CN110326192B - 用于旋转电机的定子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于旋转电机(1)的定子(8)。为了实现比现有技术更小的轴向长度而提出，定子具有带线圈杆(20)的定子叠片组(16)和至少一个绕组头板(24)，其中至少一个绕组头板(24)放置在定子叠片组(16)的端面(23)上，其中绕组头板(24)具有带第一介电材料(30)的基体，其中导线(26、26a、26b)集成到绕组头板(24)中，导线与线圈杆(20)相连，其中绕组头板(24)具有带第二介电材料(32)的区域和/或带第三介电材料(34)的区域，其中第二介电材料(32)的导热能力比基体(28)的第一介电材料(30)更高，其中带第二介电材料(32)的区域布置在至少一个导线(26、26a、2b)与定子叠片组(16)之间，热量能够经由第二介电材料(32)在至少一个导线(26、26a、26b)与定子叠片组(16)之间传输，其中第三介电材料(34)的介电强度比第一介电材料(30)更高，其中带第三介电材料(34)的区域布置在至少两个导线(26、26a、26b)之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于旋转电机的定子。
此外，本发明还涉及一种旋转电机，其具有至少一个这种定子。
背景技术
这种定子优选地存在于功率消耗为至少一兆瓦的旋转电机中，尤其是马达或者发电机中。
通常，这种旋转电机的定子绕组实现为模绕线圈，也被称为棒线圈。模绕线圈例如通过浇铸或者粉末冶金制成。在模绕线圈的端部有绕组头，它是通过弯曲和拐制模绕线圈的导体而产生的。该绕组头需要很大的轴向结构空间。由于绕组头的额外的无效(inaktive)导体长度而产生欧姆损耗，这种欧姆损耗降低了旋转电机的效率。此外，还需要冷却绕组头。为了冷却需要更大的结构空间。
尤其是在快速运转的低极数电机中，由于绕组头而增大的轴承间距对转子运动有不利影响。此外，由于大的导体长度而需要额外的、大开销的加固措施来防止运行中出现不允许的振动和变形。此外，增加了旋转电机的总长度和重量。尤其是在模块化构造的大型机器的情况下，其中多个机器部分在轴向上形成一个机器整体，由于绕组头而产生大量的没有被电学利用的长度。
专利文献DE 10 2009 032 882B3描述了一种制造用于电机的分层绕组的模绕线圈的方法以及一种借助所述方法制造的模绕线圈。为了简化模绕线圈的制造，其由粗制线圈制成，其中，粗制线圈具有两个纵向侧，这两个纵向侧设置用于插入到电机的定子或转子的槽中。粗制线圈具有两个绕组头侧，它们设置用于分别形成模绕线圈的一绕组头，其中纵向侧被弯曲90°，以便于纵向侧插入槽内并且绕组头侧从纵向侧起被拐制。
公开文献DE 199 14 942A1描述了一种制造用于电机的定子绕组的方法和这种定子绕组。机器具有凸极。线圈导体利用它们的端部在轴向方向上从定子叠片组伸出，并且固定在组件的终端中。在组件上存在导线，导线利用导体形成绕组，或者从终端延伸至外部的连接点。
专利文献EP 1 742 330B1描述了一种用于涡轮发电机的定子部分的定子绕组头。定子绕组头以具有中间空隙的盘形式来形成，该空隙用于让转子穿过，其中盘具有绝缘基体，用于将接触定子导体的电连接部集成到绝缘基体中。接触以插接连接的形式来建立和/或利用金属化通孔来建立。
公开文献DE 10 2014 207 621A1公开了一种旋转电机的定子，其包括具有多个槽的定子芯、具有多个相的分段绕组、以及多个基板，基板在定子芯的每个端部上沿轴向方向层叠。定子芯和分段绕组的多个绕组杆形成定子芯装置。多个基板和分段绕组的多个绕组端部连接器形成多个基板装置。定子通过定子芯装置和在定子芯装置的每个端部上层叠的多个基板装置配置而成。
发明内容
本发明所基于的目的是：提供一种用于旋转电机的定子，其相比于现有技术具有更好的性能。
