CN115956333A - 用于飞轮储能系统的电机的集成式定子装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于飞轮储能系统的电机的定子装置(1)，包括叠片单元(2)、圆柱形套筒单元(3)和密封单元(7)，其中，所述叠片单元(2)具有绕组(5)、至少两个接在所述绕组(5)上的、真空侧的电机相位连接电缆(6)，而在所述圆柱形套筒单元(3)的外侧面(3a)上布置着所述叠片单元(2)，并且所述密封单元(7)布置在套筒单元(3)的内侧面(3b)上，并且被设计成将所述真空侧的电机相位连接电缆分别以真空密封的方式连接到相应的周边的电机相位电缆(6’)上，以便为飞轮储能系统的电机提供就其所需安装空间而言改良后的定子装置(1)。

Description

用于飞轮储能系统的电机的集成式定子装置

技术领域

本发明涉及一种用于飞轮储能系统(尤其是飞轮储能系统的电动机-发动机-组)的电机的定子装置，包括叠片单元和圆柱形的套筒单元，所述叠片单元具有绕组和至少两个接在所述绕组上的、真空侧的电机相位连接电缆，所述圆柱形套筒单元的外侧面上布置着所述叠片单元。

背景技术

电机的定子装置或定子由叠片铁芯和绕组构成，它们是叠片单元的组成部分，绝大部分由一个套筒形式的主体(套筒单元)构成，该套筒单元支撑着叠片。所述套筒单元通常是金属制的，例如由铝制或钢制成。它的任务是为叠片单元设定几何位置，并且将电机的机械力矩传递给与配属于所述定子装置的外部结构。此外，所述套筒单元还负责导走因定子损耗产生的热量。因此，所述套筒单元在电机具有大的功率密度时经常用液体冷却。通常为此使用冷却盘管，借助它将冷却液盘旋地导入套筒的侧表面和所配属的结构体之间的空隙中。

在这种构造成内转子的电机中，叠片被相应地置入套筒单元中，并且所述套筒单元又被插入所述结构体的一个适配的通孔中。于是在正常使用电机时，冷却液就在套筒和通孔之间的间隙内，因此套筒单元和通孔相应地在两个轴向相对置的端侧上被密封，大部分情况通常使用O形环密封。通过相应的适配面，在此确定了上述单元相互之间的相对几何位置。例如所述套筒单元通过一个凸缘与所述结构体拧在一起，从而传递扭矩。这样的转换方式例如在机床主轴内或者也在电动汽车的驱动系统中广泛使用。

在飞轮储能系统的电机领域，其中，电能转换为飞轮储能系统的飞轮的旋转能，并被存储下来，以便在需要时再次转换成电能，其中所使用的电机部分地被设计为外转子。因为在设计成外转子的情况下定子装置位于转子装置的内部，相比设计成内转子的情况，这种情况提供明显更少的构造空间。相应地，为冷却提供的表面积也更少。同时要注意的是，所述飞轮储能系统的转子单元在真空中运行。如果在那里有冷却液溢出到真空区域，冷却液就会蒸发，并且飞轮储能系统中的压力水平就会跃进式上升，这就可能导致飞轮储能系统受损。于是，在造成冷却系统损坏的这种不可预见的系统状态下，冷却液进入真空区域就可能导致整个系统严重损坏。因此，在飞轮储能系统中，冷却系统与真空区域之间的密封系统必须特别可靠地工作，因此通常在制作时比较麻烦，也就是造价昂贵并且/或者占用较大的空间。

另一个因素是，在功率较高的飞轮储能系统中，用于传输电功率的电机相位连接电缆的横截面很大。相应地，这些电机相位连接电缆不仅在真空区域而且在正常大气压的周边范围内都需要占用特别多的空间。这些电机相位连接电缆必须从位于真空区域内的绕组出发、经由气密密封的贯通通道向外延伸至定子装置所在的、处于正常大气压下的周边范围内。这样气密密封的贯通通道也需要占用更多的位置。此外，由于存在接在电机相位上的脉冲电压，所以必须确保电磁兼容性，也就是说电机相位连接电缆必须充分地屏蔽。

