用于電動機器的具有非圓柱形表面的轉(zhuǎn)子的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種用于電動機器的具有非圓柱形表面的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子是具有經(jīng)過改型的外表面的電動機器轉(zhuǎn)子。在一些實施例中，所述電動機器轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子主體，該轉(zhuǎn)子主體具有：主軸；極區(qū)域，所述極區(qū)域具有從轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線至極區(qū)域的外表面的非均勻徑向距離；以及多個槽，所述多個槽位于轉(zhuǎn)子主體的外表面中，所述多個槽沿轉(zhuǎn)子主體的周向方向間隔開，所述多個槽中的每一個槽都沿轉(zhuǎn)子主體的軸向方向延伸。
【專利說明】用于電動機器的具有非圓柱形表面的轉(zhuǎn)子

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明中所公開的主題總體涉及電動機器轉(zhuǎn)子。更具體地，本發(fā)明中所提供的公開涉及具有擁有經(jīng)過改型的磁路氣隙的轉(zhuǎn)子的電動機器。

【背景技術(shù)】
[0002]同步電動機器中的短路比(SCR)是發(fā)電機穩(wěn)定性或者發(fā)電機中的磁場隨負載的改變而改變的程度的測量結(jié)果。較高的SCR將改進電動機器或發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性特性。傳統(tǒng)上，設(shè)計者已通過創(chuàng)造較大的機器或者通過結(jié)合極面槽來滿足較高的SCR，這些選擇中的兩個選擇都具有與其相關(guān)的較高的成本。
[0003]用于電動機器的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子是大致圓柱形狀的，在其外表面和與其相關(guān)聯(lián)的定子的內(nèi)表面之間具有均勻的徑向距離。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的各個實施例包括裝置，所述裝置適于包括電動機器轉(zhuǎn)子，該電動機器轉(zhuǎn)子具有經(jīng)過改型的外表面和經(jīng)過改型的磁路氣隙。在一些實施例中，所述裝置包括電動機器轉(zhuǎn)子，該電動機器轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子主體，該轉(zhuǎn)子主體具有主軸；極區(qū)域(pole reg1ns)，所述極區(qū)域具有從轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線至極區(qū)域的外表面的非均勻徑向距離；以及多個槽，所述多個槽位于轉(zhuǎn)子主體的外表面中，所述多個槽沿轉(zhuǎn)子主體的周向方向間隔開，所述多個槽中的每一個槽都沿轉(zhuǎn)子主體的軸向方向延伸。
[0005]本發(fā)明的第一方面提供一種電動機器轉(zhuǎn)子(dynamoelectric machine rotor),該電動機器轉(zhuǎn)子包括:轉(zhuǎn)子主體，該轉(zhuǎn)子主體具有主軸(spindle);極區(qū)域，所述極區(qū)域具有從轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線至極區(qū)域的外表面的非均勻徑向距離；以及多個槽，所述多個槽位于轉(zhuǎn)子主體的外表面中，所述多個槽沿轉(zhuǎn)子主體的周向方向間隔開，所述多個槽中的每一個槽都沿轉(zhuǎn)子主體的軸向方向延伸。
[0006]本發(fā)明的第二方面提供一種電動機器，該電動機器包括:定子；轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子定位在定子內(nèi)，該轉(zhuǎn)子包括:轉(zhuǎn)子主體，該轉(zhuǎn)子主體具有主軸；極區(qū)域，所述極區(qū)域具有從轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線至極區(qū)域的外表面的非均勻徑向距離；以及多個槽，所述多個槽位于轉(zhuǎn)子主體的外表面中，所述多個槽沿轉(zhuǎn)子主體的周向方向間隔開，所述多個槽沿轉(zhuǎn)子主體的軸向方向延伸。
