CN115733278A

CN115733278A - 用于他励同步电机的转子

Info

Publication number: CN115733278A
Application number: CN202210990642.5A
Authority: CN
Inventors: M·格诺格洛斯; L·韦特劳
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-08-26
Filing date: 2022-08-18
Publication date: 2023-03-03
Also published as: DE102021122066A1; US20230063773A1

Abstract

本发明涉及一种用于他励同步电机的转子。该转子具有星形盘，其中，至少星形盘的表面由塑料制成，在星形盘中嵌入汇流条，汇流条分别将星形盘的极靴或槽与星形盘的与该极靴相邻的极靴或与该槽相邻的槽导电连接，汇流条在其两个端部上分别具有接触元件，接触元件用于接纳从星形盘的表面突出的绕组线。并且本发明涉及一种用于制造该转子的方法。

Description

用于他励同步电机的转子

技术领域

本发明涉及一种带有集成的、用于连接转子绕组的汇流条的星形盘、一种包括该星形盘的转子以及一种用于制造转子的方法。

背景技术

电机的功能部件主要包括位置固定的部件(定子)和运动的部件(转子)。导体位于定子中，所述导体通过适当的通电产生旋转的磁场。通过与转子的电磁相互作用，定子将力施加到转子上，这导致转子运动。对此存在不同的机器原理。常见的是异步电机(简称为ASM)、永磁同步电机(简称为PSM)和他励同步电机(简称为FSM)。

他励同步电机(FSM)是用于驱动电气化车辆的永磁同步电机(PSM)的无磁另选方案。PSM的位于转子中的磁体被导电的铜绕组取代，该铜绕组产生形成转矩的转子磁场作为电磁体。

转子的铜绕组由标准漆包线形成。这些绕组被缠绕在转子极上。在此，出于效率原因和功率原因，努力将尽可能多的绕组缠绕到可用的横截面中。由于这个原因，正交循环的缠绕(orthozyklische Wicklung)是符合线材的六边形最紧密布置的目标，这是因为这种布置通过在两个层的线材之间的60°错位允许尽可能高的封装密度。

FSM转子的绕线模由多个部件组成。中央构件是装配到轴上的叠片铁芯。铜线在缠绕之后在叠片铁芯的槽中延伸。为了使线圈在绕组端部的区域中转向，在叠片铁芯的端侧上安置两个星形盘。星形盘具有用于有针对性地对线圈进行机械支撑的轮廓。星形盘可以完全由塑料制成。为了提高强度，也可以使用金属芯。在这种构件中，由金属制成的基体利用塑料注塑包封。

转子的绕组由聚集的线圈构成，该线圈相应围绕极布置。通常，转子包括6个极，但是也可以存在其他数量的极，例如8个极。该结构建立在梯形的绕组结构上，以便用铜最大程度地填充极之间的空间。由此可以实现高的铜填充度以及由此实现电机高的效率和功率密度。所有示出的子绕组利用连续的线材依次串联地构造。

梯形绕组结构中的难点在于，极绕组的最后的线匝不会在下方终止于轭部处。第一线匝在下方贴靠在轭部上。然后，绕组逐层地构建。最后的线匝在上方终止于极靴处并且不是在下方终止于轭部处。然而，极之间的变换始终仅能在下方的轭部上实现。由于只能在底部进行极变换，因此线材必须被引回到轭部。从转子的角度看，要实现从径向外部朝轴的方向的向内引回。各个极可以连接在轭上。存在用于将线材从极靴引回到轭部的不同方法：

一方面，存在经由星形盘中的特殊轮廓引回的可能性。该星形盘支撑元件支撑线材并且能够实现在绕组头上的斜向走向。德国专利申请DE 10 2020 118 944.3描述了具体的实施情况。

另一方面，线材可以通过特殊的缠绕模式从极靴引回到轭部。绕组中的目标间隙或者留空部在引回时支撑线材。德国专利申请DE 10 2021 101 814.5描述了具体的实施情况。

US 2018/0337569 A1公开了一种转子组件，该转子组件具有：转子芯，线圈围绕所述转子芯缠绕；以及汇流条，其具有与线圈连接的端子；和体部，该体部布置在转子芯上并且与端子耦合，该体部包括多个叶片。该体部包括内体部、外体部和连接部，其中外体部布置在内体部的外部，连接部以规则的间隔布置在内体部的周长上，并且将内体部与外体部连接。端子布置在内体部中，使得端子的连接端部布置在相邻的连接部之间，叶片从外体部的上表面突出，以及叶片以规则的间隔相对于转动中心沿着周向方向布置。外体部包括从其下表面延伸到其上表面的冷却孔。冷却孔位于相邻的叶片之间。

