CN105121137B - 用于电机的复合框架以及用于制造其的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电机的复合框架(100)包括外部框架构件(102)，其包括含有具有至少1500的长径比的纤维的复合材料。外部框架构件形成了用于容纳电机(108)的中心孔(106)。外部框架部件形成复合框架的一部分的最外层，用于包围电机并轴向地延伸超过电机的叠片。在框架部件的至少一个终端上形成附接机构(104)，用于附接框架构件至机械系统。

Description

用于电机的复合框架以及用于制造其的方法

优先权要求

本申请要求于2013年3月14日申请的美国临时专利申请号为61/784,187的优先权；其公开通过整体引用结合于此。

技术领域

本文所描述的主题涉及用于电机的框架。更特别地，本文所描述的主题涉及用于电机的复合框架以及用于制造用于电机的复合框架的方法。

背景技术

将电机的电磁活动的部分装入框架中是常见的。该框架为电机的定子、转子和其它固定的部分提供了强度和稳定性。通常用于该框架的材料是钢和铝。框架通常被铸造用于更小尺寸的机器或被制造用于物理上更大的机器。因此，用于较大的机器的框架通过切割和焊接钢条和板材料产生。用于这些框架的制造的材料和人力成本是非常高的。并且，由于它们的导电性质，并且由于焊接，这些框架允许电流流过该框架。这些导电结构可以完成一个电路，其允许电流循环，而潜在地对电机的轴承和其它耦合的部件造成损害。这些电流已知作为轴承电流并且是变换器供电机器中最令人讨厌的，其连接到电力电子开关，其不用正弦激励对机器供电。由于特别地耦合在绕组和定子之间的电容，产生了电流。并且，可以希望允许机器的整个绕组组件是高于局部地电位而电气浮置的。浮置特性不能用已知的技术得到。

因此，鉴于这些难点，长期感觉存在用于电机的改进的框架结构需求。

发明内容

一种用于电机的复合框架包括外部框架构件，其包括含有具有至少1500的长径比的纤维的复合材料。外部框架构件形成了用于容纳电机的中心孔。外部框架构件形成复合框架的一部分的最外层，用于包围电机并轴向地延伸超过电机的叠片。在框架部件的至少一个终端上形成附接机制，用于附接框架构件至机械系统。

本文所描述的主题的至少一些方面，诸如复合框架制造工艺的控制可以以软件结合硬件和/或固件实施。例如，本文所描述的主题可以在通过处理器执行的软件中实现。在一个示例性实现方式中，本文所描述的主题可以使用其上存储有计算机可执行指令的非临时性计算机可读介质实现，当由计算机的处理器执行时，计算机可执行指令控制计算机执行步骤。适用于实现本文所描述的主题的示例性计算机可读介质包括非临时性计算机可读介质，诸如磁盘存储设备、芯片存储设备、可编程逻辑设备、以及专用集成电路。此外，实现本文所描述的主题的计算机可读介质可以位于单个设备或计算平台上或者可以分布于多个设备或计算平台上。

附图说明

现将描述附图的优选实施方式，其中：

图1是以部分的透明度显示了根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于电机的复合框架的透视图；

图2是根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于电机的复合框架的端视图；

图3是根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于制造用于电机的复合框架的心轴的侧视图；

图4是图3的心轴的端视图，示出了根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于将定子结合至复合框架的定子叠片上的外齿以及用于容纳定子铁芯的绕组的内齿；

图5是定子叠片的端视图，示出了没有图3和图4的心轴端部的内齿和外齿；

图6是示出了根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于制造用于电机的复合框架的示例性步骤的流程图；

图7是示出了根据本文所描述的主题的一个实施方式的围绕图3的心轴用于制造电机的复合框架的细丝缠绕的侧视图；

图8是根据本文所描述的主题的一个实施方式的适用于制造用于电机的复合框架的示例性拉挤工艺的原理图；

图9是示出了根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于耦合至机械系统的电机的复合框架的模块图形；

