CN113557649A - 用于电机的电工钢片和用于电工钢片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
为了实现电机的热源和吸热件之间的热传输，提供一种用于电机的电工钢片，其中，所述电工钢片具有两个由铁磁的材料制成的板(1、2)，所述板彼此平行地并且彼此间隔距离(5)地布置。所述板(1、2)在此在所述板的相应边缘处环绕地流体密封地相互连接。流体(5)位于两个板之间的通过所述距离(5)形成的内部空间中。
Description
本发明涉及一种用于电机的电工钢片以及用于制造这种电工钢片的方法。此外，本发明涉及一种用于电机的叠片组和机器部件。
在电机的绕组中、对于电动机或发电机的情况在电磁体的绕组中，在电机运行时产生热量。在已知的电机中，所述热量例如排放到冷却元件上。在不同的电机、例如电动机或者发电机中，绕组可以与电机的由电工钢片制造的机器部件接触，所述机器部件例如是机器的定子或者转子。由于这些机器部件所需的磁性特性，这些机器部件通常由具有相对较低的导热性的材料、尤其是铁磁的材料制造。因此，由绕组产生的热量的运出可能受到限制，电机的相应的冷却可能在其效率方面相应地是有限的。
因此本发明所要解决的技术问题在于，提供一种针对用于电机的电工钢片的改进的方案，其能够改善从电机的热源向电机的吸热件的热传输。
按照本发明，所述技术问题通过按照独立权利要求所述的电工钢片、叠片组、机器部件以及方法解决。有利的设计方案和扩展设计是从属权利要求的技术方案。
改进的方案基于的构思是，在双壁式的电工钢片中设置内部空间，所述内部空间由流体填充，以便改善整个电工钢片的导热性。
按照改进的方案的第一方面提供一种用于电机的电工钢片，其中，所述电工钢片具有两个由铁磁的材料制成的板，所述板彼此平行地并且彼此间隔距离地布置。板在此在所述板的相应边缘处环绕地流体密封地、尤其是液体和气体密封地相互连接。流体位于两个板之间的通过所述距离形成的内部空间、尤其是空腔中。
通过板在其边缘处的环绕连接，在边缘处完全流体密封地封闭了板之间的距离。空腔或者内部空间尤其是相对于电工钢片的周围环境完全流体密封地封闭。
板在其边缘处的相互连接尤其是材料接合的连接，例如在两个板之间在所述板的边缘上存在一个或者多个边缘结构，所述边缘结构分别材料接合地既与第一板也与第二板连接。
铁磁的材料例如可以包含钢、铁、铁合金、尤其是铁硅合金，或者适用于电工钢片的其它金属合金。
两个板例如是完全一致(或者说全等)的或者基本上完全一致的，从而所述两个板的边缘相互叠置或者基本上相互叠置。
流体例如可以包含液体和/或气体。所述流体例如可以包含水和/或水蒸气。
所述流体尤其在内部空间中的给定的条件下、尤其是在内部空间中的给定的内部压力下，在第一温度中呈气态并且在第二温度中呈液态，所述第一温度例如与热源、例如电机的绕组在电机运行时的温度对应，所述第二温度例如是吸热件、例如电机的冷却元件的温度。
因此有利地，如果流体位于内部空间的具有升高的温度的第一区域、例如热源附近的第一区域中，则所述流体能够蒸发并且在此从其周围环境中以热量的形式吸收能量。流体随即例如可以在气相中、即尤其是作为蒸汽流入电工钢片的第二区域中，所述电工钢片在所述第二区域中例如通过吸热件冷却。流体可以与之对应地在第二区域中冷凝并且将之前吸收的热量重新排放，例如排放给吸热件。冷凝的流体随即例如可以流回或者流入第一区域中。
