CN114379791A - 集成电力推进单元 - Google Patents

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cooling
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弗雷德里克·拉科
卡米亚尔·J·卡里米
尤金·V·索洛多夫尼克
阿龙·J·库茨曼
帕特里克·R·达姆施塔特
马里·E·贝克曼
亚历杭德罗·席尔瓦
尼古拉斯·J·西尔韦里
埃丝特·S·齐多韦茨基
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Boeing Co
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Abstract

一种集成电力推进单元，包括壳体、交流电机、β杆、推进器、调速器、逆变器和控制器。交流电机设置在壳体内，并且包括支撑在壳体内的多个轴承、通过多个轴承可旋转地联接到壳体的中空电机轴、由壳体支撑的定子以及安装到中空电机轴的转子。β杆可在中空电机轴内部轴向平移。推进器机械地联接到中空电机轴。推进器包括推进器叶片，该推进器叶片具有取决于β杆的轴向位置的可调节的螺距角。调速器配置为通过致动β杆的轴向平移来调节推进器叶片的螺距角。逆变器设置在壳体内，并且连接以接收直流电力而用于转换成交流电力。控制器设置在壳体内，并且配置为控制逆变器的操作和控制推进器叶片的螺距角。

Description

集成电力推进单元
技术领域
本公开总体上涉及用于飞机的电力推进单元。一些飞机具有电动推进系统(下文中称为“电动飞机”)。在这种飞机中，电动机将电力转换成机械动力以供推进系统使用。例如，电动机可以使飞机上的一个或多个推进器转动以提供推力。电动飞机可以采取各种形式。例如，电动飞机可以是飞机、旋翼飞机、直升机、四轴飞机、无人驾驶飞机或一些其他合适类型的飞机。
背景技术
典型的电力推进解决方案依赖于组装在一起以形成电力推进系统的离散联合部件。如本文使用的，当应用于组件的部件时，修饰语“联合”意味着这些部件彼此独立地设计。电机和逆变器是联合的部件，需要专用的机械结构、专用的冷却回路以及复杂的电气和控制接口。逆变器需要在机舱环境中紧密靠近电机。由于机舱体积小以及冷却通道、热交换器/空气管道、电线和控制线的布线的安装约束，逆变器和电机的机械安装是具有挑战性的任务。
传统的解决方案主要是分离的逆变器、电机和传动元件，在其间具有大量的电气和冷却接口。大多数电力推进部件是分离的实体——电动机、功率电子设备、传动装置和电池——封装起来非常类似于传统的涡轮推进系统。试图集成单个电气化传动系元件是复杂、昂贵和耗时的。电力推进系统是一种复杂的系统，在机舱和飞机机身内造成严重的集成问题。开发机械地集成机舱内的部件的优化集成解决方案将降低重量和成本。
发明内容
下面详细公开的主题涉及一种集成电力推进单元，与由联合部件组成的飞机推进系统相比，该集成电力推进单元具有降低的重量和成本。该系统包括简化的冷却系统，该冷却系统具有用于容纳在机舱内部的所有部件(电机、逆变器、推力轴承、调速器等)的单个回路。该系统设计使得能够简化电气部件的集成，实现合理的电连接数量，简化电磁干扰(EMI)滤波，简化电气线束和减少配电板数量。推进控制系统也被集成以减少控制器的数量并简化控制线束设计。
在下文描述的流体输送系统的上下文中，术语“通道”是指包括导管的中空主体，该导管用于将流体的流动从导管的一端处的一个开口引导到导管的另一端处的另一开口。流体进入导管的开口在此被称为“入口”；流体离开导管的开口在这里被称为“出口”。本文公开的通道的实例包括管道、管、冷却板、冷却夹套和固体中的内部通道。在下文描述的电机控制器的上下文中，术语“通道”是指由一组电源开关组成的逆变器，该电源开关由逆变器控制器控制。例如，具有三个逆变器的电机控制器被描述为具有三个通道，这三个逆变器向同一个电机提供相控交流电力。尽管下面将相当详细地描述用于飞机的集成电力推进单元的各种实施方式，但是那些实施方式中的一个或多个的特征可以在于以下方面中的一个或多个。
下面详细公开的主题的一个方面是一种电力推进单元，包括：壳体；交流电机，其设置在壳体内，并且包括支撑在壳体内的多个轴承，通过该多个轴承可旋转地联接到壳体的中空电机轴、由壳体支撑的定子以及安装到中空电机轴的转子；β杆，其可在中空电机轴内轴向平移；推进器，其机械地联接到中空电机轴，推进器包括推进器叶片，该推进器叶片具有取决于β杆的轴向位置的可调节螺距角；调速器，其配置为通过致动β杆的轴向平移来调节推进器叶片的螺距角；逆变器，其设置在壳体内并且被连接以接收直流电力而用于转换成交流电力；以及控制器，其设置在壳体内。控制器配置为执行操作，该操作包括：控制逆变器的操作；以及控制推进器叶片的螺距角。
下面详细公开的主题的另一方面是一种电力推进单元，包括：壳体；交流电机，其设置在壳体内，并且包括支撑在壳体内的多个轴承、通过该多个轴承可旋转地联接到壳体的电机轴、由壳体支撑的定子以及安装到电机轴的转子；逆变器，其设置在壳体内，并且连接以接收直流电力而用于转换成交流电力；控制器，其设置在壳体内，并且配置为控制逆变器的操作；以及冷却回路，其配置为引导循环液体的流动。冷却回路包括：油箱，其安装到壳体；冷却泵，其安装到壳体，用齿轮连接到电机轴，并且与油箱流体连通；以及冷却通道，其设置在壳体内部，并且连接以沿着流动路径将循环液体从冷却泵朝向油箱引导。冷却回路通常还包括热交换器。
下面详细公开的主题的另一方面是一种电力推进系统，其包括配置为产生直流电力的第一电池、连接到第一电池的第一直流电力输入线、以及连接到第一直流电力输入线的电力推进单元。该电力推进单元包括：壳体；交流电机，其设置在壳体内并且包括支撑在壳体内的多个轴承、通过该多个轴承可旋转地联接到壳体的电机轴、由壳体支撑的定子、以及安装到电机轴的转子；推进器，其机械地联接到电机轴；第一电磁干扰滤波器，其设置在壳体内并且被连接以经由第一直流电力输入线从第一电池接收直流电力；第一直流母线，其设置在壳体内并且连接到第一电磁干扰滤波器；多个第一逆变器，其设置在壳体内，该多个第一逆变器中的每个第一逆变器连接到第一直流母线；以及控制器，其设置在壳体内并且配置为控制多个第一逆变器的操作。
下面详细公开的主题的又一方面是一种电力推进单元，包括：壳体；交流电机，其设置在壳体内并且包括支撑在壳体内的多个轴承、通过该多个轴承可旋转地联接到壳体并且具有旋转轴线的电机轴、由壳体支撑的定子、以及安装到电机轴的转子；主驱动齿轮，其安装到电机轴的前端并且具有齿；推进器，其包括具有旋转轴线的中空推进器轴和具有可调节螺距角的推进器叶片，该旋转轴线与电机轴的旋转轴线偏离；β杆，其可在中空推进器轴内轴向平移；调速器，其配置为通过致动β杆的轴向平移来调节推进器叶片的螺距角；推进器轴驱动齿轮，其安装到中空推进器轴并且具有与主驱动齿轮的齿相互啮合的齿；多个功率模块，其从定子径向地向外设置；以及控制器，其设置在壳体内。控制器配置为执行操作，该操作包括：控制该多个功率模块的操作；以及控制推进器叶片的螺距角。
下面详细公开的主题的另一方面是一种电力推进单元，包括：壳体；多个第一轴承和多个第二轴承，其支撑在壳体内；主传动系轴，其由支撑在壳体内的多个第一轴承和多个第二轴承支撑；第一中空电机轴和第二中空电机轴，其围绕中空主传动系轴的相应的段；第一对机械联接装置和第二对机械联接装置，其分别将第一中空电机轴和第二中空电机轴选择性地联接到主传动系轴；第一转子和第二转子，其分别安装到第一中空电机轴和第二中空电机轴；第一定子和第二定子，其支撑在壳体内并且分别设置在第一转子和第二转子的径向外侧；以及推进器，其机械地联接到主传动系轴；以及控制器，其设置在壳体内并且配置为选择性地起动一对机械联接装置以使一个中空电机轴与主传动系轴脱离。
下面公开了用于飞机的集成电力推进单元的其他方面。
附图说明
