CN114977575A

CN114977575A - 电机转子套筒

Info

Publication number: CN114977575A
Application number: CN202210176832.3A
Authority: CN
Inventors: J·霍兰德; F·韦德雷
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: US11863026B2; GB202102581D0; US20220271588A1; EP4050768A1

Abstract

本发明提供了一种电机转子套筒，该用于电机（28）的转子（29）的转子套筒（46）包括：包括具有第一弹性模量的第一材料的卷绕长丝（56）内层（52）；以及卷绕在该内层（52）周围的卷绕长丝（60）外层（54），该外层（54）包括具有高于第一模量的第二弹性模量的第二材料。

Description

电机转子套筒

本公开涉及一种用于电机的转子套筒。本公开还涉及具有转子套筒的机器，以及具有电机的混合电动推进系统和飞行器。

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，提供了一种用于电机的转子的转子套筒，该转子套筒包括：

包括具有第一弹性模量的第一材料的卷绕长丝内层；以及

卷绕在该内层周围的卷绕长丝外层，该外层包括具有高于该第一模量的第二弹性模量的第二材料。

已经发现的是，通过提供具有低弹性模量的卷绕长丝内层，可以提供强转子套筒，该强转子套筒在使用中抵抗离心力，从而提供对转子的有效约束。

卷绕长丝内层和/或外层可包括预加应力的长丝。

卷绕长丝外层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。

卷绕长丝内层和/或外层可设置在基质材料诸如环氧树脂、氰酸酯或酚醛树脂内。

卷绕长丝内层可包括玻璃纤维(例如，E-玻璃或S-玻璃)、芳族聚酰胺、PBO、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介于±30°和±60°之间，并且优选地大约±45°的交织的铺层角。

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。

根据第二方面，提供了一种制造电机的带套筒的转子的方法，该方法包括：

提供转子；

提供套筒，该套筒包括第一卷绕长丝层和第二卷绕长丝层，该第一卷绕长丝层包括具有第一弹性模量的第一材料，该第二卷绕长丝层围绕该第一层的外径卷绕并且包括具有高于第一模量的第二弹性模量的第二材料；以及

在转子的外径上滑动该套筒。

该转子可包括一个或多个永磁体，并且该套筒可在外径上在一个或多个永磁体上滑动。

该方法可包括在第一步骤中，围绕芯轴卷绕长丝内层和外层，然后固化长丝以形成复合环。

该方法可包括在第一步骤之后的第二步骤中，在锥形应力装置上方推动固化环以增大环的内径并在环上产生预应力，以及在转子的外径上方滑动套筒。

根据第三方面，提供了一种电机，该电机包括配有根据第一方面的套筒的转子。

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。

该电机可包括永磁电机，该永磁电机包括设置在转子的外径处的一个或多个表面永磁体。

根据第四方面，提供了一种飞行器推进系统，其包括根据第三方面的电机。

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5是沿图4的线A-A截取的剖视图；

图6是示出图4的转子套筒的厚度方向(ply direction)的示意图；

图7是示出制造图3的电机转子的方法的流程图；并且

图8是用于执行图7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是诸如永磁电机的常规类型，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。

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。

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。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。

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。合适材料的示例包括玻璃纤维(例如，E-玻璃或S-玻璃)、芳族聚酰胺、聚苯并噁唑(PBO)、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90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。其中设置纤维的基质材料具有大约8GPa的弹性模量。对于50％的体积分数，这使得低弹性模量长丝层的总弹性模量为大约50GPa。

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320(GPa)的刚度模量。碳纤维长丝嵌入基质内，体积分数为大约65％。基质通常具有大约8GPa的弹性模量。这使得碳纤维复合层的总弹性模量为大约213GPa。因此，外层的长丝具有比内层的长丝高大约3至4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4和图5中示出了具体尺寸。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。

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。第一层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角度。这确保了子层的互锁，并且增强了内层52的多向强度。内层52的长丝56相对于转子29的旋转轴线X布置成大约±45°(即，长丝56放置成大约+45°角和-45°角)。在一些情况下，第一层52的层片可交织，而不是为不同的子层，其中长丝以交替±45°的角度提供。在一些情况下，长丝可以介于±30°和±60°之间的角度提供。出于下文将解释的原因，外层54的长丝60被布置成与旋转轴线X成90°。

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。

第二种方法在图7中示出，其利用了图7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。由于芯轴不需要保持磁化，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64上方强压，如图8所示。组装工具64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

1.一种用于电机的转子的转子套筒，所述转子套筒包括：

包括具有第一弹性模量的第一材料的卷绕长丝内层；和

卷绕在所述内层周围的卷绕长丝外层，所述外层包括具有高于所述第一模量的第二弹性模量的第二材料。

2.根据权利要求1所述的转子套筒，其中所述卷绕长丝内层和/或外层包括预加应力的长丝。

3.根据权利要求1所述的转子套筒，其中所述卷绕长丝外层被预加应力至大于1000MPa的应力，并且可被加应力至介于500MPA和1500MPA之间的应力。

4.根据权利要求1所述的转子套筒，其中所述卷绕长丝内层和/或外层设置在基质材料诸如环氧树脂、氰酸酯或酚醛树脂内。

5.根据权利要求1所述的转子套筒，其中所述卷绕长丝内层包括玻璃纤维、芳族聚酰胺、PBO、E-玻璃、S-玻璃、尼龙或Dynema中的任一种，或这些材料中的一种或多种的混合物。

6.根据权利要求1所述的转子套筒，其中当安装时，所述内层相对于所述电机转子的旋转轴线具有大约+45°和-45°的交替铺层角。

7.根据权利要求1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。

8.根据权利要求1所述的转子套筒，其中所述外层包括碳纤维或陶瓷纤维。

9.根据权利要求1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。

10.一种制造电机的带套筒的转子的方法，所述方法包括：

提供转子；

提供套筒，所述套筒包括第一卷绕长丝层和第二卷绕长丝层，所述第一卷绕长丝层包括具有第一弹性模量的第一材料，所述第二卷绕长丝层围绕所述第一层的外径卷绕并且包括具有高于所述第一模量的第二弹性模量的第二材料；以及

在所述转子的外径上滑动所述套筒。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述转子包括一个或多个永磁体，并且所述套筒能够在所述外径上在所述一个或多个永磁体上滑动。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述方法包括在第一步骤中，围绕芯轴卷绕所述长丝内层和外层，然后固化所述长丝以形成复合环。

13.根据权利要求10所述的方法，其中所述方法包括在所述第一步骤之后的第二步骤中，在锥形应力装置上方推动所述固化环以增大所述环的内径并在所述环上产生预应力，以及在所述转子的所述外径上方滑动所述套筒。

14.一种电机，所述电机包括配有根据权利要求1所述的套筒的转子。

15.根据权利要求14所述的电机，其中所述电机被配置为作为发电机和马达中的一者或两者来运行。

16.根据权利要求14所述的电机，其中所述电机包括永磁电机，所述永磁电机包括设置在所述转子的外径处的一个或多个表面永磁体。

17.一种飞行器推进系统，所述飞行器推进系统包括根据权利要求14所述的电机。