制造旋转电机结构支撑的方法和旋转电机与流程

本文描述的实施方式总体涉及制造旋转电机结构支撑的方法和旋转电机。

背景技术：

为了吸收归因于由离心力产生的内部应力产生的应变，在例如水力发电中使用的旋转电机的转子包括结构支撑，其中相对硬的实心构件被接合到其中多个薄板被层叠和集成的柔性叠层。

例如，这种结构支撑如下被制造。薄板首先被层叠和集成，其端部分通过TIG(钨极惰性气体)焊接被连接，且在所得叠层的端部分被机加工成K形槽或类似物之后，被机加工成具有槽形状的叠层和上述实心构件被进一步TIG焊接。作为包括薄板等待被TIG焊的接合对象构件的材料，铜或铜合金被使用。

上述结构支撑需要具有足够高的机械强度以承受由离心力产生的振动和应变。然而，因为使用难焊接材料诸如铜或铜合金作为其如上所述的材料，支撑结构在焊接部分可能具有缺陷，并且其大范围被给予了焊接时热效应，这降低了基材的强度。并且还有在焊接后的变形和薄板的剥离、破损等等的顾虑。

技术实现要素：

在这种情况下，本发明待解决的问题是提供制造旋转电机结构支撑的方法，所述旋转电机结构支撑具有足够高的机械强度以承受振动和应变，同时具有较少的缺陷、变形、剥离和断裂，并且提供旋转电机。

附图说明

图1是示意性地说明根据第一实施方式的包括旋转电机结构支撑的旋转电机的横截面的视图。

图2是从第一外表面侧说明制造在图1中的旋转电机结构支撑的方法的透视图。

图3是从平面方向(上表面方向)说明制造在图1中的旋转电机结构支撑的方法的视图。

图4是从第二外表面侧说明制造在图1中的旋转电机结构支撑的方法的透视图。

图5是说明其制造步骤被从制造在图2中的旋转电机结构支撑的这些方法中部分地改变的方法的透视图。

图6是说明其制造步骤被从制造在图2和图5中的旋转电机结构支撑的这些方法中部分地改变的方法的透视图。

图7是从第一外表面侧说明制造根据第二实施方式的旋转电机结构支撑的方法的透视图。

图8是说明其制造步骤被从制造在图7中的旋转电机结构支撑的这些方法中部分地改变的方法的透视图。

图9是从第一外表面侧说明制造根据第三实施方式的旋转电机结构支撑的方法的透视图。

图10是说明其制造步骤被从制造在图9中的旋转电机结构支撑的这些方法中部分地改变的方法的透视图。

图11是说明其制造步骤被从制造在图9和图10中的旋转电机结构支撑的这些方法中部分地改变的方法的透视图。

图12是从平面方向(上表面方向)说明制造在图11中的旋转电机结构支撑的方法的视图。

图13是说明其制造步骤被从制造在图9至图11中的旋转电机结构支撑的这些方法中部分地改变的方法的透视图。

具体实施方式

根据一实施方式制造旋转电机结构支撑的方法包括布置步骤和接合步骤。在布置步骤中，布置第一接合对象构件和由多个层叠和集成板材料组成且比第一接合对象构件厚的第二接合对象构件，第一和第二接合对象构件的端部分彼此接触。在接合步骤中，被旋转驱动的工具从端部分彼此接触的第一接合对象构件和第二接合对象构件之间的边界部分的第一外表面侧穿入边界部分，且工具沿着边界部分的界面滑动，从而，获得其中第一和第二接合对象构件彼此接合的旋转电机结构支撑。

在下文中，基于附图描述实施方式。

<第一实施方式>

图1说明了包括通过本实施方式的制造旋转电机结构支撑的方法制造的旋转电机结构支撑17的旋转电机10。如在图1中所示，旋转电机10例如是变速旋转电机，且更具体地，是用于抽水蓄能发电等的变速发电机。

