CN114977574A

CN114977574A - 电机转子套筒

Info

Publication number: CN114977574A
Application number: CN202210176796.0A
Authority: CN
Inventors: J·霍兰德
Original assignee: Rolls Royce Electrical Norway AS
Current assignee: Rolls Royce Electrical Norway AS
Priority date: 2021-02-24
Filing date: 2022-02-24
Publication date: 2022-08-30
Also published as: US20220271601A1; GB202102583D0; EP4050769A1

Abstract

本发明提供了一种电机转子套筒。一种电机包括定子（50）、在该定子的径向内侧并且包括多个表面永磁体（44）的转子（29）以及围绕该转子的转子套筒（46）。该转子套筒包括多个纤维增强的基质材料（56、60）层。该转子套筒将转子套筒半径与径向厚度的比率（r:t）限定在20和40之间，并且该电机具有大于15000 RPM的最大转子旋转速度。

Description

电机转子套筒

本公开涉及用于电机的转子套筒、包括转子套筒的转子、包括转子的电机。本发明提供了一种混合电动推进系统和具有电机的飞行器。

永磁电机是已知的，其中提供包括一个或多个永磁体的转子以相对于包括电绕组的定子旋转。

通常，转子包括磁体结合到其上的径向内部转子芯/轴。鉴于通常使用的不相容材料以及用于径向向外驱动磁体的高离心力，将永磁体牢固地附连到内芯是困难的。鉴于此类机器遇到的大转子直径和较高旋转速度，此类离心力在高功率电机的情况下可能特别高。

该问题对于飞行器上使用的电机而言特别严重。此类机器必须具有高功率密度，并且因此必须高速旋转。另外，除机器本身失效时固有的安全问题之外，一个或多个永磁体的释放可表示由于高速碎屑而产生的严重安全问题。

常规地，此类机器包括转子套筒(也称为转子“绑带”)，该转子套筒围绕转子以容纳永磁体。该绑带必须位于转子和定子之间的气隙中。因此，在安装这种绑带的情况下，转子和定子之间的距离增大，从而导致机器功率密度减小。因此，希望减小该转子绑带的厚度。也可能遇到现有技术绑带系统的其他问题，诸如成本、安装困难、重量和强度。

根据第一方面，提供了一种电机，该电机包括：

定子；

转子，该转子在定子的径向内侧并且包括多个表面永磁体；

转子套筒，该转子套筒围绕转子，该转子套筒包括：

多个纤维增强的基质材料层；其中

所述转子套筒将转子套筒半径与径向厚度的比率限定在20和40之间；并且

其中

所述电机具有大于15000RPM的最大转子旋转速度。

已经发现的是，通过提供具有高转子套筒半径与径向厚度比率的转子套筒，可以在转子和定子之间实现相对小的气隙。这种小的气隙继而导致高速电机中的高功率密度，这继而导致重量减轻。这可通过使用包括多个纤维增强的基质材料层的转子套筒来实现。

该多个纤维增强的基质材料层可包括多个碳纤维增强的聚合物层，每个层包括相对于旋转轴线基本上取向成90°的纤维。

该转子套筒可包括至少一个纤维层，该至少一个纤维层的弹性模量低于该碳纤维层的弹性模量，并且设置在碳纤维增强的聚合物层之间。

该较低弹性模量纤维可相对于旋转轴线取向在50°和75°之间。

每个碳纤维增强的聚合物层的碳纤维可相对于旋转轴线取向在89°和90°之间。

一个或多个碳纤维增强的聚合物层的碳纤维可相对于旋转轴线取向在89.2°和89.9°之间。在一个实施方案中，一个或多个碳纤维增强的聚合物层的碳纤维可相对于旋转轴线取向成大约89.5°。

一个或多个碳纤维增强的聚合物层可限定不超过2mm的径向厚度，并且可限定介于1mm和2mm之间的径向厚度。已发现，大于2mm的厚度可导致横向强度的损失。

套筒可包括5％至20％的低弹性模量纤维增强的复合材料。这种低弹性模量纤维的量允许大部分复合纤维包含碳纤维，从而产生高强度，同时提供足够的轴向强度以防止失效。

低弹性模量纤维可相对于旋转轴线取向成大约60°。

该套筒可包括在每对碳纤维增强的塑料层之间的第一低弹性模量纤维层和第二低弹性模量纤维层，其中第一低弹性模量纤维层的纤维相对于旋转轴线沿顺时针方向取向为50°至75°，而第二低弹性模量纤维层的纤维相对于旋转轴线沿逆时针方向取向为50°至75°。

