CN116131564A - 用于运载工具的电推进系统、电机及其组装方法 - Google Patents

用于运载工具的电推进系统、电机及其组装方法 Download PDF

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C.M.卡尔布雷斯
J.萨利文
张丽丽
陈勤
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Abstract

本公开提供一种运载工具电推进系统、电机及其组装方法，所述电机包括全部设置在其壳体内的定子、转子和定子绕组。所述定子限定沿纵向轴线伸长的中心孔，以及围绕所述中心孔周向设置的多个槽。所述转子固持在所述中心孔内并且相对于所述定子旋转。所述定子绕组包括核心导体、围绕所述核心导体的绝缘层以及围绕所述绝缘层的导电屏蔽层。所述定子绕组延伸穿过所述定子的所述槽。所述定子绕组包括位于所述定子的所述槽内的槽内部分以及位于所述槽外部的端部绕组部分。所述导电屏蔽层沿所述定子绕组的所述槽内部分和所述端部绕组部分这两者围绕所述绝缘层。

Description

用于运载工具的电推进系统、电机及其组装方法
技术领域
本说明书中所述的主题涉及运载工具例如飞行器、航天器、汽车、轨道车辆、船舶上的推进系统。
背景技术
电晕放电是由导体周围的气体例如空气的电离引起的放电。电晕放电在局部电场超出阈值时发生。此阈值取决于各种条件，例如由气体分隔的导电元件之间的距离以及电场强度(例如，电势梯度的大小)、气体的电击穿强度以及电场的频率和斜坡率(ramprate)。例如，如果围绕导体的绝缘层暴露于空气中并且受到超出环境条件下的空气电击穿强度的电势降，则导体和与绝缘层间隔开的接地导电元件之间可能发生跨绝缘层的电晕放电。所述电晕放电可能使绝缘层劣化，进而缩短绝缘层的可用寿命，并且还可能产生对系统中其他部件有害的臭氧。
在航空应用中，高海拔下的较低空气压力(相对于地面空气压力而言)将降低空气的电击穿强度。空气电击穿强度的降低会增加电晕放电的风险。飞行器中的常规电机(发电机和/或电动机)试图通过增加相邻导电元件之间的间隙距离并且还通过将电压限制在上限以下来防止电晕放电。一些已知飞行器使用400Vac或540Vdc作为电压上限，使得飞行器的电气系统限于接收小于或等于400Vac或540Vdc的电流。
但是，常规飞行器电气系统存在若干缺点。例如，将电压上限设置成400Vac或540Vdc可能显著限制飞行器上设计成在最高达或超过1kV的电压下操作的配电系统的性能和/或效率。即使没有设置电压上限，为避免在最高达或超过1kV的高工作电压下发生电晕放电，导体与接地电气元件之间的间隙距离将需要足够大，导致电气设备例如电机大得和重得不可实际。由于这会造成支持飞行器飞行的燃料消耗相对于较小和/或较轻飞行器(在相似环境条件和类似飞行环境中飞行)而言增加，因此在飞行器中设置较大和较重电机是不受欢迎且不可行的。
发明内容
在本公开的一个或多个实施例中，提供一种用于运载工具电推进系统的电机，所述电机包括壳体、定子、转子和定子绕组。所述定子位于所述壳体内，并且具有环形形状，所述环形形状限定沿所述定子的纵向轴线伸长的中心孔。所述定子限定围绕所述中心孔周向设置的槽。所述转子固持在所述定子的所述中心孔内。所述转子连接到沿所述定子的所述纵向轴线延伸的轴。所述转子配置成相对于所述定子围绕所述纵向轴线旋转。所述定子绕组在所述壳体内延伸穿过所述定子的所述槽。所述定子绕组包括核心导体、围绕所述核心导体的绝缘层以及围绕所述绝缘层的导电屏蔽层。所述定子绕组包括位于所述定子的所述槽内的槽内部分以及位于所述槽外部的端部绕组部分。所述导电屏蔽层沿所述定子绕组的所述槽内部分和所述端部绕组部分这两者围绕所述定子绕组的所述绝缘层。
在本公开的一个或多个实施例中，提供一种用于运载工具的推进系统，所述推进系统包括发动机以及可操作地连接到所述发动机的电推进系统。所述电推进系统包括电机。所述电机包括壳体、定子、转子和定子绕组。所述定子位于所述壳体内，并且具有环形形状，所述环形形状限定沿所述定子的纵向轴线伸长的中心孔。所述定子限定围绕所述中心孔周向设置的槽。所述转子固持在所述定子的所述中心孔内。所述转子连接到沿所述定子的所述纵向轴线延伸的轴。所述转子配置成相对于所述定子围绕所述纵向轴线旋转。所述定子绕组在所述壳体内延伸穿过所述定子的所述槽。所述定子绕组包括核心导体、围绕所述核心导体的绝缘层以及围绕所述绝缘层的导电屏蔽层。所述定子绕组包括位于所述定子的所述槽内的槽内部分以及位于所述槽外部的端部绕组部分。所述导电屏蔽层沿所述定子绕组的所述槽内部分和所述端部绕组部分围绕所述定子绕组的所述绝缘层。
在本公开的一个或多个实施例中，提供一种用于组装运载工具电推进系统的电机的方法，所述方法包括在壳体内提供定子。所述定子具有环形形状，所述环形形状限定沿所述定子的纵向轴线伸长的中心孔。所述定子限定围绕所述中心孔周向设置的槽。所述方法包括在所述壳体内将定子绕组插入所述定子的所述槽内。所述定子绕组包括核心导体以及围绕所述核心导体的绝缘层。所述定子绕组具有位于所述定子的所述槽内的槽内部分以及位于所述槽外部的端部绕组部分。所述方法还包括施加围绕所述定子绕组的所述绝缘层的导电屏蔽层。所述导电屏蔽层沿所述定子绕组的所述槽内部分和所述端部绕组部分这两者施加。
技术方案1.一种用于运载工具电推进系统的电机，所述电机包括：
壳体；
位于所述壳体内的定子，所述定子具有环形形状，所述环形形状限定沿所述定子的纵向轴线伸长的中心孔，所述定子限定围绕所述中心孔周向设置的槽；
转子，所述转子固持在所述定子的所述中心孔内，所述转子连接到沿所述定子的所述纵向轴线延伸的轴，所述转子配置成相对于所述定子围绕所述纵向轴线旋转；以及
