CN117121340A - 电动轴向通量型机器的定子及轴向通量型机器 - 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)，围绕至少一个定子齿部(40)卷绕有第一绕组(50)，所述第一绕组(50)在其径向外部面(53)的至少一部分上由至少一个附加的绕组(60)围绕。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将轴向紧凑尺寸与高性能相结合的耐用单元。

Description

电动轴向通量型机器的定子及轴向通量型机器

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

电动传动系在现有技术中是已知的。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。

根据功率范围或应用，通常需要通过高效冷却来消散电机中的各种损耗所产生的热。冷却确保了可能导致材料和部件损坏的临界温度得以避免。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尤其与温度相关，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，通过向周围空气散热的表面冷却通常是不够的，使得必须利用冷却流体进行冷却。原则上，可以使用油、水或水混合物比如说例如水-乙二醇，而且还可以使用介电液体。

然而，也不排除使用诸如空气之类的气态介质作为冷却剂。

通常还要求冷却系统需要尽可能小的安装空间以及很低的经济和技术成本，并且确保最佳的热传递。

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较高的铜填充系数。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杆式绕组。导体被称为杆。通常选择具有大致矩形横截面的杆。

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此目的而设置的凹槽中，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。在磁场中在绕组的每个线圈侧上感应出限定的电压。集中的杆式绕组根据现有技术是已知的。在这种形式的绕组中，一个或更多个杆围绕定子齿部以无间断的方式被导引至少一次，使得在每个线圈侧中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缠绕的细线材形式的电导体来实现绕组。

从WO 01/11755 A1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向外侧径向延伸的凹槽，多相绕组在凹槽中被导引。

特别地，为了实现轴向紧凑的机器，有必要优化或最小化整个机器的尺寸和各个部件的尺寸。然而同时，必须借助于适当数目的绕组或线圈侧在适当电路中确保每相的总电压感应以用于所需的空载电压。

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该定子的耐用的轴向通量型机器，其将轴向紧凑的尺寸与高性能相结合。

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。

本发明涉及一种轴向通量型机器的定子，其具有多个轴向突出的定子齿部，其中，第一绕组围绕至少一个定子齿部卷绕，所述第一绕组在其径向外部面的至少一部分上由至少一个附加的绕组围绕。

在本发明的上下文中，定子齿部是从定子轭部轴向突出的突出部，该突出部具有基本上二维的构型，并且围绕该突出部卷绕有电导体，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”涉及围绕定子齿部的绕组，除非另有明确说明。

相应的绕组包括多个匝，这些匝以基本上均匀的节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。

第一绕组被执行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，第一绕组的圆周由另一绕组围绕。就两个绕组的轴向延伸而言，两个绕组之间可能存在差异。

由第一绕组和相应的另一绕组实现的单被元也被称为绕组包。

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另一绕组。

此外，本发明不排除相对于相应的定子齿部布置若干另外的绕组的可能性，其中，所有绕组布置成径向地彼此嵌套。

若干绕组或线圈的径向嵌套的布置结构为大幅提高电压感应或电压施加提供了可能性，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。

在有利的实施方式中，可以设置的是，布置在相应的定子齿部上的绕组以串联的方式彼此电连接。

在这种情况下，在相应的定子齿部上彼此径向紧邻布置的绕组可以借助于相应的连接部段彼此电连接。

例如，布置在相应的定子齿部上的绕组可以具有相同的节距和/或相同的卷绕方向。

为了实现高的电流密度，还可以设置的是，布置在相应的定子齿部上的绕组具有杆状纵向元件，杆状纵向元件相对于配备有转子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，配备有转子的轴向封闭式机器的旋转轴线在转子的几何中心区域或中点延伸。

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，杆状纵向元件基本上搁置在这些侧表面上。另外的绕组的杆状纵向元件基本上平行于这些侧面对准。例如，这样的侧表面可以设计成是基本上平坦的，使得与其平行延伸的杆状纵向元件设计成是基本上线性的。

