CN101416370B - 用于多相位电机的定子以及制造该定子的方法 - Google Patents

用于多相位电机的定子以及制造该定子的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于多相位电机的定子(16)，所述定子(16)具有铁芯体(17)，所述铁芯体(17)设有具有槽宽(bn1、bn2)的槽(114)，所述槽(114)在径向方向上关于所述电机的转轴在所述铁芯体(17)的一侧以平行于所述铁芯体(17)纵轴线的方式布置，而在对置的一侧设有定子磁轭(122)，其中，每两个槽(114)分别通过一个具有齿宽(bz1、bz2)的齿(116)彼此隔开，并且它们从槽底(120)一直延伸到齿头(118)，这些槽(114)被设置用于接纳至少一个线圈绕组，所述至少一个线圈绕组设有多个串联电连接的线圈，所述线圈是由至少一个连续的线缆(124)以不中断的方式制成的，其中，在所述齿头(118)的齿宽(bz2)与磁轭高度(hj)的比值(bz2/hj)处于0.3至0.8之间，和/或在所述齿头(118)的齿宽(bz2)与在所述齿头(118)的槽宽(bn2)的比值(bz2/bn2)处于0.3至3之间，和/或在所述槽(114)内的线缆(124)的铜质量与所述线缆(124)的总铜质量的比值(mCu(槽)/mCu(总))处于0.43至0.55之间。

Description

用于多相位电机的定子以及制造该定子的方法
技术领域
本发明涉及一种定子及多相位电机，尤其涉及用于机动车的多相位发电机，其具有定子，本发明还涉及制造所述的定子的方法。
背景技术
对于发电机已经公开了多种方法和系统用以实现很高的槽填充因数，其中槽的超过百分之六十的部分是以铜质导线填充的，例如由DE10302947A1、DE10306147A1或者EP1372242A2所公开的那样。也可以经由定子槽从端侧沿轴向插装U形连接件，将U形连接件在对置的一侧弯曲并相互焊接。这种方法非常复杂，并且由于大量的焊接点而十分昂贵。也可以将绕组置入平整叠片组开放的槽内，随后将该叠片组连同该绕组一起圆形弯曲。这种方法也很复杂，并且会带来公差的问题。
本发明致力于通过合适设计的定子克服之前所述的缺点，或者至少显著降低这些缺点。
发明内容
本发明从这一点出发：借助卷绕芯轴将绕组插入到圆形叠片组的槽内，在这里绕组将被芯轴接纳并且随后沿径向置入叠片组开放的槽内，在这里线缆宽度基本对应于扣除槽绝缘部的槽宽度。
根据本发明的定子具有下述特征：在齿头处的齿宽与磁轭高度的比值处于0.3至0.8之间，和/或在齿头处的齿宽与在齿头处的槽宽的比值处于0.3至3之间，和/或在槽内的线缆的铜质量与线缆的总铜质量的比值处于0.43至0.55之间，其中，槽缝隙宽度基本等于在齿头处的槽宽。总铜质量也包括连接线缆。于是就可以替换或者组合地实现齿宽相对于磁轭高度、齿宽相对于槽宽和/或定子冷却效果的优化设计。有利的是：定子的叠片组不具有突出的齿头；各个绕组都由连续线缆制成；以及槽宽大约等于线缆宽度。按照适当方式，在设计定子时槽以侧面平行的方式构成。在齿宽相对于磁轭高度的比小于0.3或者所述齿宽相对于槽宽的比小于0.3的小数值情况下，当通电时定子磁路是如此之弱，以致于在多相位电机可输出最大功率之前其就达到了饱和。在齿宽相对于磁轭高度的比大于0.8或者齿宽相对于槽宽的比大于3的情况下，尽管磁路获得了良好的尺寸，然而绕组阻抗将由于槽面变得越来越小而增大。根据本发明的范围，在定子中优选的槽数量为60至120。如果设有更少的槽，那么线缆直径将由于变大的槽面而变大，并在线缆中导致过强的集肤效应。根据本发明所述的铜质量比例关系使得即便由于侧面平行的槽而导致该槽面小于梯形槽并因而在槽内布置了更少的铜，也能有利地冷却定子。槽内的铜质量和在对应的绕组端部中的铜质量构成定子内的铜的总质量，其中，所述槽内的铜质量构成产生电磁的活性部分；而绕组端部中的铜质量用于冷却，同时也共同产生绕组阻抗，进而也产生铜损。尽管铜质量较小，也可以实现足够的冷却。对于转子铁芯长度较小的发电机，质量比的最优点移向较高的值，对于转子铁芯长度较大的发电机，质量比的最优点移向较低的值。
