CN113924713B - 用于轴向磁通电机的定子 - Google Patents

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Abstract

根据实施例，本发明涉及一种轴向磁通电机的定子(100)，其包括围绕中心轴线(101)同轴地布置的内部结构(103)、中间结构(104)和外部结构(105)，中间结构(104)布置于内部结构(103)与外部结构(105)之间；所述内部结构(103)包括多个旋转对称布置的定子元件(500)，定子元件(500)包括铁磁芯(501)和围绕铁磁芯(501)缠绕的线圈(502)；中间结构(104)包括多个压缩元件(503)，所述压缩元件包括圆形段(504)和从所述圆形段径向地延伸的突起(505)；外部结构(105)被构造成按压所述压缩元件(503)而使其抵靠所述定子元件(500)，所述压缩元件的所述突起(505)朝向所述内部结构径向向内突伸，由此压缩线圈(502)并机械地固定定子元件(500)。

Description

用于轴向磁通电机的定子
技术领域
本发明通常涉及轴向磁通电机的领域。更具体地，本发明涉及一种用于轴向磁通电机的定子以及其生产方法。
背景技术
轴向磁通电机为现有技术中已知的具有多种不同术语的一种类型的电机机器。特别地，但不限于此，它被提名为无轭和分段电枢(YASA)电动机或发电机、无轭轴向磁通电机、轴向气隙电子电动机或发电机、轴向磁通永磁电机、或仅仅称为轴向磁通电机。这些术语可以表示这样的机器的特定实施例，然而，在本文的延续部分中，将使用术语轴向磁通电机。然而，应当理解的是，轴向磁通电机的基本原理仍然适用。
基本原理大体上是，轴向磁通电机包括与中心轴线同轴地布置的盘形或环形转子和定子结构。典型地，所述定子包括多个定子元件，每个定子元件包括围绕所述中心轴线旋转对称布置的线圈和铁磁芯，并且所述转子包括安装于轴承上的一组永磁体，以使得它可以围绕所述中心轴线旋转。根据工作条件，所述转子由源自所述定子的磁场驱动，因此所述机器作为电动机运行，或者由比如风车的外力驱动，因此所述机器作为发电机运行。与其它电机机器相比，轴向磁通电机具有更高的功率密度。换句话说，与其它机器相比，它是一台更轻的机器但是具有相似的功率。
在DE10048492A1中，公开了这样的轴向磁通电机的实施例。这里，所述机器的定子由安装于刚性壳体内部的多个定子元件形成，所述刚性壳体包括径向向内的冷却翅片，所述冷却翅片包括具有高导热性的材料。所述定子元件布置于所述冷却翅片之间，之后应用胶水以将所述定子元件固定于所述冷却翅片之间。
在文献WO2018015293A1中公开了一种包括径向向内的冷却翅片的轴向磁通电机的另一个实施例，所述轴向磁通电机包括刚性定子壳体，所述刚性定子壳体包括堆叠的电绝缘叠片或板。所述板包括被布置成装配于定子元件之间的冷却翅片。在该定子中，所述定子元件通过在所述壳体中浇铸聚合物树脂而固定于所述壳体中。
因此，本领域中已知的定子包括刚性壳体，所述刚性壳体包括径向向内的冷却翅片，多个定子元件定位于所述冷却翅片中。为了组装这样的定子，将每个定子元件定位至由此设置于所述冷却翅片之间的空腔中，并且应用胶水或聚合物树脂来固定所述定子元件。然而，可以发现几个缺点。首先，由于包括线圈的定子元件需要定位于相应的空腔中，所以所述线圈需要被围绕铁磁芯缠绕，以使得其尺寸明显小于所述空腔，以适应线圈的尺寸和形状的可能的变化。因此，在线圈与冷却翅片之间存在间隙，从而增加线圈与冷却翅片之间的热阻并且因此限制所述定子的冷却能力。其次，在缠绕时，线圈包括大量的空白空间，从而导致低的铜填充系数。因此，这限制所述定子的效率和功率。第三，通过胶水或聚合物树脂固定所述定子元件会导致定子具有有限的坚固性和可靠性，因为胶水或聚合物树脂的机械强度和耐久性受到高功率密度电动机的定子中通常出现的高温的负面影响。这限制所述定子的功率和可靠性。
因此，本发明的目的是减轻上述缺点，并且提供一种具有改进的冷却能力和更高的效率、功率和可靠性的定子。
发明内容
根据第一方面，该目的通过一种用于轴向磁通电机的定子来实现，所述定子包括：
