CN102754312B - 能够在热方面进行管理的系统和电气装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种包括能够在热方面进行管理的系统的组件。该系统包括第一节段、第二节段和第三节段。第一节段具有朝外的表面和朝内的表面中的一个或两者，朝外的表面限定多个通道，而朝内的表面限定沿着第一节段沿轴向延伸的多个孔口。该多个通道(或多个孔口)限定流径的至少一部分。第三节段具有各自连接到该多个通道或该多个孔口中的相应的一个上的流体入口和出口。第一节段、第二节段和第三节段能够被固定而形成能够经受热负荷的可旋转轴，并且流径构造成引导流体流，以管理或控制可旋转轴所经受的热负荷。

Description

能够在热方面进行管理的系统和电气装置

本申请要求2009年10月18日提交的序列号为No. 61/252674的美国临时申请的优先权，该申请通过引用而整体地结合在本文中。

背景

技术领域。

本发明的实施例可涉及用于电动装置、组件或设备的、能够在热方面进行管理的系统。本发明的实施例可涉及能够在热方面进行管理的电动装置或组件。

现有技术的论述

电气装置设定了其中它们以最佳水平运行的条件。偏离这些条件可导致装置以较低的效率工作。在一些情况下，装置可受损，或者可完全停止运行。

诸如电动马达或发电机的电气装置在使用期间可产生热。可消散或移除在使用期间由于摩擦或电阻而产生的热能，以使运行温度保持在期望范围中。在热负荷超过系统消散或移除热的能力时，系统可减载运行，以较低的效率运行、受损或者停机。

目前，可通过对流、传导或辐射来移除热负荷。在诸如电动马达和发电机的一些系统中，可使用强迫空气或液体通道来从系统中移除热。液体通道可位于定子和/或转子中。用于这些通道的若干流径已经试图解决这样的液冷式系统在制造或使用方面的困难。制造和使用这样的系统是正在进行的开发工作的主题。一种方法包括使用管道，与延伸到转子的轴中的运动的转子轴相反，管道可为固定的。管道限定用于可流通过其中的冷却剂的流径的至少一部分。

具有一种在结构和/或功能上与目前可用的那些不同的、能够在热方面进行管理的系统或装置、组件或设备可为合乎需要的。

简要描述

在一个实施例中，提供了一种能够在热方面进行管理的系统。该系统包括第一节段、第二节段和第三节段。第一节段是细长的，限定轴线，并且具有近侧的第一端和远侧的第二端。第一节段具有朝外的表面和朝内的表面中的一个或两者，朝外的表面限定多个通道，而朝内的表面限定多个孔口；不论发生那一种情况，通道和/或孔口均自第一节段的第一端的附近沿轴向延伸到第二端的附近。该多个通道或多个孔口限定流径的至少一部分。第一节段在第一端处或在第一端附近具有第一配合表面，以及在第二端处或在第二端附近具有第二配合表面。第二节段具有能够固定到第一节段第一端的配合表面上的配合表面。第三节段具有能够固定到第一节段第二端配合表面上的配合表面。另外，第三节段具有用于流体的、各自与该多个通道或多个孔口中的至少相应的一个连通的入口和出口。第一节段、第二节段和第三节段能够被固定而形成能够经受热负荷的可旋转轴，并且流径构造成引导流体流，以管理或控制可旋转轴所经受的热负荷。

在一个实施例中，提供了一种马达或发电机组件，其包括转子，以及与转子处于可操作的连通的定子。转子包括在相对的端部处固定到第二节段和第三节段上的第一节段。第一节段是细长的，限定轴线，并且具有近侧的第一端和远侧的第二端。第一节段具有朝外的表面和朝内的表面中的一个或两者，朝外的表面限定多个通道，而朝内的表面限定多个孔口，不论发生那一种情况，通道和/或孔口自第一节段的第一端的附近沿轴向延伸到第二端的附近。该多个通道或多个孔口限定流径的至少一部分。第一节段在第一端处或在第一端附近具有第一配合表面，以及在第二端处或在第二端附近具有第二配合表面。第二节段具有固定到第一节段第一端的配合表面上的配合表面。第三节段具有固定到第一节段第二端配合表面上的配合表面。另外，第三节段具有用于流体的、各自与该多个通道或多个孔口中的至少相应的一个连通的入口和出口。第一节段、第二节段和第三节段能够被固定而形成能够经受热负荷的可旋转轴，并且流径构造成引导流体流，以管理或控制可旋转轴所经受的热负荷。

附图简述

在考虑到结合附图阅读以下详细描述时，可更容易地理解本发明的实施例，而且本发明的另外的优点和用途更容易显而易见，其中：

图1A是显示了包括本发明的一个或多个实施例的组件的侧视图的示意图；而且在横截面剖视图中显示了部分，以示出组件的内部特征；

图1B是图1A中显示的组件的透视图；

图1C是在电气装置中用作转子的语境中的图1A和1B的组件的示意图，而且进一步示出了与可选的传感器一起使用的电气装置；

图2A是显示了图1A和1B中显示的组件的构件的侧视图的示意图；

图2B是图2A中显示的构件的透视图；

图2C-2D是图2A中显示的构件的相对的示意性端视图；

图3A是显示了图1A和1B中显示的组件的构件的侧视图的示意图，并且在横截面剖视图中显示了一部分，以示出组件的内部特征；

图3B是图3A中显示的构件的透视图；

图4A是显示了图1A和1B中显示的组件的构件的侧视图的示意图，并且使用虚线指示以别的方式隐藏在图中的若干个内部特征；

图4B是图4A中显示的构件的透视图；

图5A是根据本发明的一个实施例的、与图2A-2D的构件有关的板结构组件的示意性分解图；

图5B-5E是板结构和/或第一节段/第二节段接口或交接部的备选实施例的示意性剖视图；

图6是根据本发明的一个实施例的、通过图1A-1B的组件的流体流的示意图；以及

图7A-7C是包括本发明的一个或多个实施例的组件的多个视图。

详细描述

本发明的实施例可涉及用于电动装置、组件或设备的能够在热方面进行管理的系统。本发明的实施例可涉及能够在热方面进行管理的电动装置或组件，以及一种或多种相关联的方法。该组件可用作电气装置中的转子。本发明的实施例涉及包括这种转子的电气装置。

