CN109716624B - 用于旋转电机的定子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于旋转电机(2)的定子(8)，其具有带有线圈杆(20)的定子叠片组(16)和至少一个具有绝缘主体(28)的定子绕组头线路板(24)。为了减少所述定子(8)的轴向长度而提出，在绝缘主体(28)中集成印制导线(26)，其中，所述至少一个定子绕组头线路板(24)靠置在定子叠片组(16)的端侧(23)上，并且其中，所述印制导线(26)与线圈杆(20)材料配合地连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于旋转电机的定子。
此外，本发明还涉及一种旋转电机，具有至少一个这类定子。
此外，本发明还涉及一种吊舱驱动器，具有至少一个这类旋转电机。
此外，本发明还涉及一种船舶，具有至少一个这类吊舱驱动器。
背景技术
这类定子优选地出现在旋转电机中、尤其是出现在用于船舶制造的马达或发电机中，并且功率消耗至少为一兆瓦。
通常这类旋转电机的定子绕组实现为成型线圈、也称为杆式线圈。成型线圈例如通过浇铸或粉末冶金制成。在成型线圈的端部上有绕组头，该绕组头通过使成型线圈的导体弯曲并弯成钩状而形成。绕组头需要很大的轴向构造空间。因为绕组头具有额外的、未激活的导体长度，所以产生了电阻损耗，其降低了旋转电机的效率。此外还要求冷却绕组头。为了进行冷却需要更多的构造空间。
尤其是在快速运转的低极性电机中，由于绕组头而增大的轴承距离而对转子动态有不利的影响。此外，由于导体长度大而需要额外的、高耗费的加固措施，以防止运行时发生不允许的振动和变形。此外，旋转电机的总长度和重量增加。在大型机器中，多个子机器在轴向上构成整个机器，尤其是在这种大型机器的模块式构造的情况下，由于绕组头而产生了大量在电气方面不被利用的长度。
专利文献DE 10 2009 032 882 B3描述了一种用于为电动机的多级绕组制造成型线圈的方法以及一种借助于所述方法制造的成型线圈。为了简化这种成型线圈的制造，它们由未加工线圈制成，其中，未加工线圈具有两个纵向侧面，这两个纵向侧面被置入电动机的定子或转子的凹槽内。未加工线圈具有两个绕组头侧，它们分别构成成型线圈的一个绕组头，其中，纵向侧面以90°弯曲，使得这些纵向侧面被置入凹槽内，并且绕组头侧从纵向侧面弯成钩状。
公开文本DE 199 14 942 A1描述了一种用于制造电机定子绕组的方法和这种定子绕组。机器具有凸极。线圈导体以它们的端部在轴向上伸出到定子叠片组之外并且固定在构件组的端子上。在这些构件组上有印制导线，这些印制导线形成具有导体的绕组，或者从端子向外部的连接部位延伸。
专利文献EP 1 742 330 B1披露了一种用于涡轮发电机的定子部分的定子绕组头。定子绕组头构造成片式的，该片中间具有用于穿引转子的通道，其中，片具有绝缘主体，在绝缘主体中集成有用于与定子导体接触的电连接。这种接触以插接式连接的形式和/或利用内层连接制成。
公开文本DE 10 2014 207 621 A1披露了一种旋转电机的定子，其具有：带有多个槽的定子铁芯、具有多个相的分段式绕组、以及在定子铁芯的每个端部上在轴向上叠置的多个基板。定子铁芯和分段式绕组的多个绕组杆构成定子铁芯布置。多个基板和分段式绕组的多个绕组端部连接器构成多个基板布置。定子通过这种定子铁芯布置和在定子铁芯布置的每个端部上叠置的多个基板布置来进行配置。
专利文献US 5 623 178 A披露了一种多相电机，具有铸造的线圈部分，它们被单独地导入凹槽内。铸造的线圈部分经由连接元件与同相位的另一个凹槽的铸造线圈组相连。连接元件具有导电的元件，它们在垂直于转子的旋转轴的方向上在马达中经由绝缘层而层压。铸造的线圈部分通过这些可导电的元件间隔开地相互连接，由此减少线圈端部超出每个凹槽的部分，这就实现了马达的微型化并降低了重量。此外，通过简单的构造和生产方法改进了连接元件的尺寸精确度，由此能够明显改进电机的属性。