通过电工钢片的按照改善的方案的结构、尤其是具有流体的内部空间，能够作为整体系统决定性地改善电工钢片的导热性。为此，改进的方案利用例如也可以用作热管的实施方式的基础的物理原理。换言之，电工钢片本身是一种热管。
用于传统的电工钢片的典型的材料、例如钢铁具有相对较差的导热性，对于铁而言例如为20至80W/(K*m)，而对于按照改进的方案的电工钢片也已证明能够达到超过1000W/(K*m)的值。
因此能够实现明显提高的热交换率。这使得能够显著提高电机的电功率，而不会超过机器中的在放热方面可能允许的极限值。而在功率相同的情况下，电机能够更紧凑、更小、尤其是更短地设计和构造。由此使机器更轻并且能够节省制造成本。
按照电工钢片的至少一种实施方式，板具有环形的形状、尤其是基本形状。
按照至少一种实施方式，电工钢片的内部空间中的压力小于所述电工钢片的环境压力、尤其是环境空气压力。
换言之，在电工钢片的内部空间中存在负压、例如真空。
内部空间中的压力的值尤其与流体的沸点和在电机运行时的相应的运行温度、即热源和吸热件的温度协调适配。内部空间中的压力尤其这样选择，使得流体在热源的典型温度中呈气态并且在吸热件的典型温度中呈液态。
在不同实施方式中，内部空间中的压力小于或者等于500hPa、尤其是小于或者等于100hPa、例如小于或者等于50hPa。内部空间中的压力尤其处于10至100hPa的范围中、尤其是50hPa或者约50hPa。
通过相对于环境压力、尤其是相对于标准气压降低内部空间中的压力，能够实现流体的更低的沸点，这即使在热源的绝对温度更低时也能够实现有效的冷却。另一个优点为，能够使用水作为流体。
按照至少一种实施方式，电工钢片在内部空间中具有一个或者多个支撑结构，所述支撑结构支撑所述板，以确保所述距离。
板尤其置放在支撑结构上，从而使所述板得到支撑。
在不同的实施方式中，所述结构材料接合地与至少一个板、尤其是两个板连接。
在不同的实施方式中，支撑结构由与所述板相同的材料制成或者具有该材料。
通过支撑结构实现了，使得能够尤其是在不会产生板变形的风险的情况下将电工钢片的内部空间中的压力选择得特别低。支撑结构的另一优点为，支撑结构的布局和/或形状或者表面结构能够辅助流体的运送、尤其是当流体处于液态的状态时辅助流体的运送。支撑结构的表面、尤其是多孔的或者粗糙的表面在此能够由于出现的聚结力、附着力和/或毛细力如毛细系统那样有效地作用或者如灯芯那样将液态的流体从第二区域运送回第一区域。
然而根据支撑结构的布局和形状，也可以将结构之间的间隙选择为这样小，使得所述间隙作为毛细系统起作用。由此实现了更高效的冷却或者更高效的热量运出，因为能够更快地并且更可靠地在热源处提供液态的流体。
按照至少一种实施方式，内部空间这样设计，使得当流体处于气态的状态中时，所述流体能够从内部空间的第一区域向所述内部空间的第二区域流动。
第一区域朝向热源、例如电机的绕组。例如可以使电工钢片的与内部空间的第一区域对应或者对置的外壁与热源接触。
尤其能够通过内部空间的设计、尤其是支撑结构的形状和布局定义一条通道或者多条通道或者由多条通道构成的网，气态的、尤其是蒸发的流体能够沿着所述一条通道或者多条通道或者由多条通道构成的网移动。
在流体通过蒸发从热源吸收热量之后，在这些实施方式中能够特别好地运出并且向第二区域运输所述热量。
在不同的实施方式中，内部空间至少局部是空心的。
在不同实施方式中，第一和第二区域通过通道和/或空腔相互连接。支撑结构尤其这样布置，使得所述支撑结构不会完全地阻断第一区域和第二区域之间的用于气态的流体的流动路径。
在不同的实施方式中，内部空间这样设计，使得当流体处于液态的状态中时，所述流体能够从第二区域向第一区域流动。
