专利名称:电机转子绕组的通风端部线圈匝的制作方法
本发明一般地涉及电机的转子绕组;更具体地说涉及绕组的端部线圈导体的通风装置。
为了理解的一致和简便，以下使用于本说明书和权利要求
书的术语，都有特定的含义。当然，技术文献并不必定总是一致的，文献内也不总是一致的。导体是导电元件，一般由铜制成，并做成其它的载流通道零件。一个线圈匝是围绕转子一个磁极的一个电回路。一个线圈是由转子周围一个预定的轴向伸展槽即线圈槽内所嵌的所有线圈匝组成。一个绕组包括转子内所有的同心线圈。
一台气体冷却电机的转子包括一个限定着一多个轴向伸展线圈槽的中心转子体部分，槽内嵌有多个线圈。在转子体的周界面的一个转子体磁极的两边，线圈槽是沿转子体圆周每隔一定间距配置的，一般地说，使得配置于同一磁极部分周围的全部线圈都是同心的，并且形成转子的一个绕组。
为了供电机产生电磁场，一个相应的多个构成绕组的导体以围绕转子的每一个磁极的回路的形式承载电流。导体沿轴向伸展，沿径向层叠在线圈槽内形成线圈匝，线圈匝之间放入绝缘层。当电流流经导体时，导体内所产生的热损耗为I2R。非均匀温度分布的转子绕组，部分地由于热膨胀增加，会经受较高程度的热变形和振动，因而比均匀温度分布的转子线圈的可靠性低。
许多冷却方案利用流过导体中的纵向导管通路的冷却气体流来直接冷却转子绕组。可是，由于流经导体纵向导管的冷却气体沿着导管长度吸收热量，引起其温度升高，具有长冷却导管的转子绕组会使冷却气体和相关联的导体产生大的温升。没有附加的冷却设备，冷却导管越长，热点温度即最大绝对值温度越高，线圈的平均值温度也越高。在紧挨热点处的每匝线圈中设置第二导管，有时可以减少局部热点。可是，在某些转子绕组的设计中构成线圈匝的导体往往过于狭窄，以致于不能在其同一匝线圈内容纳两个槽。
在一个熟知的冷却方案中，冷却气体进入磁极中心线附近的单个通道，流过线圈匝转角，并且轴向地流向转子体。径向外侧和临近的径向内侧线圈匝内的气流合并并进入位于两线圈匝的径向外侧的一个通道。来自径向内侧线圈匝的气体穿过铜线圈和线圈匝绝缘层恰好位于转子体轴端外部的孔和径向外侧线圈气流合并。然后在刚好为两股外部气流汇合的内侧处，将新鲜的冷却气体引入到径向内侧线圈匝。
另一个方案包括分别配置于线圈的轴向平卧部分和线圈的环形端部的独立的内部通道。通过一个复杂而昂贵的活门调节系统，使流经环形端部的气体和轴向平放部分的气体分开。冷却气体可以穿过中心环或电机磁极表面泄放。对于进气口和排气口互相装得相当接近的绕组冷却系统，为了维持足够的气压差来推动冷却气流流过导体内部通路，也需要活门调节。
因此，本发明的一个目的就是提供电动转子绕组的冷却，该转子绕组包括不能容纳两个相邻近排列的气体通道的狭窄的线圈匝。
本发明的另一个目的就是使得转子绕组的端部线圈匝保持基本上一致的温度分布。
本发明的还有一个目的就是不需要活门调节，例如通过电机的中心环和磁性表面泄放冷却气体的通风系统是需要的那样。
根据本发明，电机的转子包括限定轴向线圈槽的转子体部分和转子绕组，线圈槽在磁极部分两边沿转子体圆周每隔一定距离配置起来。转子绕组包括嵌于线槽内的第一多个轴向延伸槽内平放导体和伸出转子体的第一组端部线圈匝。第一多个端部线圈匝包括第一多个槽内平放导体延伸形成的第一多个轴向端部线圈匝和分别连接到第一多个轴向端部线圈匝导体的第一多个端部线圈匝环形导体。此外，转子绕组还包括嵌于线槽内的第二多个轴向延伸槽内平放导体，上述的各个第二多个槽平放导体分别和相应的邻近的第一多个槽内平放导体电绝缘。伸出转子体的第二多个端部线圈匝和第一多个端部线圈匝交替地配置起来。各个第二多个端部线圈匝和相应邻近的第一多个端部线圈匝导体分别电绝缘，但仍与第一多个端部线圈匝配置成热流交换。