用于高效率机械的液体冷却的定子的制作方法
【专利说明】用于高效率机械的液体冷却的定子
[0001]相关串请
本申请要求享有于2013年4月3日提交的美国专利申请序列号13/855,801的权益，该发明公开通过引用而全部结合在本文中。
技术领域
[0002]本发明大体涉及电动机和发电机，并且特别地涉及一种用于电动机或发电机的液体冷却的定子。
【背景技术】
[0003]用于包括电动机、发电机等的旋转电机的定子采用各种类型的冷却，包括空气、液体和两相冷却。穿过机械中心吹送的空气已经是常规的标准，其中液体在高功率应用中变得更为普遍。两相冷却由于成本和复杂性而没有发展成为主流。液体冷却优选地用于许多高功率应用，因为其生成了更紧凑的设计，并且适合于密封的壳体构造，而密封的壳体构造在许多环境中是优选的。
[0004]最常见的液体冷却设计使用缠绕在在定子组件外面周围的冷却套。这可参见题名为“LIQUID COOLED MOTOR AND ITS JACKET (液体冷却的电动机和其外套)”的美国专利5，448，118，其通过引用而结合在本文中。在该设计中存在铝挤压物，其包围定子的外面，并且具有供冷却流体经过的通道。该设计比空气更好地冷却了定子，但受到如下限制:i)在外套和定子之间的传导率，?)定子叠片的不良传导率，iii)槽衬套的传导率，和iv)在绕组和槽衬套之间的不良传导率。
[0005]普遍使用的另一方法是使冷却流体经过定子叠片或进入到切入定子叠片的槽中。这些方法均具有相似但对冷却套设计并非严重的缺点。另外，其通常需要定子变得更大，以容纳磁性材料中的孔。
[0006]此外，一些技术涉及将流体直接喷涂到定子上，或者浸渍定子。这些具有过度复杂，或者在转子和定子之间具有流体引起的阻力的缺点。
[0007]存在至少有两种技术穿过绕组槽放置冷却歧管。这些中的一个是强制流体从导管的中心向下流动。在这种情况下，流体通常是非传导的油。这具有需要特殊的流体和一些复杂的制造方法以提供流体通道的缺点。对于10丽和以上范围内的极大功率，冷却介质时常是氢。其它技术穿过槽向下放置管道或容器，其里面具有冷却流体。这些通常还使用非传导的油，并在其末端具有对歧管的非传导的连接。在题名为“CONTROL OF WINDINGTEMPERATURES OF LIQUID COOLED GENERATORS (液体冷却的发电机的绕组温度控制)”的美国专利#3，112,415中可找到这样一个示例，其通过引用而结合在本文中。
[0008]该设计将冷却歧管直接集成到定子槽中，靠近生成热量的导线。这适应了标准乙二醇冷却剂的用途，其在工业中是极其适宜的，并实现了非常紧凑的机械。
[0009]在其它申请中还显示了由相同发明人提出的新颖的冷却方法，例如由Marvin等人提交的题名为 “LIQUID COOLED HIGH EFFICIENCY PERMANENT MAGNET MACHINE WITHGLYCOL COOLING(利用乙二醇冷却的液冷式高效率永磁电机)”的第13548199号美国专利申请、题名为“LIQUID COOLED HIGH EFFICIENCY PERMANENT MAGNET MACHINE WITH INSLOT GLYCOL COOLING(利用槽中乙二醇冷却的液冷式高效率永磁电机)”的第13548203号美国专利申请、题名为“HIGH EFFICIENCY PERMANENT MAGNET MACHINE WITH CONCENTRATEDWINDING AND DOUBLE COILS(具有集中绕组和双绕线圈的高效率永磁电机)”的第13548207号美国专利申请、和题名为“HIGH EFFICIENCY PERMANENT MAGNET MACHINE WITH LAYERFORM WINDING(具有层制绕组的高效率永磁电机)”的第13548208号美国专利申请，所有专利申请都是2012年7月13日提交的，其全部通过引用而结合在本文中。
[0010]最普遍的定子绕组类型是分布绕组。其中一种类型是整数槽绕组，其中每极每相的槽的数量是整数。这样一个示例是4极12槽3相电动机。每极每相的槽的数量是1，并因此是整数。这些绕组通常需要一些相对复杂的端匝，以正确绕制其导线。一种构造类型是菱形形式的绕组，其用于许多更大、更高电压且更为可靠的机械中。
[0011]当每极每相的槽的数量是小于一的分数时，另一绕组类型是集中绕组。这些还可被称为非重叠的集中绕组。它们具有降低了装置的内在效率的缺点，但使端匝变得非常简单，并可促成其它优点。集中绕组的一个示例是8极9槽3相电机。在这种情况下，每极每相的槽的数量是0.375。该构造的基本功率减少了 5.5%。集中绕组可能是单层或双层设计。单层设计具有仅仅缠绕在交替的定子齿上，并仅仅应用于具有偶数定子槽/齿情景下的绕组。双层设计具有缠绕在每个定子齿上的绕纽。在该构造中存在缠绕定子各个齿的线圈，并且存在与槽相同数量的线圈。此外，各个槽具有穿过该槽的一个线圈的一半和另一线圈的一半，并且端匝是非常短的。理想地，端匝可能与定子齿的宽度一样短。
[0012]双层集中绕组具有缠绕在各个齿上的简单线圈的优点。对于外部转子构造，并利用相对开放的槽，这容许线圈进行的简单组装。对于更典型的内部转子构造，组装略为复杂些，因为即使带有相对开放的槽，开口也小于槽。如果槽的开口出于电动机性能原因而被做得更小，那么这会进一步复杂化。一种典型的减轻这个问题的方法是分开制作齿，从而能够I)将导线直接缠绕在齿上，或者或2)从外部使绕组滑动。在题名为“STATOR OFDYNAMO-ELECTRIC MACHINE (电动发电机的定子)”的美国专利5，583，387中显示了第一方法，其通过引用而结合在本文中。在题名为“SALIENT POLE CORE AND SALIENT POLEELECTRONICALLY COMMUTATED MOTOR (凸极铁芯和凸极电子整流换向电动机)”的美国专利4，712，035中显示了第二方法，其也通过引用而结合在本文中，但其是作为外部转子构造而显示。在题名为“CONCENTRATED WINDING MECHINE WITH MAGNETIC SLOT WEDGE(具有磁槽楔的集中绕组电机)”的美国专利8，129, 880中显示了两种常规的方法，其通过引用而结合在本文中。任何具有单独齿的定子叠片设计的挑战是在结构上固定齿，因此使其不移动或断裂。即使小的齿的运动也可能造成噪声。第二挑战是以某种方式构造接头，从而不会显著地干扰穿过叠片的磁通量。如果接头制成无间隙，那么这可能不是个问题，但由于实际的制造公差和附接所需要特征，这是个主要考虑因素。
[0013]包括电动机、发电机等的旋转电机已采用构造定子绕组的各种方法。一些方法只适用于某些类型的定子绕组。
[0014]—种普通的方法是散嵌绕组。该方法可使用矩形或弧形的导线，但通常使用弧形的导线。这里绕组通过绕线机来放置，其中唯一的需求是使它们定位在正确的槽中。这是最容易的定子绕组方法，但导致了槽中最低数量的导体和因此最低的效率。该方法可供任何类型的定子绕组使用，包括集中绕组。
[0015]另一普通的方法是菱