CN111357170A - 涡轮机的包括由冷却通道冷却的转子的电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机，该电机包括被设计成相对于彼此旋转的定子(1)和转子(2)，所述转子(2)或所述定子包括多个永磁体(5)，至少一个永磁体包括至少一个流体传播通道(10)，该至少一个流体传播通道在永磁体内纵向延伸，传播通道包括流体入口和流体出口，流体入口是喇叭形的并且沿着永磁体的首选的旋转方向定向。

Description

涡轮机的包括由冷却通道冷却的转子的电机

技术领域

本发明涉及飞行器的发动机、特别是直升机的发动机。本发明特别涉及安装在直升机发动机上的执行发电和/或某些机械构件的电动力化的功能的电机。这些电机可以是起动机-发电机、交流发电机或电动泵，该电动泵是直流机或交流机。

背景技术

飞行器的发动机包括电机，该电机包括转子(旋转部件)和定子(固定部件)。定子包括由线圈的组形成的电路和磁路，该线圈的组由导电线组成。

以已知的方式，这种电机具有瞬时运行阶段，该瞬时运行阶段主要在飞行器的发动机或者飞行器的发动机所包括的某些设备物件的起动或加速期间遇到。

因此，在这些瞬时阶段期间，频繁使用的电机耗散大量的热，这些热会对电机本身造成损坏，热量主要耗散到电路和/或永磁体(如果电机包括的话)中。

以已知的方式，为了促进热量的耗散从而保证电机的完整性，组成电机的元件的尺寸是过大的，这对电机的重量和体积不利。

具体地，电机的结构和尺寸是由电机的耐热性决定的并且这主要是电机在这些导电线圈中承载的电流幅度的函数(例如，以28Vdc的电源电压、几kW或kVA的功率运行的电机将产生高安倍数的电流，该电流可达数百安倍)。

为了优化电机的热量耗散，多个解决方案已经被知晓并被采用。

第一种解决方案利用自然对流，并通过电机周边上的带翅片的耗散器进行冷却，以与周围介质形成相当大的交换表面。然而，该解决方案体积大，重量重并且通常需要在电机周边上形成空气流。

第二种解决方案利用如下的对流，该对流是通过增加与电机的转子轴连接的风扇来强制进行的，由此产生的空气流将与电机的外部空气流和/或内部空气流进行交换。然而，该解决方案体积庞大，并且可能会产生额外的故障源。

第三种解决方案通过注入在位于电机内或周边的专用通道中流通的液体(水、油、燃料等)来进行强制冷却，并且通常需要额外的交换器来冷却该液体。然而，该解决方案也体积大，重量重且具有侵入性，并且需要相当短的维护周期(即密封管理)。

第四种解决方案通过热电模块(珀尔帖效应，effet Peltier)进行冷却。然而，采用这种解决方案，冷却仅在局部区域中进行，并且还需要能够进行热电供应的稳定电源。

因此，在航空应用中，也就是说在机载系统(要求在紧凑性、重量和可靠性方面有严格限制)的情况下，现有解决方案并不令人满意。

发明内容

本发明使得能够将永磁体的温度控制到能够接受的水平，这将保证永磁体的磁性在所有运行情况下(永久或瞬时)的稳定性。

为此目的，本发明提出一种电机，该电机包括相对于彼此旋转驱动的定子和转子，所述转子或所述定子包括多个永磁体，并且该电机的特征在于，至少一个永磁体包括至少一个流体传播通道，该至少一个流体传播通道在永磁体内纵向延伸。

有利地但非限制性地，上文限定的电机可进一步具有以下特征，这些特征单独采用或以其技术上可行的任意组合采用：

-通道具有如下的轮廓，该轮廓被构造成使得在通道内传播的流体具有湍流；

-通道沿纵向轴线被限定，该纵向轴线相对于所述电机的旋转轴线具有非零角度，该非零角度通常是介于1度至10度之间、通常为5度的倾斜角度；

-传播通道包括流体入口和流体出口，该流体入口沿与流体的流通方向相反的方向为喇叭形。

-通道为直线形或波纹形或螺旋形；

-永磁体和所述至少一个通道是根据增材制造工艺获得的；

-每个磁体具有相同形状或不同形状的通道。

本发明还涉及直流电机或交流电机以及诸如直升机的飞行器的发动机，该直流电机或交流电机例如为起动机-发电机、交流发电机、泵，包括根据本发明的电机，该发动机包括根据本发明的起动机-发电机。

