CN103715862B - 机械组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于旋转超导机的机械组件，诸如扭矩传递柱(1)。扭矩传递柱(1)包括复合管(42)，其具有接收在夹持配件中的第一端部。夹持配件可包括端部壳体或柄(2)、旋拧到端部壳体的带螺纹部分(8)上的夹持楔(18)，以及环形夹持部件(20)，当扭矩传递柱(1)处于环境温度时，环形夹持部件(20)向复合管(42)的第一端部施加径向夹持力。夹持配件适于使得在扭矩传递柱(1)在使用中冷却到例如低温温度时，端部壳体(2)由于冷却而沿轴向方向收缩使环形夹持部件(20)大致维持或增大径向夹持力。更特别地，端部壳体(2)的收缩使夹持楔(18)向环形夹持部件(20)的径向内部部件(22)施加逐渐增大的径向力，以使多个沿周向隔开的轴向指部(32)径向向外偏转。
Description
技术领域
本发明涉及其至少一部分在使用中经历低(任选地低温)温的机械组件。机械组件可用作用于超导旋转电机(例如马达或发电机)的扭矩传递柱。
背景技术
可通过将金属端部壳体安装于心轴，并且接着将碳纤维织物或布缠绕在端部壳体和心轴周围以形成构件，来制造用于超导旋转电机的扭矩传递柱。通常，在施加之前，碳纤维织物或布穿过树脂浴槽。这种工艺可描述为“湿缠绕”工艺。
发明内容
本发明提供一种机械组件，其包括：
具有第一端部的细长部件；以及
夹持配件，其固定于细长部件的第一端部，并且在机械组件处于环境温度时，向细长部件的第一端部施加径向夹持力；
其中，夹持配件适于使得在机械组件任选地冷却到低温温度时，夹持配件的至少一部分由于冷却而沿轴向方向收缩使夹持配件大致维持或增大其向细长部件的第一端部施加的径向夹持力。
机械组件可为用于超导旋转电机的扭矩传递柱。超导旋转电机典型地包括安装成围绕协作定子或在协作定子内旋转的柱形转子。转子或定子可包括安装在励磁线圈支承结构上的多个超导励磁线圈。当操作时，超导励磁线圈和励磁线圈支承结构必须保持处于低温温度(即，低于线圈超导时所处的临界温度)。相反地，优选使励磁线圈支承结构的安装件保持尽可能接近环境温度，以便允许转子或定子联接于在环境温度下操作的其它装备或构件。扭矩传递柱可设置在励磁线圈支承结构及其安装件之间，以允许传递扭矩和其它应力，以及在它们之间提供良好的隔热。扭矩传递柱在每个轴向端部处可具有单独的夹持配件。换言之，第一夹持配件可固定于细长部件的第一端部，而第二夹持配件可固定于细长部件的第二端部。典型地，在使用期间将冷却包括细长部件的第一端部和第一夹持配件的扭矩传递柱的仅一部分，包括细长部件的第二端部和第二夹持配件的扭矩传递柱的其余部分将保持处于环境温度或接近环境温度。
夹持配件可包括用以允许机械组件连接于另一个构件(例如在扭矩传递管的情况下，励磁线圈支承结构)的连接器部分。如果第二夹持配件设置在细长部件的第二端部处，则第二夹持配件的连接器部分可允许扭矩传递柱连接于安装件。
夹持配件适于以不同的量补偿本来在冷却期间由于具有不同的热膨胀系数的构件部件收缩而将出现的径向夹持力的任何减小。在没有这种补偿的情况下，则夹持配件与细长部件的第一端部之间的、处于或接近环境温度时刚性且牢固的连接有在机械组件被冷却时将变得松散的风险。换言之，夹持配件可构建成使得施加于细长部件的第一端部的径向夹持力在机械组件被冷却时保持大致恒定，以使在环境温度和低温温度两者处，在细长部件与夹持配件之间维持刚性且牢固的连接。在机械组件被冷却时，施加于细长部件的第一端部的径向夹持力还可增大。虽然大体不是优选的，但是施加于细长部件的第一端部的径向夹持力稍微减小可为可接受的，只要其保持在接受的公差内。
