TWI527317B - 電力連接系統及方法 - Google Patents

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Description

電力連接系統及方法
本申請案主張2010年8月20日申請之專利案第12/860,716號之優先權，該案係主張2009年2月20日申請之美國臨時申請案第61/154,316號之優先權之2010年2月18日申請之專利案第12/708,500號之一部分接續申請案，該等案之全文以引用方式併入本文中。
高功率電機及其他高功率電裝置需要能夠可靠傳送高電流及使高電壓絕緣之堅固電力連接。就流體密封型機器或裝置而言，連接亦需要密封機器或裝置封閉體以防止流體通過連接界面之任何者進入或離開封閉體。就內部流體冷卻型機器或裝置而言，連接需要密封機器或裝置封閉體以防止冷卻流體洩漏。
用於製造電機之電力連接之一傳統方法為提供由具有較高導電率之材料(諸如銅或黃銅)構成的一螺柱，該螺柱連接至機器之內部配線。利用此方法，如圖1中所繪示，螺柱10係插入穿過一絕緣塊11。接著，組件係插入穿過機器外殼壁17且由一絕緣墊圈12及鎖定螺母13卡住。藉由將電力電纜環形凸耳連接器14與抵靠另一鎖定螺母13而施加壓力之額外鎖定螺母15、16紧固在一起而完成電力連接。
此螺柱連接設計之一缺陷在於螺柱10及鎖定螺母13需由具有較高導電率之材料構成，尤其當用在高電流應用中時。然而，具有高導電率之材料趨向於亦具有低機械屈服強度特性以使其等易在螺紋硬體配 件係用以緊固電連接時發生故障，且因此無法在無損壞之情況下經歷諸多組裝及拆卸週期。
另外，一傳統螺柱連接設計之另一缺陷在於電流必須通過鎖定螺母13之螺紋而流動至螺柱10之螺紋以完成電路，從而僅提供有限線接觸及不夠大的表面區接觸。此在高電流應用中尤其麻煩，其中有限電接觸可導致可引起連接過熱之額外電阻損耗。
用於製造電力連接之另一傳統方法係端子連接或「架空引線」法。如圖2中所示，此方法包括將一電機17之內部配線與一環形凸耳連接器18直接端接。機器之外部電力連接電纜亦係以一環形凸耳連接器19為端子。接著，此等環形凸耳端子18、19係與一螺紋緊固件20及螺母21連接在一起，或與一螺紋緊固件20一起連接至一端子板(充當螺母)。螺紋緊固件20及螺母21施加壓力於環形凸耳連接器18、19之接觸表面之間以完成電路徑。
因為壓力係施加於環形凸耳連接器18、19之兩個大表面之間，所以此方法允許優於螺柱連接設計之一改良電連接。此產生具有低電阻及高電流容量之一有效連接。
然而，就一流體密封型機器而言，利用端子連接法，因為兩組導線係直接連接至機器外部，所以當導線穿過機器外殼或其他封閉體壁而離開機器時需要一方法來密封導線。在此情況中，整個連接需要可觸及，但亦需含於某一類型之密封封閉體內，從而使此設計方法無法用於注重小型形狀因數之情況。
因此，需要可實現一堅固電及機械連接界面之高電力連接之一方法。另一需要為可解決流體密封型及/或內部流體冷卻型機器或裝置之連接之密封問題。
本發明提供電力連接(諸如密封電力連接)之系統及方法。本文中 所述之本發明之各種態樣可應用於以下所闡述之特定應用之任何者或應用於需要電及/或機械連接之其他類型之電力連接。本發明可應用為一獨立系統或方法或應用為一應用之部分，諸如給亦可為流體冷卻型機器之高電力電機提供連接。應瞭解可個別、集合或彼此結合瞭解本發明之不同態樣。
根據本發明之一態樣，電力連接可提供一有效率電及堅固機械連接。電力連接可包含可經組態以接觸一電力連接塊之一電力電纜連接器。電力電纜連接器及電力連接塊可由導電材料形成。電力電纜連接器及電力連接塊可通過一較大表面區而彼此接觸，且可經電及機械連接。電力連接可包含由一較高強度材料形成之一緊固件組件。緊固件組件可機械地連接至電力連接塊，且可用以施加壓力以形成電力電纜連接器與電力連接塊之間之連接。緊固件組件可提供一堅固機械連接，但無需為由電力電纜連接器及電力連接塊形成之電連接之部分。
根據本發明之一態樣，可提供一電力連接。該電力連接可包括由具有一第一強度(S1)之一材料形成之一緊固件組件及由具有一第二強度(S2)之一材料形成之一電力連接塊，其中該緊固件組件係機械地連接至該電力連接塊，且其中(S1)大於或等於(S2)。在一些實施例中，電力連接塊可由具有一第一導電率(EC1)之一材料形成且緊固件組件可由具有一第二導電率(EC2)之一材料形成，其中(EC1)大於或等於(EC2)。
