集成推进器安装件的纤维转子

申请号 CN201580056341.3 申请日 2015-08-21 公开(公告)号 CN107076109A 公开(公告)日 2017-08-18
申请人 X开发有限责任公司; 发明人 D.范德林德; G.E.霍姆西;
摘要 提供了一种用于空中 风 力 涡轮 机系统的 转子 ,其中转子包括前凸缘、罐体、后凸缘以及刚性插入件,所述刚性插入件包括 推进器 安装件;其中前凸缘、罐体和后凸缘包括 碳 纤维 或旋压 铝 中的一种;其中前凸缘的后端附接到罐体的前端,并且后凸缘安装到罐体的后端;其中刚性插入件结合到前凸缘;并且其中刚性插入件包括在转子内轴向延伸的管状件,以允许 定位 穿过其的 驱动轴 。
权利要求

1.一种空中涡轮机系统,包括:
飞行器,所述飞行器具有主翼;
导电系绳,所述导线系绳具有固定到所述飞行器的所述主翼的第一端和固定到地面站的第二端;
多个能量产生涡轮机,所述多个能量产生涡轮机连接到所述主翼,其中所述能量产生涡轮机的至少一个可在能量产生模式和推力产生模式下操作,并且包括安装到转子推进器
其中所述转子包括:
前凸缘;
罐体;
后凸缘;以及
刚性插入件,所述刚性插入件包括推进器安装件;
其中所述前凸缘、罐体和后凸缘包括纤维和旋压中的一种;
其中所述前凸缘的后端附接到所述罐体的前端,并且所述后凸缘安装到所述罐体的后端;
其中所述刚性插入件结合到所述前凸缘;并且
其中所述刚性插入件包括在所述转子内轴向延伸的管状件,以允许定位穿过其的驱动轴
2.如权利要求1所述的风力涡轮机系统,其中所述前凸缘的前表面成形为符合所述推进器的根部的后表面的形状。
3.如权利要求1所述的风力涡轮机系统,其中所述刚性插入件包括用于附接到所述推进器的根部的螺母板。
4.如权利要求3所述的风力涡轮机系统,其中所述前凸缘的所述前表面包括在所述螺母板中的螺栓孔周围的凹陷以向所述前凸缘的所述前表面提供平面外形状。
5.如权利要求4所述的风力涡轮机系统,其中所述管状件随着其朝所述后凸轮延伸向下渐缩。
6.如权利要求1所述的风力涡轮机系统,其中定位凸缘从所述后凸缘向后延伸以与定位在主翼上的定子密封接合。
7.如权利要求1所述的风力涡轮机系统,其中所述刚性插入件包括金属。
8.如权利要求1所述的风力涡轮机系统,其中所述刚性插入件包括碳纤维
9.如权利要求1所述的风力涡轮机系统,其中所述前凸缘通过结合到从所述罐体的所述前端向前延伸的中间凸缘安装到所述罐体的所述前端。
10.如权利要求1所述的风力涡轮机系统,其中所述前凸缘随着其从所述前凸缘的前表面到所述前凸缘的后表面向外渐缩而具有锥形形状。
11.如权利要求5所述的风力涡轮机系统,其中所述驱动轴结合到或者压配合到所述罐体的内表面。
12.如权利要求10所述的风力涡轮机系统,其中所述罐体具有圆柱外表面。
13.一种用于空中风力涡轮机系统的转子,其中所述转子包括:
前凸缘;
罐体;
后凸缘;以及
刚性插入件,所述刚性插入件包括推进器安装件;
其中所述前凸缘、罐体和后凸缘包括碳纤维和旋压铝中的一种;
其中所述前凸缘的后端附接到所述罐体的前端,并且所述后凸缘安装到所述罐体的后端;
其中刚性插入件结合到所述前凸缘;并且
其中所述刚性插入件包括在所述转子内轴向延伸的管状件,以允许定位穿过其的驱动轴。
14.如权利要求13所述的转子,其中所述前凸缘的前表面成形为符合所述推进器的推进器根部的后表面的形状。
15.如权利要求13所述的转子,其中所述刚性插入件包括用于附接到所述推进器的根部的螺母板。
16.如权利要求15所述的转子,其中所述前凸缘的所述前表面包括在所述螺母板中的螺栓孔周围的凹陷以向所述前凸缘的所述前表面提供平面外形状。
17.如权利要求13所述的转子,其中所述转子适合于接收朝所述后凸缘向下渐缩的驱动轴。
18.如权利要求13所述的转子,其中定位凸缘从所述后凸缘向后延伸以与定位在主翼上的定子密封接合。
19.如权利要求13所述的转子,其中所述刚性插入件包括碳纤维。
