電機的定子和電的製造方法
2023-05-21 10:52:06 2
電機的定子和電的製造方法
【專利摘要】本發明的目的是提供一種電機的定子，該定子易於組裝並且可以為該定子布置有效的液體冷卻。定子包括具有定子鐵芯（801）以及定子繞組，該定子鐵芯（801）具有多個定子齒和定子槽，該定子繞組具有多個定子線圈（803）。每個定子線圈的寬度是一個定子槽間距，並且定子齒被成形為允許通過推動定子線圈以包圍定子齒中的一個定子齒來安裝每個定子線圈。定子線圈包括管狀冷卻通道（804），該管狀冷卻通道（804）用於引導定子槽中的冷卻液體。通過考慮與液體冷卻相關的方面來設計定子繞組，並且已經注意到，對於布置液體冷卻有利的定子繞組結構也具有令人滿意的電特性和磁特性。
【專利說明】電機的定子和電機
【技術領域】
[0001]本發明大體涉及一種旋轉電機。更具體地，本發明涉及一種電機的液冷式定子以及一種液冷式旋轉電機。
【背景技術】
[0002]由於在發電廠的發電機與原動機，例如渦輪之間不存在齒輪的事實，所以包括直驅式發電機的發電廠具有若干優勢，諸如高的機械可靠性和低的機械損耗。在許多應用中，直驅式發電機的缺點是，因為機械尺寸由所需的最大轉矩和發電機的冷卻來確定，所以發電機的機械尺寸並且因此發電機的重量可能非常大。在徑向磁通電機中，最大轉矩與氣隙半徑、氣隙表面的面積、氣隙中的磁通密度(泰斯拉)以及在氣隙表面中的線性電流密度(安培/米)的乘積成比例。因此，在不增大電機的機械尺寸的情況下，因為當磁通密度在鐵的飽和點以上時，磁通密度實際上不能再增大，所以可以通過增大線性電流密度來增大最大轉矩。然而，增大線性電流密度增大了在產生線性電流密度的繞組中的電阻損耗，並且因此必須使得該繞組的冷卻更有效。
[0003]用於冷卻電機的繞組的最有效的方法是液體冷卻，在該液體冷卻中，冷卻液體與繞組的電導體接觸或至少緊鄰繞組的電導體。通常結合大型渦輪發電機來使用繞組的液體冷卻，在該大型渦輪發電機中，定子線圈的電導體可以是中空的從而允許冷卻液體在電導體的內部流動。例如，公布UA73661公開了電機的液冷式定子。定子包括具有氫冷卻裝置的磁心和具有用於冷卻液體的中空杆的三相繞組。在磁心的氫氣冷卻系統中的氫氣壓力對應於在繞組的液體冷卻系統中的液體壓力。與液冷式繞組相關的一般不便是，液冷式繞組的製造和組裝比氣冷式繞組的製造和組裝複雜且昂貴。
【發明內容】
[0004]根據本發明的第一方面，提供了電機的新式定子。根據本發明的定子包括:
[0005]-定子鐵芯，該定子鐵芯包括多個定子齒和定子槽，以及
[0006]-定子繞組，該定子繞組包括多個定子線圈，
[0007]其中:
[0008]-每個定子線圈的寬度是一個定子槽間距，
[0009]-定子齒被成形為允許通過推動定子線圈以包圍定子齒中的一個定子齒來安裝每個定子線圈，而不改變定子線圈的形狀，並且
[0010]-定子線圈包括管狀冷卻通道，該管狀冷卻通道用於沿定子線圈的電導體的縱向方向引導定子槽中的冷卻液體。
[0011]由於定子齒被成形為允許通過推動定子線圈以包圍定子齒中的一個定子齒來安裝每個定子線圈，所以在將液冷式定子線圈組裝到定子鐵芯之前可以組裝液冷式定子線圈。因此，本發明解決了在配備有液冷式定子繞組的現有技術的電機中存在的技術問題，即，以液體冷卻配備該定子繞組是複雜的，這對於多相交流電機而言是典型的。結合本發明，該觀點已經被改變，使得通過考慮與液體冷卻相關的方面來設計定子繞組，並且已經注意到，當使用例如在低速風力渦輪發電機中時，上述的對於布置液體冷卻有利的定子結構也具有令人滿意的電特性和磁特性。
[0012]在本發明的有利的示例性實施例中，管狀冷卻通道由冷卻管形成，該冷卻管由與定子線圈的電導體不同的材料製成並且被附接到定子線圈的電導體。在該情況下，可以基於與抵抗冷卻液體的腐蝕效果和侵蝕效果相關的方面來選擇冷卻管的材料，並且可以基於與電特性相關的方面來選擇電導體的材料。因此，減小了對在上文提及的方面中的折中方案的需要。冷卻管能夠例如由不鏽鋼製成，並且電導體能夠例如由銅製成。此外，當定子線圈包括分別的冷卻管和電導體時，與在存在構成用於冷卻液體的管狀通道的中空電導體的情況下相比，將定子繞組連接到液體循環系統是較簡單的。
