CN111602322A - 具有增加的功率密度的定子绕组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于交流电机（1）的定子（3），其中，所述定子（3）具有围绕中心轴线（A）布置的、带有多个导体线匝的定子绕组（4），其中，这些导体线匝被分组成n多个电分路（u、v、w），其中，所述定子绕组（4）具有m多个绕组层（33a、33b、33c、33d），其中，一个分路（u、v、w）的导体线匝分别具有i多个轴向定向的导体支脚（21），所述导体支脚在其两个轴向端部区域（17）中成对地通过各两个卷绕头部（23a）相互连接，从而对于每个分路（u、v、w）形成k多个单个线圈（31），其中，沿圆周方向观察，各个分路（u、v、w）的轴向导体支脚（21）以保持不变的顺序交替地彼此相继，其中，给定的单个线圈（31）的两个卷绕头部（23a）在绕组层（33a、33b、33c、33d）内部延伸，并且其中，这样选择相应的分路（u、v、w）的轴向导体支脚（21）的序列和单个线圈（31）到各个绕组层（33a、33b、33c、33d）上的分布，使得在卷绕头部（23a）的区域中避免在各个绕组层（33a、33b、33c、33d）内的交叉。此外，提出一种具有这种定子（3）的电机（1）。

Description

具有增加的功率密度的定子绕组

技术领域

本发明涉及一种用于交流电机的定子，其中该定子包括绕中心轴线布置的定子绕组，该定子绕组具有多个导体线匝，其中所述导体线匝被分组成多个电分路（Strang），并且其中，该定子绕组具有多个绕组层（Wicklungslage）。此外，本发明涉及一种具有这种定子的电机。

背景技术

根据现有技术，开头所述类型的典型的定子绕组大多被设计为分布式的、不倾斜的绕组，在所述绕组中存在多个轴向曲取向的导体支脚（Leiterschenkel），所述导体支脚形成绕组的对于电感起作用的主要部分。这些轴向导体支脚通常分布在多个绕组层上并且典型地布置在铁轭的槽中。这些直线区段然后在其轴向端部区域中通过所谓的卷绕头部连接，其中，通过卷绕头部沿圆周方向跨接各个绕组的直线区段，其中，通常也进行在各个绕组层之间的变换。这种传统的几何结构的缺点是，这种卷绕头部一方面为定子的总重量贡献了高的重量，并且另一方面难以冷却并且也难以制造。卷绕头部也具有高的空间需求，尤其是沿轴向方向的空间需求，这总体上增大了电机的结构体积并且因此也需要更大的壳体。在当前的导体的弯曲半径不能特别小地选择和/或在多个导体必须以大的绕距（大的要通过卷绕头部跨接的圆周区域）从彼此引导经过时，那么通常存在特别远地伸出（ausladen）的卷绕头部。导体绝缘部的厚度以及必要时存在的用于冷却绕组的冷却通道也可以有助于绕组头部的大的空间需求。具有大的卷绕头部的电机的电损耗也不利地高，因为在此存在大比例的未用于感应的导体材料，但是该导体材料有助于欧姆传导损耗。因此，为了实现具有高功率密度的电机，通常有利的是，尽可能紧凑地构造卷绕头部。

另一方面已经表明，仅仅基于二维的考虑（即不考虑卷绕头部的三维的设计方案）来优化电机的功率密度通常导致具有相对大的直径和相应短的轴向长度的结构形式。但是，正是在短的轴向结构长度和大的直径的情况下，与卷绕头部相关联地出现两个不利的效果：一方面，卷绕头部于是在平均水平以上强烈地对定子的总导体量作出贡献，并且另一方面，其对转矩的贡献与绕组的直的轴向部分相比是特别低的。因此，大的卷绕头部在此特别负面地不仅影响质量平衡而且影响损耗功率平衡。同样地，大的卷绕头部与大的卷绕头部漏电感相关联，所述大的卷绕头部漏电感对电机的电磁特性具有另外的负面影响。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供一种用于交流电机的定子，所述定子克服所提及的缺点。尤其是应提供一种具有定子绕组的定子，其中，卷绕头部的空间需求、尤其是沿轴向方向的空间需求尽可能小。由此，总的来说应实现提高的功率密度。另一任务是，提出一种具有这样得到改进的定子的电机。

这些任务通过在权利要求1中所描述的定子和在权利要求14中所描述的电机来解决。

根据本发明的定子设计为用于交流电机的定子。定子包括围绕中心轴线布置的定子绕组，该定子绕组具有多个导体线匝，其中这些导体线匝被分组成n多个电分路。定子绕组具有m多个绕组层。一个分路的导体线匝分别具有多个i多个轴向定向的导体支脚，所述导体支脚在其两个轴向端部区域中成对地通过各两个卷绕头部相互连接，从而对于每个分路形成k多个单个线圈。在此，沿圆周方向观察，各个分路的轴向导体支脚总体上交替地彼此相继，并且更确切地说以保持不变的顺序彼此相继。在此，给定的单个线圈的两个卷绕头部在一个共同的绕组层内延伸。在此，不仅相应的分路的轴向导体支脚的序列而且单个线圈到各个绕组层上的分布被如此选择，从而在卷绕头部的区域中避免在各个绕组层内部的交叉。

