專利名稱：帶有集成的冷卻系統(tǒng)的交流繞組及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機的AC繞組，具體地，涉及一種高頻電機的集成到AC繞組的冷卻系統(tǒng)，還涉及制造所述AC繞組的制造方法。
背景技術(shù)：
已經(jīng)知道通過設(shè)置適合的冷卻系統(tǒng)來發(fā)散電機工作時產(chǎn)生的熱量，可提高電機，如電動機和發(fā)電機，的功率和效率。已經(jīng)提出了各種冷卻系統(tǒng)來使產(chǎn)生熱量的作用最小。
已知的冷卻方法包括應(yīng)用冷卻介質(zhì)，如空氣或流體，到電樞繞組的外部或其一部分，比如容納電樞繞組的封閉或開口的腔室內(nèi)，或通過管路，如接觸電樞繞組外部的帶壓或無壓的管路。這些方法可參考，如1971年9月28日授予Inagaki等人的美國專利No.3,609,420；1972年3月7日授予Fujii的美國專利No.3,648,085；1985年5月14日授予Aleem等人的美國專利4,517,479；2002年8月27日授予Laskaris等人的共同擁有的美國專利No.6,438,969。
其他冷卻電樞繞組的方法包括在電樞繞組設(shè)置中空的導(dǎo)體，冷卻介質(zhì)通過該導(dǎo)體流動以散發(fā)熱量。介紹上述方法的代表性專利是1972年1月11日授予Fidei的美國專利No.3,634,705。此外，還知道可設(shè)置雙繞組冷卻管到電樞繞組的線匝。
已知道電樞繞組出現(xiàn)AC損耗對電機的功率和效率有負面影響。在要求高速和/或高功率密度場合的高頻電機，比如頻率遠高于60Hz的電機，AC損耗可支配電機的運作。此外，產(chǎn)熱增加使得已知的冷卻技術(shù)不能應(yīng)付或不具實用性。例如，由于高頻電機中的導(dǎo)體通常數(shù)量多、尺寸小，不能設(shè)置內(nèi)部通道，中空導(dǎo)體的冷卻方法變得不可行。
因此，需要一種改進的可用于高頻電機的電樞繞組，可使得AC損耗最小和提高冷卻技術(shù)。
此外，需要有一種制造改進的電樞繞組的具成本效益的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種電機的繞組。所述繞組包括至少一組串聯(lián)的AC線棒，所述各AC線棒包括一系列串聯(lián)的絞合線構(gòu)成的線匝，所述絞合線由許多股組成；和至少一個冷卻管。其中，許多股中的各股各自基本上位于所述至少一個冷卻管的至少一個傳遞點附近，以提供從各股到至少一個冷卻管的熱傳遞。
在本發(fā)明的另一實施例中，提出了一種具有AC繞組的電機，其包括至少一組串聯(lián)的AC線棒，各AC線棒包括一系列串聯(lián)的絞合線構(gòu)成的線匝，所述絞合線由許多股組成；和至少一個冷卻管；其中，許多股中的各股各自基本上位于至少一個冷卻管的至少一個傳遞點附近，以提供從各股到至少一個冷卻管的熱傳遞。
在本發(fā)明的又一個實施例中，提出了一種電機的繞組。該繞組包括至少一組串聯(lián)的AC線棒，各AC線棒包括一系列串聯(lián)的線匝，所述線匝包括至少一個導(dǎo)體； 至少一個冷卻管，其具有流過帶有熱傳導(dǎo)表面的管路的冷卻介質(zhì)；和相-地絕緣體，可提供AC線棒的電相對地的絕緣，其中相-地絕緣體圍繞一系列串聯(lián)的線匝和至少一個冷卻管。其中，一系列線匝中的各線匝與至少一個冷卻管接觸，以便從各線匝傳遞熱量到至少一個冷卻管，其中，在各個接觸點，所述相-地絕緣體不介入所述至少一個冷卻管的各傳導(dǎo)表面和至少一個導(dǎo)體的各導(dǎo)體之間。
在本發(fā)明的另一實施例中，提出了一種制造電機的AC繞組的方法。該方法包括步驟在環(huán)境溫度下將絞合線纏繞成具有一系列線匝的線圈；并在環(huán)境溫度下用可熱活化的粘接劑使線圈絕緣；在環(huán)境溫度下使線圈成型為預(yù)定的形狀；和對線圈加熱使粘接劑固化。