20.如权利要求13所述的转子,其中所述前凸缘通过结合到从所述罐体的所述前端向前延伸的中间凸缘安装到所述罐体的所述前端。
21.如权利要求13所述的转子,其中所述前凸缘随着其从所述前凸缘的所述前表面到所述前凸缘的所述后表面向外渐缩而具有锥形形状。

说明书全文

集成推进器安装件的纤维转子

[0001] 对相关申请的交叉引用
[0002] 该申请要求2014年8月30日提交的美国专利申请No.14/474,105的优先权,该美国专利申请No.14/474,105以其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

[0003] 除非在本文中另行指出,在此部分描述的材料对于此申请中的权利要求不是现有技术并且不因包括在此部分中而被承认为现有技术。
[0004] 能量产生系统可以将化学和/或机械能(例如,动能)转换成用于各种应用(例如公用系统)的电能。作为一个示例,能系统可以将风动能转换成电能。
[0005] 使用涡轮机作为利用能量的手段已经使用了多年。传统的风力涡轮机通常包括定位在塔顶部的大涡轮机叶片。制造、架设、维护和维修这样的风力涡轮机塔和风力涡轮机的成本是显著的。
[0006] 对可用于利用风能的昂贵的风力涡轮机塔的替代形式是使用用导电系绳附接到地面站的飞行器。这种替代方案可以被称为空中风力涡轮机(AWT)。发明内容
[0007] 一种可以在空中风力涡轮机上使用的、在能量产生模式和推力产生模式下可操作的转子,其中所述转子用作用于风力涡轮机的推进器的安装件,并且有利地由各自由碳纤维或者旋压制成的前凸缘、罐体、后凸缘构成,具有用与推进器相接的前凸缘定位的刚性插入件,其中所述转子设计提供轻重量的转子,所述转子具有足够的强度以用作在能量产生模式和推力产生模式下可操作的转子,并且还用作推进器安装件。
[0008] 一种空中风力涡轮机系统,包括:飞行器,其具有主翼;导电系绳,其具有固定到飞行器的主翼的第一端和固定到地面站的第二端;多个能量产生涡轮机,其连接到主翼,其中所述能量产生涡轮机的至少一个在能量产生模式和推力产生模式是可操作的,并且包括安装到转子的推进器;其中转子包括前凸缘、罐体、后凸缘和刚性插入件,所述刚性插入件包括推进器安装件;其中前凸缘、罐体和后凸缘包括碳纤维和旋压铝中的一种;其中前凸缘的后端附接到罐体的前端,并且后凸缘安装到罐体的后端;其中刚性插入件结合到前凸缘;并且其中刚性插入件包括在转子内轴向延伸的管状件,以允许定位穿过其的驱动轴
[0009] 在另一方面,提供了一种用于空中风力涡轮机系统的转子,其中转子包括前凸缘、罐体、后凸缘以及刚性插入件,所述刚性插入件包括推进器安装件;其中前凸缘、罐体和后凸缘包括碳纤维和旋压铝中的一种;其中前凸缘的后端附接到罐体的前端,并且后凸缘安装到罐体的后端;其中刚性插入件结合到前凸缘;并且其中刚性插入件包括在转子内轴向延伸的管状件,以允许定位穿过其的驱动轴。
[0010] 在另一方面,提供了一种用于给转子提供集成式推进器安装件的手段。
[0011] 对于本领域技术人员来说,通过在适当时参照附图阅读下面的详细描述,这些以及其他方面、优点和替代将变得显而易见。

附图说明

[0012] 图1是根据示例性实施例包括用导电系绳30附接到地面站50的飞行器20的空中风力涡轮机10。
[0013] 图2是图1所示的飞行器的近视透视图。
[0014] 图3是根据示例性实施例停放在附接到地面站150的停放板160上的飞行器120的侧视图。
[0015] 图4是根据示例性实施例的图3所示的飞行器120和地面站150的俯视图。
[0016] 图5是根据示例性实施例的包括附接到转子300的推进器247的空中风力涡轮机组件240的前视图。
[0017] 图6是图5所示的风力涡轮机组件240的俯视图。
[0018] 图7是图5和图6中所示的风力涡轮机组件240的近视后透视图。
[0019] 图8是根据示例性实施例的图5-7中所示的风力涡轮机240的转子300的俯视图。
