的部分。虽然下面描述为被构造用于驱动飞行器的边界层摄取风扇，但是应当理解，在其他示例性实施例中，电机350可以用作用于任何合适应用的电动机或发电机或用于任何其他合适的装置。例如，电机350可以在陆基运载工具(例如汽车)，在用于飞行器、用于航海运载工具等的翼下安装推进装置中用作主要或次级动力装置。
如图所示，电机350包括转子组件352和定子组件354，下面将详细描述转子组件352和定子组件354中的每一个。电机350限定轴向方向A3，径向方向R3和周向方向C3(围绕轴向方向A3延伸的方向)。根据一个实施例，电机350可以被构造为用于驱动BLI风扇300(参见图4)的电动机336。根据另一示例性实施例，电机350可被构造为电机246，例如，用作机械联接到风扇226(参见图3)的发电机。
如图5和7中所示，电机350包括限定电机350的纵向轴线362的驱动轴358。根据一个示例性实施例，当电机350安装在BLI风扇300中时，纵向轴线362可以与BLI风扇300的中心线轴线302对准。转子组件352可以可选地包括驱动轴358的轴向端部上的多个轴承(未示出)。值得注意的是，图5中描绘的转子组件352的部分可以简单地是转子组件352的一个模块。在其他实施例中，可以包括多个模块以为电机350提供期望的功率输出，其中包括的转子模块越多，功率输出越高。
现在特别参照图5和图6，转子组件352包括转子盘364，转子盘364安装到驱动轴358并且基本上沿径向方向R3从驱动轴358延伸。在这方面，转子盘364可绕轴向方向A3旋转。在实施例中，驱动轴358和转子盘364可以被键合以便协作接合。在实施例中，驱动轴358可包括一个或多个特征，例如突起(未示出)，其与转子盘364中的一个或多个特征(例如凹部(未示出))配合接合，或反之亦然。在实施例中，驱动轴358可以包括附加特征，该附加特征构造成为转子组件352内的冷却流体(未示出)提供通道。在非限制性示例中，冷却流体可以是气流或冷却剂，用于减小转子组件352中的机械应力和涡流损耗。
根据所示的示例性实施例，转子凸缘366附接到转子盘364或与转子盘364一体地形成，并且基本上沿着轴向方向A3从转子盘364延伸。根据所示实施例，转子盘限定第一侧368和相对的第二侧370。转子凸缘366沿轴向方向A3从第一侧368和第二侧370延伸。另外，根据所示实施例，转子凸缘366从转子尖端372延伸，转子尖端372限定在转子盘364的沿径向方向R3的最外侧位置。然而，应该理解，其他构造也是可能的。例如，转子凸缘366可以仅从转子盘364的单侧延伸，可以从转子盘364的不同径向位置延伸，和/或可以相对于轴向方向A3以一定角度延伸。
转子凸缘366可以是适合于支撑电机350的高速操作的任何尺寸，例如，通过吸收诸如径向应力和环向应力的马达部件的离心力。例如，根据示例性实施例，转子凸缘366可以限定沿轴向方向A3测量的长度L。转子盘364还可以限定沿径向方向R3测量的直径D。在某些示例性实施例中，电机350可以限定小于约1.0的长度直径(L/D)纵横比。例如，在某些实施例中，该纵横比可小于约0.5，例如小于约0.25或更小。应当理解，如本文所使用的，近似项，例如“约”或“近似”，是指在10％的范围内。
另外，转子盘364和转子凸缘366可由任何合适的刚性材料构成。更具体地，转子盘364和转子凸缘366可以由足以承受在电机350的高速操作(例如，1000英尺/秒或更高的尖端速度)期间产生的大离心力的材料构成。例如，根据一个示例性实施例，转子盘364和转子凸缘366由钛或另一种合适的刚性和轻质钢合金的单个部件整体地形成。另外，转子盘364可以由非磁性材料或可透磁材料构成。根据替代实施例，转子凸缘366可以使用任何合适的附接方法安装到转子盘364，例如焊接，胶合，机械紧固件等。
仍然参考图5和图6，根据示出的示例性实施例，转子组件352包括多个转子磁体380。类似地，定子组件354包括多个定子导体382。转子磁体380构造成产生转子磁场，定子导体382构造成产生定子磁场。转子磁场和定子磁场相互作用以产生使转子盘364和驱动轴358旋转的扭矩。尽管转子磁体380和定子导体382在本文中通常称为“磁体”，但应当理解，这些磁体可以是任何合适的磁性材料，并且可以是永磁体，电磁体等。例如，根据所示实施例，转子磁体380是永磁体，定子导体382是具有导电绕组的铁磁材料，但是替代实施例可以使用转子磁体380和定子导体382的任何合适组合以在转子盘364和驱动轴358上产生扭矩。另外，虽然定子组件354示出为具有集中绕组，但是应当理解，定子组件354可替代地具有分布式绕组或任何其他合适的定子绕组构造。此外，转子磁体380和定子导体382可包括任何合适的涂层或覆盖物，例如金属或非金属磁屏蔽材料或保持结构。
