用于電機的復合框架以及用于制造其的方法
【專利說明】用于電機的復合框架以及用于制造其的方法
[0001]優先權要求
[0002]本申請要求于2013年3月14日申請的美國臨時專利申請號為61/784，187的優先權；其公開通過整體引用結合于此。
技術領域
[0003]本文所描述的主題涉及用于電機的框架。更特別地，本文所描述的主題涉及用于電機的復合框架以及用于制造用于電機的復合框架的方法。
【背景技術】
[0004]將電機的電磁活動的部分裝入框架中是常見的。該框架為電機的定子、轉子和其它固定的部分提供了強度和穩定性。通常用于該框架的材料是鋼和鋁。框架通常被鑄造用于更小尺寸的機器或被制造用于物理上更大的機器。因此，用于較大的機器的框架通過切割和焊接鋼條和板材料產生。用于這些框架的制造的材料和人力成本是非常高的。并且，由于它們的導電性質，并且由于焊接，這些框架允許電流流過該框架。這些導電結構可以完成一個電路，其允許電流循環，而潛在地對電機的軸承和其它耦合的部件造成損害。這些電流已知作為軸承電流并且是變換器供電機器中最令人討厭的，其連接到電力電子開關，其不用正弦激勵對機器供電。由于特別地耦合在繞組和定子之間的電容，產生了電流。并且，可以希望允許機器的整個繞組組件是高于局部地電位而電氣浮置的。浮置特性不能用已知的技術得到。
[0005]因此，鑒于這些難點，長期感覺存在用于電機的改進的框架結構需求。

【發明內容】

[0006]—種用于電機的復合框架包括外部框架構件，其包括含有具有至少1500的長徑比的纖維的復合材料。外部框架構件形成了用于容納電機的中心孔。外部框架構件形成復合框架的一部分的最外層，用于包圍電機并軸向地延伸超過電機的疊片。在框架部件的至少一個終端上形成附接機制，用于附接框架構件至機械系統。
[0007]本文所描述的主題的至少一些方面，諸如復合框架制造工藝的控制可以以軟件結合硬件和/或固件實施。例如，本文所描述的主題可以在通過處理器執行的軟件中實現。在一個示例性實現方式中，本文所描述的主題可以使用其上存儲有計算機可執行指令的非臨時性計算機可讀介質實現，當由計算機的處理器執行時，計算機可執行指令控制計算機執行步驟。適用于實現本文所描述的主題的示例性計算機可讀介質包括非臨時性計算機可讀介質，諸如磁盤存儲設備、芯片存儲設備、可編程邏輯設備、以及專用集成電路。此外，實現本文所描述的主題的計算機可讀介質可以位于單個設備或計算平臺上或者可以分布于多個設備或計算平臺上。
【附圖說明】
[0008]現將描述附圖的優選實施方式，其中:
[0009]圖1是以部分的透明度顯示了根據本文所描述的主題的一個實施方式的用于電機的復合框架的透視圖；
[0010]圖2是根據本文所描述的主題的一個實施方式的用于電機的復合框架的端視圖；
[0011]圖3是根據本文所描述的主題的一個實施方式的用于制造用于電機的復合框架的心軸的側視圖；
[0012]圖4是圖3的心軸的端視圖，示出了根據本文所描述的主題的一個實施方式的用于將定子結合至復合框架的定子疊片上的外齒以及用于容納定子鐵芯的繞組的內齒；
[0013]圖5是定子疊片的端視圖，示出了沒有圖3和圖4的心軸端部的內齒和外齒；
[0014]圖6是示出了根據本文所描述的主題的一個實施方式的用于制造用于電機的復合框架的示例性步驟的流程圖；
[0015]圖7是示出了根據本文所描述的主題的一個實施方式的圍繞圖3的心軸用于制造電機的復合框架的細絲纏繞的側視圖；
[0016]圖8是根據本文所描述的主題的一個實施方式的適用于制造用于電機的復合框架的示例性拉擠工藝的原理圖；
[0017]圖9是示出了根據本文所描述的主題的一個實施方式的用于耦合至機械系統的電機的復合框架的模塊圖形；
[0018]圖10A-10C是根據本文所描述的主題的一個實施方式的具有不同的外徑和內徑構造的框架構件的截面端視圖；以及
[0019]圖11A-11D是根據本文所描述的主題的一個實施方式的具有不同構造且對應于電機的框架構件的截面側視圖。
【具體實施方式】
