用于电机的复合框架以及用于制造其的方法
【专利说明】用于电机的复合框架以及用于制造其的方法
[0001]优先权要求
[0002]本申请要求于2013年3月14日申请的美国临时专利申请号为61/784，187的优先权；其公开通过整体引用结合于此。
技术领域
[0003]本文所描述的主题涉及用于电机的框架。更特别地，本文所描述的主题涉及用于电机的复合框架以及用于制造用于电机的复合框架的方法。
【背景技术】
[0004]将电机的电磁活动的部分装入框架中是常见的。该框架为电机的定子、转子和其它固定的部分提供了强度和稳定性。通常用于该框架的材料是钢和铝。框架通常被铸造用于更小尺寸的机器或被制造用于物理上更大的机器。因此，用于较大的机器的框架通过切割和焊接钢条和板材料产生。用于这些框架的制造的材料和人力成本是非常高的。并且，由于它们的导电性质，并且由于焊接，这些框架允许电流流过该框架。这些导电结构可以完成一个电路，其允许电流循环，而潜在地对电机的轴承和其它耦合的部件造成损害。这些电流已知作为轴承电流并且是变换器供电机器中最令人讨厌的，其连接到电力电子开关，其不用正弦激励对机器供电。由于特别地耦合在绕组和定子之间的电容，产生了电流。并且，可以希望允许机器的整个绕组组件是高于局部地电位而电气浮置的。浮置特性不能用已知的技术得到。
[0005]因此，鉴于这些难点，长期感觉存在用于电机的改进的框架结构需求。
【发明内容】
[0006]—种用于电机的复合框架包括外部框架构件，其包括含有具有至少1500的长径比的纤维的复合材料。外部框架构件形成了用于容纳电机的中心孔。外部框架构件形成复合框架的一部分的最外层，用于包围电机并轴向地延伸超过电机的叠片。在框架部件的至少一个终端上形成附接机制，用于附接框架构件至机械系统。
[0007]本文所描述的主题的至少一些方面，诸如复合框架制造工艺的控制可以以软件结合硬件和/或固件实施。例如，本文所描述的主题可以在通过处理器执行的软件中实现。在一个示例性实现方式中，本文所描述的主题可以使用其上存储有计算机可执行指令的非临时性计算机可读介质实现，当由计算机的处理器执行时，计算机可执行指令控制计算机执行步骤。适用于实现本文所描述的主题的示例性计算机可读介质包括非临时性计算机可读介质，诸如磁盘存储设备、芯片存储设备、可编程逻辑设备、以及专用集成电路。此外，实现本文所描述的主题的计算机可读介质可以位于单个设备或计算平台上或者可以分布于多个设备或计算平台上。
【附图说明】
[0008]现将描述附图的优选实施方式，其中:
[0009]图1是以部分的透明度显示了根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于电机的复合框架的透视图；
[0010]图2是根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于电机的复合框架的端视图；
[0011]图3是根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于制造用于电机的复合框架的心轴的侧视图；
[0012]图4是图3的心轴的端视图，示出了根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于将定子结合至复合框架的定子叠片上的外齿以及用于容纳定子铁芯的绕组的内齿；
[0013]图5是定子叠片的端视图，示出了没有图3和图4的心轴端部的内齿和外齿；
[0014]图6是示出了根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于制造用于电机的复合框架的示例性步骤的流程图；
[0015]图7是示出了根据本文所描述的主题的一个实施方式的围绕图3的心轴用于制造电机的复合框架的细丝缠绕的侧视图；
[0016]图8是根据本文所描述的主题的一个实施方式的适用于制造用于电机的复合框架的示例性拉挤工艺的原理图；
[0017]图9是示出了根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于耦合至机械系统的电机的复合框架的模块图形；
[0018]图10A-10C是根据本文所描述的主题的一个实施方式的具有不同的外径和内径构造的框架构件的截面端视图；以及
[0019]图11A-11D是根据本文所描述的主题的一个实施方式的具有不同构造且对应于电机的框架构件的截面侧视图。