发明内容

因此，本发明的基本任务是，为飞轮储能系统的电机提供就其所需安装空间而言改良后的定子装置。

该任务通过独立权利要求所述的对象得以解决。有利的实施方式由从属权利要求、说明书和附图中得出。

一方面涉及到用于飞轮储能系统的电机的定子装置，其具有叠片单元和圆柱形的套筒单元。所述叠片单元具有叠片铁芯，带有至少一个部分范围地和/或部分区段地围绕着叠片铁芯缠绕的绕组和至少两个(即两个或以上、优选三个或以上，例如五个或者六个)连接在绕组上的、真空侧的电机相位连接电缆。“真空侧”在这里优选地要理解为，在飞轮储能系统运行时，当飞轮储能系统的电机中的定子装置正常运转，所述相应的电机相位连接电缆就布置在定子装置所在的真空区域内。例如也可以设计成，让真空侧的电机相位连接电缆(例如连同定子装置的一个或者多个部件一起)被灌封树脂浇注。“真空侧”在这种情况下可以理解为，在飞轮储能系统运行时，当飞轮储能系统的电机中的定子装置正常运转，所述相应的电机相位连接电缆就朝向定子装置所在的真空区域的一侧。在这里要提醒注意，在定子装置的真空区域内(在定子装置运行时，飞轮布置在这个区域内)，除了真空还可以含有一种气体混合物，它相对于下文描述的非真空或半真空的外部区域具有一定的气压。就“部分区段”这个概念而言，“区段”在这里也可以指的是电机的轴向方向上的一段。“部分范围”这个概念所指的范围可以指的是空间内任意自由方向上的范围。所述定子装置在此尤其是可以被设计用于构造成外转子的电机。所述叠片单元布置在圆柱形套筒单元的外侧面上。

所述定子装置还具有密封单元，它布置在套筒单元的外侧面上，并且构造成将连接到绕组上的、真空侧的电机相位连接电缆分别真空密封地连接到各个周边的电机相位连接电缆上。各个周边的电机相位连接电缆在定子装置从而飞轮储能系统正常运行时布置在定子装置(飞轮储能系统)所在的周边范围内，这个区域是非真空的，优选地处于正常大气压下，或者至少相比布置了真空侧的电机相位连接电缆的区域而言属于半真空。

因此，所述密封单元尤其是将圆柱形套筒单元的在飞轮储能系统中的定子装置正常运行时邻靠真空的表面部分与圆柱形套筒单元的与正常大气压下的周边区域连接的表面部分分隔开。所述密封单元以及至少部分地还有所述圆柱形套筒单元因此用于隔开真空区域和大气环境。在这里，在飞轮储能系统运行期间，在圆柱形套筒单元的朝向圆柱形套筒单元外侧面的外部空间中是真空，在圆柱形套筒单元的圆柱体内部空间(优选地所述圆柱形套筒单元的中心轴穿过这个空间)可以至少部分区段内为真空并且/或者至少部分区段是正常大气压。

正如最后面还要展述的那样，所述密封单元例如也可以通过以下方式形成，即，所述圆柱形套筒单元在至少一个端侧上具有在轴向上延伸的盲孔，盲孔的底部就是密封单元的一部分。如果所述圆柱形套筒单元在这里例如具有两个分别由各自的袋状钻孔(每个端侧一个)形成的盲孔，那么所述密封单元布置在圆柱形套筒单元的中间区域，并且利用盲孔的底侧两侧都连接在套筒单元的内侧面上，并因此布置在这个内侧面上。在通过袋状钻孔制造出盲孔的情况下，所述密封单元至少部分地与所述套筒单元一体式地构成。如果每个端侧只有一个盲孔(例如仅仅一次袋状钻孔)，那么所述密封单元就位于圆柱形套筒单元的与该端侧相对置的末端区域内(也就是另一个端侧上)，并且其中一侧逐渐过渡到套筒单元的端侧，而另一侧过渡到内侧面，于是同样也布置在所述内侧面上。这个或者这些盲孔也可以具有(在这里意味着借助于)贯通的孔(例如贯通的钻孔)，所述密封单元作为一个独立的单元被布置在其中。只有在装入了单独的密封单元以后，才形成这个或者这些相应的盲孔。盲孔于是在本发明的框架内也可以描述的是常见的贯通孔，它的一个末端区域或者中间区域(通过密封单元)被封闭。