定子绕组，所述定子绕组在所述壳体内延伸穿过所述定子的所述槽，所述定子绕组包括核心导体、围绕所述核心导体的绝缘层以及围绕所述绝缘层的导电屏蔽层，所述定子绕组包括位于所述定子的所述槽内的槽内部分以及位于所述槽外部的端部绕组部分，
其中所述导电屏蔽层沿所述定子绕组的所述槽内部分和所述端部绕组部分这两者围绕所述定子绕组的所述绝缘层。
技术方案2.根据技术方案1所述的电机，其中所述定子绕组的所述导电屏蔽层沿所述端部绕组部分所具有的导电率大于沿所述槽内部分的导电率。
技术方案3.根据技术方案1所述的电机，其中所述定子绕组的所述导电屏蔽层沿所述端部绕组部分的厚度大于沿所述槽内部分的厚度。
技术方案4.根据技术方案1所述的电机，其中所述定子绕组的所述核心导体是中空的并且限定穿过其中的流体通道，以用于冷却所述核心导体。
技术方案5.根据技术方案4所述的电机，进一步包括冷却管，所述冷却管延伸到所述壳体中并且在所述壳体内位于所述定子外部的冷却结点处连接到所述定子绕组，所述冷却管包括被所述导电屏蔽层围绕的电介质管，所述电介质管在所述冷却结点处流体连通到所述核心导体的所述流体通道并且配置成将冷却流体输送到所述流体通道中。
技术方案6.根据技术方案1所述的电机，其中所述壳体是导电的，并且所述定子绕组具有延伸穿过位于所述壳体内的开口的出口段，所述定子绕组的所述导电屏蔽层在所述开口处与所述壳体接合，以将所述导电屏蔽层电连接到所述壳体。
技术方案7.根据技术方案1所述的电机，其中所述导电屏蔽层沿所述壳体内的所述定子绕组的整个长度围绕所述绝缘层。
技术方案8.根据技术方案1所述的电机，其中所述定子绕组的所述导电屏蔽层沿所述定子绕组的长度分割成离散屏蔽段，相邻屏蔽段由围绕所述定子绕组的整个周边延伸的介电间隙彼此间隔开，以阻止所述相邻屏蔽段之间的电流流动。
技术方案9.根据技术方案8所述的电机，其中所述定子绕组包括延伸所述定子绕组的长度的加蔽线，所述加蔽线与所述定子绕组的所述屏蔽段间隔开并且经由对应的绑线电连接到所述屏蔽段，每个绑线在所述加蔽线与另一个不同的所述屏蔽段之间延伸。
技术方案10.根据技术方案1所述的电机，其中所述定子绕组包括延伸所述定子绕组的长度的加蔽线，所述加蔽线直接与所述定子绕组的所述导电屏蔽层接合。
技术方案11.一种用于运载工具的推进系统，所述推进系统包括：
发动机；以及
可操作地连接到所述发动机的电推进系统，所述电推进系统包括电机，所述电机包括：
壳体；
位于所述壳体内的定子，所述定子具有环形形状，所述环形形状限定沿所述定子的纵向轴线伸长的中心孔，所述定子限定围绕所述中心孔周向设置的槽；
转子，所述转子固持在所述定子的所述中心孔内，所述转子连接到沿所述定子的所述纵向轴线延伸的轴，所述转子配置成相对于所述定子围绕所述纵向轴线旋转；以及
定子绕组，所述定子绕组在所述壳体内延伸穿过所述定子的所述槽，所述定子绕组包括核心导体、围绕所述核心导体的绝缘层以及围绕所述绝缘层的导电屏蔽层，所述定子绕组包括位于所述定子的所述槽内的槽内部分以及位于所述槽外部的端部绕组部分，
其中所述导电屏蔽层沿所述定子绕组的所述槽内部分和所述端部绕组部分这两者围绕所述定子绕组的所述绝缘层。
技术方案12.根据技术方案11所述的推进系统，其中所述电机是发电机，所述转子的所述轴机械连接到所述发动机的驱动轴，其中所述驱动轴的旋转致使所述转子在所述定子的所述中心孔内旋转，所述转子的所述旋转使所述定子绕组内产生电流。
技术方案13.根据技术方案11所述的推进系统，其中所述电推进系统进一步包括电力转换器，所述电力转换器经由电力电缆电连接到所述电机，所述电力电缆在所述电机的所述壳体与所述电力转换器的壳体之间延伸，所述电力电缆包括核心导体、围绕所述核心导体的绝缘层以及沿位于所述电机与所述电力转换器之间的所述电力电缆的整个长度围绕所述绝缘层的电缆屏蔽层。
技术方案14.根据技术方案11所述的推进系统，其中所述电机是电动机，所述转子的所述轴机械连接到所述运载工具上的螺旋桨，其中沿所述定子绕组的所述核心导体输送的电流感生磁场，所述磁场使所述转子在所述定子的所述中心孔内旋转，进而致使所述轴使所述螺旋桨旋转。
技术方案15.根据技术方案11所述的推进系统，其中所述定子绕组的所述导电屏蔽层沿所述端部绕组部分所具有的导电率大于沿所述槽内部分的导电率。
技术方案16.根据技术方案11所述的推进系统，其中所述定子绕组的所述导电屏蔽层沿所述端部绕组部分的厚度大于沿所述槽内部分的厚度。
技术方案17.根据技术方案11所述的推进系统，其中所述定子绕组的所述核心导体是中空的并且限定穿过其中的流体通道，以用于冷却所述核心导体。
技术方案18.一种方法，所述方法包括：
在所述壳体内提供定子，所述定子具有环形形状，所述环形形状限定沿所述定子的纵向轴线伸长的中心孔，所述定子限定围绕所述中心孔周向设置的槽；
在所述壳体内将定子绕组插入所述定子的所述槽内，所述定子绕组包括核心导体以及围绕所述核心导体的绝缘层，所述定子绕组具有位于所述定子的所述槽内的槽内部分以及位于所述槽外部的端部绕组部分；以及
施加围绕所述定子绕组的所述绝缘层的导电屏蔽层，其中所述导电屏蔽层沿所述定子绕组的所述槽内部分和所述端部绕组部分这两者施加。
技术方案19.根据技术方案18所述的方法，其中所述导电屏蔽层施加成使得所述导电屏蔽层在所述壳体内沿所述定子绕组的整个长度围绕所述绝缘层。
技术方案20.根据技术方案18所述的方法，其中所述导电屏蔽层施加成使得所述导电屏蔽层沿所述端部绕组部分的导电率大于沿所述槽内部分的导电率。
技术方案21.根据技术方案18所述的方法，进一步包括将转子装载在所述定子的所述中心孔内，所述转子连接到沿所述定子的所述纵向轴线延伸的轴，所述转子配置成相对于所述定子围绕所述纵向轴线旋转。
附图说明
