CN111712993B - 电动马达的具有定子齿组的外部定子、每个定子齿组具有两个相邻的定子齿和连接轭 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有内部转子(9、10)的感应式机器的外部定子，该外部定子具有数目为N的定子齿(1)，数目为N的定子齿(1)形成数目为N/2的齿组(ZGi；i＝1…N/2)。每个定子齿(1)具有磁极芯部(1b)和形成在磁极芯部(1b)上的极靴(1a)，其中，磁极芯部(1b)和极靴(1a)由第一材料(MA1)制成。每个齿组(ZGi)由两个直接相邻布置的定子齿(1)和磁轭(15)形成。至少一个中间元件(11、21、31)布置在相邻的、不同的齿组的两个相邻的定子齿(1)之间，所述中间元件沿定子(1)的轴向方向延伸。每个中间元件(11)由第二材料(MA2)制成，第二材料(MA2)与所有齿组(ZGi)的第一材料(MA1)不同。具有磁轭(15)的两个定子齿(1)与相对的转子磁极(9、10)各自形成磁路(MF)。

Description

电动马达的具有定子齿组的外部定子、每个定子齿组具有两 个相邻的定子齿和连接轭
本发明涉及具有内部转子的旋转场式机器的外部定子，并且该外部定子具有数目为N的定子齿，所述数目为N的定子齿一起形成数目为N/2的齿组，并且每个定子齿在每种情况下具有一个磁极芯部和一个一体地形成在磁极芯部上的极靴，其中，磁极芯部由第一材料制造，并且在每种情况下，一个齿组由两个直接相邻布置的定子齿形成，所述两个直接相邻布置的定子齿与磁返回装置一起作为磁路的组成部分。
现有技术
已知的旋转场式机器或电动马达通常设计为永久励磁的内部转子或外部转子式马达。这些马达越来越多地用作两轮车辆、乘用机动车辆、重型货车的电驱动马达，并且用在海事部门和航空领域的螺旋桨驱动的驱动系统中。特别是在使用电池或锂离子电池来驱动的车辆、轮船以及最近的电动飞行器的情况下，效率是主要的设计参数，因为效率主要决定电池的尺寸，并且因此决定总体成本。然而，也有必要在整体考虑中考虑电动马达的成本，出于该原因，以成本有效的方式使用各种各样的材料是必要且有意义的。在航空领域中，特别是在以电动方式驱动的飞行器的情况下，不仅必须考虑效率，而且还必须考虑功率密度，出于该原因，通常优选使用永磁体。
为了实现高的效率和高的功率密度，除了使用永磁体以外，还采取了用于减少损耗的各种措施。在线圈中的铜损耗、与磁路相关的所有含铁马达部件中的铁损耗以及轴承中的摩擦损耗之间是有区别的。
为了减少铜损耗，单齿技术以及单齿或双齿的缠绕是有利的。利用单齿缠绕技术，励磁线圈可以以精确的方式缠绕，从而提高电动马达中的铜填充水平。在外部转子的情况下，除了单齿技术外，也使用挠性定子的缠绕技术，如EP 2179488 B1中所述。
为了减少铁损耗，使用具有小的叠片厚度、特别是叠片厚度<＝0.3mm的Si-Fe叠片的叠片式定子以及叠片式转子，并且可选地，为了减小涡流损耗，还使用分段式永磁体。此外，越来越多地使用耐高温的材料、特别是具有高剩磁且同时具有高矫顽力场强度HCJ的永磁体。这种耐高温性导致非常高的成本，因为例如这种永磁体具有高的镝分数。此外，具有非常低的损耗(叠片厚度0.1mm-0.2mm)或高饱和度的定子叠片(例如钴-铁叠片)是非常昂贵的。
例如，在WO 2010/099974中，实现了具有高度复杂的水型冷却装置的双转子。冷却通道使用热固性塑料通过注射模制过程实现，并且冷却通道在励磁线圈之间从壳体延伸至绕组头部并在绕组头部处转向。这种冷却极其昂贵，并且此外这种冷却不是最佳的，因为损失了用于铜线圈的缠绕空间。
在WO 2010/099975中实现了另一种导热方法。在这种双转子式马达的情况下，定子利用具有良好导热特性的热固性塑料材料通过注射模制而封装。同时，在选择热固性塑料材料时，必须重视刚度，因为定子的通过注射模制的封装很大程度上有助于悬臂式定子在操作期间的稳定性。此外，在WO 2010/099975中公开的是，借助于灌封和热固性材料的良好的导热特性，可以改善从励磁线圈的绕组头部到壳体的热传递。
然而，WO 2010/099975中公开的解决方案具有某些弱点。首先，在使用热固性塑料注射模制的情况下，必须首先考虑强度，因此在选择材料时不可能仅仅重视导热特性。此外，利用同时具有高强度和高导热性的材料，该方法非常昂贵，因为整个定子在涉及热固性塑料的注射模制过程中第一次获得其最终的稳定性和导热性。定子齿必须在注射模制期间以非常牢固的方式固定，因为在涉及热固性塑料的注射模制的情况下会使用高的注射压力。此外，必须大量使用非常昂贵的填料(导热体、例如氮化硼，强度提高性材料、比如说例如碳纤维或玻璃纤维)。最后，由于该原理，双转子式马达的概念仅允许在一个方向上进行导热。
