CN114600351A - 具有环形绕组的机器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电机，该电机包括：支承N个环形线圈的轭以及包括永磁体的中心转子。轭由多个定子模块组成，所述定子模块具有由软铁磁材料制成的至少一个定子芯，所述定子芯支承至少一个线圈。定子芯在其前端具有提供磁与机械的连续性的互补联接表面。该电机还包括：‑由导热材料制成的圆柱形外壳，‑多个连续不断且实心的纵向肋，所述纵向肋径向延伸并定位在圆柱形外壳与定子模块之间，以确保轭相对于外壳的机械定位，并且促进热量从轭朝向外壳的热传导。

Description

具有环形绕组的机器
技术领域
本发明涉及无刷永磁电机领域，该无刷永磁电机由轭组成，所述轭由形成多边形或圆形横截面结构并容纳围绕该结构的臂的环形线圈的模块组成。
包括直径圆柱形磁体的转子与电线圈产生的旋转磁场相互作用。这种类型的电机不同于其他具有在磁极齿之间产生场线的绕线轭的带槽电机。因为由于旋转磁体附近没有齿以及更大的磁气隙使得剩余转矩(无电流)以及定子和转子处的各种铁损最小，所述这些环形结构特别有利于马达高速旋转。
背景技术
现有技术中已知的是美国专利申请US2012128512，其描述了一种用于涡轮增压器的高速多相马达，该高速多相马达包括定子和转子。转子装配有涡轮。定子包括铁磁芯和绕组，所述绕组被构造为一系列线圈，这些线圈环形地缠绕在定子芯周围并且物理上分隔开以形成开放空间。外壳被构造成在所述定子芯与所述外壳之间形成额外的开放空间，该开放空间由所述转子和定子芯在内部限制的冷却通道组成。
还已知欧洲专利申请EP0754365描述了一种电动机，其包括：
-孔密封管；
-单个转子，其包括位于孔密封管内的一对相同同轴圆柱形双极永磁体部分；
-非磁性保持箍，其被定位在孔密封管内；
-一对非磁性短轴，其被定位在孔密封管内并由非磁性保持箍支承，所述非磁性短轴中的每一者被定位在一对所述部分的对应永磁体部分的一端上；
-非磁性分离器，其被定位在孔密封管内，以分离和轴向定位一对永磁体部分；
-非磁性保持箍，其围绕并保持永磁部分、短轴和非磁性分离器；
-一对定子，所述一对定子中的每一者被定位在孔密封管外部，所述一对定子中的每一者与一对所述部分的对应磁化部分有操作关系；
-保持器，其围绕一对定子；以及
-所述保持器和所述孔密封管配合以保持一对定子与所述单个转子的对应磁化部分有操作关系，从而串联地保持所述磁化部分和所述对应定子以提供冗余电动机构造。
专利申请US2018175706描述了一种用于组装形成定子芯的定子组件。该定子组件包括齿和轭。齿的一端连接到轭。轭具有内侧、外侧、第一联接侧和第二联接侧。第一联接侧还包括第一接合结构，并且第二联接侧还包括第二接合结构。第二接合结构对应于第一接合结构。外侧具有凹槽。凹槽具有侧面和底面。在侧面与底面之间限定了角度，并且该角度在135°至165°的范围内。
日本专利申请JPS5970154描述了马达的另一示例，该马达可以简单地通过在定子芯上安装非磁性间隔环之后在该芯上缠绕环形绕组来组装和拆卸。分裂芯的两个零件在槽的内周和上下端面两者上都形成有绝缘层。与芯的分裂部分类似地分裂的间隔环被分别安装在芯的外半径表面上。安装环后，在轭上针对所有芯的每个槽形成环形绕组。绕组完成后，将分裂芯粘成圆形形状，并在环的突起外周上安装钢板框架，从而完成定子。
专利申请US2002089242描述了一种电机，该电机包括定子芯，该定子芯具有第一端和第二端并在其中具有绕组，绕组的端匝从定子芯的第一端和第二端突出。转子被可旋转地定位在定子芯内。第一组层压铝环和第二组层压铝环分别抵靠定子芯的第一端和第二端定位，从而与壳体接触。导热灌封材料被定位在定子芯的第一端和第二端处的端匝与相应的第一环组件与第二环组件之间，从而形成从端匝通过灌封材料和环组件到壳体的散热路径。