图10A-10C是根据本文所描述的主题的一个实施方式的具有不同的外径和内径构造的框架构件的截面端视图；以及

图11A-11D是根据本文所描述的主题的一个实施方式的具有不同构造且对应于电机的框架构件的截面侧视图。

具体实施方式

本文描述了用于电机的复合框架以及用于制造这种框架的方法。图1是以部分的透明度显示了根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于电机的复合框架的透视图。参考图1，框架100包括具有用于附接到电机的凸缘104的外部框架构件102。外部框架构件102可以由细丝缠绕或拉挤的纤维形成，可以使用挤压、树脂传递模塑或真空灌注。优选地，纤维为长纤维，即，具有至少大约1500的长径比。优选地，纤维由聚合物基体基础和非导电纤维形成。纤维可以包括玻璃、芳纶、碳或玄武岩纤维。碳纤维是导电的，使得纤维的电绝缘纱层可以用在导电碳纤维和定子叠层的导电碳纤维之间。在一个示例中，湿法缠绕和预浸带的使用是制造的优选方法。也可以使用干法缠绕和该组件的浸渍。长纤维是优选的，因为长纤维将允许更大的结构刚度和强度，可能相对于短纤维复合的强度和刚度，更接近于传统的钢和铝类型的框架或外壳。长纤维的使用还允许根据电机应用的横向和扭转刚度需求设计框架或外壳的强度和刚度。

在示出的示例中，外部框架构件102形成了用于容纳电机108的中心孔。电机108可以是操作为电动机或发电机的任何合适的电机，并且可以是永磁或励磁同步类型，笼式或绕线式转子感应，或者是同步或开关磁阻的。在一个示例中，电机108包括发电机，诸如用于风力涡轮机或用于海底应用的发电机。在一个替代示例中，电机108可以是电动机，诸如用于在食品加工应用中的混合器的电动机。在示出的示例中，电机108包括定子叠片110和定子绕组112。应当注意的是，框架构件102轴向地延伸超出电机108的端部绕组(即，大部分轴向地从电机的轴心分离的那些绕组)。电机108可以用作用于制造框架100的细丝缠绕工艺的心轴的一部分。可替换地，可以使用从电机108分离的心轴。如果拉挤是用于形成框架100的，电机108可以用作模具的至少一部分，在拉挤过程期间围绕模具的纤维被拉起。在一个替代示例中，可以使用从电机108分离的模具用于形成框架100。

如果使用细丝缠绕，框架100可以被缠绕以给予框架108所需的适当的扭转和横向刚度以及强度。从心轴缠绕、固化和移除后，可以将框架100截成一定长度，以及安装电机108，例如，通过收缩或压力匹配，可替换地，框架可以通过某些外部结构变形，使得可以完成定子装置的放置而不损坏外壳纤维。框架的长度和直径可以由电介质，以及应用的横向和扭转结构需求确定。复合框架100的终端可以被闩住或结合至其它框架材料，诸如金属或其它合成成分，可以是陶瓷、金属或聚合合成物。框架100用作冷却液的容器也是可能的，从外部环境隔离冷却液，以及允许具有远离导电材料的电介质要求的变换器的放置。可以以任何合适的方式完成机器108至框架100的固定，包括通过中间部件的机械固定件，诸如凸缘，或者通过穿过框架和定子的配合表面的几何切割面的机械界面粘合。

图2是框架100的端视图。凸缘104是图2所示的最外面的圆周。框架部件102形成了包围电机的框架100的一部分中的框架100的最外层。定子叠片110形成了下一层，定子绕组112紧随其后。中心孔106可以被结构化以接收电机的转子部分，诸如转子组件。