优化定子齿的绝缘件的常用方法是使用由塑料构成的定子齿端部件，并且借助于具有可接受的传导率(0.12W/mK-0.3W/mK)且具有>2kV的足够介电强度的薄卡普顿(Kapton)膜对中央区域进行绝缘。然而，由于卡普顿膜的薄壁性质，更多的热可以经由该热路径传递。由于该薄膜，减短了从励磁线圈到定子的热路径，并且增加了铜填充率，因为薄壁式卡普顿膜在缠绕窗口中为铜线圈留出更多空间。然而，这种绝缘技术主要用于提高电动马达的铜填充率。这种绝缘技术不会导致冷却性能的提高，因为线圈通常不会支承抵靠在卡普顿膜上，并且因此在热的线圈和散热卡普顿膜以及励磁线圈之间会存在一定的气隙，该气隙是由于在缠绕技术中缺乏精度而出现的。
发明内容
本发明的目的是：在提高具有内部转子的旋转场式机器的连续功率的背景下，改善从绕组经由定子齿或外部定子的散热，并减轻外部定子的重量。
根据本发明，所述目的借助于根据权利要求1的前序部分的外部定子来实现，其中，在两个相邻齿组的两个相邻定子齿之间，在每种情况下布置有至少一个中间元件，所述中间元件特别地沿定子的轴向方向延伸并且所述中间元件由第二材料制造，并且该第二材料与磁极芯部的第一材料不同。
因此，本发明第一次公开了具有N/2个齿组的定子，所述N/2个齿组被间隔开并借助于中间元件连接，从而减轻了定子的重量。此外，马达的性能优选地通过有效的散热、尤其是经由齿组之间的中间元件来改善，并且因此大幅度地增加了连续功率。
以这种方式，有利的是，可以通过在外部定子的对磁通量没有重要性或重要性很小的区域中使用具有良好的导热特性和/或比磁极芯部材料的密度低的密度的材料而将这些区域用于导热或用于减轻重量。替代性地或另外，例如可以在这些区域中布置流体型的冷却装置或热管。
齿组各自通过其两个定子齿形成U形轭，每个齿组在每种情况下具有至少一个励磁线圈、优选地两个励磁线圈。为了连接齿组或U形轭，在每种情况下都使用由第二材料制造的中间元件，该第二材料的密度ρ2比制造磁极芯部的第一材料的密度ρ1小至少两倍。利用中间元件，可以追求两个不同的优化方向。
在第一优化方向上，试图通过改善定子中的导热性和降低定子的重量来优化功率或最大扭矩。在此，第二材料可以具有高于铁的导热率(80W/mK)的为至少150W/mK(例如镁的导热率)的、特别地高于200W/mK(铝的导热率)的导热率λ2。因此，第二材料有利地由铝或镁或这些材料的合金制成。
由于特定材料、比如说例如具有180℃的典型最大温度的铜线圈的操作的最大极限，因此电动马达的最大连续功率受散热器的温度和励磁线圈中的温度差的限制。如果线圈与散热器之间的导热率减半，这导致功率增加近似1.5-2倍。因此，有效的散热特别重要。
进一步的优化可以通过轴向导热实现，因为热不仅径向地传导至壳体而且轴向地传导至电动马达的至少一个端侧部。为了优化这种导热，使用水型冷却装置或热管是适合的。因此，可以借助于水型冷却装置或热管，将轴向导热性进一步提高10倍(水)至100倍以上(热管)。在使用突出超过定子的长壳体以用于冷却目的的某些应用中的内部转子式马达的情况下，该轴向导热也至关重要。
在第二优化方向上，重点放在使重量最小化上。在这种情况下，第二材料具有比第一材料的密度ρ1小至少3倍、优选地小5倍的密度ρ2，并且/或者具有λ>5W/mK的导热率。对应的材料将是氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或碳化硅或氮化硼。此外，第二材料可以是非铁磁材料。因此，作为第二材料，可以使用轻质材料、例如塑料，以用于优化定子的重量的目的。
在这种情况下，齿组的两个定子齿经由磁返回装置连接以形成磁路。在此，磁返回装置一体地形成在属于一个齿组的定子齿的磁极芯部的避开极靴的端部上。因此，所述两个定子齿和磁返回装置形成U形轭。
对于所描述的所有可能的实施方式，情况是，在中间元件中和/或中间元件中上，可以布置有特别地呈水型冷却装置或热管的水通道形式的至少一个导热装置，该导热装置沿定子的轴向方向延伸，并且尤其用于轴向方向上的散热。在此，所述导热装置可以设置在每个中间元件中或仅设置在一些中间元件中。
为了热从励磁线圈径向消散，在内部转子径向向外面向散热中间元件的情况下，设置有特别是板状的冷却体，该冷却体沿定子的轴向方向延伸并且具有大于1W/mK、优选地大于2W/mK的导热率，该冷却体布置在励磁线圈与定子齿之间。
中间元件用于齿组的机械连接。在此，中间元件可以例如粘性地结合或焊接至齿组。然而，同样可以的是，中间元件借助于形状锁定、例如对应的榫舌凹槽连接而彼此连接，或者中间元件11或U形轭被锚固在管状壳体部分中。U形轭或中间元件可以被放置到壳体管中和/或被轴向地推动到壳体管中。
如果绕组凹槽中的绕组之间的空间用附加的灌封化合物灌封，这将有利地具有至少0.25W/mK的导热率，并且在绕组的线圈导线之间将不再有任何夹杂空气。以这种方式，显著改善了特别是在励磁线圈的线圈层之间的散热。