在前述部分中讨论的特征，功能和优点可以在各种实施方式中独立地实现，或者可以在其他实施方式中组合。为了说明上述和其他方面的目的，下文将参考附图描述各种实施方式。
图1是示出了具有联合的机械、冷却和电气/控制部件的电力推进单元的概览的图示。
图2是示出了根据一个实施方式的具有机械、冷却和电气/控制集成的电力推进单元的概览的图示。
图3是示出了电力推进单元的机械部件集成在直接连接到飞机主结构的单个封装中的图示。
图4是示出了将电力推进单元的冷却、润滑和调速器油部件集成到单个液体系统中的图示。
图5是示出了电力推进单元的电机和逆变器的集成空气冷却的图示。
图6是示出了电力推进单元的电气和控制部件的集成的图示。
图7A至图7D是示出了电机/逆变器冷却集成和调速器/泵解决方案的实例实施方式的图示。
图8A是示出了根据另一实施方式的具有多通道集成的电力推进单元的概览的图示。
图8B是示出了用于图8A所示的电力推进单元的集成多相容错电机设计的图示。
图9A是示出了根据另一实施方式的具有传动系集成的双电机电力推进单元的局部截面图的图示。
图9B是表示图9A所示的双电机电力推进单元中的同心轴布置的端视图的图示。
图9C是示出了传动系集成在图9A所示的双电机电力推进单元中的图示。
以下将参考附图，其中不同附图中的相似元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
下面相当详细地描述了用于飞机的集成电力推进单元的说明性实施方式。然而，在本说明书中没有描述实际实现方式的所有特征。本领域技术人员将理解，在任何这种实施方式的开发中，必须做出许多对于实现方式来说特定的决定以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关的约束，这些约束将从一个实现方式到另一个实现方式而变化。此外，应理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说，这不过是常规任务。
为了说明的目的，下面描述用于分配从多个电池汲取的负载功率以为电动飞机的推进提供动力的系统。然而，本文提出的技术不限于其对飞机的应用，并且还可以应用于其他类型的电动车辆的推进，例如汽车、工业卡车和火车。
图1是识别具有联合的机械，冷却和电气/控制组件的典型电力推进单元100(下文中称为“联合EPU 100”)的部件的图示。联合EPU 100部分地由将直流电力转换成交流电力的多通道电机控制器(MC)形成。电机控制器的每个通道包括由相应的逆变器控制器5控制的相应的逆变器50。每个逆变器50之前有相应的电磁干扰滤波器24(以及可能的其他前端电路)。联合EPU 100还包括经由多个或多组交流电力线6从逆变器50接收交流电力的交流电机30。联合EPU 100还包括由交流电机30驱动以旋转的推进器32。推进器32包括机械地联接到交流电机30的输出轴的推进器轴34和多个推进器叶片36。推进器轴34联接到推力轴承38以形成推力轴承/推进器轴组件70。联合EPU 100还包括调速器42(又称为推进器调速器)，其配置为通过改变推进器叶片36的螺距角(下文中称为“螺距”)来保持推进器32的恒定旋转速度。液压调速器通过使用液压阀控制通过推进器32中的液压机构的发动机油流而实现这一点。结合在调速器中的控制器配置为控制通过液压阀(图1中未示出)的发动机油流。当希望减小叶片螺距时，液压阀打开，并且泵40c(与第三歧管54c和油箱46c一起)升高油压以通过推进器32提供快速和正响应。根据其位置，液压阀将油流引导到推进器(增加螺距)，允许从推进器回流(减小螺距)，或者以公知的方式处于没有油流的中间位置(恒定螺距)。
在图1所示的实例中，逆变器50形成三个电机控制器通道，用于向交流电机30的定子25中的星形连接绕组26(下文中称为“电机星形绕组26”)的相应组提供交流电流。每个逆变器50包括相应的一组电源开关，其由经由连接到歧管54a的相应冷却管9提供的液体冷却剂冷却。各个逆变器50的电源开关电连接到交流电机30中的各组定子绕组。逆变器50还包括传感器(图1中未示出)，其测量由逆变器50输出的交流电力信号的电压和电流，将该传感器数据反馈到相应的逆变器控制器5。逆变器的操作由逆变器控制器5控制。更具体地，每组电源开关(例如MOSFET)的开关状态由相应的逆变器控制器5控制，该逆变器控制器向半导体电源开关的栅极发送栅极驱动信号。以这种方式，逆变器50可以以不同的相位操作，以将直流电力转换成用于交流电机30的多相交流电力。在图1所示的实例中，交流电机30是3×3相交流电机。控制器5分别控制逆变器50的操作(切换)。
在图1所示的系统中，HVDC电源是电池18。例如，电池18可以包括并联或串联地布置在正极和负极母线之间以形成电池组的多个电池模块。每个电池模块是单独电池(图1中未示出)的并联/串联布置。每个电池模块可以由关联的模块监测单元(图1中未示出)监测。HVDC电源还包括配置为管理电池18的操作的电池管理系统22。结合在电池18中的每个模块监测单元将表示虚拟电池电压和单个电池温度的传感器数据传送到电池管理系统22。电池管理系统22还从电流传感器(图1中未示出)接收数据。该系统还包括直流电压转换子系统(图1中未示出)，其配置为经由电池接触器从电池18接收高压直流电力，并且将该高压直流电力转换成低压直流电力以用于该系统或更广泛的车辆平台中的其他(非推进)部件。图1所示的系统还包括配电板20。配电板20包括经由相应的总线接触器16连接到直流电力输入线8的HVDC总线4。直流电力输入线8将HVDC电力从直流电压转换子系统输送到逆变器50的相应通道。电池18、直流电压转换子系统和配电板20可以安装在机身102中(或者可能地在机翼中)，而直流电力输入线8穿过机翼104。由于空间和弯曲半径的约束，将单独的电源线和控制线引导到单独的逆变器是困难的。需要附加的配电板来将电池输出分到多个通道中，以容纳多个逆变器输入或容纳附加的电源，例如附加的电池、发电机或燃料电池。
联合EPU 100还包括热管理系统108，其配置为冷却逆变器50并且冷却和润滑电机30以及推力轴承/推进器轴组件70。热管理系统108包括热交换器56，其在飞机被向前推进时接收冷却空气62(由图1中的指向左侧的箭头指示)。热交换器56配置为使得冷却空气62经由独立的冷却回路从由逆变器50、电机30和推力轴承/推进器轴组件70返回的液体冷却剂提取热量。在图1所示的实例中，冷却回路包括专用的联合泵40a-40d和油箱46a-46c。
更具体地，用于逆变器的冷却回路50包括泵40a和油箱46a，其与热交换器56和第一歧管54a流体连通(经由冷却管道或通道)。液体冷却剂从第一歧管54a循环通过相应逆变器50内的相应冷却板(这些板被热联接以冷却每个逆变器中的电源开关)，然后回到第一歧管54a。泵40a由从逆变器45a接收交流电力的电机44a驱动。
用于电机30的冷却/润滑回路包括泵40b和油箱46b，其与热交换器56和第二歧管54b流体连通(经由冷却/润滑管道或通道)。液体冷却剂/润滑剂从第二歧管54b循环通过定子25并且通过推力轴承/推进器轴组件70，然后经由冷却管道或通道回到第二歧管54b。泵40b由从逆变器45b接收交流电力的电机44b驱动。
冷却/润滑管道需要从两个不同的冷却回路引导到每个逆变器和电机星形绕组。冷却管道的数量和具有两种不同电路类型的布线产生复杂性和集成挑战。为每个回路安装专用的泵和油箱增加了机舱集成的复杂性和挑战。推力轴承/推进器轴组件70和调速器42是联合的部件，需要专用的机械结构和冷却/润滑回路。推力轴承38将电机30与推进器32机械地脱离。推力轴承38需要可以与电机冷却系统并联连接的润滑系统和附加的专用扫气泵40d。通常，调速器42用于通过液压致动器/β杆系统控制推进器螺距。此系统需要由附加的泵40c和油箱46c提供的高压油系统。
