CN107078582B - 用于电机器的定子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电机器的定子，其中，定子能够利用至少1MW的电功率来运行，其中，定子具有空心圆柱形的定子磁轭(1)和至少一个开放的槽(2)，该槽相应地布置在定子磁轭(1)的径向内侧(3)上并且该槽相应地在轴向方向中延伸。此外，本发明涉及一种电机器，其具有这种类型的定子。最后，本发明涉及一种具有这种类型的电机器的碾磨机或者压缩机。为了对这种类型的定子或者这种类型的电机器进行进一步改进，即克服先前描述的现有技术的缺陷，提出至少一个环形线圈(4)，其相应地包围定子磁轭(1)，其中，至少一个环形线圈(4)具有各一个槽部段(5)，其布置在相应的槽(2)中，其中至少一个环形线圈(4)具有各一个后部段(6)，其布置在定子磁轭(1)的径向外侧(7)处，并且其中至少一个环形线圈(4)在每个轴向端侧(8)具有径向部段(9)，其将相应的槽部段(5)与相应的后部段(6)连接。此外，提出了一种具有这种类型的定子的电机器以及具有这种类型的电机器的碾磨机或者压缩机。

Description

用于电机器的定子

技术领域

本发明涉及一种用于电机器的定子，其中，定子能够利用至少1MW的电功率来运行，其中，定子具有空心圆柱形的定子磁轭和至少一个开放的槽，该槽相应地布置在定子磁轭的径向内侧上并且该槽相应地在轴向方向中延伸。此外，本发明涉及一种电机器，其具有这种类型的定子。最后，本发明涉及一种具有这种类型的电机器的碾磨机或者压缩机。

背景技术

在快速旋转的电机器中，尤其是在双极的机器中，绕组头具有较大的轴向延伸。典型的是，两个绕组头的总长度与主动长度差不多大，从而仅仅例如在轴承位置之间的理论可用长度的一半是磁性主动的。

将轴承推入到绕组头区域中的尝试至今位置很少成功。尤其是用于较大功率的电机器的主动磁性轴承的直径过大，而也许不能将轴承装入到绕组头的内部。尽管可以将绕组头在理论上强烈地径向向外弯曲，从而扩大在轴承区域中的绕组头直径，然而，由于电的和几何方面的原因，空间比例总是很紧张。在成型线圈绕组的情况中，具有强烈弯曲的绕组头区域的线圈会非常难以或者完全不能穿过定子通孔。

通过拆分定子叠片组也许能够理论上简单地置入强烈弯曲的线圈，因为穿线也许就不再必要了，然而，由于常规的原因和几何上的原因必要的短节距不能制造闭合的定子半部。

在线棒形绕组的情况中，强烈弯曲的线棒可以穿引通过定子钻孔。相关于在绕组头中的最小间距的要求尽管这样不允许明显强烈的弯曲。此外，带有线棒形绕组的定子的可行性取决于磁通，也就是机器尺寸，以及端电压。在一些情况中，然后必须应用线棒形绕组的特别的设计方案，但是其是昂贵的并且明显具有更多的连接位置。

如果成功地将轴承进一步放置在卷绕头下方，这种储备可能导致轴承间距的减小从而改善转子动力学方面的版本，或者在轴承间距保持不变的情况下可以增加额定功率。如果绕组头部能够大大缩短，则可以获得更好的结果。而使用全极同步电机器，例如使用涡轮转子，转子盖的轴向长度则成为限制因素，由于相对较窄的短路环，异步电机器可以识别出更好地利用轴承点之间的总长度的更大的潜力。

在高转速的机器中，通常会考虑转子转速高于第一弯曲振动临界转速。这导致对转速范围的限制。此外，在给定的轴承间距的情况中确定能够实现的扭矩。这种趋势在高转速时向更高的功率转移，所以需要另外的解决方案。

在大型的高极机器的情况中，例如用作矿石碾磨中的驱动器，定子不会在工厂完全组装，而是以具有圆环形扇段的横截面的分段的形式运输并且在现场组装成定子。在希望的双层绕组的情况中，由于馈线和回线不在相同的区段中提供，所以必须在电机器的使用地点处将一些线圈置入到定子叠片组中。定子绕组在电机器使用地点的组装表现出很大的消耗。

