CN103797689A - 发电设备及形成该发电设备的方法 - Google Patents

Abstract

一种发电设备，包括堆叠的叠片，其形成围绕轴线沿周向设置的多个电枢，多组导电绕组部件，其沿轴向延伸穿过堆叠叠片并且沿周向设置在每对相邻的电枢之间，以及第一和第二层端匝部件。第一轴向层的每个端匝部件一个绕组部件上。第一轴向层端匝部件中的每个端匝部件从其各自的一个绕组部件沿周向顺时针延伸。第二轴向层的每个端匝部件连接到一个绕组部件上并且连接到第一轴向层端匝部件的每个端匝部件上。第二轴向层端匝部件中的每个端匝部件从其各自的一个绕组部件沿周向逆时针延伸。每个绕组部件由绞合导线形成。

Description

发电设备及形成该发电设备的方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2012年2月17日申请的美国专利申请第13／029，922号的优先权。

关于联邦赞助的研究或开发的申明

不适用。

附录

不适用。

技术领域

本发明涉及发电设备。更具体地说，本发明涉及一种形成发电设备的线圈的端匝(end-turns)和绕组的独特的配置和方法。

背景技术

发电电动设备(如发电机、交流发电机和电动机)通常包括线圈(也经常被称为绕组)，其在定子或转子的相邻电枢之间导电。通过线圈所传导的电流通常是在相邻的另一对电枢之间经由通常所称的端匝成环状地返回。虽然流经端匝的电流对发电设备的磁通量场有正面的贡献，但是这种贡献通常小于流经端匝的电流所造成的负面作用。因此，希望减少由端匝所产生的净磁通量场。通常也希望端匝尽可能地紧凑。

发电设备也通常使用实心导线，以形成线圈的每个绕组。然而，实心导线由于趋肤效应和邻近效应而在承载高频交变电流时是低效的。结果是，这些绕组的电阻随着发电设备的旋转速度增加而增加。因此，在某些情况下，实心导线绕组可能是低效的。

发明内容

本发明提供一种非常紧凑和高效的端匝结构。在本发明的一个方面，一种发电设备包括堆叠的叠片，其形成围绕轴线沿周向设置的多个电枢。为了参考，该轴线限定了轴向、径向和周向方向。第一组导电绕组部件沿轴向延伸穿过所述堆叠的叠片，并且沿周向设置在一对相邻的电枢之间。第二组导电绕组部件沿轴向延伸穿过堆叠的叠片，并且沿周向设置在另一对相邻的电枢之间。该设备还包括第一组和第二组端匝部件。第一组端匝部件中的端匝部件以一对一的方式连接到第一组导电绕组部件的绕组部件上。第一组端匝部件中的每个端匝部件设置在一个空间轴向体积中。这些空间轴向体积构成了第一组空间轴向体积，并且以限定了与第一组空间轴向体积相互交错的第二组空间轴向体积的方式在轴向上相互隔开。第二组端匝部件中的端匝部件以一对一的方式连接到第二组导电绕组部件的绕组部件上并以一对一的方式连接到第一组端匝部件的每个端匝部件上。第二组端匝部件中的每个端匝部件设置在第二组空间轴向体积的唯一一个空间轴向体积中。

在本发明的另一个方面，一种发电设备包括堆叠的叠片，其形成围绕轴线沿周向设置的多个电枢。为了参考，该轴线限定了轴向、径向和周向方向。该没备还包括多组导电绕组部件，其沿轴向延伸穿过堆叠的叠片，并且以一组对一对电枢的方式沿周向设置在每对相邻的电枢之间。该设备还包括第一和第二端匝部件层。第一轴向层的每个端匝部件以一个端匝部件对一组绕组部件的方式连接到多组导电绕组部件中的一组中的一个绕组部件上。第一轴向层端匝部件中的每个端匝部件从其各自的一个绕组部件沿周向顺时针延伸并且沿径向向外按照其所能做的那样延伸。第二轴向层的每个端匝部件以一个端匝部件对一组绕组部件的方式连接到多组导电绕组部件中的一组中的一个绕组部件上，并且以一对一的方式连接到第一轴向层端匝部件的每个端匝部件上。第二轴向层端匝部件中的每个端匝部件从其各自的一个绕组部件沿周向逆时针延伸并且沿径向向外按照其所能做的那样延伸。

