专利名称：发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及发电机。
背景技术：
涡轮发动机且特别是燃气涡轮发动机(也称为燃气透平发动机)是旋转式发动机，其从通过发动机传送到多个涡轮叶片上的燃烧气体流中抽取能量。燃气涡轮发动机已经用于陆地和海上移动和功率发生，但是最普遍地用于航空应用，诸如用于飞机，包括直升机。在飞机中，燃气涡轮发动机用于推进航空器。燃气涡轮发动机可具有两个或更多个轴(spool)，包括提供整个推进系统推力的大部分的低压(LP)轴，以及高压(HP)轴，高压轴驱动一个或多个压缩机，并且通过在向后方向上引导排气产物来产生额外的推力。三轴燃气涡轮发动机包括第三中压(IP)轴。燃气涡轮发动机通常还对许多不同的附件提供功率，诸如发电机、启动器/发电机、永磁交流发电机(PMA)、燃料泵和液压泵，例如，用于在航空器上需要的、推进以外的功能的装备。例如，当代航空器需要电功率用于航空电子器件、马达和其它电气装备。与燃气涡轮发动机联接的发电机将把发动机的机械功率转化成对附件提供功率所需要电能。自耦变压器(ATU)通常用于功率应用中，以互连以不同的电压级别运行的系统，以及减少发电机的谐波含量和在整流器的输出处的脉动。在航空器中，自耦变压器典型地用来在发电机和整流器之间升高或降低电压。ATU与发电机分离，并且会增加发动机的重量和体积。此外，ATU通常需要强制液体冷却系统，这会对发动机增加额外的重量和体积。
发明内容
在一个实施例中，一种发电机包括定子，其具有三个主绕组；至少两个次绕组，其连接到三个主绕组中的各个上，以形成集成式自耦变压器单元；第一组导体，其连接到三个主绕组上；以及第二组导体，其连接到至少两个次绕组中的各个上。在另一个实施例中，一种燃气润轮发动机具有发电机，发电机包括定子，其具有三个主绕组；至少两个次绕组，其连接到三个主绕组中的各个上，以形成集成式自耦变压器单元；第一组导体，其连接到三个主绕组上；以及第二组导体，其连接到至少两个次绕组中的各个上。
在附图中
图1是用于航空器的燃气涡轮发动机的示意性横截面 图2是用于图1的燃气涡轮发动机的电功率系统架构的示意性框图，该系统架构具有根据本发明的第一实施例的具有集成式自耦变压器单元的发电机；
图3是具有图2的电功率系统架构的集成式自耦变压器单元和AC-DC功率转换器的发电机的电气图。
图4是用于具有图3的集成式自耦变压器单元的发电机的定子绕组的电气 图5是用于图4的定子绕组的绕组向量 图6是用于图1的燃气涡轮发动机的电功率系统架构的示意性框图，该系统架构具有根据本发明的第二个实施例的集成式自耦变压器单元；
图7是具有图6的电功率系统架构的集成式自耦变压器单元和AC-DC功率转换器的发电机的电气图。图8是用于具有图3的集成式自耦变压器单元的发电机的定子绕组的电气 图9是用于图8的定子绕组的绕组向量 图10是用于图1的燃气涡轮发动机的电功率系统架构的示意性框图，该系统架构具有根据本发明的第三实施例的集成式自耦变压器单元的发电机；
图11是具有图10的电功率系统架构的集成式自耦变压器单元和AC-DC功率转换器的发电机的电气图。部件列表
10燃气涡轮发动机
12风扇区段
14风扇
16 LPC
18 HPC
20燃烧区段
22 HPT
24 LPT
26 HP 轴
28 LP 轴
30 HPT转子
32叶片
34叶片平台
36叶片尖部
40电功率系统架构
42左发动机系统
44右发动机系统
46辅助功率单元(APU)
48外部功率源(EPS)
50 DC 输出(APU)
52 DC 输出(EPS)
54 APU启动器-发电机
56 ATU集成式启动器-发电机(HP)
58 ATU集成式发电机(LP)
60功率发生区段 62 ATU区段64副齿轮箱66三相输出功率供应68九相功率输出70功率发生区段72 ATU区段74恒速驱动器(CSD)
