專(zhuān)利名稱(chēng)：電磁變速傳動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸之間傳遞功率的方法和裝
置，并且更具體地說(shuō)，涉及 一 種電磁變速傳動(dòng)裝置EVT (Electromagnetic Variable Transmission),其用于將4丑矩禾口功率直4妾,人 以某一速度操作的一個(gè)轉(zhuǎn)軸傳遞到以不同于第 一軸的速度操作的另 一轉(zhuǎn)軸上。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)通常包括一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)，其后面則是燃燒 器和高壓渦輪和低壓渦輪。這些發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件設(shè)置成連續(xù)流通，并圍 繞發(fā)動(dòng)機(jī)的縱軸中心線(xiàn)而設(shè)置在環(huán)形外殼中。壓縮機(jī)在操作期間通 過(guò)相應(yīng)的渦輪和壓縮機(jī)空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)。壓縮機(jī)空氣在燃燒器中與燃料 混合，并點(diǎn)火，以便產(chǎn)生熱的燃燒氣體。燃燒氣體流過(guò)高壓渦輪和 低壓渦輪，其吸取由熱的燃燒氣體所產(chǎn)生的能量，以便驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)， 并用于產(chǎn)生輔助的輸出功率。
發(fā)動(dòng)機(jī)功率纟皮作為軸功率或推力進(jìn)行傳遞，以便為飛行中的飛 機(jī)提供動(dòng)力。例如，在其它可旋轉(zhuǎn)的負(fù)荷中，例如旁路渦輪風(fēng)扇發(fā) 動(dòng)機(jī)中的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，或燃?xì)鉁u輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)中的螺旋槳中，從高 壓渦輪和低壓渦輪中吸取功率，以便驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和螺旋槳。
很好理解的是，在操作過(guò)程中，單個(gè)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的部件 需要不同的功率參數(shù)。例如，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在一定程度上局限于頂部速 度，并且因?yàn)轱L(fēng)扇直徑是非常大的，所以轉(zhuǎn)速必須非常低。另一方 面，核心壓縮機(jī)由于其小得多的頂圓直徑而可能在較高的轉(zhuǎn)速下驅(qū) 動(dòng)。因此，分開(kāi)的帶有獨(dú)立的功率傳遞裝置的高壓渦輪和低壓渦輪
對(duì)于飛機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的風(fēng)扇和核心壓縮機(jī)是必需的。而且因 為渦輪在較高的轉(zhuǎn)速下是最有效的，所以驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的較低速度的渦 輪需要補(bǔ)充級(jí)以吸取必要的功率。
許多新的飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成可適應(yīng)比當(dāng)前飛機(jī)系統(tǒng)更大的電負(fù) 荷。當(dāng)前正在研制的商業(yè)客機(jī)設(shè)計(jì)的電系統(tǒng)規(guī)格可能需要高達(dá)兩倍 于當(dāng)前商業(yè)客機(jī)的電功率。這種提高的電功率需求必須源于為飛機(jī) 提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)中吸取的機(jī)械功率。當(dāng)以相對(duì)較低的功率水平操 作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，例如，當(dāng)從高空怠速下降時(shí)，從發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械功 率中吸取這種額外電功率可能會(huì)降低恰當(dāng)操作發(fā)動(dòng)機(jī)的能力。
在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，傳統(tǒng)上從高壓(HP)發(fā)動(dòng)機(jī)巻軸(spool)中吸 取電功率。相對(duì)較高的HP發(fā)動(dòng)機(jī)巻軸的操作速度使其成為驅(qū)動(dòng)連接
在發(fā)動(dòng)機(jī)上的發(fā)電機(jī)的理想的機(jī)械功率源。然而，其需要從發(fā)動(dòng)機(jī)
中的補(bǔ)充源中吸取功率，而非僅僅依賴(lài)于HP發(fā)動(dòng)機(jī)巻軸來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電 機(jī)。LP(低壓)發(fā)動(dòng)機(jī)巻軸提供了備選的功率源，然而，相對(duì)較低的LP 發(fā)動(dòng)機(jī)巻軸的速度通常需要使用齒輪箱，因?yàn)榈退侔l(fā)電機(jī)通常比以 較高速度進(jìn)行操作的相似額定功率的發(fā)電機(jī)要大。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) 的增壓腔具有能夠包含反結(jié)構(gòu)同步發(fā)電機(jī)的可用空間，然而，增壓 部分在LP發(fā)動(dòng)機(jī)巻軸的速度下旋轉(zhuǎn)。
