CN113875127A - 转子冷却 - Google Patents

Abstract

公开了用于旋转电机的转子(10)。该转子包括多个凸极(12)以及缠绕在该凸极上的转子绕组(22、24)。贯穿转子绕组设置了冷却通风孔(26)，该冷却通风孔沿轴向和径向延伸贯穿转子绕组。冷却通风孔(26)沿轴向从转子极的一端向另一端延伸。冷却通风孔(26)可以由多个不连续的间隔件(28)形成，或者由绕转子极(12)连续延伸的间隔件(78)形成。提供沿轴向和径向延伸贯穿转子绕组的冷却通风孔可以以高效且有成本效益的方式来帮助改进电机的热性能。

Description

转子冷却

本发明涉及具有凸极(salient pole)设计的旋转电机，并且特别地，涉及用于改进这种电机的冷却的技术。

旋转电机(诸如，电动机和发电机)通常包括转子和定子，转子和定子被布置成使得在这两者之间逐渐形成磁通量。在具有凸极设计的旋转电机中，转子具有径向向外延伸的多个磁极(pole)，在这些磁极上缠绕导体。在这些绕组中流动的电流使磁通量跨转子与定子之间的气隙流动。在发电机的情况下，当转子由原动机旋转时，旋转磁场使电流在定子绕组中流动，从而生成输出功率。在电动机的情况下，将电流供应给定子绕组，由此所生成的磁场使转子旋转。

在电机中，例如可能因绕组中的电阻和磁极主体中的损耗而发生损耗。这些损耗导致在电机内产生热。因此，许多电机包括用于迫使气流过电机的风扇。通过电机的气流通常是沿轴向的。气流的主要路径通过转子/定子气隙，以及通过定子芯与定子架之间的气隙。

电机额定值是由转子和定子的实际温升来确定的，因此结构的冷却效率可以有助于确定电机的额定值。在典型的电机中，冷却空气中的较大部分是绕定子而不是转子通过的。因此，希望增加通过转子的气流的占比，以便实现更平衡的冷却。然而，已经发现改进转子的冷却性能是有挑战性的。这部分是由于小转子/定子气隙对于良好的电磁性能是必要的。

GB 2425662 A(其主题通过引用并入本文)公开了一种旋转电机，其中，将径向冷却管道设置在转子的两个绕组层之间的由极靴重叠的区域中。这可以使径向空气能够流过绕组，其可以有助于冷却转子。然而，需要为径向通风孔提供进入和离开路径会增加电机的成本和复杂性，并且复杂的气流路径会降低冷却的效率。

WO 2010/079455(其主题通过引用并入本文)公开了一种旋转电机的转子，该转子包括用于支承转子绕组的多个支承元件。该支承元件包括被设置在两组电导体之间的间隔件元件，以便在这两组导体之间形成冷却通道。这可以使得冷却流体能够在绕组内纵向地流动。然而，所公开的布置是复杂的并且可能难以制造。而且，绕组可能经受离心力，如果不被支承，那么该离心力可能导致绕组滑移或变形。另外，支承元件可能经受很大的力，要求这些支承元件具有相对大的轴向轮廓，而这可能限制可以流过绕组的冷却流体的量。

因此，仍然需要一种改进使电机旋转的凸极的热性能的高效且有成本效益的方式。

根据本发明的一个方面，提供了一种使电机旋转的转子，该转子包括：多个凸极、缠绕在凸极上的转子绕组、以及贯穿转子绕组的冷却通风孔，该冷却通风孔沿轴向和径向延伸贯穿转子绕组，其中，该冷却通风孔沿轴向从转子极的一端向另一端延伸。

本发明可以提供以下优点：通过设置沿轴向和径向延伸贯穿转子绕组的冷却通风孔，可以减少绕组随着转子旋转而在离心力下滑移或变形的趋势。这又可以允许间隔件是不连续的和/或对于通过冷却通风孔的气流呈现低轮廓。此外，可以将圆形导体用于绕组，而不是在一些先前的设计中使用的正方形导体。还发现，与一些先前的设计相比，该制造处理可以不太复杂和/或不太昂贵。而且，增加的冷却可以允许使用更少匝的绕组，从而降低电机成本以及旋转质量。

就“轴向”而言，优选是指至少主要组件平行于旋转电机的轴线的方向，但是也可以存在其它组件(诸如径向和/或周向)。就“径向”而言，优选是指至少主要组件相对于旋转电机的轴线呈径向和/或平行于凸极的方向，但是也可以存在其它组件(诸如切向)。

优选地，将冷却通风孔的进入路径设置在转子的轴向上的一端处，并且将冷却通风孔的离开路径设置在转子的轴向上的另一端处。这可以允许冷却流体沿轴向穿过整个转子，该轴向可以是穿过该电机的气流的总体方向。优选地，设置轴向上贯穿从转子的一端到另一端的冷却通风孔的连续气流路径。优选地，沿贯穿从转子的一端到另一端的冷却通风孔的直线设置气流路径。

优选地，冷却通风孔径向上延伸贯穿整个绕组，诸如从绕组的径向内侧延伸到径向外侧。例如，冷却通风孔可以从绕组支承件延伸到极靴。另选地，冷却通风孔可以径向上延伸贯穿绕组的部分。例如，冷却通风孔可以径向上延伸贯穿绕组的至少50％、60％、70％、80％或90％、或某一其它值。

