横向磁场电机和具有这种横向磁场电机的涡轮机械

摘要

在一个横向磁场电机中，转子具有多个轴向相邻设置的永磁环，永磁环铁圈由具有在径向方向上交替的磁性取向的单磁铁组成。定子至少在部分段上共心地围绕转子，构成空气隙。转子具有多个与永磁环共轴的定子线圈。每一个定子线圈具有两个端子，它在面对空气隙的朝向转子方向上有软磁性的相互啮合的极突出，这些极面对着转子的永磁环。这些极分别与各个单磁铁对准。要被控制的主动无功功率源对于每个定子线圈具有两个端子，这两个端子和相应的定子线圈相连。在定子线圈中的故障情况下，监控装置为主动无功功率源提供控制信号，使得相应的定子线圈的两个端子低阻地相互连接。横向磁场电机尤其适合被设计为涡轮机械的启动发电机，并且在这种情况下旋转固定地与涡轮机械的转动轴相连。

说明书

背景技术

同步发电机经常被用作产生电功率的发电机。这种机器在被构造 作为内部转子时具有外绕组(定子绕组)，用于产生旋转磁场。感应 器(转子)带有永磁体或者励磁绕组，以产生磁场。在这种感应式电 机中，转子转数和旋转磁场数相同。为了减少涡流损耗，定子由分层 的、相互电绝缘的磁铁片构成。定子绕组被插入并连接到定子的径向 向里的极之间轴向平行的槽中。在转子运动过程中一起旋转的交变磁 场克服了转子极和定子极之间的空气隙，并切割定子绕组。在那里， 由于随着每次转子旋转而交变的磁场，在每个绕组里产生交流电压， 该交流电压的频率与转子转数同步。通过定子绕组的适当排列和连 接，同步电机可以产生单相或多相的交流电压。在发电机工作模式下， 有效功率由作为被加以负载的机器和未加以负载的机器的转子之间 的旋转角而得到的转子角确定。如果旋转角太大，则机器转速显著增 大，并且机器可能被自身部件的离心力破坏。在这种运行情况下，机 器必须尽可能快地被关断，并被重新同步。尤其是在航空领域的应用 中，出于明显的原因，对于发电机的电或机械的接触是不可能的。另 外，同步电机的电机效率也由于绕组端部而受到限制。

从基本结构来看，与永久磁铁励磁的同步电机相关的机器是横向 磁场电机，其不同于具有全节距绕组的普通机器而具有环向绕组。磁 通量相对于旋转面横向(垂直)地延伸。转子具有多个轴向相邻排列 的由单磁铁构成的永磁环。它们在径向方向上以交替的磁性取向。定 子具有一个或多个由互相啮合的软磁极环绕的环向绕组。当转子相 对于定子运动时，交变磁通量通过每个定子线圈，该交变磁通量感应 发电机电压。

横向磁场电机中电回路和磁回路的去耦使得其相应的设计变得 容易。此外，还消除了同步电机中常见的对于产生扭矩没有贡献的所 谓绕组端部。因此，与在磁切力方面相当的纵向磁场电机相比，按照 横向磁场原理工作的机器由结构决定地可以具有明显更小的阻性损 耗。由此，更细的极距成为可能，由此导致在低转数时已经达到大的 扭矩和更高的效率。但是，横向磁场电机具有更复杂的机械构造。 永久磁铁励磁的电机可以达到高的效率，但是为此使用的永久磁铁比 较昂贵。

同步的以及传统的横向磁场电机的上述缺点或许在一些应用中 还可以接受，但是在航空领域中，由于严格的安全要求，它们是不可 以接受的。飞机发动机面临不断提高的要求。在这里，对于可能发生 的故障情况以及故障序列(Fehlersequenzen)的及早发现和对于避免 它们的可能性是重要的。在故障情况下不产生严重后果的发动机及其 部件的容错设计对此做出贡献。

