CN105305667A

CN105305667A - 电机

Info

Publication number: CN105305667A
Application number: CN201510431455.3A
Authority: CN
Inventors: 古拉克·达亚库
Original assignee: FEAAM GmbH
Current assignee: Wola Bo Limited by Share Ltd
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2016-02-03
Also published as: US20160028284A1; DE102014110299A1

Abstract

本发明提出了一种电机，该电机具有定子(1)和相对于所述定子(1)被可动地支承的转子(21)。定子(1)的特征在于用于容纳定子绕组的多个槽(2)。定子绕组包括分别置于定子的每个槽(2)中的若干个导体部(3)。在定子的一侧上，导体部(3)在短路装置中彼此间被电短路。短路装置包括冷却装置(5)。

Description

电机

技术领域

本发明涉及一种电机，其具有定子和相对于该定子被可动地支承的转子。

背景技术

电机可以被操作为电动机或发电机。

在电机的设计中的一个重要方面是电机的热性能。特别重要的是，不超过电机的最敏感部分处的最高温度。否则，可能例如发生短路并且永久性地损坏电机。在该情况下，过热可以引起定子绕组的绝缘部的击穿和/或在永磁激励式电机的情况下的永磁体的去磁。

发热限制最终限定了电机的输出。

已知的是，作为电动机的电机的操作处在高转矩，该高转矩与由于损耗在定子绕组中以及在定子铁芯中的显著发热相关联。

利用实心堆叠部件内的热传导与在与空气或冷却液体或其他气体接触的表面上的对流的组合来实现电机中的热损耗的耗散。在定子绕组中生成的热损耗沿槽衬从线圈侧径向地和周向地耗散至定子铁芯中并且进一步向外耗散至定子壳体中。总体电机损耗的大部分沿该路径被耗散。

因而，定子绕组和定子铁芯的有效冷却在电机的设计中是极其重要的。有效冷却不仅可以防止电机或电机部件在处于峰值负荷时的过热，而且提高了电机在正常条件下的效率。

发明内容

本发明的目的是开发一种电机，其具有充分的热性质并且可以不费力地制造。

现在利用权利要求1所述的对象来实现该目的。

在从属权利要求中公开了有利实施方式和增强方式。

在一个实施方式中，电机的特征在于：定子和相对于该定子被可动地支承的转子。定子包括用于容纳定子绕组的多个槽。每个槽中分别置入有定子绕组的导体部。在定子的一侧上，导体部在短路装置中彼此间被电短路。短路装置包括冷却装置。

导体部可以例如在定子的相对于短路装置的远侧上连接至供电单元。这使得可以例如如下面更详细地描述的那样将相电流单独地馈送至每个导体部。

可以不费力地制造短路装置以及在定子的槽中的导体部，并且可以将上述短路装置和导体部安装在定子中。这同样适用于由短路装置所包括的冷却装置。

定子绕组的热损耗恰好在生成该热损耗的位置处被耗散。这产生了电机的特别有利的热性质。导体部和短路装置自然具有充分的导电性，即低电阻。该类型的大多数材料还提供非常良好的导热性。这意指将在整个绕组中生成的热损耗特别是在导体部中存在的热损耗也非常良好地传递至短路装置，并且通过冷却装置在该位置处被耗散。

因此，可以省去替选冷却系统，例如诸如冷却肋片以及例如借助于风扇在所述冷却肋片上方所吹送的空气。另外，在定子壳体内不需要冷却通道。

实际上，现在通过对短路装置进行冷却实现了对定子绕组的导体部的直接冷却。

短路装置可以以例如短路环的形式来实现。这样的短路环可以以特别简单的方式来制造。根据不同的应用，也就是短路电枢(即异步电机中的转子)的形式，这样的短路环的设计和功能基本上是已知的。然而，与所提出的原理相对比，在短路电枢中，导体部的两侧上均提供短路环。

在一个实施方式中，短路环以中空方式来实现，这意指该短路环具有例如矩形横截面，在该短路环内定位有冷却通道。因而，该冷却通道也以环状方式设计并且被集成至短路环中。

环状冷却通道可以被替选地或另外地布置成沿轴向方向和/或径向方向与短路环直接相邻并且通过可能的最大的面连接至短路环，以便确保从短路环至冷却通道的充分导热性。

在一个实施方式中，短路环与相邻地布置的冷却通道具有相同的内径和外径。

短路环和冷却通道可以彼此直接接触或者借助于导热性介质例如粘合层来彼此连接。

替代环状冷却通道的基本为矩形的横截面，还可以考虑其他的横截面形状，例如L形、U形或椭圆形的横截面。

在一个实施方式中U形冷却通道以使得U的开口被轴向地定向为朝向电机的方式来布置。

例如，引起冷却效果的液体冷却介质或气体冷却介质可以流过冷却通道。

冷却装置的特征在于：用于将冷却装置连接至例如热交换器的至少一条冷却介质供给管线以及至少一条冷却介质排出管线，该热交换器可以吸收来自冷却介质的热量。替代热交换器，还可以使用其他已知的冷却装置例如蒸发器。