第二多个端部线圈匝包括由第二多个槽内平放导体延伸所形成的第二多个轴向端部线圈匝导体;还包括分别和所说的第二多个轴向端部线圈匝导体相连的第二多个端部线圈匝环形导体。第一多个端部线圈匝包括沿第一多个端部线圈匝纵向延伸的相应的第一多个冷却气体流通道，其中第一多个冷却气体通道有各自安装在第一多个端部线圈匝环形导体的相应的第一多个冷却气体进气口。第二多个端部线圈匝包括沿第二多个端部线圈匝纵向延伸的相应的第二多个冷却气体流通道，其中第二多个冷却气体通道有各自安装在第二多个轴向端部线圈匝导体的相应的第二多个冷却气体进气口。
第一多个冷却气体进气口可以装在接近转子磁极部分的中心线处;第二多个冷却气体进气口可以配置在接近第二多个端部线圈匝环形导体和第二多个轴向端部线圈匝导体接合点转角处。因此，从第一多个冷却气体进气口到转子体轴向端的设计长度比从第二多个冷却气体进气口到转子体轴向端的设计长度要长。分布于端部线圈匝之间的绝缘层也可以形成第一多个和第二多个气体流通道的表面。
相信本发明的新颖性特别陈述在所附的权利要求
书中。可是通过参考有关伴随的附图所作的详细描述，本发明本身，不论关于构造，还是操作方法，连同其另外的目的和优点都很容易理解。
图1是根据本发明的电机转子绕组端部区域一象限内的等角图。
图2是图1中一个线圈匝的分离图。
图3是图1中另一个线圈匝的分离图。
参照图1，表示电机端部线圈匝区域的一象限内的等角图。电机包括一个含有一限定轴向线槽18的中心体部分(10)，线槽位于转子(10)的磁极部分(12)的两边，沿转子体(10)的圆周每隔一定间距分布。虽然，端部线圈匝区是关于极面中心对称的。因此为了避免不适当的重复，只画出这么一些端部线圈匝区域，而这些对于一个熟悉本工艺的普通技术人员评估本发明是完全必要的。
转子线图11含有多个交替层叠的导体20和30，绝缘层28、38分别放置于导体的径向外表面。由于所示的线圈匝只包括单个导体，术语“导体”和“线圈匝”可以互换使用。可是，本发明对于使用多导体线圈匝也是有益的。径向最外层，即顶线圈匝40径向地放置于绝缘层38的外表面，而绝缘层14径向地放置于顶线圈匝40的外表面。径向最内层，即底线圈匝42有绝缘层44放置于其外表面，并且内径向地离开最内部放置的线圈匝20而放置。除了本说明书中所描述的用于冷却的措施之外，线圈匝20，30，40和42可以类似地制作。一般来说，为了压紧线槽18内的线圈11，线槽楔(图中未予表出)径向地放置于绝缘层14的外表面。还有所示的另一个绕组线圈19可以类似线圈11制作。
线圈匝20包括放置在线槽18的轴向延伸的槽内平放部分25和端部线圈匝29。端部线圈匝29包括槽内平放部分25延伸而成的端部线圈匝轴向部分23和连接端部线圈匝轴向部分23的端部线圈匝环形部分21。同样地，线圈匝30包括放置于线槽18的轴向延伸的槽内平放部分35和端部线圈匝39。端部线圈匝39包括槽内平放部分35延伸形成的端部线圈匝轴向部分33和连接端部线圈匝轴向部分33的端部线圈环形部分31。端部线圈匝39和端部线圈匝29交替配置成，而和端部线圈匝29和39相邻的那些则配置成相互热流交换。如本工艺所熟知，将线圈匝20，30，40和42同转子体10适当地电绝缘。
参照图2，表示一个导体或线圈20的分离图。导体20包括其中限定纵向气流通道24的表面26。通道24并非完全被导体20所包围，而是被覆盖的绝缘层28所封闭，形成一条从通道24的进气口22到通道24的排气口26的导管。排气口26包括一个径向地穿过导体20和绝缘覆盖层28的导孔。通道24的进气口22配置于线圈匝20的侧面，既靠近而又和磁极中心线15留有间隔，使得磁极中心线15并不与进气口22或通道24相交。