根據本發明之另一態樣，電力連接塊可經流體冷卻。舉例來說，密封電力連接可用於可具有內部流體冷卻之一電機或裝置。冷卻流體可接觸電力連接塊。
密封電力連接亦可根據本發明之另一態樣提供絕緣及密封組態。一絕緣體可使設置於電力電纜連接器與電力連接塊之間之連接與一電機或裝置之封閉體電絕緣。設計亦可提供可防止用以冷卻電力連接塊 之冷卻流體或電機或裝置內之其他流體自電機或裝置洩漏或可防止任何其他流體進入或離開機器或裝置之一密封連接。
本發明之另一態樣可針對一種製造一電機之電力連接之方法。該方法可包含：提供與該電機之一內部元件電連通之一電力連接塊；使一電力電纜連接器接觸該電力連接塊；及提供一緊固件組件，其中該緊固件組件抵靠該電力連接塊而固持該電力電纜連接器，且其中流動通過該電力電纜連接器及該電力連接塊之電流量大於通過該緊固件組件之電流量。在一些實施例中，該緊固件組件可包括可定位在該電力連接塊內之一嵌件及可為一螺紋緊固件且可螺合至該嵌件中之一機械緊固件。
將結合以下描述及附圖而進一步瞭解及理解本發明之其他目的及優點。雖然以下描述可含有描述本發明之特定實施例之具體細節，但此不應被解譯為限制本發明之範圍，相反應被解譯為較佳實施例之一例示。對於本發明之各態樣，一般技術者已知之諸多變動係可行，如本文中所建議。在不背離本發明之精神之情況下，可在本發明之範圍內作出各種變化及調整。
1‧‧‧絕緣體
2‧‧‧密封件
3‧‧‧密封件
4‧‧‧電力連接塊
5‧‧‧嵌件
6‧‧‧緊固件
7‧‧‧電力電纜連接器
8‧‧‧墊圈
9‧‧‧緊固件
10‧‧‧螺柱/定位特徵
11‧‧‧絕緣塊
12‧‧‧絕緣墊圈
13‧‧‧鎖定螺母
14‧‧‧環形凸耳連接器
15‧‧‧鎖定螺母
16‧‧‧鎖定螺母
17‧‧‧電機
18‧‧‧環形凸耳連接器
19‧‧‧環形凸耳連接器
20‧‧‧螺紋緊固件
21‧‧‧螺母
22‧‧‧電力連接電纜
23‧‧‧電流
24‧‧‧電流
25‧‧‧內部配線
圖1顯示一傳統螺柱連接；圖2顯示一傳統端子(「架空引線」)連接；圖3A顯示根據本發明之一實施例之一密封電力連接之一分解圖；圖3B顯示根據本發明之一實施例之一密封電力連接之一橫截面圖；圖3C顯示根據本發明之一實施例之一密封電力連接之一外部視圖；圖3D顯示根據本發明之一實施例之一密封電力連接之一透視 圖；圖4顯示根據本發明之一實施例之將一密封電力連接應用於一電機上之一實例；圖5A顯示通過一傳統螺柱連接方法之電流流動；圖5B顯示通過一傳統端子連接之電流流動；及圖5C顯示根據本發明之一實施例之通過一密封電力連接之電流流動之一實例。
本說明書中所提及之全部公開案、專利案及專利申請案以引用方式併入本文中，如同具體及個別地指示以引用方式併入之各個別公開案、專利案或專利申請案。
附屬申請專利範圍中詳細闡述本發明之新穎特徵。將參考闡述說明性實施例(其中利用本發明之工作原理)之以下詳細描述及附圖而獲得本發明之特徵及優點之一更佳理解。
雖然本文中已顯示及描述本發明之較佳實施例，但熟習技術者將明白此等實施例係僅以舉例方式提供。熟習技術者將在不背離本發明之情況下作出諸多變動、改變及置換。應瞭解可在實踐本發明時採用本文中所述之本發明之實施例之各種替代方案。
本發明提供電力連接(本文中亦被稱為一密封電力連接，但一些實施例無需將電力連接密封)之系統及方法。電力連接可用在任何應用中，包含(但不限於)需要電及/或機械電力連接之電機或裝置。例如，電力可由可在電機或裝置外部或內部之一電源提供，且可通過電力連接而被傳送至電機或裝置之內部配線或元件或自電機或裝置之內部配線或元件被傳送。因此，電力連接可用在任何類型之電機或電/電子裝置應用中。
圖3A顯示根據本發明之一實施例之一密封電力連接之一分解 圖。舉例來說，一螺紋緊固件6可緊靠可與一電力電纜連接器7接觸之一墊圈8。電力電纜連接器7可與可由具有高導電率之材料形成之一電力連接塊4接觸。電力連接塊4可包含可由一高屈服強度材料(諸如鋼)形成之一高強度嵌件5，嵌件5可給螺紋緊固件6提供機械支撐及/或連接。另外，一絕緣體1(其可由一介電材料形成)以及一或多個密封件2、3可與電力連接塊4及/或絕緣體1接觸。
1.電及機械連接