参考附图阅读以下对非限定性实施例的描述将更好地理解本发明的主题，其中：
图1示出根据实施例的飞行器的侧视透视图；
图2示出根据实施例的飞行器推进系统的示意图；
图3是根据实施例的推进系统的燃气涡轮发动机的截面图；
图4是根据实施例的推进系统的电机的正视透视图；
图5是图4所示电机的分解透视图；
图6是根据实施例的电机的一部分的示意图，其中示出电机壳体内的定子；
图7是根据实施例的电机的一部分的近视图；
图8是根据实施例的电机的另一部分的近视截面图，其中示出定子绕组以及冷却结点处的冷却管；
图9示出根据实施例的电机的定子绕组的截面长度；
图10是根据替代实施例的电机的定子绕组的截面长度；
图11是根据另一替代实施例的电机的定子绕组的截面长度；以及
图12是根据实施例的用于组装电机的方法的流程图。
具体实施方式
本说明书中所述的本发明主题的实施例提供一种用于运载工具的电推进系统，所述电推进系统配置成在高电压下操作，同时抑制电晕放电。所述运载工具可以是飞行器，并且所述电推进系统配置成在高空下抑制电晕放电。所述电推进系统产生电流并且分配所述电流以便为飞行器上的各种负载供电。例如，所述电推进系统可以向驱动螺旋桨的电动机提供高电压电流，以产生用于推进所述运载工具的推力。所述高电压电流也可以用于为其他负载供电，例如用于升起起落架以及操作飞行器机翼上的襟翼。本说明书中所描述的实施例中的电推进系统可以在超过300V，例如最高达或超过1kV的高电压下操作。尽管本说明书中所描述的一个或多个实施例中的运载工具是飞行器，但应认识到，所述电推进系统可以安装在另一类型的运载工具上，例如航天器、汽车、船舶、轨道车辆(例如，机车)等。
在本公开的一个或多个实施例中，所述电推进系统包括电机，例如发电机和/或电动机，所述电机包括位于壳体内的定子和转子。所述电机设计成通过屏蔽所述壳体内易受电晕影响的所有部件来抑制电晕放电，所述部件例如定子绕组(例如，也称为线圈或棒形绕组)上的绝缘体、冷却管、定子绕组之间接合部处的导体接头，以及定子绕组与冷却管之间接合部处的冷却结点。在一个或多个实施例中，所述定子绕组在电机壳体内的整个长度由直接施加在定子绕组的绝缘层上的屏蔽层围绕。例如，所述屏蔽层沿所述定子内的槽内部分、沿所述定子外部的端部绕组部分，以及沿连接所述定子绕组的不同段以及将定子绕组连接到冷却管的结点或连接接合部而围绕所述定子绕组。
所述电机在本说明书中称为“完全屏蔽”，因为所述屏蔽层围绕所述壳体内易受电晕影响的所有部件。所述完全屏蔽设计配置成消除位于所述壳体内的空气中的电场。结果，位于所述屏蔽层外部的空气中的电应力足够小以防止放电。所述固体绝缘体维持高电压导电芯与所述屏蔽层之间的电势降。所述固体绝缘体可以承受比空气更大的电场，并且也不受高空下空气压力变化的影响。
上述电机经由电力电缆电连接到所述电推进系统中的其他电气装置和电机，例如电力转换器(power converter)、断路器、储能装置、发电机、电动机等。所述其他电气装置和电机也可以完全屏蔽以抑制电晕放电。此外，连接所述电推进系统的电机和电气装置的电力电缆还包括围绕所述电力电缆的绝缘层的屏蔽层。因此，整个电推进系统可以配置成当在高电压下操作时抑制电晕放电。
本说明书中所描述主题的至少一个技术效果包括在运载工具中提供能够在比基于运载工具的已知电机更高的电压(例如，超过300V)下操作的电机，特别是在飞行器所经历的高空处。例如，所述电机能够实现比已知运载工具电机更大的功率密度(例如功率重量比)，因为所述电机维持现有机器尺寸以及导电部件之间的间隙距离。因此，不需要增加电机的尺寸和重量，以允许电机在高空以高电压操作。本说明书中所描述主题的又一个技术效果包括通过降低沿电绝缘体发生电晕放电的可能性来减小电绝缘体的劣化，并且因此延长绝缘体的寿命。例如，沿所述绝缘体的表面电晕得以大体上消除。
图1示出根据实施例的飞行器100的侧视透视图。飞行器100包括推进系统102，所述推进系统提供用于推进飞行器100的推力。在图示的实施例中，推进系统102包括两个燃气涡轮发动机104，但是在替代实施例中，推进系统102可以包括两个以上发动机104或者仅一个发动机104。发动机104由飞行器100的机翼106承载。在其他实施例中，发动机104可以由飞行器100的机身108和/或尾翼110承载。尾翼110包括水平稳定器112和垂直稳定器114。飞行器100的机身108限定内舱，所述内舱可以包括驾驶舱、一个或多个工作部分(例如厨房、人员随身行李区等)、一个或多个乘客部分(例如，头等舱、商务舱和经济舱)和尾部部分。在替代实施例中，推进系统102可以包括一个或多个螺旋桨。
图2是根据实施例的运载工具推进系统202的示意图。推进系统202可以是图1所示飞行器100的推进系统102。推进系统202包括发动机204、电推进系统206、电气负载208和螺旋桨210。电推进系统206包括可操作地连接在发动机204与负载(例如电气负载208、螺旋桨210和其他机械负载)之间的各种电机和电气装置。在实施例中，发动机204是配置成经由燃料和空气的化学燃烧产生机械动力的燃气涡轮发动机204。所述电推进系统206将从燃气涡轮发动机204接收的机械动力转换成电流形式的电力，然后改变和分配所述电力。
所述电推进系统206包括发电机212、第一电力转换器214、第二电力转换器216、储能装置218、断路器220、第三电力转换器226和电动机222。发电机212可操作地连接到燃气涡轮发动机204并且配置成将从发动机204接收的机械动力转换成电力。来自发电机212的电流沿电力电缆224从发电机212引导到第一电力转换器214和第二电力转换器216。在实施例中，发电机212配置成向电力转换器214、216提供高电压电流，例如超过300V。
