葉尖電機的製作方法

2023-07-23 01:14:46

專利名稱：葉尖電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及電機(electrical machine),尤其涉及氣體渦輪發動機
內的電才幾。
背景技術：
氣體渦輪發動機比如航空發動機要求為發動機內和發動機外的 多種目的而產生電能，比如用於為控制系統提供動力，或者為機架 提供電能。如今，供應氣體渦輪發動機所需要的電能的發電機由機 械變速箱所驅動。發電機和機才戒變速箱安裝在發動機的機搶內。發 電機的尺寸在不斷增加，以便滿足飛機不斷增加的動力要求。對於 機翼安裝型或機身安裝型氣體渦輪發動機而言，發電機增加的尺寸 可能要求擴大機艙，從而導致增加了飛機阻力。
一種系統提供了電機，其作為發電機或馬達而運行，並且結合 在氣體渦輪發動機內。壓縮機葉片可在徑向外端被罩起來，以便將 葉片的空氣動力部分從電轉子突出部隔開。除了罩之外，電機上設 置有附接到壓縮機葉片上的轉子突出部。突出部在磁通芯體通道內 運行，從而引起位於發動機的燃燒氣體路徑外部的電機內容易獲得 優化的磁通路徑。葉片的罩形成了圍繞氣體路徑的外部周緣的環， 用於容納氣體，罩在罩與通道的壁之間具有密封，以便抵抗圍繞罩 並進入通道的氣體洩露。
另 一種系統提供了從發動才幾的轉動構件到發電機之間的機械聯 接，以便產生足夠的電能，進而滿足不斷增加的要求。另一種試圖 減小機械聯接系統內的機械複雜度的系統，將發電機結合在發動機 的旋轉線軸(spool)內，優選地結合在高壓線軸內。然而，已發現發動機的中心軸線區域內的空間限制導致這個建議並不完全令人滿意。
類似地，另一種氣體渦輪發動機包括發電機。發電機也可作為 馬達來運行，以便提供驅動力，比如用於啟動發動機。發動機包括 至少一個轉動葉片環。馬達/發電機由轉動部分和固定部分所形成， 轉動部分包括轉動葉片環，固定部分包括多個周向地圍繞葉片環設 置的線圈。雖然此方法減小了^l器構造的複雜度，然而它依賴於傳 統的方法和系統來對風扇葉片進行激勵。
因此，需要一種方法和系統，以便將氣體渦輪風扇或壓縮機葉 片作為磁極使用，以便用於集成式電機，進而在現有的機艙內產生 增加的飛機發動機電能，同時提供橫向磁通量電機，其適合於風扇 或壓縮機葉尖的結構，以便激勵系統。

發明內容
以下段落總結了本發明的實施例，該發明由這裡所附的獨立權
利要求所限定。在一個實施例中，本發明涉及葉尖(blade tip)電機， 其具有橫向磁通量機、配置有多個葉片和多個轉子磁極元件的轉動 葉片結構。多個轉子磁極元件中的各個轉子磁極元件，設置在多個
葉片中的其中一個的末端上。葉尖電機也包括多個定子元件，其中 多個定子元件中的各個定子元件，周向地設置並周向地圍繞多個葉 片的周向周緣的至少一部分而隔開。葉尖電機也具有至少一個線圈 元件。橫向磁通量機為轉動葉片結構提供激勵，其具有旋轉運動， 並且其中該多個轉子元件靠近該多個定子元件，而不是穿過該多個 定子元件而通過，從而導致至少一個線圈元件內的磁通量變化。
