定子、模拟方法、计算机程序产品与流程

本发明涉及一种机电换能器的定子，特别是电动机器的定子，其被配置成与转子交互，包括-冷却系统，-绕组系统，-包括至少一个透磁体的芯，其中定子沿纵轴线延伸，其中芯具有切口，绕组系统的绕组段至少部分地布置在切口中，并且其中冷却系统被设计为由冷却介质流过。

背景技术：

1、机电换能器是指电动机或发电机，特别是电动机器。

2、机电换能器的定子(特别是绕组系统)由于损耗(例如铁损(芯)、导体损耗等)必须进行冷却。为了有效散热，空气冷却通常已经不能达到效果，所以要提供液体冷却，特别是水冷却或油冷却。在芯中，冷却系统的冷却通道通常被设置在例如电动机器的透磁体中。

3、de 24 62 150或ep 0 684 682 bl公开了在芯的层叠段中带有相应的冷却通道的机电换能器。带有冷却设施的机电换能器从us 3 675 056 a、us 8629 585b2和de 10 2012203 502 al也是已知的。

4、传统的定子在运行过程中经常表现出不均匀的散热。例如，绕组系统的绕组端部处的温度往往高于其他部件的温度。此外，其他的温度分布往往是不均匀的。这种现象通常也是由以下事实造成的，即当冷却介质流过冷却系统时，会形成不同温度的条纹，而且冷却系统的过流如此不均匀，以至于较多量的冷却介质流过冷却系统的某些区域，因此在冷却系统中过流较少的其他区域(例如流动相关死水区)形成相对较高的温度。热不平衡还源于这样一个事实，即并非在定子的所有位置都有相同的废热排放。

5、冷却系统的这种不均匀性作为不均匀的温度分布转移到芯上，因此在芯的某些区域中，由于热负荷较高，材料性能比其他区域更早耗尽。

6、us2013/193786 al公开了一种机电换能器，包括具有叠片组的定子，其中在叠片组中，在绕组之间布置有多个轴向延伸的平行冷却通道。相对于叠片组的轴向中心，流入冷却通道的流量分布形成为使得冷却通道具有从入口到外端的过流。在外端，每个冷却通道都有开口，其中该开口与定子中各个冷却通道的位置相适应，特别是就重力而言，以便在所有冷却通道中实现均匀过流。从us2013/193786 al中已知的机电换能器的缺点是其复杂性。

7、us2018/138784 al、us 9 419 499 b2和cn 101 752 915a也公开了带有冷却设施的机电换能器，其中提供喷嘴用于喷射，从而提供针对性地冷却绕组端部。

技术实现思路

1、基于现有技术的问题和缺点，本发明设定了改进从芯散热的目标。

2、为了实现这个目标，本发明提出了一种引言部分限定类型的具有独立权利要求特征部分的附加特征的定子。具体地，冷却系统具有至少一个喷嘴，冷却介质在运行期间流过该喷嘴，使得冷却介质在喷嘴下游以加速射流的方式流出，其中喷嘴的构成和定向方式使绕组系统的一部分被来自喷嘴的加速射流撞击，其中芯具有至少两个轴向相邻布置的本体，第一本体和第二本体，其中第一本体与第二本体间隔一轴向间隙地布置，并且冷却介质从平行导向的不同流道合并在该轴向间隙中。

3、喷嘴的定向优选使被加速的射流至少在轴向-径向定向引向绕组系统的绕组端部。在该情况下，本发明已经认识到，除其他事项外，为了在具有较高散热的点上实现平衡的温度分布，冷却必须更加集中。同时，根据本发明使用的喷嘴不仅可以对具有较高废热排放的区域进行有针对性的冷却，而且还可以有针对性地分配冷却剂，使得提供否则均匀的冷却以获得均匀的温度分布。

4、本发明进一步有利地认识到，通过在芯的两个本体之间的轴向间隙中的合并，使特别有利的冷却剂导向成为可能，其中冷却剂从布置绕组端部的芯的轴向端向内导向。在将冷却剂喷洒到系统中温度最高的绕组端部上后，冷却剂在绕组端部处被导向离开，并沿着绕组被导向穿过定子。特别是，这形成了冷却剂导向，其中再生状态(即在最低可能的温度下)的冷却剂首先撞击绕组端部，并能特别有效地消散那里产生的热量。然后，在该过程中过流流经剩余的绕组和芯并对其进行冷却。