76三相输出功率供应78九相功率输出80 DC功率输出82第一整流器装置84第一滤波器86第一电气母线88 DC功率输出90第二整流器装置92第二滤波器94第二电气母线96马达-启动器控制器98a-c初级绕组100a-1次绕组102中性点104a-c分接头106a_c相输出108a-1导体110第一整流器电桥112第一二极管114第二整流器电桥116第二二极管118第三整流器电桥120第三二极管122a-b第一输出124a_b第二输出126a_b第三输出128第一相间变压器130第二相间变压器132第一输出134第二输出140系统架构142功率输出144功率输出146a-f次绕组 148a-f导体 150a_c导体 160系统架构 162 AC功率输出 164 AC母线 166a-c次绕组 168a_c导体 A1-A3主向量 X1-Z2子向量 O原点 P点 LI长度 L2长度 L3长度 d距离 α角度 Θ1角度 Θ2角度 Θ3角度 E端点。
具体实施例方式本发明的描述的实施例大体涉及用于将机械功率转换成电功率的发电机。关于用航空器发动机产生功率，并且更具体而言关于具有使得能够用涡轮发动机(优选燃气涡轮发动机)产生电功率的至少一个发电机的电功率系统架构来描述本发明的实施例。但将理解的是，本发明不受此限制，而是可一般地应用于非航空器应用(诸如其它移动应用和非移动性工业、商业和民用应用)中的电功率系统架构。图1是用于航空器的燃气涡轮发动机10的示意性横截面图。发动机10以下游串行流的关系包括风扇区段12 (其包括风扇14)、增压器或低压(LP)压缩机16、高压(HP)压缩机18、燃烧区段20、HP涡轮22和LP涡轮24。HP轴杆或轴26以传动的方式将HP涡轮22连接到HP压缩机18上，并且LP轴杆或轴28以传动的方式将LP涡轮24连接到LP压缩机16和风扇14上。HP涡轮22包括HP涡轮转子30，HP涡轮转子30具有安装在转子30的周边处的涡轮叶片32。叶片32从叶片平台34沿径向向外延伸到径向外部叶片尖部36。图2是根据本发明的第一个实施例的电功率系统架构40的示意性框图。系统架构40包括多个发动机系统，在本文中将其显示为包括至少左发动机系统42和右发动机系统44。左发动机系统42和右发动机系统44可为基本相同的；因此，为了简洁，将仅详细描述左发动机系统42。左发动机系统42可包括图1中显示的燃气涡轮发动机10的HP轴26和LP轴28，但是系统架构40也可应用于其它发动机。本文显示的左发动机系统42使用两个轴(即HP轴26和LP轴28)提供的机械功率。但是，也可在具有不止两个轴的发动机(诸如除了 HP和LP轴之外，具有中压轴的3轴发动机)上实现系统架构40。系统架构40可进一步包括航空器的辅助功率单元(APU) 46和外部功率源(EPS) 48。如本文显示的那样，APU 46和EPS 48各自分别具有DC输出50、52。在示出的实施例中，左发动机系统42包括第一自动变压器单元(ATU)集成式发电机56，其在本文中显示为ATU集成式启动器-发电机56，其构造成用HP轴26供应的机械功率产生变频(VF)AC功率；以及第二 ATU集成式发电机58，其构造成用LP轴28供应的机械功率产生恒频(CF)AC功率。ATU集成式启动器-发电机56包括功率发生区段60和ATU区段62。如下面将更加详细地阐明的那样，通过在功率发生区段60的电绕组上结合进行功率变换必要的一些电绕组来使ATU区段62与功率发生区段60结合。这基本消除了功率发生区段60和ATU区段62中的绕组加倍，这可转化成航空器的重量和成本的节约。HP轴26可通过HP传动组件而可操作地与ATU集成式启动器-发电机56联接，HP传动组件具有机械地联接到HP轴26上的输入和机械地联接到功率发生区段62上的输出。HP传动组件的一个实施例是副齿轮箱64，其中，ATU集成式启动器-发电机56可安装和联接到副齿轮箱64上。在副齿轮箱64内，功率也可传递到其它发动机附件。ATU集成式启动器-发电机56的功率发生区段60将HP轴26供应的机械功率转换成电功率，并且产生具有三相输出的功率供应66。ATU集成式启动器-发电机56的ATU区段62用来将功率供应66的三相输出变换成九相功率输出68，以及提高功率供应的电压。ATU集成式启动器-发电机56还对航空器提供启动功能。备选地，在左发动机系统42的HP侧上的ATU集成式发电机56可包括不对航空器提供启动功能的发电机。在这种情况下，可提供连接到副齿轮箱60上的单独的启动器马达，以对航空器执行启动功能。另夕卜，左发动机系统42可包括从HP轴26中吸取机械功率来产生功率的多个发电机，以便提供冗余措施。ATU集成式发电机58包括功率发生区段70和ATU区段72。