发明内容

本发明要解决的问题是，提供一种横向磁场电机，其具有高的固 有运行安全性，并且在仍然出现的故障情况下可以被带入安全状态 (fail-safe：故障保护)。

作为这个问题的解决方案，本发明教导了一种横向磁场电机，其 中转子具有多个轴向相邻排列的永磁环，这些永磁环由具有在径向方 向上交替的磁性取向的单磁铁构成，定子在形成空气隙的情况下至少 在部分段上共心地围绕转子，并具有一个或多个与永磁环同轴取向的 定子线圈，一个定子线圈分别具有两个接线端，并且在其朝向转子面 对空气隙的侧上有相互啮合的极突，这些相互啮合的极面对转子的永 磁环并且分别与各个单磁铁对准；一个待控制的主动无功功率源，它 对于每个定子线圈具有和相应定子线圈相连的两个接线端；至少一个 监控装置，其在故障情况下在一个或多个定子线圈中提供用于主动无 功功率源的控制信号，以便各个定子的两个接线端低阻地相互连接。

在一个实施形式中，在定子中，定子线圈绕在两个软磁性的定 子片之间，该定子片在其朝向转子面对空气隙的边缘上分别具有交替 相互啮合的极。在定子线圈的背离空气隙的侧上，一个或两个定子片 的连续边缘围绕定子线圈。

通过这样的具有较高漏磁成分的发电机构造，实现了抗持续短路 能力，其在短路情况下使有效电流降低到工作电流以下，从而不会发 生加热/过热危险。此外，通过无功功率源，发电机被带入可靠的运行 状态。

监控装置可以非常简单地被构造，并且被设置成检测横向磁场电 机中以下状态中的一个或多个作为故障情况：

一个定子线圈的一个线匝的短路；

一个定子线圈的多个线匝的短路；

一个定子线圈的所有线匝的短路；

一个定子线圈的单一接地；

一个定子线圈的多重接地；

多个定子线圈的单一接地；

多个定子线圈的多重接地；

两个定子线圈之间的低阻连接；

一个定子线圈内的高阻连接；或者

两个定子线圈之间的高阻连接。

在本发明的一个实施形式中，监控装置可以被设置成检测横向磁 场电机中定子线圈中的电流和/或定子线圈上的电压降，并将其相互比 较，以便检测一个或多个定子线圈中的故障情况。

因此，可以非常快地识别由短路或断路所引起的电动势(即未 被加以负载的定子线圈的接线端上的电压)和一个定子线圈相对 于其他定子线圈的线圈阻抗的变化。由于在这种情况下，阻抗和电动 势被明显地改变，所以对用于识别短路和断路的电流和电压互感器的 高精确度要求不是必需的。

在本发明的另一个实施形式中，监控装置可以被设置成借助于设 置在横向磁场电机的一个或多个定子线圈上的温度传感器检测相 关定子线圈的发热，以便检测相关定子线圈的过载、短路或者类似情 况。

这就允许可靠地、对每个定子线圈有选择地识别最初仅通过提 高的损耗而被察觉的微弱故障情况。

在本发明的另一个实施形式中，监控装置可以被设置为借助于用 于绝缘检查的电势监视电路来检测横向磁场电机的一个或多个定子 线圈的接地。

在本发明的一个实施形式中，主动无功功率源可以具有两个用于 电功率通断的半桥。其中，这两个半桥对于各自的定子线圈被连接成 全桥。这里需要指明的是，通常设置变频器(Umrichter)以变换横 向磁场电机在运行时所提供的输出功率。这个变频器大多包括这样的 用于电功率通断的半桥，并且因此在根据本发明的这个涡轮喷气发动 机的配置中担任双重作用：变频器和主动无功功率源.