“在齿头处的齿宽与磁轭高度的比值”的一个特别有利的范围是处于0.4至0.6之间、优选处于0.4至0.5之间。
“在齿头处的齿宽与在齿头处的槽宽的比值”的一个特别有利的范围是处于0.5至2.5之间、优选处于0.7至1.6之间。
“槽内线缆的铜质量与定子中线缆的总的铜的质量的比值”的一个特别有利的范围位于0.45至0.53之间，优选位于0.47至0.51之间。
按照优选方式，槽在齿头区域内与在槽底区域内具有近似的大约相同尺寸的宽度。
在一个有利的设计中，如果绕组的线缆具有绕组端部，该绕组端部轴向突出于槽并且对该绕组端部进行浸渍处理，那么尽管没有突出的齿头也能实现绕组的良好固定，其中，一个相位的线缆在绕组端部的浸渍通过与其他所有的相位浸渍处理而具有至少一个接触点，所述至少一个接触点是借助浸渍处理来加固的。
本发明还提供具有前述定子的多相位电机，所述电机是齿形电极发电机，其中，所述转子包括两个齿形电极板，这两个齿形电极板在轴向通过磁极铁心隔开。
有利的是，所述绕组端部基本位于风扇的径向冷却气流中。
有利的是，所述冷却气流基本由两个风扇生成，所述两个风扇在轴向连接在所述转子的两个端侧，并且分别具有与所述齿形电极板共用的贴合面。
有利的是，冷却气流流经分隔所述定子和转子的气隙，并因而冷却位于所述槽内的线缆。
根据本发明制造用于多相位电机的定子的方法规定，以叠片组制成铁芯体，所述叠片组是由具有槽和齿的条材成型得到的，其中，这些平行布置且相互衔接的条材是以成对方式从一个带材切割而得的。这样产生的边角料很少，于是可以廉价地制造。
可以由衔接地平行的条材中的一个由这种条材或者条形薄片如下构成平的铁芯体，即，以预定长度截取它，并且将在这里所获得的条式薄片相互叠放或者叠装。在后续的方法步骤中，将平的叠片组弯曲成圆形定子。
替换地，也可以由衔接地平行的条材螺旋卷绕成圆形或者中空圆柱形的铁芯体，随后将绕组置入圆形叠片组内。在这里，借助条材围绕圆柱体轴线的每一圈就在之前存在的层上形成一个叠片组的层。
在一个有利方法步骤中，通过对线缆的绕组端部进行浸渍处理，以将线缆固定至槽内。
在一个有利的方法步骤中，绕组的圆形线缆将被挤压变形为圆形定子的槽形，随后被安装到定子内。
附图说明
图中：
图1a表示一个优选的定子的俯视图；
图1b表示一个优选的定子的俯视局部视图；
图2表示制造设有齿的条材用以制造定子时的一个优选的方法步骤；
图3a表示在挤压之前，线缆被安装到定子内之前对线缆进行挤压的一个优选的方法步骤；以及
图3b表示挤压之后；
图4示出定子的温度变化，是关于槽内导体材料与定子内总的导体材料之间的质量比；
图5表示被构造为齿形电极发电机的多相位电机的剖视图；
图6表示平整的长方形的叠片组(原理性的)；以及
图7表示圆柱形的叠片组，所述叠片组是将之前平整的叠片组(原理性的)圆形弯曲而得到的。
具体实施方式
图5示出被构造为发电机的多相位电机10，其例如被用于机动车。电机10具有包括铁芯体17和绕组系统18的定子16。定子16借助两个轴承端盖来支承，这两个轴承端盖分别是滑环侧轴承端盖13.2和面对带轮6的驱动侧轴承端盖13.1。在这里，定子16径向包围布置在轴27上的转子20，转子20被构造为齿形电极转子。转子20具有两个齿形电极板22、23，在它们外缘布置有分别沿轴向延伸的基本呈梯形的齿指24、25。轴27支承有两个极性相反的齿形电极板，这些齿形电极板是如此布置的，即它们的沿轴向延伸的齿指相互地啮合并且在周边方向上彼此交错地作为北极和南极。于是就在被相反地磁化的在周边方向上对置的齿指之间形成了磁性所必须的齿形电极间隙。沿周边方向对置的齿指24、25的齿指尖端彼此之间具有轴向间距。转子20基本呈圆柱形并具有磁极铁芯26，磁极铁芯26使得这两个齿形电极板22、23保持间隔，同时磁极铁芯26也被励磁绕组21包围。励磁绕组包括唯一的环形线圈，该环形线圈具有极对。齿形电极板22、23、磁极铁心26和励磁绕组21共同构成转子20的活性磁性部分。