CN1649236A - 带有集成的冷却系统的交流绕组及其制造方法 - Google Patents

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K·斯瓦苏布拉马尼亚姆
E·T·拉斯卡里斯
J·P·阿勒赞德
M·R·沙赫
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Abstract

提出了一种电机(10)的绕组，绕组包括至少一组串联的AC线棒(200)。各AC线棒(200)包括一系列串联的绞合线构成的线匝(211－218，411－426)和至少一个冷却管(242)，绞合线由许多股(230)组成。许多股(230)中的各股(230)各自基本上位于至少一个冷却管(242)的至少一个传递点(406)附近，以提供从各股(230)到至少一个冷却管(242)的热传递。

Description

带有集成的冷却系统的交流绕组及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种电机的AC绕组，具体地，涉及一种高频电机的集成到AC绕组的冷却系统，还涉及制造所述AC绕组的制造方法。
背景技术
已经知道通过设置适合的冷却系统来发散电机工作时产生的热量，可提高电机，如电动机和发电机，的功率和效率。已经提出了各种冷却系统来使产生热量的作用最小。
已知的冷却方法包括应用冷却介质，如空气或流体，到电枢绕组的外部或其一部分，比如容纳电枢绕组的封闭或开口的腔室内，或通过管路，如接触电枢绕组外部的带压或无压的管路。这些方法可参考，如1971年9月28日授予Inagaki等人的美国专利No.3,609,420；1972年3月7日授予Fujii的美国专利No.3,648,085；1985年5月14日授予Aleem等人的美国专利4,517,479；2002年8月27日授予Laskaris等人的共同拥有的美国专利No.6,438,969。
其他冷却电枢绕组的方法包括在电枢绕组设置中空的导体，冷却介质通过该导体流动以散发热量。介绍上述方法的代表性专利是1972年1月11日授予Fidei的美国专利No.3,634,705。此外，还知道可设置双绕组冷却管到电枢绕组的线匝。
已知道电枢绕组出现AC损耗对电机的功率和效率有负面影响。在要求高速和/或高功率密度场合的高频电机，比如频率远高于60Hz的电机，AC损耗可支配电机的运作。此外，产热增加使得已知的冷却技术不能应付或不具实用性。例如，由于高频电机中的导体通常数量多、尺寸小，不能设置内部通道，中空导体的冷却方法变得不可行。
因此，需要一种改进的可用于高频电机的电枢绕组，可使得AC损耗最小和提高冷却技术。
此外，需要有一种制造改进的电枢绕组的具成本效益的方法。
发明内容
本发明提供了一种电机的绕组。所述绕组包括：至少一组串联的AC线棒，所述各AC线棒包括一系列串联的绞合线构成的线匝，所述绞合线由许多股组成；和至少一个冷却管。其中，许多股中的各股各自基本上位于所述至少一个冷却管的至少一个传递点附近，以提供从各股到至少一个冷却管的热传递。
在本发明的另一实施例中，提出了一种具有AC绕组的电机，其包括至少一组串联的AC线棒，各AC线棒包括一系列串联的绞合线构成的线匝，所述绞合线由许多股组成；和至少一个冷却管；其中，许多股中的各股各自基本上位于至少一个冷却管的至少一个传递点附近，以提供从各股到至少一个冷却管的热传递。
在本发明的又一个实施例中，提出了一种电机的绕组。该绕组包括至少一组串联的AC线棒，各AC线棒包括一系列串联的线匝，所述线匝包括至少一个导体；  至少一个冷却管，其具有流过带有热传导表面的管路的冷却介质；和相-地绝缘体，可提供AC线棒的电相对地的绝缘，其中相-地绝缘体围绕一系列串联的线匝和至少一个冷却管。其中，一系列线匝中的各线匝与至少一个冷却管接触，以便从各线匝传递热量到至少一个冷却管，其中，在各个接触点，所述相-地绝缘体不介入所述至少一个冷却管的各传导表面和至少一个导体的各导体之间。
在本发明的另一实施例中，提出了一种制造电机的AC绕组的方法。该方法包括步骤：在环境温度下将绞合线缠绕成具有一系列线匝的线圈；并在环境温度下用可热活化的粘接剂使线圈绝缘；在环境温度下使线圈成型为预定的形状；和对线圈加热使粘接剂固化。
