CN111355312B - 高速感应机器 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，一种高速感应机器包括：由多个第一叠片和包括线圈的绕组形成的定子，所述多个第一叠片具有小于大约0.01英寸的厚度，该线圈由绕定子被适配的利兹线形成；以及转子，其被适配在定子内。转子可包括：由多个第二叠片形成的转子芯，所述多个第二叠片具有大于大约0.10英寸的第二厚度、并且由高强度钢形成并夹在包括至少一个第一周边第二叠片的第一端区域和包括至少一个第二周边第二叠片的第二端区域之间，第一端区域具有由被适配在附近的第一保持环保持的第一端环，第二端区域具有由被适配在附近的第二保持环保持的第二端环。

Description

高速感应机器

本发明是在由美国能源部授予的批准号DE-EE0007254之下受政府支持而做出的。政府对本发明具有某些权利。

背景技术

感应机器包括定子和转子。感应机器以如下方式操作：其中经由定子绕组的磁场通过电磁感应来获得转子中的电流。感应机器用于许多不同类型的应用中，包括许多工业应用。虽然常规感应机器可适当地以对于许多设施来说典型的低操作速度（例如，以60赫兹（Hz）的频率）来操作，但是当机器将以高速操作时，会存在许多技术挑战，包括机械应力和电磁应力以及损耗。这些挑战随着期望的操作速度的增加而增加。迄今为止，当前的努力尚未解决所有问题。

发明内容

在一个方面中，一种高速感应机器包括：由多个第一叠片形成的定子，所述多个第一叠片中的每个具有小于大约0.01英寸的厚度，其中该定子具有包括线圈的绕组，该线圈由绕定子被适配的利兹线形成；以及转子，其被适配在定子内。在实施例中，转子包括：由多个第二叠片形成的转子芯，所述多个第二叠片中的每个具有大于大约0.10英寸的第二厚度，所述多个第二叠片由高强度钢形成并夹在包括至少一个第一周边第二叠片的第一端区域和包括至少一个第二周边第二叠片的第二端区域之间，所述第一周边第二叠片和第二周边第二叠片具有第三厚度，该第三厚度大于第二厚度，第一端区域具有由被适配在附近的第一保持环保持的第一端环，第二端区域具有由被适配在附近的第二保持环保持的第二端环。

在实施例中，定子可包括被适配在定子的基本轴向中点处的单个径向通风管道。而且，高速感应机器可经由待经由单个径向通风管道被接收的反向通风被冷却。反向通风可从定子的基本轴向中点循环到定子的第一周边轴向部分和定子的第二周边轴向部分。

在另一实施例中，定子可具有基本上为柱形的无管道构型。而且，高速感应机器可经由待在定子的第一周边轴向部分处被接收并且在定子的第二周边轴向部分处从定子排出的冷却空气流而被冷却。

在示例中，定子包括多个轴向槽，每个轴向槽由一对多个内部径向定子齿形成，其中所述多个轴向槽中的每个将接收绕组的第一线圈部分和绕组的第二线圈部分并为冷却空气流提供至少一个轴向通道。所述至少一个轴向通道可基本上邻近定子和转子之间的气隙。第一线圈部分可经由非磁性间隔件与第二线圈部分分开，从而为冷却空气流提供第一轴向通道。

在实施例中，转子芯包括基本上为柱形的无管道构型。转子芯的表面可形成有沟槽型表面，以减小损耗。该沟槽型表面可包括绕转子芯的周边被适配的多个单独的周向沟槽。

在实施例中，转子芯还包括被适配在转子芯的对应的多个槽内的多个转子条，其中所述多个槽中的每个包括至转子芯的径向外部的槽开口，该槽开口所具有的宽度比对应的转子条的宽度显著更窄，以提供应力消除以防环向应力并最小化漏通量（leakageflux）。