[0020] 图9是根据示例性实施例的图5-8中所示的转子300的前透视图。
[0021] 图10是根据示例性实施例的图5-9中所示的转子300的横截面图。

具体实施方式

[0022] 本文描述了示例性方法和系统。本文所描述的任何示例性实施例或特征不一定被解释为比其它实施例或特征优选或有利。本文所描述的示例性实施例不意味着是限制性的。将容易理解,所公开的系统和方法的特定方面可以以各种各样的不同配置来布置和组合,所有这些都在本文考虑。
[0023] 此外,附图中所示的特定布置不应被视为限制性的。应当理解,其他实施例可以包括更多或更少的给定附图中所示的每个元件。此外,所示出的元件中的一些可以被组合或省略。此外,示例性实施例可以包括在附图中未示出的元件。
[0024] 1.概述
[0025] 示例性实施例涉及飞行器,其可以在诸如空中风力涡轮机(AWT)的风能系统中使用。特别地,说明性实施例可以涉及或采用使用飞行器的方法或系统的形式,所述飞行器使用导电系绳附接到地面站。
[0026] 诸如AWT的风能系统可以用于将风能转换成电能。AWT是基于风的能量产生装置,其可以包括由具有安装的涡轮机的刚性翼构成的飞行器。飞行器可以可操作地在横越风的路径中飞行,例如在地面(或)上方的基本上圆形的路径,以将风动能转换为电能。在这样的侧风飞行中,飞行器横越风以与风力涡轮机的顶端类似的圆形图案飞行。附接到刚性翼的转子可以用于通过使风减速来产生能量。特别地,横越涡轮机叶片移动的空气可以推动叶片转动,驱动发电机产生电力。飞行器还可以经由导电系绳连接到地面站,所述导电系绳将由飞行器产生的能量传输到地面站,并且传输到电网上。
[0027] 当期望飞行器降落时,导电绳索被缠绕在地面站中的线轴或卷筒上,并且飞行器被朝向地面站上的停放件卷绕起。在降落在停放件上之前,飞行器从飞行模式转换到悬停模式。卷筒进一步旋转以进一步将系绳缠绕到卷筒上,直到飞行器停靠在停放件上。
[0028] 如上所述,多个安装的涡轮机可以固定到主翼并且可以用于在能量产生模式中产生电力,或在操作的悬停模式或动力飞行模式中提供推力。涡轮机包括具有固定到转子或者涡轮机的旋转部分的多个涡轮机叶片的推进器,所述转子或者涡轮机的旋转部分转而固定到旋转轴,所述旋转轴在能量产生模式中用于驱动发电机产生能量。
[0029] 当在推进器上的涡轮机叶片在推力产生模式或动力飞行模式期间旋转时,涡轮机连接到具有转子和定子的电机/发电机。驱动电机转矩的因素主要与电机设计的优良性和直径有关。薄且大直径的定子和转子将产生最大的扭矩,但是具有需要大量的结构刚度和强度以在电转子和电定子之间保持一致的间隙宽度或保持足够的完整度的缺点。
[0030] 有不同的方法来解决这个问题。例如,可以构建内转子和外转子电机。轴向或横向通量电机还提供了其它优点以简化结构。在各种情况下,常见的问题倾向的是,用于保持转子的材料和用于保持电机正在驱动部件(例如,推进器)的材料经常是稀疏或薄的,因此所述材料要么需要极其薄并且不是非常坚硬(即,),或者由具有差的疲劳性能的材料(即,铝)制成。此外,电转子(磁体和背(back iron))通常由从待推进的负载(在这种情况下为推进器)分离的轴承支撑。虽然由于划区而方便,但是使用分离的轴承导致明显更重和更复杂的系统。
[0031] 铝铸件可用于包括推进器安装件的转子。然而,铝的疲劳性能差,因此需要更大的结构以适应在AWT操作期间由转子经历的回转负载所导致的疲劳。其中转子由铝铸件制成的等价的转子设计将重大约4千克,这对于用在AWT上的转动的转子是重部件,在所述AWT中,不期望超重的重量。此外,由铸件制成的转子还具有其它缺点,包括孔隙率、铸件中的空隙的可能性和易于裂缝。因此,期望提供一种用作AWT上的推进器安装件的旋转电机转子,其提供对铝铸件转子设计的改进。