第一低弹性模量纤维层的纤维可相对于旋转轴线沿顺时针方向取向成大约60°，而第二低弹性模量纤维层的纤维可相对于旋转轴线沿逆时针方向取向成大约60°。

该低弹性模量纤维可包括玻璃纤维、芳族聚酰胺、超高分子量聚乙烯(诸如Dyneema^TM)和聚(对亚苯基-2,6-苯并二噁唑)(PBO)中的任一种。

低弹性模量纤维可设置在基质材料诸如环氧树脂、氰酸酯或酚醛树脂内。

该低弹性模量纤维可包括玻璃纤维、芳族聚酰胺、PBO、E-玻璃、S-玻璃、尼龙或Dyneema中的任一种，或这些材料中的一种或多种的混合物。

该转子套筒可包括纤维增强的基质材料内层，该纤维增强的基质材料内层设置在纤维增强的基质材料外层的径向内侧，该内层包含第一纤维材料，该第一纤维材料的弹性模量低于该外层的纤维材料的弹性模量。

该纤维增强的基质材料内层和/或外层可包括预加应力的纤维。

外层的纤维可被预加应力至大于1000MPa的应力，并且可被加应力至介于500MPA和1500MPA之间的应力。

该纤维增强的基质材料层可以包括基质材料诸如环氧树脂、氰酸酯或酚醛树脂。

该纤维增强的基质材料内层可包括玻璃纤维、芳族聚酰胺、PBO、E-玻璃、S-玻璃、尼龙或Dyneema中的任一种，或这些材料中的一种或多种的混合物。

当安装时，该内层可相对于电机转子的旋转轴线具有大约+45°和-45°的交替铺层角。

该内层可具有介于0.1mm和1mm之间的径向厚度，并且能够具有大约0.5mm的径向厚度。

该外层可包含碳纤维或陶瓷纤维。

当安装时，该外层可相对于电机转子的旋转轴线具有大约90°的铺层角。

该电机可被配置为作为发电机和马达中的一者或两者来运行。

根据第二方面，提供了一种飞行器推进系统，包括：根据第一方面的电机。

本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征如作适当变动，可以应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征可以应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征组合。

现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：

图1是包括并行混合推进系统的第一飞行器的平面图；

图2是用于图1的飞行器的并行混合推进系统的示意图；

图3是适用于图2的推进系统的电机的示意性剖视图；

图4是图3的电机的转子套筒的剖视图；

图5a和图5b是示出图4的转子套筒的厚度方向(ply direction)的示意图；

图6是图4的转子套筒的横截面透视图，示出了各种层；

图7是根据本公开的穿过套筒的横截面的摄影图像；

图8是示出制造图4的套筒的方法的流程图；

图9a和图9b是示出控制纤维角度的方法的示意图；

图10是示出将套筒安装在电机的转子上的方法的流程图；并且

图11是用于执行图10的方法的组装装置的横截面侧视图。

参考图1，示出了飞行器1。该飞行器具有常规构型，具有机身2、翼部3、尾部4和一对推进系统5。推进系统5中的一个在图2中详细示出。

图2示意性地示出了推进系统5。该推进系统5包括气体涡轮引擎10形式的内燃机。气体涡轮引擎10以轴流式串联包括风扇/螺旋桨12形式的推进器、压缩机14、燃烧设备16以及高压涡轮18和低压涡轮20。

气体涡轮引擎10以常规方式工作，使得空气被风扇12加速以产生两股气流：进入压缩机14的第一核心气流和绕过压缩机14以提供推进推力的第二气流。核心空气流过压缩该核心空气的压缩机14，然后将该空气递送到燃烧设备16，在该燃烧设备中该核心空气与燃料混合并且该混合物燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过喷嘴排出之前通过涡轮机18、20膨胀，从而驱动涡轮机以提供额外的推进推力。高压涡轮18和低压涡轮18、20分别通过合适的互连轴22、24驱动压缩机14和风扇12。

