專利名稱：用于高速無套筒轉子的設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明領域大體上涉及航空發(fā)動機的同步機，并且更具體地涉及用于無套筒 (sleeveless)高速發(fā)動機起動器/發(fā)電機轉子的設備和系統(tǒng)。
背景技術：
至少一些已知的同步機轉子以高旋轉速率旋轉。作用在容納于轉子中的構件上的離心力與構件的質(zhì)量、轉子的旋轉速度和從轉子的旋轉中心到構件的距離有關。為了使轉子構件包含在轉子包殼內(nèi)，已知的轉子利用轉子的堆疊疊層(lamination)和構件按壓在其中的套筒。轉子封閉套筒將轉子應力維持在可接受的水平。然而，轉子封閉套筒也增加了轉子的裝配重量，且因此增加了同步機的裝配重量，并增加了主轉子和定子之間的空氣隙距離，從而降低了機器的磁效率。
發(fā)明內(nèi)容
在一實施例中，用于電機的高速無套筒轉子包括能夠繞縱向軸線旋轉的軸、至少包圍該軸的一部分的轉子芯，其中轉子芯包括軸向定向槽。該槽包括徑向外部槽口、徑向內(nèi)部槽底和在它們之間延伸的槽側壁。槽底包括頂桿(topstick)附連部件，其從槽底徑向向外延伸并且構造成接合定位在槽口中的頂桿，且槽側壁包含肩部，其構造成接合頂桿，從而防止頂桿的徑向向外運動。在另一實施例中，用于電機的高速無套筒轉子包括各具有外周緣的多個疊層，其沿轉子軸面對面地堆疊，從而形成轉子芯，轉子芯具有外周表面，其包括多個疊層的邊緣。 轉子還包括沿轉子芯的周向以預定間距間隔開的多個軸向槽，各軸向槽由至少部分沿槽的長度延伸的頂桿封閉。各軸向槽包括構造成接合頂桿的徑向外部唇的接合面、徑向向內(nèi)朝槽底延伸的側壁和從槽底徑向向外延伸的附連部件。該附連部件構造成接合頂桿和頂桿楔中的至少一個，使得在定位于槽內(nèi)的一個或多個構件中產(chǎn)生的離心力在附連部件和接合面之間分擔。在又一實施例中，用于電機的疊片芯的疊層包括整體平面主體，其包括外周緣、與外周緣徑向隔開的內(nèi)圍緣和多個開口，該多個開口從外周緣徑向向內(nèi)延伸通過主體，使得開口圍繞主體弧形地間隔開。開口各包括在外周緣和內(nèi)圍緣之間的槽底緣。槽底緣包括頂桿附連部件，其從槽底緣徑向向外延伸并且構造成接合頂桿和頂桿楔中的至少一個。
圖1-6示出本文所述的轉子和疊層的示范實施例。圖1為發(fā)動機起動器/發(fā)電機(ES/G)組件的示意電氣圖；圖2為圖1所示的轉子組件的透視圖；圖3為圖1和2所示的由多個疊層構成的主轉子疊層的一部分的軸向視圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的另一示范實施例的圖1和2所示的由多個疊層構成的主轉子疊層的一部分的軸向視圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的又一示范實施例的圖1和2所示的由多個疊層構成的主轉子疊層的一部分的軸向視圖；并且圖6為根據(jù)本發(fā)明的又一示范實施例的圖1和2所示的由多個疊層構成的主轉子疊層的一部分的軸向視圖。部件列表100發(fā)動機起動器/發(fā)電機(ES/G)組件102主發(fā)電機104永磁發(fā)電機(PMG)106激勵器106轉子組件108軸110PMG 定子112PMG 轉子114發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器(GVR)116定子繞組118永久磁體120輸出122輸出124場繞組126激勵器轉子128激勵器定子130交流輸出132二極管整流器134直流輸出136主轉子138主定子140電輸出142逆變器/變換器控制器(ICC)144邊緣146多個疊層148轉子芯150外周延伸200導管202油管路連接件300主轉子疊層302中心孔304銅條開孔306主槽
308主轉子繞組
310主轉子油管
312主轉子繞組楔
314槽襯
316頂桿
318開口
320槽底
322徑向內(nèi)部附連部件
324延伸部
326頂桿接合面
328互補接合面
330附連槽
400主轉子頂桿
402主轉子頂桿楔
404第一固定部件
406第二固定部件
500主轉子頂桿
502固定部件
526頂桿接合面
600主轉子頂桿
602固定部件
604槽底
626頂桿接合面
628接合面