根据本发明，该目的通过一种用于旋转电机的定子实现，该定子具有带线圈杆的定子叠片组和至少一个绕组头板，其中，至少一个绕组头板放置在定子叠片组的端面上，其中，绕组头板具有带第一介电材料的基体，其中，导线集成到绕组头板中，导线与线圈杆相连，其中，绕组头板具有带第二介电材料的区域和/或带第三介电材料的区域，其中，第二介电材料的导热能力比基体的第一介电材料更高，其中，带第二介电材料的区域布置在至少一个导线与定子叠片组之间，从而热量能够经由第二介电材料在至少一个导线与定子叠片组之间传输，其中，第三介电材料的介电强度比第一介电材料更高，其中，带第三介电材料的区域布置在至少两个导线之间，并且，至少一个绕组头板放置在旋转电机的机器壳体上，带第二介电材料的区域布置在至少一个导线和机器壳体之间，从而热量能够通过第二介电材料在至少一个导线和机器壳体之间传输。
此外，该目的根据本发明通过一种旋转电机实现，其具有至少一个这种定子。
下文关于定子所提及的优点和优选的设计方案本质上可以传递给旋转电机。
本发明的基本构思是，通过尽可能紧凑的绕组头板减少旋转电机的轴向长度。绕组头板的绝大部分结构空间例如被冷却通道占据，冷却通道布置在绕组头板中并且用于对绕组头板的有电流经过的导线进行散热的冷却剂(例如冷却液)穿过冷却通道。当基体的第一介电材料的导热能力不足以排出有电流经过的导线的热量时，尤其需要这样的冷却通道。此外，尤其是在导线之间必须保持最小间距，从而不会在这些导线之间发生火花击穿，其中，最小间距取决于所使用的电介质的材料属性。为了实现绕组头板的尽可能紧凑的构造形式，例如在导线之间具有尽可能小的间距和至少少量的冷却通道，提出，为绕组头板使用不同的介电材料，它们在其导热能力和介电强度方面不同。通过使用专门的材料以及将其有针对性地布置，能够显著减少绕组头板的空间需求。
在此，第二介电材料的导热能力比基体的第一介电材料更高，其中，带第二介电材料的区域布置在至少一个导线与定子叠片组之间，从而热量能够经由第二介电材料在至少一个导线与定子叠片组之间传输。例如，第二介电材料包含氮化铝和/或氧化铍。通过布置具有在高导热能力方面被优化的第二介电材料的区域，可以至少部分地省去绕组头板中的冷却通道，由此减少绕组头板的空间需求，尤其是在轴向方向上的空间需求。
另外，第三介电材料的介电强度比第一介电材料更高，其中，带第三介电材料的区域布置在至少两个导线之间。由于介电强度增高，尤其是在至少两个相邻导线之间的区域中增高，可以减少导线之间的距离和绕组头板的空间需求。
在此，至少一个绕组头板放置在旋转电机的机器壳体上。机器壳体例如由金属材料制成。可选地或附加地，在有电流经过的导线中产生的热量能够通过机器壳体被排出，这使得绕组头板更好地散热。
在此，带第二介电材料的区域布置在至少一个导线与机器壳体之间，从而热量能够经由第二介电材料在至少一个导线与机器壳体之间传输。通过这种布置方式能够将有电流经过的导线中产生的热量高效地朝机器壳体的和/或定子叠片组的方向排出。因此至少能够节省绕组头板中的冷却通道，由此减少绕组头板的空间需求，尤其是在轴向方向上的空间需求。
在优选的设计方案中，至少一个绕组头板至少部分地利用增材制造法制成。增材制造法例如是3D打印和丝网印刷。例如，介电材料中的至少一种借助于3D打印法或丝网印刷法布置，而在后续步骤中例如利用压铸法铸造导线。增材制造法能够实现更加复杂且更加紧凑的结构，这使得绕组头板减小。
优选地，介电材料中的至少一种设计为陶瓷材料。陶瓷材料包括陶瓷和至少一部分具有至少一种陶瓷(例如陶瓷粉末)的复合材料。这种陶瓷材料例如具有良好的绝缘性能、高机械强度和/或良好的导热性。使用至少一种陶瓷材料能够实现紧凑的绕组头板。
在另一有利的实施方案中，第二介电材料和/或第三介电材料包括氮化铝和/或氧化铍。氮化铝的导热性在180到220W/mk的范围内，氧化铍的导热性在200到250W/mK的范围内。因此，氮化铝和氧化铍由于它们的高导热性非常适于排出有电流经过的导线中产生的热量。
