CN106877579A - 具有绕组头经陶瓷环到定子支撑结构的热耦联的电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机，其具有转子和定子板叠。转子布置在转子轴上，转子轴支承在轴承中，从而让转子和转子轴能够围绕旋转轴线旋转。电机具有绕组系统，其在旋转轴线的方向上看经由中间部段从第一绕组头延伸至第二绕组头。第一绕组头是绕组系统的、在旋转轴线的方向上看在定子板叠的轴向端部处、超过定子板叠向外伸出的部段。定子板叠在其背离转子的侧面上与支撑结构接触。支撑结构在轴向方向上不仅覆盖定子板叠，而且还覆盖绕组头。在绕组头的区域内，分别布置有由陶瓷材料构成的导热装置，该导热装置具有至少一个基本环，该基本环布置在相应的绕组头和支撑结构之间，并且在压力下不仅贴靠在支撑结构处还贴靠在相应的绕组头处。

Description

具有绕组头经陶瓷环到定子支撑结构的热耦联的电机

技术领域

本发明涉及一种电机，

其中，所述电机具有转子和定子板叠，

其中，转子布置在转子轴上，转子轴支承在轴承中，从而使得转子和转子轴能够围绕旋转轴线旋转，

其中，电机具有绕组系统，在旋转轴线的方向上看，该绕组系统经由中间部段从第一绕组头延伸至第二绕组头，

其中，所述绕组系统的中间部段是绕组系统的、布置在定子板叠内的部段，

其中，第一绕组头是绕组系统的、在旋转轴线的方向上看在定子板叠的轴向端部处、超过定子板叠向外伸出的部段，并且第二绕组头是绕组系统的、在旋转轴线的方向上看在定子板叠的另外的轴向端部处、超过定子板叠向外伸出的部段，

其中，定子板叠在其背离转子的侧面上与支撑结构接触，

其中，支撑结构在旋转轴线的方向上看不仅覆盖定子板叠，而且还覆盖这些绕组头。

背景技术

在电机中，在运行时通常不仅在定子中而且在转子中也产生损耗。定子损耗通常由绕组损耗和交变磁化损耗组成。绕组损耗在绕组中通过绕组的欧姆电阻产生。交变磁化损耗在定子板叠中通过持续的交变磁化产生。在转子中，同样也在转子的叠片中出现交变磁化损耗。根据机器类型，还有可能在永磁体中出现涡流损耗，或者在转子架或转子绕组中出现电流损耗。

在定子绕组中，尤其是绕组头中的损耗是一个局限性的因素，因为绕组头可能由于在定子板叠处的较差的连接而比嵌入定子板叠的、绕组的中心部分更差地冷却。尤其是在高度利用的电机中，正如在电动车中常见的那样，这些损耗必须尽可能高效地并且迅速地被输送走和冷却掉。此外，在绕组头中必须确保在绕组的不同阶段和位置之间的电绝缘。

在现有技术中，定子板叠连同定子绕组一起经常通过水冷来冷却。为了这个目的，在常见的内转子中，在径向外部包围定子板叠的壳体中设置有冷却通道，其接入冷却回路。绕组通常利用树脂进行浸泡和/或滴入。然而，浸泡树脂仅仅具有非常弱的导热能力。为了绕组头的更好的导热连接，这些绕组头被部分地浇注，从而改善到壳体外罩的和因此到流体冷却回路的热排导。然而，使用的浇注材料(通常是树脂)仅仅具有几W/mK的导热能力。因此，绕组头在这种构造方式中也构成电机中的热点。为了将这些阶段和位置相互分隔开，通常使用绝缘纸。

发明内容

本发明的目的在于，实现特别对绕组头的更好的冷却的可行性。

该目的通过一种本发明的电机来实现。

根据本发明，开头所述类型的电机通过以下方式构造，

在绕组头的区域内，分别布置有由陶瓷材料构成的导热装置，

相应的导热装置具有至少一个基本环，该基本环布置在相应的绕组头与支撑结构之间，并且

相应的基本环在压力下不仅贴靠在支撑结构处，还贴靠在相应的绕组头处。

陶瓷材料可以具有比较高的导热能力。其值可以直至300W/mK。由此已经改进了来自绕组头的热排导。此外，相应的绕组头处的导热装置与支撑结构挤压得越紧，热过渡就越好。由于以下情况，即相应的基本环在压力下不仅贴靠在支撑结构处而且还贴靠在相应的绕组头处(也就是夹在在相应的绕组头和支撑结构之间的中间空间内)，所以此外附加地改善了从相应的绕组头到相应的导热装置的、以及从那里到支撑结构的热传递。