具體實施例方式以下詳細描述通過舉例而不是限制的方式圖示本發(fā)明的實施例。預期本發(fā)明對于工業(yè)、商業(yè)和家庭應用中的旋轉機械具有廣泛應用。如本文中所用的，以單數(shù)形式提出并且前面帶著詞語“一”的元件或步驟應理解為不排除多個元件或者步驟，除非這種排除被明確地提出。此外，對本發(fā)明的“一個實施例”的參考不意圖被理解為排除也具有所提出特征的另一實施例的存在。圖1為根據(jù)本發(fā)明的示范實施例、包括主發(fā)電機102、永磁發(fā)電機(PMG) 104和激勵器106的發(fā)動機起動器/發(fā)電機(ES/G)組件100的示意電氣圖。在該示范實施例中，ES/ G組件100包括轉子組件106，其包括軸108。在該示范實施例中，PMG104包括PMG定子110和PMG轉子112。PMG定子110提供電功率給發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器(GVR) 114。交流電壓通過旋轉PMG104的永久磁體118在定子繞組116中產(chǎn)生。GVR114電路對PMG104的輸出120進行整流和調(diào)制。GVR114的輸出122 饋送回到激勵器磁繞組124，從而在激勵器轉子1 上產(chǎn)生交流電壓，這引起電流。激勵器 106是帶有定子1 和三相盤繞激勵器轉子126的無刷同步機。激勵器定子1 在起動模
5式期間具有三相繞組且在發(fā)電模式期間具有直流繞組。激勵器106的交流電壓輸出的幅值與場繞組IM上的直流激勵電流和轉子1 的旋轉速度成比例。轉子126的交流輸出130利用多個二極管整流器132的全波電橋進行整流，整流器軸向地安裝在軸108內(nèi)部，用于直接接觸油冷卻和低慣性力。來自二極管整流器132的直流輸出134提供場電流給主發(fā)電機102。主發(fā)電機102包括盤繞多極主轉子136和星形連接的3 0主定子138。主定子138 的電壓輸出140的幅值與由激勵器轉子1 提供的直流輸出134電流和主轉子136的旋轉速度成比例。提供給場繞組1 的輸出122的直流激勵電壓決定來自主發(fā)電機102的輸出功率的幅值。主發(fā)電機102的主定子138的電輸出140饋送至相應的逆變器/變換器控制器 (ICC) 142。在連續(xù)發(fā)電模式期間，主發(fā)電機102的交流輸出140(120Vac)被整流成例如 270Vdc用于分配。轉子106是能夠具有大于24，OOOrpm的旋轉速度的無套筒高速轉子設計。由于無套筒，堆疊在一起以形成轉子芯148的多個疊層146的外周緣144也是轉子136的外周延伸。圖2是根據(jù)本發(fā)明的示范實施例的轉子組件106(如圖1所示)的透視圖。如圖 1所示，轉子組件106包括安裝在共同軸108上的激勵器轉子126、PMG轉子112和主轉子 136。在該示范實施例中，軸108是中空的且形成用于冷卻油的導管和用于諸如二極管整流器132的安裝空間。在該示范實施例中，主轉子136包括轉子油冷卻系統(tǒng)的機載(onboard) 部分(未在圖2中示出)。該機載部分包括油管路連接件202，其構造成將相應的主轉子油冷卻管(未在圖2中示出)聯(lián)接到軸108。圖3是根據(jù)本發(fā)明的示范實施例的由多個疊層146(在圖1和圖2中示出)構成的主轉子疊層300的一部分的軸向視圖。在該示范實施例中，疊層300包括大致圓形的截面，其僅僅部分示出。疊層300包括外周緣144(在圖1中示出)，其在轉子136完全裝配時形成轉子136的外周延伸150的一部分。應該注意到，轉子136不包括套筒，套筒用于現(xiàn)有技術的高速轉子中以降低包含原本必須由疊層接收的作用在轉子上的離心力的應力。疊層300包括中心孔302，其在疊層300安裝在軸108上時包圍軸108。疊層300 包括圍繞邊緣144周向隔開的多個銅條開孔304。在一個實施例中，開孔304相對邊緣144 敞開，而在各種其它實施例中，開孔304相對邊緣144封閉。疊層300還包括主槽306，用于承載ES/G組件100的各種裝在轉子上的構件。例如，主槽306定形成并構造成容納主轉子繞組308、主轉子油管310、主轉子繞組楔312、槽襯 314和主轉子頂桿316。主槽306包括開口 318和槽底320。與現(xiàn)有技術的轉子槽相比，槽底320包括附連部件322，其從槽底320徑向向外延伸至少部分進入槽306。在該示范實施例中，附連部件 322包括在槽底320和附連部件322之間的延伸部324。在運行期間，頂桿316在轉子旋轉期間固定各種裝在轉子上的構件。頂桿316利用構造成接合疊層300上的互補接合面3 的頂桿接合面326固定至主轉子136。另外，頂桿316利用附連槽330和附連部件322固定至主轉子136，附連槽330在頂桿316的徑向內(nèi)側中形成。在該示范實施例中，附連部件 322為燕尾形且附連槽330互補地成形以接合附連部件322。