CN108964305B - 电机及包括该电机的燃气轮机 - Google Patents

Abstract

一种电机包括：定子，该定子包括定子铁芯和缠绕在定子铁芯上的定子绕组；转子，该转子包括磁体，磁体安装在电机转轴上，并能够随电机转轴转动；以及电机座，定子固定支承在该电机座上，而电机转轴通过至少一个轴承可转动地支承在电机座上。其中，转子位于电机转轴的一端附近，而至少一个轴承设置在电机转轴的与转子相对的另一端的附近，从而转子呈悬臂结构。该电机结构简单紧凑，且便于维修保养。还公开了一种包括该电机的燃气轮机。

Description

电机及包括该电机的燃气轮机

技术领域

本发明涉及一种电机，该电机可用在各种机械装备中，例如用作燃气轮机的启发电机。本发明还涉及包括该电机的燃气轮机。

背景技术

电机是一种能够将电能转换成机械能或者将机械能转换成电能的设备，在现今广泛地应用在各种领域，用作许多机械的动力源。在诸如燃气轮机之类的动力机械装置中，通常带有电机，作为其最初启动时的动力。

图1示出了带有电机常规的燃气轮机的结构原理示意图。其中，燃气轮机1的主要部分包括压气机10、涡轮20和燃烧室30，压气机10的压气叶轮和涡轮20的涡轮叶轮之间由轴40相连接。在运行过程中，首先由外部的动力源来启动压气机10，由此压气机10从周围的大气中吸入空气，并将其压缩。压缩后的空气被输送到燃烧室30中。这样，压缩空气与喷入燃烧室中的燃料发生燃烧反应，生成高温燃气。高温燃气流入涡轮20中，并膨胀做功，推动涡轮叶轮转动，涡轮叶轮则通过轴40带动压气叶轮一同转动。燃烧后的高温燃气在带动压气机的同时，还有多余的能量作为燃气轮机的输出机械功。该机械功可用来发电、作为飞行器或船舶的推进力等。

如图1中所示，燃气轮机1的一种常规启动方式是使用电机50来进行启动。该电机50的输出轴经由齿轮变速箱与压气叶轮相连。在启动燃气轮机时，电机50通过齿轮变速箱带动压气叶轮初始地转动，将外界空气吸入压气机10中，压气机10产生压缩空气。燃气轮机的电机50通常需要是高速电机，以满足压气机10生成压缩空气的需求。

目前市场上的用于燃气轮机等机械装备的高速电机在高速运转时，需要由润滑***对电机两端的轴承进行冷却、润滑等，并且在电机定子的两端分别进行密封。这样的结构使得该高速电机拆卸困难，不易维修，而且其占据的空间也较大。

因此，需要一种改进的电机结构，其能够解决以上所述的现有技术电机的问题中的至少一个。

发明内容

本发明是为解决以上所述现有技术所存在的问题而作出的。具体来说，本发明的目的是提供一种具有改进结构的电机，其可用作燃气轮机等机械装备的电机，该电机具有紧凑的结构，可减少燃气轮机所占据的空间。

进一步的，本发明的电机便于维修，其运行安全性也高。

本发明的电机包括：

定子，该定子包括定子铁芯和缠绕在定子铁芯上的定子绕组；

转子，该转子包括磁体，磁体安装在电机转轴上，并能够随电机转轴转动；以及

电机座，定子固定支承在该电机座上，而电机转轴通过至少一个轴承可转动地支承在电机座上；

其中，转子位于电机转轴的一端附近，而至少一个轴承设置在电机转轴的与转子相对的另一端的附近，从而转子呈悬臂结构。

转子的该悬臂式设计使得电机的结构更加简单紧凑。而且，对于此种结构的电机，维修保养更加方便。具体来说，可以容易地将定子和/或转子从该电机拆下，从而对定子和/或转子以及该电机的其它部件进行维修保养。