本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选构型。以举例的方式，此类引擎可具有另选数量的互连轴(例如，三个)和/或另选数量的压缩机和/或涡轮。另外，该引擎可包括设置在从涡轮到压缩机和/或风扇的驱动系中的齿轮箱。

推进系统5还包括一个或多个电机。具体地讲，系统5包括电动马达28。马达28是表面安装的永磁电机形式的常规类型，并且被配置为驱动推进器，诸如风扇12。在本实施方案中，马达28经由低压轴24联接到风扇12。在该实施方案中，电动马达28为“芯轴安装的”类型，其中马达28的转子29直接安装到低压轴24的表面上，并且被设置在转子29的径向外侧的定子50围绕。定子包括电绕组(未示出)，该电绕组可通电以产生旋转磁场。该旋转磁场与转子29的磁场相互作用，以在充当马达时引起旋转。因此，风扇12可由气体涡轮引擎10经由低压涡轮20和马达28中的任一者或两者供电。

电动马达28联接到为化学电池、燃料电池和电容器中的一个或多个形式的储能装置30，该储能装置在运行期间为电动马达28提供电能。在一些情况下，可为每个推进系统5提供可为不同类型(化学电池、燃料电池等)的多个储能系统。在其他情况下，可为多个推进系统提供公共储能装置30。

推进系统任选地包括一个或多个另外的电机诸如发电机32，该电机联接到马达28和储能装置30中的一者或两者，使得可在操作中提供额外的电能。发电机32通常由气体涡轮引擎10的低压轴24驱动。发电机32可经由齿轮箱和/或离合器联接到轴24，以允许发电机32与轴24选择性地连接和断开连接。在一些情况下，马达28可充当发电机。

电动马达28的细节示于图3中。应当理解，发电机32广义地类似于马达28。

马达28包括转子29和定子50。

转子29包括限定旋转轴线X的轴40。轴40通常由结构材料诸如钢、铝或钛构造，并且被配置为在使用中由马达28旋转，并且联接到推进器12。

轴的径向外侧是多个钢层压体42。钢层压体通常较薄，以使涡电流最小化，从而减少损耗和热量产生。另选地，转子可不包括层压钢，并且磁体可替代地直接附接到轴40。在这些情况下，钢合金诸如9310可用于轴40。

层压体42的径向外侧是多个永磁体44。永磁体44设置在层压体42(或轴40)的周向外表面上，因此转子可被称为“表面永磁体”类型。永磁体44通常通过粘合剂粘附到钢层压体上。

然而，粘合剂可能不够强效以抵抗使用中的离心负荷。为了在使用中将转子保持在适当位置，与转子上的离心负载相反，转子还包括转子套筒46，该转子套筒设置在永磁体44的径向外侧并至少部分地围绕永磁体，并且被配置为在使用中与转子一起旋转。转子套筒46在下文中更详细地描述，并且在图4和图5中更详细地示出。

套筒46的径向外侧是气隙48，其允许转子和定子50之间的相对旋转。定子50设置在气隙48的径向外侧，并且包括多个定子线圈(未示出)，当通电时，该定子线圈通过定子线圈的磁场与永磁体44之间的相互作用来驱动转子。

现在参见图4，更详细地示出了转子套筒46。套筒包括包含不同材料的内层52和外层54。转子46具有从旋转轴线的中心(即，转子轴40的中心)到套筒46的外半径测量的半径r。套筒46也具有径向厚度t，该径向厚度被测量为其中套筒接触永磁体的套筒46的径向内表面至径向外表面之间的径向厚度。在本实施方案中，半径r为大约283mm，并且厚度t为8.4mm。因此，半径与厚度的比率r/t为大约33。这种相对较高的半径与厚度比率意味着与转子的半径相比相对较薄的套筒。由于有效气隙是永磁体的外表面和定子的内表面之间的距离(其包括套筒的厚度)，因此薄套筒意味着小的有效气隙。因此，提供了相对小的气隙，这继而允许扭矩密集的电机。