在不同的实施方式中，液态的流体从第二区域向第一区域的流动通过内部空间中的表面粗糙度、尤其是内部空间中的板的表面粗糙度和/或支撑结构的表面粗糙度和/或通过毛细系统、尤其是附加的毛细系统辅助。
按照至少一种所述方式，电工钢片在内部空间中包含毛细系统，所述毛细系统布置在第一和第二区域之间。
术语“毛细系统”在此理解为，其具有结构或者元件，处于液态的状态中的流体针对所述结构或者元件显示出毛细效应。尤其并非一定将术语“毛细系统”理解为由小管或类似结构构成的系统。
通过毛细系统能够辅助处于液态的状态中的流体从第二区域向第一区域的流动。由此能够在第一区域中提供或者更快地提供更多的液体以用于吸收热量，这实现了更高效的或者更有效的冷却。
在不同实施方式中，毛细系统包含金属网或者多孔的、填充到内部空间中的材料。
在电工钢片的不同的实施方式中，流体包含水或者由水构成。
由于水的可供使用性、低成本和无害性，水的使用是有利的。此外在使用水的情况下能够在技术上顺利地实现内部空间中的有利的压力。
按照至少一种所述方式，所述板环形地设计并且具有用于容纳电机的导体绕组的槽。
在此，环形不必精确地按照数学的意义理解，尤其不必理解为精确地呈圆环形。环形例如可以理解为，板具有两个同中心的边缘、尤其是内边缘和外边缘，并且例如转动对称地或者旋转对称地设计。
板例如可以具有圆形的内边缘或者外边缘。
用于容纳导体绕组的槽例如可以在内部或者外部形成于板上、尤其是形成于板的内边缘或者外边缘上。
内部和外部在此可以理解为径向的说明，而不是以电工钢片的内部空间为参照。
内部空间的第一区域例如与电工钢片的在其上形成有槽的区域对应。
这样设计的电工钢片例如可以用于电机的定子或者转子的叠片组。
按照至少一种实施方式，用电绝缘的材料涂覆、尤其是完全涂覆电工钢片的外表面。
通过电绝缘的涂层能够在堆叠(或者说叠置)的片材或者叠片组中避免或者减少涡流。
按照改进的方案的另一独立的方面，提供了一种用于电机的叠片组，所述叠片组包含相互堆叠的电工钢片。所述电工钢片中的至少一个电工钢片按照改进的方案设计。
叠片组例如可以具有由多个、尤其是几十个至几百个电工钢片构成的堆叠结构。每个电工钢片在此都可以按照改进的方案设计。备选地，确定份额的电工钢片按照改进的方案设计。根据改进的方案设计的电工钢片例如可以间隔均匀的距离地布置在片材堆叠结构内。
按照改进的方案的另一独立的方面提供了一种用于电机的机器部件、尤其是定子装置或者转子装置。机器部件具有按照改进的方案的电工钢片、尤其是叠片组。机器部件还具有冷却元件，所述冷却元件与电工钢片连接，从而能够在电工钢片和冷却元件之间发生热交换。
冷却元件例如可以设计为冷却套，所述冷却套例如在电工钢片的径向外侧包围片材堆叠结构。
冷却元件、尤其是冷却套例如可以设计用于液体冷却或者水冷。
按照改进的方案的另一独立的方面，也提供一种电机、尤其是发电机或者电动机。所述电机具有按照改进的方案的机器部件。
按照改进的方案的另一独立的方面，提供一种用于制造用于电机的电工钢片的方法。按照所述方法，由铁磁的材料增材地、即通过使用一个或者多个用于增材制造的步骤或者用于增材制造的方法制造第一板。之后沿着第一板的边缘增材地制造与所述第一板流体密封地连接的边缘结构。之后由铁磁的材料、尤其是与第一板相同的铁磁的材料增材地制造第二板，其中，增材制造这样进行，使得第二板与边缘结构沿着所述第二板的边缘流体密封地连接。按照所述方法，将流体置入两个板之间的内部空间中。