如本文所用，用语“电气装置”包括马达和发电机两者，除非上下文或语言另有指示。马达是使用电能通过旋转而产生机械功的电动马达。在其中呈旋转方式的机械功是输入而电能是输出的情况下，电气装置可用作发电机或直流发电机。

在一个实施例中，一种能够在热方面进行管理的系统包括第一节段、第二节段和第三节段(例如各个节段可为至少部分地由一种或多个固体材料形成的本体或本体的一部分)。第一节段是细长的且限定轴线。第一节段具有近侧的第一端和远侧的第二端。第一节段具有限定多个通道的朝外的表面和/或限定孔口的朝内的表面；不论发生那一种情况，通道或孔口都自第一节段的第一端的附近沿轴向延伸到第二端的附近，以限定流径的至少一部分。第一节段还在第一端处或在第一端附近具有第一配合表面，以及在第二端处或在第二端附近具有第二配合表面。第二节段具有能够固定到第一节段第一端的配合表面(即第一配合表面)上的第三配合表面。第三节段具有能够固定到第一节段第二端配合表面(即第二配合表面)上的第四配合表面。第三节段还具有可与第一节段孔口中的一个或多个连通且在第一节段固定到第三节段上时使流径延伸的表面的至少一部分。

在一个实例中，第一节段可为轴，而第二节段可为附接到轴的一个端部上的帽，以及第三节段可为附连到轴的另一端上的密封结构。它们可组装在一起而形成用于在电气装置(马达或发电机)中使用的转子。转子可被流体冷却。适当的流体包括水、防冻剂、烃等。水可为纯的，或者可为咸水或盐水。流体可为冷却剂，而且在至少一个实施例中，冷却剂可包含诸如流动改性剂、防腐蚀剂、防污泥、防积垢和防结垢的材料等的添加剂。在一个实施例中，转子可为全封闭水冷却式(TEWC)马达。在一个实施例中，流体是润滑剂。适当的润滑剂包括油基材料。

帽可为将扭矩传递到轴以及从轴中传递出扭矩的工作端部。密封结构可固定到旋转式密封设备上。适当的旋转式密封设备可商购自例如Barco USA(伊利诺伊的凯里)和Deublin Company(伊利诺伊的沃基根)。也就是说，第三节段可具有构造成固定到旋转式接头密封件(union seal)上的表面的至少一部分。

在将第一节段固定到第二节段和第三节段上之后，可沿着流径推进流体，以使流体自第三节段行进通过第一节段，然后通过第二节段，然后再次通过第一节段，以及然后再次通过第三节段。可泵送流体通过流径，以重力的方式馈送流体通过流径，或者以别的方式促进流体通过流径。在一个实施例中，在沿着流径行进期间，流体可获得热能或热量，并且可将那个热量带出系统。

在一个实施例中，第一节段、第二节段和第三节段是可焊接的。也就是说，可通过在相应的配合表面处进行焊接而将第二节段和第三节段固定到第一节段的相应的端部上。其它固定方法包括铆钉、螺栓、摩擦焊接或摩擦配合/干涉配合等。

在一个实施例中，第二节段具有内凹式套管部分，而第一节段第一端具有构造成接纳在第二节段的套管部分中的外凸式部分。当第一节段和第二节段以组装好的形式被接纳在一起时，第一节段和第二节段的配合表面可接触彼此。配合表面紧邻第二节段套管部分的远侧部分。外凸式部分的朝外的表面(第一节段的)和套管部分的朝内的表面(第二节段的)可被攻丝，以便能够将第一节段旋到第二节段上，并且螺纹绕成使得在将系统用作转子的期间，通过第二节段所提供的扭矩上紧第一节段和第二节段的连接。

在一个实施例中，第一节段的第二端具有内凹式套管部分，而第三节段具有构造成接纳在第一节段的第二端的套管部分中的外凸式部分，(也就是说，在一个实施例中，第一节段在其第一端处具有外凸式部分，以及在这个第二端处具有内凹式套管部分。)当第一节段和第三节段以组装好的形式被接纳在一起时，第一节段第二端的配合表面(即第二配合表面)和第三节段的配合表面(即第四配合表面)可接触彼此。

关于该多个孔口，延伸通过第一节段的那些可为偶数量的多个孔口。而且，该多个孔口中的一半可限定流径的一部分，以便流体沿一个方向沿轴向流过其中，而另一半则可限定流径的一部分，以便流体沿相反的方向沿轴向流过其中。

备选地或另外，如果不是孔口而是存在凹槽、导槽或其它通道，或者除了孔口还存在凹槽、导槽或其它通道，则该多个通道中的各个由第一节段的朝外的表面限定。可将这些通道或凹槽铣削(或以别的方式切削或加工)、铸造或以别的方式形成到轴的长度中。在一个实施例中，各个通道可限定沿相对于转子在发电机中被使用时在动力发生模式期间旋转的方向而限定的方向扭转的螺旋。对于包括这样的通道的实施例，提供可配合在轴的上面和周围的轴套管，以密闭各个通道的开口侧，以进一步限定流径的部分。对于除了通道或代替通道而具有孔口的那些实施例，可钻出或加工出孔口。或者，可在孔口就位的情况下铸造轴。大体上，对于孔口而言，该多个孔口中的各个是大致直线的。

在一个实施例中，沿着流径设置涂层或层，以保护第一节段、第二节段和/或第三节段不受腐蚀、点蚀、磨蚀、擦伤、积垢、结垢或磨损，以及/或者促进或改良沿着该流径行进的流体流。