然而，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以相對(duì)較低的功率水平操作時(shí)(例如，從高空以 怠速或接近忽速下降時(shí)，出租汽車(chē)低功率滑行時(shí)等等)，從發(fā)動(dòng)機(jī)中 吸取這種補(bǔ)充的機(jī)械功率可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)操作性的降低。傳統(tǒng)上， 這種功率吸取自高壓(HP)發(fā)動(dòng)機(jī)巻軸。它的相對(duì)較高的工作速度使其
有時(shí)需要通過(guò)一些其它裝置為其傳遞扭矩和功率而增加該巻軸上可 得到的功率數(shù)量。
發(fā)動(dòng)機(jī)中的另一動(dòng)力源是低壓(LP)巻軸，其通常在比HP巻軸低 得多的速度下，并且在相對(duì)較寬的速度范圍內(nèi)操作。在不經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換機(jī)。當(dāng)前已經(jīng)提出了許多針對(duì)這種轉(zhuǎn)換的解決方案，包括各種類(lèi)型 的傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置，機(jī)械齒輪裝置，和機(jī)電結(jié)構(gòu)。 一種解決方案是渦 輪發(fā)動(dòng)機(jī)利用笫三中間壓力(IP)的巻軸來(lái)獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。然而， 這第三巻軸有時(shí)也需要聯(lián)接到HP巻軸上。用于聯(lián)接EP和HP巻軸的 裝置是機(jī)械離合器或粘性類(lèi)型的聯(lián)接機(jī)構(gòu)。
2005年5月24日公布的，題名為"帶扭矩調(diào)制能力的差速齒輪 傳動(dòng)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)"的美國(guó)專(zhuān)利No.US6,895,741,其公開(kāi)了一種具有 三軸的機(jī)械齒輪傳動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。風(fēng)扇、壓縮機(jī)和渦輪軸通過(guò)應(yīng)用額 外的行星齒輪裝置而機(jī)械地聯(lián)接在一起。通過(guò)利用電^f茲?rùn)C(jī)器和功率 轉(zhuǎn)換設(shè)備可使有效的齒輪比變化。
不同于具有轉(zhuǎn)子或旋轉(zhuǎn)部分以及定子或固定部分的傳統(tǒng)電機(jī)的 是，本發(fā)明包括兩個(gè)旋轉(zhuǎn)部分。此外，在傳統(tǒng)的電機(jī)中，功率要么 從電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率，或者從機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率。相反，一個(gè)轉(zhuǎn)軸傳遞至另 一轉(zhuǎn)軸。這也是本發(fā)明和儀器的傳動(dòng)裝置之間的 主要區(qū)別。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于在一對(duì)獨(dú)立的轉(zhuǎn)軸之間傳遞功率的電》茲變 速傳動(dòng)裝置。這種電磁變速傳動(dòng)裝置包括空心的圓柱形外轉(zhuǎn)子部分 和空心的圓柱形內(nèi)轉(zhuǎn)子部分，內(nèi)轉(zhuǎn)子部分設(shè)置在外轉(zhuǎn)子部分的中心 孔中，并且可獨(dú)立地在外轉(zhuǎn)子部分中旋轉(zhuǎn)。外轉(zhuǎn)子部分可沿周向圍 繞內(nèi)轉(zhuǎn)子部分獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)。外轉(zhuǎn)子部分和內(nèi)轉(zhuǎn)子部分的其中第一個(gè) 部分具有圍繞第 一表面間隔開(kāi)的多對(duì)永久磁鐵。磁鐵成對(duì)設(shè)置并面 向一個(gè)空氣間隙。該空氣間隙設(shè)置在外轉(zhuǎn)子部分和內(nèi)轉(zhuǎn)子部分之間。 外轉(zhuǎn)子部分和內(nèi)轉(zhuǎn)子部分的另一個(gè)具有多個(gè)圍繞著磁力可穿透的鐵 芯部分而間隔開(kāi)的凹槽。其中一些凹槽具有埋置在其中的繞組。外 轉(zhuǎn)子部分和內(nèi)轉(zhuǎn)子部分可同時(shí)在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。響應(yīng)于外轉(zhuǎn)子部分和內(nèi)轉(zhuǎn)子部分的旋轉(zhuǎn)，在多對(duì)永久磁鐵、空氣間隙和內(nèi)轉(zhuǎn)子芯部 分之間產(chǎn)生了磁通路徑。磁通路徑感應(yīng)繞組中的電功率，并造成機(jī) 械功率在內(nèi)轉(zhuǎn)子部分和外轉(zhuǎn)子部分之間傳遞。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。這種燃?xì)鉁u輪 發(fā)動(dòng)機(jī)包括設(shè)置成連續(xù)流通并且圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)縱軸而設(shè)置在環(huán)形外殼 中的至少一個(gè)壓縮機(jī)、燃燒器、高壓渦輪和低壓渦輪。在操作期間， 壓縮機(jī)由高壓渦輪和低壓渦4侖以及壓縮機(jī)空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)。發(fā)電才兒設(shè)置