旋转电机10包括定子3、转子5等。旋转电机10还包括冷却机构，分别对称设置在转子5的旋转轴9的两端，且每个冷却机构例如具有风扇15和气流管道等。旋转轴9由包括定子3的结构部分通过轴承机构支撑。定子3包括定子线圈12和定子芯14。转子5包括与旋转轴9一体地布置的转子芯8、和转子线圈7。

这里，转子5包括如在图1中所示的上述旋转电机结构支撑17，以能够吸收归因于在涉及旋转电机10(变速发电电动机)的变速的操作期间由离心力产生的内部应力的应变和振动。具体地，如在后述的图2中所示，旋转电机结构支撑17由彼此接合的第一接合对象构件32和第二接合对象构件31构成，第一接合对象构件32具有长方体实心结构且第二接合对象构件31是由多个层叠和集成的板材(薄板)20a构成的柔性叠层。第二接合对象构件(叠层)31由每个具有厚度为例如0.25mm的层叠和集成板材20a组成，从而具有例如20mm的厚度，该厚度比上述第一接合对象构件32厚约1mm。

如图1所示，如上所述的旋转电机结构支撑17被适当地设置在例如当离心力作用在转子5上时由于结构原因内部应力可能集中的位置。作为形成如在图2中所示的旋转电机结构支撑17的第一和第二接合对象构件32、31的材料，铜或铜合金被使用。顺便提及，铝或铝合金也可以被用作形成第一和第二接合对象构件32、31的材料。此外，作为是叠层的第二接合对象构件31的材料，可以使用具有比具有实心结构的第一接合对象构件32更高机械强度(例如，纵向弹性模量)的材料。

接下来，主要基于图2至图4描述适于实现第一接合对象构件32和第二接合对象构件31的接合的本实施方式的制造旋转电机结构支撑的方法。本实施方式的制造旋转电机结构支撑的方法具有布置步骤，第一接合步骤和第二接合步骤。首先，在布置步骤中，如在图2和图3中所示，第一接合对象构件32和第二接合对象构件31以其端部分32a，31a彼此接触被布置。更具体地，如此被布置的第一接合对象构件32和第二接合对象构件31通过例如专用夹具或类似物被固定在预定处理板上。

在作为接合目标的第一接合对象构件32和第二接合对象构件31之间的槽形状是所谓的I槽(I形槽)。也就是说，第一接合对象构件32和第二接合对象构件31的在布置步骤中彼此直接接触的整个端部分表面(端部分32a，31a的相对表面)都是平坦表面。

接下来，在如图2和图3中所示的第一接合步骤中，在箭头S1方向被旋转驱动的工具30从边界部分25的第一外表面F1侧穿入边界部分25，所述边界部分在其端部分32a，31a彼此接触的第一接合对象构件32与第二接合对象构件31之间。此后，被旋转驱动的工具30沿着边界部分25的界面25a在箭头B1方向滑动(移动)。

工具30是基本上呈台阶圆柱形状的接合工具，其具有大直径肩部30a和设置在肩部30a前端侧的小直径伸出部分30b。工具30可在三轴方向移动，并且绕其自身的作为旋转中心的轴向中心旋转(旋转驱动)。伸出部分30b是直接穿入边界部分25(接合对象部分30c，30d)的穿入部分。伸出部分30b的伸出长度根据边界部分25的穿入方向厚度被适当设定。

工具30的操作被调整为使得其在箭头S1方向上的旋转速度为例如500rpm至1500rpm，其在箭头B1方向上的移动速度为例如17cm/min至30cm/min，伸出部分30b穿入边界部分25的负荷变为例如3000kgf～5000kgf。

这里，在第一接合步骤中，如图2和图3中所示，在滑动的同时旋转的工具30(伸出部分30b)穿入处的边界部分25(接合对象部分30c)由产生的摩擦热被软化，且在基材被产生的塑性流动揉捏后被固化。结果，在边界部分25处的第一外表面F1侧(接合对象部分30c)被摩擦搅拌焊接(FSW)。此时，预先被设定为大约更厚1mm的第二接合构件31被接合，然后叠层的过剩部分在接合之后被去除。同时，这可以防止在接合期间发生的剥离和断裂。这里，在其中第二接合对象构件31的厚度等于或小于第一接合对象构件32的厚度的情况下，存在叠层的几个表面层的在摩擦搅拌焊接期间剥离的可能性，相应地，第二接合对象构件31变的具有比第一接合对象构件32的更小的截面积，导致强度不足。