一密封電力連接組件可包含可主要提供一電連接之元件及可主要提供一機械連接之元件。例如，一密封電力連接組件可包含：一電連接組件，其可包含一電力電纜連接器7及一電力連接塊4；以及一機械連接組件，其可包含一嵌件5及一緊固件6。一密封電力連接可包含電與機械連接元件兩者，使得該電力連接可提供一有效電連接以及一堅固機械連接。
密封電力連接可給根據本發明之一態樣之一電連接提供一有利設計。可由電力電纜連接器7與電力連接塊4之間之表面壓力接觸來完成一電連接。電力電纜環形凸耳連接器及/或本文中所稱之電力電纜連接器可為可接觸電力連接塊以將電力傳送至連接塊及/或將電力自連接塊傳送之此項技術中已知之任何類型之電力連接元件或機構。在一些實施例中，電力連接元件或機構可與或可不與一電力電纜電連通，但亦可為能夠傳導及/或傳送電力之此項技術中已知之任何類型之結構或元件(諸如匯流條)之部分及/或可將電力自能夠傳導及/或傳送電力之此項技術中已知之任何類型之結構或元件(諸如匯流條)傳送。
電力連接塊4可由具有高導電率之材料構成。例如，電力連接塊可由可具有10×106S/m或更大、30×106S/m或更大或50×106S/m或更大之一導電率之一材料形成。在一些例子中，電力連接塊可由銅、黃銅、銀、金、鋁或其等之任何組合或合金形成。電力連接塊可經電 鍍、金屬包層或包含各種材料(包含基本金屬)之層或元件。電力連接塊可由一基本金屬或任何其他導電材料形成或可包含一基本金屬或任何其他導電材料。電力連接塊可連接至一電機或裝置之內部配線或元件。電力連接塊可藉由此項技術中已知或後來發展之任何類型之電連接而連接至內部配線或元件。例如，電力連接塊可藉由錫焊、電焊、銅焊、型鍛、黏接、壓力連接或任何形式之機械連接(諸如一螺紋緊固件、端子板或任何形式之嵌件)而連接至內部配線或元件。
一機械緊固件6可提供壓力於電力連接塊4與電力電纜連接器7之間。在本發明之一些實施例中，由機械緊固件提供之壓力可恆定或大致恆定。
此密封電力連接可允許一緊密空間中連接界面之一相對較大表面接觸區。舉例來說，電力電纜連接器7與電力連接塊4之間之界面可大於可由一緊固件之螺紋提供之一界面。密封電力連接設計能夠選擇電力連接塊與電力電纜連接器之間之界面之接觸區以支援一理想的電流流動量。在一些例子中，一較大接觸區可經選擇以支援一較高電流流動。在一實例中，電力電纜連接器與電力連接塊之間之接觸區可約為0.1平方厘米或更大、0.5平方厘米或更大、1平方厘米或更大、2平方厘米或更大、3平方厘米或更大、4平方厘米或更大、5平方厘米或更大或100平方厘米或更大。在一些其他實例中，接觸區可大於或等於與電力電纜連接器接觸之電力連接塊之側面之1/10、1/8、1/4、1/2、5/8、3/4、7/8、9/10，或可大致覆蓋與電力電纜連接器接觸之電力連接塊之整個側面。
例如，利用此設計，使一19毫米圓形電力電纜環形凸耳連接器7與一10毫米螺紋緊固件6一起使用之一連接能夠在一三相AC感應機應用中傳送超過1600安培之峰值電流，且不超過該連接之總體可接受熱限制。另外，電力連接塊4可由在圖3B中所示之指示區域上接觸電力 連接塊4之流體冷卻，此可進一步增強該連接之電流傳送能力，如下更詳細所論述。
密封電力連接除給電連接提供有利設計之外，亦可給一堅固機械連接提供一有利設計。一般而言，使一高電力連接器實現最佳電及熱性能需使用具有高導電率之材料。然而，具有高導電率之材料通常趨向於亦具有低機械屈服強度性質，從而使材料易在螺紋硬體配件係用以緊固電連接時發生故障。根據本發明之一實施例，密封電力連接可藉由增加可不是主電路之部分之一高屈服強度材料而解決此問題。
可藉由使用組裝至可構成電力連接塊4之高導電率材料中之一高強度鋼嵌件5或其他較高屈服強度材料之嵌件而提高密封電力連接之夾箝界面之可靠性。舉例來說，嵌件可由普通高碳鋼AISI 1060 0.6%碳、結構鋼合金ASTM A36、高強度合金ASTM A514、高強力預應力鋼絲束、不銹鋼AISI 304或任何其他類型之鋼形成。此外，除鋼之外，高強度嵌件亦可由具有理想機械強度性質之任何其他材料形成，包含(但不限於)鈦、青銅、鋁、黃銅、鎢、芳族聚醯胺(凱夫拉爾(Kevlar)或特沃綸(Twaron))、鎳-鉻合金(鎳鉻鐵合金X750)或其等之組合或合金(例如鈦合金(6%鋁、4%釩)、鋁合金2014-T6)。嵌件5無需具有高導電率，且因此可由可具導電性或不具導電性之具有理想機械強度性質之任何材料形成。在一些實施例中，嵌件可具有100兆帕或更大、300兆帕或更大、500兆帕或更大、800兆帕或更大或1000兆帕或更大之一屈服強度。