在本發(fā)明的另一實施例中，提出了一種制造電機的AC繞組的方法。所述方法包括步驟將絞合線纏繞成具有一系列線匝的線圈；使線圈成型為預(yù)定的形狀；和用環(huán)氧樹脂浸漬線圈。


通過下面參考附圖對本發(fā)明進行的詳細說明。對本發(fā)明的上述和其他方面、特征及優(yōu)點可有清楚了解，附圖中圖1是電機的定子的截面圖；圖2是圖1的定子截面圖顯示的定子一部分的放大圖，顯示了電樞條；圖3是圖1的定子截面圖顯示的定子一部分的放大圖，顯示了電樞條的另一種結(jié)構(gòu)；和圖4是包括線匝各部分的熱交換區(qū)和圖2所示各電樞條的冷卻條的構(gòu)造的部分截面圖。
標記表100電機110轉(zhuǎn)子組件110a，110b 轉(zhuǎn)子段112磁極114空氣極120軸130縱軸線140外殼150定子組件160定子162內(nèi)定子
164外定子166電樞繞組的隙168端部繞組的空間170勵磁線圈200轉(zhuǎn)子段210中心部分250基體220，230 轉(zhuǎn)子段環(huán)240鐵磁極500轉(zhuǎn)子段520單個轉(zhuǎn)子段510中心部分530周界開口540內(nèi)部開口具體實施方式
下面將參考附圖對本發(fā)明的實施例進行介紹。在下面的介紹中，已知的功能或結(jié)構(gòu)不再詳細介紹，以避免用不必要的細節(jié)來干擾對本發(fā)明的介紹。在全部附圖中，相同的標記代表相同的部件。
在高頻電機中，繞組包括至少一組線圈，其由多股的絞合線線匝構(gòu)成；和冷卻繞組的冷卻系統(tǒng)，其中繞組的各線圈至少設(shè)置一個冷卻管，線圈的各線匝傳遞熱量到至少一個冷卻管，熱量沿多股絞合線的各股傳遞，從各股傳遞到至少一個冷卻管。AC繞組可以是電機的任何傳遞能量的繞組，例如，電樞繞組或定子或轉(zhuǎn)子的AC場繞組。
圖1是示例性電機10的截面圖，電機具有轉(zhuǎn)子12、定子20和AC繞組32，圖中顯示的是定子電樞繞組。還顯示出設(shè)有軸14，其在定子形成的空腔沿電機的長度延伸(即沿與紙面正交的方向延伸)，其中軸14支承轉(zhuǎn)子12。盡管下面的討論涉及定子電樞繞組，應(yīng)當指出AC繞組32的結(jié)構(gòu)可用于其他的AC電能流過的繞組，包括轉(zhuǎn)子繞組。
暴露和顯示出AC繞組32的多個AC線棒200，其包括外環(huán)形陣列，具有多個位于定子20的定子鐵芯28的外周面附近的外AC線棒202，形成外繞組203；和內(nèi)環(huán)形陣列，具有多個位于定子鐵芯28的內(nèi)周面附近的內(nèi)AC線棒204，形成內(nèi)繞組205。圖1顯示的多個AC線棒200是多個電樞條，但AC線棒可以是電機中任何等同的結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)子的等同結(jié)構(gòu)。此外，AC繞組32可設(shè)置在定子20中的其他位置。在另一結(jié)構(gòu)中，AC繞組32可包括多個AC線棒組成的一環(huán)形陣列。
參考圖2，定子20的定子鐵心28的示例性扇形部分300顯示出具有成對的外和內(nèi)AC線棒202，204。成對的外和內(nèi)AC線棒202，204支承于一對磁性或非磁性的由定子鐵心28形成的定子齒302形成的通道36中，定子齒在某特定的實施例中是不導(dǎo)電的和/或?qū)盈B的，以減少損耗。各個外AC線棒202和內(nèi)AC線棒204設(shè)置了冷卻管240，其具有至少一個冷卻管242。設(shè)置了磁性或非磁性楔形物304以封閉位于通道36內(nèi)端的通道36。各AC線棒202，204通過提供相-地絕緣的具較厚涂層的相-地絕緣體308進行絕緣。