可用于碾磨机驱动器的环形电动机是已知的，其例如由DE 10 2007005 131 B3公开。

如果成功解决该问题，那么可以运输完整的区段，其只需要在现场进行机械组装和电气连接。

在区段构造类型的高极机器中，存在具有强制性不希望的单层绕组的设计方案，其中各个线圈的绕组头区域彼此不同。因此，可以在绕组头内交叉两个，在这种情况下甚至至少三个线圈。由于不同的线圈形状，制造成本越来越大，每个极和截面的槽数越多。然而，线圈的总数仅相当于双层绕组的线圈数量的一半。

发明内容

由先前描述的定子和电机器出发，本发明的目的是开发一种开头所述类型的定子或电机器，从而克服之前描述的现有技术的缺点。

该目的的一个解决方案对于开头所述类型的定子来说通过至少一个环形绕组给出，该环形绕组相应地围绕定子磁轭，其中，至少一个环形线圈具有各一个槽部段，该槽部段布置在相应的槽中，其中至少一个环形线圈具有各一个布置在定子磁轭的径向外表面上的背部段，并且其中至少一个环形线圈在每个轴向端面都具有一个径向部段，其将相应的槽部段与相应的背部段连接。

此外，通过具有这种类型的定子的电机器给出了该目的的另一解决方案。最后，由具有这种类型的电机器的碾磨机或压缩机给出了该目的的解决方案。

所提出的定子特别适用于大型电机器，因为它能够以至少1MW的功率运行。例如，定子可以具有至少500mm或至少1000mm的内直径。所提出的电机器例如具有能旋转地支承在定子中的转子，其优选地是旋转机器，并且例如可以被实施为风力发电机或驱动电动机，特别是环形电动机。特别是当定子用于碾磨机或压缩机中时，定子内直径也可以超过3米或5米，其中定子然后例如能够以至少10MW、有时在至少25MW的电功率运行。所提出的压缩机可以实施为例如活塞式压缩机或涡轮压缩机。例如，相应的环形电动机可以具有约15m的定子内直径。

定子磁轭可以例如由空心圆柱体的环段组成，其中也可以考虑将定子磁轭设计成一体式的。在定子磁轭中设置有至少一个径向向内开口的凹槽，其基本上在轴向方向上延伸。

所提出的定子具有至少一个环形线圈，其相应地具有槽部段、后段和两个径向部段，其中为每个轴向端面设置一个径向部段。这样设计的相应的环形线圈在此围绕定子磁轭。例如，这可以想象为两个环彼此交错或缠结，其中一个环是定子磁轭，另一个环是至少一个环形线圈。因此，相应的环形线圈在一个平面中围绕空心圆柱形的定子线圈，其中该平面由轴向和径向方向展开。

所提出的定子尤其以接下来考虑因素为基础：

绕组头并不有助于转矩的形成。然而，其对于将馈线电连接到回线来说是必要的。如果馈线位于磁性北极之下，则常规绕组的回线必须近似位于磁性南极之下。否则电流将彼此抵消，总扭矩-至少在理论上-将为零。

可以完全省去回线的转矩形成效果。然后，无源的回线必须在机器横截面的区域中返回到另一个机器侧，其在那里不会导致任何扭矩的形成。当定子位于外部并围绕转子时，这个要求在定子磁轭外面被满足。

这将特别通过一个线圈或多个线圈的布置来实现，该线圈环绕地围绕定子线圈布置。这种基本的绕组布置已知为术语环形绕组(英语：“toroidal windings”)或环形线圈。已经研究了小型机器，其被设计为径向通量机器或轴向通量机器，并且可以产生比所提出的定子或所提出的电机器更小一个数量级的电功率。通常在所述的小型机器中，定子磁轭被直接卷绕，正如环形铁心变压器一样。

这种类型的小型机器例如由以下公开文献中已知：WO 99/019962 A1、US 4 563606A、EP 2 017 945A1、US 4 103 197A、EP 1 324 472A2、WO02/089291A2，其中在一些情况下，在所述文件中提出用环氧树脂封装定子。