细长部件可为标准复合构件，例如由诸如碳纤维加强塑料(CFRP)或玻璃加强塑料(GRP)的复合材料制成的管。管将典型地在其第一端部处具有大致圆形横截面，但是其它非圆形横截面是可能的。为了方便，可利用适当直径或横截面的标准复合管。夹持配件的构件部分在形状和大小上可特别地设置成适应这种标准复合管。复合管可为完全中空的，或者具有用于接收夹持配件的中空第一端部。复合管可限定扭矩传递柱的直线柱部分。
夹持配件可包括环形夹持部件，其优选地包括径向内部部件和径向外部部件。径向内部部件和径向外部部件在径向方向上间隔开，以在它们之间限定环形通道，细长部件的第一端部在使用中接收到该环形通道中。径向内部部分和径向外部部件可形成为整体构件。径向内部部件优选地包括多个沿周向隔开的轴向槽口，该轴向槽口从基部部分延伸，并且限定多个沿周向隔开的轴向指部。轴向槽口可任选地延伸环形联接部件的整个轴向长度。环形夹持部件向细长部件的第一端部施加径向夹持力，如在下面更详细地描述的。径向内部部件和径向外部部件可形成为单独的构件，而在一个可选布置中，径向外部部件可形成端部壳体或柄的一部分(见下文)。因此，在本文中对环形夹持部件的任何参考在一些布置中仅表示径向内部部件。
夹持配件可包括端部壳体或柄。允许机械组件连接于另一个构件的连接器部分可形成为端部壳体的一部分。
夹持配件可包括夹持楔，其选择性地安装于在使用中沿径向定位在环形夹持部件内的端部壳体的一部分。夹持楔在大小和形状上设置成在环形夹持部件的径向内部部件的开口环形端部内接触配合。夹持楔的径向外表面和环形夹持部件的径向内表面中的一个或两者可相对于机械组件的纵向轴线成角度，使得在夹持楔沿第一轴向方向(即，朝向环形夹持部件的基部部分)移动时，夹持楔向径向内部部件施加逐渐增大的径向力。夹持楔可借助于螺纹选择性地安装于端部壳体。例如，在使用中定位在环形夹持部件内的端部壳体的一部分的柱形外表面可设置有外螺纹，而夹持楔可设置有互补的内螺纹。因此，夹持楔可旋拧到端部壳体上，直到其合适地定位在端部壳体的带螺纹部分上。
夹持楔与环形夹持部件之间的相对旋转可被至少一个径向花键或键部件阻止，该至少一个径向花键或键部件形成在环形夹持部件的径向外表面上，可接收在环形夹持部件中的沿周向隔开的轴向槽口中的一个或更多个中。可利用其它阻止夹持楔旋转的方法。例如，环形夹持部件可设置有可接收在夹持楔中的一个或更多个轴向通道或槽口中的至少一个径向花键或键部件。
夹持配件可包括用于调节环形夹持部件相对于端部壳体的连接器部分的轴向位置的器件。在一个布置中，调节器件可为接收在端部壳体中的带内螺纹开口中的一个或更多个螺栓。开口可设置在端部壳体的沿径向与环形夹持部件的基部部分对齐的径向外部凸缘部分中。每个螺栓的非传动端部与环形夹持部件邻接。螺栓阻止端部壳体与环形夹持部件之间的进一步旋转，并且还可用来调节扭矩传递柱的总轴向长度，以符合规定的设计公差。在另一个布置中，调节器件可为螺母–任选地由不锈钢制成–其具有内螺纹，并且旋拧到端部壳体的带外螺纹柱形表面上。螺母与环形夹持部件邻接，并且像螺栓一样，可阻止端部壳体与环形夹持部件之间的进一步旋转，并且可用来调节扭矩传递柱的总轴向长度，以符合规定的设计公差。
夹持配件的构件可由任何适当的材料制成。端部壳体和环形夹持部件可由具有不同的热膨胀系数的材料制成。
端部壳体或柄可由金属或金属合金(例如不锈钢或铝)制成。
环形夹持部件可由金属或金属合金(例如Inconel®或殷钢(FeNi36)合金)制成。