现有技术的缺点
现有技术的解决方案仍然存在由在轭的结合处产生的磁噪声(例如由于流体在薄条材料之间的强制循环)造成的噪声污染源。此外，由于电导体与外部介质(壳体或凸缘)的交换表面小的事实，因此当机器必须在小直径(通常小于100毫米)内提供几千瓦的功率时，散热还远远不够。此外，根据现有技术的电机的制造和组装(尤其是将它们集成到外部环境中)相对复杂。
特别是，在专利US2012128512提出的解决方案中，绕线定子的热量通过散热片在管状冷却空间中散热、通过空气中的对流而排出，这使得不能确保足够的效率，或者需要气流在该管状空间中循环。
发明内容
本发明旨在解决这些缺点。为此，在其最一般的意义上，它涉及一种电机，该电机包括支承N个环形线圈的轭以及包括永磁体的中心转子，
·所述轭由多个定子模块组成，所述定子模块具有由软铁磁材料制成的至少一个芯，所述至少一个芯支承至少一个线圈，
其特征在于，
·所述定子模块在所述芯的前端处具有互补的联接表面，从而提供磁与机械的连续性(continuity)，
-所述电机还包括：由导热材料制成的圆柱形外壳，
-多个连续不断(continuous)且实心的纵向肋，所述纵向肋径向延伸并定位在所述圆柱形外壳与所述定子模块之间，以确保所述轭相对于所述圆柱形外壳的机械定位，并且促进热量从所述定子模块朝向所述圆柱形外壳的热传导。
在本发明的含义内，“连续不断且实心的纵向肋”是指突出部分，从而形成材料块或轧制片材的封装件，以形成没有空隙的块。
在一个实施方式中，
·所述轭由N/2个定子模块组成，该定子模块由软铁磁材料制成，具有两个被称为臂的定子芯，
·所述两个臂相对于径向中间平面对称地延伸，
·所述臂的每一者支承线圈，
·所述臂在这些臂的前端具有互补的组装区，从而提供磁连续性。
可选地，所述定子模块具有由软铁磁材料制成的两个定子芯，所述定子芯在连续不断且实心的肋的指向与所述转子相反的一侧的任一侧上延伸并且与由导热材料制成的所述圆柱形外壳的内表面接触。
然后，所述圆柱形外壳可以由具有径向延伸肋的导热材料制成，所述肋的前端与由软铁磁材料制成的所述定子芯在两个相邻的臂的相交处接触。
通常，在轭与圆柱形外壳之间提供热传导的多个纵向连接件或纵向肋是连续不断且实心的。“连续不断且实心”是指这些连接件不是由被气刀隔开的多个材料条组成，而是具有材料的连续性，以促进支承线圈的轭与外壳之间的导热性。举例来说，这些纵向连接件可以由单件材料、由若干单件元件的组装或由堆叠的片材制成。然而，这些示例不是对本发明的限制，并且可以设想本领域技术人员会考虑经由纵向连接件促进热量从轭部排出以便将其朝向外壳体排放的任何设计。相反，旨在经由纵向连接件通过流体传导或自然或强制对流的传导直接排放热量的设计不是期望的效果。因此，如果纵向连接件是由被气隙稍微隔开的多个径向元件构成的，就所要求保护的效果而言，这不会带来热量排放的优势。
可选地，所述肋和/或所述前端具有倒角，以允许将所述轭强制并入所述圆柱形外壳中，和/或所述肋与两个连续(consecutive)的定子模块的侧向端部接触，以确保构成所述轭的定子模块的定位。
在一个另选实施方式中，所述轭由N个定子模块组成，每个定子模块具有由软铁磁材料制成的定子芯，该定子芯支承线圈，所述线圈的匝被布置在平面中，所述平面在所述线圈的中间横向平面的任一侧上形成增大的角度，
-所述定子芯在这些定子芯的前端具有互补的组装区，从而提供磁连续性，
-所述电机还包括具有N个纵向肋的圆柱形外壳，所述圆柱形外壳的内前表面与两个相邻的定子芯的连接区的外表面接触，以确保所述轭相对于所述圆柱形外壳的机械楔入以及将热量从所述轭热传导到所述圆柱形外壳。
在另一实施方式中，由作为比空气好的导热体的非磁性材料制成的在轴向方向上堆叠的片材被定位在所述外壳与所述线圈之间的相交处，所述堆叠的片材优选与所述外壳和所述线圈接触。