在一个示例中，电机108用作心轴的一部分，混合组件方法可以包括通过机器定子分离的心轴的使用。图3示出了适用于该目的的混合心轴300。在图3中，电机108，其包括位于分离的心轴302之间的定子。在该示例中，不需要将定子收缩装配到框架中，因为框架纤维可以在细丝缠绕过程期间围绕电机108缠绕。如果机器具有外部转子构造，细丝缠绕可能发生在心轴302和电机定子108或转子上。可以执行细丝缠绕，使得框架具有恒定的外径。也期望使心轴302的终端的每一个为形成凸缘的响铃形状或用于附接到机械系统的其它结构。从成本和重量最小化的观点看，也可能需要附接在框架的外径周围的许多轴向方向的纤维。轴向方向的纤维可以以任何合适的方式附接到框架，优选地，通过粘合附件，在整个组件固化之前或之后的放置时刻。框架中还可以包括用于轴承支架的准备。

图4是心轴300的端视图。在图4中，示出了形成用于电机108的定子绕组的结构的内齿400。定子叠片110是可视的并且包围图3所示的心轴300的中心部分。在定子叠片110的外圆周上形成外齿402以方便结合或附接复合框架100。图5是定子叠片110的端视图，示出了没有心轴部分302的内齿400和外齿402。这些外齿可以是倾斜的，还可以在轴向方向是间隔的，以更好将框架捆绑为叠片，以及使用叠片从其打孔或切割的钢的典型的划出方格的部分。

图6是示出了根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于制造用于电机的复合框架的示例性步骤的流程图；参考图6，在步骤600中，提供心轴或模具。例如，如图3所示的，可以提供包括电机108的心轴。在一个替代示例中，可以使用从电机分离的心轴。心轴通常包括纤维可以周向地在其周围缠绕的加工基本圆柱结构。如果使用拉挤，纤维和或织物可以被轴向地拉升以在轴方向包围模具。该模具可以类似于图3所示的心轴并且可以包括电机的一部分。可替换地，在拉挤中使用的模具可以从电机分离。

在步骤602中，纤维是围绕心轴细丝缠绕的或通过模具拉挤。在图7中，纤维700是周向地围绕电机108细丝缠绕的以及以箭头702所示的方向围绕分离的心轴302。纤维700是周向地缠绕的直到基本覆盖轴心部分302和电机108的外表面。

图8示出了拉挤过程的示例。在图8中，纤维800通过树脂罐802拉起，以施加树脂至纤维，然后围绕预先形成的模具804。然后树脂涂覆的纤维在模具806中固化并被拉起，并接着被切割以形成完成段808。如图8所示的，拉挤纤维使得纤维在相对于预变形器轴的轴向方向上延伸并终止在复合框架100中，还可以在进入模具之前编织纤维，使得相比于具有简单拉挤工艺的结构，更好地定义合成结构的机械特性。

返回到图6，在步骤604中，施加树脂至纤维。可以在缠绕或拉挤过程之前或之后施加树脂。在步骤606中，树脂固化以形成框架。固化可能发生在炉子或其它合适的环境中。在步骤608中，如果心轴是从电机分离的，移除心轴。

图9是复合框架100的应用的模块图。在图9中，复合框架100被闩至或者额外地附接到机械系统900。机械系统900可以是风力涡轮机或与电力应用中的风力涡轮机有关的齿轮箱。在一个替代示例中，复合框架100可以包围电动机并且机械系统900可以是由电动机驱动的用于混合食品的混合器。在又一个实现方式中，复合框架可以容纳用于海底应用的发电机或电动机。

用于电机的复合缠绕或拉挤框架的优点包括由于复合材料成本的低成本材料的使用，低成本制造，由于低密度材料的轻质框架组件，如果使用电介质材料可期望的电介质特性，由于材料的未研磨面的辐射噪声的减小，以及聚合物的阻尼特性，并且由于重量轻便于运输。

在风力发电机中，如在工业电动机中，使用许多材料用于机器框架的构造。通过创建由轻质复合材料形成的圆柱形框架，其提供了与切割和焊接钢板相同的功能，本文所描述的主题相比于切割和焊接板提供了低成本的优势并且需要更少的制造时间和品质控制时间。细丝缠绕拉挤或者通过之前提到的方法制造的复合框架的使用允许结构框架的材料、时间和成本的有效制造。玻璃、玄武岩、硼或芳纶纤维的使用允许由框架支持的电机和传统的安装介质的电机之间的电介质绝缘，通常是风力发电机的齿轮箱。由于缠绕管的表面不是平坦的，框架的位移不会产生很大的且成几何级数地集中的压力波，其通常产生很大的噪声。相比于发电机领域中使用的传统框架，框架的管状形式提供了轻质的小型封装。并且，重量的减少可以减小风力涡轮机中的其它部件的大小，其可以允许系统成本的进一步减小。