在该情况下可以利用单回路冷却系统或多回路冷却系统。

在一个实施方式中，导体部被分别实现为直的。这使得能够特别有成本效益地制造定子槽和绕组。

导体部自身可以例如具有矩形横截面、圆形横截面或椭圆形横截面。

导体部可以包括铝棒、铜棒或青铜棒。

所提出的原理使得可以直接对在短路装置的冷却装置周围的区域中生成的欧姆损耗进行耗散。

在导体部中或与定子绕组的导体部直接相邻处或在连接至导体部的供电单元中所生成或存在的热通过导体部被有效地传递至短路装置，然后通过冷却装置传送走。铜或铝的导热性是铁的导热性的5倍至8倍。因此，绕组自身比定子铁芯更适于热传递。

总之，例如与将冷却通道布置在定子铁芯的铁中相比，所提出的原理产生优良的冷却效果，对于经由导体部至短路装置的热传递的热阻非常低，因而使得能够对定子绕组进行非常有效地冷却。

相对于定子铁芯中的损耗，本冷却也良好地起作用。这是由于定子铁芯周围的区域与定子绕组的导体部之间的低的热阻。在所提出的绕组中，分别在各个导体部与定子齿部或定子磁轭之间不需要槽衬。这产生了对于从定子铁芯至短路装置的冷却装置的热传递的低的总体热阻。

冷却装置的冷却通道的L形横截面产生了增大的对流面，使得进一步提高了冷却效果。

附图说明

下面参照附图中示出的若干示例性实施方式来阐述所提出的原理的其他细节。

在附图中，相同的或起相同作用的部件通过相同的附图标记来表示。

在这些附图中：

图1示出了根据所提出的原理的定子的绕组系统的第一示例性实施方式；

图2示出了根据图1的示例性实施方式的定子；

图3示出了根据所提出的原理的定子的绕组系统的第二示例性实施方式；

图4示出了根据图3的示例性实施方式的定子；

图5示出了根据所提出的原理的定子的绕组系统的第三示例性实施方式；

图6示出了根据图5的示例性实施方式的定子；

图7示出了根据所提出的原理的定子的绕组系统的第四示例性实施方式；

图8示出了插入相应定子的槽中的根据图7的示例性绕组系统；

图9示出了穿过根据所提出的原理的定子的示例性实施方式的横截面；

图10示出了用于定子的绕组系统的示例性供电单元；

图11示出了根据图1的实施方式的示例性增强方式；

图12示出了根据图7的实施方式的示例性增强方式；

图13示出了具有U形冷却通道的示例性实施方式；

图14示出了具有若干对磁极和若干个部分短路环的示例性实施方式；

图15示出了具有若干对磁极和若干个部分短路环的另一示例性实施方式；

图16示出了具有导体部的定子的示例的细节；

图17示出了永磁转子形式的转子的示例性实施方式；

图18示出了磁阻转子形式的转子的示例性实施方式；

图19示出了电流励磁式转子形式的转子的示例性实施方式；以及

图20示出了异步转子形式的转子的示例性实施方式。

具体实施方式

图1以透视表示法的形式示出了电机的定子的绕组系统的第一示例性实施方式。绕组系统包括沿轴向方向延伸并且沿转子的圆周均匀分布的多个直导体部3。每个导体部3的一端连接至以短路环4的形式实现的短路装置。短路环4的特征在于冷却装置5，在该情况下，该冷却装置5以具有矩形横截面的环状冷却通道的形式来实现。直导体部3被实现为实心的，并且具有基本长方体的形状。在该情况下，导体部被定向为与电机的轴平行。

在导体部3的端面上，导体部3以使得产生大表面的导电导热连接的方式连接至短路环4。电连接用于将导体部的端彼此短路，而热连接用于实现从导体部3至经冷却的短路环4的充分的热传递。冷却装置5的冷却通道以使得流体例如冷却流体或气体在电机的操作期间可以流过所述冷却通道的方式来设计。冷却介质用于对在电机的操作期间所生成的热损耗进行耗散。

所示的绕组的制造工作量非常低。基本设计与异步电机的短路电枢相对应，其中，与短路电枢对比，所提出的定子绕组仅在一侧上被短路。导体部的自由端连接至如下面更详细地描述的分别产生可用的各个相电流的供电单元。