AC線棒202，204的結(jié)構(gòu)基本是相同的。下面對外AC線棒202的介紹也適用于內(nèi)AC線棒204。特定實施例的各AC線棒202一般具有矩形或梯形形狀，AC線棒202具有兩個寬邊，其長度就是AC線棒202的高度207，和兩個短邊，其長度是AC線棒202的寬度209，高度207可以超過或不超過寬度209。各AC線棒202包括線圈210，其由纏繞成單個或多個線匝的絞合線構(gòu)成。在所顯示的示例性實施例中，各外AC線棒202包括8個連續(xù)的線匝211-218，當然也可使用其他數(shù)量的線匝。在特定的實施例中，線匝211-218分成基本對稱的第一和第二組。在所顯示的實施例中，第一線匝組包括線匝211-214，其基本對稱于第二線匝組215-218。還可以想到外AC線棒202可包括2個或更多線匝組，其如圖2所示是垂直放置的，或如下面的圖3所示水平放置，或?qū)⒍呓M合放置。相-地絕緣體308圍繞線匝211-218。
多個外AC線棒202通過串聯(lián)和/或并聯(lián)連接成至少一串，其包括連接此至少一串到電機10的接頭。類似地，多個內(nèi)AC線棒204連接成至少一串，通過串聯(lián)和/或并聯(lián)，其包括連接此至少一串到電機10的接頭。可以想到，各串可包括內(nèi)和/或外AC線棒204，202的組合。此外，各串可具有多相。在本發(fā)明的一個實施例中，如電樞繞組，一串外繞組通過第一槽從電機的第一端延伸到電機的第二端，并通過一串經(jīng)第二槽從電機的第二端延伸到電機的第一端的內(nèi)繞組連接到電機的第二端的附近。
絞合線形成的線圈210，如現(xiàn)有技術(shù)已知的，包括多個單股線230。，各股線包括一般絕緣的線，其以某種模式，在特定實施例中是均勻模式，纏繞或擰到一起。各股線以特定方式調(diào)換以減少AC損耗，如現(xiàn)有技術(shù)所示。多股結(jié)構(gòu)可減少如固體導(dǎo)體會產(chǎn)生的能量損耗，能量損耗產(chǎn)生的原因一般稱作“集膚效應(yīng)”，并可減少渦流產(chǎn)生的高交流發(fā)熱。一般地，當要求增加頻率，股230數(shù)量相應(yīng)增加，各股的計量尺寸(或直徑)減少。
圖中所示的各線匝211-218的截面在特定實施例中一般為矩形或梯形，矩形具有兩個寬邊，其長度是線匝的高度219；和兩個短邊，其長度是線匝的寬度221，而長度219超過寬度221。線匝211-218的寬邊可定位成正交或平行于外AC線棒202。在圖3所示的示例性結(jié)構(gòu)中，線匝211-218的寬邊平行于外AC線棒202的寬邊。
形成的冷卻管240位于外AC線棒202的內(nèi)部，如位于相-地絕緣體308所形成的空間內(nèi)，使至少一個冷卻管242和從線匝211-218傳遞熱量到冷卻管242的線匝211-218之間形成最大的接觸表面或熱傳遞區(qū)。所形成的冷卻管240位于相-地絕緣體308的內(nèi)部，所以冷卻管240和線匝211-218之間的熱傳遞不必傳遞到相-地絕緣體308。
線匝211-218傳遞的大部分熱量通過沿各股230和縱向的熱流的方式進行(即沿各股的縱軸)，從各股230到所形成的冷卻管的熱傳遞將在下面參考圖4進一步介紹。
在具體實施例中，形成的冷卻管240的結(jié)構(gòu)共同設(shè)置成矩形或其他適合的形狀。線匝211-218與冷卻管240的位置使得線圈210的各匝(在某些線圈線匝數(shù)可能高)沿Z軸(即正交于紙面)的路徑接近或在某實施例接觸冷卻管，線匝的表面區(qū)和形成的冷卻管240的表面區(qū)設(shè)置成互相接近或互相接觸，以建立熱交換區(qū)。各冷卻管242可以端面對端面的串聯(lián)方式設(shè)置成平行結(jié)構(gòu)，或組合起來形成冷卻管240，以減少峰值溫度和泵送通過冷卻管242泵送的冷卻介質(zhì)所需能量。熱交換在各冷卻管242之間進一步發(fā)生。冷卻管242在具體實施例中是由具高導(dǎo)熱性和高電阻性非磁的金屬材料組成，還應(yīng)當是抗腐蝕或侵蝕的，如不銹鋼。