因此，本发明主要在于将能够进行最佳热量管理的冷却通道结合到永磁体本身中。

本发明有多个优点。

本发明使得能够改善电机的电磁性能，从而通过在较大温度范围内保持永磁体的磁感应特性来获得增加的在转子上能用的机械扭矩。

本发明使得能够通过减小电机的重量来减小飞行器的发动机的总体重量，因为存在另外的可能性，即增加定子线圈上能接受的电流密度，因此通过控制永磁体的温度极大地减小了由此产生的磁场(被永磁体感知为退磁场(即，矫顽场))的影响。

此外，没有增加额外的系统(即交换器、翅片等)，从而不会对电机的质量平衡、体积和可靠性造成不利影响。

附图说明

根据仅为说明性和非限制性的并且必须参照附图阅读的以下描述，本发明的其他特征、目的和优点将变得明显，在附图中：

-图1示出了根据本发明的电机的视图；

-图2示出了根据本发明的电机的转子；

-图3示出了图2的截面视图。

在所有的附图中，相似的元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明的实施例的电机。这种电机特别地使用于飞行器的发动机中。

图1的电机是具有永磁体的机器并且包括定子1和转子2(该图的定子和转子可以互换)。

定子1包括磁路3。磁路3包括大致圆筒形形状的周边部分6，和朝向转子2延伸的磁极7，并且定子1包括电路4，该电路由多个导电元件41的、围绕磁路3的每个磁极7的线圈形成。在该图中，导电元件41具有圆柱形横截面，但是可以设想其他横截面。

转子2支撑永磁体5。在图1中，电机包括六个永磁体5，但是可以设想不同的数量。

这种类型的电机拓扑结构使得能够在发电机模式(即，转子2由于施加外部机械转矩而旋转并且电路4中的磁通量的变化感应出电流)或在电动机模式(即，向电路4供电导致产生通过磁路3的磁通量，并且与来自磁体5的磁通量的相互作用导致转子2旋转，从而产生了向外的机械转矩)下运行。

关于示出了电机的转子的图2，为了促进特别是在先前所示的瞬时阶段期间电机的热量耗散，每个永磁体5包括使流体能够流通的通道。

在附接到电机的转子上的、旋转的永磁体的构型中，该流体将主要是含有或不含有油蒸汽的空气。

在被定位在电机的定子处的、固定的永磁体的情况下，该流体可以是如前所述的气态的或与电路相容的任何其他中性气体(氩气、氮气等)或液体(水、油、燃料等)。

流体可以以不同的方式被输送到通道供应区域附近，在此不再赘述。

每个通道10沿与转子的旋转轴线AA’平行的方向在永磁体内纵向延伸。这种定向使得流体能够沿着流体的流通方向(图2中的实线箭头)从通道10的流体入口10-E朝向流体出口10-S流通。

在旋转的永磁体的情况下，转子2的旋转使得流体能够在通道10中流通。

在固定的永磁体的情况下，流体的供应可以通过未在本文中描述的附加系统(例如用于气体的风扇，用于液体的泵)而被迫实施。后一个示例仅涉及在定子处具有固定的永磁体的构型。

根据该情况，可以规定电机是所谓的“封闭式的”(也就是说，电机相对于外部环境是密封的)或者是所谓的“开放式的”，并且可以被迫地或者以其他方式使周围空气在电机自身内流通。

为了改善流体的流通，如图3所示，通道不平行于转子的旋转轴线AA’，而是相对于该轴线具有非零倾角α。因此，这种倾角使得能够产生流体的抽吸现象，该抽吸现象的方向为从位于最小半径处的点朝向位于最大半径处的点。

此外，通道的倾斜角度(介于1度至10度之间，通常为5度)是这样的参数，该参数使得能够获得良好的流量/长度/表面面积折衷，以优化热量交换，同时减少通道内的冷却剂经受的压力损失。

为了使入口损失最小化(即在一个或多个通道的供应水平处)并使感应到的流量最大化，流体入口10-E可以是喇叭形的(即皮托管类型)并沿转子2的旋转方向定向，以受益于动态压力。为了在出口处形成轻微的凹陷，促进内部流体的流量，出口10-S将沿着与转子2的旋转方向相反的方向定向。

