CN102405584A - 电机以及制造用于该电机的定子部分的方法 - Google Patents

电机以及制造用于该电机的定子部分的方法 Download PDF

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Abstract

一种电机，具有转子(13)，该转子带有由环形载体(14、15)承载的磁体(17)，在所述磁体处，磁场在两个转子部分之间的气隙中产生，具有绕组(19)的无铁心定子(12)布置在该气隙处，以这样的方式形成节省空间的电机：定子由带有用于冷却剂循环的槽道(23、24)的多个部分(12)组装形成，且定子具有绕组，该绕组具有环形的紧凑的中心部分(27)，该中心部分提供了定子的起作用部分。还介绍了制造用于这种电机的定子部分的方法，其中，将绕组(19)埋入用于提供刚性元件的电绝缘浇铸材料中。将线圈(19)布置在对分壳体(28、29)或对分铸模的一部分中，将该壳体或模具关闭，且将浇铸材料通过开口引入，壳体或模具的内部部分受到低压并可能地受到振动。

Description

电机以及制造用于该电机的定子部分的方法
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分中所述的电机以及一种如权利要求14的前序部分中所述的、制造用于该电机的定子部分的方法。
所述电机具有转子，该转子带有在环形载体上的磁体，用于在气隙中产生磁场，具有绕组的无铁心定子布置在该气隙中。
该电机可以是电动马达或发电机，或者是可以作为发电机和马达两者的组合机器，这种组合机器可以具有轴向场或径向场。
所述方法涉及这样的处理，其中，绕组嵌入用于产生刚性元件的电绝缘浇铸材料中。
背景技术
电机的定子通常具有绕组，该绕组带有轭铁(通常为金属片)。在大部分类型的电机中，绕组布置在槽中，以围绕绕组在铁心中产生磁场。这种定子用于径向通量(磁通)机器和轴向通量机器两者。
在带有永磁体和双侧转子以及轴向磁场的机器(轴向通量机器)中，通常使用环形缠绕的定子，其中，绕组环绕没有齿的铁心布置。这种机器的一个优点是磁阻与转子的位置无关，以避免齿槽效应。
在带有双侧转子的PM机器中(其中，磁体的北极和南极彼此相对)，铁心可以从定子中省略掉。这时，磁场将从一个转子产生，并轴向或径向通向第二转子部分。这样的两极型机器在1934年授权的美国专利1947269中介绍。所述机器有两个径向磁化的盘形永磁体，该永磁体布置成具有两个面对的磁极，以便使磁场在气隙中轴向指向。通过在所述磁气隙中布置绕组形成无铁心定子。
无铁心定子的一个优点是消除了通常在定子中产生的铁损。绕组布置在气隙中，没有带变化磁场从而产生磁滞损失和涡电流损失的任何铁心。当机器的尺寸增加时，另一优点是几乎完全消除了在转子和定子之间的力。在定子中有铁心的普通PM机器中，试图逆着定子拉动转子的力通常很高，超过所产生的转矩。在径向通量机器中，在转子居中定位时这不会产生问题，原因是力被分布。当转子离开中心位置时将出现问题，特别是对于较大机器。带有双侧转子并且在定子中带有铁心的轴向机器也是这样，而具有单侧转子的机器将不能使得力平衡。
在英国专利1491026(1975年)中介绍了带有无铁心定子的又一机器。该机器的转子在各转子部分的表面上具有六个永磁体。定子包括多个线圈，其中多个绕组以均匀圆形串列的方式布置，并且在内径和外径处线圈交叠。定子盘在磁体之间的区域较薄，在内部部分和外部部分处较厚。这些绕组通过环氧树脂基浇铸材料等结合。
在EP专利申请0058791(1981年)中介绍了一种对应的绕组布置。这种绕组布置在内边缘和外边缘处具有交叠部分，在内边缘和外边缘处，定子具有更大的轴向延伸度(相比磁体之间的起作用区域)。所述布置用于两相机器，但是类似布置也可以通过在权利要求中所述的不同连接而用于三相机器。
