干湿腔发电机系统及其制造方法

技术领域

本说明书总体上涉及发电机系统，并且更具体地，涉及发电机系统和用于制造干湿腔发电机系统的方法。

背景技术

一些当前的飞行器发动机包括启动器/发电机系统，该启动器/发电机系统是用于启动飞行器发动机的电动机、以及在启动飞行器发动机之后向飞行器上的动力系统提供电能的发电机。在这方面，启动器/发电机系统具有将电能转换成机械能的启动模式和将机械能转换成电能的发电模式。

启动器/发电机系统包括固定的多个部件和移动的多个部件，该移动的多个部件相对于固定的多个部件移动。固定的多个部件包括主定子，该主定子包括提供穿过主定子的腔的壳体。移动的多个部件包括位于腔体内的主转子，该主转子相对于主定子旋转以在发电模式期间在主定子内感应出电压。

当主转子旋转并在主定子中感应出电压时，腔内会产生热量。可以提供液体冷却系统以减少热量。启动器/发电机系统可以是湿腔系统或干腔系统。在湿腔系统中，主转子和主定子直接暴露于液态冷却剂。在干腔系统中，液体冷却剂被引导通过液体管道内的腔。湿腔系统和干腔系统都有其自身的优点和缺点。

形成启动器/发电机系统的常规方法可以包括任何数量的制造过程，例如机械加工、铸造等。例如，可以层叠氧化叠片以形成芯，并且可以由绝缘线形成线圈。启动器/发电机系统是湿腔系统还是干腔系统都会影响启动器/发电机系统的构造。因此，无论是湿腔还是干腔，都需要其他的液体冷却系统和具有期望的液体冷却系统的启动器/发电机的制造方法。

发明内容

在一个实施例中，提供了一种用于制造发电机的主转子的方法。该方法包括通过三维打印工艺打印转子轴的至少一部分。打印转子轴的至少一部分的步骤包括打印多个闭合出口和多个开放出口。转子芯通过三维打印工艺进行打印。打印转子芯的步骤包括打印延伸穿过转子芯的多个液体冷却剂管道，以及将多个液体冷却剂管道流体地连接到多个闭合出口。

在另一个实施例中，用于发电机系统的主转子包括转子轴，该转子轴包括打印在该转子轴的面朝外的周向面上的多个闭合出口。在转子轴的面朝外的周向面上打印多个开放出口。转子芯围绕转子轴延伸。转子芯包括多个液体冷却剂管道，多个液体冷却剂管道被打印在转子芯内，并且与多个闭合出口流体连接。

在另一个实施例中，发电机系统包括主定子和位于主定子的腔内的主转子。主转子包括转子轴，该转子轴包括打印在转子轴的面朝外的周向面上的多个开放出口。转子芯绕转子轴延伸。转子芯包括多个液体冷却剂管道，多个液体冷却剂管道打印在转子芯内，并且连接到转子轴的闭合区域。

本文所述的发电机系统及其部件的附加特征和优点将在下面的详细描述中阐述，并且根据该描述，本领域技术人员将容易明白，或者通过实践认识到本文描述的实施例，包括随后的详细描述、权利要求书以及附图。

应当理解，前面的大致描述和下面的详细描述都描述了各种实施例，并且旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特征的概述或框架。包括附图以提供对各种实施例的进一步理解，并且附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出了本文描述的各种实施例，并且与描述一起用于解释要求保护的主题的原理和操作。

附图说明

图1是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的发电机系统的示意图；

图2是用于图1的根据本文示出和描述的一个或多个实施例的发电机系统中的主转子的侧视图；

图3是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的主转子沿图2的线3-3的截面图；

图4是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的主转子沿图2的线4-4的截面图；

图5示出了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的图2的主转子的转子芯的层；

图6A示出了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的具有干式构造的主转子的另一实施例；

图6B示出了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的具有湿式构造的主转子的另一实施例；以及

图7示出了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的制造主转子的方法。

具体实施方式

发电机系统的一个实施例包括主机，该主机包括主定子和位于该主定子的腔内的主转子。转子包括轴，该轴包括闭合出口和开放出口，该闭合出口连接到液体冷却剂管道，该液体冷却剂管道以闭合的方式，通过其中传递液体冷却剂，该开放出口将液体冷却剂直接以开放的方式喷射到主定子的腔中。发电机系统的各种实施例及其制造方法在本文中具体参考附图进一步详细描述。