在另一方面中，一种高速感应机器包括框架、定子和转子。框架可具有用以接收冷却空气流的第一通道、用以接收第一排出空气流的第二通道、以及用以接收第二排出空气流的第三通道。定子可被适配在框架内，并且由具有多个第一叠片的第一轴向部分和具有多个第二叠片的第二轴向部分形成，所述多个第一叠片和多个第二叠片中的每个具有小于大约0.01英寸的厚度。沿轴向方向，定子包括被适配在第一轴向部分和第二轴向部分之间的单个径向通风管道，该单个径向通风管道具有多个翅片以在径向内部引导经由第一通道被接收的冷却空气流。冷却空气流可被引导通过第一轴向部分，并通过第二通道且通过第二轴向部分作为第一排出空气流而输出、以及通过第三通道作为第二排出空气流而输出。定子还可包括多个内部径向齿和形成在成对的所述多个内部径向齿之间的多个内部轴向槽，其中所述多个内部轴向槽中的每个将接收绕定子被适配的一个或多个线圈的第一线圈部分和第二线圈部分并提供第一空气通道和第二空气通道，该第一空气通道被适配在第一线圈部分和第二线圈部分之间，该第二空气通道被适配在第二线圈部分和对应的内部径向齿的内直径之间，其中冷却空气流将流过第一空气通道和第二空气通道。转子被适配在定子内，并且包括由多个第三叠片形成的转子芯，所述多个第三叠片中的每个具有大于大约0.10英寸的第二厚度，所述多个第三叠片由高强度钢形成并且夹在第一端区域和第二端区域之间，且包括至少一个第一周边叠片和至少一个第二周边叠片，所述第一周边叠片和第二周边叠片具有第三厚度，该第三厚度大于第二厚度，第一端区域具有由被适配在附近的第一保持环保持的第一端环，第二端区域具有由被适配在附近的第二保持环保持的第二端环。

在实施例中，单个径向通风管道被适配在定子的基本轴向中点处。而且，可经由反向通风来冷却高速感应机器，该反向通风从定子的基本轴向中点轴向向外循环。

在另一方面中，一种方法包括：在制造固定装置内形成包括用于高速感应机器的转子芯的堆叠，该堆叠包括：第一保持环；待由第一保持环轴向地和径向地约束的第一阻力（resistance）环；具有第一厚度的第一周边板；具有小于第一厚度的第二厚度的多个内板，该第二厚度至少为大约0.10英寸；具有第一厚度的第二周边板；第二阻力环；以及第二保持环，其用以轴向地和径向地约束第二阻力环；穿过制造固定装置并在堆叠外部插入多个堆叠螺柱，并且将所述多个堆叠螺柱锁定到制造固定装置；将堆叠加热到至少第一温度以引起堆叠形成叠片式转子芯；将旋转轴冷却到至少第二温度，该第二温度显著低于第一温度；以及将旋转轴安装到叠片式转子芯，使得在其之间具有干涉配合。

在实施例中，该方法还包括：在叠片式转子芯的外周边上形成至少一个周向沟槽。该方法还可包括：在将堆叠加热到至少第一温度之后，绕叠片式转子芯的内周边来适配第一套筒；将旋转轴安装到叠片式转子芯而使第一套筒被适配在其之间；以及关于叠片式转子芯相对于旋转轴的最终位置对旋转轴的特征进行精加工。

在另一实施例中，该方法还可包括：绕第一套筒的内周边来适配第二套筒；以及将旋转轴安装到叠片式转子芯而使第一套筒和第二套筒被适配在其之间。

在又另一实施例中，该方法还可包括：在旋转轴上加工出多个互连的纵向沟槽，以用作高压液压流体导管；将旋转轴安装到叠片式转子芯而使第一套筒被适配在其之间；以及在旋转轴和第一套筒之间施加高压液压流体以使第一套筒和叠片式转子芯膨胀，同时施加力，以将叠片式转子芯定位在旋转轴上。该方法还可包括：绕叠片式转子芯的内孔加工出渐缩螺纹；在旋转轴的周向表面上加工出渐缩螺纹；将叠片式转子芯施加力矩到旋转轴上达到选定的干涉水平；以及关于叠片式转子芯相对于旋转轴的最终位置对旋转轴的特征进行精加工。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的定子的图示。

图2是根据实施例的定子的截面图。

图3是根据实施例的转子的图示。

图4是根据实施例的转子的截面图。

图5是根据实施例的制造环境的图示。

图6是根据实施例的转子和轴安装的图示。

图7A至图7B是根据另一实施例的将轴安装到转子上的方法的图示。

图8是根据另一实施例的转子和轴安装的图示。

图9是根据又另一实施例的转子和轴安装的图示。

图10A是根据实施例的高速感应机器环境的剖视图。

图10B是根据实施例的图10A的环境的侧视剖视图。

图11A是根据另一实施例的高速感应机器环境的剖视图。

图11B是根据实施例的图11A的环境的侧视剖视图。

具体实施方式

在各种实施例中，提供了具有多个转子和定子特征的高速感应机器，所述转子和定子特征使得能够实现高速操作，同时确保机械稳定性、减小电损耗等。另外，实施例提供了用以形成转子并将转子芯安装到旋转轴的安装技术，这确保了机械完整性，同时使制造简单并且避免了如常规制造中那样需要使用堆叠螺柱，所述堆叠螺柱由于需要沿着转子芯的轴向长度形成通孔而可能对机械稳定性产生负面影响。

