CN114762224A - 没有换向器的起动发电机的电力电子部分 - Google Patents

Abstract

一种旋转机器组件包括旋转机器，该旋转机器具有限定旋转机器的外表面的盖和被安置在盖内的定子。定子相对于盖是固定的。旋转机器还包括至少部分地在盖内被可旋转地安置以限定旋转轴线的轴。轴包括可连接到航空器发动机的第一端和与第一端相对的第二端。旋转机器还包括附接到轴的转子，转子相对于定子是可移动的；以及包括至少一个MOSFET的功率模块，该MOSFET周期性地反转转子的电流方向。功率模块包括至少一个MOSFET，被安置在盖内。

Description

没有换向器的起动发电机的电力电子部分

背景技术

起动发电机机器通常在转子上具有换向器，该换向器与附接到机器的固定框架的电刷相互作用。换向器和电刷具有电气切换功能，因为当换向器旋转时，换向器的不同部分与电刷进行电接触或断开电接触。这种与转子旋转相关发生的切换功能对于旋转的起动发电机的正常操作而言是必要的。

然而，当换向器在电刷下方旋转时，电刷经历磨损，并且最终必须更换电刷。电刷通常是机器中的限制性磨损件，它决定了起动发电机在必须被拆卸以进行大修之前可以在航空器上的时间量。创造在大修之间允许更长时间的起动发电机是所期望的，但是这需要找到换向器和电刷的切换功能的替代方案。

实现这一点的一种方式是使用诸如MOSFET之类的电子构件来执行该切换功能。传感器可以测量转子的旋转速度和位置，并且电子器件可以使用这些测量结果来获知何时向MOSFET发送信号以使其开启或关闭。使用电子器件驱动MOSFET可以取代电刷和换向器的基于旋转的切换功能。

然而，以这种方式使用这种MOSFET会带来它自身的一系列问题。一个问题是在哪里放置它们，因为这些电子器件比传统的换向器和电刷占用更多的空间。另一个问题是如何冷却MOSFET，因为这些电子器件比传统的换向器和电刷产生更多的热量。

为了解决这些问题，可以利用具有容纳电子器件的单独盒体的无刷起动发电机。但是，这个解决方案存在潜在的缺点。例如，必须在航空器上为单独盒体提供附加的空间。

此外，必须在单独盒体和起动发电机之间铺设高电流容量的电线。这些高电流容量的电线又粗又重。这导致了附加的重量和复杂的组装技术。这些项都不是航空器应用所希望的。

因此，需要更先进的起动发电机。

发明内容

鉴于前述，旋转机器组件包括旋转机器，该旋转机器具有限定旋转机器的外表面的盖和被安置在盖内的定子。定子相对于盖是固定的。旋转机器还包括至少部分地在盖内被可旋转地安置以限定旋转轴线的轴。

轴包括可连接到航空器发动机的第一端和与第一端相对的第二端。旋转机器还包括附接到轴的转子，转子相对于定子是可移动的；以及包括至少一个MOSFET的功率模块，该MOSFET周期性地反转转子的电流方向。功率模块包括至少一个MOSFET，被安置在盖内。

附图说明

图1是旋转机器组件的透视图。

图2是旋转机器组件的局部剖面透视图。

图3是移除了盖的旋转机器组件的透视图。

图4是移除了一些构件的旋转机器组件的透视图。

图5是图4的局部剖面透视图。

图6是沿线6-6的图4的立剖面图。

具体实施方式

参考图1，示出了旋转机器组件10。在不背离本公开的范围的情况下，旋转机器组件10可以是电动机(例如，在航空器上被利用来起动发动机的起动器)或将旋转运动转换为电能的发电机。替代地，旋转机器组件10可以是用于起动航空器的发动机(即启动模式)并且还生成电力供航空器使用(即发电模式)的组合起动发电机。

如图1-图3中所示，旋转机器组件10包括旋转机器12、限定空气通道16的底盘14、风扇18和具有控制模块22的控制外壳20。旋转机器12包括盖24、定子26和轴28。轴28包括第一端28a和第二端28b并限定旋转轴线30。