然后机器的功率密度(即，机器的最大功率除以机器的质量)取决于扭矩密度乘以机器的最大旋转速度(例如，RPM)。对于给定的扭矩密度，高速机器将具有更高的功率密度，但也将在旋转部件上施加更大的负载。

薄转子套筒46允许高扭矩密度，但意味着在高旋转速度下的高环向应力。这是因为环向应力可通过以下公式与套筒半径和厚度相关：

中：

σ_θ＝环向应力

P＝径向施加到套筒上的内部压力

r＝半径

t＝厚度

压力继而与离心力F除以套筒的内表面积有关。离心力与转子的质量、转子的质量分布以及转子的角速度(即，旋转速度)相关。

本发明人测试了一种电机，该电机被配置为以至少15,000RPM旋转，并且具体地讲，以18,000RPM的最大速度旋转。转子可以旋转的最大速度将被理解为取决于各种条件，其中包括轴承和其他移动部件的机械限制，以及热限制，诸如由转子和定子的磁场的相互作用而产生的热量、定子内的电缆的电加热和摩擦加热。然而，对于给定的电机，最大旋转速度可被定义为最大速度，高于该最大速度可预期会发生对电机的损坏。这可通过测试或计算机建模来确定。本发明人已经发现，转子套筒中的环向应力经常限定转子的限制旋转速度，因此限制了良好设计的机器中的功率密度。

本发明人已经发现，提供了特别高的总体功率密度，其中转子半径与套筒厚度的比率介于25和40之间，并且优选地介于30和35之间，并且在一个实施方案中，为大约33，其中套筒使用卷绕纤维制造。卷绕纤维提供高强度，因此允许在高RPM下的高环向负载，同时提供薄套筒。较薄的套筒可导致相对较低的RPM极限(低于大约15,000RPM)，并且因此导致较低的总体功率密度，尽管由小气隙提供了高扭矩密度。因此，本发明人发现了在永磁电机中实现高功率密度的参数的组合。

发明人测试了一种电机，该电机被配置为以18,000RPM的最大旋转速度旋转。在该速度下，电机在作为马达运行时消耗大约2.5MW的电力。应当理解，电机也可作为发电机运行，在这种情况下，其将产生大约2.5MW的电力。

在该旋转速度下，在套筒46中产生大约1100MPa至1600MPa的环向应力。套筒46可承受超过该值的环向应力。

下文描述了套筒的各种附加特征，这些特征有助于实现套筒可承受的高环向应力。

套筒包括内层和外层，如图4所示。内层52包括复合材料，该复合材料包括具有相对低弹性模量的第一材料的长丝56。也就是说，第一材料是相对弹性的，并且当施加张力时可变形至相对较大的程度。第一长丝的材料也必须是相对柔性的，以允许其卷绕成形。合适的材料的示例包括玻璃纤维、芳族聚酰胺、聚苯并噁唑(PBO)、E-玻璃、S-玻璃、尼龙或Dynema，或这些材料中的一种或多种的混合物。在一个示例中，就玻璃纤维而言，纤维具有大约20吉帕斯卡GPa的刚度模量。

内层52的纤维56嵌入诸如树脂(诸如酚醛树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂或PEEK 58)的基质材料内。纤维56和树脂58一起形成复合材料。

类似地，外层54包括复合材料，该复合材料包括基质材料62中的长丝60。然而，长丝60通常由第二材料构成，该第二材料具有相对高的弹性模量，即，高于第一材料的弹性模量。在该实施方案中，长丝60包含碳纤维，但其它纤维材料可为合适的。基质材料62可与内层52的基质材料58相同，或可为用以确保与不同纤维材料的相容性的不同材料。在一个示例中，长丝具有大约180(GPa)的刚度模量。可使用更高刚度模量的纤维，诸如具有300GPA或甚至更高刚度的纤维。在一个示例中，所用的纤维具有324GPa的刚度。因此，外层的长丝具有比内层的长丝高大约20倍的弹性模量。在其他实施方案中，内层的长丝可具有更接近外层的刚度。外层纤维刚度与内纤维层刚度的比率可在2:1至40:1的范围内。

虽然附图未按比例示出，但在图5a和图5b中示出了本文档中使用的取向的定义。套筒46为大致圆柱形形状，并且沿其长度限定纵向旋转轴线X。当安装在马达28上时，该轴线X对应于套筒的旋转轴线。平行于旋转轴线的方向被描述为轴向方向。