应理解的是，如本文中所描述的高速感应机器可用于许多不同的应用中，包括电动机驱动（motoring）和发电机应用。如本文中所使用，关于感应机器的术语“高速”用于指代具有至少150米/秒的周边速度的机器。在转子被确定尺寸为大约10英寸的情况下，该周边速度转化为以每分钟转数为单位至少11270 RPM的速度。

如本文中所描述的高速感应机器可与可以以兆瓦级操作的驱动系统或其他功率转换器一起被包括在给定的系统中。此外，由于机器的高速本质，在实施例中，该功率转换器（其可被实施为模块化功率转换器）可包括高速开关装置，例如，基于碳化硅（SiC）技术。本文中的基于兆瓦的模块化功率转换器和高速感应机器的组合可用于许多不同的应用中，并且可用于并入到联接在公用电网和一个或多个电气或机械负载和/或源之间的系统中。

现在参考图1，示出了根据本发明的实施例的定子的图示。如图1中所示，定子100由定子堆叠110形成，该定子堆叠本身由多个叠片形成。在本文中的实施例中，这些叠片可以是超薄定子芯叠片以减小损耗。在特定实施例中，这些超薄叠片所具有的厚度可在大约0.005英寸和0.010英寸之间，并且在特定实施例中，超薄叠片所具有的厚度可以是大约0.010英寸。相比之下，低速感应机器所具有的典型定子叠片为大约0.02英寸厚。尽管实施例可变化，但是在一个实施例中，超薄叠片可由具有非常低的电损耗（在400 Hz、1.0特斯拉下为约12 W/kg，且在60 Hz下仅1 W/kg）的冷轧全加工无取向电工钢形成。对于高速应用，为了最小化定子叠片上的芯损耗，堆叠110可构造有叠片以最小化叠片中的涡电流。

如图1中进一步所示，单个径向通风管道120基本上设置在定子100的轴向中点处、夹设在定子堆叠110的两个分开的叠片组之间。在实施例中，通风管道120所具有的宽度可在大约1.75英寸和2.25英寸之间，并且在特定实施例中所具有的宽度可为大约2.0英寸。此类管道可比常规的芯管道更宽。在如图1的实施例中那样的单个通风管道的情况下，可确保在定子100的两端上均等的空气分布，从而最小化再循环。尽管如图1中的具有单个径向通风管道的布置可用于许多实施例中，但是在其他实施方式中，高速感应机器有可能具有被形成为基本上柱形形状并且具有无管道构型的定子。相反，如本文中进一步所描述，给定内部气隙或以如本文中进一步描述的各种方式形成的通道，可在定子芯内部实现冷却。注意，这些气隙和通道可以以无管道定子构型和具有单个径向通风管道的定子构型两者存在。

定子堆叠110被适配在对应的端板140₁、140₂之间。在图1的图示中，注意，在定子100的第一端（端板140被适配到该第一端）处，提供了多个指状件130。如果磁性材料太靠近绕组端匝（winding end turn），则来自线圈的边缘场能够在材料中产生涡电流并在机器内部产生附加损耗，因此指状件130和端板140由具有极低导电率的非磁性材料制成以最小化漏通量涡电流损耗。在实施例中，这些部件可由不锈钢合金形成。

现在参考图2，示出了根据实施例的定子的截面图。在图2的截面中，示出了单个定子叠片200。如所见的，定子叠片200包括被形成为定子叠片200中的凹部的多个轴向空气槽215，所述多个空气槽为线圈和气隙提供壳体以实现附加的冷却空气流。更具体地，定子叠片200包括多个径向向内延伸的径向齿，其中代表性的径向齿被示为径向齿202、204，在所述径向齿202、204之间形成有代表性的轴向空气槽215。

