用于涡轮机启动器/发电机的具有相变材料的电机的制作方法

本发明涉及航空器发动机，尤其涉及直升机的发动机。本发明尤其涉及安装在直升机发动机上的电机，该电机可以实现产生电能和/或使一些机械构件机动化的功能。这些电机可以是启动器-发电机、启动器、交流发电机或电泵，这些电机为直流电机或是交流电机。

背景技术：

航空器的发动机包括电机，该电机包括转子(旋转部)和定子(固定部)，定子包括磁路和电路，电路由一组绕组组成，该绕组由导线组成。

以已知的方式，这种电机具有主要在航空器发动机或航空器发动机所包括的一些装置的启动或加速序列期间所遇到的暂态工作阶段。

在这些暂态阶段期间，经受如此高应力的电机散发出对其自身有害的大量的热量，该热量主要散发在电路中和/或永磁体上(如果电路和/或永磁体包含在电机中的话)。

以已知的方式，为了促进散热并因此确保电机的完好性，组成电机的元件尺寸过大，这对电机质量和体积会产生不利影响。

实际上，电机的结构和尺寸由其热阻决定，这主要是其在这些导电绕组中所支持的电流的幅值的函数(例如，工作在28vdc的干线电压以及数kw或kva功率下的电机将会产生高达数百安培的高强度电流)。

为了优化电机的散热，已经知晓并使用了多种解决方案。

第一个解决方案使用自然对流，在电机的周围通过鳍状散热器的方式进行冷却以和周围环境具有大的交换表面。然而，这种解决方案具有大的体积和重量，并通常需要在电机周围的空气流动。

第二解决方案通过添加连接在电机转轴上的风扇进行强制对流，如此产生的该风扇的空气流动将会和电机外部和/或内部部件进行交换。然而，该解决方案具有大的体积并会产生额外的损坏源。

第三个选择通过注入在电机内部或在周围的专用管道中循环的液体(水、油、燃料等)进行强制冷却，并且大多需要有附加的交换器以确保冷却该液体。然而，该解决方案也具有大的体积和重量而且具有侵入性，并且需要相对更短的维护步骤(即，对密封的管理)。

第四种解决方案是通过热电模块(帕尔贴(peltier)效应)的方式进行冷却。然而，使用这种解决方案，仅能在局部区域实现冷却，并且还需要使得能够供应热电功率的稳定电源。

因此，在航空应用中，也就是说在对紧凑性、重量和可靠性有高约束的机载系统环境中，现有的解决方案并不令人满意。

技术实现要素：

本发明使得能够减少航空器发动机的电机的重量和尺寸，并使得能够改进电磁性能。

为此目的，本发明提出一种电机，该电机包括定子和转子，定子和转子配置成被驱动以相对于彼此旋转，该转子包括多个永磁体，该定子还包括磁路，该磁路包括向转子延伸的磁极，该电机包括：环绕每个磁极的、导电元件的绕组；和布置在导电元件内部和/或导电元件之间的至少一个散热器，该散热器包括相变材料。

有利地，通过以下特征，单独地或以其技术上可能的组合中的任意一种来完成本发明。

散热器布置在导电元件之间，所述散热器基本上是圆柱形，并且所述散热器沿着所述导电元件延伸。

该绕组是一组中空圆柱形导线。

该绕组是中空条绕组(barrecreux)。

该绕组形成为一个整体并且优选地根据增材制造方法得到。

相变材料采用具有高于大约一百摄氏度的固态-液态相变温度的盐或者有机化合物或共晶化合物的形式，该固态-液态相变温度根据电机的使用的约束进行调整，该固态-液态相变温度典型地在100℃和300℃之间。