夹持楔可由金属或金属合金(例如不锈钢、Inconel®或殷钢(FeNi36)合金)制成。
将容易理解，可使用其它材料。优选地，端部壳体材料的热膨胀系数大于环形夹持部件材料的热膨胀系数，以使在夹持配件被冷却时，端部壳体以较大的速率收缩。因为仅在压缩时放置环形夹持楔，所以环形夹持楔有时可由不那么适合低温温度的材料制成。
当机械组件处于环境温度时，环形夹持部件松散地接收在端部壳体上，任选地，其中，环形夹持部件的基部部分沿轴向与端部壳体的柱形外部部分对齐。因此，端部壳体可任选地包括：限定端部壳体的轴向端部的连接器部分；带螺纹部分，夹持楔旋拧到该带螺纹部分上，并且该带螺纹部分具有最小直径；具有直径较大的大致柱形外表面的部分，环形夹持部件安装或接收在该部分上；以及沿轴向在环形夹持部件外部的直径仍较大的径向外部凸缘部分或调节螺母旋拧到其上的带外螺纹部分中的一个。
夹持楔可滑动地定位在环形夹持部件内(即，其中，每个径向花键或键部件接收在对应的对齐轴向槽口中)，并且通过环形夹持部件与端部壳体之间的相对旋转而松散地旋拧到端部壳体的柱形带螺纹部分上。
接着，细长部件的第一端部接收在环形夹持部件的径向内部部件和径向外部部件之间的环形通道中。细长部件的第一端部优选为环形通道中的紧密公差配合，以使径向内部部件的轴向指部相对小地向外偏转足以在细长部件的第一端部上施加径向夹持力。
为了向细长部件的第一端部施加径向夹持力，端部壳体或柄相对于环形夹持部件旋转。夹持楔相对于环形夹持部件的旋转被(多个)径向花键或(多个)键部件阻止，使得夹持楔沿着端部壳体的带螺纹部分沿第一轴向方向(即，朝向环形夹持部件的基部部分)移动。(多个)径向花键或(多个)键部件在每个接收在其中的环形夹持部件的(多个)轴向槽口内滑动。夹持楔沿第一轴向方向的移动向与其滑动接触的环形夹持楔的径向内部部件施加逐渐增大的径向力。将容易理解，引起径向力是因为以下中的至少一个，以及优选地以下两者：夹持楔和径向内部部件具有斜切表面或斜表面，如上所述。径向内部部件的轴向指部被夹持楔径向向外偏转，并且向细长部件的第一端部施加径向夹持力。换言之，细长部件的第一端部被径向夹持力牢固地夹持在环形夹持部件的径向内部部件和径向外部部件之间，使得夹持配件固定于细长部件。
当环形夹持部件向细长部件的第一端部施加期望径向夹持力时，端部壳体与环形夹持部件之间的相对旋转停止。螺栓、调节螺母或其它调节器件可阻止端部壳体与环形夹持部件之间的进一步相对旋转。
当机械组件冷却到例如低温温度时，则端部壳体将收缩。环形夹持部件也将收缩，但是典型地在较小的程度上收缩，这是因为其具有较低的热膨胀系数。在正常情况下，不同的收缩速率将减小环形夹持部件施加于细长部件的第一端部的径向夹持力，由此损害机械组件的完整性。然而，端部壳体沿轴向方向的收缩使夹持楔沿第一轴向方向相对于环形夹持部件移动。因此，夹持楔将向环形夹持部件的径向内部部件施加增大的径向力，以至少补偿夹持配件的构件以不同的速率收缩而导致的径向夹持力的任何减小。
本发明还提供一种使用机械配件的方法，该机械配件包括：
具有第一端部的细长部件；以及
夹持配件；
该方法包括如下步骤：
当机械组件处于环境温度时，选择性地调节夹持配件，以向细长部件的第一端部施加径向夹持力，以将夹持配件固定于细长部件的第一端部；以及
将机械组件任选地冷却到低温温度，以使夹持配件的至少一部分由于冷却而沿轴向方向收缩使夹持配件大致维持或增大其向细长部件的第一端部施加的径向夹持力。