换句话说，定子绕组在此不是构造为传统意义上的分布式绕组（其中通常每个绕组组通过“一体地”将展开的导体卷绕到多个轴向支脚和多个卷绕头部上来制造）。相反，它类似于环形或齿形线圈绕组由多个单个线圈组成。每个分路包括多个这样的单个线圈，所述单个线圈尤其相互电连接成绕组组。这些离散的单个线圈尤其可以作为预制的构件存在，这些构件随后才相互电连接。在每个绕组组内存在离散的单个线圈与其余的根据本发明的特征共同作用能够实现卷绕头部的特别紧凑的设计方案。在此重要的是，对于给定的单个线圈，两个卷绕头部在一个共同的绕组层内延伸。这也应该意味着，每个卷绕头部本身也不离开其预先给定的绕组层。与根据现有技术的典型的分布式绕组不同，在此也就是在卷绕头部的区域中不引起在待连接的导体分支之间的层变换。

分路的数量n尤其可以为3或为3的整数倍。

“沿圆周方向观察，各个分路的轴向导体支脚以保持不变的顺序交替地彼此相继”这个特征应该理解为，对于（在定子的整个圆周上）不同的彼此相继的方位角角度，分路占用的固定的图案周期性地彼此相继。例如，该结构可以是这样的，即，在电机的、在其中布置有轴向导体支脚的轴向内置的区域中，对于每个预先给定的角度而言，总是最多只有一个分路通过一个或多个所配属的导体支脚来代表（vertreten）。在这些被占用的位置之间必要时也可以存在方位角的间隙。在沿圆周方向经过彼此相继的方位角角度时，各个分路的占用以预先给定的重复的顺序交替。然而，给定的分路在此不局限于特定的绕组层，而是相应的分路的导体支脚可以在给定的方位角位置中分布到多个层上和/或层的占用可以针对给定的分路在不同的方位角角度下在不同的层之间来回变换。

然而原则上也可行的是，针对某些方位角角度也可以代表多个分路（由不同层重叠）。这样的重叠区域尤其可以与其他方位角区域交替，在所述方位角区域中如上所述分别仅代表一个分路。然而，即使在具有分路的方位角上的重叠的这种情况下，通常也应适用的是，用各个分路占用角度位置的顺序以有规律地重复出现的图案变换。在此，在分路占用的重复的图案内，单个线圈之间的层变换也不应当被排除，如与随后的示例相结合而变得更清楚的那样。

与本发明相关地重要的是，在相应的预先给定的绕组层内部避免卷绕头部的区域中的交叉。换句话说，在每个绕组层内部单个线圈在其配属的方位角位置上并排布置并且在相应的层内部不相互穿过或不重叠。单个线圈的重叠（在径向投影中观察）分别仅在共同观察多个上下重叠的绕组层时产生。这尤其通过如下方式实现，即，在给定的绕组层内，在给定的单个线圈的两个轴向导体支脚之间的区域不被其它单个线圈的轴向导体支脚填充。尽管如此，为了在方位角方向上实现在唯一的分路的轴向导体支脚之间的频繁变换，取而代之的是，在不同的层上在不同的分路的单个线圈之间设置重叠。换句话说，根据上述方位角的占用方案将与给定的单个线圈交叉的单个线圈在此移位（ausweichen）到其他的径向的绕组层上。由此实现避免在一个层内的导体交叉，并且尽管如此，总体上与在一个层内各个分路的占用情况交替相比，各个分路的方位角位置的占用更频繁地变换。

通过所述的避免在一个绕组层内部的交叉，在此实现了附加的优点，即卷绕头部尤其是可以在轴向方向上非常紧凑地实施，因为不必为此提供附加的轴向长度，以便在一个绕组层内部使不同的分路的导体分支三维地彼此经过。由此，卷绕头部可以在其相应所配属的层内以卷绕头部的比较窄的弯曲半径和比较短的轴向长度实施。由此，电机总体上可以比较紧凑地（并且尤其是轴向短地）实施，这又能够实现电机的比较高的功率密度。

根据本发明的电机是具有根据本发明的定子的交流电机。根据本发明的电机的优点类似于根据本发明的定子的上述优点地得出。

本发明的有利的设计方案和改进方案由从属于权利要求1和14的权利要求以及以下说明中得出。在此，定子和电机的所描述的设计方案通常可以有利地彼此组合。

根据一种通常优选的实施方式，所有单个线圈分别完全位于分别配属于它们的绕组层内。换句话说，不仅在卷绕头部的区域中而且在整个单个线圈的区域中避免了绕组层的变换。这应该有利地尤其适用于定子绕组的所有单个线圈。这种实施方式通常特别适合于实现具有单个线圈的尽可能简单的结构的紧凑的绕组结构。导体分支在一层中的交叉和重叠总体上得到避免，因为在每个绕组层中仅分别明确地配属于该绕组层的单个线圈在圆周方向上并排布置。单个线圈可以有利地分别构造为鞍形线圈（Sattelspule），换句话说，单个线圈可以至少在部分区域中从扁平的线圈平面中弯曲出来。这些鞍形的线圈可以特别地成形为使得它们分别匹配于柱形节段的轮廓。特别地，它们可以分别被成形为使得它们位于两个同心的圆形空心柱体之间。这两个空心柱体之间的区域则限定了具有相应的径向层厚的相应的柱体壳形的绕组层。

