CN110073577A - 用于电机的定子和制造这种定子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电机的定子，所述定子具有用于容纳导体的槽，导体用于产生磁场，其中，在所述槽中设置有至少两个彼此平行地延伸的彼此相邻的导体，所述导体通过绝缘部件彼此电绝缘，其中，绝缘部件至少部分通过在导体之间插入的层隔离件形成。本发明要解决的技术问题是，给出一种定子和制造这种定子的方法，由此一方面可以实现大的填充因数，另一方面可以可靠地避免局部放电。上述技术问题通过如下方式来解决：层隔离件的使用和/或性质，与在槽中彼此平行地延伸的彼此相邻的导体之间的相应的最大电压电势有关。

Description

用于电机的定子和制造这种定子的方法

背景技术

在现代机器(例如在运行时经由时钟控制(getaktete)的变换器源驱动的电动机)的设备电路中，越来越多地产生重复的高能量脉冲(例如开关脉冲)。这些脉冲的上升时间短，并且峰值电压明显高于电源电压的标称值。与绝缘系统在传统的电网频率下的交流电压下的老化相比，这些脉冲使得绝缘系统以不同的方式老化。在此必须考虑以下几点：局部放电通过腐蚀性的分解产物、紫外线辐射和臭氧、由于电流脉冲而引起的机电疲劳以及由于电压脉冲的高频分量而引起的介电加热而破坏绝缘。即使标称电压低于局部放电的起始电压，叠加的脉冲也可能激发局部放电。在此，温度、空气湿度、脉冲形状、脉冲极性和脉冲重复率显著地影响材料的退化速度。因此，到局部放电的熄灭电压的足够的距离始终是重要的。其(除了结构措施之外)通过使用足够耐压、即“更厚”的绝缘来实现。然而，这与在电机内部绝缘材料尽可能少的要求矛盾。因为只有铁和铜部分是电有效的，同时另一方面，可用于要构建的电机的结构空间通常是非常有限的。

因此，在设计和制造电机时，应当注意使槽中的相邻的导体的电压差尽可能小，因为否则由于电压负荷，可能在导体或者导体之间的绝缘材料中发生局部放电。这些局部放电可能在机器的使用寿命期间损坏或者破坏机器的绝缘系统，由此可能出现故障/停机(Liegenbleiben)。为了防止局部放电，可以通过引入附加的绝缘材料来增加相邻的导体相对于彼此的距离。

从DE 10 2004 013 579 A1中，已知在定子的绕组头中，通过纸膜将分布式绕组的交叉的导线彼此隔离，从而对其施加三相电流的不同的相。然而，在相应的前提条件下，局部放电很可能不在绕组头中发生，而是在定子的槽内的导体之间发生。

此外，提出了在槽的所有分导体之间引入绝缘材料。然而，在此，其缺点是，定子槽的铜填充因数(Kupferfüllfaktor)变得更小。此外，使用了比实际需要更多的材料。附加地，用于建造定子的处理时间延长。

避免局部放电的另一种可能性可以是，使用电压差不是很大的优化的绕组方案。然而，在此，要忍受更复杂的制造过程。最后，存在电机以不同的电压水平运行的可能性，但是这经常是不可能的，因为关于输入电压和输出电压的边界条件是确定的。

发明内容：技术问题、解决方案、优点

因此，本发明涉及一种与根据权利要求1的前序部分对应的定子和与根据权利要求8的前序部分对应的方法。本发明要解决的技术问题是，给出一种定子和制造这种定子的方法，由此一方面可以实现大的填充因数，另一方面可以可靠地避免局部放电。