轴27在两侧分别支承在一个滚动轴承28内，这些滚动轴承分别布置在这两个轴承端盖13.1、13.2之一内。在该实施例中，在滑环侧轴承端盖13.2之后(在该轴承端盖外侧)设有未进一步描述的6脉冲桥式电路(6-pulsigeBrückenschaltung)以及调节转子20的电磁激励的电子式场调节器，该场调节器与励磁绕组21接触，替换地在滑环侧轴承端盖13.2内也可既布置场调节器又布置6脉冲桥式电路。6脉冲桥式电路在这里被构造为桥式整流器19。在转子20的两个端面上分别轴向连接有一个风扇30。风扇30用于冷却电机10，尤其是经由定子16的绕组端部45、46对定子16进行冷却。
为此，新鲜空气通过空气输入口40轴向被吸取，新鲜空气被朝向径向转向并且朝向绕组端部45、46的至少一部分，于是新鲜空气就冷却了绕组端部45、46。最好将风扇30构造为径流式通风机，然而也可以将其构造为这种形式：即它们单独或者它们两者都具有至少一个轴向分量。
被构造为发电机的电机10具有如下功能：如果驱动装置(例如机动车的内燃机)经由带轮6旋转驱动轴27，那么转子20就将回转，并且当电流流经励磁绕组21时就将在定子16的绕组系统18内感生得到多相位的交变电压，经由与定子16绕组系统18相连的桥式整流器19对该交变电压进行整流。另外，也可以将绕组系统18在绕组端部附近连接。通过控制励磁电流就可以将输出电压的大小控制在恒定的电压上，该恒定的电压不取决于转速和负载。该直流电向用电器供电，并向汽车电网的电池充电。
图1a示出优选的定子16的俯视图，其中出于简化的原因未示出绕组系统18。图1b以截面形式示出用于多相位电机优选的定子16的剖面图。定子16具有铁芯体17，铁芯体17设有槽114(局部视图中可以看到一个槽114)，在径向方向上从电机旋转轴线出发观察槽114，槽114在一侧平行于铁芯体17的纵轴线(该纵轴线与未示出的旋转轴线重合)，而铁芯体在对置的一侧设有定子磁轭122。槽114在槽底120具有第一槽宽bn1，而在齿头118的区域中具有第二槽宽bn2。每两个槽114分别通过一个齿116彼此隔开，齿116从槽底120一直延伸到齿头118。
齿116在槽底具有第一齿宽bz1，而在齿头118处具有第二齿宽bz2，并且在齿头118以槽缝隙宽度sn间隔开。“槽底上的齿宽bz1”是这样一种距离，在那里齿的齿侧的假想延长线与槽底的假想延长线必要时相交。当齿侧与槽底之间的过渡部被倒圆时，例如这里示出这样获得齿宽bz1。定子16可以被设计用于外转子或者内转子。对于外转子，槽114径向向外伸而磁轭122向内伸，对于内转子的情况，槽114径向向内伸而磁轭向外。齿116在齿头118的区域内以及在槽底120的区域内具有近似的宽度，也就是说齿头118不是突出地构成的，因而并基本不凸出于槽。槽缝隙宽度sn基本等于在齿头118的槽宽bn2。图1b所示仅为原理性的。
槽114被设置用于接纳至少一个线圈绕组，所述至少一个线圈绕组设有多个串联电连接的线圈，所述线圈是由至少一个连续线缆124以不中断的方式制成的。
根据本发明，比值bz2/hj(在齿头118处的齿宽bz2与磁轭高度hj的比值)处于0.3至0.8之间、优选处于0.4至0.6之间、特别优选处于0.4至0.5之间，其中，所述磁轭高度是铁芯体17的槽底120与铁芯体17的对置的外径之间的径向距离。对于这种情况：即外径所在位置上同样设有外齿的情况，不考虑其自弧形连续磁轭部起的径向延展。根据本发明，比值bz2/bn2(在齿头118处的齿宽bz2与在齿头118处的槽宽bn2的比值)处于0.3至3之间、优选处于0.5至2.5之间、特别优选处于0.7至1.6之间。
在将定子16安装到多相位电机未示出的发电机壳体内时有意义的是，将定子16张紧在对于发电机常见的轴承端盖13.1、13.2之间，张紧面以环形方式既平行又彼此在确定安装间隔下在定子16的端侧上构造为用于轴承端盖13.1、13.2的安装面，并且所述张紧面在定子磁轭122的磁所需要的部分之上径向延伸，这是因为绕组径向向外仅很少地凸出于槽底120。此外有利的是，在三到四个位置上在定子16的外缘上附加地布置未进一步示出的槽，这些槽允许壳体螺栓以更小的半径在发电机周边安装，例如在这些被施加在定子16外缘上的槽的槽底上。