第一电力转换器214和第二电力转换器216配置成改变从发电机212接收的电力，例如使所述电力在交流电(AC)与直流电(DC)之间转换和/或改变所述电能的电压或频率。例如，电力转换器216可以向电气负载208提供相对较低电压，例如128V等。电力转换器214、216中的每一者可以包括或表示一个或多个变压器和/或类似装置。来自第二电力转换器216的电流供应到储能装置218，所述储能装置可以包括或表示一个或多个电池。来自第一电力转换器214的电流供应到断路器220。断路器220配置成在电压或电流超出指定阈值的情况下断开导电电路通道，以防止损坏系统206中的装置和机器。视情况而定，第一电力转换器214可以配置成升高或增大供应到断路器220的电流的电压。
电力转换器216经由电力电缆224向电气负载208供应电流，所述电气负载可以表示多个电气负载。所述电气负载208的非限制性示例可以包括HVAC系统、厨房中的烤箱、照明、供操作员(例如飞行员、驾驶员等)使用的仪表以及供乘客使用的运载工具内娱乐设施。
第三电力转换器226可以包括或表示一个或多个变压器和/或类似装置。第三电力转换器226从断路器220接收电流并且向一个或多个电气负载供电，包括向电动机222供电。第三电力转换器226可以配置成减小或降低电流的电压，使得将低电压电流供应到电动机222。所述电压可以大于300V，例如最高达或超过1kV。
电动机222配置成将从电力转换器226接收的电力转换成用于使螺旋桨210旋转的机械动力。螺旋桨210的旋转可以产生用于维持飞行器飞行的推力。尽管图2中仅示出一个电动机222和一个螺旋桨210，但是飞行器的推进系统202可以包括由多个对应电动机222驱动的多个螺旋桨210。在实施例中，所述电推进系统206的电动机222或其他电动机(未示出)可以配置成驱动飞行器上的其他机械负载，例如升起和降下起落架、改变飞行器机翼上的可调节襟翼的位置等。为电动机222供电以使螺旋桨210旋转所需要的电压高于为电气负载208供电的电压，因此，所述电力转换器216相对于电力转换器226供应到电动机222的电压减小供应到负载208的电压。
在实施例中，所述电推进系统206的所有载流部件，例如在装置与机器之间延伸的电力电缆224、发电机212和电动机222中的定子绕组等均被电屏蔽。例如，电力电缆224和定子绕组可以包括直接施加在相应绝缘层上的相同或相似导电屏蔽层。因此，即使在高空和高电压下，也可以抑制沿整个系统206的电晕放电。
尽管图2中所示的电推进系统206配置成用在包括螺旋桨210和燃气涡轮发动机204的飞行器中，但是所述电推进系统206在其他实施例中可以安装在另一种类型的运载工具中，例如汽车、船舶、航天器、轨道车辆等。例如，所述电推进系统206可以代替燃气涡轮发动机而可操作地连接到安装在汽车上的内燃机或者另一种类型的发动机。
图3是根据一个实施例的燃气涡轮发动机204的截面图。燃气涡轮发动机204包括压缩机302，所述压缩机沿箭头304的方向接收进入空气。行进通过压缩机302的空气被压缩以增大所述空气的压力。压缩机302具有多个翼型件，包括转子叶片(blade)314和导向轮叶(vane)316。叶片314沿方向304从导向轮叶316轴向偏置。导向轮叶316是固定部件，而叶片314连接到发动机204的驱动轴310并且与其一起旋转。
离开压缩机302的空气被引导至燃烧器306，在所述燃烧器中，压缩空气与燃料一起燃烧。来自燃烧反应的反应产物沿方向304离开燃烧器306并且进入涡轮308中。涡轮308机械连接到驱动轴310，所述驱动轴延伸穿过燃烧器306并且至少部分穿过压缩机302。涡轮308具有多个翼型件，包括转子叶片318和导向轮叶320。叶片318沿方向304从导向轮叶320轴向偏置。导向轮叶320是固定部件，而叶片318连接到驱动轴310并且与其一起旋转。例如，来自燃烧器306的反应产物迫使涡轮308的转子叶片318旋转，所述转子叶片经由驱动轴310驱动压缩机302旋转。离开涡轮308的反应产物作为废气从发动机204排出。尽管图3中未示出，但发动机204可以包括将压缩机302、燃烧器306和涡轮308固持在固定轴向位置中的壳体或机舱。
图4是根据实施例的电机400的正视透视图。图5是图4所示电机400的分解透视图。电机400可以是图2所示的电推进系统206的发电机212或电动机222。所述电机400包括大体上同心的定子402和转子404。
参照图4和图5，定子402具有前部406和后部408。定子402具有环形形状，所述环形形状限定位于前部406与后部408之间、延伸穿过定子402的中心孔410。中心孔410沿纵向轴线412伸长。定子402限定槽416，所述槽从前部406穿过定子402延伸到后部408。槽416围绕中心孔410周向设置，并且位于中心孔410的径向外部。槽416可以平行于纵向轴线412延伸。在实施例中，定子402中位于相邻槽416之间的部分称为槽壁414。在实施例中，定子402包括外壳420。槽壁414连接到外壳420并且从外壳420朝向轴线412径向向内延伸。槽壁414可以与外壳420集成一体，使得槽壁414和外壳420在通用制造过程期间形成。视情况而定，外壳420和槽壁414不形成为单个实心机加工件，而是由多个定子叠片组成，这些定子叠片轴向堆叠并且压在一起以形成定子402。
定子402包括盘旋穿过槽416的导电定子绕组422。定子绕组422可以由一个或多个线圈或棒限定。例如，多个棒可以电连接以组装定子绕组422。定子绕组422连续延伸穿过每个槽416。位于定子402的槽416内的定子绕组422的一部分(例如，轴向定位在前部406和后部408之间)称为槽内部分424。位于定子402的轴向外部的定子绕组422的一部分称为端部绕组部分426。端部绕组部分426包括在两个槽416之间延伸的定子绕组422的环形段或C形段。
