專利名稱：包括帶有繞組的定子的電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機(jī)，例如馬達(dá)或發(fā)電機(jī)，其包括一個(gè)外殼和一個(gè)處在所述外殼中的定子，所述定子包括一個(gè)管狀芯體和圍繞所述芯體的壁的繞組，所述定子繞組相對于所述芯體的軸沿徑向和軸向延伸，其中，所述電機(jī)包括用于冷卻所述繞組的裝置。
這種電機(jī)的連續(xù)輸出功率主要受定子繞組的冷卻限制。
這些定子繞組通常由相對較粗的導(dǎo)線箍組成，相鄰導(dǎo)線的數(shù)量朝著芯體既從芯體的內(nèi)部也從芯體的外部增加。
在芯體的內(nèi)部，除了在繞組和轉(zhuǎn)子之間有小的環(huán)狀氣隙之外，相鄰繞組彼此幾乎相接觸，且繞組和定子芯體之間的間隙幾乎完全被繞組充滿。
這就意味著位于定子芯體內(nèi)部的部分繞組僅能在朝著芯體和所述氣隙處被冷卻。
由于在芯體中有限的熱傳導(dǎo)以及在芯體中的附加損失，通常僅能經(jīng)芯體將有限部分熱量散出。
大部分熱量應(yīng)當(dāng)經(jīng)氣隙散出，然而以這種方式難于冷卻位于芯體內(nèi)部的繞組部分的中心部分。
因此這些繞組的冷卻受到限制。
為了提高冷卻效果，公知的是增加冷卻裝置。
上述類型的具有冷卻裝置的電機(jī)在US-A-5.304.883中公開。定子繞組包括兩部分，位于芯體壁和轉(zhuǎn)子之間的氣隙中的第一內(nèi)部部分，和位于該氣隙外部的第二外部部分。
第二外部部分的繞組具有較大的橫截面區(qū)域，這樣，就比第一內(nèi)部部分的繞組聚集更多熱量，為第一部分提供一個(gè)散熱裝置(heat sink)，從而使第一部分更加有效地冷卻。
定子包括一個(gè)封閉外殼用的細(xì)長孔封(bore seal)，以形成一個(gè)環(huán)狀定子腔室，并且外殼配有入口和出口，所述入口和出口與所述腔室處于流體連通狀態(tài)，從而能讓冷卻劑流入和流出所述腔室來冷卻繞組。
具有兩部分的繞組是一種過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。此外，冷卻仍然受到限制，這是因?yàn)榕彽睦@組仍然彼此幾乎相接觸，以致于除了在芯體的外側(cè)有小間隙外，轉(zhuǎn)子和定子芯體之間的間隙幾乎完全被充滿，其中，在芯體的外側(cè)有小間隙的原因是所述外部分徑向地延伸得比所述內(nèi)部分稍遠(yuǎn)。
本發(fā)明尋求提供一種具有改進(jìn)冷卻效果的定子繞組的電機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明，該目的這樣實(shí)現(xiàn)，在芯體的內(nèi)部和外部，繞組至少95％，優(yōu)選完全地被隔開，在所述繞組之間形成間隙，冷卻裝置包括一種在這些間隙中的冷卻介質(zhì)。
這就意味著，在芯體的內(nèi)部，繞組的側(cè)面也形成冷卻區(qū)域，用于由冷卻介質(zhì)進(jìn)行散熱。不僅冷卻區(qū)域被增加，而且到位于芯體內(nèi)部的繞組部分的中心部分和冷卻區(qū)域的距離也相對較小。
此外，管狀定子芯體內(nèi)側(cè)的部分也被冷卻，從而，芯體的冷卻也得到改善，且由此也增加穿過芯體來冷卻繞組的可能性。
作為現(xiàn)有技術(shù)在US-A-4.103.197中公開一種具有成角度間隔開的繞組的定子，但是沒有冷卻繞組。
優(yōu)選的是，繞組具有薄環(huán)片的形狀。
該環(huán)片越小，環(huán)片的可能數(shù)量就越多，且環(huán)片的數(shù)量越多，冷卻效果就越好。
優(yōu)選的是，前述的繞組是那些通常配給與相位有關(guān)的各個(gè)極的繞組片段。
對應(yīng)于每個(gè)極的傳統(tǒng)繞組被分成許多彼此電連接的小繞組。
繞組的總數(shù)量越大，它們之間的間隙數(shù)量也越多，也就更可能得到冷卻。
所述繞組可以包括由彼此絕緣的導(dǎo)線組成的纜線(wire)，這些導(dǎo)線是金屬線或絞合線，這種類型的纜線通常是公知的利茲線。