5、除非另有说明，在本情况下，术语如径向、切向、轴向或周向是关于定子的纵轴线。

6、本发明的一个方面规定，冷却系统提供了在各自分流的下游，对相互平行导向的流道进行合并，特别是对所有相互平行导向的流道进行合并。分流和合并在每种情况下能够以级联方式进行。流道的平行导向使各个产热部件的冷却更加准确地有针对性。原则上，本发明对在此背景下使用的术语“平行”的理解并不是指几何上的平行布置，而仅仅是将最初的共同流动分成两个流道，并在随后进行重新统一或合并。该分流和重新统一或平行导向也可以这样实现，即由分流产生的流道再次被分离，并且在下游所有的都被同时或接连合并到一起。

7、根据本发明的另一个方面，芯具有多个本体，冷却系统提供冷却介质的流动在各个本体之间分流，之后再重新统一。流动导向的进一步分流可以在本体本身中进行。

8、优选的是，芯的一个或多个本体被构造为叠片组。

9、对于通过轴向间隙将两个本体分离，在本体之间提供间隔件以防止本体在轴向上相互接近可能是有用的。

10、当至少一些轴向延伸通过芯的绕组段与本体中各切口的相邻表面一起限定本体中冷却系统中具有平行过流的通道，从而使冷却介质沿各绕组段流动时，就会产生绕组系统冷却和芯本体冷却的良好组合。在这种情况下，绕组系统在绕组系统的导体和布置有绕组段的切口的壁之间可以具有绝缘体或主绝缘体。在主绝缘体和壁之间，可以有利地提供冷却通道或冷却系统的通道。在这种情况下，如果主绝缘体和/或绕组系统本身或绕组段在通道的纵向上具有至少部分地形成通道的凹陷(其中突起能够在绝缘体和/或导体材料中构造为压痕)，这是有用的。

11、优选的是，各绕组段构造为型绕线圈的一部分，并以产生其中已经具有冷却通道的部分的基本形状的方式进行缠绕。替代地和特别优选的是，绕组段首先作为型绕线圈的一部分产生，而不形成冷却通道，随后提供绝缘体或主绝缘体，该绝缘体或主绝缘体具有至少一个优选随后引入的压痕，从而压痕与各本体的槽壁或切口壁一起产生冷却通道部。压痕优选在轴向延伸得比绕组段所在的切口更长，以便在切口的端部形成通道的流入和/或流出。绕组段能够由电并联的导体棒和/或线圈和/或部分导体组成。

12、特别有利的是，定子在准备运行状态下与转子邻接的区域内有间隙管，它将定子与转子-优选密封地-分开，以便定子的冷却系统能够独立于转子运行或定子的冷却系统相对于转子封闭。

13、当把芯分离成至少两个相互轴向间隔的本体时，如果绕组段以桥接轴向间隙的方式轴向延伸通过芯，则是有利的。轴向间隙能够有利地通过间隔件来保证。

14、本发明的一个有利的改进方案是，在第一侧上与芯轴向相邻，用于冷却介质的第一收集空间设置在芯上游。替代地或附加地，也可以在第二侧上与芯轴向相邻，用于冷却介质的第二收集空间设置在芯上游。在有两个收集空间的变体中，有利地，在两个收集空间的上游将冷却系统中的冷却介质流间隔开或分流。换句话说，冷却系统具有双流实施例，其中两个流的两个流道均具有收集空间，特别优选地从每个收集空间将冷却介质分流成相互平行的流动导向，优选分别通过芯的不同本体。

15、本发明的一个有利的改进方案是，绕组系统包括绕组端部，其中至少一个绕组端部至少部分地布置在收集空间中，其中至少一个喷嘴的定向方式是加速射流至少在轴向-径向定向方面指向绕组端部。优选地多个喷嘴的定向可以是纯径向的，或者相对于径向和轴向倾斜。特别优选的是，喷嘴在绕组端部的径向外侧布置，并且加速射流平行于径向方向从外侧向内侧指向所述至少一个绕组端部。在多个喷嘴的情况下，这些喷嘴的定向和布置方式可以是使各个射流关于各自的射流中心轴线限定或者是基本上径向的平面，在圆周方向上相互之间有假想的环形连接，或者是圆锥体形状。