环向方向Y被定义为垂直于X方向，围绕圆柱体周向延伸。类似地，径向方向Z被限定为垂直于轴向方向X和环向方向Y两者，该轴向方向X和环向方向Y从旋转轴线径向向外延伸。

内层在径向方向上的厚度T₁为大约0.5mm，并且更具体地介于0.1mm和1mm之间。另一方面，外层的厚度T₂通常介于3mm和15mm之间，这取决于套筒46的所需强度和刚度。虽然内层增加了套筒的厚度，但是对于给定的强度，套筒的总体厚度减小了。

通常，为了优化内层52和外层54的特性，长丝56、60被布置成层片，使得它们沿预定方向卷绕。内层52的层片被提供为多个子层，其中每个子层的层片相对于相邻层成大约90°的角度。这确保了子层的互锁，并且增强了内层52的多向强度。

类似地，外层54的长丝也被布置成层片，如图6所示。

外层54包括第一层66a。第一层66a包含复合材料，该复合材料包含嵌入诸如树脂(诸如酚醛树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂或PEEK)的聚合物基质70内的碳纤维长丝68。

第一层66a内的每根纤维68基本上在环向方向Y上取向，即与轴向方向成大约90°。然而，已经发现的是，当纤维68以略小于90°的角度卷绕时(并且在该实施方案中，纤维68以89.6°卷绕)，提供了附加的优点。已发现，由于下文将进一步详细解释的原因，当碳纤维68以89°和90°之间，并且优选地以89.2°和89.9°之间的角度卷绕时，可获得附加的有益效果。出于下文将解释的原因，第一层66a通常具有小于2mm，并且优选地介于1mm和2mm之间的厚度。

外层54的第二层72a可在相反方向上卷绕多道次，其中当卷绕方向反转时，纤维的取向反转。例如，在第一道次中，纤维可沿第一轴向方向X卷绕，其中纤维相对于轴向方向X顺时针取向为大约60°(并且更具体地，介于50°和75°之间)。在第二道次中，纤维可在与第一轴向方向相反的第二轴向方向上卷绕，其中纤维相对于轴向方向X逆时针取向为大约60°(并且更具体地，介于50°和75°之间)，以产生阴影图案。为了在第一层66a上获得足够的覆盖，使得在第二层72a中基本上不存在间隙，可能需要多个另外的道次。任选地，为了获得第二层72a的必要径向厚度，附加的另外的层可能是必要的。

第二层72a之后是后续的第一层66b，并且图案继续。然后构建必要的多个层，以提供必要厚度的层54，从而实现所需的强度。

总之，外层54的纤维包含按体积计(体积％)介于80％和95％之间的碳纤维长丝，其中较低弹性模量的纤维提供剩余的5体积％至20体积％。因此，保持了碳纤维所提供的强度，因为这些纤维构成复合材料中纤维的大部分。在由本发明人测试的一个示例中，套筒纤维含量由15体积％的玻璃纤维和85体积％的碳纤维组成。

在一个示例中，低弹性模量长丝具有大约93吉帕斯卡(GPa)的弹性模量。嵌入有长丝的树脂具有大约8GPa的弹性模量。在该层包括大约50％玻璃纤维的情况下，这给出了大约50GPa的内层总弹性模量。碳纤维长丝具有大约324GPa的弹性模量。在该层中，鉴于90°层，可实现更接近60％的总体积分数。使用具有8GPa弹性模量的树脂给出了外层54的大约213GPa的总弹性模量。因此，碳纤维长丝具有比较低弹性模量长丝高大约3至4倍的弹性模量。碳纤维刚度与较低模量纤维刚度的比率可在2:1至5:1的范围内。

所得的套筒46在图7中以横截面示出，图7示出了各种层。

内层52和外层54两者的长丝56、60在铺叠期间经受预应力，并且一旦复合结构固化就保持在适当位置，或者可在固化之后施加预应力。通常，预应力介于500和1500兆帕(MPa)之间，并且在本发明人测试的一个实施方案中，为大约1,100MPA。此类高预应力确保转子磁体上的径向压缩负载，以便在操作使用中响应于离心力来固定转子磁体与转子的接触，并且高于现有技术中通常可实现的径向压缩负载。与现有技术的复合材料套筒或金属套筒相比，这有助于减小套筒46的总体厚度。