優(yōu)選的是，繞組線(winding wire)的導(dǎo)線然后在繞組的邊緣之間按Z形圖案延伸，所述邊緣與所述冷卻介質(zhì)可熱傳導(dǎo)地接觸。
在垂直于繞組的截面上，且在橫向方向上，僅有一個(gè)具有按Z形延伸的絕緣導(dǎo)線的纜線。在公知的繞組中，繞組線的導(dǎo)線彼此平行地延伸或扭絞成小束，所述小束彼此平行地延伸。這些小束例如可以由具有扭絞狀或辮狀線的利茲線組成，所述繞組線包括幾條這樣的彼此平行地延伸的利茲線。
在公知的繞組中，垂直于繞組方向的繞組的熱傳導(dǎo)比銅的熱傳導(dǎo)小得多。因此，繞組通常被浸有特殊材料，以增強(qiáng)熱傳導(dǎo)，但是，即使這樣，繞組橫向方向上的熱傳導(dǎo)也相對較小，繞組的可能冷卻受到限制。
利用根據(jù)本發(fā)明的Z形圖案，熱量能夠沿著導(dǎo)線傳遞到繞組的邊緣，也傳遞到冷卻介質(zhì)，而不必隔著絕緣材料從一條導(dǎo)線傳遞到另一條導(dǎo)線，且熱量比當(dāng)導(dǎo)線是平行時(shí)更大程度地側(cè)向散發(fā)。
DE-C-496.884公開一種制造繞組線的方法，其中，導(dǎo)線從纜線的一邊緣延伸到另一邊緣。然而，該文獻(xiàn)沒有公開這種纜線怎樣被用于繞組中。沒有建議纜線的邊緣也是繞組的邊緣，且與冷卻介質(zhì)可熱傳導(dǎo)地接觸。相反地，為了冷卻，繞組線可以制成中空的，因而構(gòu)成一個(gè)冷卻空氣用的槽。
根據(jù)本發(fā)明，Z形圖案相對于繞組的中心縱向方向呈一角度，該角度是在5°和45°之間，優(yōu)選是在10°和30°之間。
更具體的是，繞組線可以由絕緣導(dǎo)線的扁且寬的束形成的纜線組成，每條導(dǎo)線從束的一側(cè)按Z形延伸到另一側(cè)。
所述冷卻介質(zhì)可以是一種流體，該流體可流入間隙，整個(gè)外殼可以形成一個(gè)冷卻流體用的流體密封腔室，或利用圍繞轉(zhuǎn)子的管，外殼可以被分成兩個(gè)單獨(dú)空間，在該管的外部的空間形成包括繞組的流體密封腔室。
該腔室可以充滿冷卻流體，例如冷卻油，或者外殼可以配有至少一個(gè)冷卻流體入口和至少一個(gè)冷卻流體出口，所述入口和出口處于與腔室流體連通，冷卻裝置包括那種用于使冷卻介質(zhì)穿過入口進(jìn)入外殼內(nèi)部、并使其沿著繞組流動、然后穿過出口流出外殼的裝置。
本發(fā)明將通過示例并參照附圖進(jìn)行描述，其中

圖1為根據(jù)本發(fā)明的配有定子和繞組的電動馬達(dá)的軸向截面圖；圖2為圖1中馬達(dá)的具有繞組的定子的頂視圖；圖3為圖2的具有繞組的定子的端視圖；圖4為圖2和圖3的具有繞組的定子的透視圖；圖5為類似于圖1的軸向截面圖，但是涉及馬達(dá)的另一個(gè)實(shí)施例；圖6為根據(jù)本發(fā)明的在一個(gè)三相馬達(dá)中的定子繞組的一種可能的電連接；圖7為類似于圖3的視圖，但是示出與繞組的電連接；圖8為沿著圖5中的線VIII-VIII的放大截面圖；圖9為沿著圖8中的線IX-IX的放大截面圖；圖10為類似于圖9中的一個(gè)的截面圖，但是涉及另一種形式的實(shí)施例；圖11為類似于圖8中的一個(gè)的截面圖，但是涉及另一種形式的實(shí)施例；如圖1所示的電機(jī)是一種電動馬達(dá)，主要包括一個(gè)轉(zhuǎn)子1，一個(gè)圍繞該轉(zhuǎn)子1的定子2和一個(gè)圍繞該定子2的外殼3。
該外殼3近似呈閉口圓柱狀，而轉(zhuǎn)子1包括安裝在軸5上的轉(zhuǎn)子體4，該軸5的軸頸由軸承6支承在這些閉口端上。
轉(zhuǎn)子1由管形分隔壁7環(huán)繞，該分隔壁將轉(zhuǎn)子1和定子2分開，并形成定子的流體密封腔室12。
定子2具有一個(gè)管形芯體8，且配有許多定子繞組9，它們彼此電絕緣，并圍繞芯體8的壁，從而由芯體8穿過它們的中心，且沿著相對于芯體8的縱軸的軸向方向和徑向方向延伸，該芯體8的縱軸與轉(zhuǎn)子1的旋轉(zhuǎn)軸一致。
如圖2至4詳細(xì)示出，這些繞組9呈薄環(huán)片狀，具有例如給定的恒定厚度。
