CN111301692B - 马达冷却系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及马达冷却系统及方法。描述了一种马达推力组件，其可用于分布式电动推进系统中。马达推力组件可包括位于马达定子的前缘上的旋转楔形环，其中由此延伸一排轴向定子叶片。旋转楔形环为该排轴向定子叶片提供安装表面，同时还控制进入外部间隙的气流质量和进入内部间隙的气流质量的比率。安装到旋转楔形环的该排轴向定子叶片构造成在混合动力推进飞行器的飞行期间将冷却风扇转子后部的冷却气流中的切向动能(即，与气流的速度分量相关的)在与该排轴向定子叶片相互作用后转换成静压升。

Description

马达冷却系统及方法
技术领域
本公开涉及电动和混合动力电动推进系统领域；更具体地，涉及用于冷却电动马达的系统、方法和装置。
背景技术
长期以来一直需要一种能够从有限空间部署的垂直起降(“VTOL”)运载工具。实际上，运载工具在许多情形中受到喜爱，尤其是可以垂直地起飞和还原至预备姿势而不需要复杂的或重的地面支撑设备的无人机(“UAV”)。在跑道不可用或不可接近的情形中有组织地部署UAV的能力是尤其引人注目的。然而，直到最近，与并入飞行的悬停阶段相关的效率代价、与从垂直飞行(例如悬停)到水平飞行(例如向前飞行或巡航)的转变相关的复杂性以及降低或消除地面人员暴露于暴露的高速转子的必要性已成为尝试发展有效的VTOL UAV的阻碍。
随着新型混合动力平台和改进的混合动力推进系统合并到运载工具中，马达组件的冷却变得更复杂。例如，用于航空航天或船舶应用的高性能马达可使用各种冷却系统，诸如液体冷却、专用冷却风扇、定子和转子之间的可变空间以及其它设计。然而，之前的尝试都集中在陆地动力分布上(例如风力涡轮机)。这种马达和系统是沉重的、巨大的且无法解决与飞机相关的限制，诸如系统的质量、壳体和部件的体积以及结构完整性，其中被认为值得飞行的部件需要高度的结构可靠性。因此，对于马达而言存在一种使用更轻质且更有效的系统以在操作期间冷却飞行器推力组件的需要。
发明内容
本公开涉及电动推进系统和混合动力电动推进系统领域；更具体地，涉及一种用于冷却电动马达的系统、方法和装置。
根据第一方面，一种马达组件包括：定子组件；转子组件，该转子组件与定子组件操作地耦接；以及多个轴向定子叶片，该多个轴向定子叶片从定子组件的前缘延伸，其中多个轴向定子叶片构造成在操作期间将来自转子组件的气流的切向动能转换成静压升(static pressure rise)。
在某些方面，定子组件包括安装到定子壳体的前缘的定子环，该定子环包括多个轴向定子叶片。
在某些方面，定子组件进一步包括冷却流出口引导件，其中定子壳体定位在定子环和冷却流出口引导件之间。
在某些方面，多个轴向定子叶片中的每个围绕定子环布置并从定子环延伸且布置成环绕定子环的前缘的一部分。
在某些方面，定子环的前缘的横截面限定楔形、矩形、三角形或圆形形状中的一者。
在某些方面，定子组件与转子组件操作地耦接以限定内部间隙和外部间隙。
在某些方面，定子环构造成控制进入外部间隙的气流质量与进入内部间隙的气流质量的比率。
在某些方面，定子环的前缘是偏置的以控制进入外部间隙的气流质量和进入内部间隙的气流质量的比率。
在某些方面，转子组件包括转子盖和转子壳体，其中转子盖和转子壳体是同轴的。
在某些方面，转子盖包括布置成产生径向风扇的多个翅片。
在某些方面，多个轴向定子叶片中的至少一个限定基本半圆形形状。
在某些方面，多个翅片布置成将冷却空气引导到多个轴向定子叶片。
在某些方面，多个轴向定子叶片构造成使冷却空气消旋。
根据第二方面，一种形成电动马达的方法包括：设置定子环，该定子环具有多个轴向定子叶片，其中定子环构造成与电动马达的定子组件耦接；将定子环安装到定子组件，使得多个轴向定子叶片布置在定子组件的前缘上，其中多个轴向定子叶片构造成在操作期间将来自转子组件的气流的切向动能转换成静压升。
在某些方面，定子环包括金属材料。
在某些方面，定子环包括复合材料。
在某些方面，定子环的前缘的横截面限定楔形形状。
在某些方面，定子环的前缘的横截面限定矩形、三角形或圆形形状中的一者。
在某些方面，定子组件进一步包括冷却流出口引导件。
在某些方面，多个轴向定子叶片中的每个围绕定子环布置并从定子环延伸且布置成环绕定子环的前缘的一部分。
附图说明
参考以下说明书和附图将容易理解本公开的这些和其它优点，其中：
图1a示出混合动力推进飞行器的前视图。
图1b示出图1a的混合动力推进飞行器的前等距视图。
图1c示出省略了主体面板部分的混合动力推进飞行器的侧视图。
图2a和2b分别示出涵道风扇(ducted fan)的布置的前等距视图和后等距视图。
图3a和3b分别示出涵道风扇的侧部和顶部横截面图。
图4a到4c示出示例性推力组件。
图5示出具有飞行控制单元(FCU)的同步监控系统。
图6a示出图4a到图4c的示例性推力组件的分解视图。
图6b示出示例性推力组件的侧视图。
图6c示出示例性推力组件的横截面图。
图7a到图7d示出示例性定子组件的分解视图。
图7e和图7f示出根据第一方面的示例性定子组件的附加视图。
图7g示出根据第二方面的相对于定子组件的定子叶片的示例性形状和取向。
图8a和8b示出根据第二方面的示例性转子盖组件和具有定子叶片的定子环的横截面透视图。
图8c和图8d示出示例性定子组件的剖视图和横截面图。