本發明的另 一個實施例涉及氣體渦輪發動機，其具有低壓線軸 渦輪和高壓線軸渦輪、壓縮腔室、增壓燃燒腔室、排放系統以及轉 動葉片結構，其中轉動葉片結構具有多個葉片。葉尖電機也包括多 個轉子元件，其中多個轉子元件中的各個轉子元件設置在多個葉片中的一個葉片的末端上。本發明也包括多個定子元件，其中多個定 子元件中的各個定子元件周向地設置並周向地圍繞多個葉片的周向 周緣而隔開。此外，多個定子元件中的一個定子元件上設置有至少 一個線圈元件，並且氣體渦輪發動機具有轉動葉片結構，該轉動葉 片結構具有旋轉運動，其中轉子元件靠近多個定子元件而通過，從 而導致至少 一個線圈元件內的定子元件的磁通量變化。
本發明的一個優點是在沒有進一步增加機艙尺寸的情況下，
飛機發動機的發電量得以增加。
本發明的又一個優點是改善了葉片的偏移性能。 本發明的另一個優點是在沒有降低性能的情況下，允許軸向
主軸的運動。
本發明的又另一個優點是將磁極與葉片的導邊(leading edge)結 合起來，並且改善了尖部構造。
從優選實施例的以下更詳細的描述出發，並結合附圖，本發明 的其它特徵和優點將變得清楚，附圖通過舉例的形式展示了本發明 的原理。


圖1為穿過傳統氣體渦輪發動機的筒化截面。
圖2展示了本發明的單相線圈配置。
圖3展示了本發明，其圍繞圖1中的風扇組件而設置。
圖3A為展示於圖3中的區域3A的;^文大圖。
圖4展示了具有單個線圈繞組的單個定子芯體。
圖5展示了在定子芯體內感應出的定向磁場。
圖6展示了本發明的俯視圖，展示了/F茲極和轉子的角度。
圖7展示了本發明的備選實施例的俯視圖。
在可能的場合中，相同的標號將在所有附圖中用來指相同或類 似的部件。
具體實施例方式
高旁路飛機氣體渦輪發動機10示意性地展示於圖1中。在運行 過程中，空氣被風扇12推動。空氣的一部分繞過發動機的核心，並 且用於產生驅動發動機的推力。空氣的一部分在增壓器14和發動機 的壓縮機16部分內被壓縮到大氣壓力的10-25倍，並且在處理中被 絕熱地加熱。該加熱及壓縮後的空氣糹皮導向至發動機18的燃燒室部 分內，空氣與經由燃料噴嘴系統20供應的燃料在燃燒室部分內混合 起來。燃料被點燃，並且燃燒過程將氣體加熱。這些熱氣體通過高 壓渦輪22和低壓渦輪24,轉動盤在此提取能量，以便驅動發動機的 風扇和壓縮機。 一旦熱氣體通過高壓渦輪，那麼熱氣體被認為是核 心氣體(core gas)，而不是燃燒氣體。氣體然後通到排放系統26,該 排放系統26包括中心體32，氣體在此產生用於飛機驅動的推力。
圖2展示了前風扇組件12的局部示意圖，前風扇組件12包括 電機37的一部分。為清晰起見，沒有顯示所有的風扇葉片40和芯 體44，然而應當理解葉片40和芯體(core)44以有規律的間隔圍繞 風扇周緣而隔開。電機37具有由多個轉子磁極(pole)38形成的轉子 組件。轉子磁極38附接到葉片40上，或者與葉片40 —體地形成。 更具體地，葉片40的基部41連接到輪轂43上，並且葉片40和輪 轂43之間的接觸面處設置有傳統的機構，用於維持充分的氣流限定 並且用於防止洩露。葉片40和輪轂43可以傳統的方式而安裝到輪 轂43上，或者備選地，葉片40和輪轂43可以為整體構造。風扇葉 片40設置在輪轂43上，從而4吏葉片40的導邊面向電機37的外部， 並且定子段或磁場芯體44形成一定角度，從而使它們與葉尖42對 齊。優選地，葉片40沒有隱蔽起來。橫向磁通量機(flux machine)提 供了對電機進行激勵的方法。如果轉子磁極38為永久磁塊，那麼不 需要線圈50激勵來發電。此外，如果轉子磁極38具有透磁性，比 如在磁阻機(reluctance machine)的情況下，那麼線圏50可被激勵。