專利名稱：高效凸極電機(jī)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及凸極電機(jī)，包括發(fā)電機(jī)和馬達(dá)。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，凸極電機(jī)如發(fā)電機(jī)和馬達(dá)的生產(chǎn)成本(initial cost)，加上設(shè)計(jì) 和外罩(enclosure)，是從已知供應(yīng)商中購買給定KW電動凸極電機(jī)，以提供足夠的可靠性 和有效性的主要因素。凸極電機(jī)通常以最低的價格購入，然而在大多數(shù)情況下，操作損耗卻 被大大的忽略了。然而，原油價格繼續(xù)上升，這類機(jī)械的運(yùn)行成本在凸極電機(jī)的選擇中成了一個顯 著的因素。與凸極電機(jī)的發(fā)電能量相關(guān)的運(yùn)行成本已不能忽略。而且，與更高效的一代電 力相關(guān)的溫室氣體減少也是所期望的。初級能源應(yīng)用是一個受益于本發(fā)明教導(dǎo)的高效發(fā)電機(jī)單元的領(lǐng)域。該提高效率的 益處相比該單元增加的費(fèi)用是相對不足的和具有經(jīng)濟(jì)吸引力的。因此，存在增加凸極電機(jī) 效率的需求。風(fēng)阻損失(windage loss)是與凸極電機(jī)領(lǐng)域的冷卻風(fēng)扇和凸極設(shè)計(jì)相關(guān)的損失。 在一些應(yīng)用中，在當(dāng)前單元中風(fēng)阻損失可以是單獨(dú)損失最大的部分。這是由于需要大量空 氣流以避免溫度的過度上升。此外，存在由不良的幾何形狀引起的高壓降。這些現(xiàn)象共同導(dǎo) 致了現(xiàn)有技術(shù)中的風(fēng)扇的非常低的效率，其導(dǎo)致了大量的損耗。因此，存在減小風(fēng)阻損失， 從而提高凸極電機(jī)效率的需求。

發(fā)明內(nèi)容
當(dāng)希望節(jié)約燃料使用的時候，應(yīng)選擇高效率的凸極電機(jī)如發(fā)電機(jī)。然而，高效的凸 極電機(jī)帶來的益處超出了燃料節(jié)約。低損耗機(jī)器產(chǎn)生更少的熱量，因此比低效模型以更低 的溫度運(yùn)行。較低溫度導(dǎo)致了凸極電機(jī)的壽命實(shí)質(zhì)更長，因?yàn)榻^緣材料的壽命因溫度的上 升而變短。為了減少與安裝在軸上的冷卻風(fēng)扇相關(guān)的損耗，小感應(yīng)馬達(dá)驅(qū)動風(fēng)扇的新的概念 被用于冷卻該單元。為了最小化凸極的紊流損耗，復(fù)合極間罩和復(fù)合端部線圈罩被使用來 減小阻力。此外，風(fēng)扇組件可以獨(dú)立于旋轉(zhuǎn)磁場組件。凸極電機(jī)包括旋轉(zhuǎn)磁場組件和至少一個連接到旋轉(zhuǎn)磁場組件的極間罩，和/或至少一個連接到旋轉(zhuǎn)磁場組件的端部線圈罩。每個極間罩優(yōu)選包括具有弧度的頂表面，和/ 或至少一個腔室。端部線圈罩可以包括至少一個支撐件。凸極電機(jī)可以還包括至少一個獨(dú) 立于旋轉(zhuǎn)磁場組件的風(fēng)扇組件。在優(yōu)選實(shí)施例中，凸極電機(jī)包括至少一個安裝盤，每個風(fēng)扇 組件安裝在安裝盤上。極間罩和端部線圈罩優(yōu)選包括復(fù)合材料，聚合物，合金，陶瓷或天然 材料。一種具有旋轉(zhuǎn)磁場組件的凸極電機(jī)的形成方法，包括將至少一個極間罩連接到旋 轉(zhuǎn)磁場組件的步驟。該方法還可以包括將至少一個端部線圈罩連接到旋轉(zhuǎn)磁場組件和/或 將至少一個獨(dú)立于旋轉(zhuǎn)磁場組件的風(fēng)扇組件連接到凸極電機(jī)。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，極間 罩包括頂表面，并且其中每個極間罩的頂表面具有弧度。


圖1示出現(xiàn)有技術(shù)中的旋轉(zhuǎn)磁場組件的透視圖；圖2示出旋轉(zhuǎn)磁場組件的實(shí)施例的局部分解透視圖；圖3示出旋轉(zhuǎn)磁場組件的實(shí)施例的裝配透視圖；圖4示出極間罩的實(shí)施例的透視圖；圖5示出端部線圈罩的外側(cè)的實(shí)施例的透視圖；圖6示出至少一個風(fēng)扇組件的實(shí)施例的分解透視圖；圖7示出風(fēng)扇組件的實(shí)施例的透視圖；和圖8示出了已組裝的凸極電機(jī)的實(shí)施例的透視圖。盡管此處公開的本發(fā)明能夠具有各種修改和替換形式，僅幾種特定實(shí)施例通過附 圖和以下詳細(xì)描述中的例子被示出。這些細(xì)節(jié)實(shí)施例的附圖和詳細(xì)描述并不以任何方式限 制本發(fā)明原理和附屬的權(quán)利要求的氛圍或范圍。而且，附圖和詳細(xì)描述用于向本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員解釋本發(fā)明原理以使這些人可以制作、使用本發(fā)明的原理。
