高頻發電機用的整體水冷環路圈母線裝置的制作方法

專利名稱：高頻發電機用的整體水冷環路圈母線裝置的制作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及諸如發電機和電動機之類的電磁設備。更具體地說，這里所公開的發明涉及旋轉電力機械為了減小其環路圈(circuitring)的大小從而在電氣接線上可用銅焊連接代替螺栓連接而對環路圈進行的水冷卻。
長期以來，大家都知道，象發電機、電動機之類的旋轉電力機械其電磁部件在工作過程中會引起能量損耗，電機的各零部件發熱即證實了這一點。大家也早就知道，為了保持這類機電設備正常而有效的能量轉換，可以有各種消除熱量的機構。
例如，為了冷卻這類設備的轉子和定子部件，通常的作法是在旋轉的機械元件中裝設某些精心制造的冷卻管，管中通入空氣或某種其它氣體。
有的電磁鐵旋轉設備還在鐵心材料中裝設導熱性能良好的疊片，其目的是形成通往外部區域的導熱通路，再例如用壓力空氣吹鐵心材料的整個外表面，由此可以吹除熱量。此外還采用了其它現有技術的方法。例如，利用銅導管中的液冷卻導電體，這個原理是眾所周知的，多年來市面出售的大型發電機都采用了這個原理。例如有人就用這類導管制造這類發電機的液冷電樞條和環路圈。雖然這種冷卻方法在維持介電冷卻液的妥善供應方面有一些問題，但由于液體是直接與銅導體接觸的，因而直接進行冷卻，從而使熱量從銅導體直接傳入冷卻液中的，所以這種方法的效果還是優異的。不難理解，這種直接冷卻比其它冷卻系統具有突出的優點。這個優點在需要制造高功率密度電力機械的場合尤其有用，因為這類電力機械不僅體積要小，而且功率輸出還要最大。
雖然上述背景技術主要屬于轉子和定子的一般設計問題，但這些冷卻方法也適用于例如環路圈母線裝置的設計;環路圈母線裝置的功能是收集電樞繞組中一系列并聯電路的電流，將其傳送到電機的一個端子上。電機的每一相一般有兩個環路圈和母線，因此三相電機就有六個這類裝置，六相電機就有十二個，如此類推。這種環路圈通常是成套軸向疊裝在電機的一端或兩端的，在那里各回路的引線從電樞繞組引出。
設計這類裝置時，大家都知道，能將各導體銅焊或釬焊時，環路圈、引線和母線之間的電氣連接最可靠。螺栓連接是用在連接的面積足夠大因而不用銅焊或不能用銅焊的場合。此外，螺栓連接是只有當需要經常拆卸連接時，或如上所述當其它連接方法不實用時才加以采用的。
采用這類螺栓連接時，電流的傳輸取決于例如引線接頭與環路圈界面處的機械接觸情況。只有依靠螺栓施加的壓力、維持良好的機械接觸才能保證電流有效而安全的傳送。
在一般的環路圈母線裝置中，電流是經由螺栓連接到環路圈的引線和接頭在環路圈周邊的若干點進入環路圈的。這之后，電流環繞環路圈流到母線上，母線一般也是用螺栓連接到環路圈上，但比起任一個回路引線都顯得特別大。這些環路圈裝置一般固定在不銹鋼罩上，不銹鋼罩則通過配置在其與環路圈之間的電絕緣體機械支撐環路圈。雖然這種鋼罩可以用空氣或水冷卻通過熱傳導帶走銅環路圈的熱量使其冷卻下來，但這種方法要比上述冷卻液與銅直接接觸的方法差，因為前一種裝置的熱量在到達冷卻劑之前必須先通過絕緣層和鋼層。相比之下，直接冷卻時熱量是從銅直接傳入水中的。
作為環路圈母線裝置在設計上的另一個問題，要將各環路引線夾銅焊到環路圈上而不損壞各圈之間的絕緣層是有困難的，而且往往是不可能的。之所以會損壞絕緣層是因為這種成堆配置的各環路圈的絕緣層在進行銅焊連接的過程中是不能從連接處除去的。
我們發現，最好用矩形橫截面的空心銅導管制造環路圈，且將導管制成基本上是正圓形的環路圈，但銅導管的兩端部部分平行延長配置，這樣做要比上述已知的現有技術具有若干優點。