在EP专利申请0633563(1989年)和美国专利5744896(1998年)中也介绍了相同类型的绕组布置。其中所述的绕组布置具有连续结构，因此很难在不包含大量连接工作的情况下分成更小部分。在较大机器中，将机器分成更小部分对于制造、运输和安装来说是很大的优点。
在美国专利4334160中介绍了又一种用于无铁心定子的不同的绕组布置。一个线圈为平面的，两个线圈不同地偏离，从而使得端部绕组在三个高度处交叠，同时在绕组的起作用部分中维持一层。这种布置也具有连续结构，从而使得很难分成多个部分。
冷却
为了冷却具有高电流的机器，已知多种冷却提议。在Caricchi和Crescimbini的文献XP000585921：“一种用于电动车辆应用的带水冷轴向通量PM马达的创新型轮直驱动器的样机(Prototype of aninnovative wheel direct drive with water-cooled axial-flux PM motorfor electric vehicle application)”(APEC′96Eleventh Annual AppliedPower Electronics Conference and Exposition，San Jose，Mar.3-7，1996)中介绍了一种具有一体式冷却的机器，其中，线圈环绕纤维增强的环氧树脂制冷却管缠绕。定子的这种设计需要一件式制造，且冷却水的进口和出口必须布置在端部绕组之间。
分部分
在美国专利No.6781276中，径向通量机器通过使用各模块/部分的相互封装利用IPS-4模块而分部分。显示了用于端部绕组的封装以及完全覆盖分段的外部封装。概念“完全封装和密封”用于在权利要求书中说明这些。这样的封装引起多个缺点：
-必须提供具有复杂几何形状的封装，从而成本较高；
-遇到多个密封面，从而产生密封问题；
-提供了空间，且循环温度变化，这可能产生冷凝。
目的
本发明的主要目的是提供一种分部分的冷却的电机，它可以比现有技术的机器更容易地制造和安装。
而且，另一目的是提供一种具有比现有技术机器更大的直径的电机，以便增加圆周速度。
还一目的是提供一种具有减小的重量功率比的电机。
还一目的是提供一种具有有利的气隙功率比的电机，以便保持高公差。
还一目的是提供一种电机，它的多个定子部分容易安装和拆卸。
本发明的另一目的是提供一种制造定子元件的方法，该方法能够有效进行，并具有很高和很稳定的质量。
发明内容
本发明在权利要求1中介绍。它包括由多个部分装配成的定子，这些部分带有用于冷却剂循环的槽道，并带有绕组，该绕组具有环形、紧凑的中心部分，该中心部分提供定子的起作用部分。
优选地，转子承载永磁体。但是转子也可以由包括超导体的磁体组装而成。
本发明可以利用不同的磁场方向，但是磁体优选是提供轴向磁场。
优选地，各定子部分埋入引入铸模内或容纳绕组的壳体内的浇铸材料中，所述浇铸材料提供定子的封装并提供用于冷却剂的槽道。
各定子部分可以包括用于冷却剂的进口和出口的独立的连接件。
为了能够拆卸布置在两个转子部分之间的定子，转子的至少一部分用于插入和拆卸定子部分。
优选地，绕组包括多个相同的梯形线圈，其具有起作用部分和端部绕组，从而使得线圈能够装配成使得起作用部分处于公共平面中，且端部绕组在两个或更多平面中交叠。
在定子部分的各端部处，至少半边线圈被省略。被省略的半边线圈的空间可以用作通向/离开切向冷却槽道的冷却剂进口或冷却剂出口。
优选地，磁体布置在径向凸出的爪上，所述磁体是环形组件中的径向布置盘段。
对于Q＝1的机器，相数、极对数和部分的数目可以如权利要求12所述来选择。
在三相机器中，每三个绕组交叠，端部绕组分布在三个高度，同时，在起作用区域中(在磁体之间)，三个线圈布置在相同高度，且线圈的数目和极对的数目将符合权利要求13。