所述環(huán)片按類似于星狀射線地散開，且在轉(zhuǎn)子1的軸的方向上呈具有圓端部的長方形。
形成繞組9的每個(gè)環(huán)片配有一個(gè)全芯體8用的軸向槽。每個(gè)環(huán)片的一部分位于轉(zhuǎn)子1和芯體8之間的氣隙中，但在定子腔室12內(nèi)部，并且每個(gè)環(huán)片的另一部分位于芯體8和外殼3之間的氣隙13中，且在芯體8的外部。
繞組9可以由圍繞芯體8的金屬線束或絞合線形成，或者由單股線例如利茲線形成。
繞組9也可以由纜線18組成，該纜線18包括許多相互絕緣的導(dǎo)線19，但是這些導(dǎo)線19按Z形延伸，從而每條導(dǎo)線19規(guī)則地到達(dá)繞組9的外表面或邊緣。導(dǎo)線19可以是如圖8和9所示的單股金屬線，也可以是絞合線或束線。
Z形圖案相對于繞組9和纜線18的中心縱向方向呈一角度α，該角度α是在5°到45°之間，優(yōu)選是在10°到30°之間。
如圖8和10所示，導(dǎo)線19可以被包含在近似矩形截面的扁且寬的束中，每條導(dǎo)線19從束的一側(cè)例如以辮狀形式到達(dá)另一側(cè)。
如圖2和3所示，絕緣導(dǎo)線19的束可以例如由電絕緣材料的套18A圍繞。
實(shí)際上，纜線18可以被認(rèn)為是扁平利茲線。
實(shí)驗(yàn)顯示，具有根據(jù)本發(fā)明的繞組線18的繞組9的熱傳導(dǎo)性十倍于具有平行的標(biāo)準(zhǔn)利茲線的繞組的熱傳導(dǎo)性，其中，繞組線18的導(dǎo)線19從繞組的一個(gè)邊緣按Z形延伸到另一邊緣。
在另一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)線19沒有被套19A保持在一起，而是由編織(braid)或繩辮(plait)形式的束保持在一起，在這些情況下，所述套可以被省去。這樣仍然能夠改善散熱。圖10示出該實(shí)施例。
可以利用絕緣清漆將繞組9中的該線或這些線或絞合線的不同層保持在一起。
在另一個(gè)實(shí)施例中，環(huán)片可以是實(shí)心導(dǎo)體，典型地是銅環(huán)。
利用支承10將繞組9安裝到位。這些支承可以是固定到芯體8上的絕緣件。僅有兩個(gè)這種支承10在圖3中示意性地示出，但是很清楚，這種支承10存在于每對相鄰的、形成繞組9的環(huán)片之間。
如圖2到4和圖7所示，同樣重要的是，在芯體8的內(nèi)部，在兩個(gè)相鄰環(huán)片狀繞組9之間有間隙11，該間隙至少經(jīng)過所述繞組9之間的大部分徑向距離。具體的是至少經(jīng)過95％的徑向距離，優(yōu)選的是經(jīng)過環(huán)片的整個(gè)徑向尺寸。
定子腔室12和片狀繞組9之間的空間或間隙11被充滿冷卻介質(zhì)。
該冷卻介質(zhì)優(yōu)選是一種流體，例如變壓器油。這種流體是穩(wěn)定的。
在另一實(shí)施例中，且如圖5所示，冷卻介質(zhì)是循環(huán)的，并且外殼3在相對的兩側(cè)按與定子腔室12流體連通地配有一個(gè)或多個(gè)入口14和一個(gè)或多個(gè)出口15。配置諸如風(fēng)扇或泵(圖中未示出)之類的裝置用于使冷卻流體穿過入口，沿著繞組9流動，然后穿過出口。該冷卻介質(zhì)可以是一種強(qiáng)迫穿過繞組9的、諸如空氣之類的氣體，在這種情況下，不需要管形壁7，在如圖5所示實(shí)施例中，沒有所述壁7。
在又一實(shí)施例中，冷卻介質(zhì)是固體，例如圖11所示，由定子2的部分形成。
組成纜線18的束從定子2的一部分延伸到另一部分。纜線18可看作是位于一個(gè)在定子2上形成的槽20中，纜線18的邊緣接觸槽20的壁。
在槽20的壁和繞組9之間也可有一薄層電絕緣材料，其中所述絕緣材料很薄，從而不會阻止從導(dǎo)線19到槽20的壁的熱傳導(dǎo)，所述槽處于定子1的熱傳導(dǎo)材料主要是鐵中。
熱膠(thermal paste)可用于提高所述的貼靠著定子2的鐵或其他冷壁的繞組9的冷卻效果。