板和边缘结构的制造例如这样进行，使得在两个板之间存在距离。所述距离例如通过边缘结构的高度定义。
边缘结构可以根据板的形状和所述板的边缘例如设计为连续的边缘结构或者包含两个或者多个在空间上分开的边缘结构。
通过使用增材的制造方法步骤使得能够高效地或者成本低廉地制造电工钢片。此外，增材制造允许制造具有下述厚度的板，所述厚度比轧制的片材的厚度或者最小厚度小多倍。板的厚度例如可以处于50μm至200μm之间、尤其是100μm至150μm之间的范围内。借助轧制工艺通常无法达到小于0.3mm的厚度。
通过增材地制造边缘结构和板，有利地不需要其它的、即除了用于增材制造的步骤之外的、用于将两个板相互连接的连接步骤。
按照方法的至少一种设计方案，在第一和第二板之间增材地制造支撑结构，以便确保板之间的距离。
支撑结构例如可以与边缘结构共同地、尤其是在共同的制造步骤期间制造。
因此支撑结构以及边缘结构和片材能够有利地在不需要附加的连接步骤的情况下增材地制造。
按照不同的设计方案，借助丝网印刷法或者模板印刷法在使用共同的掩膜或者共同的模板或者共同的丝网的情况下制造支撑结构和边缘结构。
所述丝网印刷或者模板印刷法尤其是用于进行三维的增材制造的丝网印刷法或者模板印刷法。
借助丝网印刷法或者模板印刷法的制造特别好地适用于制造具有封闭的空腔的物品、例如按照改进的方案的电工钢片。
所述方法的这些设计方案允许特别高效地、快速地并且成本低廉地制造电工钢片，因为板的连接和支撑结构的制造能够在共同的步骤中实现。
按照至少一种实施方式，尤其是在制造第二板之前开设用于辅助流体的运送的毛细结构。
构成毛细系统的毛细结构例如可以被填充或者同样增材地制造，例如与支撑结构和/或边缘结构共同增材地制造。
按照至少一种设计方案，板借助丝网印刷法或者模板印刷法制造，其中，尤其是为两个板使用共同的另外的掩膜或者另外的模板。
因此，按照不同的设计方案，只需要两个模板、丝网或者掩膜用于制造电工钢片，即一个掩膜用于制造边缘结构和可选地制造支撑结构和/或毛细结构，并且另一个掩膜用于制造板。
按照至少一种实施方式，所述方法在制造第二板之后包含用于进行热处理的步骤、尤其是烧结步骤。
用于进行热处理的步骤尤其可以用于提高电工钢片的不同部件的强度或者硬度。此外能够通过烧结或者热处理去除或者移除例如在用于增材制造的方法中使用的粘合剂。
按照至少一种设计方案，在制造第二板之后在电工钢片的外壁中、尤其是在板中或者边缘结构中产生、尤其是钻设开口。内部空间通过开口进行抽气(evakuieren)并且在抽气之后通过所述开口将流体置入内部空间中。在将流体置入之后所述开口被流体密封地封闭。
抽气例如理解为在内部空间中产生小于电工钢片的环境压力的压力。
按照改进的方案的用于制造电工钢片的方法的其它实施方式直接由按照改进的方案的电工钢片、叠片组或者机器部件的不同设计方案得出并且反之亦然。
按照改进的方案的另一独立的方面，提供一种具有指令的计算机程序，在由计算机系统执行所述计算机程序时，所述指令使得用于增材制造的装置实施按照改进的方案的方法。
所述装置在此可以是用于三维地增材制造的、尤其是用于实施三维的丝网印刷法或者模板印刷法的已知的装置。所述装置例如可以包含计算机系统。
以下根据具体实施例和所属的示意性视图详细阐述本发明。在附图中，相同的或者功能相同的元件配设有相同的附图标记。对相同或者功能相同的元件的描述可能不必在不同的附图中重复。
在附图中：
图1示出了按照改进的方案的电工钢片的示例性的实施方式的立体视图；
图2示出了按照改进的方案的机器部件的示例性的实施方式的示意性视图；