图9a和9b示出根据第一方面的具有定子叶片的示例性转子盖。
图9c到9e示出根据第一方面的具有定子叶片的示例性转子盖的横截面图。
图10示出形成定子环的示例性方法。
具体实施方式
本公开的优选实施例将在下文参考附图描述。在以下描述中，不对众所周知的功能或构造进行详细描述，因为其可能以非必须的细节模糊本公开。对于本公开，将应用以下术语和限定。
术语“航空运载工具”和“飞行器”涉及能够飞行的机器，包括但不限于传统的飞行器及VTOL飞行器。VTOL飞行器可包括固定翼飞行器(例如鹞式喷气机)、旋翼飞行器(例如直升机)和/或倾斜旋翼/倾斜翼飞行器。
术语“电路”或“电路系统”是指物理的电子部件(即硬件)和可以配置硬件、由硬件执行和/或以其它方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所使用的，例如，特定的处理器和存储器当执行第一组一行或多行代码时可包括第一“电路”，且当执行第二组一行或多行代码时可包括第二“电路”。如本文所利用的，“和/或”意指由“和/或”连接的列表中的任何一个或多个项目。例如，“x和/或y”意指三元素集{(x),(y),(x,y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”意指“x和y中的一者或两者”。作为另一个示例，“x、y和/或z”意指七元素集{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}中的任何元素。换句话说，“x、y和/或z”意指“x、y和z中的一者或多者”。
术语“通信”和“进行通信”是指(1)将数据从源传输或以其它方式传送到目的地，和/或(2)将数据传递至通讯介质、系统、频道、网络、设备、电线、电缆、光纤、电路和/或链环以待传送到目的地。本文所使用的术语“数据库”意指相关数据的组织体，而不管表示数据或其组织体的方式。例如，相关数据的组织体可以是表格、分布图、网格、数据包、数据电报、框架、文件、电子邮件、消息、文档、报告、列表或以其它任何形式呈现的数据中的一个或多个的形式。
本文所使用的术语“复合材料”是指包括添加剂材料和基质材料的材料。例如，复合材料可包括纤维添加剂材料(例如玻璃丝、玻璃纤维(“GF”)、碳纤维(“CF”)、芳纶/对位芳纶合成纤维、FML等)和基质材料(例如，环氧树脂、聚酰亚胺、铝、钛和氧化铝，包括但不限于，塑料树脂、聚酯树脂、聚碳酸酯树脂、浇铸树脂、聚合树脂、热塑性塑料、丙烯酸树脂、化学树脂和干树脂)。进一步地，复合材料可包括嵌入基质材料中的特定纤维，而混合复合材料可经由将一些互补材料(例如，两种以上的纤维材料)添加到基础纤维/环氧基质来实现。
术语“示例性”意指用作非限制性示例、例证或说明。如本文所使用的，术语“例如”和“例如”引出一个或多个非限制性示例、例证或说明的列表。如本文所使用的，每当电路系统包括必要的硬件和代码(如果有必要的话)来执行功能时，电路系统是“可操作的”以执行功能，而不管功能的性能是否禁用或未启用(例如，通过操作员可配置的设置、工厂调整等)。如本文所使用的，当用于修饰或描述数值或数值范围时，词语“大约”和“近似”意指合理地接近该数值或数值范围。因此，本文所描述的实施例不仅限于所列举的数值和数值范围，而是应当包含合理可行的偏差。
混合动力推进飞行器可提供增加的机动性和灵活性，特别是在水平飞行中，其中已经证明，混合动力推进飞行器的滚转率和俯仰率类似于直升机。混合动力推进飞行器是混合动力电动的，因为其使用多个可独立控制的交流(AC)马达驱动的涵道风扇产生推进力，该涵道风扇从一个或多个涡轮驱动的发电机(例如，三个发电机)接收AC电力。可使用变距风扇(例如，经由叶距控制机构)单独控制来自涵道风扇的推力，同时电动马达以相同的速度旋转并与耦接于此的发电机同步。混合动力推进飞行器可进一步采用倾斜翼和可调推力喷嘴来引导和控制由每个涵道风扇产生的推力。
混合动力推进飞行器提供了许多优点。第一，其允许垂直起降，同时在从竖直飞行(即，悬停)到水平飞行的转变期间减轻了不期望的瞬态行为。也就是说，混合动力推进飞机提供了快速且高度恒定的转变，该转变不需要混合动力推进飞行器为了转变而爬升或俯冲。第二，飞行器在空速范围内的任何点是可调整的，而在转变期间没有任何不稳定的机制或推力亏损。第三，混合动力推进飞行器在竖直飞行和水平飞行中都是高效的，而传统VTOL飞行器在垂直或水平飞行中效率要小得多。第四，混合动力推进飞行器不采用暴露的转子叶片(例如，风扇叶片)，该暴露的转子叶片可威胁乘客、地勤人员或设备的安全。相反，混合动力推进飞行器的风扇叶片和推力组件被例如机翼结构或其部分遮蔽。第五，混合动力推进飞行器的尾流是冷的，且处于飞行器的极端条件。第六，有效载荷舱和驾驶舱靠近地面，从而提供了增加的可达性。最后，当推进功耗最小时，混合动力推进飞行器在巡航时提供大量的有效载荷动力。也就是说，通过使用混合动力电力，虽然在竖直飞行期间可能需要大部分的电力，但在水平飞行期间可获得大量剩余动力。
虽然混合动力推进飞行器提供了许多优点，但是可能难以调节电动马达(那些由多个涵道风扇使用以驱动风扇的电动马达)的温度。传统的低性能马达可由冷气式冷却(例如，流过马达的来自环境的空气)被动地冷却。随着马达转子在操作期间转动，一定量的强制对流对暴露于气流的多个马达部件提供冷却。一些简单的马达可采用散热器来帮助冷却，诸如经由导热路径(例如，金属叶片(vane)、绕组、流体冷却导管等)将热量从定子吸收和/或分配到马达底盘。这种协同的方法增加了用于冷却的可用表面积。