这样设计的优点是，减少了定子装置在轴向上所需的空间，因为所述密封单元从而所述密封的贯通通道不是在定子的轴向延长区域内实现的，而是在套筒单元的内部，这就节约了空间。此外，这样就使得真空区域和正常大气压区域之间的密封面成为多余的，因为圆柱形套筒单元本来就必须相对于周边环境被密封起来，这就和对密封贯通通道的密封重合了。

相应地，在一种有利的实施方式中设计成，所述密封单元至少部分地(也就是部分地或者全部地)布置在圆柱体-内部空间里。所述圆柱体-内部空间沿着圆柱形套筒单元的中心轴延伸，其中，所述中心轴不仅可以穿过圆柱体-内部空间，而且还可以从圆柱体-内部空间旁边经过。所述圆柱形套筒单元的中心轴可以是用于电机的转子的中心旋转轴。所述圆柱体-内部空间尤其是可以与中心轴平行延伸，或者基本上与之平行。“基本上”在这里可以指的是“除了预定的偏差”，其中，偏差例如可以为1°、15°或者30°。尤其是所述密封单元如下地布置，即，使得真空侧的电机相位连接电缆的各个连接元件(也就是电缆侧的连接元件)和/或用于真空侧的电机相位连接电缆的各个连接元件(也就是密封单元侧的连接元件)同样也(优选地完全)布置在圆柱形套筒单元的圆柱体-内部空间里。这样设计的优点是，各个连接元件不从圆柱形套筒单元向外伸出，也就是一方面确保定子装置所占用的轴向空间最小化，另一方面也通过套筒单元优化了电机相位连接电缆的电屏蔽。

在一种特别有利的实施方式中可以设计的是，所述密封单元至少部分地(也就是部分地或者全部地)与所述套筒单元或者与所述套筒单元的至少一部分一体式地构成，例如与套筒单元的下部分一体式地构成。这样设计的优点是，又省去了真空区域和正常大气压区域之间的密封面。

在另一种有利的实施方式中设计的是，所述套筒单元具有至少一个引导冷却液穿过套筒单元的液体通道。之所以说这样设计特别有利，是因为这样一来，除了叠片单元以外，还额外地主动冷却了产生热量的电机相位连接电缆。

在此有利地设计的是，所述液体通道仅仅具有用来密封外部空间的密封元件，这些密封元件在定子装置正常运行时不邻靠飞轮储能系统中的抽真空区域，例如飞轮储能系统的真空区。借此通过结构设计防止了在意料之外的运行状态下(尤其是在密封元件失效时)冷却液流入飞轮储能系统的抽真空区域。由此也节省了这里的构造空间，因为相应的密封元件可以更简单地实现。

在一种有利的实施方式中可以设计的是，所述液体通道具有盲孔、尤其是袋状钻孔，它们相互之间的液体流通。尤其是所述液体通道至少有部分区段(优选地是一个连续的区段)由盲孔构成。这些盲孔在此优选地从一侧(例如套筒单元的(第一)端侧)延伸到套筒单元的主体中，这一侧在定子装置正常运行时(从而在飞轮储能系统运行时)邻靠有正常大气压的周边区域，或者邻靠相比具有电机的和/或飞轮储能系统的转子单元的周边区域具有更少真空的区域。所述蛮空在此优选地至少部分地相互交叉延伸，也就是不相互平行，也就是说，它们在各自的末端区域与另一个盲孔相遇，并且在这里交融。尤其是在这里，每个盲孔都可以与至少一个下下个邻居平行延伸。特别优选地，这些盲孔也可以过渡到与(第一)端侧邻靠的开端区域，从而通过由相应的密封元件密封住(第一)端侧，相对于周边(液体通道的外部区域)密封住盲孔的各自的开端区域，而不必在这个过程中相对于另一个盲孔被密封住。于是就可以制造出一个连续的、由盲孔构成的流体通道。这样设计的优点是，只需要在一侧上(即圆柱形套筒单元的第一端侧)设计密封件，从而可以特别轻松地防止液体通道的密封面邻靠到飞轮储能系统的真空区上。于是相对于必须相对于抽真空区域密封住液体通道的密封元件来说，对这些密封元件的要求更低。