接下来，在第二接合步骤中，如图4所示，接合对象部分30c已经被摩擦搅拌焊接的第一接合对象构件32和第二接合对象构件31被翻转，使得位于第一外表面F1的后表面侧上的第二外表面F2变成上表面，并通过上述夹具或类似物被固定在处理板上。此外，在第二接合步骤中，如图4所示，在箭头S1方向旋转驱动的工具30从边界部分25的第二外表面F2侧穿入边界部分25(接合对象部分30d)。然后，被旋转驱动的工具30沿着界面25a在箭头B1方向滑动(移动)。由此，获得了其中第一接合构件32和第二接合构件31被彼此接合的旋转电机结构支撑17。工具30的操作条件如其转速、其移动速度和负载如上所述被调整。即，在第二接合步骤中，如图4所示，在边界部分25处的第二外表面F2侧(接合对象部分30d)被摩擦搅拌焊接。

如上所述，本实施方式的制造旋转电机结构支撑的方法将第一接合对象构件32和第二接合对象构件31的摩擦搅拌焊接分为用于第一外表面F1侧和第二外表面F2侧的两道工序(两次)，因此能够使其中边界部分25(基材)由于摩擦搅拌而被给予热效应的热效应范围(软化区)变窄。

具体地，例如，当边界部分25的摩擦搅拌焊接被执行一道工序时，边界部分25在其整个厚度方向上一次性被摩擦搅拌，因此相应地，考虑到例如刚性，使用具有增大尺寸的工具，使得热效应范围变宽。另一方面，在本实施方式的制造方法中，其中边界部分25的摩擦搅拌焊接25被分成两道工序，在两个单独的工序中使用具有相当小的尺寸的工具，结果使得能够缩小热效应范围。

因此，本实施方式的制造旋转电机结构支撑的方法能够降低由于边界部分25(基材)处的热效应导致的强度降低，并且能够实现期望的机械强度。另外，本实施方式的制造方法接合由难焊接材料铜或铜合金制成的第一接合对象构件32和第二接合对象构件31，而不使用TIG焊接等焊接技术(通过使用摩擦搅拌焊接，其是适合于接合难焊接材料的工艺，并且不涉及熔化现象)，使得能够减少接合部分处的缺陷和变形的发生。此外，本实施方式的制造方法不需要例如焊接中需要的将接合部分加工至槽形状和预热，并因此可以降低制造成本。

此外，其转子5包括以上述方式制造的旋转电机结构支撑17的旋转电机10能够有效地吸收在转子5中在涉及速度变化的操作期间由离心力产生的振动和应变。

这里，如图5所示，本实施方式的旋转电机结构支撑的制造方法还可以在例如将与第一或第二接合对象构件32、31的材料相同的材料供给到其中被旋转驱动的工具30滑动的移动路径上的同时执行摩擦搅拌焊接。具体地，如图5所示，铜或铜合金的粉末34在摩擦搅拌焊接期间从第一和第二外表面侧由粉末供应装置33供应。因此，由于例如工具30的肩部分30a的端面在第一和第二接合对象构件32、31的表面上的滑动而在第一和第二接合对象构件32、31的表面(上表面)形成的凹痕可以在摩擦搅拌焊接的过程中被修复。

此外，如图6所示，本实施方式的旋转电机结构支撑的制造方法也能够通过执行上述的布置步骤以及第一和第二接合步骤分别将一对第一接合对象构件32、35的端部分32a、35a接合到第二接合对象构件31的两个端部分31a、31b。