在电机的一种优选的构造方案中，基本环被划分成区段，该区段在围绕旋转轴线的切向方向上看分别仅仅覆盖整个圆的一部分。通过这种区段化的方式，通常能够更轻松地将基本环的各个区段导入相应的绕组头和支撑结构之间的中间空间内。就大小而言，这种区段化可以视需求而定。例如，这些区段可以覆盖180°、120°、90°、72°、60°或45°。也能够划分更多的区段并且由此每个区段覆盖更小的角度。此外，围绕旋转轴线地看，通常所有的区段覆盖相同的角度。但是，在个别情况下也有可能的是，当并非所有的区段都覆盖相同的角度。

在另一个优选的构造方案中，导热装置分别具有附加环，该附加环布置在绕组头的朝向转子的侧面上，并且在径向上有压力的情况下贴靠在相应的绕组头处。通过这种构造方式尤其可以将作用于基本环上的有效压力最大化。此外还可以增大相应的导热装置贴靠在相应的绕组头处的面积。

与基本环类似地，在电机的一种优选的构造方案中，附加环也被划分成多个区段，该区段在围绕旋转轴线的切向方向上看分别仅仅覆盖整个圆的一部分。通过这样区段化，通常更容易将附加环的各个区段导入相应的绕组头和转子或转子轴之间的中间空间内。就大小而言，这种区段化可以视需求而定。上述用于划分基本环的实施方式可以类似地应用。

在另一个优选的构造方案中，导热装置分别具有中间环，该中间环从相应的基本环出发朝向转子延伸，从而使得基本环和相应的导热装置的中间环具有L形的形状，并且中间环在旋转轴线的方向上看贴靠在相应的绕组头处。通过这种构造方式可以增大相应的导热装置贴靠在相应的绕组头处的面积。

在也存在附加环的情况下，尤其是相应的附加环和相应的基本环经由相应的中间环能够相互连接。由此至少在某些构造方案中，能够将相应的导热装置的三个单独的环-相应的基本环、相应的附加环和相应的中间环-安装为一个单元。

与基本环和附加环类似地，在电机的一种优选的构造方案中，中间环也被划分成许多区段，该区段在围绕旋转轴线的切向方向上看分别仅仅覆盖整个圆的一部分。通过这样的区段化，通常更加容易安装中间环的各个区段。就大小而言，这种区段化可以是视需求而定的。上述用于划分基本环和附加环的实施方式可以类似地应用。

原则上，可以相互独立地选择相应的导热装置的各个环的区段化方式。然而通常会选择相同的区段化方式。尤其是在不仅存在基本环还存在中间环以及附加环的情况下，各个区段在这种情况下具有U形的形状。

在本发明的另一种优选的构造方案中，在绕组头中导入了陶瓷件。由此能够改善从各个绕组头的内部向相应的导热装置的热传输。尤其是这些陶瓷件的一部分能够与相应的导热装置机械地连接。由此能够不仅将从相应的绕组头向相应的导热装置的热传输而且甚至将从相应的绕组头到相应的导热装置内的热传输最优化。

用来构成导热装置的陶瓷可以是视需求而定的。尤其是用来构成导热装置的陶瓷可以是玻璃陶瓷、氮化铝和/或氧化铝。

优选地，绕组头连同它们相应的导热装置一起利用浇注材料被浇注。由此能够改善绕组头内的热传输和绕组头在导热装置处的热耦联。

优选地，在支撑结构中或者在支撑结构和定子板叠之间布置有流体通道，用于电机的流体冷却剂处于这些流体通道中。通过这种构造方案能够改善来自壳体的热排导。

附图说明

结合下面对结合附图详尽阐述的实施例的说明，本发明的上述特征、特点和优点以及实现的方式和方法更加清楚易懂。在此以示意图示出：

图1示出穿过电机的纵向剖面图，

图2示出图1的纵向剖面图的局部，

图3示出沿着图1中的线III-III穿过图1中的电机的横截面图，

图4示出穿过电机的纵向剖面图的局部，

图5示出沿着图4中的线V-V穿过图1中的电机的横截面图，

图6示出穿过电机的纵向剖面图的局部，

图7示出沿着图6中的线VII-VII穿过图5中的电机的横截面图，以及

图8示出穿过电机的纵向剖面图的局部。

具体实施方式

根据图1，总体上用附图标记1表示的电机具有定子板叠2和转子3。转子3布置在转子轴4上，其本身支承在轴承5中。转子3和转子轴4由此能够围绕旋转轴线6旋转。定子板叠2在径向外部包围转子3。电机1因此构造内转子。然而，电机1也可以构造成外转子马达。在这种情况下，定子板叠2布置在转子3的径向内部。