如图1所示，该系统还包括安装在发动机机舱内的发动机控制单元10(下文中称为“ECU 10”)。ECU 10与逆变器50内的逆变器控制器5连接。逆变器控制器5通信地联接以从ECU 10接收控制信号并且向ECU 10发送反馈信号，其对所有逆变器控制器5执行监督和协调的作用。ECU 10还通信地联接到电力推进控制器12(下文中称为“EPC 12”)，其控制图1所示的飞机电力推进电机驱动系统的整体操作。
EPC 12接收来自飞行控制计算机14的命令，该飞行控制计算机进而接收来自位于驾驶舱上的推力控制杆21和螺距控制杆23的飞行员推力和螺距输入。EPC 12还从速度和位置传感器(图1中未示出)接收与推进器旋转速度成比例的信号。另外，EPC 12从电流传感器(图1中未示出)接收表示测量电流的信号。EPC 12将指令发送到发动机控制单元10，用于基于来自传感器和飞行员输入的信息控制逆变器的操作。EPC 12还与电池管理系统22连接。EPC 12配置为将数字扭矩命令信号51发送到发动机控制单元10，并且将模拟螺距命令信号52(例如，顺桨命令)发送到调速器42。EPC 12还配置为控制电池接触器48和配电板20上的总线接触器16的状态。
根据图1所示的架构，系统由EPC 12控制。EPC 12通过推力控制杆21和螺距控制杆23接收来自飞行员的输入。为了优化推进系统操作，无论推力和螺距命令如何，推进器速度都必须保持恒定。EPC 12从速度传感器接收指示推进器速度的传感器数据，将测量速度与参考速度信号进行比较，并且产生发送到ECU 10的扭矩命令。
在用于EPU的典型电机控制器中，使用多个逆变器，并且需要连接到机身102内部的配电板20并通过机翼104引导到机舱内部的单独的直流电力线。交流电力线6需要在机舱内部从每个逆变器50引导到每个电机星形绕组26。所有直流电力线和交流电力线都容易产生电磁干扰(EMI)并且需要EMI滤波器24和/或屏蔽。配电板相对复杂，并且包括用于每个逆变器的专用电力通道，该逆变器具有相应的接触器和熔丝装置以及保护协调。从同一个HVDC总线4馈电的多个逆变器的电气集成是困难的，需要开发严格的功率质量和交互要求以限制逆变器之间的串扰和循环电流。系统重量受到额外的滤波器和对策的影响。而且，交流电机30和逆变器50具有其自己的壳体，显著增加了重量和成本。另外，控制功能需要与多个逆变器通信。在机舱中需要本地ECU 10将来自EPC 12或飞行控制计算机14的信息多路传输到逆变器控制器5。
为了将所有上述联合部件机械地安装在机舱中，需要开发网状机械结构(下文中称为“空间框架60”)以将所有部件互相连接在一起并且将整个组件与飞机主结构106(参见图1)连接。空间框架60和各个部件结构需要根据推进器和机身特性设计成具有适当的共振模式和阻尼。因此，由于每个单独部件的单独设计、系统建模和迭代收敛，设计过程是困难的。而且，联合部件集成方法伴随有由于多个壳体和附加网状结构而引起的显著的重量损失。
图2是示出了根据一个实施方式的具有机械、冷却和电气/控制集成的集成EPU110的概览的图示。如本文使用的，当应用于组件的部件时，修饰语“集成”意味着这些部件结合设计以优化一组参数。本文提出的概念涉及将电机30、具有相应硬件逻辑逆变器控制器7(下文中称为“硬件管理器7”)的逆变器50、推力轴承/传动装置/推进器轴组件72(下文中称为“TB/T/PS 72”)和调速器64集成到单个封装中，以产生集成的EPU 110。不是试图将系统“撬杠”(塞进或紧密封装)到现有架构中，而是目的是将所有的传动系部件结合到单个实体中以优化重量、成本、体积集成、安装和维护。将集成的EPU 110开发为将所有电力推进系统功能分组的单块集成封装组件。所得到的EPU集成封装是用于飞机发动机功能的机舱嵌入式安装。这种与集成系统结合的即插即用方法使得仅能够安装一个单元，并且组装仅要求集成的EPU 110连接到电池18和连接到热管理系统108。虽然在图2中示出了电动推进器驱动的实例，但是这个概念也适用于电动和混合涡扇发动机。所提出的集成系统允许排除接口部件、连接器系统、单独的冷却回路和密封。集成系统将实现更小、更轻的封装并提高效率和成本。其还使得能够进行关键的权衡，包括集成的电机设计(损失、体积)和传动装置设计(比率速度)、成本权衡(电机、传动装置)和降低的系统重量。
根据一个实施方式的集成EPU 110包括集成在EPU壳体112内的集成电机和逆变器功率电子器件76。EPU壳体112进而被分成逆变器功率电子器件隔室114和电机隔室116。EPC12嵌入在逆变器功率电子器件隔室114中。单个直流电力输入线8经由公共的EMI滤波器24和具有交错的导体层/绝缘层的公共的低电感直流母线15(下文中称为“公共直流母线15”)将直流电力馈送到所有逆变器50。在层压的公共直流母线15中的每层导体连接到EMI滤波器24和连接到该多个逆变器50中的相应逆变器。集成的EPU 110还包括与EPU壳体驱动端板80集成的TB/T/PS组件72。调速器64与EPU壳体后端板(在图2中不可见)集成。
根据图2所示的实施方式，调速器64联接到集成的β杆58，其可以轴向平移以改变推进器叶片36的螺距。另外，齿轮传动的多元件冷却/润滑泵66和油冷却油箱68集成在EPU壳体112的底部中。齿轮传动的多元件冷却/润滑泵66的泵元件(稍后参考图4描述)直接从主电机轴(图2中未示出)齿轮传动。EPU壳体112用作直接连接到飞机主结构106的主结构元件。
通过将一起工作的所有单独模块封装到一个系统中以形成集成的EPU 110而可实现的高集成度使得能够优化重量、成本和封装尺寸。由于将功能组合在一个壳体内，所以EPU在机舱中的安装比联合设计中的安装要简单得多。所提出的高度集成的机电模块提供了机舱集成和最佳解决方案，同时最小化了与电缆和流体管道的接口。
本文提出的集成EPU 110在一个封装中提供了现有技术的传动装置技术、电动机和功率电子器件。与联合解决方案相比，集成EPU解决方案提供了机舱安装和飞机部件简化的关键优化：(a)集成EPU封装设计相对于单独部件封装设计的优化以及与空间框架60的集成，以形成集成机械安装点74，导致显著的重量和成本节省；(b)与现有技术的零碎方法相比，将完整的EPU直接安装在机舱内，导致显著的成本节省，同时易于安装和维护；(c)简化了与从集成EPU 110到热交换器56(其在集成EPU 110的外部)的单个冷却管线82的热接口，而在机舱内部没有其他互相连接的冷却/油管线；(d)通过在电机30和逆变器50之间不包括任何外部交流线，并且通过提供单个直流电力输入线8以经由EPU壳体112内的公共直流母线15将直流电力馈送到交错的逆变器50，简化了电气布线系统；(e)简化/删除了飞机配电板，没有用于每个逆变器50的单独配电单元；(f)通过将EPC 12嵌入在逆变器功率电子器件隔室114内以提供与飞行控制计算机14的简单通信接口(由图2中的一对双头箭头指示)来简化控制接口；(g)通过提供从集成EPU 110到飞机主结构106的集成机械安装点74以用于负载传输来简化机械接口；(h)在转子和围绕转子的逆变器系统(图2中未示出，但是参见稍后描述的图7A至图7D)之间集成组合空气冷却系统的机会；以及(i)ECU功能由安装在机舱内的EPC执行，其提供了优于图1所示的联合系统的另一个重量和成本节省优势)。
对于联合系统，电机、逆变器和传动装置被独立地和单独地开发。联合系统通过将部件螺栓连接在一起而组装，用插头、电缆和线束以及管道连接。测试并校准该组件。相反，本文提出的集成系统通过使用不同子组件之间的不同协同作用并且使用由集成封装提供的创新设计自由度来实现设计的优化。例如，在集成的封装中，可以将传动装置速度比率定制为优化电机尺寸。推力轴承/推进器轴组件也可以作为集成系统进行优化。可以通过在不同组件之间相互配合来优化冷却。例如，可以移除电机内部的水冷夹套，而改为使用油传动流体来冷却，从而合并壳体以实现紧凑设计。
