CN104300703A - 用于电动机器的具有非圆柱形表面的转子 - Google Patents

用于电动机器的具有非圆柱形表面的转子 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于电动机器的具有非圆柱形表面的转子，所述转子是具有经过改型的外表面的电动机器转子。在一些实施例中，所述电动机器转子包括转子主体，该转子主体具有：主轴；极区域，所述极区域具有从转子的旋转轴线至极区域的外表面的非均匀径向距离；以及多个槽，所述多个槽位于转子主体的外表面中，所述多个槽沿转子主体的周向方向间隔开，所述多个槽中的每一个槽都沿转子主体的轴向方向延伸。

Description

用于电动机器的具有非圆柱形表面的转子
技术领域
本发明中所公开的主题总体涉及电动机器转子。更具体地，本发明中所提供的公开涉及具有拥有经过改型的磁路气隙的转子的电动机器。
背景技术
同步电动机器中的短路比(SCR)是发电机稳定性或者发电机中的磁场随负载的改变而改变的程度的测量结果。较高的SCR将改进电动机器或发电机的稳态稳定性特性。传统上，设计者已通过创造较大的机器或者通过结合极面槽来满足较高的SCR，这些选择中的两个选择都具有与其相关的较高的成本。
用于电动机器的传统转子是大致圆柱形状的，在其外表面和与其相关联的定子的内表面之间具有均匀的径向距离。
发明内容
本发明的各个实施例包括装置，所述装置适于包括电动机器转子，该电动机器转子具有经过改型的外表面和经过改型的磁路气隙。在一些实施例中，所述装置包括电动机器转子，该电动机器转子包括转子主体，该转子主体具有主轴；极区域(pole regions)，所述极区域具有从转子的旋转轴线至极区域的外表面的非均匀径向距离；以及多个槽，所述多个槽位于转子主体的外表面中，所述多个槽沿转子主体的周向方向间隔开，所述多个槽中的每一个槽都沿转子主体的轴向方向延伸。
本发明的第一方面提供一种电动机器转子(dynamoelectric machinerotor)，该电动机器转子包括：转子主体，该转子主体具有主轴(spindle)；极区域，所述极区域具有从转子的旋转轴线至极区域的外表面的非均匀径向距离；以及多个槽，所述多个槽位于转子主体的外表面中，所述多个槽沿转子主体的周向方向间隔开，所述多个槽中的每一个槽都沿转子主体的轴向方向延伸。
本发明的第二方面提供一种电动机器，该电动机器包括：定子；转子，该转子定位在定子内，该转子包括：转子主体，该转子主体具有主轴；极区域，所述极区域具有从转子的旋转轴线至极区域的外表面的非均匀径向距离；以及多个槽，所述多个槽位于转子主体的外表面中，所述多个槽沿转子主体的周向方向间隔开，所述多个槽沿转子主体的轴向方向延伸。
本发明的第三方面提供一种电动机器，该电动机器包括：定子；以及转子，该转子定位在定子内，该转子具有扁圆圆柱形横截面，该扁圆圆柱形横截面包括与第二半径正交的第一半径，第一半径和第二半径具有不同长度。该转子包括转子主体，该转子主体具有：主轴；极区域，所述极区域具有从转子的旋转轴线至极区域的外表面的非均匀径向距离；以及多个槽，所述多个槽位于转子主体的外表面中，所述多个槽沿转子主体的周向方向间隔开，所述多个槽沿转子主体的轴向方向延伸。
附图说明
通过下文结合示出了本发明的各个实施例的附图对本发明各个方面的详细描述，本发明的这些和其它特征将更加易于理解，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的转子的三维透视图。
图2示出了根据本发明的实施例的转子的横截面图。
图3至图4示出了根据本发明的实施例的转子的三维透视图。
图5示出了根据本发明的实施例的装置的横截面图。
图6示出了根据本发明的实施例的转子的横截面图。
应当注意到，本发明的附图不必成比例。附图旨在仅示出本发明的典型方面，并且因此不应当被认为对本发明的范围构成限制。应当理解，附图中具有相似附图标记的元件可以如参照彼此所描述的基本相似。此外，在参照图1至图6所示和所描述的实施例中，相似的附图标记可以代表相似元件。为了清楚起见，省略了对这些元件的过多解释。最后，应当理解，图1至图6的部件及其补充描述可以应用于本说明书中所描述的任何实施例。
具体实施方式