然而，与简单的低性能马达相比，相对于暴露的表面积具有高热量输出/高性能输出的马达可能需要主动冷却。例如，陆地应用中的主动冷却可能需要直接附接到马达轴或以其它方式由马达轴驱动的附加风扇。这增加了质量气流速率并提升了气流的局部速度，这增加了马达的有限表面积上的对流系数，并且从而提供了额外冷却。另外或替代地，用于航空航天或船舶应用的高性能马达可使用液体冷却系统。液体冷却在马达和周围流体之间的温差太低以致无法在介质之间有效地传递热量的情况下是有用的。此外，液体冷却可以是用于马达被低密度流体或真空包围的应用的少数冷却选择中的一个。
之前的解决如本文所述的与冷却相关问题的尝试都集中在陆地动力分布上(例如风力涡轮机)。这种马达和系统是沉重的、巨大的且无法解决与飞机相关的限制，诸如系统的质量、壳体和部件的体积以及结构完整性，其中被认为值得飞行的部件需要高度的结构可靠性。至少对于本文所公开的理由，电动马达(例如在飞行器中的风扇马达)采用具有相对更轻质且操作起来更有效的定子叶片。因此，本文公开了可设置在马达定子的前缘上以促进电动马达和其部件的冷却的旋转楔形环。如将在下文中更详细地描述的，旋转楔形环可包括由此(例如，沿着马达定子或其部件的周界)延伸的一排轴向定子叶片。旋转楔形环可用于控制到达马达组件中的一个或多个窄间隙的气流质量的比率。
图1a到图1c示出示例性混合动力推进飞行器100。图1a示出混合动力推进飞行器100的前视图，且图1b示出混合动力推进飞行器100的前等距视图。图1a示出混合动力推进飞行器100的一侧处于竖直翼构造(竖直飞行模式)以产生竖直推力，且混合动力推进飞行器100的相对侧处于水平翼构造(水平飞行模式)以产生水平推力。图1c示出省略了主体面板部分以更好地示出混合动力推进飞行器100的某些内部部件的混合动力推进飞行器100的侧视图。
混合动力推进飞行器100通常被描述为无人的且完全自主的(无需远程控制飞行员)，但是可添加驾驶舱以能够进行人工操作。类似地，混合动力推进飞行器100可通过人工操作者、电脑操作者(例如，远程自动驾驶仪)或基站在无线通信链路上远程控制。混合动力推进飞行器100还可容纳在主翼104和鸭式翼106之间构造为携带乘客的客舱。
混合动力推进飞行器100通常可包括机身102、两个主翼104、两个鸭式翼106以及分布式电动推进系统，该分布式电动推进系统使用由电动马达驱动的多个涵道风扇(例如，主涵道风扇108和鸭式涵道风扇110)以产生对于飞行所必需的推力。例如，如在图2a和图2b中最佳地示出的，每个翼可布置有横跨翼或翼组的翼展多个紧邻的(即，彼此邻接的)整体式涵道风扇。每个涵道风扇通常包括定位在涵道室210中的推力组件212，涵道室210由下翼面202和上翼面204以及主翼104和鸭式翼106的翼肋限定。
为了向发动机舱提供气候控制，可在机身102的蒙皮中(例如，邻近发动机112和/或主发电机116)设置一个或多个切口或开口。一个或多个冷却风扇可在每个开口处定位在发动机舱中并构造成将空气吸入发动机舱中，从而冷却发动机112、主发电机116和/或其它部件。发动机112可包括一个或多个起动机电池，以在点火时向所述发动机112提供起动电流。冷却风扇还使发动机舱增压并迫使空气通过机身中的排气口或间隙。起落架114可用门收回，从而减小在水平飞行期间的阻力。
包括机身102和机翼104、106的混合动力推进飞行器100结构可使用包括尤其是石墨、玻璃纤维或芳纶和蜂窝芯材夹层结构的复合材料(或其层压件)制造并使用金属配件(例如，铝、钛、轻质合金等)连接。
如在图1a和图1b中最佳地示出的，主翼104和鸭式翼106定位在机身102的每一侧上。限定主翼组的两个主翼104和限定鸭式翼组的两个鸭式翼106枢转地安装到混合动力推进飞行器100的机架(例如，在机身102的上侧)以提供倾斜翼功能。例如，机身102可包括多个致动器控制的枢转连接件，该枢转连接件响应于来自飞行控制者的信号选择性地使主翼104和鸭式翼106枢转。在某些方面，鸭式翼106在不使用时或在向前飞行期间可部分或完全地收回到机身102中。
分布式电动推进系统通常包括发动机112、齿轮箱、一个或多个主发电机116以及多个涵道风扇，所述多个涵道风扇中的每个由电动马达驱动。多个涵道风扇可包括定位在主翼104上的多个主涵道风扇108和定位在鸭式翼106上的多个鸭式涵道风扇110。如图所示，发动机112可构造成驱动齿轮箱。合适的发动机112包括例如涡轮轴发动机和涡轮发动机。涡轮轴发动机是指优化成产生轴功率而不是喷射推力的燃气涡轮发动机。发动机112可安装到例如第一舱壁，而齿轮箱安装到第二舱壁。
分布式电动推进系统可使用全电动传动系统。发动机112和主发电机116可定位在局部，从而消除对其间的长驱动轴的需要，并且消除了对主发电机116和电动马达之间的任何驱动轴(这可导致效率损失)的需要。例如，发动机112和主发电机116可直接耦接到齿轮箱。此外，因为主发电机116和电动马达406以单一电压和频率同步操作，所以在发电机116和电动马达406之间不需要使用电子器件以转化或转换电源的电压或整流/调节频率。