在本发明的另一实施例中，提出了一种制造电机的AC绕组的方法。所述方法包括步骤：将绞合线缠绕成具有一系列线匝的线圈；使线圈成型为预定的形状；和用环氧树脂浸渍线圈。
附图说明
通过下面参考附图对本发明进行的详细说明。对本发明的上述和其他方面、特征及优点可有清楚了解，附图中：
图1是电机的定子的截面图；
图2是图1的定子截面图显示的定子一部分的放大图，显示了电枢条；
图3是图1的定子截面图显示的定子一部分的放大图，显示了电枢条的另一种结构；和
图4是包括线匝各部分的热交换区和图2所示各电枢条的冷却条的构造的部分截面图。
标记表
100                    电机
110                    转子组件
110a，110b             转子段
112                    磁极
114                    空气极
120                    轴
130                    纵轴线
140                    外壳
150                    定子组件
160                    定子
162                    内定子
164                    外定子
166                    电枢绕组的隙
168                    端部绕组的空间
170                    励磁线圈
200                    转子段
210                    中心部分
250                    基体
220，230               转子段环
240                    铁磁极
500                    转子段
520                    单个转子段
510                    中心部分
530                    周界开口
540                    内部开口
具体实施方式
下面将参考附图对本发明的实施例进行介绍。在下面的介绍中，已知的功能或结构不再详细介绍，以避免用不必要的细节来干扰对本发明的介绍。在全部附图中，相同的标记代表相同的部件。
在高频电机中，绕组包括至少一组线圈，其由多股的绞合线线匝构成；和冷却绕组的冷却系统，其中绕组的各线圈至少设置一个冷却管，线圈的各线匝传递热量到至少一个冷却管，热量沿多股绞合线的各股传递，从各股传递到至少一个冷却管。AC绕组可以是电机的任何传递能量的绕组，例如，电枢绕组或定子或转子的AC场绕组。
图1是示例性电机10的截面图，电机具有转子12、定子20和AC绕组32，图中显示的是定子电枢绕组。还显示出设有轴14，其在定子形成的空腔沿电机的长度延伸(即沿与纸面正交的方向延伸)，其中轴14支承转子12。尽管下面的讨论涉及定子电枢绕组，应当指出AC绕组32的结构可用于其他的AC电能流过的绕组，包括转子绕组。
暴露和显示出AC绕组32的多个AC线棒200，其包括外环形阵列，具有多个位于定子20的定子铁芯28的外周面附近的外AC线棒202，形成外绕组203；和内环形阵列，具有多个位于定子铁芯28的内周面附近的内AC线棒204，形成内绕组205。图1显示的多个AC线棒200是多个电枢条，但AC线棒可以是电机中任何等同的结构，包括转子的等同结构。此外，AC绕组32可设置在定子20中的其他位置。在另一结构中，AC绕组32可包括多个AC线棒组成的一环形阵列。
参考图2，定子20的定子铁心28的示例性扇形部分300显示出具有成对的外和内AC线棒202，204。成对的外和内AC线棒202，204支承于一对磁性或非磁性的由定子铁心28形成的定子齿302形成的通道36中，定子齿在某特定的实施例中是不导电的和/或层叠的，以减少损耗。各个外AC线棒202和内AC线棒204设置了冷却管240，其具有至少一个冷却管242。设置了磁性或非磁性楔形物304以封闭位于通道36内端的通道36。各AC线棒202，204通过提供相-地绝缘的具较厚涂层的相-地绝缘体308进行绝缘。
