电机
阅读说明：本技术 电机 (Electric machine ) 是由 F.布鲁丁 于 2020-02-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种具有定子的电机,其中,该定子包括用于容纳定子绕组的多个槽。定子绕组的各个导体区段分别插入到每个槽中。至少一个极对的导体区段在定子的第一侧上彼此短路。在定子的与第一侧对置的第二侧上,导体区段分别与供电单元的接头连接。供电单元包括至少两个导体(17、18),所述至少两个导体(17、18)与至少一个电力电子构件(1)电气连接。至少一个电力电子构件(1)布置在基本上盘状的冷却体(10)上,该冷却体大面积地覆盖定子的第二侧。(The invention relates to an electric machine having a stator, wherein the stator comprises a plurality of slots for accommodating stator windings. The individual conductor sections of the stator winding are inserted into each slot. The conductor sections of at least one pole pair are short-circuited to each other on the first side of the stator. On a second side of the stator, which is opposite the first side, the conductor sections are each connected to a connection of the power supply unit. The power supply unit comprises at least two conductors (17, 18), the at least two conductors (17, 18) being electrically connected with at least one power electronic component (1). At least one power electronic component (1) is arranged on a substantially disk-shaped cooling body (10) which covers the second side of the stator over a large area.)
技术领域
本发明涉及一种具有定子的电机。
背景技术
定子具有连接到通常是多相的电流系统的电气绕组。对于具有每相每极两个以上线圈的应用，主要使用分布式绕组。分布式绕组的主要优点在于，电机的定子与相对于定子可移动支承的转子之间的气隙中的磁通势具有较少的谐波分量，即，磁通势中不期望的谐波的分量较低。由此，导致了能以电动机方式或发电机方式运行的电机的高效率，该电极具有低转子损耗、低噪音和很少的振动问题。然而，分布式绕组的缺点是制造成本高。
为了将具有分布式绕组的良好电气特性的电机与低制造成本的优点相结合，专利文献DE 10 2014 113 489 A1建议，定子包括在定子的相邻齿之间形成的并且用于容纳定子绕组的多个槽，在具有该定子的电机中，每个槽中分别插入有定子绕组的导体区段。在此，至少一个极对的导体区段在定子的第一侧上彼此短路。在定子的与第一侧对置的第二侧上，导体区段的自由端与供电单元的接头连接。供电单元包括两个电气导体。为了能够散发半导体开关的损耗热量和电力电子构件的其他构件的损耗热量，设有主动冷却装置，方式是设置其上布置有电力电子构件的用于引导流体的环状冷却通道。在此规定，冷却通道设置在两个环状布置的导体中或之间。由此导致制造成本高。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，改进具有分布式绕组的良好电气特性以及具有良好冷却的电机，该电机具有制造成本低的优点。
该技术问题通过根据权利要求1的特征的电机来解决。从属权利要求中说明有利的设计方案和扩展方案。