[0007]本發(fā)明的第三方面提供一種電動機器，該電動機器包括:定子；以及轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子定位在定子內(nèi)，該轉(zhuǎn)子具有扁圓圓柱形橫截面，該扁圓圓柱形橫截面包括與第二半徑正交的第一半徑，第一半徑和第二半徑具有不同長度。該轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子主體，該轉(zhuǎn)子主體具有:主軸；極區(qū)域，所述極區(qū)域具有從轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線至極區(qū)域的外表面的非均勻徑向距離；以及多個槽，所述多個槽位于轉(zhuǎn)子主體的外表面中，所述多個槽沿轉(zhuǎn)子主體的周向方向間隔開，所述多個槽沿轉(zhuǎn)子主體的軸向方向延伸。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]通過下文結(jié)合示出了本發(fā)明的各個實施例的附圖對本發(fā)明各個方面的詳細描述，本發(fā)明的這些和其它特征將更加易于理解，在附圖中:
[0009]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的轉(zhuǎn)子的三維透視圖。
[0010]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的轉(zhuǎn)子的橫截面圖。
[0011]圖3至圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的轉(zhuǎn)子的三維透視圖。
[0012]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的裝置的橫截面圖。
[0013]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的轉(zhuǎn)子的橫截面圖。
[0014]應(yīng)當(dāng)注意到，本發(fā)明的附圖不必成比例。附圖旨在僅示出本發(fā)明的典型方面，并且因此不應(yīng)當(dāng)被認為對本發(fā)明的范圍構(gòu)成限制。應(yīng)當(dāng)理解，附圖中具有相似附圖標記的元件可以如參照彼此所描述的基本相似。此外，在參照圖1至圖6所示和所描述的實施例中，相似的附圖標記可以代表相似元件。為了清楚起見，省略了對這些元件的過多解釋。最后，應(yīng)當(dāng)理解，圖1至圖6的部件及其補充描述可以應(yīng)用于本說明書中所描述的任何實施例。

【具體實施方式】
[0015]本說明書中所公開的主題總體涉及電動機器轉(zhuǎn)子(dynamoelectric machinerotors) 0更具體地，本說明書中所提供的公開涉及具有擁有經(jīng)過改型的磁路氣隙(magnetic air gaps)的轉(zhuǎn)子的電動機器。
[0016]短路比(SCR, Short circuit rat1)是電動機器或發(fā)電機的重要設(shè)計參數(shù)。SCR是對發(fā)電機穩(wěn)定性或發(fā)電機中的磁場隨負載改變而改變的程度的測量結(jié)果。較高的SCR將改進穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性特性，但是可能需要較大的發(fā)電機。
[0017]如本說明書中所描述的，傳統(tǒng)上，設(shè)計者已通過創(chuàng)造較大的電動機器或通過結(jié)合極面槽來滿足較高的SCR，這些選擇中的兩個選擇都具有相關(guān)成本。多種常見的電動機器具有處于0.35至0.58的范圍內(nèi)的SCR。相比之下，當(dāng)與具有在本說明書中被稱為“基線轉(zhuǎn)子(baseline rotor) ”的轉(zhuǎn)子的這些傳統(tǒng)的電動機器相比時,根據(jù)本發(fā)明的各個實施例的電動機器能夠?qū)崿F(xiàn)從6%到10%的增強的SCR。
[0018]本發(fā)明的各個方面提供增強的電動機器短路比，同時避免了與較大機器相關(guān)的成本增加。
[0019]如與傳統(tǒng)電動機器進一步有所區(qū)別的，本說明書中所描述的實施例通過修改轉(zhuǎn)子表面來有助于降低實現(xiàn)較高SCR的成本，而不妥協(xié)/損害設(shè)計參數(shù)中的任何一個。本說明書中所描述的各個實施例通過修改定子與轉(zhuǎn)子之間傳統(tǒng)的均勻的磁路氣隙來允許短路比增大。根據(jù)各個方面對磁路氣隙的修改指的是在定子與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生非均勻徑向距離。這些具有經(jīng)過改型的磁路氣隙的創(chuàng)新設(shè)計改進了 SCR，而不改變發(fā)電機或電動機器的總體尺寸。對磁性氣隙的改型可以通過由各種方法來修改傳統(tǒng)圓柱形的轉(zhuǎn)子的外表面來完成。根據(jù)各個方面的又一個特性是通過將轉(zhuǎn)子構(gòu)型(profiling)、切削、或開槽至期望程度來使SCR增強至所要求的值。這種改型在設(shè)計中提供了靈活性并且能夠基于性能、效率和成本需要進行優(yōu)化。如所述的各個方面不限于2極圓柱形轉(zhuǎn)子電動機器，并且因此能夠推廣至具有4個極的機器。