[0013]根據本發明的第二方面，提供了一種新式電機。根據本發明的電機包括轉子和定子，其中該定子包括:
[0014]-定子鐵芯，該定子鐵芯包括多個定子齒和定子槽，以及
[0015]-定子繞組，該定子繞組包括多個定子線圈，
[0016]其中:
[0017]-每個定子線圈的寬度是一個定子槽間距，
[0018]-定子齒被成形為允許通過推動定子線圈以包圍定子齒中的一個定子齒來安裝每個定子線圈，而不改變定子線圈的形狀，並且
[0019]-定子線圈包括管狀冷卻通道，該管狀冷卻通道用於沿定子線圈的電導體的縱向方向引導定子槽中的冷卻液體。
[0020]電機能夠例如是直驅式風力渦輪發電機，並且該發電機的轉子可以包括用於產生勵磁磁通的永磁體。
[0021 ] 電機可以是內轉子徑向磁通機、外轉子徑向磁通機或軸向磁通機。
[0022]在所附的從屬權利要求中描述了本發明的若干示例性實施例。
[0023]當結合附圖閱讀時，將從特定的示例性實施例的下列描述來最佳地理解本發明的關於結構和關於操作兩者的方法的各個示例性實施例連同本發明的附加目的和優勢。
[0024]動詞「包括」在該文獻中用作開放性限制，該動詞既不排除也不要求未列舉的特徵的存在。除非另外明確地聲明，從屬權利要求中列舉的特徵能夠相互自由地結合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]以下，在實例的意義上並且參考附圖更詳細地解釋本發明的示例性實施例和該實施例的優勢，在附圖中:
[0026]圖1示出根據本發明的實施例的定子的示意圖，
[0027]圖2示出根據本發明的實施例的定子的示意圖，
[0028]圖3示出根據本發明的實施例的定子的示意圖，
[0029]圖4a和圖4b示出根據本發明的實施例的定子的定子線圈，
[0030]圖5a和圖5b示出根據本發明的實施例的定子的定子線圈，
[0031]圖6a和圖6b示出根據本發明的實施例的定子的定子線圈，
[0032]圖7示出根據本發明的實施例的定子的定子線圈，[0033]圖8示出根據本發明的實施例的定子的一部分，並且
[0034]圖9示出根據本發明的實施例的電機的示意圖。
【具體實施方式】
[0035]圖1示出根據本發明的實施例的定子100的示意圖。定子包括定子鐵芯101，該定子鐵芯101具有多個定子齒102和在相鄰的定子齒之間的定子槽。優選地定子鐵芯由相互電絕緣並且沿與圖1的平面垂直的方向堆疊的鋼板製成。定子包括定子繞組，該定子繞組具有多個定子線圈103。每個定子線圈的寬度均是一個定子槽間距，並且定子齒被成形為允許通過推動定子線圈以包圍定子齒中的一個定子齒來安裝每個定子線圈。定子線圈的電串聯連接的匝被相互電絕緣，並且所需的絕緣強度取決於所使用的電壓電平。定子線圈包括管狀冷卻通道，該管狀冷卻通道用於沿定子線圈的電導體的縱向方向引導定子槽中的冷卻液體。由於定子齒被成形為允許通過推動定子線圈以包圍定子齒中的一個定子齒來安裝每個定子線圈並且定子線圈的端繞組相互不交叉，所以可以在將液冷式定子線圈103安裝到定子鐵芯101之前，組裝液冷式定子線圈103。
[0036]圖1中所示的示例性定子中，管狀冷卻通道由附接到定子線圈的電導體的冷卻管104形成。圖1示出定子線圈的電導體的端子106。同樣可能的是，定子線圈103的電導體是管狀的，使得電導體形成管狀冷卻通道。然而，管狀冷卻通道由附接到定子線圈的電導體的冷卻管104形成的結構具有某些優點。首先，冷卻管104能夠由與定子線圈的電導體不同的材料製成。因此，可以基於與抵抗冷卻液體的腐蝕效果和侵蝕效果相關的方面來選擇冷卻管104的材料，並且可以基於與電特性相關的方面來選擇電導體的材料。因此，減小了對在上文提及的方面中的折中方案的需要。冷卻管104能夠例如由不鏽鋼製成，並且電導體能夠例如由銅製成。此外，當定子線圈包括分別的冷卻管和電導體時，與在存在構成用於冷卻液體的管通道的中空電導體的情況下相比，更易於將定子繞組連接到液體循環系統。
