CN112217308A - 用于高超音速运行的电力*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高超音速运行的电力***。一种动力***具有电力***，电力***带有具有多个极的定子和转子，各极具有传导性绕组，传导性绕组可围绕对应的极并且可构造成产生磁场，转子可构造成响应于由定子产生的磁场而转。传导性绕组中的至少一个可利用绝缘材料来绝缘，绝缘材料构造成在高于600℃的温度运行时从该至少一个传导性绕组传导热量。

Description

用于高超音速运行的电力***

交叉引用

本申请要求于2019年7月11日提交的名称为“ELECTRIC POWER SYSTEM FORHYPERSONIC SPEED OPERATION”的美国临时专利申请No. 62/872,827的优先权，并且其全部公开内容以引用的方式并入到本文中。

技术领域

本文描述的主题涉及以高超音速运行的电力***。

背景技术

电力***或电机通过利用电性质和磁力产生动力。典型的电力***尤其包括定子和转子。定子包括磁性材料、联结至磁路的传导性绕组等，以在使转子旋转时产生磁场。转子类似地可包括电磁材料，电磁材料包括极、固定至转子的永磁体等，其基于由定子形成的一个或多个磁场引起转子旋转。转子那么可联结至轴、电枢等，其如由使用者所期望的那样执行工作。轴包括被润滑以减少磨损的轴承表面。同时，定子和转子在将磁能转换成机械能方面的低效率以热量的形式从电机消散到周围环境中。

对于在需要以高超音速运行的航空应用中所使用的电力***，需要能够在高达和高于600℃的温度运行的高功率密度马达和发电机。因此，这些电机可需要以不由于提升的温度而降级或失去显著效率的材料和***来高效地供应高电压功能。

举例来说，电机功率密度可受移除从机器损耗或其他低效率所产生的热量的能力限制。损耗的来源包括与AC(交流电)和DC(直流电)相关联的导体材料的焦耳加热、与在电磁场经过的结构中的涡电流和磁滞相关联的损耗以及与运动部分和流体之间的摩擦相关联的机械损耗。被认为效率近似85-90%的100kW电机可管理10-15kW热量。为了管理热量，可能需要将热量从电机移离。如果热量未被移除，机器温度升高，因此增加导体和结构温度，从而产生更多损耗和更高温度，所有这些最终导致热流失和机器故障。典型地，热量被移至周围环境。然而，当电机在已处在600℃的环境下运行时，传统的传热方法不足以高效运行。

作为另一示例，电机通常使用固定至转子的永磁体或永磁材料以产生磁场，其产生使转子旋转的力。然而，高温的永磁体的能量密度大大减小，从而导致性能下降。

作为又一示例，电机中的轴承***经常使用润滑油以减少轴承表面上的磨损。当以超过600℃的温度运行时不仅对于润滑剂存在材料限制，在受限的航空设定中在利用向轴承供应润滑油的润滑子***时还存在附加的设计限制。

发明内容

在一个或更多个实施例中，可提供一种动力***，其包括电力***。该电力***可包括定子和转子，定子具有多个极，各极具有传导性绕组，其围绕对应的极并且构造成产生磁场，转子构造成响应于由定子产生的磁场而旋转。传导性绕组中的至少一个可利用绝缘材料来绝缘，绝缘材料构造成在高于600℃的温度运行时从该至少一个传导性绕组传导热量

在一个或更多个实施例中，可提供一种动力***，其包括电力***，电力***带有具有多个极的定子，各极具有围绕对应的极并且构造成产生磁场的传导性绕组。传导性绕组可装入在绝缘体的第一腔内。电力***还可包括转子，其构造成响应于由定子产生的磁场而旋转。绝缘体可流体连接至冷却***以从冷却***接收液态金属并且在液态金属从传导性绕组中的至少一个传导至少一些热量之后将液态金属传送至冷却***。

在一个或更多个实施例中，提供一种形成用于动力***的电机的方法，其包括以三维打印装置形成由绝缘体装入的传导性绕组。通过围绕定子的极包绕传导性绕组并且提供电流至传导性绕组以在转子中感应电流可将定子磁联结至转子。

技术方案1. 一种动力***，其包括：

电力***，包括：

定子，其具有多个极，各极具有传导性绕组，所述传导性绕组围绕对应的极并且构造成产生磁场；和

转子，其构造成响应于由所述定子产生的磁场而旋转；

其中，所述传导性绕组中的至少一个以绝缘材料来绝缘，所述绝缘材料构造成在高于600℃的温度运行时从所述至少一个传导性绕组传导热量。

技术方案2. 根据前述任意技术方案的动力***，其中，所述传导性绕组中的所述至少一个包括由所述绝缘材料形成的绝缘体并且包括接收传导元件的腔。

技术方案3. 根据前述任意技术方案的动力***，其中，所述绝缘材料是陶瓷基的材料，其包括氧化铝、氧化锆、二氧化锆、氧化镁、macor复合物、莫来石或云母玻璃中的至少一个。