相邻的定子齿可以支承以不同方式缠绕的励磁线圈以优化铜填充率，其中，线圈特别地在几何上定形状成使得所述线圈在所述线圈被推动到定子齿上时和/或处于所述线圈已经被推动到定子齿上的状态时彼此不会产生接触。为了实现这一点，将极靴与磁极芯部分离，并且在将励磁线圈推进之后，将极靴安装到磁极芯部上并借助于形状锁定或粘合剂连接而连接至芯部。如果定子在缠绕后灌封并且该灌封额外地固定了极靴，则粘合剂连接是足够的。
为了优化铜填充率的目的，优选地，齿组的邻近线圈形成为具有不同的几何形状、例如楔形相对的平行绕组形式，或者形成为具有n层和(n+x)层的励磁线圈。在此，根据绕组形式将线圈依次推动到一个没有极靴的定子上，其中，首先，将具有(n+x)层的励磁线圈推动到每个第二定子齿1b上，并且然后将具有(n)层的励磁线圈推动到每个第二相邻的轭齿上，使得励磁线圈在推进过程期间不会发生接触。此外，定子齿1b在推进过程之前已经设置有绝缘件，如图4至图7中所图示和描述的。因此，每个齿组ZGi在每种情况下具有两个齿，所述两个齿在每种情况下具有分别包括n层和n+x层的不同线圈。为了防止补偿电流，这些线圈还优选地彼此串联地电连接。
具有优化的径向和轴向定子冷却的上述实施方式可以特别有效地用于具有集成电子器件的内部转子式马达的优化中，其中，励磁线圈的绕组头部的冷却也是适合的补充。
绕组头部冷却通过以下方式实现：励磁线圈布置成相对于导热件仅具有很小的间距，优选地，励磁线圈在该区域中被灌封并被压靠在高传导性的绝缘件(例如氮化硼)上。另外，热经由定子的中间元件轴向地消散到导热件中。因此，内部转子式马达经由具有非常良好的导热性的多个平行路径(定子的径向冷却，经由中间元件的轴向冷却，绕组头部冷却)进行冷却。因此可以以特别有效的方式利用绕内部转子式马达的壳体的表面的空气流或水流，因为非常长的长度可以用于冷却目的。另外，热绝缘的电子器件可以与马达轴向地结合成一体，所述电子器件的功率半导体同样借助于空气流或水流进行冷却，并且不受马达的功率损耗的影响或仅在很小程度上受马达的功率损耗的影响。
通过有效利用冷却以及转子及其轴承装置的特定构型，可以实现具有不太高的扭矩密度或低的扭矩重量比(Nm/kg)以及低的功率密度(kW/kg)的内部转子式马达。
在上述所有实施方式中，定子还可以设计成使得定子齿、特别是定子齿的磁极芯部由电绝缘件整体或区域性地覆盖或包围，该电绝缘件用于绕组相对于定子齿的电绝缘，其中，电绝缘件可以具有单部分或多部分的形式，并且该绝缘件的至少一个部分或区域或者整个绝缘件由具有大于1W/mK、优选地大于2.5W/mK的导热特性的材料形成。在此，电绝缘件可以具有两个绝缘体，所述两个绝缘体分别绕定子齿的一个端侧部接合，并且所述两个绝缘体特别在其面向绕组的侧部处具有用于绕组的线圈导线的通道。同样可以的是，特别地呈板状形式的、特别地固定且尺寸稳定的至少一个导热元件支承抵靠在磁极芯部的和/或极靴的至少一个纵向侧部上，该导热元件布置在分别绕一个端侧部接合的两个绝缘体之间、特别地布置在绝缘体的凹部中，其中，至少一个导热元件具有大于5W/mK、优选地大于10W/mK、特别优选地大于20W/mK的导热率，所述至少一个导热元件特别地基于陶瓷或碳化硅制造或由氮化硼复合材料制造，并且/或者导热元件具有比绝缘体的导热率大至少两倍、优选地大五倍的导热率。导热元件也可以直接支承抵靠在磁极芯部和/或极靴的侧表面的一部分或整个侧表面上，并且导热元件可以由陶瓷制造或基于陶瓷制造并且可以具有电绝缘特性和>10W/mK的导热率两者，导热元件特别优选地为氧化铝或氮化物陶瓷或由碳化硅或氮化硼构成。在此，电绝缘件或至少一个绝缘体同样可以通过定子齿借助于注射模制进行封装而形成、特别地通过至少磁极芯部借助于注射模制进行封装而形成，其中，灌封材料为热塑性塑料或热固性塑料，其中，热固性塑料具有特别地大于1W/mK、优选地大于5W/mK的导热率。在此，通过由注塑模制进行封装而形成的电绝缘件(200)可以具有至少一个窗口状孔口或带薄壁区域的凹部，以用于特别地以形状锁定的方式接纳至少一个导热元件，其中，导热元件侧向地布置在磁极芯部上、特别地支承抵靠在磁极芯部上，并且导热元件具有大于5W/mK的导热率，导热元件特别地由氮化硼制造。
在上述所有可能的实施方式中，有利的是，属于一个齿组的两个定子齿的磁极芯部之间的磁阻低于属于不同齿组的两个相邻的定子齿的磁极芯部之间的磁阻。
下面将基于附图对根据本发明的定子的可能的实施方式进行更详细地讨论。
在附图中：
图1a：示出了穿过根据一个可能的实施方式的内部转子的根据本发明的定子的横截面的一部分；
图1b：示出了根据图1a的具有壳体管的定子，并且其中示出了散热方向；
图2：示出了根据图1a的在中间元件中具有额外的导热装置的定子；
图2a示出了根据图2的具有分离的极靴和非均匀缠绕的邻近线圈的定子；
图3示出了根据本发明的具有外部定子的旋转场式机器的可能构型；
图4a：示出了根据本发明的定子齿的立体图，该定子齿具有两个端侧部绝缘体和轴向地布置在两个端侧部绝缘体之间的导热元件；
图4b：示出了在绝缘体区域中穿过根据图2a的定子齿的横截面图；
图4c和图4d：示出了绝缘体的侧视图；