公开文本US 2004/0100157 A1披露了一种具有转子和定子的电机，其中，定子具有多个定子槽，这些定子槽朝向转子。在这些定子槽中保持有定子线圈。定子线圈包括多个杆，它们定位在定子槽内，其中，每个杆具有至少一个从多个定子槽之一伸出的端部。在定子上布置有至少一个端盖，其中，该至少一个端盖具有多个跳线。每个跳线具有两个连接通道，其中，每个连接通道以一个开口终止。端盖如下地布置在定子上，即，杆从定子槽向外伸出的端部容纳在多个跳线的连接通道中。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于旋转电机的定子，该定子在轴向长度小的情况下相比现有技术具有更好的电学属性和热学属性。
根据本发明，所述目的通过一种用于旋转电机的定子来实现，该定子具有带有线圈杆的定子叠片组和至少一个具有绝缘主体的定子绕组头线路板，其中，线圈杆分别具有多个子导体，其中，在绝缘主体内集成有印制导线，其中，至少一个定子绕组头线路板位于定子叠片组的端侧上，其中，印制导线与线圈杆的子导体材料配合地连接，并且其中，每个子导体分别与至少一个单独的印制导线相连。
此外，根据本发明，所述目的通过一种旋转电机来实现，其具有至少一个这种定子。
此外，根据本发明，所述目的还通过一种吊舱驱动器来实现，其具有至少一个这种旋转电机。
此外，根据本发明，所述目的还通过一种船舶来实现，其具有至少一个这类吊舱驱动器。
此外，根据本发明，所述目的通过一种制造用于旋转电机的定子的方法来，其中，定子具有带线圈杆的定子叠片组和具有绝缘主体的定子绕组头线路板，其中，线圈杆分别具有多个子导体，其中，在绝缘主体中集成有印制导线，其中，至少一个定子绕组头线路板靠置在定子叠片铁芯的端侧上，其中，印制导线与线圈杆的子导体材料配合地连接，其中，每个子导体分别与至少一个单独的印制导线相连。
下文关于定子所提出的优点和优选设计方案在本质上可以转嫁到旋转电机、吊舱驱动器、船舶和制造方法上。
本发明基于以下想法：对通常需要大量轴向构造空间的绕组头进行改造，由此来减少功率至少为一兆瓦的旋转电机的定子的轴向长度。定子叠片组区域内的绕组、尤其是位于凹槽内的绕组，仍然以它们传统的方式设计为线圈杆，而绕组头设计为定子绕组头线路板，在其中延伸有将各个线圈杆相互连接的印制导线。定子绕组头线路板的印制导线被绝缘主体包围，该绝缘主体代替了导体在绕组头区域内的绝缘部。绕组头线路板、尤其是直接地且以全部表面位于定子叠片组上，从而印制导线的至少一部分散热是经由定子叠片组产生的，尤其当绝缘主体具有高导热能力时。通过使用这样的定子绕组头线路板，显著缩短了定子的轴向长度，在绕组头的区域内出现更少的欧姆损耗。线圈杆在此与印制导线材料配合地连接。例如，印制导线与线圈杆熔焊或者钎焊连接。材料配合式的连接非常节约空间，并且不需要额外的连接元件。因此，定子总体上具有非常小的轴向长度。
线圈杆分别具有多个子导体，其中，每个子导体分别与至少一个单独的印制导线连接。因此每个子导体被分配有至少一个单独的印制导线，从而子导体被单独地引导穿过绕组头线路板的绝缘主体。由于出现的趋肤效应，使得电阻减小并且使得必须排出的损耗热量更少。此外，各个子导体的与绝缘主体直接接触的表面积与整个导体相比更大，从而进一步优化了绕组头线路板区域内的散热。由于单个子导体的印制导线直径更小，使得在绕组头线路板中引导印制导线时得到更高的灵活性。
以有利的方式，材料配合的连接设计为焊接连接。线圈杆与印制导线、尤其通过激光焊接、表面焊接。焊接是节约空间的并且可以传递更大的力和力矩。
在一个优选实施方式中，定子绕组头线路板设计为多层的。多层的定子绕组头线路板具有由至少一种绝缘材料构成的多个层，其中，印制导线在至少一个层内延伸。通过多层的定子绕组头线路板实现了，在小的轴向长度和高效散热的方面优化定子绕组头线路板的电属性、机械属性和热学属性。
