CN114008893A - 具有液冷定子芯的定子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种定子，用于无刷直流电机，所述定子包括定子芯(1)，所述定子芯具有多个堆叠的定子叠片(2)，每个定子叠片(2)分别具有环形面(3)和多个定子齿(5)，其中，所述定子齿(5)绕定子的纵轴(100)在周向上等间隔地设置，每个定子齿分别具有齿根(6)和齿顶(7)，其中，在定子芯(1)的齿根(6)上设置有能够通电的绕组，用于构成线圈，其中，所述定子芯(1)由三种不同类型的定子叠片(12、14、16)形成，三种不同类型的定子叠片具有部分相对应的开口(13、15、17)，所述开口相配合以构成多个冷却通道(8)，每个所述冷却通道(8)基本上平行于纵轴(100)地从定子芯(1)的一端延伸到定子芯(1)的另一端。
Description
本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分所述的特征的定子和一种具有权利要求12的前序部分所述的特征的无刷直流电机。
无刷直流电机包括转子，所述转子与电机轴连接并且可转动地支承在壳体中。所述转子设有永磁体。定子围绕所述电机设置，所述定子在铁芯上承载一定数量的绕组。在适当地操控时，所述绕组产生磁场，所述磁场驱动所述转子转动。定子芯由至少一叠叠片组构成，所述叠片组包括多个定子叠片。
具有高比功率的电机由于其自发热而在功率输出上受到限制。定子中的热损失特别是通过绕组的欧姆电阻产生。这种热损失通过铁芯导出。但由于定子叠片组有限的导热性和发热的位置与铁芯之间部分较大的距离，最大的散热是受到限制的。
由现有技术已知集成在定子叠片组中的冷却系统，对于这种冷却系统，将管插入定子叠片的孔中，此时冷却剂流动通过所述管并且所述管构成封闭的冷却系统。这种冷却系统例如在文献DE 197 57 605A1中公开。为了建立与金属叠片的连接，所述管通常是压入或粘合的。在每种情况下都会留下接头，这种接头由于较小的导热率而构成增大热阻。此外，为了将集成所述管，需要增加叠片横截面。
本发明的目的是，这样改进定子，使得定子可以被高效地且以较少消耗地冷却。
所述目的由具有权利要求1的特征的定子和具有权利要求12的特征的无刷直流电机来实现。
为了在几何上描述电机的目的，将电机的转动轴设定为中心轴和对称轴。所述定子与所述转动轴和转子同轴地设置。所述转动轴同时定义了定子和定子芯的纵轴。此外，还关于所述纵轴讨论径向以及周向，所述径向表示到纵轴的距离，所述周向表示沿径向设置的确定的半径的切向。
本发明提出一种定子，用于无刷直流电机，所述定子具有定子芯，所述定子芯具有多个堆叠的定子叠片，每个所述定子叠片分别具有环形面和多个定子齿，所述定子齿绕所述定子的纵轴在周向上等间隔地设置，并且每个所述定子齿分别具有齿根和齿顶，其中，在所述定子芯的所述齿根上设置能够通电的绕组，用于构成线圈，其中，所述定子芯由三种不同类型的定子叠片形成，所述三种不同类型的定子叠片具有部分相对应的开口，所述开口相配合以构成多个冷却通道，每个所述冷却通道基本上平行于纵轴地从所述定子芯的一端延伸到所述定子芯的另一端。
所述冷却通道使得可以在定子组具有简单的结构的同时实现有效地冷却定子。所述冷却通道优选能由液体的冷却剂流动通过。所述冷却通道优选设计成，使得所述冷却通道在约2bar的压力下让足够的冷却体积流量通过。
优选两种类型的定子叠片在齿根的区域内具有开口。由此，可以引导所述冷却剂特别靠近发热的位置。
优选所述定子叠片的所述环形面构成定子基体。每个所述冷却通道分别从主通道多次分支到侧向通道中，所述主通道在所述定子基体中平行于所述纵轴延伸，每个所述侧向通道分别构造成从所述主通道垂直地伸入各个齿根中，并通过转向结构引回到所述主通道。通过所述侧向通道实现定向地引导冷却介质。
这里有利的是，侧向通道的通过转向结构连接的部分区域沿纵向相互间隔设置且相互平行地延伸，每个所述部分区域分别通过至少两个相同类型的定子叠片形成。由于两个部分区域通过相同类型的定子叠片形成，可以保持定子叠片类型的数量最小。
另一种类型的定子叠片优选构成所述转向结构。每个转向结构优选由单个定子叠片形成。最后一种类型的定子叠片优选构成所述主通道。形成所述部分区域的定子叠片优选还在所述主通道的区域内具有开口，从而所述开口还构成所述主通道的一部分。
在一个优选的实施形式中，每个所述定子齿具有单个冷却通道。冷却通道由此是对称的并且每个定子齿具有相同的冷却条件。
有利的是，每个所述冷却通道具有镜像对称面，所述定子芯的纵轴位于所述镜像对称面中，并且所述冷却通道的镜像对称面与相对应的所述定子齿的镜像对称面相同。这个实施形式使得可以均匀地冷却每个齿。
优选所述定子叠片的开口沿相对于纵轴的切向具有相同的宽度。
所述定子的所述定子齿根据具体应用领域在所述定子基体的外侧或内侧构成。
在一个优选的实施形式中，所有定子叠片具有相同的厚度(沿纵向的长度)。
此外还提出一种无刷直流电机，所述无刷直流电机具有能够绕纵轴可转动地支承的转子和前面描述的定子。冷却系统可以包括外部的泵。所述泵这里产生体积流，所述体积流用于冷却所述定子齿。冷却剂这里优选首先被引导通过所述定子中的冷却通道，然后被喷洒到所述定子齿的外侧上。但所述冷却系统也可以构造成包括在直流电机中的内部泵。这里，优选通过转子轴上的离心泵产生所需的压力。
冷却液为了避免发生腐蚀优选是油或惰性流体，所述惰性流体例如可以是液态的氮、氩、氦或二氧化碳，这种惰性流体优选设计成用于直接冷却电子部件。
无刷直流电机例如可以用在泵中，只要泵介质不会对定子有腐蚀性。例如齿轮油或其他烃基的流体是适当的。在牵引马达中使用同样是有利的。
下面参考附图来详细说明本发明的优选实施形式。相同类型或作用相同的构件在图中用相同的附图标记表示。其中：
图1示出内转子电机的定子芯的俯视图，
图2示出图1的定子芯沿线A-A的纵向剖视图，
图3示出图2的纵向剖视图的详细视图，以及
图4示出图3中标出编号的定子叠片的部分区域的俯视图。
在图1中示出内转子电机的定子的定子芯1。定子芯1同轴于纵轴100延伸。定子芯1由多个定子叠片2形成，这些定子叠片2沿纵轴100的方向相互堆叠。每个叠片2具有环形面3，环形面3在定子芯1的组装状态下构成定子基体4。在定子基体4的内侧上沿围绕纵轴100的周向上设置均匀间隔开的定子齿5，这些定子齿沿径向方向向内延伸。定子齿5在叠片2中与环形面3一体地构成。每个定子齿5分别具有齿根6和齿顶7。齿根6从定子基体4或环形面3出发沿径向方向延伸并且融入到齿顶7中。齿顶7沿周向方向具有比齿根6大的宽度。至少部分线圈(未示出)缠绕在定子齿5的齿根6上。齿顶7限定并固定绕组在定子齿5上的位置。定子固定地安装在电机壳体的内部并且设置成用于通过线圈产生随时间变化的磁场。磁化的转子(未示出)这里安装在定子芯1的中央开口中。转子设置成，通过与线圈产生的随时间变化的磁场的相互作用而转动。
如图2所示，定子芯1具有冷却通道8，冷却介质沿箭头流动通过冷却通道以移除热量。冷却通道8的主流动方向平行于纵轴。每个冷却通道8均包括主通道9和侧向通道10，主通道9平行于纵轴100延伸。主通道9设置在定子基体4中。主通道设置成沿周向方向均匀地间隔开并且设置在每个定子齿5的高度上。主通道9沿纵向100没有设计成连续的。主通道具有由沿径向方向向内伸入主通道9的板条11形成的中断。侧向通道10将每个主通道9的各个部段连接起来。侧向通道绕着板条11延伸。侧向通道10由此具有大致构造成U形的转向结构。这里，在制造技术上优选的是，转向结构的角度大致是直角。冷却剂由此沿纵轴100并且在径向方向以均匀的间距往复流动。平行于纵轴100延伸的部段的通道横截面或流动横截面在这里是恒定的。与此垂直延伸的通道部段同样具有恒定的流动横截面。
图3和4示出三种不同类型的定子叠片2，在这些定子叠片组装成的定子组中构成冷却通道8。
第一种类型的定子叠片12具有矩形的、大致正方形的第一开口13，第一开口13位于环形面3中。第一开口13具有镜像对称面，该镜像对称面优选与齿5的镜像对称面50是相同的。第一种类型的定子叠片12构成主通道9。
第二种类型的定子叠片14具有矩形的、以径向方向定向的纵向的第二开口15。第二开口15从环形面3沿齿根6延伸。第二开口14的镜像对称面50优选与齿5的镜像对称面50相同。由此，第二开口14构造成，使得在定子叠片组装成定子组的状态下，第一开口14与第二开口13在其靠近环形面的端部处相互对齐并且由此这些开口部分地相对应。第二种类型的定子叠片14构成侧向通道10。
第三种类型的定子叠片16在齿根6的区域内具有矩形的、大致正方形的第三开口17。第三开口17具有镜像对称面，该镜像对称面优选与齿5的镜像对称面50相同。第三种类型的定子叠片16构成侧向通道10的转向结构。第三开口17构造成，使得在定子叠片组装成定子组的状态下，第三开口17与第二开口15在其靠近齿顶的端部上相互对齐。
在定子组的组装状态下，每个部段分别仅使用一个单个的第一种类型的定子叠片12作为起始和末端叠片。在它们之间设置多个第二种类型的定子叠片14，在第二种类型的定子叠片的中间容纳一个单个的第三种类型的定子叠片16。组装的定子组具有多个部段。定子叠片的这种顺序或布置形式此时相应地重复。定子叠片中的开口13、15、17构成冷却剂通道8。由于仅使用了三种不同类型的定子叠片12、14、16，定子芯的制造较为经济。
冷却通道8具有大面积，用于实现高效的散热。此外已经证实的是，冷却通道可以确保实现磁通的均匀分布。此外，通道几何结构允许实现高的流动速度，同时在体积流量方面的流动损失和压力损失是可接受的。
冷却介质是液体，这种液体为了避免腐蚀优选是油或者惰性流体，这里，惰性流体例如可以是液态的氮、氩、氦或二氧化碳，这种惰性流体优选设计成用于直接冷却电子部件。
在图中示出的定子是内转子电机的一部分。但也可以设定，定子是内定子，内定子在周边侧由外转子包围。在这种实施形式中，定子芯的齿沿径向远离定子的纵轴向外突出。
Claims (12)
1.一种定子，用于无刷直流电机，所述定子包括定子芯(1)，所述定子芯(1)具有多个堆叠的定子叠片(2)，每个所述定子叠片(2)分别具有环形面(3)和多个定子齿(5)，其中，所述定子齿(5)绕所述定子的纵轴(100)在周向上等间隔地设置，每个所述定子齿(5)分别具有齿根(6)和齿顶(7)，其中，在所述定子芯(1)的所述齿根(6)上设置有能够通电的绕组，用于构成线圈，其特征在于，所述定子芯(1)由三种不同类型的定子叠片(12、14、16)形成，所述三种不同类型的定子叠片(12、14、16)具有部分相对应的开口(13、15、17)，所述开口(13、15、17)相配合以构成多个冷却通道(8)，每个所述冷却通道(8)基本上平行于所述纵轴(100)地从所述定子芯(1)的一端延伸到所述定子芯(1)的另一端。
2.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，在两种类型的定子叠片(14、16)中的所述开口(15、17)位于所述齿根(6)的区域中。
3.根据权利要求1或2所述的定子，其特征在于，所述定子叠片(2)的环形面(3)构成定子基体(4)，每个所述冷却通道(8)分别从主通道(9)多次分支到侧向通道(10)中，所述主通道(9)在所述定子基体(4)中平行于所述纵轴(100)延伸，每个所述侧向通道(10)分别构造成从所述主通道(9)垂直地伸入各个齿根(6)中，并通过转向结构引回到所述主通道(9)。
4.根据权利要求3所述的定子，其特征在于，所述侧向通道(10)的通过所述转向结构连接的部分区域沿纵向(100)相互间隔设置且相互平行地延伸，每个所述部分区域分别通过至少两个相同类型的定子叠片(14)形成。
5.根据权利要求3或4所述的定子，其特征在于，一种类型的定子叠片(16)构成所述转向结构。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的定子，其特征在于，一种类型的定子叠片(12)构成所述主通道(10)。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的定子，其特征在于，每个所述冷却通道具有多个所述转向结构，所述转向结构沿纵向等间隔设置。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的定子，其特征在于，所述转向结构通过单个定子叠片形成。
9.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其特征在于，每个所述定子齿(5)具有单个冷却通道(8)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其特征在于，每个所述冷却通道(8)具有镜像对称面(50)，所述定子芯(1)的所述纵轴(100)位于所述镜像对称面(50)中，并且所述冷却通道(8)的镜像对称面(50)与相应的所述定子齿(5)的镜像对称面(50)相同。
11.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其特征在于，三种类型的定子叠片(12、14、16)的所述开口(13、15、17)沿相对于所述纵轴(100)的切向具有相同的宽度。
12.一种无刷直流电机，具有转子和根据前述权利要求中任一项所述的定子，所述转子能够绕所述纵轴(100)可转动地支承。
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