上述技术问题通过根据权利要求1的特征组合或者通过根据权利要求8的方法的特征来解决。因此，代替在所有导线之间插入类似地设计的层隔离件，原则上对该层隔离件进行优化，并且使其匹配于相应的现有的要求。因此，其结果是，对于层隔离件，仅使用像对于经济的制造有意义的材料一样多的材料。由此，在导体之间的击穿强度得到改善时，相关绕组的填充因数同时增大。因此，本发明原则上在于如下内容：分析机器的绕组方案，以确定在绕组的哪些位置(在哪些分导体之间)存在对于机器的运行过大的电压差。然后，仅在这些位置使用相应地确定尺寸的层隔离件。由此，仅在绕组需要的位置使用该附加的绝缘材料(层隔离件)，来优化材料的使用以及生产时间，并且提高槽的铜填充因数。因此，本发明不是主要在绕组头处有效，而是在定子的槽中有效。层隔离件可以由在市场上可以获得的合适的材料制成，在选择层隔离件时，考虑材料的已知的绝缘值。

其它优点在于如下内容：通过使用所描述的措施，生产时间缩短，因为不笼统地在每对导体之间铺设层隔离件，而是仅在需要层隔离件的位置铺设层隔离件。由此，处理时间和处理风险减少。

此外，所描述的措施(层隔离件)对于在没有优化的绕组方案的情况下使用是有利的。由于绕组中的额外的开销，本身可以减小电压差，由此于是不再需要层隔离件。然而，这在其它地方是昂贵的。特别是在使用时钟控制的变换器源时，根据本发明的措施是有利的(在进行开关时电压过冲)。这种源例如位于具有电力驱动(混合动力/BEV)的任意车辆中，并且通常通过具有电压中间电路的B6桥示出。

尽管可以想到，通过在需要的情况下局部地增加导体的绝缘层，将在导体之间插入的附加的层隔离件集成到导体自己的绝缘中，但是由于生产经济性，这种措施可能很快达到其极限。因此，有利的是，与根据权利要求2的特征对应，使用标准化的、在市场上可以获得的并且在其击穿强度方面匹配的材料、例如膜。作为针对局部带电具有增强的耐抗性的表面绝缘材料的这种材料，例如可以由Dupont公司的Papier Nomex 410制成。

在实践中，导体通常以层的形式绕制，其中，这些层基本上与槽的侧表面平行地延伸。因此，在绕组内，在与层平面垂直地彼此相邻的导体之间，可能出现较大的电势差。为了简化根据本发明的定子的生产，有利的是，在本发明的扩展方案中，使用根据权利要求3的特征组合。在此，省去了在层隔离件的两侧，对于每个出现的两个彼此相邻的导体的组合，调整层隔离件的厚度和/或材料性质。相反，通过在层隔离件的两侧相应地彼此相关联的两个导体之间的(计算的)最大电压电势，来确定层隔离件的选择。如果该最大电势保持在定义的电压以下，则至少对于该相关层，可以省去层隔离件(膜)的插入。在此，不考虑在层隔离件的平面中并排地相邻的导体的电压电势，因为在层隔离件的平面中并排的导体之间的这些电压电势可能相对较小。

然而，对于槽中的并排的两个或多个分导体相对于彼此具有电势差的情况，在需要时也可以在其之间施加绝缘层，例如在安装到槽中之前通过粘贴。然后，彼此要绝缘的导体不在层隔离件的平面的两侧，而是在同一平面中。

有利地，将层隔离件的厚度匹配于施加的电压电势，以便进一步优化槽中的材料使用和空间需求。因此，于是在电压差大的情况下，使用较厚的层隔离件，在电压差较小的情况下，使用较薄的层隔离件。在本发明中，层隔离件仅位于相关位置处。可以改变层隔离件的厚度。

从根据权利要求4的特征得到根据本发明的定子的制造的进一步简化。在此，在相邻的导体之间没有计算出超过局部放电电压的电势电压的区域中，省去了去除层隔离件。

在绕组中，在许多位置处通常使用比理论上所需要的更厚的层隔离件。尽管可以从材料制造商处获得更薄的绝缘材料，但是在这种薄的材料的加工中可能出现问题。制造过程中的许多不同的材料厚度蕴含着大的处理风险，并且增加了生产线的成本。