根据与先前现有技术相关的文件，大型机器中的环形线圈的制造和使用、即特别是具有至少1MW的电功率的定子或电机器的制造和使用是未知的。

环形线圈的简单设计相对于以前用于大型机器的经典线圈是有利的。它们例如缠绕在四个布置在四角形中的柱子上。

特别是当转子不应通过或不能通过定子孔引入时，环形线圈的使用是有利的，因为这通常需要将轭分离成至少两个区段。因此，其原因在于通常不能***闭合定子磁轭的环形线圈。在所述的高极定子的情况中在任何情况下都是如此。在快速旋转的机器的情况中必须制造两个定子半部，然后将其连接在一起。如果压缩机壳体具有水平部分接头，这对于上述涡轮压缩机尤其有利。这是因为这使得实际的压缩机单元和驱动电机能够以相同的技术组合。特别地，定子可以同样分为上半部和下半部。

另外的可能性在于，将各两个大多数彼此绝缘的环形线圈并排地***槽中并且然后将这两个环形线圈彼此分开地放置在定子磁轭上。

虽然所提出的环形线圈产生了许多优点，但也有一些缺点。例如，在传统的两极机器的情况中，在绕组头中的无源导体长度已经大于有源导体长度，使得有源导体长度与总导体长度之比约为1.0:2.2。然而，磁性无源导体比例在环形线圈的情况中进一步增加。现在有源导体长度与导体总长度之比在1.0：2.5至1.0：3.0左右。这导致电流热损失的增加。因此，具体项目的实施决定性地依赖于总体损失的要求权重和电流热损失的实际比例。

另外的缺点是定子外直径的增大，这是由沿着定子磁轭的径向外表面引导的回线引起的。优选地，在构造定子周围的区域的情况中将考虑到尽可能不会产生高渗透的闭合路径。由此将形成杂散通量，这又会导致结构部件的升温以及取决于负载的附加损耗的增加。通过较大的场谐波比例，单层绕组可能产生进一步的损耗。

在本发明的一个有利的设计方案中，至少一个环形线圈相应地被设计为成型线圈。

成型线圈经常用于电机器的定子绕组中，这些绕组以高电压、例如6kV或8kV或特别高的电功率、例如10MW或更高来工作。这也源于这样的事实，即成型线圈具有非常好的机械稳定性并且特别适合于以这种方式彼此或相对于定子磁轭电绝缘。为此，例如可以使用外部保护性云母带等。

优选地，相应地设计为成型线圈的环形线圈具有足够的宽度，以能够在第一步骤中缠绕到定子磁轭区段上。在第二步骤中，相应的环形线圈将径向向外移动，其中馈线或相应的槽部段滑入槽中，并且回线或背部段与定子磁轭之间的距离变大。

在本发明的替代的有利设计方案中，相应的槽部段和/或相应的背部段被设计为线棒形绕组。

通过相应的槽部段和/或相应的背部段的作为线棒形绕组的设计方案，可以将其或馈线和回线特别地引入非分段的定子磁轭中，并将它们彼此电和机械地连接。

在本发明的另一个有利的设计方案中，相应的槽部段或相应的背部段与两个相应的径向部段一起被设计成线棒形绕组，其中相应的线棒形绕组在相应的径向部段的区域中设计成S形的。

例如，因此可以这样地获得相应的环形线圈，即相应的槽部段被实施为基本上直地设计的线棒形绕组，其中相应的背部段与两个相应的径向部段一起被实施为双S形的线棒形绕组。相应的线棒形绕组可以容易地预先制造并且布置在或安装到定子磁轭上。布置在定子磁轭上或安装到定子磁轭上的线棒形绕组将最终彼此适当地、特别是通过相应的连接元件电连接。

相应的环形线圈的这种类型的设计方案在受限制的空间的位置关系的情况下是有利的。其原因在于，相应的线棒形绕组可以被设计为使得它们基本上直接抵靠在定子磁轭上并因此需要很小的安装空间。同时，这种类型的线棒形绕组是相对节省资源并且低损耗的，因为否则可以省掉常常在绕组头上需要的弯折。