图2以俯视图示出两个设有齿且平行的条材126、128，具有槽和齿的条材是如此布置的，即这些条材彼此平行且彼此啮合，以便以成对且边角料很少的方式从带材切割而得，参见WO 01/54254。
以叠片组制成铁芯体17以便制造定子16，叠片组是由设有齿的平行的条材126、128形成的。这如下实现，即，齿头118是不突出的，也就是说在周边方向上不伸出齿。以预定长度截取的条材126、128可以作为条式薄片彼此层叠成平的叠片组108，并围绕平行于叠片组堆叠方向的轴线借助弯曲成型将其卷曲成圆形的叠片组112，由此构成铁芯体17。接着可以引入绕组的线缆124。
替换地，可以借助线缆124将绕组放置在平的叠片组108内，随后弯曲成定子16。在叠片组中，与圆形状态相比较，在平的状态下的槽114以更宽的程度张开。于是，绕组可以更简单地安装到叠片组上。
图6示出被构造为平的叠片组108的铁芯体17的一个示例，叠片组108具有两个叠片组端部109、110。通过圆形弯曲叠片组108并随后连接两个彼此紧贴的叠片组端部109、110，就产生了图6所示的圆形叠片组112，圆形叠片组112具有结合点111。在根据本发明的方法中，在圆形弯曲之前就将绕组系统18安装到平的叠片组108上，这在图7中没有示出。
可以通过对线缆124的绕组端部进行浸渍处理，以将线缆124固定至槽114内。齿116设有不突出(即沿周边方向相对于齿基本不伸出)的齿头118的情况是特别有利的，这是因为对于将绕组安装到槽114内而言槽缝隙宽度必须大于线缆宽度。此外有利的是，线缆124在绕组端部中的浸渍通过与其他所有的相位浸渍处理而具有至少一个接触点，所述至少一个接触点将会借助浸渍处理而变得坚固。
有利的是，以圆形线缆124制成绕组，并将该绕组挤压变形成圆形定子16的槽形状。在这里可以对填充槽114的全部线缆共同挤压，也可以单独挤压各个线缆。图3a示出在线缆124被挤压线缆124之前处在模具130内的圆形线缆124，模具130具有圆形定子16的槽形。箭头示出在挤压时作用到线缆124上的力作用方向。图3b示出被在模具130内挤压后的线缆124。模具130的小幅度的梯形简化了线缆124的出模。挤压使得可以以很低的成本在槽114内获得更高的绕组填充系数或者说线缆124的填充系数。特别有利的是，用于挤压绕组的工具的宽度和/或模具130内侧的端部轮廓是原始线缆直径的1倍至1.49倍。这样就可以避免绝大多数的线缆交叉。既可以挤压单独的线缆124，也可以一同挤压所有的线缆124。
图4示出定子16的温度Ts变化，该变化是mCu(槽)/mCu(总)即表示在槽114内的线缆124的铜质量(或者金属质量)mCu(槽)与mCu(槽)线缆124的总铜质量(或者总金属质量)的比值的函数。线缆124优选以铜制成。根据本发明，mCu(槽)/mCu(总)比值处于0.43至0.55之间、优选处于0.45至0.53之间、特别优选处于0.47至0.51之间。温度Ts在小质量比情况下很高，例如170摄氏度，而当其上升到较高的质量比时，温度Ts将下降到最小值，例如150摄氏度。

Claims (18)

1.一种用于多相位电机的定子(16)，所述定子(16)具有铁芯体(17)，所述铁芯体(17)设有具有槽宽(bn1、bn2)的槽(114)，所述槽(114)关于所述电机的旋转轴线在径向方向上在所述铁芯体(17)的一侧以平行于所述铁芯体(17)纵轴线的方式布置，而铁芯体在对置的一侧设有定子磁轭(122)，其中，每两个槽(114)分别通过具有齿宽(bz1、bz2)的齿(116)彼此隔开，并且它们从槽底(120)一直延伸到齿头(118)，这些槽(114)被设置用于接纳至少一个线圈绕组，所述至少一个线圈绕组设有多个电串联连接的线圈，所述线圈是由至少一个连续的线缆(124)以不中断的方式制成的，其特征在于，在所述齿头(118)处的齿宽(bz2)与磁轭高度(hj)的比值(bz2/hj)处于0.3至0.8之间，和/或在所述槽(114)内的线缆(124)的铜质量与所述线缆(124)的总铜质量的比值(mCu(槽)/mCu(总))处于0.43至0.55之间，所述槽(114)以侧壁平行的方式构成。