优选地，转子绕组包括处于同一转子极上的第一组绕组和第二组绕组，并且冷却通风孔形成在这两组绕组之间。这可以提供形成冷却通风孔的便利方式，并且可以允许通风孔位于绕组中心或者朝着绕组中心定位。第一组绕组和第二组绕组可以是同一线圈的部分(即，使用同一导体缠绕)，或者它们可以包括例如串联或并联连接的两个(或更多个)线圈。导体例如可以是诸如铜线的导线。

绕组可以包括具有任何适当横截面的导体。例如，在一个实施方式中，绕组包括圆形导体，诸如具有圆形或椭圆形横截面的导体。在这种情况下，可以将绕组以正交环形绕组结构进行缠绕，但是可以代替地使用任何其它合适的绕组结构。在另一实施方式中，绕组包括具有多边形横截面的导体，诸如具有正方形、矩形或六边形横截面的导体。这可以允许实现更高的绕组填充因子。而且，使用具有多边形横截面的导体可以将平坦表面呈现给冷却通风孔，并且可以有助于提供与其它组件(诸如间隔件)的更稳定的机械界面接触。若希望的话，可以使用不同类型的导体的组合。

优选地，第一组绕组在远离磁极的方向(例如，缠绕后续绕组层的方向，该方向可以相对于电机的旋转轴线大致相切)上处于第二组绕组的下方。这可以使气隙在所述两组绕组之间沿大致径向和/或平行于转子极延伸。可以减小绕组随着转子旋转而在离心力下进入气隙的趋势。

该转子还可以包括处于所述两组绕组之间的间隔件。这可以有助于确保所述两组绕组在电机运行期间保持分开。该间隔件例如可以包括通过间隔元件保持分开以创建气道的两个平行壁。在这种情况下，各个壁皆可以与所述两组绕组中的一组绕组经界面接触。间隔元件例如可以是壁、立柱、支承梁、或者用于将两个平行壁保持分开的任何其它恰当的结构。

在一个实施方式中，该转子包括多个间隔件。可以将这些间隔件设置在沿轴向贯穿绕组的间隔位置处。这可以减小间隔件的重量以及所需材料的量。而且，设置不连续的间隔件可以使绕组能够暴露至处于间隔件之间的位置处的冷却通风孔。这可以增加绕组的被暴露于冷却流体的面积，从而增加冷却的效率。

优选地，各个间隔件皆被设置成使得当转子已经缠绕有第一组绕组(但未缠绕第二组绕组)时，可以利用过盈配合将间隔件保持在转子上。例如，可以将该间隔件设置成利用轻度过盈配合装配在绕组支承件与极靴之间。随着在转子上缠绕第二组绕组，这可以使间隔件能够保持在适当位置。另选地，可以使用一些其它的保持手段(诸如调整片和/或粘合剂)来保持这些间隔件。

在另一实施方式中，该连续间隔件绕转子极连续延伸。该连续间隔件可以在所述两组绕组的侧绕组与端绕组两者之间绕转子极循环。该实施方式可以有助于简化制造和/或有助于防止绕组滑移或者变形到冷却通风孔中。

该转子还可以包括用于支承绕组的绕组支承件。

例如，可以设置L形绕组支承件，其可以位于两个相邻磁极的绕组的径向内侧上。该绕组支承件可以起作用以在缠绕处理期间以及当电机在使用中时支起支撑绕组。

绕组支承件可以包括彼此成(非零)角度设置的第一臂和第二臂。该角度例如可以介于约80°到100°之间并且优选地为约90°。各个臂皆可以被用于支承相应转子极的侧绕组。

在一个实施方式中，可以将多个绕组支承件设置在沿轴向贯穿转子的间隔位置处。在这种情况下，在设置多个间隔件的情况下，各个绕组支承件皆可以沿轴向与间隔件并置(例如，在沿径向的间隔件下方)。这可以允许绕组支承件支承间隔件以及绕组，从而可以有助于防止绕组的变形。

在实践中，依据本发明已经发现，来自轴向冷却通风孔的气流可以具有从通风孔逸出到两个转子极之间的底部气隙中的趋势，这可能降低冷却效率。然而，已经发现，通过设置偏转器可以减小这种趋势，该偏转器使气流向上偏转回到冷却通风孔中。便利地，可以将这种偏转器设置在绕组支承件上。

因此，绕组支承件可以包括偏转器，该偏转器使气流偏转到冷却通风孔中。优选地，偏转器延伸到两个相邻磁极之间的轴向气道中，例如，可以处于绕组支承件下方的底部磁极间轴向通道。

在绕组支承件包括第一臂和第二臂的情况下，各个臂皆可以包括偏转器。偏转器可以与臂成(非零)角度(并且与轴向成角度)从该臂延伸。该角度例如可以大于25°、30°以及35°，并且可以约为45°。

该转子还可以包括用于保持绕组的楔块。楔块可以位于两个相邻磁极的侧绕组之间，在该绕组的外侧上，以便帮助保持绕组。为了保持楔块，楔块的每一端皆可以位于两个相邻磁极中的相应一个磁极的极靴之下。优选地，将楔块沿轴向与间隔件并置。例如，楔块可以沿远离转子极的方向位于间隔件上方。这可以有助于防止楔块将绕组推入轴向冷却通风孔。

转子绕组可以包括侧绕组(沿着转子极的侧面沿轴向延伸的绕组)以及端绕组(绕转子极的端部延伸的绕组)。在这种情况下，冷却通风孔的至少一部分可以是贯穿侧绕组延伸的轴向冷却通风孔。然而，冷却通风孔也可以至少部分地延伸到端绕组中。因此，可以将冷却通风孔形成在侧绕组和端绕组两者中。在这种情况下，冷却通风孔在围绕各个转子极的一些或所有路径上可以是连续的。这可以帮助端绕组以及侧绕组的冷却和/或为通过冷却通风孔的气流提供进入点和离开点。