在本發明之一較佳實施例中，嵌件可螺合在內側上以允許螺紋緊固件6與嵌件之內部螺紋部分連接。因為緊固件6及/或嵌件5可由一高強度材料形成，所以此可實現一強力堅固之機械連接。舉例來說，高強度材料之使用可能夠收緊螺紋緊固件且不損壞緊固件之螺紋。此使連接能夠經歷諸多組裝及拆卸週期且損壞較少或無損壞。在一些實施 例中，緊固件6可由與嵌件5相同或不同之材料形成。在一些實施例中，緊固件可由一高強度材料(諸如用於嵌件之所述材料)形成。緊固件6無需具有一高導電率，且因此可由可具導電性或不具導電性之具有理想機械強度性質之任何材料形成。可提供任何緊固件組件。在一些例子中，緊固件組件可包括一嵌件及/或一緊固件。
在一些實施例中，電力電纜連接器7及/或電力連接塊4可由導電率比用以形成緊固件6及/或嵌件5之材料高之材料形成。例如，電力連接塊可具有可大於嵌件之導電率(EC2)且大於緊固件之導電率(EC3)之一導電率(EC1)。此外，電力連接塊之導電率可大於可與連接一起使用之任何類型之緊固件組件之導電率。
再者，在一些實施例中，緊固件6及/或嵌件5可由強度比用以形成電力電纜連接器7及/或電力連接塊4之材料高之材料形成。在一實施方案中，一緊固件組件可由強度比用以形成電力電纜連接器及/或電力連接塊之材料高之一或多個材料形成。例如，一緊固件組件可具有一強度S1而電力連接塊可具有一強度S2，且S1可大於或等於S2。類似地，一電力電纜連接器可由強度為S3之一材料形成，且S1可大於S3。緊固件組件可包含由強度為Sa之一材料形成之一嵌件，且一機械緊固件可由強度為Sb之一材料形成，其中Sa或Sb之至少一者大於或等於S2或S3之至少一者。
能夠使一螺紋緊固件6重複緊靠一墊圈8及電力電纜連接器7，且不損壞螺紋或損及電力連接塊4之性能。在一些例子中，可使用可充當緊固件之一鎖定機構之一鋸齒狀柏維(Belleville)墊圈。一鋸齒狀柏維墊圈8與連接一起使用可具有若干優點，其等包含：1)其可提供一恆定彈簧夾箝力，因為接頭在操作期間可變熱或變冷且膨脹或收縮；及2)鋸齒狀柏維墊圈可戳入至配合材料中以抵抗轉動，且可因此防止連接界面因震動及其他動態疲勞而鬆動。
在一些實施例中，可使用其他連接組態。例如，一緊固件6可緊靠電力電纜連接器7且無需使用一墊圈。舉例來說，緊固件6可直接接觸電力電纜連接器7。替代地，可包含其他元件以取代一墊圈，或除包含一墊圈外亦可包含其他元件。此項技術中已知之任何類型之緊固件鎖定方法或機構可與連接一起使用。例如，某一形式之彈簧結構或彈性材料可提供一恆定或大致恆定夾箝力。可使用有助於機械連接之任何其他元件。
在本發明之一替代實施例中，一緊固件6可無需帶螺紋，但可具有使其能夠連接至一嵌件5之另一連接機構。可使用此項技術中已知之任何機械連接組態。例如，緊固件及嵌件可具有可提供一堅固機械連接之某種鎖槽機構。緊固件亦可以某種方式卡扣至嵌件中，或可具有使緊固件能夠滑入嵌件且與嵌件接合但可防止其脫離之一齒狀組態。緊固件及嵌件可具有可允許緊固件與嵌件之間之機械組裝及拆卸之一組態。
較佳地，一嵌件5可固定至電力連接塊4。該嵌件可定位在電力連接塊內。在一實施例中，一螺紋嵌件可螺合至電力連接塊中。一連接塊組件可包含可主要包括一電連接之元件(諸如電力連接塊4)及主要包括一機械連接之元件(諸如嵌件5)。嵌件可藉由此項技術中已知或相關於緊固元件所論述之機構或方法之任何者而固定至塊體。例如，嵌件可具有可允許其螺合至電力連接塊之內部上之對應螺紋中或與電力連接塊之內部上之對應螺紋配合之外螺紋，或可使用任何其他機械鎖定裝置。嵌件可為一鍵鎖式嵌件(Keensert)或一螺旋式嵌件(Heli-Coil)。在另一實例中，嵌件可為一卡式螺母或基於嵌件及/或電力連接塊之形狀而機械地緊固至電力連接塊。例如，電力連接塊可具有可防止嵌件滑出之一唇緣或元件。嵌件可為自攻型或可被擠壓至電力連接塊中。在其他實施例中，嵌件可電焊、銅焊或錫焊至電力連接塊 中。
嵌件5可為一管狀嵌件。例如，嵌件可具有一大致圓柱形外部。嵌件之外部可光滑、帶螺紋、起皺紋或具有任何紋理。一管狀嵌件之內部可具有使其能夠機械地連接至緊固件之內螺紋。嵌件亦可包含此項技術中已知之任何其他機械鎖定裝置。嵌件可為可包含或可不包含螺紋之一螺絲或鎖定固件。嵌件亦可具有一形狀，諸如一方形形狀或其他幾何形狀、凸起或凹口，且電力連接塊之內部可具有可防止嵌件在電力連接塊內轉動或以不同方式移動之一對應形狀。在一些實施例中，嵌件可藉由可將嵌件紧固至電力連接塊之額外機械元件或裝置或藉由黏著劑、鎖定化合物或材料或此項技術中已知之任何其他固定構件而固定至電力連接塊。