在实施例中，转子磁体380是永磁体并且可以限定磁化方向(即，南北极取向)。对于图5和6的实施例，例如，当作为“轴向通量”机器操作时，南北极取向沿轴向方向A3延伸。例如，在图5和图6所示的示例性实施例中，转子磁体380构造成具有磁化或磁极方向，该磁化或磁极方向在电机350内基本上轴向地定向。结果，定子组件354沿轴向方向A3定位成邻近转子凸缘366和转子磁体380。在这方面，转子磁体380产生磁场，以越过气隙384轴向地定向在转子组件352和定子组件354之间。
根据一些示例性实施例，转子组件352还可包括转子背铁386(图6和7)，例如，用于提供磁通量的返回路径。类似地，根据一些示例性实施例，定子组件354还可包括定子背铁387(图5和图6)，例如，用于提供磁通量的返回路径。因此，根据一个实施例，磁通量沿轴向方向A3从转子磁体380流向定子导体382。定子背铁387然后转动磁通量，使得磁通量沿周向方向C3通过定子背铁387流向周向上邻近的定子导体382。磁通量从邻近的定子导体382沿轴向方向A3返回到转子磁体380。转子背铁386以类似于定子背铁387的方式转动磁通量，并且磁通量路径延续。以这种方式，由转子磁体380产生的磁场进一步与由其电枢电流产生的定子磁场相互作用以产生扭矩。
值得注意的是，通过如上所述构造转子磁体380和定子导体382，并且通过包括转子背铁386和定子背铁387，上述轴向通量电机350的转子盘364和驱动轴358不需要由可透磁材料构造。尽管电机350在本文中示出为定子-转子-定子(S-R-S)构造，但是应当理解，也可以使用其他轴向通量构造。在这方面，多个转子组件352和定子组件354可堆叠在一起以增加电机350的功率输出。在这种堆叠构造中，应该理解的是，可以调节背铁386,387的位置以控制磁通量的流动。例如，在S-R-S-R-S构造中，仅第一和最后一个定子组件354将包括用于转动磁通量的定子背铁387。因此，磁通量将沿轴向方向A3从第一导体382通过转子组件352和定子组件354中的每一个流到最后的定子组件354，在那里它被转向并沿轴向方向A3朝向第一定子组件354返回。
然而，应该理解的是，根据替代实施例，电机350可以被构造为“径向通量”机器。在径向通量机器中，例如图7和8的示例性实施例中所示，转子磁体380可以构造成产生磁场，该磁场基本上沿着径向方向R3在转子组件352和定子组件354之间延伸穿过气隙384。
大体参照图5至图8，转子磁体380可以以任何合适的方式并且在任何合适的位置安装到转子盘组件352。例如，转子磁体380可以安装到转子盘364或直接安装到转子凸缘366。然而，在任一种情况下，转子凸缘366可在操作期间支撑转子磁体380。根据所示实施例，转子磁体380安装到转子凸缘366的径向内表面。以这种方式，转子凸缘66设计成在高操作速度下吸收施加在转子磁体380上的离心载荷。这样，转子组件352和因此电机350被设计成承受高速和离心载荷。根据示例性实施例，转子磁体380可以安装到转子凸缘366，使得沿轴向方向A3在转子磁体380和转子盘364之间限定间隙388(参见例如图7和8)。值得注意的是，间隙388可以在操作期间减小转子组件352内的应力集中，特别是在转子凸缘366从转子盘364延伸的区域中。另外，间隙388允许定子偏移，例如，以允许用于导电绕组等的空间。
定子组件354通常包括定子导体382，根据所示实施例，定子导体382包括磁芯390，磁芯390定位成与转子磁体380磁通连通。更具体地，磁芯390可在轴向通量机器中轴向地邻近转子磁体380放置(图5和6)，并且可在径向通量机器中径向地邻近转子磁体380放置(图7和8)。磁芯390可以是可透磁材料，例如金属，并且可以包括多个定子槽(未示出)，用于接收导电电枢绕组392。然而，值得注意的是，在图5至图8中为了清楚起见，绕组392被示出为结合到磁芯390中。电枢绕组392可以包括各种拓扑和形式的铜绕组。这样，定子导体382可以构造为电磁体。在实施例中，定子导体382被构造为最佳地向转子磁体380传送磁通量和从转子磁体380传送磁通量。另外，磁芯390可以定向地层叠以减少磁芯390中的涡流加热，从而提高电动机效率。