进而齿轮箱可与多个发电机耦接，该多个发电机包括一个或多个主发电机116(例如，1到5个发电机或大致数量的发电机)和/或可为飞行器上的附件或系统供电的一个或多个辅助电力发电机。主发电机116为多个电动马达(例如，风扇马达)提供电力。因此每个涵道风扇可采用具有电动马达406的推力组件212(参见例如图6a-图6c)。电动马达406的尺寸和额定功率可根据其目的而变化，这可由电动马达在混合动力推进飞行器100上的位置和/或所需的推力指定。然而，本领域技术人员将理解，根据期望的动力或推力，可使用额外的或更少的主发电机116，该动力或推力尤其受涵道风扇(或其中的马达)的数量和/或尺寸指导。
图2a和图2b分别示出涵道风扇(诸如形成主翼104和/或鸭式翼106的那些)的布置的前等距视图和后等距视图。如图所示，涵道室210由下翼面202、上翼面204以及定位在相邻推力组件212之间的一个或多个分离板208限定。下翼面202和上翼面204的前缘可包括多个控制表面206(例如副翼或升降舵(eleven))，该多个控制表面可单独控制以调整推力喷嘴。例如，可控制控制表面206以调整特定涵道风扇的推力喷嘴的面积(即喷嘴面积)。也就是说，可致动喷嘴致动器(定位在分离板208内)以驱动控制表面206，从而调整喷嘴面积和推力矢量。控制表面206具有平坦的内表面以产生高速性能，而厚的分离板208允许以较低的面积比改变而不分离。分离板208可包括由可容纳一个或多个控制器或致动器(例如，喷嘴致动器)的整流罩覆盖的翼肋。
图3a和图3b分别示出涵道风扇的侧部和顶部横截面图。如图所示，涵道室210的长度(C)和直径(D)的比率相对短。一个或多个气流槽302可定位在上翼面204的上前缘300处。一个或多个气流槽302引导气流进入涵道室210中并朝向推力组件212。每个气流槽302可使用槽门以选择性地密封/阻塞。上前缘中的气流槽302在竖直飞行模式中和高攻角(AoA)下保持涵道室210内的流动附接。槽门可轻微地弹起以确保它们正确地关闭以进行水平飞行，从而当需要用于流动控制时，压差将槽门拉开。
图4a到图4c示出可构造有叶距控制机构420的示例性推力组件212。图4a示出通常可包括引擎舱402、轴向风扇组件404、电动马达406、结构毂408、航空定子410和整流锥416的完整推力组件212的侧视图。轴向风扇组件404可包括多个风扇叶片412(例如，2到10个、更优选地4到7个风扇叶片412)，而航空定子410包括多个定子叶片414(例如2到6个、更优选地4个定子叶片414)。电动马达406通常包括转子组件406a和定子组件406b。定子组件406b相对于飞行器结构(或安装电动马达406的其它结构)保持静止(即，不旋转)，而转子组件406a相对于定子组件406b旋转。在某些方面，转子组件406a包括具有磁体的内铁和外铁，而定子组件406b包括导电铜线圈。
如图4b所示，结构毂408构造有多个马达固定槽418，每个马达固定槽的尺寸和形状设置成用于接收定子叶片414或其部分。结构毂408将定子组件406b栓接到航空定子410的定子叶片414。电动马达406可以是在所公开的构造中已经被示出是有效的无刷直流(“BLDC”)马达，但也可以使用其它类型的马达，包括但不限于无刷(BL)马达、电子换向马达(ECM或EC马达)、无刷电动马达、鼠笼式马达、感应马达、有刷马达、AC马达等。一个示例性无刷马达由题为“Brushless Motor(无刷马达)”且于2005年3月29日公布的美国专利第6,873,085号描述。在某些方面，主涵道风扇108中使用的电动马达406比鸭式涵道风扇110中使用的电动马达406大。图4c示出移除引擎舱402的推力组件212的正面平面图。如图所示，风扇叶片412可经由多个叶片夹和叶距壳体耦接到旋转毂(例如，图6a的风扇毂600)。风扇叶片412的叶距可经由可通过线性致动器(例如，图6a的叶距致动器614)控制的叶距控制机构420动态地控制。叶距控制机构420可包括叶距臂、叶距连杆、扭矩板和转换叶距锥。
图5示出具有飞行控制单元(“FCU”)502的同步监控系统500，其防止一个电动马达406与其它电动马达406和发电机116失去同步。概括地说，FCU 502通过例如扭矩检测或电流检测、波形分析并比较两个信号的相位角来检测风扇是否失去同步或是否将要失去同步。可调节叶距以增大或减小电动马达406上的给定载荷，同时涡轮速度调节器保持恒定的速度。FCU 502通过以下方式实现这一点：监控马达电压(经由电压传感器506)和马达电流(经由电流传感器504)，关闭风扇叶距环以实现自动驾驶仪的指令叶距，如果扭矩接近预定的限制则减小叶距(并通知自动驾驶仪)，并向飞行控制系统(FCS)提供风扇马达参数，尤其包括电流和电压相量、每分钟转数(RPM)、风扇速度、温度、叶距等。实际上，电压和电流之间的相位角可用于预测电动马达406和/或发电机116之间的同步损失，因此能够使用低风险的现成硬件代替定制硬件。可通过在发电机的低速启动期间调节发电机控制器来实现同步。例如，FCU 502可以低叶距构造风扇叶片412以减小在启动期间电动马达406上的载荷。当电动马达406开始随着发电机116旋转时，叶距可逐渐增大。在某些方面，电动马达406上的载荷可随着每个RPM增大以提供更加稳定和稳健的同步。FCU还可控制电路断路器或其它电子设备以使马达(例如，出故障的或有缺陷的马达)从总线上分离以保护系统。此外，FCU可提供扩大风扇从启动到正常操作的电气操作的各种动力电子器件的命令和控制，包括从次级电源总线提供模态阻尼、制动或临时助力的能力。