AC线棒202，204的结构基本是相同的。下面对外AC线棒202的介绍也适用于内AC线棒204。特定实施例的各AC线棒202一般具有矩形或梯形形状，AC线棒202具有两个宽边，其长度就是AC线棒202的高度207，和两个短边，其长度是AC线棒202的宽度209，高度207可以超过或不超过宽度209。各AC线棒202包括线圈210，其由缠绕成单个或多个线匝的绞合线构成。在所显示的示例性实施例中，各外AC线棒202包括8个连续的线匝211-218，当然也可使用其他数量的线匝。在特定的实施例中，线匝211-218分成基本对称的第一和第二组。在所显示的实施例中，第一线匝组包括线匝211-214，其基本对称于第二线匝组215-218。还可以想到外AC线棒202可包括2个或更多线匝组，其如图2所示是垂直放置的，或如下面的图3所示水平放置，或将二者组合放置。相-地绝缘体308围绕线匝211-218。
多个外AC线棒202通过串联和/或并联连接成至少一串，其包括连接此至少一串到电机10的接头。类似地，多个内AC线棒204连接成至少一串，通过串联和/或并联，其包括连接此至少一串到电机10的接头。可以想到，各串可包括内和/或外AC线棒204，202的组合。此外，各串可具有多相。在本发明的一个实施例中，如电枢绕组，一串外绕组通过第一槽从电机的第一端延伸到电机的第二端，并通过一串经第二槽从电机的第二端延伸到电机的第一端的内绕组连接到电机的第二端的附近。
绞合线形成的线圈210，如现有技术已知的，包括多个单股线230。，各股线包括一般绝缘的线，其以某种模式，在特定实施例中是均匀模式，缠绕或拧到一起。各股线以特定方式调换以减少AC损耗，如现有技术所示。多股结构可减少如固体导体会产生的能量损耗，能量损耗产生的原因一般称作“集肤效应”，并可减少涡流产生的高交流发热。一般地，当要求增加频率，股230数量相应增加，各股的计量尺寸(或直径)减少。
图中所示的各线匝211-218的截面在特定实施例中一般为矩形或梯形，矩形具有两个宽边，其长度是线匝的高度219；和两个短边，其长度是线匝的宽度221，而长度219超过宽度221。线匝211-218的宽边可定位成正交或平行于外AC线棒202。在图3所示的示例性结构中，线匝211-218的宽边平行于外AC线棒202的宽边。
形成的冷却管240位于外AC线棒202的内部，如位于相-地绝缘体308所形成的空间内，使至少一个冷却管242和从线匝211-218传递热量到冷却管242的线匝211-218之间形成最大的接触表面或热传递区。所形成的冷却管240位于相-地绝缘体308的内部，所以冷却管240和线匝211-218之间的热传递不必传递到相-地绝缘体308。
线匝211-218传递的大部分热量通过沿各股230和纵向的热流的方式进行(即沿各股的纵轴)，从各股230到所形成的冷却管的热传递将在下面参考图4进一步介绍。
在具体实施例中，形成的冷却管240的结构共同设置成矩形或其他适合的形状。线匝211-218与冷却管240的位置使得线圈210的各匝(在某些线圈线匝数可能高)沿Z轴(即正交于纸面)的路径接近或在某实施例接触冷却管，线匝的表面区和形成的冷却管240的表面区设置成互相接近或互相接触，以建立热交换区。各冷却管242可以端面对端面的串联方式设置成平行结构，或组合起来形成冷却管240，以减少峰值温度和泵送通过冷却管242泵送的冷却介质所需能量。热交换在各冷却管242之间进一步发生。冷却管242在具体实施例中是由具高导热性和高电阻性非磁的金属材料组成，还应当是抗腐蚀或侵蚀的，如不锈钢。
在特定实施例中，第一组线匝211-214设置成相对冷却管240基本与第二组215-218对称，使与冷却管240的热交换的线匝数最大，使热交换能力最大。在特定实施例中，最大数量的线匝设置成在冷却管240的相对表面进行热交换。此外，在特定实施例中，线匝具有均匀的尺寸和形状。对称的接触关系使线圈210的各线匝，甚至当线圈包括很多数量的线匝时，可以紧凑和高效的方式与冷却管240进行热交换。
