專利名稱：減少電機電樞中的諧波損失的制作方法
該發(fā)明是按照與美國海軍的合同在美國政府支持下完成的。美國政府對該發(fā)明擁有某些權(quán)利。
本發(fā)明涉及電機，尤其涉及減少交流(AC)電機中的諧波損耗。
電機既可以是電動機，也可以是發(fā)電機。為了具體起見，并且通過例子，本發(fā)明被描述為應(yīng)用于一種具有一個圓柱形電樞的交流同步電動機。然而，下面的描述和本發(fā)明同樣適用于具有一個園柱形電樞的交流同步發(fā)電機以及其它型式的回轉(zhuǎn)式電機。
普通的圓柱形電樞交流同步電動機通常采用一種實心的可磁化的鍛鋼電樞。磁場繞組鑲?cè)胙仉姌休S向延伸的縱向槽內(nèi)，并供以直流(DC)激磁電流來形成電樞中二磁極的磁場。電樞以可旋轉(zhuǎn)的方式安裝于定子內(nèi)，定子一般由一疊相互絕緣的薄層磁性金屬片組成。該定子包括一些由產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場的交流電流激磁的繞組。定子中旋轉(zhuǎn)磁場與電樞中感應(yīng)的磁場相互作用使電樞以現(xiàn)有技術(shù)中熟知的方式轉(zhuǎn)動。
某些型式的交流電動機按照直流電源來控制電動機，或者按照具有不同于電動機為達到希望的轉(zhuǎn)速所需的頻率的這一頻率的交流電源來控制電動機，或者按照恒定頻率的交流電源來改變供以電動機的頻率以便在驅(qū)動電動機時控制電動機的轉(zhuǎn)速。給這些電動機提供所需要的輸入功率的通常方法包括采用轉(zhuǎn)換載荷的逆變器或雙向離子變頻器。于1989年6月27日公布的授于M.R.Shah的轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的同一受讓人的美國專利US-4，843，271中，敘述了適用于本發(fā)明的一種電流源逆變器結(jié)構(gòu)和一種雙方離子變頻器結(jié)構(gòu)，該專利指出電流逆變器或雙方離子變頻器的應(yīng)用產(chǎn)生了具有較高頻率的諧波，這些高頻在電動機電樞的表面內(nèi)又感應(yīng)出電渦流。這些電渦流消耗了功率，并降低了電動機的效率，而同時給以電動機有害的加熱。功率損耗與加熱由于因鋼質(zhì)電樞而引起的較高的相對于電流的電阻率是值得注意的。公眾對于由產(chǎn)生電功率而引起的污染的關(guān)注，以及對于在產(chǎn)生電功率方面的能源損耗的關(guān)注業(yè)已對高效率電動機與發(fā)電機產(chǎn)生一種增強了的與繼續(xù)不斷的要求。在上述的美國專利US-4，843，271中，這些不希望有的特性由于覆蓋電樞表面10%以上部位的高導(dǎo)電率金屬而減弱，而在一個實施例中，將電樞導(dǎo)體保持在縱向槽內(nèi)的燕尾插件均涂以紫銅。本發(fā)明構(gòu)成了對上述美國專利US-4，843，271如下所述的改進。
本發(fā)明的一個目的是要提高交流電動機或發(fā)電機的效率，而同時改進把導(dǎo)體保持在電樞上各槽中的插件。
本發(fā)明的另一個目的是要把交流電動機或發(fā)電機中由于電樞內(nèi)諧波感應(yīng)的電渦流而引起的損耗減至最小。
本發(fā)明的再一個目的是要降低交流電動機或發(fā)電機的冷卻要求。
考慮到上述目的，本發(fā)明的這些和另一些目的通過采用密封與覆蓋電樞總成上導(dǎo)體與通風(fēng)槽的端部的插件來構(gòu)成圍繞電動機電樞的大體園柱形低電阻率外包圍層來達到。這些插件，在帶有園周翼形凸塊的橫截面內(nèi)大致呈I形，這些翼形凸塊覆蓋槽的園周端部，并在其上延伸，使這些翼形凸塊大致鄰接，翼形凸塊經(jīng)插件的中央部連接于包括傾斜表面與底面延伸部的鎖定部，它們跟槽壁上的傾斜面及溝槽配合，跟插件接合，將其鎖定在應(yīng)有的位置，并阻止電樞旋轉(zhuǎn)時因離心力而引起的導(dǎo)體徑向移動。