2.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，在所述齿头(118)处的齿宽(bz2)与所述磁轭高度(hj)的比值(bz2/hj)处于0.4至0.6之间。
3.根据权利要求1或2所述的定子，其特征在于，在所述齿头(118)处的齿宽(bz2)与所述磁轭高度(hj)的比值(bz2/hj)处于0.4至0.5之间。
4.根据权利要求1-2之一所述的定子，其特征在于，在所述齿头(118)处的齿宽(bz2)与在所述齿头(118)处的槽宽(bn2)的比值(bz2/bn2)处于0.5至2.5之间。
5.根据权利要求1-2之一所述的定子，其特征在于，在所述齿头(118)处的齿宽(bz2)与在所述齿头(118)处的槽宽(bn2)的比值(bz2/bn2)处于0.7至1.6之间。
6.根据权利要求1-2之一所述的定子，其特征在于，在所述槽(114)内的线缆(124)的铜质量(mCu(槽))与在所述定子(16)内的所述线缆(124)的总铜质量(mCu(总))的比值(mCu(槽)/mCu(总))处于0.45至0.53之间。
7.根据权利要求1-2之一所述的定子，其特征在于，在所述槽(114)内的线缆(124)的铜质量(mCu(槽))与在所述定子(16)内的所述线缆(124)的总铜质量(mCu(总))的比值(mCu(槽)/mCu(总))处于0.47至0.51之间。 
8.根据权利要求1-2之一所述的定子，其特征在于，所述齿(116)在所述齿头(118)的区域内以及在所述槽底(120)的区域内具有大约相同尺寸的宽度。
9.根据权利要求1-2之一所述的定子，其特征在于，所述线缆(124)具有绕组端部，所述绕组端部在轴向凸出于所述槽(114)并且所述绕组端部将被浸渍处理，其中，相位的线缆(124)在绕组端部的浸渍通过与其他所有的相位浸渍处理而具有至少一个接触点，所述至少一个接触点是借助浸渍处理来加固的。
10.根据权利要求1-2之一所述的定子(16)，其特征在于，所述槽缝隙宽度(sn)基本等于在所述齿头(118)处的槽宽(bn2)。
11.根据权利要求1-2之一所述的定子(16)，其特征在于，所述槽缝隙宽度(sn)大于所述线缆(124)的宽度。
12.一种具有根据前述权利要求之一所述的定子的多相位电机，其特征在于，所述电机是齿形电极发电机，其中，转子(20)包括两个齿形电极板(22、23)，这两个齿形电极板在轴向通过磁极铁心(26)隔开。
13.根据权利要求12所述的多相位电机，其特征在于，所述绕组端部(45、46)基本位于风扇(30)的径向冷却气流中。
14.根据权利要求13所述的多相位电机，其特征在于，所述冷却气流基本由两个风扇(30)生成，所述两个风扇在轴向连接在所述转子(20)的两个端侧，并且分别具有与所述齿形电极板(22、23)共用的贴合面。
15.根据权利要求13或14所述的多相位电机，其特征在于，冷却气流流经分隔所述定子和转子的气隙，并因而冷却位于所述槽(114)内的线缆(124)。
16.一种制造根据权利要求1至11之一所述的用于多相位电机的定子的方法，其特征在于，所述线缆(124)基本沿径向插入到所述槽(114)内。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，通过对所述线缆(124)的绕组端部进行浸渍处理，以将所述线缆(124)固定至所述槽(114)内。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述线缆(124)是圆形线缆，在模具(130)内挤压所述线缆(124)，随后将所述线缆(124)安装到所述定子(16)的所述槽(114)内。 
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