如前所述，典型的现有技术的电力推进解决方案依赖于机舱隔室中的大量单独部件(例如逆变器、电机、调速器、推力轴承/推进器轴、控制器和辅助部件(例如冷却泵和冷却油箱))的安装。所有那些部件通常互相连接到第二网型结构(例如，图1中的空间框架60)。空间框架60连接到飞机主结构106。独立部件的安装倍增提供了复杂的解决方案，其中在机舱内的重量和体积方面具有重大的集成挑战。与电线、冷却管道、控制线束等的系统互连难以在机舱内开发并且易于发生故障。联合机舱的机械/封装设计不是最佳的，因为每个部件具有其自身的非结构壳体，并且另外需要空间框架60来提供到飞机主结构106的主负载路径。许多壳体不利于联合解决方案的总成本和重量。空间框架60需要提供多个附接点和对不同部件(逆变器，控制器，电机等)的支撑，这需要复杂的设计和加固。
图3是示出了根据一个实施方式的集成EPU 110的机械部件在直接连接到飞机主结构106的单个封装中的集成的图示。机械集成使得能够将EPU壳体112直接用作到飞机主结构106的结构路径，从而与现有技术的联合解决方案相比，减少了整体重量。通过将独立部件的所有壳体合并到集成封装中，进行了附加的优化以减小整体机械结构的重量。EPU壳体112可以被最优地设计成以在可能与系统刺激(推进器，机身)交互的不期望区域之外的固有频率振动。通过将所有单独的壳体合并在一起的EPU集成通过在一个中心位置使用所有可用的材料以创建刚性的坚固单块封装来提供对系统频率设计的最佳解决方案。
图3所示的集成EPU 110包括直接集成在EPU壳体112的电机驱动侧中的TB/T/PS组件72。EPU壳体112内的集成使得能够排除用于推力轴承/推进器轴功能的专用壳体和相关支撑结构。EPU壳体112内的集成还通过与内部油系统(下面更详细地描述)集成而使得能够容易地润滑。TB/T/PS组件72包括接地环(图3中未示出)，以提供轴接地和轴承电流保护。可选地，TB/T/PS组件72可以包括在电机30和推进器32之间的减速器/传动装置和离合器功能，电机轴可直接用作传动轴，简化了与传动系统的接口。更具体地，该系统设计成没有用于将电机与推力、弯矩和轴向未对准隔离的套筒轴和推进器轴，使得电机轴直接联接到推进器。推力轴承38也可以成为电机驱动侧轴承，这使得能够排除典型的联合解决方案中所需的附加轴承。TB/T/PS组件72的集成使得能够减少系统级的轴承和接口的数量，从而与现有技术的联合解决方案相比提供重量和成本的改进。
另外，电机30的电机星形绕组26和电机控制器(MC)的逆变器50共同定位在EPU壳体112中，这使得能够共享机械结构和冷却通道，并且使得电机绕组和逆变器相脚之间的电连接容易。图2所示的逆变器功率电子器件隔室114通过允许逆变器50和电机星形绕组26的电互连的隔板与电机30分开。在替代实施方式(以下参考图7A和图7D描述)中，电机控制器可以配置为使用定子铁或壳体作为支撑结构并且使用定子冷却通道或夹套来围绕(360度)定子25以向逆变器50的半导体电源开关提供冷却。逆变器50和电机30的共同定位还使得能够排除笨重的附加壳体和笨重的高规格连接交流线。这种共同定位还使得能够实现逆变器50与电机星形绕组26和定子25的芯之间的冷却系统集成。电机30具有多个电机星形绕组26，其围绕定子芯的圆周以相等的角间距分布在相应的角位置中。逆变器模块以类似的方式分布，从而提供与绕组电连接和冷却的容易集成。
图3中描绘的实施方式还包括将调速器功能集成在集成的EPU封装内。调速器64包括与机械系统联接的液压致动器(图中未示出)，该机械系统包括控制推进器叶片螺距的集成β杆58。调速器64安装到EPU壳体112的后侧。调速器64由直接来自EPU集成油系统(图3中未示出)的油88产生的液压提供动力。集成β杆58设置在中空电机轴78内，该中空电机轴从调速器隔室穿过逆变器功率电子器件隔室114和电机隔室116。集成的β形杆58通过插入件86a和86b支撑在中空电机轴78中，以保持β形杆在中空电机轴78内居中，而不会有过度的振动。插入件86a和86b附设在中空电机轴内部并且与其一起旋转。然而，插入件86a和86b还配置为支撑β杆58，同时允许β杆58轴向滑动通过插入件中的开口(例如，通过轴承)。集成的β杆58的流体压力由调速器64的液压阀的状态控制。β杆58中的此压力以公知的方式移动活塞并且改变推进器叶片36的螺距。
本文提出的集成EPU概念使得通过实现不同部件(例如电机绕组、电机轴承、逆变器、推力轴承和调速器)之间的共享，能够简化用于润滑和冷却的油路。所有的油分配系统都在EPU壳体112的内部，只有热交换器56位于EPU壳体112的外部，但是在机舱内。齿轮传动的多元件泵66和油冷却油箱68与EPU壳体112以及油分配回路、歧管(压力通风系统)和通向不同元件的通道集成。
现有技术的联合系统通常使用具有多个泵和油箱的系统，用于冷却电机和逆变器，润滑推力轴承，以及向调速器供应油压，从而可能产生四个独立的液体系统。液体系统的数量通过重复许多部件而不利地影响系统重量和成本。对于典型的联合系统，需要许多互相连接的管道和管来将不同压力下的多种流体分配到推进单元部件。在机舱中为每个回路安装多个专用的泵和油箱不利地影响重量、体积和成本。另外，对于一些部件，例如电机，内部轴承可能是油脂润滑的，由于提供用于冷却、润滑和扫气相应部件的多个回路所涉及的复杂性，这负面地影响可靠性和维护。
图4是示出了将用于提供冷却、润滑和调速器油的单个液体系统集成在集成EPU110中的图示。高度集成的机电封装解决方案的发展使得能够在系统级上利用适当的液压接口在共享冷却的不同推进元件之间实现冷却协同。集成EPU概念使得用于冷却或润滑的所有子系统能够集成到单个液体系统中。集成EPU 110具有集成油箱68，其接收从需要冷却，润滑或油压的所有不同部件返回的油。集成EPU 110还包括直接联接到电机的主轴的集成齿轮传动多元件泵。从电机轴驱动泵消除了联合泵所需的驱动电机和逆变器。集成泵包括不同的元件以向不同的子部件提供足够的流量和压力。用于油流的通道由图4中的箭头表示。
如图4所示，集成齿轮传动多元件泵的元件包括高流量低压冷却/润滑泵66a(下文中称为“冷却/润滑泵66a”；在图4中也标记为“Pc”)，用于将冷却油串联地供应到逆变器50，然后供应到电机30，并且并联地供应到推力轴承38以用于润滑。更具体地，冷却/润滑泵66a从集成油箱68汲取油，然后将油泵送通过热交换器56并进入到内部歧管54d。然后，加压的油并行地流动通过逆变器/电机冷却通道11并通过轴承润滑通道90。在冷却电机30之后，油经由内部歧管54e和返回通道91返回到集成油箱68。
集成齿轮传动多元件泵的元件还包括扫气泵(scavenging pump，回油泵)66b(在图4中也标记为“Sc”)，其在轴承扫气通道92中提供压力以对来自推力轴承38和其他电机轴承的油进行扫气。被扫气的油从推力轴承38经由轴承扫气通道92和扫气泵66b返回到集成油箱68。
集成齿轮传动多元件泵的元件还包括低流量高压调速器泵66c(在下文中称为“调速器泵66c”，在图4中也标记为“Pg”)，其为调速器64提供油压增压，以用于叶片螺距角调节的致动。加压的油从调速器泵66c经由调速器加压油通道94流到调速器64；调速器64中的油经由回油通道96返回到集成油箱68。
因此，在EPU集成封装内部完成对多个部件(电动机、逆变器、轴承和调速器)的油分配，而不需要任何外部油管线或管道。唯一需要的液压/油连接是位于机舱中的外部热交换器56。EPU集成热/油管理系统使得能够使用单个泵和油箱系统来在适当的流速和压力下向所有的油冷却或油润滑部件供应用于冷却或润滑的油。在可能消除否则将增加重量和成本以及成为可能泄漏源的管道和配件的情况下，使用传输管和内部通道。
