CN103444055B - 电机的定子和电机 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种电机的定子，该定子易于组装并且可以为该定子布置有效的液体冷却。定子包括具有定子铁芯（801）以及定子绕组，该定子铁芯（801）具有多个定子齿和定子槽，该定子绕组具有多个定子线圈（803）。每个定子线圈的宽度是一个定子槽间距，并且定子齿被成形为允许通过推动定子线圈以包围定子齿中的一个定子齿来安装每个定子线圈。定子线圈包括管状冷却通道（804），该管状冷却通道（804）用于引导定子槽中的冷却液体。通过考虑与液体冷却相关的方面来设计定子绕组，并且已经注意到，对于布置液体冷却有利的定子绕组结构也具有令人满意的电特性和磁特性。

Description

电机的定子和电机

技术领域

本发明大体涉及一种旋转电机。更具体地，本发明涉及一种电机的液冷式定子以及一种液冷式旋转电机。

背景技术

由于在发电厂的发电机与原动机，例如涡轮之间不存在齿轮的事实，所以包括直驱式发电机的发电厂具有若干优势，诸如高的机械可靠性和低的机械损耗。在许多应用中，直驱式发电机的缺点是，因为机械尺寸由所需的最大转矩和发电机的冷却来确定，所以发电机的机械尺寸并且因此发电机的重量可能非常大。在径向磁通电机中，最大转矩与气隙半径、气隙表面的面积、气隙中的磁通密度（泰斯拉）以及在气隙表面中的线性电流密度（安培/米）的乘积成比例。因此，在不增大电机的机械尺寸的情况下，因为当磁通密度在铁的饱和点以上时，磁通密度实际上不能再增大，所以可以通过增大线性电流密度来增大最大转矩。然而，增大线性电流密度增大了在产生线性电流密度的绕组中的电阻损耗，并且因此必须使得该绕组的冷却更有效。

用于冷却电机的绕组的最有效的方法是液体冷却，在该液体冷却中，冷却液体与绕组的电导体接触或至少紧邻绕组的电导体。通常结合大型涡轮发电机来使用绕组的液体冷却，在该大型涡轮发电机中，定子线圈的电导体可以是中空的从而允许冷却液体在电导体的内部流动。例如，公布UA73661公开了电机的液冷式定子。定子包括具有氢冷却装置的磁心和具有用于冷却液体的中空杆的三相绕组。在磁心的氢气冷却系统中的氢气压力对应于在绕组的液体冷却系统中的液体压力。与液冷式绕组相关的一般不便是，液冷式绕组的制造和组装比气冷式绕组的制造和组装复杂且昂贵。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了电机的新式定子。根据本发明的定子包括：

-定子铁芯，该定子铁芯包括多个定子齿和定子槽，以及

-定子绕组，该定子绕组包括多个定子线圈，

其中：

-每个定子线圈的宽度是一个定子槽间距，

-定子齿被成形为允许通过推动定子线圈以包围定子齿中的一个定子齿来安装每个定子线圈，而不改变定子线圈的形状，并且

-定子线圈包括管状冷却通道，该管状冷却通道用于沿定子线圈的电导体的纵向方向引导定子槽中的冷却液体。

由于定子齿被成形为允许通过推动定子线圈以包围定子齿中的一个定子齿来安装每个定子线圈，所以在将液冷式定子线圈组装到定子铁芯之前可以组装液冷式定子线圈。因此，本发明解决了在配备有液冷式定子绕组的现有技术的电机中存在的技术问题，即，以液体冷却配备该定子绕组是复杂的，这对于多相交流电机而言是典型的。结合本发明，该观点已经被改变，使得通过考虑与液体冷却相关的方面来设计定子绕组，并且已经注意到，当使用例如在低速风力涡轮发电机中时，上述的对于布置液体冷却有利的定子结构也具有令人满意的电特性和磁特性。

在本发明的有利的示例性实施例中，管状冷却通道由冷却管形成，该冷却管由与定子线圈的电导体不同的材料制成并且被附接到定子线圈的电导体。在该情况下，可以基于与抵抗冷却液体的腐蚀效果和侵蚀效果相关的方面来选择冷却管的材料，并且可以基于与电特性相关的方面来选择电导体的材料。因此，减小了对在上文提及的方面中的折中方案的需要。冷却管能够例如由不锈钢制成，并且电导体能够例如由铜制成。此外，当定子线圈包括分别的冷却管和电导体时，与在存在构成用于冷却液体的管状通道的中空电导体的情况下相比，将定子绕组连接到液体循环系统是较简单的。