在插图210中，注意到存在由楔形件219外接的线圈212，该楔形件由非磁性材料制成。在楔形件219下方存在凹陷的空气通道215，冷却空气可流过该空气通道。定子叠片200的径向齿延伸到点218处的内直径。注意，在插图210中，仅示出了单个线圈部分。然而，如插图220中更充分地图示的，每个轴向空气槽215可收容两个线圈部分，即，线圈部分224和222。在实施例中，定子绕组的线圈可使用由压实的膜绝缘磁体线制成的利兹线（Litzwire），所述利兹线沿着长度换位（transpose）以最小化由于高频操作（该高频操作是由于线束中的线的接近性所引起的）而引起的过多交流损耗。在500 Hz频率下，在没有利兹线的换位的情况下，这些损耗可能会高达20倍以上。

如插图220中所图示的，轴向空气槽215提供了附加的轴向空气管道以有助于定子线圈冷却。如被适配在线圈部分222、224之间的间隔件225作为空气管道间隔件来操作，从而为冷却空气流提供另外的空气通道。另外注意，线圈部分222、224被凹陷成具有轴向空气槽215，使得存在开放的几何形状并且其可用于容纳附加的冷却空气流。因此，在定子的有管道构型抑或无管道构型中，在定子200内部均提供了足够的空气通道以容纳冷却空气流。尽管在图2中以该特定实施方式示出，但是定子叠片的其他构型也是可能的。

现在参考图3，示出了根据实施例的转子的图示。如图3中所示，转子300可由转子芯310自身形成，转子芯本身由多个叠片（例如，呈板的形式）形成。转子芯310是非实心芯，即具有带有开口305的开放式柱形形状，该开口大致具有用于接收旋转轴的尺寸。如本文中将描述的，转子芯310可相对于对应的旋转轴被确定尺寸以具有重干涉配合。轴向地，转子芯310被适配在第一阻力环320₁和第二阻力环320₂之间。继而，阻力环320本身以对应的保持环330₁、330₂为边界。注意，阻力环320可用作连接有多个转子条（例如，由铜或高强度铜合金形成）的短路环。

在各种实施例中，转子芯310可由高强度材料形成，例如被实施为具有许多个叠片或板。之所以如此，是因为高转子速度在转子部件上产生高环向应力。因此，使用高强度高磁导率材料（例如，经热处理的4340钢）以承受机械应力。如本文中所使用，关于材料的术语“高强度”指代具有近似至少100千克磅/平方英寸（ksi）的强度的给定材料，其与具有小于大约50 ksi的强度的低强度材料（诸如，硅或碳钢）形成对比。

对于转子芯310使用厚的叠片，以防止由于叠片和转子轴之间的高干涉所引起的屈曲。在实施例中，叠片厚度能够在大约0.125”和0.250”之间。极厚的叠片（例如，具有在0.375”和0.500”之间的厚度）可被安装在转子芯310的每端处以减小屈曲的风险。而且，在特定实施例中，内部转子叠片可由具有大于大约0.175英寸的厚度的高强度钢板形成，并且端转子叠片（例如，任一轴端上的单个周边板）可具有大约0.50英寸的厚度。

在示出单个转子芯板的截面的插图340中，注意，虽然存在转子条插入穿过的多个槽345，但是不存在通风管道。相比之下，常规的径向转子管道是使用夹于叠片的堆叠之间的钢板或I形梁产生的。转子叠片上的常规轴向管道或开口允许空气轴向地传送通过转子。然而，常规的轴向开口在高速条件下可能会产生相当大的应力。在高速操作期间，钢板或I形梁有可能会飞出并造成灾难性损害。

相反，就实施例来说，仅存在从对应的槽345延伸的极小开口355，如插图350中所图示。开口355提供了应力消除以防环向应力，并且还最小化漏通量诱导的涡电流损耗并改善功率因子。开口355可具有极小的宽度，例如，近似大约0.015英寸。在任何情况下，转子条槽开口355的厚度可比对应的转子条360的厚度显著更窄。作为示例，转子条360可形成有大致梯形的截面，并且可在径向向外端上具有在大约0.2英寸和0.4英寸之间的宽度，且在径向内端上具有在大约1英寸和2英寸之间的深度。

在实施例中，转子芯310可形成有沟槽型转子表面以减小杂散损耗。对于高速/高频应用，高的表面和脉动损耗可能会在转子表面上产生极度加热。沟槽型转子表面有助于分裂（break up）涡电流并最小化损耗。在不同的实施例中，转子芯310的该沟槽型外表面可形成有多个基本上为周向的槽。在另一实施例中，可使用单个螺旋地适配的周向沟槽。沟槽型表面可具有大约2毫米的深度和大约0.5毫米的宽度；当然，在其他实施方式中，其他尺寸也是可能的。