从DE 11 2016 006 082 T5中已知一种电连接件的结构、应用所述结构的转子和马达以及用于形成电连接件的方法。在电连接件的结构中，电机的载流部的端子和绕组热耦合。端子具有位于基部端侧的卡锁部和位于顶端侧的熔融部。绕组具有：线匝部，该线匝部缠绕在卡锁部上，并且线匝部的一端与在熔融部上产生的熔融球连接；以及连接线，连接线从电机的缠绕布置的主绕组部分被张紧地布置并延伸到线匝部的另一端。在线匝部的一端上没有将连接线拉拽到主绕组部分的那侧的张紧力起作用。

DE 10 2017 214 776 A1涉及一种用于制造具有非接触式功率传输系统的电机的转子的方法，其中在转子的叠片铁芯的端侧上布置有绕组端部覆盖件。功率传输系统的次级单元(SEC)集成到绕组端部覆盖件中，因此，在放置绕组端部覆盖件之后，次级单元(SEC)通过绕组端部覆盖件间接地保持在转子上。

发明内容

在该背景下，本发明的目的在于，提供可以用于制造具有高效率和高功率密度的他励同步电机的设备和方法。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1和8的特征的设备以及具有权利要求9的特征的方法来实现。本发明的设计方案和改进方案由从属权利要求、说明书和附图中得出。

本发明的主题是一种用于他励同步电机的转子的星形盘，其中至少星形盘的表面由塑料制成，汇流条嵌入到塑料中，所述汇流条分别将星形盘的极靴或者槽与该星形盘的与所述极靴相邻的极靴或者与所述槽相邻的槽导电地连接并且在汇流条的两个端部上分别具有接触元件，以用于接纳绕组线，所述绕组线从星形盘的表面突出。

根据本发明，在梯形绕组的情况下将用于导体引回的汇流条集成到星形盘中。汇流条例如借助于注塑嵌入到星形盘中。导体从极靴向轭部的引回不再像在所有其他绕组中的那样通过标准绕组线进行，而是通过汇流条进行。引回的功能因此转移到星形盘中。在汇流条的两个端部上设有接触元件，接触元件分别在绕组与汇流条之间建立连接。星形盘的极附加地也用于线材引导和线材支撑。带有支撑结构的极的有针对性地限定的外轮廓可以实现稳固的缠绕过程。接触元件是在缠绕的线圈与汇流条之间的接口。为了在线圈与接触元件之间引导线材，在星形盘中集成有支撑轮廓。汇流条与线材的电连接例如可以通过焊接来建立。

在一个实施方式中，将用于连接各个极的梯形绕组的汇流条从极靴引导至轭部。在另一实施方式中，将汇流条从极靴引导至轭部并且继续引导至另一极靴，即将一个极靴与另一极靴连接。在一个实施方式中，汇流条被布置成使得汇流条能够实现将梯形绕组自由地连接到转子的各个极。在一个实施方式中，汇流条布置成，使得汇流条允许以相同的转动方向缠绕所有的极并且同时能够实现在星形盘的槽中的相同走向的电流方向。

对于FSM转子，按照标准实现所有绕组的串联连接。绕组分别由多个单线构成。为了产生均匀的磁场，在两个相邻的极之间的槽的两侧上的绕组中的电流必须沿同一方向流动。相应的电流方向通过极的连接来保证。通过使用汇流条可转换用于线圈接线的不同模式。浇注到星形盘中的汇流条将各个绕组串联连接，其中，槽中的电流方向相应指向同一方向。

通过在梯形绕组的情况下使用将导体引回的汇流条，对于FSM的产品特性以及制造过程得到多个优点。通过取消线材在绕组本身上的引回，在绕组端部区域中不形成线材交叉或者说线材束。由此相对于迄今已知的实施方式实现了绕组的提高的稳定性。通过使用汇流条也取消了线圈之间的连接线。

根据本发明的星形盘的一个实施方式具有汇流条，这些汇流条从一个极靴引回到轭部并且继续引导至在顺时针方向上相邻的极的极靴。在一个实施方式中，用于六极的转子的星形盘具有3种类型的汇流条，其中，所有的极分别以相同的绕向缠绕。在另一实施方式中，相邻的极以相反的绕向缠绕。

通过使用极靴到极靴的汇流条，产生了更多的用于设计构件的自由空间。通过功能集成到星形盘中，所需的结构空间明显减小并且因此可用于其他功能。此外，这种变型的优点是，可以无交叉地将汇流条嵌入星形盘的塑料内。因此，在彼此靠近的导体中的电位差的值可以明显减小。也可实现完全规则的和正交循环的绕组。该正交循环绕组可以分层地构造。不存在由于留空或单个绕组的回跳而造成的不规则性。