较佳地，在电机转轴的该另一端上设置有两个轴承，且在这两个轴承之间设置有弹簧，弹簧对轴承施加预紧力。弹簧提供的该预紧力可有助于使该电机更加平稳地运行。

对于上述结构的电机，较佳的是在定子和转子之间形成有第一间隙，第一间隙与电机的外部流体连通。这样，电机外部的空气可流入该第一间隙，对该电机中的定子和转子部分进行冷却，进而由此提高电机的运行稳定性。举例来说，在电机用于燃气轮机的情形中，被抽吸到燃气轮机的压气机中的气流中的一部分会流入该第一间隙中。

其中，该第一间隙的尺寸在0.4～0.6mm的范围之内，较佳地该尺寸约为0.5mm。这样的尺寸设定能够保证电机的运行效率，同时又能够防止电机的定子和转子在高速转动时互相干涉。

进一步地，在定子支承部分和转子支承部分之间形成有第二间隙，其中，第二间隙与第一间隙流体连通。由此，流经第一间隙的气流还可进一步流经第二间隙，进而流经电机的其余部分，从而可对电机整体起到冷却作用。

较佳地，在该电机中设置有风源装置，电机的外部的空气在该风源装置的作用下流经第一间隙和第二间隙。这样，该电机能够将空气引入第一和第二间隙中，而不受其具体应用场合的限制。

其中，该风源装置可以是安装在电机转轴上的风扇。随着电机运行，该风扇会跟着电机转轴的转动而转动，从而将外界的空气吸入电机中并流过第一间隙和第二间隙。

较佳地，本发明的电机能够在电动机模式和发电机模式之间切换。

本发明还涉及一种燃气轮机，该燃气轮机包括压气机、涡轮和燃烧室，燃烧室位于压气机的下游且位于涡轮的上游；其中，该燃气轮机还包括如上所述的电机，电机的电机转轴与燃气轮机的主轴相连接，充当燃气轮机的启发电机。

对于采用上述结构的电机以及带有此类电机的燃气轮机来说，通过对电机的转子采用悬臂结构，可以对电机进行方便的检查维修。经过测算和比较发现，与传统电机相比，本发明的电机结构的拆装效率可提高3倍以上。

而且，通过采用悬臂结构，本发明的电机只需一端密封，降低了密封成本；同时也方便了对轴承添加预紧力，使电机运转更平稳，提高电机寿命。另外，可以在电机的无轴承的一端引入气流，对电机进行空气冷却，而不需要额外地设置冷却装置，从而简化电机的结构，等等。

附图说明

图1示出了现有技术的以电机为启动动力的燃气轮机的结构原理图。

图2以纵向剖视图的形式示出了本发明的第一实施例的电机的结构示意图。

图3示出了安装有图2所示的电机作为启发电机的燃气轮机的纵向剖视图，该剖视图是沿着图4中的线A-A截取的。

图4示出了图3所示的燃气轮机从其进气端、即图3中的左端看的端视图。

图5以纵向剖视图的形式示出了本发明的第二实施例的电机的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合图2～5对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当了解，附图中所示的仅仅是本发明的较佳实施例，其并不构成对本发明的范围的限制。本领域的技术人员可以在附图所示的实施例的基础上对本发明进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，这些都落在本发明的保护范围之内。

在以下的内容中，将以应用在燃气轮机中为例对本发明的电机的优选结构进行描述。不过，如以上所述的，本发明的电机也可应用于其它类型的机械装备中。

图2以纵向剖视图的形式示出了本发明的第一实施例的电机200的结构示意图。该电机200具有定子211和转子212。定子211和转子212各自的结构都是常规的结构。即，定子211包括定子铁芯(优选的是由硅钢片制成)，在定子铁芯上缠绕有线圈，以形成定子绕组。转子212则包括至少一个、较佳地多个磁体(例如永磁体)，并且转子212安装在电机200的电机转轴213上。

