CN112740519B - 用于制造旋转电机的绕组头装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生产旋转电机(2)的绕组头装置(24)的方法。为了给出相比现有技术能够更简单且低成本地生产的绕组头装置(24)，提出绕组头装置(24)具有至少一个至少局部由介电材料制成的绝缘基体(26、28)，其中，由金属材料制成的多个导体(30)分别经由至少一个中间层(36)与绝缘基体(26、28)连接，其中，中间层(36)由与介电材料和金属材料不同的材料制成，其中，借助于第一热喷涂方法将导体(30)喷涂到中间层(36)上。

Description

用于制造旋转电机的绕组头装置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造旋转电机的绕组头装置的方法。

本发明还涉及一种用于旋转电机的绕组头装置，该绕组头装置根据这种方法制造。

另外本发明还涉及用于旋转电机的定子，该定子具有引导磁场的定子元件和至少一个这种绕组头装置。

本发明还涉及具有至少一个这种定子的旋转电机。

背景技术

通常将一种必须以至少一兆瓦的功率驱动的旋转电机的定子绕组实施为成型线圈。例如借助于拉伸、浇铸或粉末冶金制成成型线圈。通过弯折和弯曲成型线圈的导体产生的绕组头位于成型线圈的末端。该绕组头需要巨大的轴向结构空间。由于绕组头附加的静止的导体长度产生了欧姆损失，该欧姆损失降低了旋转电机的效率。此外，必须冷却绕组头。需要附加的结构空间用于冷却。

尤其在快速运行的低极数电机中，由于绕组头扩大的轴承间距对转子动态性能起到负面作用。此外，由于大的导体长度，需要附加的复杂加固措施，以防止运行中不允许的振动和变形。此外，旋转电机的总长度和重量增加。特别地，在大型电机的模块化构造的情况下，由于绕组头而产生巨大的无用电气长度。

例如通过将铜导体弯折，使得其能够以合适的方式被放置在槽中，来以高耗费半自动化地制造成型线圈的绕组头。在高耗费的情况下手动完成相应的铜导体接下来的连接、连接位置的绝缘以及铜导体彼此的固定。原则上，仅能够在高耗费的情况下，例如使用不同的通过焊接连接的导体长度来实现在槽和绕组头中的不同的导体尺寸。

在齿线圈绕组的情况下，尤其在带状导线实施方式中，相邻的槽的间距能够小到等于绝缘的铜导体要遵守的弯折半径。

专利文献DE102009032882B3描述了用于制造电动机的分层绕组的成型线圈的方法以及借助于所述方法制造的成型线圈。为了简化成型线圈的制造，将原始线圈制成成型线圈，其中，原始线圈具有两个设置用于放在电动机的定子或转子的槽中的纵向侧。原始线圈具有两个设置用于分别形成成型线圈的绕组头的绕组头侧，其中，纵向侧弯折90°，以便将纵向侧放入槽中，并且使纵向侧的绕组头侧弯曲。

专利文献EP1742330B1描述了涡轮发电机的定子部分的定子绕组头。定子绕组头形成为中部有用于执行转子的缺口的圆盘状，其中，该圆盘具有绝缘基体，用于接触定子导体的电连接集成在该绝缘基体中。该接触被制造为插接连接和/或具有镀通孔的形式。

公开文本EP3297131A1描述了旋转电机的定子，该定子具有带有线圈杆的定子叠片组和带有绝缘基体的至少一个定子绕组头板。为了减小定子的轴向长度，提出将导体轨道集成在绝缘基体中，其中，至少一个定子绕组头板位于定子叠片组的端侧上，并且其中，导体轨道与线圈杆材料配合地连接。

公开文本EP3364524A1描述了旋转电机的定子，该定子具有带有线圈杆的定子叠片组和至少一个绕组头板，其中，至少一个绕组头板位于定子叠片组的端侧上，其中，绕组头板具有带有第一介电材料制成的基体，其中，导体轨道集成在与线圈杆连接的绕组头板中，其中，绕组头板具有带有第二介电材料的区域和/或带有第三介电材料的区域，其中，第二介电材料和/或第三介电材料分别具有比第一介电材料更高的导热性和/或更高的击穿强度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于制造旋转电机的绕组头装置的方法，该方法相比于现有技术更简单并且更加低成本。