如图2中所示，旋转机器组件还可以包括轴传感器32，其可以感测或测量轴28的以及因此转子34的旋转速度和位置。轴传感器32可以是已知技术。此外，在不背离本公开的范围的情况下，轴传感器32可以被安置在多个位置。此外，轴传感器32可以通过有线或无线方式连接到控制模块22，以允许轴传感器32和控制模块22之间的通信。

旋转机器12还包括连接到轴28的转子34。旋转机器12还可以包括具有至少一个MOSFET 38的功率模块36。如图3中所示，至少一个MOSFET 38被安置在电路板42上。电路板42可以是印刷电路板。

为方便起见，本公开将(一个或多个)印刷电路板仅称为电路板，但是将被理解为包括多个印刷电路板。为了清楚起见，图中省略了在功率模块36、MOSFET 38和其他各种构件之间传送电力的电线，无论是用于电力目的还是用于信号通信目的。

再次注意图1-图2，盖24限定了旋转机器12的外表面24a，并且用于将构件一起包含在易于操纵的包装中以帮助安装到航空器中。盖24可以由任何数量的材料制成，包括例如片料。如所图示，盖24可以用紧固件而附接到底盘14，但是也可以设想其他附接手段。盖24本质上可以是非结构性的。另外，盖24在与旋转轴线30正交的平面内的横截面限定了圆柱形形状。

作为参考，本旋转机器12的这种圆柱形形状的外径等于使用电刷和换向器进行基于旋转的切换的传统旋转机器的外径。通过具有与传统旋转机器相同的外径，可以节省空间并简化机器组件的改装。此外，保持本旋转机器12的外径与传统的起动发电机相同，并且不需要将其连接到旋转机器12的带有粗线的单独盒体，这将使本旋转机器组件10更容易安装到航空器中。

定子26具有已知的构造。定子26是旋转机器12的固定部分，并且因此相对于盖24是固定的。当旋转机器组件10是发电机时，能量通过定子26流入或流出转子34，如已知的。当旋转机器组件10是起动器时，定子26提供驱动旋转电枢的旋转磁场，这也是本领域已知的。当旋转机器组件10是发电机时，定子26将旋转磁场转换成电流。定子26被安置在盖24内。

旋转机器12还包括可旋转地、至少部分地被安置在盖24内的轴28。如所图示，轴的第一端28a以不被包含在盖24内的方式延伸。轴28在与旋转轴线30正交的平面中的横截面可以是圆形的。轴28可以被容纳在一个或多个轴承内。

如图2中所示，轴28的第一端28a可以包括多个花键，以便将旋转机器组件10可旋转地连接到航空器发动机。应当了解，在不背离本公开的范围的情况下，可以使用除了花键的其他方式将旋转机器组件10连接到航空器发动机。轴28的第二端28b沿旋转轴线30而与轴28的第一端28a相对。

旋转机器12还包括转子34，其附接或耦合到轴28，以使得轴28和转子34一起旋转。转子34具有已知的构造。转子34的旋转是由于绕组和磁场之间的相互作用而引起的，其产生围绕旋转轴线30的扭矩。转子34可相对于定子26移动。

如图3中所示，功率模块36包括至少一个MOSFET 38。然而，如所图示，可以利用多个MOSFET 38而不背离本公开的范围。MOSFET 38是金属氧化物半导体场效应晶体管。特别地，MOSFET 38是一种通过硅的受控氧化而制造的场效应晶体管(FET)类型。MOSFET 38具有绝缘栅(未示出)，其电压确定器件的导电性。

这种随着所施加的电压量而改变导电性的能力可以被用于放大或切换电子信号。根据本公开，MOSFET 38周期性地反转转子34的电流方向，从而取代了适当的功率切换电子器件。例如，MOSFET 38取代了存在于传统旋转机器12组件中的换向器和电刷的电气切换功能。如所图示，包括至少一个MOSFET 38的功率模块36被安置在盖24内。

传统组件包括在换向器的电棒上进行接触或断开接触的电刷。这些电棒平行于旋转轴线，并且随着轴的旋转，电刷与换向器的这些电棒进行电接触或断开电接触。

因此，从电刷到换向器棒的电接触是轴旋转位置的函数。该旋转切换功能是轴旋转位置的函数，其在本公开中被MOSFET 38取代。因此，当轴28旋转时，考虑到来自轴传感器32的信号，控制模块22取决于轴28的旋转位置而告知(tell)MOSFET 38开启或关闭。