参照图3，表示一个导体或线圈匝的分离图。导体30包括限定其中纵向气流通道34的表面36。通道34并非完全由导体30围成，以致覆盖的绝缘层38和通道34相结合形成气体输送导管。实际上，通道34基本上配置在端部线圈匝轴向部分33内，而且沿磁极表面12内侧轴向延伸至通道34的排气口36。排气口36包括一个通常径向延伸贯穿导体30和绝缘复盖层38的孔，结果当导体20(图2)和导体30适当地放置在线槽18(图1)时，对正排气口26(图2)和排气口36形成一个通常径向延伸的通气筒16。通气筒16引导进入通道34的进气口32和通道24(图2)的进气口22的气流，最终排入电机定子(图中未予表示)和转子之间气隙。冷却气体进气口32配置在导体30的侧面，并且同转子10的轴向端13(图1)和导体30的转角37之间均留有间隔。在不损害转角37的机械和结构完整性的前提下，最好是将冷却气体进气口32尽量设置在接近导体30的转角37的地方。
导体20和30是交替层叠的，结果，在交替的线圈匝上，比如说包括导体20在内的那些线圈匝，低温的冷却气体从进气口22进入导管24。对于包含导体30的线圈匝，低温的冷却气体从进气口32进入通道34。对于每四分之一周线圈，所有的通道24和34都排气到分别配置在转子体10轴向端13内侧的公用通气筒16中去。箭头17(图1)表示从通气筒16出来的气流方向。
注意图1中所示的实施例，顶线圈匝40和底线圈匝42并不含有冷却通道或导管。然而，需要时，冷却通道也可以设置在任意一个或两个顶线圈匝40和底线圈匝42内。端部线圈匝区域的导体20和30的层叠次序也可以不同于图1所示的次序，例如，将导体30直接放置在底线圈匝42的径向表面，然后交替地层叠导体20和30。从图1也可以观察到，不需要活门调节引导端部区域内的冷却气流和/或来推动冷却气流进入电机的通道24和34。
在以前的冷却系统中，有类似于本发明中导体20的导体。冷却气体可以引入分布于这种类似导体的轴向端部线圈匝部分的第二通道，结果，在这种类似导体的轴向端部线圈匝部分，配置两个并排的纵向延伸的气流通道。可是，本发明的目的在于冷却那些端部线圈匝，其导体并不足以粗到可以在同一导体内承受两个并排的冷却气体通道，但有足够大小的通道去提供流经导体所需的冷却气流，而对于电机的正常运转，仍然保持导体结构的完整性。
运转期间，冷却气体从冷却气体进气口22进入导体20的通道24。当冷却气体沿着导体20的环形部分21内的通道24流动时，它带走了导体20发出的热量，也带走了分别配置在导体20的径向内侧，径向外侧，而且和导体20相邻的导体30发出的部分热量。由流过导体20的通道24的冷却气体去除导体30的环形部分31所发出的热量需要导体30发出的热量流过绝缘层28或38。现已知，如果绝缘层28和38各自分别大约0.010至大约0.020英寸厚，最好大约0.015英寸厚，可以获得足够的热流。绝缘层28和38可以分别包括机织聚酯玻璃材料或其它传统的电绝缘材料。如已经测定对于特定的厚度和用途，这些材料的热传输特性并不显著地变化，并且对于导体30的环形部分31维持所需要的温度分布，能提供足够的热传输。
虽然进入进气口22的冷却气体比较冷，当它流经通道24，吸收热量时，其温度就上升;以至它到达线圈匝转角27时，很大程度上丧失其冷却效用。为了弥补气体从转角27轴向地流向转子体10内丧失冷却效用，将比较冷的新鲜冷却气体源引入导体30的通道34的进气口32。流经导体30的通道34的冷却气体带走了导体30所散发的热量，也带走了紧靠导体30径向内侧和径向外侧分布的导体20所散发的穿过绝缘层28或38的部分热量。正如上文所述，覆盖在端部线图匝部分23和33上的绝缘层28和38可以分别和覆盖在端部线圈匝环形部分21和31上的绝缘层28和38相同。