图4e示出了穿过导热元件的侧视图和横截面图；
图5：示出了如图1b中的定子齿，然而其中，端侧部绝缘体以尽可能小的分离间隙覆盖定子齿的整个轴向长度，并且在每种情况下一起形成一个窗口状的凹部，以用于在至少一个磁极芯部纵向侧接纳导热元件；
图6：示出了根据本发明的具有通过借助于注射模制进行封装而形成的绝缘件的定子齿，该绝缘件在每个磁极芯部纵向侧形成两个凹部，以用于在每种情况下接纳一个导热元件；
图7：示出了根据本发明的具有绝缘件的定子齿，该绝缘件由包括具有良好导热性的材料的热固性塑料通过借助于注射模制进行封装而形成。
图1a示出了穿过根据一个可能的实施方式的内部转子的根据本发明的定子(S)的横截面的一部分，其中，热流方向借助于图1b中的箭头指示。
图1a示出了包括定子齿1的外部轭定子S的特定构型，其中，在每种情况下，两个相邻的定子齿1在每种情况下形成一个齿组ZGi。在此，齿组ZG在横截面上大体呈U形，其中，各个齿组ZGi彼此间隔开或相对于彼此保持就位，并且/或者可以借助于中间元件11彼此连接。
中间元件11具有增加冷却功率的任务，并且因此有利地由具有良好的导热性的材料构成。如果中间元件11由导电性材料构成，则中间元件11还必须相对于线圈5单独绝缘，这可以例如借助于元件12b实现。
借助于中间元件11，还可以通过使用轻金属(铝、镁)或具有优选良好的导热特性的塑料来减轻重量。此外，如果元件12b具有良好的导热性，也就是说，具有至少1W/mK、优选地>2.5W/mK的导热率，则热可以直接从线圈5径向地传导至中间元件11。这些中间元件11的优点在于，在此，可以使用下述材料，该材料相比于在标准情况下位于那里的定子叠片具有更好的导热性。因此，实现了线圈(S)和定子(ST)的损耗源的另外的平行热路径，而不是仅从线圈5至定子齿1然后从定子齿1至旋转场式机器的壳体。因此，励磁线圈的一般主要损耗首先沿周向方向消散至导热性中间元件并且然后从中间元件11径向向外排出。因此，首先，缩短了通向冷却环境的距离，并且传递表面面积显着扩大。但是，仅在中间件由具有良好的导热性的材料(例如镁或铝)形成的情况下，径向导热性才有意义，因为由具有比铁磁性齿显著更低的导热特性的塑料构成的中间元件11对导热没有贡献。
在此，每个定子齿1包括磁极芯部1b和一体形成的极靴1a，其中，齿组ZGi的定子齿1通过磁返回装置15彼此连接。在此，齿组的定子齿1可以由U形的定子叠片形成。线圈5借助于合适的绝缘件2、12a与定子齿1电绝缘，其中，绝缘件2或导热装置12a可以用于使热从线圈沿定子齿1的方向消散。绝缘和导热将基于图6及以下分别描述和说明。
定子齿1和磁返回件15由第一材料、特别是铁磁材料MA1制造。中间元件11由不同的第二材料MA2制造，该第二材料MA2特别地比第一材料MA1轻并且/或者具有更好的传导性。齿组的定子齿与其磁返回元件15一起形成U形轭，该U形轭形成磁路MF的一部分。
内部转子9例如配备有永磁体10。
图1b示出了与图1a中相同的定子结构，但是在此，出于说明散热的目的，示出了箭头S和ST。还示出了壳体管111，定子位于该壳体管111的内部侧。壳体管111优选地具有凹入区域111a，U形轭固定在所述凹入区域111a中，或替代性地，中间元件11固定在所述凹入区域111a中。在图1中未实施中间元件11位于壳体中的替代性布置。具有用于U形轭1a、1b、15或替代性地用于中间件11的凹入区域111a的这种壳体构型可以凭借首先将U形轭轴向地插入或推入并且此后将中间元件11压入而被用作安装辅助。安装顺序也可以不同。
图2示出了类似于图1a的结构，其中，主要区别在于，在中间元件11中插入有水型冷却回路(WK)或导热元件或热管(HP)。热管HP也可以由具有良好的导热性的模制元件、例如铜销或陶瓷销形成，借助于所述模制元件可以进一步提高关于中间元件的非铁磁基材料的导热特性。特别地，轴向导热借助于所述销进行优化，所述销可以有利地用于内部转子式马达的构型中以用于热分配。
替代性地，也可以使用呈经典热管形式的热管，该经典热管具有填充有工作介质(例如水或氨)的密封封装的体积。与使用诸如例如铜之类的实心销的情况相比，借助于热管可以将散热进一步提高多于100倍、特别地提高1000倍。
图2a示出了类似于图2的结构，其中，主要区别在于，极靴(1a)与定子(1b)分离，并且为了优化铜填充率的目的，邻近的线圈5a和5b非均匀地缠绕，例如，励磁线圈具有n层和(n+x)层，并且定子已经灌封。在图2a中，线圈5a为四层形式，而线圈5b为三层形式。因此，该实施方式有利于优化铜填充率，因为线圈可以根据缠绕形式被连续推动到一个没有极靴的定子上，其中，首先，将具有(n+x)层或楔形形状的励磁线圈推动到每个第二定子齿1b上，并且然后将具有(n)层的励磁线圈推动到每个第二相邻的轭齿上，使得在推进过程中与励磁线圈不产生接触。此外，定子齿1b在推进过程之前已经设置有绝缘件，如图4至图7中所说明和描述的。替代性地，线圈也可以缠绕在缠绕本体上，并且与缠绕本体一起被推动到齿上。