在一个变型中，导热材料被布置在所述外壳与所述线圈之间的相交处，所述导热材料优选与所述外壳和所述线圈接触。
附图说明
通过参考附图阅读以下本发明的非限制性示例的详细描述，将更好地理解本发明，其中：
[图1]图1示出了第一实施方式的横截面视图，
[图2]图2示出了第一变型实施方式的横截面视图，
[图3]图3示出了第二变型实施方式的横截面视图，
[图4]图4示出了第三变型实施方式的横截面视图，
[图5]图5示出了第四变型实施方式的横截面视图，
[图6]图6示出了第五变型实施方式的横截面视图，
[图7]图7示出了第六变型实施方式的横截面视图。
具体实施方式
本发明涉及一种定子的构造，所述定子包括由全部相同的多个模块形成的轭。每个定子模块具有至少一个定子芯(218)，该定子芯(218)垂直于穿过该定子芯(218)中部的半径延伸并且被线圈(211)围绕。
该定子芯(218)经由连续不断且实心的纵向连接件机械联接且热联接至围绕定子的圆柱形外壳(200)，该纵向连接件具有矩形横截面，在以下两者之间在定子的整个长度上延伸：
a)圆柱形外壳(200)的内表面，以及
b)两个定子芯(218、226)的结合区。
这些纵向连接件具有双重功能：
-定子模块相对于圆柱形外壳(200)的机械楔入
-将线圈(211)产生的热量热传递至圆柱形外壳(200)。因此，纵向连接件是连续不断且实心的(可能是层压的)，以使定子的轭与圆柱形外壳(200)之间的热导率最大。然后，圆柱形外壳(200)本身与冷却的壳体相关联、与散热片相关联、或者直接确保将热量排放到马达的外部。
为此，定子模块与圆柱形外壳(200)之间的连接要么是通过材料的连续性来实现，要么是通过确保与铁磁材料直接接触的紧密配合来实现。
以下描述说明了基于此一般原理的不同实现的另选方案，其中：
-定子模块由芯形成，所述芯被其线圈围绕，然后纵向连接件是在圆柱形外壳(200)的内表面延伸的整体肋，这些肋具有纵向凹槽，在该纵向凹槽中，外边缘配合两个连续的定子芯(218、226)(无间隙)，
或
-定子模块具有“Y”形横截面，然后脚部形成纵向连接件，该纵向连接件的前表面紧紧顶靠圆柱形外壳(200)的内表面，并且两个臂构成两个定子芯(216、218)，每个定子芯都支承线圈，两个相邻定子模块的臂的纵向前表面紧密接触，
或
-模块具有“U”形横截面，然后“U”的两个分支形成连续不断而实心的纵向连接件，该纵向连接件的前表面紧紧顶靠圆柱形外壳(200)的内表面，并且连接“U”的两个分支的区构成支承线圈的芯(218)，两个相邻定子模块的臂的纵向前表面紧密接触，
或
-这两种解决方案的混合：交替地在圆柱形外壳(200)上形成“Y”形构造和肋，以及更一般地，确保以下项的任何构造：
a)在芯(218)的纵向前端之间无间隙且具有铁磁、热与机械的连续性的连续性或组装；
b)在两个连续的定子芯(218、226)的纵向前结合区与圆柱形外壳(200)之间无间隙且具有热与机械的连续性的连续性或组装。
组件能够通过设有线圈(211、261、227、231、241、251)的定子模块在圆柱形外壳(200)中的纵向滑动来组装，并且在模块定位后组件无间隙。
第一实施方式的详细描述
图1示出了第一实施方式的横截面视图。
电机包括转子(100)，该转子具有径向磁化的管状磁体，其覆盖有箍(不可见)，以防止高速机器在离心力的作用下拉出颗粒。
它包括金属圆柱形外壳(200)，该金属圆柱形外壳例如通过模制、铸造或甚至通过成型来制造，围绕包括环形线圈(211、261；227、231；241、251)和呈三个纵向定子模块(215、225、245)集合形式的轭的定子，所述定子模块具有“Y”形截面，在两个定子芯(216、218；226、228；240、250)的任一侧分别延伸有肋，这些定子芯由软铁磁材料制成，最好是一堆叠的片材。每个定子芯(216、218、226、228、240、250)分别被线圈(211、261；227、231；241、251)围绕。