在本发明的另一有利的设计方案中，相应的线棒形绕组在在此被设计成罗贝尔线棒。

作为罗贝尔线棒的各个线棒形绕组的设计方案使得可以减少在相应的电机器的操作期间产生的损耗。如果槽部段和相应的环形线圈的背部段都被设计成线棒形绕组，则可以仅将两个线棒形绕组中的一个设计成罗贝尔线棒，以便节省成本。两个线圈绕组中的另一个可以没有任何次导体扭转地设计。

在本发明的另一个有利的设计方案中，至少一个环形线圈具有各一个外部布置的绕组始端和内部布置的绕组终端，其中相应的绕组始端布置在相应的槽部段处、相应的背部段处或者相应的径向部段处，并且其中相应的绕组终端布置在相应的槽部段处、相应的背部段处或相应的径向部段中的一个处。

在此，绕组始端或绕组终端应该是相应的环形线圈的绕组的一个端部：该端部相对于相应的环形线圈与相对的端部相比进一步向外或进一步向内地布置。

与传统线圈相比，有利的是环形绕组的设计比较简单。例如，与前面所述的成型线圈一样，它缠绕在布置成四角形的柱上。这使得可以基于相应的绕组始端或绕组终端非常灵活地设计将电流的输送或导出到相应的环形线圈。即使相应的环形线圈设计为线棒形绕组，也提供了这种灵活性。

例如，相应的绕组始端可以布置在相应的径向部段中的一个上，并且相应的绕组终端布置在相应的背部段上。也可以考虑的是将相应的绕组始端设置在相应的槽部段上，并且将相应的卷绕终端布置在相应的背部段上。作为替代，相应的绕组始端和相应的绕组末端可以布置在相应的背部段上，其中相应的绕组始端和相应的绕组末端各自布置在例如在轴向中心的区域中或在相应的轴向端部处。相应的绕组始端和相应的绕组终端的布置的另外的组合也是可以考虑的，并且可以根据相应的要求来选择。

在本发明的另一有利的设计方案中，相应的径向部段在轴向方向上被设计成V形，使得相应的槽部段在径向方向中完全布置在相应的槽中，并且相应的背部段安放在定子磁轭的径向外侧上。

例如，相应的径向部段的V形设计方案可以如此地实现，即相应的环形线圈在相应的径向部段的轴向中心的区域中在轴向上被拉伸。在此，用于变形和拉伸而施加的力在轴向和远离定子磁轭的方向中指向。特别地，具有矩形截面的相应的环形线圈这样地变形，即在拉伸之后其具有拉长的六边形的横截面。还可以考虑的是，所产生的径向部段的V形更确切地说U形地设计进而具有在两个臂之间的一种类型的底部，使得相应的环形线圈变形，使得其在被拉伸之后具有拉长的八边形。

通过相应的环形线圈的这种类型的设计方案，相应的回线尤其被尽可能靠近定子磁轭地拉动，其中同时相应的馈线最好位于凹槽中。因此，相应的槽部段完全位于相应的槽中，其中相应的背部段同时安放在定子磁轭的径向外表面上。因此，可以实现定子磁轭的电绕组的紧凑且节省空间的设计方案。

在本发明的另一个有利的设计方案中，相应的径向部段在周向方向上设计成V形或Z形，使得相应的槽部段在径向方向中完全设置在相应的槽中并且相应的背部段安放在定子磁轭的径向外侧上。

相应的径向部段的V形的设计方案尤其由此实现，即相应的环形线圈在相应的径向部段的轴向中心的区域中在周向方向中拉伸。因此，具有矩形横截面的相应的环形线圈这样地变形，即在其被拉伸之后，当从上方观察时，其具有矩形的横截面，其中矩形被设计成沿其长边在中心折叠。还可以考虑的是，相应的径向部段的出现的V形更接近U形地设计，因此具有在两个臂之间的一种类型的底部。

作为替代，也可以提出相应的径向部段的Z形的设计方案。这可以特别地通过相应的径向部段被分成三个三分之一部来实现，并且第一个和最后一个三分之一部在此被固定，并且随后在周向方向上相对于彼此旋转并且相应的径向部段因此变形。以这种方式获得了一个相应的径向部段，其第一和最后一个三分之一部在径向方向上指向，并且其第二个三分之一部连接两个在周向方向上彼此相对转动的三分之一部。