因此，每个齿组ZGi在每种情况下具有2个齿并且在每种情况下具有不同的线圈，所述不同的线圈分别具有n层和(n+x)层。为了防止补偿电流，这些线圈优选地彼此串联地电连接。然后仅在缠绕过程之后或线圈已经被推动到定子齿上之后，极靴才以形状锁定或非形状锁定的方式连接至定子。对于极靴与磁极芯部之间的连接技术，如果定子已经灌封并且由于灌封而为结构提供了额外的稳定性，那么也可以使用粘合剂粘结工艺。另外，灌封物V用于优化散热，因为因此填充了励磁线圈的线圈层之间的夹杂空气。
不言而喻，在图2和图2a中所示的实施方式中同样可以设置图1b中所示出和描述的壳体管111。
图3示出了根据本发明的具有图2或图2a的先前实施方式中的一个实施方式的外部定子S的旋转场式机器。转子轴18借助于轴承19a和19b安装在轴承承载件21上，该轴承承载件21进而被支承在旋转场式机器的壳体22、23上。罐形内部转子13进而旋转结合地紧固至转子轴18并且支承叠片式芯部14和永磁体10。罐形转子13具有筒形壁13a，该筒形壁13a一体地形成在径向延伸的基部壁13b上，该基部壁13b进而具有轴环13c，转子借助于该轴环13c旋转结合地连接至轴18。转子13和轴承承载件21的这种构型在转子与轴之间产生腔，并且与转子直接连接至轴的经典的内部转子式马达不同。选择该布置是为了使马达的重量最小化并使扭矩密度(扭矩密度的单位：Nm/kg)最大化。这是可能的是因为，如图2和图2a中所描述的，热以高效的方式从马达消散，或者定子具有高的铜填充率(图2a)，并且因此定子的结构非常小。以这种方式，产生力的永磁体也可以布置在大的半径处，从而对于给定的外径使扭矩最大化。借助于散热和大的力作用半径的组合，因此即使在使用很少的铜的情况下，也可以实现非常高的连续扭矩。
外部定子S例如借助于压配合连接以高度导热的方式连接至在图3中未示出的壳体管111，并且沿轴向与导热件26相邻地布置，该导热件26进而紧固至壳体23并且以高度导热的方式连接至壳体23。热从定子S经由壳体23经由导热路径A径向向外传导，并且从导热件23b经由热路径E径向向外传导。此外，由励磁线圈5产生的热除了径向热引导还经由热路径WF-B(定子冷却)和热路径WF-C(绕组头部冷却)轴向地消散。在此，在热路径WF-B的情况下，散热经由布置在外部定子S中的水型冷却回路WK发生和/或经由热管HP进行，如图2和图2a所示出并描述的。
另外，散热经由励磁线圈5的轴向端侧部、经由例如包括氮化硼或碳化硅的电绝缘的导热元件50发生，所述导热元件通过合适的方式比如说例如弹簧、止推螺栓等被强迫并压靠在一个、几个或所有励磁线圈5上，并且所述导热元件本身连接至定子承载件26并将吸收的热释放至定子承载件26，其中，这些形成热路径WF-C。
热路径WF-B和WF-C轴向地通入导热件26，其中，热路径WF-B比热路径WF-C更进一步地轴向通入导热件26。因此，两条热路径的热可以以有效的方式分配，并且可以将定子壳体23的流绕过的表面更有效地用于冷却目的。
在定子的另一侧，优选的情况是在线圈与壳体部分22之间没有热传递发生，而仅仅是3相旋转场式机器或替代性地6相旋转场式机器的相接触件通向电子ECU的情况。因此，壳体部分22优选地表现出差的导热性。这防止了电子ECU被电动马达加热。此外，壳体部分22构造成使马达的壳体部分23与ECU的壳体部分23a热绝缘。因此，马达热仅轻微加热ECU。
本身形成为例如冷却体的壳体(23、23a)可以附加地被冷却空气或冷却水流过。ECU直接布置在旋转场式机器上，在ECU的壳体中，检测轴18的旋转运动的传感器2s布置成相对于传感器目标20轴向地偏置，并且在ECU的壳体中还布置有具有功率半导体的功率电子器件27、相接触件27a和电路板27b。此外，ECU的功率半导体27直接连接至ECU壳体23a的外部的内壁，使得功率半导体的热沿短路径径向地传导以达到冷却目的。
定子和轴向ECU布置的创造性构型产生多个径向热路径A、E(电动马达)和D(ECU)，所述多个径向热路径A、E和D平行地偏置，由此，壳体的水型冷却和/或空气型冷却达到其最大效果，并且此外，ECU独立于马达被优化，因为ECU不受电动马达的加热影响或者受到电动马达的很小的加热影响。因此，可以在小的外径的情况下以低的重量实现最佳的扭矩输出。
此外，首先可以借助于定子中的轻质元件以及位于转子13与轴承管21之间的腔使马达或动力组(电动马达+ECU)的重量最小化，并且马达和电子器件二者的连续功率可以由于马达的最少加热而最大化。
同样，如果线圈另外被灌封并且轴承被密封，则马达可以在潮湿或湿的构型下操作，或可以暴露于环境影响下。通过ECU壳体(23a、23b)的对应构型，同样可以保护ECU免受环境影响。ECU的具有密封件的对应盖未示出。
壳体管111也可以形成壳体23。在上述实施方式的情况下，中间元件11和壳体管111同样可以形成为一件，也就是说，中间元件11一体地形成在壳体管111上。