图6a到图10中示出的各种示例和视图关于为主翼104供电的推力组件进行了描述，但是相同的原理可类似地应用于鸭式翼106或其它马达、风扇设备或系统。为此，可调整各种部件的尺寸和形状以适应包括陆地使用的其它电动马达应用。
图6a示出图4a到图4c的示例性推力组件212的分解视图。如图所示，推力组件212可包括引擎舱402、轴向风扇组件404、电动马达406和叶距致动器614。各种部件可通过一个或多个紧固件606(例如，螺母、螺栓、螺钉等)或通过其它紧固技术(例如，焊接、钎焊、粘合等)彼此固定。如图所示，可移除引擎舱402以显示叶距控制机构420，叶距控制机构420构造成经由一个或多个紧固件606与风扇毂600耦接。如上所述，多个风扇叶片412耦接到风扇毂600并由此延伸以限定轴向风扇组件404。
电动马达406通常包括转子组件406a和定子组件406b。转子组件406a(组装地示出)通常包括转子壳体604和转子盖602，如图所示，转子盖602构造成安装到转子壳体604的前缘。转子盖602和转子壳体604可以是同轴的(例如，共享旋转轴线)，如图所示。定子组件406b(组装地示出)可包括定子环608、冷却流出口引导件612和定子壳体616。如图所示，定子壳体616(例如，具有静止的磁体绕组)可定位在定子环608和冷却流出口引导件612之间。例如，定子环608可耦接到定子壳体616的前缘622。多个定子叶片610可沿着定子环608的前缘624的周向布置，这在下文中详细示出。在操作中，冷却流出口引导件612通过使来自狭窄马达间隙的出口流逐渐扩大到高速管道流来降低出口损失。
叶距致动器614可以是构造成当组装推力组件212时，使叶距致动器614的致动杆618穿过电动马达406和风扇毂600以促动(通过线性扩展运动或收回运动)叶距控制机构420的线性致动器。叶距致动器614的致动杆618的远端端部620(其可以是带螺纹的)可经由紧固件606(例如，螺母或螺栓)固定到叶距控制机构420。
图6b示出移除引擎舱402的示例性推力组件212的附加视图，而图6c示出示例性推力组件212的横截面图(沿图6b的线B-B)。图6b和图6c中示出的示例性马达组件(例如，永磁无刷空气芯马达)包括静止的电磁线圈(例如，作为定子组件406b的部件)和旋转的永磁体(例如，作为转子壳体604的部件)。所公开的电动马达406设计成通过将转子-定子间隙的厚度减到最小来优化电磁效率。实际上，转子-定子间隙的尺寸受各种因素限制，包括马达轴、轴承和定子中的一个或多个的机械刚度。在一些示例中，多个风扇叶片412(限定风扇)可直接从转子壳体604驱动。然而，叶片直径可由马达壳体固定，导致有限的风扇旋转速率和有限的气流速率。因此，成本效益可带来额外优点，诸如整体环形凸缘连接件和用于构建设计的资源的简单性。
如本文所公开的，电动马达406的冷却通过迫使气流通过在转子壳体604和定子组件406b的定子壳体616之间限定的一个或多个狭窄转子-定子间隙来执行。为此，多个轴向定子叶片610可定位在定子组件406b的定子壳体616(例如，经由定子环608)的前缘处，以引导或迫使气流通过一个或多个狭窄转子-定子间隙，从而冷却电动马达406。如最佳地在图6c的细节A中所示，定子壳体616和转子壳体604布置成限定一个或多个狭窄转子-定子间隙(即，转子组件406a和定子组件406b之间的狭窄间隙，其被标记为内部间隙626a和外部间隙626b)。
图7a到图7d示出包括定子环608、马达定子安装座702和冷却流出口引导件612的定子组件406b的分解视图。定子组件406b可与内部的马达定子安装座702和冷却流出口引导件612固定。定子组件406b、马达定子安装座702和冷却流出口引导件612可通过一个或多个紧固件606和/或通过其它接合技术(例如，钎焊、焊接等)接合。相似地，定子环608可耦接在定子壳体616的前缘上(例如，定子壳体616的面向飞行方向的边缘)。图7e和图7f示出组装的定子组件406b的附加视图。特别地，图7e示出组装的定子组件406b的侧视图，而图7f示出组装的定子组件406b的后视图(即，从图7e的箭头704的角度来看)。
在飞行器100的向前飞行期间，气流在箭头700的方向上进入推力组件212中。如图所示，一系列(例如，行、排或另外的布置)定子叶片610可安装到(或以其它方式形成在其中或其上)定子环608以将速度的切向分量转换为静压升，以及将气流重新定向在与电动马达406的轴线对齐且穿过转子-定子间隙的方向上。定子环608和轴向定子叶片610的组合用作冷却电动马达406的各种部件。这通过在马达绕组处在定子组件406b的前缘上(例如，沿着周向)设置一系列静止的定子叶片610来实现。定子叶片610(例如，形成消旋定子(de-swirlstator))将由转子组件406a的整体风扇602和翅片900产生的气流的切向分量(即，动压)转换成静压。本文公开的采用定子叶片610的电动马达406可控制转子壳体604和定子壳体616的内部和外部部分之间的窄转子-定子间隙(例如，内部间隙626a和外部间隙626b)中的冷却空气质量流量的比率。
