电机的定子和电机的制作方法

本公开总体上涉及旋转电机的冷却。更特别地，本公开涉及电机的定子。另外，本公开涉及一种电机。

背景技术：

在旋转电机(诸如电动机或发电机)中，在电机的转子和定子的电磁作用部分之间产生磁通量。在径向磁通式电机中，最大转矩与气隙半径、气隙表面的面积、气隙中的磁通密度以及定子的气隙表面中的线性电流密度的乘积成比例。因此，在不增加电机的机械尺寸的情况下，可以通过增加线性电流密度来增加最大转矩，因为当已经超过铁的饱和点时，磁通密度实际上不能再增加。然而，增加线性电流密度会增加电机绕组中的电阻损耗。另一方面，在保持扭矩不变的情况下，可以通过提高旋转速度来增加电机的机械功率。因此，具有高的功率-尺寸比的电机通常是高速电机。然而，增加旋转速度会增加定子芯结构中磁场的交变频率，并且由此铁损(即磁滞损耗，尤其是涡流损耗)在高速电机中可能是显著的。因此，冷却在旋转电机的操作中起着重要作用。

用于对电机的定子绕组进行冷却的有效方法是液体冷却，其中冷却液与绕组的电导体接触，或者至少紧邻绕组的电导体。通常，定子绕组的液体冷却与大型涡轮发电机结合使用，其中定子线圈的电导体可以是中空的，以允许冷却液在电导体内流动。例如，公开文献ua73661公开了一种液体冷却的电机定子。该定子包括具有氢冷却的磁芯结构和具有用于冷却液的空心条的三相绕组。对于大型涡轮发电机之外的电机，氢冷却通常是不适合的，或者至少是不成本高效的。因此，需要适合于为定子绕组以及为定子芯结构布置液体冷却的技术解决方案。

公开文献us3157806描述了一种具有定子和转子的同步式电机。该定子包括定子芯结构和定子绕组，该定子绕组包括由定子芯结构机械支撑的定子线圈。所述定子线圈中的每一个包括电导体和用于在电导体的纵向方向上传导冷却流体的冷却通道。定子还包括冷却元件，这些冷却元件具有与定子芯结构接触的导热机械触点并且包括用于传导冷却流体的通道。

公开文献us2013285487描述了具有集中绕组的电机定子。该绕组包括线圈，这些线圈包括用于在线圈的电导体的纵向方向上传导冷却流体的管状冷却通道。

公开文献us2006145548描述了一种定子线圈模块，该定子线圈模块包括使用绝缘模具模制的线圈和冷却管道。液体冷却分配单元在电机的轴向端处，并向定子线圈模块供应冷却液体。

公开文献us2009261668描述了一种定子的冷却元件，其用在在液冷式电机的外表面中。

公开文献gb851409描述了一种具有水冷定子叠片和绕组的电机，液体经由歧管馈送到所述水冷定子叠片和绕组。

公开文献gb893847描述了一种具有水冷定子绕组的电机，液体经由歧管在电机的轴向端处馈送到该水冷定子绕组。

技术实现要素：

下面给出了简化概述，以便提供对各种发明实施例的一些方面的基本理解。该概述不是本发明的广泛综述。它并不旨在确认本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。以下概述仅仅以简化形式呈现本发明的一些构思，以作为对本发明的示意性实施例的更详细描述的前序。

在本文献中，当用作前缀时，词语“几何”表示几何概念，其不必是任何物理对象的一部分。几何概念可以是例如几何点、直线或弯曲的几何线、几何平面、非平面几何表面、几何空间或零维、一维、二维或三维的任何其它几何实体。

根据本发明，提供了一种用于电机的新型定子。根据本发明的定子包括：

-定子芯结构，以及

-定子绕组，该定子绕组包括由定子芯结构机械地支撑的多个定子线圈。

所述定子线圈中的每一个包括电导体和冷却管，该冷却管用于在电导体的纵向方向上传导冷却流体。所述定子还包括冷却元件，这些冷却元件具有与定子芯结构接触的导热机械触点。冷却元件包括用于传导冷却流体的通道，并且定子线圈的冷却管经由冷却元件彼此连接。

上述冷却元件能够将由铁损引起的热量从定子芯结构传递到冷却流体。另外，所述冷却元件用作歧管，用于在定子线圈的冷却管之间传导冷却流体。

根据本发明，还提供了一种新型电机。根据本发明的电机包括：

-根据本发明的定子，以及

-转子，该转子相对于定子被以可旋转方式支撑。

根据本发明的示意性和非限制性实施例的电机是径向磁通式内转子式电机，其中冷却元件放置在定子芯结构的磁轭区段上的轴向沟槽中，并且冷却元件包括在背向定子芯结构的气隙表面的表面上的冷却鳍片。转子可以包括例如鼓风机叶片，用于经由气隙和/或经由转子的轴向冷却通道推动空气或其它气体，并且电机可以包括如下机械结构，其用于引导所述空气或其它气体沿冷却元件的包括上述冷却鳍片的所述表面循环回到鼓风机。在该示意性情况下，冷却元件布置成不仅冷却定子芯结构，还对冷却转子的所述空气或其它气体进行冷却。