图4a示出了根据本发明的以立体图图示的定子齿1的可能的实施方式，如在图1中所图示的定子齿1的情况下，该定子齿1在绕组头部上配备有绝缘体2，但区别在于，通常由卡普顿制造的常规使用的绝缘膜3已经被呈板形式的导热元件4代替。导热元件4具有高得多的导热率和高的电气介电强度。导热元件4可以由诸如例如陶瓷或陶瓷基材料之类的材料制造。因此，有利的情况是，在磁极芯部1b的每个纵向侧部L上布置至少一个导热元件4，其中，所述至少一个导热元件在尽可能大的面积上支承抵靠于磁极芯部1b，特别优选地支承抵靠于磁极芯部1b的整个纵向侧部L。因此，凹槽中的显著增加的导热性使得可以显著改善从励磁线圈5至定子齿1的冷却路径。
如在图4b中可以看到的，绝缘体2通过其内侧部在内侧部的整个面积上支承抵靠于磁极芯部1b，并且支承抵靠于磁极的磁返回部的区域、也就是磁极返回部1c和极靴1a的区域。
每个绝缘体具有端侧部区域2a，该端侧部区域2a在从磁极芯部1b到极靴1a的过渡区域中与凸缘状部分2b连结。在从磁极芯部1b至磁极返回部1c的过渡区域中，凸缘状部分2c同样支承抵靠在中央区域2a上。绝缘体2不仅支承抵靠在定子齿1的端侧部1上，而且绕所述端侧部侧向地接合，并且还通过其区域2d(图4c和4d)特别是在磁极芯部1b的区域中支承抵靠在定子齿的纵向侧部L的短的部分上。此外，区域2d在其位于磁极芯部1b的区域中的外表面上具有通道，所述通道用于引导励磁线圈的线圈导线的第一层。磁极芯部1b的区域与磁极返回部1c以及极靴1a一起形成用于接纳线圈导线或绕组的凹槽N。
图4e示出了根据本发明的导热元件4的可能的实施方式，该导热元件4形成为具有厚度D的矩形板。在此，厚度D应当有利地构造成比绝缘部分2的侧向突出部2d的厚度厚以确保导热元件4与线圈导线的内层直接接触。板连接元件4由具有高导热率(＞5W/mK)的材料构成，并且板连接元件4同时具有高的电绝缘能力。板连接元件4可以例如由氮化硼制造。
图5示出了根据本发明的在图4a至图4e中示出和描述的定子齿的另一种可能的优化可能性。在此，每种情况下，在定子齿1的两个绕组头部上布置一个绝缘体2，其中，绝缘体2除了具有电绝缘的功能和提高线圈缠绕能力的功能之外，还形成用于布置在磁极芯部1b的两个侧部上的导热元件4的保持装置。在此，导热元件4可以与根据图2a至图2f的实施方式中相同。
图6示出了根据本发明的定子齿1的另一种可能的实施方式，在该实施方式的情况下，电绝缘件200直接注射模制到定子芯部1b上。在此，在通过注射模制的封装过程期间，可以同时形成上部套环200b和下部套环200c以及具有用于改进导线引导的通道200a的凹槽基部。此外，在通过注射模制的封装过程期间，用于可以随后安置的导热元件4a的一个或更多个孔口200e借助于至少一个滑块保持畅通。替代性地，外部轮廓200a可以在通过注射模制的封装过程之后通过机加工而显露。
图7示出了定子齿注射模制封装的另一种变型，在该变型的情况下，绝缘体7、7a、7b、7c、7d在涉及热固性塑料的过程中直接注射模制到定子芯部1b上。用于定子的通过注射模制的封装的颗粒物已经包括了优化热引导所需的陶瓷添加剂。因此形成了在机械和热稳定性、电绝缘程度以及导热作用方面被优化的部件。
在图1a、图1b和图2的实施方式中，绝缘的导热元件4、4a沿着定子齿的轴向范围配装在线圈与定子之间，并且用于在定子的大约整个轴向长度上大幅度地改善线圈与定子之间的热传递。在定子齿1的绕组头部区域或端侧部S中，优选地设置有呈绝缘体2、20形式的导线引导且绝缘的塑料端部件，所述塑料端部件可以通过注射模制来安装或施加。在此，导热元件4、4a或者可以借助于绝缘体2、20以非形状锁定的方式定位，或者可以以形状锁定的方式连接至定子齿，使得尽可能实现非常小的间距和足够的稳定性。
替代性地，如图6中所图示和描述的，定子齿可以在涉及热塑性塑料的注射模制过程中用标准塑料通过注射模制而封装，并且沿着磁极芯部1b的侧表面的区域可以具有孔口，使得一个或更多个导热板4a或具有多个导热元件的复合概念件可以在随后的步骤中被引入该区域。
此外，如图7中所示，定子齿可以在涉及热固性塑料的注射模制过程中使用具有高的特定传导性的导热材料通过注射模制而完全封装，该导热材料例如是氮化硼热固性塑料材料。就加工技术而言，这比通过注射模制来封装整个定子要简单得多，因为可以使注射模具变得相当简单。此外，在此也不必重视提高强度的填充材料，而是可以选择仅高度导热且同时绝缘的材料。
在上述所有实施方式中，有利的是将定子灌封或浸渍，以尽可能完全消除铜导线之间的以及靠近导线的定子绝缘件处的夹杂空气，并且因此进一步优化励磁线圈与定子之间的热过渡。作为灌封材料，可以有利地使用具有可接受的导热特性、具有0.25W/mK-1W/mK的特定传导率的材料。具有中等导热特性的灌封材料总是甚至比空气好10倍，因为空气具有仅0.026W/mK的非常低的特定传导率。因此，通过使用灌封材料，可以大幅度地改善定子上的线圈层与绝缘箔之间的以及线圈层、例如第一线圈层和第二线圈层之间的过渡。