-中心轴线，所述中心轴线在安装时对应于所述轴向磁通电机的旋转轴线；以及
-围绕所述中心轴线同轴地布置的内部结构、中间结构和外部结构，所述中间结构布置于所述内部结构与所述外部结构之间；以及
-所述内部结构包括多个旋转对称布置的定子元件，定子元件包括铁磁芯和围绕所述铁磁芯缠绕的线圈；以及
-所述中间结构包括多个压缩元件，压缩元件包括圆形段和从所述圆形段径向地延伸的突起；以及
其中所述外部结构被构造成按压所述压缩元件而使其抵靠所述定子元件，所述压缩元件的所述突起朝向所述内部结构径向向内突伸，所述中间结构由此压缩所述线圈并且机械地固定所述定子元件。
因此，所述定子包括三个主要部件，即内部结构、中间结构和外部结构。当所述轴向磁通电机的旋转轴线被安装为公共中心轴线时，这些部件围绕所述轴向磁通电机的旋转轴线同轴地布置。更具体地，所述内部结构被定位成最靠近于所述中心轴线，所述外部结构被定位成最远离所述中心轴线，并且所述中间结构位于所述内部结构与外部结构之间。
所述内部结构包括多个定子元件，所述多个定子元件围绕所述中心轴线同轴地且旋转对称地布置。所述定子元件各自包括铁磁芯和围绕所述铁磁芯缠绕的线圈。
进一步，所述中间结构包括多个压缩元件。压缩元件包括圆形段和从所述圆形段径向地延伸的突起。所述圆形段围绕所述中心轴线延伸并且包括弯曲表面。当安装时，垂直于该弯曲表面，所述突起朝向所述中心轴线径向地延伸。根据实施例，压缩元件包括由聚合物、金属和/或陶瓷材料所构成的组中的一种。
所述定子进一步包括外部结构，所述外部结构被构造成将具有相应的突起的所述压缩元件径向向内按压抵靠所述内部结构。通过向内并且抵靠所述内部结构按压所述压缩元件，第一个效果是所述线圈沿围绕所述中心轴线的方向被所述突起压缩，从而沿切向方向固定所述定子元件。第二个效果是所述线圈沿朝向所述中心轴线的方向被所述压缩元件的圆形段压缩，从而沿径向方向固定所述定子元件。所述外部结构例如为被构造成围绕所述中间结构放置或包裹的带或环形结构。所述带例如可以包括一个封闭的整体，或者例如可以围绕所述压缩元件包裹。此外，所述带可以包括适合于吸收力的金属纤维增强材料或纤维增强材料，并且可以被按压抵靠所述压缩元件的圆形段。
可以确定不同的优势。首先，通过沿径向方向和切向方向同时固定所述定子元件，由此则提供足够的坚固性。进一步，压缩所述线圈使每个线圈中的空白空间减少，从而使所述定子的铜填充系数更高。进一步，所述突起可以充当冷却翅片，例如当包括比如铝合金、铜合金或任何其它适合于传递热量的材料的金属时。将所述突起按压抵靠所述线圈产生良好的热接触。在所述定子的中间结构中散发的热量然后可以被有效地朝向所述外部结构传递。结果，与包括刚性壳体的相同尺寸的定子相比，使用所述多个压缩元件代替刚性壳体，冷却能力、效率以及功率增加。与包括刚性壳体的定子相比，坚固性和可靠性也增加。
根据一个实施例，压缩元件包括锯齿状表面，所述锯齿状表面被构造成在固定时阻挡定子元件的径向和/或轴向运动。
所述压缩元件的表面可以为锯齿状的，以使得当固定定子元件时，所述定子元件的相对于所述压缩元件的运动被阻止。换句话说，所述压缩元件的表面为带有肋的或为锯齿状的，以使得压缩元件的表面能够抓住它所固定的定子元件的表面。正因为如此，运动被阻止。这进一步增加所述定子的坚固性，从而在包括所述定子的轴向磁通电机运行时提供更多的稳定性和安全性。此外，所述锯齿状表面容许更容易地安装所述定子。当压缩元件在两个相邻的定子元件之间被插入至所述中间结构中时，所述锯齿状表面将确保所述压缩元件保持于适当位置中。
根据一个实施例，压缩元件被构造成通过舌槽连接由所述外部结构固定。
所述外部结构在面对所述中心轴线的表面处包括舌或槽，而所述中间结构处的压缩元件包括相对应的槽或舌，从而形成所述舌槽连接。优选地，所有压缩元件通过至少一个舌槽连接与所述外部结构单独联接。这样，所述中间结构处的大电动机扭矩可以被安全地且有效地传递至所述外部结构。
根据一个实施例，压缩元件被进一步构造成通过焊接接头、胶合接头或粘合剂结合由所述外部结构固定。