本说明书中所公开的主题总体涉及电动机器转子(dynamoelectricmachine rotors)。更具体地，本说明书中所提供的公开涉及具有拥有经过改型的磁路气隙(magnetic air gaps)的转子的电动机器。
短路比(SCR，Short circuit ratio)是电动机器或发电机的重要设计参数。SCR是对发电机稳定性或发电机中的磁场随负载改变而改变的程度的测量结果。较高的SCR将改进稳态稳定性特性，但是可能需要较大的发电机。
如本说明书中所描述的，传统上，设计者已通过创造较大的电动机器或通过结合极面槽来满足较高的SCR，这些选择中的两个选择都具有相关成本。多种常见的电动机器具有处于0.35至0.58的范围内的SCR。相比之下，当与具有在本说明书中被称为“基线转子(baseline rotor)”的转子的这些传统的电动机器相比时，根据本发明的各个实施例的电动机器能够实现从6％到10％的增强的SCR。
本发明的各个方面提供增强的电动机器短路比，同时避免了与较大机器相关的成本增加。
如与传统电动机器进一步有所区别的，本说明书中所描述的实施例通过修改转子表面来有助于降低实现较高SCR的成本，而不妥协/损害设计参数中的任何一个。本说明书中所描述的各个实施例通过修改定子与转子之间传统的均匀的磁路气隙来允许短路比增大。根据各个方面对磁路气隙的修改指的是在定子与转子之间产生非均匀径向距离。这些具有经过改型的磁路气隙的创新设计改进了SCR，而不改变发电机或电动机器的总体尺寸。对磁性气隙的改型可以通过由各种方法来修改传统圆柱形的转子的外表面来完成。根据各个方面的又一个特性是通过将转子构型(profiling)、切削、或开槽至期望程度来使SCR增强至所要求的值。这种改型在设计中提供了灵活性并且能够基于性能、效率和成本需要进行优化。如所述的各个方面不限于2极圆柱形转子电动机器，并且因此能够推广至具有4个极的机器。
各个实施例都包括转子外表面，所述转子外表面可以被描述成单个平坦表面、多个平坦表面、凹形、凸形、椭圆形或多个凹槽。此外，转子主体的形状可以是椭圆形或卵形，因此在定子内表面与转子外表面之间产生非均匀径向距离。
在根据各个方面的电动机器的操作期间，场电流(field current)被施加于转子的励磁绕组(excitation winding)，以在定子的开路条件下产生额定电压。本领域技术人员应当领会，额定电压(rated voltage)对于给定机器而言是特定的。额定电压典型地可以处于大约9kV至26kV之间，然而，这种值不应当被理解成是限制性的。
同样在操作期间，场电流被施加于转子的励磁绕组，从而在定子的短路状况下产生额定电流。额定电流对于给定机器而言是特定的，并且这种电流的值可以由于机器的不同而发生变化。在存在于定子中的电枢绕组(armature winding)中，SCR由被施加以在开路条件下产生额定电压的场电流的值除以用于在短路状况下产生额定电流的场电流的值来限定。根据各个方面，各个实施例的经过改型的磁路气隙能够对基线转子的SCR实现从6％到10％的增强的SCR值，如上文所讨论的。
如上所述，各个方面可以通过修改定子与转子之间的磁路气隙而有助于降低实现较高的SCR的成本却不损害其它的设计参数。
参照图1，示出了透视图，其中示出了根据实施例的电动机器转子10。本发明的各个方面可以包括转子主体20。该转子主体20可以包括主轴(spindle)30。该主轴30限定了旋转轴线，转子主体和主轴围绕该旋转轴线旋转。示出了位于转子主体20的外表面40中的多个槽50。所述多个槽50可以沿转子主体20的周向方向C间隔开，多个槽50中的每一个槽50都沿转子主体20的轴向方向A延伸。多个槽50可以成形为接受励磁绕组(图6中所示的励磁绕组)。
根据一些方面，转子10可以是具有极N和S的两极转子，如图1中所示。一些实施例包括具有平坦外表面45的极区域S、N。
图2示出了转子主体20的横截面图。转子主体20可以包括具有从转子10的旋转轴线A至极区域的外表面40的非均匀径向距离r’的极区域S、N。
图3是透视图，其中示出了根据本发明的实施例的电动机器转子10。图3示出了根据各个方面的实施例，其中极区域S、N均包括多个平坦外表面55。尽管图3示出了两个极区域S、N，但是应当理解，多于两个的极区域也属于不同方面的范围内。