技术方案4. 根据前述任意技术方案的动力***，其中，所述转子不包括永磁体。

技术方案5. 根据前述任意技术方案的动力***，其中，所述腔是第一腔，并且所述绝缘体还包括第二腔，所述第二腔构造成提供流体流路径用于从所述至少一个传导性绕组传导至少一些热量的流体。

技术方案6. 根据前述任意技术方案的动力***，其还包括冷却***，所述冷却***流体地联结至所述绝缘体，并且构造成将流体传送至换热器或热沉中的至少一个。

技术方案7. 根据前述任意技术方案的动力***，其中，换热器构造成接收从所述至少一个传导性绕组接收热量的流体，并且将所述热量传送至燃料***内的燃料。

技术方案8. 根据前述任意技术方案的动力***，其中，所述流体是超临界二氧化碳、液态碱金属或金属卤化物中的一个。

技术方案9. 根据前述任意技术方案的动力***，其中，所述传导性绕组中的所述至少一个是铜、银、镍、镀镍铜或镀银铜中的至少一个。

技术方案10. 根据前述任意技术方案的动力***，其还包括磁路，所述磁路电联结至所述定子的所述多个极中的第一和第二相对极的绕组，并且包含并联至第二开关的第一开关。

技术方案11. 根据前述任意技术方案的动力***，其还包括：

驱动轴，其设置成穿过并且联结至所述转子以使其随所述驱动轴一起旋转；和

轴承***，其联结至所述驱动轴，所述轴承***包括：

轴承壳体，其在所述轴承壳体的内部表面上接收至少一个轴承垫，所述轴承垫包括至少一个开口；和

加压空气供应***，其在所述轴承壳体内并且构造成通过在所述轴承垫中的至少一个开口提供加压空气。

技术方案12. 根据前述技术方案任意的动力***，其中，所述轴承***还包括阻尼***，所述阻尼***包含设置在所述轴承壳体内的外部阻尼袋、设置在所述轴承壳体内的内部阻尼袋以及设置在所述内部阻尼袋与外部阻尼袋之间的间隙袋，其中，所述阻尼***构造成阻尼由所述驱动轴引起的径向力。

技术方案13. 一种动力***，其包括：

电力***，包括：

定子，其具有多个极，各极具有传导性绕组，所述传导性绕组围绕对应的极并且构造成产生磁场，所述传导性绕组装入在绝缘体的第一腔内；和

转子，其构造成响应于由所述定子产生的所述磁场而旋转；

所述绝缘体，其流体地连接至冷却***以从所述冷却***接收液态金属并且在所述液态金属从所述传导性绕组中的至少一个传导至少一些热量之后将所述液态金属传送至所述冷却***。

技术方案14. 根据前述任意技术方案的动力***，其中，所述绝缘体包括绝缘材料，所述绝缘材料是陶瓷基的材料，其包含氧化铝、氧化锆、二氧化锆、氧化镁、macor复合物、莫来石或云母玻璃中的至少一个。

技术方案15. 根据前述任意技术方案的动力***，其中，所述传导性绕组中的所述至少一个是铜、银、镍、镀镍铜或镀银铜中的至少一个。

技术方案16. 根据前述任意技术方案的动力***，其中，所述转子不包括永磁体。

技术方案17. 一种形成用于动力***的电机的方法，其包括：

以三维打印装置形成由绝缘体装入的传导性绕组；

通过围绕所述定子的极包绕所述传导性绕组并且提供电流至所述传导性绕组以在所述转子中感应电流将定子和转子磁联结。

技术方案18. 根据前述任意技术方案的方法，其中，所述传导性绕组包括在所述绝缘体内的端部绕组。

技术方案19. 根据前述任意技术方案的方法，其中，所述绝缘体包括利用分隔壁与第二腔分离的第一腔。

技术方案20. 根据前述任意技术方案的方法，其中，所述第一腔包括所述传导性绕组，并且所述第二腔构造成接收流体。

附图说明

参考附图，通过阅读非限制性实施例的接下来的说明，将更好地理解本发明的主题，其中:

图1是根据一实施例的动力***的示意图；

图2是根据一实施例的动力***的电机的前透视图；

图3是根据一实施例的电机的转子和定子；

图4是根据一实施例的电机的磁路的示意图；

图5示出了根据一实施例的电机的绝缘的传导性绕组的前透视图；

图6示出了根据一实施例的电机的绝缘的传导性绕组的前透视图；

图7是根据一实施例的使用电机的电力***的示意图；

图8是根据一实施例的使用电机的冷却***的示意图；

图9是根据一实施例的用于电机的冷却***的示意图；

图10是根据一实施例的用于电机的轴承***的前切除透视图；

图11是根据一实施例的用于电机的轴承***的局部前透视图；

图12是根据一实施例的用于电机的轴承***的示意图；以及

图13是根据一实施例的形成用于动力***的电机的方法的流程框图。

具体实施方式

本文中所说明的实施例提供电力***用于以高超音速运行的动力***。电力***包括开关磁阻电动机，其可不利用永磁体或永磁材料。替代地，定子和转子包括相互作用以使转子旋转的凸极，并且定子的凸极卷绕有绝缘的传导性绕组。具体而言，绝缘材料围绕传导性绕组以提供电绝缘、防止杂散电流并且从传导性绕组传送热量。绝缘材料可选地还可包括流腔或通道以为流体提供流体流路径，以便从传导性绕组的传导元件传导热量并且传送热量用于与动力***的其他***相关联地使用。以该方式，电力***还可包括集成的热管理***，其从电力***传送热量以减少电力***的部件的热疲劳同时提高效率。电力***还可包括用于由转子旋转的轴的轴承***，其包括气体轴承***。通过利用可容易获得的高压气体作为轴承润滑剂，可减少或消除对润滑油和伴随的润滑油***的需要。作为这些组合***的结果，提供一种改进的电力***，其高效、耐磨损并且能够在高温(例如超过600℃的温度)运行。

图1示出了动力***100的示意图。动力***100可以是航空***，例如喷气机、战斗机，或者可达到高超音速的其他飞行器。在一个示例中，高超音速是五倍音速(马赫5)或更高。

动力***100包括电力***102(其是为驱动轴114提供动力的电力机器)、供应燃料至发动机(未示出)的燃料***104以及从电力***传送热量(包括将热量引入燃料***104的燃料中)的冷却***106。在一个示例中，发动机是飞行器的涡轮喷气发动机。虽然动力***100还包括其他***例如转向***、通信***等，但是这里不描述它们。

图2和3示出了可被视为电力机器的电力***102。电力***102包括壳体108，其容纳定子110和转子112，转子112可联结至驱动轴114。转子112可在定子110内；然而，在其他示例实施例中，定子110可在转子112内。具体地，转子112可相对于定子110同心设置。在一个实施例中，转子112不使用或具有永磁体来引起转子112的旋转。尤其地，在高温下，包括高于600℃，发生对永磁体的能量密度的显著影响。该影响导致显著减小的剩余场，使得永磁体的使用不切实际并且因此是不希望的。

如在图3中所示，在一个示例中，定子110和转子112布置是开关磁阻电动马达的布置。具体而言，定子110包括对应电磁体的多个极116a-f，这些极通常是凸极，其在一个示例中从定子轭117延伸。在该示例中，六个极116a-f围绕定子110的周缘彼此间隔开并且向内朝向转子112延伸。各极116a-f可包括侧壁118a-f并且在弧形端120a-f终止以允许在定子110内位于中心的转子112旋转。定子极和轭可由35A360非定向电气钢板来压印，其可包括钴钢，诸如hiperco或其他类似的具有比硅钢更大的饱和磁通密度的钢。各极116a-f具有至少一个对应的传导性绕组122a-f，其卷绕并且至少部分地包围各侧壁118a-f。在一个示例中，各传导性绕组122a-f是绝缘的。具体而言，各传导性绕组可包括陶瓷基绝缘材料，其至少部分地包围传导材料(其在一个示例中是金属的)。备选地，在另一实施例中，陶瓷基绝缘材料邻近各传导性绕组122a-f定位，包括，在一个示例中，在转子112外部在定子极116a-f之间的三角区域或空间中。

在一个示例中，各传导性绕组以如关于在图5和6中所示的传导性绕组所描述的方法来制造。在一个这样的示例中，陶瓷基材料是氧化铝而传导材料是铜、银、镍、镀镍铜或镀银铜等中的一个。备选地，陶瓷基材料可以是氧化锆、二氧化锆、氧化镁、macor复合物、莫来石、云母玻璃等。在各情况下，陶瓷基材料具有显著高于600℃和传导材料两者的熔点，以允许陶瓷基材料从传导材料传导热量并且将热量从传导材料送离。备选地，传导材料也可以是陶瓷材料，其包括导电性质，该导电性质引起传导材料如对于转子以所需要的速度的致动所需的那样关于转子112产生磁场。