各个转子极皆可以包括至少两个轴向冷却通风孔，在转子极的每侧上各有一个。而且，该冷却通风孔或各个冷却通风孔还可以在转子极的各个端部处延伸到端绕组中。

该转子还可以包括处于所述两组绕组的端绕组之间的端绕组支承件。例如，可以朝着端绕组的中心设置一个或更多个端绕组支承件。端绕组支承件可以帮助保持端绕组中的气隙，并且可以允许转子在不毁坏气隙的情况下被用带子捆扎(taped)。另选地或者另外地，可以在所述两组绕组的端绕组之间设置一个或更多个间隔件。

如上提及，在本发明的一个实施方式中，转子包括处于所述两组绕组之间的连续间隔件。也可以独立提供该实施方式。因此，根据本发明的另一方面，提供了一种用于旋转电机的转子，该转子包括：多个凸极、缠绕在凸极上的转子绕组、以及贯穿转子绕组的冷却通风孔，其中，该冷却通风孔由绕转子极连续延伸的间隔件形成。

本发明的这个方面可以提供以下优点：通过使用绕转子极连续延伸的间隔件形成冷却通风孔，可以减小绕组随着转子旋转而滑移或变形的趋势。而且，与一些先前的设计相比，可以简化制造处理。

就“连续延伸”而言，优选是指间隔件延伸贯穿侧绕组的至少部分并且优选为整个侧绕组，以及优选是指延伸贯穿端绕组的至少部分或者整个端绕组。

在本发明的这个方面，冷却通风孔可以沿轴向和远离转子极的方向(例如，切向)延伸贯穿绕组。例如，转子绕组可以包括处于同一转子极上的第一组绕组和第二组绕组，可以将冷却通风孔形成在所述两组绕组之间，并且第一组绕组可以沿径向与第二组绕组相邻。优选地，气隙在切向上延伸贯穿整个绕组(例如，从磁极延伸到楔块)，但是该气隙可以部分地延伸贯穿绕组(例如，贯穿绕组的至少50％、60％、70％、80％或90％、或某一其它值)。

另选地，该冷却通风孔可以沿轴向和径向延伸贯穿转子绕组，如同在先前的实施方式中一样。

为了便于制造，该连续间隔件可以包括两个或更多个互锁件。例如，该连续间隔件可以包括两个大致U形件，将这些大致U形件绕转子极集合起来，然后使用互锁接头(诸如燕尾接头)连接在一起。

在上述布置中的任何布置中，可以通过转子绕组设置多个冷却通风孔(例如，2个、3个或更多个)。例如，可以设置多个冷却通风孔，各个冷却通风孔皆沿轴向和径向延伸贯穿转子绕组。在这种情况下，可以在同一转子极上设置三组或更多组绕组，并且可以将冷却通风孔形成在所述两组(相邻)绕组之间。可以将多个间隔件设置在所述冷却通风孔中的至少一些冷却通风孔内的间隔位置处。另选地或者另外地，可以设置多个冷却通风孔，这些冷却通风孔中的至少一些冷却通风孔是由绕该转子极连续延伸的间隔件形成的。

根据本发明的另一方面，提供了一种旋转电机，该旋转电机包括定子以及采用上述形式中的任何形式的转子。该电机还可以包括用于迫使冷却空气通过该电机的风扇。

也可以提供对应的方法。因此，根据本发明的另一方面，提供了一种用于旋转电机的转子的缠绕方法，该转子包括多个凸极，所述方法包括以下步骤：用第一组绕组和第二组绕组缠绕凸极，并且在第一组绕组和第二组绕组之间具有冷却通风孔，该冷却通风孔沿轴向和径向延伸贯穿转子绕组，其中，该冷却通风孔沿轴向从转子极的一端延伸到另一端。

所述方法还包括以下步骤：在第一组绕组上插入至少一个间隔件和作业工具；在间隔件和作业工具上缠绕第二组绕组；以及移除作业工具。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于旋转电机的转子的缠绕方法，该转子包括多个凸极，所述方法包括以下步骤：