接下來參考圖3，在一個實施例中，電機37具有被傳統地稱為 橫向磁通量機的配置。轉子磁極38設置在葉尖42上，並且由透磁 性材料比如鋼構造而成，但也可由任何透磁性材料構造而成。定子 組件包括一 系列磁場芯體44和線圈(coil)50。每個芯體44為馬蹄形 形狀的元件，並且由透磁性材料構造而成。如圖3A中詳細地展示的 那樣，每個芯體44具有兩個從基體48延伸的突出臂44a、 44b。芯 體44的臂44a、 44b形成了通道49。芯體44周向地圍繞定子組件而 設置，從而形成向內地朝向的通道49。 一個或多個導電線圈50通過 通道49，從而形成圍繞分段的葉片環的外周緣的連續環。多個線圈 50可提供通道並且將發電機輸出的電相位分開。向內地朝向的通道 49設置成使得在電機37藉助'激勵的運行過程中，葉尖42靠近通道 49而通過，該葉尖42形成了葉片環，該通道49環繞一個相位線圈 (phase coil)或多個相位線圈50,從而在每個線圈50內感應出電流。
如圖3所示，芯體44周向地圍繞定子線圈50而隔開。線圈50 和多個定子芯體44保持靜止，並且因此根據多個葉片40的轉動而 提供發電。定子芯體44設置成使得線圏50擱置在芯體44的向內地 朝向的通道49的內部。當風扇12轉動時，葉尖44靠近向內地朝向 的通道49而通過。
單個定子芯體44放置成橫^爭在由圖2中的虛線所指示的單個線 圈50上。單個定子芯體44周向地圍繞風扇組件12和葉片40而設 置，以便允許葉片42靠近芯體內的向內地朝向的通道49而通過， 並且靠近線圈50而通過。當葉片40轉動時，轉子磁極38靠近向內 地朝向的通道49以及一個或多個線圈50而通過。f茲才及38通過線圈 50和芯體44的運動導致磁通^各徑穿過芯體44而行進，其轉化為電 能，如下面更詳細地描述的那樣(一般地參考圖5)。除了單一定子線 圈50之外，也可以使用多於一個的周向定子線圈50。
圖4和圖5展示了本發明的優選實施例，定子組件中的每個芯 體部44包括分離的定子線圈46,其圍繞芯體44的基體部48而包裹。現有技術描述了一種系統，且磁通量大體上軸向地穿越氣隙。單個
線圈46包括適當的電連接(圖未示)，從而允許單個線圈46可被激勵 而產生磁通量，該磁通量大體上徑向地穿越間隙而導向，該間隙位 於芯體44和磁極38(—般地參考圖5)之間，並且僅僅軸向地通過透 磁性的葉尖磁極或定子芯體的一部分而導向。如圖所示，每個定子 芯體44為馬蹄形或C形，並且具有纏繞芯體44的基體48的單個線 圈46。單個定子芯體44設置成與圖3中的單個線圈配置內的定子芯 體44類似，因為定子芯體44周向地圍繞路徑而設置，風扇葉片40 在該路徑內轉動，並且通道49導向至葉片40。向內地朝向的通道49 定位成使得在發動機的運行過^f呈中，轉子;f茲極38靠近通道49而通 過。當轉子磁極38靠近通道49而通過時，定子芯體44與磁極38 內的磁通量發生變化。該磁通量的變化感應出電壓，從而在線圈46 內提供電能。
當風扇或壓縮機運行時，每個單個的轉子磁極38通過每個定子 芯體44及其相關的定子線圈46。在轉動中的某個點處，即當磁極38 和芯體44對齊的時候，形成了磁通路徑。轉子磁極38內的磁通路 徑由箭頭54標示，其大體上平行於風扇12的轉動軸線。芯體44內 的石茲通路徑由箭頭56、 60和62所標示。磁通路徑然後4黃穿芯體44 與磁極38之間的氣隙52,流經芯體臂部44b、芯體基體44與芯體 臂部44a，然後又穿越氣隙52，並且回到磁極38內。因為本發明將 橫向磁通量施加到電機37內，磁通量沒有沿著風扇葉片的整個長度 而徑向地自風扇組件行進，正如它在傳統磁通量機中所運行的那樣。 磁通量縮短了的路徑使得這種機器成為可能，該機器在此用於產生 電能。