根据本发明，该目的通过用于制造带有至少一个绝缘基体的旋转电机的绕组头装置的方法解决，该绝缘基体至少部分地由介电材料制成，其中，由金属材料制成的多个导体分别经由至少一个中间层与绝缘基体连接，其中，中间层由与介电材料和金属材料不同的材料制成，其中，借助于第一热学喷涂方法，尤其借助于冷气喷涂将导体喷涂到中间层上，其中，中间层由银、铝、锑、镁、锡、锌、铅、钽或其混合物和/或其至少一种合金制成。

此外，根据本发明，该目的通过旋转电机的绕组头装置解决，该绕组头装置根据这样的方法制造，其中，该绕组头装置具有至少一个至少部分由介电材料制造的绝缘基体，其中，由金属材料制成的多个导体分别经由至少一个中间层与绝缘基体连接，其中，中间层由与介电材料和金属材料不同的材料制成，其中，借助于第一热学喷涂方法将导体喷涂到中间层上，其中，中间层由银、铝、锑、镁、锡、锌、铅、钽或由其混合物和/或由其至少一种合金制成。

此外，根据本发明，该目的通过旋转电机的定子来解决，该定子具有引导磁场的定子元件和至少一个这种绕组头装置。

此外，根据本发明，该目的通过具有至少一个这种定子的旋转电机来解决。

根据该方法实施的优点和优选设计方案能够用于绕组头装置、定子和旋转电机。

本发明基于一种考虑，即通过将金属固体颗粒、所谓的喷涂颗粒喷涂到绝缘基体上，经由中间层制成绕组头装置的导体，通过使用热学喷涂方法来优化对绕组头装置的制造。通过喷涂喷涂颗粒形成紧密且固定附着的层。热学喷涂方法例如为电弧喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂或冷气喷涂。喷涂颗粒例如包含铜，而绝缘基体由介电材料(例如合成材料或陶瓷材料)制成。替代地，绝缘基体具有例如导电的基板，该基板至少在导体的区域中涂覆有由介电材料(例如合成材料或陶瓷材料)制成的绝缘层。

但为了避免对绝缘基体的损坏，在其上布置有由与介电材料和金属材料不同的材料制成的中间层，将喷涂颗粒喷涂到该中间层上。中间层与绝缘基体的介电材料连接，并且由银(Ag)、铝、锑、镁、锡、锌、铅、钽或由其混合物和/或由其至少一种合金制成。借助热学喷涂方法，相比于其他增材制造方法，能够在在短时间内并且几何上非常灵活地制造厚层，例如在几毫米范围和几厘米范围中的厚层。通过热学喷涂方法，制造过程更简单，成本更低。

在一个优选的实施方式中，借助于冷气喷涂将导体喷涂到中间层上。冷气喷涂为热学喷涂方法，其中，喷涂颗粒被加速到很高的速度，使得相比于其他热学喷涂方法，即使在没有提前熔融或熔化的情况下在碰撞基底时也形成紧密和固定附着的层。由于借助于冷气喷涂涂覆的材料未熔化，而是通过其动能而变形，相比于其他热学喷涂方法，中间层和非导电基体仅承受很低的温度。

在一个优选设计方案中，中间层至少经由形状配合的连接与绝缘基体连接。通过尤其附加的形状配合的连接保护绕组头装置免受例如外界的热和/或机械形式的影响。

在另一有利的设计方案中，借助于第二热学喷涂方法，尤其借助于冷气喷涂将中间层喷涂到绝缘基体上，其中，第二热学喷涂方法与第一热学喷涂方法不同。导体的金属材料具有尽可能高的导电能力，而中间层的材料适合用于构造成非导电基体与相应的导体之间以机械和热学方式的稳定的连接。特别地，于是优化第二热学喷涂方法，将中间层小心地施加在非导电基体上。此外，以热学喷涂方法喷涂中间层上，以便实现通常并且统一的制造方法。

在另一有利的设计方案中，第二热学喷涂方法在速度和/或颗粒大小方面与第一热学喷涂方法不同。例如在使用软材料(例如锌)时需要极小的动能，因此在固体颗粒在碰撞时形成紧密、固定附着的层。由此避免非导电基体的损坏。