根据替代实施例，磁芯390可以是连续磁性材料的实心环形块。在这样的实施例中，不需要定子槽，并且导电电枢绕组392可以使用任何合适的方法(例如胶合)直接安装到磁芯390的表面。然后可以层叠磁芯390和电枢绕组392以减少磁芯390中的涡流加热，从而提高电机350的效率。
转子组件352，定子组件354和本文所述的各种相关部件主要构造成使电机的功率密度和电性能最大化。例如，电机350包括能够以相对高的速度操作的转子组件352，尽管高的离心力和应力施加在转子组件352和电机350的其他部件上。这种构造允许增加功率密度和改善电性能。因此，根据本公开的一个或多个实施例的电机可以提供具有期望效率和功率密度的电机。此外，本公开在低体积，质量和成本方面提供了额外的优点。因此，这些技术和系统允许比现有设计更坚固的具有更高功率重量比的电机。更具体地，如本文所公开的所提供的电机350能够以更高的速度和载荷运行，从而有效地允许更小的机器处理更高的载荷。
转子组件352，定子组件354和本文所述的各种相关部件主要构造成使电机的功率密度和电性能最大化。例如，电机350包括能够以相对高的速度操作的转子组件352，尽管高的离心力和应力施加在转子组件352和电机350的其他部件上。例如，电机350可以由电机平均气隙速度(下面描述)确定的高速操作。例如，电机350在电机350的操作期间限定电机平均气隙速度。电机平均气隙速度是指在气隙384处转子盘364的速度的一般测量值(例如，转子盘364的表面速度或线速度)。可以理解，这种平均气隙速度可以通过将电机350的转子盘364的旋转速度乘以气隙384的平均径向中心线来计算。例如，在轴向通量机器上，平均径向中心线是定子导体382沿径向方向R3的平均半径。对于径向通量机器，平均径向中心线是沿径向方向R3的气隙384的径向中心。作为示例，电机350可以构造成在高于大约750英尺/秒(ft/s)的电机尖端速度下操作。更具体地，根据本公开的一个或多个示例性实施例的电机可在平日，最大速度条件(其中电机尖端速度高于约850英尺/秒(ft/s)，例如高于约900ft/s，例如高于约1,000ft/s)期间操作。
然而，应当理解，上面参考图5至图8描述的示例性电机350可替代地以任何其他合适的方式构造。例如，在其他示例性实施例中，电机350可以根据美国专利申请序列号14/317,294(为美国专利公开号2015/0380999提交时公布)中描述的一个或多个示例性实施例来构造，其全部内容通过引用并入本文用于所有目的。例如，虽然这里示出的电机350被构造为“外转子”电动机，但是应当理解，电机350也可以被构造为“内转子”电机，同时仍然在本主题的范围内。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域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结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种电机，所述电机限定轴向方向，径向方向和周向方向，其特征在于，所述电机包括：
转子盘，所述转子盘能够绕所述轴向方向旋转；
转子凸缘，所述转子凸缘附接到所述转子盘或与所述转子盘一体形成，并且基本上沿着所述轴向方向从所述转子盘延伸；
多个转子磁体，所述多个转子磁体安装到所述转子盘并由所述转子凸缘支撑，其中，所述多个转子磁体中的每一个的南北极取向沿着所述轴向方向延伸，其中，所述转子盘、所述转子凸缘和所述多个转子磁体被构造为转子组件的一部分，并且所述电机包括多个转子组件；和
多个定子组件，所述多个定子组件中的每一个定子组件间隔开并与相邻的定子组件断开连接，并且其中，所述转子组件和所述定子组件沿着所述轴向方向交替地堆叠在一起，使得所述定子组件沿着所述轴向方向与所述多个转子磁体间隔开以限定气隙，所述多个定子组件能够与所述转子磁体一起操作，以越过所述气隙产生轴向磁通量并产生扭矩。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，其中所述电机限定沿着所述轴向方向的长度和沿着所述径向方向的直径，并且其中所述电机的所述长度与所述直径的比率小于0.25。