本发明还包括一种制造用于这种电机的定子部分的方法，其中，将绕组埋入用于提供刚性元件的电绝缘浇铸材料中。将线圈布置在对分壳体或对分铸模的一部分中，将所述壳体或模具关闭，且将浇铸材料通过开口引入，使壳体或模具的内部部分受到低压并可能地受到振动。
用于冷却剂的槽道可以通过覆盖定子封装上的外部槽来提供。
当建造大的电机时，更大的挑战是满足通常适用于具有永磁体和层叠定子的电机的公差的刚性要求。当定子叠片被除去以便使得定子无铁心和无磁性时，公差的要求大大降低。在现有技术的PM机器中，转子相对于定子运动2-3毫米将在转子和定子之间产生力的不平衡，且感生的电压将在机器的不同部分处有相当大的不同。对于无铁心定子，电压的不平衡将大大降低，且在转子和定子之间没有不平衡力，因为定子不是磁性的。
当机器的尺寸较大时，优选地将转子和定子都分成更小的部分。不需要用于建造全尺寸机器的工具，仅需要一组用于建造一部分的更小工具，且该部分可以批量生产，用于随后安装在框架或其它组件中。
这些部分的运输比整个机器的运输更容易，特别是当尺寸超过用于道路运输的最大尺寸时。另一主要优点是当机器分成多个部分建造时，将使得维护成本更低。当在一个部分中产生错误时，该部分可以很容易地由备用部分来替换，以避免较长停机时间。
为了将定子分成更小部分和保持磁场被有效利用，绕组结构必须相对于前述概念进行变化。这将参考后面的实例来进一步介绍。
示例
附图说明
下面将参考附图介绍本发明，附图中：
图1表示了本发明的电机(例如风车发电机)的一部分的透视图，其中没有盖和装配元件；
图2表示了用于图1的实例的三相电机的定子部分的局部剖切透视图；
图3表示了用于图2的定子部分的线圈部分的侧视图；
图4表示了图2中的定子部分的剖切端视图；
图5表示了用于三相连接的可选绕组单元的透视图；以及
图6示意地表示了用于安装定子部分以及拆卸已装配的电机中的定子部分的布置。
具体实施方式
在图1中，表示了具有两个主要部件的机器部分11：定子部分12和转子部分13，它们都局部地表示。转子部分13也可以分部分。
定子部分12是以自身已知的方式固定地安装在发动机基座上的多个相同或相应部分构成的环形组件的一部分。定子部分12的实例在图2中更详细表示。
转子13以现有技术中的方式相应安装在轴(未示出)上，用于驱动外部设备或由外部设备来驱动。特别感兴趣的使用领域是与风力涡轮机相连。主要目的是发电，但是发电机也可以被连接用作产生制动转矩的马达。另一实例是用作船只的舵机，需要马达具有很高转矩和较小的可用空间。
转子13具有磁铁形成的两个环形转子轭铁14、15，在磁体之间引导磁通。磁体可以为具有矩形截面的实心材料，并可以通过一系列U形爪16而并排固定，这些爪16由片状材料形成并例如通过焊接而连接在转子轭铁14、15的外侧上。
永磁性材料形成的一系列径向定向棒17安装在各转子轭铁14、15上。PM棒17布置成带有空隙或间隙18。
这是用于特定目的的优选结构，例如用于风车的大直径发电机。对于其它用途，人们可以设想这样的设计，其中，多个定子与具有多个轴向磁场的转子组件配合。对于这样的多盘机器，要求能够接近转子结构，以便安装和拆卸定子。
而且，对于径向机器可以采用定子部分的概念，以便使得带有两个同心系列的永磁体的转子运动。
图2表示了定子部分12，图3和4表示其细节。该布置具有三个主要部件：绕组19、封装20和冷却系统，该冷却系统带有进口21和出口22。
冷却系统包括一对槽道23、24，该对槽道由封装壳体外侧上的平行沟槽来提供，并由通过胶接来安装的板25覆盖。
绕组19在图3中更详细地表示，并将在下面介绍。通过省略线圈在各端部处的一部分，在各端部处产生开口26A、26B。绕组19可以由带状导体(例如铜带)来制备，以便提供适合于转子部分之间的间隙的紧凑中心部分27。
绕组19封装在由两个塑料壳体28、29限定的封装件20内。所述壳体提供了40度的环形结构，并相对于径向中心平面基本对称。所述壳体布置成用于在凹部内容纳绕组19。管插孔21、22布置在壳体29的各端处，作为进口和出口。