独立设计(联合)的部件也可以具有不同的流体、温度和压力要求。集成所有部件的设计使得这些部件能够兼容。典型的联合方法不支持在逆变器和电机绕组之间共享内部冷却，因为这种冷却需要在两个元件之间的复杂且麻烦的管道和管路。可能将完整的逆变器块(三个逆变器)与完整的电机座(三个电机星形绕组)串联连接，具有一些外部油分布，但是结果将不是最佳的热性能(从逆变器馈送至电机绕组的高Δ温度)和液压性能(高压降)。电机和逆变器元件的共同定位使得能够在串联冷却配置中在每个逆变器及其相关联的电机星形绕组之间共享冷却。主冷却油回路被分成三个独立的平行路径，为每个逆变器/电机星形绕组组合提供冷却。逆变器50和电机星形绕组26可以直接共享相同的冷却夹套，或者逆变器冷却板可以与电机星形绕组冷却路径串联连接。所提出的这种配置使得能够实现具有串联连接的每个逆变器和电机通道的优化的冷却解决方案，同时通过使三个独立的冷却回路(环路)并联来减小总压降。
对于调速器螺距致动，使用附加的低流量泵元件来提升来自主低压/高流量回路的压力，以产生调速器所需的所需高压(具有低流量)。通过使用与主回路串联的增压元件，使得能够具有用于调速器回路的小的优化元件。对于轴承扫气，与联合方法中对来自电机的整个流进行扫气相比，使用附加的小扫气元件来仅对轴承元件进行扫气。
此外，通过实现齿轮箱、调速器、逆变器和电机之间的冷却共享，本文提出的解决方案是对所有推进元件使用单个冷却系统，从而与现有技术的解决方案相比显著简化了冷却系统。另外，齿轮泵和油箱的集成提供了优化的重量和体积解决方案。
在典型的EPU中，可以根据详细的电机设计使用不同的技术来冷却电机转子。然而，对于高功率电机，一个优选的设计选择是不在定子和转子之间的气隙中喷射油，因为油会引起显著的液压/机械损失。在一种简单的设计中，转子可以通过对流和传导冷却的混合来冷却。更先进的设计使用通过转子轮抽吸的气流来向转子磁体提供冷却。
逆变器功率电子器件当前依赖于液体冷却系统来移除由半导体电源开关、滤波器和电路板产生的热量。半导体电源开关安装到冷却板并与冷却板直接接触，液体冷却剂流过该冷却板。由于在冷却板上缺乏空间并且缺乏从这些部件排出热量的另一种冷却介质，电子控制板和电容器的冷却可能是具有挑战性的。
典型的联合设计不能在逆变器设计中实现转子空气冷却。逆变器冷却板占用面积必须容纳所有部件以使得能够与冷却板(包括半导体电源开关和直流链路电容器)直接接触。控制板和驱动板通常不与冷却板接触，并且由于缺乏冷却而经受高操作温度。增加外部风扇或产生到具有壳体散热片的外部结构的热传导将通过增加重量和成本而对逆变器设计具有显著影响。
图5是示出了集成EPU 110的电机30和逆变器50的集成空气冷却的图示。通过集成EPU 110的冷却气流由指向左侧的箭头指示。集成EPU 110设计成使得电机转子空气冷却能够被引导通过逆变器功率电子器件隔室114，以向不与冷却板直接接触的部件提供冷却。电机转子轮设计成具有叶轮能力以通过转子中心抽吸冷却空气62a。电机前板具有格栅，该格栅具有空气入口以使得空气能够流动通过转子内轮。转子轮可包括在转子磁体的背面的散热片，以便以适当的速度引导空气，并且使空气流动靠近磁体。吸入转子轮中的冷却空气62a用于从磁体去除热量并且限制其操作温度。
一旦冷却空气62b离开电机，其一部分可直接引导到逆变器功率电子器件隔室114中，以冷却诸如驱动板、控制板的部件，并且可能地冷却诸如电容器和电感器的滤波器部件。强制空气冷却的使用允许不与冷却板接触的所有电子部件的有效、轻质的冷却。或者，可将空气引向集成在逆变器功率电子器件隔室114中的冷却片，以增加通过此界面提供的对流冷却。离开逆变器50的冷却空气62c冷却公共的EMI滤波器24，而离开逆变器50的冷却空气62d冷却EPC 12。
向功率电子器件部件提供强制空气冷却具有的优点是逆变器可以具有紧凑的设计，其中液体冷却用于半导体功率模块，并且空气冷却用于直流链路电容器和控制器/驱动板部件。可将空气直接吹到那些部件上或吹到与那些部件热接触的散热片结构(冷却板或壳体)上。所提出的紧凑设计还使得逆变器冷却板占用面积能够减小。因此，本文提出的集成EPU 110通过使得逆变器和电机能够共享液体和空气冷却系统来提供显著的设计优化。
另外，将所有逆变器50集成在单个封装中使得能够实现多个电协同，以优化功率电子器件设计和电机绕组。图6是示出了根据一个实施方式的集成EPU 110的电气和控制部件的集成的图示。EPU逆变器集成使得在集成EPU 2和电池18之间的单个线束中能够具有用于EPU的单个直流端子和直流电力输入线8。通过使用单个直流双(正/负)线束而不是三个直流双线束，简化了电池18和EPU 2之间的飞机布线。而且，EPU和电池上的额外连接器的数量减少。因此，集成的解决方案通过使用单个输入和EPU壳体112内的公共直流母线15简化了直流电力分配和布线。通常，出于安全和EMI目的，需要屏蔽飞机布线。使用单个线束使得屏蔽比使用多个线束明显更容易。简化线束和避免额外的连接器使得能够在飞机内简单地集成，从而节省重量，体积和成本。集成方法还避免了专用逆变器电力分配的使用，并且使得能够将电力从电池18直接馈送到EPU壳体112内的公共母线。
另外，逆变器和电机的共同定位避免了对大规格交流连接线的需要。在典型的联合解决方案中，对于每个逆变器50，三个单相导体必须在逆变器和用于每个电机星形绕组26的电机之间布线。对于高功率推进电机，通常每个逆变器具有多个电机星形绕组以实现所需的额定功率。这需要大量的大规格导线(9至18个)来实现逆变器50和电机星形绕组26之间的互相连接。那些导线的布线是复杂且昂贵的，并且可能显著地影响重量和体积。利用图5所示的集成EPU 110，所有交流布线都变得不必要，并且电机星形绕组和逆变器相脚之间的连接直接通过集成封装中的小母线57来完成。
另外，在典型的联合解决方案中，交流线是EMI扰动和电机绕组过电压应力的重要贡献者。交流线通常需要相当短以限制电机绕组过电压应力，并且需要完全屏蔽以减轻周围设备的EMI扰动。由于连接是可能的最短，从而限制了绕组过电压，并且由EPU壳体112提供EMI屏蔽，所以本文提出的集成解决方案提供了对这两个问题的极好的解决方案。另外，由于交流寄生电容几乎被置零并且不限制逆变器开关，所以这种类型的集成使得能够增加逆变器的开关频率。增加开关频率降低了电机转子损耗并且优化了电机磁性设计。
另外，本文提出的集成封装使得能够使用交错和集中滤波来优化EMI的滤波(参见图6中的公共EMI滤波器24)。所有逆变器50连接到公共直流母线15，并且共享公共的单个直流链路电容器(图6中未示出)。通过使用在三个逆变器之间共享的集中直流链路电容器，与用于三个单独逆变器的三个直流链路电容器的总尺寸相比，可能减小逆变器的总数量所需的直流链路电容器的大小。所有逆变器50都使用公共直流母线15直接连接到公共直流链路电容器。根据一个所提出的实现方式，公共直流母线15是具有导体和绝缘的交错(交替)层的低电感层压母线，并且逆变器50的开关模式使得交流电力信号同相交错。此技术允许减小由三个交错逆变器产生的扰动，这进而使得直流链路电容器的电容与联合方法相比能够减小。在典型的联合方法中，用于每个逆变器的输入滤波器包括差动电感器，以限制逆变器之间的潜在循环电流。本文提出的集成方法消除了每个逆变器中的单独的输入滤波器电感器，从而节省重量/体积并提供改进的效率。相反，典型的联合方法不允许这种优化，因为逆变器50彼此独立，并且不可能使开关模式交错。另外，对于联合逆变器，由于开关模式在彼此之间是随机的，所以需要直流输入滤波器电感来限制再循环电流。
逆变器直流输入是与电气系统的其余部分的主接口。系统中最长的馈线是从电池18到逆变器50的直流电力输入线8。控制通过此接口产生的EMI辐射是重要的。对于联合方法，每个逆变器需要专用滤波器，其大小适于单个逆变器的相应开关模式。本文提出的集成方法使得能够将公共的EMI滤波器24结合在用于逆变器50的组的共模/差模配置中。公共的EMI滤波器24的大小被设置为交错逆变器开关模式的函数，从而使得能够减小集成EPU 110的重量和体积。
在本文提出的集成方法中，所有逆变器50由单个直流电力输入线8经由公共直流母线15馈电。在逆变器故障的情况下，可以通过使用有源短路(ASC)方法(其中故障逆变器的电源开关闭合)来隔离故障逆变器，以在一个逆变器故障的情况下隔离其他逆变器(即，其他电机控制器通道)。本文提出的集成解决方案使得能够使用每个电机星形绕组的ASC来管理逆变器故障；不需要断开接触器或烧断每个逆变器的熔丝。集成解决方案使得可能实现具有最小电力分配的容错设计。