用第一组绕组缠绕凸极；

在第一组绕组上插入至少一个间隔件和作业工具；

在间隔件和作业工具上缠绕第二组绕组；以及

移除作业工具，以在所述两组绕组之间留下气隙，该气隙形成轴向冷却通风孔。

该作业工具可以包括角部支承件，以在缠绕处理期间支承第二组绕组的角部。

本发明的一个方面的特征可以提供有任何其它方面。装置特征可以提供有方法方面，并且反之亦然。

在本公开中，除非上下文另有暗示，否则诸如“在径向上”、“在轴向上”、“在切向上”以及“在周向上”的术语通常是参照电机的旋转轴线来定义的。

下面参照附图，完全通过示例对本发明的优选实施方式进行描述，其中：

图1是贯穿已知旋转电机的部分的径向截面；

图2是贯穿已知旋转电机的转子的部分的轴向截面；

图3是在本发明的实施方式中的贯穿转子的部分的轴向截面；

图4是在图3的实施方式中的转子的部分的分解图；

图5更详细地示出了中空间隔件模块；

图6更详细地示出了绕组支承件；

图7示出了在本发明的一个实施方式中的转子的部分；

图8是从上方观察的贯穿转子的部分的截面；

图9是从侧面观察的贯穿转子的部分的截面；

图10是在本发明的另一个实施方式中的转子的部分的端视图；

图11是图10的转子的侧视图；

图12示出了用于创建气隙的间隔件的一个实施方式；

图13示出了被移除了顶壁的间隔件的部分；

图14示出了间隔件可以如何设置有互锁接头；

图15示出了本发明的另一实施方式中的间隔件的部分；

图16(A)和图16(B)例示了使用圆形导体的本发明的实施方式；以及

图17(A)和图17(B)例示了使用正方形导体的本发明的实施方式。

图1是贯穿已知旋转电机的部分的径向截面。该电机包括位于定子3内部的转子2，并且在转子2与定子3之间具有气隙4。转子2被安装在具有由虚线5表示的旋转轴线的轴上。转子2缠绕有转子绕组6。定子3包括在其内圆周上具有槽的定子芯，定子绕组7被缠绕在该槽中。定子3被包含在定子框架8内。轴驱动风扇9被定位在电机的驱动端，以便将冷却空气抽吸通过电机。该气流主要沿轴向穿过转子/定子气隙以及定子/框架气隙，如图1中的箭头所示。如果希望，可以使用一个或多个外部独立驱动风扇或者迫使空气穿过电机的任何其它恰当装置，以代替轴驱动风扇。

图2是贯穿已知旋转电机的转子的部分的轴向截面。参照图2，转子主体10是由被堆叠在一起的多个层压金属片形成的，以产生具有所需轴向长度的转子。转子主体10包括多个凸极12，各个凸极皆从转子主体的中心沿径向向外延伸。凸极包括主体14以及处于前缘和后缘上的极靴16。各个凸极皆缠绕有转子绕组18。绕组18采用线圈的形式，该线圈包括在极靴16下方缠绕在主体14上的导体(诸如铜线)。绕组18包括侧绕组和端绕组，该侧绕组在极靴下方沿着转子的长度沿大致轴向延伸(垂直于图2中的纸面)，该端绕组绕转子的端部沿大致切向延伸(平行于图2中的纸面)。在该示例中，转子具有四个磁极，但是当然，不同电机可以具有不同数量的磁极。

在运行中，转子绕中心轴线20旋转。电流被供应给绕组18，这导致在转子与定子之间逐渐形成磁通量。极靴16有助于随着转子旋转来保持绕组18抵抗离心力。

图3示出了根据本发明的实施方式的贯穿转子的部分的轴向截面。参照图3，该转子包括转子主体10，该转子主体具有采用与图2的转子类似的方式的多个凸极12。然而，在图3中，各个磁极皆缠绕有第一组内侧绕组22和第二组外侧绕组24。L形绕组支承件30被设置在两个相邻磁极的绕组下方，以支承该绕组的底侧。绕组22、24被缠绕在绕组支承件30与极靴16之间。保持楔块32被设置在绕组的外侧上(远离磁极的主体)，以将绕组保持在适当位置。保持楔块32也是L形的，并且被装配在两个相邻极靴16的尖端下面，以便保持两个相邻磁极的侧绕组。底部磁极间轴向通道31在绕组22、24与绕组支承件30下方的两个相邻磁极之间延伸贯穿转子。另外，设置了沿轴向延伸贯穿这些磁极的阻尼器杆15和转子层压支承杆17。

在图3的布置中，在各个磁极上，第一组绕组22和第二组绕组24被设置成在这两者之间具有气隙26。为实现这一点，第一组绕组22和第二组绕组24使用中空间隔件模块28保持分开。形成气隙26，以代替原本将呈现于绕组的中心处或朝着绕组的中心的一个或更多个绕组层。在该实施方式中，气隙26大致绕转子的贯穿侧绕组和端绕组的整个路径延伸。气隙还沿大致径向从与绕组支承件30相邻的绕组一侧到与到极靴16相邻的绕组一侧延伸贯穿整个绕组。

图3的气隙26形成轴向冷却通风孔，即，沿轴向(垂直于图3中的纸面)贯穿转子绕组延伸的通风孔。轴向通风孔被定位于两组绕组22、24的处于极靴16下方的侧绕组之间。轴向通风孔沿轴向延伸贯穿整个侧绕组。轴向冷却通风孔允许空气在轴向上流过转子绕组。

图4示出了在该实施方式中的转子的部分的分解图。参照图4，各个转子极12皆缠绕有一组内侧绕组22和一组外侧绕组24。各组绕组皆采用由电导体(诸如铜线)制成的线圈的形式。尽管图4未示出，但是这两组绕组皆可以是一个连续线圈的部分。该组内侧绕组22包括侧绕组22A和端绕组22B，该侧绕组在极靴16下方沿着转子的长度在轴向上延伸，而该端绕组延伸出转子并且围绕转子极的端部。类似地，该组外侧绕组24包括侧绕组24A和端绕组24B。

该组内侧绕组22被设置成位于该组外侧绕组24的内部，在这两者之间具有气隙26。气隙26在两组绕组的侧绕组22A、24A之间沿大致轴向延伸贯穿转子，以形成轴向冷却通风孔。另外，如可以从图4看出，气隙26绕转子的端部在两组绕组的端绕组22B、24B之间延伸。因此，气隙26大致存在于绕转子的整个路线。在该实施方式中，气隙26的宽度大致是恒定的，但是在其它实施方式中，该宽度可以改变。

在图4的布置中，两组绕组是通过多个间隔件模块28保持分开的。间隔件模块28被设置在两组绕组的侧绕组22A、24A之间的轴向间隔位置处。从而，使绕组在间隔件模块28之间的位置处暴露于气隙26。