图4表示了定子的一部分在填充浇铸材料之前的情况，其中，盖板提供槽道23、24。绕组的头部30、31表示为凸出至中心平面之外。
作为可选实施例，绕组19布置在两件式铸模中，该铸模在填充浇铸材料的过程中关闭。
图5表示了用于三相绕组的三个线圈32、33、34的组件。定子可以相对于转子的气隙对称。可以如上所述地装配成整个定子。
图6示意性地表示了可以怎样与转子13的多个部分一起而从根据本发明的电机(对应于图1所示的实施例)中取出定子部分12或者将该定子部分12安装在电机中。在该实例中，在爪16的部件之间的距离大于定子部分的宽度。
在本例中，永磁体17的相对于环形轭铁14未固定的部分与定子的相应部分一起拆卸。永磁体17例如可以安装在安装于环形轭铁上的板上。这能够在运输过程中稳定磁力。
可选地，移除在比定子部分更大的圆周部分上延伸的转子部分，以便形成用于安装和拆卸定子部分的开口。这将能够维护和修理本发明的电机，即使该电机具有较大尺寸以及在很难接近的位置处，例如在风车发电机上。
绕组布置，可选实例1：
在US5744896和EP0633563中的绕组布置是连续的，且在不分离绕组的情况下不能分部分。在本发明中，每部分一个线圈被移除，且每相位只有一匝与下一部分连接，且在整个机器中线圈必须相互连接。然后，各部分将在该部分的各端部处具有空缺“轨道”。在每极每相(Q＝1)一个“轨道”的机器中，部分的数目必须是相数的多倍，以便使得所有相的线圈数目相等(Nsections＝k＊相数，其中k为整数)。因此，极的数目必须选择为使省略的线圈部分属于不同相。对于Q＝1的机器，相数、极数目和部分的数目根据以下等式来选择：
Nseksjoner＝k1·Nfaser，
Figure BDA0000060367690000081
N polpar · N faser N seksjoner = k 2
Figure BDA0000060367690000083
在根据所述等式的三相机器中(但是在各部分中每相有不同数目的线圈)，每相的线圈数目通过串联连接三个部分而均匀。三个部分形成的所述串可以串联或并联连接。
定子中的散热控制机器的转矩。因此，需要良好的冷却来充分利用机器。无铁心定子的铜可以通过使用绕组两侧上的冷却槽道23、24来冷却。冷却槽道23、24布置在将要描述的封装件中。槽道在定子的各侧上切向延伸。在冷却槽道和铜之间的距离应当较短，且在它们之间的材料应当具有很高的导热性。
当各部分省略一个线圈时，将有两个“轨道”可用，在该部分的各端处各有一个。该位置可以用于向各部分引入冷却剂和从各部分抽取冷却剂。冷却剂可以从该“轨道”通过切向冷却槽道进入定子的两侧。可以布置附加的平行冷却槽道以冷却端部绕组。
可选的冷却布置是在定子部分的中心布置切向冷却槽道，而不是在各侧。这样，各冷却槽道的截面可以增加，同时不会增加定子部分的轴向延伸度。
另一可选方式是通过使用包含在绞合线中的管形铜导体或塑料管来直接冷却铜。这将减小铜至冷却剂的距离。将并不需要自由“轨道”，因为不需要冷却剂的进口和出口。为了利用自由空间和避免根据现有技术的连续绕组，可以使用如下面的可选实例2所述的绕组布置。
绕组布置，可选实例2
当直接冷却铜时，并不需要如可选实例1中所述的开放沟槽。不过，应当可以将机器分成更小的部分。在三相机器中，这可以通过将线圈布置成使得每三个线圈成为单独单元来实现，且端部绕组布置在三个高度上，同时绕组的起作用区域处在与可选实例1的绕组相对应的一个高度处。具有三个线圈的这种单元在图5中表示。三个线圈中的一个为平的，而其余两个线圈具有折叠端部。折叠端部相同，但是它们的折叠布置成相反。因此，端部绕组将在三个而不是如可选实例1中所述的两个高度中交叠。