正如可以理解的，当至少一部分从纤维增强复合材料制造时，可以通过使用纤维方向的合适复合选择、调节或调整框架的机械特性。特别地，包含更接近平行于框架轴或者基本轴向地对准的纤维可以提供或提高横向刚性或抗弯性，包含倾斜定向的或相对于框架轴倾斜的纤维可以提供或提高扭转刚性，而包含更接近周向定向的或相对于框架轴横向的纤维可以提供或提高框架的环向强度或者对于横向压缩或到横向压缩或弯曲的阻抗。通过非排他性说明性示例的方式，可以认为：当纤维定向在小于相对平行于框架轴的线大约加或减10度(±10°)的角度时，纤维是基本轴向地对准的，当纤维定向在相对平行于框架轴的线大约加或减10度(±10°)和大约加或减80度(±80°)之间的角度时，纤维是斜向的或成螺旋形方向的或偏斜的，并且当纤维定向在相对平行于框架轴的线大约加或减80度(±80°)和大约加或减90度(±90°)之间的角度时，纤维是周向方向的或横向的。在一些非排他性说明性示例中，框架可以包括下述的合适复合：基本轴向对准的或相对于框架轴平行的线大约0度(0°)的纤维、定向或包在相对框架轴平行的线大约加或减45度(±45°)的角度内的纤维，和/或定向或缠绕在相对框架轴平行的线大约加或减90度(±90°)内的角度的纤维。

本文所描述的主题的示例性修改包括用于形成框架的不同材料的使用，以及不同的纤维配置和方向。例如，纤维可以是离轴定向的，诸如对复合框架包括的电机的轴加或减30度或者加或减45度。编织拉挤成型可以用于离轴方向中的定向纤维。本文所描述的主题的额外的修改包括在复合框架中包含非复合材料。例如，非复合材料可以包含在复合材料中以增强其结构完整性。本文所描述的主题的额外的修改包括连接到电机的定子的额外的方法。例如，如上所述，定子可以包括便于用缠绕或拉挤纤维结合的外齿或翅片。在一个替代示例中，可以在定子上形成其它结构，用于附接到复合框架。例如，定子可以包括闩或便于其附接到框架的其它凸起。本文所描述的主题的又一个修改包括保护涂料的应用，诸如用于复合框架的外部表面的漆或树脂涂料。本文所描述的主题的又一个潜在修改包括在复合框架内的转子轴承和支撑的位置和配置。本文所描述的主题的又一个修改包括加强梁至复合框架的外径的连接或接合。进一步地修改可以包括附接或接合至复合框架的内径的加强梁，其允许液体的轴向流量围绕定子和定子的外表面。

在框架中的长纤维的使用允许使用相比于注射成型类型的外壳利用减小的墙壁厚度获得所需的刚度和强度。墙壁厚度的减小减少了穿过外壳的热阻，并且减少的温度上升。在合成物中的导热填充物的使用还允许机器中减少的温度上升。具有以限制环境中的材料进入机器的方式构建的机器通常是优选的，反之亦然。入口保护通常预先排除通风孔或管道的使用，其允许机器表面结垢。因此，合成物中的长纤维和导热填充物的使用允许合成物的更好的热性能，接近传统金属外壳或框架的热性能，其之前不可能具有复合外壳。