关于孔口(和通道)如何可与彼此连通，以提供沿着轴的长度延伸以及然后回转以从流体进入的侧部离开的延长的流径，可加工、铣削或以别的方式制造轴的端部来完成流体回路。在一个实施例中，第一节段可在端部处具有限定允许在第一节段孔口中的两个或更多个之间有流体连通的端部凹槽、端部通道或端部孔口(为了方便而统称为“端部凹槽”)的表面的至少一部分。这些端部凹槽中的各个均连接延伸通过轴的孔口中的两个或更多个。这些端部凹槽使流径延伸，以沿一个轴向方向产生第一流径部分，使流径方向在限定在第一节段端部处的端部凹槽或端部通道处改变方向，以及沿不同于第一流径部分的方向产生通过第一节段孔口中的另一个的第二流径部分。

可对轴的端部或第一节段进行镶边(inset)或逆式铣削，以提供较多表面积，以提高系统强度和完整性，以及降低泄漏的可能性。类似地，可铣削出端部凹槽，以及可用板结构或其它密封结构来配合端部凹槽。一个实施例包括可固定到端部凹槽上以密封流径的板结构。板结构或者可驻留在端部凹槽中，或者可承坐在第一节段和第二节段(或相应的第一节段和第三节段)之间，并且可加工、铣削、铸造或以别的方式形成第一节段和第二节段中的一个或两者，以便适应板结构的存在。这些板结构可覆盖端部凹槽，以密封流径。可选地，如果存在多个端部凹槽，一个板结构可覆盖它们，以便密封流径或多个流径的所有部分。在将第二节段和第三节段固定到轴的合适的端部上之前，各个端部凹槽的单独的板结构可允许对密封功能进行完整性测试。当然，可不密封用于第三节段的入口流径和出口流径(和用于第一节段的对应的孔口或通道)，以允许流体流通过流径所限定的流体回路。关于板结构的材料的选择可考虑到，板结构而非第二节段(和第一节段的至少部分)可接触流过流径的流体。因而，可减少对处理、涂覆或以别的方式保护在使用期间不接触流体的那些节段部分的需要。

在一个实施例中，第二节段具有限定端部凹槽或端部通道的表面的至少一部分，端部凹槽或端部通道构造成与第一节段孔口中的两个或更多个(和/或形成于第一节段中的一个或多个端部凹槽)连通，并且进一步构造成允许在第一节段孔口中的该两个或更多个(和/或第一节段端部凹槽)之间有流体连通，以及使流径延伸，以沿一个轴向方向产生第一流径部分，使流径方向在限定在第一节段端部处的端部凹槽或端部通道处改变方向，以及沿不同于第一流径部分的方向产生通过第一节段孔口中的另一个的第二流径部分。如上面公开的那样，该系统可进一步包括可固定到端部凹槽或端部通道上以密封流径的一个或多个板结构，而且板结构构造成驻留在或者端部凹槽或者端部通道中，或者板结构可覆盖端部凹槽或端部通道以密封流径，以及在存在多个端部凹槽或端部通道时，板结构可选地覆盖它们，以便密封流径或多个流径的所有部分。

第二节段可接收来自系统的外部的所有扭矩，并且在充当发电机时(将机械能转化成电能)，第二节段将那个扭矩载荷的至少一部分传递到第一节段。类似地，在充当马达时(将电能转化成机械能)，第二节段可将来自系统的内部的整个扭矩载荷传出到机械负载。由于扭矩载荷的传递，第二节段可由与第一节段材料有关但与其不同的、抗拉强度较高、焊接难度较高、屈服强度较高或温度拐点较高的材料或具有较高的抗拉强度、较高的焊接难度、较高的屈服强度或较高温度的挠曲点的材料形成。

进一步关于为了在系统中使用而构想的材料，第一节段、第二节段或第三节段中的至少一个包含钢，而且钢是高碳钢、低碳钢、不锈钢或合金钢。环境、性能要求和应用要求可影响材料选择。

第一节段和/或第三节段限定一个或多个端部通道或端部凹槽，并且在组装好之后，端部通道或端部凹槽构造成允许在第一节段的两个或更多个孔口或通道之间有流体连通，并且因此限定流径的至少一部分或多个部分。如在上文公开的那样，第三节段可固定到旋转式接头密封件上，并且可限定用于通往流径的流体的入口和出口。虽然预想了可焊接的实施例，但是，可改为通过栓接或通过另一个紧固件来固定第三节段。

在一个实施例中，第三节段没有管道，并且为流体提供通往第一节段所限定的孔口或通道的流径。也就是说，该构造不具有固定到密封装置上且延伸到转子的轴中的空心给料管道。因而，第一节段没有管道，或者第一节段孔口(和/或通道)仅限定通过第一节段的流径。

在一个实施例中提供马达或发电机组件。在第一节段、第二节段和第三节段通过它们的相应的配合表面而固定时，它们形成用于在电气装置中使用的转子。马达或发电机组件进一步包括与转子处于可操作的连通的定子。

可包括本发明的实施例的适当的马达包括其中马达是直流(DC)马达和其中马达是交流(AC)马达或开关磁阻马达的那些，在一个示例性实施例中，马达是鼠笼式感应马达。马达可为永磁体马达，并且包括一个或多个永磁体。

能够用于本发明的实施例的应用包括其中马达具有大于1000马力(HP)、大于2000 HP或大于3000 HP的马力额定值的那些。而且，本申请包括其中马达具有大于0.182马力每磅(HP/lb)的功率-重量比率的那些。

该组件可包括传感器系统。传感器系统可感测一个或多个操作参数或选自温度、扭矩、压力、速度、位置、润滑性/润滑质量、滑润剂金属含量、电磁干扰(EMI)分布、振动、水含量或压力的其它参数。传感器系统可将感测到的参数或表示感测到的参数的信息传送到控制单元。控制单元可紧邻组件，或者控制单元可位于远离组件的地方。感测到的参数或与其有关的信息可被传送到数据中心，在数据中心，基于感测到的参数信息来执行诊断分析和/或预报分析。响应于感测到的参数在确定的值范围之中或之外而以可控的方式启动修正动作。