【具体实施方式】
[0020]本文描述了用于电机的复合框架以及用于制造这种框架的方法。图1是以部分的透明度显示了根据本文所描述的主题的一个实施方式的用于电机的复合框架的透视图。参考图1，框架100包括具有用于附接到电机的凸缘104的外部框架构件102。外部框架构件102可以由细丝缠绕或拉挤的纤维形成，可以使用挤压、树脂传递模塑或真空灌注。优选地，纤维为长纤维，即，具有至少大约1500的长径比。优选地，纤维由聚合物基体基础和非导电纤维形成。纤维可以包括玻璃、芳纶、碳或玄武岩纤维。碳纤维是导电的，使得纤维的电绝缘纱层可以用在导电碳纤维和定子叠层的导电碳纤维之间。在一个示例中，湿法缠绕和预浸带的使用是制造的优选方法。也可以使用干法缠绕和该组件的浸渍。长纤维是优选的，因为长纤维将允许更大的结构刚度和强度，可能相对于短纤维复合的强度和刚度，更接近于传统的钢和铝类型的框架或外壳。长纤维的使用还允许根据电机应用的横向和扭转刚度需求设计框架或外壳的强度和刚度。
[0021]在示出的示例中，外部框架构件102形成了用于容纳电机108的中心孔。电机108可以是操作为电动机或发电机的任何合适的电机，并且可以是永磁或励磁同步类型，笼式或绕线式转子感应，或者是同步或开关磁阻的。在一个示例中，电机108包括发电机，诸如用于风力涡轮机或用于海底应用的发电机。在一个替代示例中，电机108可以是电动机，诸如用于在食品加工应用中的混合器的电动机。在示出的示例中，电机108包括定子叠片110和定子绕组112。应当注意的是，框架构件102轴向地延伸超出电机108的端部绕组(即，大部分轴向地从电机的轴心分离的那些绕组)。电机108可以用作用于制造框架100的细丝缠绕工艺的心轴的一部分。可替换地，可以使用从电机108分离的心轴。如果拉挤是用于形成框架100的，电机108可以用作模具的至少一部分，在拉挤过程期间围绕模具的纤维被拉起。在一个替代示例中，可以使用从电机108分离的模具用于形成框架100。
[0022]如果使用细丝缠绕，框架100可以被缠绕以给予框架108所需的适当的扭转和横向刚度以及强度。从心轴缠绕、固化和移除后，可以将框架100截成一定长度，以及安装电机108，例如，通过收缩或压力匹配，可替换地，框架可以通过某些外部结构变形，使得可以完成定子装置的放置而不损坏外壳纤维。框架的长度和直径可以由电介质，以及应用的横向和扭转结构需求确定。复合框架100的终端可以被闩住或结合至其它框架材料，诸如金属或其它合成成分，可以是陶瓷、金属或聚合合成物。框架100用作冷却液的容器也是可能的，从外部环境隔离冷却液，以及允许具有远离导电材料的电介质要求的变换器的放置。可以以任何合适的方式完成机器108至框架100的固定，包括通过中间部件的机械固定件，诸如凸缘，或者通过穿过框架和定子的配合表面的几何切割面的机械界面粘合。
[0023]图2是框架100的端视图。凸缘104是图2所示的最外面的圆周。框架部件102形成了包围电机的框架100的一部分中的框架100的最外层。定子叠片110形成了下一层，定子绕组112紧随其后。中心孔106可以被结构化以接收电机的转子部分，诸如转子组件。
[0024]在一个示例中，电机108用作心轴的一部分，混合组件方法可以包括通过机器定子分离的心轴的使用。图3示出了适用于该目的的混合心轴300。在图3中，电机108，其包括位于分离的心轴302之间的定子。在该示例中，不需要将定子收缩装配到框架中，因为框架纤维可以在细丝缠绕过程期间围绕电机108缠绕。如果机器具有外部转子构造，细丝缠绕可能发生在心轴302和电机定子108或转子上。可以执行细丝缠绕，使得框架具有恒定的外径。也期望使心轴302的终端的每一个为形成凸缘的响铃形状或用于附接到机械系统的其它结构。从成本和重量最小化的观点看，也可能需要附接在框架的外径周围的许多轴向方向的纤维。轴向方向的纤维可以以任何合适的方式附接到框架，优选地，通过粘合附件，在整个组件固化之前或之后的放置时刻。框架中还可以包括用于轴承支架的准备。
[0025]图4是心轴300的端视图。在图4中，示出了形成用于电机108的定子绕组的结构的内齿400。定子叠片110是可视的并且包围图3所示的心轴300的中心部分。在定子叠片110的外圆周上形成外齿402以方便结合或附接复合框架100。图5是定子叠片110的端视图，示出了没有心轴部分30