多个MOSFET 38可以被安置在多个印刷电路板42上，这些印刷电路板42周向地被安装到底盘14上，以便位于空气通道16和盖24之间从而径向地包围空气通道16。如所图示，存在六个电路板42，每个电路板包括多个MOSFET 38。

以这种方式安装MOSFET 38将浪费的空间保持在最小，同时提供有效的方式将所生成的热量消散到相变材料或空气流中。此外，多个焊盘40可以分别被安置在多个印刷电路板42和底盘14之间。焊盘40可以具有大致矩形形状并且具有标称厚度以便具有片状构造。

此外，多个焊盘40是导热电绝缘体，以将印刷电路板42与底盘14电隔离。焊盘40可以非常薄，从而与一张纸的厚度相似。因此，如图所示，焊盘40可以看起来仅仅是底盘14的外表面，但是实际上与底盘14是分开的。

控制模块22被安置在控制外壳20内。需要注意的是，控制模块22与功率模块36是分开的并且是不同的。此外，控制外壳20被安装在旋转机器12的盖24上，以便在旋转机器12的外部并附接到旋转机器12。如所图示，控制外壳20具有被安装到旋转机器12的外径的矩形盒体形状构造。

如将理解的，功率模块36利用MOSFET 38来开启和关闭电源。然而，功率模块36本身不知道何时开启和关闭该电源。相反，控制模块22接收来自轴传感器32的输入，因此控制模块22知道何时应该开启或关闭电源。

控制模块22然后向功率模块36发送低功率电信号，并且该低功率电信号告知功率模块36何时开启或关闭。换句话说，功率模块36的功能类似于继电器，并且控制模块22告知继电器何时激活。

参考图1-图3，底盘14被容纳在盖24中并且至少部分地被安置在轴28的第二端28b附近。底盘14可以由任何数量的材料制成，包括例如铝。铝具有良好的强度、轻的重量和高导热性。底盘14组合并执行若干功能。例如，底盘14用作散热器。

此外，底盘14可以是结构部件，功率模块36的所有其他部件可以被附接到该结构部件，并且还可以提供旋转机器组件10的与航空器进行对接的重要部件。值得注意的是，底盘14可以为功率模块36中的每个构件提供所有附接位置，以及与旋转机器12的其余部分和空气入口软管(未示出)的连接。由于底盘14是执行多种功能的单个构件，因此旋转机器组件10的尺寸保持在最小。

如图2和图4中所示，底盘14可以包括被安置在其相对端处的主体部分14a和入口部分14b。入口部分14b和轴28的第一端28a被安置在旋转机器组件10的相对端处，以使得主体部分14a被安置在它们之间。主体部分14a包括护罩14a'并限定主体内周长和主体外周长。护罩14a'可以被用作风扇18的壳体并且进一步引导已经行进通过空气通道16的空气。

此外，入口部分14b限定入口内周长和入口外周长。主体外周长大于入口外周长和主体内周长。由于主体部分14a、护罩14a'和入口部分14b的图示形状，应当了解，术语周长可以用术语直径代替而不背离本公开的范围。

这种形状允许空气有效地通过空气通道16并适当地冷却MOSFET 38，这将在下文中更详细地描述。例如，空气通道16与转子34流体连通，以便将热量从包括附接到底盘14的至少一个MOSFET 38的功率模块36传递出去。

注意图2-图3，风扇18可以被安置在轴28上的第二端28b处。另外，风扇18被流体地安置在底盘14的入口部分14b和转子34之间，以帮助冷却MOSFET 38，如将在下文中描述的。由于风扇18可旋转地链接到轴28，所以轴28的旋转导致风扇18的旋转。风扇18可以包括至少一个叶片，该叶片的形状使得拉动空气通过空气通道16。由于风扇18导致的气流方向可以是从入口部分14b朝向主体部分14a。

参考图5-图6，示出了旋转机器12。底盘14包括限定空气通道16的内壁44。内壁44还限定在与旋转轴线30正交的平面中的圆形横截面。底盘14还包括外壁46，其径向地位于内壁44的外部。