在環(huán)形外殼中；并且提供了電磁變速傳動(dòng)裝置用于在一對(duì)獨(dú)立的轉(zhuǎn) 軸之間傳遞功率，其中一個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)軸連接在HP(高壓)渦輪上，而 另一獨(dú)立的轉(zhuǎn)軸連接在LP(低壓)渦輪上。電磁變速傳動(dòng)裝置包括空 心的圓柱形外轉(zhuǎn)子部分和空心的圓柱形內(nèi)轉(zhuǎn)子部分，內(nèi)轉(zhuǎn)子部分設(shè)
置在外轉(zhuǎn)子部分的中心孔中，并且可獨(dú)立地在外轉(zhuǎn)子部分中旋轉(zhuǎn)。 外轉(zhuǎn)子部分可獨(dú)立地周向圍繞內(nèi)轉(zhuǎn)子部分而旋轉(zhuǎn)。外轉(zhuǎn)子部分和內(nèi) 轉(zhuǎn)子部分的其中第一個(gè)部分具有圍繞第 一表面而間隔開(kāi)的多對(duì)永久 磁鐵。磁鐵成對(duì)設(shè)置并面向一個(gè)空氣間隙。該空氣間隙設(shè)置在外轉(zhuǎn) 子部分和內(nèi)轉(zhuǎn)子部分之間。外轉(zhuǎn)子部分和內(nèi)轉(zhuǎn)子部分的另一個(gè)具有 多個(gè)圍繞著磁力可穿透的鐵芯部分而間隔開(kāi)的凹槽。其中一些凹槽 具有埋置在其中的繞組。外轉(zhuǎn)子部分和內(nèi)轉(zhuǎn)子部分可同時(shí)在一個(gè)方 向上旋轉(zhuǎn)。響應(yīng)于外轉(zhuǎn)子部分和內(nèi)轉(zhuǎn)子部分的旋轉(zhuǎn)，在多對(duì)永久磁 鐵、空氣間隙、外轉(zhuǎn)子芯和內(nèi)轉(zhuǎn)子芯部分之間產(chǎn)生了磁通路徑。磁 通路徑感應(yīng)繞組中的電功率，并導(dǎo)致機(jī)械功率在內(nèi)轉(zhuǎn)子部分和外轉(zhuǎn) 子部分之間傳遞。
本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)是在同時(shí)旋轉(zhuǎn)的軸之間實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞，這是在這 兩個(gè)軸之間沒(méi)有任何機(jī)械連接的條件下通過(guò)旋轉(zhuǎn)的電磁場(chǎng)而實(shí)現(xiàn) 的。繞組中感應(yīng)的勵(lì)磁電流在空氣間隙中產(chǎn)生電磁場(chǎng)，以便與另一 轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵所驅(qū)動(dòng)的電磁場(chǎng)相互作用，/人而將扭矩和功率/人 上面固定有永久磁鐵的PM轉(zhuǎn)子傳遞至感應(yīng)轉(zhuǎn)子，即帶有繞組的轉(zhuǎn)子 上。因?yàn)闆](méi)有進(jìn)出EVT的電功率流發(fā)生，所以不需要具有通常在傳
統(tǒng)的功率傳遞裝置，例如電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)中所提供的功率轉(zhuǎn)換器和
相關(guān)的控制器。
本發(fā)明的另 一優(yōu)勢(shì)是提高燃料效率、可靠性和故障誤差。
本發(fā)明的又 一 優(yōu)勢(shì)是在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)速度范圍內(nèi)以可變速度比
將功率從低速LP渦輪軸傳遞至高速渦輪軸的能力。利用電磁技術(shù)可
在LP渦輪軸和HP渦輪軸之間沒(méi)有機(jī)械聯(lián)接的條件下傳遞機(jī)械功率。 而且由于不存在機(jī)械齒輪，所以還沒(méi)有與之相關(guān)的聽(tīng)得見(jiàn)的噪音。
本發(fā)明的還一優(yōu)勢(shì)是不需要外部電功率源，并且用于內(nèi)部產(chǎn)生 的勵(lì)磁電流的控制電路并不復(fù)雜。
從以下作為本發(fā)明原理示例而結(jié)合附圖顯示的優(yōu)選實(shí)施例的更 詳細(xì)的描述中，將清楚本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明電磁變速傳動(dòng)裝置的一個(gè)實(shí)施例的橫截面示意圖。
圖1A是本發(fā)明電磁變速傳動(dòng)裝置的一個(gè)實(shí)施例的橫截面示意圖。
圖2-5是用于轉(zhuǎn)子繞組的各種互連圖，這種互連可用于圖l(內(nèi)轉(zhuǎn) 子繞組)和圖1A(外轉(zhuǎn)子繞組)的配置。
圖6是利用可控硅整流器(SCR)的用于扭矩控制電路的電路原理圖。
圖6A是利用反向串聯(lián)的絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)器件的用于 扭矩控制電路的電路原理圖。
圖7是用于輔助控制系統(tǒng)的電路原理圖。
圖8是用于扭矩控制的控制電路的一個(gè)備選實(shí)施例。
圖9是用于扭矩控制的控制電路選項(xiàng)的一個(gè)備選實(shí)施例。
圖10是與圖1所示EVT裝置相對(duì)應(yīng)的本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。