在实施例中，转子芯的端区域由于高速离心力而经历了高应力。因而，阻力环320可由高强度铜合金形成。继而，保持环330由用于保护该区域的高强度合金钢形成。在特定示例中，保持环330可由用于形成转子芯310的叠片板的相同高强度钢形成。另外，保持环330被设计成平衡阻力环320变形为锥形形状的趋势并且提供既轴向地又径向地约束阻力环320的均匀的支撑压力。

更具体地，在图4中，图示了根据实施例的转子的截面图。此处，转子300包括由对应的保持环330约束的阻力环320。如进一步所示，注意，转子300的端板（即，端板310_E）可由比其他叠片更厚的叠片（例如，在0.375英寸和0.5英寸之间）形成。当然，在一些实施例中，可提供比转子芯的内板具有更大厚度的多个端板。

如上文所描述，在实施例中，端板310_E和保持环330可由相同高强度钢材料形成，而相反，阻力环320由高强度铜合金形成，多个转子条可邻接到该阻力环（例如，经由钎焊）。同样如通过图4中的箭头方向所示，在高速操作下，离心力在阻力环320上引起向外的压力。在阻力环320的几何形状具有渐缩轮廓（如在箭头相遇的点处所示）并且保持环330的对应形状围绕该点被适配的情况下，实现了相对的力的适当平衡。

图4还示出了当彼此适配时，在阻力环320和保持环330之间（在轴向轮廓的多个点处）可存在小的轴向空间，从而为在制造和操作期间的膨胀提供空间。相比之下，在阻力环320和保持环330彼此接触所在的径向点处（箭头在该径向点处相遇）存在极有限的空间或不存在空间。如进一步所示，注意，保持环330的质心布置成基本上轴向地远离保持环的接触点，以提供平衡力。

实施例还提供了形成转子并使轴适配到转子的多种不同方法。更具体地，就实施例来说，如本文中所描述的转子可依靠重干涉配合结合厚叠片、端板和锁紧螺母以消除对堆叠螺柱的需要。即，在常规过程中，使用堆叠螺柱来形成传统的堆叠式转子，所述堆叠螺柱延伸穿过转子叠片中的预先存在的孔以提供适当的堆叠压力。然而，这些预先存在的孔以及对堆叠螺柱的包括对性能产生了不利的影响。之所以如此，是因为这些孔即使当用堆叠螺柱填充时，也产生高的环向应力。相反，就实施例来说，在已移除制造固定装置之后，得以维持芯压力并且最小化叠片变形。更具体地，可通过使用厚叠片、重收缩配合和抵靠端板的锁紧螺母来保持芯压力。该锁紧螺母在芯安装之后但在固定装置移除之前立即安装并被施加力矩。这种堆叠技术允许简化转子叠片的几何形状，并且消除了对如常规过程中那样的在叠片中的任何附加孔的需要。

现在参考图5，示出了根据实施例的制造环境的图示。如图5中所示，在制造环境500中，提供了制造固定装置510。如所见的，转子堆叠310可形成在固定装置510上。当被适配到固定装置510时，除了叠片板之外，在堆叠中还提供了对应的阻力环和保持环。与常规的制造过程形成对比，代替提供在内部（至转子堆叠）包括的螺柱的是，多个外部堆叠螺柱520绕固定装置510的周边被适配并且用于将固定装置510锁定到适当的位置，以从该外部位置将堆叠力提供在转子芯310的堆叠式布置上。

在该堆叠过程之后，可将固定装置510放置在烤箱或其他加热机构中以升高转子芯310的温度，以使得能够实现与转子轴（图5中未示出）的邻接过程。作为示例，可将转子堆叠310加热到在大约375摄氏度（℃）和425摄氏度（℃）之间的温度历时至少8小时的持续时间，以引起单独的叠片径向地膨胀。

此后，为了将转子芯组装到转子轴，可将转子轴冷却到适当的温度。例如，可将转子轴放置在干冰中历时在大约4小时和8小时之间的时段，以达到近似在大约-50°C和-100°C之间的温度。在该冷却过程之后并且当转子芯处于高温（例如，至少375℃）时，可发生邻接过程，其中转子轴被安装在转子芯内。当转子芯的热金属与旋转轴的冷金属接合时，旋转轴因此被加热并膨胀以实现旋转轴和转子芯之间的期望水平的干涉配合。