然而，本发明的另一个方面涉及一种形成发电设备的方法。该发电设备包括堆叠的叠片，其形成围绕轴线沿周向设置的多个电枢。为了参考，该轴线限定了轴向、径向和周向方向。该方法包括：使第一组导电绕组部件沿轴向延伸穿过堆叠的叠片，并且沿周向设置在一对相邻的电枢之间。该方法还包括：使第二组导电绕组部件沿轴向延伸穿过堆叠的叠片，并且沿周向设置在另一对相邻的电枢之间。而且该方法包括：使用锡焊、铜焊、或焊接技术中的一种，将第一组端匝部件以一对一的方式连接到第一组导电绕组部件的绕组部件上。而且，该方法包括：使用锡焊、铜焊、或焊接技术中的一种，将第二组端匝部件以一对一的方式连接到第二组导电绕组部件的绕组部件上并以一对一的方式连接到第一组端匝部件的每个端匝部件上。

再有，在本发明的另一个方面，一种发电设备包括堆叠的叠片，其形成围绕轴线沿周向设置的多个电枢。该轴线限定了轴向、径向和周向方向。该发电设备还包括第一组导电绕组部件，其沿轴向延伸穿过堆叠的叠片，并且沿周向设置在一对相邻的电枢之间。每个绕组部件是一个绞合导线的织带。通过绞合导线(与实心导线相比)形成绕组部件，绕组中的电阻保持较低，即使在他们承载高频电流时。

下面参照附图对本发明进一步的特征和优点以及本发明的各种实施例的操作进行详细描述。

附图说明

图1是根据本发明的发电设备的透视图。

图2是形成图1所示的发电设备的定子的主体的堆叠的叠片的透视图。

图3示出了连接到图1所示的发电设备的定子的线圈的透视图。

图4是图1所示的发电设设备的定子的线圈中的一个的透视图。

图5是图4所示的线圈的顶视图。

图6是根据图5所示的线6-6所取的，图4和图5所示的线圈的剖面横截面图。

说明书和附图中的参考标号表示相应的项目。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的发电设备。这种特定的发电设备20被配置成作为发电机。发电设备20包括壳体22，其围绕定子24和转子26。转子26优选为一个柱状体，其具有由永久磁体构成的磁极。磁体优选由稀土金属形成。

发电设备20的定子24包括堆叠的叠片28和多个线圈30。叠片形成围绕轴线周向地间隔开且朝向轴线沿径向向内突出的多个电枢32。因此，在每对相邻的电枢32之间形成槽34。线圈30沿轴向延伸通过这些槽34。优选地，具有十个电枢32和五个独立的线圈30。

优选的，通常五个线圈30彼此相同。图4-6中单独地示出了其中一个线圈30。不同于多数传统线圈(其通常通过围绕一个或多个电枢缠绕导线而形成)，本发明优选实施例的线圈30中的每一个包括独立的绕组部件36和端匝部件38，它们以形成线圈的方式彼此组装。每个绕组部件36优选为导电绞合线带。线圈30的绕组部件36以形成两组绕组部件(每组绕组部件包括十个绕组部件)的方式彼此相互层叠。每组中的每个绕组部件36优选通过薄片状的电绝缘体与每个相邻的绕组构件分离(为清楚起见，图中被省略)。在每组中间的绕组部件36中的一个具有自由端。这两个自由端作为线圈30的终端端部40。端匝部件38优选由铜板或铜片形成。每个端匝部件38包括矩形槽42，用于接收一个绕组部件36的端部。每个端匝部件38可操作地连接到其各自的绕组部件36，优选通过焊料或固态焊接。正如图5清楚地示出了，端匝部件38是以如此方式被弯曲以使得它们沿周向延伸稍微超过90度。端匝部件38也被配置成：当端匝部件从其各自的绕组部件36沿圆周方向延伸出时，每个端边部件从轴线沿径向向外延伸。大约一半的端匝部件38在每组绕组部件36的两端从该端沿顺时针方向延伸，而其余的从该处沿逆时针延伸。端匝部件38在绕轴线沿周向延伸时在轴向上是彼此间隔开的。然而，端匝部件38的顶端44重叠且彼此相互啮合。在端匝部件38的顶端44重叠的地方，端匝部件成对地可操作地彼此连接(优选使用焊料或固态焊接)。

鉴于上述情况，应当理解的是，每个线圈30被配置成：线圈的电路径沿绕组部件36中的一组向下循环十次并且沿绕组部件中的另一组向上循环10次，并且使得大约一半的电流在端匝部件38中沿周向流到轴线的一侧从一组绕组部件到另一组，而其余电流在端匝部件中通常对称地在轴线的相对侧流过。通过使得电流在与轴线垂直的平面中从一组绕组部件36流到另一组对称的(或几乎是对称的)绕组组件，由流过端匝部件的电流所产生的磁场一般被消除了(至少在定子芯中)。因此，端匝部件的结构减小了端匝部件对发电设备内的磁通量场的负面影响，从而提高了发电设备的效率。此外，这种结构减小了端匝的长度，这减少了绕组损耗。还应当理解的是，由绞合导线形成绕组部件36减小了每个绕组部件内的邻近效应，从而极大地降低了所述绕组部件的电阻。这对绕组中的电流是高频交流电流的情况本身是非常有利的。例如，这将保持本文所描述的发电设备高效，即使当设备以每分钟好几万的转数工作时(在趋向于这么做时)。