以特别有利的方式，多层的定子绕组头线路板包括至少两个重叠地布置的叠层，它们分别具有至少一个印制导线。重叠地布置的印制导线叠层的走向是灵活的并且能够节约空间地实现。
在另一种优选的实施方式中，印制导线的厚度最小为数毫米，尤其最小为3毫米，最大为数厘米，尤其最大为3厘米。通过这样的印制导线厚度实现高导电性能，并且欧姆损耗非常小。
在另一有利的设计方案中，定子绕组头线路板经由连接元件、尤其是螺栓与定子叠片组连接。这样的连接方式被实证有效并且可靠。
以有利的方式，连接元件在轴向上延伸穿过定子叠片组。连接元件例如额外地将定子叠片组保持在一起，从而不需要任何额外的螺栓，由此节约了另外的连接元件的构造空间和成本。
在一个优选实施方式中，定子绕组头线路板被实施为压板。定子叠片组的叠片组由布置在定子叠片组的两个轴向端部上的压板保持在一起。尤其地，定子叠片组的至少一个压板由定子绕组头线路板取代，从而总体上节约了轴向构造空间。
有利地，印制导线与定子叠片组导热连接。尤其地，导热连接经由绝缘主体以平面的方式产生。印制导线的至少一部分散热因此是经由定子叠片组发生的。
以有利的方式，绝缘主体包含陶瓷材料。尤其是绝缘主体至少部分地由至少一种陶瓷材料或者部分具有至少一种陶瓷材料的塑料构成。陶瓷材料(例如氧化铝、氧化铍、碳化硅)具有非常好的绝缘特性、高稳定性和良好的导热能力、例如至少为5Wm-1K-1。尤其地，陶瓷材料的高导热能力实现了印制导线至少部分经由定子叠片组的散热，由此尤其地，在定子绕组头线路板中需要少量用于冷却的中介物质，并且减少了定子绕组头线路板所需要的、尤其是在轴向上的构造空间。此外，陶瓷材料的非常良好的绝缘特性实现了印制导线的更加紧凑的布置，这就额外地减少了定子绕组头线路板所需要的构造空间。
有利地，绝缘主体包含氧化铝。尤其地，绝缘主体包含至少96％的氧化铝或者包含部分具有氧化铝的塑料。氧化铝除了其高导热能力以及极好的绝缘性能以外，其成本也比较低。
在另一有利的设计方案中，定子绕组头线路板至少部分地利用增材制造法制成。增材制造法例如有3D打印和丝网打印。例如，绝缘主体利用3D打印法或者丝网打印法制成，并且紧接着例如用压铸法来铸造印制导线。可选择地，利用3D打印法或者丝网打印法制成印制导线。接着例如用烧结法将绝缘主体安置上去。增材制造法实现了更复杂并且更紧凑的结构，这使得定子绕组头线路板更小。
在一个优选的实施方式中，旋转电机具有至少一个这类定子。尤其地，在旋转电机的转轴上使用两个或者更多的定子的情况下，由于使用定子绕组头线路板而缩短了旋转电机的轴向长度。
在另一有利的设计方案中，定子绕组头线路板具有至少一个间隔件，定子绕组头线路板经由该间隔件而位于定子叠片组上。例如至少间隔件由一种塑料或者一种金属制成，并且它的形状匹配于定子叠片组的端侧的形状。可选择地，使用多个具有尤其是高度相同的间隔件，它们例如在周向上布置在定子叠片组的端侧上。通过这些间隔件改良了定子绕组头线路板与定子叠片组之间的接触。
附图说明
下面借助在附图中所示的实施例更详尽地说明和阐述本发明。
图中示出：
图1示出旋转电机的纵截面，
图2示出在定子绕组头线路板区域内的定子的第一实施方式的三维局部图，
图3示出在定子绕组头线路板区域内的定子的第二实施方式的纵截面，
图4示出在定子绕组头线路板区域内的定子的第二实施方式的横截面，
图5示出在定子绕组头线路板区域内的定子的第三实施方式的横截面，
图6示出定子绕组头线路板的三维局部图，以及
图7示出具有吊舱驱动器的船舶。
相同的附图标记在不同的附图中有相同的意思。
具体实施方式
图1示出了旋转电机2的纵截面，其具有可以围绕旋转轴线6旋转的转子4以及包围转子4的定子8。在转子4和定子8之间有间隙10，间隙优选地被实施为气隙。旋转轴6限定出轴向A、径向R和周向U。旋转电机2示例性地被实施为同步电机12，并且在转子4上具有永磁体14。定子8包括带有绕组18的定子叠片组16。绕组18具有线圈杆20，这些线圈杆在轴向A上分别延伸穿过定子叠片组16的凹槽22。在定子叠片组16的两个端侧23上分别有至少一个定子绕组头线路板24。绕组18在接线盒上的接头出于清楚起见未被示出。