转子112在定子110内位于中心并且联结至驱动轴114上。类似于定子110，转子112包括对应电磁体的极124a-d，各个从中轴线126延伸；然而不包括永磁体或永磁材料。类似于定子110，各极124a-d通常是凸极。在图3中所示的示例中，各极124a-d包括侧壁128a-d并且在弧形端130a-d中终止，该弧形端与定子极116a-f的弧形端120a-f弧形相对使得各终止端的外表面彼此互补。类似于定子，转子极和轭典型地由35A360非定向电气钢板来压印，该钢板可包括钴钢，诸如hiperco或其他类似的典型地具有比硅钢更大的饱和磁通密度的钢。

在一个示例性实施例中，如在图3中所示，定子110转子112组包括六个定子极和四个转子极，并且被视为6/4开关磁阻机器。在该示例中，在直径相对的齿上的传导性绕组122a-f可串联或并联电连接以形成相绕组。这样的6/4开关磁阻电机具有通过开关变换器(switching inverter)激励的三个相。扭矩由最近的转子极对被激励的定子极的吸引来产生。开关磁阻电机可被视为同步马达，因为传导性绕组122a-f的激励与转子位置同步。在低速下，可调节相电流来控制扭矩。在高速下，相电流可变成自调节而变换器仅需要提供换向，不需要电流调节。在一个示例中，增加相序可减少有缺陷的相的影响，或者减少扭矩波动。

图4示出了用于供应激励电流至传导性绕组122a-f的示例变换器电路400的示意性电路图。在该示例中，变换器电路400包括与第二开关406和第二二极管408并联布置的第一开关402和第一二极管404。第一传导性绕组122a联结在第一开关402与第一二极管404之间，与第一传导性绕组122a相对的第四传导性绕组122d联结在第二开关406与第二二极管408之间。电容器410也与第一开关402和第一二极管404以及第二开关406和第二二极管408两者电气并联。以该方式，所示的变换器电路400每相使用两个可控开关和两个二极管。变换器电路400供应时变的但是单极的电流至相绕组，因为在开关磁阻电机中的扭矩产生独立于电流方向。虽然图4示出一示例变换器电路拓扑，但是其他变换器电路拓扑可被用于在图3中所示的开关磁阻电机。这些备选拓扑可减少可控开关的数量、施加运行限制等。

图5和图6示出了示例传导性绕组500和600，其可被用作如关于图2-3所描述的传导性绕组122a-f。图5示出了示例传导性绕组500，其包括绝缘体502和***绝缘体502中的传导元件504。传导元件504可从绝缘体502延伸。传导元件504从绝缘体延伸的原因是出于关于本公开的说明性目的。尤其地，当如在图3中所示围绕定子包绕时传导性绕组500可具有装入在绝缘体502中的传导元件504，使得传导元件504不暴露于环境。备选地，传导元件504可仅部分地装入在绝缘体502中，使得传导元件的一部分暴露于环境。

除了绕组500之外，在图5中，示出不包括传导元件504的绝缘体502用于描述所示示例性实施例的绝缘体502的内部。如图所示，绝缘体502包括成并排关系且由分隔壁510分开的第一腔506和第二腔508。在图5的示例中，所示的绕组500包括***各腔中的传导元件504。在备选实施例中，仅提供单个腔。在其他实施例中，仅第一腔506接收传导元件504，而第二腔为从传导元件504传导热量并将热量传递至冷却***的流体提供流体流路径。

如关于图2-3所述，图5和6的绕组500和600示出了包括陶瓷基绝缘材料的绝缘体502。在一个实施例中，陶瓷基材料是氧化铝。备选地，陶瓷基材料也可以是锆、macor复合物、云母玻璃、莫来石、氧化铝、氧化锆、二氧化锆、氧化镁等。在各情况中，陶瓷基材料具有显著高于600℃和传导元件的传导材料的熔点以允许陶瓷基材料从传导材料传导热量并将热量从传导材料送离。

绝缘体502可使用多种制造方法形成。作为示例，绝缘体502可以是预制的绝缘导管或管，并且传导元件504被制造成***导管中的尺寸和形状。在另一示例中，绝缘体502被模制。在其他示例实施例中，绕组500由增材过程制成，包括通过基于3D打印使得绝缘体502和传导元件504在相同的过程中形成。

此外，可提供用于制造绕组的过程，使得在绝缘体材料与传导元件504之间的热膨胀系数(CTE)的差异不导致温度循环时的陶瓷断裂。例如，氧化铝和铜的CTE分别是8.4×10^-6/℃和17×10^-6/℃。热机械分析和实验表明，可实现所期望的热机械稳定性。在测试氧化铝试样中，具有铜芯的管能够在-78℃至250℃的循环条件下经历1000次循环，相比之下，备选制造过程少于10次循环。