[0032] 在示例性实施例中,提供一种飞行器,其设置成具有安装到在主翼上垂直延伸的塔架(pylon)的多个涡轮机。每个涡轮机包括转子,所述转子还可以用作用于推进器的安装件,所述推进器具有多个涡轮机叶片。在替代实施例中,推进器可通过夹子或螺栓附接在转子的直径处。本实施例有利地包括由许多碳纤维部件构造的转子,所述许多碳纤维部件可以用于代替现有设计的铝铸件,并且可以用作用于推进器的安装件。可替代地,所述部件可以由旋压铝形成。
[0033] 在示例性实施例中,转子由三个主要元件组成,所述三个主要元件由碳纤维构造。三个主要元件包括分别由碳纤维制成的前凸缘、中心圆柱罐体或壳体和后凸缘。该设计有利地通过在轴承处将两个凸缘接合在一起而形成开放空间,使得存在中空空间。不需要撑件来提供对疲劳性能的改善。
[0034] 在操作中,转子是中空构件,其可以具有安装到中心罐体或壳体的周边内部的永磁体。静止的定子可以定位在中心壳体内,所述静止的定子具有与永磁体协作以使转子转动的线圈和功率电子器件。
[0035] 涡轮机的推进器可以安装到转子的前凸缘。应注意的是,前凸缘的前表面可以成形为紧密地匹配推进器根部的形状,去除了安装推进器的任何实体金属固定件的需要。这样的安装还将扭矩直接从推进器传递到电磁转子,从而能够避免通过固定到转子的中心驱动轴施加任何扭矩。替代的设计可以用于将推进器附接在转子的直径处,这能够允许小的螺栓的使用。
[0036] 前凸缘可以在组装时有利地结合到中心罐体或壳体,同时后凸缘可以螺栓连接到罐体或壳体上,使得转子仍可以从定子移除。后凸缘的附接具有加固(stiffen)中心罐体或壳体以及允许通过附接到后凸缘而进一步加固壳体的接口的附加优点。可以在罐体或壳体的边缘周围使用多个螺栓或夹紧元件以附接后凸缘。前凸缘的模制表面向前指向以便具有用于附接到推进器的整齐的接口。所有三个碳纤维部分可以通过热压器、球胆成型、真空袋装、注入(infusion)或其它单侧生产方法容易地制成。
[0037] 金属插入件可以放置在前凸缘中,所述金属插入件可以是用于加固前凸缘在其配合到推进器的区域之间的接头的铸造插入件。在可替代的设计中,金属插入件可能用泡沫或低密度木材插入件代替,或者可能用另一碳纤维元件代替,其解决在推进器的安装面和前凸缘的剩余部分之间出现的平面外应力。前凸缘结合到中心罐体或壳体,其融合成圆柱横截面。前凸缘可以在该融合的区域中结合到中心壳体。
[0038] 主钢驱动轴可以结合到或压配合到罐体或壳体中,这向轴提供了壳体的最准确的参考,并且因此使电磁装置上的间隙的误差最小化,所述电磁装置上的间隙即转子上的永磁体和定子上的线圈之间的间隙。钢轴可以随着其朝后凸缘延伸而向下渐缩,使得轴的后轴承和轴的后部不会比所需要的重,而前轴承和轴可以足够大以解决由推进器和电机的组合产生的弯曲力和侧向力。轴承可以是圆锥滚子轴承,但也可以是杯锥型轴承,或深沟带座球轴承,或球形滚子轴承。
[0039] 主驱动轴主要由钢构成以避免高的轴承质量。因为长寿命的轴承不具有大的直径,所以刚材料是期望的,它处理高莫尔应力、具有良好的抗疲劳性、紧凑的、可以以高保真度成形以满足轴承组的公差的材料。由于长寿命轴承倾向于具有大的滚动元件,因此它们相当重或具有相对小的内径。钢允许满足所有这些约束,同时保持轴承直径小并且因此允许长寿命轴承。然而,也可以使用碳纤维轴,或者或者其他材料可以用于轴。在示例性实施例中,钢被使用,因为其非常实用。
[0040] 上述碳纤维转子设计有利地提供了与铝铸件转子设计相比具有优异的疲劳性能的转子。此外,碳纤维转子设计仅重800克,提供显着的重量减轻优点,特别是当考虑其中可以使用8个或更多个这样的转子的AWT设计时。结果,使用上述碳纤维转子设计可以实现超过25千克的重量减轻。
[0041] 2.说明性空中风力涡轮机