在疊層300的周邊附近利用接合方法限制頂桿316且在徑向內(nèi)部的附連部件322處利用附連方法限制頂桿316，允許在不利用轉子套筒的情況下以相對高的旋轉速度運行主轉子136。圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一示范實施例的由多個疊層146(如圖1和2所示)構成的主轉子疊層300的一部分的軸向視圖。在該示范實施例中，疊層300包括大致圓形的截面，其僅僅部分示出。疊層300包括外周緣144 (如圖1所示)，其在轉子136完全裝配時形成轉子136的外周延伸的一部分。疊層300包括中心孔302，其在疊層300安裝在軸108上時包圍軸108。疊層300 包括圍繞邊緣144周向隔開的多個銅條開孔304。在一個實施例中，開孔302相對邊緣144 敞開，而在多種其它實施例中，開孔304相對邊緣144封閉。疊層300還包括主槽306用于承載ES/G組件100的各種裝在轉子上的構件。例如，主槽306定形成并構造成容納主轉子繞組308、主轉子油管310、主轉子繞組楔312、槽襯314和主轉子頂桿400。在該示范實施例中，主轉子頂桿楔402包括構造成聯(lián)接附連部件 322的第一固定部件404和構造成聯(lián)接主轉子頂桿400的第二固定部件406。主槽306包括開口 318和槽底320，槽底320包括附連部件322。附連部件322從槽底320徑向向外延伸至少部分進入主槽306。頂桿400利用主轉子頂桿楔402和附連部件322固定至主轉子136。在該示范實施例中，主轉子頂桿楔402利用第一固定部件404固定至主轉子136，該第一固定部件404形成在主轉子頂桿楔402的徑向內(nèi)側中。在該示范實施例中，附連部件322為燕尾形且第一固定部件404互補地成形以接合附連部件322。在可替代實施例中，附連部件322包括例如槽，第一附連部件404相對該槽互補地成形以接合附連部件322。另外，附連部件322可包括緊固件，其聯(lián)接至互補插入件，該互補插入件形成至或附連至轉子136。在徑向內(nèi)部的附連部件322處利用上述附連方法限制頂桿316，允許在不利用轉子套筒的情況下以相對較高的旋轉速度運行主轉子136。圖5是根據(jù)本發(fā)明的又一示范實施例的由多個疊層146(在圖1和2中示出)構成的主轉子疊層300的一部分的軸向視圖。在該示范實施例中，主轉子頂桿500為大致組合主轉子頂桿楔402(圖4中示出)和主轉子頂桿400(圖4中示出)的結構的單個整體件。 主轉子頂桿500利用附連部件322和與固定部件404(圖4中示出)大致相似的固定部件 502固定至轉子136。主轉子頂桿500包括頂桿接合面526，其構造成接合互補接合面528。 因此，主轉子頂桿500利用兩種獨立的方法保持在轉子136內(nèi)，使得作用在槽306中的構件上的離心力在附連部件322和接合面5 之間分擔，從而允許轉子136被制造為不具有套筒。圖6是根據(jù)本發(fā)明的又一示范實施例的由多個疊層146(圖1和2中示出)構成的主轉子疊層300的一部分的軸向視圖。在該示范實施例中，主轉子頂桿600為利用附連部件322和固定部件602固定至轉子136的單個整體件。在圖6所示的示范實施例中，附連部件322包括從槽底604徑向向內(nèi)延伸的軸向槽，固定部件602包括從固定部件602徑向向內(nèi)延伸的突片以接合該槽。主轉子頂桿600包括頂桿接合面626，其構造成接合互補接合面628。因此，主轉子頂桿600利用兩種獨立的方法保持在轉子136內(nèi)，使得作用在槽 306中的構件上的離心力在附連部件322和接合面6 之間分擔，從而允許轉子136被制造為不具有套筒。用于高速無套筒轉子的轉子和疊層的上述實施例提供節(jié)約成本且可靠的方法用
7于制造高速轉子，其將作用在轉子槽頂桿上的離心力轉移到其它區(qū)域，從而降低了一個區(qū)域中的集中力。更具體地，本文所述的轉子和疊層通過消除對轉子套筒的需求便于減輕轉子的重量。另外，上述的轉子和疊層通過為頂桿提供額外的支持區(qū)域便于在轉子槽中固定頂桿。因此，本文所述的轉子和疊層以節(jié)約成本且可靠的方式便于改善轉子場繞組的磁效率并減輕轉子重量。上文詳細描述了用于便于改進轉子場繞組的磁效率和減輕轉子重量的示范轉子和疊層。示出的設備不局限于本文所述的具體實施例，而是，每個實施例的構件可獨立地且與本文所述的其它構件分離地應用。每個系統(tǒng)構件也可與其它系統(tǒng)構件組合地應用。