所述转子404固持在所述定子402的所述中心孔410内。所述转子404连接到沿纵向轴线412延伸的轴418。转子404和轴418配置成共同相对于定子402旋转。转子404和轴418围绕或环绕纵向轴线412旋转。转子404包括沿转子404的周边设置的转子齿428。
电机400可包括转子404上的一个或多个永磁体。例如，转子齿428可以包括或固持永磁体。替代地，定子402可以包括位于相邻槽416之间的永磁体。
在电机400的操作期间，轴418和转子404相对于定子402围绕纵向轴线旋转。根据电机400是发电机212还是电动机222(如图2所示)，定子绕组422中的电流将由转子404感生或致使转子404旋转。例如，如果电机400是发电机212，则施加到轴412的功可以使转子404旋转，从而使定子绕组422中感生电流。例如，轴412可以经由机械联动机构(mechanicallinkage)(例如齿轮组等)机械连接到燃气涡轮发动机204的驱动轴310(如图3中所示)。当驱动轴310在发动机204中反应产物的力的作用下旋转时，轴412也被迫旋转。
另一方面，如果电机400是电动机222，则注入到定子绕组422中的电流可以感生使转子404和轴412旋转的磁场。轴412可以经由机械联动机构机械连接到螺旋桨210，使得轴412的旋转促使螺旋桨210旋转。
图6是示出根据一个实施例的电机400的一部分的示意图。图6示出位于电机400的壳体602内的定子402，但未示出转子404或轴412(如图5所示)。所述壳体602为定子402和转子404提供机械支撑。壳体602可以但不一定需要形成围绕定子402和转子404的完整外壳。壳体602由一个或多个金属或金属部件组成，使得壳体602是导电的。一个实施例中的壳体602在飞行器内接地(例如，处于地电势)。
定子绕组422的槽内部分424延伸穿过槽416，并且定子绕组422的端部绕组部分426位于槽416外部。定子绕组422的槽内部分424和端部绕组部分426两者均设置在壳体602内。所述端部绕组部分426包括突起超出定子402的前部406的前部子部分426A以及突起超出定子402的后部408的后部子部分426B。定子绕组422沿端部绕组部分426处弯曲，以在不同槽416之间延伸。定子绕组422进一步包括出口段610，所述出口段延伸穿过位于壳体602中的开口612，以离开壳体602。开口612可以是电动机端子。尽管未示出，但是定子绕组422还具有离开壳体602的第二出口段610。
所述定子绕组422包括核心导体604、围绕所述核心导体604的绝缘层606以及围绕所述绝缘层606的导电屏蔽层608。核心导体604由一个或多个电导体构成。在实施例中，核心导体604配置成传导高电压电流，例如最高达或超过1kV的电压。绝缘层606由电介质材料组成。在实施例中，绝缘层606是固体，并且由一种或多种聚合物或聚合物复合材料组成。或者，绝缘层606可以是液体或气体，例如加压空气。
导电屏蔽层608可以是施加在绝缘层606上的带(tape)、套筒或类似涂料的液体物质。所述导电屏蔽层608可以具有在103西门子/米(S/m)到10-3S/m范围内的导电率。在实施例中，导电屏蔽层608由嵌有导电颗粒例如金属粉末、薄片或细丝的一种或多种聚合物材料组成。例如，屏蔽层608可以是嵌有金属颗粒的聚酯带。导电屏蔽层608直接施加在绝缘层606上，使得在屏蔽层608和绝缘层606之间不允许存在空气。屏蔽层608可以提供围绕定子绕组422的气密屏障。
在实施例中，导电屏蔽层608沿定子绕组422的槽内部分424和端部绕组部分426围绕绝缘层606。因此，导电屏蔽层608设置在槽416内并且也位于槽416的外部。在实施例中，导电屏蔽层608沿端部绕组部分426中在两个槽416之间延伸的弯曲连接段614的整个长度围绕绝缘层606。导电屏蔽层608因此沿所述弯曲连接段614从一个槽416内部连续延伸到下一个槽416中。在图示的实施例中，导电屏蔽层608沿位于壳体602内的定子绕组422的整个长度围绕绝缘层606。因此，绝缘层606不沿定子绕组422的任何部分暴露于壳体602内的空气中。出口段610上的屏蔽层608可以在开口612处与壳体602接合以将屏蔽层608电连接到壳体602，从而提供从屏蔽层608到壳体602的电接地通道。
在实施例中，导电屏蔽层608还围绕壳体602内可能存在电晕放电风险的其他绝缘部件。例如，电机400可以包括至少一个冷却管626，所述冷却管延伸到壳体602中并且在位于定子402外部的一个或多个冷却结点618处连接到定子绕组422。冷却管626在冷却结点618处将液相或气相的冷却流体输送到定子绕组422，以从定子绕组422吸收热。冷却管626包括冷却流体流动通过的电介质管628。所述电介质管628由位于壳体602内的导电屏蔽层608围绕。冷却管626和定子绕组422之间的冷却结点618也覆盖在导电屏蔽层608中。尽管图6中未示出，但是冷却管626中位于壳体602外部的远端可连接到将冷却流体供应到管626的冷却系统。
视情况而定，定子绕组422可插入定子402中，使得定子绕组422的一些段在导体接头630处彼此连接。导电屏蔽层608也可以围绕导体接头630。
在一个实施例中，定子绕组422可以与图2中所示在电推进系统206中的不同电气装置和机器之间延伸的电力电缆224类似或相同。例如，电力电缆224可以包括被绝缘层围绕的核心导体，所述绝缘层本身被抑制电晕放电的导电屏蔽层围绕。在一个实施例中，定子绕组422终止于壳体602内部电力电缆224或壳体602外部的电力电缆224。定子绕组422的导电屏蔽层608围绕接合部并且还电连接到电力电缆224的屏蔽层。在替代实施例中，定子绕组422限定从电机400延伸到电推进系统206中的相邻电气装置或机器的电力电缆224，使得出口段610从壳体602连续延伸到相邻电气装置或机器。