在所述的所有實(shí)施例中，按星形分布來排列的環(huán)片狀繞組9因而具有一個(gè)非常好的冷卻效果。特別是在繞組的端部，熱量可以比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更有效地散發(fā)。
如圖6和7所示，形成多個(gè)環(huán)片狀繞組9的導(dǎo)線或金屬線可以彼此電連接。當(dāng)環(huán)片由繞組形成時(shí)，一種相同的纜線可以形成繞組，且從一個(gè)環(huán)片延伸到另一個(gè)環(huán)片，并形成多個(gè)環(huán)片9的繞組。
圖6示出在一個(gè)三相兩極馬達(dá)(two pole motor)中的繞組的電連接，所述電機(jī)具有Y-連接，R，S，T代表相位，而r，r★，s，s★，t，t★代表通常使用的繞組，它們分占六個(gè)半-扇區(qū)。
由圖6和圖7可以看出，用于每個(gè)與相位相關(guān)的極的六個(gè)傳統(tǒng)“繞組”r，r★，s，s★，t和t★中的每一個(gè)被分成多個(gè)用導(dǎo)線16串聯(lián)地電連接的繞組9，在給出的實(shí)施例中是4個(gè)繞組9。
當(dāng)存在冷卻介質(zhì)時(shí)，在冷卻介質(zhì)和位于芯體8兩側(cè)的繞組9之間有一長的接觸距離，且冷卻介質(zhì)和芯體8的內(nèi)側(cè)也接觸。
同樣，在芯體8的內(nèi)側(cè)上，繞組9的側(cè)面形成冷卻區(qū)域，所述的冷卻區(qū)域與液態(tài)或氣態(tài)的穩(wěn)定冷卻介質(zhì)相接觸。
將傳統(tǒng)的繞組r，r★，s，s★，t和t★分成多個(gè)繞組9增加與冷卻介質(zhì)的接觸表面，并顯著提高冷卻效果。
權(quán)利要求
1.電機(jī)，例如馬達(dá)或發(fā)電機(jī)，其包括一個(gè)外殼(3)和一個(gè)處在所述外殼中的定子(2)，所述定子包括一個(gè)管狀芯體(8)和圍繞所述芯體的壁的繞組(9)，所述定子繞組(9)相對于所述芯體(8)的軸沿徑向和軸向延伸，所述電機(jī)包括用于冷卻所述繞組(9)的裝置，其特征在于，在所述芯體(8)的內(nèi)部和外部，所述繞組(9)至少95％被分隔開，在所述繞組之間形成間隙(11)，所述冷卻裝置包括一種在這些間隙(11)中的冷卻介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其特征在于，所述定子(2)的繞所述組(9)被完全分隔開。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電機(jī)，其特征在于，所述定子(2)的所述繞組(9)呈薄環(huán)片的形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電機(jī)，其特征在于，所述環(huán)片具有恒定的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的電機(jī)，其特征在于，所述環(huán)片是長方形的，且其端部是圓的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其特征在于，所述定子(2)包括支承(10)，用于將繞組(9)保持到位。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其特征在于，所述繞組(9)是那些通常配給與相位有關(guān)的各個(gè)極的繞組片段。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其特征在于，所述繞組(9)包括一個(gè)纜線(18)，所述纜線(18)由相互絕緣的導(dǎo)線(19)組成，這些導(dǎo)線是金屬線或絞合線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電機(jī)，其特征在于，所述絕緣導(dǎo)線(19)在所述繞組(9)的邊緣之間按Z形圖案延伸，所述邊緣與所述冷卻介質(zhì)可熱傳導(dǎo)地接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