冷却管242具有线圈的线匝间电压范围内的浮动电压。在特定实施例中，形成的冷却管240用足够厚的的膜绝缘体进行电绝缘，以抵抗与形成的冷却管240接触的的线匝211-218之间的最大电压。此外，在特定实施例中，当各冷却管242连接到一起形成冷却管240时，各冷却管242互相电绝缘，如通过电绝缘的软管或连接件。此外，在特定实施例中，冷却管242单独和/或共同地涂复热活性和/或热传导的黏结剂，使冷却管242和线匝211-218之间有最大接触，使线匝211-218传导的热量最大。此外，在另一实施例中，整个外AC线棒202，或其一部分，用真空加压浸渍(VPI)工艺进行处理，清除空隙和空气并提供额外的机械支承。
在特定实施例中，冷却管242包括于可使冷却介质(如液体、气体、低温冷却液等)在冷却管242流动的冷却系统，系统包括可使冷却介质流动的泵送或抽入装置，冷却介质的管路，冷却的冷却介质源和/或冷却冷却介质的热汇。此外，在特定实施例中，冷却管242的壁，具体是与线匝211-218接触的壁，较薄，使产生的涡流最少。
参考图3，显示了另一个AC线棒202，204的结构。其中外AC线棒204包括一组线匝411-426，线匝411-426的宽边正交对应的AC线棒202，204的宽边，形成的冷却管240的宽边平行于外AC线棒202的宽边。AC线棒202和204的结构基本上相同。如图所示，各线匝411-426接触或靠近冷却管240，线匝411-426绕冷却管240对称设置，接触或靠近冷却管240的相对表面。
上面介绍的电枢绕组非常适合于高频电机，比如高速和/或高能量密度电机，如在比60赫兹高许多的频率下工作的电机，商业或军事用途的马达或发电机，包括要求重量轻和电机紧凑的场合，如飞行器。
图4显示了热交换区，其包括截面图显示的一部分线匝211和形成的冷却管240，在特定的实施例中，另外的线匝212-219类似于线匝211。冷却管240显示出具有第一薄膜绝缘体402，第一薄膜绝缘体设置成可提供对线匝211产生最大电压的电绝缘。与较厚的相-地绝缘体308相比要薄很多。
线匝211的多股线的各股230显示出，在特定的实施例中，各股的实际数目大于所显示的股数。各股230由第二薄膜绝缘体404绝缘，第二薄膜绝缘404设置成向最大股间电压提供电绝缘，要比第一薄膜绝缘402薄许多。第二膜绝缘404可由如低电损耗的乙烯聚合物的和/或聚亚安酯材料形成，但是其他绝缘材料也可使用。在特定实施例中，股230还涂复了热活化黏结剂。
此外，绞合线可通过包裹单层或双层(未显示)来绝缘，包裹层设置成可提供最大的线匝间电压的电绝缘，与较厚的相-地绝缘体308相比要薄很多。包裹层可由织物，如尼龙织物形成。可想到能够包裹一部分绞合线，而不包裹另外的部分。位于热交换区的绞合线部分，即与冷却管240接触或靠近的部分是不包裹的。第一膜绝缘402，第二膜绝缘404和包裹层的组合厚度比相-地绝缘体308的厚度要小很多。因此，冷却管204提供的冷却作用要超过设置在AC线棒外面的类似冷却管的冷却作用，这种冷却管将热传递到相-地绝缘体。
股线320拧成的结构要使股230相对冷却管240的位置上升和下落。在特定实施例中，各股230拧成可接触冷却管240，或靠近位于至少一个传递点406的冷却管240，在传递点热量从股线230传递到冷却管240。因此，通过各股线230和沿股线230的纵向传递，产生的热量得到有效地发散，然后传递到在各传递点406的冷却管240。所介绍的高效热传递超过沿横向的热传递，比如股线间的热传递，和/或经过厚电绝缘体的热传递。
如上所述，线匝211接触(或靠近)位于接触点的冷却管211，其沿平行Z轴(即离开图2的纸面)延伸，在特定实施例中，长度最大化使传递点的数量最大化。类似地，图3的线匝411接触(或靠近)冷却管240的位于线匝411的部分，线匝411沿平行Z轴(即离开图3的纸面)方向的路径延伸，在特定实施例中，该长度最大化，使传递点的数量最大化。图4所示的线匝211部分基本上与线匝411的类似部分相同，但是位置要转动90度，Y轴由X轴代替。
形成线圈210是通过缠绕绞合线形成线匝，然后用热活化黏结剂热绝缘绞合线，缠绕的绞合线在环境温度下形成希望的形状(在特定实施例中，第一组线匝和第二组线匝基本对称)。其后，成型和绝缘的线圈210进行烘烤使黏结剂固化。
