專利名稱：用于機器轉子的多層復合環的制作方法
技術領域：
本發明涉及發電機，更明確的是涉及一種用于發電機轉子的罩。
背景技術：
在具有轉子和定子的傳統發電機中，轉子設置有勵磁繞組，當接收來自于激勵電源的電流時其激勵發電機。定子設置有電樞繞組，電能從該繞組輸出。典型轉子的構成要求勵磁繞組在銑制形成于轉子鍛件中的徑向槽里被組裝起來，一條挨著一條。轉子勵磁繞組的安裝是通過利用轉子楔、轉子齒牙和保持環來實現的。
在共同擁有的美國專利6,239,527中公開的用于發電機中轉子罩是由非磁性，優選由絲纏繞管所構成的。該專利所公開的是，罩可以形成為連續的管或作為多個環，優選地呈橢圓形形狀。
在共同擁有的美國專利6,291,919中，金屬罩屏蔽設置在轉子上的非磁性罩和繞組組件之間。該罩屏蔽是由諸如鋁的導電材料所構成，并且被設計成在與磁芯極的良好接觸的同時，為轉子勵磁繞組提供足夠的電磁屏蔽，同時也向繞組結構提供軸向剛度。但是，對于涉及到應力集中的諸如結構和制造問題，金屬屏蔽在復合罩和上述6,291,919專利中公開的勵磁繞組之間的徑向插入不是令人滿意的解決方案。
在共同擁有的美國專利6,495,942中，轉子罩優選地是由諸如碳纖維玻璃合成材料的低密度合成材料所構成的。
與金屬材料相比，石墨環氧基復合層壓體(graphite epoxy basedcomposite laminates)具有顯著的強度系數(強度對密度的比值)。但是，石墨層壓體具有低的層間剪切強度，并且該復合物的平面拉伸強度對切斷纖維的表面破壞非常敏感。因此，在旋轉應力場(諸如轉子結構罩)中，對作為結構部件的石墨層壓體的使用是個技術問題。
而且，當石墨(碳纖維)復合物與諸如鋁合金的導電金屬部件相接時，可能會發生電化反應和由此所導致的腐蝕。
發明內容
在本發明的示范性實施例中，優選以多環配制的結構轉子罩作為分層復合物而構成。通常，所述環包括從石墨(碳)纖維層壓、金屬層和玻璃纖維層所選擇的兩個、三個或更多(多到五個)的層。在以下的詳細說明中，對本發明范圍內的層的各種組合進行描述。
用于特定應用的罩環的長度和布置可以不同。例如，多個相對較短的環可位于成對的長環或管段之間。在這種結構變化中，處于中心部分的環在厚度和軸向長度上也是可以變化的。
在另一個實施例中，罩可包括沿罩的軸向長度具有不同分層結構的多個尺寸一致或不一致的環。
不同的區域或層可以分開制成，然后組裝或粘合在一起，但是，如果它們是絲/絲束(filament/tow)纏繞，所述環也可以與芯層共同纏繞制成。
因此，在一個示范性實施例中，本發明涉及在發電機中用于轉子的罩，該發電機包括轉子、轉子繞組以及定子，所述罩包括多個復合環，所述復合環沿著轉子長度彼此相鄰定位，從而容納著轉子上的轉子繞組，每個環包括至少兩個層，這兩個層是從主要(essentially)由金屬、玻璃纖維和石墨纖維層壓體所構成的組中所選擇的。
在另一個方面，本發明涉及一種在發電機中用于轉子的罩，該發電機包括轉子、轉子繞組以及定子，所述罩包括多個復合環，所述復合環沿著轉子長度彼此相鄰定位，從而容納著轉子上的轉子繞組，每個環包括至少三個層，這三個層是從主要由金屬、玻璃纖維和石墨纖維層壓體所構成的組中所選擇的；其中所述多個環包括多個位于成對軸向較長環之間的較短環；并且其中所述軸向較短環在直徑上以相對方向朝向最小直徑的中心環變化，并且具有不同于所述軸向較長環的組成。
還是在另一個方面，本發明涉及一種在發電機中用于轉子的罩，該發電機包括轉子、轉子繞組以及定子，所述罩包括多個復合環，所述復合環沿著轉子長度彼此相鄰，從而容納著轉子上的轉子繞組，每個環包括至少兩個層，這兩個層包括徑向內金屬層和徑向石墨纖維層壓外層；其中所述多個環包括多個位于成對軸向較長環之間的較短環，并且所述軸向較短環在直徑上以相對方向朝向最小直徑的中心環減少。