图7是根据一个实施例的电机400的一部分的近视图。电机400的图示部分示出在定子402的后部408处从定子402的槽416延伸的定子绕组422。图7中所示的定子绕组422包括位于槽416内的槽内部分424以及位于槽416外部的端部绕组部分426这两者。在实施例中，定子绕组422的导电屏蔽层608在槽416内与定子402的槽壁414接合。定子402接地并且槽416内在屏蔽层608和槽壁414之间没有空气。结果，定子402内的电晕放电的风险极小。由于接地平面与定子绕组422间隔开，因此槽416外部沿端部绕组部分426处发生电晕放电的风险较大。
在实施例中，导电屏蔽层608沿端部绕组部分426所具有的导电率大于沿槽内部分424的导电率。定子402外部的导电率较大可以提供电气性能益处，例如防止沿定子绕组422的端部绕组部分426的过量能量损耗和/或涡电流。屏蔽层608的导电率变化可以通过改变屏蔽层608的材料性质、屏蔽层608的厚度等来提供。例如，屏蔽层608中沿端部绕组部分426处的导电颗粒浓度可以大于屏蔽层608沿槽内部分424处的导电颗粒浓度。在图示的示例中，屏蔽层608沿端部绕组部分426的厚度(例如，从绝缘层606径向限定)相对于屏蔽层608沿槽内部分424处的厚度更大。增加的厚度可以增强屏蔽层608的导电性质。在替代实施例中，屏蔽层608的导电率和/或厚度沿端部绕组部分426和槽内部分424这两者是均匀的。
图8是根据一个实施例的电机400的另一部分的近视截面图，其中示出定子绕组422以及冷却结点618处的冷却管626。在实施例中，定子绕组422的核心导体604是中空的，并且限定穿过其中的流体通道802。流体通道802沿核心导体604的长度轴向延伸。冷却结点618包括电介质连接器壳体804，所述电介质连接器壳体连接到定子绕组422和冷却管626这两者的端部。电介质管628是中空的并且在连接器壳体804内流体连通到核心导体604的流体通道802。因此，冷却流体例如水或油可以从电介质管628引导到流体通道802中并且/或者在连接器壳体804内从流体通道802引导到电介质管628中。如图8所示，定子绕组422、冷却管626和连接器壳体804全部由导电屏蔽层608围绕。
图9-11示出根据本公开各种实施例的电机400的定子绕组422的截面长度。在图9所示的一个实施例中，导电屏蔽层608沿位于电机400的壳体602(如图6中所示)内的定子绕组422的整个长度均不包括任何绝缘间隙或裂口。视情况而定，定子绕组422可以包括电连接到导电屏蔽层608并且沿定子绕组422的长度延伸的加蔽线(drain wire)902。例如，图9中所示的加蔽线902与导电屏蔽层608直接接合。加蔽线902不围绕屏蔽层608，而是沿加蔽线902的长度与屏蔽层608的周向部分接合。加蔽线902具有高导电率并且配置成提供沿定子绕组422的长度轴向延伸的接地通道。加蔽线902可以电连接到定子402(如图6中所示)或壳体602。加蔽线902是视情况设置的，并且在替代实施例中可以从定子绕组422中省略。
图10示出定子绕组422的替代实施例。在图10中，导电屏蔽层608分割成离散屏蔽段910，所述离散屏蔽段沿定子绕组422的长度以介电间隙912间隔开。每个介电间隙912围绕定子绕组422的整个周边延伸，以使介电间隙912任一侧上的相邻屏蔽段910电绝缘(例如，阻止它们之间的电流流动)。在图示实施例中，介电间隙912是导电屏蔽层608中填满空气的断流(cut-out)部分。或者，介电间隙912可以是由塑料材料组成的固体环圈。每个介电间隙912具有小于5mm的轴向长度，例如小于1mm。每个屏蔽段910可以具有介于约50mm与约500mm之间的长度。因此，屏蔽段910的长度显著大于间隙912。使屏蔽段910彼此绝缘可以通过防止沿屏蔽层608形成接地电流来改善电气性能。沿屏蔽层608的接地电流可能产生涡电流和/或电力损耗。屏蔽段910视情况而定可以具有不同电气性质，例如不同电阻。
图11示出定子绕组422的另一个替代实施例。在图11中，导电屏蔽层608分割成离散屏蔽段910，并且加蔽线920沿定子绕组422的长度延伸。但是与图9不同，加蔽线920与导电屏蔽层608间隔开并且经由绑线(tie wire)922间接电连接到屏蔽层608。每个绑线922在加蔽线920与另一个不同屏蔽段910之间延伸。作为使用绑线922的替代方案，加蔽线920可以固定成与屏蔽层608的屏蔽段910直接接合，类似于图9中所示的加蔽线902。
图12是根据一个实施例的用于将高电压推进系统的电机组装在运载工具例如飞行器上的方法700的流程图。所述电机可以是图4到图6中所示的电机400，并且还可以表示图2中所示的发电机212和/或电动机222。在702中，将具有中心孔的定子设置在壳体内。所述定子具有环形形状，并且所述中心孔沿纵向轴线在其前部和后部之间延伸穿过定子。所述定子限定围绕所述中心孔周向设置的槽。所述槽由槽壁限定。所述槽从前部穿过定子向后部延伸，并且可以平行于纵向轴线延伸。
在704中，将绝缘层施加到定子绕组的线圈或棒。所述绝缘层提供围绕定子绕组的核心导体的电介质应力分级材料。
在706中，在所述壳体内将所述定子绕组插入所述定子的所述槽中。所述定子绕组插入到所述槽中，以使定子绕组连续地卷绕通过定子中的每个槽。所述定子绕组可以通过将多个绕组棒电连接在一起或通过将单个线圈盘旋穿过所述槽来插入到所述槽中。所述定子绕组具有位于定子的槽内(例如位于定子的前部与后部之间)的槽内部分以及位于所述槽外部(例如，不在定子的前部与后部之间)的端部绕组部分。