圖11是與圖1A所示EVT裝置相對(duì)應(yīng)的本發(fā)明的一個(gè)備選實(shí)施
例。
圖12是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的本發(fā)明的PM感應(yīng)EVT的示意圖。
在可能的任何地方，將在全部附圖中使用相同的標(biāo)號(hào)來(lái)表示相 同或相似的部件。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，電磁變速傳動(dòng)裝置(EVT)IO包括兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件，即 內(nèi)轉(zhuǎn)子12和外轉(zhuǎn)子14。內(nèi)轉(zhuǎn)子12和外轉(zhuǎn)子14在相同方向上圍繞公 共軸線(xiàn)16旋轉(zhuǎn)。外轉(zhuǎn)子14具有多個(gè)面向內(nèi)轉(zhuǎn)子12的外表面34的 永久》茲鐵極對(duì)18。極對(duì)18的》茲鐵以交替的方式進(jìn)行定位，使得4及對(duì) 中的 一個(gè)磁鐵將其北極定向在徑向向外的方向，并且相鄰的磁鐵將 其南極定向在徑向向內(nèi)的方向?？蛇x的極帽24可連接在各磁鐵部分 22的頂部上，以減少當(dāng)在內(nèi)轉(zhuǎn)子12和外轉(zhuǎn)子14的旋轉(zhuǎn)速度之間存 在較大差異時(shí)，由于磁鐵22內(nèi)部的磁通槽諧波而在磁鐵中引起的磁 損失。極帽24可以是適合于形成磁路的層壓迭片、軟磁復(fù)合材料， 或其它磁性可穿透材料。夾塊26定位在磁鐵22之間，以便將磁鐵22 和極帽24固定到實(shí)心的轉(zhuǎn)子芯28上。轉(zhuǎn)子鐵芯28優(yōu)選由鎮(zhèn)靜鋼或 層壓的鋼板迭片制成。轉(zhuǎn)子鐵芯28在構(gòu)造上與反結(jié)構(gòu)(inside-out)同 步PM電機(jī)中的永久磁鐵(PM)轉(zhuǎn)子相似。
外轉(zhuǎn)子14和內(nèi)轉(zhuǎn)子12由空氣間隙30分開(kāi)。內(nèi)轉(zhuǎn)子12類(lèi)似于 傳統(tǒng)的感應(yīng)式電機(jī)轉(zhuǎn)子，其由鋼迭片結(jié)構(gòu)和繞組構(gòu)成。凹槽32定位 在內(nèi)轉(zhuǎn)子迭片結(jié)構(gòu)36的外表面34上。凹槽32可以是打開(kāi)的，半關(guān) 閉的，或關(guān)閉的。多相繞組(未顯示)設(shè)置在凹槽32中。多相繞組形 成內(nèi)轉(zhuǎn)子12的多個(gè)極對(duì)。外轉(zhuǎn)子14上的極對(duì)數(shù)量與內(nèi)轉(zhuǎn)子12的極 對(duì)數(shù)量是相同的。
參見(jiàn)圖2至圖5,其顯示了幾個(gè)典型的用于轉(zhuǎn)子繞組38[圖1實(shí) 施例中的內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組，或圖1A實(shí)施例中的外轉(zhuǎn)子繞組]的互連設(shè)計(jì)。 圖2顯示了與開(kāi)關(guān)40三個(gè)單相連接的轉(zhuǎn)子繞組38,開(kāi)關(guān)40與各相
繞組38串聯(lián)。圖3中的轉(zhuǎn)子繞組配置成與開(kāi)關(guān)40構(gòu)成星形連接， 開(kāi)關(guān)40位于星形連接的三個(gè)臂的其中兩個(gè)臂上，這是切斷流過(guò)星形 電路的電流所需要的，但可將另一開(kāi)關(guān)40連接在第三相上。在圖4 中，對(duì)轉(zhuǎn)子繞組38使用三角連接配置，并且使用單個(gè)開(kāi)關(guān)40來(lái)切 斷三角形電路布置中的電流。在圖5中，顯示了多個(gè)并聯(lián)電路，其 是圖3和4的三角形電路42和星形連接44的多個(gè)并聯(lián)組合。注意 在本發(fā)明的范圍內(nèi)還可利用其它互連結(jié)構(gòu)，因?yàn)閳D2至5所顯示的 配置只是示例，而非限制本領(lǐng)域中的技術(shù)人員易于理解的各種配置。 雖然圖2至5所顯示的電路優(yōu)選配置成3相繞組，但是，也可使用 任意數(shù)量的電相位。開(kāi)關(guān)40優(yōu)選是一對(duì)反向并聯(lián)連接的可控硅整流 器(SCR)，或任何其它具有雙方向電流控制能力的功率器件。
圖6顯示了一個(gè)典型的用于控制在內(nèi)轉(zhuǎn)子12和外轉(zhuǎn)子14之間 傳遞扭矩和功率的控制電路。圖6的電路控制傳遞多少扭矩和功率， 以及何時(shí)在這兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間傳遞4丑矩和功率，以滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的功率 要求。示例性的轉(zhuǎn)子繞組46可代表如圖2的單個(gè)繞組38,或者轉(zhuǎn)子 繞組46可代表多個(gè)繞組38。例如三個(gè)串聯(lián)連"l妄的繞組38，如圖4。 同樣，圖2至5中的開(kāi)關(guān)40可以是圖6中的開(kāi)關(guān)40或圖6A中的開(kāi) 關(guān)40。 V、 L和R是嵌入在圖2至5中的電路中的繞組的凈效應(yīng)。 典型的轉(zhuǎn)子繞組38由電感46a(L)和電阻46b(R)表示。由于繞組聯(lián)接 的磁通量的變化而在繞組38中感應(yīng)電壓V。磁通量由相對(duì)的轉(zhuǎn)子上 的磁鐵驅(qū)動(dòng)，而磁通量變化是由于這兩個(gè)轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度而引起的。 一對(duì)功率器件40a和40b設(shè)置成反向并聯(lián)。功率器件優(yōu)選是可控硅整 流器(SCR)。開(kāi)關(guān)40還可由圖6A中的兩個(gè)絕緣雙極性選通晶體管 (IGBT)單元41a,41b組成。IGBT單元41a,41b反向串聯(lián)連接。各IGBT 單元41a，41b由至少一個(gè)IGBT和至少一個(gè)與IGBT反向并聯(lián)連接的 二極管組成。