参照图1A和1B，显示了根据本发明的一个实施例的、能够在热方面进行管理的系统100。该系统限定纵向轴线101。该系统包括在这些视图中显示为组装在一起的第一节段102、第二节段104和第三节段106。如上面提到的那样，各个节段可为至少部分地由一种或多种固体材料形成的本体或本体的一部分。在局部横截面剖视图(图1A)中显示系统，以展现沿轴向延伸通过第一节段的轴的多个孔口108 (为了清楚，在图1A中仅一个孔口具有指示线)。图1B是详细说明系统的端部的透视图，以显示参考标号110所指示的一组入口孔/出口孔(例如延伸通过第三节段106)。

图2A-2D较详细地公开了图1A和1B的第一节段102。关于图2A，第一节段102的示意性侧视图展现了第一端150和第二端152，以及第一端150的外凸式部分154。在示出的实施例中，在参考标号156处指示了第一端150的配合表面(即第一配合表面)。在一个实施例中，第一节段的外凸式部分154和中心部分155各自是圆柱形的，外凸式部分154比中心部分155具有更小的/减小的直径；在这个实施例中，配合表面156可包括在第一节段的外凸式部分和中心部分之间过渡的平顶锥形表面。对于图2B，透视图显示了更多关于第一端105的细节，而图2C中的那个端部的侧视图则显示了端部凹槽164，端部凹槽164是所显示的多个这样的端部凹槽中的一个，并且用参考标号指示了仅一个，而且为了清楚，仅指示了少许孔口108。当然，各个端部凹槽164具有至少两个开入其中的孔口。也就是说，如上面提到的那样，各个端部凹槽164连接延伸通过第一节段轴的孔口108中的两个或更多个，以允许在连接的孔口之间有流体连通。

当第一节段102的第一端150组装到第二节段104上时，通过第一节段102和第二节段之间的贴靠关系，可实现通过端部凹槽的连接的孔口的流连通，以及/或者，通过提供附连到第一节段102上的板结构，可实现该流连通。图5A是与第一节段102有关的一个实例板结构组件200的侧视图。在一个实施例中，板结构组件200包括板结构203和多个紧固件204。板结构202设有各自尺寸设置成容纳紧固件204中的一个的紧固件孔口206。为了进行组装，使板结构202与第一节段102的第一端150接触，以及从而贴靠第一端150且覆盖端部凹槽164。然后将紧固件204穿过紧固件孔口206，以将板202附连到第一节段102上。第一节段102的第一端150可设有用于接纳紧固件的紧固件容座(未显示)。作为一个实例，紧固件可为带螺纹的螺栓。在一个实施例中，板结构202可固定到第一节段102的端部150上，以覆盖由第一节段的端部的表面限定的多个凹槽、通道或孔口(即凹槽、通道或孔口是端部凹槽)，以便密封由凹槽、通道或孔口限定的流体流径或多个流径的全部部分。

参照图5B，在另一个实施例中，板结构207可固定到第一节段102的端部150上，以在由第一节段端部150的表面限定的凹槽、通道或孔口164(即端部凹槽)处密封流径。板结构207构造成至少部分地驻留在凹槽、通道或孔口164中。在图5B中显示的实例中，板结构207包括延伸部分209，该延伸部分209在周边形状上对应于凹槽、通道或孔口164，并且部分地延伸到凹槽、通道或孔口中，以实现密封目的。

图2D是第二端152的侧视图，以及其中显示了在别的方面类似于任何其它孔口的入口孔口160/出口孔口162在径向上没有其它孔口108那么远。(为了清楚，在图2D中显示了孔口108中的仅一些；但是，可存在与各个端部凹槽164相关联的两个或更多个孔口108)。这两个入口孔口160/出口孔口162在第一节段中是流径的第一部分和最后一部分，而且它们能够在第三节段106中与对应的孔口190、192配合。第二端152包括端部凹槽164，如上面描述的那样，端部凹槽164在功能和目的方面类似于第一端150的凹槽164。在一个实施例中，第二端152具有内凹式套管部分161。第一节段102的内凹式套管部分161尺寸设置成例如如图1A中显示的那样容纳第三节段106的外凸式部分163。例如，第三节段的外凸式部分163可为圆柱形的，而第一节段的内凹式套管部分161可包括具有略微大于第三节段外凸式部分的直径的内径的圆柱形膛孔或开口，以接纳和容纳外凸式部分。当第一节段和第三节段例如如图1A中显示的那样以组装好的形式被接纳在一起时，第一节段102的第二端152的配合表面165(即第二配合表面)和第三节段106的配合表面196(即第四配合表面196)可接触彼此。

图3A-3B较详细地公开了图1A和1B的第二节段104。图3A是指示配合表面180的局部剖面示意图。还显示了内凹式套管部分182。图3B是第二节段104的透视图。在一个实施例中，第二节段104是具有纵向轴线101的大体圆柱形的本体。内凹式套管部分182设置在第二节段的一个端部处。套管部分与轴线101同轴，并且限定尺寸设置成接纳第一节段102的外凸式部分154的内径，例如外凸式部分154可具有略微小于内凹式套管部分的内径的直径，以与内凹式套管部分形成干涉/摩擦配合。在一个实施例中，配合表面180可包括内凹式套管部分182的、在形状上为平顶锥形的远侧环形缘边或边缘。当第一节段和第二节段以组装好的形式被接纳在一起时，第一节段102的配合表面156和第二节段104的配合表面180可接触彼此。第二节段104可进一步包括具有小于内凹式套管部分的外径的直径的中间本体部分，以及具有小于中间本体部分和内凹式套管部分的直径的直径的第二端本体部分。中间本体部分在内凹式套管部分的附近且与其同轴(以及从而也与轴线101同轴)，而第二端本体部分在中间本体部分的附近且与其同轴(以及从而也与轴线101同轴)。内凹式套管部分、中间本体部分和第二端本体部分可为一体的，即由单个连续的材料块形成，或者以别的方式永久地连接或附连在一起。第二节段的第二端本体部分可设有与轴线101同轴或者相反的带螺纹的(或其它)端部孔口，以接纳连接部件。