[0037]圖1中所示的定子具有八個定子齒並且因此八個定子槽。如明顯的，定子齒和定子槽的該數目僅是實例，並且根據本發明的各實施例的定子可以具有不同定子齒和定子槽的數目。例如，如果定子線圈被連接以構造對稱三相系統，則定子齒和定子槽的數目有利地是3XN，其中N是整數。定子線圈103能夠經由定子線圈103的端子105以期望的方式並聯地和/或串聯地連接，以實現期望的電壓電平。
[0038]在根據本發明的實施例的定子中，定子鐵芯101由多個定子部分121、122、123、124、125、126、127、和128組成，該定子部分被沿切線方向相互連結。
[0039]在根據本發明的實施例的定子中，定子繞組被塗敷有一層樹脂從而防止定子繞組免受外部應力。樹脂能夠例如是環氧樹脂。
[0040]圖1中所示的定子是用於內轉子徑向磁通電機的定子。圖2示出用於外轉子徑向磁通電機的根據本發明的實施例的定子200的示意圖。定子200包括:
[0041]-定子鐵芯201，該定子鐵芯201包括多個定子齒202和定子槽，以及
[0042]-定子繞組，該定子繞組包括多個定子線圈203，
[0043]其中:
[0044]-每個定子線圈的寬度是一個定子槽間距，
[0045]-定子齒被成形為允許通過推動定子線圈以包圍定子齒中的一個定子齒來安裝每個定子線圈，並且
[0046]-定子線圈包括管狀冷卻通道204，該管狀冷卻通道204用於沿定子線圈的電導體的縱向方向引導定子槽中的冷卻液體。
[0047]圖3示出用於軸向磁通電機的根據本發明的實施例的定子300的示意圖。定子300包括:
[0048]-定子鐵芯301，該定子鐵芯301包括多個定子齒302和定子槽，以及
[0049]-定子繞組，該定子繞組包括多個定子線圈303，
[0050]其中:
[0051]-每個定子線圈的寬度是一個定子槽間距，
[0052]-定子齒被成形為允許通過推動定子線圈以包圍定子齒中的一個定子齒來安裝每個定子線圈，並且
[0053]-定子線圈包括管狀冷卻通道304，該管狀冷卻通道304沿定子線圈的電導體的縱向方向引導定子槽中的冷卻液體。
[0054]在根據本發明的實施例的定子中，每個定子線圈的電導體包括導電材料的兩個電並聯連接的杆，並且每個定子線圈的管狀冷卻通道由放置在該杆之間的冷卻管形成。導電材料能夠例如是銅，並且冷卻管能夠例如由不鏽鋼製成。圖4a和圖4b示出根據本發明的上述的實施例的定子的定子線圈403。圖4b示出沿圖4a的線A-A截取的截面。圖4b包含區域410的放大圖像411。定子線圈403包括由導電材料的杆407和408構成的電導體405。杆407和408被連接至定子線圈的電端子406。定子線圈包括放置在杆407和408之間的冷卻管404。定子線圈403進一步包括在冷卻管404的端部處的電絕緣連接元件409。
[0055]在根據本發明的實施例的定子中，每個定子線圈的電導體包括導電材料的套筒，並且每個定子線圈的管狀冷卻通道由放置在導電材料的套筒的內部的冷卻管形成。導電材料能夠例如是銅，並且冷卻管能夠例如由不鏽鋼製成。圖5a和圖5b示出根據本發明的上述實施例的定子的定子線圈503。圖5b示出沿圖5a的線A-A截取的截面。圖5b包含區域510的放大圖像511。定子線圈503包括為導電材料的套筒507的電導體505。導電材料的套筒被連接到定子線圈的電端子506。定子線圈包括由套筒507包圍的冷卻管508。定子線圈503進一步包括在冷卻管504的端部處的電絕緣連接元件509。
