專利名稱：永磁容錯電機中的熱管理的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大致涉及永磁(PM)電機，例如發(fā)電機和/或電動機。具體地說，本發(fā)明涉 及容錯PM電機。
背景技術：
許多新的飛機系統設計成可適應比當前飛機系統更大的電負荷。當前正在研制的 商業(yè)客機設計的電系統規(guī)格可能需要高達兩倍于當前商業(yè)客機的電功率。這種提高的電功 率需求必須源于為飛機提供動力的發(fā)動機中提取的機械功率。當以相對較低的功率水平操 作飛機發(fā)動機時，例如，當從高空怠速下降時，從發(fā)動機的機械功率中提取的這種額外電功 率可能會降低恰當操作發(fā)動機的能力。 傳統上，在燃氣渦輪發(fā)動機中，從高壓(HP)發(fā)動機軸(engine spool)中提取電功 率。HP發(fā)動機軸的相對較高的運轉速度使其成為驅動連接在發(fā)動機上的發(fā)電機的理想的機 械功率源。然而，其需要從發(fā)動機中的補充源中提取功率，而非僅僅依賴于HP發(fā)動機軸來 驅動發(fā)電機。LP發(fā)動機軸提供了備選的功率傳遞源，然而，LP發(fā)動機軸的相對較低的速度 通常需要使用齒輪箱，因為低速發(fā)電機通常比以較高速度進行操作的相似額定功率的發(fā)電 機要大。 PM電機(或發(fā)電機)是一種用于從LP軸中提取電功率的可行裝置。然而，航空應 用需要容錯，并且如下所述，PM電機在某種情況下可能發(fā)生故障，并且用于容錯PM發(fā)電機 的現有技術受到例如增大的尺寸和重量等缺陷的困擾。 如本領域中的技術人員已知的那樣，發(fā)電機可利用永久磁鐵(PM)作為產生用于 電感應的高量級磁場的主要機構。這種電機也被稱為PM電機，其由其它的電動和機械構件 組成，例如線圈或繞組、軸、軸承等等，可使機械能轉換成電能，其中在電動機的情況下，則 是反向轉換。不同于可受電能控制的電磁鐵，例如接通和斷開，PMs始終保持，也就是說，由 PM產生的磁場由于其內在的鐵磁屬性而持續(xù)存在。因此，如果具有PM的電氣設備發(fā)生故 障，那么可能由于持續(xù)的PM磁場而不可能很方便地停止該設備，造成該設備繼續(xù)運轉。這 種故障可能是故障電流的形式，其是由于定子繞組中的缺陷或由于設置在該設備中的損壞 的或磨損的機械構件引起的機械故障而產生的。因此，在發(fā)生上述故障或其它相關故障期 間無法控制PM，其可能會損壞電機和/或耦合在電機上的設備。 此外，目前用于PM電機的容錯系統極大地增加了這些設備的尺寸和重量，限制了 可采用這種PM電機的應用范圍。此外，這種容錯系統需要復雜的控制系統的繁重設計，極 大地增加了PM電機的成本。
因此，目前存在一種對改進的容錯PM電機的需求。
發(fā)明內容
根據本發(fā)明的一個實施例，提供了一種PM電機。這種PM電機包括定子，該定子包 括定子鐵芯，其中，定子鐵芯限定了多個階梯形的定子槽。定子包括多個纏繞在階梯形的定 子槽中的分數槽集中繞組。定子還包括至少一個設置在繞組周圍的冷卻管。定子還包括設 置在冷卻管周圍的第一絕緣層。定子還包括設置在第一絕緣層周圍的第二絕緣層。定子還 包括至少一個槽楔，該槽楔配置成關閉相應的其中一個階梯形定子槽的開口 ，其中，槽楔還 配置成調整PM電機中的漏電感。PM電機還包括轉子，該轉子具有轉子鐵芯并設置在定子的 外部且與定子同心，其中，轉子鐵芯包括設置在多個磁鐵周圍的疊片式護鐵結構。