在该一般性的实施方式中可以特别有利的是，对于每个所选择的位于所配属的绕组层中的单个线圈，该单个线圈的轴向支脚在径向投影上观察与另一单个线圈的内置的区域重叠，其中，该另一单个线圈布置在另一绕组层中。单个线圈的内置的区域（即位于两个轴向支脚之间的区域）在此通常也称为线圈的“孔眼”。结合本发明特别有利的是，每个单个线圈的孔眼附加地也与另一绕组层的至少一个轴向支脚重叠。通过这种重叠（又在径向投影中观察）可以有利地实现，在避免在绕组层内部的导体交叉的同时，可以实现具有复杂的区序列的复杂的绕组拓扑结构，尤其是用各个分路频繁变换地占用方位角位置。

通常优选地，定子绕组可以构造为气隙绕组。因此，这种气隙绕组不是嵌入铁芯的或者其他软磁材料的槽中相反，它被布置在电机的气隙区中。定子中的这种气隙绕组尤其是在以下情况下是有利的，即所产生的磁场在电机运行时如此强，使得在传统构造的电机中会出现软磁的、引导磁通的定子材料的饱和。这主要在与超导转子绕组相关时出现这种情况。使用设计成气隙绕组的定子绕组的另一个优点是，可以节省传统的、引导磁通的结构的空间和重量数值。通过取消轴向导体支脚之间的软磁齿，原则上因此可以实现绕组的更高的填充系数。

作为气隙绕组的实施方案正是在与本发明的主要特征的关联下特别优选的，因为通过所述的将单个线圈之间的重叠“移位”到不同的绕组层上原则上损失了填充系数。这通过如下方式实现，即，由于在每个绕组层中在其他绕组层上的重叠的移动而存在未占用的位置。在轴向支脚嵌入在铁齿之间的槽中的传统的定子绕组中，这在一定情况下导致定子绕组的整体上非常低的填充系数，而这又负面地影响电机的总功率密度。然而，对于气隙绕组而言，由于软磁性的齿而造成的空间损失被取消，并且因此尽管轴向导体支脚的位置未被占用，填充系数仍然能够足够高。在设计为气隙绕组时，在此不应原则上排除定子绕组具有如下支撑结构，所述支撑结构类似于传统的定子齿地在径向方向上延伸并且这些支撑结构在方位角上布置在绕组的各个轴向支脚之间。这种支撑结构可以径向地在多个绕组层上延伸并且因此支撑整个绕组。在设计为气隙绕组时，这种支撑结构相应地由非磁性材料构成。

但是，作为气隙绕组的所述实施方式的替代方案，原则上也可行的是，所描述的径向的支撑结构由软磁材料形成并且因此能够作为定子轭的齿起作用。然而有利地，这种齿仅是非常窄的齿，也就是说，这种齿在圆周方向上构造得比传统的定子齿明显更窄。优选地，这种“最小的定子齿”在方位角方向上具有如下宽度，所述宽度明显小于各个轴向导体支脚的方位角宽度。例如，定子齿的宽度可以处于各个导体支脚的宽度的最多五分之一处，尤其甚至仅处于最多十分之一处。此外，所给出的有利的最大宽度也可类似地适用于以上所述的由非磁性材料构成的支撑结构。

然而，根据一种替代的并且在一定情况下优选的实施方式，甚至根本不存在在径向方向上在多个绕组层上延伸的支撑结构或齿。该实施方式与将单个线圈设计为扁平的鞍形线圈的方案结合是特别有利的，所述鞍形线圈通过其扁平的形状能够良好地在多个绕组层中彼此上下堆叠，而不必通过位于其间的齿特别地予以支撑。在此，各个绕组层的未占用的位置可以可选地通过合适的其他扁平结构来填充。

通常，通过绕组中存在未占用的位置来降低填充密度（即填充系数），这本身单独地原则上导致比在较高的填充系数的情况下更低的功率密度。然而，通过本发明的特征，卷绕头部的轴向伸展范围与现有技术相比明显减小。因此，总的来说可以提供一种尽管如此具有比根据现有技术的电机更高的功率密度的电机。

通常可以有利的是，各个单个线圈的轴向支脚分布在由径向的和方位角位置构成的有规律的占用图案上。换句话说，可以存在有规律的二维图案，其可以适宜地在极坐标中作为被占用和未被占用的位置的布置来再现。在此，所占用的位置以表征的布置方式被各个分路的轴向支脚占用。这种占用的位置在此在定子绕组的整个轴向区域上延伸，该轴向区域处于两个位于末端的卷绕头部区域之间。所提及的有规律的占用图案应理解为，各个分路的占用位置的图案作为被占用和未被占用的位置的图案产生，其中，该图案基于由径向位置（即绕组层）和方位角位置组成的有规律的网格。该图案尤其可以作为整体具有对称性。尤其该图案可以沿圆周方向在特定的角度之后重复，换句话说，存在旋转对称性。特别有利地，这在此可以是指双重的旋转对称性，使得旋转180°将占用图案转变为其本身。但是原则上，更高数量的旋转对称性（具有偶数数量或奇数数量）也是可能的。要强调的是，在此不必一定存在镜像对称性。尤其可以有利地存在两重和/或更高数量的旋转对称性，而不存在用于占用图案的对称平面。