对于大的转子直径，可使用另一替代性转子至轴组装技术。之所以如此，是因为当转子叠片直径增加到约例如12英寸以上时，所需的与轴的干涉配合的大小增加到叠片不能被充分加热以安装在轴上的程度。这是因为组装所需的热量的量将对叠片的材料性能产生负面影响。

因而，转子芯的堆叠式转子叠片可与轴安装在一起，并且通过使用同心渐缩套筒来实现高水平的干涉。在该技术中，堆叠式转子芯被加热到最高可允许水平（例如，近似大约400°C）并收缩配合到套筒，该套筒可由与转子芯相同的高强度钢形成并且内直径渐缩。再次将组件重新加热到最高可允许水平，并将其放置在轴上。此时，安装内部分段式套筒，并用锁紧螺母将其拉紧。

因此，如图6中所示，在该过程的所形成的布置中，得到转子600，其包括转子芯610和旋转轴620。注意，存在具有渐缩孔的外部芯套筒612以及在其内部的具有渐缩外直径的内部分段式套筒614。另外，图6示出了芯压缩螺母630和收缩配合固定螺母635的存在，这两者绕轴620以及绕套筒612、614的至少一部分被适配以约束该布置。

在另一实施例中，堆叠式芯被加热到最高可允许水平并收缩配合到内直径渐缩的套筒。保持螺母被安装在渐缩套筒的一端处，以维持堆叠压力。然后，将组件重新加热到最高可允许水平，并将其放置在渐缩轴上并按压，直到此后达到期望的干涉为止。可安装锁以保持堆叠式芯，并且完成轴安装。

图7A示出了该制造过程的第一步骤，其中将保持螺母730安装在渐缩套筒712的一端处，该渐缩套筒继而被适配在转子芯710和可被预先加工的渐缩轴720之间。在该过程完成之后，图7B示出了该过程的第二步骤，其中可对渐缩轴720的特征进行精加工以提供期望的形状，从而达到关于转子芯710的最终位置的目的以及用于被适配在特定的高速机器框架内以与轴承等等配合。

在如图8中所示的又另一实施例中，将堆叠式转子芯810堆叠在两个端板之间，并且使用与图5中所描述的固定装置类似的固定装置来维持压缩。轴820的外直径和堆叠式芯810的内直径两者均为带螺纹的。可使用特殊的固定装置和工具（tooling）将力矩施加到堆叠式芯，以依据外直径的直径增长的测量结果来实现所需的干涉水平。在已达到适当的干涉之后，对轴进行精加工。

在再另外的实施例中，如图9中所示，能够将堆叠式芯910堆叠在两个端板912、914之间，并且使用套筒920来维持压缩，该套筒在一端处具有锁紧螺母925。套筒920的孔是渐缩的。能够使用高压液压流体经由轴930中的多个纵向沟槽935将堆叠式芯910安装到适当的干涉，以在将套筒920按压到轴930上时使其膨胀。

使用具有带有单个、基本上轴向居中地定位的通风管道的定子的高速电动机，可能发生高速感应机器的反向通风。就该布置来说，由外部鼓风机驱动的被冷却空气从中心进入机器，并在机器的两端上循环返回。由于该高速转子没有管道或内部鼓风机，因此使用外部鼓风机来产生内部空气循环。外部鼓风机在变速应用中提供一致的空气流和/或取决于机器的操作条件根据需要提供可调节空气流。相比之下，带有具有轴向通风管道和径向通风管道的转子的常规机器构型将通常产生内部空气流。

现在参考图10A，示出了根据实施例的高速感应机器环境的剖视图。如图10A中所示，机器环境1000包括框架1010，该框架收容由定子和转子（具有对应的已组装的轴，如本文中所描述）形成的高速感应机器1005。在图10A的实施例中，示出了反向通风冷却布置，其中通过第一通道1025经由空气流1020从（例如，外部）冷却器接收冷却空气。继而，冷却空气向下流动并经由单个径向通风管道1015进入机器1005中。冷却空气流过定子内的气隙和空气通道（如本文中所描述）以及定子和转子之间的气隙。在穿过定子绕组从定子的任一轴向端离开之后，空气分别经由第二通道1035和第三通道1045作为排出流1030、1040离开，返回到冷却器以供进一步冷却。图10B还示出了具有冷却空气流的侧视图。