特别有利地，将中间层至少部分地布置在绝缘基体的槽中。通过在槽中的布置，粗略地保护中间层免受外部影响。

在另一个有利的设计方案中，绝缘基体的槽具有轮廓，经由该轮廓建立形状配合的连接。轮廓例如设计为锤头状或燕尾状。通过轮廓稳定形状配合的连接。

在一个有利的设计方案中，在另一个步骤中施加电绝缘。通过电绝缘防止例如导体之间的短路。

特别有利地将冷却通道布置在绝缘基体中。在运行期间将导体中产生的热量排出的冷却液穿过冷却通道流动用于冷却。尤其在使用具有低导热性的绝缘基体时必须经由冷却通道冷却导体。

在另一有利的设计方案中，将导体布置在至少两个尤其在轴向方上依次布置的平面中。通过在平面中的布置，减少了绕组头装置所需的结构空间。

特别有利地，至少两个平面的导体经由连接元件彼此连接。连接元件例如为与第一平面的导体和第二平面的导体不可松脱地连接的导体元件。通过这种连接元件，即使在机械和/或热学方面高要求的情况下绕组头装置也是稳定的。

在另一个有利的设计方案中，使用击穿强度至少为10KV/mm的介电材料。这种介电材料例如为热塑性合成材料，如可选地包含云母的有机玻璃和聚氯乙烯、玻璃纤维加强的环氧树脂，或陶瓷材料，如氧化铝。通过具有这种高击穿强度的材料，能够减小导体之间距离并且降低绕组头装置的空间需求。

特别有利地，使用导电能力和/或稳定性高于中间层的材料的金属材料。例如，中间层包含锌，使用铜或铜合金作为金属材料。通过这种材料能够实现简单并且低成本地制造具有高电流承受能力和高机械稳定性的绕组头装置。

附图说明

下面根据附图中所示实施例详细说明和描述了本发明。在此示出：

图1是旋转电机的纵向截面，

图2是旋转电机的绕组头装置的三维示图，

图3是绕组头装置的第一实施方式的放大的横截面，

图4是绕组头装置的导体的横截面，

图5是用于制造绕组头装置的方法的示意图，

图6是绕组头装置的第二实施方式的放大的横截面，

图7是绕组头装置的第三实施方式的放大的横截面。

具体实施方式

下面解释的实施例是本发明的优选的实施方式，在这些实施例中，所描述的实施方式的部件分别表示本发明的各个彼此独立地考虑特征，这些特征也彼此独立地扩展本发明并且也单独地或者以所示组合以外的组合被视为本发明的组成部分。此外，所描述的实施例还能够通过本发明的其他已经描述的特征来补充。

相同的附图标记在不同的附图中表示相同的含义。

图1示出例如实施为同步电机实施的旋转电机2的纵向截面。同步电机具有围绕旋转轴4可旋转的、例如可实施为凸极转子的转子6和围绕转子6的定子8。尤其实施为气隙的间隙10位于转子6与定子8之间。旋转轴4限定轴向方向、径向方向和圆周方向。转子6包括轴12和具有励磁绕组的凸极14。替代地，转子6具有永磁体或鼠笼。

定子8包括引导磁场、尤其限制涡流的例如设计为叠片组的定子元件18和定子绕组20。定子绕组20包括例如由铜制成，并且在轴向方向穿过引导磁场的定子元件18延伸的线圈杆22。线圈杆22的轴向端部分别与绕组头装置24连接。出于概览的原因，未示出定子绕组20例如在接线盒处的端子。

图2示出旋转电机2的绕组头装置24的三维示图。绕组头装置24例如包括两个在轴向方向依次布置的，分别具有绝缘基体26、28的平面E1、E2。绕组头装置24设置用于双层绕组。绝缘基体26、28基本上具有空心圆柱体形状，并由介电材料(例如击穿强度至少为10KV/mm的合成材料或陶瓷材料)制成。每个平面与多个导体30相关联，其中，导体30与相应的绝缘基体26、28连接。导体30例如具有矩形或方形的导体横截面，并且由具有导电能力至少为50MS/m的金属材料(特别是铜)制成。金属的连接部段32布置在导体30处，以建立导体30与相应的线圈杆22的连接。此外，相应的平面E1、E2的导体30经由导电的连接元件34连接。连接元件34例如由铜制成。图2中绕组头装置24的另一个设计方案对应于图1。