图4A-4B较详细地公开了图1A和1B的第三节段106。图4A是第三节段的示意性侧视图，并且虚线指示限定流径的一部分的孔或孔口，以及联接到第一节段的入口孔口160/出口孔口162上的入口端口190/出口端口192。指示了可选的带螺纹的螺栓孔，但没有提供参考标号。在一个实施例中，第三节段106是具有纵向轴线101的大体圆柱形的本体。第三节段106的本体可包括圆柱形外凸式部分163，该外凸式部分163尺寸设置成接纳在第一节段102的第二端152的内凹式套管部分161中，例如外凸式部分163可具有略微小于第一节段102的内凹式套管部分161的内径的直径，以与内凹式套管部分形成干涉/摩擦配合。第三节段106的本体可进一步包括中间唇缘部分169和第二端本体部分170。中间唇缘部分169在第三节段外凸式部分163的附近，并且大体是圆柱形的，比第三节段外凸式部分具有更大的直径。第三节段的第二端本体部分170在中间唇缘部分169的附近，并且大体是圆柱形的，具有与第三节段外凸式部分相同或略微更小的直径。第三节段外凸式部分、中间唇缘部分和第二端本体部分与彼此同轴，并且可为一体的，即由单个连续的材料块形成，或者以别的方式永久地连接或附连在一起。能够在图4A和4B两者中看到第三节段的配合表面196(即第四配合表面)。配合表面196可包括在第三节段的外凸式部分163和中间唇缘部分169之间过渡的平顶锥形表面。第三节段的第二端本体部分可设有与轴线101同轴或相反的带螺纹的(或其它)端部孔口，以接纳连接部件。

图6是根据本发明的一个实施例的、通过图1A-1B的组件的流体流的示意图。(图6是示意形式且未按比例绘制。)如所指示的那样，一旦第一节段102、第二节段104和第三节段106例如如图1A-1B中显示的那样组装好，流体“F”就流过第三节段106的入口端口190/出口端口192中的一个(比方说例如端口190)，如从可操作地连接到系统100上的旋转式密封设备208提供的那样。(关于它们之间的流体流，用箭头210示意性地显示了在设备208和系统100之间的可操作的连接。)流体F从端口190中流出，通过对准端口190的第一节段102中的入口孔口160，在第一节段102的长度上沿轴向流过孔口160，以及流到端部凹槽164a，端部凹槽164a使孔口160的端部与另一个孔口108a连接。在端部凹槽164a处且沿着端部凹槽164a (对于其它端部凹槽也类似)的流体流径可部分地由板结构202(在这个图中未显示)和/或由第二节段104的内凹式套管部分182的底部167限定，当第一端接纳在内凹式套管部分182中时，该底部167贴靠第一节段102的第一端150。也就是说，流体F从孔口160中传送出，并且被端部凹槽164a和板结构和/或第二节段104引导到下一个孔口108a。流体F通过下一个孔口108a返回流经第一节段的长度，在第一节段102的第二端152处到达端部凹槽164b，返回通过另一个孔口108b等等，在蛇形路径(由标示为流体F的粗箭头指示)中通过第一节段，直到到达第三节段106的出口孔口162和出口端口192为止。

在一个实施例中，延伸通过第一节段102的多个孔口160、162、108是偶数量的多个孔口，该多个孔口中的一半限定流径的一部分，以便流体沿一个方向“D1”流过第一节段，而另一半则限定流径的一部分，以便流体沿相反的方向“D2”沿轴向流过第一节段102。例如，图6示出了总共六个孔口108a-108d、160、162，其中的三个(160、108b、108d)限定流径的一部分，以便流体流F沿方向D1沿轴向流过第一节段，并且其中的三个(162、108a、108c)则限定流径的一部分，以便流体流F沿相反的方向D2沿轴向流过第一节段102。虽然图6示出了总共六个孔口，但是在第一节段102中可存在总共不止六个或不到六个孔口。

在一个实施例中，第一节段中的各个孔口108、160、162限定大体自第一节段的一个端部150延伸到第一节段的另一个端部152的流体流径的不间断的部分，其中，“不间断的”表示沿着孔口与其它流体通路没有连接部，除了在相应地位于第一节段102的端部150、152处或其附近的孔口的端部处。在另一个实施例中，当第一节段组装到第二节段和第三节段上时，通过第一节段的流体的流径是不重复的，这意味着孔口和端部凹槽连续地布置，一个接一个，使得各个流体单元不回送以及/或者遇到第一节段中其它地方的流体和与其混合。在一个实施例中，该多个孔口中的各个是大致直线的。

包括图1A-6中示出的本发明的实施例的系统具有66”×33.7”×34.4”(LxHxW)的尺寸包络(没有连接箱)和大约1150的马力(HP)额定值。在使用期间，噪声水平为大约78分贝(dB)，这在别的方面相同的条件下比其它目前可用的马达小大约19%至20%。

图7A和7B示出了包括本发明的实施例的系统500。该系统包括轴502和套管503。通道506形成于轴502的朝外的表面中。通道506大体是轴向的，这表示其各自沿着轴502的长度从轴的一端延伸向轴的另一端。孔口504从一端延伸通过轴本体，以与对应的轴向通道506连通；也就是说，各个孔口504始于轴本体的远端505处，延伸通过轴本体，并且在通道506中的一个的端部处结束。因此孔口504用来在轴本体的端部505和通道506之间提供内部流体流径(例如，在功能上类似于图1A-6的实施例中的孔口160、162)。当套管503置于轴502上面时，通道506被封闭而限定流径，如图7B中所显示。流径往复地行进，以提高热传递的机会。套管503可包括具有圆柱形的纵向膛孔508的圆柱形部件，纵向膛孔508在通道506的区域中具有略微大于轴502的外径的直径，以便在套管设置在轴上面时在套管和轴之间有摩擦/干涉。