优选地，第一介电材料的机械强度比第二介电材料和第三介电材料更高。尤其是基体的第一介电材料至少部分地包围第二和第三介电材料。由于机械强度更高，绕组头板即使在高机械负荷下(例如振荡、高转数或大的扭矩变化)也不会被损坏。
在优选的设计方案中，介电材料中的至少一种包含带陶瓷粉末的合成材料。这样的合成材料具有陶瓷的电性能和/或热性能，并且其易于加工且加工成本低廉，尤其是利用增材制造法进行加工。尤其是具有由不同合成材料和/或不同陶瓷粉末制成的区域的绕组头板易于制造且制造成本低廉。
在另一有利的实施方案中，绕组头板具有至少两个层。这样的分层构造简化了绕组头板的设计，尤其是模拟。
优选地，在绕组头板的至少一个层中布置至少两种不同的介电材料。通过使用尤其是专门的材料以及将其有针对性地布置，例如在一个层内，显著减少了绕组头板的空间需求。
附图说明
下面借助在图中所示的实施例更详尽地描述和解释本发明。
其示出：
图1示出了旋转电机的纵剖面图，
图2示出了旋转电机的定子的第一实施方式在绕组头板区域中的放大纵剖面图，
图3示出了旋转电机的定子的第二实施方式在绕组头板区域中的放大纵剖面图，
图4示出了定子的第二实施方式在绕组头板区域中的放大横剖面图，
图5示出了旋转电机的定子的第三实施方式在绕组头板区域中的放大纵剖面图，
图6示出了旋转电机的定子的第四实施方式在绕组头板区域中的放大纵剖面图，
图7示出了旋转电机的定子的第五实施方式在绕组头板区域中的放大纵剖面图，
图8示出了旋转电机的定子的第六实施方式在绕组头板区域中的放大纵剖面图，
图9示出了旋转电机的定子的第七实施方式在绕组头板区域中的放大纵剖面图，
图10示出了旋转电机的定子的第八实施方式在绕组头板区域中的放大纵剖面图，
图11示出了旋转电机的定子的第九实施方式在绕组头板区域中的放大纵剖面图。
相同的附图标记在不同的附图中具有相同的含义。
具体实施方式
图1示出了旋转电机2的纵剖面图，该旋转电机具有带轴5的转子4。转子4可以围绕转动轴6旋转。轴5通过轴承7得到支撑。此外，旋转电机2还具有包围转子4的定子8。在转子4与定子8之间有间隙10，该间隙尤其实施为气隙。转动轴6限定了轴向方向和径向方向。
旋转电机2示例性地实施为同步电机12，并且在转子4上具有永磁体14。定子8包括带有绕组18的定子叠片组16，其中，定子叠片组16由多个层叠的电工钢片构造而成。绕组18具有线圈杆20，它们在轴向方向上相应地穿过定子叠片组的槽22。
在定子叠片组16的两个端面23上分别放置至少一个绕组头板24。另外，绕组头板24还放置在旋转电机2的机器壳体15上，并且包括导线26，这些导线将在槽22中延伸的线圈杆20相互连接。导线26以及线圈杆20由具有高导热性以及高导电性的金属制成，例如由铜制成。为了清楚起见而没有示出绕组18在接线盒处的接头。
图2示出了旋转电机2的定子8的第一实施方式在绕组头板24的区域中的放大纵剖面图，绕组头板示例性地由五个层L1、L2、L3、L4、L5构成。整个绕组头板24的厚度D处于厘米范围，尤其是在3到10cm的范围内。绕组头板24的第一层L1放置在定子叠片组16上，使得绕组头板24被热连接到定子叠片组16处。可选地，最上面的、示例性的第五层L5与另一个金属面(例如在图1中所示的机器壳体15)连接，使得绕组头板24额外地与机器壳体15热连接。