根据一个实施方式，嵌入式EPC 12是配置有相应软件模块的控制器，该软件模块实现以下功能：(a)电机速度回路；(b)螺距控制回路；(c)电机电流回路；(d)由逆变器50输出的功率信号的交错；以及(e)模式控制。
总之，本文提出的集成解决方案通过组合公共直流链路电容器、单个直流端子、简化的直流电力分配、简化的布线和集成速度/位置传感器控制来提供电协同。
图7A至图7D是示出了电机/逆变器冷却集成和调速器/泵解决方案的实例实现方式的图示。
图7A描绘了集成EPU 110，其中电机轴33可旋转地安装在EPU壳体112内(在图7A中仅部分地示出)。电机轴33由电机轴轴承35支撑。转子28的转子芯39安装在中空电机轴33上，其中多个永磁体37围绕其周边布置。转子28被包括定子芯27和定子绕组29的定子25包围。定子25进而被具有液体冷却剂19流过的通道(在图7A中从右到左，如指向左侧的箭头所示)的冷却夹套41包围。冷却夹套41安装到定子25的背铁上。(背铁是定子芯径向外侧的壳体。)多个功率模块31安装在冷却夹套41的外表面上，每个功率模块包括相应的逆变器和逆变器控制器。冷却夹套41配置为使得流过冷却夹套41的通道的液体冷却剂19冷却定子25和功率模块31两者。
仍然参考图7A，EPU 110还包括安装到电机轴33的前端的主驱动齿轮49。主驱动齿轮49的齿与泵驱动齿轮47的齿和推进器轴驱动齿轮55的齿互相啮合，这两个齿都偏离电机轴33的中心轴线。将液体冷却剂泵送通过冷却夹套41的泵98具有附接到泵驱动齿轮47并由其驱动旋转的输入轴。推进器轴驱动齿轮55安装到推进器轴34，该推进器轴是中空的并偏离电机轴33。推进器轴34由推力轴承38支撑。齿轮组适于相对于作为传动装置子组件的一部分的电机轴33的旋转速度降低推进器轴34的旋转速度。调速器64位于偏离的推进器轴驱动齿轮55的后面，并且控制中空推进器轴34内的β杆58的轴向位移以改变推进器叶片(图7A中未示出)的螺距。
图7B描绘了根据替代实施方式的EPU 110，其中使用夹套/背铁冷却和溢流式定子(flooded stator)解决方案的组合来冷却定子25。更具体地，冷却夹套41的出口与具有出口3a的定子内部冷却通道3流体连通。在溢流式定子的情况下，定子绕组29浸没在冷却流体中以提供直接有效的冷却。定子25具有定子壳体43(也称为背铁)，其限定了定子内部冷却通道3，该定子内部冷却通道使得冷却流体能够直接循环通过形成在定子芯27中的绕组槽。以与图7A所示的配置类似的方式，功率模块31直接安装在冷却夹套41中。图7B中描绘的实例实现方式使用行星齿轮箱53以允许中空电机轴78比推进器轴34旋转得更快，其中调速器64安装到EPU壳体112的后面并且β杆58延伸EPU 110的长度。另外，泵98连接到行星齿轮箱53中的行星齿轮。
图7C所示的电机构造类似于图7B所示的电机构造，除了泵98使用齿轮组在电机30的后部用齿轮连接到中空电机轴78。电机传动元件配置为直接驱动而没有减速器。可选地，可以结合机械联接器59。
图7D描绘了根据另一实施方式的EPU 110，其中定子25使用溢流式定子冷却来冷却。如图7B所示的实施方式的情况一样，定子内部冷却通道3部分地由定子壳体43形成。每个定子内部冷却通道3具有入口3b和出口3a。在溢流式定子的情况下，定子绕组29浸没在冷却流体中以便为电机提供直接有效的冷却。功率模块31位于电机的后部处的电机端部绕组隔室附近。对于每个功率模块31，液体冷却剂(例如油)流过相应的冷却板1，以冷却逆变器部件(电源开关、电容器等)。油首先流过冷却板1，然后被引导通过定子芯27中的槽(图7D中未示出)。以这种方式，一个逆变器及其相关联的电机星形绕组布置成串联地接收液体冷却剂。以这种方式，各个逆变器/电机星形绕组对平行布置，使得冷却流被分开。
对于图7A至图7D所示的所有构造，推力轴承38与主冷却通道并行地冷却，并且扫气由附加的集成泵元件(图7A至图7D中未示出)提供。通过使用增压集成泵元件从主流提供调速器油压。为了简化，图7A至图7D中未描绘油箱，但是其集成在EPU封装内。调速器位置示出为在电机的后面，但是也可以位于前面，具有不同类型的调速器，例如配重类型。
为了改进电力推进系统的可用性，现有技术架构依赖于使用两个冗余的单独电力推进通道(A/B)来驱动推进器32。主要缺点是许多部件(例如壳体、机械结构、冷却系统(泵、油箱等)、轴承、轴和控制器)的重复。另外，两个不同通道之间的协调可能难以实现，以及难以与诸如调速器64的部件集成，部件的重复增加了冗余电力推进系统的重量和体积。
相反，集成EPU使得能够开发优化的冗余电力推进架构。双通道集成EPU封装可以对两个单独的电力推进通道进行重组。图8A是示出了根据一个实施方式的具有多通道集成的集成EPU 110的概览的图示。电机控制器通道A包括三个逆变器50a，其经由串联连接的电池接触器48a、直流电力输入线8a、EMI滤波器24a和低电感母线15a从电池18a接收直流电力。电池18a由电池管理系统22a管理。类似地，电机控制器通道B包括三个逆变器50b，其经由串联连接的电池接触器48b、直流电力输入线8b、EMI滤波器24b和低电感母线15b从电池18b接收直流电力。电池18b由电池管理系统22b管理。
对于图8A所示的集成EPU 110，可以使用相同的泵和油箱回路在两个通道之间相互配合冷却系统。机械结构和壳体可以集成在单个封装内以最小化重量和体积。类似于单通道封装，电机30与逆变器50之间的电互连直接通过小母线57来完成，以消除大交流线。EPU壳体112通过集成机械安装点74直接连接到飞机主结构106以反作用推进器负载和扭矩。调速器64和传动装置(图8A中未示出)分别集成在封装的后部和前部。为电机控制器通道A和电机控制器通道B创建两个独立的功率电子器件隔室。
图8B是示出了用于图8A所示的电力推进单元的集成多相容错电机设计的图示。电机通道A和电机通道B可以通过集成多相容错电机设计来实现。进行电机设计以使每个电机星形绕组彼此磁性隔离和电隔离(更特定地，使电机通道A的电机星形绕组26a与电机通道B的电机星形绕组26b隔离)。可使用特殊绕组策略(例如，集中绕组)、绕组放置(定子位置)以及电机螺距和槽设计来实现电机通道A和B的电机星形绕组之间的最小磁性联接和电联接。另外，电机通道A的电机星形绕组26a与电机通道B的电机星形绕组26b由于定子布局而热隔离。在此实例实施方式中的集成电机将具有三个用于电机通道A的电机星形绕组26a和三个用于电机通道B的电机星形绕组26b。所提出的设计将实现用于电机通道A和B的公共的定子芯27。其还将使转子元件(轴、磁体、轴承等)在电机通道A和电机通道B之间共用。
在电机通道A(或B)中的电机星形绕组发生故障的情况下，将通过闭合相关联的电机控制器通道A(或B)的逆变器中的电源开关，使用有源短路(ASC)策略来使受影响的星形绕组A(或B)短路。定子槽和绕组方案的尺寸被确定为实现～1PU的阻抗，以将短路电流限制到最大额定电流。在该条件下，在ASC期间，故障的电机星形绕组中的损耗将等于额定损耗。在额定速度下，连接到短路的电源开关的电机星形绕组产生最小拖曳扭矩，并且正常的电机星形绕组将能够保持驱动推进器。
在电机通道A分布(或B)中发生故障的情况下，相关联的电机通道A中的所有逆变器将被命令关闭一排或两排电源开关(3或6个开关)，以有效地使故障电机通道中的所有电机星形绕组短路。在该情况下，电机通道A将不向逆变器中的短路馈送能量。在额定速度下，短路的电机通道A(或B)中的所有电机星形绕组将产生最小拖曳扭矩，并且电机通道B(或A)将能够保持驱动推进器。
上述集成多相容错电机设计使得能够实现两个独立的电机功能，而无需重复诸如定子磁芯、转子磁体、轴、轴承、壳体和支撑结构的相当大的部件。所提出的解决方案优化了重量和成本。在没有机械离合器或脱离的情况下实现冗余的电机功能。