通过相应的环形线圈的这种类型的设计方案，相应的回线特别地被拉到尽可能靠近定子磁轭的位置，其中同时相应的馈线理想地位于槽中。因此，相应的槽部段完全位于相应的槽中，其中相应的背部段同时安放在定子磁轭的径向外侧上。因此，总的来说从轴向观察，通过这种方式可以实现定子线圈的电绕组的紧凑且节省空间的实施例。

在本发明的另一有利的设计方案中，至少两个环形线圈布置在相应的槽中。

在此，至少两个环形线圈可以沿着周向方向并排地和/或在径向方向上彼此重叠地布置。得益于所提出的环形线圈，特别是在轴向方向上观察，可以实现相对节省空间的绕组头区域，从而使得定子磁轭的电绕组的设计方案所需的安装空间相对较小。

在本发明的另一有利的设计方案中，定子被设计为两极的。

得益于所提出的环形线圈，与定子磁轭的常规绕组相比，在设计成两极的定子的情况中，从轴向方向上看可以实现特别大的空间节省。

附图说明

接下来根据附图中示出的实施例详细地描述和解释本发明，其中：

图1示出了所提出的定子的第一实施例，

图2示出了所提出的定子的第二实施例的一个部段，

图3-6示出了所提出的定子的一组第三实施例，

图7-8示出了所提出的定子的一组第四实施例，

图9-10示出了所提出的定子的一组第五实施例。

具体实施方式

图1示出了所提出的定子的第一实施例。定子具有带有定子轴线12的空心圆柱形的定子磁轭1和多个开放的槽2，这些槽分别布置在定子磁轭1的径向内侧3上并且它们分别沿轴向方向延伸。因此，各一个定子齿13保持在两个相邻的槽2之间。在此，定子被设计成以至少1MW的功率运行。

此外，定子具有多个分别围绕定子磁轭1的环形线圈4。在此，仅仅在图1中示出了几个环形线圈4。相应的环形线圈4具有各一个的槽部段5，其布置在相应的槽2中。相应的环形线圈4还具有各一个布置在定子磁轭1的径向外侧7上的背部段6。另外，相应的环形线圈4在两个轴向端侧8中的每一个上具有一个径向部段9，其将相应的槽部段5与相应的背部段6连接。

相应的环形线圈4例如可以设计成成型线圈。作为替代，相应的槽部段5和/或相应的背部段6可以被设计成线棒形绕组，其可以相应地分别设计成罗贝尔线棒。

图2示出了所提出的定子的第二实施例的一个截面，其中，示出了沿着定子轴线12的截面。如在图1中的相同的附图标记表示相同的对象。

环形线圈4的槽部段5被设计为线棒形绕组。此外，背部段6以及两个径向部段9一起被设计成线棒形绕组，为此目的，线棒形绕组在相应的径向部段9的区域中设计成S形。环形线圈4的两个棒体通过相应的连接元件14在两个轴向端侧8处适当地彼此电连接。

优选地，相应的线棒形绕组被设计成罗贝尔线棒。为了节省成本，相应的线棒形绕组中的一个也可以被设计成罗贝尔线棒，而相应的线棒形绕组中的另一个可以没有次导体扭转地设计。

图3-6示出了所提出的定子的一组第三实施例，其中，以与图2类似的方式示出了纵向截面12。环形线圈4具有各一个外部布置的绕组始端10和内侧布置的绕组终端11。

在根据图3的实施例中，绕组始端10布置在径向部段9中的一个上并且绕组终端11布置在背部段6上。相反，在根据图4的实施例中，绕组始端10布置在槽部段5上并且绕组终端11布置在背部段6上。根据图5和图6的设计方案提出，不仅绕组始端10而且绕组终端11都布置在背部段6上。在根据图5的设计方案中，绕组始端10和绕组终端11在此布置在相应的轴向端部上，相反在图6的设计方案中，绕组始端10和绕组终端11分别布置在轴向中心的区域中。

图7和8示出了所提出的定子的一组第四实施例，其中，以与图2类似的方式示出了纵向截面12。

在此在环形线圈的两个径向部段9已被设计为V形或U形之前用虚线示出了环形线圈4的设计方案。在变形或拉伸之前，环形线圈4具有基本上矩形的横截面。通过变形或拉伸，如图7或图8所示的相应的径向部段9在轴向方向上具有V形或U形，使得槽部段5在径向方向中完全布置在槽2中并且背部段6放置在定子磁轭1的径向外侧7上。

