旋转电动机器及用于生产旋转电动机器的特定适配方法

摘要

本发明提供了一种旋转电动机器(10)，该旋转电动机器包括以下特征：该电动机器(10)包括转子铁芯(11)、定子铁芯(12)、以及多个导体棒(17)；气隙(13)将该转子铁芯(11)与该定子铁芯(12)分开；该定子铁芯(12)具有槽缝(14)；这些导体棒(17)在该槽缝(14)中延伸；在第一区段中这些导体棒(17)具有第一轮廓，在第二区段中这些导体棒(17)具有第二轮廓；并且该第一轮廓不同于该第二轮廓。本发明还提供了一种被适配成用于生产电动机器的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋转电动机器。本发明此外涉及一种被适配成用于生产电动机器的方法。

背景技术

在电动机器的构造中，缠绕电导体以形成线圈的任何类型和方法由通用性术语“线圈绕组技术”所涵盖。在这种情况下，“线圈”不旨在仅被理解为分开的电感式无源部件；而是在本背景中，该术语涵盖适用于产生磁场或检测磁场的所有绕组和绕组材料。致动器的绕组(尤其是旋转电动机器的转子和定子的绕组)同样在以下文本中被称为线圈，落在这个词语的进一步含义内。

因此，绕组技术大体上确定了具有绕组的机电组件的特性。所述特性包括绝缘电阻、品质因数、对于特定性能或磁力所需要的尺寸、或杂散磁场。由于根据现有技术在能量效率方面的需求极大增加，因此对于用于诸如电动机的机电组件的部件开发尤其存在日益增长的需要。

通常主要使用相对较细的单独的线(典型地具有高达2mm的直径)对定子和/或转子进行绕组操作，这些线被手动地或通过对应的绕线机器和拉丝机来插入定子或电机铁芯中的开口(槽缝)中。已知将棒(代替单独的线)引入槽缝中以形成所述单独的棒，并且然后在末端处将所述棒例如进行焊接以形成连续的绕组。由于根据现有技术为此目的主要使用了类似于发夹的、短的U形或V形的单独区段，因此在技术领域中，这种类型的棒绕组有时被称为发夹导体。

相比于单独的线绕组，棒绕组提供了多个不同的优点：尽管自动化程度很高，但是单独的线绕组在制造过程中仍需要各种不同的手动步骤，然而棒绕组可以通过全自动的方式生产。在这种情况下，棒通常具有矩形的截面并且在槽缝中被分段成相等的截面。因此，与即便具有密集封装也会留出空余空间、并且导致由于绝缘涂层而引起的大量空间损耗的单独的线相比，棒绕组允许了更好地利用槽缝。由于使用铜对槽缝进行了更高水平的填充(所谓的铜填充因数)，因此在小的安装空间内也可以实现较高的机器功率。在单独的线的情况下，30％到50％的填充因数是常见的，而使用棒绕组可以实现甚至高于80％的填充因数。由于发夹导体或棒导体具有明确限定的表面和较大的尺寸，因此在棒之间以及在棒与铁芯之间可以具有更可靠的绝缘。绝缘降级是最重要的老化机制之一并且对于电动机器的寿命而言是核心重要的。在U形区段的情况下，可以在制造过程中在末端侧上将单独的区段插入槽缝中，其结果是，可以实现朝向气隙闭合并半开的槽缝，这在具有连续线的单独的线绕组的情况下是困难的或甚至是不可能的，如美国专利号8,330,318中所解释的。如果具有棒绕组的电动机器在高转速范围内运行，由于高频率效应则会增加电动机器的损耗。

JP 2011 147 312 A描述了一种电动机器的定子绕组，其中，在槽缝内设置了不同的绕组截面。在这种情况下，与具有相对较大的截面的绕组相比，具有相对较小的截面的绕组优选地在内侧定位更深。