优选地，有规律的占用图案具有多个未占用的位置。换句话说，在有规律的网格中存在空隙，即网格的各个位置具有不被单个线圈的轴向支脚占用的方位角的和径向的坐标。这种空隙可以通过如下方式产生，即，在径向投影中观察，确定的单个线圈的孔眼与其他单个线圈的纵向支脚重叠，但如上所述，避免了线圈由于移位到其他绕组层上而穿透。通过这种移位必然在占用图案中产生空隙。例如，绕组层中的每个可以具有一个或多个这样的空隙。替代地或附加地，也可以对于网格的每个方位角位置存在一个或多个空隙。这种设计方案尤其在绕组未错位时是有利的。在这种未错位的绕组中，例如未占用位置的比例可以为50%或者甚至更高，以便可以避免单个线圈在一个绕组层内的空间重叠。例如，对于n＝3的分路数来说未占用位置的比例有利地为50%。对于更高的分路数量而言，未占用位置的比例甚至可以更大。由此，绕组的填充系数于是必要时也最高仅为50%，因为在填充系数中（例如由于支撑结构）还可能出现其它损失。然而，在绕组错位的情况下，由于未被占用的位置导致的填充系数的损失也可以小于50%，因为各个区的宽度可以在那里相对于位于其间的间隙的宽度增大。

特别有利地，在所述的未占用位置的区域中可以分别布置一个或多个冷却剂通道。这种冷却剂通道可以用于利用流过它的流体的冷却剂特别有效地冷却定子绕组。这尤其是在具有特别高的功率密度的电机中是这种情况，本发明对于所述电机恰好特别重要。在具有非常高的功率密度的电机中，在一定情况下通过在各个导体支脚之间安置冷却通道来冷却绕组本来就是适宜的。为了不必为此承受绕组的填充系数的附加损失，未占用的位置可以特别有利地用于这种冷却通道。正是在单个线圈作为扁平线圈的设计方案中，这种布置是特别有利的，因为于是给定的单个线圈可分别通过至少一个冷却剂通道来冷却，该冷却剂通道布置在相邻的绕组层中。通过线圈的扁平的设计方案和相应未占用的位置的相应类似的扁平的几何结构，于是得到在给定的线圈与在相邻的层中未占用的位置之间的相应高的接触面和短的间距，所述未占用的位置能够通过一个或多个冷却剂通道来使用。因此，在单个线圈和冷却剂之间产生相应良好的热传递。

定子绕组尤其可以具有偶数m个绕组层，所述绕组层尤其可以处于m＝2或m＝4。在这种偶数的绕组层中，定子绕组可以被构造成配属的绕组层对，其中，对于给定的方位角位置例如总是有一个绕组层被占用，而同一对的另一个绕组层未被占用。因此，实现了上述的在不同的绕组层上的相互重叠的单个线圈的移位，并且总体上保留了一半的现存的位置未被占用。在此，所配属的绕组层对不必一定径向相邻地布置。以类似的方式，替代地也可能的是，总是四个绕组层属于一个组，并且相应地对于每个方位角位置仅占用该组中的一个层。

通常有利地，单个线圈的卷绕头部可以分别近似U形地构造。这种形状在此不仅应理解为严格意义上的U形（即两个轴向支脚通过半圆形弧的连接），而且应理解为任意其他形状，通过所述其他形状，两个平行的轴向支脚通过整体上倒圆的连接区域彼此连接。该连接区域尤其也可以具有如下连接支脚，该连接支脚通过两个倒圆的角部与轴向支脚连接。这种连接支脚可以（如此外也可以是半圆形弧）总体上这样弯曲，使得该连接支脚仿制（nachbilden）柱体壳形的绕组层的轮廓并且因此处于这种层之内。

一般地，通过U形的设计方案能够实现，卷绕头部整体上具有特别短的轴向伸展范围。导体的在卷绕头部的区域中出现的最小弯曲半径通常可以低于500mm、尤其低于100mm或者甚至低于10mm，例如处于1mm到50mm之间的范围中。对于根据本发明的定子绕组而言这种小的弯曲半径通常由此实现，即避免层内的单个线圈的穿透和重叠，并且由此单个导体在此不必通过卷绕头部中的伸出的导体路径彼此引导经过。而每个卷绕头部有利地仅是两个轴向导体支脚的连接，所述轴向导体支脚布置在共同的绕组层内部并且在该绕组层中彼此相邻地（也就是说不通过其他分路的导体支脚间隔开地）引导。在该绕组拓扑结构中，在卷绕头部的区域中的弯曲半径向下有利地仅通过导体的弯曲特性来限制而不通过如在现有技术中的卷绕头部的待避免的穿透来限制。导体例如可以是绞合导体，它们的各个绞合线由铜制成或者至少包括铜。利用这样的绞合导体可以实现比较小的最小弯曲半径，所述最小弯曲半径例如可以处于弯曲平面内部存在的导体宽度的大约三倍。

单个线圈通常可以有利地分别设计为鞍形的扁平线圈。扁平线圈在本文中应理解为这样的线圈，在所述线圈中，导体支脚在相应的绕组层内的宽度明显大于导体支脚的高度（即，其垂直于绕组层的局部定向的厚度）。有利地，导体支脚的宽度可以是其高度的至少两倍大，尤其甚至至少五倍大。单个线圈构造为扁平线圈通常是有利的，以便与绕组在多个绕组层上的所述分布和特殊布置共同作用地实现机械稳定的绕组复合体，在所述特殊布置中通过未占用的位置避免了层内的交叉。这种带有绕组复合体的设计可以特别有利地也在没有定子齿或其它径向支撑结构的情况下在机械上稳定地实施。为此，例如网格的没有被导体分支占用的位置可以被相应成形的其他结构填充，以提供附加的机械支撑。这些填充结构例如可以被构造为不导电的和/或可选地包括冷却剂通道。通常，在此描述的线圈的扁平形状在电磁方面也是有利的，因为这样可以仿制具有大于1的孔数的分布式绕组。与此不同，具有在方位角方向上窄而在径向方向上高构成的线圈的绕组的表现更像具有孔数1的集中式绕组，并且具有不利地高的比例的绕组高次谐波。