于是可以设计成，盲孔从圆柱形套筒单元的第一端侧(靠周边一侧的端侧)出发，延伸到圆柱形套筒单元的圆柱体内，并且在第一端侧和与第一端侧轴向对置的第二端侧(即真空侧的端侧)区域内相互液体流通，尤其是在第一端侧上至少部分的(优选地除了两个用作液体通道的接头的盲孔之外的所有其他盲孔)盲孔具有各自的密封元件，这些密封元件相对于具有正常大气压的周边区域(或者相比具有飞轮储能系统的转子单元的抽真空区域具有较少真空的区域)密封住液体通道。这种液体流通的结构可以通过让盲孔相互过渡到盲孔的相应开端区域或末端区域得以实现。相反地，在开端区域和末端区域之间的中间区域内，在不同的盲孔之间优选地不存在直接的液体流通，也就是说在那里，这些盲孔优选地不相互通向对方。这样设计的优点是，通过简单的制造工艺就可以实现让液体通道不具有相对于抽真空区域的密封面，并且此外通过这些盲孔还实现了极其节约空间的冷却效果。

在另一种有利的实施方式中设计的是，在套筒单元的圆柱体-内部空间中有屏蔽单元布置在靠周边一侧的电机相位连接电缆上，该电机相位连接电缆与靠周边一侧的电机相位连接电缆的电屏障电耦合，并且/或者所述密封元件在其靠周边的一侧上受到保护，避免发生机械接触。遮掩设计的优点是，确保了电磁兼容性，并且所述套筒单元可以被用作屏蔽层，其中，由此实现的套筒单元的多重功能又节约了构造空间。

本发明的另一个方面还涉及一种用于飞轮储能系统的电机，尤其是电动机-发动机-组的电机，其具有按照上述实施方式中任一种设计的定子装置。所述电机还具有带转子的相应转子装置。本发明的其中一个方面相应地还涉及一种具有这种电机的飞轮储能系统。

本发明的另一个方面还涉及一种制造用于飞轮储能系统的电机的定子装置的方法，其中，所述定子装置具有带绕组和至少两个连接在这个绕组上的、真空侧的电机相位连接电缆的叠片单元，还具有其外侧面上布置了叠片单元的圆柱形套筒单元。所述方法包括至少一个沿着圆柱体单元的中心轴向圆柱体单元内钻至少一个盲孔的步骤，方式是：在将所述圆柱体单元用作圆柱形套筒单元时，盲孔的底部可以用作密封单元的一部分(或者作为密封单元)，该密封单元被构造用于将真空侧的电机相位连接电缆分别真空密封地连接到各个靠周边一侧的电机相位连接电缆上。所述盲孔内壁因此构成内侧面的一个区段，或者构成套筒单元的内侧面，并且所述密封单元借助盲孔的底部布置在内侧面上，因此布置在剩余的盲孔内壁上。作为钻孔的代替，也可以用其他方法制造这个或这些盲孔，例如通过钻贯通孔并事后置入密封单元，或者为所述套筒单元使用空心压制型材，同样也事后置入密封单元。总的来说，这个方面因此涉及定子装置的其中一种实施方式的制造方法。

所述方法的优点和有利实施方式在这里等同于所述定子装置的优点和有利实施方式，反之亦然。

上文在说明书中(包括在导入部分)所述的特征和特征组合，以及下文在附图说明中所述的和/或仅仅在附图中示出的特征和特征组合不仅仅可以用在各个提到的组合方式中，而且也可以用在其他组合方式中，而不会离开本发明的范围。因此，附图中未明确示出或说明，但可以从所述实施方式的特征组合中独立出来的实施方式也应视为本发明公开的一部分。那些不具有一开始描述的独立权利要求中所述的所有特征的实施方式和特征组合也应视为本发明的公开内容。此外，那些通过在权利要求的引用部分所述的特征组合中推导出来或者与之略有偏差的实施方式也应视为本发明的公开内容。