另外，或者替代地，所述压缩元件可以通过焊接接头、胶合接头和/或粘合剂结合所构成的组中的一种由所述外部结构进一步固定。对于每个压缩元件，指向所述外部结构的表面被焊接或胶合至所述外部结构的面对所述压缩元件的表面。
根据一个实施例，压缩元件进一步包括增强件。
所述增强件沿所述突起的方向、沿所述圆形段的方向或沿这两个方向加强所述压缩元件。所述增强件被进一步构造成在固定所述定子元件时吸收固定力。所述增强件包括适合于吸收所述固定力的高强度材料。所述增强件例如为金属材料、陶瓷材料和/或纤维材料。提供增强件的一个优势是可以在专用区域中增强所述压缩元件，从而容许在不同的区域中使用具有合适的性能的材料。
根据一个实施例，所述中间结构进一步包括柔性构件，所述柔性构件被构造成联接相邻的压缩元件。
所述压缩元件可以进一步通过柔性构件连接至彼此。所述柔性构件例如为联接相邻的压缩元件的条带。因此，可以使用多个柔性构件来联接不同的相邻的压缩元件。可选地，所述柔性构件包括可以围绕所述压缩元件包裹的柔性环。使用一个或多个柔性构件的优势是所述压缩元件被保持于适当位置中，从而便于所述定子的安装。
根据一个实施例，所述柔性构件通过相邻的压缩元件的相应的圆形段联接相邻的压缩元件。
所述圆形段和柔性构件可以被构造和成形为使得相邻的压缩元件可以通过它们的相应的圆形段(例如通过其边界)联接或连接至彼此。这样，所述中间结构的背离所述中心轴线的外表面为平滑的或规则的表面而没有半径的变化。换句话说，通过将所述圆形段与所述柔性构件连接，所述中间结构的外表面形成具有恒定外径的无缝环形壁。然后，所述外部结构可以容易地围绕该外表面安装以固定所述中间结构。
根据一个实施例，柔性构件被进一步构造成在联接时容许所述相邻的压缩元件之间的相对运动。
优选地，所述柔性构件被进一步构造成联接相邻的压缩元件，同时容许它们所联接的压缩元件之间的相对运动。这样，当所述压缩元件和/或定子元件由于所述定子的在运行期间的温度循环而膨胀时，机械应力不会累积。
根据第二方面，本发明涉及一种包括根据本发明的第一方面的定子的轴向磁通电机。
根据第三方面，本发明涉及一种用于组装根据第一方面的定子的方法，所述方法包括以下步骤：
-围绕所述中心轴线旋转对称地定位所述定子元件，以使得两个相邻的定子元件之间存在孔隙；以及
-将压缩元件通过它们的相应的突起插入于所述孔隙中；以及
-通过安装所述外部结构来固定所述定子元件。
附图说明
现在将参考附图描述一些示例实施例。
图1示出根据本发明的实施例的轴向磁通电机的定子；以及
图2示出根据本发明的实施例的定子的横截面；以及
图3示出根据图1的定子的分解图；以及
图4示出根据图1和图3的定子的半分解图；以及
图5A示出包括铁磁芯和线圈的定子元件，并且图5B示出根据本发明的实施例的压缩元件；以及
图6A和图6B示出根据本发明的实施例的外部结构与压缩元件之间的舌槽连接；以及
图7示出根据本发明的实施例的定子的另一个视图；以及
图8A和图8B示出根据本发明的实施例的压缩定子元件的线圈的压缩元件；以及
图9示出联接相邻的压缩元件的柔性构件的详细视图。
具体实施方式
根据一个实施例，本发明涉及一种用于轴向磁通电机的定子。图1示出这样的定子。定子100包括内部结构103、中间结构104和外部结构105。内部结构103、中间结构104和外部结构105围绕中心轴线101布置。当安装时，该中心轴线101对应于轴向磁通电机的旋转轴线。此外，中间结构104布置于内部结构103与外部结构105之间。
内部结构103包括多个定子元件。图5A示出这样的定子元件500，所述定子元件包括铁磁芯501和在安装时围绕铁磁芯501缠绕的线圈502。中间结构104包括多个压缩元件。图5B示出这样的压缩元件503，所述压缩元件包括圆形段504和从圆形段504径向地延伸的突起505。
为了组装或安装定子100，压缩元件503被构造成以它们的相应的突起505插入至内部结构103中，用以压缩线圈502，以使得定子元件500被固定。在图3中，示出图1的定子100的分解图300，用于进一步示出定子100的构造。定子元件500围绕中心轴线101旋转对称地布置。同样，压缩元件503以它们的相应的突起505被布置成使得突起在两个相邻的定子元件500之间指向中心轴线101。