<第二实施方式>

接下来，基于图7和图8描述第二实施方式。在图7和图8中，和在图2等中所示的第一实施方式中的部件相同的部件由相同的附图标记标注，并省略重复的说明。

在本实施方式的制造旋转电机结构支撑的方法中，第一和第二接合步骤被执行，同时至少在第一接合对象构件32和第二接合对象构件31之间的边界部分25被冷却。这种情况下的冷却通过例如引入在其中冷却剂流入与第一和第二接合对象构件32、31接触的冷却构件来实现。

具体地，如图7所示，例如，在第一实施方式中描述的固定第一和第二接合对象构件32、31的铜或铜合金处理板38被用作冷却构件。进一步，其中例如冷却水流动的冷却剂流路39形成在处理板38的内部。

替代上述布置，如图8所示，在进行第一和第二接合步骤时，可以由从第一或第二外表面F1、F2侧将作为惰性气体例如氩气和氦气的保护气体52供给至边界部分25的保护气体供给装置51来冷却边界部分25。

因此，根据第二实施方式的制造旋转电机结构支撑的方法，能够减少在摩擦搅拌焊接期间产生的热量，相应地边界部分25(接合对象部分)由于热效应的强度降低能够变小。这使得第一接合对象构件32和第二接合对象构件31接合的边界部分25能够具有预定的刚性。

<第三实施方式>

接下来，基于图9至图13描述第三实施方式。在图9至图13中，与在图2和图4等中所示的第一实施方式中的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且不给出冗余描述。

在本实施方式的制造旋转电机结构支撑的方法中，如在图9中所示，首先在布置步骤中，进一步布置了一对保持构件53、54，以从位于第一和第二外表面F1、F2的侧表面侧上的第三和第四外表面F3、F4侧在箭头P1、P2的方向保持在其端部分彼此接触的第一接合对象构件32和第二接合对象构件31之间的边界部分25。该对保持构件53、54例如由铜或铜合金制成。

此外，在如图9所示的第一和第二接合步骤中，旋转驱动工具30从第一或第二外表面F1、F2侧穿入保持构件53，且沿着边界部分25的界面25a滑动(移动)到另一保持构件54上。

根据该制造方法，可以阻碍由工具30的伸出部分(穿入部分)30b在摩擦搅拌焊接期间形成的接合标记残留在边界部分25的表面(上表面)上，且此外，可以防止板材20a从第二接合对象构件31的主体分离。顺便提及，在边界部分25接合后，该对接合保持构件53、54可从第一和第二接合对象构件32、31侧移除。

此外，也可以采用在图10中所示的制造旋转电机结构支撑的方法。具体地，在如图10所示的布置步骤中，保护构件55进一步布置在其端部32a、31a彼此接触的第一接合对象构件32和第二接合对象构件31之间的边界部分25处的第一或第二外表面Fl、F2上。

保护构件55是厚度为0.5至2mm的矩形薄片，其材料是铜或铜合金。该保护构件55被布置成完全覆盖边界部分25(在第一或第二外表面F1、F2上的边界线)，其纵向方向在工具30的滑动方向(箭头B1方向)上对准。保护构件55经由夹具或类似物被固定在该位置上。此外，保护构件55的短边长度等于或者大于工具30的肩部分30a的直径。此外，保护构件55的厚度等于或大于可能通过例如工具30的肩部分30a的端面在摩擦搅拌焊接期间的滑动而形成的凹痕。

在如上所述的保护构件55被布置之后，在第一和第二接合步骤中，旋转驱动工具30经由保护构件55从第一或第二外表面F1、F2侧穿入边界部分25。然后，旋转驱动工具30沿着界面25a滑动(移动)。根据如上所述的制造方法，保护构件55的厚度可以补偿工具30的肩部分30a的滑动而形成的凹痕的厚度，使得边界部分25(接合对象部分)能够具有接合强度。此外，可减少在第二接合对象构件(叠层)中出现翘曲等。