外壁46在与旋转轴线30正交的平面中限定了六边形横截面。底盘14还包括至少一个侧壁48，其在内壁44和外壁46之间延伸以限定侧壁高度并将内壁44和外壁46连接在一起。

底盘14，并且更具体地，侧壁48，限定了至少一个腔体52。甚至更具体地，内壁44、外壁46和侧壁48可以配合以限定腔体52。腔体52被径向地安置在空气通道16和盖24之间。内壁44、外壁46和至少一个侧壁48是一体的，以防止空气通道16和至少一个腔体52之间的流体连通。

应注意，底盘14可以通过增材制造(也称为3D打印)来制造，从而将内壁44、外壁46和侧壁48、以及如将在下文更详细地讨论的肋58和翅片68一体地形成在一起。这实现了更好的热传递并降低与可拆卸内壁、外壁和/或侧壁相关联的风险。

包括至少一个MOSFET 38的功率模块36被径向地安置在至少一个腔体52和盖24之间。为方便起见，腔体52将被描述为单个物体。然而，可以存在六个或更多腔体52被径向地安置在空气通道16周围以便充分地对六个或更多电路板42和被安置在每个电路板42上的多个MOSFET 38进行热管理。这些腔体在结构上可以与本文描述的腔体52相同。如所图示，这些腔体彼此流体隔离。

相变材料54可以被安置在腔体52中。事实上，相变材料54可以填充腔体52中的所有空隙。腔体52可以包括至少一个可密封端口56，相变材料54通过该可密封端口56而被引入到腔体52中，随后端口56被密封以防止相变材料54从腔体52泄漏。相变材料54可以是在108摄氏度下熔化并具有180焦耳/克的储热能力的蜡状固体，从而与相变材料54的熔化相关联的熔化热量吸收来自至少一个MOSFET38的热量。

在108摄氏度时，相变材料54将熔化，与此熔化转变相关联的熔化热量将吸收由MOSFET 38产生的大部分额外热量，同时将相变材料54的温度保持在108℃直到融化完成。

使用相变材料54允许更长或更严格的起动模式循环，其质量比否则使用固体铝散热器需要的质量更小。应当了解，可以使用不同的相变材料来取代所描述的相变材料54，而不背离本公开的范围。

继续关注图5-图6，腔体52可以包括多个肋58，这些肋在内壁44和外壁46之间延伸以将内壁44和外壁46连接在一起以限定肋高度。此外，腔体52可以包括多个翅片68，多个翅片68从内壁44朝向旋转轴线30延伸，以便限定翅片高度。

翅片68朝向旋转轴线30的这种延伸可以是径向方式，以使得当空气通过空气通道16朝向风扇18行进时空气可以在各个翅片68之间通过。此外，肋高度可以大于翅片高度并且小于侧壁高度。更进一步地，多个翅片68与空气通道16流体连通，而肋58不与空气通道16流体连通。

肋58可以限定多个通路62，这些通路彼此流体连通并且直接接触被安置在腔体52内的相变材料54。多个肋58中的每一个可以包括从至少一个侧壁48朝向定子26延伸的附接端64和与附接端64相对的自由端66。多个肋58中的每一个的自由端66和至少一个侧壁48之间的空间允许多个通路62之间的流体连通。

腔室中的相变材料54的目的是用于旋转机器12的起动模式，以使得MOSFET38不会过热。在旋转机器12的发电模式期间，电机以正常RPM旋转，因此旋转风扇18拉动空气通过旋转机器12。该气流允许由MOSFET 38在发电模式期间产生的热量通过处于气流中的翅片68而被消散到移动的空气中。但是，这不适用于起动模式，原因有两个。

一个原因是因为旋转机器12在启动模式期间旋转缓慢，风扇18也缓慢旋转，这意味着几乎没有气流经过这些翅片68以消散由MOSFET 38生成的热量。另一个原因是MOSFET38在起动模式期间比在发电模式期间产生更多热量。在起动模式期间，由于MOSFET 38不断产生更多热量，并且由于几乎没有或没有气流，因此旋转机器12无法散发该热量，MOSFET38已被证明对于某些启动模式序列会过热——如果所描述的旋转机器组件10未被利用的话。