具體實(shí)施例方式此處公開的組成本發(fā)明的一個或多個示例性實(shí)施例在下面被描述。為了清楚起 見，并不是實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式的所有特征都被描述或示出在本申請中。可以理解，在構(gòu)成本發(fā)明 的一個實(shí)際實(shí)施例的開發(fā)中，必須作出大量的實(shí)現(xiàn)方式特定的決策以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的目標(biāo)， 比如為符合系統(tǒng)相關(guān)、商業(yè)相關(guān)、政府相關(guān)的限制和其他限制，這根據(jù)實(shí)施情況不時會變 化。盡管開發(fā)者的努力可能是復(fù)雜的和耗費(fèi)時間的，然而這種努力對于受益于本公開的本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是例行程序?，F(xiàn)有技術(shù)的凸極電機(jī)，發(fā)電機(jī)在很多區(qū)域失去效率。圖1示出了一種發(fā)電機(jī)的旋 轉(zhuǎn)磁場組件100。該旋轉(zhuǎn)磁場組件100包括轉(zhuǎn)子極102、繞組104、和線圈支撐桿106。繞組 104被繞組支撐件108定位。繞組支撐件108所位于的轉(zhuǎn)子極102之間的區(qū)域的開放特性， 趨于成為風(fēng)阻損失發(fā)生的區(qū)域。風(fēng)扇組件112設(shè)置在軸110上?，F(xiàn)有技術(shù)中因?yàn)轱L(fēng)扇組件112需要大量機(jī)械能已 經(jīng)導(dǎo)致了顯著的風(fēng)阻損失。移動空氣用于冷卻的機(jī)械能導(dǎo)致了系統(tǒng)效率的大量損失。繞組104的延伸穿過轉(zhuǎn)子極102的部分114是另一個風(fēng)阻損失源。因?yàn)樾D(zhuǎn)磁場 組件100的旋轉(zhuǎn)，繞組104的部分114和線圈支撐桿106導(dǎo)致阻力，其產(chǎn)生顯著的效率損失。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，這里描述了凸極電機(jī)的一個優(yōu)選實(shí)施例，即一種發(fā)電 機(jī)。然而，所有的凸極電機(jī)可以從這里公開的技術(shù)中受益，而且被認(rèn)為作為這里描述的和要 求保護(hù)的在本發(fā)明的范圍內(nèi)。凸極電機(jī)被認(rèn)為包括發(fā)電機(jī)和馬達(dá)。圖2是旋轉(zhuǎn)磁場組件200的實(shí)施例。轉(zhuǎn)子極202和繞組支撐件208之間的開放氣 體區(qū)域被極間罩(inter-pole cap)216封閉。線圈支撐桿206和延伸穿過轉(zhuǎn)子極202的繞 組214部分被端部線圈罩218覆蓋。在該實(shí)施例中沒有風(fēng)扇組件連接在軸210上。圖3示出了旋轉(zhuǎn)磁場組件300的實(shí)施例的裝配透視圖。如圖所示，轉(zhuǎn)子極302之 間的開放氣體區(qū)域被極間罩316封閉。延伸穿過轉(zhuǎn)子極302的繞組314部分被端部線圈罩 318覆蓋。在該實(shí)施例中沒有風(fēng)扇組件連接在軸310上。圖4示出極間罩416的實(shí)施例的透視圖。極間罩416被設(shè)計(jì)為與鄰近的轉(zhuǎn)子極相 接。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，極間罩416的頂表面420可以具有弧度，使得在裝配時，完整的旋 轉(zhuǎn)磁場組件可以接近于圓柱表面，這對減小風(fēng)阻損失是有利的。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，至少 一個腔室422可以形成在轉(zhuǎn)子極罩416中，從而既減少使用的材料成本，又減少極間罩416 的總質(zhì)量。極間罩416可以由具有合適結(jié)構(gòu)屬性以能承受操作期間與旋轉(zhuǎn)有關(guān)的力的任意 材料形成。這可以包括，但不局限于金屬、復(fù)合材料、聚合物、合金、陶瓷、天然存在材料 或相似材料。在優(yōu)選實(shí)施例中，玻璃增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(glass reinforced epoxy composite)在電氣、質(zhì)量和強(qiáng)度屬性上是優(yōu)選的。