US 2004 0207 284 A1描述了一种具有定子绕组的电动机器，该定子绕组包括带有矩形截面的径向安排的多个导体区段。

US 2012 0025 660 A1描述了一种具有定子绕组的电动机器，该定子绕组具有带有矩形截面的大量线匝。在这种情况下，每个线匝由两段组成，其中，一个线匝的内段连接至非相邻槽缝中的一个线匝的外段。

US 2012 0274 172 A1描述了一种具有定子绕组的电动机器，该定子绕组包括大量的线束，其中，这些线束的截面是柔性的。在这种情况下，这些线束被安排使得相邻的线束相接触。

US 2015 0311 757 A1描述了一种具有定子绕组的电动机器，该定子绕组包括大量的线圈导体。在这种情况下，这些线圈导体可以具有不同的、尤其还是弯曲的截面。

US 2016 0013 692 A1描述了一种用于电动机器的、具有大量线匝的定子，这些线匝是径向安排的并且其截面取决于其位置而变化。

US 5 801 471 A和US 6 252 327 B1披露了在用于电动机器的定子绕组方面的另外的现有技术。

发明内容

本发明提供了一种旋转电动机器、并且还提供了一种被适配成用于生产电动机器的方法。

本发明认识到，与常规的单独的线绕组相比，尤其例如在500rpm的中转速下，具有实心的、总体上矩形的导体区段的棒绕组在核心关键比率方面提供了明显的优点。然而，在例如15,000rpm的高转速下，这种技术的缺点变得明显，对这些缺点的认识同样形成了本发明的基础并且在下文进行描述。

因此，棒绕组具有的核心问题是：直观地，可以假定可获得的较高的槽缝填充因数将允许较低的绕组电阻以及因此较低的损耗。然而，这只适用于直流。然而，在如旋转机器中常见的相对较高的频率下，损耗实际上是增加的。尽管棒绕组通常明显在其低转速下的效率方面优于单独的线绕组，但是高转速下的损耗因此通常极大增加。

这种现象的原因是：由于随着转速增加而增加的频率所导致的高频效应、穿过槽缝中的导体的旋转场、以及自身导致围绕其的磁场的通常正弦式控制电流。

产生随转速而增加(大致成平方地增加)的损耗有两个原因：第一个原因可以在所谓的表皮效应及邻近效应中找到，这些效应主要增加了导体的有效电阻并且因此由于电流必须桥接相对较高的电阻而间接地产生了相对较高的损耗。第二干扰因素已被证实是直接导致了损耗增加的相邻导体的涡流。本发明的一个目的是以在低转速下有较高损耗为代价而减少高转速下的这些损耗。

本发明基于的进一步的认识在于，磁场主要靠近槽缝开口而发生。因此，所述两个效应在那里是最强的。这一点的原因是转子磁极所穿过的场(这些场通入开放的槽缝中)以及绕组自身的磁场(这些磁场由于气隙以及其低磁导率而可能不再保持完全地在槽缝之外并集中在铁芯中、而是已经预先优选横向地延伸穿过槽缝)。具体地讲，涡流导致了越靠近槽缝开口则由于额外的电流就越大的电流密度。这些涡流垂直于产生的交变磁场流动、形成类似于流动中涡流的通常局部的环状电流、并且增加至常规的绕组电流。就其幅度方面而言，这些涡流趋于显著地小于期望的并且是外部施加的绕组电流。然而，由于电阻性损耗随着电流密度而成平方地增加，因此任何额外的电流对于这些损耗都具有不成比例的影响。因此，涡流损耗总体上随着频率(以及因此的转速)和电流密度(以及因此的机器的转矩)至少成平方地增加。

转换整个电流的截面(也就是可以说使其偏离自身磁场)的上述转换效应(表皮和邻近效应)额外地独立地作用在这些涡流上。这同样可以被视为使总磁场能量最小化、或者避免任何电流元件的高电感、并且因此形成最小的复电阻。由于截面中的电流浓度，这有效地导致电阻的实际增加以及因此更高的损耗。这里，绕组电流的转换还通常产生在沿气隙方向的截面中。因此，靠近气隙的损耗和废热异乎寻常地在局部剧烈地增加。