图9和10示出了所提出的定子的一组第五实施例。

在此，在环形线圈的两个径向部段9已被设计成V形或Z形之前用虚线示出了环形线圈4的设计方案。在变形或拉伸之前，环形线圈4具有基本上矩形的横截面。通过变形或拉伸，如图9或图10所示的相应的径向部段9在轴向方向上设计为V形或Z形，使得槽部段5在径向方向中完全布置在槽2中并且背部段6安放在定子磁轭1的径向外侧7上。

总之，本发明涉及一种用于电机器的定子，其中定子能够以至少1MW的功率运行，其中定子具有空心圆柱形的定子磁轭和至少一个开放的槽，其相应地布置在定子磁轭的径向内侧上并且相应地在轴向方向上延伸。本发明还涉及一种具有这种类型的定子的电机器。最后，本发明涉及一种具有这种电机器的碾磨机或压缩机。为了对这种类型的定子或这种类型电机器进行进一步改进，以克服先前描述的现有技术的缺陷，提出至少一个环形线圈，其相应地围绕定子磁轭，其中至少一个环形线圈具有各一个槽部段，其布置在相应的槽中，其中至少一个环形线圈具有各一个背部段，其布置在定子磁轭的径向外侧处，并且其中至少一个环形线圈在每个轴向端侧具有一个径向部段，其将相应的槽部段与相应的背部段连接。此外，提出了一种具有这种类型的定子的电机器以及具有这种类型的电机器的磨机或压缩机。

Claims (10)

1.一种用于电机器的定子，

其中，所述定子能够利用至少1MW的电功率来运行，

其中，所述定子具有

-空心圆柱形的定子磁轭(1)和

-至少一个开放的槽(2)，所述槽相应地布置在所述定子磁轭(1)的径向内侧(3)上并且所述槽相应地在轴向方向中延伸，

其特征在于

至少一个环形线圈(4)，所述至少一个环形线圈相应地包围所述定子磁轭(1)，

其中，所述至少一个环形线圈(4)具有各一个槽部段(5)，所述槽部段布置在相应的所述槽(2)中，

其中，所述至少一个环形线圈(4)具有各一个背部段(6)，所述背部段布置在所述定子磁轭(1)的径向外侧(7)处，并且

其中，所述至少一个环形线圈(4)在每个轴向端侧(8)具有径向部段(9)，所述径向部段将相应的所述槽部段(5)与相应的所述背部段(6)连接，

其中，相应的所述槽部段(5)和/或相应的所述背部段(6)设计成线棒形绕组或者是线棒形绕组，

其中，相应的所述槽部段(5)或相应的所述背部段(6)与两个相应的所述径向部段(9)一同设计成线棒形绕组，

其中，相应的所述线棒形绕组在相应的所述径向部段(9)的区域中设计成S形的。

2.根据权利要求1所述的定子，其中，所述至少一个环形线圈(4)相应地设计成成型线圈。

3.根据权利要求1所述的定子，其中，相应的所述线棒形绕组设计成罗贝尔线棒。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的定子，其中，所述至少一个环形线圈(4)具有各一个外部布置的绕组始端(10)和内部布置的绕组终端(11)，其中，相应的所述绕组始端(10)布置在相应的所述槽部段(5)处、相应的所述背部段(6)处或者相应的所述径向部段(9)处，其中，相应的所述绕组终端(11)布置在相应的所述槽部段(5)处、相应的所述背部段(6)处或者相应的所述径向部段(9)处。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的定子，其中，在相应的所述槽(2)中布置有至少两个环形线圈。

6.根据权利要求4所述的定子，其中，在相应的所述槽(2)中布置有至少两个环形线圈。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的定子，其中，所述定子设计成双极的。

8.根据权利要求6所述的定子，其中，所述定子设计成双极的。

9.一种电机器，具有根据权利要求1至8中任一项所述的定子。

10.一种碾磨机或者压缩机，具有根据权利要求9所述的电机器。