可使用若干方法来构造套筒。一种方法是将长丝56、60直接施加到永磁体44，同时将张力施加到长丝。长丝可用基质材料(例如树脂)预浸渍，或作为片材施加。一旦施加，就固化复合材料。在任一种情况下，将首先施加第一层52的长丝56直到建立所需的厚度，然后施加第二层54。

然而，该过程的一个问题是基质材料通常需要高温来固化。另一方面，如果固化过程必须在低于永磁体44的居里温度的温度下进行，否则磁体的磁化将丢失。因此，套筒必须缓慢构建并在多个阶段中固化，从而导致耗时且缓慢的过程。该方法还趋于导致减小的预应力，因为预应力在固化步骤期间减小。已发现，使用该安装方法的预应力实际上限于约500-800MPa。

图9a和图9b示出了一种可改变碳纤维长丝68的角度的方法。本发明提供了碳纤维带或“粗纱”76a、76b，其在卷绕在套筒周围时具有轴向宽度。通过改变碳纤维带的宽度，角度是变化的，较宽的粗纱导致给定直径套筒的角度更接近轴向方向。通常，可商购获得在每根粗纱中具有预定数量纤维的粗纱。在一个示例中，将包括四根“24k”粗纱78(即，包括24,000根纤维的粗纱)的带卷绕在芯轴周围。这导致88.94°的纤维取向，如图9a所示。

图9b示出了第二布置方式，其中使用包括两个12k粗纱的带76b。这导致套筒与轴向方向成89.6°的纤维复合材料取向角。在测试期间，发现与具有88.94°取向的套筒相比，该套筒具有30％的拉伸强度改善。因此，碳纤维取向的较小差异可对总体套筒强度具有较大影响。在测试期间，已发现当纤维复合材料具有不小于89.2°的角度时，提供可接受的强度。

将套筒安装到转子上的一种选择是将套筒直接卷绕到转子上。然而，该过程的一个问题是基质材料通常需要高温来固化。另一方面，使用该方法，固化过程必须在低于永磁体44的居里温度的温度下进行，否则磁体的磁化将丢失。因此，套筒必须缓慢构建并在多个阶段中固化，从而导致耗时且缓慢的过程。该方法还趋于导致减小的预应力，因为预应力在固化步骤期间减小。已发现，使用该安装方法的预应力实际上限于约500-800MPa。

第二种方法在图10中示出，其利用了图11所示的装置。在第一步骤中，将长丝56、60卷绕在单独的芯轴(未示出)周围并固化。这可使用直接置于芯轴上的预浸渍纤维或通过树脂浴拉伸然后置于芯轴上的干燥纤维以所谓的湿长丝卷绕工艺来进行。

在第二步骤中，在芯轴上固化该结构。由于芯轴未被磁化，因此固化过程可在较高温度下发生。

在第三步骤中，任选地将套筒切割成较小的环，并在锥形组装工具62上方强压，如图11所示。组装工具62具有外径，该外径从较小直径向外锥形扩大到较大直径，该较大直径匹配或略微超过转子29的永磁体46的外径。通过强压套筒46越过芯轴，施加预张力，这增加了安装时由套筒46施加到永磁体44上的径向向内的力。

在第四步骤中，将套筒46强压到永磁体44上，直到套筒46完全安装在所需位置。此时，套筒46以过盈配合完全安装在转子29上。

具有高水平预应力的这种安装方法先前已由发明人利用常规复合套筒尝试过，但尚未成功。在这些情况下，复合套筒被安装过程损坏，从而导致纤维破损。通过提供具有较低弹性模量的内层52，在压配过程期间保护高模量纤维免受机械损坏，因此套筒可在组装工具上更容易地拉伸，而不损坏第二层54的纤维。