通常，定子绕组例如可以设计为不错位的绕组。在这种不错位的绕组中可以有利地遵守所谓的“纯区方案”，其中定子绕组的圆周被划分为各个方位角的区域（“区”），所述区分别仅被所选择的分路的导体支脚占用（并且附加地具有未占用的空隙）。然而，在此尤其不存在不同分路的导体支脚在给定的圆周位置内的重叠。在这种不错位的绕组中，根据本发明的其余特征可以提供一种新型的定子绕组，但是该定子绕组在其区规划方面与传统的定子绕组在定子齿的槽中的区规划相一致。

但是，作为上述实施方式的替代方案，定子绕组也可以设计为错位的绕组。绕组的错位例如可以通过在各个绕组层之间的圆周方向上的偏移来实现。换句话说，属于一个共同的分路但不同的绕组层的上下叠置的导体支脚能够在方位角上略微相互偏移。这种“轻微的偏移”可以适宜地选择得比在绕组层内部的彼此并排的轴向导体支脚之间的最小的方位角间距更小。然而，作为这种方位角的偏移的替代方案或补充方案，也可以通过将绕组层的方位角上彼此相邻的区选择为不同宽度来实现错位。在该实施方式中，未占用的位置尤其也可以实施成具有比占用的位置更小的宽度，这与未错位的绕组不同能够实现略微改善的填充系数。

在定子绕组内部，相应的分路的单个线圈在一个或两个轴向端部区域中相互电连接成上级的绕组组。这种电连接例如可以通过所谓的开关环（Schaltring）实现。

定子优选可以如此设计，使得其轴向长度（包括卷绕头部）短于定子的外直径。特别是轴向长度和外直径之间的比例甚至可以小于0.4。这种类型的纵横比通过根据本发明的绕组拓扑结构来简化并且在一定条件下才能实现，因为仅在避免伸出的卷绕头部时才能实现相应短的定子。

通常除了所描述的定子之外，电机还可以具有转子，该转子被构造用于产生具有p个极的磁场。与这种转子配合作用，根据本发明的定子的所述优点特别地起作用。

特别地，这种转子可以配备有超导激励绕组。这种实施方案特别有利于用电机实现很高的功率密度。电机通常有利地设计用于至少为2MW，尤其是甚至至少5MW的额定功率。替代地或附加地，所述电机可以有利地具有至少10kW/kg、尤其甚至至少20kW/kg的功率密度。这特别是对于在车辆中的在驱动这种车辆时必须一起运动的发电机或马达是重要的。在飞机中的电机中功率密度是非常特别关键的。不管电机的具体应用如何，电机通常可作为马达和/或发电机运行。特别有利地，电机可以构造为同步电机。

电机的磁极数量p有利地可以在2和12之间，尤其是在6和12之间，并且特别有利地恰好为8。这种设计方案对于实现高功率密度是特别有利的。在此，优选的范围由此得出，即一方面径向的气隙场和因此感应的电压随着极数的增加而下降，但是另一方面电频率随着极数的增加在相同的转速下上升。第二效果提高所感应的电压，从而在典型的几何形状中总体上得出对于所述范围之内的功率的最优值。附加地还存在其他效果，例如在极数量小的情况下必须选择更大的磁轭厚度，这又影响重量。这些因素同样决定用于最佳功率密度的优选极数范围。