在另一实施方式中，可使用单一通风技术，其中由外部鼓风机驱动的被冷却空气从一端进入机器并通过气隙循环返回到机器的另一端。现在参考图11A，示出了根据另一实施例的高速感应机器环境的剖视图。如图11A中所示，机器环境1100包括框架1110，该框架收容由定子和转子（具有对应的已组装的轴，如本文中所描述）形成的高速感应机器1105。

在图11A的布置中，就无管道定子来说，来自冷却器的冷却空气通过第一通道1125并经由转子和定子之间的气隙以及如本文中所描述的空气通道在机器1105的第一周边轴向部分处作为气流1120进入框架1110，冷却空气流轴向地传送通过机器1105并经由通道1135作为排出流1130离开到达冷却器。图11B还示出了具有具有冷却流的侧视图。

虽然已关于有限数量的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将了解自其做出的众多修改和变化。所附权利要求旨在涵盖如落入本发明的真实精神和范围内的所有此类修改和变化。

Claims (22)

1.一种高速感应机器，所述高速感应机器包括：

由多个第一叠片形成的定子，所述多个第一叠片中的每个具有小于0.01英寸的第一厚度，其中，所述定子具有绕组，所述绕组包括绕所述定子被适配的线圈，所述线圈由利兹线形成；以及

转子，所述转子被适配在所述定子内，所述转子包括：

由多个第二叠片形成的转子芯，所述多个第二叠片中的每个具有大于0.10英寸的第二厚度，所述多个第二叠片由高强度钢形成并夹在包括至少一个第一周边第二叠片的第一端区域和包括至少一个第二周边第二叠片的第二端区域之间，所述第一周边第二叠片和所述第二周边第二叠片具有第三厚度，所述第三厚度大于所述第二厚度，所述第一端区域具有由被适配在附近的第一保持环保持的第一端环，所述第二端区域具有由被适配在附近的第二保持环保持的第二端环。

2.根据权利要求1所述的高速感应机器，其中，所述定子包括被适配在所述定子的轴向中点处的单个径向通风管道。

3.根据权利要求2所述的高速感应机器，其中，所述高速感应机器将经由待经由所述单个径向通风管道被接收的反向通风被冷却。

4.根据权利要求3所述的高速感应机器，其中，所述反向通风将从所述定子的所述轴向中点循环到所述定子的第一周边轴向部分和所述定子的第二周边轴向部分。

5.根据权利要求1所述的高速感应机器，其中，所述定子包括为柱形的无管道构型。

6.根据权利要求5所述的高速感应机器，其中，所述高速感应机器将经由待在所述定子的第一周边轴向部分处被接收并且在所述定子的第二周边轴向部分处从所述定子排出的冷却空气流被冷却。

7.根据权利要求1所述的高速感应机器，其中，所述定子包括多个轴向槽，每个轴向槽由一对多个内部径向定子齿形成，其中，所述多个轴向槽中的每个将接收所述绕组的第一线圈部分和所述绕组的第二线圈部分并为冷却空气流提供至少一个轴向通道。

8.根据权利要求7所述的高速感应机器，其中，所述至少一个轴向通道邻近在所述定子和所述转子之间的气隙。

9.根据权利要求7所述的高速感应机器，其中，所述第一线圈部分经由非磁性间隔件与所述第二线圈部分分开，从而为所述冷却空气流提供第一轴向通道。

10.根据权利要求1所述的高速感应机器，其中，所述转子芯包括为柱形的无管道构型。

11.根据权利要求10所述的高速感应机器，其中，所述转子芯的表面包括沟槽型表面，以减小损耗。

12.根据权利要求11所述的高速感应机器，其中，所述沟槽型表面包括绕所述转子芯的周边被适配的多个单独的周向沟槽。

13.根据权利要求1所述的高速感应机器，其中，所述转子芯还包括被适配在所述转子芯的对应的多个槽内的多个转子条，其中，所述多个槽中的每个包括至所述转子芯的径向外部的槽开口，所述槽开口所具有的宽度比对应的转子条的宽度更窄，以提供应力消除以防环向应力并最小化漏通量。