[0020]各個實施例都包括轉(zhuǎn)子外表面，所述轉(zhuǎn)子外表面可以被描述成單個平坦表面、多個平坦表面、凹形、凸形、橢圓形或多個凹槽。此外，轉(zhuǎn)子主體的形狀可以是橢圓形或卵形，因此在定子內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子外表面之間產(chǎn)生非均勻徑向距離。
[0021]在根據(jù)各個方面的電動機器的操作期間，場電流(field current)被施加于轉(zhuǎn)子的勵磁繞組(excitat1n winding),以在定子的開路條件下產(chǎn)生額定電壓。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會，額定電壓(rated voltage)對于給定機器而言是特定的。額定電壓典型地可以處于大約9kV至26kV之間，然而，這種值不應(yīng)當(dāng)被理解成是限制性的。
[0022]同樣在操作期間，場電流被施加于轉(zhuǎn)子的勵磁繞組，從而在定子的短路狀況下產(chǎn)生額定電流。額定電流對于給定機器而言是特定的，并且這種電流的值可以由于機器的不同而發(fā)生變化。在存在于定子中的電樞繞組(armature winding)中，SCR由被施加以在開路條件下產(chǎn)生額定電壓的場電流的值除以用于在短路狀況下產(chǎn)生額定電流的場電流的值來限定。根據(jù)各個方面，各個實施例的經(jīng)過改型的磁路氣隙能夠?qū)€轉(zhuǎn)子的SCR實現(xiàn)從6%到10%的增強的SCR值，如上文所討論的。
[0023]如上所述，各個方面可以通過修改定子與轉(zhuǎn)子之間的磁路氣隙而有助于降低實現(xiàn)較高的SCR的成本卻不損害其它的設(shè)計參數(shù)。
[0024]參照圖1，示出了透視圖，其中示出了根據(jù)實施例的電動機器轉(zhuǎn)子1。本發(fā)明的各個方面可以包括轉(zhuǎn)子主體20。該轉(zhuǎn)子主體20可以包括主軸(spindle)30。該主軸30限定了旋轉(zhuǎn)軸線，轉(zhuǎn)子主體和主軸圍繞該旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。示出了位于轉(zhuǎn)子主體20的外表面40中的多個槽50。所述多個槽50可以沿轉(zhuǎn)子主體20的周向方向C間隔開，多個槽50中的每一個槽50都沿轉(zhuǎn)子主體20的軸向方向A延伸。多個槽50可以成形為接受勵磁繞組(圖6中所示的勵磁繞組)。
[0025]根據(jù)一些方面，轉(zhuǎn)子10可以是具有極N和S的兩極轉(zhuǎn)子，如圖1中所示。一些實施例包括具有平坦外表面45的極區(qū)域S、N。
[0026]圖2示出了轉(zhuǎn)子主體20的橫截面圖。轉(zhuǎn)子主體20可以包括具有從轉(zhuǎn)子10的旋轉(zhuǎn)軸線A至極區(qū)域的外表面40的非均勻徑向距離r’的極區(qū)域S、N。
[0027]圖3是透視圖，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的電動機器轉(zhuǎn)子10。圖3示出了根據(jù)各個方面的實施例，其中極區(qū)域S、N均包括多個平坦外表面55。盡管圖3示出了兩個極區(qū)域S、N,但是應(yīng)當(dāng)理解，多于兩個的極區(qū)域也屬于不同方面的范圍內(nèi)。
[0028]圖4是立體圖，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的電動機器轉(zhuǎn)子10。圖4示出了根據(jù)各個方面的實施例，其中極區(qū)域S、N均包括凸形外表面57。僅示出了凸形形狀的一個例子，然而，其它方面可以包括不同的凸形形狀。
[0029]圖5是橫截面圖，其中示出了根據(jù)實施例的電動機器60的部件。電動機器60可以是同步發(fā)電機并且/或者可以由氣體冷卻、液體冷卻、或者二者的組合冷卻，此外電動機器60可以通過現(xiàn)在已知或未來將開發(fā)的任何方法或技術(shù)冷卻。電動機器60可以是多相發(fā)電機，例如三相發(fā)電機；然而，附圖中未示出三相發(fā)電機。電動機器60包括定子70和定位在定子70內(nèi)的轉(zhuǎn)子10。極區(qū)域S、N被示為具有從轉(zhuǎn)子10的旋轉(zhuǎn)軸線A至極區(qū)域S、N的外表面45的非均勻徑向距離r’。根據(jù)本發(fā)明各個方面，多個槽50位于轉(zhuǎn)子主體20的外表面40中，所述多個槽沿轉(zhuǎn)子主體20的周向方向C間隔開，其中多個槽50沿轉(zhuǎn)子主體20的軸向方向A延伸，如圖所示。圖5示出了定子70與極區(qū)域S、N的外表面45之間的非均勻徑向距離r”。應(yīng)當(dāng)注意到，上文中所描述的根據(jù)各個方面的轉(zhuǎn)子10的不同的構(gòu)造可以結(jié)合電動機器60使用，并且此處為了簡潔起見不重復(fù)對這種實施例的描述。圖5示出，定子70的內(nèi)表面80是圓柱形并且具有圓形橫截面。
