TWI750882B - 低渦電流襯套 - Google Patents

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陳登鑑
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Abstract

本發明為一種低渦電流襯套，包含有一中空圓柱形的本體及複數個形成在該本體上的渦流孔，該等渦流孔可為貫穿本體內、外周面的貫穿孔或是非貫穿的盲孔；該低渦電流襯套應用於套設在轉子外側以保護轉子結構，其中，本發明藉由在本體上設置該等渦流孔，可達到降低渦電流損失之功效。

Description

低渦電流襯套
本發明關於一種襯套，尤指一種用於保護轉子的襯套。
一般的發電機或電動機主要包含一殼體、一定子及一轉子，其中，該定子固定設置在該殼體內部，以內轉子結構為例，該轉子被定子所圍繞，轉子沿著自身軸線可旋轉地設置在該定子的內部。在發電機的運作過程中，轉子會相對於定子旋轉，對高轉速發電機而言，因為轉子的轉速極高(如40000rpm以上)，且離心力是正比於轉速平方，設在轉子上的磁鐵會受到離心力向外拉扯作用，因此易造成磁鐵鬆脫或受拉力破壞。
為避免轉子在高速運轉過程中發生損害，可在轉子的外圍套設一襯套(bushing)作為補強結構。但在轉子外圍設置襯套後，因為構成轉子的材料為導體材料且發電機的交變磁場會在襯套中產生渦電流(eddy current)，該渦電流在導體中循環時因為導體材料的電阻而產生功率損失，即渦流損耗(eddy current loss)，換言之，該渦流損耗將導致襯套發熱進而影響高轉速發電機的性能。
渦電流也叫做傅科電流，當一導體放在一變化磁場中或相對於磁場運動時，在這塊導體中會出現感應電流。由於導體內部處處可以構成迴路，任意迴路所包圍面積的磁通量都在變化，因此，這種電流在導體內自行閉合，形成渦旋狀，故稱為渦電流。對於大塊的良導電體，因為其電阻很小，因此其渦電流強度可以很大。
在變壓器、交流電機等交流設備的鐵芯中，線圈中交變電流所引起的渦電流導致能量損耗，叫做渦流損耗。渦流發熱對電器是有害的，故鐵芯常用互相絕緣的薄片或細條疊合而成以減小渦流損耗，薄片平面與磁力線平行、細條方向與磁力線平行。交變磁場在鐵芯中引起渦電流時，如果渦電流本身所產生的交變磁場可以略去不計，則鐵芯內每單位體積的平均渦流損耗功率Pe的計算公式如下：
Figure 109138382-A0305-02-0003-1
其中，f為頻率、Bmax為磁感應強度極大值、r為導線的半徑、ρ為電阻率，由公式中可知當提升渦電流損失的電阻率ρ，則可以降低渦流損耗。
鑑於目前的襯套因為渦電流而產生較大的渦電流損失，本發明之主要目的是提供一種可降低渦流損耗的襯套。
為達成前述目的，本發明的低渦電流襯套係用於套設在一轉子外側面，該低渦電流襯套包含：一中空圓柱形的本體，該本體具有一外周面及一內周面；以及複數個渦流孔，係形成在該本體的外周面，令該外周面形成為一非平整面。
本發明藉由在該襯套上形成複數個渦流孔，改變渦電流的路徑，從而降低渦流損耗及減少襯套發熱的程度。
10:襯套
11:本體
12:外周面
13:內周面
20:渦流孔
31:定子
32:轉子
A:軸向方向
H:周向方向
D1:第一距離
D2:第二距離
t:厚度
圖1A：本發明第一實施例之立體外觀圖。
圖1B：本發明第一實施例之局部展開圖。
圖2A：本發明第二實施例之立體外觀圖。
圖2B：本發明第二實施例之局部展開圖。
圖3A：本發明第二實施例之立體外觀圖。
圖3B：本發明第三實施例之局部展開圖。
圖4A：本發明第四實施例之立體外觀圖。
圖4B：本發明第四實施例之剖面圖。
圖4C：本發明第四實施例之局部放大剖面圖。
圖5：本發明第五實施例之局部展開圖。
圖6：本發明應用於發電機的局部示意圖。
圖7A：本發明第一實施例之渦電流損失模擬圖。
圖7B：本發明第二實施例之渦電流損失模擬圖。
圖7C：本發明第三實施例之渦電流損失模擬圖。
圖7D：本發明第四實施例之渦電流損失模擬圖。
圖7E：先前技術之襯套的渦電流損失模擬圖。
圖8A：本發明第一實施例中局部區域的暫態渦電流示意圖。
圖8B：先前技術之襯套中局部區域的暫態渦電流示意圖。
本發明為一種可保護轉子的低渦電流襯套，可應用於馬達或發電機中的轉子。首先請參考圖1A、圖1B所示，為本發明第一實施例的立體外觀圖，本發明的襯套10包含有一中空的圓柱形本體11，該本體11具有一外周面12及一內周面13，該外周面12及內周面13之間的距離為本體11的厚度t，構成襯套 10的材料為金屬材料，例如合金鋼構成襯套10的材料為金屬材料，例如合金鋼、不鏽鋼、鋁或矽鋼片等。在該外周面12上形成有多數個相同形狀的渦流孔20，使該外周面12形成為一非平整面。在本實施例中，該多數個渦流孔20交錯分布在該本體11的外周面12，該交錯分布的其中一種方式為沿著本體11的一軸向方向A在外周面12上排成多列，同一列的渦流孔20相互對齊。而任一列上的渦流孔20與左、右相鄰列上的渦流孔20沿著本體11的周向方向H相互錯開而沒有平齊。
在第一實施例中各渦流孔20的形狀為矩形孔，各渦流孔20本身的寬度小於長度，寬度是指沿著本體11之軸向方向A的延伸距離，長度是指沿著周向方向H的延伸距離，惟渦流孔20的形狀不限，例如圖2A、圖2B所示的第二實施例中各渦流孔20的形狀為六邊形；除此之外，渦流孔20形狀也可以是圓形、正方形、不規則形或其它幾何形狀。
請參考圖3A、圖3B所示的第三實施例，該多數個渦流孔20在本體11的外周面12為規則整齊分布，沿著本體11的軸向方向A排列成多列的渦流孔20，在每一列上有數個渦流孔20，相鄰兩列的渦流孔20之間的距離均為相同的第一距離D1，在同一列上的相鄰渦流孔20之間的距離均為相同的一第二距離D2。
在前述的各實施例中，各渦流孔20為連通該本體11的外周面12與內周面13的貫穿孔。但除了貫穿孔的形態之外，各該渦流孔20也可以為盲孔的結構，請參考圖4A~圖4C所示的第四實施例，在該本體11之外周面12上的各渦流孔20沒有連通該外周面12及內周面12，僅是從本體11的外周面12向內周面13凹設但是未貫穿內周面13，舉例而言，各渦流孔20內凹的深度為本體11厚度t的一半，即深度為t/2，圖上各渦流孔20的形狀是以矩形孔為例。
本發明以應用於發電機為例，請參考圖6的示意圖，該發電機包含一定子31及一轉子32，該轉子32設置在定子31中心並由定子31圍繞，本發明的襯套10套設在轉子32的外側面以作為補強結構；本發明也可以應用在外轉子的發電機，該襯套10套設在轉子32的內側面。
為比較本創作與習用襯套結構上的渦電流大小，可利用有限元素軟體分析渦電流的分佈，其中，以本創作圖1A所示第一實施例為例進行模擬分析可得到電流密度的最大值為2.8002E+07[A/m^2]，以習用襯套進行模擬分析可得到電流密度的最大值為2.9405E+07[A/m^2]，相較之下，本創作因為在本體11上形成複數個渦流孔20，可達到降低渦電流的目的。
再利用有限元素軟體分析渦電流損失，同樣以本創作圖1A所示第一實施例的襯套可得到歐姆損耗(Ohmic-loss)的最大值約為3.9424E+08[W/m^3]，以習用襯套進行模擬分析得到的歐姆損耗最大值約為4.3232E+08[W/m^3]，證明本創作在本體11上形成複數個渦流孔20，不僅可縮減渦電流，也可以降低渦流損耗。
本發明進一步對不同實施例的襯套10分別模擬渦電流損失，並與現有技術中未設置渦流孔20的一般襯套相比較。請參考圖7A~7D所示，分別為上述第一實施例~第四實施例的渦電流損失；另外圖7E表示不具備渦流孔20的現有襯套的渦電流損失。在進行模擬測試時，以圖6的內轉子發電機為例，設定轉子的額定轉速為45000rpm、襯套10材料的電導度(conductivity)為2,000,000Simens/m、氣隙G的寬度為3mm，其中氣隙G是指轉子與定子齒極之間的相對距離(不含襯套)，在此設定參數下，圖7A~7D四個實施例的渦電流損失數據分別是392W、1013W、506W、925W，而圖7E的渦電流損失數據為1243W，顯示本發明各實施例相較於現有技術可達到降低渦電流損失之目的。
請參考圖8A所示，以本發明第一實施例透過有限元素軟體分析，可以得到暫態渦電流的分佈情形，其中圖上以虛線箭號表示為局部區域的暫態渦電流路徑。而習用襯套之暫態渦電流的局部分佈如圖8B所示，可以看出本創作相較於習用技術，該些複數個渦流孔20會導致渦電流的路徑變長。
本發明低渦電流襯套不需要額外形成複雜的結構，形成渦流孔的加工方式相對簡易，該襯套的材質仍可維持以導熱性較佳之金屬導體，又可達到降低渦電流損失之功效；藉此適當地排列該等渦流孔的位置，渦電流損失相較於現有襯套可顯著大為降低。
10:襯套
11:本體
12:外周面
13:內周面
20:渦流孔