2.流體冷卻
本發明之另一態樣亦可提供可有利允許連接之流體冷卻之一密封電力連接。將流體用以冷卻電力連接塊4可提供優於先前技術設計之兩個不同優點：
1)冷卻流體可移除來自電力連接塊4之熱，此可降低連接之操作溫度。此不僅可降低電力連接塊4之平均溫度，且可降低峰值熱點溫度。因此，連接之流體冷卻可給連接提供一較高峰值電流密度額定值且亦可改良連接在任何給定連續電流密度下之性能及可靠性。較低操作溫度亦可降低連接之電阻，此可提供一更有效率之電力連接。
2)主動冷卻可減小溫度波動且可維持連接之一更恆定操作溫度。減小溫度波動可減小機械接頭上(例如緊固件6與墊圈8或電力電纜連接器7之間)之應力，且可因此改良連接之可靠性，因為可減小連接材料之熱膨脹及收縮。
圖3B顯示根據本發明之一實施例之一密封電力連接之一橫截面圖。如所指示，電力連接塊4可由一流體冷卻。流體可直接接觸電力 連接塊。在流體接觸電力連接塊之處，流體可流動或可不流動。在一些實施例中，流體可接觸與螺紋緊固件相對之電力連接塊之表面。在一些實施例中，流體不接觸螺紋緊固件、嵌件或緊固件組件之任何部件。替代地，流體可接觸緊固件組件之一或多個元件。密封電力連接亦可經設計使得流體亦可接觸緊固件組件表面(包含外表面及/或內表面)之其他部分(其等可包含連接塊內之通道或空腔)上之電力連接塊。
流體可抵靠其接觸之一或多個表面而流動及/或流體可與一或多個表面大致靜止接觸。流體可垂直於其接觸之任何表面或沿其接觸之任何表面而流動。流體可沿相對於其接觸之任何表面之任何角而流動。流體流動之速率可或可不經調整或控制以提供一理想數量之冷卻或溫度控制。例如，一流體流動速率可經增大以增大連接之冷卻速率。在一些例子中，流體可接觸之電力連接塊之任何表面區可經設計以支援一理想數量之熱傳送。
在一些實施例中，流體可含於一電機或裝置之一封閉體內。在其他實施例中，可提供或可不提供來自在電機或裝置外部之一來源之流體。在一些實施例中，流體可大致靜止在機器或裝置封閉體內。替代地，流體可在機器或裝置內移動或流通同時被含於封閉體內，或亦可在機器或裝置外部流通。
冷卻流體可為此項技術中已知之任何流體。在一些實施例中，冷卻流體可為一氣體(諸如空氣)、或一液體(諸如水、油或一液體介電流體)、或任何此等流體之一蒸汽或霧或任何其他流體。舉例來說，可使用一變速器流體，諸如自動變速器流體(ATF)。可根據理想熱性質、電性質、化學性質或流動性質而選擇一流體。
在一些實施例中，電力連接塊之一或多個表面可包含可有助於熱傳送之一或多個特徵，諸如翼片、凹槽、通道、隆起、凸起、凸塊、凹口、圖案、紋理化表面或任何其他表面特徵。此可增加連接塊之暴 露表面區以增加與一流體接觸之表面區數量。此可有利提供連接塊與流體之間之一更大程度熱傳送。在一些例子中，表面特徵可有助於導引或引導連接塊之各種表面上及/或連接塊之各種表面周圍之流體流動。替代地，連接塊表面之一或多者可光滑或大致光滑。
3.絕緣及密封設計
密封電力連接可允許根據本發明之另一態樣之一堅固絕緣體與密封設計及方法。電力連接塊4可與一機器或裝置封閉體電絕緣。例如，密封電力連接可與可具有由一導電材料形成之一外殼之一電機一起使用。因為電機可在超過400伏特AC峰值之電壓下操作，所以機器外殼與電力連接塊4之間需要一充分絕緣路徑。
絕緣體1可由一介電材料形成。在一些實施例中，可使用一玻璃纖維複合材料，諸如FR-4玻璃強化環氧樹脂或任何其他類型之玻璃纖維強化環氧層壓片。可使用任何其他電絕緣材料。例如，一些較佳材料可包含(但不限於)陶瓷、玻璃、塑膠、環氧樹脂、合成樹脂粘合板(SRBP、FR-1及FR-2)、環氧玻璃材料或其等之任何組合。絕緣體可大致由一介電材料形成或可包含一介電塗層或介電層。
圖3C顯示根據本發明之一實施例之一密封電力連接器之外部視圖。術語「外部」可僅作參考且不應限制一密封電力連接器之放置或定向。舉例來說，一密封電力連接器可緊固至一電機，且密封式電力連接之部分可暴露於機器之外部。替代地，密封電力連接之相對側可暴露於機器之外部。在其他實施例中，一密封電力連接之任何側或兩側或任何側或兩側之部分可在一機器內、在機器外部或暴露於機器之外部。