复合框架还可以用作VPI或浸烘型过程的腔室，其通常用于增加绕组的热和结构能力。以前，独立的腔室用于在安装到普通框架中之前定子组件的浸入。

如上所述，本文所描述的主题包括用于电机的复合框架。为了便于与定子组件附接，外框架部件102可以包括位于框架部件102上的切割面，用于机械锁定定子至框架或者在缠绕定子之后机械锁定框架。图10A是具有位于框架部件102的内径上的切割面1000的框架构件102的截面端视图(即，穿过垂直于通过框架部件102的电机的旋转轴的平面并以旋转轴方向看获得的视图)。在图10A中，切割面1000周向地间隔围绕框架构件1000的内径，使得当从截面看时，框架102的内径形成n个边的正多边形，其中n是取决于切割面的宽度和切割面之间的角度的整数。在图10A中，显示了18个切割面。然而，本文所描述的主题的范围意在包括任意数量的切割面。框架部件102还包括位于框架构件102的外径上的翅片或齿，以利于散热并提高框架构件102的结构性能。

图10B是具有位于外径和圆柱内径上的齿或翅片的框架构件102的截面端视图。参考图10B，框架构件102包括位于其外径上的翅片1002。如上所述，翅片1002为框架构件102提供了加强的散热和结构支撑。框架构件102的内径是圆柱形的用于包围具有圆柱形外径的定子。

图10C是框架构件102的另一个实施例的截面端视图。在图10C中，框架构件102的外径包括翅片1002并且内径是光滑的。此外，框架构件102的外径和内径可以由不同材料或纤维定向构成。在一个实现方式中，内径可以由优化的用于扭转和导热性的纤维定向或材料构成，以及外径可以由优化的用于横向刚性的材料或纤维定向构成。

图11A是电机的框架部件和组件的一个象限的截面侧视图，其中电机具有圆柱的外径并且框架部件具有圆柱的内径。参考图11A，虚线1100表示电机的旋转轴，使得图11A中的视图是由穿过平行于旋转轴的平面并径向看到电机和框架里面获得的截面图。在图11A中，框架构件102包括圆柱的外径和内径。框架构件102包围定子叠片1101，其具有圆柱的外径。为了保持完整性，还显示了定子绕组1102和转子1104。

图11B示出了框架构件的替代实施例的截面侧视图，其中框架构件102包括切割面的内径和翅片的外径。在图11B中，框架构件102的外径包括翅片1002。框架构件102的内径包括切割面1000，其可以是具有图10A所示的切割面1000相同的结构。框架构件102的内径和外径可以具有如上所述的相同的或不同的材料或纤维定向。

图11C示出了框架构件102的另一个实施例的截面侧视图，其中框架构件102包括在朝向驱动的负载的框架构件102的端部上的直径的改变。在示出的示例中，框架构件102包括具有增大的直径的区域1106，其有利于框架102附接到驱动的负载。

图11D示出了框架构件102的另一个实施例的截面侧视图，其中框架构件102包括在框架构件102的两个侧面上的表面镀膜1108。表面镀膜1108可以由导电材料构成，以提供接地和/或电磁屏敝。在示出的示例中，表面镀膜1108周向地包围框架构件102的内径和外径，并且可以用于屏蔽、接地或者同时接地和屏蔽。

根据本文所描述的主题的另一个方面，公开了一种用于制造用于电机的复合框架的方法。该方法包括提供心轴。该方法进一步包括在心轴之间放置绕线定子。该方法进一步包括在定子和心轴周围编入纤维。纤维可以具有至少1500的长径比。该方法进一步包括施加树脂至纤维。该方法进一步包括固化树脂以形成包括含有纤维和树脂的复合材料的外部框架部件，形成中心孔用于容纳电机的外部框架部件，形成框架结构的最外层并轴向地延伸超出电机叠片的外部框架部件。

本文所描述的复合框架可以匹配到以任何合适的方式装入的电机。在一个示例中，电机的定子通过过盈配合至复合框架。在另一个示例中，电机的终端支撑可以通过粘结配接至复合框架。

可以理解的是，可以改变本公开主题的各种细节而不脱离本公开主题的范围。进一步的，前面的描述仅仅用于说明的目的，而不是限制的目的。

Claims (30)