在最優(yōu)選實(shí)施例中，極間罩416可以由 G11玻璃增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料形成，但本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠認(rèn)識到材料上的有效變形被 認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。圖5示出了端部線圈罩518的實(shí)施例的透視圖。端部線圈罩518的外徑524優(yōu)選 與旋轉(zhuǎn)磁場組件的外徑相近或相同。這樣實(shí)質(zhì)相等的直徑設(shè)置的目的是為了減小表面間的 不平坦界面的風(fēng)阻損失。端部線圈罩518的深度使得能完全封閉繞組和線圈支撐桿。優(yōu)選 繞組具有適當(dāng)?shù)拈g隙。端部線圈罩518上的安裝表面526使得與線圈支撐桿相接。在一個 優(yōu)選實(shí)施例中，端部線圈罩518在軸向上被螺栓固定到線圈支撐桿上。端部線圈罩518也 可以包括結(jié)構(gòu)支撐件528，其提供額外的剛性，同時被形成為使得不與旋轉(zhuǎn)磁場組件的內(nèi)部 組件干涉。端部線圈罩也可以由具有合適結(jié)構(gòu)屬性以能承受操作期間與旋轉(zhuǎn)有關(guān)的力的任 意材料形成。這可以包括，但不局限于金屬、復(fù)合材料、聚合物、合金、陶瓷、天然存在材料或 相似材料。在優(yōu)選實(shí)施例中，玻璃增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在電氣、質(zhì)量和強(qiáng)度屬性上是優(yōu)選 的。在最優(yōu)選實(shí)施例中，極間罩518，618可以由G11玻璃增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料形成，但本 領(lǐng)域技術(shù)人員能夠認(rèn)識到材料上的有效變形被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。附圖6示出了具有至少一個獨(dú)立于旋轉(zhuǎn)磁場組件的風(fēng)扇的實(shí)施例的分解透視圖。 如圖所示，多個風(fēng)扇組件630與安裝盤632相接。篩網(wǎng)634可以設(shè)置在安裝盤632上，在風(fēng) 扇組件630的外側(cè)。在優(yōu)選實(shí)施例中，進(jìn)出孔蓋(access cover)636也可以設(shè)置在安裝盤 632上。與安裝到固定軸上的風(fēng)扇相比，這種布置提供了較小負(fù)載的替代形式。圖7示出了風(fēng)扇組件730的實(shí)施例的透視圖。風(fēng)扇組件730與安裝盤732相接。 這些風(fēng)扇組件730優(yōu)選由螺栓固定到安裝盤732上。篩網(wǎng)734可以設(shè)置到安裝盤732上， 在風(fēng)扇組件730的外側(cè)。這些篩網(wǎng)734優(yōu)選由螺栓固定在安裝盤732上。
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在該實(shí)施例中，四個風(fēng)扇組件被示出；然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，本發(fā)明的 范圍之內(nèi)，能夠使用任意數(shù)量的風(fēng)扇組件提供氣流通過凸極電機(jī)的內(nèi)部組件。雖然氣流量 的需要的顯著變化被期于基于凸極電機(jī)的需求，然而最優(yōu)選實(shí)施例能產(chǎn)生至少約2000CFM 氣流。這種變化基于機(jī)座尺寸(framesize)，鐵芯長度(stack length)，所使用的風(fēng)扇類型， 運(yùn)行環(huán)境，和類似的變量。安裝盤優(yōu)選由鋼或能在運(yùn)行時結(jié)構(gòu)上支撐每個風(fēng)扇組件的類似 硬質(zhì)材料制作。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到材料上的有效變形被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。圖8示出了一裝配好的凸極電機(jī)800的實(shí)施例的透視圖。該凸極電機(jī)800示出了 連接到電樞組件838的風(fēng)扇組件殼體836。轉(zhuǎn)子840，這里也被稱為旋轉(zhuǎn)磁場組件，可以在 電樞組件838內(nèi)部看到。已經(jīng)通過優(yōu)選實(shí)施例和其他實(shí)施例描述了本發(fā)明，并不是本發(fā)明的每個實(shí)施例都 被描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員易于得到所描述的實(shí)施例的明顯的修改和替換。公開和未公開的 實(shí)施例不是為了限定或限制由申請人構(gòu)想的本發(fā)明的范圍或適應(yīng)性，而是，與專利法一致， 申請人:意圖保護(hù)所有的落入與如下的權(quán)利要求等價的范圍或范疇的整個范圍的修改和改進(jìn)。