圖1是帶有由多個相同直徑的罩環所形成的罩的發電機轉子和繞組組件的分解透視圖；圖2是沿圖1中線2-2的局部剖視圖；圖3是根據本發明另一示范性實施例、穿過罩的局部剖視圖，所述罩沿著罩的長度、由具有不同組成的多個不一致直徑和/或軸向長度的環形成；圖4是根據本發明另一示范性實施例的穿過多個罩環的局部剖視圖；圖5是穿過多個罩環的局部剖視圖，示出用于罩環的材料的各種其它可能的層組合；圖6類似于圖5，但是示出另一種用于罩環的可能的層布置。
具體實施例方式
參照附圖1，發電機轉子10包括多極磁芯12(圖示為兩極芯)以及多個組裝在相應極16、18上的繞組組件14。磁芯12和繞組組件14的結構是公知的，不需進一步提供其細節。
在繞組組件14被組裝在兩極磁芯12的平行側面鍛件上之后，罩20在組件上是伸縮的。
在示出在圖1和圖2的實施例中，罩20是由多個離散環所組成的管狀結構。在示出的實施例中，使用具有相同直徑、不同軸向長度的環。相對較長的環22被設置在罩20的相對端，多個較短的環24軸向位于環22之間。通常，所述環是多層復合體，具有少至兩個以及多至5個離散的層，這些層從包括金屬、玻璃纖維以及石墨(碳)纖維層壓體的組中所選擇。一層金屬層或多層金屬層可由諸如鋁的導電金屬所構成。出于公開的目的，術語中間層或徑向中間層是指在徑向上不是最里面或最外面的任何層。
圖2示出環22，24的組成。示范實施例中的每個環形成有五層。更具體的是，徑向上的最內層26是由金屬材料構成的。與該金屬層26相鄰的是玻璃纖維層壓層28。當中或核心中間層30是由石墨(碳)纖維層壓體所構成。徑向上的外層包括玻璃纖維層壓層32，相鄰的中間層，以及徑向上最外層的金屬層34。因此，中間層30作為核心區域，其將外層32、34與內層26、28隔開，并且提供大部分圓周或環向強度和剛度。這種同樣分層的組成沿罩18的長度應用于每個環22，24中。
在圖3所示的另一個示例性實施例中，罩36也包括一對位于居中定位的多個軸向較短環40、42、44的兩側上的軸向較長環38，較短的環40、42、44的直徑以相同的模式朝向最小直徑的中心環46減少。在這種結構中，所述環是兩層結構，每個環的徑向外層48是由石墨(碳)纖維層壓體所構成，并且徑向內層50是由金屬所構成。
圖4示出另一個罩52，其外觀類似于圖3中所示的外觀，但是，在罩52相應的相對端部處的較長環54的組成分別不同于處于罩中心部分的較短環56、58、60和62的組成。更具體的是，兩個外環或端環54中的每一個包括石墨(碳)纖維層壓徑向外層64，中間玻璃纖維層壓層66，以及徑向內部金屬層68。每個處于罩中心部分的較短環56-62包括徑向內和外玻璃纖維層壓層70、72，石墨(碳)纖維層壓中間層74夾在所述內和外玻璃纖維層壓層之間。
圖5示出多個具有不同組成和直徑的多個罩環，其僅意在示出構成單獨、離散罩環的各種類型的層間組合，即圖6沒有示出單個罩的環。典型地是，如在圖2-4中所示，僅在端環或外側環與罩中心部分的環之間會有組成和直徑上的不同。在圖5中，從左至右，環76是由石墨(碳)纖維層壓中間層78所構成，而兩個徑向內層和外層80和82是金屬層。
環84是兩層結構，其包括石墨(碳)纖維層壓徑向內層86和徑向外金屬層88。
環90是三層結構，其包括石墨(碳)纖維層壓徑向內層92，中間玻璃層壓層94，以及徑向外金屬層96。
環98是三層結構，其包括徑向內玻璃纖維層100，石墨(碳)纖維層壓中間層102，以及外玻璃纖維層壓層104。
環106是兩層結構，其包括徑向內玻璃纖維層108以及石墨(碳)纖維層壓徑向外層110。
環111是兩層結構，其包括石墨(碳)纖維層壓徑向內層112以及徑向外玻璃纖維層113。
圖6示出其它可能的環的組成。環114是四層結構，其包括徑向內金屬層116，玻璃纖維層壓層118，石墨(碳)纖維層壓層120，以及徑向外玻璃纖維層122。