在一些实施例中，本文所述的发电机系统可以诸如通过三维打印工艺被增材制造。这些增材制造过程可以允许发电机系统或其部件集成地形成为单个整体部件或任何数量的整体地形成的子部件。在一些实施例中，部件可以全部由相同的材料形成，例如钴铁或硅铁。增材制造过程的其他详细信息将在下面更详细地描述。

范围可以在本文中表示为从“大约”一个特定值和/或到“大约”另一特定值。当表达这样的范围时，另一实施例包括从一个特定值和/或至另一特定值。类似地，当通过使用先行词“大约”将值表示为近似值时，将理解的是，特定值形成另一实施例。还将理解的是，每个范围的端点相对于另一个端点以及独立于另一个端点都是重要的。

本文所使用的方向性术语，例如上、下、右、左、前、后、顶部、底部、上方、下方，仅参考所绘制的附图而制成，并且除非另有明确说明，它们不意味着绝对定向。

除非另有明确说明，否则决不意图将本文阐述的任何方法解释为要求其步骤以特定顺序执行，也不要求以任何设备特定的方向进行。因此，在方法权利要求没有实际叙述其步骤应遵循的顺序的情况下，或者在任何设备权利要求并未实际对各个部件的顺序或方向进行叙述的情况下，或者在权利要求书或说明书中没有特别声明步骤将被限制为特定的顺序，或者没有陈述对设备的部件的特定顺序或定向，无论如何，绝不旨在推断顺序或定向。这适用于任何可能的非表达的解释基础，其包括：有关步骤安排、操作流程、部件顺序或部件方向的逻辑问题；源自语法组织或标点的简单含义；以及说明书中描述的实施例的数量或类型。

如本文所使用的，除非上下文另外明确指出，单数形式的“一个”，“一种”和“该”包括复数指示物。因此，例如，除非上下文另外明确指出，否则对“一个”部件的提及包括具有两个或更多这样的部件的方面。

现在将参考发电机系统的实施例，特别是飞行器启动器和发电机系统及其部件，其示例在附图中示出。发电机系统包括主定子和位于主定子的腔内的主转子。转子包括轴，该轴包括闭合出口和开放出口，该闭合出口被连接到液体冷却剂管道，该液体冷却剂管道以闭合的方式传递液体冷却剂通过其中，该开放出口将液体冷却剂直接以开放的方式喷射到主定子的腔中。在一些实施例中，可以使用增材制造工艺来形成发电机系统，其中，发电机系统的部件形成为一个或多个单个的整体零件。

参照图1，发电机系统10是三个电机的组合，包括主机12、励磁机14和永磁发电机(PMG)16。主机12包括主定子18和位于主定子18的腔25内的主转子20。主定子18连接至逆变器/变换器/控制器(ICC)，并包括定子芯22和多个绕组24，绕组24缠绕在形成定子极的极体上。主转子20还包括多个转子绕组26，其缠绕在形成转子极的极体上。同样，励磁机14包括励磁机定子28和励磁机转子30。励磁机定子28可以包括多个绕组32，这些绕组32缠绕在形成连接到ICC的定子极的极体上。励磁机转子30还可以包括多个绕组34，绕组34缠绕在形成转子极的极体上，在转子极上出现由整流器36整流的三相交流电压。PMG16还包括PMG定子38和PMG转子46。PMG定子38可以包括多个绕组42，这些绕组42缠绕在形成定子极的极体上。PMG转子46可以包括由永磁体44形成的转子极。主机12、励磁机14和PMG 16的多个转子极可以相对于定子极产生多个磁场，使得发电机系统10可以通过磁场和载流导体的相互作用而运行，以产生力或电能。励磁机14可以向主机12提供直流电，并且当PMG转子46旋转时，主机12和PMG 16可以提供交流电。