從上述描述可容易地理解正如所描述的那樣，藉助葉片40上 的磁極38相對於線圈46的運動，電機37既能夠作為發電機使用， 也能夠作為馬達使用。因此，當發動機10在運行時，線圈46或50 可分接出來，以便從發動機10以電能的形式吸收動力。當電機37作為發電機使用時，機械力驅動轉子30。在馬達容量中，線圈46和 50被賦予能量，其導致機器轉動，比如用於為渦輪發動機提供啟動扭矩。參考圖2，葉片40的形狀顯示為矩形，並且具有空氣動力學扭 曲。然而，應當理解葉片40可具有適於機器性能的任何其它合適 形狀。葉片40優選地定形並且定位成為葉片40產生最具空氣動力 性的路徑，從而在葉片40上提供較少的應力。然而，應當理解葉 片40可具有任何形狀，其適於發動機並且適於具有位於葉尖42上 的磁極38。文中描述的新穎配置允許在以前是不可能的多種選擇。如圖6 和圖7所示，由於磁通路徑可為分散的環路，僅僅由葉片40的圓周 的一部分製成機器是可能的。這種配置也允許以多種方法構造多個 相位，這在以前是不可能的。磁通路徑為與單個線圈46，而不是多 個線圈46相關的分散環路。單個線圈46可串聯或並聯地連接，以 便形成一個或多個相位。圖6展示了芯體元件44,其與葉片40對齊， 並且因此與磁極38對齊，從而為穿越磁極38與芯體元件44之間的 氣隙(圖未示)的磁通量的徑向方向產生路徑，並且該路徑軸向地穿過 磁極38和芯體元件44的一部分。圖7展示了機器，其具有多列芯 體元件44,並且具有葉片40和磁極38,從而在徑向方向產生穿越 氣隙(圖未示)的磁通路徑。磁通路徑在徑向方向上限定於磁極38和 芯體元件44之間，並且軸向地穿過f茲才及38和芯體元件44的一部分。 葉片40在葉片偏移角61處對齊，從而當磁通量在葉片轉動63(—般 地參考圖5)的方向內行進時，磁通量流過所述的路徑。偏移角61大 體上為相對於軸向方向65的銳角。雖然本發明以風扇葉片配置的形式進行了描述，然而電機37也 可以設置在壓縮機16上—，其中磁極38附接到壓縮機16的葉片上， 或者集成於其上，而電機37的其餘部分則如上面敘述的那樣設置。 此外，風扇葉片可設置成並非全部葉尖為轉子磁極。從而允許一定的靈活性，以便接受電機設計，其獨立於空氣動力學要求，比如要 求用於氣流的風扇葉片的數量，可不同於電器系統內的磁極的必要 數量。此外，由於葉尖集成於葉片，具有很少的與修改後的葉尖相 關聯的額外重量，因此葉片環上產生很少的離心力或其它力。這種 配置(圖未示)也提供了要求用於系統的電能，但未涉及系統內的每個 單獨的葉尖。此書面描述使用實施例，包括最佳模式來公開本發明，並且使 得本領域內的任何技術人員能夠製造並且使用本發明。本發明的專 利範圍由權利要求所限定，並且可以包括出現於本領域內的普通技 術人員上的其它實施例。如果它們具有結構元件，且這些結構元件 與權利要求的字面語言沒有實質性的區別的話，那麼這些其它實施 例應當位於權利要求的範圍之內。部件列表10傳統的氣體渦輪發動機12前風扇組件14核心發動機16低壓主軸18中壓主軸20高壓主軸22渦輪組件24渦輪26軸線28壓縮才幾30渦輪轉子組件34壓縮對幾36渦輪轉子組件37電機裝置38 轉子/f茲極39 芯體端部40 風扇葉片41 葉片根部42 葉尖43 盤/輪轂44 定子芯體 44a芯體臂部 44b芯體臂部45 定子組件46 多個定子線圈47 葉片環48 芯體基部49 向內地朝向的通道61 偏移角62 葉片環 64 周向間隙50 單個定子線圈 52 磁場54 穿過磁極的磁場56 穿過芯體的磁場58 穿過芯體基部的f茲場60 穿過芯體並且返回到磁極的磁場