图2示出了根据图1的绕组，其中导体部3、短路环4和集成的冷却装置5被安装至定子1中。在该情况下，定子1中的槽2的数目精确地对应于所提供的导体部3的数目。槽2沿定子1的圆周分布并且与导体部3类似地沿轴向方向延伸。

在本示例中，定子1的特征在于可以容纳定子绕组的36个导体部3的总共36个槽2。可以立即推断出，不仅可以容易地制造具有短路环和冷却装置的定子绕组，而且还可以以非常简单的方式来执行将定子绕组安装至定子槽中。

在图1和图2中未示出至/从集成至短路环中的冷却通道的冷却介质的供给和排出，以便提供更优的概览。可以直接对短路环的区域中的欧姆损耗进行冷却。可以非常有效地对导体部的区域中的欧姆损耗进行耗散，这是因为由该欧姆损耗所产生的热量被轴向地传导至短路环并且从短路环传导至冷却通道中的冷却介质。由于包括例如铜或铝的材料的导体部的导热性与铁相比非常高，例如是铁的导热性的5倍至8倍，所以经由导体部的热传递的热阻非常低。这不仅使定子绕组冷却简易，而且使定子绕组冷却高效。

根据图2以及图16，在定子铁芯与导体部3之间存在低的热阻。在该示例性实施方式中，分别在导体部3与定子槽2或定子磁轭之间不需要槽衬。因而从定子铁芯至短路环4的冷却通道的热传递的总体热阻较低，其中，这转而还使由定子铁芯损耗生成的热的冷却有效。

图3和图4基于根据图1和图2的示例性实施方式，但是图3和图4示出了替选横截面以便更优地阐述根据所提出的原理的设计和功能。在该方面，在此处不提供该设计和有利功能的重复描述。

图5和图6示出了基于图3和图4的冷却装置5中的冷却通道的不同设计。

在根据图5和图6的示例性实施方式中，不利用矩形横截面而是利用L形横截面来实现冷却通道5A。在该情况下，L形的较长的臂被定向成沿径向方向并且较短的臂被定向成沿轴向方向。这产生了如下面更详细地描述的提高的冷却效果。在冷却通道5A内发生由对流引起的温度交换。在该情况下热传递率取决于冷却通道的壁与流体之间的总温差以及对流面A_C。根据以下公式来计算冷却通道5A的内表面与流体之间的对流热阻R_conv：

其中，量h_c称为对流传热系数。

根据该公式，可以通过增大冷却通道的对流面来减小对流热阻。根据图5和图6的实施方式精确地示出了利用L形所实现的冷却通道的该增大的对流面。

图7和图8示出了基于图1和图2的替选实施方式。在该情况下，图7再次示出了具有冷却装置的绕组系统的细节，而图8示出了具有根据图7的绕组系统的定子。

与根据图1和图2的示例性实施方式对比，在根据图7和图8的示例中，冷却通道未被集成至短路环4中。实际上，在根据图7和图8的实施方式中提供了单独的冷却装置，并且该单独的冷却装置沿轴向方向以凸缘方式装至短路环4。在该情况下，短路环4以及冷却装置的冷却通道具有矩形横截面，其中，短路环被实现为实心的，而冷却装置5形成具有矩形横截面的中空空间。冷却装置和短路环自然在沿轴向方向的大的表面上彼此连接，其中，该连接必须具有充分的导热性，但是不一定具有充分的导电性。若干种组装技术诸如例如具有相应性质的粘合剂可以用于产生在冷却装置与短路环之间的这样的连接。在该示例中，短路环4和冷却装置5的冷却通道具有相同的内径和相同的外径。

图9示出了穿过根据所提出的原理的定子1的横截面。该图具体地示出了沿圆周布置并且容纳导体部3的总共36个槽2。槽2沿轴向方向延伸并且以横截面形式被示出。在每个槽中分别布置有一个导电部3。

绕组具有由A1，A2，…，A18表示的18个相位。电机被设计成四极电机，因而电机的磁极对数为2。因而A1至A18中的每个相位出现两次，其中，被提供有相同电相位的相应导体部相对彼此偏离180°。

在定子内设置有转子，其中，所述转子被可旋转地支承并且通过附图标记21来表示。

图10以简化的展开图的形式示出了的定子绕组。可以推断出，短路环4连接至18个导体部3，该18个导体部3被分配给通过附图标记A1至A18所表示的电相位。供电单元8的特征在于总共18个端子，借助于18个端子可以各个地生成对应的相电流并且将该相电流馈送至导体部3。