該插件由低電阻率的導(dǎo)熱材料，諸如紫銅制成，以便將熱量傳導(dǎo)到電樞總成的外側(cè)表面，在那里，翼形凸塊構(gòu)成了大的冷卻表面。此外，插件的低電阻率表面使高頻感應(yīng)電渦流功率損耗及熱量產(chǎn)生減至最少，這樣，由于減少了功率損耗與減少了發(fā)熱就進一步提高了電動機的功率系數(shù)，而同時為改善冷卻創(chuàng)造了條件。


圖1 是體現(xiàn)本發(fā)明一個實施例的轉(zhuǎn)子總成的橫截面;
圖2 是圖1一部分的放大視圖;
圖3 以簡略方式表示二極電機中電樞的導(dǎo)體與極區(qū)的位置;
圖4 是電樞的軸側(cè)圖;
圖5 是本發(fā)明的另一實施例，表示冷卻裝置已改進。
首先參照圖1，2和4，實心的鍛鋼電樞10包括一根自電樞中央22一端向外軸向延伸的軸12。軸12以圍繞旋轉(zhuǎn)軸線14的旋轉(zhuǎn)方式支承(未表示出)。導(dǎo)體或磁槽，諸如16，18和20沿電樞10的中央?yún)^(qū)22軸向延伸。如在圖3中清楚表示的，中央?yún)^(qū)22包括沿直徑方向相對的導(dǎo)體區(qū)30和32，及介于導(dǎo)體區(qū)之間的二極區(qū)34和36，分別表示為N.S極。在導(dǎo)體區(qū)30和32內(nèi)的諸如16，18和20的導(dǎo)體槽各包括許多配置于該槽內(nèi)諸如44和46的導(dǎo)體，諸如48的插入件沿著這些槽的外周固定于電樞10的中央?yún)^(qū)22，為的是電動機高速運轉(zhuǎn)期間把諸如44和46的導(dǎo)體保持在原位。也就是說，插入件48防止電動機旋轉(zhuǎn)的離心力迫使該導(dǎo)體自槽向外并和旋轉(zhuǎn)軸14分離。
參照圖2和5，可以清楚地看到插入件48的外形。參照圖2和5，插入件48(包括插入件48a和48b)各包括一對翼形凸塊54和56，它們覆蓋在電樞10的中央?yún)^(qū)22的外表面上，它們是由為端面66和68連接的一園周表面56和一內(nèi)表面60構(gòu)成的。插入件48的中央部位70把翼形凸塊54和56由向外傾斜表面80和82連接到該延伸部或鎖緊部84。沿在電樞10中央?yún)^(qū)22內(nèi)的諸如16，18和20的導(dǎo)體槽制出的諸如92的凸肩(見圖5)跟包括插入件48的斜面80和82的中央部位70的輸廓相匹配，以便在把導(dǎo)體44和46安放到導(dǎo)體槽內(nèi)，它們軸向滑動到電樞的中央?yún)^(qū)后，使該插入件保持在應(yīng)有的位置。溝槽93和95沿諸如16，18，20和106的導(dǎo)體槽軸向延伸，和插入件48的基本延伸部84相一致，并包圍它們。
插入件48由具有低電阻率和充份機械強度的紫銅或銅合金制成。假如插入件48的強度要求高于通過采用紫銅或銅合金所能得到的，那么可采用包覆紫銅的鋼插入件，該紫銅包覆層由爆炸粘接、電鍍或通過其它一些工藝來形成的。
在一個實施例中，在圖1，2和5中表示的插入件48，其園周表面58寬為2.28英寸，中央部位70寬為1.01英寸，凸塊84寬為1.47英寸，向外傾斜表面80與82相對于徑向的角度為40°。插入件48相對于旋轉(zhuǎn)軸線14的徑向高度為1.05英寸，延伸部84的徑向厚度為0.34英寸，端面66和68的徑向厚度為0.10英寸。在本發(fā)明的這一實施例中，在二相鄰軸向?qū)w槽之間，諸如16和18，18和20的夾角是8.2度，導(dǎo)體槽，諸如16，18和20自圓周表面58至底部的深度為7.44英寸，底部可以是園形的，軸向通風(fēng)槽102的深度為1.04英寸。當然，插入件48的尺寸根據(jù)電樞的大小及其它的設(shè)計考慮而變化。