根据本发明的第二方面，提供了一种新式电机。根据本发明的电机包括转子和定子，其中该定子包括：

-定子铁芯，该定子铁芯包括多个定子齿和定子槽，以及

-定子绕组，该定子绕组包括多个定子线圈，

其中：

-每个定子线圈的宽度是一个定子槽间距，

-定子齿被成形为允许通过推动定子线圈以包围定子齿中的一个定子齿来安装每个定子线圈，而不改变定子线圈的形状，并且

-定子线圈包括管状冷却通道，该管状冷却通道用于沿定子线圈的电导体的纵向方向引导定子槽中的冷却液体。

电机能够例如是直驱式风力涡轮发电机，并且该发电机的转子可以包括用于产生励磁磁通的永磁体。

电机可以是内转子径向磁通机、外转子径向磁通机或轴向磁通机。

在所附的从属权利要求中描述了本发明的若干示例性实施例。

当结合附图阅读时，将从特定的示例性实施例的下列描述来最佳地理解本发明的关于结构和关于操作两者的方法的各个示例性实施例连同本发明的附加目的和优势。

动词“包括”在该文献中用作开放性限制，该动词既不排除也不要求未列举的特征的存在。除非另外明确地声明，从属权利要求中列举的特征能够相互自由地结合。

附图说明

以下，在实例的意义上并且参考附图更详细地解释本发明的示例性实施例和该实施例的优势，在附图中：

图1示出根据本发明的实施例的定子的示意图，

图2示出根据本发明的实施例的定子的示意图，

图3示出根据本发明的实施例的定子的示意图，

图4a和图4b示出根据本发明的实施例的定子的定子线圈，

图5a和图5b示出根据本发明的实施例的定子的定子线圈，

图6a和图6b示出根据本发明的实施例的定子的定子线圈，

图7示出根据本发明的实施例的定子的定子线圈，

图8示出根据本发明的实施例的定子的一部分，并且

图9示出根据本发明的实施例的电机的示意图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的实施例的定子100的示意图。定子包括定子铁芯101，该定子铁芯101具有多个定子齿102和在相邻的定子齿之间的定子槽。优选地定子铁芯由相互电绝缘并且沿与图1的平面垂直的方向堆叠的钢板制成。定子包括定子绕组，该定子绕组具有多个定子线圈103。每个定子线圈的宽度均是一个定子槽间距，并且定子齿被成形为允许通过推动定子线圈以包围定子齿中的一个定子齿来安装每个定子线圈。定子线圈的电串联连接的匝被相互电绝缘，并且所需的绝缘强度取决于所使用的电压电平。定子线圈包括管状冷却通道，该管状冷却通道用于沿定子线圈的电导体的纵向方向引导定子槽中的冷却液体。由于定子齿被成形为允许通过推动定子线圈以包围定子齿中的一个定子齿来安装每个定子线圈并且定子线圈的端绕组相互不交叉，所以可以在将液冷式定子线圈103安装到定子铁芯101之前，组装液冷式定子线圈103。

图1中所示的示例性定子中，管状冷却通道由附接到定子线圈的电导体的冷却管104形成。图1示出定子线圈的电导体的端子106。同样可能的是，定子线圈103的电导体是管状的，使得电导体形成管状冷却通道。然而，管状冷却通道由附接到定子线圈的电导体的冷却管104形成的结构具有某些优点。首先，冷却管104能够由与定子线圈的电导体不同的材料制成。因此，可以基于与抵抗冷却液体的腐蚀效果和侵蚀效果相关的方面来选择冷却管104的材料，并且可以基于与电特性相关的方面来选择电导体的材料。因此，减小了对在上文提及的方面中的折中方案的需要。冷却管104能够例如由不锈钢制成，并且电导体能够例如由铜制成。此外，当定子线圈包括分别的冷却管和电导体时，与在存在构成用于冷却液体的管通道的中空电导体的情况下相比，更易于将定子绕组连接到液体循环系统。

图1中所示的定子具有八个定子齿并且因此八个定子槽。如明显的，定子齿和定子槽的该数目仅是实例，并且根据本发明的各实施例的定子可以具有不同定子齿和定子槽的数目。例如，如果定子线圈被连接以构造对称三相系统，则定子齿和定子槽的数目有利地是3×N，其中N是整数。定子线圈103能够经由定子线圈103的端子105以期望的方式并联地和∕或串联地连接，以实现期望的电压电平。