线圈(211、261、227、231、241、251)由倾角会变化的导电材料(例如铜或铝)的匝形成。由绕组开始处的匝形成的平面(302)与径向平面(300)形成开角。对于平面与径向平面(300)重合的中间匝，该角度减小到变为零，然后匝平面与径向平面(300)之间的该角度在相反方向上再次增大，直到绕组结束，其中，匝(303)的角度相对于径向平面(300)再次具有开角。此外，在定子芯(216、218；226、228；240、250)的任一侧，定子内部和外部的绕组部分不相同。实际上，为了优化机器的整体体积，也为了优化马达的性能，定子芯(216、218；226、228；240、250)外部的匝分布在所形成的多边形侧面的整个长度上。这种构造允许绕组的铜体积最大，同时限制机器的外径和体积。
在本实施方式中，通过形成横截面中的“Y”的脚部的纵向肋(312、332、352)(所述纵向肋与圆柱形外壳(200)接触)的前表面的外部形状来确保定子模块相对于圆柱形外壳(200)的楔入。圆柱形外壳(200)通常由具有良好导热特性的材料(例如铝)制成，这还允许定子模块(215、225、245)在机器操作期间传导由线圈(211、261、227、231、241、251)产生的热通量。
第二变型实施方式的详细描述
在图2所示的实施方式中，通过以下方式确保定子模块相对于圆柱形外壳(200)的楔入：首先通过延伸圆柱形外壳(200)内表面的纵向肋(212、232、252)，并且通过具有被构造成容纳两个相邻定子模块的连接区的外表面的内边界。
为此，纵向肋(212、232、252)具有“V”形凹槽(213、233、253)，在“V”形凹槽中，由两个相邻定子芯(216、250；218、226；228、240)形成的边缘在组装期间能够纵向滑动，并确保在安装后楔入到圆柱形外壳(200)内部。
三个定子模块(215、225、245)的外纵向表面也确保了楔入，所述外纵向表面具有圆形接触表面，其中曲率半径对应于圆柱形外壳(200)的内表面的曲率半径。
三个定子模块(215、225、245)与圆柱形外壳(200)之间的接触以及纵向肋(212、232、252)与定子芯(218、226、228、240、250、216)的边缘之间的接触提供机械楔入和热传导桥，从而允许排放机器的电线圈(211、261、227、231、241、251)产生的热量。
第三变型实施方式的详细描述
图3示出了一个实施方式的横截面视图，该实施方式与前述实施方式的不同之处在于它仅包括径向延伸圆柱形外壳(200)的纵向肋(212、312、232、332、252、352)来作为楔形元件以及圆柱形外壳(200)与没有肋的定子芯(218、226、228、240、250、216)之间的热接触。
有利地，肋(212、312、232、332、252、352)的端部具有倒角，以利于在组装时的相对定位。
特别是，这些肋(212、312、232、332、252、352)具有“V”形凹槽(213、313、233、333、253、353)，以确保两个相邻定子芯的连接区的楔入。
定子的轭可以通过轴向滑动而插入圆柱形外壳(200)中，定子芯(216、218、226、228、240、250)的连接区在纵向肋(212、312、232、332、252、352)的“V”形凹槽(213、313、233、333、253、353)中滑动。
这些径向元件确保了热传递，也确保了轭相对于圆柱形外壳(200)的机械楔入。
其他实施方式的详细描述
图4至图6示出了变型实施方式，目的是提高机器朝向圆柱形外壳(200)的散热性能。为此，建议用导热但非磁性材料来填充机器与圆柱形外壳(200)之间的自由空间，从而使机器操作期间感应电流的发展最小。在本示例中，提出了一堆叠的铝制片材(400、410、420、430、440、450、401)。由于在轴向方向(该方向垂直于马达的大部分磁场线)上堆叠片材(400、410、420、430、440、450、401)将限制感应电流的发展并因此导致的损失，因此，在不干扰机器运行的情况下使热传导最大。