绕组的这种独特设计的优点是能够分成更小的部分，其中，每相只有一个绕组必须与下一部分连接，以便形成连续的绕组布置，但是该布置在各部分中的线圈的数目受到限制。其原因是在线圈之间的互感，当三个线圈在完整的回路中相继布置(Q＝1)时，这种互感将不同。与“端部线圈”与其它线圈的磁连接相比，各单元中的中心线圈与其它线圈更好地磁连接。
因此，各线圈应当覆盖多于或者(优选是)少于一个极步，以便使得Q≠1。在三相机器中，每部分的线圈数目应当为三的多倍，以便使得这些部分包括整数个的“线圈单元”。当满足该要求时，部分的数目可以自由选择。不过，每相每极的沟槽数目(Q)应当选择为使得各相在各位置具有相等数目的线圈。这是当线圈的数目和极对的数目根据以下等式选择时的情况：
Nspoler＝k3·k4·Nfaser，
Figure BDA0000060367690000091
Figure BDA0000060367690000092
N polpar = k 3 · ( 2 N faser 2 · k 4 - 1 ,
Figure BDA0000060367690000095
封装件
本发明的无铁心定子元件大致包括铜和浇铸材料。各定子元件有尽可能最高的IP。各部分有用于冷却剂的进口和出口以及各相的电连接件。由于各定子部分埋入浇铸材料中，壳体不需要复杂的几何形状和密封来保护绕组，且没有带空气的空间。因此，本发明消除了在US6781276中所述的分部分时出现的部分问题。
在轴向机器中，这些部分在内圆周或外圆周处可以具有固定件。这些部分需要一定强度来传递在定子中产生的力(由于所产生的转矩以及由于该部分的重量)。
另一重要的性质是导热性。该导热性应当较高，以便从铜绕组导热。导热性对于在可选实例1中所述的绕组布置和冷却系统特别重要，在可选实例1中，一层浇铸材料布置在铜和冷却槽道之间。
最终的部分应当具有尽可能少的气泡。这在用于高电压的用途中特别重要；以便避免带有不同透过性(电容率permittivity)的小区域，该不同透过性可能产生局部放电。通过使用可透空气的浇铸材料，在浇铸材料中避免气泡将并不重要。
维护
需要简单维护是建造具有分部分的定子的机器的重要因素。
在本发明中，定子部分的厚度在磁体之间的区域中最低，在内径和外径处较厚。为了有最大通量，磁体布置成在各侧靠近定子。在磁体和定子之间的气隙由机械公差来控制，但是它通常小于定子的最低厚度和端部绕组的厚度之间的差值。因此，当安装转子时不能沿径向方向拆卸定子部分。为了更换定子部分，应当局部拆卸转子。通过提供具有两个或更多部分的转子，该操作可以明显简化。
当转子可以布置于合适位置时，能够移除转子的一部分就足够了。该部分应当稍微大于定子部分，以便能够使得定子部分轴向运动。为了简化制造、运输和安装，转子可以与定子类似地分部分，但是可以具有更少的部分以便使得转子部分大于定子部分，或者通过使用两个不同的转子部分。
在这样拆卸时的一个问题是较大力作用在定子的不同侧上的转子部分之间。在较大机器中，需要相当大的力来拆卸转子的一侧。这可以通过拆卸机器的完整部分(即定子部分以及其各侧上的转子部分)来避免。所述转子部分可以固定在一起，以便在拆卸过程中保持相互距离。为了移除机器的完整部分，一侧上的转子部分应当大于定子部分，同时另一侧上的转子部分应当稍微小于定子部分。该设计可以在整个转子分部分时以及在只有两个转子部分可以被移除时使用。
通过将转子分成两个或更多部分，在较大机器中，在各部分之间可以没有高的磁接触。原因是热膨胀和公差要求。因此，转子应当在永磁体的中心处拆分(spitted)，因为在该位置基本没有横过轭铁的通量。
图6中表示了用于安装/拆卸定子和转子部分的又一可选形式，见上述说明。在这种情况下，定子部分与轭铁各侧上的相应转子部分一起沿径向取出。转子轭铁的其余部分为环形，并承载转子部分。
使用实例
本发明通常适用于需要高转矩和大直径的用途。实例是直接驱动的风车以及操纵机器，它们都有低的速度，但是需要高转矩。另外的实例是用于水力发电站、潮汐电站、波力电站、船只推进器、绞车、促动器和岩石压碎机的发电机。