可选地，电机200包括电机控制器218，用于控制电机200运行，例如通过激励定子211而使转子212转动。当然，电机200也可直接连接于外部驱动器，通过外部驱动器的动作而启动或停止。

电机200还包括电机座214，用于固定或支承定子211和转子212。具体来说，如图2所示，电机座214包括定子支承部分222和转子支承部分223。定子211固定安装在定子支承部分222上，安装有转子212的电机转轴213则通过轴承220可转动地支承在转子支承部分223上。

与现有技术中的常规电机不同，在本发明的电机200中，转子212、具体来说是组成转子212的各磁体设置在电机转轴213的一端附近，例如在电机转轴213一端附近，而在电机转轴213的另一端附近设置至少一个轴承220，较佳地是如图2所示的两个互相间隔开的轴承220，通过该轴承220将电机转轴213支承在电机座214的转子支承部分223上。

通过这样的结构，转子212以悬臂的形式被支承，并面对着固定支承在定子支承部分222上的定子211。转子212的这种悬臂形式的支承，可便于电机200的维护保养。具体来说，在维修时，只需将固定在定子支承部分223上的定子211和/或转子212拆下，即露出了电机200的内部部件，且由于电机转轴213的设置转子212的一端附近没有设置轴承，因而可容易地对电机200进行维护保养。

进一步地，如图2中所示的，由于只在电机转轴213的一端附近设置轴承220，因此只需在设置有轴承220的这一端处设置密封件217，简化了电机200的结构。并且，只需设置轴承220的这一端与润滑油接触，因而可尽量避免定子211和转子212与润滑油的接触，减少润滑油对电机线圈的危害。

另外较佳地，悬臂形式的转子212与定子211之间留有第一间隙215。该第一间隙215与压气机110的进气流道113流体连通，这样，在电机200运行的过程中，可将该电机200外部的空气吸入该第一间隙215，从而对定子211和转子212起到冷却的作用。

较佳地，上述第一间隙215的尺寸被设计为在0.4mm～0.6mm的范围内，优选地约为0.5mm。对第一间隙215尺寸这一设定既能保证电机的运行效率，同时还能够防止定子211和转子212在高速转动时互相干涉。

进一步地，在定子支承部分222和转子支承部分223之间也较佳地设置有第二间隙216，该第二间隙216与第一间隙215流体连通，并且也与电机200的外部流体连通。这样，电机200外部的空气可流经第一间隙215和第二间隙216，从而对电机200起到冷却作用。例如，当电机200安装在燃气轮机之类的装置上时，可利用通向燃气轮机内部的气流对整个电机200实现有效的冷却。

较佳地，在设置有两个轴承220的情况下，可在这两个轴承220之间设置弹簧221，该弹簧221对轴承220施加预紧力。这样，通过弹簧221的预紧力的作用，在运行过程中，轴承220可以更加平稳地运转。

轴承220可以是适于高速转动的轴承，例如陶瓷轴承、电力轴承、液体静压轴承、液体动压轴承、气体静压轴承、气体动压轴承、滑动轴承等。轴承220还可以是磁悬浮轴承，由此省略对轴承的润滑***。

图3～4示出了安装了本发明的第一实施例的电机200的燃气轮机100。在燃气轮机100中，电机200首先充当该燃气轮机100的启发电机，用于在燃气轮机100的启动阶段，对燃气轮机100提供初始的动力，如以下具体公开的。其中，图3示出的是燃气轮机100的纵向剖视图，具体来说是沿着图4中的线A-A截取的剖视图。图4则示出了该第一实施例的燃气轮机100从其进气端(图3中的左端)看的端视图。

如图3中清楚地显示的，燃气轮机100主要包括压气机110、涡轮120和燃烧室130。其中，沿着燃气轮机100中的总体气流方向，燃烧室130位于压气机110的下游且在涡轮120的上游。

