[发明专利]高速高极数发电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机的发电机，更具体地涉及一种具有高极数(pole count)的高速发电机。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括一个或多个压缩机，该一个或多个压缩机依次紧接着燃烧室和高压涡轮及低压涡轮。这些发动机部件布置成连续地流动连通并设置在环形外壳内的发动机的纵轴中心线附近。在操作期间压缩机通过各自的涡轮和压缩机空气进行驱动。压缩机空气与燃料相混合并在燃烧室内点燃以便产生热的燃烧气体。燃烧气体流经高压涡轮和低压涡轮，该高压涡轮和低压涡轮提取热的燃烧气体所产生的能量以便驱动压缩机，并产生附属的输出功率。

发动机动力作为轴动力或推力被传送以便向飞行中的飞机提供动力。例如，以其它的可旋转载荷诸如旁通涡扇发动机中的风扇转子或者燃气涡轮螺旋桨发动机内的螺旋桨，自高压涡轮和低压涡轮中提取动力以便驱动各自的风扇转子或螺旋桨。

很好理解，涡扇发动机的单独部件在操作中要求不同的动力参数。例如，风扇旋转速度一定程度上受制于尖端速度，而由于风扇直径很大，旋转速度则必须很低。另一方面，核心发动机由于其小得多的尖端直径而可以较高的旋转速度驱动。因此，需要具有独立的动力传输设备的分离的高压涡轮和低压涡轮，以便驱动飞机燃气涡轮发动机内的风扇和核心压缩机。此外，由于涡轮在较高旋转速度时效率最高，故驱动风扇的较低速度的涡轮需要额外的级以便提取必要的动力。

许多新的飞机系统设计成供应(accommodate)远远大于当前飞机系统上所能供应的电力载荷(electrical load)。当前正在研制的商用客机设计的电力系统规格要求两倍于当前商用客机的电力。这种提高的电力需求必须是源自于从向飞机提供动力的发动机中所提取的机械动力。当以相对低的动力水平操作飞机发动机时，例如空转地自飞行高度下降时，从发动机的机械动力中提取这种额外电力可降低正确运转发动机的能力。

传统地，从燃气涡轮发动机中的高压(HP)发动机卷轴(spool)中提取电力。HP发动机卷轴相对高的运转速度使其成为理想的机械动力源以便驱动连接到发动机上的发电机。然而，为了驱动发电机需要从发动机内的额外源中抽取动力而不是独自地依赖于HP发动机卷轴。尽管低压(LP)发动机卷轴提供了备选的动力传送源，但LP发动机卷轴相对较低的速度通常要求使用变速箱，因为低速发电机常常大于以较高速度运转的相似的额定(rated)发电机。

然而，当发动机以相对低的动力水平运转时(例如，以或接近空转地从飞行高度下降，用于滑行(taxi)的低动力等)从其中提取该种额外的机械动力会引起发动机运转性能的下降。传统地，该动力从高压(HP)发动机卷轴中提取。高压发动机卷轴相对高的运转速度使其成为理想的机械动力源以便驱动装接在发动机上的发电机。然而，有时需要通过经由一些其它装置传送扭矩和动力以便增加在该卷轴上可获得的动力数量。

对于该转换存在许多可能的解决方案，包括各种类型的常用变速器、机械传动装置以及电动机械构造。一种这样的解决方案是涡轮发动机，该涡轮发动机采用第三的中间压力(IP)卷轴以便独立地驱动发电机。然而，该第三卷轴有时也要求联结到HP卷轴上。用来联结IP卷轴和HP卷轴的装置为机械联轴器(clutch)或粘性类型的联结机构。

2005年5月24日公布的标题为“具有扭矩调制能力的差动齿轮涡轮发动机”的美国专利号6895741，公开了一种具有三个轴的机械齿轮传动发动机。风扇、压缩机和涡轮轴通过应用额外的行星齿轮配置被机械地联结。有效齿轮比根据电磁机器和功率变换器的使用而是可变化的。

高速电机差不多总是制造成具有低的极数，以免磁性材料在引起转子设计效率低下的较高频率时经历过多的磁芯损耗。这主要地涉及到当前绝大多数的转子所使用的软材料为硅铁合金的事实。众所周知，在常用的硅铁基材料中以大于400Hz左右的频率改变磁场所产生的损耗会导致材料发热，常常会达到不能通过任何适当方法进行冷却的程度。

发明内容