本发明的主题也包括他励同步电机的转子，该转子具有至少一个根据本发明的星形盘。星形盘在转子轴上布置在转子叠片铁芯的对置的端面上。在一个实施方式中，转子在叠片铁芯的一个端面上具有根据本发明的星形盘，并且在叠片铁心的相对置的端面上具有不带汇流条的传统星形盘。在另一实施方式中，转子在叠片铁芯的相对置的端面上具有两个根据本发明的星形盘，其中，用于接触绕组所需的汇流条分布到两个星形盘上。在星形盘和叠片铁芯的极上布置有梯形的正交循环的绕组。

本发明的主题还包括一种用于制造他励同步电机的转子的方法。在根据本发明的方法中，两个星形盘布置在转子的叠片铁芯的端面上，其中，两个星形盘中的至少一个是根据本发明的星形盘，并且在形成梯形的正交循环绕组的情况下，星形盘和叠片铁芯的极被绕组线缠绕。

通过在星形盘中使用汇流条，一个极的绕组在上部的极靴处结束。与迄今已知的线材引回的变型方案不同，绕组的最后的线匝不必在下方放置在轭部上。因此，针对最后的线匝，线材引导件不必伸入槽中直至槽底。因此，对于缠绕过程在相邻极的两个绕组之间保留较小的自由空间。通过所谓的回转点移动，线喷嘴(Drahtdüse)可以在缠绕过程中更近地沿着当前要缠绕的极移动。因此，所需的自由空间减小。该自由空间又可以用另外的铜线填充。因此以这种方式可以实现铜填充系数的提高，同时直接引起转子的功率密度提高。

在所述方法的一个实施方式中，缠绕方向对于所有的极都是相同的。这明显简化了制造过程，这是因为制造出真正相同的部件。可以通过汇流条的走向实现电流方向的反转。而在连续地以不中断的线材缠绕的情况下，这是不可能的。通过线圈的分开，可以自由选择极缠绕的顺序。由此可以减小在缠绕过程中的机械负荷。在所述方法的一个实施方式中，直接先后进行对相对置的极的缠绕。这导致在生产过程中对构件的均匀负载。因此，能够有效地抑制由于单侧负载而引起的轴在一个方向上的弯曲。在另一个实施方式中，同时缠绕多个极。在使用多个线材引导器的情况下，处理时间可以因此被显著地减少。而在以连续的线材进行连续的缠绕时，这是不可能的。

为了最大地利用可供使用的结构空间，FSM以梯形的缠绕窗为前提。通过槽中的正交循环的绕组结构可以实现非常高的铜填充系数。利用高的铜填充系数可以提高电机的效率。效率是电机的最重要的特征。电机的效率越高，则在电池容量保持不变的情况下车辆的续驶里程越大。绕组在此不是在下方终止于轭部处，而是在上方终止于极靴处。因此，无论如何都需要向内部引回线材。通过根据本发明引回线材以及连接缠绕的线圈，可以实现最大的铜填充度。所述汇流条能够实现在现有的结构空间中还安置更多的铜，这是因为能够减小在两个绕组之间的自由空间。线圈通过绕组端部区域中的汇流条的连接能够实现，使线材径向地在轴的方向上引回，而不必在槽中引入不必要的交叉。这形成了稳定的绕组以及过程可靠地引导连接线的前提条件。用于引回线材的过程可靠的制造方案是大批量地使用FSM技术的基本前提。此外，通过根据本发明的方法，可以预期明显的用于制造的成本节省。

此外，所描述的汇流条的使用提供如下优点，即所述缠绕方向对于所有的极来说可以是相同的。与迄今为止的方法不同，于是例如可以缠绕六个相同的线圈，从而设备和缠绕过程的复杂性决定性地降低。通过同时缠绕多个极，可以减少每个转子的制造时间。两个对置的极的同时绕线例如能够实现工作时间的减半。本发明的其他的优点和设计方案由说明书和附图得出。

不言而喻，前面所述的和后面还要阐述的特征不仅可以以分别说明的组合、而且也可以以其他组合或者单独地使用，而不离开本发明的范围。

附图说明

本发明借助实施方式在附图中示例性地示出并且参考附图进一步描述。本发明示出：

图1示出根据本发明的星形盘的一个实施方式的局部视图；

图2示出根据本发明的星形盘的两个实施方式；

图3示出了根据本发明的转子的一个实施方式。

具体实施方式

图1示出根据本发明的星形盘100的一个实施方式的局部视图。该区段包括星形盘100的六个极110之一、以及极靴111和邻接的轭部112。星形盘100具有带有塑料包套102的金属芯101，该塑料包套例如可以通过金属芯101的注塑包封来获得。塑料包套102具有支撑结构103，这些支撑结构支撑和引导绕组线，进而使在星形盘100的极110上构造规则的线绕组变得容易。有针对性地限定的外轮廓能够实现稳固的缠绕过程。汇流条121、122、123嵌入到塑料包套102中，在这些汇流条的端部上存在用于接纳绕组线的接触元件125。接触元件125分别在绕组与汇流条之间建立导电连接。

