CN103296813A - 转子端箍 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及转子端箍。用于转子的端箍和形成用于转子的端箍的方法。端箍包括中空圆筒形箍，其中，端箍的至少一部分在平行于端箍的环向应力的方向上具有晶粒流，端箍还包括至少一部分在垂直于端箍的环向应力的方向上具有晶粒流。

Description

转子端箍
技术领域
本发明涉及一种发电机，并且更具体地涉及一种用于发电机的端箍。
背景技术
发电机系统，诸如在航空器、船、和一些陆地车辆中存在的发电机系统，可以包括三个独立的发电机：永磁发电机(PMG)、励磁机、和主发电机。PMG的转子的旋转在PMG的定子中感应出交流电流。这个交流电流通常通过整流器发送，在整流器中将该交流电流转换为直流电流输出。将这个直流电流提供给励磁机的定子，并且作为励磁机转子旋转的结果产生交流电流输出。整流器电路将这个交流电流整流，并且产生的直流电流被提供给主发电机的转子。随着主发电机转子的旋转，在主发电机定子中感应出交流电流，并且这被输出到所述系统。所有这些发电机的转子的元件在旋转期间必须保持就位。为此并通过示例，励磁机转子典型地包括一对端箍，其将励磁机转子的关键部件保持在期望位置中，同时抵挡作用在其上的离心力和环向应力。
历史上，端箍由很适合用于压力和热的极限环境下的高强度的、临界合金制成。现在，端箍由直径至少等于端箍的外径的固体棒料件加工成。因为每个端箍是通常厚度薄的中空圆筒，所以用来制造每个部件的棒料的大部分因此被浪费了，使得每一个部件的成本相对于所用材料的百分比而言较为昂贵。用来形成端箍的另一个方法包括焊接轧制的片材来形成箍。然而，这种焊接方法由于箍需要极小的公差而可能同样成本昂贵。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，提供的端箍包括中空圆筒形箍。该箍的一部分在平行于箍的环向应力的方向上具有晶粒流。端箍还包括在垂直于箍的环向应力的方向上具有晶粒流的箍的一部分。
根据本发明的另一个实施方式，提供的转子包括至少一个叠层体，其包括多个齿。具有多个齿的至少一个绝缘环附接到叠层体上。在叠层体的齿和绝缘环的齿之间设置狭缝绝缘体。导线绕组缠绕在叠层体和绝缘环的齿周围。转子还包括至少一个中空圆筒形端箍，其围绕转子或其元件。端箍的至少一部分在平行于端箍的环向应力的方向上具有晶粒流，并且端箍的至少一部分在垂直于端箍的环向应力的方向上具有晶粒流。
根据本发明的又一个实施方式，提供的用于制造端箍的方法包括液压成形具有开口端部和封闭端部的中空圆筒。然后对中空圆筒进行应力消除。在应力消除之后，然后对中空圆筒进行陈化。然后除去圆筒的封闭端部以形成端箍。
附图说明
当作本发明的主题在说明书结束处的权利要求中被具体地指出并且被清楚地要求保护。本发明的前述和其它特征以及优势通过下面的详细描述结合附图是显而易见的，在附图中：
图1是示例性发电机系统的功能示意框图；
图2是示例性励磁机转子组件的分解透视图；
图3是示例性转子励磁机组件的组装透视图；
图4是根据本发明实施方式的端箍；
图5图示根据本发明实施方式的用于制造端箍的过程。
详细描述参照附图通过示例的方式解释了本发明的实施方式以及优点和特征。
具体实施方式
描述的本发明与发电机的转子相关，但是本领域普通技术人员可理解的是，本发明也可以适用于马达。参照图1，图示了用于涡轮发动机的示例性发电机系统100的功能示意框图。这个示例性发电机系统100可以包括：永磁发电机(PMG)110、励磁机120、主发电机130、发电机控制单元140、和一个或多个整流器组件150。在运行中，PMG110的转子112、励磁机120的转子124、以及主发电机130的转子132都旋转。这些元件的旋转速度可以不同。随着PMG转子112旋转，PMG110产生交流电流(AC)功率并将其提供给发电机控制单元140，发电机控制单元140进而将直流电流(DC)功率提供给励磁机120的定子122。励磁机转子124进而将AC功率提供给整流器组件150。整流器组件150的输出是DC功率，并被供应给主发电机转子132，主发电机转子132进而从主发电机定子134输出AC功率。发电机控制单元140可以基于从监控装置195提供给其的监控信号调节功率输出。如所描述的，PMG转子112、励磁机转子124、和主发电机转子132都以相同的旋转速度沿着单个轴线198旋转。在其它实施方式中，这些转子元件中的每一个可以沿着不同的轴线旋转。可以改变PMG110、励磁机120、和主发电机130的相对定位，使得励磁机物理上位于PMG110和主发电机130之间。