图4是立体图，其中示出了根据本发明的实施例的电动机器转子10。图4示出了根据各个方面的实施例，其中极区域S、N均包括凸形外表面57。仅示出了凸形形状的一个例子，然而，其它方面可以包括不同的凸形形状。
图5是横截面图，其中示出了根据实施例的电动机器60的部件。电动机器60可以是同步发电机并且/或者可以由气体冷却、液体冷却、或者二者的组合冷却，此外电动机器60可以通过现在已知或未来将开发的任何方法或技术冷却。电动机器60可以是多相发电机，例如三相发电机；然而，附图中未示出三相发电机。电动机器60包括定子70和定位在定子70内的转子10。极区域S、N被示为具有从转子10的旋转轴线A至极区域S、N的外表面45的非均匀径向距离r’。根据本发明各个方面，多个槽50位于转子主体20的外表面40中，所述多个槽沿转子主体20的周向方向C间隔开，其中多个槽50沿转子主体20的轴向方向A延伸，如图所示。图5示出了定子70与极区域S、N的外表面45之间的非均匀径向距离r”。应当注意到，上文中所描述的根据各个方面的转子10的不同的构造可以结合电动机器60使用，并且此处为了简洁起见不重复对这种实施例的描述。图5示出，定子70的内表面80是圆柱形并且具有圆形横截面。
图6是透视图，其中示出了根据本发明的实施例的电动机器转子110。该转子110具有扁圆圆柱形横截面，该扁圆圆柱形横截面包括与第二半径OR2正交的第一半径OR1。第一半径OR1和第二半径OR2具有不同长度，如图所示。如上所述，定子70具有圆形横截面，并且如上所述但不限于图6中所示，存在定子70与转子110的极区域S、N的外表面140之间的非均匀径向距离。
本说明书中所使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的并且不期望对本发明构成限制。如本说明书中所使用的，除非上下文清楚地另有描述，否则单数形式“一个”和“所述”旨在也包括复数形式。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”具体指的是存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、以及/或者部件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件、以及/或者其组。
如本说明书中所使用的，术语“轴向”和/或“轴向地”指的是物体沿轴线A的相对位置/方向，轴线A与转子的旋转轴线基本平行。如本说明书中进一步使用的，术语“径向”和/或“径向地”指的是物体沿半径(r)的相对位置/方向，该半径(r)与轴线A基本垂直并且仅在一个位置处与轴线A相交。此外，术语“周向”和/或“周向地”指的是物体沿包绕轴线A但并不在任何位置处与轴线A相交的圆周的相对位置/方向。
在本说明书中参照根据本发明的实施例的转子所使用的术语“增强”指的是SCR增大超过标称量(nominal amount)，例如在特定实施例中，“增强”指的是与基线电动机器转子的SCR相比SCR的6-10％的增大；基线电动机器转子具有与电动机器转子相同的尺寸和材料，并且具有从基线转子的旋转轴线至基线转子的极区域的外表面的径向距离均匀的极区域。
本说明书使用例子对本发明进行了公开(其中包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实施本发明(其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法)。本发明的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的例子。如果这种其它的例子具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的例子包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的例子落入权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种电动机器转子，所述电动机器转子包括：
转子主体，所述转子主体包括：
主轴；