Claims (7)

  1. 一種低渦電流襯套，應用於一轉子，該低渦電流襯套包含：一中空圓柱形的本體，該本體以金屬導體製成且具有一外周面及一內周面；以及複數個渦流孔，係形成在該本體的外周面且交錯排列在本體的外周面，令該外周面形成為一非平整面。
  2. 如請求項1所述之低渦電流襯套，其中，該複數個渦流孔沿著該本體的一軸向方向在該外周面上排成多列，同一列上的渦流孔沿著該軸向方向相互對齊；其中，任一列上的渦流孔與其相鄰左、右兩列上的渦流孔沿著該本體的周向方向相互錯開。
  3. 如請求項1所述之低渦電流襯套，其中，該複數個渦流孔沿著該本體的一軸向方向在該外周面上排成多列，每一列包含數個渦流孔且沿著該軸向方向呈階梯狀分布。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之低渦電流襯套，其中，各渦流孔是連通該外周面及內周面的貫穿孔。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之低渦電流襯套，其中，各渦流孔是從該外周面朝該內周面內凹的盲孔。
  6. 如請求項5所述之低渦電流襯套，其中，各盲孔的深度為該本體的厚度的一半。
  7. 如請求項1至3中任一項所述之低渦電流襯套，其中，該複數個渦流孔具有相同的尺寸及形狀。
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