根据权利要求5的特征描述了根据本发明的定子的一种特殊情况。据此，在需要时通过相应的层隔离件隔离在径向上彼此相邻的导体。对此，下面列举的实施例描述了详细的实施方式。在此，在需要的情况下，沿切线方向在径向上彼此相邻的导体之间插入绝缘部件。要通过绝缘材料彼此隔离的导体，共同在与侧槽壁平行地延伸的平面中延伸。特别是当将这种特征组合与根据权利要求7的特征组合时，这种特征组合可能是有利的。该特征组合特别是允许使用非常节省空间的窄的槽，从而可以在定子的圆周上插入非常多的槽。

因为施加在绕组上的电压分布在导线的长度上，因此按照根据权利要求6的特征组合，在导体(更准确地说经常称为绕组的分导体)之间出现电压差，依据输入电压的形状，这些电压差可能很大。优选与绕组的类型无关地设计定子，使得定子适用于电机。

结合权利要求7提到的本发明的扩展方案，特别是对于结合权利要求5给出的特征是有利的。为了产生改善的旋转场，作为双层绕组将分配有输入电压的不同的相的导体插入到同一个槽中。在此，由此在一个槽中的彼此相邻的导体之间出现的电压可能彼此差别很大，因此使用本发明可能特别有效。

在根据权利要求8的方法的扩展方案中，根据权利要求10的特征给出了一种方法，根据该方法，可以确定要在两个彼此相邻的导体之间插入的绝缘材料的厚度。首先，必须确定要达到哪个局部放电初始电压或者局部放电电压。必须估计该电压，并且该电压与所考虑的系统的边界条件有关。其包括用来运行系统的电压和预期的老化、环境的影响以及在使用变换器时变换器的时钟和频率。如果确定了局部放电初始电压(例如516V)，则可以基于制造商关于可供使用的绝缘材料的说明，来确定所需要的总额定层厚度。如果确定了最后提到的尺寸(例如250微米)，则现在可以基于所计算的两个彼此相邻的导体之间的电势，来确定在相应的位置必须增大或者减小额定层厚度的程度。从由此确定的局部需要的绝缘材料的厚度中，减去两个导体处的绝缘的厚度，因为绝缘在其绝缘系数方面几乎对应于要附加地插入的材料的绝缘系数。

如果确定了局部放电初始电压和所需要的总额定层厚度，则也可以以上面描述的方式，确定在其之间不插入附加的绝缘材料的两个彼此相邻的导体的局部放电电压。为此，将彼此相邻的电线的两个绝缘层的厚度除以总额定层厚度，并且乘以所确定的局部放电初始电压。

附图说明

下面，参考附图描述本发明的实施例。在附图中：

图1示出了如下表中的一部分，在该表中给出了针对相应的槽中的各个分导体(通常简称为导体)计算的电势，

图2示出了如下表中的一部分，在该表中现在相应地给出了根据图1的相应的槽中两个导体之间的电势差，

图3示出了如下表中的一部分，在该表中示出了针对在图2中给出的电势差理论上需要的绝缘层厚度，

图4示出了如下表中的一部分，在该表中确定了与图3中的结果对应的实际上要使用的绝缘层厚度，以及

图5示出了如下表中的一部分，在该表中做出了基于图4中的结果，在哪些位置实际上可以使用哪些在市场上可以获得的绝缘材料的建议。

具体实施方式

图1示出了如下表中的一部分，在该表中记录了通过计算确定的特定时间点的各个槽中的导体上的电势的绝对值。这里不详细说明计算方法。在本申请中，术语“导体”相应地意为在槽内部纵向延伸的绕组的一部分。因此，代替“导体”，也可能称为“分导体”。

图1涉及三相电机的定子，对电机设置了非常多的(例如120个)槽，在槽中插入了导体，对导体施加三相电流的相U、V、W。本发明可用于所有绕组类型，因为所施加的电压落在整个导线上，从而在各个分导体上存在不同的电势。

计算适用于定子的所有槽。在本示例中，定子具有120个槽，但是定子也可以具有更多或更少的槽。因此，其不是集中式绕组(“单齿绕组”)，而是分布式绕组。但是原则上所述方法也可用于集中式绕组。