导线26在第二层L2中延伸。绕组头板24的层L1、L2、L3、L4、L5大部分由第一介电材料30制成。尤其地，该介电材料30实施为陶瓷材料，例如氧化铝。氧化铝提供了强度(弯曲强度在480与520MPa之间)、导热能力(19与30W/mK之间)和价格的折中方案。为了改善导线26与定子叠片组16的热连接，第二层L2中的导线26通过第一层L1中的第二介电材料32与定子叠片组16热连接。第二介电材料32的导热性比第一介电材料30更高。尤其地，第二介电材料32构造成陶瓷材料。例如，第二介电材料32包含氮化铝(导热性在180与220W/mK之间)或者氧化铍(导热性在200与250W/mK之间)。第二介电材料32尤其地实施为导线26与定子叠片组16之间的连续区域。通过改善导线26的热连接以及因此改善的散热效果，绕组头板24中的冷却通道被至少部分免除，这使得绕组头板24更紧凑。
绕组头板24至少部分地利用增材制造法制成。例如，介电材料30、32、34中的至少一种借助于3D打印法或者丝网印刷法布置，而导线26在随后的步骤中例如利用压铸法被铸造。
可选地，导线26利用3D打印法或者丝网印刷法制成。紧接着，介电材料30、32、34围绕着导线26布置。
制造绕组头板24的另一可行方案是，导线26和介电材料30、32、34优选地都同时利用3D打印法或者丝网印刷法制成。
图3示出了旋转电机2的定子8的第二实施方式在绕组头板24的区域中的放大纵剖面图。示例性地，导线26布置在绕组头板24的第四层L4中。带第二介电材料32的区域结构化地，尤其是以多个(例如相同的)柱的形式，布置在导线26与定子叠片组16之间，并且由于第二介电材料32相比于第一介电材料30更高的导热性以及更小的强度而提供了导线26与定子叠片组16的热连接和绕组头板24的强度的优化方案。定子8的另一实施方案对应于图2所示的实施方案。
图4示出了定子8的第二实施方式在绕组头板24的区域中的放大横剖面图。带第二介电材料32的区域的结构化布置以尤其相同的多个柱的形式构成，这些柱均匀分布在导线26的区域中。定子8的另一实施方案对应于图3所示的实施方案。
图5示出了旋转电机2的定子8的第三实施方式在绕组头板24的区域中的放大纵剖面图，该绕组头板具有三个层L1、L2、L3。示例性地，在中间的第二层L2中延伸着两个导线26a、26b。同样，在第二层中在两个导线26a、26b之间存在带第三介电材料34的区域，第三介电材料的介电强度比第一介电材料30更高。尤其地，第三介电材料34实施为陶瓷材料。可替代地，第三介电材料34实施为具有高介电强度的合成材料。通过在两个导线26a、26b之间的区域中提高了介电强度，可以减小导线之间的距离。定子8的另一实施方案对应于图2所示的实施方案。
图6示出了旋转电机2的定子8的第四实施方式在绕组头板24的区域中的放大纵剖面图，如图2所示的绕组头板具有五个层L1、L2、L3、L4、L5。在第二层L2和第四层L4中，分别布置了导线26a、26b。尤其是第一导线26a直接位于第二导线26b的上方。如图2所示，在第一层L1中布置了带第二介电材料32的连续区域，其中，导热性比第一介电材料30更高的第二介电材料32在第二导线26b与定子叠片组16之间建立热连接。
此外，在第三层L3中在第一导线26a与第二导线26b之间布置带第三介电材料34的另一个连续区域。第三介电材料34的介电强度比第一介电材料30更高。尤其地，第三介电材料34实施为陶瓷材料。可替代地，第三介电材料34实施为具有高介电强度的合成材料。通过在两个导线26a、26b之间的区域中提高了介电强度，可以减小第三层L3的厚度。定子8的另一实施方案对应于图2所示的实施方案。
图7示出了旋转电机2的定子8的第五实施方式在绕组头板24的区域中的放大纵剖面图。绕组头板示例性地具有三个层L1、L2、L3。绕组头板24的层L1、L2、L3大部分由第一介电材料30制成，该第一介电材料实施为陶瓷材料并且包含第一合成材料36，其掺入了第一陶瓷粉末38(例如氧化铝)。尤其地，绝缘基体的第一介电材料30可以由掺入了第一陶瓷粉末38的第一合成材料36简单且高效地借助于增材制造法制成。