多个绕组支承件30被设置在两个相邻磁极的绕组下方。各个绕组支承件30皆被定位在两个相邻磁极中的各个磁极中的间隔件模块28下方。还设置有多个保持楔块32。各个保持楔块32皆被设置在两个相邻磁极的各个磁极中的间隔件模块28上方。这种布置有助于避免绕组的变形。

在制造期间，首先将该组内侧绕组22缠绕在绕组支承件30与极靴16之间。然后，插入间隔件模块28和恰当的作业工具。然后，将该组外侧绕组24缠绕在间隔件模块和作业工具上。这两组绕组22、24是由气隙26隔开的一个连续电导体线圈。楔块32被用于在转子旋转时保持绕组。

气隙26可以通过移除原本将存在于转子极上的一个或更多个绕组层来设置。在一个实施方式中，通过从缠绕处理中移除两个绕组层来形成气隙26。然而，可以代替地移除不同数量的绕组层，诸如一层、三层或更多层。而且，气隙26的宽度不需要是电导体厚度的倍数，而可以是该厚度的一部分。

在一种特定布置中，已经发现气隙的合适宽度约为9mm，但是当然可以代替地使用其它值，并且该值可以例如根据电机的尺寸、电导体的厚度以及绕组的层数而改变。

图5更详细地示出了中空间隔件模块28。参照图5，间隔件模块28包括两个平行的侧壁34、36、端壁38、40以及内壁42。侧壁34、36通过端壁38、40以及内壁42保持分开以创建气道44、46。间隔件模块被设计成位于一组内侧绕组22与一组外侧绕组24之间，并且各个侧壁皆抵靠相应的一组绕组。当间隔件模块就位时，气道44、46沿轴向延伸贯穿侧绕组。

间隔件模块28的主要功能是在两组隔开的绕组之间提供机械结构。间隔件模块被设计成防止均在旋转条件下的移动或塌陷，并且防止在转子楔块应用期间的压缩。然而，还希望间隔件模块允许尽可能多的空气流动。因此，间隔件模块的设计是在一方面确保足够的机械强度与另一方面使对气流路径的阻塞最小化之间的折衷方案。因此，与提供所需的机械强度一致地，将壁的厚度选择为尽可能小。在一个实施方式中，壁的厚度约为1mm，但是当然可以代替地例如根据电机的尺寸使用其它的值。另外，壁在两个壁之间的接合处可以是圆形的，以便在需要时提供附加强度。

间隔件模块28可以由任何合适的材料制成。然而，电绝缘材料是优选的，使得不需要额外的绝缘层。在一个实施方式中，间隔件模块是由耐热塑料制成的，但是可以代替地使用其它材料。

图6更详细地示出了绕组支承件30中的一个绕组支承件。参照图6，绕组支承件30是L形件，其包括第一臂50和第二臂52，第一臂和第二臂彼此是以约90°的角度设置的。绕组支承件的主要功能是在缠绕处理期间以及当电机在使用中时支撑绕组。然而，在该实施方式中，绕组支承件还提供次要功能，其使一些气流从绕组下方向上偏转到轴向气隙26中。这是通过在绕组支承件上设置偏转器54、56来实现的。各个偏转器54、56各自从臂50、52中的一个臂的侧面起与该臂成角度地向外延伸。在优选实施方式中，偏转器与轴向的角度约为45°，但是可以代替地使用其它值。将偏转器54、56与气隙26对准，并且有助于防止空气从气隙26逸出并返回至两个转子极之间的底部磁极间间隙31。

在一个优选实施方式中，在组装转子时可以使用以下方法。

1.插入绕组支承件30。

2.将第一组绕组22缠绕在极靴16与绕组支承件30之间。这样做的方式与常规绕组的底层相同。然而，在这种情况下，使缠绕处理例如中途停止在绕组的中心、或者中心上面或下面的一个或更多个层处，以允许存在气隙。

3.插入间隔件模块28。将间隔件模块与转子楔块位置(在绕组支承件30上方)对准，以使绕组在楔固(wedging)处理期间不变形。间隔件模块被设计成使得这些间隔件模块在极靴16与绕组支承件30之间具有轻微的过盈配合，使得通过摩擦来保持它们并且在缠绕期间不会脱落。

4.插入作业工具。作业工具被设计成为缠绕处理的第二阶段提供机械支承，并且允许转子用带子捆扎并整理(dressed)而不会塌陷。

5.在间隔件模块和作业工具上缠绕第二组绕组24。

6.插入楔块32。

7.用带子捆扎转子。在该实施方式中，用带子捆扎转子，以避免带子被跨角部紧紧缠绕并且潜在地使气隙变窄。作为代替，单独地用带子捆扎两组绕组，并且仅通过被裹在带子中的端绕组支承件(参见下文)接合。

8.移除成品转子上不需要的作业工具的那些部分。

针对这种设计的作业工具需要实现许多不同的目的。首先，该作业工具应当防止在缠绕处理期间角部的塌陷，即，应绕整个转子保持气隙。该作业工具还应当防止线圈在缠绕和楔固处理期间发生轴向移动。另外，该作业工具应当可使转子被完全用带子捆扎并整理而不塌陷，并且为该阶段提供所需的机械支承。最后，该作业工具不应干扰线圈交叉点，并因此应当允许每磁极交叉的空间。

为了满足这些标准，在一个实施方式中，开发了一组新作业工具，以便于缠绕处理。

图7示出了在本发明的一个实施方式中的转子的部分，并且作业工具已经就位。参照图7，该实施方式中的作业工具包括：角部支承件60、端绕组支承件62以及角部支承件间隔件64。