如图7a所示，定子环608可包括沿着定子组件406b的定子环608的前缘624(安装表面)的周向分布的(例如，均匀地分布的)多个轴向定子叶片610。在该示例中，定子环608为轴向定子叶片610提供安装表面，同时还控制进入内部间隙626a的气流质量与进入外部间隙626b的气流质量的比率。多个轴向定子叶片610当安装到定子环608时将冷却风扇转子后部的冷却气流中的切向动能(即，与气流的速度分量相关的)在定子组件406b的前缘处与轴向定子叶片610相互作用后转换成静压升。在示出的示例中，定子叶片610可从定子环608的前缘朝向转子盖602的内表面延伸(例如，参见图6a)。
多个轴向定子叶片610还可环绕前缘624的一部分(例如，围绕前缘624的楔形轮廓)。换句话说，多个轴向定子叶片610中的一个或多个(或所有)可从定子环608的前缘的内径向内延伸和从定子环608的前缘的外径向外延伸(即，跨越楔形定子环608的前缘624的轮廓)。在一些示例中，定子叶片610可具有随着定子叶片610从定子环608的前缘624延伸的大致弯曲的形状。在一些示例中，定子叶片610中的一个或多个可由与另外的叶片(包括平坦的或平面的叶片)不同的曲线限定。在一些示例中，每个定子叶片610可以从(例如，相对于)彼此均匀地间隔开，使得多个定子叶片610沿着定子环608的前缘的周向均匀地分布。在其它示例中，定子叶片610中的两个或更多个可具有不同的间隔。在一些示例中，与定子环608相对的每个定子叶片610的边缘由从定子环608测量的单一高度限定。在其它示例中，该高度可在每个定子叶片610处沿着一个或多个定子叶片610或其任何组合变化。此外，每个定子叶片610的表面可以是光滑的，具有形成在其上的图案，可包括一个或多个表面处理等。
如图7b到图7d所示，定子环608可具有旋转楔形轮廓。换句话说，定子环608的横截面可沿着其周界(如图所示，周向)限定楔形轮廓，其可以是如图7b和7c所示的对称的，也可以是如图7d所示的不对称的(例如，楔形可朝向旋转轴线向内偏置或远离旋转轴线向外偏置)。将定子环608的前缘(例如，前缘624)向内(朝向旋转轴线)偏置或向外(远离旋转轴线)偏置分别允许控制内部转子-定子间隙626a和外部转子-定子间隙626b之间的气流比率。进一步地，楔形轮廓可具有如图7b所示的圆形轮廓或如图7c所示的三角形轮廓。尽管描述为楔形轮廓，定子环608的轮廓可采用其它所需的形状，诸如圆形、方形、管形、三角形、四边形或其它几何形状，如所期望的实现本文所公开的目标。
轴向定子叶片610是有利的，因为它们可以直接安装到定子组件406b的前缘-无论是经由定子环608还是直接安装在静止的马达绕组616上。这可以是有利的，因为定子组件406b的前缘是推力组件212在轴向风扇组件404的风扇叶片412之后的区域中的第一静止部件。不像传统的轴向压缩机，轴向定子叶片610的排不需要安装到马达组件的内部毂和/或外部护罩。径向风扇具有即使以相对低的旋转速率也能产生显著的升压的优点。然而，使气流从径向风扇离开产生了气流速度的大切向分量。由于空气阻力，该切向分量导致系统性能的下降。
图7g示出根据第二方面的示例性定子组件406b的视图，其中轴向定子叶片610相比于图7e的定子叶片610具有不同的形状，但是仍用作将气流引导到转子-定子间隙，从而冷却电动马达406的各种部件。特别地，可以协调定子叶片610相对于定子组件406b的形状和取向。在一个示例中，定子叶片610可从定子环608朝向转子盖602延伸，使得定子组件406b的前缘(例如，相对于气流方向在叶片之后的第一静止表面)构造成将冷却风扇转子后部的冷却气流中的切向动能(即，与气流的速度分量相关的)在与叶片排相互作用后转换成静压升。
图8a示出示例性转子盖602和转子插入件800的横截面透视图。如图8b所示，转子盖602和转子插入件800可构造成当定子组件406b插入转子组件406a中以完成推力组件212时与定子环608匹配。图8c和图8d示出与转子盖602匹配的示例性定子组件406b的横截面图。特别地，转子盖602覆盖定子环608的定子叶片610。
图9a和图9b示出构造成与包括布置成产生径向风扇的多个翅片900的转子插入件800匹配的示例性转子盖602。如图所示，转子插入件800构造成与转子盖602匹配，其可通过一种或多种接合技术(诸如钎焊、焊接等)固定。特别地，在飞行器100的向前飞行期间，气流在箭头700的方向上进入推力组件212。多个翅片900可整体地形成在转子插入件800的前缘上，诸如通过压铸、3D打印或其它适合的工艺。在一些示例中，多个翅片900与转子插入件800分离地形成并通过一种或多种接合方法(例如，钎焊、焊接等)固定。
如在下面更详细地示出的，多个翅片900可由转子插入件800的前缘顶上的大致半圆形限定。在一些示例中，多个翅片900中的每个保持相同的半圆弧。在一些示例中，多个翅片900中的一个或多个翅片由与另外的翅片不同的弧限定。在一些示例中，多个翅片900中的每个翅片彼此均匀地间隔开。在其它示例中，多个翅片900中的两个或更多个翅片具有不同的间隔。在一些示例中，面向转子盖602的多个翅片900中的每个翅片的边缘由沿着转子插入件800从内部边缘到外部边缘的单一高度限定。在其它示例中，该高度可沿着每个翅片900、沿着一个或多个翅片或其任何组合变化。