[0056]在根據本發明的實施例的定子中，每個定子線圈的電導體包括電並聯連接的導電材料的線的束，並且每個定子線圈的管狀冷卻通道由放置在該束內部的冷卻管形成。導電材料能夠例如是銅，並且冷卻管能夠例如由不鏽鋼製成。每個定子線圈進一步包括在相鄰的導電材料的線之間的電絕緣體材料。線能夠例如是包括各自地絕緣並且絞合或編織在一起的多個細線股的利茲線。絕緣能夠使用例如真空浸潰方法製成。根據本發明的該實施例的定子比電導體由固體材料製成的定子較佳地適於高頻電流。圖6a和圖6b示出根據本發明的上述實施例的定子的定子線圈603。圖6b示出沿圖6a的線A-A截取的截面。圖6b包含區域610的放大圖像611。定子線圈603包括為電並聯連接的導電材料的線的束607的電導體605。束607被連接至定子線圈的電端子606。定子線圈包括由束607的線包圍的冷卻管608。定子線圈603進一步包括在冷卻管604的端部處的電絕緣連接元件609。
[0057]在根據本發明的實施例的定子中，每個定子線圈均包括構成用於冷卻液體的平行路徑的兩個冷卻管，並且附接到該兩個冷卻管的電導體被電串聯連接。因此，在定子線圈中存在若干串聯的匝的情形下，可以布置有效的冷卻。圖7示出根據本發明的上述實施例的定子的定子線圈703。定子線圈703包括構成用於冷卻液體的平行路徑的兩個冷卻管704和704'，並且附接到該兩個冷卻管的電導體電串聯連接在端子706之間。
[0058]圖8示出根據本發明的實施例的定子的一部分。定子包括具有多個定子齒和定子槽的定子鐵芯801以及具有多個定子線圈803的定子繞組。每個定子線圈的寬度是一個定子槽間距，並且定子齒被成形為允許通過推動定子線圈以包圍定子齒中的一個定子齒來安裝每個定子線圈。定子線圈包括管狀冷卻通道，該管狀冷卻通道用於沿定子線圈的電導體的縱向方向引導定子槽中的冷卻液體。在圖8中所示的情況下，定子線圈包括形成管狀冷卻通道的冷卻管804。冷卻管與連接元件809電絕緣地連接到冷卻液體循環系統的歧管830。可以例如通過使用安裝到定子槽的開口的槽楔將定子線圈803鎖定到定子槽。
[0059]圖9示出根據本發明的實施例的電機的示意圖。電機器包括轉子960和定子900。定子包括具有多個定子齒和定子槽的定子鐵芯以及具有多個定子線圈的定子繞組，其中:
[0060]-每個定子線圈的寬度是一個定子槽間距，
[0061]-定子齒被成形為允許通過推動定子線圈以包圍定子齒中的一個定子齒來安裝每個定子線圈，並且
[0062]-定子線圈包括管狀冷卻通道，該管狀冷卻通道用於沿定子線圈的電導體的縱向方向引導定子槽中的冷卻液體。
[0063]儘管在圖9中未示出定子900的上述技術特徵，但是定子能夠是例如根據在圖8中提供的定子。定子進一步包括用於連接到外部電氣系統的三相電端子906和用於連接到外部冷卻液體循環系統的管線904。
[0064]轉子960包括用於產生勵磁磁通的永磁體941、942、943、944、945、946、947、948、949、和950。永磁體941-950中所示的箭頭表示永磁體的磁化方向。可能的是,代替永磁體或除永磁體之外，轉子包括用於產生勵磁磁通的勵磁繞組。
[0065]在根據本發明的實施例的電機中，以轉子的永磁體產生的磁極的數目大於定子齒的數目與定子繞組的相的數目的商，即，Q/m/p〈l，其中Q是定子齒的數目，m是定子繞組的相的數目，並且P是轉子的磁極的數目。
[0066]在圖9中所示的電機中，相的數目是m=3並且以轉子的永磁體941-950產生的磁極的數目是P=10。如果，例如，定子齒的數目是Q=12，則Q/m/p=0.4，即，電機是分數槽機。
[0067]圖9中所示的電機能夠例如是直驅式風力渦輪發電機。由於在定子繞組中存在有效的冷卻，所以電機的最大效率能夠被優化以對應於最典型的操作點而非代表在功率比最典型的操作點更高的風力應用中的名義操作點。藉助於有效的冷卻，在名義點處可以允許較大的損耗，並且因此，電機的尺寸和重量能夠較小。冷卻液體能夠例如是去離子的或另外具有充分低的導電性的水。