压气机110中包括压气叶轮111，该压气叶轮111安装在第一转轴112上，第一转轴112的转动带动压气叶轮111转动。进而，通过压气叶轮111的转动，将外界的空气经进气流道113吸入压气机110中，并由压气叶轮111对吸入的空气进行压缩。压缩的空气被供应到燃烧室130中，以与喷入燃烧室130的燃料混合并燃烧。

对于应用在燃气轮机100中的具有以上所述结构的电机200来说，可以将其中的轴承220集中在电机转轴213的靠近压气叶轮111的那一端附近，其接近前机匣171的润滑油的油雾腔附近。这样，可容易地对轴承220进行冷却和润滑，而不会影响到电机200的诸如定子211和转子212之类的其它部分。

此外，被抽吸到压气机110中的气流中的一部分会流经第一间隙215和第二间隙216，从而对定子211和转子212、进而对电机200整体起到冷却的作用。

燃烧室130包括由火焰筒131围出的燃烧空间，该火焰筒131上设置有多个孔或开口(未在图中示出)，来自压气机110的经压缩的空气经这些孔或开口进入到燃烧室130的燃烧空间中。燃烧室130中还设有至少一个，较佳地为多个的燃油喷嘴132，燃油等燃料可经由该燃油喷嘴132喷入燃烧室130中。点火之后，进入燃烧室130的压缩空气和燃料互相反应燃烧，生成高温燃气。

涡轮120位于燃烧室130的下游，并包括涡轮叶轮121，该涡轮叶轮121安装在第二转轴122上。第二转轴122与第一转轴112相连接，或者如图所示的那样，第一转轴112与第二转轴122一体地形成，从而构成燃气轮机100的主轴。

燃烧室130中燃烧产生的高温、高压燃气流入涡轮120中，推动涡轮叶轮121转动，进而涡轮叶轮121带动第二转轴122转动。由于第二转轴122与第一转轴112相连接或成一体，因此进入涡轮120的高温、高压燃气可在推动涡轮叶轮121转动的同时还带动压气叶轮111转动，由此可持续地由压气叶轮111向燃烧室130提供压缩空气。

作为启发电机的电机200安装在燃气轮机100中。具体来说，电机200的电机转轴213与燃气轮机100的主轴相连接，例如图中所示的与压气机110的第一转轴112相连接。并且，如图所示，电机转轴213的设置有轴承的一端靠近第一转轴112。

当定子211的绕组通电时，与该绕组相面对的转子212的磁体受到绕组通电所产生的磁场的作用，开始推动电机转轴213转动，进而驱动第一转轴112转动，从而启动压气机110运行。

燃气轮机100还包括壳体，以容纳上述压气机110、涡轮120、燃烧室130和电机200。该壳体包括前机匣171，前机匣171支承电机200。具体地，如图4所示，在前机匣171上设置有至少两个支撑筋173，该支撑筋173的一端连接在前机匣171的内周面上，另一端则连接在电机支撑174上，电机支撑174与电机座214连接上，定子支承部分222与电机座214连接，从而将电机200支承在该前机匣171内。并且，电机200较佳地与前机匣171同轴地布置。此处，前机匣171、支撑筋173、电机座214、定子支承部分222等部件可以是分别制造并组装在一起的独立部件，也可以是一体成型的部件，或者，也可以是其中几个形成为一体成型的部件，并与其它独立形成的部件组装在一起，这些都可以根据实际加工和安装需求来设计。

图4所示的两个支撑筋173围绕着前机匣171的纵轴线对称地设置。即，如图4所示地互相间隔开180度。图4所示的两个支撑筋173的设置方式可为压气机110获得最大的进气面积。