絕緣體可緊固至一電機或裝置之一表面。例如，密封電力連接設計可藉由多個螺紋緊固件9而將絕緣體1紧固夾箝至一機器表面上。可提供任何數量之螺紋緊固件，諸如四個緊固件。在其他實施方案中， 絕緣體可藉由此項技術中已知之任何其他設計或方法而緊固至機器表面，該等設計或方法包含(但不限於)將絕緣體螺合至機器外殼中、具有某種機械連接(諸如一卡扣組態)、具有一互鎖組態、使用鉚釘、使用螺母、使用某種夾具、使用一黏著劑或環氧樹脂或此項技術中已知之任何其他緊固機構或方法。任何堅固之附接方法可用以將絕緣體紧固至一機器或裝置之任何表面。
密封電力連接能夠流體冷卻連接，同時亦提供可防止冷卻流體洩漏或可防止任何其他流體通過連接界面而進入或離開之一密封設計及方法。例如，可提供一或多個密封件2、3。可使用此項技術中已知之任何類型之密封機構或組態。例如，密封件可為o形環且可如圖3B中所示地放置。替代地，密封件可放置在可防止流體洩漏之任何其他位置處。密封件亦可由其他材料(諸如油灰材料、填縫材料或填充材料)形成。
可由絕緣體1及/或電力連接塊4之形狀提高密封電力連接之絕緣性及/密封性。例如，絕緣體1可具有在其內側表面上之方形特徵，該等方形特徵可與電力連接塊4之外側上之方形特徵界接以防止電力連接塊4轉動。例如，如圖3A中所示，電力連接塊4可包含一或多個方形特徵。絕緣體1之內部上之對應方形特徵可匹配電力連接塊4之方形特徵以提供不允許兩個部分相對於彼此而轉動或以不同方式移動之一大致合適連接。此等特徵可有利防止連接界面在機械連接之組裝期間及/或在連接可用在連接可暴露於震動或重複運動之應用中時鬆動或損壞。
在一些實施例中，電力連接塊及/或絕緣體可具有其他形狀。例如，一電力連接塊可具有一六邊形形狀或特徵，且絕緣體可具有在其內部上之一對應六邊形形狀。在一些例子中，電力連接塊可具有任何凹面或凸面形狀且一對應形狀可由絕緣體內部提供。在一些實施方案 中，電力連接塊可具有可轉動之一形狀，但可具有可防止其轉動之一特徵；例如，電力連接塊可具有一圓形形狀，但可具有可防止其轉動之可對應於絕緣體內部之形狀之一凸起或凹口。
在本發明之一些實施例中，電力連接塊與絕緣體之相對形狀可不完全匹配。例如，電力連接塊及絕緣體可具有在某種程度上匹配以防止轉動之形狀，但可具有可提供間隙於電力連接塊與絕緣體界面之間之額外特徵。例如，一電力連接塊與絕緣體兩者可具有分別在其外部及內部上之一方形形狀，但電力連接塊可提供使流體能夠流動於電力連接塊之一部分與絕緣體之間之凹槽或其他特徵且藉此提供冷卻電力連接塊之額外表面區。凹槽或間隙亦可設置於絕緣體與電力連接塊之間以用於其他用途，諸如內部配線之連接。
絕緣體亦可包含可憑藉一保持環、緊固件或此項技術中已知之任何其他方法而定位電力連接塊4以便將電力連接塊4卡入至絕緣體1中之一保持特徵。因此，該固持特徵可將電力連接塊接合在相對於絕緣體之適當位置且可防止電力連接塊脫離絕緣體。絕緣體亦可包含在絕緣體上之定位特徵10，定位特徵10可使穿過一機器或裝置封閉體壁之連接之通道絕緣以及將絕緣體及連接組件定位至機器或裝置封閉體表面上。
圖3D提供根據本發明之一實施例之經組裝之一密封電力連接之一透視圖。
4.電機
密封電力連接可用以製造一電機之電力連接。在本發明之一些實施例中，電機可為一馬達，諸如一三相AC感應馬達。替代地，電機可為需要某一形式之電及機械電力連接之任何種類馬達、發電機或任何種類機器。在一些實施例中，連接可將電力自機器外部之一來源提供至機器內側之一或多個元件，或連接可將電力自機器內之一來源提 供至機器外側之一或多個裝置。在其他實施例中，連接可提供兩者可在機器外部或在機器內之任何兩個元件之間之電及機械連接。
電機亦可為可經流體密封或流體冷卻或可具有在其內部之某種流體之任何機器。在一些實施例中，機器可具有用於冷卻及/或潤滑之流體。電機內之流體可流動或可大致靜止。在一些實施例中，電機內之流體可流通通過電機且可來自電機外部之一來源。在其他實施例中，流體可含於電機內及/或可在電機內流通。
電機可利用高電力電連接。可靠高電力連接需要具有可接受電流密度之低電阻電接觸。銅DC電力連接中之典型最大電流密度可約為2.2×106A/m2。此通常可在環境溫度超過40℃時將連接之溫度升高限制至30℃以下。參閱(例如)ANSI C37.20C-1974,IEEE standard 27-1974。在銅三相AC電力連接中，7.6×106A/m2之最大峰值電流密度傳統上已可靠用在電機中。在本發明之一些實施例中，可將流體冷卻引入至一或多個連接器表面，此可提高連接可靠性且可使電流密度值超過7×106A/m2。