[0042] 如图1-2所公开的,公开了根据实施例的空中风力涡轮机(AWT)10。AWT 10是基于风的能量产生装置,其包括由具有安装的涡轮机40的刚性翼22构造的飞行器20,所述飞行器20横越风在如基本上圆形的路径的路径上飞行。在示例性实施例中,飞行器可以在地面(或水)上方250到600米飞行以将风动能转换成电能。然而,在不脱离本发明的范围的情况下,飞行器可以在其他高度处飞行。在侧风飞行中,飞行器20横越风以与风力涡轮机的顶端类似的圆形图案飞行。附接到刚性翼22的转子40可以用于通过使翼22减速来产生能量。横越涡轮机叶片移动的空气可以推动其转动,驱动发电机产生电力。飞行器20经由导电系绳30连接到地面站50,所述导电系绳30将由飞行器产生的能量传输到地面站50,并且传输到电网上。
[0043] 如图1所示,飞行器20可以连接到系绳,并且系绳30可以连接到地面站50。在此示例中,系绳30可以在地面站50上的一个位置处附连到地面站50,并且使用跨接绳(bridle)32a、32b和32c附接到飞行器2上的三个位置处。然而,在其他示例中,系绳30可以在多个位置处附接到地面站50和/或飞行器20的任何部分。
[0044] 地面站50可以用于保持和/或支撑飞行器20直到其处于操作模式。地面站可以包括可以是大约15米高的塔架52。地面站还可以包括绕卷筒轴线53可旋转的卷筒52,其用于通过将系绳30缠绕在可旋转卷筒52上来卷绕起飞行器20。在该示例中,卷筒52竖直地定向,尽管卷筒还可以水平地(或成角度地)定向。此外,地面站50可以进一步被配置为在降落期间接收飞行器20。例如,支撑构件56附接到从地面站50延伸的停放板58。当系绳30缠绕到卷筒52上并且飞行器20朝地面站50卷绕起时,飞行器可以停靠在停放板58上。地面站50可以由任意材料形成,所述材料能够适当地在飞行器处于悬停飞行、向前飞行、侧风飞行时,保持飞行器附接和/或锚定到地面。在一些实施例中,地面站50可以被配置成在陆地上使用。然而,地面站50还可以在诸如湖、河、海或洋的水体上实施。例如,地面站可以包括浮动离岸平台或船等其他的可能性,或者布置在浮动离岸平台或船等其他的可能性上。此外,地面站
50可以被配置成相对于底面或者水体表面保持静止或者移动。
[0045] 系绳30可以将由飞行器20产生的电能传输到地面站50。此外,系绳30可以将电力传输到飞行器20以在起飞、降落、悬停飞行和/或向前飞行期间给飞行器20供电。系绳可以以任何形式和使用允许用于由飞行器20产生的电能的传输、递送和/或利用和/或允许用于电能到飞行器20的传输的任何材料来构造。系绳30还可以配置成当飞行器20在操作模式中时,承受飞行器20的一个或多个力。例如,系绳30可以包括配置成当飞行器20处于悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行中时承受飞行器20的一个或多个力的芯。芯可以由任何高强度纤维或碳纤维棒构成。在一些示例中,系绳30可以具有固定长度和/或可变长度。例如,在一个示例中,系绳具有500米的固定长度。
[0046] 尤其是,飞行器20可以包括或采取诸如风筝、直升机、翼和/或飞机等的形式。飞行器20可以由金属、塑料和/或其它聚合物的固体结构形成。飞行器20可以由可以在实用应用中使用、允许高推力-重量比和产生电能的任何材料形成。另外,可以选择能够处理风速和风向的大的和/或突然的转变的材料以允许闪电硬化(lightning hardened)、冗余和/或容错设计。其它材料也是可能的。
[0047] 如图1所示,并且在图2中更详细地示出,飞行器20可以包括主翼22、转子40a和40b,尾桁或机身24和尾翼26。任何这些部件可以以允许使用提升的部件以抵抗重力和/或使飞行器20向前移动的任何形式成形。
[0048] 主翼22可以为飞行器提供主升力。主翼22可以是一个或多个刚性或柔性翼型件,并且可以包括各种控制表面,例如小翼、襟翼、方向、升降舵等。控制表面可以用于在悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行期间稳定飞行器20和/或减少飞行器20上的阻力。主翼22可以是用于飞行器20从事(engage in)悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行的任何合适的材料。例如,主翼20可以包括碳纤维和/或e玻璃。