在708中，围绕绝缘层将导电屏蔽层施加在定子绕组上。所述导电屏蔽层沿所述定子绕组的所述槽内部分和所述端部绕组部分这两者施加。在实施例中，在将定子绕组插入到定子的槽中之后，将导电屏蔽层施加在绝缘层上。或者，在将定子绕组插入到所述槽中之前，将导电屏蔽层施加在绝缘层上。可以将导电屏蔽层施加成使得导电屏蔽层沿壳体内定子绕组的整个长度围绕绝缘层。所述导电屏蔽层可以是缠绕在绝缘层周围的带，浸渍、刷涂或吹到绝缘层上的类似涂料的物质，或者装载在绝缘层上的套筒。视情况而定，所述导电屏蔽层可以施加成使得导电屏蔽层的导电率沿长度不均匀。例如，屏蔽层的导电率和/或厚度沿端部绕组部分处可以大于沿槽内部分处。
在709中，将转子装载在所述定子的所述中心孔内。所述转子连接到沿所述纵向轴线延伸的轴。所述转子配置成相对于所述定子围绕所述纵向轴线旋转。
在710中，视情况将所述导电屏蔽层施加在壳体内可易受电晕放电影响的其他绝缘部件上。例如，所述导电屏蔽层可以施加到冷却管、连接器等之上。
在实施例中，提供一种用于运载工具电推进系统的电机，所述电机包括壳体、定子、转子和定子绕组。所述定子位于所述壳体内，并且具有环形形状，所述环形形状限定沿所述定子的纵向轴线伸长的中心孔。所述定子限定围绕所述中心孔周向设置的槽。所述转子固持在所述定子的所述中心孔内。所述转子连接到沿所述定子的所述纵向轴线延伸的轴。所述转子配置成相对于所述定子围绕所述纵向轴线旋转。所述定子绕组在所述壳体内延伸穿过所述定子的所述槽。所述定子绕组包括核心导体、围绕所述核心导体的绝缘层以及围绕所述绝缘层的导电屏蔽层。所述定子绕组包括位于所述定子的所述槽内的槽内部分以及位于所述槽外部的端部绕组部分。所述导电屏蔽层沿所述定子绕组的所述槽内部分和所述端部绕组部分这两者围绕所述定子绕组的所述绝缘层。
视情况而定，所述定子绕组的导电屏蔽层沿端部绕组部分所具有的导电率大于沿槽内部分的导电率。
视情况而定，所述定子绕组的导电屏蔽层沿端部绕组部分的厚度大于沿槽内部分的厚度。
视情况而定，所述定子绕组的核心导体是中空的并且限定穿过其中的流体通道，以用于冷却所述核心导体。
视情况而定，所述电机进一步包括冷却管，所述冷却管延伸到壳体中并且在壳体内位于定子外部的冷却结点处连接到定子绕组。所述冷却管包括由导电屏蔽层围绕的电介质管。所述电介质管在冷却结点处流体连通到核心导体的流体通道，并且配置成将冷却流体输送到所述流体通道中。
视情况而定，所述壳体是导电的。所述定子绕组具有延伸穿过壳体中的开口的出口段。所述定子绕组的屏蔽层在开口处与壳体接合，以将屏蔽层电连接到壳体。
视情况而定，所述屏蔽层沿壳体内定子绕组的整个长度围绕绝缘层。
视情况而定，所述定子绕组的屏蔽层沿定子绕组的长度分割成离散屏蔽段。相邻屏蔽段由围绕定子绕组的整个周边延伸的介电间隙彼此间隔开，以阻止相邻屏蔽段之间的电流流动。
视情况而定，所述定子绕组包括延伸定子绕组的长度的加蔽线。所述加蔽线与定子绕组的屏蔽段间隔开，并且经由对应绑线电连接到屏蔽段。每个绑线在加蔽线与另一个不同屏蔽段之间延伸。
视情况而定，所述定子绕组包括延伸定子绕组的长度的加蔽线。所述加蔽线直接与定子绕组的屏蔽层接合。
在实施例中，提供一种用于运载工具的推进系统，所述推进系统包括发动机以及可操作地连接到所述发动机的电推进系统。所述电推进系统包括电机。所述电机包括壳体、定子、转子和定子绕组。所述定子位于所述壳体内，并且具有环形形状，所述环形形状限定沿所述定子的纵向轴线伸长的中心孔。所述定子限定围绕所述中心孔周向设置的槽。所述转子固持在所述定子的所述中心孔内。所述转子连接到沿所述定子的所述纵向轴线延伸的轴。所述转子配置成相对于所述定子围绕所述纵向轴线旋转。所述定子绕组在所述壳体内延伸穿过所述定子的所述槽。所述定子绕组包括核心导体、围绕所述核心导体的绝缘层以及围绕所述绝缘层的导电屏蔽层。所述定子绕组包括位于所述定子的所述槽内的槽内部分以及位于所述槽外部的端部绕组部分。所述导电屏蔽层沿所述定子绕组的所述槽内部分和所述端部绕组部分这两者围绕所述定子绕组的所述绝缘层。
视情况而定，所述电机是发电机，并且所述转子的所述轴机械连接到所述发动机的驱动轴。所述驱动轴的旋转致使转子在定子的中心孔内旋转。转子的旋转使定子绕组内产生电流。
视情况而定，所述电推进系统进一步包括电力转换器，所述电力转换器经由电力电缆电连接到电机，所述电力电缆在电机的壳体与电力转换器的壳体之间延伸。所述电力电缆包括核心导体、围绕所述核心导体的绝缘层以及沿位于电机和电力转换器之间的电力电缆的整个长度围绕所述绝缘层的电缆屏蔽层。
视情况而定，所述电机是电动机，并且所述转子的轴机械连接到运载工具上的螺旋桨。沿定子绕组的核心导体输送的电流感生出使转子在定子的中心孔内旋转的磁场，进而致使轴使螺旋桨旋转。
视情况而定，所述定子绕组的导电屏蔽层沿端部绕组部分所具有的导电率大于沿槽内部分的导电率。
视情况而定，所述定子绕组的导电屏蔽层沿端部绕组部分的厚度大于沿槽内部分的厚度。
视情况而定，所述定子绕组的核心导体是中空的并且限定穿过其中的流体通道，以用于冷却所述核心导体。
在实施例中，提供了一种方法，所述方法包括在壳体内提供定子。所述定子具有环形形状，所述环形形状限定沿所述定子的纵向轴线伸长的中心孔。所述定子限定围绕所述中心孔周向设置的槽。所述方法包括在所述壳体内将定子绕组插入所述定子的所述槽内。所述定子绕组包括核心导体以及围绕所述核心导体的绝缘层。所述定子绕组具有位于所述定子的所述槽内的槽内部分以及位于所述槽外部的端部绕组部分。所述方法还包括施加围绕所述定子绕组的所述绝缘层的导电屏蔽层。所述导电屏蔽层沿所述定子绕组的所述槽内部分和所述端部绕组部分这两者施加。
视情况而定，导电屏蔽层施加成使得导电屏蔽层沿壳体内定子绕组的整个长度围绕所述绝缘层。