14.一种高速感应机器，所述高速感应机器包括：

框架，所述框架具有用以接收冷却空气流的第一通道、用以接收第一排出空气流的第二通道、以及用以接收第二排出空气流的第三通道；

定子，所述定子被适配在所述框架内，所述定子由具有多个第一叠片的第一轴向部分和具有多个第二叠片的第二轴向部分形成，所述多个第一叠片和所述多个第二叠片中的每个具有小于0.01英寸的第一厚度，其中，沿轴向方向，所述定子包括被适配在所述第一轴向部分和所述第二轴向部分之间的单个径向通风管道，所述单个径向通风管道具有多个翅片以在径向内部引导经由所述第一通道被接收的所述冷却空气流，其中，所述冷却空气流将被引导通过所述第一轴向部分，并通过所述第二通道且通过所述第二轴向部分作为所述第一排出空气流而输出以及通过所述第三通道作为所述第二排出空气流而输出，所述定子包括多个内部径向齿和被形成在成对的所述多个内部径向齿之间的多个内部轴向槽，其中，所述多个内部轴向槽中的每个将接收绕所述定子被适配的一个或多个线圈的第一线圈部分和第二线圈部分并提供第一空气通道和第二空气通道，所述第一空气通道被适配在所述第一线圈部分和所述第二线圈部分之间，所述第二空气通道被适配在所述第二线圈部分和对应的内部径向齿的内直径之间，其中，所述冷却空气流将流过所述第一空气通道和所述第二空气通道；以及

转子，所述转子被适配在所述定子内，所述转子包括由多个第三叠片形成的转子芯，所述多个第三叠片中的每个具有大于0.10英寸的第二厚度，所述多个第三叠片由高强度钢形成并且夹在第一端区域和第二端区域之间，且包括具有第三厚度的至少一个第一周边叠片和至少一个第二周边叠片，所述第三厚度大于所述第二厚度，所述第一端区域具有由被适配在附近的第一保持环保持的第一端环，所述第二端区域具有由被适配在附近的第二保持环保持的第二端环。

15.根据权利要求14所述的高速感应机器，其中，所述单个径向通风管道被适配在所述定子的轴向中点处。

16.根据权利要求15所述的高速感应机器，其中，所述高速感应机器将经由反向通风被冷却，所述反向通风从所述定子的轴向中点轴向向外循环。

17.一种制造高速感应机器的方法，所述高速感应机器包括由多个第一叠片形成的定子，所述多个第一叠片中的每个具有小于0.01英寸的第一厚度，所述方法包括：

在制造固定装置内形成包括用于高速感应机器的转子芯的堆叠，所述堆叠包括：第一保持环；第一阻力环，所述第一阻力环待由所述第一保持环轴向地和径向地约束；具有第三厚度的第一周边板；具有小于所述第三厚度的第二厚度的多个内板，所述第二厚度至少为0.10英寸；具有所述第三厚度的第二周边板；第二阻力环；以及第二保持环，所述第二保持环用以轴向地和径向地约束所述第二阻力环；

穿过所述制造固定装置并在所述堆叠外部插入多个堆叠螺柱，并且将所述多个堆叠螺柱锁定到所述制造固定装置；

将所述堆叠加热到至少第一温度以引起所述堆叠形成叠片式转子芯；

将旋转轴冷却到至少第二温度，所述第二温度低于所述第一温度；以及

将所述旋转轴安装到所述叠片式转子芯，使得在其之间具有干涉配合。

18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：在所述叠片式转子芯的外周边上形成至少一个周向沟槽。

19.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：

在将所述堆叠加热到至少所述第一温度之后，绕所述叠片式转子芯的内周边来适配第一套筒；

将所述旋转轴安装到所述叠片式转子芯而使所述第一套筒被适配在其之间；以及

关于所述叠片式转子芯相对于所述旋转轴的最终位置对所述旋转轴的特征进行精加工。

20.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括：

绕所述第一套筒的内周边来适配第二套筒；以及

将所述旋转轴安装到所述叠片式转子芯而使所述第一套筒和所述第二套筒被适配在其之间。

21.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括：

在所述旋转轴上加工出多个互连的纵向沟槽，以用作高压液压流体导管；

将所述旋转轴安装到所述叠片式转子芯而使所述第一套筒被适配在其之间；以及

在所述旋转轴和所述第一套筒之间施加高压液压流体以使所述第一套筒和所述叠片式转子芯膨胀，同时施加力以将所述叠片式转子芯定位在所述旋转轴上。

22.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：

绕所述叠片式转子芯的内孔加工出渐缩螺纹；

在所述旋转轴的周向表面上加工出渐缩螺纹；

将所述叠片式转子芯施加力矩到所述旋转轴上达到选定的干涉水平；以及

关于所述叠片式转子芯相对于所述旋转轴的最终位置对所述旋转轴的特征进行精加工。

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