为了限制控制复杂性，单个EPC可用于两个电机控制器通道A/B以命令不同的逆变器并且协调两个电机通道A/B之间的控制。EPC以与图6所示的单个封装构造类似的方式与功率电子器件隔室集成。
图9A是示出了根据另一实施方式的具有传动系集成的双电机EPU 110'的概览的图示。双电机EPU 110'包括设置在EPU壳体112的前部中的第一电机30a和设置在EPU壳体112的后部中的第二电机30b。第一电机30a包括中空电机轴78a、安装到中空电机轴78a并围绕该中空电机轴的转子芯39a以及围绕转子芯39a的定子芯27a。第二电机30b包括中空电机轴78b、安装到中空电机轴78b并围绕该中空电机轴的转子芯39b以及围绕转子芯39b的定子芯27b。两个电机都轴向地布置成直线。所示的解决方案将功率电子器件与每个电机集成，以主动地共享功率模块31与定子芯27a和27b之间的冷却。
中空电机轴78a和78b依次选择性地联接到中空主传动系轴17的相应部分并围绕该相应部分。β杆58可在中空主传动系轴17内轴向平移。中空电机轴78a和78b使用相应的机械联接装置13的组联接到中空主传动系轴17，其中一组在图9B中部分地示出。机械联接装置13可以是超越离合器、同步自换档离合器或楔块离合器类型。图9B中的三角形表示机械联接装置13与中空主传动系轴17之间的花键接口。每个电机30a和30b包括安装到EPU壳体112的相应的一组电机轴轴承35，以独立地支撑转子28a和28b。因此，当两个中空电机轴78a和78b都联接到中空主传动系轴17时，两个电机30a和30b驱动中空主传动系轴17的旋转。
在替代情况中，如果中空电机轴78a与中空主传动系轴17脱离而中空电机轴78b保持联接，则仅电机30b驱动中空主传动系轴17的旋转，而如果中空电机轴78b与中空主传动系轴17脱离而中空电机轴78a保持联接，则仅电机30a驱动中空主传动系轴17的旋转。因此，如果一个电机已经发生故障，则其机械联接装置13将使故障电机的转子脱离。故障电机的转子将停止，并且相关联的定子绕组将断电。正常的电机可以继续操作和旋转，而没有来自故障电机的任何影响。机械断开的使用使得在故障或异常操作的情况下能够独立地脱离任一电机。与图8A所示的提出的解决方案的一个显著差异在于，故障的电机转子被置于静止，并且不产生反电动势。由于这个特征，故障的电机和电子器件不用必须持续地承载短路电流。当在一个电机中检测到故障时，命令相关联的逆变器启动ASC模式，自动地响应于该ASC模式，转子开始减速并机械地脱离。在ASC期间，扭矩随着电机速度的降低而增加。一旦转子达到零速度，就保持ASC状态，直到转子具有零速度。正常的电机继续旋转并独立于故障电机而驱动推进器。电机和逆变器将必须在故障电机转子的减速阶段(几秒)期间维持短路。这将使得能够减小电机磁性/电气部件的重量和尺寸以及电源开关的尺寸。
因此，主要的折衷是使用机械断开装置而不是采用高阻抗电机设计。然而，混合解决方案可以组合这两种方法。在电机30a中的单个电机星形绕组发生故障的情况下，故障的电机星形绕组将被置于ASC模式。电机30a的两个剩余的电机星形绕组将保持操作和驱动。电机30b也将保持正常操作。如果两个或更多个电机星形绕组发生故障或电机30a中的分布短路，则电机30a将脱离(所有电机星形绕组处于ASC模式中)并且电机30b将保持正常操作。混合方法还可以出于安全目的而实现用于电机断开功能的冗余。
机械联接装置13(其可以选择性地致动以执行断开功能)可与电机轴轴承35紧密地集成(如图9C所示)，以使在每个电机中添加断开装置的重量和尺寸影响最小化。更具体地，轴承的内壁和离合器的外壁可以是相同的部件，从而导致减少的部件数量，降低的复杂性和更少的故障模式。机械联接装置13还可用于在诸如超速的故障或诸如轴承故障或转子底部朝下的机械故障的情况下将电机30a和30b两者同时与主传动系轴17断开。
本文提出的解决方案易于扩展，其中多个电机逆变器模块可通过与主传动系轴17机械联接而堆叠。具有两个电机的实例可以容易地扩展到三个或更多个电机。根据所选择的安全和隔离方法，可以将各个电机设计成具有最小阻抗或～1PU的阻抗。或者，如果不需要机械断开，也可能堆叠多个电机，每个电机具有～1PU的阻抗，具有直接联接(没有机械联接装置)。
在不同的所描绘的实施方式中的流程图和框图说明了说明性实施方式中的设备和方法的一些可能实现方式的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示模块、段、功能和/或操作或步骤的一部分。例如，一个或多个框可以被实现为程序代码、硬件或程序代码和硬件的组合。当在硬件中实现时，硬件可以例如采取制造或配置为执行流程图或框图中的一个或多个操作的集成电路的形式。
以上公开的实施方式使用一个或多个控制器。这种装置通常包括处理器或计算机，例如中央处理单元、微处理器、精简指令集计算机处理器、专用集成电路、可编程逻辑电路、现场可编程门阵列、数字信号处理器和/或能够执行本文所述功能的任何其他电路或处理装置。本文描述的方法可以被编码为在非暂时性有形计算机可读存储介质中体现的可执行指令，该非暂时性有形计算机可读存储介质包括但不限于存储装置和/或记忆装置。当由控制器执行时，这种指令导致控制器执行本文所述的方法的至少一部分。
本文描述的方法可以被编码为在非暂时性有形计算机可读存储介质中体现的可执行指令，该非暂时性有形计算机可读存储介质包括但不限于存储装置和/或记忆装置。当由处理或计算系统执行时，这种指令导致系统装置执行本文所述的方法的至少一部分。
虽然已经参考各种实施方式描述了用于飞机的集成电力推进单元，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本文教导的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以使本文的教导适应特定的情况。因此，权利要求不是旨在限于本文公开的特定实施方式。
注意：以下段落描述本公开的其他方面：
A1.一种电力推进单元，包括：
壳体；
交流电机，设置在壳体内，并且包括支撑在壳体内的多个轴承、通过该多个轴承可旋转地联接到壳体的电机轴、由壳体支撑的定子以及安装到电机轴的转子；
逆变器，设置在壳体内，并且连接以接收直流电力而用于转换成交流电力；
控制器，设置在壳体内，并且配置为控制逆变器的操作；以及
冷却回路，配置为引导循环液体的流动，其中，冷却回路包括：
油箱，安装到壳体；
冷却泵，安装到壳体，用齿轮连接到电机轴，并且与油箱流体连通；以及
冷却通道，设置在壳体内，并且连接以沿着流动路径将循环液体从冷却泵朝向油箱引导。
A2.根据段落A1所述的电力推进单元，其中，冷却通道具有穿过逆变器的第一通道部分和穿过定子并与第一通道部分流体连通的第二通道部分。
A3.根据段落A1所述的电力推进单元，还包括：
推力轴承/传动装置/推进器轴组件，包括推力轴承、传动装置和推进器轴；以及
推进器，安装到推进器轴，并且包括具有可调节螺距角的推进器叶片。
A4.根据段落A3所述的电力推进单元，其中，冷却回路还包括：
热交换器，设置在壳体外并且与冷却泵流体连通；
歧管，设置在壳体内并且与热交换器流体连通；以及
轴承润滑通道，与歧管和推力轴承流体连通。
A5.根据权利要求A4所述的电力推进单元，其中，冷却回路还包括：
轴承扫气泵，与油箱流体连通；以及
轴承扫气通道，与推力轴承和轴承扫气泵流体连通。
A6.根据段落A4所述的电力推进单元，还包括配置为调节推进器叶片的螺距角的调速器，其中，冷却回路还包括：
调速器泵，与歧管流体连通；
调速器加压油通道，与调速器泵和调速器流体连通；以及
回油通道，与调速器和油箱流体连通。
A7.一种电力推进单元，包括：
壳体；
交流电机，设置在壳体内，并且包括支撑在壳体内的多个轴承、通过该多个轴承可旋转地联接到壳体并且具有旋转轴线的电机轴、由壳体支撑的定子以及安装到电机轴的转子；