被设置为用于三相同步电机的根据图1的定子的绕组具有特殊性。在每个槽中，12个导体在径向上并且在与槽的侧壁平行的平面中上下堆叠。因此，在一个槽内仅特定数量的导体上下堆叠，而不是彼此并排。因此，各个导体之间的电压在径向上起作用，从而应当横向于该方向在导体之间切向地插入绝缘部件。因此，在当前情况下，仅能够有条件地提到一个层，因为每个层仅由单个导体构成，并且这些假设的层也在切向平面中延伸。因此，在“层1”中的在槽1的在径向上最下面的导体上例如存在86V的电势，在“层11”中的导体上存在516V的电势，并且在“层12”中的导体上存在9V的电势。对于其它的槽2至16，可以从表中看到相应的值。

但是，现在，对于(在径向上)彼此相邻的两个导体之间的可能的局部放电，重要的不是各个导体上的绝对电势，而是这些导体之间的电势差。在图2中，作为在相邻导体上存在的各个电势之间的差，记录了这些电势差，这些电势涉及图1并且与图1类似地构造。因此，如果在槽1中导体12具有9V的电势，并且导体11具有516V的电势，则在这两个导体之间存在507伏的电势差。在图2中针对间隔层11-12记录了相应的值。在图2中，针对槽1至16以及层间隔层1-2至层11-12记录了其余的值。由于仅仅通过两个彼此相邻的导体的绝缘层，已经足以在248V的电势差下避免局部放电，因此对于附加的绝缘部件，仅必须考虑图2中的大于248V的电势差。

根据想要实现局部放电初始电压(TE)的理论上的考虑，来确定额定层厚度。该值由系统的边界条件(电压水平、老化、环境、变换器时钟等)得到。如果对绝缘系统施加低的电压(在上下堆叠的导体具有较小的电势差的情况下)，则较少的绝缘材料产生相同的结果。这意味着，为了将局部放电电压保持在最大电压，在该示例中，需要250μm的层厚度(电线漆+层隔离件)。然后，根据电势差，需要更大或者更小的层隔离件厚度，在一些情况下，漆层厚度就足够了(层隔离件厚度<0)。

在本实施例中，现在假设，额定绝缘层厚度在带电导体(包括漆)之间总共应当为250μm(微米)。在当前情况下假设的250μm的额定层厚度(电线漆+层隔离件)，按照约定一定足以可靠地防止高达248V的电势差的局部放电。因此，如果所考虑的电势差低于248V，则不需要插入附加的绝缘部件或相应的膜。

从其起使用层隔离件的两个导体之间的电压，例如可以根据将漆层厚度与总层厚度的比率乘以最大电压来计算，即，例如2×60μm/250μm×516V～248V。

在图3中，现在计算在从图2中得到的电势差中的哪些电势差下，必须插入附加的绝缘部件或者相应的膜。出发点例如是如下假设：在给定的边界条件下，对于最大电压(例如516V)，总共必须设置250μm的绝缘层。例如可以从该绝缘层中减去2×60μm，因为该部分已经存在于两个彼此相邻的导体的绝缘层中。由此，对于该示例，对于槽1的层11-12，对于理论上需要的绝缘层厚度，得到值507V/516V×250μm-2×60μm～126μm。类似地计算根据图3的表中的其它的值。

在图4中，现在，针对附加的绝缘部件的使用或者避免，对从图3中得到的计算结果进行分析。如果根据上面结合图3描述的方法计算的值是正的，则必须在那里插入至少具有所计算的强度的绝缘膜，而在计算的值是负的情况下，仅仅相关联的两个导体的绝缘层已经足以避免局部放电。与此对应，对于所提到的负的值，在形式上记录了具有0μm的强度的附加的绝缘层。