附图说明

下面将参照附图借助于几个优选实施例描述本发明，其中：

图1示出了根据现有技术的电机的一部分的示意性截面图；

图2示出了图1的电机的定子绕组的一部分的图示；

图3示出了根据第一实施例的电机的一部分的示意性截面图；

图4示出图3的电机的一个角度节段（Winkelsegment）的截取部分；

图5示出图3的电机的定子的轴向俯视图；

图6示出图3的电机的一部分的三维示意图；

图7示出了单独的鞍形的扁平线圈的三维示意图；

图8示出了扁平线圈的一部分与传统的定子绕组的投影相比较的投影；

图9示出了根据第二实施例的定子绕组的卷绕方案的截取部分；

图10示出了根据第三实施例的定子绕组的卷绕方案的截取部分；

图11示出了根据第四实施例的定子绕组的卷绕方案的截取部分，并且

图12示出了根据第五实施例的定子绕组的卷绕方案的截取部分。

具体实施方式

在附图中相同的或功能相同的元件设有相同的附图标记。在图1中以示意性的横截面示出了根据现有技术的电机1的截取部分。示出的是在垂直于电机的中心轴线A的截面平面中的90°的角度节段。电机1具有内置的、围绕中心轴线A可旋转地支承的转子11。该转子11配备有多个场绕组12，在此示例性地示出其中的两个极。它们用于构造电机的激励场。内置的转子在径向上被固定的定子3包围。转子和定子在此具有圆柱形的基本形状。定子包括外置的柱体壳形的铁轭5作为引导磁通的元件。气隙6位于铁轭5和转子11之间，在此定子3的定子绕组4同样布置在该气隙中。在此因此涉及所谓的气隙绕组，其不是在方位角上布置在磁性结构之间。定子绕组4包括多个线匝8i，其中在所示的截取部分中以其轴向延伸的导体支脚的形式示出了24个单件。为了给定子绕组4提供机械支撑，这些轴向导体支脚能够可选地嵌入非磁性齿7（或其他的保持结构）之间，其中在此在附图的中间部分中示例性地示出两个。图1的定子绕组4具有两个绕组层4a和4b，各个轴向导体支脚21分布在所述绕组层上。在此涉及径向内置的下层4a和径向外置的上层4b。图1的定子绕组4在此总共具有三个电分路u、v和w，所述三个电分路例如配属于三相交流电机的三个相。在此，相应的分路的导体分支相互电连接成上级的绕组组。在这种绕组组内部，在定子绕组4的圆周上观察，不同电流方向的区域相互交替。图1的定子绕组是指所谓的未错位的绕组，其中在圆周方向上观察，不同的方位角位置35i彼此相继，其中这些位置中的每个位置仅分别配属于一个特定的分路和一个预先给定的电流方向。因此，例如连同+u表示的导体支脚形成电分路u的馈送导体（Hinleiter），并且连同-u表示的导体支脚形成电分路u的针对相应所配属的方位角位置的返回导体。电机的所谓的区方案规定，各个分路的馈送导体和返回导体以哪种表征性的图案在方位角位置和绕组层的网格上分布。

图2示出图1的电机的定子绕组4的一部分的示意图。图2的图示是绕组的简化的二维图示，其中实际上圆柱形的绕组假想地“展开”到平坦的平面上。该平面相应地通过轴向方向a和角坐标24的两个方向坐标形成。在此，不仅示出了恰好位于纸平面中的分量。相反，涉及形成由两个绕组层4a和4b构成的分量的投影。绕组4的所示出的部分包括分路v的两个馈送导体，这两个馈送导体相应地以+v表示。此外，示出了同一分路的两个返回导体，其相应地以-v表示。在此，两个馈送导体位于下层4a中，并且两个返回导体位于上层4b中。沿着角坐标24，两个相邻的馈送导体和两个相邻的返回导体分别以所谓的槽距28为幅度相互偏移。换句话说，它们位于相邻的槽中。所示的轴向导体支脚（即馈送导体和返回导体）位于绕组的轴向内置的部分16中，在此仅示出了该部分的一小区段。轴向端部区域17与该部分邻接，在该轴向端部区域中，相互关联的导体支脚通过卷绕头部23彼此电连接，其中，这些卷绕头部也跨接层间距。通过该连接所要跨接的绕距29在该示例中为槽距28的六倍。为了尽管这种相对大的方位角间距并且尽管在该投影中可见的相邻的导体分支的交叉，来避免卷绕头部的空间穿透，在此需要相对大的角度β。最小必需的角度β在所示的示例中还附加地通过如下方式增大，即，在卷绕头部23的区域中必须保持各个导体之间的绝缘间距27。然而，由于所描述的几何边界条件，根据角度β的大小，卷绕头部的轴向长度也是非常大的。通过这种效应，在传统的电机中取消了电机的轴向长度以及电机在卷绕头部上的重量的大部分，但是所述卷绕头部对于电机的磁场利用贡献非常小。

图3示出了根据本发明的第一实施例的电机1的示意性横截面。在此也示出垂直于电机的中心轴线A的剖面。该电机也具有内置的转子11和径向包围该转子的定子3。转子可以类似于图1的传统电机的转子来构造。如图所示，该转子例如可以设计用于形成八极电磁激励场。图3的电机也具有柱体壳形的外置的定子轭5，该定子轭在所示出的区域中径向地将定子绕组4作为引导磁通的元件包围。所示出的区域是绕组4的轴向内置的部分，即绕组的轴向延伸的导体支脚21所布置的区域。在此，也在这里未示出的、轴向外置的区域中布置有如下卷绕头部，这些卷绕头部将各个分路的各个导体支脚连接成上级的绕组组。

在图4中更详细地示出了各个轴向导体支脚21与各个绕组层和方位角位置的配属关系，图4又仅示出了电机的90°截取部分。根据该第一实施例的定子绕组4具有4个绕组层33a、33b、33c和33d，各个轴向导体支脚21根据有规律的图案分布到所述绕组层上。与图1的电机类似地，在此定子绕组4也被划分成3个电分路u、v和w。在该电机中，定子绕组4也被划分为离散的方位角位置35i的网格，其中这些位置中的每个位置配属于三个电分路u、v或w中的一个并且尤其是配属于相应分路的馈送导体+u、+v或+w或返回导线-u、-v或-w。在图3和图4的示例中，三个分路在圆周方向上观察以始终重复的顺序相互交替（即始终为u、v、w、u、v、w并且进一步如此交替）。因此，区规划类似于图1的绕组。在此，对于利用给定分路所占用的方位角位置的子集（即例如u），在该示例中馈送导体（+u）与返回导体（-u）总是以重复的图案交替。与本发明相关地重要的是，该定子绕组与图1的绕组不同地不是构造为分布式绕组，而是由单个线圈组成。在此，给定的分路的各两个轴向支脚通过两个卷绕头部（它们位于在此未示出的轴向端部区域中）相互连接成一个环形的单个线圈。在所示的示例中，这些单个线圈中的每一个都布置在仅一个配属的绕组层中（即仅在图33a、33b、33c或33d中）。因此，不仅每个单个线圈的轴向导体支脚而且卷绕头部都位于该配属的层之内。在此，属于单个线圈的两个轴向导体支脚不是处于绕组的相邻的方位角位置。在图4的截取部分中，例如在最内层33a之内并且也在最外层33d之内，所示出的馈送导体+u与所示出的返回导体-u分别连接成共同的单个线圈。但是从馈送导线+u看，返回导线-u才位于在再下一个方位角位置。在它们之间是两个方位角位置，这两个方位角位置被其他导体分支+v和+w占用。为了尽管这种情况也避免单个线圈之间的交叉（并且因此导线的穿透和/或复杂的、伸出的卷绕头部），位于其间的导体分路+v和+w的单个线圈移位到其它的绕组层上，即在此移位到层33b和33c上。所示出的位于其间的轴向导体支脚+v和+w分别在其绕组层内部与所配属的返回导体-v（所示出的角度节段的左侧）和-w（所示出的截取部分的右边部分中）又连接成单个线圈，所述单个线圈在其绕组层内部不具有与其他单个线圈的穿透或交叉。