例如，以這樣的方式將水之類的冷卻液加到環路圈導體的結構上，使冷卻液進入導管的一個平行端，沿圓周方向流徑環路圈。然后從另一個平行端出來，這樣做不僅提高冷卻效果，而且可以縮小環路圈的體積，從而使電連接可以不用螺栓連接而采用銅焊連接。
本發明還有這樣的優點，即環路圈母線裝置可以制造得使環路圈和母線的功能合并到單個裝置上，從而無需使用液壓-電氣連接。
本發明的另一個目的和優點是使導體的平均溫度保持較低值，從而提高裝置的可靠性。
此外這里所公開的本發明對環路圈的冷卻還采用了液體從內部直接冷卻的方式，從而既縮小了環路圈的體積，又使毗鄰各環之間的絕緣層至回路引線接頭的范圍內具有更多的空間。這個空間加大了，回路引線的接頭就可以不用螺栓連接而采用銅焊連接到環路圈上，而且還可以減小各環路圈之間絕緣層的高度，從而使絕緣層與接頭之間有足夠的間距可以進行銅焊。
另外按照這里所公開的結構和方法，在對回路引線接頭進行銅焊時象空氣或水之類的冷卻流體可以在空心環路圈中循環流通從而進一步確保不致損壞絕緣部分。
本發明提供熱性能提高了的高功率密度機械。這種機械可用于各種用途，例如高頻船用發電機，航空和航天發電機，驅動電動機等等。此外還有其它熟悉本技術領域的人士都周知的各種用途。
仔細研究下面結合附圖介紹的目前的一些最佳實施例即可更全面地了解和理解本發明的上述和其它目的和優點。附圖中

圖1A舉例說明了周知的環路圈的一般形式，示出了回路引線在母線接頭的部位;
圖1B是圖1A的側視剖面圖，示出了從電樞繞組和母線引出的一個回路引線，以及表示電流流向的箭頭;
圖2A和2B示出了現有技術螺栓接頭的部分軸向視圖和部分側向剖視圖，該螺栓接頭將一回路引線和一連接夾頭連接到若干毗鄰的與電樞繞組的其它各相有關的環路圈的其中一個環路圈;
圖3的視圖與圖2B類似，但示出了母線螺栓連接到與現有技術環路圈構成一個整體的母線接頭的情況。
圖4A是按本發明制成的整條母線與環路圈組合的銅管的示意圖，其中實線箭頭表示電流流動的方向，虛線箭頭表示冷卻劑流動的方向;
圖4B示出了圖4A的環路圈銅導管彎曲的一個例子，其平行端形成延伸的整條母線，其中實線箭頭和虛線箭頭分別表示電流和冷卻劑流動方向;
圖5A和5B分別示出了本發明的回路引線與環路圈之間的銅焊接頭細節的軸向剖視圖和圓周方向剖視圖;
圖5C是只為對比起見而例示的現有技術環路圈的高度和外形，以便與圖5B本發明環路圈的高度和外形進行比較。
圖1A和1B中一般畫出的現有技術的環路圈母線裝置示出了連接在例如環路圈1內徑周邊上五個位置處的電樞繞組回路引線3，因此一系列并聯的回路可借助于回路引線3和環路圈1按圖中箭頭所示的總的方向將電流導向母線2。想使電磁轉動機械具有高的功率密度時，各導體的大小會達到規定不能采用銅焊連接的程度。于是盡管眾所周知電氣接頭只有通過銅焊或釬焊連接才達到最高的可靠性，但還是要采用圖2A和2B所示那種性質的螺栓連接。
如圖2所示，五個回路引線通過螺栓連接而接到環路圈上，其中回路引線3借銅焊焊接到銅接頭或夾頭5上，銅接頭5則用一對不銹鋼螺栓再連接到環路圈上。當夾頭與環路圈之間的內表面上沒有氧化物或其它污染物時，只要各螺栓在內表面上保持應有的接觸壓力就能保持令人滿意的電接觸。但眾所周知，這類接觸方式是會出故障的，因此總希望能創造出對銅焊連接實際可行的條件。
在圖1A和1B示意示出的實施例中，電流流經電樞繞組的各并聯回路，與各回路相連接的回路引線3，以及銅接頭5并環繞環路圈流到母線接頭2上，從母線接頭2再通過另一個螺栓接頭進入圖3的母線4中，由此將電流傳導到發電機的各端子上。在例示的實施例中，電流在五處進入環路圈，從一個母線接頭離開環路圈。因此為了承載這個較大的電流，母線的橫截面積比任何一個回路引線都大得多。
圖示的環路圈通常是安置在電機有電樞繞組接頭的一端。通常，環路圈是有許多個(例如1、1a和1b)，并排堆置著，如圖2所示，在各環路圈與不銹鋼罩8之間設有電絕緣層6，不銹鋼罩8機械支撐著各環路圈。與例如發電機或電動機的各獨立相有關的各環路圈之間也設有電絕緣層7。
在圖1至圖3所示的傳統結構中，上述鋼罩8是用水冷卻，以便將熱量從銅環路圈傳導到鋼罩內的水中，從而使環路圈冷卻下來。但如上所述，這種冷卻方法要比用水直接接觸銅效果差，因為在前者的配置方式下，熱量在到達冷水之前要先通過絕緣層和鋼層，而直接冷卻系統就可以直接使熱量從銅進入水中。
回顧圖2A和2B所示的細節即可以看到，在現有技術各環路圈之間的絕緣層7在連接過程中不能從接頭處除去的設計中，即使明知如果采用銅焊更為實用，也要規定不能采用銅焊連接。就是說，圖2的環路圈3與回路引線夾頭5之間如果采用銅焊連接，會破壞絕緣層7，而且由于銅焊過程中溫度高絕緣體層可能會失效。
但如圖4A和4B連同圖5a和5B的詳圖所示的那樣，本發明通過采用橫截面通常是矩形的銅導管來制造環路圈10，而且將環路圈10制成基本上是圓形的，不僅可從內部直接用水冷卻環路圈，而且還可以降低這種環路圈在尺寸上的要求。因此這里所公開的實施例使絕緣層與回路引線接頭之間具有更大的空間，從而可以用銅焊而不用螺栓將回路引線夾頭連接到環路圈上。此外，例如如圖4B中所示，導管端部40a和40b形成與環路圈構成一個整體的延伸母線，從而可以避免大電流和螺栓接頭，從而構成單一裝置。雖然在本實施例中導管的橫截面通常是矩形的，但也可能采用其它橫截面形狀。
此外，用矩形橫截面的空心銅導管制造整體的環路圈母線在許多方面是要比將銅板機械加工成現有技術的環路圈然后用螺栓與母線連接簡單得多。如圖4A和4B所示，電流會在一系列周邊位置處取道各回路引線的接頭連續進入環路圈。此外，電流會繼續沿周邊環繞環路圈流動，但會從形成母線的銅導管的兩個平行部分(40a和40b)出來，而無需通過母線與環路圈之間的連接點。
至于冷卻劑(這在目前最佳實施例中是水)，它通過一液壓夾頭(圖中未出)進入銅導管的一端，沿圓周方向流過環路圈，從導管的另一端(例如40a)出來，流入同一個液壓夾頭中。
圖5A和5B示出了在環路圈與其中一個回路引線之間形成接頭的一個目前最佳的實施例。通過與圖5C所示的外形比較，可以看出本發明的水冷環路圈比現有技術的環路圈是小得多。在本空心銅導管環路圈與現有技術回路引線和夾頭之間形成接頭時，采用了銅轉換接頭80。雖然圖中所示的轉換接頭呈“I”字形，但它可取任何適當的形狀，而且在將環路圈及其附加的轉換接頭放入電機中之前將其在50處銅焊到環路圈10的內徑上。由于將轉換接頭銅焊到環路圈上時不存在絕緣層60和70，因而不存在高溫損壞絕緣層的問題。此外，通過比較圖5B和2B可以看出，絕緣層70基本上比絕緣層7短，因而當夾頭5在環路圈裝入電機中之后附裝到銅轉換接頭80上時沒有安置在銅焊接頭55附近。
由于現有技術的夾頭5(它系銅焊到回路引線3上的)在本發明中是銅焊到轉換接頭上的，因而用銅定位銷90代替原來使用的螺栓，供對準之用。此外，回顧一下圖5B的詳圖可以看出，與圖2a中所示的比較，雖然絕緣層70的高度比絕緣層7小，但它卻高得足以將環路圈在如圖2B所示那樣堆置時彼此絕緣起來。絕緣層60的作用基本上與圖2B中所示的絕緣層6相同。此外，由于各相環路圈的轉換接頭80沒有環繞環路圈占據同樣的周邊位置，因而在各夾頭或轉換接頭之間無需設例如70的絕緣板。作為防止在形成銅焊接頭55時損壞絕緣層70的附加措施，可以在將各環路圈引線和夾頭銅焊到各轉換接頭時令冷卻空氣或水在空心環路圈中循環流通。
總起來說，過去大家都已經知道，在市場上出售的大型發電機中采用銅導管和液體冷卻劑形成液冷的電樞條等。但如本申請所公開的那樣，目前最佳的這個實施例以這樣的方式在環路圈中采用銅導管，使其因此而達到了大幅度縮小環路圈的體積的目的。此外，這里所公開的銅焊轉換接頭形成了環路圈的延長部分，從而可以將各回路引線及其各夾頭用銅焊而不用螺栓連接到該延長部分上。此外，可以將各零件銅焊連接起來而沒有損壞各環路圈之間絕緣層的風險。另外，本最佳實施例制造出整體的環路圈和母線，從而用單個裝置就可以執行現有技術各零部件的若干功能。因此很容易將本發明經改進的一些特性應用到高功率密度的旋轉電力機械中從而獲得本申請所公開的各種效益。此外還設想，本發明中所采用的銅導管也可以以有利的方式應用到感應加熱設備中，在這類設備工作時令冷卻水在導管中循環。
盡管本發明是結合目前認為是最實用的和最佳的實施例進行說明的，但應該理解的是，本發明并不局限于這里所公開的實施例，相反，旨在包括所附的權利要求書所包括的精神實質和范圍的各種修改方案和等效裝置。
權利要求
1.一種電力機械用的環路圈母線裝置，其特征在于，它包括基本上正圓形的環路圈，由線性導電空心導管制成，其整體導管端部形成兩個平行的母線部分，供在所述電力機械的所述環路圈與電氣端子之間傳導電流之用；和多個回路線接頭，環繞所述環路圈的周邊固定，用以在所述環路圈與多個回路引線之間傳導電流之用。
2.根據權利要求1的裝置，其特征在于，各所述引線接頭包括-導電轉換接頭，連接到所述環路圈周邊上;-導電引線夾頭，固定到所述轉換接頭上;和-導電回路引線，連接到所述夾頭上。
3.根據權利要求1的裝置，其特征在于，它還包括多個彼此毗鄰堆置的所述環路圈，各毗鄰環路圈之間設有絕緣層。
4.一種經改進的制造旋轉電機的方法，所述電機包括一轉子和一定子，所述定子具有多個繞組，所述繞組與多個環路圈中的一個環路圈之間連接有多個平行的回路引線，所述電機還包括一些導流端子和多條母線，各母線將一個環路圈連接到單一端子上，上述改進包括用空心導電導管制造所述環路圈和母線，其中該導管形成基本上正圓的環路圈，各圈的端部形成整體的具有大體上平行部分的延伸導管，所述平行部分形成其中一個所述母線。
5.根據權利要求4的經改進的方法，其特征在于，該方法還包括下列步驟借銅焊或釬焊環繞各環路圈周邊形成多個連接接頭，各所述接頭將其中一個所述回路引線連接到其中一個所述環路圈上。
6.根據權利要求4的經改進的方法，其特征在于，該方法還包括下列步驟在所述電機工作時，往各所述母線和環路圈中通冷卻流體。
7.根據權利要求5的經改進的方法，其特征在于，它還包括下列各步驟將所述各連接接頭制造得使其包括一連接到所述環路圈周邊的導電轉換接頭、一連接到所述轉換接頭的導電引線夾頭和一連接到所述夾頭的導電回路引線。
8.根據權利要求5的經改進的方法，其特征在于，所述各導電轉換接頭在環路圈裝入所述電機之前連接到所述環路圈上。
9.根據權利要求8的經改進的方法，其特征在于，所述各導電引線夾頭在所述各環路圈裝入所述電機之后連接到所述各轉換接頭上。
10.根據權利要求7的經改進的方法，其特征在于，所述多個環路圈彼此毗鄰堆置，各毗鄰環路圈之間設有絕緣層;且其中所述絕緣層系制造得使其在徑向上延伸出導管與轉換接頭的接頭之外，但不超過引線夾頭與轉換接頭之間的接頭。
全文摘要
一種經改進的環路圈及其裝配方法，供諸如發電機、電動機等之類電機之用，該環路圈包括一整體母線供將電流傳送到電機的一個端子上。該環路圈由矩形截面的空心銅導管制成，且導管的大小應使電路各引線銅焊到導管上時不致損壞絕緣層。導管中通有冷卻液體，從而可以將環路圈裝配起來用于高功率密度電力機械中。
文檔編號H02K3/24GK1058864SQ9110562
公開日1992年2月19日 申請日期1991年8月9日 優先權日1990年8月9日
發明者詹姆斯·M·福格蒂, 詹姆斯·M·安德遜 申請人:通用電氣公司