类似于绝缘体502，传导元件504可由任何制造过程来形成。在一个示例中，传导元件预制成被***绝缘体502中的尺寸和形状。备选地，将金属粉末放入绝缘体502的至少一个腔中，并且然后将绝缘体502暴露于高温以引起粉末液化。因为绝缘体502具有比传导材料并且尤其金属粉末高得多的熔点的热性质，金属粉末可液化并且然后冷却以形成传导元件。在又一示例中，传导元件504使用增材过程制成，包括如关于形成绝缘体502所描述的3D打印应用。通过使用这些增材式技术，可形成复杂几何结构，包括与可不使用基于减材(substraction)的制造技术来形成的端部绕组(图6)相关联的复杂几何结构。以该方式，绕组可制成适应高超音速航空***环境的尺寸和形状。备选地，传导材料可化学沉积在绝缘体502上，例如通过电镀。

图6示出传导性绕组600的另一示例。在该示例中，绝缘体602又在传导元件604从绝缘体602延伸之处接收传导元件604。在该示例中，示出了容纳端部绕组的端部绕组部段605。如上所述，端部绕组部段605可使用诸如3D打印的增材过程来制造以适应端部绕组的复杂几何结构。增材过程还允许端部绕组维持可被用在高超音速航空***的有限空间中的尺寸和形状。

图7是根据一实施例使用电机的示例发电***700的示意图。在该示例中，发电过程流体被用于冷却高超音速航空***中的电机(此处发电机702)。在一个这样的示例中，热量或Qout被传送至燃料***(未示出)以在燃烧之前加热燃料。备选地，产生的热量可被传送至其他***，或者替代地到环境空气中。

在图7的示例中，发电***700从外部源706接收热量。在示例中，外部源706可包括来自车辆发动机的高速冲压空气或热量。过程流体(如超临界二氧化碳——sCO₂)被加热并且然后通过涡轮膨胀。这产生旋转轴动力，其使机械联结至涡轮的压缩机704和发电机702转动。

蓄热器换热器708可被用于提高***效率，在其之后热量被从预冷却器换热器712中的过程流体排出。在一个示例中，热量(Qout)被传送至燃料***的燃料。在另一个示例中，预冷却器起热沉的作用，其将热量驱散到周围环境中。最冷的过程流体然后可用于发电机702用于除热和润滑。在该示例中，发电机702是如上面关于图2-3所描述的电机。尤其地，在一个实施例中，如关于图5-6所描述，提供绝缘体，在此处流体存在于绝缘体的腔或通道内以传送由传导元件产生的热量。在其他示例中，腔或通道可形成在位于定子极之间的绕组之间的三角区域中使得腔或通道不干扰转子的运行，但是能够通过流体介质从***内传导热量。尤其地，在一个示例中，可提供氧化铝基质，使得在绕组的导体元件与氧化铝基质之间的热阻最小。在任一情况下，热量由发电机702内的流体传导，用于由电力***700使用和/或管理。尤其地，流体能够在高于600℃的温度运行。在示例中，流体可以是超临界流体，例如超临界二氧化碳(sCO₂)。

图8和图9示出了从电机移除热量的冷却***。在图8中，提供了冷却***800，其通过电机802传送流体并将流体传送至换热器或热沉804。同样，在一实施例中，当提供换热器时，来自流体的热量可被使用或驱散到另一***例如燃料***中。而在示例实施例中，当提供热沉时，多余热量可被驱散到环境空气中。然后，泵806可被用于将被冷却的流体传送回电机802。

在图9的示例实施例中，提供了另一简化的冷却***900。在该冷却***900中，电机902排出以蒸汽的形式的流体并将流体传送至冷凝器904，冷凝器904从蒸汽提取热量以供使用或排出。冷凝器904然后使流体冷凝回到流体形式用于由电机902再次使用。在一个示例中，流体可以是液态金属。在另一示例中，金属卤化物工作流体被用在该冷却***900内并被传送通过环路热管或热虹吸管，在其处蒸发器中的毛细管力提供驱动力以使流体循环。关于液态金属，在600℃，碱金属可具有范围包括且在0.004巴与0.4巴之间的蒸汽压，导致使用两相热装置例如热管和/或热虹吸管以在600℃以上运行。

在一个示例中，热量被传送到可能处于600℃的周围环境中。然而，当周围环境不能吸收全部或部分电机热量时，除了使冷却剂在600℃以上运行之外，可使用备选的热沉，例如燃料或其他类似***。通过使用燃料，热沉不仅是可消耗的，热量还产生推力以改善运行效率。在燃料用作热沉的示例中，可提供用燃料直接冷却电机以提供附加的功能性和效率。