发电机系统10的部件可以是发电机的组合。例如，主机12可以是同步发电机或异步发电机。除了该实施例中所示的附件之外，对于特定的应用，还可能需要操作其他部件。例如，除了所示的机电附件之外，还可以存在由同一转子轴40驱动的其他附件，例如液体冷却剂泵、流体压缩机或液压泵。

发电机系统10可以被油冷却并且因此可以包括冷却系统52。冷却油可以用于消散由发电机系统10的电气和机械功能产生的热量。冷却系统52还可以使用油提供对发电机系统10的润滑。在示出的方面中，发电机系统10可以被构造成，使得发电机系统10可以同时作为湿腔发电机和干腔发电机进行操作。冷却系统52可以包括例如冷却流体储流器60和各种冷却通道。转子轴40可提供一个或多个流动通道或路径，包括将转子轴40与多个闭合出口64、68流体地联接的第一流动通道62。转子轴40还可包括将转子轴40与多个闭合出口64、68流体地联接的第二流动通道66。虽然流动通道62和66被示出为连接的，但是它们可以是不连接的。此外，流动通道62、66仅用于说明，并且可以存在多个流动通道62、66。第一多个闭合出口64和第二多个闭合出口68可轴向地(例如，沿着转子轴40的纵向轴线)间隔开，并且布置或设置在转子轴40的面朝外的周向面上。第一流动通道62、第二流动通道66或其组合可使主转子20的冷却流体(例如油)流动。

转子轴40还可以提供与第一流动通道62和第二流动通道66或其他流动通道流体连通的第一多个开放出口70和第二多个开放出口72。第一多个开放出口70和第二多个开放出口72可轴向地(例如，沿着转子轴40的纵向轴线)间隔开，并且布置或设置在转子轴40的面朝外的周向面上。第一多个开放出口70和第二多个开放出口72是开放的，使得它们允许将液体冷却剂直接喷射到腔25中。

参照图2至图4，单独地示出了主转子20，其包括转子轴40和转子芯80。参见图3和图4，转子绕组26沿着转子芯80轴向延伸。在图4中示意性地示出了多个转子绕组26。可以在每个转子芯槽82中提供多组转子绕组，例如可以在转子芯槽82内堆叠两组转子绕组。可以使用绝缘材料层来电绝缘绕组层。

多个液体冷却剂管道84轴向地延伸穿过转子芯80。液体冷却剂管道84包括连接至第一多个闭合出口64的第一端88和连接至第二多个闭合出口68的第二端90，从而限定从第一多个闭合出口64到第二多个闭合出口68的闭合的冷却剂流体通道。每个液体冷却剂管道84具有第一径向部分92，第一径向部分92从转子轴40径向向外延伸，并围绕径向支撑液体冷却剂管道84的盘状毂96。第一径向部分92进一步从转子轴40径向向外延伸，以将轴向部分94放置在转子绕组26附近。轴向部分94沿着转子绕组26(图4)的长度轴向地延伸到第二径向部分98。第二径向部分98朝着转子轴40径向地延伸，然后围绕径向地支撑液体冷却剂管道84的另一个毂96。第二径向部分98然后延伸到转子轴40，并且流体地连接到第二多个闭合出口68。液体冷却剂管道84可与第一多个闭合出口64和第二多个闭合出口68流体连通，以提供冷却剂流动路径，其中液体冷却剂通过转子轴40，通过第一流动通道62(图1)，通过第一多个闭合出口64，流入液体冷却剂管道84，并通过转子绕组26，通过第二多个闭合出口68。然后，液体冷却剂可以通过第二流动通道66返回以进行再循环或从冷却流中去除(例如进入储流器)或从发电机系统10中去除。