到目前为止还有下面会使用轴向、径向和切向这些概念，它们总是相对于旋转轴线6而言。轴向是与旋转轴线6平行的方向。径向是与旋转轴线6正交的、朝向或者离开旋转轴线6的方向。切向是不仅与轴向方向正交而且与径向方向正交地延伸的方向。因此，切向是指在固定的轴向位置处并且与旋转轴线6的径向间距恒定地、圆形地围绕旋转轴线6指向的方向。

电机1具有绕组系统。所述绕组系统由连接的绕组构成。补充参见图2，该绕组系统在轴向上从第一绕组头7经由中间部段8延伸至第二绕组头9。所述绕组系统的中间部段8是绕组系统的、布置在定子板叠2中的部段。第一绕组头7是绕组系统的、在轴向方向上看在定子板叠2的轴向端部处、超过定子板叠2向外伸出的部段。以类似的方式，所述第二绕组头9是绕组系统的、在轴向方向上看在定子板叠2的另一个轴向端部处、超过定子板叠2向外伸出的部段。

所述定子板叠2根据图1和2在其背离转子3的侧面上与支撑结构10接触。在外转子的情况下，因此所述定子板叠2在径向外部被支撑结构10所包围。在内转子的情况下，支撑结构10布置在定子板叠2的径向内部。所述支撑结构10在轴向上看不仅覆盖定子板叠2，而且还覆盖绕组头7，9。优选地，所述电机1还构造成流体冷却的电机。在这种情况下，根据图2中的图，在支撑结构10中布置有流体通道11，在这些通道中存在用于电机1的流体冷却剂。所述流体冷却剂尤其可以是水。作为支撑结构10中的布置方式的替选，流体通道11可以布置在支撑结构10和定子板叠2之间。

根据图1至3，在第一绕组头7的区域内布置导热装置12。所述导热装置12由陶瓷材料构成。尤其是以如下方式选择这种陶瓷材料，即其是电绝缘并且无磁性的，并且此外还具有高的导热能力。例如，所述陶瓷材料可以具有20到300W/mK(瓦特每米和开尔文)之间的导热能力。满足这些特征的材料的例子有玻璃陶瓷、氮化铝和氧化铝。这些材料的混合也是可行的。

图2示出了导热装置12的一种最小化构造方式。根据图2，所述导热装置12具有基本环13。所述基本环13布置在第一绕组头7和支撑结构10之间。所述基本环13夹在支撑结构10和第一绕组头7之间。因此，其在压力下不仅贴靠在支撑结构10处，而且还贴靠在第一绕组头7处。该压力在图2中以箭头14表示。

基本环13优选地按照图3中所示的那样划分成区段15。这些区段15在切向方向上分别仅仅覆盖整个圆的一部分。

在图3的图中，区段15分别覆盖一个45°的夹角α，然而这只是纯示例性的。其他的角度也是可行的。

图4结合图5示出了电机1的一种有利的构造方式。在这种构造方案的框架内，所述导热装置12除了基本环13以外还具有附加环16。所述附加环16在内转子的情况下布置在第一绕组头7的径向内部。在外转子的情况下，附加环16布置在第一绕组头7的径向外部。一般而言，所述附加环16布置在第一绕组头7的朝向转子3的侧面上，所述附加环16在压力下贴靠在第一绕组头7处。这在图4中用箭头17表示。

所述附加环16优选地按照图5中所示同样也划分成区段18。这些区段18在切向方向上同样也分别仅仅覆盖整个圆的一部分。在图5的图中，区段15分别覆盖45°的夹角β，然而这仅仅是纯示例性的。其他的角度也是可行的。通常情况下，用于附加环16的区段18的夹角β与用于基本环13的区段15的夹角α一致。然而这不总是强制必须的。