[0049] 转子连接件43可以用于将上转子40a连接到主翼22,并且转子连接件41可以用于将下转子40b连接到主翼22。在一些例子中,转子连接件43和41可以一个或多个塔架的形式或者与一个或多个塔架类似的形式。在此示例中,转子连接件41和43可以被布置成使得上转子40a定位在翼22的上方并且下转子40b定位在翼22的下方。
[0050] 转子40a和40b可以配置成驱动一个或多个发电机以用于产生电能的目的。在此示例中,转子40a和40b可以各包括一个或多个叶片45,例如三个叶片。一个或多个叶片45可以经由与风的相互作用旋转并且可以用于驱动一个或多个发电机。此外,转子40a和40b还可以配置成在飞行期间提供对飞行器20的推力。利用这种布置,转子40a和40b可以用作一个或多个推进单元,例如推进器。虽然在此示例中,转子40a和40b描绘为四个转子,在其他示例中,飞行器20可以包括任何数量的转子,例如比四个转子少或比四个转子多,例如六个或八个转子。
[0051] 返回参照图1,当期望飞行器20降落时,卷筒52旋转以将飞行器20朝地面站50上的停放板58卷绕起,并且导电系绳30缠绕在卷筒52上。在降落在停放件58上之前,飞行器20从飞行模式转换到悬停模式。卷筒52进一步旋转以进一步将系绳30缠绕到卷筒52上,直到飞行器20停靠在停放件58上。
[0052] 根据一实施例,图3是空中风力涡轮机的侧视图,该空中风力涡轮机包括停放在附接在地面站150的停放板175上的飞行器120,并且图4是图3所示的地面站150和飞行器120的俯视图。在图3和4中,地面站150包括塔152,可旋转的卷筒180定位在该塔152之上,停放板延伸件170和172向外延伸并且附接到延伸板176。在一实施例中,塔152可以高15米。导电系绳130从水平缠绕器160延伸并且使用跨接线132a、132b和132c附接到飞行器120的翼122。在一个实施例中,跨接线132a、132b和132c可以沿着翼122的跨度附接在不对称位置处,使得翼122的内侧具有离翼尖更远地附接的跨接绳,并且翼122的外侧具有更接近向外的翼尖地附接的跨接绳。这种不对称构造允许跨接线132a和132c更好地清洁较大尺寸的停放板。
[0053] 飞行器120包括安装在附接到翼122的下塔架143上的下转子140a、140c、140e和140g,以及安装在附接到具有推进器145的翼的上塔架143上的上转子140b、140d、140f和
140g。在一实施例中,翼122是4米长并且包括机身124和后部升降舵安装件126。
[0054] 3.具有集成式推进器安装件的碳纤维转子的示例实施例
[0055] 图5-10示出了具有集成式推进器安装件的碳纤维转子的示例实施例。特别地,图5是空中风力涡轮机组件240的前视图,所述风力涡轮机组件240具有推进器247,该推进器247具有安装到转子300的涡轮机叶片245。图6是空中风力涡轮机组件240的俯视图,所述俯视图示出了安装到转子300的前凸缘310的推进器247。转子300定位在推进器247的后侧上,并且转子300包括前凸缘310、中心罐体或壳体320和后凸缘330,所述后凸缘具有向后延伸的圆形定位凸缘332。
[0056] 图7是空中风力涡轮机组件240的近视后透视图,其示出了推进器247安装到转子300,其中后凸缘330示出为附接到罐体或壳体320。圆形定位凸缘332示出为从后凸缘330向后延伸,其中所述圆形定位凸缘332可以密封地接合定子(未示出)。主驱动轴340示出为通过后凸缘330和定位凸缘332延伸。如上所指出的,推进器247安装到碳纤维转子300的前端,其中,其安装到转子300的前凸缘310,所述前凸缘310转而结合到主驱动轴340。如图9和图
10所示,前凸缘310还结合到分布负载的金属插入件350。