根據本發(fā)明的另一實施例，提供了一種PM電機。這種PM電機包括定子，該定子包 括定子鐵芯，其中，定子鐵芯限定了多個階梯形的定子槽。定子包括多個纏繞在階梯形的定 子槽中的分數槽集中繞組。定子還包括設置在繞組的各匝周圍的第一絕緣層。定子還包括 設置在第一絕緣層周圍的第二絕緣層。定子還包括至少一個設置在第一絕緣層和第二絕緣 層之間的冷卻管。定子還包括至少一個槽楔，該槽楔配置成關閉相應的其中一個階梯形定 子槽的開口 ，其中，槽楔還配置成調整PM電機中的漏電感。PM電機還包括轉子，該轉子具有 轉子鐵芯并設置在定子的外部且與定子同心，其中，轉子鐵芯包括設置在多個磁鐵周圍的 疊片式護鐵結構。 根據本發(fā)明的另一實施例，提供了一種PM電機。這種PM電機包括定子，該定子包 括定子鐵芯，其中，定子鐵芯限定了多個階梯形的定子槽。定子包括多個纏繞在階梯形的定 子槽中的分數槽集中繞組。定子還包括設置在繞組的各匝周圍的第一絕緣層。定子還包括 設置在第一絕緣層周圍的第二絕緣層。定子還包括至少一個設置在第二絕緣層的外側的冷 卻管。定子還包括至少一個槽楔，該槽楔配置成關閉相應的其中一個階梯形定子槽的開口 ， 其中，槽楔還配置成調整PM電機中的漏電感。PM電機還包括轉子，該轉子具有轉子鐵芯并 設置在定子的外部且與定子同心，其中，轉子鐵芯包括設置在多個磁鐵周圍的疊片式護鐵 結構。 根據本發(fā)明的另一實施例，公開了一種用于在PM電機中形成至少一個冷卻管的 方法。該方法包括使用插入物以形成至少一個冷卻管；其中，使用插入物的步驟包括執(zhí)行真 空壓力浸漬(VPI)，以使樹脂沉淀在模具中和插入物周圍，用于連接多個導線。該方法還包 括使樹脂硬化。該方法還包括移除插入物，使得硬化的樹脂限定至少一個冷卻管。
當參照附圖閱讀以下詳細說明時，將更好地理解本發(fā)明的這些以及其它特征、方 面和優(yōu)勢，其中在所有附圖中相同的標號表示相同的部件，其中
圖1是根據本發(fā)明一個實施例的PM電機的示意圖； 圖2是位于圖1的PM電機中的定子槽的放大圖，其顯示了磁通密度分布； 圖3根據本發(fā)明一個實施例的位于圖1的PM電機中包括絕緣層的線圈繞組的截
面圖； 圖4是流程圖，其代表了制造根據本發(fā)明一個實施例的PM電機的方法的步驟；
圖5是根據本發(fā)明一個實施例的示例性的PM電機的示意圖，其包括作為用于熱管 理的機構的冷卻管； 圖6是用于根據本發(fā)明一個實施例的PM電機的另一示例性的冷卻裝置的示意 圖； 圖7是用于根據本發(fā)明一個實施例的PM電機的又一示例性的冷卻裝置的示意圖； 且 圖8是流程圖，其代表了用于形成根據本發(fā)明 一個實施例的PM電機中的冷卻管的
方法的步驟:標號列表
10永磁(PM)電機12定子14定子鐵芯16定子槽18分數槽集中繞組22槽楔24轉子26轉子鐵芯28疊片式護鐵結構32保持環(huán)42磁通密度分布44被纏繞的定子齒46線圈48沒有被纏繞的定子齒62線圈繞組66主絕緣110示例性的PM電機
114冷卻管
116分數槽集中繞組
118第一絕緣層
120第二絕緣層
122環(huán)氧樹脂層
具體實施例方式
如以下詳細論述的那樣，本發(fā)明的實施例用于永磁容錯電機。如此處所用術語"容 錯"指在各種電機線圈/相位之間的磁去耦和物理去耦，同時減少噪聲、扭矩波動和諧波通 量成分。另外，這種改進的容錯PM電機具有高的功率密度和效率。此外，這種電機配置的 實施例增加了電感，以減少故障電流，并提供所需的電壓調節(jié)。 圖1是永磁(PM)電機10的示意圖。PM電機10包括定子12，定子12具有定子鐵 芯14。定子鐵芯14限定了多個階梯形定子槽16，其包括多個纏繞在階梯形定子槽16中的
6分數槽集中繞組18。分數槽集中繞組提供了在PM電機10的各種相位和線圈之間的磁去耦 和物理去耦。在所示的實施例中，階梯形定子槽16具有兩階梯結構。在其它實施例中，階 梯形定子槽16可包括多于兩個的階梯。在特定的實施例中，分數槽集中繞組18徑向向內 纏繞在兩階梯結構的第一階梯上，并且徑向向外纏繞在兩階梯結構的第二階梯上。在另一 實施例中，分數槽集中繞組包括多個李茲線(Litz wires)。 至少一個槽楔22關閉相應的其中一個階梯形定子槽16的開口。這使得可調整 PM電機10的漏電感。在一個示例中，漏電感在大約100H至大約110H之間的范圍內。在 一個實施例中，槽楔包括鐵環(huán)氧樹脂。其它合適的槽楔材料包括，但不局限于，非磁性材料、 陶瓷和環(huán)氧化物。