图6和7示出了电机1的另一种优选的构造方案。在根据图6和7所示的构造方案的框架内，所述导热装置12除了基本环13以外还具有中间环19。所述中间环19从基本环13出发，向转子3延伸。基本环13和中间环19因此具有L形的形状。在轴向方向上看，所述中间环19贴靠在第一绕组头7处。优选地，所述中间环19在压力下贴靠在第一绕组头7处。这在图8中用箭头20表示。

可行的是，中间环19按照图7中所示同样也划分成区段21。这些区段21在这种情况下在切向方向上同样也分别仅仅覆盖整个圆的一部分。在图7的图中，区段15分别覆盖180°的夹角γ，然而其仅仅是纯示例性的。其他的角度也是可能的。尤其是用于中间环19的区段21的夹角γ可以不同于用于基本环13的区段15的夹角α。但是也可以是相同的夹角。

图8示出了一种有利的构造方式，这种构造方式一方面将图4和5的构造方式相互结合，另一方面将图6和7的构造方式相互结合。在根据图8所示的构造方案中，因此，除了基本环13以外不仅存在附加环16还存在中间环19。在这种情况下，附加环16和基本环13优选地经由中间环19相互连接。可行的是，尽管基本环13和/或附加环16划分成了区段15，18，所述中间环19却未被划分。作为替选，正如前面阐述的那样，中间环19也可以划分成区段21。能够有利的是，对于基本环13的区段15、附加环16的区段18和中间环19的区段21的划分是统一的。在这种情况下，所述导热装置12由多个U形件组成，这些U形件分别由基本环13的区段15、附加环16的区段18和中间环19的区段21组成。

图2、4、6和8还示出了所述电机1的另一种有利的构造方案。在这种构造方案的框架内，在第一绕组头7中导入了陶瓷件22至24。陶瓷件22至24可以由和导热装置12一样的材料构成。可行的是，所述陶瓷件22至24独立于导热装置12地导入第一绕组头7中。这样就带来以下优点，即在第一绕组头7内实现向导热装置12的更快的热传输。然而，优选地，按照图2、4、6和8中的图，陶瓷件22至14的一部分与导热装置12机械地连接。由此改进到导热装置12中的热传输。通过陶瓷件22至24，也还可以将绕组系统的这些阶段和位置相互绝缘。

为了将第一绕组头7最优地热耦联到导热装置12上，第一绕组头7还优选地连同导热装置12一起利用浇注材料25进行浇注。合适的浇注材料25对于专业技术人员来说是普遍公知的。

本发明已经在上面结合第一绕组头7进行阐述。第二绕组头9处的构造方案是类似的。尤其是在第二绕组头9处存在导热装置12’。所述导热装置12’的构造方案与导热装置12的构造方案完全类似。此外，在第二绕组头9中也可以引入陶瓷件。

总而言之，本发明因此涉及以下内容：

电机1具有转子3和定子板叠2。所述定子3布置在支承在轴承5中的转子轴4上，使得转子3和转子轴4能够围绕旋转轴线6旋转。所述电机1具有绕组系统，所述绕组系统在轴向方向上从第一绕组头7经由中间部段8延伸至第二绕组头9。所述中间部段8是绕组系统的布置在定子板叠2中的部段。所述绕组头7，9是在轴向上在定子板叠2的端部处、超过定子板叠2向外伸出的部段。所述定子板叠2在其背离转子3的侧面上与支承结构10接触。所述支撑结构10在轴向上不仅覆盖定子板叠2，而且还覆盖绕组头7，9。在绕组头7，9的区域内，分别布置有由陶瓷材料构成的导热装置12，12'，该导热装置具有至少一个基本环13，该基本环布置在相应的绕组头7，9和支撑结构10之间，并且在压力之下不仅贴靠在支撑结构10处而且还贴靠在相应的绕组头7，9处。

本发明具有许多优点。尤其是可以通过所述导热装置12，12'实现绕组头7，9到支撑结构10的显著更好的热连接。可以避免或者至少减少绕组系统的中间部段8和绕组系统的绕组头7，9之间的温度差。绕组系统的电流承载能力能够在总体上提升，并且电机1的可实现的持久功率因此可以提升，只要电流承载能力受到从绕组头7，9中可能导走的热量的限制。因为导热装置12，12’是非导电的，所以在导热装置12，12’中没有形成涡流，从而使得电机1的电磁特性不受导热装置12，12’的影响。