在一个实施方式中，提供了一种具有定子的电机。定子包括形成在定子的相邻齿之间的多个槽。槽用于容纳定子绕组。定子绕组的导体区段分别插入到每个槽中。至少一个极对的导体区段在定子的第一侧上彼此短路。在定子的与第一侧对置的第二侧上，导体区段的自由端与供电单元的接头连接。供电单元包括至少两个导体，所述至少两个导体与至少一个电力电子构件电气连接。电力电子构件配属于一个或多个导体区段。至少一个电力电子构件布置在冷却体上，其中冷却体基本上盘状地设计并且大面积地覆盖定子的第二侧。
按照所建议的原理，可以提供大面积的冷却体，该冷却体覆盖定子的第二侧，即，布置在定子的端面上，并且用作电力电子构件的载体。由此，确保了对至少一个电力电子构件的简化的并且有效的冷却，其中能够以很少的制造成本来制造电机。
在所建议的电机中，开头提到的定子侧绕组由单杆绕组(Einzelstabwicklung)代替，该单杆绕组被如下地简化：其每个槽具有导体区段，并且由此导体区段例如可以在轴向方向上基本上设计成直线。在此，可以使用低电压情况下的高电流强度，以实现与具有分布式绕组的传统电机相同数量级的磁通势。
包括至少一个电力电子构件的电力电子器件的集成可以通过在盘状且因此扁平的冷却体上的布置来以简单的方式实现，由此尤其实现了电机的特别紧凑的结构。
冷却体的基本上盘状的设计应理解为不仅是圆形的，而且是多边形的边缘轮廓。因此，边缘轮廓可以具有数个角，使得边缘轮廓为四边形、五边形、六边形等。通常，角的数量大于或等于四。
冷却体优选由非磁性材料制成。用于冷却体的材料优选是不导电的。
在一个实施方式中，每个电力电子构件分别与一个(设计为单杆的)导体区段接触。由此，各个电力电子构件用于为各个导体区段供电。也可以设置多个电力电子构件，这些电力电子构件沿着定子的圆周分布地布置在冷却体上。
冷却体可以有利地包括用于引导流体的至少一个流体通道。至少一个流体通道这样地布置在冷却体中，使得尤其是可以有效地散发由电力电子构件产生的热量。
特别适宜的是，至少两个导体环状地设计。这尤其在设置了多个电力电子构件的情况下使得能够以简单的方式将相应的电压电势施加到这些电力电子构件。
在一种适宜的设计方案中，至少两个导体中的至少一个布置在冷却体上。如果冷却体由绝缘材料制成，则不需要提供单独的绝缘措施。
一种新的设计方案规定，至少两个导体中的至少一个与至少一个电力电子构件一起布置在冷却体的第一侧上。替换地，至少两个导体中的至少一个可以布置在冷却体的与第一侧对置的第二侧上。因此，至少两个导体布置在冷却体的面向定子的一侧上的布置是可能的。另外的设计方案使得至少两个导体布置在冷却体的背离定子的一侧上的变形方案是可能的。同样，两个导体中的一个布置在冷却体的面向定子的一侧上并且两个导体中的另一个布置在冷却体的背离定子的一侧上的变形方案是可能的。哪种变形方案是优选的可以尤其取决于主要的空间条件。
此外适宜的是，冷却体形成至少两个导体中的一个。由此，可以为冷却体表面上的至少一个电力电子构件提供更大的面积比例。当然，在这种情况下，冷却体必须以与其上所施加的组件电气绝缘的方式实现。
电力电子构件包括具有至少一个半导体开关和可选的驱动电路的单层或多层的印刷电路板(尤其是以金属基板印刷电路板的形式)。此外，电力电子构件可以包括另外的电子组件，例如至少一个电容器。驱动电路和另外的电子组件也可以布置在一个或多个另外的印刷电路板上。
在另外的变形方案中，可以规定，至少两个导体中的至少一个布置在印刷电路板上。因此，印刷电路板例如可以用作冷却体的绝缘体。
此外适宜的是，将至少一个半导体电路和可选的驱动电路布置在印刷电路板上和/或印刷电路板中。尤其是在至少一个半导体电路和可选的驱动电路(以及可选的另外的)现有的电子组件布置在印刷电路板中的变形方案的情况下，外表面可以大面积地用于与至少两个导体接触。由此，可以实现单位面积的小的比电流强度。
此外适宜的是，至少一个半导体开关和/或可选的驱动电路设计为可表面安装的部件。由此允许提供具有紧凑尺寸的电力电子构件。特别地，不需要要求较大空间的分立的电力电子模块。