液体冷却剂管道84可以形成在转子芯80的每一层中(由虚线表示)。转子芯80的层110由图5示出。层110可以形成为包括芯体112，芯体112包括从中心部分116径向向外延伸的多个转子极114。转子极114包括从中心部分116径向向外延伸到相应的极靴120的极体118。相较于极体118，极靴120在周向方向上具有更大的尺寸，并且当绕在极体118上时，极靴120悬垂在绕组上。

在一些实施例中，液体冷却剂管道84可以由与芯体112相同的材料(例如，铁-钴-钒软磁合金)制成。液体冷却剂管道84可以具有任何合适的横截面形状，如圆形和长方形。此外，液体冷却剂管道84可以与位于极体118之间的转子槽82并排放置。在一些实施例中，液体冷却剂管道84的壁124可以形成转子槽122的壁126的一部分，以便当绕组设置在转子槽122中时消除绕组的热量。

再次参考图3，转子轴40还包括第一多个开放出口70和第二多个开放出口72。在所示的示例中，第一多个开放出口70与第一闭合出口64轴向地间隔开，并且第二多个开放出口72与第二多个闭合出口68轴向地间隔开。在其他实施例中，第一多个开放出口70和第二多个开放出口72中的一个或两个可与相应的第一闭合出口64和第二闭合出口68周向对齐。液体冷却剂流经转子轴40，流经第一多个流动通道62，流经第一多个开放出口70，流经第二多个开放出口72，并直接进入腔25(图1)。任何另外的液体冷却剂可以通过第二多个流动通道66返回以被再循环或从冷却剂流中去除(例如，进入到储流器中)或从发电机系统10中去除。

再次参考图3至图4，在一些实施例中，转子轴40还可包括与第一流动通道62和第二流动通道66流体连通的第三多个闭合出口100和第四多个闭合出口102。第三多个闭合出口100和第四多个闭合出口102可以轴向地(例如，沿着转子轴40的纵向轴线)间隔开，并且布置或设置在转子轴40的面朝外的周向面上。第三多个闭合出口100与第一多个闭合出口64轴向间隔开并且第四多个闭合出口102与第二多个闭合出口68轴向间隔开。在其他实施例中，第三多个闭合出口100和第四多个闭合出口102中的一个或两个可与相应的第一闭合出口64和第二闭合出口68周向对准。

第二多个液体冷却剂管道104在其端部105处流体连接至第三多个闭合出口100，并且第三多个液体冷却剂管道106在其端部108处流体连接至第四多个闭合出口102。跨在液体冷却剂管道104和液体管道106之间的多个轴向延伸的液体管道130，提供多个径向隔开的轴向延伸的液体管道。再次参考图5，与液体冷却剂管道84一样，轴向延伸的液体管道130可以形成在转子芯80的每一层中。

包括开放出口70和72，闭合出口64、68、100和102以及液体冷却剂管道84、104和130的上述描述的主转子20可以使用增材制造工艺形成。增材制造工艺使用部件(例如，主转子20或其部分)的三维(3D)信息(例如三维计算机模型)来制造三维结构。

如本文所使用的，术语“三维结构”等通常是指旨在用于特定目的或实际制造的三维结构(例如，一种或多种结构材料)。这样的结构可以例如借助于计算机辅助设计(CAD)程序来设计。

如本文中所使用的，术语“二维结构”等通常指的是三维结构的层。当它们被构建时，一个在另一个上，就形成了三维结构。虽然被称为“二维结构”，但是应该理解的是，每层都包括第三维的伴随厚度，尽管与形成三维结构的二维结构的熔融堆叠相比，这些结构具有相对平面的构造。

如本文所用，术语“电子束”是指任何带电粒子束。带电粒子束的源可以包括电子枪、线性致动器等。

增材制造设备的各个实施例涉及通过粉末增材制造(例如，使用电子束熔化(EBM)、选择性激光烧结(SLS)和/或选择性激光熔化(SLM))使二维结构彼此层叠，从而制造三维物体的方法。使用增材制造工艺可以使主转子20或其零件形成为相同材料的单个整体件，例如钴铁或硅铁。