LP轴28可通过LP传动组件来可操作地与ATU集成式发电机58联接，LP传动组件具有机械地联接到LP轴28上的输入和机械地联接到功率发生区段70上的输出。LP传动组件的一个实施例是将来自LP轴28的变速输入转换成恒速的恒速驱动器(CSD) 74。如本文显示的那样，CSD 74可机械地联接到ATU集成式发电机58上，并且以恒速驱动功率发生区段70。ATU集成式发电机58的功率发生区段70将LP轴28供应的机械功率转换成电功率，并且产生具有三相输出的功率供应76。ATU集成式发电机58的ATU区段72用来将功率供应76的三相输出变换成九相功率输出78，以及提高功率供应的电压。由于CSD的原因，功率供应66、76将具有恒定的频率。备选地，可去除CSD 74，以产生VF功率输出。虽然本文显示的实施例被描述成在左发动机系统42的LP侧上使用一个ATU集成式发电机58，但是本发明的另一个实施例可使用从LP轴28吸取机械功率来产生AC功率的多个ATU集成式发电机58，以便提供冗余措施。另外，虽然在本文中描述了单独的ATU集成式发电机58和CSD 74，但是可备选地使用将CSD 74和ATU集成式发电机58结合到共同单元中的集成式驱动发电机。来自集成式ATU集成式启动器-发电机56的功率输出68供应到第一 AC/DC转换器，以将AC功率输出68转换成DC功率输出80。如所示出的那样，第一 AC/DC转换器可包括第一整流器装置82和第一滤波器84，以将AC电压转换成DC电压，以及在电流流供应到第一电气母线86之前校平电流流。类似地，来自ATU集成式发电机58的功率输出78供应到第二 AC/DC转换器，以将AC功率输出78转换成DC功率输出88。如所示出的那样，第二AC/DC转换器可包括第二整流器装置90和第二滤波器92，以将AC电压转换成DC电压，以及在电流流供应到第二电气母线94之前校平电流流。马达-启动器控制器96可选择性地将来自第一电气母线86的功率提供给ATU集成式启动器-发电机56，以起动航空器的启动程序。通过如图2显示的那样将马达-启动器控制器96连接到ATU集成式启动器-发电机56的特定位置上，可使马达-启动器控制器96与ATU集成式启动器-发电机56结合，以启动发动机。三相马达-启动器控制器96连接到三相功率供应66上，以驱动ATU集成式启动器-发电机56，使其作为用于启动发动机的三相启动器。第一电气母线86和第二电气母线94构造成将DC功率供应给需要DC功率供应的一个或多个负载(未显示)。可选择性地连接第一电气母线86和第二电气母线94，以使得负载能够由HP轴26和LP轴28分担。在运行中，随着燃气涡轮发动机10的启动，HPT22旋转HP轴26，并且LPT24旋转LP轴。副齿轮箱64由旋转的HP轴26驱动，并且将来自HP轴26的机械功率传输到ATU集成式启动器-发电机56。ATU集成式启动器-发电机56将HP轴26供应的机械功率转换成电功率，并且产生DC功率输出80。CSD 74由旋转的LP轴28驱动，并且将来自LP轴28的机械功率传输到ATU集成式发电机58。ATU集成式发电机58将LP轴28供应的机械功率转换成电功率，并且产生DC功率输出88。可将功率输出80、88分别提供给电气母线86、94，电气母线86、94构造成 将DC功率供应给需要DC功率供应的一个或多个负载(未显示)。取决于吸取功率的负载的类型，在由负载使用之前，系统架构40所抽取的DC功率可经历进一步的处理。也可将APU 44和EPS 48的DC功率输出50、52提供给电气母线86、94。左发动机系统42和右发动机系统44、APU 46和EPS 48可如需要的那样对航空器的多种负载提供DC功率。左发动机系统42、右发动机系统44、APU 46和EPS 48的多种DC输出与合适的开关结合，以对航空器提供不间断功率传递(NBPT)。图3是用于图2的电功率系统架构40中的ATU集成式启动器-发电机56和第一AC-DC功率转换器的电气图。第一 ATU集成式发电机56和第二 ATU集成式发电机58以及AC-DC功率转换器对于HP轴26和LP轴28两者可基本相同；因此，为了简洁，将在图3中仅详细描述左发动机系统42的HP侦U。ATU集成式启动器-发电机56可具有带有三个主绕组或初级绕组98a至98c和九个次绕组IOOa至IOOi的定子。