极区域，所述极区域具有从所述转子的旋转轴线至所述极区域的外表面的非均匀径向距离；以及
多个槽，所述多个槽位于所述转子主体的外表面中，所述多个槽沿所述转子主体的周向方向间隔开，所述多个槽中的每一个槽都沿所述转子主体的轴向方向延伸。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子是两极转子。
3.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，当在所述电动机器内使用时，所述电动机器的定子内表面与所述极区域的外表面之间的径向距离是非均匀的。
4.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述极区域均包括平坦外表面。
5.根据权利要求4所述的转子，其特征在于，所述极区域均包括多个平坦外表面。
6.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述极区域均包括凸形外表面。
7.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述多个槽成形为接收励磁绕组。
8.一种电动机器，所述电动机器包括：
定子；
转子，所述转子定位在所述定子内，所述转子包括转子主体，所述转子主体具有：
主轴；
极区域，所述极区域具有从所述转子的旋转轴线至所述极区域的外表面的非均匀径向距离；以及
多个槽，所述多个槽位于所述转子主体的外表面中，所述多个槽沿所述转子主体的周向方向间隔开，所述多个槽沿所述转子主体的轴向方向延伸。
9.根据权利要求8所述的电动机器，其特征在于，所述转子是两极转子。
10.根据权利要求8所述的电动机器，其特征在于，所述电动机器由气体冷却。
11.根据权利要求8所述的电动机器，其特征在于，定子内表面与所述极区域的外表面之间的径向距离是非均匀的。
12.根据权利要求8所述的电动机器，其特征在于，所述极区域均包括平坦表面。
13.根据权利要求8所述的电动机器，其特征在于，所述极区域均包括多个平坦表面。
14.根据权利要求8所述的电动机器，其特征在于，所述极区域均包括外部凸形表面。
15.根据权利要求8所述的电动机器，其特征在于，所述多个槽成形为接收励磁绕组。
16.根据权利要求15所述的电动机器，其特征在于，所述电动机器还包括励磁绕组，
其中在所述电动机器操作期间，场电流被施加于所述励磁绕组，从而在所述定子的开路条件下产生额定电压；
其中场电流被施加于励磁绕组，从而在所述定子的短路条件下产生额定电流；并且
其中所述电动机器具有由被施加以在开路条件下产生额定电压的场电流的值除以用于在短路条件下产生额定电流的场电流的值来限定的短路比；
其中，所述非均匀径向距离增强了所述电动机器中的短路比。
17.根据权利要求8所述的电动机器，其中所述定子的内表面是圆柱形并且具有圆形横截面。
18.一种电动机器，所述电动机器包括：
定子；以及
转子，所述转子定位在所述定子内，所述转子具有扁圆圆柱形横截面，所述扁圆圆柱形横截面包括与第二半径正交的第一半径，所述第一半径和所述第二半径具有不同长度，所述转子包括转子主体，所述转子主体具有：
主轴；
极区域，所述极区域具有从所述转子的旋转轴线至所述极区域的外表面的非均匀径向距离；以及
多个槽，所述多个槽位于所述转子主体的外表面中，所述多个槽沿所述转子主体的周向方向间隔开，所述多个槽沿所述转子主体的轴向方向延伸，并且所述多个槽成形为接收励磁绕组。
19.根据权利要求18所述的电动机器，其特征在于，所述定子的内表面是圆柱形，并且具有圆形横截面。
20.根据权利要求18所述的电动机器，其特征在于，所述电动机器还包括位于所述槽内的励磁绕组，
其中在所述电动机器操作期间，场电流被施加于所述励磁绕组，从而在所述定子的开路条件下产生额定电压；
其中场电流被施加于所述励磁绕组，从而在所述定子的短路条件下产生额定电流；并且
其中所述电动机器具有由被施加以在开路条件下产生额定电压的场电流的值除以用于在短路条件下产生额定电流的场电流的值来限定的短路比；
其中所述非均匀径向距离增强了所述电动机器中的短路比。
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