图3示出了图1所示的电工钢片的横截面视图；并且
图4示出了具有支撑结构的示例性的工件。
图1中示出了按照改进的方案的电工钢片的示例性的实施方式。
电工钢片具有第一板1，所述第一板环形地设计并且在内侧上具有用于容纳电机的导体绕组的槽9。电工钢片还具有第二板2，所述第二板与第一板完全一致地设计和布置并且与第一板1间隔距离5、尤其是间隔轴向距离地布置。
在图3中示出了电工钢片的相应的横截面，其中，剖切轴线在图1中通过点划线示出。
电工钢片还具有边缘结构3，所述边缘结构在板的相应的内边缘和外边缘处环绕地并且完全地、尤其是流体密封地将板1、2相互连接。
电工钢片的其中存在槽9的区域、即内部区域7相应于下述区域，在所述区域处，电工钢片能够与热源、即在电机运行时升温的电导体绕组连接。当电工钢片安装在电机中时，电工钢片的外部区域8能够与吸热件、例如冷却元件接触。
图2示出了电机的机器部件、尤其是定子，所述定子包含图1所示的电工钢片。此外，机器部件包含冷却元件、尤其是冷却套10，所述冷却套尤其包围电工钢片的外部区域8。冷却套10例如可以是水冷的，以便从电工钢片吸收并且运走热量。
流体4、尤其是水或者水蒸气位于电工钢片的内部空间中，所述内部空间通过两个板1、2的相互间隔距离5的布置结构定义。
如图3所示，电工钢片可以可选地具有支撑结构6，所述支撑结构布置在第一板1和第二板2之间并且支撑所述第一板和第二板、尤其是确保距离5。这尤其当在电工钢片的内部空间中存在相对于电工钢片的环境压力的负压时是有利的。
为了进一步说明，图4示出了工件，所述工件同样具有板1，所述板为了显示目的是敞开的，由此使支撑结构6可见，如所述支撑结构也可以例如在按照图1和图3的电工钢片中使用的那样。
支撑结构6尤其可以是棒状的、直角平行六面体状的、管状的或者棱柱状的结构的布局、尤其是规则的布局，所述结构布置在板1、2之间并且例如与所述板材料接合地并且流体密封地连接。
在图1至图3所示的示例中，流体4例如可以是水或者水蒸气。电工钢片的内部空间例如可以被抽气至大约50hPa的压力或者例如处于10至100hPa之间的范围中的其它压力。
在电机运行时尤其通过导体绕组产生热量，所述热量必须被运走以便防止电机过热。按照改进的方案的电工钢片例如与热管类似地起作用。在电工钢片的内部区域7处，流体4由于升温的导体绕组同样变热(或者说升温)、蒸发并且由此吸收形式为热量的能量。处于气态的状态中的流体4例如可以流到电工钢片的外侧或者外部区域8上，流体在该处例如通过冷却套10冷却，从而使流体冷凝并且相应地将能量以热量的形式排放给水或者冷却套10。冷凝的流体4则能够尤其是通过由于支撑结构6的粗糙度、例如表面粗糙度和/或板1、2的粗糙度造成的毛细效应辅助地向内部区域7回流，在该处所述流体能够重新吸收热量。备选地或者附加地，流体4的从外部区域8向内部区域7的回流能够通过可以位于电工钢片的内部空间中的毛细系统(未示出)辅助。
按照改进的方案的电工钢片例如由底部、盖子和内部的空心结构构成。所述空心结构在此是气体密封和液体密封的空腔，所述空腔在不同的实施方式中具有用于辅助在热源处向吸热件的气体运送和/或从吸热件向热源的毛细式的液体运送的结构。所述结构或者其它结构还可以用作支撑结构，所述支撑结构使空腔相对于外力稳固。
因此，通过改进的方案使电工钢片的导热性从铁磁的材料的相对较低的值升高到非常高的、直至超过1000W/(K*m)的导热性。此外，通过增材的制造方法提供了成本低廉的并且高效的制造电工钢片的方式。