视情况而定，所述导电屏蔽层施加成使得导电屏蔽层沿端部绕组部分的导电率大于沿槽内部分的导电率。
视情况而定，所述方法还包括将转子装载在定子的中心孔内。所述转子连接到沿所述定子的所述纵向轴线延伸的轴。所述转子配置成相对于所述定子围绕所述纵向轴线旋转。
如本说明书中所使用，除非明确排除，否则以单数形式表示并前跟词语“一个”或“一种”的元件或步骤应理解为不排除多个所述元件或步骤的复数。此外，所提及的本说明书中所述主题的“一个实施例”并不旨在解释成排除存在也包括所列举特征的其他实施例。此外，除非明确做出相反规定，否则“包括”或“具有”特定性质的一个元件或多个元件的实施例可以包括不具有所述性质的其他所述元件。
应理解，上述说明旨在说明而非限定。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此结合使用。此外，在不脱离本说明书中所阐述主题的范围的情况下，可做出许多修改来使特定情况或材料适于本说明书中所阐述主题的教义。尽管本说明书中所述材料的尺寸和类型旨在限定所公开主题的参数，但是它们绝不是限制性的，而是示例性实施例。阅读上述说明之后，许多其他实施例对于所属领域中的普通技术人员而言是显而易见的。因此，本说明书中所述主题的范围应参照随附权利要求书以及这些权利要求所享有的等效物的完整范围来确定。在随附权利要求书中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的简明英语等效物。此外，在随附权利要求书中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用作标签，并不用于对相应对象做出数值要求。此外，随附权利要求书中的限制并非以装置加功能的格式撰写，并且并不旨在基于《美国法典》第35编第112(f)条来解释，除非且直到此类权利要求限制明确使用词语“装置用于”，后跟不含进一步结构的功能说明。
本说明书使用示例来公开本说明书中所阐述主题的若干实施例，包括最佳模式，同时也让所属领域中的普通技术人员能够实践所公开主题的实施例，包括制造并使用装置或系统，以及实施方法。本说明书中所述主题的专利保护范围由权利要求限定，并且可包括所属领域中的普通技术人员得出的其他示例。如果其他示例的结构构件与权利要求书的字面意义相同，或如果所述示例包括的等效结构构件与权利要求书的字面意义无实质差别，则所述示例旨在属于权利要求书的范围内。例如，本说明书示出了位于定子内的转子，但是在其他实施例中，转子可以位于定子外部。本说明书中以电机的非限制性示例实施例的方式公开了一种径向通量机器，但是在其他实施例中，电机可以是轴向通量机器。此外，本说明书中以电机的非限制性示例实施例的方式公开了一种开槽定子，但是在其他实施例中，电机可以具有空隙(airgap)绕组。

Claims (10)

1.一种用于运载工具电推进系统的电机，所述电机包括：
壳体；
位于所述壳体内的定子，所述定子具有环形形状，所述环形形状限定沿所述定子的纵向轴线伸长的中心孔，所述定子限定围绕所述中心孔周向设置的槽；
转子，所述转子固持在所述定子的所述中心孔内，所述转子连接到沿所述定子的所述纵向轴线延伸的轴，所述转子配置成相对于所述定子围绕所述纵向轴线旋转；以及
定子绕组，所述定子绕组在所述壳体内延伸穿过所述定子的所述槽，所述定子绕组包括核心导体、围绕所述核心导体的绝缘层以及围绕所述绝缘层的导电屏蔽层，所述定子绕组包括位于所述定子的所述槽内的槽内部分以及位于所述槽外部的端部绕组部分，
其中所述导电屏蔽层沿所述定子绕组的所述槽内部分和所述端部绕组部分这两者围绕所述定子绕组的所述绝缘层，
其中所述壳体是导电的，并且所述定子绕组具有延伸穿过位于所述壳体内的开口的出口段，所述定子绕组的所述导电屏蔽层在所述开口处与所述壳体接合，以将所述导电屏蔽层电连接到所述壳体。
2.根据权利要求1所述的电机，其中所述定子绕组的所述导电屏蔽层沿所述端部绕组部分所具有的导电率大于沿所述槽内部分的导电率。
3.根据权利要求1所述的电机，其中所述定子绕组的所述导电屏蔽层沿所述端部绕组部分的厚度大于沿所述槽内部分的厚度。
4.根据权利要求1所述的电机，其中所述定子绕组的所述核心导体是中空的并且限定穿过其中的流体通道，以用于冷却所述核心导体。
5.根据权利要求4所述的电机，进一步包括冷却管，所述冷却管延伸到所述壳体中并且在所述壳体内位于所述定子外部的冷却结点处连接到所述定子绕组，所述冷却管包括被所述导电屏蔽层围绕的电介质管，所述电介质管在所述冷却结点处流体连通到所述核心导体的所述流体通道并且配置成将冷却流体输送到所述流体通道中。
6.根据权利要求1所述的电机，其中所述导电屏蔽层沿所述壳体内的所述定子绕组的整个长度围绕所述绝缘层。
7.根据权利要求1所述的电机，其中所述定子绕组的所述导电屏蔽层沿所述定子绕组的长度分割成离散屏蔽段，相邻屏蔽段由围绕所述定子绕组的整个周边延伸的介电间隙彼此间隔开，以阻止所述相邻屏蔽段之间的电流流动。
8.根据权利要求7所述的电机，其中所述定子绕组包括延伸所述定子绕组的长度的加蔽线，所述加蔽线与所述定子绕组的所述屏蔽段间隔开并且经由对应的绑线电连接到所述屏蔽段，每个绑线在所述加蔽线与另一个不同的所述屏蔽段之间延伸。
9.根据权利要求1所述的电机，其中所述定子绕组包括延伸所述定子绕组的长度的加蔽线，所述加蔽线直接与所述定子绕组的所述导电屏蔽层接合。
10.一种用于运载工具的推进系统，所述推进系统包括：
发动机；以及
可操作地连接到所述发动机的电推进系统，所述电推进系统包括根据权利要求1-9中任一项所述的电机。
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