这些堆叠的片材(400、410、420、430、440、450、401)的形状可能会有所不同。在图4的第一示例中，该形状尽可能紧密地环抱线圈(211、261、227、231、241、251)和定子芯(216、218、226、228、240、250)。这些堆叠的片材(400、410、420、430、440、450)具有弓形刀片形状，以允许它们抵靠圆柱形外壳(200)的内表面被容纳在两个连续的肋之间。使堆叠的片材(400)尽可能靠近散热源线圈。
在图5的第二示例中，堆叠的片材(401)形成环，所述环同轴地容纳在圆柱形外壳(200)内。片材的这个环具有肋(212、312、232、332、252、352)，从而确保定子的机械楔入以及在支承线圈的定子的轭与圆柱形外壳(200)之间的热传递。
在图6的第三示例中，堆叠的片材(400、410、420、430、440、450)采用局部插入外壳(200)与线圈之间的纵向刀片的形式。与图3示例的情况一样，肋(212、312、232、332、252、352)是圆柱形外壳(200)内部延伸。
这些示例不是限制性的，在不脱离本发明的情况下可以提出其他变型。
实际上，本发明不限于使用铝制片材。堆叠的片材可以由得益于比空气好的导热特性的另一种材料制成。类似地，可以使用任何实心材料，只要它是比空气好的热导体并且是非磁性和电绝缘的，或者相对于铁具有较差的磁性和电学特性。
变型实施方式的详细描述
图7示出了一个实施方式的横截面视图，该实施方式与前述实施方式的不同之处在于定子芯(218、226、228、240、250、216)在每一端延伸了一延伸部(412、562；422、512；432、522；442、532；452、542；462、552)，从而使所述定子芯呈“U”形。两个单独(separate)的定子芯的成对的所述延伸部(412、512；422、522；432、532；442、542；452、552；462、562)被组装以形成纵向肋来作为楔形元件和圆柱形外壳(200)与各种定子芯(218、226、228、240、250、216)之间的热接触。
定子的轭可以通过轴向滑动插入外壳中，肋在其径向端部具有与圆柱形外壳(200)互补的形状。
延伸部(412、422、432、442、452、462)和延伸部(512、522、532、542、552、562)具有互补的形状(例如燕尾榫)，从而通过轴向滑动配合以固接两个相邻定子芯。

Claims (11)

1.一种电机，所述电机包括：轭，所述轭支承N个环形线圈(211、261；227、231；241、251)；以及中心转子(100)，所述中心转子包括永磁体，
·所述轭由多个定子模块组成，所述多个定子模块具有由软铁磁材料制成的至少一个芯(216、218、226、228、240、250)，所述至少一个芯支承至少一个线圈(211、261；227、231；241、251)，
其特征在于，
·所述多个定子模块在所述芯(216、218、226、228、240、250)的前端处具有互补的联接表面，从而提供磁与机械的连续性，
-所述电机还包括：由导热材料制成的圆柱形外壳(200)，
-连续不断且实心的多个纵向肋(212、312、232、332、252、352)，所述多个纵向肋径向延伸并定位在所述圆柱形外壳(200)与所述多个定子模块之间，以确保所述轭相对于所述圆柱形外壳的机械定位，并且促进热量从所述多个定子模块朝向所述圆柱形外壳(200)的热传导。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述多个纵向肋(212、312、232、332、252、352)径向延伸所述圆柱形外壳(200)或由软铁磁材料制成的所述多个定子模块中的一个定子模块，或者所述多个纵向肋(212、312、232、332、252、352)以导电材料的形式被放置在所述圆柱形外壳(200)与所述多个定子模块之间的相交处。