按照改进的方案，尤其能够舍弃昂贵和耗费的并且可能对于小型电机不适宜的直接位于导体绕组的线路中的液体冷却或者舍弃对槽的附加的冷却。在填充铜槽方面的妥协也可能是不必要的。
Claims (15)
1.一种用于电机的电工钢片，
其特征在于
-两个由铁磁的材料制成的板(1、2)，所述板相互平行地并且彼此间隔距离(5)地布置，其中，所述板(1、2)在相应的边缘处环绕地流体密封地相互连接；和
-流体(4)，所述流体位于两个板(1、2)之间的由所述距离形成的内部空间中。
2.根据权利要求1所述的电工钢片，其中，所述内部空间中的压力小于电工钢片的环境压力。
3.根据权利要求1或2所述的电工钢片，所述电工钢片在内部空间中具有一个或者多个支撑结构(6)，所述支撑结构支撑所述板(1、2)，以便确保所述距离(5)。
4.根据权利要求1至3之一所述的电工钢片，其中，所述内部空间这样设计，使得当流体(4)处于气态的状态中时，所述流体(4)能够从内部空间的第一区域(7)向所述内部空间的第二区域(8)流动。
5.根据权利要求4所述的电工钢片，其中，所述内部空间这样设计，使得当流体(4)处于液态的状态中时，所述流体(4)能够从第二区域(8)向第一区域(7)流动。
6.根据权利要求4或5所述的电工钢片，所述电工钢片在内部空间中包含毛细系统，所述毛细系统布置在第一区域(7)和第二区域(8)之间。
7.根据权利要求1至6之一所述的电工钢片，其中，所述板(1、2)环形地设计并且具有用于容纳电机的导体绕组的槽(9)。
8.一种用于电机的叠片组，所述叠片组包含相互堆叠的电工钢片，其中，所述电工钢片中的至少一个电工钢片按照权利要求1至7之一所述地设计。
9.一种用于电机的机器部件，所述机器部件具有
-根据权利要求1至7之一所述的电工钢片；
-冷却元件(10)，所述冷却元件与电工钢片连接，从而能够在电工钢片和冷却元件之间发生热交换。
10.一种用于制造用于电机的电工钢片的方法，
其特征在于以下方法步骤：
-由铁磁的材料增材地制造第一板(1)；
-沿着第一板的边缘增材地制造与所述第一板(1)流体密封地连接的边缘结构(3)；
-由铁磁的材料增材地制造第二板(2)，所述第二板与边缘结构(3)沿着所述第二板的边缘流体密封地连接；并且
-将流体(3)置入两个板(1、2)之间的内部空间中。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述第一板(1)和第二板(2)之间增材地制造支撑结构(6)，以便确保所述板(1、2)之间的距离(5)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述支撑结构(6)和边缘结构(3)借助丝网印刷法通过使用共同的掩膜制造或者借助模板印刷法通过使用共同的模板制造。
13.根据权利要求10至12之一所述的方法，其中，所述板(1、2)借助丝网印刷法或者模板印刷法制造。
14.根据权利要求10至13之一所述的方法，其中，在制造第二板(2)之后，
-在所述板(1、2)的其中一个板中或者在边缘结构(3)中产生开口；
-通过所述开口对所述内部空间进行抽气；
-在抽气之后通过所述开口将流体(4)置入所述内部空间中；并且
-在置入流体(4)之后流体密封地封闭所述开口。
15.一种具有指令的计算机程序，在由计算机系统执行所述计算机程序时，所述指令使得用于增材制造的装置实施按照权利要求10至14之一所述的方法。
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