[0030]圖6是透視圖，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的電動機器轉(zhuǎn)子110。該轉(zhuǎn)子110具有扁圓圓柱形橫截面，該扁圓圓柱形橫截面包括與第二半徑0R2正交的第一半徑0R1。第一半徑ORl和第二半徑0R2具有不同長度，如圖所示。如上所述，定子70具有圓形橫截面，并且如上所述但不限于圖6中所示，存在定子70與轉(zhuǎn)子110的極區(qū)域S、N的外表面140之間的非均勻徑向距離。
[0031]本說明書中所使用的術(shù)語僅僅是為了描述特定實施例的目的并且不期望對本發(fā)明構(gòu)成限制。如本說明書中所使用的，除非上下文清楚地另有描述，否則單數(shù)形式“一個”和“所述”旨在也包括復(fù)數(shù)形式。還應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)在本說明書中使用時，術(shù)語“包括”具體指的是存在所陳述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、以及/或者部件，但是并不排除存在或增加一個或多個其它的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件、以及/或者其組。
[0032]如本說明書中所使用的，術(shù)語“軸向”和/或“軸向地”指的是物體沿軸線A的相對位置/方向，軸線A與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線基本平行。如本說明書中進一步使用的，術(shù)語“徑向”和/或“徑向地”指的是物體沿半徑ω的相對位置/方向，該半徑ω與軸線a基本垂直并且僅在一個位置處與軸線A相交。此外，術(shù)語“周向”和/或“周向地”指的是物體沿包繞軸線A但并不在任何位置處與軸線A相交的圓周的相對位置/方向。
[0033]在本說明書中參照根據(jù)本發(fā)明的實施例的轉(zhuǎn)子所使用的術(shù)語“增強”指的是SCR增大超過標稱量(nominal amount),例如在特定實施例中，“增強”指的是與基線電動機器轉(zhuǎn)子的SCR相比SCR的6-10%的增大；基線電動機器轉(zhuǎn)子具有與電動機器轉(zhuǎn)子相同的尺寸和材料，并且具有從基線轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線至基線轉(zhuǎn)子的極區(qū)域的外表面的徑向距離均勻的極區(qū)域。
[0034]本說明書使用例子對本發(fā)明進行了公開(其中包括最佳模式)，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明(其中包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行所包含的任何方法)。本發(fā)明的可專利范圍通過權(quán)利要求進行限定，并且可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想到的其它的例子。如果這種其它的例子具有與權(quán)利要求的字面語言沒有區(qū)別的結(jié)構(gòu)元件，或者如果這種其它的例子包括與權(quán)利要求的字面語言沒有實質(zhì)區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件，則期望這種其它的例子落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種電動機器轉(zhuǎn)子，所述電動機器轉(zhuǎn)子包括: 轉(zhuǎn)子主體，所述轉(zhuǎn)子主體包括: 主軸； 極區(qū)域，所述極區(qū)域具有從所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線至所述極區(qū)域的外表面的非均勻徑向距離；以及 多個槽，所述多個槽位于所述轉(zhuǎn)子主體的外表面中，所述多個槽沿所述轉(zhuǎn)子主體的周向方向間隔開，所述多個槽中的每一個槽都沿所述轉(zhuǎn)子主體的軸向方向延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子是兩極轉(zhuǎn)子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，當(dāng)在所述電動機器內(nèi)使用時，所述電動機器的定子內(nèi)表面與所述極區(qū)域的外表面之間的徑向距離是非均勻的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述極區(qū)域均包括平坦外表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述極區(qū)域均包括多個平坦外表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述極區(qū)域均包括凸形外表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述多個槽成形為接收勵磁繞組。