除相变材料之外，所述散热器包括导电的至少一个元件以使得不会干扰所述电机中磁力线的循环。

相变材料能够在给定的温度范围内在固态和液态之间改变物理状态。

相变材料容纳于密封的金属外壳中，该外壳是导电的或是不导电的，并且是导热的。

散热器布置在导电元件内部，所述热导体的相变材料容纳于导热且导电的密封金属外壳中。

本发明还涉及直流电机或交流电机，例如包括根据本发明的电机的启动器-发电机，交流发电机和泵。

并且本发明还涉及航空器(例如直升机)的发动机，其包括根据本发明的启动器-发电机。

相变材料的使用使得冷却材料能够尽可能地接近发热元件。实际上，通过达到其熔化温度，因此通过从固态转变成液态，相变材料吸收了大量的热量。因而将会在发热元件和相变材料之间发生热转移。

本发明使得能够通过减小电机的重量来减小航空器发动机的整体重量。特别地，电机内部的铁磁成分(使用在电机的磁路中)的重量和铜(使用于电路的绕组)的重量会减少。

实际上，通过优化热转移使得其尽可能地靠近经受最高温度上升的元件，可以减少电机的重量和体积。

此外，不用增加附加系统(即，交换器、鳍状散热器...)，附件系统会损害电机的重量平衡、体积和可靠性。

附图说明

通过参考附图来阅读仅为描述性且非限制性的以下说明，本发明的其他特征、目的和优点将会变得明显，在附图中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的一种电机的示意性剖视图；

图2a和图2b示出了根据本发明的电机的导电元件的示图；

图3a、图3b、图3c示出了构成根据本发明的电机的绕组的导线的剖视图；

图4和图5示出了根据本发明的电机的根据两个变型的中空条绕组的示图；

图6示出了在包含绕组和相变材料的定子的凹槽内温度上升的曲线，该曲线是热应力持续时间(即与航空器发动机的启动有关的电机的暂态阶段)的函数。

在所有的附图中，相似的元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

在下文中，术语“相变材料”意为能够在给定温度范围中改变物理状态的材料，其将会从其周围的环境中吸收大量的热能以从固态转变为液态，并当材料从液态转变为固态使其冷却时恢复部分热能。这些相变材料是盐，该盐可包括硝酸盐或氢氧化物。材料从固态改变至液态发生在超过一百摄氏度至大约300摄氏度的温度处。

图1示出了根据本发明的一个实施例的一种电机。这种电机尤其使用在航空器发动机中。

图1的电机是永磁电机并包括定子1和转子2。

定子1包括磁路3。磁路3包括通常为圆柱形的周围部分6和向转子2延伸的磁极7，定子1包括电路4，电路4包括环绕磁路3的每个磁极7的n个导电元件41的绕组。在该附图中，导电元件41具有圆柱形截面但也可以设想其他截面。

转子2载有永磁体5。在图1中，电机包括6个永磁体5，也可以设想不同的数目。

该种类的电机的拓扑结构使得其能够运行在发电机模式(即，由于外部机械力矩使得转子2旋转，以及磁通量在电路4中的变化感应出电流)或者发动机模式(即，电路4的电源通过磁路3产生磁通量，其和来自磁体5的磁通量的互相作用产生了转子2的旋转，因此对外产生机械力矩)。

为了在上文所述的暂态阶段期间特别地促进电机的散热，提供了用于绕组的中空导电元件和容纳在至少一个导电元件内部和/或布置在导电元件之间的至少一个散热器8(见图2a和图2b，其描绘了导电元件41之间的散热器，其中，在导电元件内部具有或不具有散热器8)。

特别地，在图2a的示例中，圆柱形的散热器8在布置在导电元件41之间的空间中延伸，导电元件自身具有圆柱形导线的形状。散热器8沿着导电元件41、沿着与那些导电元件基本平行的延伸方向延伸。

如图3a、图3b、图3c中所描绘的，散热器8、8'、8”包括包含有相变材料82的外壳81、81'、81”。将外壳81、81'、81”密封以保持和限定处于液态的材料。