鉴于可施加的增加的预张力，本发明人已经发现本发明所公开的套筒和组装方法提供了相对于现有布置方式具有增加的强度和减小的厚度的转子套筒。在一个示例中，套筒的径向厚度从10.2mm减小到8.4mm。应当理解，除了导致重量直接减小之外，减小的厚度还减小了转子29和定子50之间的气隙的有效尺寸。这继而增加了转子和定子之间的扭矩传递，并且因此增加了功率密度。在本发明人已向其施加套筒的一个电机中，对于2.5兆瓦(MW)的电机，这导致了77kg的总重量减小。

应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

该电机可用于其他应用。例如，该电机可用作气体涡轮引擎的起动器/发电机。另选地，该电机可在任何其他合适的应用(诸如不包括气体涡轮引擎的电动飞机)中用作发电机或马达。

Claims

1.一种电机，包括：

定子；

转子，所述转子在所述定子的径向内侧并且包括多个表面永磁体；

转子套筒，所述转子套筒围绕所述转子，所述转子套筒包括：

多个纤维增强的基质材料层；其中

所述转子套筒将转子套筒半径与径向厚度的比率限定在20和40之间；并且其中

所述电机具有大于15000RPM的最大转子旋转速度。

2.根据权利要求1所述的转子套筒，其中多个卷绕长丝层包括多个碳纤维增强的聚合物层，每个层包括相对于所述旋转轴线基本上取向成90°的纤维。

3.根据权利要求2所述的转子套筒，其中所述转子套筒包括至少一个纤维层，所述至少一个纤维层的弹性模量低于所述碳纤维层的弹性模量，并且设置在所述碳纤维增强的聚合物层之间。

4.根据权利要求3所述的转子套筒，其中所述较低弹性模量纤维相对于所述旋转轴线取向在50°和75°之间。

5.根据权利要求2所述的转子套筒，其中每个碳纤维增强的聚合物层的所述碳纤维相对于所述旋转轴线取向在89°和90°之间，并且能够相对于所述旋转轴线取向在89.2°和89.9°之间。

6.根据权利要求2所述的转子套筒，其中一个或多个碳纤维增强的聚合物层限定不超过2mm的径向厚度，并且能够限定介于1mm和2mm之间的径向厚度。

7.根据权利要求3所述的转子套筒，所述套筒包括介于5％和20％之间的低弹性模量纤维增强的复合材料。

8.根据权利要求3所述的转子套筒，其中所述套筒包括在每对碳纤维增强的塑料层之间的第一低弹性模量纤维层和第二低弹性模量纤维层，其中所述第一低弹性模量纤维层的纤维相对于所述旋转轴线沿顺时针方向取向为50°至75°，而所述第二低弹性模量纤维层的纤维相对于所述旋转轴线沿逆时针方向取向为50°至75°。

9.根据权利要求8所述的转子套筒，其中所述低弹性模量纤维包括玻璃纤维、芳族聚酰胺、超高分子量聚乙烯(诸如Dyneema^TM)和聚(对亚苯基-2,6-苯并二噁唑)(PBO)中的任一种。

10.根据权利要求1所述的转子套筒，其中所述转子套筒包括纤维增强的基质材料内层，所述纤维增强的基质材料内层设置在纤维增强的基质材料外层的径向内侧，所述内层包含第一纤维材料，所述第一纤维材料的弹性模量低于所述外层的所述纤维材料的弹性模量。

11.根据权利要求10所述的转子套筒，其中所述纤维增强的基质材料内层(52)和/或外层(54)包括预加应力的纤维，并且所述外层的所述纤维能够被预加应力至大于1000MPa的应力，并且能够被加应力至介于500MPA和1500MPA之间的应力。

12.根据权利要求10所述的转子套筒，其中所述纤维增强的基质材料内层包括玻璃纤维、芳族聚酰胺、PBO、E-玻璃、S-玻璃、尼龙或Dyneema中的任一种，或这些材料中的一种或多种的混合物。

13.根据权利要求10所述的转子套筒，其中所述内层具有介于0.1mm和1mm之间的径向厚度，并且能够具有大约0.5mm的径向厚度。

14.根据权利要求10所述的转子套筒，其中所述外层包含碳纤维或陶瓷纤维。

15.根据权利要求10所述的转子套筒，其中当安装时，所述外层相对于所述电机转子的旋转轴线具有大约90°的铺层角。