[0057] 图8-10示出了图5-7所示的转子300的细节。图8是图5-7所示的转子300的俯视图,其中前凸缘310示出为半透明的。转子300包括金属插入件350,其可以是用于加固前凸缘310的前表面和与推进器247的根部的接口之间的接合的铸造插入件。金属插入件350可以结合到前凸缘310,并且可以包括用于安装到推进器247的螺母板354和从前凸缘的前表面
314向后延伸并且绕主驱动轴340(图7和图8所示)定位的中空圆柱部分352,以提供增加强度和分散负载。
[0058] 在替代设计中,金属插入件350可以用泡沫或低密度木材插入件代替,或者可以用另一碳纤维元件代替,其解决在推进器的安装面和前凸缘310的剩余圆锥形部分之间出现的平面外应力,所述前凸缘310的剩余圆锥形部分从前凸缘的前表面314延伸到中心罐体或壳体320的中间凸缘322。前凸缘310可以结合到罐体或壳体320,其融合成圆柱横截面,电机转子在其内部结合或压配合。前凸缘310在中间凸缘322处的该融合的区域中结合到罐体或壳体320(下面进一步讨论)。
[0059] 图9是转子300的透视后视图,同样,前凸缘310示出为半透明的。图10是转子300的横截面图。金属插入件350示出为具有定位在前凸缘310的前表面314中的螺母板354,并且具有在转子300内朝后凸缘330延伸的中空圆柱部分352。后凸缘330安装到中心罐体或壳体320,其中后凸缘330的周边334可以延伸超过中心罐体或壳体320的直径。
[0060] 主钢驱动轴340可以沿着转子内的内表面364、362和360结合到或压配合到转子中,这向轴提供了壳体320的最准确的基准,并且因此使电磁装置上的间隙的误差最小化,所述电磁装置上的间隙即转子300上的永磁体和定子上的线圈之间的间隙。如图所示,钢驱动轴340可以随着其朝后凸缘330延伸而向下渐缩以符合表面360,使得后轴承和轴的后部不会比所需要的重,而前轴承和轴可以足够大以解决由推进器和电机的组合产生的弯曲力和侧向力。轴承(未示出)可以是圆锥滚子轴承,但也可以是杯锥型轴承,或深沟套筒球轴承或球形滚子轴承。
[0061] 在示例性实施例中,转子300包括由碳纤维构成的三个主要元件。三个主要元件包括分别由碳纤维制成的前凸缘310、圆柱形中心罐体或壳体320和后凸缘330。前凸缘310可以在组装时被结合到罐体320,并且罐体320可以包括中间凸缘322以提供用于与前凸缘310结合的表面。
[0062] 后凸缘330可以螺栓连接到罐体或壳体320上,允许转子从定子(未示出)移除。后凸缘330向罐体320的附接提供了加固罐体或壳体320以及允许通过附接到后凸缘330而进一步加固罐体或壳体320的接口的附加优点。可以在罐体或壳体320的边缘周围使用多个螺栓或夹紧元件以附接后凸缘330。前凸缘310的模制表面可以向前指向以提供到推进器247的根部的整齐的附接。上面所讨论的所有三个碳纤维元件可以通过热压器、球胆成型、真空袋装、注入或其它单侧生产方法容易地制成。
[0063] 主驱动轴主要由钢构成以避免高的轴承质量。因为长寿命的轴承不具有大的直径,所以需要处理高莫尔应力、具有良好的抗疲劳性、紧凑的、可以以高保真度成形以满足轴承组的公差的材料。由于长寿命轴承倾向于具有大的滚动元件,因此它们相当重或具有相对小的内径。用于主驱动轴的钢的使用允许满足所有这些约束,同时保持轴承直径小并因此允许长寿命轴承。
[0064] 此外,如果需要,主驱动轴可以相对于内表面364、362和360以正常方式压配合。合适的驱动轴材料可以是17-4不锈钢,然而存在其它合适的材料。在一些实施例中,可以使用钛轴。当使用钛时,轴更可能不是渐缩的。如图10所示的横截面视图所示,当使用主轴时,轴340可以是渐缩的以优化相对于质量的刚度。在钛设计中,考虑材料的可用性,恒定横截面轴可能更可能的。