尽管通过优选的实施例详尽地阐述和说明了本发明，但是本发明不受所公开的实例的局限，并且专业技术人员可以从中推导出其他的变化方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种电机，

其中，所述电机具有转子(3)和定子板叠(2)，

其中，所述转子(3)布置在转子轴(4)上，所述转子轴支承在轴承(5)中，从而使得所述转子(3)和所述转子轴(4)能够围绕旋转轴线(6)旋转，

其中，所述电机具有绕组系统，在所述旋转轴线(6)的方向上看，所述绕组系统经由中间部段(8)从第一绕组头(7)延伸至第二绕组头(9)，

其中，所述绕组系统的中间部段(8)是所述绕组系统的、布置在所述定子板叠(2)中的部段，

其中，所述第一绕组头(7)是所述绕组系统的、在所述旋转轴线(6)的方向上看在所述定子板叠(2)的轴向端部处、超过所述定子板叠(2)向外伸出的部段，并且所述第二绕组头(9)是所述绕组系统的、在所述旋转轴线(6)的方向上看在所述定子板叠(2)的另外的轴向端部处、超过所述定子板叠(2)向外伸出的部段，

其中，所述定子板叠(2)在所述定子板叠的背离所述转子(3)的侧面上与支撑结构(10)接触，

其中，所述支撑结构(10)在所述旋转轴线(6)的方向上看不仅覆盖所述定子板叠(2)，而且还覆盖所述第一绕组头(7)和所述第二绕组头(9)，

其特征在于，

在所述第一绕组头(7)和所述第二绕组头(9)的区域内，分别布置有由陶瓷材料构成的导热装置(12，12’)，

相应的所述导热装置(12，12’)具有至少一个基本环(13)，所述基本环布置在相应的所述第一绕组头(7)或所述第二绕组头(9)与所述支撑结构(10)之间，并且

相应的所述基本环(13)在压力下不仅贴靠在所述支撑结构(10)处，还贴靠在相应的所述第一绕组头(7)或所述第二绕组头(9)处。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述基本环(13)被划分成区段(15)，该区段在围绕所述旋转轴线(6)的切向方向上看分别仅仅覆盖整个圆的一部分。

3.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述导热装置(12，12’)分别具有附加环(16)，所述附加环布置在所述第一绕组头(7)的和所述第二绕组头(9)的朝向所述转子(3)的侧面上，并且在径向上有压力的情况下贴靠在相应的所述第一绕组头(7)或所述第二绕组头(9)处。

4.根据权利要求3所述的电机，其特征在于，所述附加环(16)被划分成区段(18)，该区段在围绕所述旋转轴线(6)的切向方向上看分别仅仅覆盖整个圆的一部分。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述导热装置(12，12’)分别具有中间环(19)，所述中间环从相应的所述基本环(13)出发朝向所述转子(3)延伸，从而使得所述基本环(13)和相应的所述导热装置(12)的所述中间环(19)具有L形的形状，并且所述中间环(19)在所述旋转轴线(6)的方向上看贴靠在所述第一绕组头(7)或所述第二绕组头(9)处。

6.根据权利要求5结合权利要求3或4所述的电机，其特征在于，相应的所述附加环(16)和相应的所述基本环(13)经由相应的所述中间环(19)相互连接。

7.根据权利要求5或6所述的电机，其特征在于，所述中间环(19)被划分成区段(21)，该区段在围绕所述旋转轴线(6)的切向方向上看分别仅仅覆盖整个圆的一部分。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，在所述第一绕组头(7)和所述第二绕组头(9)中引入陶瓷件(22至24)。

9.根据权利要求8所述的电机，其特征在于，所述陶瓷件(22至24)的一部分与相应的所述导热装置(12，12’)机械地连接。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，构成所述导热装置(12，12’)的陶瓷是玻璃陶瓷、氮化铝和/或氧化铝。

11.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述第一绕组头(7)和所述第二绕组头(9)连同所述第一绕组头(7)的和所述第二绕组头(9)的相应的所述导热装置(12，12’)一起利用浇注材料(25)被浇注。

12.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，在所述支撑结构(10)中或者在所述支撑结构(10)和所述定子板叠(2)之间布置有流体通道(11)，用于电机的流体冷却剂处于所述流体通道中。