为了阐明在第一实施例中单个线圈的精确布置和尤其是避免由于移位到其它绕组层上而引起的交叉，图5示出了定子在轴向端部区域之一内的轴向俯视图。因此示出了穿过如下区域的截面，单个线圈的卷绕头部在该区域中延伸并且使彼此配属的纵向支脚分别相互连接。单个线圈设计为扁平线圈31，所述扁平线圈分别仅位于四个绕组层中的一个中。在此，各个扁平线圈31与3个电分路u、v和w的配属关系通过不同的阴影线来表示。为了与图4的截取部分（在轴向内置的横截面中）更好地比较，在那里示出的角度节段通过径向的线条表示。示例性地用附图标记35i表示的方位角位置也与图4中相同。为了进一步简化比较，对于径向内置的、以附图标记u表示的单个线圈，在轴向方向上位于其后面的轴向导体支脚也以相应的附图标记+u和+u标记。

如在图3和图5中可以看出的那样，对于该示例，方位角位置的和绕组层的占用图案具有双重对称性。换句话说，图案可以通过旋转180°转变成自身。然而，对于该示例，不存在镜像对称性。

为了更好地阐明绕组几何形状，图6还示出了与在图3、4和5的截面图中示出的定子绕组相同的定子绕组4的三维示意图。在此为了清楚起见仅示出了绕组的一半，其垂直于轴线被分成两半。在此可看出，单个线圈31设计为鞍形的扁平线圈，其与相应的绕组层的柱体壳形几何形状相匹配。由于特殊的布置，仅在径向投影中产生这些单个鞍形线圈的几何重叠，而不是在相应所考虑的层内部产生。

图7示出单个鞍形的扁平线圈31的三维示意图。该扁平线圈总体上不是平坦的，而是与其绕组层的柱体壳形的轮廓相匹配。该扁平线圈包括两个轴向延伸的导体支脚21，所述导体支脚在两个轴向端部区域17中通过卷绕头部23a相互连接。所有这些导体区段具有扁平的横截面形状，其中，导体支脚的宽度37分别大于导体支脚的厚度39（即，在绕组层的厚度方向上的厚度）。与可能通过图7的透视性扭曲产生的印象相反，横截面在大小和形状方面对于单个线圈的所有支脚而言应当是保持不变的。

图8以与图2类似的图示示出扁平线圈31的一部分的投影，如其可以使用在根据本发明的定子中那样。示出的是扁平线圈31的轴向端部区域17，换句话说是如下区域，在该区域中这种线圈的两个轴向导体支脚21过渡到所配属的卷绕头部23a中。对于图8的扁平线圈，在此甚至示出了卷绕头部23a的比用于图7的扁平线圈的更极端的U形设计方案。在图8的示例中，U形形状的中间的支脚具有较长的直的区域，两个倒圆的角部置于该区域两侧。这种设计方案不是绝对必需的，但是可以是特别有利的，以便将卷绕头部沿轴向方向a的伸展范围保持得特别小。因此，通过相应地缩短卷绕头部的轴向长度，能够整体上实现缩短电机的轴向长度，这又导致特别高的功率密度。为了阐明轴向长度的这种缩短，在图8中通过虚线阐明由分布式绕组（类似于在图1和2中）构成的传统的卷绕头部23b的轴向伸展范围。

图9示出了根据本发明的第二实施例的定子绕组的卷绕方案的截取部分。这种卷绕方案示出了以“展开的”形式占用柱体壳形的定子绕组的各个方位角位置35i和各个绕组层。然而在图9中没有示出根据第二实施例的电机的完整的卷绕方案，而是只示出相应于图4的90°截取部分。与图4的示例不同，图9的卷绕方案仅具有2个绕组层33a和33b。但是，除了缺少两个外层33c和33d之外，图9的卷绕方案相应于图4的卷绕方案。相应地也应当适用于卷绕方案的在此示出的截取部分的延续部分。在图9的示意图中特别清楚的是，在该示例中仅一半位置被各个分路u、v和w的轴向导体支脚21占用。在网格的其它位置上存在未占用的位置41，这与轴向导体支脚上的最紧密的填充相比导致绕组的填充系数的损失。然而，与根据图1的传统绕组相比，在此有利的是，通过扁平线圈的稳定堆叠，在轴向导体支脚之间不需要径向的保持齿7（或最多只需要非常窄的齿）。因此，填充系数的损失可以通过未占用的位置41至少部分地补偿径向保持结构的节省。此外，未占用的位置41可以用于其他功能结构。因此，相应的空间例如能够用于布置扁平的冷却通道43，其中有利地，这种冷却通道分别径向地相邻于被占用的位置（即轴向导体支脚21）。替代地，多个这样的冷却通道43也能够在未占用的位置41之内引导。在图9中，仅示例性地示出几个单独的冷却通道43。但是，替代于或附加于冷却通道的布置，未占用位置也可以用其他扁平的填充元件44填充，在图9中示例性地示出了其中一个。这样的填充元件又也能够由各个冷却通道43贯穿。