因此，对于所有低于0的值，漆层厚度足以实现所需要的局部放电初始电压。由于该原因，不需要通过层隔离件进行附加的绝缘。所有>0的值都被舍入到下一个可能的材料层厚度(绝缘材料仅以特定的层厚度制造)，从而确保至少达到理论上需要的层厚度。此外，在图4中的表中的与槽相关联的行的下方，记录了在相应的槽中使用的所有绝缘膜的强度的总和。

图5中的值假设在市场上可以获得具有80μm和130μm的基本强度的两个标准化的绝缘膜，并且粘合剂的强度为50μm，然而其中，为了安全起见，虽然在尺寸和距离方面考虑粘合剂，但是不在绝缘效果方面考虑粘合剂。因此，使用如下的膜，即，膜的强度不小于结合图4计算的绝缘层厚度。在实践中，这意味着，对于根据图4计算的高于80μm且低于130μm的所有绝缘层厚度，使用强度为130μm的膜，并且在绝缘层厚度低于80μm时，使用强度为80μm的膜。对于这些膜的实际强度，相应地还应当算上粘合剂的强度。以这种方式，得到在图5中给出的180μm或130μm的材料强度。

出于生产经济性的原因，仅使用两种膜强度。当然，只要在市场上可以获得，并且在制造过程中可以合理地使用，对于层9-10和层8-9，可以将要插入的膜匹配于计算的减小的厚度。

在图5中，还附加地在与各个槽相关联的行的下方，列举了材料层厚度的总和以及要插入的层隔离件的数量。作为所使用的材料，示例性地给出了在市场上可以获得的Nomex410膜和丙烯酸酯粘合剂(Acrylatkleber)。

Claims (10)

1.一种用于电机的定子，所述定子具有用于容纳导体的槽，导体用于产生磁场，其中，在所述槽中设置有至少两个彼此平行地延伸的彼此相邻的导体，所述导体通过绝缘部件彼此电绝缘，其中，所述绝缘部件至少部分通过在导体之间插入的层隔离件形成，其特征在于，所述层隔离件的使用和/或性质，与在所述槽中彼此平行地延伸的彼此相邻的导体之间的相应的最大电压电势有关。

2.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，所述层隔离件优选由特殊的隔离膜构成，并且每当彼此相邻的导体之间的最大电压电势超过特定的值时，插入所述层隔离件。

3.根据权利要求1或2所述的定子，其特征在于，在一个槽中，在至少两个彼此上下堆叠地布置的层中，布置多个彼此相邻的导体，并且通过两个彼此相邻的导体的最大的最大电势差，来确定所述层隔离件的使用和/或性质。

4.根据权利要求3所述的定子，其特征在于，在需要时在层之间插入的隔离膜至少在所述两个层上延伸。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的定子，其特征在于，在一个槽中，通过至少两个在径向上彼此相邻的单个的导体，形成在径向上彼此相邻的两个层。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的定子，其特征在于，所述定子设置有集中式绕组。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的定子，其特征在于，所述定子设置有分布式绕组。

8.一种用于确定用于根据权利要求1所述的定子的层隔离件的使用和/或性质的方法，其特征在于，确定彼此相邻的导体之间的电势差，确定例如与老化、环境、导体绝缘、导体形状或者电压波形有关地存在的理论上的局部放电电压，在计算的电势差处于理论上的局部放电电压以上的情况下，使用层隔离件，并且在计算的电势差处于理论上的局部放电电压以下的情况下，不使用层隔离件。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在计算的电势差超过理论上的局部放电电压的情况下，合适的层隔离件的选择与计算的电势差与理论上的局部放电电压之间的差的大小有关。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在确定局部放电初始电压之后，确定在彼此相邻的导体之间需要的绝缘材料的额定层厚度，其中，将彼此相邻的导体的绝缘层的厚度计入额定层厚度，根据两个彼此相邻的导体的电势差与局部放电初始电压的比率，计算相应地需要的局部的绝缘层厚度，并且从所计算的绝缘层厚度中减去两个彼此相邻的导体的绝缘材料的厚度，以确定要附加地插入的绝缘材料的厚度。