图3示出绕组头装置24的第一实施方式的放大的横截面。每个导体30经由至少一个中间层36与相应的绝缘基体26、28连接，其中，中间层36形成导体基础，并且经由形状配合的连接与相应的绝缘基体26、28连接。中间层36由与相应的绝缘基体26、28的介电材料和导体30的金属材料不同的材料制成。中间层36例如由银、铝、锑、镁、锡、锌、铅、钽或由其混合物和/或由其至少一种合金制成。可选地，中间层36具有附加的填充材料，例如陶瓷材料。

导体30由能导电的固体颗粒借助于热学喷涂方法，尤其借助于冷气喷涂喷涂制成。导电固体颗粒例如包含铜，其中,借助于第一热学喷涂方法获得至少50MS/m的导电能力。

中间层36同样由能导电的固体颗粒借助于第二热学喷涂方法，尤其借助于冷气喷涂喷涂到绝缘基体26、28上来制成，其中,第二热学喷涂方法与第一热学喷涂方法不同,特别地，第二热学喷涂方法与第一热学喷涂方法在使用的颗粒种类、颗粒速度和/或颗粒大小方面不同。替代地，中间层36通过另一种方法，例如浇铸或电镀方法制成。图3中绕组头装置24的另一个设计方案对应于图2。

图4示出绕组头装置24的导体30的横截面，其中，每个导体30经由中间层36与绝缘基体26连接。中间层36分别布置在绝缘基体26的槽38中。槽38具有轮廓40，经由该轮廓建立与绝缘基体26形状配合的连接。特别地，槽38构造为向外渐缩，以保证相应中间层36与绝缘基体26形状配合的连接。例如将槽38实施为锤头槽或燕尾槽。图4中绕组头装置24的另一个设计方案对应于图3。

图5示出用于制造绕组头装置24的方法的示意图，其中，首先提供了由介电材料制成具有槽38的绝缘基体26。槽具有轮廓40，通过该轮廓产生绝缘基体26的介电材料的过渡，例如在槽38的开口的区域中。

在另一个步骤中，将中间层36布置在基本上与绝缘基体26的表面42齐平地封闭的槽中。借助于第二热学喷涂方法，尤其借助于冷气喷涂将中间层36喷涂到绝缘基体26上。为了在虽然有轮廓40的情况下均匀地填充槽38，将第二热学喷涂方法的颗粒从不同方向喷射到相应的槽38中。替代地，以其他方式，例如通过浇铸或通过电镀方法将中间层36引入到槽38中。

在另一个步骤中，借助于第一热学喷涂方法，尤其借助于冷气喷涂将导体30喷涂到中间层36上。尤其在使用借助于冷气喷涂来喷涂到中间层36上的铜颗粒的情况下，中间层36能够实现更好的附着和更大的颗粒密度，因为能够以比喷涂到绝缘基体26上更快的速度将颗粒喷涂到中间层36上。除了改进的稳定性以外，在对于导体30使用中间层36时得到更大的导电性。在未在图5示出的另一个步骤中，将电绝缘至少施加在导体30上。图5中绕组头装置24的另一个设计方案对应于图4。

图6示出绕组头装置24的第二实施方式的放大的横截面。每个导体30在两侧经由中间层36与绝缘基体26连接，其中，绝缘基体26的相应的侧与相应的中间层36和与之连接的导体30形成平面E1、E2。平面E1、E2的导体30经由例如由铜制成的导电连接元件34彼此连接。此外，绕组头装置24具有至少一个冷却通道46，以便通过穿过至少一个冷却通道46流动的冷却液流在两侧冷却绕组头装置24的流体流经的导体30。例如将至少一个冷却通道46沿轴向方向布置。替代地或附加地，将至少一个冷却通道46至少部分地沿径向方向布置。能够使用空气、工艺气体、水、油或其他液体和/或气体冷却介质作为冷却液。图6中绕组头装置24的另一个设计方案对应于图5。

