CN1167179C - 包括带有绕组的定子的电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电机，例如一种马达或发电机，其包括一个外壳(3)和一个处在所述外壳中的定子(2)，所述定子包括一个管状芯体(8)和围绕所述芯体的壁的绕组(9)，所述定子绕组(9)相对于所述芯体(8)的轴沿径向和轴向延伸，所述电机包括用于冷却所述绕组(9)的装置。在所述芯体(8)的内部和外部，所述绕组(9)至少95%被分隔开，在所述绕组之间形成间隙(11)，所述冷却装置包括一种在这些间隙(11)中的冷却介质。

Description

包括带有绕组的定子的电机
技术领域
本发明涉及一种电机，例如马达或发电机，其包括一个外壳和一个处在所述外壳中的围绕转子的定子，所述定子包括一个管状芯体和围绕所述芯体的壁的绕组，所述定子绕组相对于所述芯体的轴沿径向和轴向延伸，其中，所述电机包括用于冷却所述绕组的装置。
背景技术
这种电机的连续输出功率主要受定子绕组的冷却限制。
这些定子绕组通常由相对较粗的导线箍组成，相邻导线的数量朝着芯体既从芯体的内部也从芯体的外部增加。
在芯体的内部，除了在绕组和转子之间有小的环状气隙之外，相邻绕组彼此几乎相接触，且绕组和定子芯体之间的间隙几乎完全被绕组充满。
这就意味着位于定子芯体内部的部分绕组仅能在朝着芯体和所述气隙处被冷却。
由于在芯体中有限的热传导以及在芯体中的附加损失，通常仅能经芯体将有限部分热量散出。
大部分热量应当经气隙散出，然而以这种方式难于冷却位于芯体内部的绕组部分的中心部分。
因此这些绕组的冷却受到限制。
为了提高冷却效果，公知的是增加冷却装置。
上述类型的具有冷却装置的电机在US-A-5.304.883中公开。定子绕组包括两部分，位于芯体壁和转子之间的气隙中的第一内部部分，和位于该气隙外部的第二外部部分。
第二外部部分的绕组具有较大的横截面区域，这样，就比第一内部部分的绕组聚集更多热量，为第一部分提供一个散热装置(heat sink)，从而使第一部分更加有效地冷却。
定子包括一个封闭外壳用的细长孔封(bore seal)，以形成一个环状定子腔室，并且外壳配有入口和出口，所述入口和出口与所述腔室处于流体连通状态，从而能让冷却剂流入和流出所述腔室来冷却绕组。
具有两部分的绕组是一种过于复杂的结构。此外，冷却仍然受到限制，这是因为毗邻的绕组仍然彼此几乎相接触，以致于除了在芯体的外侧有小间隙外，转子和定子芯体之间的间隙几乎完全被充满，其中，在芯体的外侧有小间隙的原因是所述外部分径向地延伸得比所述内部分稍远。
发明内容
本发明寻求提供一种具有改进冷却效果的定子绕组的电机。
根据本发明，该目的这样实现，在芯体的内部和外部，绕组至少95％，优选完全地被隔开，在所述绕组之间形成间隙，冷却装置包括一种在这些间隙中的冷却介质。所述绕组由一个缆线构成，所述缆线由相互绝缘的导线构成，所述导线是金属线或绞合线，且按Z形图案在所述绕组的边缘之间相对于所述绕组的中心纵向方向呈角度地延伸，所述边缘与所述间隙中的冷却介质可热传导地接触。
这就意味着，在芯体的内部，绕组的侧面也形成冷却区域，用于由冷却介质进行散热。不仅冷却区域被增加，而且到位于芯体内部的绕组部分的中心部分和冷却区域的距离也相对较小。
此外，管状定子芯体内侧的部分也被冷却，从而，芯体的冷却也得到改善，且由此也增加穿过芯体来冷却绕组的可能性。
在垂直于绕组的截面上，且在横向方向上，仅有一个具有按Z形延伸的绝缘导线的缆线。
在公知的绕组中，绕组线的导线彼此平行地延伸或扭绞成小束，所述小束彼此平行地延伸。这些小束例如可以由具有扭绞状或辫状线的利兹线组成，所述绕组线包括几条这样的彼此平行地延伸的利兹线。
在公知的绕组中，垂直于绕组方向的绕组的热传导比铜的热传导小得多。因此，绕组通常被浸有特殊材料，以增强热传导，但是，即使这样，绕组横向方向上的热传导也相对较小，绕组的可能冷却受到限制。