定子绕组头线路板24具有印制导线26，其将在各个凹槽22内延伸的线圈杆20相互连接。定子绕组头线路板24的印制导线26包围绝缘主体28，该绝缘主体建立了印制导线26与定子叠片组16的导热连接。此外，印制导线26由绝缘主体28封装。绝缘主体28包含一种导热能力高的、尤其导热能力超过5W/mK的陶瓷材料，例如氧化铝或氮化铝。可选择地，绝缘主体28包含一种塑料，该塑料的一部分具有至少一种陶瓷材料。尤其在使用塑料时，需要额外地、例如通过散热通道对印制导线26进行散热。
定子绕组头线路板完全地或者至少部分地利用增材制造法来制造，其中，该定子绕组头线路板的厚度在厘米范围内、尤其是3厘米到10厘米的范围内。例如利用3D打印法或者丝网打印法来制造绝缘主体28，并接着利用压铸法来铸造印制导线26。可选择，印制导线26利用3D打印法或者丝网打印法制成。接着利用烧结法将绝缘主体28安置上去。另一种用于制造定子绕组头线路板24的选择是，优选地同时利用3D打印法或者用丝网打印法制造印制导线26和绝缘主体28。
图2示出了在定子绕组头线路板24区域内的定子8的第一实施方式的三维局部图。定子绕组头线路板24、正如在图1中所示的那样位于定子叠片组16上，其中，定子叠片组16具有凹槽22，并且定子绕组头线路板24的形状在凹槽22的区域内基本上适配定子叠片组16的形状。定子绕组头线路板24经由实施为夹紧螺栓32的连接元件与定子叠片组16相连。定子绕组头线路板24额外地承担压板24的功能，从而不需要为了将定子叠片组16的电工钢片36保持在一起而使用额外的压板34。
具有主绝缘部38的线圈杆20延伸穿过凹槽22，其中，凹槽22被凹槽封闭楔39封闭。线圈杆20具有多个子导体40，它们分别被子导体绝缘部42卷绕。子导体40的横截面的侧边长度最小在数毫米范围内，尤其是最小3毫米，并且最大在数厘米的范围内，尤其最大3厘米。这些子导体40分别与穿过绝缘主体28延伸的印制导线26通过材料配合的连接44相连。尤其是材料配合的连接44设计为焊接46。为了清楚起见，仅仅示出了子导体40与印制导线26之间的连接。印制导线26的厚度D最小为数毫米，尤其最小为3毫米，并且最大为数厘米，尤其最大为3厘米。定子8的其他实施方式对应于在图1中所示的实施方式。
图3示出了在定子绕组头线路板24内的定子8的第二实施方式的纵截面，其中，定子绕组头线路板24具有五个叠层48、50、52、54、56。印制导线26在第二叠层50中并且在第四叠层54中延伸。第三层52将印制导线26相互隔绝。在线圈杆20内延伸的子导体40在不同的分层48、50、52、54、65中分别与印制导线26相连。只在材料配合的连接44的范围内省去子导体绝缘部42，以延长子导体40的自由端部与定子叠片组16之间的爬电距离。额外地，凹槽22内的空腔被绝缘材料填充，以防止击穿。定子8的其他实施方式对应于在图2中所示的实施方式。
因为定子绕组头线路板24的印制导线26非常紧密地在定子叠片组16上延伸，所以通过漏磁场可能导致涡流并进而导致定子叠片组16的轴向靠外区域的升温。为了防止涡流在定子叠片组16中扩散，优选地在定子绕组头线路板24与定子叠片组16之间引入在图3中未示出的金属片，其优选地被实施为铜片。可选择地，铜片构造定子绕组头线路板24的额外的分层。
图4示出了定子绕组头线路板24区域内的定子8的第二实施方式的横截面。正如在图3中所示，印制导线26在第二叠层50和第四叠层54中延伸。绝缘的第三叠层52使得印制导线26完全地或者部分地相互层叠地延伸，从而尤其在布置复杂的情况下节约了构造空间。定子8的其他实施方式对应于图3中的实施方式。