在一个实施例中，参照图7C，该多个通道506中的各个由第一节段轴502的朝外的表面509限定。另外，各个通道506限定螺旋“S”，其沿相对于在动力发生模式期间(在轴在发电机中用作转子组件的一部分时)转子旋转的方向D3而限定的方向扭转。轴套管可操作来配合在第一节段轴502上面和周围，以密闭各个通道的开口侧，以进一步限定流径的部分(类似于图7A-7B中显示的套管503)。通道506的端部可通过提供孔口504或通过提供类似于图7A中显示的凹槽的径向凹槽510来互连。

本发明的实施例可用于油气工业的泥浆泵、绞车和顶部驱动器中。对于顶部驱动器应用，运行参数(例如，传感器系统所感测的)可包括在1000转每分钟(RPM)处或在零 RPM(如果钻头破碎或钻井停止)处的持续使用。该系统可以连续扭矩运行以进行钻井，并且以最大扭矩运行以进行拆开/组装。对于绞车应用，运行参数可在钻井操作期间包括小于100的RPM，但是在拆开/组装期间和在需要最大扭矩的情况下包括零至3000的RPM。对于泥浆泵应用，运行参数可包括大约1000至1100RPM的连续使用，并且基于环境考虑，扭矩范围是动态的。

其它因素可影响和/或改变包括创造性的系统的马达的设计选择。例如，可选择轴的直径，以增大用于热传递的表面面积。类似地，孔口的直径可控制通过孔口的体积流，并且因而控制热传输能力。孔口的数量和各个孔口相对于轴的朝外的表面的距离可影响热管理系统的效率。在外部，流体(例如冷却剂)的流率和流体组成也可影响热移除速率。还可基于运行参数来选择旋转式接头密封件。旋转式接头密封件越小，密封件的寿命就越长。

提到的另一个影响在于，诸如参照图1A-6所公开的实施例的设计较大地且正面地影响转子处理弯曲应力的能力。可选地能够与流体温度受控的定子结合的转子的较有效的热拒斥率(thermal rejection rate)允许有有效的热膨胀系数(CTE)控制，以及有减小的由热循环和温度脆化以别的方式导致的应力。

各种配合表面可以不同于本文描述和图中显示的方式成形或以别的方式进行构造，以如本发明的实施例的特定实现可期望的那样提供不同的密封/配合特征。

在另一个实施例，第二节段104具有限定端部凹槽或端部通道164的表面167的一部分，端部凹槽或端部通道164构造成与第一节段孔口108中的两个或更多个连通。端部凹槽或端部通道164进一步构造成允许第一节段孔口中的该两个或更多个之间有流体连通，以及使流径延伸，以沿一个轴向方向产生第一流径部分，使流径方向在限定在端部凹槽或端部通道处改变方向，以及沿不同于第一流径部分的方向产生通过第一节段孔口中的另一个的第二流径部分。第二节段104的表面167可单独地限定与第一节段中的相应的孔口对准的端部凹槽或端部通道(图5E)，即，在第一节段端部150中不存在端部凹槽，或者表面167可限定密封形成于第一节段的端部150中的端部凹槽的平的表面(图5C)，或者表面167可限定与第一节段的端部150中的端部凹槽对准的端部凹槽或端部通道(图5D)。

在一个实施例中，参照图5C的详细视图部分，第一节段102的外凸式部分154的朝外的表面和第二节段104的内凹式套管部分182的朝内的表面是被攻丝的(在“T1”处)，以便能够将第一节段102旋到第二节段104上。攻丝部的螺纹“T2”可绕成使得在该系统用作转子期间，通过第二节段提供的扭矩会上紧第一节段和第二节段的连接。

参照图1C作为实例，另一个实施例涉及马达或发电机电气装置300。该装置300包括转子302和与转子302处于可操作的连通的定子304。转子302可至少部分地包括图1A、1B和2A-7C中的任一个显示或本文以别的方式描述的系统，该系统大体包括以组装好的形式固定到彼此上的第一节段102、第二节段104和第三节段106。换句话说，三个节段102、104、106组装在一起而形成转子302的部分。电气装置300的其它可操作的部分未显示，但是其可包括轴承和其它支承结构、磁体、电气连接件等。转子绕组306在图1C中示意性地显示为实例。当然，图1C的实施例不限于具有转子绕组的电气装置，并且绕组仅出于例示的目的而显示为可额外地出现在电气装置上的一种类型的电气装置构件。作为另一个实例，如果电气装置300是永磁体马达，该电气装置可进一步包括一个或多个永磁体308。

如上面所提到且再次参照图1C，该组件可包括传感器系统310。也就是说，电气装置300可与传感器系统310结合起来使用。传感器系统310可感测电气装置300的一个或多个运行参数或其它参数309 (使用一个或多个传感器311或以别的方式)，参数选自温度、扭矩、压力、速度、位置、滑润性/滑润质量、润滑剂金属含量、电磁干扰(EMI)分布、振动、水含量或压力。传感器系统310可将感测到的参数或指示参数的信息传送到控制单元312。控制单元312可紧邻该组件，或者控制单元可位于组件的远处。感测到的参数或与其有关的信息可传送到数据中心314，在数据中心，基于感测到的参数信息执行诊断和/或预报分析。响应于感测到的参数在确定的值范围之中或之外而以可控的方式启动修正动作。

再次参照图6，另一个实施例涉及能够在热方面进行管理的系统100。该系统100包括具有纵向轴线101以及第一端E1和第二端E2的轴本体(例如，102、104、106)。该系统进一步包括流径F，流径F由形成于轴本体中的多个互连的孔口160、162、108限定，并且沿着轴的长度的至少一部分沿周向延伸。流径始于轴本体的第一端E1处(例如，在190处)，通过孔口160中的第一个延伸向轴本体的第二端E2，通过互连第一和第二孔口的第一径向连接器164a从第一孔口160过渡到孔口108a中的第二个，并且沿着第二孔口108a继续返回向轴本体的第一端E1。(“径向”连接器指相对于轴线101大体垂直/沿径向延伸的流体通路，这与平行于该轴线相反。)流径沿着连续地互连的径向连接器164b、164c、164d、164e和孔口108b、108c、108d、162继续，直到在轴本体的第一端处离开而返回为止。各个孔口均未中断，并且 流径是不重复的。轴本体可用作马达或发电机电气装置的转子的一部分，马达或发电机电气装置还包括与转子处于可操作的连通的定子。 