肋58可以具有多种功能。例如，肋58的一个功能是用于起动模式，并且一个功能是用于发电模式。在起动模式期间，肋58为热量提供快速到达相变材料54的中心的路径，因为相变材料54具有低导热性。由于这种低导热性，如果肋58不存在，则相变材料54的外部将熔化并将其温度升高到108摄氏度以上，而相变材料54的中心仍将保持固态。

这将在各种启动模式序列期间无法有效地保持MOSFET 38冷却。如所示，肋58连接内壁44和外壁46。因此，肋58可以将来自MOSFET 38的热量传输到腔体52的中心，并且因此，在启动模式期间传输到相变材料54的中心。如果肋58没有连接到外壁46，那么热量可能无法被有效地传输到腔体52，并且因此，无法被传输到相变材料54的中心。

在发电模式期间，由于存在气流，肋58将热量从MOSFET 38传导到底盘14的内壁，然后热量被消散到气流中。由于相变材料54具有低导热性，所以热量在它几乎完全流过空气通道16中的翅片68时实际上绕过相变材料54。

这就是肋58连接到腔体52的外壁46和内壁44两者的原因。值得注意的是，这两个连接都确保热量从MOSFET 38通过肋58而被传递到处于空气通道16中的翅片68。如果肋58没有连接到腔室的外壁46和内壁44二者，那么热量将无法从MOSFET 38被传输到处于空气通道16中的翅片68。

如上所述，底盘14提供了许多优点。例如，底盘14提供用于来自航空器的空气入口软管(未示出)的安装连接，用于将来自空气软管入口的空气引导到风扇18的空气通道16，用于进一步帮助热传递的处于空气通道16中的翅片68，并且因为它被布置成紧靠风扇18，所以它可以用作护罩14a'。值得注意的是，处于空气通道16中的翅片68提供了一种不是在起动模式期间而是在旋转机器组件10的发电模式期间消散由MOSFET 38生成的热量的方式。

集成护罩14a'通过优化的风扇18而实现了更有效的气流，优化的风扇18再次改善了旋转机器12的冷却。将所有这些功能集成到一个部件(即，底盘14)中降低了复杂性和部件数量，并且消除了执行相同功能的多个部件可能发生的接口问题。将这作为一个部件还可以更容易地优化气流，因为不存在可能破坏气流的紧固件或部件接口。如将了解的，这在航空器中是非常期望的。

上面已经详细描述了旋转机器组件。在阅读和理解前面的详细描述后会想到修改和替换。然而，本发明不仅限于上述实施例。相反，本发明由所附权利要求及其效物来广泛地限定。

Claims (20)

1.一种旋转机器组件，包括：

旋转机器，包括

盖，所述盖限定所述旋转机器的外表面；

定子，所述定子被安置在所述盖内，所述定子相对于所述盖是固定的；

轴，所述轴至少部分地在所述盖内被可旋转地安置以限定旋转轴线，所述轴包括可连接到航空器发动机的第一端以及与所述第一端相对的第二端；

转子，所述转子附接到所述轴，所述转子相对于所述定子是可移动的；以及

功率模块，所述功率模块包括至少一个MOSFET，所述至少一个MOSFET周期性地反转所述转子的电流方向，其中包括所述至少一个MOSFET的所述功率模块被安置在所述盖内。

2.根据权利要求1所述的旋转机器组件，还包括控制外壳，控制模块被安置在所述控制模块内，其中所述控制模块与所述功率模块是分开的并且是不同的，并且所述控制外壳被安装在所述旋转机器的所述盖上，以便位于所述旋转机器的外部并附接到所述旋转机器。

3.根据权利要求1所述的旋转机器组件，还包括底盘，所述底盘被至少部分地安置在所述轴的所述第二端附近，其中包括所述至少一个MOSFET的所述功率模块附接到所述底盘，并且所述底盘限定与所述转子处于流体连通中的空气通道，以便将热量传递离开所述至少一个MOSFET。

4.根据权利要求3所述的旋转机器组件，其中所述底盘包括被安置在其相对端处的主体部分和入口部分，所述入口部分和所述轴的所述第一端被安置在所述旋转机器组件的相对端处，以使得所述主体部分被安置在它们之间，并且其中所述底盘被容纳在所述盖中。