主绕组98a至98c各自具有连接到共同中性点102上的中性端，以及连接到三相输出功率供应66的一个相输出106a至106c上的分接头(tap) 104a至104c。通过导体或导线来对三相马达-启动器控制器96 (图2)提供相输出106a至106c。次绕组IOOa至IOOi以相关联的三个一组的方式连接到主绕组98a至98c上的分接头104a至104c中的一个上，并且构造成产生九相功率输出68。在示出的实施例中，初级绕组98a至98c布置成Y形构造，其中，集成式ATU的整体构造为星形连接构造。备选地，初级绕组98a至98c可布置成Λ形构造，其中集成式ATU的整体构造是Λ形或扩展Λ形连接构造。
九相功率输出68通过导体108a至108i而输送到整流器装置82。导体108a至108i可为导线。整流器装置82可与发电机56集成或包装在一起，或者可与发电机56分开来提供整流器装置82。整流器装置82可包括包含多个二极管的三个整流器电桥。二极管的数量等于ATU集成式启动器-发电机56的期望的脉冲数。如本文显示的那样，存在十八个二极管，所以脉冲数为十八。也可使用其它数量的二极管，诸如12、18、24、6的其它倍数等。一种适当类型的二极管由碳化硅(SC)制成，因为其耐温能力高。可使用二极管之外的整流装置。虽然示出的集成式启动器-发电机56显示为具有为十八的脉冲数，但如上面提到的那样，启动器-发电机56可构造成具有其它脉冲数。例如，通过提供两个而非三个次绕组100，可提供具有为十二的脉冲数的发电机。在另一个示例中，通过提供四个而非三个次绕组100，可提供具有为二十四的脉冲数的发电机。如示出的那样，导体108a、108e和108i连接到具有六个二极管112的第一整流器电桥110上，导体108c、108d和108h连接到具有六个二极管116的第二整流器电桥114上，并且导体108b、108f和108g连接到具有六个二极管120的第三整流器电桥118上。在导体108a、108e和108i上可用的三相被第一整流器电桥110整流，其中，二极管112在两个第一输出122a和122b之间输送第一 DC电压。在导体108c、108d和108h上可用的三相被第二整流器电桥114并行地整流，其中二极管116在两个第二输出124a和124b之间输送第二 DC电压。在导体108b、108f和108g上可用的三相也被第三整流器电桥118并行地整流，其中，二极管120在两个第三输出126a和126b之间输送第二 DC电压。来自各个整流器电桥110、114、118的输出122a、124a和126a联接到第一相间变压器128上,第一相间变压器128吸收输出122a、124a和126a之间的瞬时电压差。来自各个整流器电桥110、114、118的另一个输出122b、124b和126b联接到第二相间变压器130上，第二相间变压器130吸收输出122b、124b和126b之间的瞬时电压差。在第一相间变压器128和第二相间变压器130之间的线圈的接合点分别形成第一输出132和第二输出134，第一输出132和第二输出134连接到滤波器84上。图4是用于图3的ATU集成式启动器-发电机56的ATU区段62的定子绕组的电气图。如上面论述的那样，各个主绕组98a至98c从共同中性点102延伸到分接头104a至104c中的一个。第一主绕组98a上的次绕组IOOa至IOOc分别从分接头104a延伸到端子Al、A2、A3。第二主绕组98b上的次绕组IOOd至IOOf分别从分接头104b延伸到端子B1、B2、B3。第三主绕组98c的次绕组IOOg至IOOi分别从分接头104c延伸到端子C1、C2、C3。图5是用于图4的ATU集成式启动器-发电机56的ATU区段62的定子绕组的绕组向量图。绕组向量图可用来设计用于ATU集成式启动器-发电机56的ATU区段62的定子绕组。本文示出了定子绕组具有为十八的脉冲数，但是，定子绕组也可构造成具有为6的其它倍数的脉冲数，诸如12、18、24等。如可看到的那样，向量图包括从共同原点O发源的九个主向量Al、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3，共同原点O对应于图4中的定子绕组的中性点102。