为了改善导线26与定子叠片组16的热连接以及由此改善热排散，第一层L1中的导线26通过带第二介电材料32的连续区域与定子叠片组16热连接。第二介电材料32同样实施为陶瓷材料，例如包含氮化铝。此外，第二介电材料32的导热性比第一介电材料32的第一陶瓷粉末38更高。图7中的定子8的介电材料中的至少一种借助于增材制造法布置。定子8的另一实施方案对应于图2中的实施方案。
图8示出了旋转电机2的定子8的第六实施方式在绕组头板24的区域中的放大纵剖面图。带第二介电材料32的区域将第一层L1中的导线26与定子叠片组16热连接。第二介电材料32实施为具有第二陶瓷粉末42的第二合成材料40。可替代地，第一合成材料36与第二合成材料40是一样的，并且第一陶瓷材料30和第二陶瓷材料32的区别仅在于与合成材料36、40混合的陶瓷粉末38、42。因为第二介电材料32至少由于第二种陶瓷粉末42而具有比带第一陶瓷粉末40的第一陶瓷材料30更高的导热性，改善了有电流经过的导线的散热。定子8的另一实施方案对应于图7中所示的实施方案。
图9示出了旋转电机2的定子8的第七实施方式在绕组头板24的区域中的放大纵剖面图。机器壳体15放置在绕组电路板24上，其中，带第二介电材料32的另一区域布置在第三层L3中，使得导线26额外地通过机器壳体15散热。定子8的另一实施方案对应于图7中所示的实施方案。
图10示出了旋转电机2的定子8的第八实施方式在绕组头板24的区域中的放大纵剖面图。放置在定子叠片组16上的绕组头板24在没有分层构造的情况下由两种介电材料30、32利用增材制造法制成。
第一介电材料30实施为陶瓷材料并且包含掺入了第一陶瓷粉末38的第一合成材料36。旋转电机2的机器壳体15放置在绕组头板24上。导线26布置在绕组头板24中。第二介电材料实施为陶瓷材料(例如氮化铝)并且具有比第一介电材料30更高的导热性，带第二介电材料32的区域围绕导线26布置在定子叠片组16与机器壳体15之间，从而导线26的热量经过带第二介电材料32的区域传输到定子叠片组16和机器壳体15上。带第二介电材料32的区域的形状和布置鉴于高效的热量传输和高机械稳定性被优化。尤其地，为了保证高机械稳定性，带第二介电材料32的区域完全由第一介电材料30包围并且因此集成到绝缘基体中。绝缘基体无缝地对外封闭。定子8的另一实施方案对应于图7中所示的实施方案。
图11示出了旋转电机2的定子8的第九实施方式在绕组头板24的区域中的放大纵剖面图。如图10所示，绕组头板24在没有分层结构的情况下利用增材制造法制成，并且具有三种不同的介电材料30、32、34。示例性地，两个导线26a、26b在绕组头板24中延伸。在两个导线26a、26b的每一个处，在定子叠片组16和机器壳体15之间布置了带第二介电材料32的区域，该第二介电材料实施为陶瓷材料(例如氮化铝)并且具有比第一介电材料30更高的导热性，从而热量从相应的导线26a、26b通过第二介电材料32传输到定子叠片组16和机器壳体15上。在此，带第二介电材料32的区域完全由带第一介电材料32的区域包围并且因此集成到绝缘基体中，以便保证高机械稳定性。可替代地，第二介电材料32实施为具有陶瓷粉末42的合成材料40。
额外地，在导线26a、26b之间有带第三介电材料34的区域，该第三介电材料的介电强度比第一介电材料30和第二介电材料32更高。第三介电材料34实施为陶瓷材料或者具有高介电强度的合成材料。带第三介电材料34的区域的布置鉴于导线26a、26b之间的场分布被优化。定子8的另一实施方案对应于图10所示的实施方案。
总而言之，本发明涉及一种用于旋转电机2的定子8。为了实现比现有技术更小的轴向长度而提出，定子具有带线圈杆20的定子叠片组16和至少一个绕组头板24，其中，至少一个绕组头板24放置在定子叠片组16的端面23上，其中，绕组头板24具有带第一介电材料30的基体，其中，导线26、26a、26b集成到绕组头板24中，导线与线圈杆20连接，其中，绕组头板24具有带第二介电材料32的区域和/或带第三介电材料34的区域，其中，第二介电材料32的导热性比基体28的第一介电材料30更高，其中，带第二介电材料32的区域布置在至少一个导线26、26a、26b与定子叠片组16之间，热量能够经由第二介电材料32在至少一个导线26、26a、26b与定子叠片组16之间传输，其中，第三介电材料34的介电强度比第一介电材料30更高，其中，带第三介电材料34的区域布置在至少两个导线26、26a、26b之间。