參見(jiàn)圖7,圖6中用于扭矩控制電路的功率可通過(guò)電源50來(lái)提 供，電源50由HP巻軸54驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子14上的輔助繞組52來(lái)激勵(lì)。
整個(gè)控制系統(tǒng)48可定位在HP巻軸54上，并由HP巻軸54提供功 率，或可由LP巻軸提供功率?？刂齐娐?8控制繞組38中的電流。 控制電路48必須定位在繞組38所定位的相同的感應(yīng)轉(zhuǎn)子上，以避 免這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)部件之間的導(dǎo)線(xiàn)連接。出于相同的理由，控制電路48 必須由同一感應(yīng)轉(zhuǎn)子提供功率。該感應(yīng)轉(zhuǎn)子可配置在內(nèi)部或外部， 如圖1和1A中所示。由雙向箭頭56指示的控制信號(hào)可通過(guò)外部固 定的控制單元60而無(wú)線(xiàn)發(fā)送至控制單元58。
接下來(lái)參見(jiàn)圖8,其顯示了用于扭矩控制的另一典型的控制電 路。在這個(gè)實(shí)施例中，受到轉(zhuǎn)子12和14a的離心力控制的開(kāi)關(guān)62控 制著在LP和HP巻軸之間傳遞扭矩的速度。開(kāi)關(guān)62必須位于與繞組 38相同的感應(yīng)轉(zhuǎn)子上，并且感應(yīng)轉(zhuǎn)子可如圖1和1A中所示定位在 內(nèi)部或外部。轉(zhuǎn)子繞組46具有特征電感L和電阻R，以及感應(yīng)電壓 V。離心式開(kāi)關(guān)62在轉(zhuǎn)子12或14a以低速旋轉(zhuǎn)時(shí)關(guān)閉，并且在轉(zhuǎn)子 12或14a超過(guò)預(yù)定的速度時(shí)打開(kāi)，以響應(yīng)轉(zhuǎn)速所施加的離心力。如 果必要，可包含可選的電阻器，其具有帶負(fù)溫度系數(shù)的電阻RNTC。 電阻器Rntc限制了當(dāng)離心式開(kāi)關(guān)62關(guān)閉時(shí)發(fā)生的電流脈沖。當(dāng)離心 式開(kāi)關(guān)62處于關(guān)閉位置時(shí)，在LP巻軸64和HP巻軸54之間發(fā)生扭 矩傳遞，并且當(dāng)離心式開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，HP和LP巻軸64,54分離。
在圖9中，顯示了用于扭矩控制的另一典型的控制電路備選方 案。在圖9所顯示的配置中，不需要控制開(kāi)關(guān)。扭矩傳遞受到這兩 個(gè)軸之間的轉(zhuǎn)差頻率或速度差的控制。在飛機(jī)巡航或起飛期間，HP 和LP巻軸以4交高的速度旋轉(zhuǎn)，并且在這兩個(gè)巻軸之間或在EVT的 這兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間的速度差異較小。因此繞組中感應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率或電 流頻率較低。在飛機(jī)著陸或怠速下降期間，LP巻軸速度的減少超過(guò) 了 HP巻軸速度的變化，并且轉(zhuǎn)差頻率較大。基于感應(yīng)電機(jī)原理，在 較大的轉(zhuǎn)差頻率下比在較小的轉(zhuǎn)差頻率下，在這兩個(gè)EVT轉(zhuǎn)子之間 將存在更大的扭矩和功率傳遞。圖10中的齒輪箱66和68的齒輪比 選擇成可在高速和低速范圍內(nèi)獲得所需的轉(zhuǎn)差頻率。通過(guò)對(duì)于高轉(zhuǎn)
差頻率利用趨膚效應(yīng)，調(diào)節(jié)匝數(shù)和導(dǎo)線(xiàn)橫截面積，或者通過(guò)選擇材
料而設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子繞組46的特征電感L和電阻R,使得當(dāng)需要以怠速或 接近怠速下降傳遞扭矩時(shí)，可將所需扭矩從LP巻軸傳遞至HP巻軸， 而在巡航和起飛期間不需要傳遞扭矩時(shí)，可最大程度地減小扭矩傳 遞。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，在圖1所顯示的轉(zhuǎn)子線(xiàn)槽中具有一 個(gè)或多個(gè)輔助繞組52。繞組或繞組52中的感應(yīng)電功率可用于為定位 在轉(zhuǎn)子上的電路中的開(kāi)關(guān)的控制電路提供功率。
SCR開(kāi)關(guān)40、控制單元58和電源50優(yōu)選安裝在與主轉(zhuǎn)子繞組 38相同的轉(zhuǎn)子上，從而不需要集電環(huán)將固定部分電連接在旋轉(zhuǎn)的繞 組38上?？刂芐CR開(kāi)關(guān)40所需要的信號(hào)可無(wú)線(xiàn)發(fā)送到內(nèi)轉(zhuǎn)子12上 (見(jiàn)圖7)。
圖1A顯示了本發(fā)明的一個(gè)備選實(shí)施例。在這個(gè)配置中，轉(zhuǎn)子設(shè) 置成與圖l相反，即，外轉(zhuǎn)子14a具有凹槽32a，繞組現(xiàn)在位于外部， 并且內(nèi)轉(zhuǎn)子12a具有永久磁鐵PM極22a。