為了把電樞10的低電阻率表面覆蓋范圍提高到90%以上，以便使因電渦流引起的諧波而造成的功率損失降至最小，并加強熱傳導(dǎo)和冷卻，插入件，諸如100(見圖1)也是沿極區(qū)34和36(見圖3)軸向插入的。這些插入件并不保持導(dǎo)體，但部分地為完成包圍在由諸如44和46的導(dǎo)體形成的磁場線圈區(qū)內(nèi)電樞的大致整個園周的低電阻率外層和通路創(chuàng)造了條件。諸如16，18和20的這些軸向?qū)w槽同時構(gòu)成導(dǎo)體通風(fēng)道，如106，108和110，它們在導(dǎo)體44和46下軸向通過電樞10的中央?yún)^(qū)22。
在極區(qū)34和36內(nèi)的諸如102和104的通風(fēng)槽以及在導(dǎo)體管30和32內(nèi)的諸如106，108和110的導(dǎo)體通風(fēng)槽為通過電樞的冷卻空氣軸向流提供了通道。除了引導(dǎo)冷卻空氣流流經(jīng)諸如102，104，106，108和110的軸向通風(fēng)槽之外，紫銅或紫銅覆蓋層插件48與100提供了改善的熱傳導(dǎo)通路，從內(nèi)側(cè)將電樞的熱量傳導(dǎo)到轉(zhuǎn)子10的外面，然而進入由電樞10轉(zhuǎn)過定子產(chǎn)生的在電樞與其包圍定子之間的空氣流內(nèi)。這就大大地增強了電動機電樞10的冷卻能力。此外，電樞的低電阻率紫銅覆蓋層提高到大約99%的數(shù)量級的電樞提供了比一般鍛鋼電樞低一個數(shù)量級以上相對于電渦流的電阻率。即使在同一等級感應(yīng)電渦流的情況下，其功率損失也顯著降低。因為功率損失與在電樞中產(chǎn)生的熱量均和電阻直接相關(guān)，因此，功率損失與所產(chǎn)生的熱量隨著電渦流的減少而顯著減少。所產(chǎn)生的熱量的減少還減少了為供應(yīng)大量冷卻空氣或流體所需的功率輸出量，這些冷卻空氣或流體本來經(jīng)諸如102，104，106，108和110的通風(fēng)槽須要提供的。
已經(jīng)估算出，由于諧波引起的電渦流而產(chǎn)生的功率超過每平方米50千瓦或每平方英寸30至35瓦。在大型電動機中，這會產(chǎn)生巨大的功率損失，并在電樞10的表面上和在電動機中還引起不希望或不能接受的高溫。
圖5還表示了在極區(qū)34和36內(nèi)軸向通風(fēng)槽的另一實施例。參照圖5，可以看出，在插件48下面的軸向通道槽114部位其橫截面大致為半園形，而相對于電樞總成10的旋轉(zhuǎn)軸線14徑向所取的插件橫截面大致為I形。槽的半園形部位便利于槽的制造。
在某些應(yīng)用場合下適于插件48的高強度和高導(dǎo)電率紫銅為鉻銅和鋯銅。要注意到在圖2中插入48及不同于插件48b，其中插件48a在園周上有一紫銅涂層或一紫銅層，而該插件的其余部分是鋼，以提高強度。實際上，各別電機的尺寸、轉(zhuǎn)速和其它的運轉(zhuǎn)特性取決于插件48是否由紫銅制成，還是由紫銅合金或復(fù)蓋紫銅的鋼制成。而且，在特殊應(yīng)用中和在電動機中，所有的插件通常是同樣滿足那電動機與所述應(yīng)用場合的技術(shù)規(guī)格與要求。該紫銅覆蓋層118可通過電鍍術(shù)或爆炸粘接或某些其它和工藝來應(yīng)用。爆炸粘接是一種提供“冷焊”的作業(yè)，其中插件48a被“爆炸”壓入要被“焊接”或粘接于該插件的覆蓋層118。涂層或覆蓋層118所需要的厚度部分取決于各電動機總成10所承受的諧波頻率。隨著諧波頻率增加。感應(yīng)電渦流穿透的深度減小。此外，紫銅涂層118的厚度應(yīng)足以傳導(dǎo)電樞10所承受的電渦流值。處于千分之50至大約250英寸量級的厚度就大多數(shù)電動機來說似乎是滿意的。上述美國專利US-4，843，271為通過涂覆至少某些燕尾楔塊來涂覆至少10%的電樞表面積的燕尾楔塊提供了一種高導(dǎo)電率涂層。
因此，本發(fā)明的經(jīng)改善的翼形插件48與電樞10的結(jié)構(gòu)能使并達到大致沿整個轉(zhuǎn)子的低電阻率電渦流通道超過90%，而且改善了冷卻空氣流，這些大大地提高了電動機效率，及降低了對電動機的冷卻要求。此外，翼形插件提供了改善的電樞導(dǎo)熱率，從而改善了在電樞10總成外表面上的熱擴散，該槽與插件的結(jié)構(gòu)有利于電樞制造與裝配。