權利要求
1.一種葉尖電機，其包括轉動葉片結構，所述轉動葉片結構配置成具有多個葉片(40)；多個轉子磁極元件(38)，所述多個轉子磁極元件(38)中的各個轉子磁極元件(38)設置在所述多個葉片(40)的其中一個的末端(42)上；多個透磁性定子芯體元件(44)，所述多個透磁性定子芯體元件(44)中的各個定子芯體元件(44)具有槽口(49)，並且圍繞所述多個葉片(40)的周向周緣的至少一部分而周向地隔開；至少一個線圈元件(50)，所述線圈元件(50)設置在所述多個定子芯體元件(44)的一個槽口(49)內；氣隙(52)，所述氣隙(52)設置在所述轉子磁極元件(38)與所述多個透磁性定子芯體元件(44)之間；以及其中所述轉動葉片結構具有旋轉運動，其中所述多個轉子元件(38)靠近所述多個定子元件(44)而通過，從而導致磁通量變化，並且在至少一個線圈元件(50)內產生電能，其中所產生的磁通量大致徑向地穿越所述氣隙(52)而行進，並且大致軸向地穿越所述多個轉子磁極元件(38)、或所述多個透磁性定子芯體元件(44)的一部分而行進。
2. 如權利要求1所述的機器，其特徵在於，所述至少一個線圈 元件(50)包括連續的環路，所述環路周向地圍繞轉動的葉片環(47)而 設置。
3. 如權利要求2所述的機器，其特徵在於，所迷多個定子芯體 元件(44)中的各個定子芯體元件(44)設置成橫跨所述至少一個線圈元 件(50)。
4. 如權利要求1所述的機器，其特徵在於，所述至少一個線圈 元件(50)圍繞所述多個定子芯體元件(44)的一個定子芯體元件(44)的 中心而設置。
5. 如權利要求1所迷的機器，其特徵在於，所述電機配置成驅動氣體渦輪發動機的低壓線軸。
6. 如權利要求1所述的機器，其特徵在於，所述電機配置成驅 動氣體渦輪發動機的高壓線軸。
7. 如權利要求1所述的機器，其特徵在於，所述電機配置成從氣體渦輪發動機的低壓線軸提取能量。
8. 如權利要求1所述的機器，其特徵在於，所述電機配置成從 氣體渦輪發動機的高壓線軸提取能量。
9. 如權利要求1所述的機器，其特徵在於，所述多個定子芯體 元件(44)大致圍繞所述多個葉片(40)的周向周緣而設置並周向地隔開。
10. 如權利要求1所述的機器，其特徵在於，所述多個定子芯體 元件(44)以所述多個葉片(40)的周向周緣上的弧段的形式而設置並周 向地隔開。
全文摘要
一種電磁機，其通過在風扇葉片翼型的尖部上設置轉子磁極，並且圍繞葉片翼型而周向地設置定子元件，而從發動機產生電能。當葉片翼型上的極尖被激勵的時候，這些極尖轉動通過定子元件，從而導致定子中的磁通量變化。磁通量變化引起了用於提供動力的電勢。
文檔編號H02K15/00GK101227120SQ200710196470
公開日2008年7月23日 申請日期2007年11月29日 優先權日2006年11月29日
發明者K·宗, P·R·格明 申請人:通用電氣公司