接下来借助附图更详尽地阐述根据本发明的发明对象，而不局限于其中所示的具体实施方式。

附图说明

图中示出：

图1是定子装置的一种实施例的示意性剖面图；以及

图2是图1所示的套筒单元展开后的剖面图。

具体实施方式

在此，相同的和功能相同的元件在附图中配有相同的附图标记。

图1中用xy轴示出了定子装置的一种实施例的示意性剖面图。所述定子装置1是为飞轮储能系统的电机设计的。它具有叠片单元2以及圆柱形套筒单元3。所述叠片单元2包括具有许多金属片4i的叠片铁芯4以及绕组和绕组头5，具有至少两个连接在绕组上的、真空侧的电机相位连接电缆6。所述叠片单元2布置在圆柱形套筒单元3的背离中心轴A的外侧面3a上。

所述定子装置1还包括密封单元7，它布置在套筒单元3的朝向中心轴A的内侧面3b上，该密封单元被构造用于让真空侧的电机相位连接电缆6分别真空密封地连接在各个配属的、靠周边一侧的电机相位连接电缆6′上。

所述定子装置1因此部分地被在飞轮储能系统运行时被抽真空的周边区域U所包围，但是在这里通过至少一部分的内侧面3b邻靠在周边区域U′上，在这个区域内存在相比抽真空的周边区域U更高的压力，通常是正常的大气压。所述密封单元7在此在真空侧邻靠在周边区域U上，并且在大气侧邻靠在周边区域U’上。

在所示实施方式中，所述密封单元7完全地布置在圆柱形套筒单元3的圆柱体-内部空间9内，在这里通过以下方式，即，电机相位连接电缆6、6′的或者说用于电机相位连接电缆6、6′的各个连接元件7i同样也布置在圆柱形套筒单元3的圆柱体-内部空间8中。在这里，圆柱形套筒单元3的中心轴A也延伸穿过所述圆柱体-内部空间8，所述中心轴也定义了定子装置1的轴向方向，从而在这里也定义了飞轮储能系统的电机的轴向方向。作为替选，所述圆柱体-内部空间也可以布置在外侧中心位置，从而例如使得中心轴A不延伸穿过它。

所述定子装置1在这里借助套筒单元3的凸缘3x固定在外部的结构体10上。在凸缘3x的区域内，在套筒单元3的靠周边一侧的(优选地因此靠大气压一侧的)第一端侧上在这里也布置了用于液体通道11(图2)的接头11a。在所示实施例中，在所述圆柱体-内部空间8也安装了屏蔽单元12，这个屏蔽单元在这里不仅仅布置在靠周边一侧的电机相位连接电缆6′上，而是也布置在内侧面3b上。此外，所述屏蔽单元12在这里也用作屏蔽层，相应地与靠周边一侧的电机相位连接电缆6′的电屏障13电耦合。

在图2中示出了展开后的套筒单元3的剖面图，也就是示出了二维平面的侧壁。所述液体通道11在此在套筒单元3的主体内完全地由盲孔11i、11j构成，它们在这里实现为袋状钻孔。为了这个目的，所述盲孔11i、11j如下地实施，即，每两个相邻的盲孔相交(也就是不平行)，但每隔一个盲孔则相互平行延伸，并且它们在各自对应的开端区域11(i-1)c、11ic、11jc、11(j+1)c(它们朝向套筒单元3的第一端侧，即靠周边一侧或者说靠大气压一侧)和末端区域11id、11jd(位于套筒单元3的第二端侧区域内，即真空侧)相互融合。具体来说，所述盲孔11(i-1)于是在开端区域11(i-1)c与下一个盲孔11i的开端区域11ic融合。各个盲孔11i、11j的开端区域在本实施例中是盲孔11i、11i朝向周边区域U′敞开的区域。所述盲孔i的末端区域11id于是在真空侧的端侧3d附近与下一个盲孔11j的末端区域11jd融合。所述末端区域11id、11jd在这里是配属的盲孔11i、11j的各个底部所在的区域。所述液体通道11j的开端区域11jc于是在端侧3c区域内再次与下一个盲孔11(j+1)的开端区域融合，并以此类推。因为下一个相邻的盲孔11i、11j在至少一个平面内相对倾斜，在本实施例中是每隔一个盲孔11(i-1)、11j以及11i、11(j+1)在至少一个平面内相互平行延伸，于是在通过相应的密封元件14密封住所有的开端区域11(i-1)c、11ic、11ji、11(j+1)c以后，形成一个贯通的液体通道11，它可以通过两个接头11a、11b(也就是两个不被密封的盲孔)供应冷却液。这两个通过各自的开端区域与接头11a、11b联通的盲孔在此在它们的开端区域不与另一个盲孔融合，而是有利地仅仅与各个配属的末端区域融合。