在所附的从属权利要求书中描述了本发明的示意性和非限制性实施例。

当结合附图阅读对特定示意性和非限制性实施例的以下描述时，将关于本发明的构造和运行方法两者及它们的其它目的和优点而最佳地理解各种示意性和非限制性实施例。

动词“包含”和“包括”在本文献中用作开放式限制，其既不排除也不要求存在有未引用的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征都可以相互自由组合。另外，应当理解，在整个文献中使用的“一”、即单数形式并不排除复数。

附图说明

下面，以举例方式并参考附图更详细地解释本发明的示意性和非限制性实施例及优点，在附图中：

图1a和图1b示出了根据本发明的示意性和非限制性实施例的电机的等距视图，

图1c和图1d示出了图1a和图1b中所示的电机的端视图，

图1e和图1f示出了图1a至图1d中所示的电机的冷却元件，

图1g示出了图1a至图1d中所示的电机的横截面，并描绘了作用在电机上的示意性磁通量，

图1h示出了构成图1a至图1d中所示的电机的定子线圈的细长导体元件的横截面，以并且

图2示出了根据本发明的示意性且非限制性实施例的电机的示意图。

具体实施方式

以下给出的描述中提供的具体示例不应被解释为限制所附的权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则以下给出的描述中提供的示例的列表和群组不是穷举性的。

图1a和图1b示出了根据本发明的示意性和非限制性实施例的电机的等距视图。图1c和图1d示出了电机的端视图。与图1a至图1d相关的观察方向用坐标系199示出。电机包括根据本发明的示意性和非限制性实施例的定子100和相对于定子100以可旋转方式支撑的转子120。转子120的旋转轴线与坐标系199的z轴平行。用于以可旋转的方式支撑转子120的支承装置未在图1a至图1d中示出。定子100包括铁磁芯结构101，该铁磁芯结构101由铁磁材料制成或至少包含铁磁材料。铁磁芯结构101可以包括例如彼此电绝缘的铁磁片材的堆叠，这些铁磁片材在电机的轴向方向上(即在坐标系199的z方向上)堆叠。

定子100包括定子绕组，该定子绕组包括由定子芯结构101机械支撑的定子线圈102a、102b、102c、102d、102e和102f。所述定子线圈102a至102f中的每一个包括电导体和用于在电导体的纵向方向上传导冷却流体的冷却管。在图1a和图1b中，定子线圈102a的冷却管用附图标记103表示。每个定子线圈可以包括例如适当匝数的细长导体元件，该细长导体元件由冷却管和布置成围绕冷却管的导电线束构成，例如使得冷却管的横截面基本上在细长导体元件的横截面的中心。图1h示出了上述类型的细长导体元件119的示意性横截面。该导电线束用附图标记116表示。该线束可以包括例如100至200根铜绞线。在示意情况下，该线束由利兹线(litz-wires)构成。在这种示意情况下，该线束的每根线本身是扭曲或编织的一束细丝。在电机的供电频率低的情况下，构成定子线圈的细长导体元件可以包括一个或多个导体条，而不是导电线束。还可能的是每个定子线圈包括一匝或多匝冷却管和不同匝数的电导体，使得冷却管在这些匝的电导体之中。定子线圈的冷却管可以由例如钢(例如不锈钢)制成。

定子100包括冷却元件，这些冷却元件具有与定子芯结构101接触的导热机械触点。在图1a、图1c和图1d中，用附图标记104a、104b和104c表示出了这些冷却元件中的三个冷却元件。冷却元件包括用于传导冷却流体的通道，并且定子线圈102a至102f的冷却管经由冷却元件彼此连接。因此，冷却流体布置成经由冷却元件和定子线圈102a至102f的冷却管两者流动。因此，冷却元件可以将由铁损引起的热量从定子芯结构101传递到冷却流体。另外，冷却元件用作歧管，用于在定子线圈102a至102f的冷却管之间传导冷却流体。也有可能的是，每个定子线圈包括在电导体当中的两个或更多个冷却管。在该示意性情况下，每个定子线圈包括连接到冷却元件的四个或更多个管端。冷却元件可以由例如铝、铜或具有高导热性的一些其它合适材料制成。图1a至1d中所示的示意性定子包括连接管，这些连接管被布置用以将冷却元件连接到定子线圈102a至102f的冷却管。在图1a、图1b和图1d中，用附图标记107和108表示出了所述连接管中的两个连接管。连接管有利地是非导电的，并且连接管可以由例如聚合物制成。