图10是根据一实施例的用于电机的轴承***1000的前切除透视图。轴承***1000可代表在航空***的电力***中使用的任何轴承，包括与在图1-4中所示的电力***102的驱动轴114相关地使用的轴承***。具体地，在一个示例中，电力***102包括两个轴承***，一个位于驱动轴的第一端附近而第二个位于驱动轴的相对的第二端附近。

轴承***1000包括轴承壳体1002，其大体成圆形并且具有位于中心的开口1004，驱动轴1006(图11)设置穿过该开口。虽然轴承壳体1002大体示出为圆形，但是轴承壳体1002可根据空间和支撑要求包括其他形状。开口1004仍保持大体圆形以支撑驱动轴1006。具体地，轴承壳体1002是静止的并且不相对于旋转的驱动轴1006运动，驱动轴1006相对于轴承壳体1002旋转。

轴承壳体包括外部表面1008和内部表面1010，其形成在开口1004周围的周缘。内部表面1010包括可替换地接收在轴承壳体1002内的多个轴承垫1012。在一个示例中，四个轴承垫1012彼此等距间隔开并且在轴承壳体1002的内部表面1010内间隔开。备选地，单个轴承垫1012围绕轴承壳体1002的整个内部表面1010设置。各轴承垫1012包括穿过其设置的多个开口1014，其在各轴承垫1012的表面上间隔开。多个开口1014从设置在轴承壳体1002内的加压空气供应***1016接收加压空气。

加压空气供应***1016包括加压入口1018，其在一个示例中是流体静力学空气加压入口。加压入口接收加压空气并流体地连接至加压通道1019，其将加压空气供应至轴承垫1012中的多个开口1014作为用于加压空气供应***1016的出口。在一个示例中，各轴承垫1012具有单独的加压空气供应***1016用于在多个开口1014处供应加压空气至轴承壳体的内部表面1010。备选地，提供仅仅一个加压空气供应***1016，并且加压空气通过轴承壳体1002内的通道传送至各轴承垫1012中的多个开口1014。

阻尼***1020也设置在轴承壳体1002内。在一个示例中，可填充有阻尼流体的外部阻尼袋1022以及也可填充有阻尼流体并与外部阻尼袋对齐且间隔开的内部阻尼袋1024设置在加压入口1018任一侧上。尤其地，填充有空气的阻尼间隙袋1026将内部阻尼袋1024与外部阻尼袋1022隔开以允许阻尼***1020响应于径向力的径向运动。具体地，阻尼袋1022和1024中的各个衬有垫弹簧1030，其允许响应于径向力的运动以阻尼该力。因此，如果驱动轴1006接合内部表面1010或者引起径向力被转移至内部表面1010，垫弹簧1030、阻尼袋1022, 1024(将阻尼袋1022、1024中的流体阻尼)以及间隙袋1026吸收该力以防止轴承***1000的结构破坏。

图11示出了轴承***1000的截面图，其中驱动轴1006设置穿过其，而图12示出不带驱动轴1006的示例轴承***1000的切除图。如在两个示例性实施例中所示，阻尼***1020包括成弧形的阻尼袋1022、1024和间隙袋1026以允许在全部三个维度中吸收力和运动。

轴承***1000具有单独的轴承垫1012，其通过由在垫运动的三(3)度中具有顺应性的阻尼袋1022、1024和间隙袋1026形成的柔性三维隔膜与轴承壳体1002分界。轴承***1000还实施外部加压，其在一个示例中从压缩机放气获得。与箔轴承相比，外部加压允许卓越的承载能力和整体轴承性能。外部加压还消除了对油润滑和伴随***(其对于高超音速航空***可能是低效和笨重的)的需要。当在环境空气密度低的高海拔之处时尤其是这样的情况。

图13示出了形成用于航空***的电机的方法1300。电机可以是在图1中所描述的电力***102、如关于图7所描述的发电机702等。该方法可按照所描述的顺序或者根据制造限制以不同的顺序来执行。

在1302，绕组形成有由绝缘体装入的传导元件。传导元件可以是铜、银、镍、镀镍铜、镀银铜等中的一个或更多个，而绝缘体可以是陶瓷基材料，其包括氧化铝、氧化锆、二氧化锆、氧化镁、macor复合物、莫来石、云母玻璃等中的一个或更多个。在一个示例中，通过利用3D打印装置(其打印绝缘体和传导元件)，传导元件由绝缘体装入。备选地，传导材料可化学沉积在绝缘体502上，例如通过电镀。通过使用增材技术，可形成复杂的几何结构，包括与可不使用基于减材的制造技术来形成的端部绕组相关联的复杂几何结构。结果，绝缘体可包括利用分隔壁与第二腔分开的第一腔，并且第一腔可包括传导元件。