主向量A1-C3表示被导体108a至108i输送到图3中的整流器装置82的相输出。主向量A1-C3的幅度或长度V表示产生的AC电压，并且各个主向量A1-C3的方向或定向表示产生的AC电压的0° -360°的相位。如本文显示的那样，主向量A1-C3可具有相同的长度V，但是在相位上相差角度a。主向量A1-C3可分成组，使得主向量Al、B1、Cl表示一个三相输出，主向量A2、B2、C2表示另一个三相输出，并且主向量A3、B3、C3表示其它三相输出。主向量A1、B1和Cl中的各个包括从点P(其对应于图4中的分接头104a_c)发源而与其它主向量A2、A3、B2、B3、C2、C3中的一个相遇的两个子向量X1、X2、Yl、Y2、Zl、Z2。在共同原点O和点P之间的距离表示为长度LI。从点P到主向量Al的末端的距离表示为长度L2。因而，主向量Al的长度V，以及因此所有其它主向量A2、A3、B2、B3、C2、C3的长度V由以下关系给出
V = IiK -l· I￡2I
子向量X2以角度Θ I从主向量Al延伸到主向量A3，并且具有长度L3。虽然在图5中未显示，但是其它子向量X2、Y1、Y2、Z1、Z2也具有长度L3，并且以等于Θ I的角度从相关联的主向量延伸。主向量Al和A3的末端分开距离d，距离d与长度L2和L3 —起形成具有限定内角Θ1、Θ 2和Θ 3的顶点的三角形。可选择长度L1-L3和角度Θ I和α，以设计用于图3的ATU集成式启动器-发电机56的ATU区段62的定子绕组。角度α、Θ1、Θ 2和Θ 3取决于脉冲数N，并且它们之间的关系由以下等式给出
权利要求
1.一种发电机，包括定子，其具有三个主绕组；至少两个次绕组，其连接到所述三个主绕组中的各个上，以形成集成式自耦变压器单元;连接到所述三个主绕组上的第一组导体；以及连接到所述至少两个次绕组中的各个上的第二组导体。
2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述至少两个次绕组包括三个次绕组。
3.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述三个次绕组以Λ形构造连接到彼此上。
4.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述三个主绕组以Y形构造连接到彼此上。
5.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述三个主绕组以Λ形构造连接到彼此上。
6.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述集成式自耦变压器单元构造成以六的倍数传输脉冲。
7.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述集成式自耦变压器单元包括为12、 18和24中的一个的脉冲数。
8.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述发电机进一步包括连接到所述第一组导体中的各个上的第三组导体。
9.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述发电机进一步包括一个额外的绕组，其连接到所述三个主绕组中的各个上，并且构造成将AC功率输送到母线。
10.一种燃气涡轮发动机，包括根据权利要求1所述的发电机。
11.根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述发电机进一步包括转子，所述转子可操作地与所述燃气涡轮发动机的轴联接。
全文摘要
本发明涉及发电机。一种例如用于燃气涡轮发动机(10)的发电机(56，58)，包括具有次绕组(100a-100i，146a-146f)的集成式自耦变压器单元(62，72)，次绕组(100a-100i，146a-146f)连接到主绕组(98a-98c)上。
文档编号H02K3/28GK103036342SQ20121036717
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月28日 优先权日2011年10月7日
发明者X.贾, 黄豪 申请人:通用电气公司