Claims (38)

1.一种具有内部转子的旋转场式机器的外部定子(S)，所述外部定子具有数目为N的定子齿(1)，所述数目为N的定子齿(1)一起形成数目为N/2的齿组，并且每个定子齿(1)在每种情况下具有一个磁极芯部(1b)和一个一体形成在所述磁极芯部(1b)上的极靴(1a)，其中，所述磁极芯部(1b)由第一材料(MA1)制造，并且在每种情况下，一个齿组由两个直接相邻布置的定子齿(1)形成，所述两个直接相邻布置的定子齿(1)与磁返回装置(15)一起作为磁路(MFi)的组成部分，其特征在于，在两个相邻的齿组的两个相邻的定子齿(1)之间，在每种情况下布置有至少一个中间元件(11)，所述中间元件(11)沿所述外部定子(S)的轴向方向延伸，并且所述中间元件(11)由第二材料(MA2)制造，并且所述第二材料(MA2)与所述磁极芯部(1b)的所述第一材料(MA1)不同，其中，所述第二材料(MA2)具有比所述第一材料(MA1)的密度ρ1小至少2倍的密度ρ2，并且所述第二材料(MA2)具有大于100W/mK的导热率λ2，所述第二材料(MA2)为铝或镁或者铝或镁的合金。
2.根据权利要求1所述的外部定子(S)，其特征在于，所述第二材料(MA2)具有比所述第一材料(MA1)的密度ρ1小至少3倍的密度ρ2。
3.根据权利要求1或2所述的外部定子(S)，其特征在于，所述磁返回装置(15)一体地形成在属于一个齿组的所述定子齿(1)的所述磁极芯部(1b)的避开所述极靴(1a)的端部(1e)上。
4.根据权利要求1或2所述的外部定子(S)，其特征在于，在励磁线圈(5)与所述定子齿(1)之间布置有至少一个导热装置，所述导热装置与所述中间元件(11)接触。
5.根据权利要求4所述的外部定子(S)，其特征在于，所述导热装置构造为模制件，使得相邻齿的所述励磁线圈的一个或更多个线圈层与所述模制件直接接触或与所述模制件具有小的间距，并且存在热连接。
6.根据权利要求5所述的外部定子(S)，其特征在于，用于从所述励磁线圈向外至散热的所述中间元件(11)的径向散热的所述导热装置具有大于5W/mK的导热率，并且所述导热装置由氧化铝或氮化物陶瓷或碳化硅或氮化硼制成。
7.根据权利要求1或2所述的外部定子(S)，其特征在于，在所述中间元件(11)中或所述中间元件(11)上，布置有呈水型冷却装置(WK)或热管(HP)的水通道形式的至少一个中间元件导热装置，所述中间元件导热装置沿所述外部定子(S)的轴向方向延伸并且用于轴向方向上的散热，其中，在使用热管的情况下，使用具有密封封装的体积的经典热管，所述密封封装的体积填充有工作介质。
8.根据权利要求1或2所述的外部定子(S)，其特征在于，所述中间元件(11)用于所述齿组的机械连接。
9.根据权利要求1或2所述的外部定子(S)，其特征在于，所述外部定子(S)布置在壳体管(111)中，并且/或者所述中间元件(11)一体地形成在所述壳体管(111)上或连接至所述壳体管(111)。
10.根据权利要求9所述的外部定子(S)，其特征在于，所述齿组位于所述壳体管(111)的孔口(111a)中，并且/或者所述中间元件(11)位于所述壳体管(111)的所述孔口中。
11.根据权利要求1或2所述的外部定子(S)，其特征在于，位于绕组凹槽(WN)中的励磁线圈(5)之间的空间用具有至少0.25W/mK的导热率的附加的灌封化合物(F)来灌封，使得在所述励磁线圈(5)的线圈导线之间不再有任何夹杂空气。
12.根据权利要求1或2所述的外部定子(S)，其特征在于，齿组的两个定子齿(1)由铁磁材料构成，并且齿组的两个定子齿(1)与所述磁返回装置(15)一起形成U形轭，所述磁返回装置(15)具有垂直于所述磁极芯部(1b)的磁方向的磁方向(MV)。
13.根据权利要求1或2所述的外部定子(S)，其特征在于，相邻的定子齿(1)支承以不同方式缠绕的励磁线圈(5)以优化铜填充率，其中，所述励磁线圈(5)在几何上定形状成使得所述励磁线圈在所述励磁线圈被推动到所述定子齿(1)上时和/或处于所述励磁线圈已经被推动到所述定子齿上的状态时彼此不产生接触。
14.根据权利要求1或2所述的外部定子，其特征在于，所述定子齿(1)具有纵向侧部和端侧部，并且所述定子齿(1)由电绝缘件整体地或区域性地覆盖或包围，所述电绝缘件用于励磁线圈(5)相对于所述定子齿(1)的电绝缘，其中，所述电绝缘件具有单部分或多部分的形式，并且所述电绝缘件的至少一个部分或区域或者整个所述电绝缘件由具有大于1W/mK的导热特性的材料形成。
15.根据权利要求14所述的外部定子，其特征在于，所述电绝缘件具有两个绝缘体，两个所述绝缘体分别绕一个端侧部接合，并且两个所述绝缘体在两个所述绝缘体的面向所述励磁线圈(5)的侧部处具有用于所述励磁线圈(5)的线圈导线的通道(R)。