在说明书和权利要求中，将参照许多具有以下含义的用语。单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数个所指对象，除非上下文清楚地另有说明。可应用本文在整个说明书和权利要求中使用的近似语来修饰可容许改变的任何数量表示，而不会导致与其有关的基本功能有变化。因此，诸如“大约”的用语所修饰的值不限于规定的确切值。在一些情况下，近似语可对应于用于测量该值的仪器的精度。类似地，可与用语结合起来使用“没有”，并且“没有”可包括非常小的量或非实质性结构，同时仍然认为没有所修饰的用语。用语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标示，以使不同的要素彼此区别，而不意图对它们的对象、特定的顺序或量或其它施加数值要求，除非清楚地作出规定。

如本文所用，用语“可”和“可为”指示在一组情形内发生的可能性；拥有规定的属性、特性或功能；以及/或者通过表达与所限定的动力相关联的能力、容量或可能性中的一个或多个来限定另一个动词。因此，使用“可”和“可为”指示所修饰的用语对于所指示的能力、功能或用途来说明显是合适的、有能力的或适当的，同时考虑到在一些情形中，所修饰的用语有时可能不是合适的、有能力的或适当的。例如，在一些情形中可期望有事件或能力，而在其它情形中，可能不出现该事件或能力——这个区别由用语“可”和“可为”捕捉。

本文描述的实施例是具有对应于权利要求中叙述的本发明的元件的元件的物品、组成和方法的实例。本书面描述可使本领域普通技术人员能够制造和使用具有同样对应于权利要求中叙述的本发明的元件的备选元件的实施例。因而本发明的范围包括不异于权利要求的字面语言的物品、组成和方法，并且进一步包括与权利要求的字面语言无实质性差异其它的物品、组成和方法。虽然在本文示出和描述了仅某些特征和实施例，但是，相关领域的普通技术人员可想到许多改良和改变。所附权利要求覆盖所有这样的改良和改变。

Claims (34)

1.一种能够在热方面进行管理的系统，包括：

细长的、限定轴线的、具有近侧的第一端和远侧的第二端的第一节段，并且所述第一节段具有：

限定多个通道的朝外的表面，或者

限定多个孔口的朝内的表面，所述通道或孔口自所述第一节段的所述第一端的附近沿轴向延伸到所述第二端的附近，

并且所述多个通道或所述多个孔口限定流径的至少一部分，并且所述第一节段在所述第一端处或在所述第一端附近具有第一配合表面，以及在所述第二端处或在所述第二端附近具有第二配合表面；

第二节段，其具有能够固定到所述第一配合表面上的第三配合表面；以及

第三节段，其具有能够固定到所述第二配合表面上的第四配合表面，并且具有用于流体的、各自与所述多个通道或所述多个孔口中的至少相应的一个连通的入口和出口，以及

其中，所述第一节段、所述第二节段和所述第三节段能够被固定而形成能够经受热负荷的可旋转轴，并且所述流径构造成引导所述流体的流动，以管理或控制所述可旋转轴所经受的热负荷；

其中，所述多个通道中的各个由所述第一节段的所述朝外的表面限定，并且所述通道中的各个限定沿相对于转子在发电机中被使用时在动力发生模式期间旋转的方向而限定的方向扭转的螺旋，并且所述系统进一步包括能够操作来配合在所述第一节段的上面和周围的轴套管，以密闭所述通道中的各个的开口侧，以进一步限定所述流径的部分，或者其中，所述多个孔口中的各个是大致直线的。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在将所述第一节段固定到所述第二节段和所述第三节段上之后，能够沿着所述流径推进所述流体，以使所述流体自所述第三节段行进通过所述第一节段，然后通过所述第二节段，然后再次通过所述第一节段，以及然后再次通过所述第三节段。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一节段、所述第二节段和所述第三节段是能够焊接的，并且能够在所述配合表面处通过焊接而被固定到彼此上。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述第一节段、所述第二节段和所述第三节段通过它们的相应的配合表面而固定时，它们形成用于在电气装置中使用的转子。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，延伸通过所述第一节段的所述多个孔口是偶数量的多个孔口，所述多个孔口中的一半限定所述流径的一部分，以便所述流体沿一个方向沿轴向流过其中，而所述多个孔口中的另一半则所述流径的一部分，以便所述流体沿相反的方向沿轴向流过其中。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括沿着所述流径而设置的涂层或层，所述涂层或层保护所述第一节段、所述第二节段和/或所述第三节段不受腐蚀、点蚀、磨蚀、擦伤、积垢、结垢或磨损，以及/或者促进或改良沿着所述流径行进的所述流体的流动。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一节段在所述第一节段的端部处具有限定凹槽、通道或孔口的表面的至少一部分，所述凹槽、通道或孔口构造成允许在所述第一节段孔口中的两个或更多个之间有流体连通，以及使所述流径延伸，以沿一个轴向方向产生第一流径部分，使所述流径方向在限定在所述第一节段端部处的所述凹槽、通道或孔口处改变方向，以及沿不同于所述第一流径部分的方向产生通过所述第一节段孔口中的另一个的第二流径部分。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括至少一个板结构，其中：