以非限制性的方式，在图3a中，散热器是圆柱形的以适应于绕组的、也是圆柱形的导电导线。当然，其他形状是可能的并取决于导电元件的形状：比如

图3b中的菱形，比如图3c中的星形。

根据应用，更尤其在用于航空器的更多电气应用的高功率电机的环境中，定子绕组(即，定子的绕组：电路)可以有利地是被称为“条绕组”的拓扑结构；也就是说圆柱形导线的线圈由大块的、均匀的和刚性的绕组替代以便具有更好的凹槽填充率(即，等于有效的铜表面/总凹槽表面的比率)并因此以便使得能够增加针对同样重量的电机的电功率，或者使得针对恒定功率需要的铜重量能够最小。

这种情况下的散热问题比由n根圆柱形导线组成的绕组的情况下要严重的多，因为当这些条绕组由超过khz的相对高频的交流电流供电时，焦耳损失通过“趋肤效应”(即，因为电流在功率频率增加期间越来越集中于导体的周围而使得导体的视在电阻减小)而增加。

图4描绘了条绕组50，其由电镀在一起的两个刚性导体50a和50b组成。两个导体50a、50b的形状使得该两个导体50a、50b限定壳体51，该壳体使得能够容纳在其内部的散热器(未示出)。在该图中，壳体51是“星”形，但是可以具有另一种形状。

有利地，如图5中所描绘的，条绕组形成为一个整体并包括一个或多个条。此外，在该图中，条绕组包括呈“菱形”的壳体。

有利地，条绕组形成为一个整体或包括一组单位条，并且通过增材制造方法(即，“选择性激光熔化”slm类型或类似类型)得到，该方法使得能够在绕组内制成复杂的形状，促进热转移的优化(即，在相变材料和导体之间的交换表面增加)，因此，壳体51包含散热器并因此使得能够限制温度的上升并确保高水平的可靠性(即，尤其是绕组绝缘体的强度)。

在导电元件内部设置有散热器的情况下，外壳和相变材料必须尽可能不去干扰磁路中磁力线的循环，外壳自身是金属并且是良好的导体。

仍然在这种情况下，相变材料根据定义是电绝缘体，除了相变材料外，散热器可以包括导电元件(例如碳纳米管)以同样使得电机磁路中的磁力线能够自由循环。

然而，在导电元件之间提供散热器的情况下，外壳是绝缘的以便不会有助于电流的传输。

相变材料采用具有高于大约一百摄氏度的固-液态相变温度的盐或者有机化合物或共晶化合物的形式，固-液态相变温度典型地优选地在100℃和300℃之间。相变材料可以例如是硝酸盐或氢氧化物(lino3、nano3、li2co3...)，优选地具有石墨。

图6描绘了温度随持续时间的上升：

曲线a对应于没有散热器时绕组温度的上升；

点线曲线对应于散热器温度的上升；

实线曲线对应于具有散热器的绕组温度的上升。

在图6中，曲线网络对应于被称为“rth”的多个热阻。该热阻表示热从一种介质转移至另一种介质的效率。rth的值越低，热转移发生得越有效率。在图6中，从a到c，热阻rth增加。

观察到在没有散热器时温度达到高于200℃，这例如会造成绕组的绝缘体的劣化。通过增加散热器并考虑到散热器和支承之间优化的热阻，敏感部件上所达到的最高温度保持在其极限温度之下。

以互补的方式，除了容纳由相变材料表示的散热器之外，在条绕组内部，散热器可以布置在电机的其他位置，如在本申请人名下的文件fr3012698中所述。

已在此描述了具有定子绕组的电机。当然，本发明还应用在具有转子绕组的电机上，其例如是被称为绕线转子同步电机的电机(即，在这种情况下，永磁体有利地被电磁体替代以产生磁通量)。

本发明还涉及直流电机或交流电机，例如包括如上所述电机的启动器-发电机，交流发电机和泵。

并且本发明还涉及航空器(例如直升机)的发动机，其包括根据本发明所述的电机。