角部支承件60是由实心材料块制成的，并且其厚度和高度约等于气隙26的厚度和高度。角部支承件在侧绕组与端绕组之间的过渡区处延伸贯穿绕组。角部支承件60是弯曲的，并且其曲率半径对应于绕组的以下曲率半径：在该绕组从极靴下面离开并且绕转子的端部弯曲时的曲率半径。角部支承件60被用于防止角部在缠绕处理期间塌陷以及从成品转子移除。

端绕组支承件62也是由实心材料块制成的，并且其厚度和高度约等于气隙26的厚度和高度。端绕组支承件62被设置成朝着端绕组的中部，并且设置在转子层压支承杆17的任一侧上。端绕组支承件62保持端绕组上的气隙，并且可以允许转子在不毁坏气隙的情况下用带子紧紧捆扎。端绕组支承件62仍保持在转子中的适当位置，并由此具有尽可能短的长度，同时确保足够的机械强度。

角部支承件间隔件64是由实心材料块制成的，并且被装配在角部支承件60与端绕组支承件62之间。角部支承件间隔件64防止角部支承件60朝着中心滑移和塌陷。角部支承件间隔件64在缠绕之后被移除。

角部支承件60、端绕组支承件62以及角部支承件间隔件64可以由任何合适的材料(诸如耐热塑料)制成。尽管它们在图6中被示出为实心块，但是另选地，它们可以是中空的和/或具有孔或槽。另选地或者另外，可以在端绕组中设置中空的间隔件模块，诸如在侧绕组之间使用的那些间隔件模块。

在其它实施方式中，可以利用减少数量的作业工具部件或者不使用作业工具来缠绕转子。

图8是从上方观察的本发明的实施方式中的贯穿转子的部分的截面。参照图8，转子包括第一组内侧绕组22和第二组外侧绕组24，在这两者之间具有气隙26。该气隙是由间隔件模块28创建的。图8还示出了角部支承件60，但是这些角部支承件可以在缠绕之后被移除。如可以从图8看出，气隙26在端绕组之间沿大致切向(图8中的左和右)延伸，并且在侧绕组之间沿大致轴向(图8中的上和下)绕转子的侧面延续。因此，除了端绕组的端绕组支承件62所处的中心部分之外，气隙大致绕转子的整个路线延伸。

在运行中，贯穿电机的轴向气流由风扇生成，该风扇可被安装在转子轴上或者别的地方。如图8的顶部箭头所示，气流在两组绕组22、24的端绕组之间沿基本径向进入气隙26。然后，如图8的中部箭头所示，气流贯穿侧绕组之间的气隙26转向成轴向。然后，如图8的底部箭头所示，气流继续沿轴向贯穿气隙。这个过程是由绕组支承件30上的偏转器来辅助的，该偏转器使气流从底部磁极间间隙31向上偏转回到气隙26中。然后，气流贯穿转子的另一端处的端绕组(图8中未示出)离开气隙26。

图9是从侧面观察的贯穿转子的部分的剖开气隙26的截面。在运行中，空气是在图9中从左到右沿轴向贯穿电机抽取的。如图9的箭头所示，空气在轴向上流过间隔件模块28以及它们之间的空间。另外，绕组支承件30上的偏转器54使气流从底部磁极间间隙31向上偏转到气隙26中。这有助于减少从气隙26逸出并返回至底部磁极间间隙31的空气的量。

以上述方式在两层绕组之间引入气隙提供了以下优点：绕组暴露于冷却介质的面积显著增加。本申请人进行的试验已经发现，这可以通过强制对流增强传热。发现偏转器54，56有效地帮助维持穿过气隙(特别是在驱动端)的良好气流。而且，已经发现可以增加贯穿转子的气流的占比(与定子相比)。这可以增强冷却的总体效率。另外，已经发现，增强的冷却可以补偿一个或更多个绕组层的移除，从而可使转子能够更轻且制造成本更有效。

在图3到图9的布置中，由于轴向通风孔还沿大致径向延伸贯穿绕组，因此将相对较小的离心力施加到间隔件模块28。这可以允许间隔件模块是不连续的，从而可使绕组直接暴露于轴向冷却通道。而且，这种设计可以有助于防止绕组滑移或变形到气隙中。另外，与原本可能的情况相比，间隔件模块可以更轻和/或由更有成本效益的材料制成。还已经发现，与一些先前的设计相比，这种布置可以相对容易地制造，并且可以允许使用圆形导体而不是正方形导体。

在其它实施方式中，贯穿转子绕组设置了多个轴向通风孔。这可以通过去除一些附加层绕组来实现。例如，一种可能的布置可以是沿缠绕方向(即，从转子极向外)：

·2层绕组

·通风孔

·2层绕组

·通风孔

·2层绕组。

当然，应意识到，这仅仅是例示性的，并且其它布置也是可能的。

图10示出了在本发明的另一实施方式中的转子的部分的端视图。参照图10，该转子包括转子主体10，该转子主体具有多个凸极12。所述凸极中的各个凸极包括主体14和极靴16。各个凸极皆缠绕有两组绕组72、74。保持楔块32被设置在绕组的外侧上，以将绕组保持在适当位置。尽管图10未示出，但是绕组支承件可以以与前述实施方式类似的方式设置在绕组下方。

在图10的布置中，各个磁极皆缠绕有第一组径向向内绕组72和第二组径向向外绕组74。因此，在该实施方式中，两组绕组72、74沿径向彼此相邻。两组绕组72、74使用中空间隔件78保持分开。中空间隔件78在两组绕组之间创建气隙76。