在特定實施例中，第一組線匝211-214設(shè)置成相對冷卻管240基本與第二組215-218對稱，使與冷卻管240的熱交換的線匝數(shù)最大，使熱交換能力最大。在特定實施例中，最大數(shù)量的線匝設(shè)置成在冷卻管240的相對表面進行熱交換。此外，在特定實施例中，線匝具有均勻的尺寸和形狀。對稱的接觸關(guān)系使線圈210的各線匝，甚至當線圈包括很多數(shù)量的線匝時，可以緊湊和高效的方式與冷卻管240進行熱交換。
冷卻管242具有線圈的線匝間電壓范圍內(nèi)的浮動電壓。在特定實施例中，形成的冷卻管240用足夠厚的的膜絕緣體進行電絕緣，以抵抗與形成的冷卻管240接觸的的線匝211-218之間的最大電壓。此外，在特定實施例中，當各冷卻管242連接到一起形成冷卻管240時，各冷卻管242互相電絕緣，如通過電絕緣的軟管或連接件。此外，在特定實施例中，冷卻管242單獨和/或共同地涂復(fù)熱活性和/或熱傳導(dǎo)的黏結(jié)劑，使冷卻管242和線匝211-218之間有最大接觸，使線匝211-218傳導(dǎo)的熱量最大。此外，在另一實施例中，整個外AC線棒202，或其一部分，用真空加壓浸漬(VPI)工藝進行處理，清除空隙和空氣并提供額外的機械支承。
在特定實施例中，冷卻管242包括于可使冷卻介質(zhì)(如液體、氣體、低溫冷卻液等)在冷卻管242流動的冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)包括可使冷卻介質(zhì)流動的泵送或抽入裝置，冷卻介質(zhì)的管路，冷卻的冷卻介質(zhì)源和/或冷卻冷卻介質(zhì)的熱匯。此外，在特定實施例中，冷卻管242的壁，具體是與線匝211-218接觸的壁，較薄，使產(chǎn)生的渦流最少。
參考圖3，顯示了另一個AC線棒202，204的結(jié)構(gòu)。其中外AC線棒204包括一組線匝411-426，線匝411-426的寬邊正交對應(yīng)的AC線棒202，204的寬邊，形成的冷卻管240的寬邊平行于外AC線棒202的寬邊。AC線棒202和204的結(jié)構(gòu)基本上相同。如圖所示，各線匝411-426接觸或靠近冷卻管240，線匝411-426繞冷卻管240對稱設(shè)置，接觸或靠近冷卻管240的相對表面。
上面介紹的電樞繞組非常適合于高頻電機，比如高速和/或高能量密度電機，如在比60赫茲高許多的頻率下工作的電機，商業(yè)或軍事用途的馬達或發(fā)電機，包括要求重量輕和電機緊湊的場合，如飛行器。
圖4顯示了熱交換區(qū)，其包括截面圖顯示的一部分線匝211和形成的冷卻管240，在特定的實施例中，另外的線匝212-219類似于線匝211。冷卻管240顯示出具有第一薄膜絕緣體402，第一薄膜絕緣體設(shè)置成可提供對線匝211產(chǎn)生最大電壓的電絕緣。與較厚的相-地絕緣體308相比要薄很多。
線匝211的多股線的各股230顯示出，在特定的實施例中，各股的實際數(shù)目大于所顯示的股數(shù)。各股230由第二薄膜絕緣體404絕緣，第二薄膜絕緣404設(shè)置成向最大股間電壓提供電絕緣，要比第一薄膜絕緣402薄許多。第二膜絕緣404可由如低電損耗的乙烯聚合物的和/或聚亞安酯材料形成，但是其他絕緣材料也可使用。在特定實施例中，股230還涂復(fù)了熱活化黏結(jié)劑。