Claims (15)

1.一种电机，具有转子(13)，该转子带有由环形载体(14、15)承载的磁体(17)，在所述磁体处，磁场在两个转子部分之间的气隙中产生，具有绕组(19)的无铁心定子(12)布置在该气隙处，其特征在于：定子由带有用于冷却剂循环的槽道(23、24)的多个部分(12)组装形成，且定子具有绕组，该绕组具有环形的紧凑的中心部分(27)，该中心部分提供了定子的起作用部分。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：转子承载永磁体(17)。
3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：转子设计成具有包括超导体的磁体。
4.根据权利要求1-3中任意一个所述的电机，其特征在于：磁体(17)提供轴向磁场。
5.根据权利要求1至4中任意一个所述的电机，其特征在于：各定子部分(12)埋入引入铸模内或容纳绕组的壳体(28、29)内的浇铸材料中，所述浇铸材料提供定子的封装并提供用于冷却剂的槽道(23、24)。
6.根据权利要求1至5中任意一个所述的电机，其特征在于：各定子部分(12)包括用于冷却剂的进口和出口的独立的连接件。
7.根据权利要求1至6中任意一个所述的电机，其特征在于：转子的至少一部分用于插入和拆卸定子部分。
8.根据权利要求1至7中任意一个所述的电机，其特征在于：绕组包括多个相同的梯形线圈，该线圈具有起作用部分和端部绕组，从而使得线圈能够装配成使得起作用部分处于公共平面中，且端部绕组在两个或更多平面中交叠。
9.根据权利要求1至7中任意一个所述的电机，其特征在于：在部分的各端部处，至少半边线圈被省略。
10.根据权利要求9所述的电机，其特征在于：被省略的半边线圈的空间(26A、26B)用作通向/离开切向冷却槽道(23、24)的冷却剂进口或出口。
11.根据权利要求4所述的电机，其特征在于：磁体(17)布置在径向凸出的爪(16)上，所述磁体是环形组件中的径向布置盘段。
12.根据权利要求1至11中任意一个所述的电机，其特征在于：部分的数目和极对数由下面两个等式来控制：
Nseksjoner＝k1·Nfaser，
Figure FDA0000060367680000021
N polpar · N faser N seksjoner = k 2
Figure FDA0000060367680000023
对于
Figure FDA0000060367680000024
13.根据权利要求1至11中任意一个所述的电机，其特征在于：线圈交叠以使得端部绕组布置在个数与相数相同的多个高度处，同时线圈布置在起作用区域(在)中，且线圈和极对的数目对应于以下等式：
Nspoler＝k3·k4·Nfaser，k3·∈，
Figure FDA0000060367680000025
N polpar = k 3 · ( 2 N faser 2 · k 4 - 1 ,
Figure FDA0000060367680000027
Figure FDA0000060367680000028
14.一种制造用于根据权利要求1至13中任意一个所述的电机的定子部分的方法，其中，将绕组(19)埋入用于提供刚性元件的电绝缘浇铸材料中，其特征在于：将绕组(19)布置在对分壳体(28、29)或对分铸模的一部分中，关闭壳体或模具，且将浇铸材料通过开口引入，使壳体或模具的内部部分受到低压并可能地受到振动。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：通过覆盖定子封装上的外部沟槽来提供用于冷却剂的槽道。
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