5.根据权利要求4所述的旋转机器组件，其中所述主体部分限定主体内周长和主体外周长，并且所述入口部分限定入口内周长和入口外周长，并且其中所述主体外周长大于所述入口外周长和所述主体内周长。

6.根据权利要求4所述的旋转机器组件，还包括被安置在所述轴上的第二端处的风扇，其中所述风扇被流体地安置在所述底盘的入口部分和所述转子之间。

7.根据权利要求3所述的旋转机器组件，其中所述底盘至少限定径向地被安置在所述空气通道和所述盖之间的腔体，并且其中至少一个腔体包括被安置在其中的相变材料。

8.根据权利要求7所述的旋转机器组件，其中所述相变材料是在108摄氏度下熔化并且储热容量为180焦耳/克的蜡状固体，以使得与所述相变材料的熔化相关联的熔化热量吸收来自所述至少一个MOSFET的热量。

9.根据权利要求7所述的旋转机器组件，其中包括所述至少一个MOSFET的所述功率模块被径向地安置在所述至少一个腔体和所述盖之间。

10.根据权利要求7所述的旋转机器组件，其中所述至少一个腔体由至少一个侧壁限定，并且所述至少一个腔体包括直接接触所述相变材料的多个肋，所述多个肋限定彼此流体连通的多个通路。

11.根据权利要求10所述的旋转机器组件，其中所述多个肋中的每一个包括从所述至少一个侧壁朝向所述定子延伸的附接端和与所述附接端相对的自由端，其中所述多个肋中的每一个的自由端和所述至少一个侧壁之间的空间允许所述多个通路之间的流体连通。

12.根据权利要求3所述的旋转机器组件，其中所述底盘包括限定所述空气通道的内壁、径向地位于所述内壁的外部的外壁、以及在所述内壁和所述外壁之间延伸以限定侧壁高度并将所述内壁和所述外壁连接在一起的至少一个侧壁，并且其中所述内壁、所述外壁和所述至少一个侧壁配合以限定至少一个腔体，所述至少一个腔体包括被安置在其中的相变材料。

13.根据权利要求12所述的旋转机器组件，其中所述内壁、所述外壁和所述至少一个侧壁是一体的，以防止所述空气通道和所述至少一个腔体之间的流体连通，并且其中所述至少一个腔体包括至少一个可密封端口，所述相变材料通过所述至少一个可密封端口而被引入到所述至少一个腔体中。

14.根据权利要求12所述的旋转机器组件，还包括多个肋，所述多个肋在所述内壁和所述外壁之间延伸，以将所述内壁和所述外壁连接在一起，从而限定多个通路，所述多个通路彼此流体连通并且直接接触所述相变材料，并且其中所述多个肋的一端与所述至少一个侧壁间隔开以允许所述多个通路之间的流体连通。

15.根据权利要求12所述的旋转机器组件，其中所述内壁在与所述旋转轴线正交的平面中限定圆形横截面。

16.根据权利要求12所述的旋转机器组件，其中所述外壁在与所述旋转轴线正交的平面中限定六边形横截面。

17.根据权利要求12所述的旋转机器组件，其中所述底盘包括多个翅片，所述多个翅片从所述内壁朝向所述旋转轴线延伸以便限定翅片高度，并且其中所述多个翅片与所述空气通道流体连通。

18.根据权利要求17所述的旋转机器组件，其中所述至少一个腔体包括多个肋，所述多个肋在所述内壁和所述外壁之间延伸以将所述内壁和所述外壁连接在一起以限定肋高度，并且其中所述肋高度大于所述翅片高度且小于所述侧壁高度。

19.根据权利要求3所述的旋转机器组件，其中所述至少一个MOSFET包括多个MOSFET，所述多个MOSFET被安置在多个印刷电路板上，所述多个印刷电路板被周向地安装到所述底盘以便位于所述空气通道与所述盖之间以径向地包围所述空气通道。

20.根据权利要求19所述的旋转机器组件，还包括被安置在所述印刷电路板和所述底盘之间的多个焊盘，其中所述多个焊盘是导热电绝缘体，以将所述印刷电路板与所述底盘电隔离。

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