此外，絞合線可通過包裹單層或雙層(未顯示)來絕緣，包裹層設(shè)置成可提供最大的線匝間電壓的電絕緣，與較厚的相-地絕緣體308相比要薄很多。包裹層可由織物，如尼龍織物形成?？上氲侥軌虬徊糠纸g合線，而不包裹另外的部分。位于熱交換區(qū)的絞合線部分，即與冷卻管240接觸或靠近的部分是不包裹的。第一膜絕緣402，第二膜絕緣404和包裹層的組合厚度比相-地絕緣體308的厚度要小很多。因此，冷卻管204提供的冷卻作用要超過設(shè)置在AC線棒外面的類似冷卻管的冷卻作用，這種冷卻管將熱傳遞到相-地絕緣體。
股線320擰成的結(jié)構(gòu)要使股230相對冷卻管240的位置上升和下落。在特定實施例中，各股230擰成可接觸冷卻管240，或靠近位于至少一個傳遞點406的冷卻管240，在傳遞點熱量從股線230傳遞到冷卻管240。因此，通過各股線230和沿股線230的縱向傳遞，產(chǎn)生的熱量得到有效地發(fā)散，然后傳遞到在各傳遞點406的冷卻管240。所介紹的高效熱傳遞超過沿橫向的熱傳遞，比如股線間的熱傳遞，和/或經(jīng)過厚電絕緣體的熱傳遞。
如上所述，線匝211接觸(或靠近)位于接觸點的冷卻管211，其沿平行Z軸(即離開圖2的紙面)延伸，在特定實施例中，長度最大化使傳遞點的數(shù)量最大化。類似地，圖3的線匝411接觸(或靠近)冷卻管240的位于線匝411的部分，線匝411沿平行Z軸(即離開圖3的紙面)方向的路徑延伸，在特定實施例中，該長度最大化，使傳遞點的數(shù)量最大化。圖4所示的線匝211部分基本上與線匝411的類似部分相同，但是位置要轉(zhuǎn)動90度，Y軸由X軸代替。
形成線圈210是通過纏繞絞合線形成線匝，然后用熱活化黏結(jié)劑熱絕緣絞合線，纏繞的絞合線在環(huán)境溫度下形成希望的形狀(在特定實施例中，第一組線匝和第二組線匝基本對稱)。其后，成型和絕緣的線圈210進行烘烤使黏結(jié)劑固化。
在本發(fā)明的另一實施例中，線圈210通過纏繞和成型線圈210形成希望的形狀(在特定實施例中，第一組線匝和第二組線匝基本對稱)，不必施加黏結(jié)劑。接下來，線圈210用環(huán)氧樹脂浸漬。此外，線圈210還可以通過使用熱活化黏結(jié)劑和環(huán)氧樹脂浸漬組合來形成。
希望充填A(yù)C線棒中的空隙，包括線匝211-218外的空隙，線匝211-218內(nèi)的空隙，比如股230之間的空隙。為實現(xiàn)這樣的空隙減少，股230可通過在VPI處理中液化和固化的薄膜來絕緣，比如B級環(huán)氧樹脂。絞合線可用樹脂來包裹，在VPI處理中進行活化充填空隙。
上面介紹的本發(fā)明的實施例用于說明，而不是用于進行限制，不能代表本發(fā)明所有的實施例。不脫離本發(fā)明的精神和范圍可進行多種改進和變化，本發(fā)明的范圍由后面的權(quán)利要求以法律承認的語言和等同體來限定。
權(quán)利要求
1.一種電機(10)的繞組，其包括至少一組串聯(lián)的AC線棒(200)，所述各AC線棒(200)包括一系列串聯(lián)的絞合線構(gòu)成的線匝(211-218，411-426)，所述絞合線由許多股(230)組成；和至少一個冷卻管(242)；其中，所述許多股(320)中的各股(230)各自基本上位于所述至少一個冷卻管(242)的至少一個傳遞點(406)附近，以提供從所述各股(230)到所述至少一個冷卻管(242)的熱傳遞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組，其特征在于，熱量還沿所述各股(230)的縱軸方向傳遞。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組，其特征在于，所述一系列線匝(211-218，411-426)中的各線匝(211-218，411-426)的表面區(qū)域基本上位于所述至少一個冷卻管(242)的各表面區(qū)域附近，以建立各自的熱傳遞區(qū)，其中所述各熱傳遞區(qū)包括多個傳遞點。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的繞組，其特征在于，所述至少一個冷卻管(242)具有第一和第二相對的表面，所述熱傳遞區(qū)沿所述第一和第二相對表面建立。