在根据本发明的实施例的定子中，定子铁芯101由多个定子部分121、122、123、124、125、126、127、和128组成，该定子部分被沿切线方向相互连结。

在根据本发明的实施例的定子中，定子绕组被涂敷有一层树脂从而防止定子绕组免受外部应力。树脂能够例如是环氧树脂。

图1中所示的定子是用于内转子径向磁通电机的定子。图2示出用于外转子径向磁通电机的根据本发明的实施例的定子200的示意图。定子200包括：

-定子铁芯201，该定子铁芯201包括多个定子齿202和定子槽，以及

-定子绕组，该定子绕组包括多个定子线圈203，

其中：

-每个定子线圈的宽度是一个定子槽间距，

-定子齿被成形为允许通过推动定子线圈以包围定子齿中的一个定子齿来安装每个定子线圈，并且

-定子线圈包括管状冷却通道204，该管状冷却通道204用于沿定子线圈的电导体的纵向方向引导定子槽中的冷却液体。

图3示出用于轴向磁通电机的根据本发明的实施例的定子300的示意图。定子300包括：

-定子铁芯301，该定子铁芯301包括多个定子齿302和定子槽，以及

-定子绕组，该定子绕组包括多个定子线圈303，

其中：

-每个定子线圈的宽度是一个定子槽间距，

-定子齿被成形为允许通过推动定子线圈以包围定子齿中的一个定子齿来安装每个定子线圈，并且

-定子线圈包括管状冷却通道304，该管状冷却通道304沿定子线圈的电导体的纵向方向引导定子槽中的冷却液体。

在根据本发明的实施例的定子中，每个定子线圈的电导体包括导电材料的两个电并联连接的杆，并且每个定子线圈的管状冷却通道由放置在该杆之间的冷却管形成。导电材料能够例如是铜，并且冷却管能够例如由不锈钢制成。图4a和图4b示出根据本发明的上述的实施例的定子的定子线圈403。图4b示出沿图4a的线A-A截取的截面。图4b包含区域410的放大图像411。定子线圈403包括由导电材料的杆407和408构成的电导体405。杆407和408被连接至定子线圈的电端子406。定子线圈包括放置在杆407和408之间的冷却管404。定子线圈403进一步包括在冷却管404的端部处的电绝缘连接元件409。

在根据本发明的实施例的定子中，每个定子线圈的电导体包括导电材料的套筒，并且每个定子线圈的管状冷却通道由放置在导电材料的套筒的内部的冷却管形成。导电材料能够例如是铜，并且冷却管能够例如由不锈钢制成。图5a和图5b示出根据本发明的上述实施例的定子的定子线圈503。图5b示出沿图5a的线A-A截取的截面。图5b包含区域510的放大图像511。定子线圈503包括为导电材料的套筒507的电导体505。导电材料的套筒被连接到定子线圈的电端子506。定子线圈包括由套筒507包围的冷却管508。定子线圈503进一步包括在冷却管504的端部处的电绝缘连接元件509。

在根据本发明的实施例的定子中，每个定子线圈的电导体包括电并联连接的导电材料的线的束，并且每个定子线圈的管状冷却通道由放置在该束内部的冷却管形成。导电材料能够例如是铜，并且冷却管能够例如由不锈钢制成。每个定子线圈进一步包括在相邻的导电材料的线之间的电绝缘体材料。线能够例如是包括各自地绝缘并且绞合或编织在一起的多个细线股的利兹线。绝缘能够使用例如真空浸渍方法制成。根据本发明的该实施例的定子比电导体由固体材料制成的定子较佳地适于高频电流。图6a和图6b示出根据本发明的上述实施例的定子的定子线圈603。图6b示出沿图6a的线A-A截取的截面。图6b包含区域610的放大图像611。定子线圈603包括为电并联连接的导电材料的线的束607的电导体605。束607被连接至定子线圈的电端子606。定子线圈包括由束607的线包围的冷却管608。定子线圈603进一步包括在冷却管604的端部处的电绝缘连接元件609。

在根据本发明的实施例的定子中，每个定子线圈均包括构成用于冷却液体的平行路径的两个冷却管，并且附接到该两个冷却管的电导体被电串联连接。因此，在定子线圈中存在若干串联的匝的情形下，可以布置有效的冷却。图7示出根据本发明的上述实施例的定子的定子线圈703。定子线圈703包括构成用于冷却液体的平行路径的两个冷却管704和704′，并且附接到该两个冷却管的电导体电串联连接在端子706之间。

图8示出根据本发明的实施例的定子的一部分。定子包括具有多个定子齿和定子槽的定子铁芯801以及具有多个定子线圈803的定子绕组。每个定子线圈的宽度是一个定子槽间距，并且定子齿被成形为允许通过推动定子线圈以包围定子齿中的一个定子齿来安装每个定子线圈。定子线圈包括管状冷却通道，该管状冷却通道用于沿定子线圈的电导体的纵向方向引导定子槽中的冷却液体。在图8中所示的情况下，定子线圈包括形成管状冷却通道的冷却管804。冷却管与连接元件809电绝缘地连接到冷却液体循环系统的歧管830。可以例如通过使用安装到定子槽的开口的槽楔将定子线圈803锁定到定子槽。