在图1a至图1d中示出的示意性定子100中，定子芯结构101包括沿轴向延伸穿过定子芯结构101的空腔，所述空腔容纳冷却元件。然而还可能的是，冷却元件是附接在定子芯结构101的磁轭区段的表面上的平坦形元件。在图1a至图1d中所示的示意性情况下，用于冷却元件的空腔是磁轭区段上的轴向沟槽。在该示意性情况下，冷却元件可以在不抵靠定子芯结构101(即背向定子芯结构101的气隙表面)的表面上设有冷却鳍片。在图1b中，冷却元件104a的冷却鳍片用附图标记106表示。转子120可以设有鼓风机叶片(blowervanes)，用于经由气隙和/或经由转子120的轴向冷却通道推动空气或其它气体，即将空气或其它气体推动通过定子孔。另外，电机可以设有机械结构，这些机械结构引导空气或其它气体沿着冷却元件的包括有上述冷却鳍片的表面循环回到鼓风机。在该示意性情况下，冷却元件布置成用以不仅冷却定子芯结构101，还用以对冷却转子120的空气或其它气体进行冷却。图2中示出了上述类型的电机的示意图，其中鼓风机用附图标记121表示，用于引导所述空气或其它气体的机械结构用附图标记122表示。

在图1a至图1d中示出的示意性定子100中，冷却元件104b包括用于从定子外部接收冷却流体的第一管道接口114，并且冷却元件104c包括用于从定子递送出冷却流体的第二管道接口115。管道接口114和115可以连接到用于循环冷却流体的外部系统。然而还可能的是，两个或更多个定子线圈的冷却管连接到用于循环冷却流体的外部系统。可以布置适当数量的并联冷却路径，以将冷却系统的压降保持在可接受的水平上。在图1a至图1d中所示的示意性定子100中，存在两条并联的冷却路径，这些冷却路径在图1c中用虚线表示。

冷却元件104a在图1e中示出，并且冷却元件104b在图1f中示出。图1e还示出了冷却元件104a的截面图。相应地，图1f示出了冷却元件104b的截面图。这些截面是沿图1e和图1f中示出的线a-a截取的，并且截面平面平行于坐标系199的xz平面。图1e中所示的冷却元件104a包括管道接口117a，用于经由连接管107和108连接到定子线圈102a和102f的冷却管，如图1a、图1b和图1d中所示。相应地，图1f中所示的冷却元件104b包括管道接口117b，用于经由相应的连接管连接到定子线圈102e和102f的冷却管，如图1a和图1d中所示。如图1e中呈现的截面图所示，冷却元件104a包括通道105a，该通道105a成形为用以将冷却流体从定子芯结构101的第一端沿轴向传导至定子芯结构的第二端，以及从第二端传导回到第一端。根据本发明不同实施例的定子的冷却元件可以包括以多种方式弯曲和/或扭曲的通道。

图1g示出了图1a至图1d中所示的电机的横截面。截面平面垂直于电机的轴向方向。另外，图1g描绘了作用在电机上的示意性磁通量。在图1a至图1d和图1g中所示的示意性定子100中，定子芯结构101包括多个定子齿和多个定子槽，所述多个定子槽容纳定子线圈102a至102f的线圈侧。然而还可能的是，在具有气隙绕组的电机中使用上述冷却装置。

在图1a至图1d和图1g中所示的示意性情况下，定子绕组是集中式非重叠齿线圈绕组，其中每个定子线圈的宽度使得每个定子线圈围绕一个且仅一个定子齿。定子齿有利地成形为允许通过推动每一个定子线圈以围绕相应一个定子齿来安装该定子线圈，而不改变该定子线圈的形状。然而还可能的是，在具有非集中式定子绕组(其中每相每极的槽的数量多于一个)的电机中使用上述冷却装置。

在图1a至图1d和图1g中所示的示意性情况下，定子齿包括第一定子齿和第二定子齿，各第一定子齿被一个定子线圈围绕，各第二定子齿布置在相邻的定子线圈之间。在图1g中，用附图标记109a和109b标出出两个第一定子齿，并且用附图标记110a和110b标示出两个第二定子齿。如图1g中所示，冷却元件至少部分位于第二定子齿内，并且各第二定子齿具有在对应的冷却元件的两侧上的两个分支。在图1g中，定子齿110a的两个分支用附图标记111和112表示。冷却元件具有朝向定子芯结构101的气隙表面渐缩的横截面。图1g中所示的机械装置使得冷却元件可以在径向方向上朝向气隙表面延伸而基本上不干扰磁通量成为可能，因为第二定子齿的分支提供了磁通量可以经由其通过冷却元件的路径。

上面参照图1a至图1h描述的示意性电机是永磁电机。转子120包括用于产生激励磁通量的永磁体。在图1g中，用附图标记113标示出一个永磁体。在该示意性情况下，各永磁体由永磁体材料片构成。永磁体的磁化方向在图1g中用箭头描绘。应当注意的是，根据本发明的实施例的电机也可以是例如是感应式电机、同步磁阻式电机、开关磁阻式电机、滑环异步式电机或电励磁同步式电机。

上面参照图1a至图1h描述的示意性电机是径向磁通式内转子电机。应当注意的是，根据本发明的实施例的电机也可以是例如径向磁通式外转子电机或轴向磁通式电机。

在上面给出的描述中提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求的适用性和/或解释。除非另有明确说明，否则以上给出的描述中提供的示例的列表和群组不是穷举性的。