具体地，所述损耗所基于的这些高频率效应随着槽缝中的导体截面的增加而增加。因此，这产生了困境：直观上被认为减少电阻的截面的增加在高转速下具有不利影响。

根据现有技术的已知对策(例如，使用具有复杂表面结构的发夹导体、打开靠近出现高磁场密度的气隙的槽缝的大部分、或者部分地关闭槽缝开口以用于使杂散场位移出槽缝而进入所得到的部分铁芯路径)导致了大量的缺点：槽缝的所有导体的总表面与总截面的增大比率、额外的空余空间、以及因此下降的槽缝填充因数。这些措施误解了这些额外损耗的原因。例如，具有多个源的电磁场不仅导致了更高的电阻还导致了涡流损耗：转子磁极的旋转通过槽缝的转子场通入该槽缝中。可以通过部分地关闭槽缝开口来至少降低这种效应。在槽缝中的这些杂散场通常出现具有高的旋转磁场分量。在槽缝自身中的导体的交变电流场有助于上述损耗。每个导体区段影响在其自身中的、以及在该槽缝中的所有其他导体区段中的流动的电流。单向交变场分量通常在这种磁场分量中占主导，提出的是，没有使用在槽缝中具有复杂的空间分布的多个相位的导体。

旋转场不同于交变场，因为在交变场的情况下，其分布不是恒定的并且因此感应电流路径也并非暂时恒定的。然而，旋转场可以始终由多个交变场来描述，该多个交变场彼此垂直、总体上具有不同的频率和/或相位。具体而言，这两个场的效应在槽缝的所有导体中是不相同的。在两个场分量的情况下，最大的场强度通常靠近槽缝开口出现，而它们实际上在槽座处消失。因此，有效电阻和高频损耗在靠近槽缝开口处是最大的。这种损耗集中的原因主要是气隙、并且在更小程度上是转子磁场。

因此，对于穿过具有无法忽略的大截面的相同导体的两个替代路径i和j，例如，Z_i≠Z_j成立。在一个槽缝中有两个导体区段(这些导体区段并联电连接)的情况下，电流因此位移到具有较小电阻的那个导体区段中。考虑到电并联互连，尽管一个区段对于电流可以具有非常低的电阻，但是通过毗连的高阻抗区段，这就不只是过度补偿。因此，在两种情况下，总电阻高于通过均匀电流分布而将得到的电阻。在涡流的感应电流回路方面可以进行相似的论证。本发明因此认识到，强制产生更均匀的电流分布是有利的。因此，考虑到低的场强度，通常这在槽座中是不必要的，根据本发明的措施应该主要始于气隙的附近。

因此，本发明涉及取决于槽缝中的位置对这些导体的截面形式进行配置。由于尤其是在交变场的情况下可以准确地预测导体自身以及槽缝的相邻导体的感应电场和电流分布，因此可以将导体分段成使得这些导体使功率损耗最小化。由于感应电场以及相关联的电流分布总是垂直于这些磁场线，因此最佳分段精确地中断该场和/或该电流路径。根据本发明，在两个导体、并因此在其表面之间的分离线因此尽可能地遵循这些磁场线的分布。

根据局部的磁场条件，槽缝的电导体的形成涉及两个方面。在磁场强度增大的情况下(通常通过这些场线的集中程度来展示)，应该降低槽缝截面中的区段垂直于磁场线的范围以便抑制电流的流动以及磁场的建立。这些导体的形成应该遵循水平方向上的磁场线，并且因此应有最小可能的场从其间穿过。由于使用了根据本发明被分段的多个导体，因此可以取决于位置而使用专用的区段，并且与其他区段相结合以便形成例如具有薄厚截面的连续导体环。