16、本发明的一个有利的改进方案是，冷却系统分别在进入收集空间的点处具有沿圆周方向在圆周的至少一部分上延伸的入口通道，该通道有从入口通道进入收集空间的流出开口。在这种情况下，流出开口优选构造成使冷却介质以在圆周上均匀分布的方式流入收集空间。优选的是，入口通道均在整个圆周上延伸。所有的流出开口都可以构造成入口通道的壁上的喷嘴，特别是将壁构造成穿孔叠层的方式。备选地，只有部分流出开口构造成喷嘴，使得其他流出开口优选用于否则尽可能均匀的分布。

17、流出开口能够设置在不同的圆周位置和/或径向位置，和/或流出开口能够至少部分地具有不同的尺寸和/或以不同的间距布置，和/或流出开口能够优选构造成在额定运行期间在流出开口之间冷却剂过流的圆周分布基本上与目标圆周分布相一致。目标圆周分布能够优选在圆周上均匀分布，以便定子的任何部分都不会过热。在此，如果至少一些流出开口被构造成所述的喷嘴，其中冷却介质流入喷嘴并以加速射流指向绕组系统的一部分的方式流出喷嘴，则是特别优选的。

18、本发明的一个有利的改进方案是，冷却系统被构造成，在布置在芯的两个轴向侧的收集空间的上游，提供了被分流为至少两个相互平行地导向的流道的第一分流，并且收集空间位于平行导向的流道中。

19、特别地，当使用高品质的冷却介质时，如果冷却介质沿着封闭的回路被引导，那就很有用。优选的是，冷却系统具有以封闭方式构造的主回路。所述主回路可以通过热交换器从不同的散热器冷却，例如通过空气冷却(二次冷却)。

20、特别有利的是，冷却系统以这样的方式填充有冷却介质，即在运行期间，相对于环境，冷却系统中普遍存在至少0.1巴，优选0.3巴的减压。为此，可以提供冷却系统的相应的压力调节，其被构造成在运行期间，相对于环境，冷却系统中普遍存在至少0.1巴，优选0.3巴的减压。优选地，冷却系统具有泵，该泵特别优选地具有至少δp＝0.3巴，优选δp＝0.4巴到0.6巴之间(例如δp＝0.5巴)的输送压力。定子中的减压对间隙管的稳定性有积极的影响，因为间隙管的圆柱形在内部压力比外部压力高的情况下比在相反的压力关系下在机械上更稳定。因此，在这样的运行模式下，间隙管可以构造成较小的壁厚，从而对机电换能器的效率产生积极影响。在冷却系统的正常运行中，预计通过喷嘴或流出开口会出现约0.1巴的压力差。沿着在那里提供的冷却通道的芯过流-特别是例如在绕组段和透磁体之间-可以产生大约0.3巴的压力差。

21、根据本发明的机电换能器优选以发电机的构造形式用于风力发电设备，因为它们在设计紧凑的同时具有高功率密度。

22、因此，本发明的一个优选应用领域是发电机，特别是具有永磁转子的发电机，尤其是风力发电设备的发电机，从而本发明也涉及发电机或风力发电设备的发电机或具有包括根据本发明的定子的发电机的风力发电设备。本发明的另一应用领域是异步机，特别是鼠笼式电动机。在异步机的情况下，由于与永磁转子相比气隙较小，所以必须把间隙管实施成壁相对薄。

23、在这种情况下或者额外地，可使用计算机实现的方法来模拟根据本发明的定子的运行。特别有用的是，通过计算机实现的方法来模拟定子或相应的整体机器(机电换能器)的设计是有用的。通过这种方式，同时考虑到在不同运行条件下模拟期间产生的芯中的温度分布，有可能找到可变设计参数和运行参数的最佳可能配置。此外，模拟的可能性也很有价值，能够伴随运行期间对温度分布和可能的极限值越界情况或材料损坏情况做出说明，而且如果有必要，还可以决定应该实际执行哪种运行方案。模拟可以在运行期间伴随支持维修间隔的确定、使用寿命的预测和备件的提供。在这种情况下，当模拟-即定子的虚拟图像表示-和物理实施之间有到传感器的链接时，目前行话经常使用“数字孪生”这一术语。

24、因此，本发明还涉及一种计算机程序产品，用于通过至少一台计算机进行模拟方法。这里，如果在定子的虚拟图像和物理实施之间有到至少一个传感器的链接，那么特别优选，使得模拟可以与物理实施同步。