另外的设计方案规定，印刷电路板形成冷却体的至少一部分。为此，印刷电路板可以设置有至少一个在一侧开口的冷却槽，以构建至少一个流体通道，其中，印刷电路板在具有至少一个在一侧开口的冷却槽的一侧上与反位板连接。反位板可以可选地具有在一侧开口的冷却槽，该冷却槽与印刷电路板的冷却槽对应地布置。由此，可以紧凑地实现由冷却体、电力电子设备和配电装置构成的布置。
另外的设计方案规定，通过在冷却体和印刷电路板中的所配属的留空部延长导体区段，以便在冷却体的背离定子的一侧上与至少一个电力电子构件电气连接。该设计方案能够实现电力电子器件与导体区段的简单的电气连接，该导体区段在转子的第二侧直线地沿轴向方向引出。
替换地，导体区段可以通过冷却体的尤其是中央的内孔和/或在冷却体的外周的外部经由相应的连接件与至少一个电力电子构件连接。
此外适宜的是，冷却体具有多个区段。特别地，在此可以规定，区段的数量尤其是对应于相的数量。由此，可以提供对电力电子器件的特别有效的冷却。
另外的有利的设计方案规定，相应的电力电子构件设计为用于控制一个或多个相。
两个导体中的一个、尤其是环状地设计的导体可以实现正的直流电压供应。两个导体中的另一个、尤其是环状地设计的导体可以确保负的直流电压供应。这可以理解为直流母线。如果例如设置第三导体，则该第三导体可以具有中间电势。
相应的电力电子构件的半导体开关尤其被连接为用于形成半桥。如果电力电子构件可选地具有电容器，则该电容器可以设计为中间电路电容器或者分布式中间电路的一部分或分布式中间电路电容的一部分。在此，可以规定将多个电容器与位于其间的、由导电元件和非导电元件构成的支撑矩阵串联连接和/或并联连接。
供电单元可以设计为用于借助相应的电力电子构件分别利用其自身的电气相位为各个导体区段供电。
从电磁兼容性的角度来看，所提出的电机的实施方案具有特别的优势，因为不必铺设带有谐波的交流电流导线。此外，不需要单独的变流器壳体。在单独的电力电子器件和实际电机之间不需要缆线，因为放置的是电力电子设备，而不是传统机器中存在的绕组头。
相的数量例如可以是三、四、五或至少十。
为了实现特别小的制造成本，可以以笔直地构建导体区段。导体区段例如可以是铝棒、铜棒或青铜棒或它们的合金。
附图说明
下面根据附图在多个实施例中更详细地描述进一步的细节和设计方案。
附图中：
图1示出了电力电子构件的第一实施例的俯视图，该电力电子构件施加在设计为冷却体的冷却盘上；
图2示出了根据图1的布置的沿线II-II的剖视图；
图3示出了第二实施例的剖视图，其中多个电力电子构件布置在设计为冷却盘的冷却体上；
图4示出了第三实施例的剖视图，其中多个电力电子构件布置在设计为冷却盘的冷却体上；
图5示出了第四实施例的剖视图，其中多个电力电子构件布置在设计为冷却盘的冷却体上；
图6示出了第五实施例的剖视图，其中多个电力电子构件布置在设计为冷却盘的冷却体上；
图7示出了穿过第五实施例的左侧部分的剖视图，其中印刷电路板是根据第一变形方案的冷却体的一部分；
图8示出了穿过第五实施例的左侧部分的剖视图，其中印刷电路板是根据第二变形方案的冷却体的一部分；
图9在未示出冷却体的情况下示出了第六实施例的导体区段、环状导体和电力电子模块的分解立体图；
图10示出了穿过冷却体、环状导体和电力电子模块的布置的图9中所示的实施例的一部分的剖视图；
图11示出了根据第七实施例的冷却体上的电力电子模块和环状导体的平面布置的分解立体图；
图12示出了穿过图11中所示的布置的截面图；
图13示出了第八实施例的立体图，其中两个导体设计为连接两个相邻布置的电力电子模块的导体区段；
图14示出了多层构造方式下的电力电子构件的剖视图；以及
图15示出了与供电单元的冷却体和导体相关的图14中所示的电力电子构件的布置的剖视图。
在下面所描述的示例中，相同的附图标记表示相同的元件，其中视图未按真实比例示出。
具体实施方式
如其在说明书序言中所定义的，附图说明了用于原理上已知的电机的电力电子器件和冷却体的布置的不同变形方案。这种其基本原理例如从DE 10 2014 113 489 A1已知的电机包括定子。定子具有沿其圆周分布的槽，这些槽在定子的轴向方向上直线延伸。在每个槽中引入有导体区段20(图2、9、10和12)。至少一个极对的导体区段在第一侧在短路环中例如彼此短路。