在这种情况下，本发明的具体实施例基于有技巧地局部分段成具有不同横截面积的多个导体。在具有高交变场的位置处，应该对应地对这些导体区段进行精细地划分，以便考虑到磁场而避免不希望的电流流动。在两个导体之间的绝缘边界区应该被制成为尽可能地横向于涡流路径或横向于无分段的位移方向，该绝缘边界区可以通过绝缘件(绝缘纸、绝缘涂层、氧化物)或者至少不良导电的阻挡物(在沿多个转弯区段的纵向方向上与铜相比具有显著更加不良的导电性)来形成。这是例如(但并非排他地)通过沿磁场方向的边界区的轮廓来提供的。由于磁通量密度通常在槽缝开口处最高，因此，对于几乎所有类型的机器而言，最精细的分段也将通常在那里是有利的。

常规的电动机器通常具有的磁场比率的类型使得，与根据本发明的方法一致，这些导体区段应该在槽缝开口的方向以及气隙的方向上变得越来越薄。在最简单的情况下，这些区段可以具有矩形截面，其中至少一个边缘近乎垂直于这些槽缝壁延伸。在具体实施例中，在两个区段之间的边界遵循这样的磁场，该磁场在靠近槽座处几乎理想地局部水平地延伸并且具有朝向气隙、指向槽座的曲率。

用于棒绕组的这些区段通常是在制造过程中在弯曲步骤之前通过按一定长度切割异型杆而由所述异型杆直接生产的。生产可以单独成型的多个区段需要例如滚轧的成型工艺或大量不同的异型杆坯件。在具体实施例中，可以相应地使用仅仅两个或三个不同的截面形式，这些截面形式可以相应地结合起来以便在电动机器的制造支出与性能之间找到折中。

因此，根据本发明的机器的一个优点是，其损耗由于高频效应的最小化而相对于常规机器有所减少。

在下述2-7和9-11中指明了本发明的进一步的有利改进。因此，沿电动机器的旋转轴线可以存在棒的大量不同实施例，例如，具有不同大小的弯曲的、矩形的、或水平分段的棒。例如，可以提供优选地对于径向轴线对称的曲率。在这种情况下，该曲率可以形成在两个方向上，并且该曲率的范围可以取决于与该气隙的距离而不同。具体地，被以下文本中概述的术语所覆盖的、具体包括表面形式的形状以及截面大小可以在槽缝中的对应位置处遵循矢量磁场的分布或矢量磁通量的分布。矢量磁场或矢量磁通量的空间分布可以优选地在使用已知的计算方法(例如，有限元素法(FEM)、有限差分法(FDM)、或可比的数理方法)对电动机器进行设计和计算时确定。根据本发明，导体棒的相应轮廓可以因此被成型成使得，被投影到至少一个导体棒的这些表面的至少一个的相应局部表面法线上的矢量磁通量是最小的。这些导体棒的轮廓优选地被成型成使得，被投影到至少一个导体棒的、近乎平行于槽座的两个表面的相应局部表面法线上的矢量磁通量密度是最小的。