所述板结构能够被固定到所述第一节段的所述端部上，以在所述凹槽、通道或孔口处密封所述流径，并且所述板结构构造成至少部分地驻留在所述凹槽、通道或孔口中；或者

所述板结构能够被固定到所述第一节段的所述端部上，以覆盖由所述第一节段的所述端部的所述表面限定的多个凹槽、通道或孔口，以便密封由所述凹槽、通道或孔口限定的所述流径或多个流径的所有部分。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二节段具有限定端部凹槽或端部通道的表面的至少一部分，所述端部凹槽或所述端部通道构造成与所述第一节段孔口中的两个或更多个连通，并且进一步构造成允许在所述第一节段孔口中的所述两个或更多个之间有流体连通，以及使所述流径延伸，以沿一个轴向方向产生第一流径部分，使所述流径方向在所述端部凹槽或所述端部通道处改变方向，以及沿不同于所述第一流径部分的方向产生通过所述第一节段孔口中的另一个的第二流径部分。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二节段具有内凹式套管部分，以及其中，所述第一节段第一端具有构造成接纳在所述第二节段的所述套管部分中的外凸式部分。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，当所述第一节段和所述第二节段以组装好的形式被接纳在一起时，所述第一节段的所述第一配合表面和所述第二节段的所述第三配合表面接触彼此，并且所述第一配合表面和所述第三配合表面紧邻所述第二节段套管部分的远侧部分。

12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述外凸式部分的朝外的表面和所述内凹式套管部分的朝内的表面被攻丝，以便能够将所述第一节段旋到所述第二节段上，并且所述被攻丝的外凸式部分和内凹式套管部分的螺纹被绕成使得在将所述系统用作转子的期间，通过所述第二节段所提供的扭矩会上紧所述第一节段和所述第二节段的连接。

13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二节段构造成且能够接收来自所述系统的外部的所有的扭矩，以及将那个扭矩载荷的至少一部分传递到所述第一节段。

14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二节段材料与第一节段材料相比具有下者中的至少一个属性：

较高的抗拉强度，

较高的焊接难度，

较高的屈服强度，以及/或者

较高温度的挠曲点。

15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一节段、所述第二节段或所述第三节段中的至少一个包含钢，并且所述钢是高碳钢、低碳钢或不锈钢。

16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三节段进一步具有构造成固定到旋转式密封设备上的表面的至少一部分。

17.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，或者所述第一节段或者所述第三节段限定一个或多个端部通道或端部凹槽，并且所述端部通道或所述端部凹槽构造成在组装好之后，允许在所述第一节段的两个或更多个孔口或通道之间有流体连通，以及因此限定所述流径的至少一个或多个部分。

18.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三节段进一步限定用于通往所述流径的流体的入口和出口。

19.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三节段没有管道，并且为流体提供通往由所述第一节段限定的所述孔口或所述通道的流径。

20.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一节段没有管道，以及/或者所述第一节段孔口仅限定通过所述第一节段的流径。

21.一种马达或发电机电气装置，包括：

包括根据权利要求1所述的系统的、呈组装好的形式的转子，以及其中，所述第一节段、所述第二节段和所述第三节段固定到彼此上；以及

与所述转子处于可操作的连通的定子。

22.根据权利要求21所述的电气装置，其特征在于，所述马达是直流(DC)马达。

23.根据权利要求21所述的电气装置，其特征在于，所述马达具有大于1500马力的马力额定值。

24.根据权利要求21所述的电气装置，其特征在于，所述马达是永磁体马达，并且包括一个或多个永磁体。

25.根据权利要求21所述的电气装置，其特征在于，所述马达是鼠笼式感应马达。

26.根据权利要求21所述的电气装置，其特征在于，所述马达是开关磁阻马达。

27.根据权利要求21所述的电气装置，其特征在于，所述马达具有大于0.182马力每磅(HP/lb)的功率-重量比率。

28.根据权利要求21所述的电气装置，其特征在于，所述电气装置进一步包括传感器系统。

29.根据权利要求28所述的电气装置，其特征在于，所述传感器系统感测选自温度、扭矩、压力、速度、位置、滑润性/滑润质量、润滑剂金属含量、电磁干扰(EMI)分布、振动、水含量的一个或多个参数。

30.根据权利要求29所述的电气装置，其特征在于，所述传感器系统将感测到的参数或表示感测到的参数的信息传送到控制单元。

31.根据权利要求29所述的电气装置，其特征在于，所述感测到的参数或与所述感测到的参数有关的信息被传送到数据中心，在所述数据中心，基于所述感测到的参数信息来执行诊断分析和/或预报分析。

32.根据权利要求29所述的电气装置，其特征在于，响应于所述感测到的参数在确定的值范围之中或之外而以可控的方式启动修正动作。

33.一种能够在热方面进行管理的系统，包括：

具有细长轴线和第一端与第二端的轴本体；以及

由多个互连的孔口、径向连接器和多个通道限定的流径，所述孔口和所述连接器形成于所述轴本体中，并且所述孔口沿着所述轴的长度的至少一部分沿轴向延伸；

其中，所述流径始于所述轴本体的所述第一端处，朝向所述轴本体的所述第二端延伸通过所述孔口中的第一孔口，所述流径通过互连所述第一孔口和所述第二孔口的所述径向连接器中的第一径向连接而自所述第一孔口过渡到所述孔口中的第二孔口，所述流径继续沿着所述第二孔口朝向所述轴本体的所述第一端返回，并且所述流径沿着所述径向连接器和所述孔口中的相继互连的其余的一些而继续，直到在所述轴本体的所述第一端处离开而返回为止；

其中，所述孔口中的各个是不间断的，并且所述流径是不重复的；

其中，所述多个通道中的各个由所述轴本体的所述朝外的表面限定，并且所述通道中的各个限定沿相对于转子在发电机中被使用时在动力发生模式期间旋转的方向而限定的方向扭转的螺旋，并且所述系统进一步包括能够操作来配合在所述轴本体的上面和周围的轴套管，以密闭所述通道中的各个的开口侧，以进一步限定所述流径的部分，或者其中，所述多个孔口中的各个是大致直线的。

34.一种马达或发电机电气装置，包括：

包括根据权利要求33所述的系统的转子；以及

与所述转子处于可操作的连通的定子。