在本发明的另一实施例中，线圈210通过缠绕和成型线圈210形成希望的形状(在特定实施例中，第一组线匝和第二组线匝基本对称)，不必施加黏结剂。接下来，线圈210用环氧树脂浸渍。此外，线圈210还可以通过使用热活化黏结剂和环氧树脂浸渍组合来形成。
希望充填AC线棒中的空隙，包括线匝211-218外的空隙，线匝211-218内的空隙，比如股230之间的空隙。为实现这样的空隙减少，股230可通过在VPI处理中液化和固化的薄膜来绝缘，比如B级环氧树脂。绞合线可用树脂来包裹，在VPI处理中进行活化充填空隙。
上面介绍的本发明的实施例用于说明，而不是用于进行限制，不能代表本发明所有的实施例。不脱离本发明的精神和范围可进行多种改进和变化，本发明的范围由后面的权利要求以法律承认的语言和等同体来限定。

Claims (10)

1.一种电机(10)的绕组，其包括：
至少一组串联的AC线棒(200)，所述各AC线棒(200)包括一系列串联的绞合线构成的线匝(211-218，411-426)，所述绞合线由许多股(230)组成；和至少一个冷却管(242)；
其中，所述许多股(320)中的各股(230)各自基本上位于所述至少一个冷却管(242)的至少一个传递点(406)附近，以提供从所述各股(230)到所述至少一个冷却管(242)的热传递。
2.根据权利要求1所述的绕组，其特征在于，热量还沿所述各股(230)的纵轴方向传递。
3.根据权利要求1所述的绕组，其特征在于，所述一系列线匝(211-218，411-426)中的各线匝(211-218，411-426)的表面区域基本上位于所述至少一个冷却管(242)的各表面区域附近，以建立各自的热传递区，其中所述各热传递区包括多个传递点。
4.根据权利要求3所述的绕组，其特征在于，所述至少一个冷却管(242)具有第一和第二相对的表面，所述热传递区沿所述第一和第二相对表面建立。
5.一种具有AC绕组的电机(10)，所述绕组包括：
至少一组串联的AC线棒(200)，所述各AC线棒(200)包括：一系列串联的绞合线构成的线匝(211-218，411-426)，所述绞合线由许多股(230)组成；和至少一个冷却管(242)；
其中，所述许多股(320)中的各股(230)各自基本上位于所述至少一个冷却管(242)的至少一个传递点(406)附近，以提供从所述各股(230)到所述至少一个冷却管(242)的热传递。
6.一种电机(10)的绕组，包括：
至少一组串联的AC线棒(200)，所述各AC线棒(200)包括一系列串联的线匝(211-218，411-426)，所述线匝包括至少一个导体；
至少一个冷却管(242)，其具有流过带有热传导表面的管路的冷却介质；和
相-地绝缘体(308)，可提供所述AC线棒(200)的电相对地的绝缘体(308)，其中所述相-地绝缘体(308)围绕所述一系列串联的线匝(211-218，411-426)和所述至少一个冷却管(242)；
其中，所述一系列线匝(211-218，411-426)中的各线匝(211-218，411-426)与所述至少一个冷却管(242)接触，以便从所述各线匝(211-218，411-426)传递热量到所述至少一个冷却管(242)，其中，在各个接触点，所述相-地绝缘体(308)不介入所述至少一个冷却管(242)的各传导表面和所述至少一个导体的各导体之间。
7.根据权利要求6所述的绕组，其特征在于，所述至少一个冷却管(242)具有浮动的电压。
8.根据权利要求7所述的绕组，其特征在于，所述浮动的电压处于一系列线匝(211-218，411-426)的线匝间电压范围内。
9.根据权利要求6所述的绕组，其特征在于，在各接触点，所述传导表面和所述至少一个导体之间的最大绝缘体包括膜绝缘体，其总厚度基本上小于所述相-地绝缘体(308)的厚度。
10.根据权利要求6所述的绕组，其特征在于，所述AC线棒(200)的所述各线匝(211-218，411-426)接触所述至少一个冷却管(242)，以便从各个线匝(211-218，411-426)传递热量到所述至少一个冷却管(242)。
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