在圖l或圖1A的任一配置中，磁通量由永久磁鐵驅(qū)動(dòng)，并如同 傳統(tǒng)的PM電機(jī)跨過(guò)空氣間隙30而聯(lián)接轉(zhuǎn)子繞組38。當(dāng)PM轉(zhuǎn)子 14,12a旋轉(zhuǎn)時(shí)，在空氣間隙30中引起旋轉(zhuǎn)的磁通量場(chǎng)(未顯示)?；?于傳統(tǒng)的感應(yīng)式電機(jī)原理，當(dāng)PM轉(zhuǎn)子14或12a以不同于感應(yīng)轉(zhuǎn)子 12或14a的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流。當(dāng)PM轉(zhuǎn) 子14或12a旋轉(zhuǎn)快于感應(yīng)轉(zhuǎn)子12或14a時(shí)，扭矩從PM轉(zhuǎn)子14或 12a傳遞至感應(yīng)轉(zhuǎn)子12或14a。當(dāng)PM轉(zhuǎn)子14或12a旋轉(zhuǎn)慢于感應(yīng) 轉(zhuǎn)子12或14a時(shí)，扭矩從感應(yīng)轉(zhuǎn)子12或14a傳遞至PM轉(zhuǎn)子14或 12a。
圖IO顯示了與圖1所示EVT裝置相對(duì)應(yīng)的本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí) 施例，其中EVT10包括連接在LP巻軸64上的外部PM類(lèi)型的轉(zhuǎn)子 14，以及連接在HP巻軸54上的內(nèi)部感應(yīng)類(lèi)型的轉(zhuǎn)子12。內(nèi)轉(zhuǎn)子12 的互連繞組由回路37表示。LP巻軸速度N4通過(guò)齒輪箱1:Y逐步提
高至速度N3。為了將扭矩從LP巻軸64傳遞至HP巻軸54,外轉(zhuǎn)子 或PM轉(zhuǎn)子14的轉(zhuǎn)速N3必須高于內(nèi)轉(zhuǎn)子或感應(yīng)轉(zhuǎn)子12的速度N2。 具有齒輪比1:X的第一齒輪箱68用于將HP巻軸54聯(lián)4妄到內(nèi)轉(zhuǎn)子12 上，并且具有齒輪比1:Y的第二齒輪箱66用于將LP巻軸64聯(lián)接到 外轉(zhuǎn)子14上。齒輪箱66,68用于匹配HP巻軸54的速度Nl和LP巻 軸64的速度N4，其分別對(duì)應(yīng)于所需的EVT轉(zhuǎn)子速度N2和N3。根 據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)巻軸操作速度和EVT轉(zhuǎn)子速度，可省略其中一個(gè)齒輪箱 66,68。外轉(zhuǎn)子速度N3大于內(nèi)轉(zhuǎn)子12的速度N2，從而基于感應(yīng)原理， 扭矩和功率將以速度N2傳遞給軸55。在其中一個(gè)或這兩個(gè)齒輪箱 66,68上可采用可變齒輪比。在圖1的配置中，對(duì)于以速度N4旋轉(zhuǎn) 的LP巻軸和以速度Nl旋轉(zhuǎn)的HP巻軸，速度變^:與方程1相關(guān)
Nl *X=N2 < N3=N4/Y 方程1
其中N4<N1。
圖ll顯示了與圖1A的EVT裝置相對(duì)應(yīng)的本發(fā)明的一個(gè)備選實(shí) 施例，其中EVTIO通過(guò)齒輪箱66,68而連接在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的LP巻軸 64和HP巻軸54上。為了將扭矩從LP巻軸64傳遞至HP巻軸54， 外部感應(yīng)類(lèi)型的轉(zhuǎn)子14a(互連繞組由回^各37表示)的轉(zhuǎn)速N3必須高 于內(nèi)部PM類(lèi)型的轉(zhuǎn)子12a的速度N2。具有齒輪比1:X的第一齒輪 箱68用于將LP巻軸64聯(lián)接到內(nèi)轉(zhuǎn)子12a上，并且具有齒輪比l:Y 的第二齒輪箱66用于將HP巻軸54聯(lián)接到外轉(zhuǎn)子14a上。齒輪箱66 用于使EVTIO的外轉(zhuǎn)子速度N3與HP巻軸54的速度N4相匹配。 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)巻軸操作速度和EVT轉(zhuǎn)子速度，可省略其中一個(gè)齒輪箱 66,68。在圖11的配置中，對(duì)于以速度N4旋轉(zhuǎn)的HP巻軸和以速度 Nl旋轉(zhuǎn)的LP巻軸，速度變換與方程2相關(guān)
Nl *X=N2 〉 N3=N4/Y 方程2
其中N4>N1;且
齒輪比又>=1。
可選地，可使用可變齒輪比。作為可選項(xiàng)，上述任一齒輪箱66,68可具有可變齒輪比，以減少 EVT中的這兩個(gè)轉(zhuǎn)子的速度范圍，從而減小當(dāng)LP巻軸或HP巻軸的 速度范圍太大時(shí)的最大速度和相關(guān)的機(jī)械應(yīng)力。