使用增材制造还可以允许在主转子实施例之间快速改变(例如，从干湿到仅干或仅湿)。例如，参照图6A，主转子140的另一实施例包括上述许多部件，例如液体冷却剂管道144、146、147和148以及闭合出口150、152、154和156。然而，在该实施例中，图3的开放出口70和开放出口72不存在。特别地，在增材制造过程中未打印开放出口70和开放出口72，从而有效地覆盖开放出口70和开放出口72。在其他实施例中，参考图6B，可以打印液体冷却剂管道144、146、147和148，但是可以不打印闭合出口150、152、154和156以有效地覆盖闭合出口150、152、154和156，并连接液体冷却剂管道144、146、147和148到转子轴的闭合区域(没有示出出口150、152、154)。在这些实施例中，开放出口160、162可以被打印，从而使主转子140成为湿腔机器。

参照图7，打印主转子的方法200包括在步骤202选择主转子的期望实施例的三维计算机模型。作为示例，可以在一个或多个较早的步骤使用计算机辅助设计(CAD)或三维扫描主转子的原型来生成三维设计模型。在步骤204，可以打印转子轴或其至少一部分。步骤206，转子轴的位置可以保持未打印以提供闭合出口和开放出口中的一个或两个。在其他实施例中，根据在步骤202中选择的三维设计模型，开放出口或闭合出口可以不被打印，并且可以被覆盖或打印在上方，被称为转子芯的闭合区域。在步骤208，可以打印转子芯。在一些实施例中，转子芯可以被打印为实心芯，使得转子芯是单个整体件。在步骤210，转子芯的位置可以保持未打印以提供液体冷却剂管道。由于转子芯和液体冷却剂管道可以与转子管一起形成，因此连接至闭合出口的液体冷却剂管道可以与闭合出口集成地形成，并限定闭合出口的周长。在打印闭合出口的一些实施例中，液体冷却剂管道连接到转子芯的闭合区域。

上述发电机系统包括主转子，基于在增材制造过程中使用的三维设计的选择，该主转子具有例如在湿腔构造、干腔构造、干湿腔构造的组合之间可互换的构造。如果需要干湿构造的组合，则在转子管中将液体冷却剂管道连同闭合出口和开放出口一起打印。如果需要干腔构造，则在转子管中将液体冷却剂管道与闭合出口一起打印，而不打印开放出口。如果需要湿腔结构，则仍可打印液体冷却剂管道，但不打印转子管中的闭合出口。替代地，可以不在湿腔构造中打印液体冷却剂管道。可互换的主转子可与启动器/发电机一起使用，可与附件齿轮箱(AGB)和飞行器上安装的附件驱动器(AMAD)的共享油或自含油构造一起使用。

本发明的进一步方面通过以下条项的主题提供：

1.一种用于制造发电机的主转子的方法，所述方法包括：通过三维打印工艺打印转子轴的至少一部分，其中，打印所述转子轴的至少一部分的步骤包括打印多个闭合出口和多个开放出口；以及通过所述三维打印工艺打印转子芯，其中打印所述转子芯的步骤包括打印延伸穿过所述转子芯的多个液体冷却剂管道，并且将所述多个液体冷却剂管道流体连接至所述多个闭合出口。

2.根据任何在前条项所述的方法，其中，所述转子芯包括中心部分和从所述中心部分径向向外延伸的多个转子极。

3.根据任何在前条项所述的方法，其中，所述多个液体冷却剂管道被打印在所述多个转子极内的所述转子芯的连续层中。

4.根据任何在前条项所述的方法，其中，所述多个转子极各自包括从所述中心部分径向向外延伸的极体和在所述极体的端部的极靴，其中，所述多个液体管道为第一多个液体冷却剂管道，所述转子芯包括第二多个液体冷却剂管道，所述第二多个液体冷却剂管道被打印在每个极体内的所述连续层中。