优选地，主动无功功率源的这两个半桥具有至少两个串联连接的 半导体开关。根据要被通断的(无功)功率，也可能的是并行地通断 多个这样串联连接的半导体开关。其中每一个半导体开关具有控制输 入端。第一半导体开关具有要与高电压电势相连的第一功率端子。第 二半导体开关具有要与低电压电势相连的第二功率端子。每个第一半 导体开关的第二功率端子与相应的第二半导体开关的第一功率端子 相连，为形成用于定子线圈的端子。

此外，每一个半导体开关可以具有与各自半导体开关的两个功率 端子并行的自振荡二极管。

监控装置在涡轮喷气发动机的故障情况下控制主动无功功率源， 使得在这两个半桥中，第二半导体开关保持导通并且第一半导体开关 保持未触发，或者第一半导体开关保持导通并且第二半导体开关保持 未触发。在这两种情况下，短路电流经由相应导通的半导体开关采取 受控路径。

此外，根据本发明，在横向磁场电机中，定子线圈及其电流负荷 被设计和配置成使得在故障情况下出现的磁动势永远也达不到额定 磁动势(＝额定电流×匝数)。由此确保了，即便在整个绕组短路的情 况下，也只有低于额定值的电流可以流过。这是基于以下事实的：要 由定子线圈提供的电流在其一侧导致附加的磁通量通过定子线圈，由 此在定子线圈中自感应附加的电压分量，这个附加的电压分量抵消相 应的电流变化。在由于负载而导致的定子线圈的被动切断的情况下或 甚至在定子线圈短路的情况下，这个自感应分量只导致受限的电流， 即远低于额定值的电流。相反，全功率输出所需要的额定电流只可通 过定子线圈与无功功率源共同作用才可以建立。如果没有主动无功功 率源，即在故障情况下，依照本发明，甚至在短路情况下也不建立近 似达到额定磁动势的磁动势。因此，即使在整个定子线圈短路的情况 下，电流也被调整到低于额定值。但是，在仅仅定子线圈的一部分或 甚至仅仅一个线匝短路的情况下，在那里局部流过的电流可能达到额 定值或甚至超过额定值。

永磁体的激励导致横向磁场电机的定子线圈中持续感应的电压， 只要其转子相对于其定子旋转。因此，在短路情况下出现的电流的关 断在原则上是不可能的。通过根据本发明的设计，短路情况下的电流 最大达到线圈可以长时间承受的额定值。另一方面，故障位置处的短 路电流会有如下的问题：在短路位置处通过不可确定的接触电阻 (Uebergangswiderstand)本地地释放高的功率，经常甚至产生即便 不是持续的但是也可以燃烧较长时间的电弧。对于这种危险，本发明 提供了通过定子线圈的受控短接的保护。

另一个危险可能在高发动机转速时切断换流器(Wechselrichter) 或相应全桥时产生，因为在没有减弱磁场的电流分量的情况下，被感 应的电压可能通过自振荡二极管为连接在后面的直流电压中间回路 加载荷到不允许的高电压。对此，本发明也通过受控地短接相应的定 子线圈来进行保护。

通过这些措施，横向磁场电机能够在所有情况下始终保持在整个 转速区域中能够运行，而不危及相邻部件。只是可输出的功率根据被 短接的定子线圈的数量而减少。

所有这些对于根据本发明的横向磁场电机在航空领域中的应用 是显著的优点。

另外，与发电机的传统实施形式相比，可以实现节省很多构造空 间的实施形式(在输出功率相当的情况下)。

根据本发明的设计的另一个优点是，实际上，只有磁性工作的 部件(永磁磁铁)构成转子的惯性质量，而马达的所有其他部分(线 圈，磁轭等等)被分配给定子。因此，可以实现由电气机器所施加 的力与惯性质量的特别高的比率。

通过电气机器的定子线圈的可非常简单构造的环形设置，可以将 作用于线圈的振动力保持很小，使得线圈的振动或线圈对定子线圈腔 的摩擦很小。因此，可以以最少的隔离材料或定子线圈腔的内衬材料 就可以了。这也有助于整个装置的紧凑性和可靠性。另外，因为定子 线圈腔的填充系数(定子线圈腔中线圈容积相对于定子线圈腔的总容 量)很高，所以这即使在小的根据本发明的设计中也导致高的功率密 度。