本書面描述利用實例公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且也使本領域技術人員能夠實踐本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)并實施任何合并的方法。本發(fā)明的專利保護范圍由權利要求限定，并且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果其它實例具有與權利要求的字面語言并無不同的結構元件或者如果其它實例包括與權利要求的字面語言并無實質(zhì)差別的等效結構元件，則這些其它實例預期在權利要求的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種用于電機的高速無套筒轉子，所述轉子包括軸(108)，其能夠繞縱向軸線旋轉；和轉子芯(148)，其至少包圍所述軸的一部分，所述轉子芯包括軸向定向槽(306)，所述槽包括徑向外部槽口、徑向內(nèi)部槽底(320，604)和在它們之間延伸的槽側壁，所述槽底包括頂桿附連部件(322)，其從所述槽底徑向向外延伸并構造成接合定位在所述槽口(318) 中的頂桿(316)，所述槽側壁包括肩部，其構造成接合所述頂桿，從而防止所述頂桿的徑向向外運動。
2.根據(jù)權利要求1所述的轉子(136)，其特征在于，所述軸(108)是中空的，所述轉子還包括冷卻油系統(tǒng)，其包括定位在所述槽(306)中的一個或多個油管(310)，所述油管構造成在所述油管內(nèi)保持冷卻油流；和油管連接器，其構造成將所述一個或多個油管聯(lián)接為與所述軸的中空內(nèi)部流體連通。
3.根據(jù)權利要求1所述的轉子(136)，其特征在于，所述頂桿(316)構造成接合所述肩部和所述頂桿附連部件，使得傾向于使所述頂桿徑向向外運動的離心力由所述肩部和所述頂桿附連部件(32 抵制。
4.根據(jù)權利要求1所述的轉子(136)，其特征在于，還包括定位在所述槽(306)內(nèi)的一個或多個電繞組套件。
5.根據(jù)權利要求1所述的轉子(136)，其特征在于，所述轉子芯(148)包括多個疊層 (300)，其以面對面的定向堆疊在一起。
6.根據(jù)權利要求1所述的轉子(136)，其特征在于，所述轉子芯包括多個疊層(146)，其各具有大致圓形的截面和外周緣，其中，所述外周緣形成所述轉子芯(148)的外周表面。
7.根據(jù)權利要求1所述的轉子(136)，其特征在于，所述頂桿附連部件(32 包括突片，其構造成接合所述頂桿(316)中的互補成形槽(306)。
8.根據(jù)權利要求1所述的轉子(136)，其特征在于，所述頂桿附連部件(32 包括槽 (306)，其構造成接合所述頂桿(316)中的互補成形突片。
9.根據(jù)權利要求1所述的轉子(136)，其特征在于，還包括頂桿楔000)，其構造成接合所述頂桿附連部件(32 和所述頂桿，使得傾向于使所述頂桿徑向向外運動的離心力由所述頂桿附連部件(32 通過所述頂桿楔抵制。
10.一種用于電機的高速無套筒轉子(136)，所述轉子包括各具有外周緣的多個疊層(146)，其沿轉子軸(108)面對面地堆疊，從而形成轉子芯 (148)，所述轉子芯具有外周表面，其包括所述多個疊層的邊緣；多個軸向槽(306)，其沿所述轉子芯的周向以預定間距間隔開，每個軸向槽由至少部分沿所述槽的長度延伸的頂桿(316)封閉，每個軸向槽包括接合面(5 )，其構造成接合所述頂桿的徑向外部唇；側壁，其徑向向內(nèi)朝槽底延伸；和附連部件(322)，其從所述槽底(320)徑向向外延伸，所述附連部件構造成接合所述頂桿和頂桿楔中的至少一個，使得在定位于所述槽內(nèi)的一個或多個構件中產(chǎn)生的離心力在所述附連部件和所述接合面之間分擔。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于高速無套筒轉子的設備。提供一種用于電機的高速無套筒轉子。該轉子包括能夠繞縱向軸線旋轉的軸(108)和至少包圍該軸的一部分的轉子芯(148)，該轉子芯包括軸向定向槽(306)，該槽包括徑向外部槽口、徑向內(nèi)部槽底(320，604)和在它們之間延伸的槽側壁，槽底包括頂桿附連部件(322)，其從槽底徑向向外延伸并構造成接合定位在槽口(318)中的頂桿(316)，槽側壁包括肩部，其構造成接合頂桿，從而防止頂桿的徑向向外運動。
文檔編號H02K1/22GK102347652SQ20111022450
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權日2010年7月30日
發(fā)明者J·奇沃特, N·K·奧斯丁, X·賈 申請人:通用電氣航空系統(tǒng)有限責任公司