接下来，如图8A和8B中所示，压缩元件503被按压抵靠定子元件500。在图8A中，示出压缩之前的情况或情形。在这种情形下，线圈502围绕铁磁芯501缠绕，由此仍然存在间隙，如间隙800和801所示。在图8B中，示出压缩元件503以它们的突起505通过按压抵靠线圈502来压缩定子元件500的情形。这样，间隙被消除，如附图标记810和811所示，从而增加铜填充系数并且增加线圈502与压缩元件503之间的热接触，并且机械地固定定子元件500。压缩元件503可以进一步由外部结构105固定。
通过外部结构105进行的固定可以进一步由图4示出，该图示出定子的半分解图400。在该视图400中，压缩元件503被按压抵靠定子元件500，从而压缩线圈，如图8B中所示，并且机械地固定定子元件500。接下来，外部结构105可以安装于压缩元件503的外圆周处、由此安装于圆形段504处，以固定定子100。由于压缩元件503径向向内按压抵靠定子元件500，所以定子元件围绕中心轴线101沿切向方向相对于彼此施加力。进一步，由于定子元件500的饼形形状，并且由于它们通过之间的压缩元件503的突起505的作用而相对于彼此施加力，所以定子100被牢固地安装。
外部结构105可以进一步包括带，所述带可以围绕压缩元件503夹紧。如图4中所示，所述带可以被构造成一个部件105，并且在组装时被放置于压缩元件503上，以使得压缩元件503以及因此另外定子元件500被固定。
压缩元件503和外部结构105可以进一步被构造成通过一个或多个舌槽连接来连接。这在图6A和6B中示出。在压缩元件503的圆形段504处，可以存在槽600，而在外部结构105的内表面处存在舌-槽连接600-601的相对应的舌601。通过舌槽连接600、601，压缩元件503联接至外部结构105。这样，源自内部结构103的扭矩可以被安全地传递至外部结构105。可选地，可以通过焊接、胶合或以其它方式将圆形段504固定至外部结构105来进行联接。
如图6A和6B中所示，可以存在多个舌槽连接，以将多个压缩元件503连接至外部结构105。可选地，仅仅有限数量的压缩元件503包括槽601，同时在外部结构105处仅仅在相对应的位置处存在舌601。
压缩元件503可以进一步包括锯齿状表面，如阴影表面510所示。通过锯齿状表面，压缩元件503可以在固定线圈502时抓住线圈502的外表面，从而在安装时阻止定子元件500的径向和/或轴向运动。换句话说，锯齿状表面有助于固定定子元件。
压缩元件503可以由聚合物制成，由玻璃纤维或碳纤维增强，并且可以在最高应力区域处进一步由金属插入件或陶瓷插入件增强。
在图7中，示出定子的另一个分解图。在该视图700中，示出柔性构件701，所述柔性构件通过相邻的压缩元件的相应的圆形段503连接相邻的压缩元件。柔性构件701一方面联接压缩元件，另一方面容许它们之间的相对运动，例如当由于定子中的散热而膨胀时。进一步，在图9中，示出由柔性构件701联接的压缩元件503的详细视图900。
尽管已经参考特定实施例示例说明了本发明，但是对于本领域技术人员而言将显而易见的是，本发明不限于前述示例说明性实施例的细节，并且本发明可以在不脱离其范围的情况下被以各种改变和修改实施。因此，当前的实施例在所有方面都被认为是示例说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是由前面的描述来指示，并且因此落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变都被包含于其中。换句话说，本申请预期涵盖落入基本的根本原理的范围内并且本质属性在本专利申请中被要求保护的任何和所有修改、变化或等同物。本专利申请的读者还将理解的是，词语“包括”不排除其它元件或步骤，词语“一”、“一个”不排除多个，并且单个元件(比如计算机系统、处理器或另一个集成单元)可以实现权利要求中所列举的几个装置的功能。