5.根据任何在前条项所述的方法，其中，所述开放出口在所述转子芯的外部的位置处被打印在所述转子管上。

6.根据任何在前条项所述的方法，还包括选择组合干湿腔构造三维计算机模型、湿腔构造三维计算机模型或干腔构造三维计算机模型中的一个。

7.根据任何在前条项所述的方法，包括：选择干腔构造三维计算机模型；通过三维打印工艺打印另一转子轴的至少一部分，其中，打印所述另一转子轴的至少一部分的步骤包括打印另一多个闭合出口，而不打印至少一些开放出口；以及通过所述三维打印工艺打印另一转子芯，其中打印所述另一转子芯的步骤包括打印延伸穿过所述另一转子芯的另一多个液体冷却剂管道，并且将所述另一多个液体冷却剂管道流体连接至所述另一多个闭合出口。

8.根据任何在前条项所述的方法，包括：选择干腔构造三维计算机模型；通过三维打印工艺打印另一转子轴的至少一部分，其中，打印所述另一转子轴的至少一部分的步骤包括打印另一多个开放出口，而不打印至少一些闭合出口；以及通过所述三维打印工艺打印另一转子芯，其中打印所述另一转子芯的步骤包括打印另一多个液体冷却剂管道，所述另一多个液体冷却剂管道延伸穿过所述另一转子芯并且连接到所述转子轴的闭合区域。

9.一种用于发电机系统的主转子，所述主转子包括：转子轴，所述转子轴包括打印在所述转子轴的面朝外的周向面上的多个开放出口；以及转子芯，所述转子芯围绕所述转子轴延伸，所述转子芯包括多个液体冷却剂管道，所述多个液体冷却剂管道被打印在所述转子芯内，并且被连接到所述转子轴的闭合区域。

10.根据任何在前条项所述的主转子，其中，所述转子芯包括中心部分和从所述中心部分径向向外延伸的多个转子极。

11.根据任何在前条项所述的主转子，其中，所述多个液体冷却剂管道被打印在所述多个转子极内的所述转子芯的连续层中。

12.根据任何在前条项所述的主转子，其中，所述多个转子极各自包括从所述中心部分径向向外延伸的极体和在所述极体的端部的极靴，其中，所述多个液体管道为第一多个冷却剂管道，所述转子芯包括第二多个液体冷却剂管道，所述第二多个液体冷却剂管道被打印在每个极体内的所述连续层中。

13.根据任何在前条项所述的主转子，其中，还包括围绕每个极体缠绕的多个绕组。

14.根据任何在前条项所述的主转子，其中，所述开放出口在所述转子芯的外部的位置处被打印在所述转子管上。

15.根据任何在前条项所述的主转子，其中，在所述转子轴内打印与所述多个闭合出口中的至少一个流体连通的流动通道。

16.一种发电机系统，包括：主定子；以及主转子，所述主转子位于所述主定子的腔内，所述主转子包括：转子轴，所述转子轴包括打印在所述转子轴的面朝外的周向面上的多个开放出口；以及转子芯，所述转子芯围绕所述转子轴延伸，所述转子芯包括多个液体冷却剂管道，所述多个液体冷却剂管道打印在所述转子芯内并连接到所述转子轴的闭合区域。

17.根据任何在前条项所述的发电机系统，其中，所述转子芯包括中心部分和从所述中心部分径向向外延伸的多个转子极。

18.根据任何在前条项所述的发电机系统，其中，所述多个液体冷却剂管道被打印在所述多个转子极内的所述转子芯的连续层中。

19.根据任何在前条项所述的发电机系统，其中，所述多个转子极各自包括从所述中心部分径向向外延伸的极体和在所述极体的端部的极靴，其中，所述多个液体管道为第一多个液体冷却剂管道，所述转子芯包括第二多个液体冷却剂管道，所述第二多个液体冷却剂管道被打印在每个极体内的所述连续层中。

20.根据任何在前条项所述的发电机系统，其中，所述开放出口在所述转子芯的外部的位置处被打印在所述转子管上。

本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以对本文所述的实施例进行各种修改和变型。因此，只要这种修改和变型落在所附权利要求及其等同物的范围内，本说明书旨在覆盖本文描述的各种实施例的修改和变型。