图7示出绕组头装置24的第三实施方式的放大的横截面，其包括两个沿轴向方向依次布置的、分别具有绝缘基体26、28的平面E1、E2。绝缘基体26、28具有冷却通道46，其中，第一绝缘基体26的至少一个冷却通道46与第二绝缘基体28的至少一个冷却通道46以流体技术的方式连接。图7中绕组头装置24的另一个设计方案对应于图6。

综上所述，本发明涉及一种用于制造旋转电机2的绕组头装置24的方法。为了给出相比现有技术能够更简单且低成本地制造的绕组头装置24，提出绕组头装置24具有至少一个至少局部由介电材料制成的绝缘基体26、28，其中，由金属材料制成的多个导体30分别经由至少一个中间层36与绝缘基体26、28连接，其中，中间层36由与介电材料和金属材料不同的材料制成，其中，借助于第一热学喷涂方法将导体30喷涂到中间层36上。

Claims (20)

1.一种用于制造旋转电机（2）的绕组头装置（24）的方法，所述旋转电机具有至少一个绝缘基体（26、28），所述绝缘基体至少部分由介电材料制成，其中，由金属材料制成的多个导体（30）分别经由至少一个中间层（36）与所述绝缘基体（26、28）连接，其中，所述中间层（36）由与所述介电材料和所述金属材料不同的材料制成，其中，借助于第一热学喷涂方法将所述导体（30）喷涂到所述中间层（36）上，

其特征在于，

所述中间层（36）由银、铝、锑、镁、锡、锌、铅、钽或它们的混合物和/或它们的至少一种合金制成。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，借助于冷气喷涂将所述导体（30）喷涂到所述中间层（36）上。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述中间层（36）至少经由形状配合的连接与所述绝缘基体（26、28）连接。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，借助于第二热学喷涂方法将所述中间层（36）喷涂到所述绝缘基体（26、28）上，其中，所述第二热学喷涂方法与所述第一热学喷涂方法不同。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二热学喷涂方法与所述第一热学喷涂方法在颗粒的速度和/或大小方面不同。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述中间层（36）至少部分地布置在所述绝缘基体（26、28）的槽（38）中。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述绝缘基体（26）的槽（38）具有轮廓（40），经由所述轮廓建立形状配合的连接。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在另一个步骤中安装电绝缘。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，冷却通道（40）布置在所述绝缘基体（26）中。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述导体（30）布置在至少两个依次布置的平面（E1、E2）中。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，至少两个所述平面（E1、E2）的所述导体（30）经由连接元件（34）彼此连接。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用击穿强度至少为10KV/mm的介电材料。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用与所述中间层（36）的材料相比导电能力更高和/或强度更高的金属材料。

14.根据权利要求4所述的方法，其中，借助于冷气喷涂将所述中间层（36）喷涂到所述绝缘基体（26、28）上。

15.根据权利要求10所述的方法, 所述导体（30）布置在至少两个在轴向方向上依次布置的平面（E1、E2）中。

16.一种用于旋转电机（2）的绕组头装置（4），所述绕组头装置根据前述权利要求中任一项所述的方法制造，

其中，所述绕组头装置（4）具有至少一个绝缘基体（26、28），所述绝缘基体至少局部由介电材料制成，

其中，由金属材料制成的多个导体（30）分别经由至少一个中间层（36）与所述绝缘基体（26、28）连接，

其中，所述中间层（36）由与所述介电材料和所述金属材料不同的材料制成，

其中，借助于第一热学喷涂方法将所述导体（30）喷涂到所述中间层（36）上，

其中，所述中间层（36）由银、铝、锑、镁、锡、锌、铅、钽或它们的混合物和/或它们的至少一种合金制成。

17.一种用于旋转电机（2）的定子（8），所述定子具有引导磁场的定子元件（18）和至少一个根据权利要求16所述的绕组头装置（24）。

18.根据权利要求17所述的定子（8），具有线圈杆（22），所述线圈杆布置成至少部分在所述引导磁场的定子元件（18）中延伸并且与所述绕组头装置（24）的所述导体（30）连接。

19.根据权利要求18所述的定子（8），其中，所述导体（30）布置为基本上垂直于所述线圈杆（22）。

20.一种旋转电机（2），具有至少一个根据权利要求17至19任一项所述的定子（8）。