16.根据权利要求15所述的外部定子，其特征在于，呈板状形式的固定且尺寸稳定的至少一个导热元件(4)支承抵靠在所述磁极芯部(1b)和/或所述极靴(1a)的至少一个纵向侧部上。
17.根据权利要求16所述的外部定子，其特征在于，所述导热元件(4)布置在分别绕一个端侧部接合的两个所述绝缘体之间，其中，所述导热元件(4)具有大于5W/mK的导热率，所述导热元件(4)基于陶瓷或碳化硅制造或由氮化硼复合材料制造，并且/或者所述导热元件(4)具有比所述绝缘体的导热率大至少2倍的导热率。
18.根据权利要求16或17所述的外部定子，其特征在于，所述导热元件(4)直接支承抵靠在所述磁极芯部(1b)的侧表面的一部分或所述磁极芯部(1b)的整个侧表面上，并且所述导热元件(4)由陶瓷制造或基于陶瓷制造，并且具有电绝缘特性和＞10W/mK的导热率两者，所述导热元件(4)为氧化铝或氮化物陶瓷或者由碳化硅或氮化硼构成。
19.根据权利要求14所述的外部定子，其特征在于，所述电绝缘件或至少一个绝缘体通过所述定子齿(1)借助于注射模制进行封装而形成，其中，灌封材料为热塑性塑料或热固性塑料，其中，所述热固性塑料具有大于1W/mK的导热率。
20.根据权利要求19所述的外部定子，其特征在于，由通过注射模制进行封装而形成的所述电绝缘件具有至少一个窗口状孔口(200e)或带薄壁区域的凹部，以用于以形状锁定的方式接纳至少一个导热元件(4)，其中，所述导热元件(4)侧向地布置在所述磁极芯部(1b)上、支承抵靠在所述磁极芯部(1b)上，并且所述导热元件(4)具有大于5W/mK的导热率，所述导热元件(4)由氮化硼制造。
21.根据权利要求20所述的外部定子(S)，其特征在于，所述电绝缘件和至少一个所述导热元件(4)在注射模制过程之前放入并且通过注射模制共同被封装。
22.根据权利要求1所述的外部定子(S)，其特征在于，所述第二材料(MA2)具有大于200W/mK的导热率λ2。
23.根据权利要求2所述的外部定子(S)，其特征在于，所述第二材料(MA2)具有比所述第一材料(MA1)的密度ρ1小5倍的密度ρ2。
24.根据权利要求7所述的外部定子(S)，其特征在于，所述工作介质为水或氨。
25.根据权利要求14所述的外部定子(S)，其特征在于，所述电绝缘件的至少一个部分或区域或者整个所述电绝缘件由具有大于2.5W/mK的导热特性的材料形成。
26.根据权利要求17所述的外部定子(S)，其特征在于，所述导热元件(4)布置在所述绝缘体的凹部(20e)中。
27.根据权利要求17所述的外部定子(S)，其特征在于，所述导热元件(4)具有大于10W/mK的导热率。
28.根据权利要求17所述的外部定子(S)，其特征在于，所述导热元件(4)具有大于20W/mK的导热率。
29.根据权利要求17所述的外部定子(S)，其特征在于，所述导热元件(4)具有比所述绝缘体的导热率大5倍的导热率。
30.根据权利要求19所述的外部定子(S)，其特征在于，所述电绝缘件或至少一个绝缘体通过至少所述磁极芯部(1b)借助于注射模制进行封装而形成。
31.根据权利要求19所述的外部定子(S)，其特征在于，所述热固性塑料具有大于5W/mK的导热率。
32.一种旋转场式机器，所述旋转场式机器具有根据前述权利要求中的任一项所述的外部定子(S)。
33.根据权利要求32所述的旋转场式机器，其特征在于，所述旋转场式机器具有罐形转子(13)，所述罐形转子(13)在所述罐形转子(13)的筒形壁(13a)上支承有外部定位的永磁体(14)，其中，转子轴(18)旋转结合地连接至所述罐形转子(13)，所述转子轴(18)延伸穿过基部壁(13b、13c)。
34.根据权利要求32或33所述的旋转场式机器，其特征在于，由励磁线圈(5)产生的热既沿轴向方向消散又沿径向方向消散。
35.根据权利要求32或33所述的旋转场式机器，其特征在于，在所述外部定子(S)与ECU之间布置有热绝缘部分(22)。
36.根据权利要求35所述的旋转场式机器，其特征在于，所述ECU和围绕所述外部定子(S)的壳体借助于灌封化合物被封围，并且/或者所述ECU布置在单独的壳体中，用于检测传感器目标的运动的传感器(2s)布置在所述ECU中。
37.根据权利要求36所述的旋转场式机器，其特征在于，热从所述外部定子(S)的消散不仅经由冷却体(26)沿轴向方向进行，而且通过所述外部定子(S)抵靠在围绕所述外部定子(S)的所述壳体上沿径向方向(A)进行，所述冷却体(26)径向布置在围绕所述外部定子(S)的所述壳体的内侧并将热消散至围绕所述外部定子(S)的所述壳体。
38.根据权利要求36或37所述的旋转场式机器，其特征在于，所述ECU的功率电子器件(27)将所述功率电子器件(27)的热消散至围绕所述外部定子(S)的所述壳体并且/或者消散至所述ECU的所述壳体。
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