3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，其中所述电机构造成以大于700英尺/秒的转子尖端速度操作。
4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，其中所述转子盘限定转子尖端，并且其中所述转子凸缘从所述转子盘延伸到所述转子尖端附近。
5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，其中所述转子盘限定第一侧和第二侧，所述转子凸缘沿着所述轴向方向从所述转子盘的所述第一侧和所述第二侧延伸，使得所述转子盘关于径向平面对称。
6.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，其中所述转子磁体直接安装到所述转子凸缘。
7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，其中在所述转子磁体和所述转子盘之间沿着所述轴向方向限定间隙。
8.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，其中所述转子盘和所述转子凸缘由钛的单个部件一体地形成。
9.一种构造用于驱动航空推进装置的电机，其特征在于，所述电机包括：
驱动轴，所述驱动轴机械地联接到所述航空推进装置并限定轴向方向和径向方向；
转子盘，所述转子盘安装到所述驱动轴并能够绕所述轴向方向旋转，所述转子盘基本上沿着所述径向方向从所述驱动轴延伸到转子尖端并且限定第一侧和第二侧；
转子凸缘，所述转子凸缘附接到所述转子盘或与所述转子盘一体形成，并且基本上沿所述轴向方向从所述转子盘的所述第一侧和所述第二侧两者延伸，使得所述转子盘关于径向平面对称；
多个转子磁体，所述多个转子磁体安装到所述转子盘并由所述转子凸缘支撑；和
定子组件，所述定子组件沿着所述轴向方向与所述多个转子磁体间隔开以限定气隙，所述定子组件能够与所述转子磁体一起操作，以越过所述气隙产生轴向磁通量并产生扭矩，
其中，所述转子盘，所述转子凸缘和所述多个转子磁体被构造为转子组件的一部分，其中，所述电机进一步包括多个转子组件和多个定子组件，所述多个定子组件中的每一个间隔开并与相邻的定子组件断开连接，所述转子组件和所述定子组件沿着所述轴向方向交替地堆叠在一起。
10.根据权利要求9所述的电机，其特征在于，其中所述多个转子磁体中的每一个的南北极取向沿着所述轴向方向延伸。
11.根据权利要求9所述的电机，其特征在于，其中所述电机限定沿着所述轴向方向的长度和沿着所述径向方向的直径，并且其中所述电机的所述长度与所述直径的比率小于0.25。
12.根据权利要求9所述的电机，其特征在于，其中所述转子磁体直接安装到所述转子凸缘，并且其中在所述转子磁体和所述转子盘之间沿着所述轴向方向限定间隙。
13.根据权利要求9所述的电机，其特征在于，其中所述转子盘和所述转子凸缘由钛的单个部件一体地形成。
14.一种电机，所述电机限定轴向方向，径向方向和周向方向，其特征在于，所述电机包括：
转子盘，所述转子盘能够绕所述轴向方向旋转；
转子凸缘，所述转子凸缘附接到所述转子盘或与所述转子盘一体形成，并且基本上沿着所述轴向方向从所述转子盘延伸；
多个转子磁体，所述多个转子磁体安装到所述转子盘并由所述转子凸缘支撑；和
定子组件，所述定子组件沿着所述轴向方向与所述多个转子磁体间隔开以限定气隙，所述定子组件能够与所述转子磁体一起操作以越过所述气隙产生轴向磁通量并产生扭矩，
其中，所述转子盘，所述转子凸缘和所述多个转子磁体被构造为转子组件的一部分，其中，所述电机进一步包括多个转子组件和多个定子组件，所述多个定子组件中的每一个间隔开并与相邻的定子组件断开连接，所述转子组件和所述定子组件沿着所述轴向方向交替地堆叠在一起。
15.根据权利要求14所述的电机，其特征在于，其中所述多个转子磁体中的每一个的南北极取向沿着所述轴向方向延伸。
16.根据权利要求14所述的电机，其特征在于，
其中，沿着所述轴向方向的最外面的定子组件包括定子背铁。
17.根据权利要求14所述的电机，其特征在于，其中所述转子盘和所述转子凸缘由非磁性材料一体形成。
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