[0020]本文描述了用于電機的復合框架以及用于制造這種框架的方法。圖1是以部分的透明度顯示了根據本文所描述的主題的一個實施方式的用于電機的復合框架的透視圖。參考圖1，框架100包括具有用于附接到電機的凸緣104的外部框架構件102。外部框架構件102可以由細絲纏繞或拉擠的纖維形成，可以使用擠壓、樹脂傳遞模塑或真空灌注。優選地，纖維為長纖維，即，具有至少大約1500的長徑比。優選地，纖維由聚合物基體基礎和非導電纖維形成。纖維可以包括玻璃、芳綸、碳或玄武巖纖維。碳纖維是導電的，使得纖維的電絕緣紗層可以用在導電碳纖維和定子疊層的導電碳纖維之間。在一個示例中，濕法纏繞和預浸帶的使用是制造的優選方法。也可以使用干法纏繞和該組件的浸漬。長纖維是優選的，因為長纖維將允許更大的結構剛度和強度，可能相對于短纖維復合的強度和剛度，更接近于傳統的鋼和鋁類型的框架或外殼。長纖維的使用還允許根據電機應用的橫向和扭轉剛度需求設計框架或外殼的強度和剛度。
[0021]在示出的示例中，外部框架構件102形成了用于容納電機108的中心孔。電機108可以是操作為電動機或發電機的任何合適的電機，并且可以是永磁或勵磁同步類型，籠式或繞線式轉子感應，或者是同步或開關磁阻的。在一個示例中，電機108包括發電機，諸如用于風力渦輪機或用于海底應用的發電機。在一個替代示例中，電機108可以是電動機，諸如用于在食品加工應用中的混合器的電動機。在示出的示例中，電機108包括定子疊片110和定子繞組112。應當注意的是，框架構件102軸向地延伸超出電機108的端部繞組(即，大部分軸向地從電機的軸心分離的那些繞組)。電機108可以用作用于制造框架100的細絲纏繞工藝的心軸的一部分。可替換地，可以使用從電機108分離的心軸。如果拉擠是用于形成框架100的，電機108可以用作模具的至少一部分，在拉擠過程期間圍繞模具的纖維被拉起。在一個替代示例中，可以使用從電機108分離的模具用于形成框架100。
[0022]如果使用細絲纏繞，框架100可以被纏繞以給予框架108所需的適當的扭轉和橫向剛度以及強度。從心軸纏繞、固化和移除后，可以將框架100截成一定長度，以及安裝電機108，例如，通過收縮或壓力匹配，可替換地，框架可以通過某些外部結構變形，使得可以完成定子裝置的放置而不損壞外殼纖維。框架的長度和直徑可以由電介質，以及應用的橫向和扭轉結構需求確定。復合框架100的終端可以被閂住或結合至其它框架材料，諸如金屬或其它合成成分，可以是陶瓷、金屬或聚合合成物。框架100用作冷卻液的容器也是可能的，從外部環境隔離冷卻液，以及允許具有遠離導電材料的電介質要求的變換器的放置。可以以任何合適的方式完成機器108至框架100的固定，包括通過中間部件的機械固定件，諸如凸緣，或者通過穿過框架和定子的配合表面的幾何切割面的機械界面粘合。
[0023]圖2是框架100的端視圖。凸緣104是圖2所示的最外面的圓周。框架部件102形成了包圍電機的框架100的一部分中的框架100的最外層。定子疊片110形成了下一層，定子繞組112緊隨其后。中心孔106可以被結構化以接收電機的轉子部分，諸如轉子組件。
[0024]在一個示例中，電機108用作心軸的一部分，混合組件方法可以包括通過機器定子分離的心軸的使用。圖3示出了適用于該目的的混合心軸300。在圖3中，電機108，其包括位于分離的心軸302之間的定子。在該示例中，不需要將定子收縮裝配到框架中，因為框架纖維可以在細絲纏繞過程期間圍繞電機108纏繞。如果機器具有外部轉子構造，細絲纏繞可能發生在心軸302和電機定子108或轉子上。可以執行細絲纏繞，使得框架具有恒定的外徑。也期望使心軸302的終端的每一個為形成凸緣的響鈴形狀或用于附接到機械系統的其它結構。從成本和重量最小化的觀點看，也可能需要附接在框架的外徑周圍的許多軸向方向的纖維。軸向方向的纖維可以以任何合適的方式附接到框架，優選地，通過粘合附件，在整個組件固化之前或之后的放置時刻。框架中還可以包括用于軸承支架的準備。
[0025]圖4是心軸300的端視圖。在圖4中，示出了形成用于電機108的定子繞組的結構的內齒400。定子疊片110是可視的并且包圍圖3所示的心軸300的中心部分。在定子疊片110的外圓周上形成外齒402以方便結合或附接復合框架100。圖5是定子疊片110的端視圖，示出了沒有心軸部分30