盡管本發(fā)明已被描寫成應(yīng)用于電動機，然而它同樣適用于發(fā)電機，此外，盡管本發(fā)明是按照其某些優(yōu)先實施例來敘述的，然而，應(yīng)當理解，在不背離本發(fā)明的精神與范圍的情況下，在結(jié)構(gòu)細節(jié)、部件的配置與組合，以及所用材料的種類方面可以作出許多變更。
權(quán)利要求
1.一種電機電樞總成，包括一個包括大致園柱形中央?yún)^(qū)的適于繞某一旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的大致實心電樞；一些沿所述中央?yún)^(qū)園周軸向延伸的導(dǎo)體槽，該中央?yún)^(qū)形成被至少二個極區(qū)隔開的至少二個導(dǎo)體區(qū)；配置于所述導(dǎo)體槽內(nèi)并適于被激磁以便在所述極區(qū)內(nèi)形成磁極的磁場導(dǎo)體；若干沿所述極區(qū)園周軸向延伸的通風(fēng)槽；所述導(dǎo)體槽和通風(fēng)槽具有沿所述大致園柱形中央?yún)^(qū)的園周軸向延伸的大致平行的側(cè)面；保持在所述導(dǎo)體槽和通風(fēng)槽內(nèi)的插件；所述插件的表面與所述電樞的電阻率相比至少是屬于低電阻率材料；所述插件包括連接翼形凸塊和基本延伸部分的中央部分；所述翼形凸塊覆蓋所述導(dǎo)體槽和通風(fēng)槽的側(cè)面并構(gòu)成環(huán)繞所述電樞中央?yún)^(qū)的大致園柱形插件表面，所述插件的翼形凸塊配置大致接近于相鄰的插件；在所述電樞中的槽跟所述基本延伸部配合以限制所述插件朝所述電樞園周作徑向移動。
2.按權(quán)利要求1所述的電機電樞，其特征在于所述基本延伸部通過向中央部位延伸并向內(nèi)傾斜的表面連接于所述中央部位，所述導(dǎo)體槽和通風(fēng)槽包括限制插件向離開電樞軸線的方向徑向移動的配合傾斜表面。
3.按權(quán)利要求2所述的電機電樞，沿所述極區(qū)的園周軸向延伸的通風(fēng)槽中的至少某些是適于能使冷卻流體通過其間流動。
4.按權(quán)利要求3所述的電機電樞，其特征在于所述翼形凸塊包括一個遠離所述旋轉(zhuǎn)軸線的園弧表面，以形成所述大致園柱形插件表面的沿園周延伸的弧度。
5.按權(quán)利要求1所述的電機電樞，其特征在于所述大致園柱形插件表面覆蓋所述電樞園周90%以上。
6.按權(quán)利要求1所述的電機電樞，其特征在于沿所述極區(qū)園周軸向延伸的通風(fēng)槽的徑向深度小于所述導(dǎo)體槽的徑向深度，并與所述插件配合構(gòu)成通風(fēng)槽。
7.按權(quán)利要求1所述的電機電樞，其特征在于所述插件包括一個在相對于旋轉(zhuǎn)軸線的徑向方向上呈大致I形的橫截面。
8.按權(quán)利要求7所述的電機電樞，其特征在于所述導(dǎo)體槽與通風(fēng)槽包括軸向并大致平行于電樞表面延伸形成大致T形橫截面以將插件限制在所述溝槽的溝槽。
9.按權(quán)利要求8所述的電機電樞，其特征在于所述插件的基本延伸部形成小于遠離底部表面的翼形凸塊表面的底部表面。
10.按權(quán)利要求9所述的電機電樞，其特征在于所述插件的底部表面大致是平的，所述導(dǎo)體槽與通風(fēng)槽包括當電機旋轉(zhuǎn)時限制插件徑向移動的傾斜表面。
全文摘要
一種包括在軸向槽內(nèi)的磁場導(dǎo)體與通風(fēng)道的電機實心電樞裝有低電阻率導(dǎo)熱翼形軸向插件，它們密封與覆蓋所述槽以構(gòu)成一個圍繞電樞的低電阻率圓柱面，使因諧波感應(yīng)的電渦流而引起的功率損耗及相關(guān)加熱減至最少，增強電樞導(dǎo)體冷卻，并提高效率。
文檔編號H02K3/24GK1056779SQ9110301
公開日1991年12月4日 申請日期1991年5月11日 優(yōu)先權(quán)日1990年5月11日
發(fā)明者曼諾·R·沙阿, 石楚材 申請人:通用電氣公司