[0065] 返回参照图7,转子300示出为与推进器247在飞行配置中配合在一起。仅示出了电机的转子330部分,示出了圆柱中心罐体或壳体320、前凸缘310(在该图像中背离)和后凸缘330(在该图像中的前景中示出)。转子包括前凸缘310、罐体或壳体320和后凸缘330,以便在钢驱动轴340与电磁转子之间具有足够刚性的结构。在该实施例中,后凸缘330包括绕驱动轴340定位的向后延伸的圆形凸缘332,其用于减小后密封件的直径,所述后密封件将后凸缘330抵靠定子(未示出)密封,从而减小密封件的尺寸和速度,以便增加其寿命,同时还减小了可能是铸造材料的定子的所需尺寸。因为转子300受到比定子高得多的疲劳应力,转子的这三个部分可以由碳纤维增强聚合物(“CFRP”)制成,该碳纤维增强聚合物非常坚硬并且非常耐疲劳。
[0066] 本实施例有利地包括由许多碳纤维部件构造的转子300,所述许多碳纤维部件可以用于代替现有设计的铝铸件,并且可以用作用于推进器的安装件。特别地,推进器247安装到碳纤维前凸缘310,所述碳纤维前凸缘转而结合到主驱动轴340和分散负载的金属插入件350。应注意的是,前凸缘310的前表面成形为紧密地匹配推进器根部,而不需要安装推进器247的任何实体金属固定件。这还将扭矩直接从推进器247传递到电磁转子300,从而有助于避免通过中心驱动轴340施加任何扭矩。
[0067] 返回参考图10所示的横截面视图,圆柱罐体320和附接到其上的中间凸缘322被制成为铝凸状心轴上的单个部件。这允许部件在构造之后脱模。前凸缘310可以结合到金属插入件350,并且前凸缘310还具有符合推进器形状的轮廓的前表面314。螺母板354中的螺栓孔周围的特征或凹陷(divote)可以用于传递剪切力,因为碳表面上的碳在压缩(特别是贯穿厚度)和剪切负载传递(同样,特别是贯穿厚度)方面相对差。前凸缘310上的模制表面是前表面314,使得其可以适当地与推进器247配合。因此,前凸缘310的非模制表面可以结合到圆柱罐体320的中间凸缘322的非模具表面,其中可能需要结合夹具(bonding jig)。
[0068] 此外,中间凸缘322和罐体320的模制表面可以是内表面使得罐体320到电机转子内的永磁体的配合是整齐的,并且不需要环树脂或胶,因为其可以压配合。
[0069] 后凸缘330到罐体320配合表面可以是简单的轧出表面,其被模制为罐体/中间凸缘320/322的部分,并且被模制为后凸缘330上的匹配表面,允许后凸缘330被准确安装。后凸缘330的向后延伸的圆形凸缘332可用于定位用于与定子(未示出)密封接合的密封件。因此,所有的结构和布线以及冷却必须在电机上的圆形凸缘332的直径内侧引导。上述碳纤维转子设计有利地提供了与现有的铝铸件转子设计相比具有优异的疲劳性能的转子。此外,碳纤维转子设计仅重800克,提供显着的重量减轻优点,特别是当考虑其中可以使用8个或更多个这样的转子的AWT设计时。结果,使用上述碳纤维转子设计可以实现超过25千克的重量减轻。
[0070] 虽然已经结合由碳纤维组成的前凸缘、罐体或壳体以及后凸缘描述了上述实施例,但在替代实施例中,这些部件可由旋压铝制成。旋压铝部件可以结合或搅拌焊接在一起,以及用于安装到驱动轴的CNC支架。当使用铝部件或碳纤维中的任一种时,本设计有利地利用中空空间以从片状元件中产生非常坚固的结构。碳纤维是用于这种元件的一种非常合适的材料,并且旋压铝也是合适的材料。虽然铝的疲劳强度不是优异的,但是该构造允许结构的布局的足够的效率以使负载保持非常低。与使用铸铝转子设计的对等设计相比,碳纤维设计和旋压铝设计两者均提供较低重量的优点。
[0071] 4.结论
[0072] 以上详细描述结合附图描述了所公开的系统、装置和方法的各种特征和功能。虽然本文已经公开了多个方面和实施例,对本领域技术人员而言,其他方面和实施例将是显而易见的。本文公开的各种方面和实施例是为了说明的目的,并不意于限制,真正的范围和精神由权利要求指出。
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