8.一種電動機器，所述電動機器包括: 定子; 轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子定位在所述定子內(nèi)，所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子主體，所述轉(zhuǎn)子主體具有: 主軸； 極區(qū)域，所述極區(qū)域具有從所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線至所述極區(qū)域的外表面的非均勻徑向距離；以及 多個槽，所述多個槽位于所述轉(zhuǎn)子主體的外表面中，所述多個槽沿所述轉(zhuǎn)子主體的周向方向間隔開，所述多個槽沿所述轉(zhuǎn)子主體的軸向方向延伸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電動機器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子是兩極轉(zhuǎn)子。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電動機器，其特征在于，所述電動機器由氣體冷卻。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電動機器，其特征在于，定子內(nèi)表面與所述極區(qū)域的外表面之間的徑向距離是非均勻的。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電動機器，其特征在于，所述極區(qū)域均包括平坦表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電動機器，其特征在于，所述極區(qū)域均包括多個平坦表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電動機器，其特征在于，所述極區(qū)域均包括外部凸形表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電動機器，其特征在于，所述多個槽成形為接收勵磁繞組。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電動機器，其特征在于，所述電動機器還包括勵磁繞組， 其中在所述電動機器操作期間，場電流被施加于所述勵磁繞組，從而在所述定子的開路條件下產(chǎn)生額定電壓； 其中場電流被施加于勵磁繞組，從而在所述定子的短路條件下產(chǎn)生額定電流；并且其中所述電動機器具有由被施加以在開路條件下產(chǎn)生額定電壓的場電流的值除以用于在短路條件下產(chǎn)生額定電流的場電流的值來限定的短路比； 其中，所述非均勻徑向距離增強了所述電動機器中的短路比。
17.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電動機器，其中所述定子的內(nèi)表面是圓柱形并且具有圓形橫截面。
18.—種電動機器，所述電動機器包括: 定子；以及 轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子定位在所述定子內(nèi)，所述轉(zhuǎn)子具有扁圓圓柱形橫截面，所述扁圓圓柱形橫截面包括與第二半徑正交的第一半徑，所述第一半徑和所述第二半徑具有不同長度，所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子主體，所述轉(zhuǎn)子主體具有: 主軸； 極區(qū)域，所述極區(qū)域具有從所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線至所述極區(qū)域的外表面的非均勻徑向距離；以及 多個槽，所述多個槽位于所述轉(zhuǎn)子主體的外表面中，所述多個槽沿所述轉(zhuǎn)子主體的周向方向間隔開，所述多個槽沿所述轉(zhuǎn)子主體的軸向方向延伸，并且所述多個槽成形為接收勵磁繞組。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電動機器，其特征在于，所述定子的內(nèi)表面是圓柱形，并且具有圓形橫截面。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電動機器，其特征在于，所述電動機器還包括位于所述槽內(nèi)的勵磁繞組， 其中在所述電動機器操作期間，場電流被施加于所述勵磁繞組，從而在所述定子的開路條件下產(chǎn)生額定電壓； 其中場電流被施加于所述勵磁繞組，從而在所述定子的短路條件下產(chǎn)生額定電流；并且 其中所述電動機器具有由被施加以在開路條件下產(chǎn)生額定電壓的場電流的值除以用于在短路條件下產(chǎn)生額定電流的場電流的值來限定的短路比； 其中所述非均勻徑向距離增強了所述電動機器中的短路比。
【文檔編號】H02K1/14GK104300703SQ201410344524
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月19日
【發(fā)明者】V.S.S.德瓦拉康達, P.R.戴維斯, J.J.格蘭特, P.A.奎爾, J.R.亞吉爾斯基 申請人:通用電氣公司