图2示出了具有汇流条121、122、123的不同布置结构的根据本发明的星形盘100的两个实施方式。在图2a)所示的实施例中，汇流条121分别将一个极的极靴连接至顺时针方向相邻的极的根部。汇流条122将该极的极靴连接至顺时针方向上的再下一个极的根部。汇流条123建立了用于供电的连接。在图2b)所示的实施例中，汇流条121分别将一个极的极靴连接至顺时针方向上相邻的极的极靴，即从极靴引回轭部并进一步引导至相邻的极的极靴。汇流条122将一个极的根部连接至顺时针相邻的极的根部。汇流条123建立了用于供电的连接。浇注到星形盘100中的汇流条121、122、123将星形盘100的极上的各个绕组串联连接。一个槽中的电流方向都指向同一方向。因此，对于六极转子的所示情况，当所有的极分别以相同的绕向缠绕时，形成3种类型的汇流条。对于所示的示例，始终沿顺时针方向进行缠绕。

图3示出了根据本发明的转子200的一个实施方式。在转子轴210上布置了具有六个极的叠片铁芯220。在叠片铁芯220的端面上布置有星形盘100A、100B，在转子200的A侧上布置有未嵌入汇流条的传统的星形盘100A，在转子200的B侧上布置有根据本发明的星形盘100B。转子绕组的线材在星形盘100A、100B和叠片铁芯220的极上引导。绕组在附图中未示出。

附图标记列表：

100 星形盘

100 A侧星形盘

100 B侧星形盘

101 金属芯

102 塑料包套

103 支撑结构

110 极

111 极靴

112 轭部

121 汇流条

122 汇流条

123 汇流条

125 接触元件

200 转子

210 转子轴

220 叠片铁芯。

Claims

1.一种用于他励同步电机的转子(200)的星形盘(100)，其中，至少星形盘(100)的表面由塑料制成，在所述星形盘中嵌入有汇流条(121、122、123)，所述汇流条分别将星形盘的极靴(111)或槽(112)与星形盘(100)的与所述极靴相邻的极靴(111)或与所述槽相邻的槽(112)导电连接，汇流条在其两个端部上分别具有接触元件(125)，所述接触元件用于接纳从所述星形盘(100)的表面突出的绕组线。

2.根据权利要求1所述的星形盘(100)，其特征在于，汇流条(121、122、123)借助于注塑嵌入到星形盘(100)中。

3.根据权利要求1或2所述的星形盘(100)，其特征在于，星形盘(100)的极(110)具有用于引导和支撑绕组线的支撑结构(103)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的星形盘(100)，其特征在于，至少一个汇流条(121、122、123)从星形盘(100)的至少一个极(110)的极靴(111)引导至所述星形盘的与该极(110)相邻的轭部(112)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的星形盘(100)，其特征在于，至少一个汇流条(121)从星形盘(110)的至少一个极(110)的极靴(111)引导至所述星形盘的与该极(110)沿顺时针方向相邻的极(110)的极靴(111)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的星形盘(100)，其特征在于，至少一个汇流条(122)从星形盘(100)的至少一个极(110)的根部引导至所述星形盘的沿顺时针方向相邻的极(110)的根部。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的星形盘(100)，其特征在于，汇流条(121、122、123)被布置成，使得汇流条允许以相同的转动方向缠绕所有的极(110)并且同时能够实现在星形盘(100)的槽中的同向的电流方向。

8.一种他励同步电机的转子(200)，所述转子具有两个星形盘(100)，所述星形盘在转子轴(210)上布置在转子(200)的叠片铁芯(220)的相对置的端面上，其特征在于，所述两个星形盘(100)中的至少一个是根据前述权利要求中任一项所述的星形盘(100)。

9.一种用于制造他励同步电机的转子(200)的方法，其中，将两个星形盘(100)布置在转子(200)的叠片铁芯(220)的相对置的端面上并且利用绕组线缠绕星形盘(100)的极(110)和叠片铁芯(220)的极以形成梯形的正交循环绕组，其特征在于，所述两个星形盘(100)中的至少一个星形盘是根据权利要求1至7中任一项所述的星形盘(100)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，同时并且沿相同的绕向缠绕转子(200)的多个极(110)。