图5示出了定子绕组头线路板24区域内的定子8的第三实施方式的横截面。定子绕组头线路板24具有四个分层48、50、52、54，其中，印制导线26在第二叠层50并且在第三叠层52内延伸。尤其在布置方式更简单的情况下节约了轴向上的构造空间。散热通道58延伸穿过定子绕组头线路板24，从而除经由定子叠片组16进行散热之外，还对印制导线26进行冷却。定子8的其他实施方式对应于在图3中的实施方式。
图6示出了定子绕组头线路板24的三维局部图，如在图3和图4中所示的那样，它被实施为五层的。印制导线26在内部的叠层50、52、54中延伸，这些印制导线将各个凹槽22的线圈杆20相互连接。为了清楚起见，没有示出线圈杆，并且仅仅示例性地示出了四个印制导线26。为了最小化由印制导线26的长度引起的欧姆损耗并进而提升效率，选择所需要的最小连接距离以连接各个凹槽22。尤其地，印制导线26分别在分层50、52、54内延伸。然而，印制导线26也可以在多个叠层50、52、54中延伸。
因为旋转电机2的直径大，例如为至少一米，所以有时候需要将整体上具有圆环形横截面的定子绕组头线路板24划分成至少两个基本上为扇形形式的子线路板，它们随后被组合起来。定子绕组头线路板的其他实施方式对应于图3中的实施方式。
图7示出了具有吊舱驱动器62的船舶60。吊舱驱动器62位于水面64以下，并且具有旋转电机2和推进器66，其中，推进器66经由轴68与旋转电机2连接。轴68在驱动侧AS上和非驱动侧BS上分别具有轴承70。由于使用了出于清楚起见而没有在图7中示出的定子绕组头线路板24以及与之连接的、旋转电机2的定子8的最佳轴向长度，实现了两个轴承70之间的短间距。窄的轴承间距对转子运动具有有利的作用。
Claims (26)
1.一种用于旋转电机(2)的定子(8)，具有定子叠片组(16)和至少一个定子绕组头线路板(24)，所述定子叠片组具有线圈杆(20)，所述定子绕组头线路板具有绝缘主体(28)，
其中，所述线圈杆(20)分别具有多个子导体(40)，
其中，在所述绝缘主体(28)中集成有印制导线(26)，
其中，至少一个所述定子绕组头线路板(24)靠置在所述定子叠片组(16)的端侧(23)上，
其中，所述印制导线(26)与所述线圈杆(20)的所述子导体(40)材料配合地连接，并且
其中，每个所述子导体(40)分别与至少一个单独的所述印制导线(26)相连，
其中，所述定子叠片组(16)具有凹槽(22)，并且所述定子绕组头线路板(24)的形状在所述凹槽(22)的区域内适配于所述定子叠片组(16)的形状，使得所述印制导线(26)在所述凹槽(22)内连接相应的所述子导体(40)。
2.根据权利要求1所述的定子(8)，其中，材料配合的连接(44)设计为焊接。
3.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，所述定子绕组头线路板(24)设计为多层的。
4.根据权利要求3所述的定子(8)，其中，多层的所述定子绕组头线路板(24)包括至少两个重叠布置的叠层(48、50、52、54、56)，所述叠层分别具有至少一个所述印制导线(26)。
5.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，所述印制导线(26)的厚度(D)最小为数毫米，并且最大为数厘米。
6.根据权利要求5所述的定子(8)，其中，所述印制导线(26)的厚度(D)最小为3毫米，并且最大为3厘米。
7.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，所述定子绕组头线路板(24)经由连接元件(30)与所述定子叠片组(16)连接。
8.根据权利要求7所述的定子(8)，其中，所述连接元件(30)是夹紧螺栓(32)。
9.根据权利要求7所述的定子(8)，其中，所述连接元件(30)在轴向(A)上延伸穿过所述定子叠片组(16)。