一种机械组件，其包括：具有第一端部的细长部件；以及夹持配件，其固定于细长部件的第一端部，并且在机械组件处于环境温度时，向细长部件的第一端部施加径向夹持力；其中，夹持配件适于使得在机械组件任选地冷却到低温温度时，夹持配件的至少一部分由于冷却而沿轴向方向收缩使夹持配件大致维持或增大其向细长部件的第一端部施加的径向夹持力。
优选地，细长部件是由复合材料制成的管。
优选地，夹持配件包括环形夹持部件，环形夹持部件包括径向内部部件和径向外部部件，它们沿径向方向间隔开，以限定环形通道，细长部件的第一端部接收到环形通道中。
优选地，径向内部部件包括多个沿周向隔开的轴向槽口，轴向槽口从环形夹持部件的基部部分延伸，并且限定多个沿周向隔开的轴向指部。
优选地，夹持配件包括端部壳体。
优选地，端部壳体包括允许机械组件连接于另一个构件的连接器部分。
优选地，端部壳体包括带螺纹部分。
优选地，夹持配件包括夹持楔，夹持楔具有互补的内螺纹，并且旋拧到端部壳体的带螺纹部分上。
优选地，夹持楔在大小和形状上设置成在环形夹持部件的径向内部部件的开口环形端部内接触配合。
优选地，夹持楔的径向外表面和环形夹持部件的径向内表面中的一个或两者相对于机械组件的纵向轴线成角度，使得在夹持楔沿第一轴向方向相对于环形夹持部件移动时，夹持楔向环形夹持部件的径向内部部件施加逐渐增大的径向力。
优选地，夹持配件适于使得在机械组件被冷却时，端部壳体的收缩使夹持楔沿第一轴向方向相对于环形夹持部件移动，以向环形夹持部件的径向内部部件施加逐渐增大的径向力。
优选地，机械组件还包括接收在端部壳体中的带内螺纹开口中的一个或更多个螺栓或旋拧到端部壳体的带外螺纹部分上的调节螺母。
优选地，端部壳体和环形夹持部件由具有不同的热膨胀系数的材料制成。
优选地，机械组件是用于超导旋转电机的扭矩传递柱。
一种使用机械配件的方法，机械配件包括：具有第一端部的细长部件；以及夹持配件；方法包括如下步骤：当机械组件处于环境温度时，选择性地调节夹持配件，以向细长部件的第一端部施加径向夹持力，以将夹持配件固定于细长部件的第一端部；以及将机械组件任选地冷却到低温温度，其中，夹持配件的至少一部分由于冷却而沿轴向方向收缩使夹持配件大致维持或增大其向细长部件的第一端部施加的径向夹持力。
在上面描述了机械组件的任选技术特征。
附图说明
图1是根据本发明的扭矩传递柱的一部分的侧视图；
图2是穿过图1的扭矩传递柱的横截面图；
图3是沿着图2的线A-A的横截面图；
图4是图1的扭矩传递柱的一部分的分解透视图；以及
图5是具有调节螺母的可选扭矩传递柱1'的一部分的分解透视图。
具体实施方式
参考图1至4，用于超导旋转电机的扭矩传递柱1包括端部壳体或柄2。端部壳体2由不锈钢制成，并且包括连接器部分4，连接器部分4具有用于将扭矩传递柱1连接于励磁线圈支承结构(未示出)的开口6，当超导旋转电机操作时，该励磁线圈支承结构必须保持处于低温温度。
端部壳体2包括具有带外螺纹柱形外表面10的端部部分8、具有柱形外表面14的中间部分12，以及径向外部凸缘部分16。
环形夹持楔18由Inconel®或殷钢合金制成。夹持楔18具有互补的内螺纹，并且旋拧到端部壳体2的端部部分8上。夹持楔18在其径向外表面36上包括一对径向花键或键部件18a。
环形夹持部件20也由Inconel®或殷钢合金制成。环形夹持部件20包括径向内部部件22和径向外部部件24。径向内部部件22和径向外部部件24沿径向方向间隔开，以在它们之间限定环形通道26。