当然，为了增加对电机200支承的稳定性，还可设置三个或更多支撑筋173。这些支承筋可围绕电机200的周向均匀间隔地布置，也可根据需要间隔变化地布置。

如图3中清楚地示出的，在安装了本发明的电机200的燃气轮机100中，电机200的电机转轴213通过传动杆230连接到压气机110的第一转轴112上。

该传动杆230被设置成，当燃气轮机100的主轴(即第一和第二转轴112、122)的扭矩超出预定的阈值时，该传动杆230发生断裂或塑性变形等，从而失效。其中，所述的阈值具体来说是被设定成燃气轮机转动部件强度负荷所对应的扭矩。具体来说，当充当启动电机的电机200发生故障抱死等情况时，电机转轴213等会停止旋转，进而使燃气轮机的主轴也停止旋转。此时，由于燃气轮机主轴的转速通常高达几千到几万转，若燃气轮机主轴在短时间内从几千到几万转高速突然降低到0转，燃气轮机部件会因巨大的转动惯量而收到严重损坏。因此，需在启发电机200抱死时，燃气轮机转动部件仍保持旋转，并逐渐停止，而不会因转动惯量过大而损坏。通过设置传动杆230，即可在电机200发生故障抱死等情况时，由于扭矩的急剧升高而使传动杆230发生断裂或塑性变形从而失效，这样可断开电机200与燃气轮机主轴之间的传动关系，从而起到了保护燃气轮机的作用。

当然，除了以上如图所示的单根传动杆230之外，也可采用其它类型的杆状连接装置来连接电机转轴213和第一转轴112，例如可在它们之间连接联轴器等。

可以通过多种方式来将传动杆230设定成在预定的扭矩阈值下失效，例如，可以将传动杆230的截面尺寸设置成小于电机转轴213和/或第一转轴112的截面尺寸；在传动杆230上设置薄弱部(如凹槽、空心部等)，从而当扭矩超出预定的阈值时，传动杆230会在该薄弱部处首先断裂或塑性变形；或者，与电机转轴213和第一转轴112相比，传动杆230可由更易断裂或塑性变形的材料制成；等等。

通过使用传动杆230将电机转轴213和第一转轴112连接起来，相比于现有的齿轮箱的连接，燃气轮机100的运行可靠性和使用寿命可大大地提高。同时，当燃气轮机100的运行出现异常而导致负荷过快上升时，传动杆230还可在电机200被烧坏之前断裂，起到对电机200的保护作用，从而还确保了燃气轮机100的运行安全性。

在上述结构中，将传动杆230、第一转轴112和电机转轴213作为各自独立的部件来描述的。当然，这些轴部件也可以是一体成型的部件。例如，传动杆230可与第一转轴112一体成型；传动杆230可与电机转轴213一体成型；或者传动杆230、第一转轴112和电机转轴213都一体成型在一起。

较佳地，本发明的电机200还可以在两种运行模式之间切换。具体来说，当启动燃气轮机100时，使用电力驱动电机200，使其转子212转动，进而驱动第一转轴112以及安装在第一转轴112上的压气叶轮111转动，此时电机200以电动机模式运行。本发明中的电机200的驱动电压大致在12～24V。而当燃气轮机100的涡轮叶轮121达到额定转速时，停止对电机200供应电力，此时，涡轮叶轮121经由第二转轴122和第一转轴112将转动运动传送给压气叶轮111，进而经由传动杆230带动转子212转动，此时，电机200以发电机模式运行。本发明的电机200作为发电机的发电电压范围在14～30V之间。除了具有上述驱动电压和发电电压的电机200之外，还可根据实际需要选用具有其它的驱动电压范围和发电电压范围的电机作为电机200。

较佳地，可以在电机200上连接可充电的蓄电池。当电机200以电动机模式运行时，蓄电池向电机200供电，而当电机200以发电机模式运行时，电机200发电并向蓄电池充电。