接下來(lái)參見(jiàn)圖12，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)110中的PM感應(yīng)EVT的典型裝 置具有核心發(fā)動(dòng)機(jī)138，其在軸向串行流通關(guān)系上包括低壓壓縮機(jī)或 增壓壓縮機(jī)120，高壓壓縮機(jī)114,燃燒室或燃燒器124,高壓渦輪 116和低壓渦輪118。核心發(fā)動(dòng)機(jī)138位于入口 122和風(fēng)扇112的下 游。風(fēng)扇112與核心發(fā)動(dòng)機(jī)138以及旁路導(dǎo)管和旁路噴嘴(未顯示)保 持軸向串行流通關(guān)系。風(fēng)扇112、壓縮機(jī)114和低壓渦輪118由第一 軸64聯(lián)接，并且壓縮機(jī)114和渦輪116與第二軸54聯(lián)接。進(jìn)入入 口 122的一部分氣流通過(guò)旁路導(dǎo)管引導(dǎo)，并通過(guò)旁路噴嘴排出，并 且剩余氣流穿過(guò)核心發(fā)動(dòng)機(jī)138，并通過(guò)核心發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴排出。EVT10 通過(guò)齒輪箱66和軸57而聯(lián)接在LP軸或巻軸64上。EVT10的輸出 軸57通過(guò)齒輪箱68而連接在HP軸或巻軸54上。 一對(duì)起動(dòng)機(jī)/發(fā)電 機(jī)130通過(guò)主齒輪箱而聯(lián)接在HP巻軸54上，以接收來(lái)自HP巻軸 的功率，或?yàn)镠P巻軸提供功率，這依賴(lài)于這對(duì)起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)130 是作為起動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)進(jìn)行操作。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員所將理 解的那樣，圖12只是可供本發(fā)明用于在LP軸64和HP軸54之間共 享扭矩的許多可能的起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)130和主齒輪箱132配置中的其 中一個(gè)示例。另外，EVT10可定位在發(fā)動(dòng)機(jī)外殼的內(nèi)部或外部。
雖然已經(jīng)參照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，^旦是本領(lǐng)域中的 技術(shù)人員應(yīng)該懂得，在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)可進(jìn)行各種變化，并 用等效物替代其元件。另外，在不脫離本發(fā)明的本質(zhì)的范圍內(nèi)，還 可制成許多改型，使特殊的情形或材料適應(yīng)本發(fā)明公開(kāi)的傳授知識(shí)。
殊的實(shí)施例，相反本發(fā)明將包括落在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí) 施例。
權(quán)利要求
1.一種用于在一對(duì)獨(dú)立的轉(zhuǎn)軸之間傳遞功率的電磁變速傳動(dòng)裝置，其包括空心的圓柱形外轉(zhuǎn)子部分(14)和圓柱形內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子(12)設(shè)置在所述外轉(zhuǎn)子部分(14)的中心孔中，并且可獨(dú)立地在所述外轉(zhuǎn)子部分(14)中旋轉(zhuǎn)，所述外轉(zhuǎn)子(14)可沿周向圍繞所述內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)而獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)；所述外轉(zhuǎn)子部分(14)和所述內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)的其中第一個(gè)部分具有圍繞第一表面間隔開(kāi)的多對(duì)永久磁鐵(18)，所述磁鐵(18)配置成對(duì)，并且面向空氣間隙(30)，所述空氣間隙(30)設(shè)置在所述外轉(zhuǎn)子部分(14)和所述內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)之間；所述外轉(zhuǎn)子部分(14)和內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)中的另一個(gè)部分具有多個(gè)圍繞磁力可穿透的鐵芯部分而間隔開(kāi)的凹槽(32)，其中至少一些凹槽(32)包括埋置在其中的繞組(38)；所述外轉(zhuǎn)子部分(14)和內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)可同時(shí)在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)；其中，響應(yīng)于所述外轉(zhuǎn)子部分(14)和所述內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)的同時(shí)旋轉(zhuǎn)，在所述多對(duì)永久磁鐵(18)、所述空氣間隙(30)以及所述外轉(zhuǎn)子部分(14)和內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)的鐵芯之間產(chǎn)生磁通路徑，所述磁通路徑在所述繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電功率，并導(dǎo)致在所述內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)和所述外轉(zhuǎn)子部分(14)之間傳遞機(jī)械功率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁變速傳動(dòng)裝置，其特征在于，所 述外轉(zhuǎn)子部分(14)和所述內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)的其中第一個(gè)部分是所述外 