定子可以以已知的方式由电工钢片部件构成。但是，为了简化制 造，也可以将其至少部分地构造为软磁性的模制体(F0rmkoerper)， 例如由压制和/或烧结的金属粉末构成的模制体。优选地，定子由实 心的铁制成，因为即使在提高的动态要求的情况下，实心的铁的涡流 特性也足够。

尽管前面的描述始终涉及发电机形式的横向磁场电机，但是在这 里应该理解，发电机式的工作方式以及电动机式(即驱动式的)的工作 方式都是可能的。根据本发明，术语“横向磁场电机”既被理解为发电 机又被理解为电动机。因此，通过本发明，一方面可以使用发电机来 将可利用的扭矩转换成电流。另一方面，电气机械也可以在电动机工 作方式下使部件旋转。其中，本发明既可以被实现为内转子机器，也 可以被实现为外转子机器。

通过前面阐述的配置，定子或定子线圈的由结构决定的相对高的 漏感被使用，使得在持续短路情况下，流经定子线圈的电流始终处于 非临界性的低范围中。通过由此产生的抗持续短路能力，可以提供固 有的安全性，其中由于这种安全性，所建议的配置对于航空领域非常 适合。发生故障的定子线圈的附加的受控关断提供了冗余的、系统无 关的安全性。

此外，根据本发明，定子线圈的各个线匝段之间的短路电流通过 受控地短接整个定子线圈而被变换到无危险的范围。

最后，在本发明的另一实施形式中，通过定子线圈的特殊构造， 短路电流可以以危险性最小的方式向外传递。为此，至少一个定子线 圈由多个环段构成，其中多个环段分别构成与相邻环基本上共心排列 的环，每个环段在其两端中至少一端处与径向上位于更外或更内的环 段相连，并且位于径向最外或位于径向最内的环段在其两端中的一 端处与位于径向最内或径向最外的环段相连。本发明的这一方面，即 如何有利地构造定子线圈，也可以与通过监控装置控制的无功功率源 无关地被使用，以明显地提高根据本发明的横向磁场电机的自身安全 性。但是，组合使用相对于故障情形提供了特别高的保护。

本发明可以被有利地应用于机动的或固定的应用中。特别地，本 发明与涡轮机械，尤其是燃气轮机、特别是飞机燃气轮机结合使用， 因为在这种环境中，本发明的特有优点会非常好得发挥作用。

其中，横向磁场电机尤其旋转固定地与涡轮机械的转动轴耦接。 在应用于飞机燃气轮机时，横向磁场电机有利地在低压涡轮机区域中 耦接到在飞机燃气轮机的后部区域中容易接触的低压轴。

如之前已经提到的那样，横向磁场电机可以作为发电机、或作为 电动机/启动器使用。然而，横向磁场电机优选地将两种功能结合成一 个所谓的启动发电机功能。本发明可以在机动或固定的应用中被有利 的使用。