包括轉子鐵芯26的轉子24設置在定子12外部并與之同心。在一個實 施例中，轉子鐵芯26包括多個軸向段，其彼此是電絕緣的以減少渦電流損失。轉子鐵芯26 包括設置在多個磁鐵30周圍的疊片式護鐵結構28。磁鐵也是軸向分段的，以減少渦電流損 失。在一個非限制性的示例中，各個磁鐵包括一百個(100)分段。護鐵結構28是疊片式， 以減少由于定子12中所產生的不符合要求的磁通量的諧波分量而引起的渦電流損失。在 特定的實施例中，PM電機10包括至少一個設置在護鐵結構28周圍的保持環(huán)32，以保持磁 鐵30。在一個非限制性的示例中，保持環(huán)32包括碳纖維。其它合適的保持環(huán)材料包括，但 不局限于，因科鎳合金(Inconel)和碳素鋼。在另一實施例中，保持環(huán)32是預加負載的，以 便最大限度地減小疲勞效應和延長轉子24的壽命。在又一實施例中，PM電機10具有在大 約1. 46kW/Kg至大約1. 6kW/Kg之間范圍內的功率密度。在所示的實施例中，PM電機10是 一種反結構(inside out)配置，其中轉子24在定子12的外部旋轉。在其它實施例中，轉 子24可設置在定子12的內部。在另一些其它實施例中，電機10可包括多個相位數量。
圖2是定子槽16(圖1)的放大圖，其顯示了磁通密度分布42。如所示，同傳統的 定子槽結構相比，被線圈46纏繞的定子齒44以及沒有被纏繞的定子齒48都受到相似的磁 通密度，其指示需要利用繞組銅和疊片式護鐵的鐵。這提高了電機的功率密度。此外，為了 簡化制造和最大限度地利用槽，PM電機10具有開口槽16 (圖1)，使得線圈46可吊在槽的 內部。槽52通過槽楔22關閉，如圖1中所指和所示。 圖3是線圈繞組62的截面圖，其顯示了用于減少匝與匝之間發(fā)生故障的可能性的 絕緣措施。繞組62包括幾束線(未顯示)。在一個實施例中，繞組62是多個李茲線。絕 緣層，也被稱為"股間絕緣"，包繞在各股周圍。此外，在各個繞組62周圍可覆蓋另一絕緣層 (未顯示)。在繞組62環(huán)向周圍還應用了主絕緣(ground wall insulation)66。主絕緣 66減少了匝-匝故障的可能性，從而提高了電機的可靠度。在特定的實施例中，主絕緣66 包括云母和/或聚酰亞胺。在一個非限制性的示例中，聚酰亞胺是Kapton⑧。
圖4是流程圖，其代表了制造PM電機的方法中的步驟。該方法包括在步驟92中 提供定子，該定子包括限定了多個階梯形定子槽的定子鐵芯。在特定的實施例中，階梯形定 子槽具有兩階梯結構。該方法還包括在步驟94中形成多個分數槽繞組。在步驟96中，分 數槽繞組吊在相應的其中一個階梯形定子槽中。在一個實施例中，步驟94包括將繞組徑向 向內纏繞在兩階梯結構的第一階梯上和徑向向外纏繞在兩階梯結構的第二階梯上。在步驟 98中通過槽楔蓋住相應的其中一個階梯形定子槽的至少一個開口 。在步驟100中將包括轉 子鐵芯的轉子設置在定子的外部并與此定子同心。轉子鐵芯包括設置在多個軸向分段的磁 鐵周圍的疊片式護鐵結構。在特定的實施例中，轉子鐵芯包括多個軸向分段。在另一實施例中，至少一個保持環(huán)設置在護鐵結構周圍。在采用多個保持環(huán)的實施例中，由于適宜的材 料的利用而存在對整體套管厚度的有效減少。 圖5是示例性的PM電機110的示意圖，該電機包括用作熱管理機構的冷卻管114。 在所示的實施例中，冷卻管114設置在分數槽集中繞組116的周圍。在特定的實施例中，繞 組116是李茲線。在冷卻管114周圍設置了第一絕緣層118。此外，在第一絕緣層118周圍 設置了第二絕緣層120。在一個實施例中，第一絕緣層118和第二絕緣層120由云母或聚酰 亞胺中的至少一個形成。環(huán)氧樹脂層122將冷卻管114連接在繞組116上。在特定的實施 例中，第三絕緣層在繞組116離開定子鐵芯的位置設置在繞組116的外層周圍，以便減少在 該位置點的電應力，該第三絕緣層是例如，但不局限于，云母"泥"。 圖6是用于PM電機的另一示例性的冷卻裝置的示意圖。