主驱动齿轮，安装到电机轴的前端并且具有齿；
推进器，包括具有旋转轴线的中空推进器轴和具有可调节螺距角的推进器叶片，该旋转轴线与电机轴的旋转轴线偏离；
β杆，可在中空推进器轴内轴向平移；
调速器，配置为通过致动β杆的轴向平移来调节推进器叶片的螺距角；
推进器轴驱动齿轮，安装到中空推进器轴，并且具有与主驱动齿轮的齿相互啮合的齿；
多个功率模块，从定子径向地向外设置；以及
控制器，设置在壳体内并且配置为执行包括操作，该操作包括：
控制该多个功率模块的操作；以及
控制推进器叶片的螺距角。
A8.根据段落A7所述的电力推进单元，还包括设置在定子和功率模块之间的冷却夹套。
A9.一种电力推进单元，包括：
壳体；
多个第一轴承和多个第二轴承，支撑在壳体内；
主传动系轴，由支撑在壳体内的多个第一轴承和多个第二轴承支撑；
第一中空电机轴和第二中空电机轴，围绕主传动系轴的相应的段；
第一对机械联接装置和第二对机械联接装置，分别将第一中空电机轴和第二中空电机轴选择性地联接到主传动系轴；
第一转子和第二转子，分别安装到第一中空电机轴和第二中空电机轴；
第一定子和第二定子，支撑在壳体内，并且分别设置在第一转子和第二转子的径向外侧；以及
推进器，机械地联接到主传动系轴；以及
控制器，设置在壳体内，并且配置为选择性地起动一对机械联接装置以使一个中空电机轴与主传动系轴脱离。

Claims (16)

1.一种电力推进单元，其中，所述电力推进单元包括：
壳体；
交流电机，所述交流电机设置在所述壳体内，并且所述交流电机包括支撑在所述壳体内的多个轴承、通过所述多个轴承能旋转地联接到所述壳体的中空电机轴、由所述壳体支撑的定子以及安装到所述中空电机轴的转子；
β杆，所述β杆能在所述中空电机轴内部轴向平移；
推进器，所述推进器机械地联接到所述中空电机轴，所述推进器包括推进器叶片，所述推进器叶片具有取决于所述β杆的轴向位置的能调节的螺距角；
调速器，所述调速器配置为通过致动所述β杆的轴向平移来调节所述推进器叶片的所述螺距角；
逆变器，所述逆变器设置在所述壳体内，并且所述逆变器连接以接收直流电力而用于转换成交流电力；以及
控制器，所述控制器设置在所述壳体内，并且所述控制器配置为执行操作，所述操作包括：
控制所述逆变器的操作；以及
控制所述推进器叶片的所述螺距角。
2.根据权利要求1所述的电力推进单元，还包括一个或多个插入件，所述一个或多个插入件附设在所述中空电机轴内部，并且所述一个或多个插入件配置为支撑所述β杆的同时允许所述β杆轴向滑动。
3.根据权利要求1所述的电力推进单元，还包括与所述壳体的驱动端板集成的推力轴承/传动装置/推进器轴组件。
4.根据权利要求1所述的电力推进单元，其中，所述调速器与所述壳体的后端板集成。
5.根据权利要求1所述的电力推进单元，还包括热联接到所述逆变器的第一冷却通道和热联接到所述定子的第二冷却通道，所述第二冷却通道与所述第一冷却通道流体连通。
6.根据权利要求5所述的电力推进单元，其中，所述第一冷却通道是冷却板。
7.根据权利要求5所述的电力推进单元，其中，所述定子包括定子壳体，并且所述第二冷却通道部分地由所述定子壳体限定。
8.根据权利要求1所述的电力推进单元，其中，所述定子包括定子壳体，并且所述逆变器从所述定子壳体径向地向外设置，所述电力推进单元还包括设置在所述逆变器和所述定子壳体之间的冷却夹套。
9.一种电力推进系统，其中，所述电力推进系统包括配置为产生直流电力的第一电池、连接到所述第一电池的第一直流电力输入线以及连接到所述第一直流电力输入线的电力推进单元，其中，所述电力推进单元包括：
壳体；
交流电机，所述交流电机设置在所述壳体内，并且所述交流电机包括支撑在所述壳体内的多个轴承、通过所述多个轴承能旋转地联接到所述壳体的电机轴、由所述壳体支撑的定子以及安装到所述电机轴的转子；
第一电磁干扰滤波器，所述第一电磁干扰滤波器设置在所述壳体内，并且所述第一电磁干扰滤波器连接以经由所述第一直流电力输入线从所述第一电池接收直流电力；
第一直流母线，所述第一直流母线设置在所述壳体内，并且所述第一直流母线连接到所述第一电磁干扰滤波器；
多个第一逆变器，所述多个第一逆变器设置在所述壳体内，所述多个第一逆变器中的每个第一逆变器连接到所述第一直流母线；以及
控制器，所述控制器设置在所述壳体内，并且所述控制器配置为控制所述多个第一逆变器的操作。
10.根据权利要求9所述的电力推进系统，其中，所述第一直流母线包括交错的导体层和绝缘层，每个导体层连接到所述第一电磁干扰滤波器并且连接到所述多个逆变器中的相应逆变器。
11.根据权利要求9所述的电力推进系统，其中，所述定子包括多个电机星形绕组，所述电力推进系统还包括将所述逆变器连接到相应电机星形绕组的多个交流母线。
12.根据权利要求9所述的电力推进系统，还包括配置为产生直流电力的第二电池和连接到所述第二电池的第二直流电力输入线，其中，所述电力推进单元还包括：
第二电磁干扰滤波器，所述第二电磁干扰滤波器设置在所述壳体内，并且所述第二电磁干扰滤波器连接以经由所述第二直流电力输入线从所述第二电池接收直流电力；
第二直流母线，所述第二直流母线设置在所述壳体内，并且所述第二直流母线连接到所述第二电磁干扰滤波器；以及
多个第二逆变器，所述多个第二逆变器设置在所述壳体内，所述多个第二逆变器中的每个第二逆变器连接到所述第二直流母线，
其中，所述控制器还配置为控制所述多个第二逆变器的操作。
13.根据权利要求9所述的电力推进系统，还包括机械地联接到所述电机轴的推进器。
14.一种电力推进单元，其中，所述电力推进单元包括：
壳体；
交流电机，所述交流电机设置在所述壳体内，并且所述交流电机包括支撑在所述壳体内的多个轴承、通过所述多个轴承能旋转地联接到所述壳体并且具有旋转轴线的电机轴、由所述壳体支撑的定子以及安装到所述电机轴的转子；
主驱动齿轮，所述主驱动齿轮安装到所述电机轴的前端，并且所述主驱动齿轮具有齿；
推进器，所述推进器包括具有旋转轴线的中空推进器轴和具有能调节的螺距角的推进器叶片，所述旋转轴线与所述电机轴的旋转轴线偏离；
β杆，所述β杆能在所述中空推进器轴内轴向平移；
调速器，所述调速器配置为通过致动所述β杆的轴向平移来调节所述推进器叶片的所述螺距角；
推进器轴驱动齿轮，所述推进器轴驱动齿轮安装到所述中空推进器轴，并且所述推进器轴驱动齿轮具有与所述主驱动齿轮的所述齿相互啮合的齿；
多个功率模块，所述多个功率模块从所述定子径向地向外设置；以及
控制器，所述控制器设置在所述壳体内，并且所述控制器配置为执行操作，所述操作包括：
控制所述多个功率模块的操作；以及
控制所述推进器叶片的所述螺距角。
15.根据权利要求14所述的电力推进单元，还包括设置在所述定子和所述功率模块之间的冷却夹套。
16.一种电力推进单元，其中，所述电力推进单元包括：
壳体；
多个第一轴承和多个第二轴承，所述多个第一轴承和所述多个第二轴承支撑在所述壳体内；
主传动系轴，所述主传动系轴由支撑在所述壳体内的所述多个第一轴承和所述多个第二轴承支撑；
第一中空电机轴和第二中空电机轴，所述第一中空电机轴和所述第二中空电机轴围绕所述主传动系轴的相应的段；
第一对机械联接装置和第二对机械联接装置，所述第一对机械联接装置和所述第二对机械联接装置分别将所述第一中空电机轴和所述第二中空电机轴选择性地联接到所述主传动系轴；
第一转子和第二转子，所述第一转子和所述第二转子分别安装到所述第一中空电机轴和所述第二中空电机轴；
第一定子和第二定子，所述第一定子和所述第二定子支撑在所述壳体内，并且所述第一定子和所述第二定子分别设置在所述第一转子和所述第二转子的径向外侧；以及
推进器，所述推进器机械地联接到所述主传动系轴；以及
控制器，所述控制器设置在所述壳体内，并且所述控制器配置为选择性地起动一对机械联接装置以使一个中空电机轴与所述主传动系轴脱离。
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