Claims (10)
1.一种用于旋转电机(2)的定子(8)，所述定子具有带线圈杆(20)的定子叠片组(16)和至少一个绕组头板(24)，
其中，至少一个所述绕组头板(24)放置在所述定子叠片组(16)的端面(23)上，
其中，所述绕组头板(24)具有带第一介电材料(30)的基体，
其中，导线(26、26a、26b)集成到所述绕组头板(24)中，所述导线与所述线圈杆(20)连接，
其中，所述绕组头板(24)具有带第二介电材料(32)的区域和/或带第三介电材料(34)的区域，
其中，所述第二介电材料(32)的导热能力比所述基体(28)的所述第一介电材料(30)更高，
其中，带所述第二介电材料(32)的区域布置在至少一个所述导线(26、26a、26b)与所述定子叠片组(16)之间，从而热量能够经由所述第二介电材料(32)在至少一个所述导线(26、26a、26b)与所述定子叠片组(16)之间传输，
其中，所述第三介电材料(34)的介电强度比所述第一介电材料(30)更高，
其中，带所述第三介电材料(34)的区域布置在至少两个所述导线(26、26a、26b)之间，并且
其中，至少一个所述绕组头板(24)放置在所述旋转电机(2)的机器壳体(15)上，带所述第二介电材料(32)的区域布置在至少一个所述导线(26、26a、26b)与所述机器壳体(15)之间，从而热量能够经由所述第二介电材料(32)在至少一个所述导线(26、26a、26b)与所述机器壳体(15)之间传输。
2.根据权利要求1所述的定子(8)，其中，至少一个所述绕组头板(24)至少部分地利用增材制造方法制成。
3.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，介电材料(30、32、34)中的至少一种介电材料构造成陶瓷材料。
4.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，所述第二介电材料(32)和/或所述第三介电材料(34)包括氮化铝和/或氧化铍。
5.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，所述第一介电材料(30)包含氧化铝。
6.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，所述第一介电材料(30)的机械强度比所述第二介电材料(32)和所述第三介电材料(34)更高。
7.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，介电材料(30、32、34)中的至少一种介电材料包含具有陶瓷粉末(38、42、46)的合成材料(36、40、44)。
8.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，所述绕组头板(24)具有至少两个层(L1、L2、L3、L4、L5)。
9.根据权利要求8所述的定子(8)，其中，在所述绕组头板(24)的至少一个层(L1、L2、L3、L4、L5)中布置至少两种不同的介电材料(30、32、34)。
10.一种旋转电机(2)，具有至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的定子(8)。
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