在图10至12中示出了用于绕组的相应的90°截取部分的卷绕方案的其它示例性的变型方案：因此，图10示出了用于具有六个电分路u1、u2、v1、v2、w1和w2的定子绕组的卷绕方案的部分。为了也对于这个提高的分路数量能够实现定子绕组与并排的单个线圈和短的卷绕头部的无交叉的设计方案，在此定子绕组与图9相比分布到两倍数量的绕组层上。相应地，存在更大数量的未占用位置41，即在该示例中75%的可用位置。在此，未占用的位置也可以完全或部分地被在此未示出的填充元件和或冷却通道所占用。

迄今为止所示的示例分别涉及不错位的绕组。但是原则上，根据本发明的定子绕组也可以设计为错位的绕组。这可以与现有技术类似地例如通过绕组层之间的方位角偏移和/或通过区宽度的变化来引起。图11示出了相应的错位的绕组，其从图9的绕组通过各个被占用的区的方位角偏移突出。由此得到各个方位角位置，其中（在多个层上观察）在各个电分路之间存在重叠并且得到其他方位角位置，所述其他方位角位置在所有层上观察可以是未被占用的。图12示出了错位的绕组的另一个示例，其中与图9的示例相比，电分路占用的区被加宽。由此有利地相对于在图9的方案中存在的最大50%提高了绕组的填充系数。

Claims (15)

1.一种用于交流电机（1）的定子（3），

- 其中，所述定子（3）具有围绕中心轴线（A）布置的、带有多个导体线匝的定子绕组（4），

- 其中这些导体线匝被分组成n多个电分路（u、v、w），

- 其中，所述定子绕组（4）具有m多个绕组层（33a、33b、33c、33d）

- 其中，一个分路（u、v、w）的导体线匝分别具有i多个轴向定向的导体支脚（21），所述导体支脚在其两个轴向端部区域（17）中成对地通过各两个卷绕头部（23a）相互连接，从而对于每个分路（u、v、w）形成k多个单个线圈（31），

- 其中，沿圆周方向观察，各个分路（u、v、w）的轴向导体支脚（21）以保持不变的图案交替地彼此相继，

- 其中，给定的单个线圈（31）的两个卷绕头部（23a）在绕组层（33a、33b、33c、33d）内部延伸，

- 并且其中，这样选择相应的分路（u、v、w）的轴向导体支脚（21）的序列和单个线圈（31）到各个绕组层（33a、33b、33c、33d）上的分布，从而在所述卷绕头部（23a）的区域中避免在各个绕组层（33a、33b、33c、33d）内的交叉。

2.根据权利要求1所述的定子（3），其中，所有单个线圈（31）分别完全位于分别所配属的绕组层（33a、33b、33c、33d）内。

3.根据权利要求2所述的定子（3），其中，对于每个所选择的位于所配属的绕组层（33a、33b、33c、33d）中的单个线圈（31），所述单个线圈（31）的轴向支脚（21）在径向投影中与另一单个线圈的内置的区域重叠，所述另一单个线圈布置在另一绕组层（33a、33b、33c、33d）中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的定子（3），其中，所述定子绕组（4）构造为气隙绕组。

5.根据前述权利要求中任一项所述的定子（3），其中，各个单个线圈（31）的轴向支脚（21）分布在由径向的和方位角位置组成的有规律的占用图案上。

6.根据权利要求5所述的定子（3），其中，在所述有规律的占用图案中多个位置（41）未被占用。

7.根据权利要求6所述的定子（3），其中，在未占用的位置（41）的区域中布置有冷却剂通道（43）。

8.根据前述权利要求中任一项所述的定子（3），其中，所述定子绕组（4）具有偶数m个绕组层（33a、33b、33c、33d），尤其是两个或四个绕组层。

9.根据前述权利要求中任一项所述的定子（3），其中，所述卷绕头部（23a）U形地设计。

10.根据前述权利要求中任一项所述的定子（3），其中，所述卷绕头部（23a）具有如下弯曲半径，所述弯曲半径位于5mm到100mm之间的范围中。

11.根据前述权利要求中任一项所述的定子（3），其中，所述单个线圈（31）分别构造为鞍形的扁平线圈。

12.根据前述权利要求中任一项所述的定子（3），其中，所述定子绕组（4）构造成不错位的绕组。

13.根据前述权利要求中任一项所述的定子（3），其中，所述定子绕组（4）构造成错位的绕组。

14.一种交流电机（1），具有根据前述权利要求中任一项所述的定子（3）。

15.根据权利要求14所述的电机（1），其附加地具有转子（11），所述转子配备有至少一个超导激励绕组。

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