在所示的實施例中，冷卻 管114(圖5)設置在第一絕緣層118和第二絕緣層120之間。第一絕緣層118設置在繞組 周圍，并通過環(huán)氧樹脂層122而連接在繞組上。第一絕緣層在可能電導通的繞組116和冷卻 管114之間提供了一定程度的電絕緣。這最大限度地減小了沿著繞組116短路的可能性。 另外，在鐵芯末端，第一絕緣層118不需要斷開以容許開口使得冷卻管114暴露于冷卻流體 和/或連接到冷卻歧管上。這還降低了電擊穿的可能性。雖然電氣方面更為穩(wěn)固，但是在 繞組116和冷卻管114之間的第一絕緣層118將增加繞組116和冷卻劑之間的熱阻。在特 定的實施例中，第三絕緣層在繞組116離開定子鐵芯的位置設置在繞組116的外層周圍，以 便減少在該位置點的電應力，該第三絕緣層是例如，但不局限于，云母"泥"。
圖7是用于PM電機的另一示例性的冷卻裝置的示意圖。在所示的實施例中，冷卻 管114(圖5)設置在第二絕緣層120的外側。第一絕緣層118設置在繞組周圍，并通過環(huán) 氧樹脂層122而連接在繞組上。第一絕緣層和第二絕緣層在可能電導通的繞組116和冷卻 管114之間提供了一定程度的電絕緣，其甚至更大于圖6中的結構所提供的電絕緣程度。這 進一步最大限度地減小了沿著繞組短路的可能性。另外，在鐵芯末端，第一絕緣層和第二絕 緣層不需要斷開以容許開口使得冷卻管暴露于冷卻流體下和/或連接到冷卻歧管上。這進 一步地降低了電擊穿的可能性，其超過了圖6中所示的實施例的降低程度。雖然電氣方面 更為穩(wěn)固，但是在繞組116和冷卻管114之間的第一絕緣層118和第二絕緣層120將增加 繞組116和冷卻劑之間的熱阻。在一個實施例中，在定子槽的壁周圍可設置第三絕緣層，也 稱為"槽絕緣襯"。在另一實施例中，在冷卻管114周圍可包繞第四絕緣層，該第四絕緣層是 例如，但不局限于，Kapton 。 圖8是流程圖，其代表了用于在PM電機中形成冷卻管的方法中的步驟。該方法包 括在步驟132中使用插入物形成至少一個冷卻管。在特定的實施例中，在步驟134中執(zhí)行 真空壓力浸漬，以沉淀樹脂，用于連接多個導線。在步驟136中使樹脂硬化。在步驟138中 除去插入物，使得硬化后的樹脂限定至少一個冷卻管。 如上所述，可在多種應用中采用PM電機。其中之一包括航空應用，例如飛機發(fā)動 機。具體地說，PM電機可以是PM發(fā)電機，其用于從安裝在飛機上的渦輪風扇發(fā)動機的旋轉 部件，例如低壓(LP)渦輪軸中產生輔助電功率。PM電機還可用于其它非限制性的示例，例 如用于航空應用、工業(yè)應用和工業(yè)用具的牽引裝置、風力渦輪和燃氣渦輪、起動器_發(fā)電機 (starter-generator)。 因而上述PM電機的各種實施例提供了一種提供帶有高的功率密度、可靠性和容
8錯能力的PM電機的途徑。這種PM電機還容許使用一種新穎的可改進功率密度的熱管理裝 置。而且，這種PM電機在最小的噪聲、振動、渦電流損失和扭矩波動下，甚至在高的運轉速 度和高的操作溫度下運轉。這些技術和系統還容許高效的永磁電機。 當然，應該懂得，并非根據任何特定的實施例可獲得所有上述這些目的或優(yōu)勢。因 而，例如，本領域中的技術人員應該認識到，本文描述的系統和技術可以實現或優(yōu)化本文所 教導的一個優(yōu)點或一組優(yōu)點的方式來體現或實現，而無須實現這里可能教導或提示的其它 目的或優(yōu)勢。 此外，熟練的技術人員將認識到不同的實施例的各種特征的可互換性。例如，關于
一個實施例所述的軸向分段的轉子鐵芯可適合于用于另一實施例所述的兩階梯定子槽結
構。類似地，所述的各種特征以及其它各特征的已知的等效物都可由本領域中的普通技術
人員根據本發(fā)明公開的原理進行混合和搭配，以構造出其它的系統和技術。 雖然在這里只顯示和描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領域中的技術人員將會想
到許多改型和變體。因此，應該懂得，權利要求將覆蓋落在本發(fā)明的真實精神范圍內的所有