利用根据本发明的Z形图案，热量能够沿着导线传递到绕组的边缘，也传递到冷却介质，而不必隔着绝缘材料从一条导线传递到另一条导线，且热量比当导线是平行时更大程度地侧向散发。
DE-C-496.884公开一种制造绕组线的方法，其中，导线从缆线的一边缘延伸到另一边缘。然而，该文献没有公开这种缆线怎样被用于绕组中。没有建议缆线的边缘也是绕组的边缘，且与冷却介质可热传导地接触。相反地，为了冷却，绕组线可以制成中空的，因而构成一个冷却空气用的槽。
作为现有技术在US-A-4.103.197中公开一种具有成角度间隔开的绕组的定子，但是没有冷却绕组。
WO94 22204公开一种具有定子的电机，该定子包括一个环形芯体，该芯体由间隔开的矩形铜线形成的电枢缆线围绕。这些缆线通常以矩形环面(tori)的形式缠绕过层状芯体，所述矩形环面围绕着转子的轴且垂直于转子的轴。所述转子是片组件，该片组件包括在具有绕组的环状芯体的一侧或两侧垂直于转子轴的片。所述片平行于芯体且与绕组永久磁场极(magnet field poles)相对，且朝向层状芯体和电枢缆线安装。
根据本发明，Z形图案相对于绕组的中心纵向方向呈一角度，该角度是在5°和45°之间，优选是在10°和30°之间。
更具体的是，绕组线可以由绝缘导线的扁且宽的束形成的缆线组成，每条导线从束的一侧按Z形延伸到另一侧。
优选的是，前述的绕组是那些通常配给与相位有关的各个极的绕组片段。
对应于每个极的传统绕组被分成许多彼此电连接的小绕组。绕组的总数量越大，它们之间的间隙数量也越多，也就与更可能得到冷却。
所述冷却介质可以是一种流体，该流体可流入间隙，整个外壳可以形成一个冷却流体用的流体密封腔室，或利用围绕转子的管，外壳可以被分成两个单独空间，在该管的外部的空间形成包括绕组的流体密封腔室。
该腔室可以充满冷却流体，例如冷却油，或者外壳可以配有至少一个冷却流体入口和至少一个冷却流体出口，所述入口和出口处于与腔室流体连通，冷却装置包括那种用于使冷却介质穿过入口进入外壳内部、并使其沿着绕组流动、然后穿过出口流出外壳的装置。
附图说明
本发明将通过示例并参照附图进行描述，其中：
图1为根据本发明的配有定子和绕组的电动马达的轴向截面图；
图2为图1中马达的具有绕组的定子的顶视图；
图3为图2的具有绕组的定子的端视图；
图4为图2和图3的具有绕组的定子的透视图；
图5为类似于图1的轴向截面图，但是涉及马达的另一个实施例；
图6为根据本发明的在一个三相马达中的定子绕组的一种可能的电连接；
图7为类似于图3的视图，但是示出与绕组的电连接；
图8为沿着图5中的线VIII-VIII的放大截面图；
图9为沿着图8中的线IX-IX的放大截面图；
图10为类似于图9中的一个的截面图，但是涉及另一种形式的实施例；
图11为类似于图8中的一个的截面图，但是涉及另一种形式的实施例；
具体实施方式
如图1所示的电机是一种电动马达，主要包括一个转子1，一个围绕该转子1的定子2和一个围绕该定子2的外壳3。
该外壳3近似呈闭口圆柱状，而转子1包括安装在轴5上的转子体4，该轴5的轴颈由轴承6支承在这些闭口端上。
转子1由管形分隔壁7环绕，该分隔壁将转子1和定子2分开，并形成定子的流体密封腔室12。
定子2具有一个管形芯体8，且配有许多定子绕组9，它们彼此电绝缘，并围绕芯体8的壁，从而由芯体8穿过它们的中心，且沿着相对于芯体8的纵轴的轴向方向和径向方向延伸，该芯体8的纵轴与转子1的旋转轴一致。
如图2至4详细示出，这些绕组9呈薄环片状，具有例如给定的恒定厚度。
所述环片按类似于星状射线地散开，且在转子1的轴的方向上呈具有圆端部的长方形。
形成绕组9的每个环片配有一个全芯体8用的轴向槽。每个环片的一部分位于转子1和芯体8之间的气隙中，但在定子腔室12内部，并且每个环片的另一部分位于芯体8和外壳3之间的气隙13中，且在芯体8的外部。
绕组9可以由围绕芯体8的金属线束或绞合线形成，或者由单股线例如利兹线形成。
绕组9也可以由缆线18组成，该缆线18包括许多相互绝缘的导线19，但是这些导线19按Z形延伸，从而每条导线19规则地到达绕组9的外表面或边缘。导线19可以是如图8和9所示的单股金属线，也可以是绞合线或束线。