5.一種具有AC繞組的電機(10)，所述繞組包括至少一組串聯(lián)的AC線棒(200)，所述各AC線棒(200)包括一系列串聯(lián)的絞合線構(gòu)成的線匝(211-218，411-426)，所述絞合線由許多股(230)組成；和至少一個冷卻管(242)；其中，所述許多股(320)中的各股(230)各自基本上位于所述至少一個冷卻管(242)的至少一個傳遞點(406)附近，以提供從所述各股(230)到所述至少一個冷卻管(242)的熱傳遞。
6.一種電機(10)的繞組，包括至少一組串聯(lián)的AC線棒(200)，所述各AC線棒(200)包括一系列串聯(lián)的線匝(211-218，411-426)，所述線匝包括至少一個導(dǎo)體；至少一個冷卻管(242)，其具有流過帶有熱傳導(dǎo)表面的管路的冷卻介質(zhì)；和相-地絕緣體(308)，可提供所述AC線棒(200)的電相對地的絕緣體(308)，其中所述相-地絕緣體(308)圍繞所述一系列串聯(lián)的線匝(211-218，411-426)和所述至少一個冷卻管(242)；其中，所述一系列線匝(211-218，411-426)中的各線匝(211-218，411-426)與所述至少一個冷卻管(242)接觸，以便從所述各線匝(211-218，411-426)傳遞熱量到所述至少一個冷卻管(242)，其中，在各個接觸點，所述相-地絕緣體(308)不介入所述至少一個冷卻管(242)的各傳導(dǎo)表面和所述至少一個導(dǎo)體的各導(dǎo)體之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的繞組，其特征在于，所述至少一個冷卻管(242)具有浮動的電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的繞組，其特征在于，所述浮動的電壓處于一系列線匝(211-218，411-426)的線匝間電壓范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的繞組，其特征在于，在各接觸點，所述傳導(dǎo)表面和所述至少一個導(dǎo)體之間的最大絕緣體包括膜絕緣體，其總厚度基本上小于所述相-地絕緣體(308)的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的繞組，其特征在于，所述AC線棒(200)的所述各線匝(211-218，411-426)接觸所述至少一個冷卻管(242)，以便從各個線匝(211-218，411-426)傳遞熱量到所述至少一個冷卻管(242)。
全文摘要
提出了一種電機(10)的繞組，繞組包括至少一組串聯(lián)的AC線棒(200)。各AC線棒(200)包括一系列串聯(lián)的絞合線構(gòu)成的線匝(211－218，411－426)和至少一個冷卻管(242)，絞合線由許多股(230)組成。許多股(230)中的各股(230)各自基本上位于至少一個冷卻管(242)的至少一個傳遞點(406)附近，以提供從各股(230)到至少一個冷卻管(242)的熱傳遞。
文檔編號H02K3/04GK1649236SQ200510006880
公開日2005年8月3日 申請日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月27日
發(fā)明者K·斯瓦蘇布拉馬尼亞姆, E·T·拉斯卡里斯, J·P·阿勒贊德, M·R·沙赫 申請人:通用電氣公司