图9c到图9e示出定子环608和转子盖602的横截面图。图9c示出接合前的转子插入件800和转子盖602，其中多个翅片900面向转子盖602的内部部分。一旦匹配，沿着线906，转子插入件800接合在转子盖602内，如图9d所示。图9e示出沿着图9d中示出的线A-A的多个翅片900的特写视图。每个翅片900遵循从内部边缘902到外部边缘904的大致半圆弧。换句话说，内部边缘902最接近穿过转子盖602(通常以及推力组件212)延伸的中心轴线。如关于图9a和图9b所解释的，翅片900也可采用除了弧之外的各种形状。例如，翅片900可以是直的，可具有一个或多个限定的角度等。在一些示例中，每个翅片900可由连续的翅片形成，由多个较小的翅片形成，在每个翅片中具有间隙或孔等。此外，每个翅片900的表面可以是光滑的，具有形成在其上的图案，可包括一个或多个表面处理等。
尽管定子环608是相对于单级压缩机的定子描述的，但是旋转楔形环可用于多级压缩机。此外，应考虑确保叶片的同心性等，并防止整个组件上的各种元件的干扰。此外，尽管相对于安装到定子的前缘的风扇叶片进行描述，但是本概念的益处也可用于采用轴向风扇的系统。
图10示出形成构造成将冷却风扇转子后部的冷却气流中的切向动能转换成静压升的风扇马达的示例性方法1000。例如，在方框1002中，形成定子环608以与用于风扇的电动马达406的定子(例如，定子壳体616)匹配。定子环608设计成安装在马达定子的前缘(例如，定子壳体616的前缘622)上，且可由金属、复合材料或其它合适的材料形成。定子环608可形成为楔形(例如，贴靠马达定子，在相对端部上延伸到平缓、不锋利的端部)。在一些示例中，定子环608可以是矩形的、圆形的或具有另外的合适的几何形状。
在方框1004中，可将多个轴向定子叶片610形成在定子环608上。例如，轴向定子叶片610可围绕由此延伸的定子环608的周界以排或线布置，每个轴向定子叶片610的这样的部分围绕楔形的边缘从定子环608的内径到定子环608的外径形成。换句话说，每个轴向定子叶片610布置成围绕定子环608并由此延伸，使得叶片环绕环的一部分。此外，叶片定位成使得当组装风扇马达时，叶片在马达定子的前缘处。
在方框1006中，将定子环608安装到与风扇马达相关的马达定子。在方框1008中，使组装好的马达定子与风扇马达的马达转子以构造成将冷却风扇转子后部的冷却气流中的切向动能转换成静压升的方式结合。
虽然已经讨论的公开的主题主要与航空相关，但对于本领域技术人员将显而易见的是，它同样可以应用于其它系统，包括，例如，汽车、摩托车、火车、轮船、船、航天器和飞行器。
将以上引用的专利和专利公开整体通过引用结合于本文中。尽管已经参考元件、特征等的特定布置描述了各种实施例，但是它们并非旨在穷尽所有可能的布置或特征，且实际上本领域技术人员可以确定许多其它的实施例、修改和变化。因此，应当理解的是，本公开因此可以不同于以上特定描述的方式实施。
本公开包括以下条款中描述的主题：
条款1.一种马达组件，包括：
定子组件(406b)；
转子组件(406a)，转子组件与定子组件(406b)操作地耦接；
以及
多个轴向定子叶片(414、610)，多个轴向定子叶片从定子组件(406b)的前缘(622、624)延伸，
其中多个轴向定子叶片(414、610)构造成在操作期间将来自转子组件(406a)的气流的切向动能转换成静压升。
条款2.根据条款1的马达组件，其中定子组件(406b)包括安装到定子壳体(616)的前缘(622、624)的定子环(602、608)，定子环(602、608)包括多个轴向定子叶片(414、610)。
条款3.根据条款2的马达组件，其中定子组件(406b)进一步包括冷却流出口引导件(612)，其中定子壳体(616)定位在定子环(602、608)和冷却流出口引导件(612)之间。
条款4.根据条款2或条款3的马达组件，其中多个轴向定子叶片(414、610)中的每个围绕定子环(602、608)布置并从定子环延伸且布置成环绕定子环(602、608)的前缘(622、624)的一部分。
条款5.根据以上任一条款的马达组件，其中定子环(602、608)的前缘(622、624)的横截面限定楔形、矩形、三角形或圆形形状中的一者。
条款6.根据以上任一条款的马达组件，其中定子组件(406b)与转子组件(406a)操作地耦接以限定内部间隙和外部间隙。
条款7.根据条款6的马达组件，其中定子环(602、608)构造成控制进入外部间隙的气流质量和进入内部间隙的气流质量的比率。
条款8.根据条款7的马达组件，其中定子环(602、608)的前缘(622、624)是偏置的以控制进入外部间隙的气流质量和进入内部间隙的气流质量的比率。
条款9.根据以上任一条款的马达组件，其中转子组件(406a)包括转子盖(602)和转子壳体(604)，其中转子盖(602)和转子壳体(604)是同轴的。
条款10.根据条款9的马达组件，其中转子盖(602)包括布置成产生径向风扇的多个翅片(900)。
条款11.根据条款10的马达组件，其中多个轴向定子叶片(414、610)中的至少一个限定大致半圆形形状。
条款12.根据条款10或条款11的马达组件，其中多个翅片(900)布置成将冷却空气引导到多个轴向定子叶片(414、610)。
条款13.根据条款12的马达组件，其中多个轴向定子叶片(414、610)构造成使冷却空气消旋。
条款14.一种形成电动马达(406)的方法，方法包括：