Z形图案相对于绕组9和缆线18的中心纵向方向呈一角度α，该角度α是在5°到45°之间，优选是在10°到30°之间。
如图8和10所示，导线19可以被包含在近似矩形截面的扁且宽的束中，每条导线19从束的一侧例如以辫状形式到达另一侧，。
如图9和11所示，绝缘导线19的束可以例如由电绝缘材料的套18A围绕。
实际上，缆线18可以被认为是扁平利兹线。
实验显示，具有根据本发明的绕组线18的绕组9的热传导性十倍于具有平行的标准利兹线的绕组的热传导性，其中，绕组线18的导线19从绕组的一个边缘按Z形延伸到另一边缘。
在另一个实施例中，导线19没有被套19A保持在一起，而是由编织(braid)或绳辫(plait)形式的束保持在一起，在这些情况下，所述套可以被省去。这样仍然能够改善散热。图10示出该实施例。
可以利用绝缘清漆将绕组9中的该线或这些线或绞合线的不同层保持在一起。
在另一个实施例中，环片可以是实心导体，典型地是铜环。
利用支承10将绕组9安装到位。这些支承可以是固定到芯体8上的绝缘件。仅有两个这种支承10在图3中示意性地示出，但是很清楚，这种支承10存在于每对相邻的、形成绕组9的环片之间。
如图2到4和图7所示，同样重要的是，在芯体8的内部，在两个相邻环片状绕组9之间有间隙11，该间隙至少经过所述绕组9之间的大部分径向距离。具体的是至少经过95％的径向距离，优选的是经过环片的整个径向尺寸。
定子腔室12和片状绕组9之间的空间或间隙11被充满冷却介质。
该冷却介质优选是一种流体，例如变压器油。这种流体是稳定的。
在另一实施例中，且如图5所示，冷却介质是循环的，并且外壳3在相对的两侧按与定子腔室12流体连通地配有一个或多个入口14和一个或多个出口15。配置诸如风扇或泵(图中未示出)之类的装置用于使冷却流体穿过入口，沿着绕组9流动，然后穿过出口。该冷却介质可以是一种强迫穿过绕组9的、诸如空气之类的气体，在这种情况下，不需要管形壁7，在如图5所示实施例中，没有所述壁7。
在又一实施例中，冷却介质是固体，例如图11所示，由定子2的部分形成。
组成缆线18的束从定子2的一部分延伸到另一部分。缆线18可看作是位于一个在定子2上形成的槽20中，缆线18的边缘接触槽20的壁。
在槽20的壁和绕组9之间也可有一薄层电绝缘材料，其中所述绝缘材料很薄，从而不会阻止从导线19到槽20的壁的热传导，所述槽处于定子1的热传导材料主要是铁中。
热胶(thermal paste)可用于提高所述的贴靠着定子2的铁或其他冷壁的绕组9的冷却效果。
在所述的所有实施例中，按星形分布来排列的环片状绕组9因而具有一个非常好的冷却效果。特别是在绕组的端部，热量可以比传统设计更有效地散发。
如图6和7所示，形成多个环片状绕组9的导线或金属线可以彼此电连接。当环片由绕组形成时，一种相同的缆线可以形成绕组，.且从一个环片延伸到另一个环片，并形成多个环片9的绕组。
图6示出在一个三相两极马达(two pole motor)中的绕组的电连接，所述电机具有Y-连接，R，S，T代表相位，而r，r★，s，s★，t，t★代表通常使用的绕组，它们分占六个半-扇区。
由图6和图7可以看出，用于每个与相位相关的极的六个传统“绕组”r，r★，s，s★，t和t★中的每一个被分成多个用导线16串联地电连接的绕组9，在给出的实施例中是4个绕组9。
当存在冷却介质时，在冷却介质和位于芯体8两侧的绕组9之间有一长的接触距离，且冷却介质和芯体8的内侧也接触。
同样，在芯体8的内侧上，绕组9的侧面形成冷却区域，所述的冷却区域与液态或气态的稳定冷却介质相接触。
将传统的绕组r，r★，s，s★，t和t★分成多个绕组9增加与冷却介质的接触表面，并显著提高冷却效果。

Claims (17)