圖4顯示將一密封電力連接施加至一電機(其中為清晰起見已除去一些緊固硬體配件)上之一實例。例如，一或多個電力連接塊4可連接至電機之內部配線。可提供電機之一外殼。外殼可包含可包圍機器之全部或部分且可對電機或電機之個別元件之任何者執行包封、支撐及/或保護功能或任何其他類似功能之任何或全部結構及/或元件。在一些實施例中，外殼之全部或部分可經流體密封。一或多個絕緣體1可連接至電機之外殼且亦可連接至一或多個電力連接塊4。一絕緣體1可藉由緊固件(諸如圖3C中所示之緊固件9)而連接至外殼，且可定位於外殼與電力連接塊4之間以提供一電絕緣障壁。因此，電力連接塊可與電機外殼電絕緣。一電力電纜連接器可接觸電力連接塊或與電力連接塊電連通。在一些實施例中，電力電纜連接器可定位在機器外殼之 外部。
例如，密封電力連接可定位在一電機之端部處。在一些實施方案中，複數個密封電力連接可經配置以形成一大體圓形組態。密封電力連接可放置在一機器之一或多個側面或表面處。在一些實施例中，一密封電力連接可用在一機器內，而非放置在一機器之一外殼上。任何數量之密封電力連接可提供給一電機，且可定位在該電機上及/或該電機內之任何位置處。
5.電流流動
密封電力連接可給電連接提供一有利電流流動及有益設計。可比較密封電力連接之電流流動與傳統連接方法之電流流動。
例如，傳統上，諸多電機之特徵為電連接之螺柱型設計。可由圖5A中所示之一示意圖繪示通過此等螺柱連接設計之電流流動。舉例來說，電流可流入至一環形凸耳連接器14中、橫穿環形凸耳連接器14與一鎖定螺母13之間之一界面且接著通過鎖定螺母13與螺柱10之間之一螺紋界面。
如先前所論述，此電流流動無法令人滿意，因為電流必須流動通過機械螺紋。螺紋提供線接觸及比較大平坦表面界面低很多之表面區接觸，從而導致通過連接之較高電阻。另外，電流因傳統螺柱連接組件之特性而必須流動橫穿兩個或兩個以上界面。此等界面可包含環形凸耳連接器14與鎖定螺母13之間之界面及鎖定螺母13與螺柱10之間之界面。橫穿多個界面之電流流動無法令人滿意，因為此方法趨向於具有比僅具有一單一界面(電流可流動通過該界面)之連接方法高之電阻。
在一螺柱連接設計中，通過螺紋界面之電流路徑之特性可藉由需要使連接組件與封閉體壁17之安裝表面電絕緣而驅動。在此螺柱連接方法中，需要一絕緣墊圈12及絕緣塊11以使導電元件與機器封閉體壁 17絕緣。
在另一實例中，一些電機中之電連接亦可由包括將引線自機器之內部配線直接連接至電力連接電纜之另一傳統設計處置。可由圖5B中所表示之示意圖繪示通過此傳統端子連接或「架空引線」設計之電流流動。
在傳統端子連接方法中，電流23流動通過電力連接電纜22且流入至一環形凸耳連接器19中。來自機器17之內部配線之引線亦與一環形凸耳連接器18端接。藉由使用一螺紋緊固件20及螺母21以施加壓力於兩個環形凸耳連接器18與19之間而完成電連接。電流流動橫穿兩個環形凸耳連接器18與19之間之界面且接著通過引線17而流動至機器之內部配線。
雖然傳統端子連接方法可經設計以具電及機械堅固性，但難以密封及冷卻。通常，端子連接係含於一分離接線箱內，或使用附接至機器外側、含於一額外可觸及封閉體內側之一端子板來實施。當導線離開機器或封閉體時，一典型問題為難以密封導線。使用附接至機器外側之一額外封閉體亦給機器增加非所欲之額外尺寸、重量及機械複雜性。
此問題對電力密集型機器尤為重要。就電力密集型機器而言，需要大導體來處置高電流，但機器之總尺寸比電力相當之習知機器小很多。因此，一大接線箱或連接封閉體會使電力密集型機器之尺寸及重量急劇增加，其中小型形狀因數及低重量係重要設計標準。因此，一傳統端子連接方法在特定情況下無法令人滿意。
圖5C顯示根據本發明之一實施例之通過一密封電力連接之電流流動之一實例。該密封電力連接可提供一電源與一電機或裝置之內部配線或元件之間之電連接性。電流24可自一輸入電力電纜或任何其他電源流入至一環形凸耳連接器7中，且橫穿環形凸耳連接器7與一電力 連接塊4之間之一界面。一螺紋緊固件6可提供壓力於環形凸耳連接器7與電力連接塊4之間，此可產生具有一較高表面區接觸之一低電阻連接。電流可橫穿環形凸耳連接器7與電力連接塊4之界面而流動至電機或裝置之內部配線25或元件以施加電力於機器或裝置。