权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为限制相关的相应的权利要求。当在说明书或权利要求书中使用时，术语“第一”、“第二”、“第三”、“a”、“b”、“c”等等被引入以区分相似的元件或步骤，并且不一定描述相继顺序或时间顺序。类似地，引入术语“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等等是出于描述的目的，并且不一定表示相对位置。应当理解的是，如此使用的术语在适当的环境下是可互换的，并且本发明的实施例能够根据本发明以不同于上文所描述或所示例说明的其它顺序或取向操作。

Claims (11)

1.一种用于轴向磁通电机的定子(100)，所述定子(100)包括：
-中心轴线(101)，所述中心轴线在安装时对应于所述轴向磁通电机的旋转轴线；以及
-围绕所述中心轴线(101)同轴地布置的内部结构(103)、中间结构(104)以及外部结构(105)，所述中间结构(104)布置于所述内部结构(103)与所述外部结构(105)之间；并且
-所述内部结构(103)包括多个旋转对称布置的定子元件(500)，定子元件(500)包括铁磁芯(501)和围绕所述铁磁芯(501)缠绕的线圈(502)，
其特征在于：
-所述中间结构(104)包括多个压缩元件(503)，压缩元件(503)包括圆形段(504)和从所述圆形段径向地延伸的突起(505)；并且
所述外部结构(105)被构造成按压所述压缩元件(503)而使其抵靠所述定子元件(500)，所述压缩元件的所述突起朝向所述内部结构径向向内突伸，所述中间结构(104)由此压缩所述线圈(502)并且机械地固定所述定子元件(500)。
2.根据权利要求1所述的定子(100)，其中，压缩元件(503)包括锯齿状表面(510)，所述锯齿状表面被构造成在固定时阻止定子元件(500)的径向和/或轴向运动。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的定子(100)，其中，压缩元件(503)被构造成通过舌槽连接(600-601)由所述外部结构(105)固定。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的定子(100)，其中，压缩元件(503)被进一步构造成通过焊接接头、胶合接头或粘合剂结合由所述外部结构(105)固定。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的定子(100)，其中，压缩元件(503)包括由聚合物、金属和/或陶瓷材料所组成的组中的一种。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的定子(100)，其中，压缩元件(503)进一步包括增强件。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的定子(100)，其中，所述中间结构(104)进一步包括柔性构件(701)，所述柔性构件被构造成联接相邻的压缩元件(503)。
8.根据权利要求7所述的定子(100)，其中，柔性构件(701)借助于相邻的压缩元件(503)的相应的圆形段(504)联接相邻的压缩元件(503)。
9.根据权利要求7至8中的任一项所述的定子(100)，其中，柔性构件(701)被进一步构造成当联接时容许相邻的压缩元件(503)之间的相对运动。
10.一种轴向磁通电机，包括根据前述权利要求中的任一项所述的定子(100)。
11.一种用于组装根据权利要求1至9中的任一项所述的定子(100)的方法，所述方法包括以下步骤：
-围绕所述中心轴线(101)旋转对称地定位所述定子元件(500)，以使得两个相邻的定子元件(500)之间存在孔隙；以及
-将压缩元件(503)通过它们的相应的突起(505)插入于所述孔隙中；以及
-通过安装所述外部结构(105)来固定所述定子元件(500 )。
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