轉(zhuǎn)子部分(14),并且所述另一個(gè)部分是所述內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁變速傳動(dòng)裝置，其特征在于，所 述外轉(zhuǎn)子部分(14)和所述內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)的其中笫一個(gè)部分是所述內(nèi) 轉(zhuǎn)子部分(12),并且所述另一個(gè)部分是所述外轉(zhuǎn)子部分(14)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁變速傳動(dòng)裝置，其特征在于，還包括至少一個(gè)用于為扭矩控制電路提供功率的輔助繞組(52),所述扭 矩控制電路包括電源(50)、控制器部分(48)和至少一個(gè)電源開(kāi)關(guān)(62)， 所述控制器部分(48)配置成能夠操作所述電源開(kāi)關(guān)(62),以^_切換其 中至少一個(gè)所述繞組(52)中的循環(huán)電流，來(lái)控制機(jī)械功率的傳遞。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電磁變速傳動(dòng)裝置，其特征在于，所 述繞組(52)配置成多個(gè)單相回路，各回路具有與單個(gè)繞組串聯(lián)的開(kāi)關(guān) (62),以便在所述開(kāi)關(guān)(62)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)形成閉合的電流回路。
6. 根椐權(quán)利要求4所述的電磁變速傳動(dòng)裝置，其特征在于，所 述繞組(52)配置成具有三個(gè)臂的星形配置，所述這三個(gè)臂中的至少兩 個(gè)臂具有用于調(diào)節(jié)流過(guò)所述繞組(52)的電流的開(kāi)關(guān)(40)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電磁變速傳動(dòng)裝置，其特征在于，所 述繞組(52)配置成具有串聯(lián)成回路的三個(gè)繞組，以及設(shè)置在所述串聯(lián) 回路中以便調(diào)節(jié)流過(guò)繞組(52)的電流的單個(gè)開(kāi)關(guān)(40)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電磁變速傳動(dòng)裝置，其特征在于，所 述繞組(52)配置在多個(gè)并聯(lián)電路中，所述并聯(lián)電路配置成多個(gè)星形電 路連接、多個(gè)三角形電路配置和其組合的其中之一。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電磁變速傳動(dòng)裝置，其特征在于，所 述繞組(52)、輔助繞組和扭矩控制電路的控制單元安裝在所述外轉(zhuǎn)子 部分(14)或所述內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)的其中之一上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電磁變速傳動(dòng)裝置，其特征在于， 所述扭矩控制電路還包括固定的控制器(48)，所述控制器與控制器部 分(48)保持無(wú)線(xiàn)電通信，用于在所述外轉(zhuǎn)子部分(14)或所述內(nèi)轉(zhuǎn)子部 分(12)的軸上旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，將控制信號(hào)傳遞到所述扭矩控制電路上。
全文摘要
一種電磁變速傳動(dòng)裝置，包括外轉(zhuǎn)子(14)和內(nèi)轉(zhuǎn)子(12)。內(nèi)轉(zhuǎn)子(12)可獨(dú)立地在外轉(zhuǎn)子(14)的中心孔中旋轉(zhuǎn)。外轉(zhuǎn)子(14)可獨(dú)立地圍繞內(nèi)轉(zhuǎn)子(12)旋轉(zhuǎn)。其中一個(gè)轉(zhuǎn)子具有多個(gè)配置成對(duì)(18)，并且面向空氣間隙(30)的永久磁鐵，空氣間隙(30)設(shè)置在外轉(zhuǎn)子(14)和內(nèi)轉(zhuǎn)子(12)之間。另一轉(zhuǎn)子具有多個(gè)圍繞磁力可穿透的鐵芯而間隔開(kāi)的凹槽(32)，其具有埋置的繞組(38)。外轉(zhuǎn)子(14)和內(nèi)轉(zhuǎn)子(12)可同時(shí)在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。響應(yīng)于外轉(zhuǎn)子部分(14)和內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)的旋轉(zhuǎn)，在成對(duì)永久磁鐵(18)，空氣間隙，外轉(zhuǎn)子鐵芯(14)和內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)鐵芯之間產(chǎn)生磁通路徑，從而在繞組(38)中產(chǎn)生感應(yīng)電功率，繞組(38)在內(nèi)轉(zhuǎn)子部分(12)和外轉(zhuǎn)子部分(14)之間傳遞功率。
文檔編號(hào)H02K51/00GK101197527SQ200710196858
公開(kāi)日2008年6月11日 申請(qǐng)日期2007年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月6日
發(fā)明者J·M·凱恩, 畏 吳, 曲榮海 申請(qǐng)人:通用電氣公司