现在参照图2和图3，图示了示例性励磁机转子124的结构，具有作为励磁机转子124的主支撑结构的大致圆筒形轴毂205。应该理解的是，虽然下面的描述是关于励磁机转子，但是本文提供的教导能够应用于任何类型的机电机械。环形叠层体210附接到圆筒形轴毂205上。在另一个实施方式中，环形叠层体210可以作为励磁机转子的轴毂。也就是，在这样的实施方式中，可以省略圆筒形轴毂205。
叠层体210具有从外圆周向内径向延伸的切口215，使得叠层体210具有向外突出的齿220。在叠层体210的相反侧上设置绝缘片或环225。每一个绝缘环225包括形成绕圆周设置的多个齿235的切口230。绝缘环225的切口230和齿235与叠层体210的切口215和齿220相同并且对齐。励磁机转子124可以包括与绝缘环225中的一个相邻设置以防止叠层体220和绝缘环225的移动的平衡环240。
狭缝绝缘体245放置在叠层体210和绝缘环225二者的切口215、230内。第一对绝缘箍或片250绕靠近绝缘环225的轴毂205并且绕平衡环240设置。导线绕组155绕叠层体210和绝缘环225的齿220、235缠绕。狭缝绝缘体245将导线绕组255与叠层体210绝缘。导线绕组255包括覆盖第一和第二绝缘片或箍250的端部匝260以将绕组连接在一起。第二套绝缘箍或片265设置在每个端匝260的上方，并且第一和第二端箍270设置在第二套绝缘箍265的上方。端箍270帮助保持导线绕组255的端匝260就位，而不管在运行过程中励磁机转子组件124所经受的显著的离心力。前面提及的端箍和励磁机转子为非限制性实施方式。端箍的许多其他配置被认为是在本发明的示例性实施方式的范围内，如用在永磁发电机(PMG)转子和冲压空气涡轮(RAT)主转子上的端箍。
现在参照图4，图示了根据本发明实施方式的示例性端箍270。端箍270是内径足够大以围绕已组装的转子(例如励磁机转子124)的外径装配的中空圆筒。端箍270可由金属或合金(例如铬镍铁合金)制成。转子和附接的端箍270的旋转在用箭头H图示的方向上沿着端箍270的圆周产生环向应力。常规的端箍270是由一块棒料加工成的，并且在一个方向上具有均匀的晶粒流。这个均匀的晶粒流平行于端箍的宽度，并且垂直于环向应力的方向。在示例性实施方式中，端箍270是由在整个片材内具有均匀晶粒流的材料片形成。然而，形成的端箍270具有沿端箍270的圆周变化的非均匀晶粒流。
端箍270的一些部分，如部分A，在平行于端箍270的宽度或垂直于环向应力的方向上具有晶粒流(grain flow)。端箍270的其他部分(用部分B例示)在平行于端箍270的环向应力的方向上具有绕端箍270的圆周的纵向晶粒流。端箍270的具有垂直于环向应力的晶粒流的区域与具有平行于环向应力的晶粒流的区域通过晶粒流既不垂直也不平行于环向应力的过渡区域分隔。根据本文的教导，已经确定的是，端箍270的具有过渡晶粒流的部分和在平行于环向应力的方向上具有晶粒流的部分可以比具有垂直于环向应力的晶粒流的那些区域具有更好的疲劳寿命。因此，由于片状金属端箍270具有绕其圆周的变化的晶粒流，所以其具有比由棒料制成的常规端箍更好的疲劳寿命。
在图5中图示了用于制造端箍270的示例性过程300。在方框302中，通过由所期望材料的片材液压成形具有开口端的中空圆筒来形成片状金属端箍270。在一个实施方式中，圆筒的高度基本上等于端箍270的宽度。在另一实施方式中，圆筒的高度可以与多个端箍270的宽度大致相等。液压成形工艺在形成的中空圆筒内产生内在残余应力，内在残余应力可以通过热处理工艺降低。然而，在液压成形之后马上对中空圆筒进行陈化以增加材料的晶粒尺寸。由于晶粒尺寸与疲劳寿命成反比，所以理想的是减小中空圆筒的晶粒尺寸以提高其耐力和疲劳寿命。