图9示出根据本发明的实施例的电机的示意图。电机器包括转子960和定子900。定子包括具有多个定子齿和定子槽的定子铁芯以及具有多个定子线圈的定子绕组，其中：

-每个定子线圈的宽度是一个定子槽间距，

-定子齿被成形为允许通过推动定子线圈以包围定子齿中的一个定子齿来安装每个定子线圈，并且

-定子线圈包括管状冷却通道，该管状冷却通道用于沿定子线圈的电导体的纵向方向引导定子槽中的冷却液体。

尽管在图9中未示出定子900的上述技术特征，但是定子能够是例如根据在图8中提供的定子。定子进一步包括用于连接到外部电气系统的三相电端子906和用于连接到外部冷却液体循环系统的管线904。

转子960包括用于产生励磁磁通的永磁体941、942、943、944、945、946、947、948、949、和950。永磁体941-950中所示的箭头表示永磁体的磁化方向。可能的是，代替永磁体或除永磁体之外，转子包括用于产生励磁磁通的励磁绕组。

在根据本发明的实施例的电机中，以转子的永磁体产生的磁极的数目大于定子齿的数目与定子绕组的相的数目的商，即，Q/m/p<1，其中Q是定子齿的数目，m是定子绕组的相的数目，并且p是转子的磁极的数目。

在图9中所示的电机中，相的数目是m=3并且以转子的永磁体941-950产生的磁极的数目是p=10。如果，例如，定子齿的数目是Q=12，则Q/m/p=0.4，即，电机是分数槽机。

图9中所示的电机能够例如是直驱式风力涡轮发电机。由于在定子绕组中存在有效的冷却，所以电机的最大效率能够被优化以对应于最典型的操作点而非代表在功率比最典型的操作点更高的风力应用中的名义操作点。借助于有效的冷却，在名义点处可以允许较大的损耗，并且因此，电机的尺寸和重量能够较小。冷却液体能够例如是去离子的或另外具有充分低的导电性的水。

上文给定的描述中提供的特定实例不应被解释为限制性的。因此，本发明不限于上述的实施例。

Claims (11)

1.一种用于电机的定子(100、200、300)，所述定子包括：

-定子铁芯(101、201、301)，所述定子铁芯(101、201、301)包括多个定子齿(102、202、302)和定子槽，以及

-定子绕组，所述定子绕组包括多个定子线圈(103、203、303)，

其中每个定子线圈的宽度是一个定子槽间距，并且所述定子齿被成形为允许通过推动所述定子线圈以包围所述定子齿中的一个定子齿来安装每个定子线圈，而不改变所述定子线圈的形状，并且其中，所述定子线圈包括冷却管(104、204、304、404)，所述冷却管由与所述定子线圈的电导体不同的材料制成并且被附接到所述定子线圈的所述电导体，所述冷却管形成管状冷却通道，所述管状冷却通道用于沿所述定子线圈的电导体的纵向方向且在每个所述定子线圈的所述电导体之中引导所述定子槽中的冷却液体，

其特征在于，

每个电导体(405)包括导电材料的两个电并联连接的杆(407、408)，并且所述冷却管中的一个冷却管(404)被放置在所述杆之间。

2.根据权利要求1所述的定子，其中，每个定子线圈包括两个冷却管(704、704′)，所述两个冷却管(704、704′)构成用于所述冷却液体的平行路径，并且附接到这两个冷却管的所述电导体被电串联连接。

3.根据权利要求1至2中的任一项所述的定子，其中，所述冷却管由不锈钢制成。

4.根据权利要求1至2中的任一项所述的定子，其中，所述定子线圈包括在所述冷却管(404、504、604、804)的端部处的电绝缘连接元件(409、509、609、809)。

5.根据权利要求1至2中的任一项所述的定子，其中，所述定子线圈的电导体由铜制成。

6.根据权利要求1至2中的任一项所述的定子，其中，所述定子铁芯由多个定子部分(121-128)组成。

7.根据权利要求1至2中的任一项所述的定子，其中，所述定子绕组被涂敷有一层树脂从而保护所述定子绕组免受外部应力。

8.根据权利要求1至2中的任一项所述的定子，其中，所述定子是下列中的一个：内转子径向磁通机的定子(100)、外转子径向磁通机的定子(200)、轴向磁通机的定子(300)。

9.一种包括转子(960)和定子(900)的电机，其中，所述定子是根据权利要求1至2中的任一项所述的定子。

10.根据权利要求9所述的电机，其中，所述转子包括用于产生励磁磁通的永磁体(941-950)。

11.根据权利要求10所述的电机，其中，以所述永磁体产生的磁极的数目p大于所述定子齿的数目Q与所述定子绕组的相的数目m的商，Q/m/p<1。