附图说明

本领域技术人员通过以下参考附图的描述能够理解其他特征、特 性、优点以及可能的改变。

在图示中：

图1显示了作为燃气轮机、尤其是飞机燃气轮机的启动发电机 (Startergenerator)的根据发明的横向磁场电机的示意性部分纵剖面 图例。

图2显示了图1中作为启动发电机表示的电气机械的透视分解图 的示意性放大部分示图。

图3显示了要与横向磁场电机的定子线圈连接的根据本发明的 要被控制的主动无功功率源的示意性图示。

图4以俯视图显示了横向磁场电机的根据本发明的定子线圈的 示图。

具体实施方式

在图1中以部分纵向截面显示了作为启动发电机的横向磁场电 机。在低压涡轮机18(出于更清楚地表示的原因，与整个蒸汽轮机一 样没有被图示)的旋转安置的轴18上以旋转固定的方式耦接发电机 50的转子52。为此，启动发电机可以尤其被法兰连接到轴。转子52 具有空心圆柱状的支架54，在其外表面上固定有多个相对于中间纵轴 A同轴地相邻设置的永磁环56。永磁环56由具有在径向上交替的磁 性取向N、S、N、S(见图2)的单磁铁56a，56b...构成。启动发电机 50具有由软磁性材料，例如由电气钢片部件构造的定子58。也可以 将其构造为软磁模制体，例如由压制和/或烧结的金属粉末构成。定子 58共心地围绕转子52，从而形成空气隙60，并且定子58具有多个与 永磁环56同轴并与其对准取向的定子线圈62。每一个定子线圈62 具有两个端子62a、62b，并且在其朝向转子52面对空气隙60的侧上 有软磁性的相互啮合的极64突出。这些极64分别沿整个内圆周被设 置在相应内边缘处的软铁环盘66a、66b。极64按照爪极方式相互嵌 入，其中爪极面对转子52的永磁环56并且分别与各个单磁铁56a、 56b对准。这在图2中被详细示出。软铁环盘66a、66b中一个或二者 在其外边缘具有环岸(Ringsteg)66c，它被设计成使得在这两个软铁 环盘66a、66b的组合状态下将相应的定子线圈62封闭。这两个软铁 环盘66a、66b的极64通过距离而相互隔离。根据发电机(见图1) 中定子线圈或磁环的数目，图2中所示的配置被组装。

应该指出，在这里，将启动发电机集成到燃气轮机中是在低压涡 轮机区域中的低压轴处实现的；但是，这也可以在其他位置处实现。

对于每一个具有两个端子62a、62b的定子线圈62，设置要电子 控制的主动无功率源70，该主动无功率源70与相应的定子线圈62相 连。此外，设置至少一个与该无功功率源70相连的监控装置68，并 且在一个或多个定子线圈中的故障情形下，该监控装置提供用于主动 无功率源70的控制信号，从而相应定子线圈62的两个端子62a、62b 低阻地相互连接，或者说被短接。

已经显示，特别是对于这里所描述的航空领域中的应用的情况， 多种不同故障情形可以通过这种配置被检测并且被转换到安全的运 行状态。其中包括一个或多个定子线圈62的一个、多个或所有线匝 的短路，一个或多个定子线圈62的单一或多重接地，两个定子线圈 62之间的低阻连接，或者一个定子线圈62内的高阻连接，以及两个 定子线圈62之间的高阻连接。

监控装置68被设置为检测定子线圈62中的电流和定子线圈62 上的电压降，并将其相互比较，以便检测一个或多个定子线圈62中 的故障情形。此外，监控装置68被设置为借助于设置在一个或多个 定子线圈62上的温度传感器74检测定子线圈的发热，以便检测相关 定子线圈62的过载、短路或者相类似的情况。

此外，监控装置68被设置为借助于用于绝缘检查的电势监控电 路76来检测一个或多个定子线圈62的接地。为此设置的温度传感器 和电流/电压检测器在定子线圈上的准确定位由于简明概括的原因而 没有详细说明。

在图3中显示了主动无功功率源70。它具有两个用于电功率通 断的半桥80、82。这两个半桥80、82中每一个具有至少两个串联连 接的功率MOSFET半导体开关84、86；84’、86’。

半桥84、86中每一个都是具有控制输入端G(＝栅极)的N沟道 MOSFET。第一半导体开关84具有与高电压电势V_ss相连的第一功 率端子S(＝源极)，第二半导体开关86具有与低电压电势(V_DD)相连 的第二功率端子D(＝漏极)。

每个第一半导体开关84的第二功率端子D(＝漏极)与相应的第 二半导体开关86的第一功率端子S(＝源极)相连，从而形成用于定 子线圈62的端子62a、62b。每一个半导体开关84、86；84’、86’ 都具有内在的与各自半导体开关的两个功率端子并行的自振荡二极 管Di，这些自振荡二极管具有硅势垒二极管特性。