为了控制晶粒尺寸的增长，并实现晶粒尺寸与从一块棒料加工成的端箍的晶粒尺寸至少相当，在液压成形之后对中空圆筒进行应力消除，如方框304中所示。应力消除工艺涉及将中空圆筒加热到比陈化工艺中的温度低的温度，并使中空圆筒缓慢冷却以恢复晶粒尺寸。应力消除后，然后对中空圆筒进行陈化，如在方框306中所示，使得片状金属中空圆筒具有的晶粒尺寸与常规棒料端箍的晶粒尺寸相当或比常规棒料端箍的晶粒尺寸更小。晶粒尺寸与晶粒尺寸数成反比。在一个实施方式中，中空圆筒和所得的端箍270的期望得到的晶粒尺寸数大约是9。由于在陈化工艺期间中空圆筒的变形可能发生，所以之后除去中空圆筒的底部，如在方框308中所示，例如通过机械加工，以形成具有期望壁厚和内径的端箍270。
虽然仅联系有限数量的实施方式详细描述了本发明，但是应当容易理解的是，本发明不限于这样的公开实施方式。相反，可以修改本发明以包括之前没有描述的、但是与本发明的精神和范围相称的任意数量的变化、改变、替换或等同设置。此外，虽然描述了本发明的各种实施方式，但是要理解的是，本发明的各方面可以仅包括描述的实施方式中的一些。因此，不应将本发明视为由前述描述限制，而是仅由附加权利要求的范围限制。

Claims (19)

1.一种端箍，其包括：
中空圆筒形箍，其中，所述箍的至少一部分在平行于所述箍的环向应力的方向上具有晶粒流，并且所述箍的至少一部分在垂直于所述箍的环向应力的方向上具有晶粒流。
2.如权利要求1所述的端箍，其中，所述中空圆筒形箍由具有均匀晶粒流的材料片制成。
3.如权利要求1所述的端箍，其中，所述中空圆筒形箍由铬镍铁合金制成。
4.如权利要求2所述的端箍，其中，所述中空圆筒形箍具有与由相同材料的棒料制成的端箍的晶粒尺寸相当的晶粒尺寸或比由相同材料的棒料制成的所述端箍的晶粒尺寸更小的晶粒尺寸。
5.如权利要求4所述的端箍，其中，所述中空圆筒形箍具有大约9的晶粒尺寸数。
6.一种转子组件，其包括：
至少一个叠层体，其包括多个齿；
至少一个绝缘环，其具有与所述叠层体的齿匹配并对齐的多个齿，其中，所述至少一个绝缘环附接到所述叠层体上；
狭缝绝缘体，其设置在所述叠层体的齿和所述绝缘环的齿之间；
多个导线绕组，其缠绕在所述叠层体和绝缘环的齿周围；以及
至少一个中空圆筒形端箍，其围绕所述转子组件，其中，所述端箍的至少一部分在平行于所述端箍的环向应力的方向上具有第一晶粒流，并且所述端箍的至少一部分在垂直于所述端箍的环向应力的方向上具有第二晶粒流。
7.如权利要求6所述的转子组件，其中，所述中空圆筒形箍由具有均匀晶粒流的材料片制成。
8.如权利要求6所述的转子组件，其中，所述中空圆筒形箍由铬镍铁合金制成。
9.如权利要求6所述的转子组件，其中，所述中空圆筒形箍具有与由相同材料的棒料制成的端箍的晶粒尺寸相当的晶粒尺寸或比由相同材料的棒料制成的所述端箍的晶粒尺寸更小的晶粒尺寸。
10.如权利要求6所述的转子组件，其中，所述中空圆筒形箍具有大约9的晶粒尺寸数。
11.一种制造端箍的方法，其包括：
液压成形具有开口端部和封闭端部的中空圆筒；
对所述中空圆筒进行应力消除；
对所述中空圆筒进行陈化；以及
除去所述中空圆筒的封闭端部以形成端箍。
12.如权利要求11所述的制造端箍的方法，其中，使用平坦材料片来液压成形所述中空圆筒。
13.如权利要求12所述的制造端箍的方法，其中，所述材料是铬镍铁合金。
14.如权利要求11所述的制造端箍的方法，其中，所述中空圆筒的高度基本上与所述端箍的宽度相同。
15.如权利要求11所述的制造端箍的方法，其中，所述中空圆筒的高度基本上与多个端箍的宽度相同。
16.如权利要求11所述的制造端箍的方法，其中，所述中空圆筒的封闭端部通过加工除去。
17.如权利要求11所述的制造端箍的方法，其中，对所述中空圆筒进行陈化以降低端箍中的内在应力。
18.如权利要求11所述的制造端箍的方法，其中，对所述中空端箍进行应力消除以控制晶粒尺寸的生长。
19.如权利要求11所述的制造端箍的方法，其中，所述端箍的至少一部分在平行于所述端箍的环向应力的方向上具有第一晶粒流，并且所述端箍的至少一部分在垂直于所述端箍的环向应力的方向上具有第二晶粒流。
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