電機(jī)，其特征在于，所述Z形圖案相對于所述繞組的中心縱向方向(9)呈一角度(α)，所述角度是在5°到45°之間，優(yōu)選是在10°和30°之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的電機(jī)，其特征在于，所述繞組(9)由纜線(18)組成，所述纜線(18)由一個(gè)絕緣導(dǎo)線(19)的扁且寬的束構(gòu)成，每條導(dǎo)線(19)從所述束的一側(cè)按Z形延伸到另一側(cè)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的電機(jī)，其特征在于，所述繞組(9)由纜線(18)組成，所述纜線(18)由所述絕緣導(dǎo)線(19)的束構(gòu)成，所述導(dǎo)線(19)以繩辮或編織的形式按Z形延伸。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其特征在于，整個(gè)外殼(3)是流體密封的，并形成一個(gè)密封腔室(12)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1到12中任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其特征在于，由一個(gè)圍繞轉(zhuǎn)子的管(7)將所述外殼(3)分成兩個(gè)獨(dú)立的空間，該管(7)的外部空間形成一個(gè)包含繞組(9)的流體密封腔室(12)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的電機(jī)，其特征在于，所述冷卻介質(zhì)是一種冷卻流體，且所述腔室(12)充滿這種冷卻流體，例如冷卻油。
16.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的電機(jī)，其特征在于，所述冷卻介質(zhì)是一種冷卻流體，且所述外殼(3)配有至少一個(gè)冷卻流體入口(14)和至少一個(gè)冷卻流體出口(15)，所述入口和出口與所述腔室(12)處于流體連通狀態(tài)，所述冷卻裝置包括那種用于使冷卻介質(zhì)穿過所述入口(14)進(jìn)入所述外殼(3)、并使其沿著所述繞組(9)流動、然后穿過所述出口(15)流出所述外殼(3)的裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的電機(jī)，其特征在于，其是一種氣隙通風(fēng)馬達(dá)(air-gap wound motor)，且在所述繞組(9)之間的所述間隙(11)中的冷卻介質(zhì)是氣體或流體。
18.根據(jù)權(quán)利要求1到14中任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其特征在于，所述冷卻介質(zhì)是一種固體熱傳導(dǎo)材料，且所述繞組(9)與這種固體熱傳導(dǎo)材料，例如所述定子(2)的鐵，可熱傳導(dǎo)地接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電機(jī),例如一種馬達(dá)或發(fā)電機(jī),其包括一個(gè)外殼(3)和一個(gè)處在所述外殼中的定子(2),所述定子包括一個(gè)管狀芯體(8)和圍繞所述芯體的壁的繞組(9),所述定子繞組(9)相對于所述芯體(8)的軸沿徑向和軸向延伸,所述電機(jī)包括用于冷卻所述繞組(9)的裝置。在所述芯體(8)的內(nèi)部和外部,所述繞組(9)至少95%被分隔開,在所述繞組之間形成間隙(11),所述冷卻裝置包括一種在這些間隙(11)中的冷卻介質(zhì)。
文檔編號H02K5/128GK1387692SQ00815468
公開日2002年12月25日 申請日期2000年11月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月9日
發(fā)明者托爾德·A·G·尼爾松 申請人:艾拉斯科普庫空氣動力股份有限公司