径向内部部件22包括从环形夹持部件20的基部部分28延伸向环形端部30的六个沿周向隔开的轴向槽口31。轴向槽口限定六个沿周向隔开的轴向指部32，轴向指部32可通过夹持楔18的轴向移动径向向外偏转，以施加径向夹持力。径向内部部件22的径向内表面34和夹持楔18的径向外表面36两者相对于扭矩传递柱1的纵向轴线40成角度，以在环形夹持部件20与夹持楔之间限定倾斜的滑动接触表面38。
复合管42的端部接收在环形夹持部件20的径向内部部件22和径向外部部件24之间的环形通道26中。将容易理解，在图1至4中示出复合管42的仅一部分，并且单独的夹持配件可设置在相对的端部处，以允许扭矩传递柱连接于安装件。完全不同的连接器或配件也可设置在相对的端部处。
图1至3示出组装好的扭矩传递柱1。典型地在环境温度下组装扭矩传递柱1。
为了组装扭矩传递柱1，夹持楔18插入到环形夹持部件20中，其中，径向花键或键部件18a接收在相应地对齐的轴向槽口31中，如图3所示。接着，夹持楔18通过端部壳体与环形夹持部件20之间的相对旋转松散地旋拧到端部壳体2的端部部分8上。环形夹持部件20松散地接收在端部壳体2的中间部分12上，如图2所示。
复合管42的端部接收在环形通道26中。
端部壳体2与环形夹持部件20之间的相对旋转使夹持楔18沿着端部壳体2的带螺纹端部部分8沿箭头D指示的第一轴向方向移动。将容易理解，夹持楔18不可相对于环形夹持部件20旋转，这是因为径向花键或键部件18a接收在轴向槽口31中，并且它们在夹持楔18沿第一轴向方向移动时在轴向槽口内滑动。夹持楔18沿着倾斜的滑动接触表面38的移动向环形夹持部件20的径向内部部件22施加逐渐增大的径向力。径向内部部件22的轴向指部32通过夹持楔18径向向外偏转，并且向复合管42的第一端部施加径向夹持力。因此，复合管42牢固地夹持在环形夹持部件20的径向内部部件22和径向外部部件24之间，使得端部壳体2固定于复合管。
当环形夹持部件20施加期望径向夹持力时，端部壳体2与环形夹持部件20之间的相对旋转停止。四个螺栓44接收在端部壳体2的径向外部凸缘部分16中的带螺纹开口中，其中，它们的非传动端部与环形夹持部件20的基部部分28邻接，如图1和图2所示。螺栓44防止端部壳体2与环形夹持部件20之间的任何进一步的相对旋转。环形夹持部件20的基部部分28与端部壳体的径向外部凸缘16间隔开轴向间隙或空间46，轴向间隙或空间46由螺栓44确定。换言之，螺栓44可用来调节环形夹持部件20相对于端部壳体2的连接器部分4的轴向位置。螺栓44可使用适当的工具或驱动器来旋转，以调节该轴向间隙或空间46，以使扭矩传递柱1的总轴向长度符合规定的设计公差。例如，螺栓44可在第一方向上旋转，以增大轴向间隙或空间46(即，以使环形夹持部件20进一步远离端部壳体2的连接器部分4移动)，以增大扭矩传递柱1的总轴向长度，反之亦然。
当扭矩传递柱1的端部冷却到例如低温温度时，接着端部壳体2将收缩。环形夹持部件20也将收缩，但是典型地在较小程度上收缩，这是因为其具有较低的热膨胀系数。端部壳体2沿轴向方向的收缩使夹持楔18沿第一轴向方向相对于环形夹持部件20移动。夹持楔18将沿着倾斜接触表面38进一步滑动，以增大施加于环形夹持部件20的径向内部部件22的径向力。进而由环形夹持部件20施加于复合管42的径向夹持力将保持大致恒定(夹持楔18所施加的径向力的增大仅补偿构件以不同的速率收缩所导致的施加的径向夹持力的任何减小)，或者甚至可略微增大(夹持楔所施加的径向力的增大超过构件以不同的速率收缩所导致的施加的径向夹持力的任何减小)。
在图5中示出可选扭矩传递柱1'。扭矩传递柱1'大体类似于图1至4中示出的扭矩传递柱1，并且同样的部件被给予相同的附图标记。