1.电机，其包括一外壳(3)和一处在所述外壳中的围绕转子的定子(2)，所述定子包括一管状芯体(8)和围绕所述芯体的壁的绕组(9)，所述定子绕组(9)相对于所述芯体(8)的轴沿径向和轴向延伸，所述电机包括用于冷却所述绕组(9)的装置，其特征在于，在所述芯体(8)的内部和外部，所述绕组(9)至少95％被分隔开，在所述绕组之间形成间隙(11)，所述冷却装置包括一在这些间隙(11)中的冷却介质，其中，所述绕组(9)由一缆线形成，所述缆线由相互绝缘的导线(19)形成，所述导线是金属线，且按Z形图案在所述绕组(9)的边缘之间相对于所述绕组的中心纵向方向呈角度(α)地延伸，所述边缘与所述间隙(11)中的冷却介质可热传导地接触。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述定子(2)的绕组(9)被完全分隔开。
3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，所述Z形图案相对于所述绕组的中心纵向方向呈一角度(α)，所述角度是在5°到45°之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述绕组(9)由缆线(18)组成，所述缆线(18)由一绝缘导线(19)的扁且宽的束构成，每条导线(19)从所述束的一侧按Z形延伸到另一侧。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电机，其特征在于，所述绕组(9)以绳辫或编织的形式按Z形延伸。
6.根据述权利要求1所述的电机，其特征在于，所述定子(2)的所述绕组(9)呈薄环片的形状，且所述环片具有恒定的厚度。
7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述环片在所述转子(1)的轴向方向上是长方形，且其端部是圆的。
8.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述定子(2)包括支承(10)，用于将所述绕组(9)保持到位。
9.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述绕组(9)是那些配给与一相位有关的各个极的绕组片段。
10.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，整个外壳(3)是流体密封的，并形成一个密封腔室(12)。
11.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，由一围绕一转子的管(7)将所述外壳(3)分成两个独立的空间，该管(7)的外部空间形成一包含所述绕组(9)的流体密封腔室(12)。
12.根据权利要求10所述的电机，其特征在于，所述冷却介质是一冷却流体，且所述腔室(12)充满这种冷却流体。
13.根据权利要求10所述的电机，其特征在于，所述冷却介质是一冷却流体，且所述外壳(3)配有至少一冷却流体入口(14)和至少一冷却流体出口(15)，所述入口和出口与所述腔室(12)处于流体连通状态，所述冷却装置包括那种用于使冷却介质穿过所述入口(14)进入所述外壳(3)、并使其沿着所述绕组(9)流动、然后穿过所述出口(15)流出所述外壳(3)的装置。
14.根据权利要求12或13所述的电机，其特征在于，在所述绕组(9)之间的所述间隙(11)中的冷却介质是气体或液体。
15.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述冷却介质是一种固体热传导材料，且所述绕组(9)与这种固体热传导材料可热传导地接触。
16.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，所述Z形图案相对于所述绕组的中心纵向方向呈一角度(α)，所述角度是在10°到30°之间。
17.根据权利要求12所述的电机，其特征在于，所述冷却流体是冷却油。
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