总之，本发明在此公开下述1和8记载的技术方案，下述2-7和9-11为本发明的优选技术方案：

1.一种旋转电动机器，

其特征为以下特征：

-该电动机器包括转子铁芯、定子铁芯、以及多个导体棒，

-气隙将该转子铁芯与该定子铁芯分开，

-该定子铁芯具有槽缝，

-这些导体棒在该槽缝中延伸，

-在第一区段中这些导体棒具有第一轮廓，

-在第二区段中这些导体棒具有第二轮廓，并且

-该第一轮廓不同于该第二轮廓。

2.如上述1所述的旋转电动机器，

其特征为以下特征：

-这些导体棒具有弯曲的表面，使得当交变磁场穿过该槽缝时，该交变场在该表面处具有均匀的通量密度。

3.如上述1或2所述的旋转电动机器，

其特征为以下特征：

-该第一区段和该第二区段距该转子铁芯有对应的距离。

4.如上述1至3之一所述的旋转电动机器，

其特征为以下特征：

-该槽缝具有面向该转子铁芯的槽隙、以及背向该转子铁芯的槽座，

-在该槽隙处的导体棒具有第一横截面积，

-在该槽座处的导体棒具有第二横截面积，并且

-该第二横截面积超过该第一横截面积。

5.如上述4所述的旋转电动机器，

其特征为以下特征：

-这些横截面积被选择成使得，当该交变场以给定的频率穿过该槽缝时，在该槽隙处的导体棒与在该槽座处的导体棒具有对应的有效电阻。

6.如上述4所述的旋转电动机器，

其特征为以下特征：

-这些横截面积被选择成使得，当该交变场以给定的频率穿过该槽缝时，在该槽隙处的导体棒中与在该槽座处的导体棒中实现了对应的功率损耗。

7.如上述4所述的旋转电动机器，

其特征为以下特征：

-这些横截面积被选择成使得，当该交变场以给定的频率穿过该槽缝时，在该槽隙处的导体棒与在该槽座处的导体棒具有对应的功率损耗密度。

8.一种用于生产电动机器、尤其如上述1至7之一所述的电动机器的方法，

其特征为以下特征：

-缠绕多个导电棒以形成导体环，

-在这些导体棒的多个区段之间建立导电连接，

-将该导体环插入定子铁芯的至少一个槽缝中，并且

-将该定子铁芯机械地同轴连接至转子铁芯，其中在该转子铁芯与该定子铁芯之间保留气隙。

9.如上述8所述的方法，

其特征为以下特征：

-该连接是以压力配合的方式、尤其通过夹紧来建立的。

10.如上述8或9所述的方法，

其特征为以下特征：

-该连接是以粘着的方式、尤其通过电弧熔焊或电阻压焊来建立的。

11.如上述8、9或10所述的方法，

其特征为以下特征：

-槽缝的至少一个导体棒的轮廓是通过对矢量磁通量进行数理计算而形成的，其方式使得矢量磁通量在该导体棒的至少一个表面上的投影近似最小。

附图说明

本发明的示例性实施例在附图中展示并将在下文中进行更详细的说明。

图1示出了包括定子铁芯12和转子铁芯11的第一电动机器。

图2示出了穿过该机器的截面。

图3成区域地示出了穿过不具有定子绕组的第二电动机器的纵向截面。

图4示出了穿过具有定子绕组的机器的对应纵向截面。

图5成区域地示出了穿过不具有定子绕组的第三电动机器的纵向截面。

图6示出了穿过具有定子绕组的机器的对应纵向截面。

图7示出了穿过第四电动机器的扩大纵向截面。

图8示出了第一导体棒的多个区段在连接点区域中的放大视图。

图9示出了第二导体棒的多个区段的对应透视图。

图10示出了导体环的透视图。

具体实施方式

图1示出了具有转子铁芯11、定子铁芯12、和定子绕组的电动机器10的机械设计，该定子绕组包括多个导体棒17。

图2展示了穿过该机器的截面。以放大比例来进行展示的槽缝14包括具有不同的截面和/或不同的曲率的导体棒17。通过举例，导体棒17的截面朝向气隙13而减小。

图3展示了在旋转电动机器10的定子铁芯12的槽缝14中的交变磁场分布15。

在这种情况下，定子铁芯12以起初常规的方式通过气隙13与机器10的转子铁芯11分开。在此背景下，根据电气工程中惯例的术语，术语“气隙”应被理解为是中间空间的意义，区别仅在于不存在铁磁材料而未必在于其可能的空气含量。因此，可以同样使用中间空间在技术领域有时被称为“分布气隙”的非铁磁性铆钉、箔片、或粉末冶金复合材料。

图4基于这个交变场分布15(靠近槽隙的磁通量由于该交变场分布渐增地朝转子铁芯11偏转(参考符号16))示出了根据本发明的导体棒17的形成，其表面与交变场分量的分布平行。这里，单独的导体棒17的横截面积与在其安装位置处的场强度呈负相关。具体来说，导体棒17被设计成例如在电流相同的情况下具有相等的能量损耗。

参见图5和图6一起解释了根据本发明的结构原理，当转用至第二电动机器10时，插入了转子铁芯11的交变磁场上被强加有上凸的场线分布。同样在这种情况下，单独的导体棒17的截面积的大小基本上与其安装位置处的场强度呈负相关。