杆状纵向元件的横截面可以具有宽度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。在电气方面有利的实施方式中，可以设置的是，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，在替代性实施方式中，杆状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的整体、即绕组包由连续线材或杆材制成，或者相关的定子齿部上的至少一个绕组由连续线材或杆材制成。

为了确保绕组的匝的必要位置，可以设置的是，至少一个绕组的杆状纵向元件中的至少两个杆状纵向元件彼此固定。

替代性地或附加地，可以设置的是，彼此直接相邻布置的绕组的杆状纵向元件中的至少两个杆状纵向元件彼此固定。

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散，并且因此更容易被绕组或匝承受。

为了固定，可以通过将绕组或若干绕组的杆粘附在一起来连接它们，使得形成连贯的部段。

杆状纵向元件还可以通过胶合、封装和/或烤漆来固定，烤漆在加热的情况下基本上以点状或在一定面积上进行粘合。

另一有利的实施方式设置的是，第一绕组借助于至少一个径向间隔件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实现有自由空间，以用于使冷却流体在第一绕组的径向内侧与定子齿部之间流动的目的。

由第一绕组上的径向间隔件元件实现的接触表面的尺寸可以例如最多是由与定子齿部相对的第一绕组形成的内表面的1/20。

由径向间隔件元件实现的第一绕组与定子齿部之间的径向距离例如在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被直接冷却或利用冷却剂进行冲洗，而且同时具有小的安装空间。

这使得热路径大幅缩短且具有相对较低的热阻，因此可以实现绕组线材中的高电流密度并且因此实现高功率密度、即绕组的高载流能力。

可以在至少两个杆状纵向元件之间布置至少一个轴向间隔件元件，使得在杆状纵向元件之间实现有自由空间，以用于使冷却流体流动通过杆状纵向元件的目的。

在此，在相同绕组的杆状纵向元件之间所实现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。

此外，至少一个间隔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实现有自由空间，以用于使冷却流体流动通过这些绕组的目的。

在此，此时在多个绕组的杆状纵向元件之间所实现的距离也可以在0.3mm与0.7mm之间并且特别地在0.5mm与0.6mm之间。

轴向间隔件元件、径向间隔件元件和/或间隔元件中的至少一者还可以用于将杆状纵向元件彼此固定，在这种情况下，轴向间隔件元件、径向间隔件元件和/或间隔元件可以用于完全地或支撑性地固定绕组。

因此，根据本发明的定子确保一个或多个绕组经由间隔件元件或间隔元件直接冷却，以在绕组中或在绕组与相邻部件之间形成间隙和空间。冷却剂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，使得在每单位时间内足够的冷却剂可以传导通过流动通道，并且可以将来自功率承载部件的热直接传递至冷却剂并且借助于对流从冷却剂中移除。

总体而言，与常规的轴向通量型机器相比，间隔件元件或间隔元件确保了功率承载部件的能够被冷却剂接触的表面的数目和/或尺寸显著增加，使得可以非常高效地进行冷却。

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绕组中的若干绕组或所有绕组可以根据本发明进行设计和/或彼此连接。

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非常集中的线圈布置结构，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。

在有利的实施方式中，每个绕组或线圈具有限定数目的匝，其由以串联的方式电连接的单独的杆或杆状纵向元件实现，单独的杆或杆状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形元件层。

在这方面，进一步径向向外布置的线圈或绕组包络住径向内部的线圈并且在另一包络层中包括进一步串联连接的杆或杆状纵向元件。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纵向元件。

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包，

图5：以立体图示出了绕组包，

图6：以沿着图4中所示出的截面线C-C截取的截面图示出了绕组包，

图7：示出了图6的放大截面，

图8：示出了其上布置有绕组包的定子齿部的截面图，以及

图9：示出了图8的放大截面。

具体实施方式

首先，参照图1和图2来解释通量型机器1的总体结构。

在此处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包括作为定子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转子20，该转子能够相对于定子半部11绕旋转轴线21旋转。