扭矩传递柱1'具有不同的端部壳体2'。代替径向外部凸缘部分16，端部壳体2'包括带外螺纹部分48。带内螺纹调节螺母50由不锈钢制成，并且旋拧到带螺纹部分48上。调节螺母50与环形夹持部件20的基部部分28邻接，并且相对于端部壳体2'的连接器部分4来定位基部部分28。调节螺母50防止端部壳体2'与环形夹持部件20之间的进一步旋转，而且还可用来调节扭矩传递柱1'的总轴向长度，以符合规定的设计公差。例如，调节螺母50可在第一方向上旋转，以使环形夹持部件20进一步远离端部壳体2'的连接器部分4移动，以增大扭矩传递柱1'的总轴向长度，反之亦然。
Claims (9)
1.一种机械组件(1；1′)，其包括：
具有第一端部的细长部件(42)；以及
夹持配件在所述机械组件(1)处于环境温度时，向所述细长部件(42)的第一端部施加径向夹持力，所述夹持配件包括：
环形夹持部件，由具有第一热膨胀系数的材料制成，且包括至少一个固定到所述细长部件的第一端部的内部部件；
端部壳体，可操作地连接到所述环形夹持部件，所述端部壳体由具有第二热膨胀系数的材料制成，所述第二热膨胀系数与所述第一热膨胀系数不同；
夹持楔，固定到端部壳体末端以使夹持楔的外表面滑动接触所述环形夹持部件的内部部件；其中，当所述机械组件(1)冷却到低于环境温度时，所述端部壳体由于冷却而沿轴向方向收缩使夹持楔向所述第一端部移动，进而向外施压于所述夹持配件的内部部件，使所述夹持配件大致维持或增大其向所述细长部件(42)的第一端部施加的所述径向夹持力。
2.根据权利要求1所述的机械组件(1；1′)，其特征在于，所述细长部件是由复合材料制成的管(42)。
3.根据权利要求1或2所述的机械组件(1；1′)，其特征在于，所述夹持配件包括环形夹持部件(20)，所述环形夹持部件(20)包括径向内部部件(22)和径向外部部件(24)，它们沿径向方向间隔开，以限定环形通道(26)，所述细长部件(42)的第一端部接收到所述环形通道(26)中。
4.根据权利要求3所述的机械组件(1；1′)，其特征在于，所述径向内部部件(22)包括多个沿周向隔开的轴向槽口，所述轴向槽口从所述环形夹持部件(20)的基部部分(28)延伸，并且限定多个沿周向隔开的轴向指部(32)。
5.根据权利要求1所述的机械组件(1；1′)，其特征在于，所述端部壳体(2；2′)包括允许所述机械组件(1)连接于另一个构件的连接器部分(4)。
6.根据权利要求1所述的机械组件(1；1′)，其特征在于，所述端部壳体(2；2′)包括带螺纹部分(8)。
7.根据权利要求6所述的机械组件(1；1′)，其特征在于，所述夹持配件包括夹持楔(18)，所述夹持楔(18)具有互补的内螺纹，并且旋拧到所述端部壳体(2；2′)的带螺纹部分(8)上。
8.根据权利要求7所述的机械组件(1；1′)，其特征在于，所述夹持楔(18)在大小和形状上设置成在所述环形夹持部件(20)的径向内部部件(22)的开口环形端部(30)内接触配合。
9.根据权利要求7所述的机械组件(1；1′)，其特征在于，所述夹持楔(18)的外表面(36)和所述环形夹持部件(20)的内表面(34)中的一个或两者相对于所述机械组件(1；1′)的纵向轴线(40)成角度，使得在所述夹持楔(18)沿第一轴向方向相对于所述环形夹持部件(20)移动时，所述夹持楔(18)向所述环形夹持部件(20)的径向内部部件(22)施加逐渐增大的径向力。
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