密封電力連接設計可有利包含電力電纜連接器7與電力連接塊4之間之一大表面區接觸，其可提供：1)連接界面之高電流容量；2)可吸熱及將熱導離連接之電力連接塊4之一較大熱質量；及3)總連接組件之小型化及簡單化。
再者，如先前所論述，螺紋緊固件6可由具有低導電率之一高屈服強度材料構成，因為緊固件無需包含於電流流動之主路徑中。另外，由高屈服強度材料構成之一螺紋嵌件亦可被引入至電力連接塊4之配合螺紋中，且亦可與主電流流動路徑分離，從而實現一極堅固機械連接及極佳電連接。
因此，圖5C可繪示可提供電連接之密封電力連接之一方法。密封電力連接之方法可包含於一連接器7處接收一電流24、允許連接器與一電力連接塊4之間之電流流動及將電流自電力連接塊運送至內部配線25。密封電力連接之方法亦可提供機械連接。因此，密封電力連接之方法亦可包含提供可機械地連接至可與電力連接塊4機械連接之一嵌件5之一緊固件6。機械連接之方法可有助於電連接。
圖5C中所繪示之密封電力連接方法可有利具有小型特徵及有效電接觸與電流流動。亦可實現一良好機械連接，以及能夠將連接組件堅固地紧固及密封至一機器或裝置封閉體及在與一內部流體冷卻型機器或裝置整合在一起時提供連接之冷卻。
應自前文瞭解，雖然已繪示及描述特定實施方案，但可對該等實施方案進行各種調整且本文中考慮各種調整。亦非意欲本發明受限於說明書內所提供之具體實例。雖然已參考前面提及之說明書而描述本 發明，但並非意謂本文中較佳實施例之描述及說明被解釋為意指限制。此外，應瞭解，本發明之全部態樣不受限於取決於多種條件及變數之本文中所闡述之具體描述、組態或相關部分。熟習技術者將明白本發明之實施例之各種調整形式及細節。因此，可考慮本發明亦應涵蓋任何此等調整、變動及等效物。
1‧‧‧絕緣體
2‧‧‧密封件
3‧‧‧密封件
4‧‧‧電力連接塊
5‧‧‧嵌件
6‧‧‧緊固件
7‧‧‧電力電纜連接器
8‧‧‧墊圈
10‧‧‧螺柱/定位特徵

Claims (12)

  1. 一種製造一電機之電力連接之方法，其包括：提供與該電機之一內部元件電連通之一電力連接塊，其中該電力連接塊係與一冷卻流體接觸；使一電力電纜連接器接觸該電力連接塊；及提供一緊固件組件，其中該緊固件組件抵靠該電力連接塊而固持該電力電纜連接器，其中該緊固件組件不被包含成為在該電力電纜連接器與該電力連接塊之間之一主要電流路徑之部分。
  2. 如請求項1之方法，其中該緊固件組件包括一嵌件及一機械緊固件。
  3. 如請求項2之方法，其中該嵌件係保持在該電力連接塊內。
  4. 如請求項3之方法，其中該機械緊固件為螺合至該嵌件中之一螺紋緊固件。
  5. 如請求項1之方法，其中該電力連接塊或該電力電纜連接器之至少一者係由導電率大於或等於用以形成該緊固件組件之該等元件之至少一者之材料之導電率之一材料形成。
  6. 如請求項1之方法，其中該緊固件組件之該等元件之至少一者係由強度大於或等於用以形成該電力連接塊或該電力電纜連接器之至少一者之材料之強度之一材料所形成。
  7. 如請求項1之方法，其中該電機之全部或部分係含於一機器外殼內。
  8. 如請求項7之方法，其中該冷卻流體係在該機器外殼內。
  9. 如請求項1之方法，其進一步包括：提供與該電力連接塊接觸之一絕緣體， 其中該電機之全部或部分係含於一機器外殼內，及其中該絕緣體能夠使該電力連接塊與用於該電力連接之該機器外殼電絕緣。
  10. 如請求項9之方法，其中該電力電纜連接器係定位在該機器外殼外部。
  11. 如請求項9之方法，其中該絕緣體及該電力連接塊係經密封使得流體被防止通過該電力連接塊與該絕緣體之間之界面及通過該電力連接與該機器外殼之間之界面洩漏。
  12. 一種製造一電機之電力連接之方法，其包括：提供與該電機之一內部元件電連通之一電力連接塊，其中該電力連接塊係與一冷卻流體接觸；使一電力電纜連接器接觸該電力連接塊；及提供一緊固件組件，其中該緊固件組件抵靠該電力連接塊而固持該電力電纜連接器，該緊固件組件之該等元件之至少一者係由強度大於或等於用以形成該電力連接塊或該電力電纜連接器之至少一者之材料之強度之一材料所形成。
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