在此处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的数目相对应的多个绕组包43。绕组包43与每个定子齿部40相关联。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包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将轴向相对的绕组包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在此清晰可见。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包43的如图6中所指示的杆状纵向元件72，如也在图3中通过示例的方式所示出的。

这种绕组包43在图4和图5中以不同的视图示出。

绕组包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由另一绕组60径向地围绕。两个绕组50、60的各个匝54具有相同的节距和/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，并且另一绕组60包括用于与绕组包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，所述多个匝的部件是杆状纵向元件72，杆状纵向元件将被放置在凹槽42中。

图6示出了沿着图4中所指示的截面线C-C截取的的绕组包43。在此，两个绕组50、60的分层布置清晰可见。可以看出的是，第一绕组50的径向外部面52基本上对应于另一绕组60的径向内部面61，或者抵靠另一绕组的径向内部面搁置，或者与另一绕组的径向内部面相距较小的距离。绕组包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纵向元件72，使得相对较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。在这种情况下，彼此直接相邻布置的绕组50、60或者其匝54可以例如借助于粘合剂结合的方式而彼此固定。在径向方向上的这种固定件80还使得形成间隔元件110，以在两个绕组50、60之间形成径向距离111。间隔元件110可以部分地形成在两个绕组50、60之间，使得在这两个绕组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用于冷却绕组54的目的。

另外，两个绕组50、60的各个绕组54之间的固定件80还形成轴向间隔件元件100，轴向间隔件元件各自实现匝54之间的轴向距离101。相应的轴向间隔件元件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腔，冷却剂可以流动通过间隙或腔以用于冷却匝54的目的。

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上的绕组包43。在此，可以看出的是，在第一绕组50的径向内部面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件元件90。第一绕组50与定子齿部40之间的径向距离91由这些径向间隔件元件90实现。

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。

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将轴向紧凑尺寸与高性能相结合的耐用单元。

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 绕组包

50 第一绕组

51 纵向轴线

52 第一绕组的径向外部面

53 第一绕组的径向内部面

54 匝

55 连接部段

56 第一连接部

57 内表面

60 另一绕组

61 另一绕组的径向内部面

62 第二连接部

70 第一线圈侧

71 第二线圈侧

72 杆状纵向元件

80 固定件

90 径向间隔件元件

91 径向距离

100 轴向间隔件元件

101 轴向距离

110 间隔元件

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)，包括多个轴向突出的定子齿部(40)，其中，围绕至少一个定子齿部(40)卷绕有第一绕组(50)，所述第一绕组(50)在其径向外部面(53)的至少一部分上由至少一个附加的绕组(60)围绕。

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，布置在相应的定子齿部(40)上的所述绕组(50、60)以彼此串联的方式电连接。

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，在相应的定子齿部(40)上径向地彼此直接相邻布置的绕组(50、60)在每种情况下借助于连接部段(55)彼此电连接。

4.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，布置在相应的定子齿部(40)上的所述绕组(50、60)具有相同的节距和/或相同的卷绕方向。

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，布置在相应的定子齿部(40)上的所述绕组(50、60)具有杆状纵向元件(72)，所述杆状纵向元件相对于配备有转子(20)的轴向通量型机器的旋转轴线(21)基本上径向地延伸。

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，杆状纵向元件(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。

7.根据权利要求5和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)的所述杆状纵向元件(72)中的至少两个杆状纵向元件彼此固定。

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，所述杆状纵向元件(72)中的至少两个杆状纵向元件通过彼此直接相邻布置的绕组(50、60)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，所述第一绕组(50)借助于至少一个径向间隔件元件(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)之间实现有自由空间(120)，以用于使冷却流体在所述第一绕组的径向内侧与所述定子齿部之间流动的目的。

10.一种轴向通量型机器(1)，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)。