虽然图4-6本身示出了一个单一的线圈30，但是在发电设备20中的多个线圈以如此方式组装以使得它们彼此互锁啮合。优选地，每个线圈30的端匝部件38一次一个轴向层地被组装到设备上。例如，在图4中由数字100表示的端匝部件构成端匝部件的一个轴向层，由数字102表示的那些端匝部件构成另一个轴向层。以这种方式，线圈30变得互锁啮合。电绝缘片最好是放置在端匝30的每个轴向层之间，留出开口穿过其中，以便允许在端匝的顶端44之间作出适当的操作连接。在组装期间和之后，开槽的隔离件46最好用于支撑端匝部件38在它们彼此相对正确的方向上。可以看出在图3中，即使端匝30紧凑地相互啮合，形成端匝的元件之间也存在空隙。这些空隙允许冷却空气或其它类型的冷却流体围绕每个端匝部件循环，这有利于热量从端匝耗散。

本发明的优选实施例的发电设备20特别用于连接到一个高速旋转的热力发动机，其相对于定子24以每分钟好几万的转数驱动转子26。当转子26在定子24内旋转时，转子磁体的磁场(随转子旋转)在发电设备20的每个线圈30中感应出电。从而五个线圈30共同产生五相电力，使用本领域中已知的任伺技术将这五相电力转换成所需的任伺类型的电流。

应当理解，本发明提供了结构紧凑和高效的用于发电设备的端匝结构。还应当理解，本发明可以用于具有电磁体的转子类型，它可以被用来与所有类型的发电设备如电马达连接。应进一步理解的是，本发明并不限于二极绕组结构，其可以用于与具有四极、十二极或分布式绕线图案结构的其它设备连接。

还应当理解的是，正如权利要求中所用的，短语“空间轴向体积”是指在垂直/正交于发电设备的转子轴线的两个平面之间延伸的一定体积的空间。

由于在不脱离本发明范围的情况下，可以对本文所描述和示出的结构和方法作出各种修改，可以理解前面的描述中包含的或在附图中所示的所有内容应被解释为说明性的，而不是限制性的。因此，本发明的广度和范围不应受限于任伺上述示例性实施例，但应仅根据下面所附的权利要求及其等同物进行限定。

还应当理解，在权利要求中或在本发明的优选实施例的上述描述中引入本发明的元件时，术语“包括”、“包含”和“具有”是开放的，意味着有可能具有所列元件以外的其它元件。另外，术语“部分”应理解为它有资格具有的部分或全部的产品或元件。此外，使用的标识符，如第一第二，和第三，不应该以在限制之间施加任何相对位置或时间序列的方式解释。再有，任何方法权利要求的步骤所遵循的顺序不应该以限制该步骤所必须执行的顺序的方式被解释。

Claims (18)

1.一种发电设备，包括：

堆叠的叠片，其形成围绕轴线沿周向设置的多个电枢，该轴线限定了轴向、径向和周向方向；

第一组导电绕组部件，其沿轴向延伸穿过所述堆叠的叠片，并且沿周向设置在一对相邻的电枢之间；

第二组导电绕组部件，其沿轴向延伸穿过所述堆叠的叠片，并且沿周向设置在另一对相邻的电枢之间；

第一组端匝部件，第一组端匝部件中的端匝部件以一对一的方式连接到第一组导电绕组部件的绕组部件上，第一组端匝部件中的每个端匝部件设置在唯一的空间轴向体积中，该空间轴向体积构成了第一组空间轴向体积，并且以限定了与第一组空间轴向体积相互交错的第二组空间轴向体积的方式在轴向上相互隔开；

第二组端匝部件，第二组端匝部件中的端匝部件以一对一的方式连接到第二组导电绕组部件的绕组部件上并以一对一的方式连接到第一组端匝部件的每个端匝部件上，第二组端匝部件中的每个端匝部件设置在第二组空间轴向体积的唯一一个空间轴向体积中。