还可以采用在图11中所示的制造旋转电机结构支撑的方法。具体地，如在图11中所示，在布置步骤中，该对保持构件53、54被布置成，从位于第一和第二外表面F1、F2的侧表面侧的第三和第四外表面F3、F4侧，保持在端部分32a、31a彼此接触的第一接合对象构件32与第二接合对象31之间的边界部分25。另外，保护构件61被进一步布置在该对保持构件53、54上和布置在第一接合对象构件32和第二接合对象构件31之间的边界部分25的第一或第二外表面Fl、F2上。

此外，在第一和第二接合步骤中，被旋转驱动的工具30经由保护构件61从第一或第二外表面Fl、F2侧穿入至保持构件53中。然后，被旋转驱动的工具30沿着边界部分25的界面朝向另一个保持构件54滑动(移动)。

根据在上述的图11中所示的旋转电机结构支撑的制造方法，可以阻止由工具30的伸出部分(穿入部分)30b形成的接合标记残留在边界部分25上，并且还可以防止板材20a从第二接合对象构件31的分散等。还可以减少由于工具30的肩部分30a的滑动而引起的凹痕出现。还可以减少在第二接合对象构件(叠层)31中翘曲等的发生。

这里，在布置步骤中，被布置成如图11所示的该对保持构件53、54和保护构件61可以使用摩擦搅拌焊接(通过提供接合部分30e)而被一体化，如图12所示。当该对保持构件53、54和保护构件61被设置时，这可以提高可加工性。

替代上述制造方法，还可以采用在图13中所示的旋转电机结构支撑的制造方法。具体地，在如图13所示的布置步骤中，具有U字形横截面的接合辅助部件56被布置。接合辅助部件56包括：一对保持部分56b、56c，其具有在图9和图11中所示的一对保持构件53、54的作用；和保护部分56a，其具有如在图10和图11中所示的保护构件55、61的作用。

如图13所示，该对保持部分56b、56c从位于第一和第二外表面Fl、F2的侧表面侧上的第三和第四外表面F3、F4侧保持在端部分31a、32a彼此接触的第一接合对象构件32和第二接合对象构件31之间的边界部分25。保护部分56a被放置在边界部分25的第一或第二外表面F1、F2上。也就是说，接合辅助构件56具有这样的结构，其中，在图9和图11中所示的一对保持构件53、54以及在图10和图11中所示的保护构件55(或61)被形成一体。

在其中至少第一接合步骤在如上所述的接合辅助构件56被布置后被执行的情况下，被旋转驱动的工具30从第一外表面F1侧穿入至接合辅助构件56的保持部分56b中。然后，旋转驱动工具30沿着边界部分25的界面25a依次滑动(移动)到保护部分56a上以及另一个保持部分56c上。顺便提及，在第二接合步骤被执行的情况，使用工具30的摩擦搅拌焊接可以在例如如图10中所示的保护构件55被布置在第二外表面F2上之后进行。

根据在图13中所示的旋转电机结构支撑的制造方法，可以如前所述阻止由工具30的伸出部分(穿入部分)30b形成的接合标记残留在边界部分25上，此外，还可以防止板材20a从第二接合对象构件31的分散等。此外，可以减少由工具30的肩部分30a的滑动引起的凹痕的出现，也可以减少在第二接合对象构件31中的翘曲等的发生。此外，根据在图13中所示的旋转电机结构支撑的制造方法，使用其中保护部分和该对保持部分被集成的接合辅助构件56可以在接合辅助构件56被设置时提高可加工性。

根据上述实施方式中的至少一个，由多个层叠和集成的板材料组成的且预先被设置为比第一接合对象构件更厚的第二接合对象构件被接合到第一接合对象构件，并且在接合之后第二接合对象构件的多余板材被去除。这可以实现足够高强度以承受振动和应变，同时减少缺陷、变形、剥离和破裂的发生。

虽然已经描述了某些实施方式，但是这些实施方式仅通过示例的方式给出，并且不旨在限制本发明的范围。实际上，这里描述的新的实施方式可以以各种其他形式实施；此外，在这里描述的实施方式的形式上的各种省略、替换和改变可以在不脱离本发明的精神的情况下被做出。所附权利要求及其等同物旨在覆盖落入本发明的范围和精神内的这些形式或修改。