提供定子环(602、608)，定子环具有多个轴向定子叶片(414、610)，其中定子环(602、608)构造成与电动马达(406)的定子组件(406b)耦接；
将定子环(602、608)安装到定子组件(406b)，使得多个轴向定子叶片(414、610)布置在定子组件(406b)的前缘(622、624)上，
其中多个轴向定子叶片(414、610)构造成在操作期间将来自转子组件(406a)的气流的切向动能转换成静压升。
条款15.根据条款14的方法，其中定子环(602、608)包括金属材料。
条款16.根据条款14或条款15的方法，其中定子环(602、608)包括复合材料。
条款17.根据条款14到条款16中的任一条款的方法，其中定子环(602、608)的前缘(622、624)的横截面限定楔形形状。
条款18.根据条款14到条款17中的任一条款的方法，其中定子环(602、608)的前缘(622、624)的横截面限定矩形、三角形或圆形形状中的一者。
条款19.根据条款14到条款18中的任一条款的方法，其中定子组件(406b)进一步包括冷却流出口引导件(612)。
条款20.根据条款14到条款19中的任一条款的方法，其中多个轴向定子叶片(414、610)中的每个围绕定子环(602、608)布置并从定子环延伸且布置成环绕定子环(602、608)的前缘(622、624)的一部分。

Claims (13)

1.一种马达组件，所述马达组件包括：
定子组件(406b)；
转子组件(406a)，所述转子组件与所述定子组件(406b)操作地耦接；以及
多个轴向定子叶片(414、610)，所述多个轴向定子叶片从所述定子组件(406b)的第一前缘(624)延伸，
其中：
所述多个轴向定子叶片(414、610)中的每个轴向定子叶片具有随着所述轴向定子叶片从所述定子组件的所述第一前缘延伸的大致弯曲的形状，
所述多个轴向定子叶片(414、610)构造成在操作期间将来自所述转子组件(406a)的气流的切向动能转换成静压升，以及
所述定子组件的所述第一前缘的横截面限定楔形形状。
2.根据权利要求1所述的马达组件，其中所述定子组件(406b)包括安装到定子壳体(616)的第二前缘(622)的定子环(608)，所述定子环(608)包括从所述定子环的所述第一前缘延伸的所述多个轴向定子叶片(414、610)。
3.根据权利要求2所述的马达组件，其中所述定子组件(406b)进一步包括冷却流出口引导件(612)，其中所述定子壳体(616)定位在所述定子环(608)和所述冷却流出口引导件(612)之间。
4.根据权利要求2所述的马达组件，其中所述多个轴向定子叶片(414、610)中的每个围绕所述定子环(608)布置并从所述定子环延伸且布置成环绕所述定子环(608)的所述第一前缘(624)的一部分。
5.根据权利要求2所述的马达组件，其中所述定子环(608)的所述第一前缘(624)的横截面限定所述楔形形状。
6.根据权利要求2所述的马达组件，其中所述定子组件(406b)与所述转子组件(406a)操作地耦接以限定内部间隙和外部间隙。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的马达组件，其中所述转子组件(406a)包括转子盖(602)和转子壳体(604)，其中所述转子盖(602)和所述转子壳体(604)是同轴的。
8.一种形成电动马达(406)的方法，所述方法包括：
提供定子环(608)，所述定子环具有多个轴向定子叶片(414、610)，其中所述定子环(608)构造成与所述电动马达(406)的定子组件(406b)耦接；
将所述定子环(608)安装到所述定子组件(406b)，使得所述多个轴向定子叶片(414、610)布置在所述定子组件(406b)的第一前缘(624)上，
其中：
所述多个轴向定子叶片(414、610)中的每个轴向定子叶片具有随着所述轴向定子叶片从所述定子组件的所述第一前缘延伸的大致弯曲的形状，
所述多个轴向定子叶片(414、610)构造成在操作期间将来自转子组件(406a)的气流的切向动能转换成静压升，以及
所述定子组件的所述第一前缘的横截面限定楔形形状。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述定子环(608)包含金属材料。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述定子环(608)包含复合材料。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述定子环(608)的所述第一前缘(624)的横截面限定楔形形状。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述定子组件(406b)进一步包括冷却流出口引导件(612)。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中所述多个轴向定子叶片(414、610)中的每个围绕所述定子环(608)布置并从所述定子环延伸且布置成环绕所述定子环(608)的所述第一前缘(624)的一部分。
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