權(quán)利要求
一種凸極電機(jī)，包括旋轉(zhuǎn)磁場組件；和連接到所述旋轉(zhuǎn)磁場組件的至少一個極間罩。
2.如權(quán)利要求1所述的凸極電機(jī)，其中每個極間罩包括頂表面，并且其中每個極間罩 的頂表面具有弧度。
3.如權(quán)利要求1所述的凸極電機(jī)，其中每個極間罩包括至少一個腔室。
4.如權(quán)利要求1所述的凸極電機(jī)，其中每個極間罩包括復(fù)合材料、聚合物、合金、陶瓷 或天然存在的材料。
5.如權(quán)利要求1所述的凸極電機(jī)，進(jìn)一步包括連接到所述旋轉(zhuǎn)磁場組件的至少一個端部線圈罩。
6.如權(quán)利要求5所述的凸極電機(jī)，其中每個端部線圈罩包括復(fù)合材料、聚合物、合金、 陶瓷或天然存在的材料。
7.如權(quán)利要求1所述的凸極電機(jī)，進(jìn)一步包括獨(dú)立于所述旋轉(zhuǎn)磁場組件的至少一個風(fēng) 扇組件。
8.如權(quán)利要求7所述的凸極電機(jī)，進(jìn)一步包括至少一個安裝盤，其中每個風(fēng)扇組件安 裝在所述安裝盤上。
9.一種凸極電機(jī)，其包括旋轉(zhuǎn)磁場組件；和連接到所述旋轉(zhuǎn)磁場組件的至少一個端部線圈罩。
10.如權(quán)利要求9所述的凸極電機(jī)，其中每個端部極罩包括至少一個支撐件。
11.如權(quán)利要求9所述的凸極電機(jī)，其中每個端部線圈罩包括復(fù)合材料、聚合物、合金、 陶瓷或天然存在的材料。
12.如權(quán)利要求9所述的凸極電機(jī)，其進(jìn)一步包括連接到所述旋轉(zhuǎn)磁場組件的至少一 個極間罩。
13.如權(quán)利要求12所述的凸極電機(jī)，其中每個極間罩包括頂表面，并且其中每個極間 罩的頂表面具有弧度。
14.如權(quán)利要求12所述的凸極電機(jī)，其中每個極間罩包括至少一個腔室。
15.如權(quán)利要求10所述的凸極電機(jī)，進(jìn)一步包括獨(dú)立于所述旋轉(zhuǎn)磁場組件的至少一個 風(fēng)扇組件。
16.如權(quán)利要求15所述的凸極電機(jī)，進(jìn)一步包括至少一個安裝盤，其中每個風(fēng)扇組件 安裝在所述安裝盤上。
17.一種具有旋轉(zhuǎn)磁場組件的凸極電機(jī)的形成方法，該方法包括將至少一個極間罩連 接到所述旋轉(zhuǎn)磁場組件的步驟。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括將至少一個端部線圈罩連接到所述旋轉(zhuǎn)磁 場組件的步驟。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括將獨(dú)立于所述旋轉(zhuǎn)磁場組件的至少一個風(fēng) 扇組件連接到所述凸極電機(jī)的步驟。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中每個極間罩包括頂表面，并且其中每個極間罩的 所述頂表面具有弧度。
全文摘要
一種凸極電機(jī)及其成形方法，所述凸極電機(jī)包括旋轉(zhuǎn)磁場組件和連接到旋轉(zhuǎn)磁場組件的至少一個極間罩，和/或連接到所述旋轉(zhuǎn)磁場組件的至少一個端部線圈罩。每個極間罩優(yōu)選包括具有弧度的頂表面和/或至少一個腔室。每個端部極罩包括至少一個支撐件。所述凸極電機(jī)也能包括獨(dú)立于所述旋轉(zhuǎn)磁場組件的至少一個風(fēng)扇組件。在優(yōu)選實(shí)施例中，所述凸極電機(jī)包括至少一個安裝盤，其中每個風(fēng)扇組件安裝在所述安裝盤上。所述極間罩和所述端部線圈罩優(yōu)選包括復(fù)合材料、聚合物、合金、陶瓷或天然存在的材料。
文檔編號H02K1/24GK101855809SQ200880109842
公開日2010年10月6日 申請日期2008年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月2日
發(fā)明者喬舒亞·A·洛倫茲, 布賴恩·N·考克斯, 杰霍德·T·史密斯巴克, 約瑟夫·B·麥凱布, 約翰·T·福勒, 路易斯·R·邁爾斯, 雅克·A·圣-米歇爾 申請人:艾默生電氣公司