如同在先前的实施方式中一样，图10的气隙76形成轴向通风孔，即，沿轴向(垂直于图10中的纸面)贯穿转子绕组延伸的通风孔。轴向通风孔被定位于两组绕组72、74的处于极靴16下方的侧绕组之间。轴向通风孔沿轴向延伸贯穿整个转子。然而，在该实施方式中，轴向通风孔也沿大致垂直于磁极的方向(从主体14到保持楔块32)延伸贯穿绕组。

图11示出了图10的转子的侧视图。如可以从图10和图11看出，在这个实施方式中，轴向通风孔延伸贯穿沿轴向的整个绕组、贯穿沿切向(远离转子极)的整个绕组以及贯穿沿径向(平行于转子极)的部分绕组。因此，图10和图11的布置可以促进空气移动贯穿转子的整个长度，从而增强冷却的总体效率。

图12示出了在图10和图11的实施方式中的用于创建气隙的间隔件78的一个实施方式。在该实施方式中，间隔件78被形成为单个件(或多个互锁件)，而不是如先前实施方式中的多个间隔开的件。以图10和图11所例示的方式，间隔件被设计成位于两组绕组之间。

参照图12，间隔件78总体上是环形的，并且被设计成使得在使用中，该间隔件绕转子极在两组绕组72、74之间延伸。间隔件78包括由多个立柱84和两个支承梁86隔开的顶壁80和底壁82。顶壁80和底壁82被设计成与绕组对接。立柱84和支承梁86连接顶壁和底壁，同时保持它们分开。立柱与支承梁之间的间隙88创建贯穿间隔件的通气孔(air vent)。贯穿间隔件的孔85被设置在位于端绕组之间的端部，以允许空气沿径向流向端绕组。

图13示出了被移除了顶壁的间隔件78的部分。参照图13，立柱84被用于隔开顶壁和底壁并且引导空气通过分隔件。在该实施方式中，立柱是由具有约5mm的高度和约10mm的直径的软钢制成的。支承梁86沿轴向延伸分隔件的长度。在该实施方式中，它们具有约5mm的高度和宽度。它们被用于引导空气在轴向上通过电机。在该实施方式中，顶壁80和底壁82由厚度约为1mm的软钢层压件制成。当然，应意识到，在所有情况下，可以恰当地使用不同的尺寸和不同的材料。

在制造期间，首先将一组底侧绕组72缠绕到绕组支承件(在存在的情况下)上。然后，将间隔件78在该组底侧绕组72的顶部上组装到转子上。然后，将一组顶侧绕组74在间隔件与极靴16之间缠绕在间隔件78的顶部上。这两组绕组72、74是由间隔件78隔开的一个连续线圈。然后，楔块32被插入以在转子旋转时保持绕组。

为了便于将间隔件组装到转子上，间隔件78可以设置有如图14所示的互锁接头。因此，间隔件可以被设置为两个隔开的U形件，在将该间隔件组装到转子上时，将这两个U形件接合在一起。

图15示出了本发明的另一实施方式中的被移除了顶壁的间隔件的部分。图15的间隔件包括采用与图12和图13的间隔件类似的方式的顶壁(未示出)和底壁82。该顶壁和底壁是由多个立柱84和两个支承梁86隔开的。立柱84被设置在间隔件的端部处，在那里，立柱位于端绕组之间。另外，多个梁90、92被设置成贯穿间隔件的主要部分设置，其中，梁90、92位于侧绕组之间。所述多个梁包括第一组梁90和第二组梁92，该第一组梁处于间隔件的将位于转子极的后缘上的那部分上，并且该第二组梁处于间隔件的要位于转子极的前缘上的那部分上。

如在图12和图13的布置中一样，支承梁86延伸转子芯的整个长度，并且起作用以沿轴向引导流贯穿绕组。第一组梁90平行于支承梁(即，沿轴向)延伸并且还起作用以沿轴向引导流。然而，第二组梁92相对于轴向成角度。该角度使得随着转子旋转而向内引导气流，以增强贯穿绕组的轴向气流。因此，第二组梁92可以提供与图6所示的偏转器54、56类似的功能。另选地或者另外地，可以将诸如图6所示的绕组支承件与图12到图15所示的间隔件布置中的任一间隔件布置结合使用。

已经发现，通过使用图10到图15所示类型的连续间隔件，转子可以相对容易地制造，并且可以减少或避免绕组滑移或变形到气隙中。因此，这种类型的间隔件可以适用于某些类型的电机。

若需要的话，可以贯穿转子绕组设置多个轴向通风孔，并且这些轴向通风孔中的一些或全部是由图10到图15所示类型的间隔件形成的。

在任何上述实施方式中，绕组可以由圆形导体、正方形导体或者具有任何其它恰当的横截面的导体形成。

图16(A)和图16(B)例示了使用圆形导体的本发明的实施方式。图16(A)示出了贯穿转子的轴向截面。该转子包括转子主体10，该转子主体具有多个凸极12。各个磁极皆缠绕有第一组内侧绕组22和第二组外侧绕组24。轴向和径向气隙26以在上面的实施方式中描述的方式被设置在两组绕组之间。

图16(B)更详细地示出了转子主体的部分。在该实施方式中，绕组22、24是由圆形导线导体94(即，具有圆形横截面的导线)缠绕的。该绕组是以基本正交环形绕组结构缠绕的，其中，一个层中的绕组被置于由下面的层所提供的槽中。间隔件模块28被设置在第一组绕组22与第二组绕组24之间，以便创建贯穿绕组的气隙26。L形绕组支承件30被设置在两个相邻磁极的绕组下方，以支承该绕组的底侧。如可以从图16(B)看出，绕组支承件30在每一端包括唇状缘，该唇状缘被装配到转子芯中的对应槽96中，以便将支承件保持在适当位置。在该实施方式中，还将楔固布置98设置在绕组的外侧上。该楔固布置压抵两个相邻磁极的外侧绕组，以便将绕组保持在适当位置。