這樣的改型和變體。
權利要求
一種永磁電機(110)，包括包括定子鐵芯(14)的定子(12)，所述定子鐵芯(14)限定多個階梯形定子槽(16)，并且包括多個纏繞在所述階梯形定子槽(16)中的分數槽集中繞組(18)；至少一個設置在所述繞組(18)周圍的冷卻管(114)；設置在所述冷卻管(114)周圍的第一絕緣層(118)；設置在所述第一絕緣層(118)周圍的第二絕緣層(120)；和至少一個槽楔(22)，配置成關閉相應的一個階梯形定子槽(16)的開口，所述槽楔(22)還配置成調整所述永磁電機(110)中的漏電感；所述永磁電機(110)還包括轉子(24)，所述轉子(24)包括轉子鐵芯(26)并設置在所述定子(12)的外部且與所述定子(12)同心，其中，所述轉子鐵芯(26)包括設置在多個磁鐵周圍的疊片式護鐵結構(28)。
2. —種永磁電機(110)，包括包括定子鐵芯(14)的定子(12)，所述定子鐵芯(14)限定多個階梯形定子槽(16)，并 且包括多個纏繞在所述階梯形定子槽(16)中的分數槽集中繞組(18);設置在所述繞組(18)的各匝周圍的第一絕緣層(118); 設置在所述第一絕緣層(118)周圍的第二絕緣層(120);至少一個設置在所述第一絕緣層(118)和所述第二絕緣層(120)之間的冷卻管(114);和槽楔(22)，配置成關閉所述多個定子槽中的相應一個定子槽的至少一個開口 ，所述槽楔(22)配置成調整所述電機中的漏電感； 所述永磁電機(110)還包括轉子(24)，所述轉子(24)包括轉子鐵芯(26)并設置在所述定子的外部且與所述定子 同心，其中，所述轉子鐵芯包括位于多個磁鐵周圍的疊片式護鐵結構(28)。
3. —種永磁電機(110)，包括包括定子鐵芯(14)的定子(12)，所述定子鐵芯(14)限定多個階梯形定子槽(16)，所 述定子鐵芯(14)包括多個纏繞在多個定子槽(16)中的分數槽集中繞組(18);設置在所述繞組的各匝周圍的第一絕緣層(118);設置在所述第一絕緣層(118)周圍的第二絕緣層(120);禾口至少一個設置在所述第二絕緣層(120)的外側的冷卻管(114);以及槽楔(22)，配置成關閉所述多個定子槽中的相應的一個定子槽的至少一個開口 ，所述槽楔(22)配置成調整所述電機中的漏電感； 所述永磁電機(110)還包括轉子(24)，所述轉子(24)包括轉子鐵芯(26)并設置在所述定子的外部且與所述定子 同心，其中，所述轉子鐵芯包括位于多個磁鐵周圍的疊片式護鐵結構(28)。
4. 用于在永磁電機中形成至少一個冷卻管(114)的方法，包括使用(132)插入物形成至少一個冷卻管；其中，使用所述插入物的步驟包括 執(zhí)行(134)真空壓力浸漬(VPI)，以使樹脂沉淀在模具中和所述插入物周圍，用于連接 多個導線；所述方法還包括 使所述樹脂硬化(136);禾口移除(138)所述插入物，使得所述硬化后的樹脂限定所述至少一個冷卻管。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種PM電機。這種PM電機包括定子，該定子包括定子鐵芯，其中，定子鐵芯限定了多個階梯形定子槽。定子包括多個纏繞在階梯形定子槽中的分數槽集中繞組。定子還包括至少一個設置在繞組周圍的冷卻管。定子還包括設置在冷卻管周圍的第一絕緣層。定子還包括設置在第一絕緣層周圍的第二絕緣層。定子還包括至少一個槽楔，該槽楔配置成關閉相應的其中一個階梯形定子槽的開口，其中，該槽楔還配置成調整PM電機中的漏電感。PM電機還包括轉子，該轉子具有轉子鐵芯并設置在定子的外部且與定子同心，其中，轉子鐵芯包括設置在多個磁鐵周圍的疊片式護鐵結構。
文檔編號H02K1/16GK101728915SQ200910179488
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權日2008年10月10日
發(fā)明者A·M·F·埃爾-雷菲, J·D·范丹, J·M·克恩, M·R·沙, W·D·格爾斯特勒, X·沈 申請人:通用電氣公司