Claims (10)

1.一种用于飞轮储能系统的电机的定子装置(1)，其具有

-叠片单元(2)，其具有绕组(5)和至少两个连接在绕组(5)上的、真空侧的电机相位连接电缆(6)；

-圆柱形的套筒单元(3)，在其外侧面(3a)上布置着所述叠片单元(2)；

其特征在于，

-密封单元(7)，它布置在所述套筒单元(3)的内侧面(3b)上，并且被构造成将真空侧的电机相位连接电缆(6)分别真空密封地连接到各个靠周边一侧的电机相位连接电缆(6’)上。

2.根据权利要求1所述的定子装置(1)，其特征在于，所述密封单元(7)布置在所述圆柱形套筒单元(3)的圆柱体-内部空间(8)中，尤其是以如下方式：所述电机相位连接电缆(6、6’)的各个连接元件(7i)和/或用于所述电机相位连接电缆(6、6’)的各个连接元件(7i)同样也布置在所述圆柱形套筒单元(3)的圆柱体-内部空间(8)中。

3.根据以上权利要求中任一项所述的定子装置(1)，其特征在于，所述密封单元(7)至少部分地与所述套筒单元(3)或所述套筒单元(3)的下部分一体式地构成。

4.根据以上权利要求中任一项所述的定子装置(1)，其特征在于，所述套筒单元(3)具有至少一个用于引导冷却液穿过所述套筒单元(3)的液体通道(11)。

5.根据权利要求4所述的定子装置(1)，其特征在于，所述液体通道(11)仅仅具有在所述定子装置(1)正常运转时不邻靠在飞轮储能系统的抽真空的周边区域(U)上的密封元件(14)。

6.根据权利要求4或5所述的定子装置(1)，其特征在于，所述液体通道(11)具有盲孔，尤其是袋状钻孔，它们相互之间液体流通，并且尤其是所述液体通道(11)至少有部分区段由所述盲孔(11i、11j)构成。

7.根据权利要求6所述的定子装置(1)，其特征在于，所述盲孔(11i、11j)从所述圆柱形套筒单元(3)的第一端侧(3c)出发延伸至所述圆柱形套筒单元(3)的圆柱形主体内，并且在所述第一端侧(3c)区域和与所述第一端侧(3c)轴向相对置的第二端侧(3d)区域内相互液体流通，并且尤其是在第一端侧(3c)上至少部分地具有各个密封元件(14)，它们相对于周边区域(U’)密封住所述液体通道(11)。

8.根据以上权利要求中任一项所述的定子装置(1)，其特征在于，屏蔽单元(12)在所述套筒单元(3)的圆柱体-内部空间(8)内布置在靠周边一侧的电机相位连接电缆(6′)上，它与靠周边一侧的电机相位连接电缆(6′)的电屏障(13)电耦合，并且/或者所述密封单元(7)在其靠周边的一侧被保护避免发生机械接触。

9.一种用于飞轮储能系统的电机，其具有根据以上权利要求中任一项所述的定子装置(1)，和具有这种电机的飞轮储能系统。

10.一种用于为飞轮储能系统的电机制造定子装置(1)的方法，其中，其中，所述定子装置(1)具有带绕组(5)和至少两个连接在这个绕组(5)上的、真空侧的电机相位连接电缆(6)的叠片单元(2)，还具有其外侧面(3a)上布置了所述叠片单元(2)的圆柱形套筒单元(3)，包括以下步骤：

-至少一个沿着圆柱体单元的中心轴(A)向所述圆柱体单元内钻至少一个盲孔(11i、11j)，方式是：在将所述圆柱体单元用作圆柱形套筒单元(3)时，所述盲孔(11i、11j)的底部可以用作所述密封单元(7)的一部分，该密封单元被构造用于将真空侧的电机相位连接电缆(6)分别真空密封地连接到各个靠周边的电机相位连接电缆(6’)上。

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