2.根据权利要求1所述的发电设备，其中每个端匝部件具有多边形截面。

3.根据权利要求2所述的发电设备，其中每个端匝部件具有矩形截面，该截面具有平行于轴线的相对边，每个绕组部件是导电绞合导线的织带。

4.根据权利要求1所述的发电设备，其中每个端匝部件沿周向从其各自的一个绕组部件延伸并且沿径向按照其所能做的那样向外延伸。

5.根据权利要求1所述的发电设备，其中第一组和第二组端匝部件中的每个端匝部件通过熔化后连接到其上的填充金属而连接到它们各自的一个绕组部件上。

6.根据权利要求1所述的发电设备，每个端匝部件焊接到它们各自的一个绕组部件上。

7.根据权利要求1所述的发电设备，其中每个绕组部件通过绝缘材料片沿径向与相邻的一个绕组部件间隔开。

8.根据权利要求1所述的发电设备，其中每个端匝部件以形成近似直角的交叉方式连接到其各自的一个绕组部件。

9.根据权利要求1所述的发电设备，其中第一组和第二组绕组围绕轴线彼此直接相对地沿周向间隔开。

10.根据权利要求1所述的发电设备，每个端匝部件包括平坦表面，该平坦表面位于一个与轴线正交的平面内。

11.根据权利要求1所述的发电设备，其中第一组和第二组端匝部件的端匝部件相对于彼此而定位，从而使冷却流体可以在端匝部件之间流过。

12.一种发电设备，包括：

堆叠的叠片，其形成围绕轴线沿周向设置的多个电枢，该轴线限定了轴向、径向和周向方向；

多组导电绕组部件，其沿轴向延伸穿过所述堆叠的叠片，并且以一组导电绕组部件对一对电枢的方式沿周向设置在每对相邻的电枢之间；

第一轴向层端匝部件，第一轴向层的每个端匝部件以一个端匝部件对一组绕组部件的方式连接到所述多组导电绕组部件中的一组中的一个绕组部件上，第一轴向层端匝部件中的每个端匝部件从其各自的一个绕组部件沿周向顺时针延伸并且沿径向向外按照其所能做的那样延伸；

第二轴向层端匝部件，第二轴向层的每个端匝部件以一个端匝部件对一组绕组部件的方式连接到多组导电绕组部件中的一组中的一个绕组部件上并且以一对一的方式连接到第一轴向层端匝部件的每个端匝部件上，第二轴向层端匝部件中的每个端匝部件从其各自的一个绕组部件沿周向逆时针延伸并且沿径向向外按照其所能做的那样延伸。

13.根据权利要求12所述的发电设备，其中两组绕组部件围绕轴线彼此直接相对地沿周向间隔开。

14.根据权利要求12所述的发电设备，其中发电设备包括定子，并且唯叠的叠片形成定子的一部分。

15.一种形成发电设备的方法，该发电设备包括堆叠的叠片，其形成围绕轴线沿周向设置的多个电枢，该轴线限定了轴向、径向和周向方向，该方法包括：

使第一组导电绕组部件沿轴向延伸穿过所述堆叠的叠片，并且沿周向设置在一对相邻的电枢之间；

使第二组导电绕组部件沿轴向延伸穿过所述堆叠的叠片，并且沿周向设置在另一对相邻的电枢之间；

使用锡焊、铜焊、以及焊接技术中的一种，将第一组端匝部件以一对一的方式连接到第一组导电绕组部件的绕组部件上；以及

使用锡焊、铜焊、以及焊接技术中的一种，将第二组端匝部件以一对一的方式连接到第二组导电绕组部件的绕组部件上并以一对一的方式连接到第一组端匝部件的每个端匝部件上。

16.根据权利要求15所述方法，进一步包括：

使第三组导电绕组部件沿轴向延伸穿过所述堆叠的叠片，并且沿周向设置在第三对相邻的电枢之间；

使第四组导电绕组部件沿轴向延伸穿过所述堆叠的叠片，并且沿周向设置在第四对相邻的电枢之间；

使用锡焊、铜焊、以及焊接技术中的一种，将第三组端匝部件以一对一的方式连接到第三组导电绕组部件的绕组部件上；以及

使用锡焊、铜焊、以及焊接技术中的一种，将第四组端匝部件以一对一的方式连接到第四组导电绕组部件的绕组部件上并以一对一的方式连接到第三组端匝部件的每个端匝部件上。

17.一种发电设备，包括：

堆叠的叠片，其形成围绕轴线沿周向设置的多个电枢，该轴线限定了轴向、径向和周向方向；

第一组导电绕组部件，其沿轴向延伸穿过所述堆叠的叠片，并且沿周向设置在一对相邻的电相之间，每个绕组部件是绞合导线的织带。

18.根据权利要求17所述的发电设备，进一步包括第二组导电绕组部件，其沿轴向延伸穿过堆叠的叠片，并且沿周向设置在另一对相邻的电枢之间；以及多个端匝部件，其将第一组绕组部件电连接到第二组绕组部件，并且其中第二组绕组部件中的每个绕组部件是绞合导线的织带，每个端匝部件是导电材料的固体片，并且构造成将第一组绕组部件中的仅仅一个绕组部件电连接到第二组的仅仅一个绕组部件上，以便使流过第一组绕组部件的所述一个绕组部件和第二组绕组部件的所述一个绕组部件的电流也流过所述端匝部件。

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