10.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，所述定子绕组头线路板(24)被实施为压板(34)。
11.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，所述印制导线(26)与所述定子叠片组(16)导热地连接。
12.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，绝缘主体(28)包含陶瓷材料。
13.根据权利要求12所述的定子(8)，其中，所述绝缘主体(28)包含氧化铝。
14.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，所述定子绕组头线路板(24)至少部分利用增材制造工艺制造。
15.根据权利要求1或2所述的定子(8)，其中，所述定子绕组头线路板(24)具有至少一个间隔件，所述定子绕组头线路板(24)经由所述间隔件靠置在所述定子叠片组(16)上。
16.一种旋转电机(2)，具有至少一个根据权利要求1至15中任一项所述的定子(8)。
17.一种吊舱驱动器(62)，具有至少一个根据权利要求16所述的旋转电机(2)。
18.一种船舶(60)，具有至少一个根据权利要求17所述的吊舱驱动器(62)。
19.一种制造用于旋转电机(2)的定子(8)的方法，
所述定子具有定子叠片组(16)和至少一个定子绕组头线路板(24)，所述定子叠片组具有线圈杆(20)，所述定子绕组头线路板具有绝缘主体(28)，
其中，所述线圈杆(20)分别具有多个子导体(40)，
其中，在所述绝缘主体(28)中集成有印制导线(26)，
其中，至少一个所述定子绕组头线路板(24)靠置在所述定子叠片组(16)的端侧(23)上，
其中，所述印制导线(26)与所述线圈杆(20)的所述子导体(40)材料配合地连接，并且
其中，每个所述子导体(40)分别与至少一个单独的所述印制导线(26)相连，
其中，所述定子叠片组(16)具有凹槽(22)，并且所述定子绕组头线路板(24)的形状在所述凹槽(22)的区域内适配于所述定子叠片组(16)的形状，使得所述印制导线(26)在所述凹槽(22)内连接相应的所述子导体(40)。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述定子绕组头线路板(24)经由连接元件(30)与所述定子叠片组(16)相连。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述定子绕组头线路板(24)经由夹紧螺栓(32)与所述定子叠片组(16)相连。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述连接元件(30)以轴向(A)上延伸穿过所述定子(8)的方式被安装。
23.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其中，所述定子绕组头线路板(24)被用作压板(34)。
24.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其中，安装所述定子绕组头线路板(24)，使得所述印制导线(26)与所述定子叠片组(16)导热连接。
25.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其中，所述定子绕组头线路板(24)至少部分地利用增材制造工艺来制造。
26.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其中，所述定子绕组头线路板(24)具有至少一个间隔件，所述定子绕组头线路板(24)经由所述间隔件被靠置在所述定子叠片组(16)上。
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