[0068]上文給定的描述中提供的特定實例不應被解釋為限制性的。因此，本發明不限於上述的實施例。
【權利要求】
1.一種用於電機的定子(100、200、300)，所述定子包括: -定子鐵芯(101、201、301)，所述定子鐵芯(101、201、301)包括多個定子齒(102、202、302)和定子槽，以及 -定子繞組，所述定子繞組包括多個定子線圈(103、203、303)， 其中每個定子線圈的寬度是一個定子槽間距，並且所述定子齒被成形為允許通過推動所述定子線圈以包圍所述定子齒中的一個定子齒來安裝每個定子線圈，而不改變所述定子線圈的形狀，其特徵在於，所述定子線圈包括管狀冷卻通道(104、204、304)，所述管狀冷卻通道(104、204、304)用於沿所述定子線圈的電導體的縱向方向引導所述定子槽中的冷卻液體。
2.根據權利要求1所述的定子，其中，所述定子線圈的所述電導體是管狀的從而形成所述管狀冷卻通道。
3.根據權利要求1所述的定子，其中，所述定子線圈包括冷卻管(104、204、304)，所述冷卻管由與所述定子線圈的電導體不同的材料製成並且被附接到所述定子線圈的所述電導體，所述冷卻管形成所述管狀冷卻通道。
4.根據權利要求3所述的定子，其中，每個電導體(405)包括導電材料的兩個電並聯連接的杆(407、408 )，並且所述冷卻管中的一個冷卻管(404 )被放置在所述杆之間。
5.根據權利要求3所·述的定子，其中，每個電導體(505)包括導電材料的套筒(507)，所述套筒(507)被布置成包圍所述冷卻管中的一個冷卻管(504)。
6.根據權利要求3所述的定子，其中，每個電導體(605)包括電並聯連接的導電材料的線的束(607)，所述束被布置成包圍所述冷卻管中的一個冷卻管(604)，並且所述定子線圈進一步包括在所述導電材料的線之間的電絕緣體材料。
7.根據權利要求3至6中的任一項所述的定子，其中，每個定子線圈包括兩個冷卻管(704、704')，所述兩個冷卻管(704、704')構成用於所述冷卻液體的平行路徑，並且附接到這兩個冷卻管的所述電導體被電串聯連接。
8.根據權利要求3至7中的任一項所述的定子，其中，所述冷卻管由不鏽鋼製成。
9.根據權利要求3至8中的任一項所述的定子，其中，所述定子線圈包括在所述冷卻管(404、504、604、804)的端部處的電絕緣連接元件(409、509、609、809)。
10.根據前述權利要求中的任一項所述的定子，其中，所述定子線圈的電導體由銅製成。
11.根據前述權利要求中的任一項所述的定子，其中，所述定子鐵芯由多個定子部分(121-128)組成。
12.根據前述權利要求中的任一項所述的定子，其中，所述定子繞組被塗敷有一層樹脂從而保護所述定子繞組免受外部應力。
13.根據前述權利要求中的任一項所述的定子，其中，所述定子是下列中的一個:內轉子徑向磁通機的定子(100)、外轉子徑向磁通機的定子(200)、軸向磁通機的定子(300)。
14.一種包括轉子(960)和定子(900)的電機，其中，所述定子是根據權利要求1至13中的任一項所述的定子。
15.根據權利要求14所述的電機，其中，所述轉子包括用於產生勵磁磁通的永磁體(941-950)。
16.根據權利要求15所述的電機，其中，以所述永磁體產生的磁極的數目(P)大於所述定子齒的數目(Q) 與所述定子繞組的相的數目(m)的商，Q/m/p〈l。
【文檔編號】H02K3/24GK103444055SQ201180050343
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2011年10月17日 優先權日:2010年10月18日
【發明者】尤哈·派爾霍恩, 珍妮·內爾格, 漢內·尤西拉, 尤利婭·亞歷山德羅夫, 瑪利亞·波利卡爾波夫, 羅伯特·斯科特·謝姆科恩, 佩卡·洛伊塔 申請人:拉普蘭塔理工大學