流过配置在导体20轴向端部线圈匝部分23的通道部分24的冷却气体温度一般说来接近于构成导体20的材料的温度，以致流过导体20这部分通道24的气流几乎没有带走导体20和/或导体30所发出的附加热量。不用过分的试验，而利用本说明书的技术内容熟悉工艺的普通技术人员就可以做到通过沿导体30适当地设置进气口32，从而在终端线圈匝29和39的纵向广阔区域获得基本均匀的温度分布。所谓“基本上均匀的温度分布”是指沿每个导体的温度变化大约小于摄氏10度，最好大约小于摄氏5度。
因此，已经说明和描述的冷却系统可以为电机的转子绕组提供冷却，这些电机的线圈匝太狭窄以至不能容纳并排的通道，而在转子绕组的端部线圈匝获得基本均匀的温度分布。此外，已经证明和描述的电机转子绕组的冷却系统避免使用压力活门调节，例如通过中心环或转子极面排气，或者使气体进气口和气体排气口互相相当靠近分布的通风设备所需要的。
为便于说明，只将本发明的某些最佳特性作了说明，而对于那些本工艺的普通技术人员，还可以作许多改良和改造。当然，所附之权利要求
书旨在包括属于本发明精神实质和范围的所有这些改良和改造。
权利要求
1.电机转子，其特征在于，所述转子包括一个限定轴向线圈槽的转子体部分，线圈槽是在转子体磁极部分的两边，沿转子体圆周一定间距的被配置；和一个转子绕组，所述转子绕组包括放置在所述线圈槽内的第一多个轴向延伸槽平放部分；伸出转子体的第一多个端部线圈匝，所述第一多个端部线圈匝包括第一多个槽平放部分延伸形成的第一多个轴向端部线圈匝部分和连接所述第一多个轴向端部线圈匝部分的第一多个端部线圈匝环形部分；放置在所述线圈槽内的第二多个轴向延伸槽平放部分，各个所述第二多个槽平放部分分别和相邻的所述第一多个槽平放部分电绝缘；伸出转子体的并和所述第一多个端部线圈匝交替配置的第二多个端部线圈匝，各个所述第二多个端部线圈匝分别和相邻的所述第一多个端部线圈匝电绝缘，仍然与所述第一多个端部线圈匝配置成热流交换，所述第二多个端部线圈匝分别包括一第二多个槽平放部分延伸形成的第二多个轴向端部线圈匝部分和连接所述第二多个轴向端部线圈匝部分的第二多个端部线圈匝环形部分；各自配置于所述第一多个端部线圈匝的第一多个表面，所述第一多个表面用来限定沿所述第一多个端部线圈匝纵向延伸的相应的第一多个冷却气体流的通道，所述第一多个冷却气体通道具有分别配置在所述第一多个端部线圈匝环形部分的相应的第一多个冷却气体进气口；各自配置于所述第二多个端部线圈匝的第二多个表面，所述第二多个表面用来限定沿所述第二多个端部线圈匝纵向延伸的相应的第二多个冷却气流通道，所述第二多个冷却气体通道具有分别配置在所述第二多个轴向端部线圈匝部分的相应的第二多个冷却气体进气口。
2.根据权利要求
1的转子，其特征在于，其中所述磁极部分有一条中心线，此外，其中所述第一多个冷却气体进气口配置在靠近所述磁极部分中心线处。
3.根据权利要求
1的转子，其特征在于，其中所述第二多个端部线圈匝环形部分在相应的多个转角处和上述第二多个轴向端部线圈匝部分相连接，而且，其中所述第二多个冷却气体进气口配置在接近所述的多个转角处。
4.根据权利要求
2的转子，其特征在于，其中所述第二多个端部线圈匝环形部分在相应的所述多个转角处和所述第二多个轴向端部线圈部分相连接，而且，其中所述第二多个冷却气体进气口配置在靠近所述多个转角处。
5.根据权利要求
1的转子，其特征在于，其中所述第一多个冷却气体通道包括第一多个冷却气体排气口，所述第一多个冷却气体排气口配置于转子体轴向端的轴向内侧。