为了适应所遇到的所有构型，就冷却通道的入口和出口处的静态压力水平而言，通道的横截面沿流的变化可以是恒定的、发散的(即所谓的“扩散性”)或收敛的。

为了使热量交换高效，通道与磁体之间的交换表面必须尽可能大，并且必须确保内部湍流状态(即表征为作为所使用流体的函数的雷诺数)。

规定至少一个磁体包括至少一个通道。然而，通道的数量取决于磁体的尺寸，但是根据磁体所需的标称的磁感应，该数量可以被优化，以便一方面提高冷却效率，另一方面减少磁体的制造成本。

在图2中，通道的形状是波纹形的，但是可以设想其他形状：直线形、螺旋形等。

以互补的方式，通道的内表面可以是光滑的或粗糙的，其粗糙度可以高达几十微米。选择粗糙表面使得能够通过获得所述湍流状态来促进热量交换，但是导致通道内部的流体流量降低。

对于磁体的正确冷却，通道的尺寸是重要参数。此外，通道的尺寸将以毫米为单位，以使流体在磁体芯部中的感兴趣区域中局部正确流动，而不增加压力损失。

例如，通过倾斜的通道和以非常快的速度旋转(>30000rpm)的电机，使得冷却剂在通道内部流通，在本文的这种情况下，该流通可实现相当大的接近50m/s-100m/s的速度，并且质量流量约为0.1g/s-0.2g/s。

以互补的方式，为了避免由过长的冷却通道产生过高的压力损失(这会对能接收的流量产生不利影响)，在转子长度较大的情况下(>100mm)，优选的解决方案是将磁体沿其纵向轴线分开，这特别地具有降低涡流损失的优势，该涡流损失是在磁体中流通的热源。

优选地，具有粗糙通道或光滑通道的磁体通过增材制造工艺来制造。具体地，所谓的“硬的”永磁体本质上是易碎的，使得不能设想在永磁体中钻孔或甚至对永磁体进行机加工。

这种工艺是SLM(Selective Laser Melting，选择性激光熔化)类型、EBM(ElectroBeam Melting，电子束熔化)类型或PIM(Powder Injection Molding，粉末注射成型)类型，PIM的原理是通过激光(SLM)或电子束(EBM)连续熔化磁粉层。这两种工艺使得磁性矩阵具有非常良好的机械耐受性，考虑到转子以非常高的旋转速度旋转，这是基本的方面。

此外，为了优化磁体的制造成本，增加了通道的数量，以减少所使用的粉末的量并减少制造时间。

以互补的方式，除了在磁体内具有冷却通道以外，还可以将散热器布置在电机的其他位置，如申请人名下的文献FR 3 012 698中描述的那样。

在此我们已经描述了一种电机，该电机在转子上带有定子线圈和永磁体。当然，本发明还适用于在定子上带有转子线圈和永磁体的电机，例如由所谓的连续直流电机形成的电机，其中，由磁体产生的感应磁通量相对于定子(即，所谓的“爪极”机动车辆交流发电机)是固定的。

本发明还涉及直流或交流电机，例如起动机-发电机、交流发电机或泵，包括如上文描述的电机。

并且本发明还涉及诸如直升机的飞行器的发动机，该发动机包括根据本发明的电机。

Claims (9)

1.电机，所述电机包括被构造成相对于彼此旋转驱动的定子(1)和转子(2)，所述转子(2)或所述定子包括多个永磁体(5)，所述电机的特征在于，至少一个永磁体包括至少一个流体传播通道(10)，所述至少一个流体传播通道在所述永磁体内纵向延伸，

所述传播通道包括流体入口和流体出口，所述流体入口是喇叭形的并且沿着所述永磁体的首选的旋转方向定向。

2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述传播通道具有如下的轮廓，所述轮廓被构造成使得在所述通道内传播的流体具有湍流。

3.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述传播通道沿纵向轴线被限定，所述纵向轴线相对于所述电机的旋转轴线具有非零角度，所述非零角度通常是介于1度至10度之间、通常为5度的倾斜角度。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的电机，其中，永磁体沿所述磁体的纵向轴线分开，以限制所述永磁体的传播通道的水平处的压力损失。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的电机，其中，所述传播通道是直线形的或波纹形的或螺旋形的。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的电机，其中，所述永磁体和所述至少一个通道(10)是根据增材制造工艺获得的。

7.根据权利要求1至6中的一项所述的电机，其中，每个磁体(5)具有相同形状或不同形状的通道。

8.直流或交流电机，例如起动机-发电机、交流发电机或泵，包括根据权利要求1至7中的一项所述的电机。

9.诸如直升机的飞行器的发动机，所述发动机包括根据权利要求8所述的起动机-发电机。

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