在高电压电势V_ss和低电压电势V_dd之间设置辅助电容器88。 MOSFET的控制在其控制输入端G处通过控制电路ECU经由(未进 一步示出的)栅极电阻而实现。

控制电路包括具有电势监控电路76和温度传感器74的监控装置 68。监控装置68通过检测定子线圈62中的电流或定子线圈62上的 电压降以及温度能够直接检测故障情形，并且在这种情况下，通过其 控制输入端G控制主动无功率源70，使得在两个半桥80、82中，第 二半导体开关86、86’保持导通并且第一半导体开关84、84’保持未触 发，或者第一半导体开关84、84’保持导通并且第二半导体开关86、 86’保持未触发。在这两种情况下，相应的定子线圈62被短接。即便 前面所述的装置源自借助于在发电机中本来就存在的变频器与监控 装置68共同作用地实现受控生成的短接，也可以强调，这也可以通 过与变频器无关的开关(半导体开关或继电器)来实现，并且被包括 在本发明中。

在这样产生的受控短接的情况下，相关定子线圈只还提供可能的 按份额的额定功率的非常小的部分，而换流器继续以被调节的方式将 (无功)电流如同馈入其他定子线圈一样也馈入到相关定子线圈中。 相关盘中的最大接受扭矩相对于其额定扭矩份额减小。因此，整个发 电机的最大可接受扭矩减小。但是，在输出非常小的功率或甚至空载 时出现故障的情况下，接受的扭矩可能由此自发地增大。

短路向其他定子线圈、特别是相邻定子线圈的扩展由于定子铁芯 的隔离而被排除。保护措施足够快地介入，以便防止定子线圈之间软 铁盘的烧穿或防止由于软铁盘的局部发热而损坏相邻线圈。

为了简洁，在图3中只显示了具有与其相对应的无功功率源/变 频器的定子线圈，其中无功功率源/变频器被分配给监控装置68。但 是，根据本发明，所有定子线圈被构造为使得各个无功功率源/变频器 被公共监控装置68馈送以控制信号，该监控装置从分布在发电机定 子的所有定子线圈处的传感器获取其信息。因为对于发电机运行，变 频器借助于电子控制器而被控制以使得定子线圈中的脉冲电流被转 换为相应的有效电流，所以这个电子控制器可以配备有相应的传感器 和电流/电压记录器并被相应地编程/配置，并且还可以承担监控装置 68的功能。

定子线圈62及其电流负荷被设计为使得在故障情况下从不出现 达到定子线圈62的额定磁通量的磁通量。因此，尤其在受控的导致 的短路情况下也可以实现，在本发明的一种有利实施形式中，通过短 接的定子线圈的持续电流小于额定电流的一半。这样的结构决定的小 短路电流意味着非常好的安全性。

定子线圈62分别由多个环段1a...4d构成(见图4)。在这个实 施形式中，环段大约是四分之一圆环，其中具有相同曲率半径的四个 环段一起构成具有间断的环。这里，多个环(在这个例子中是4个) 与其相邻的环基本上共心地设置。

各个环段1a...4d分别具有两个端部。通过这两个端部中的一个， 每个环段与径向上更外相邻的或更内相邻的环段相连。因此，例如， 环段2b在其一个端部与环段1a相连，在其另一端部与环段3c相连。

径向上位于最外或最内的环段1a、2a、3a、4a或1d、2d、3d、 4d在其两个端部中一个端部处与位于径向上最内或径向上最外的环 段相连。因此，例如环段1d在其一个端部与环段2a相连。

环段的各个端部与连接段90导电相连。环段的端部之间的连接 段90相互交叉。因此，图3a显示了连接段90如何配备有相应的、 相互匹配的、边缘侧切口92的一个实施形式。

总体上而言，通过上面描述的定子线圈的构造，可以实现特别安 全的、并且节省空间和紧凑的定子线圈62的配置。