在1304，通过围绕定子的极设置绕组，并提供电流至绕组以在转子中感应电流，定子被磁联结至转子。绕组设置成使得在绝缘体材料与传导元件之间的CTE差不导致温度循环时的陶瓷断裂。

在1306，冷却***与绕组集成在一起。在一个示例中，提供了使用环路热管或热虹吸管的两相闭合环路冷却和/或液体冷却。具体地，腔或通道可形成在定子极之间的绕组之间，使得腔或通道不干扰转子的运行，但是能够提供从***内传导热量的流体。该流体可以是金属流体。在示例中，流体可以是超临界流体，例如超临界二氧化碳(sCO₂)。然后热量可由流体传导用于***中的其他用途。通过在制造期间将冷却***与绕组集成在一起，并且使用流体将热量从绕组送离，***可在600℃以上运行。

提供了一种用于与以高超音速运行的航空***一起使用的电力***，在此处环境和运行条件为在100000英尺的海拔处于或高于600℃，同时在20krpm支持100kW的热/功率损失输出。电力***包括集成的绝缘、导体和冷却通道，带有支持开关磁阻马达布置的功能绕组。这些绕组是齿绕组，由各线圈内多层的多匝组成。冷却集成在绕组中，包括液体冷却和/或使用环路热管或热虹吸管的两相闭合的环路冷却。冷却液将热量从电力***移离并且至冷却***，其可将热量驱散到环境中，或者将热量用于航空***的另一***。两相闭合的环路冷却***被动运行，因此提高可靠性。电力***还通过平衡磁性能、转子动态和结构来平衡磁的和结构的性能，使得机器可靠地运行。因此，所有所陈述的问题被克服并且实现目标。

在一个或更多个实施例中，提供了可包括电力***的动力***。该电力***可包括定子和转子，定子具有多个极，各极具有围绕对应的极并构造成产生磁场的传导性绕组，转子构造成响应于由定子产生的磁场而旋转。传导性绕组中的至少一个以绝缘材料来绝缘，绝缘材料构造成在高于600℃的温度运行时从该至少一个传导性绕组传导热量。

可选地，传导性绕组中的该至少一个可包括绝缘体，其由绝缘材料形成并且包括接收传导元件的腔。在一个示例中，绝缘材料可以是陶瓷基材料，其包括氧化铝、氧化锆、二氧化锆、氧化镁、macor复合物、莫来石或云母玻璃中的至少一个。可选地，转子不包括永磁体。

可选地，该腔是第一腔，并且绝缘体还包括第二腔，其构造成提供流体流路径用于从该至少一个传导性绕组传导至少一些热量的流体。一方面，动力***还可包括冷却***，其流体地联结至绝缘体，并且构造成将流体传送至换热器或热沉中的至少一个。在一个示例中，换热器可构造成将热量从流体传送至燃料***内的燃料。一方面，流体是超临界二氧化碳、液态碱金属或金属卤化物中的一个。可选地，传导性绕组中的该至少一个可以是铜、银、镍、镀镍铜或镀银铜中的至少一个。

可选地，动力***还可包括电联结至定子的多个极的第一和第二相对极的绕组的磁路，并且包括并联连接至第二开关的第一开关。另一方面，动力***还可包括驱动轴和联结至驱动轴的轴承***，驱动轴设置成穿过并联结至转子以使其随驱动轴旋转。轴承***可包括轴承壳体，其在轴承壳体的内部表面上接收至少一个轴承垫，轴承垫包括至少一个开口。轴承***还可包括加压空气供应***，其在轴承壳体内并且构造成通过轴承垫中的该至少一个开口提供加压空气。

可选地，轴承***还可包括阻尼***，其具有设置在轴承壳体内的外部阻尼袋、设置在轴承壳体内的内部阻尼袋以及设置在内部阻尼袋与外部阻尼袋之间的间隙袋，其中，阻尼***构造成缓冲由驱动轴引起的径向力。

可选地，绝缘材料位于定子的多个极的第一极与第二极之间。一方面，该多个极包括等距间隔开的六个极并且转子具有等距间隔开的四个极。另一方面，动力***还包括驱动轴，其设置成穿过并联结至转子，其中，转子的旋转使驱动轴旋转。