3.根据权利要求1或2中的一项所述的电机，其特征在于，所述线圈为布置在平面中的绕线匝的形式，所述平面在所述线圈的中间横向平面的任一侧上与径向平面形成增大的角度，使得所述线圈在所述轭的内部的径向厚度大于在所述轭的外部的径向厚度。
4.根据权利要求1、2或3中的一项所述的电机，其特征在于，
·所述轭由N/2个定子模块(215、225、245)组成，所述N/2个定子模块由软铁磁材料制成，具有被称为臂的两个定子芯(216、218；226、228；240、250)，
·所述两个臂相对于径向中间平面对称地延伸，
·所述臂中的每一个臂支承线圈(211、261；227、231；241、251)，
·所述臂在这些臂的前端具有互补的组装区，从而提供磁连续性。
5.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，由软铁磁材料制成的所述定子模块具有两个定子芯，所述两个定子芯在肋的指向与所述转子相反的一侧的任一侧上延伸，并且与由导热材料制成的所述圆柱形外壳的内表面接触。
6.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，由导热材料制成的所述圆柱形外壳具有径向延伸的肋，所述肋的前端与由软铁磁材料制成的所述定子芯在两个相邻的定子模块的相交处接触。
7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述肋和/或所述前端具有倒角，以允许将所述轭强制并入所述圆柱形外壳中。
8.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述肋与两个连续的定子芯的侧向端部接触，以确保构成所述轭的所述定子芯的定位。
9.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述轭由N个定子模块组成，每个定子模块具有由软铁磁材料制成的定子芯，所述定子芯支承线圈，所述线圈的匝被布置在平面中，所述平面在所述线圈的中间横向平面的任一侧上形成增大的角度，
·所述定子芯在这些定子芯的前端具有互补的组装区，从而提供磁连续性，
·所述电机还包括具有N个纵向肋的圆柱形外壳(200)，所述圆柱形外壳(200)的内前表面与两个相邻的定子芯的连接区的外表面接触，以确保所述轭相对于所述圆柱形外壳(200)的机械楔入以及将热量从所述轭热传导到所述圆柱形外壳(200)。
10.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，由作为比空气好的导热体的非磁性材料制成的在轴向方向上堆叠的片材(400)被定位在所述圆柱形外壳(200)与所述线圈(211、261；227、231；241、251)之间的相交处，所述堆叠的片材(400)优选与所述圆柱形外壳(200)和所述线圈(211、261；227、231；241、251)接触。
11.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，在所述圆柱形外壳(200)与所述线圈(211、261；227、231；241、251)之间的相交处布置有导热材料，所述导热材料(401)优选与所述圆柱形外壳(200)和所述线圈(211、261；227、231；241、251)接触。
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