关于供电单元的设计、定子的绕组的结构以及可能的修改和有利实施方式，我们引用申请人的在先专利申请DE102014105642.6的全部内容。

图11示出了根据图1的实施方式的示例性增强方式。在该情况下，在具有集成的冷却通道的短路环4的端面上分别设置有用于供给流体形式的冷却介质的供给管线6和用于排出流体形式的冷却介质的排出管线7。例如，供给管线6和排出管线7分别具有圆形横截面。自然还可以考虑其他形状。

图12示出了根据图7的实施方式的示例性增强方式。在该情况下，在环状设计的冷却装置5的端面上分别设置有用于供给流体形式的冷却介质的供给管线6和用于排出流体形式的冷却介质的排出管线7。例如，供给管线6和排出管线7分别具有圆形横截面。自然还可以考虑其他形状。

图13示出了具有U形冷却通道5B的示例性实施方式。U的开口被轴向地定向成朝向电机。该实施方式基于根据图5的实施方式，其中，在该情况下用U形取代了冷却通道横截面的L形。以此方式，进一步增大了可用于将热损耗从短路环传递至冷却介质中的有效表面。

图14示出了具有若干对磁极的定子绕组的示例性实施方式。在该示例中，短路装置包括在该情况下分别将导体部3中的一半导体部3彼此短路的两个电隔离的部分短路环41、42。两个部分短路环41、42中的每一个部分短路环将一对磁极的导体部3彼此连接。还提供了单个环状冷却通道。

图15示出了具有若干对磁极的另一示例性实施方式。该实施方式在将短路环分成两个部分41、42方面与图14相对应。然而，与图14对比，图15中的冷却通道并非以单个环状冷却通道的形式来实现，而是也由与短路环类似地分别具有半圆形形状的两个部分51、52构成。在两个部分冷却通道51、52的相应端面上，两个部分冷却通道51、52连接至电机上的相应部分短路环41、42。

基于定子的实施方式的细节，图16示出导体部3分别可以完全地填充槽。以此方式，可以将槽线圈空隙因数(slotspacefactor)增大至100％。可以例如借助于压铸处理与一侧短路环4一起来制造该绕组，使得进一步减少电机的制造成本。

图17至图20示出了根据所提出的原理的适用的示例性转子。图17示出了永磁转子21，图18示出了磁阻转子22，图19示出了电流励磁式转子23，并且图20示出了异步转子24。

由于这些转子由电机的众所周知的转子构成，所以在此处未更详细地阐述这些转子。

附图标记列表

1定子

2槽

3导体部

4短路环

5冷却装置

5A冷却通道

5B冷却通道

6供给管线

7排出管线

8供电单元

21转子

22转子

23转子

24转子

41部分短路环

42部分短路环

51部分冷却通道

52部分冷却通道

Claims

1.一种电机，所述电机具有定子(1)和相对于所述定子(1)被可动地支承的转子(21)，其中：

-所述定子(1)包括用于容纳定子绕组的多个槽(2)；

-每个槽中分别置入有所述定子绕组的一个导体部(3)；

-在所述定子的第一侧上，至少一对磁极的所述导体部(3)在短路装置中彼此间被短路；以及

-所述短路装置包括冷却装置(5)。

2.根据权利要求1所述的电机，

其中，设置有短路环(4)以用于对所述导体部进行短路，并且所述短路环包括用于输送流体的环形冷却通道。

3.根据权利要求2所述的电机，

其中，所述环形冷却通道被集成至所述短路环中。

4.根据权利要求3所述的电机，

其中，所述环形冷却通道具有矩形横截面。

5.根据权利要求3所述的电机，

其中，所述环形冷却通道具有基本L形或U形或椭圆形的横截面。

6.根据权利要求2所述的电机，

其中，所述环形冷却通道被布置成沿轴向方向和/或径向方向与所述短路环相邻并且与所述短路环热耦合。

7.根据权利要求1至6中的一项所述的电机，

其中，所述导体部在所述定子的与所述第一侧相反的第二侧(6)上分别连接至供电单元(8)的端子。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的电机，

其中，所述供电单元(8)给所述导体部(3)分别提供单独的电相位。

9.根据权利要求8所述的电机，

其中，相位的数目总计为至少3个。

10.根据权利要求8所述的电机，

其中，相位的数目总计为至少4个。

11.根据权利要求8所述的电机，

其中，相位的数目总计为至少5个。

12.根据权利要求8所述的电机，

其中，相位的数目总计为至少10个。

13.根据权利要求1至10中的一项所述的电机，

其中，置于所述槽中的各个所述导体部(3)是直的。

14.根据权利要求1至13中的一项所述的电机，

其中，置于所述槽中的各个所述导体部(3)包括铝棒、铜棒或青铜棒。