6.根据权利要求
5的转子，其特征在于，其中所述第一多个冷却气体通道包括第二多个冷却气体排气口，所述第二多个冷却气体排气口配置在转子体轴向端的轴向内侧。
7.根据权利要求
6的转子，其特征在于，其中所述第一和第二多个冷却气体排气口配置成相互气流交换。
8.根据权利要求
1的转子，其特征在于，其中所述绝缘层配置于相邻的所述第一和第二多个端部线圈匝之间，而且其中所述第一和第二多个表面要这样配置，使得绝缘层同第一和第二多个气流通道结合在一起各自形成第一和第二多个气流导管。
9.根据权利要求
1的转子，其特征在于，其中所述第一多个和第二多个冷却气体进气口要分别配置成，使得上述转子运转时，所述第一和第二多个端部线圈匝获得基本上均匀的温度分布。
10.电机转子，其特征在于，所述转子包括一个限定轴向线圈槽的转子体部分，线圈槽在转子体磁极部分的两边，沿转子体圆周一定间距地配置;和一个转子绕组，所述转子绕组包括一多个放置在上述线圈槽内的轴向延伸的槽的平放部分;一多个伸出转子体并和所述多个槽的平放部分相连接的端部线圈匝，所述多个端部线圈匝各自分别和所述相邻的多个端部线圈匝电绝缘，但仍然与所述相邻的多个端部线圈匝配置成热流交换;由所述多个端部线圈匝预选的各个线圈匝所部分限定的第一气体冷却装置，所述第一气体冷却装置具有第一冷却气体进气口和第一冷却气体排气口;和由所述多个端部线圈匝预选其它各个线圈匝所部分限定的第一气体冷却装置，上述第二气体冷却装置具有第二冷却气体进气口和第二冷却气体排气口;其中，第一冷却气体进气口和第一冷却气体排气口之间的设计长度比第二冷却气体进气口和第二冷却气体排气口之间的设计长度要长，而且，其中所述第一气体冷却装置和所述第二气体冷却装置是分别由所述多个端部线圈匝预选的各个和预选的其余各个端部线圈匝所限定的唯一的冷却装置。
11.根据权利要求
10的转子，其特征在于，其中由所述多个端部线圈匝所预选的各个端部线圈匝跨越磁极部分而所述第一冷却气体进气口配置于靠近磁极部分中心处。
12.根据权利要求
11的转子，其特征在于，其中由所述多个端部线圈匝预选的其余各个端部线圈匝跨越磁极部分并包括磁极部分中心和转子体轴向端之间的转角，而且其中所述第二冷却气体进气口配置于靠近转角处。
13.根据权利要求
12的转子，其特征在于第一和第二冷却气体排气口配置成相互气流交换。
14.根据权利要求
11的转子，其特征在于，其中所述第一冷却装置包括限定通道的表面，其中通道部分地由绝缘层封闭成导管。
15.根据权利要求
12的转子，其特征在于所述第二冷却装置包括限定通道的表面，其中通道部分地由绝缘层封闭形成导管。
16.根据权利要求
11的转子，其特征在于，其中所述第二冷却气体进气口配置在磁极部分中心和转子体轴向端部之间。
专利摘要
跨越电机转子极面的端部线圈匝导体的通风系统包括具有各自的冷却气体入口在靠近磁极中心和出口在转子体端内侧的第一多个纵向延伸导管的第一多个端部线圈匝导体，第二多个端部线圈匝导体和第一多个端部线圈匝导体交替层叠，电绝缘并与之配置成热流交换。每个第二多个端部线圈匝导体包括一条纵向延伸的冷却气体导管，其入口在近绕组转角处，出口在转子体端内侧。本系统尤其适用于转子绕组，其中构成转子绕组端部线圈匝的导体并不足以粗到可以承载相邻的冷却气体导管。
文档编号H02K3/22GK87102593SQ87102593
公开日1988年1月13日 申请日期1987年4月2日
发明者克里斯托弗·安东尼·卡明斯基 申请人:通用电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan