CN117157856A - 电动通量型机器的定子以及轴向通量型机器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动轴向通量型机器的定子以及一种电动轴向通量型机器。轴向通量型机器(1)的定子(10)包括多个轴向突出的定子齿部(40)，第一绕组(50)绕至少一个定子齿部(40)卷绕，所述第一绕组(50)借助于至少一个径向间隔元件(90)与定子齿部(40)间隔开，使得在第一绕组(50)的径向内面(53)与定子齿部(40)之间形成间隙(120)，以便用于使冷却流体能够流动通过该间隙。所提出的轴向通量型机器的定子和配备有所述定子的轴向通量型机器提供了耐用单元，该耐用单元确保高效的冷却并且因此确保高性能。

Description

电动通量型机器的定子以及轴向通量型机器

技术领域

本发明涉及一种电动轴向通量型机器的定子以及一种电动轴向通量型机器。

背景技术

从现有技术已知电动传动系。该电动传动系包括用于能量存储、能量转换和能量传输的部件。能量转换部件包括电机、例如轴向通量型机器。轴向通量型机器从现有技术中已知为具有一个或更多个定子以及一个或更多个转子的各种设计。

也被称为横向通量型机器的电动轴向通量型机器是其中转子与定子之间的磁通平行于转子的旋转轴线实现的马达或发电机。用于电动轴向通量型机器的其他名称还有无刷DC马达、永久励磁同步马达或盘式马达。

根据功率范围或预期应用，通常需要通过高效冷却来消散由电机中的各种损耗产生的热。冷却确保避免了可能导致材料和部件损坏的临界温度。另外，冷却有助于提高电机的效率，因为电导体中的欧姆电阻特别地高度依赖于温度，这意味着功率损耗在较高温度下增加。

旋转电机的冷却通常主要发生在定子中。在该过程中，热从线材线圈消散至周围壳体或定子本体本身和/或周围空气。

特别地在具有高扭矩或功率密度的电机的情况下，利用向周围空气散热的表面冷却通常是不够的，使得需要利用冷却流体进行冷却。原则上，也使用油、水或水混合物，比如说例如水-乙二醇或介电液体。

然而，也不排除使用诸如空气之类的气态介质作为冷却介质。

通常还要求冷却系统在资金和技术上的努力很少情况下需要尽可能小的安装空间并确保最佳的热传递。

无论实施何种冷却，较低的轴向安装空间要求通常也是核心要求标准。

对于高功率密度，电机的绕组必须具有高的铜填充系数。这通常通过使用实心绕组线材导体来实现。这种类型的绕组也被称为棒式绕组。导体被称为杆。通常选择基本上矩形横截面的杆。

轴向通量型机器的绕组的线圈具有在周向上布置在定子齿部的几何相反侧上的正线圈侧和负线圈侧，其中，两个线圈侧均定位在为其设置的凹槽中，凹槽在定子齿部之间形成间隙。具有限定数目的匝的若干线圈的组合也被称为电机的绕组。在磁场中的绕组的每个线圈侧上感应出限定的电压。

从现有技术中已知集中的棒式绕组。利用这种形式的绕组，一个或更多个杆围绕定子齿部不间断地被导引至少一次，使得在线圈的每一侧上存在相同符号的电压感应。

电机的绕组与其他部件的铁之间的电磁耦合导致电机运行期间对绕组的力的改变，这增加了磨损或疲劳行为的风险。

在必要时，绕组被胶合或夹持至定子齿部和/或利用环氧树脂完全封装。

在一些已知的轴向通量型机器中，使用非常大量的呈围绕多个定子齿部卷绕的细线材形式的电导体来实现绕组。

从WO 01/11755A1中已知一种电动轴向通量型机器，其在转子的每一侧上具有定子。定子又各自具有环形轭部，该环形轭部具有从内侧径向地延伸至外侧的凹槽，在凹槽中导引多相绕组。

传统的电机大多经由热传导将热从绕组经由定子传递至冷却剂，或者经由对流将热传递至机器中的移动空气流。

直接冷却效率更高，其中，有问题的部件直接利用冷却介质、通常是油来冲洗，以便实现直接且显著更高的散热。

为了能够吸收由磁效应产生的作用在电导体上的力，绕组通常被胶合或夹持至定子齿部。因此，热仅可以从绕组的外侧传递至环境。在特定实施方式中，规定的是，冷却通道设置在用于固定绕组的灌封化合物、比如环氧树脂中，冷却介质流动通过该冷却通道。

发明内容

由此出发，本发明的目的是提供一种轴向通量型机器的定子以及一种配备有所述定子的耐用的轴向通量型机器，所述定子确保高效的冷却并且因此确保较高的性能。

该目的通过根据权利要求1的轴向通量型机器的定子和根据权利要求10的轴向通量型机器来实现。在从属权利要求2至9中列举了轴向通量型机器的定子的有利实施方式。

权利要求的特征可以以任何技术上有用的方式组合，其中，为此目的还可以查阅以下描述的说明以及来自附图的特征，这些说明和特征包括本发明的补充实施方式。

本发明涉及一种具有多个轴向突出的定子齿部的轴向通量型机器的定子，其中，第一绕组绕至少一个定子齿部卷绕。该第一绕组借助于至少一个径向间隔元件与定子齿部间隔开，使得在第一绕组的径向内侧与定子齿部之间形成间隙，以便用于使冷却流体能够流动通过该间隙。

在本发明的上下文中，定子齿部是从定子轭部轴向向外突出的突出部，该突出部具有基本上二维的构型，并且电导体绕该突出部卷绕，使得电导体形成线圈，该线圈的纵向轴线基本上平行于配备有转子的轴向通量型机器的旋转轴线。

在本说明书和权利要求的上下文中，术语“径向”、“轴向”和“沿周向方向”涉及绕定子齿部的绕组，除非另有明确说明。

第一绕组与定子齿部之间的由径向间隔元件形成的径向距离例如在0.3mm与0.7mm之间。特别地，径向距离可以是0.5mm至0.6mm。

该径向距离确保了部件可以直接冷却或利用冷却剂冲洗，而同时具有小的安装空间。

这导致具有相对较低的热阻的显著更短的热路径，因此可以实现绕组线材中的高的电流密度并且因此实现高的功率密度、即绕组的高的电流承载能力。

绕相应的定子齿部布置的相应的绕组可以具有杆状形状的纵向元件，杆状形状的纵向元件相对于配备有杆状形状的纵向元件的轴向通量型机器的旋转轴线基本上径向地延伸。

这种杆状形状的纵向元件也可以被称为杆。

在转子的通常构型中，配备有转子的轴向通量型机器的旋转轴线在转子的几何中心区域或中点中延伸。

相应的定子齿部包括基本上垂直于周向方向对准的侧表面。在第一绕组的情况下，杆状形状的纵向元件基本上搁置在这些侧表面上。附加绕组的杆状形状的纵向元件基本上平行于这些侧表面对准。例如，这种侧面可以被设计为基本上平坦的，使得与其平行地延伸的杆状形状的纵向元件被设计为基本上线性的。

在有利的实施方式中，规定的是，杆状形状的纵向元件的横截面具有宽度B和厚度D，其中，以下内容适用：

B/D>1.5。

为了在绕组中布置大量匝，该比率也可以是：B/D>2。

在电动的有利实施方式中，规定的是，具有较大长度、即在此为宽度的几何尺寸相对于定子齿部的轴向延伸的纵向轴线径向地延伸。

然而，在替代性构型中，杆状形状的纵向元件的圆形横截面也是可能的。

布置在定子齿部上的若干绕组、即绕组组件的整体由连续线材或杆材制成，或者重要定子齿部上的至少一个绕组由连续线材或杆材制成。

在另一有利实施方式中，规定的是，至少一个轴向间隔元件布置在至少两个杆状形状的纵向元件之间，使得在杆状形状的纵向元件之间形成间隙，以便用于使冷却流体流动通过该间隙。

在此，这里形成在同一绕组的杆状形状的纵向元件之间的轴向距离也可以在0.3mm与0.7mm之间，并且特别地在0.5mm与0.6mm之间。

轴向通量型机器的定子被设计成具有较高的性能和小的轴向总长度，特别地在至少一个定子齿部卷绕有第一绕组并且该第一绕组在其径向外侧上至少局部地由至少一个附加绕组围绕时。

相应的绕组包括多个匝，这些匝以基本上均匀的间距围绕定子齿部被导引，并且因此形成用于每个定子齿部的线圈。

第一绕组被实现为与定子齿部直接相邻，尽管根据本发明不应当排除在第一绕组与定子齿部之间布置另一层或另一元件、比如漆或绝缘材料。

在其径向外侧上，第一绕组的圆周由附加绕组围绕。就两个绕组的轴向范围而言，两个绕组之间可能存在差异。

由第一绕组和相应的附加绕组实现的单元也被称为绕组组件。

在定子的有利实施方式中，定子齿部中的所有定子齿部设置有第一绕组和围绕相应的第一绕组卷绕的附加绕组。

此外，本发明不排除相对于相应的定子齿部布置多个附加绕组的可能性，其中，所有绕组布置成在彼此内径向地嵌套。

在这种情况下，绕相应的定子齿部布置的绕组可以彼此串联地电连接。

彼此直接相邻布置的绕组可以借助于相应的连接部段彼此电连接。

绕相应的定子齿部布置的绕组可以具有相同的间距和/或相同的卷绕方向。

若干绕组或线圈的径向嵌套布置提供了显著增加电压感应或电压施加的可能性，并且因此提供了更高的效率。这意味着根据本发明的配备有转子的轴向通量型机器可以在轴向上相对较短地构建，或者可以在轴向长度保持相同的同时以较高的电压操作。由于径向嵌套的绕组或线圈，可以在轴向通量型机器中总体上实现高度集中的线圈布置，其具有特别地对于所谓的角点中的空载电压而言所必要的多个线圈侧。

在有利实施方式中，每个绕组或线圈具有限定数目的匝，其由串联电连接的单独的杆或杆状形状的纵向元件实现，单独的杆或杆状形状的纵向元件轴向地堆叠并且因此在定子齿部的每一侧上形成相应的线元件层。

在这方面，进一步径向向外布置的线圈或绕组封围径向内线圈，并且在另一包络层中包括串联连接的另外的杆或杆状形状的纵向元件。每个包络线圈可以具有不同数目的线圈侧或在一个线圈侧上具有不同数目的杆状形状的纵向元件。

在绕组嵌套布置的情况下，至少一个距离元件可以径向地布置在彼此直接相邻布置的绕组之间，使得在这些绕组之间形成间隙，以用于使冷却流体能够流动通过该间隙。

在此，此时在多个绕组的杆状形状的纵向元件之间形成的距离例如也可以在0.3mm与0.7mm之间，并且特别地在0.5mm与0.6mm之间。

此外，如果至少一个绕组的杆状形状的纵向元件中的至少两个杆状形状的纵向元件彼此固定，则轴向通量型机器的定子被有利地设计。

替代性地或附加地，彼此直接相邻布置的绕组的杆状形状的纵向元件中的至少两个杆状形状的纵向元件可以彼此固定。

因此，绕组或其匝可以被固定和加强。以这种方式，在电机的交变磁场中，由电机的绕组与其他部件的铁之间的电磁耦合产生的交变力和热机械应力可以被分布，并且因此更容易被绕组或匝承受。

对于固定，可以通过将绕组或若干绕组的杆胶合在一起来连接它们，使得形成连贯的部段。

杆状形状的纵向元件还可以经由在热下基本上在点处或在大面积上粘附的胶合、封装和/或烤漆来固定。

轴向间隔元件、径向间隔元件和/或距离元件中的至少一者还可以用于将杆状形状的纵向元件彼此固定，在这种情况下，轴向间隔元件、径向间隔元件和/或距离元件可以用于完全地或支承性地固定绕组。

在若干绕组彼此径向嵌套地布置在定子齿部上的情况下，布置在该定子齿部上的若干绕组或全部绕组可以根据本发明设计和/或彼此连接。

可以规定的是，由径向间隔元件在第一绕组上形成的接触表面的尺寸至多为第一绕组的与通过定子齿部形成的内表面相关的尺寸的1/20。

根据本发明的定子经由间隔元件或距离元件确保对一个或多个绕组的直接冷却，以在绕组中或在绕组与相邻部件之间产生间隙和空间。冷却介质可以流动通过这些间隙或空间，其中，要被冷却的至少一个元件与相应的流动通道的相反边界之间的距离足够大，使得足够的冷却介质可以每单位时间通过流动通道传导并且来自功率承载部件的热可以直接传递至冷却介质并且借助于对流从冷却介质中移除。

总体而言，与传统的轴向通量型机器相比，间隔元件或距离元件确保能够由冷却介质接触的功率承载部件的表面的数目和/或尺寸大大增加，使得可以非常高效地进行冷却。

本发明的另一方面是具有至少一个根据本发明的定子的轴向通量型机器。根据本发明的轴向通量型机器可以在转子的两个轴向侧上具有根据本发明设计的定子。

附图说明

下面参照示出了优选实施方式的附图针对相关的技术背景对上面描述的本发明进行详细说明。本发明不以任何方式受纯示意性附图的限制，其中，应当注意的是，在附图中所示的实施方式不限于所示的尺寸。在附图中：

图1：以立体图示出了轴向通量型机器，

图2：以分解图示出了轴向通量型机器，

图3：以立体图示出了轴向通量型机器的定子，

图4：以平面图示出了绕组组件，

图5：以立体图示出了绕组组件，

图6：以沿着图4中所示出的截面线CC的截面图示出了绕组组件，

图7：示出了来自图6的放大部分，

图8：示出了在其上布置有绕组组件的情况下的定子齿部的截面图，以及

图9：示出了来自图8的放大部分。

具体实施方式

首先，参照图1和图2来解释轴向通量型机器1的总体结构。

在此所示出的实施方式中，图1和图2中所示出的轴向通量型机器1包括形成定子10的两个定子半部11，在这两个定子半部之间轴向地布置有能够相对于定子半部11绕旋转轴线21旋转的转子20。

在此所示出的实施方式中，在至少一个定子半部11上布置有多个冷却剂连接部22和用于控制相关连接的插入式连接部23以及多个相连接部24。

如从图2中的分解图可以看出的，每个定子半部11包括所谓的定子轭部30，该定子轭部也可以被称为定子芯。基本上呈星形形状布置的定子齿部40从该定子轭部30沿轴向方向延伸。

如还可以从图2中的分解图看出的，每个定子半部11还具有与定子齿部40的数目对应的多个绕组组件43。绕组组件43被分配给每个定子齿部40。在图2中的右侧所示出的定子半部11上仅可以看到这些绕组组件43的第一连接部56。

基本上平行于轴向通量型机器的旋转轴线延伸的这些第一连接部56将轴向相对的绕组组件43彼此连接。

图3以立体图示出了定子半部11的定子轭部30。

轴向突出的定子齿部40在此清楚可见。在相应的定子齿部40的侧表面41之间形成有凹槽42。这些凹槽42用于容纳相应的绕组组件43的如图6所图示的杆状形状的纵向元件72，如还通过图3中的示例的方式所示出的。

这种绕组组件43在图4和图5中以不同的视图示出。

绕组组件43包括第一绕组，第一绕组也可以被称为第一线圈。第一绕组50由附加绕组60径向地围绕。两个绕组50、60的各个匝54具有相同的间距和/或相同的卷绕方向。

第一绕组50包括用于进行电接触的第一连接部56，并且附加绕组60包括用于与绕组组件43进行电接触的第二连接部62。在两个绕组50、60之间设置有用于将两个绕组50、60彼此电连接的连接部段55。

一起观察图3和图5，可以看出的是，第一绕组50的纵向轴线51平行于轴向通量型机器的旋转轴线21延伸。

相应的绕组50、60包括多个匝54，多个匝的部件是杆状形状的纵向元件72，杆状形状的纵向元件将被安置在凹槽42中。

图6示出了沿着图4中所指示的截面线CC的绕组组件43，其中，两个绕组50、60的分层布置清楚可见。可以看出的是，第一绕组50的径向外侧52基本上对应于附加绕组60的径向内侧61，或者抵靠附加绕组的径向内侧搁置，或者与附加绕组的径向内侧相距小的距离。绕组组件43及其各个绕组50、60形成第一线圈侧70和第二线圈侧71，其中，每个线圈侧70、71在其自身的凹槽42中延伸。

从图9中可以看出的是，相应的杆状形状的纵向元件72的宽度B显著地大于其厚度D。

这种几何形状设计和两个绕组50、60的径向嵌套允许在非常短的轴向空间中为每个定子齿部布置大量的杆状形状的纵向元件72，使得相对高的电压被施加至绕组50、60，并且因此被施加至定子，或者可以在此被感应。

图7示出了绕组50、60的各个匝54可以借助于一个或更多个固定件80彼此固定。彼此直接相邻布置的绕组50、60或其匝54可以例如借助于胶合而彼此固定。在径向方向上的固定件80还导致形成距离元件110，该距离元件用于在两个绕组50、60之间形成径向距离111。距离元件110可以部分地形成在两个绕组50、60之间，使得两个绕组50、60之间存在至少一个间隙，冷却剂可以流动通过所述至少一个间隙以便冷却这些匝54。

另外，两个绕组50、60的各个匝54之间的固定件80还形成轴向间隔元件100，每个轴向间隔元件形成匝54之间的轴向距离101。相应的轴向间隔元件100也可以仅部分地形成在匝54之间，以便在此也留出间隙或中空空间，冷却剂可以流动通过该间隙或中空空间，以便冷却这些匝54。

固定件80确保绕组50、60或其匝54以足够的方式承受作用的电磁力。

图8和图9以截面图示出了位于定子齿部40上的绕组组件43。在此可以看出的是，在第一绕组50的径向内侧53或内表面57与定子齿部40的外侧之间布置有多个基本上点状的径向间隔元件90。第一绕组50与定子齿部40之间的径向距离91由这些径向间隔元件90形成。

因此，在定子齿部40与第一绕组50之间形成间隙120，冷却剂可以流动通过该间隙，以便因此经由对流从第一绕组50散热。

通过在此提出的轴向通量型机器的定子并且通过配备有定子的轴向通量型机器，能够获得持久的单元，这些单元确保高效的冷却并且因此确保较高的性能。

附图标记列表

1轴向通量型机器

10定子

11定子半部

20 转子

21 旋转轴线

22 冷却剂连接部

23 插入式连接部

24 相连接部

30 定子轭部

40 定子齿部

41 侧面

42 凹槽

43 绕组组件

50 第一绕组

51 纵向轴线

52 第一绕组的径向外侧

53 第一绕组的径向内侧

54 匝

55 连接部分

56 第一连接部

57 内表面

60 附加绕组

61 附加绕组的径向内侧

62 第二连接部

70 第一线圈侧

71 第二线圈侧

72 杆状形状的纵向元件

80 固定件

90 径向间隔元件

91 径向距离

100 轴向间隔元件

101 轴向距离

110 距离元件

111 距离

120 间隙

B 宽度

D 厚度

Claims (10)

1.一种轴向通量型机器(1)的定子(10)，所述定子包括多个轴向突出的定子齿部(40)，其中，第一绕组(50)绕至少一个定子齿部(40)卷绕，所述第一绕组(50)借助于至少一个径向间隔元件(90)与所述定子齿部(40)间隔开，使得在所述第一绕组(50)的径向内侧(53)与所述定子齿部(40)之间形成间隙(120)，以便用于使冷却流体能够流动通过所述间隙。

2.根据权利要求1所述的轴向通量型机器的定子，其特征在于，绕相应的定子齿部(40)布置的相应的绕组(50)具有杆状形状的纵向元件(72)，所述杆状形状的纵向元件相对于配备有转子(20)的轴向通量型机器(1)的旋转轴线(21)基本上径向地延伸。

3.根据权利要求2所述的轴向通量型机器的定子，其特征在于，杆状形状的纵向元件(72)的横截面具有宽度B和厚度D，其中，以下内容适用：B/D>1.5。

4.根据权利要求2和3中的任一项所述的轴向通量型机器的定子，其特征在于，在至少两个杆状形状的纵向元件(72)之间布置有至少一个轴向间隔元件(100)，使得在所述杆状形状的纵向元件(72)之间形成间隙(120)，以便用于使冷却流体能够流动通过所述间隙。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的轴向通量型机器的定子，其特征在于，至少一个定子齿部(40)卷绕有第一绕组(50)，并且所述第一绕组(50)在所述第一绕组的径向外侧(53)上至少局部地由至少一个附加绕组(60)围绕。

6.根据权利要求5所述的轴向通量型机器的定子，其特征在于，在彼此直接相邻布置的绕组(50、60)之间径向地布置有至少一个距离元件(110)，使得在所述绕组(50、60)之间形成间隙(120)，以便用于使冷却流体能够流动通过所述间隙。

7.根据权利要求2至6中的任一项所述的轴向通量型机器的定子，其特征在于，至少一个绕组(50、60)的所述杆状形状的纵向元件(72)中的至少两个杆状形状的纵向元件彼此固定。

8.根据权利要求5至7中的任一项所述的轴向通量型机器的定子，其特征在于，彼此直接相邻布置的所述绕组(50、60)的所述杆状形状的纵向元件(72)中的至少两个杆状形状的纵向元件彼此固定。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的轴向通量型机器的定子，其特征在于，由所述径向间隔元件(90)在所述第一绕组(50)上形成的接触表面的尺寸至多为所述第一绕组(50)的与通过所述定子齿部(40)形成的内表面(57)相关的尺寸的1/20。

10.一种轴向通量型机器(1)，所述轴向通量型机器包括至少一个根据权利要求1至9中的任一项所述的定子(10)。