图17(A)和图17(B)例示了使用正方形导体的本发明的实施方式。图17(A)和图17(B)的转子设计与上述图16(A)和图16(B)的转子设计类似。然而，在图17的布置中，绕组22、24是由正方形导体95(即，具有正方形横截面的导体)缠绕的。使用正方形导体可以允许实现更高的绕组填充因子。而且，正方形(或矩形)导体的使用允许平坦表面能够呈现给间隔件模块28以及与绕组接触的其它部分。这可以有助于在两组绕组之间提供更稳定的机械结构。

应意识到，上面仅通过示例的方式描述了本发明的实施方式，并且变型例是可能的。例如，可以将连续的间隔件与图3和图4所示的气隙一起使用。同样地，不连续的间隔件可以与图10和图11所示的气隙一起使用。对于技术人员而言，在权利要求的范围内，其它修改例将是显而易见的。

Claims (25)

1.一种用于旋转电机的转子，所述转子包括：多个凸极、缠绕在所述凸极上的转子绕组、以及贯穿所述转子绕组的冷却通风孔，所述冷却通风孔沿轴向和径向延伸贯穿所述转子绕组，其中，所述冷却通风孔沿轴向从所述转子极的一端向另一端延伸。

2.根据权利要求1所述的转子，其中，所述冷却通风孔的进入路径被设置在所述转子的在轴向上的一端处，并且所述冷却通风孔的离开路径被设置在所述转子的在轴向上的另一端处。

3.根据权利要求1或2所述的转子，其中，所述冷却通风孔在径向上延伸贯穿整个所述绕组。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的转子，其中，所述转子绕组包括处于同一转子极上的第一组绕组和第二组绕组，并且所述冷却通风孔被形成在所述两组绕组之间。

5.根据权利要求4所述的转子，其中，所述第一组绕组沿远离所述凸极的方向处于所述第二组绕组下方。

6.根据权利要求4或5所述的转子，所述转子还包括处于所述两组绕组之间的间隔件。

7.根据权利要求6所述的转子，其中，所述间隔件包括通过间隔元件保持分开以创建气道的两个平行壁。

8.根据权利要求6或7所述的转子，其中，所述转子包括多个间隔件，所述多个间隔件处于沿轴向贯穿所述绕组的间隔位置处。

9.根据权利要求8所述的转子，其中，所述绕组在所述间隔件之间的位置处被暴露至所述冷却通风孔。

10.根据权利要求8或9所述的转子，其中，各个间隔件皆被设置成使得当所述转子已经缠绕有所述第一组绕组时，所述间隔件能够利用过盈配合被保持在所述转子上。

11.根据权利要求6或7所述的转子，其中，所述间隔件绕所述转子极连续延伸。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的转子，所述转子还包括用于支承所述绕组的绕组支承件。

13.根据权利要求12所述的转子，其中，所述绕组支承件沿轴向与间隔件并置。

14.根据权利要求12或13所述的转子，其中，所述绕组支承件包括偏转器，所述偏转器用于使气流偏转到所述冷却通风孔中。

15.根据权利要求14所述的转子，所述转子包括处于两个相邻的凸极之间的轴向气道，其中，所述偏转器延伸到所述轴向气道中。

16.根据权利要求14或15所述的转子，其中，所述绕组支承件包括第一臂和第二臂，并且各个臂皆包括与所述臂成角度设置的偏转器。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的转子，所述转子还包括用于保持所述绕组的楔块，其中，所述楔块沿轴向与间隔件并置。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的转子，其中，所述绕组包括侧绕组和端绕组，并且所述冷却通风孔被形成在所述侧绕组和所述端绕组两者中。

19.根据权利要求18所述的转子，所述转子还包括端绕组支承件，所述端绕组支承件处于所述两组绕组中的所述端绕组之间。

20.一种用于旋转电机的转子，所述转子包括：多个凸极、缠绕在所述凸极上的转子绕组、以及贯穿所述转子绕组的冷却通风孔，其中，所述冷却通风孔由绕所述转子极连续延伸的间隔件形成。

21.根据权利要求20所述的转子，其中，所述冷却通风孔沿轴向和远离所述转子极的方向延伸贯穿所述绕组。

22.根据权利要求20或21所述的转子，其中，所述连续间隔件包括两个或更多个互锁件。

23.一种旋转电机，所述旋转电机包括：定子、以及根据前述权利要求中的任一项所述的转子。

24.一种缠绕用于旋转电机的转子的方法，所述转子包括多个凸极，所述方法包括以下步骤：用第一组绕组和第二组绕组缠绕凸极，在所述第一组绕组和第二组绕组之间具有冷却通风孔，所述冷却通风孔沿轴向和径向延伸贯穿所述转子绕组，其中，所述冷却通风孔沿轴向从所述转子极的一端延伸到另一端。

25.一种缠绕用于旋转电机的转子的方法，所述转子包括多个凸极，所述方法包括以下步骤：

用第一组绕组缠绕凸极；

在所述第一组绕组上插入至少一个间隔件和作业工具；

在所述间隔件和所述作业工具上缠绕第二组绕组；以及

移除所述作业工具，以在所述两组绕组之间留下气隙，所述气隙形成轴向冷却通风孔。

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