環124有類似于環114的四層結構，除了徑向外玻璃纖維層122被金屬層126所代替以外。
環128也是四層結構，其包括徑向內玻璃纖維層壓層130，徑向相鄰的石墨(碳)纖維層壓層132，另一玻璃纖維層134，以及徑向外金屬層136。
環138有類似于環128的結構，除了徑向內玻璃纖維層130被金屬層140所代替以外。
環142是三層結構，其包括徑向內玻璃纖維層壓層144，石墨(碳)纖維層壓中間層146以及徑向外金屬層148。
環150也是類似于環142的三層結構，但是其中的徑向內層和外層已經被對置，從而使環150包括徑向內金屬層152，石墨(碳)纖維層壓中間層154以及徑向外玻璃纖維層壓層156。
對絕大多數的應用來說，給定罩的離散環的組成在整體上會是一致的，但是正如在圖4中已經注意到的是，處于罩中心部分的較短環的組成可能不同于處于罩相對端的較長環的組成。然而，存在三個主要層類型的許多種組合，它們可以按上面所述結合圖5和圖6進行應用。
雖然已經通過目前被認作為最實際和優選的實施例對本發明進行了說明，可是應該認識到的是，本發明并不受限于所公開的實施例，相反地是，本發明意在覆蓋那些包括在所屬權利要求精神和范圍內的各種修改和等同結構。
權利要求
1.一種在發電機中用于轉子的罩(20)，該發電機包括轉子、轉子繞組和定子，所述罩(20)包括多個復合環(22，24)，所述環沿轉子的長度彼此相鄰定位，從而容納所述轉子上的轉子繞組，每個所述環包括至少兩個層(48，50)，所述層從主要由金屬、玻璃纖維層壓體和石墨纖維層壓體組成的組中選取。
2.根據權利要求1所述的罩，其中，所述環被以預定的間隔分開。
3.根據權利要求2所述的罩，其中，所述環被軸向分開。
4.根據權利要求1所述的罩，其中，所述多個環包括多個定位在成對軸向較長環(22)之間的多個軸向較短環(24)。
5.根據權利要求1所述的罩，其中，對于所述多個復合環中的至少一些環來說，所述至少兩個層中的徑向最內層(26)包括金屬層。
6.根據權利要求1所述的罩，其中，對于所述多個復合環中的至少一些環來說，所述至少兩個層中的徑向最內層(100)包括玻璃纖維層壓層。
7.根據權利要求1所述的罩，其中，對于所述多個復合環中的至少一些環來說，所述至少兩個層中的徑向最內層(86)包括石墨纖維層壓層。
8.根據權利要求1所述的罩，其中，對于所述多個復合環中的至少一些環來說，所述至少兩個層中的徑向最外層(34)包括金屬層。
9.一種在發電機中用于轉子的罩(20)，該發電機包括轉子、轉子繞組和定子，所述罩包括多個復合環(52，54)，所述環沿轉子長度彼此相鄰，從而容納轉子上的轉子繞組，每個所述環包括至少三個從主要由金屬、玻璃纖維層壓體和石墨纖維層壓體所構成的組中選擇的層，其中，所述多個環包括多個位于成對徑向較長環(54)之間的徑向較短環(52)，并且其中，所述徑向較短環(52)在直徑上以相對方向朝向最小直徑的中心環(62)變化，并且具有與所述軸向較長環不同的組成。
10.根據權利要求9所述的罩，其中，每個所述較長環包括徑向內金屬層(152)，中間玻璃纖維層壓層(154)以及徑向外玻璃纖維層壓層(156)。
全文摘要
本發明公開一種在發電機中用于轉子的罩(20)，該發電機包括轉子、轉子繞組和定子，所述罩(20)包括多個復合環(22，24)，所述環沿轉子的長度彼此相鄰定位，從而容納所述轉子上的轉子繞組，每個所述環包括至少兩個層(26，28)，所述層從主要由金屬、玻璃纖維層壓體和石墨纖維層壓體組成的組中選取。
文檔編號H02K3/46GK1607709SQ20041008323
公開日2005年4月20日 申請日期2004年9月29日 優先權日2003年10月6日
發明者王瑜, 克里斯托弗·A·卡明斯基, 梁文棣, 羅納德·R·凱羅, 溫迪·W·L·林, 安德魯·J·塞勒姆 申請人:通用電氣公司