在一个或更多个实施例中，可提供可包括电力***的动力***。该电力***可包括具有多个极的定子，各极具有围绕对应的极并构造成产生磁场的传导性绕组，该传导性绕组装入在绝缘体的第一腔内。电力***还可包括转子，其构造成响应于由定子产生的磁场而旋转。绝缘体可流体地连接至冷却***以从冷却***接收液态金属并在液态金属从传导性绕组中的至少一个传导至少一些热量之后将液态金属传送至冷却***。

可选地，绝缘体可包括绝缘材料，其可以是陶瓷基材料，该陶瓷基材料包括氧化铝、氧化锆、二氧化锆、氧化镁、macor复合物、莫来石或云母玻璃中的至少一个。在另一示例中，传导性绕组中的该至少一个可以是铜、银、镍、镀镍铜或镀银铜中的至少一个。另一方面，转子可不包括永磁体。

在一个或更多个实施例中，可提供一种形成用于动力***的电机的方法，该方法可包括利用三维打印装置形成由绝缘体装入的传导性绕组，并且通过围绕定子的极包绕传导性绕组且提供电流至传导性绕组以在转子中感应电流将定子和转子磁联结。

可选地，传导性绕组可包括绝缘体内的端部绕组。在一个示例中，绝缘体包括利用分隔壁与第二腔分开的第一腔。另一方面，第一腔可包括传导性绕组，并且第二腔构造成接收流体。

如本文中所使用的那样，以单数形式列举并且以词“一”开始的元件或步骤应被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明了这样的排除。此外，参照当前描述的主题的“一个实施例”不旨在被解释为排除还包含所述特征的附加实施例的存在。而且，除非明确进行相反说明，“包括”或“具有”具有特定性质的一个元件或多个元件的实施例可包括不具有该性质的附加的这样的元件。

以上描述是说明性的而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可彼此相结合来使用。此外，可进行许多修改以使特定的情况或材料适应于本文中所提出的主题的教导，而不偏离其范围。虽然本文中所描述的材料的尺寸和类型旨在定义所公开的主题的参数，但是它们决不是限制性的而是示例实施例。通过阅读以上描述，许多其他实施例对于本领域普通技术人员将是显而易见的。因此，本文中所描述的主题的范围应参照所附的权利要求以及这样的权利要求所赋予的等同物的完整范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“在其中”被用作相应的术语“包含”和“其中”的通俗英语等同。而且，在权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，而不意图对其对象施加数字要求。此外，权利要求的限制不以装置加功能形式来撰写并且不意图基于35 U.S.C. § 112(f)来解释，除非并且直到这样的权利要求限制明确地使用由无进一步结构的功能表述跟随的短语“装置用于”。

该书面描述使用示例来公开本文中所提出的主题的若干实施例，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践所公开的主题的实施例，包括制作和使用装置或***以及执行方法。本文中所描述的主题的专利保护范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等同结构元件，则这样的其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种动力***，其包括：

电力***，包括：

定子，其具有多个极，各极具有传导性绕组，所述传导性绕组围绕对应的极并且构造成产生磁场；和

转子，其构造成响应于由所述定子产生的磁场而旋转；

其中，所述传导性绕组中的至少一个以绝缘材料来绝缘，所述绝缘材料构造成在高于600℃的温度运行时从所述至少一个传导性绕组传导热量。

2.根据权利要求1所述的动力***，其中，所述传导性绕组中的所述至少一个包括由所述绝缘材料形成的绝缘体并且包括接收传导元件的腔。

3.根据权利要求1所述的动力***，其中，所述绝缘材料是陶瓷基的材料，其包括氧化铝、氧化锆、二氧化锆、氧化镁、macor复合物、莫来石或云母玻璃中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的动力***，其中，所述转子不包括永磁体。

5.根据权利要求2所述的动力***，其中，所述腔是第一腔，并且所述绝缘体还包括第二腔，所述第二腔构造成提供流体流路径用于从所述至少一个传导性绕组传导至少一些热量的流体。

6.根据权利要求2所述的动力***，其还包括冷却***，所述冷却***流体地联结至所述绝缘体，并且构造成将流体传送至换热器或热沉中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的动力***，其中，换热器构造成接收从所述至少一个传导性绕组接收热量的流体，并且将所述热量传送至燃料***内的燃料。

8.根据权利要求7所述的动力***，其中，所述流体是超临界二氧化碳、液态碱金属或金属卤化物中的一个。

9.根据权利要求1所述的动力***，其中，所述传导性绕组中的所述至少一个是铜、银、镍、镀镍铜或镀银铜中的至少一个。

10.根据权利要求1所述的动力***，其还包括磁路，所述磁路电联结至所述定子的所述多个极中的第一和第二相对极的绕组，并且包含并联至第二开关的第一开关。

Images