1.一种用于电机的复合框架，所述复合框架包括:

外部框架构件，其包括含有具有至少1500长径比的纤维的复合材料，所述外部框架构件形成了用于保持电机的中心孔，所述外部框架构件形成了所述复合框架的用于包围所述电机并轴向地延伸出所述电机的叠片的部分的最外层，其中所述电机包括电动机或发电机；以及

附接机构，其形成在所述外部框架构件的至少一端上，用于将所述外部框架构件附接至机械系统；

其中所述外部框架构件被配置为与所述电机的定子啮合。

2.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述纤维包括细丝缠绕纤维。

3.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述纤维包括拉挤纤维。

4.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述纤维通过挤压、树脂传递模塑或真空灌注中的一种来封装入外壳中。

5.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述纤维包括非导电材料。

6.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述纤维包括在所述电机的叠片和机械接地表面之间的非导电材料层。

7.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述外部框架构件形成在与所述电机分离的心轴上。

8.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述外部框架构件使用所述电机形成为心轴的一部分。

9.根据权利要求8所述的复合框架，其中所述心轴包括位于所述电机的相反端上的分离的心轴部分。

10.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述外部框架构件被配置为包围所述电机的定子。

11.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述电机的所述定子包括在所述定子的外表面上形成的径向延伸的齿结构。

12.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述外部框架构件包括用于与所述定子的外径上的切割面互锁的有切割面的内径。

13.根据权利要求12所述的复合框架，其中所述外部框架构件包括在所述外部框架构件的外径上形成的翅片。

14.根据权利要求13所述的复合框架，其中所述外部框架构件的内径和外径由不同材料或纤维定向形成。

15.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述外部框架构件包括在所述外部框架构件远离驱动负载的区域中的第一内径，以及包括在所述外部框架构件接近所述驱动负载的区域中的大于所述第一内径的第二内径。

16.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述外部框架构件包括基本为圆柱的结构。

17.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述附接机构包括凸缘。

18.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述纤维的至少一些是轴向定向的。

19.根据权利要求1所述的复合框架，其中所述纤维的至少一些是偏离轴线定向的。

20.根据权利要求1所述的复合框架，包括至少一个导电表面板，用于覆盖所述外部框架构件的至少一个周向表面。

21.一种用于支撑电机的系统，所述系统包括：

根据前述权利要求的任一项所述的复合框架；以及

电机位于所述中心孔中的至少一部分，其中所述外部框架构件轴向地延伸出所述电机的叠片。

22.根据权利要求21所述的系统，其中所述纤维包括在周向地包围所述纤维的导电面板之间的非导电材料层。

23.根据权利要求21所述的系统，其中所述电机的所述至少一部分包括含有位于其外表面上的齿结构的定子。

24.根据权利要求21所述的系统，其中所述外部框架构件包括在所述框架构件的外径上形成的翅片，以及其中所述外部框架构件包括用于与所述电机的外径互锁的有切割面的内径。

25.根据权利要求24所述的系统，其中所述外部框架构件的内径和外径由不同材料或纤维定向形成。

26.根据权利要求21所述的系统，包括心轴，其中所述电机的至少一部分包括所述心轴的一部分。

27.根据权利要求21所述的系统，包括心轴，其中所述电机的至少一部分与所述心轴分离。

28.一种用于制造用于电机的复合框架的方法，所述方法包括：

提供心轴；

在所述心轴之间放置缠绕的定子；

绕所述定子和心轴插入纤维，所述纤维具有至少1500的长径比；

施加树脂至所述纤维；以及

固化所述树脂以形成包括含有所述纤维和所述树脂的复合材料的外部框架构件，所述外部框架构件形成用于保持电机的中心孔，所述外部框架构件形成所述复合框架的最外层并轴向地延伸出所述电机的叠片。

29.根据权利要求28所述的方法，包括通过过盈配合将所述电机的所述定子配接至所述复合框架。

30.根据权利要求28所述的方法，包括通过粘结来将所述电机的端部支撑件配接至所述复合框架。