图7根据附图通过举例展示了在水平方向上用于减少旋转场的竖直分量的分段。这种类型的旋转场具有的缺点是：这些旋转场不具有仅改变其幅度的暂时固定的分布。然而，这种类型的旋转场可以被细分成两个到三个交变场分量。在这种情况下，两个交变场分量(具体是根据附图的槽缝14内部中的水平交变场和竖直交变场)典型地足以对旋转场的交变场分量进行建模。上述方法不仅可以用于根据附图对竖直交变场分量进行分段、而且还可以转用至水平交变场分量。这产生了应该被同时观察到的第二分段方向，并且该第二分段方向通常近乎垂直于另一个分段方向延伸。例如对于取决于转子位置而给定了高度变化的磁阻的定子场，通过在运行过程中周期性出现的强的转子杂散场、或者通过叠加槽缝14中非同一相位的转子场和定子场，可以产生所述类型的旋转场。

可以从以下列表中找到用于一组并联路径的单独路径的截面的示例性设计指标：

1.在频率w下，有效电阻相同

2.在频率w下，功率损耗相同

3.在频率w下，功率损耗密度相同

4.限制预先特定的频段内的路径的电阻中的百分比偏差

5.在频率w下实现类似的电阻增量或损耗增量

6.进行划分，其方式使得在频率w下到这两条路径之一中的电流位移被抑制

7.使损耗在相对较高的转速下降低、在低转速下轻微增加

8.使得对于给定载荷谱或给定驱动循环的系统损耗最小化

根据本发明，在至少一个槽缝14中的至少一个导体棒17的轮廓可以与流动穿过该槽缝的交变磁场15的矢量磁场分布或矢量磁通量分布相匹配，其方式使得在该至少一个导体棒17中可以有效地减少由交变磁场15感应的电流。该至少一个导体棒17的轮廓被优选地成型成使得，被投影到该至少一个导体棒的表面20中的至少一个的相应局部表面法线上的矢量磁通量密度是最小的，因此使得该至少一个表面20基本上与矢量磁通量的局部方向相切延伸。该至少一个表面20的至少50％(特别有利地多于75％)优选地与矢量磁通量的局部方向相切延伸。

此外，根据本发明，至少一个导体棒17的近乎彼此相对的至少两个表面20可以遵循矢量磁通量密度，其方式使得近乎彼此相对的该至少两个表面20很大程度上与矢量磁通量的局部方向相切延伸。由于根据法拉第感应定律，由磁场感应的、并且最终造成涡流和电流位移效应的电场始终垂直于矢量磁通量的瞬时变化而延伸，因此沿局部矢量磁通量延伸的表面至少在交变磁场的情况下确保了感应电场垂直于该表面延伸，并且因此在表面上对于感应电场之一不存在闭合的电流路径，并且因此这些都不会在局部发生。

图8和图9展示了根据本发明的连接技术，用于将具有不等截面的区段和单独的路径转变为并联路径。相应地，可以例如通过焊接、主要是钨极惰性气体保护焊(气体保护钨极电弧焊GTAW、钨极惰性气体TIG)和电阻焊接来产生连接18。此外，在不背离本发明的范围的情况下，硬钎焊或夹紧是可行的。以此方式，在具有不同截面的多于两个区段之间、或在这些区段的所有细分部之间可以建立起导电连接18。

尽管以上实施例主要涉及波形绕组，但本发明的操作原理可以被转用于叠绕组。图10展示了根据本发明的预分段线圈元件用于叠绕组的用途。具有多于两个槽缝截面的相对较长的导体区段在此以串联连接和并联连接的几乎任何所希望的组合来允许区段的细分部具有更复杂的连接。具体而言，可以将靠近气隙13的多个薄细分部并联连接，并且进而与进一步坐落在槽座上的大的子分段形成串联连接。

这种构型提供的优点是，尽管区段的单独的细分部具有不同的截面，但是通过并联和串联连接产生了类似的有效截面，并且因此可以使用可获得的铜来产生优化的电阻比。