燃气轮机100还可包括常用燃气轮机的其它辅助***，如图2中所示的控制***300、燃油***400和润滑***500等。其中，控制***300通过有线或无线的形式与燃气轮机100的其它部分(例如电机200、燃油***400、润滑***500等)连接，以控制这些部分的运行。燃油***400则通入燃烧室130的燃油喷嘴132，以向燃烧室130供应燃油，而润滑***500则向诸如电机200的轴承220、支承第一转轴112和/或第二转轴122的轴承之类的部件提供润滑油。

<第二实施例>

图5示出了本发明的第二实施例的电机200的结构。其中，与第一实施例相同或对应的特征部分用相同或类似的附图标记来表示，并且以下的公开内容中主要描述与第一实施例不同的特征，而不对相同的特征再作详细描述。除非有相反的描述，第一实施例中描述的特征同样适用于第二实施例。

如图5所示，在本发明的第二实施例的电机200中，在电机转轴213的与设置有轴承220的一端相反的一端上设置有风扇240，转子212的磁体则位于风扇240和轴承220之间。

风扇240连接在电机转轴213上。这样，当电机200运行时，电机转轴213转动，风扇240随之一起转动，从而将空气流吹向电机200，对电机起到冷却作用。举例来说，由风扇240吹出的气流可流经定子211和转子212之间的第一间隙215和/或定子支承部分222和转子支承部分223之间的第二间隙216。由此，对电机200有效地冷却。

以上对本发明的一些较佳的实施方式进行了具体描述。在此基础上，本领域技术人员可以进行显而易见的修改、变型以及不同实施例中的各种特征的组合，这些都在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种电机，所述电机包括：

定子，所述定子包括定子铁芯和缠绕在所述定子铁芯上的定子绕组；

转子，所述转子包括磁体，所述磁体安装在所述电机转轴上，并能够随所述电机转轴转动；以及

电机座，所述定子固定支承在所述电机座上，而所述电机转轴通过至少一个轴承可转动地支承在所述电机座上，所述电机座包括定子支承部分和转子支承部分；

其中，所述转子位于所述电机转轴的一端附近，而所述至少一个轴承设置在所述电机转轴的与所述转子相对的另一端的附近，从而所述转子呈悬臂结构；

其中，在所述定子和所述转子之间形成有第一间隙，所述第一间隙与所述电机的外部流体连通，在所述定子支承部分和所述转子支承部分之间形成有第二间隙，其中，所述第二间隙与所述第一间隙流体连通，且与所述电机的外部流体连通，以使得外部的空气能够流经所述第一间隙和所述第二间隙，从而实现对整个所述电机的冷却。

2.如权利要求1所述的电机，其特征在于，在所述电机转轴的所述另一端上设置有两个所述轴承，且在这两个所述轴承之间设置有弹簧，所述弹簧对所述轴承施加预紧力。

3.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述第一间隙的尺寸在0.4～0.6mm的范围内。

4.如权利要求3所述的电机，其特征在于，所述第一间隙的尺寸约为0.5mm。

5.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机还设置有风源装置，所述电机的外部的空气在所述风源装置的作用下流经所述第一间隙和所述第二间隙。

6.如权利要求5所述的电机，其特征在于，所述风源装置是安装在所述电机转轴上的风扇。

7.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机能够在电动机模式和发电机模式之间切换。

8.一种燃气轮机，所述燃气轮机包括：

压气机，所述压气机包括压气叶轮和第一转轴，所述压气叶轮安装在所述第一转轴上，并能够随所述第一转轴转动；

涡轮，所述涡轮包括涡轮叶轮和第二转轴，所述涡轮叶轮安装在所述第二转轴上，并能够随所述第二转轴转动，其中，所述第二转轴与所述第一转轴固定连接，或者与所述第一转轴一体地形成，从而构成所述燃气轮机的主轴；

燃烧室，所述燃烧室位于所述压气机的下游且位于所述涡轮的上游；

其特征在于，所述燃气轮机还包括如权利要求1～7任意一项所述的电机，所述电机的所述电机转轴与所述主轴相连接。