每个导体区段20可以配有电力电子构件1，如下面将更详细描述的，该电力电子构件布置在基本上盘状的并且在此示例性地圆形设计的冷却体上，该冷却体在定子的与第一侧对置的第二侧上。由定子的该第二侧还连接到供电单元，该供电单元包括优选至少局部区段为环状的例如两个导体17、18，这两个导体与多个电力电子构件1电气连接。每个电力电子构件1被构造为模块并且包括至少一个半桥，这将在后面更详细地阐述。
图1示出了大面积覆盖定子的第二侧的盘状的冷却体10的俯视图。在此，术语“大面积”应理解为，由冷却体10占据的面积大致对应于定子在第二侧上的端面面积，在该端面面积上导体区段基本上直线地在轴向方向上被从槽中引出(图1中未示出)。在此，导体棒穿过未示出的端盖。
盘状冷却体10例如具有中央留空部13，其在下文中被称为内孔。多个电力电子模块1施加在冷却体的背离定子的第一侧11上。以模块形式设计的电力电子构件1的数量可以是1或者更多，其中该数量取决于导体区段的数量和待形成的相的数量以及末级的拓扑结构。在图1所示的实施例中，例如可以在盘状冷却体10的整个圆周上彼此相邻地布置六个电力电子构件1。为简单起见，仅示出了一个电力电子构件1，其中，它们的结构都是基本相同的。
电子构件1包括第一半导体开关2、第二半导体开关3、可选的驱动电路和可选的电子组件5，例如电容器。半导体开关尤其是功率半导体，例如IGBT、MOSFET、JFET等。取决于连接，电子构件1可以附加地包括未示出的二极管。例如，半导体开关2、3作为半桥连接。电容器5例如可以是半桥的中间电路电容器。
半导体开关2、3、可选的驱动电路4和电子组件5布置在印刷电路板6上，该印刷电路板由载板和导体轨道结构组成。为清楚起见，图1中未示出导体轨道结构。
电力电子构件1经由其印刷电路板6与冷却体10机械连接。经由在此所示的实施例中通过螺钉7进行的机械紧固，同时电气接触配属于电力电子构件1的导体区段20(参见图2)。导体区段20设计为单杆。尽管在图1和2中仅示出了单个导体区段20，但是电力电子构件1可以与多个导体区段20以下面所描述的构造方式机械连接并且电气连接。
螺钉7穿过印刷电路板6中的凹部9和冷却体10中的留空部15嵌接到套筒21中，该留空部15在轴向方向上同心地布置，该套筒21布置在留空部15中。为了与螺钉7机械连接，套筒21可以具有内螺纹22。经由套筒21实现了与导体区段20的电气连接，其中，套筒21与导体区段20之间的连接可以通过焊接、压力、螺纹连接或柔性导体等实现。
在未示出的变型中，导体区段20也可以具有带有内螺纹的螺纹孔，使得可以省掉附加的套筒21。在未示出的另外的变型中，导体区段20也可以突出穿过凹部9和留空部15，并且在其端部具有外螺纹。然后可以将螺母拧到该外螺纹上，该螺母负责构件1与导体区段20之间的机械连接。
为了将由螺钉头施加到印刷电路板6上的压力保持尽可能低，可以适宜地设置垫圈8和/或接触盘，该垫圈8和/或接触盘将由螺钉7的螺钉头施加的力大面积地分布在印刷电路板6上。
此外，从图2的示意图可以看出，冷却体10包括用于引导冷却流体，例如(去离子)水等的至少一个流体通道14。尽管流体通道14在所示的图示中在径向方向上延伸，但是流体通道14(或多个流体通道)也可以在轴向方向上或者曲折状地延伸。其组合也是可能的。未示出作为用于冷却流体的流入和流出的法兰。
图3以示意性剖视图示出了第二实施例。再次示出了冷却体10，在所示出的图示中，在冷却体的第一侧11上，电力电子构件1和1'分别施加到内孔13的两侧。在相应的电力电子构件1、1'之下，冷却体10设有相应的(例如在径向方向上延伸的)流体通道14。
在相应的印刷电路板6、6'的背离冷却体10的一侧上，已经提到的导体17和18作为环状的并且同心布置的金属表面示例性地被施加在内孔13附近。在外周方向上的径向方向上，可以分别看到半导体开关2、3和2'、3'。(未示出的)导体区段20的电气接触借助L形连接件23来实现，其中以23A、23A'标记的支脚例如通过螺纹连接建立与电力电子构件1、1'的导体轨道结构的接触。在转子的轴向方向上延伸的支脚23B、23B'(其垂直于冷却体10和部件1、1'的印刷电路板6、6'的表面延伸)用于与在此未示出的所配属的导体区段20电气接触。紧固可以通过焊接、螺纹连接或压力来实现。
环状导体17、18形成DC总线，其中，例如，导体17实现正的直流电压，导体18实现负的直流电压供应。
图4中所示出的设计示例与图3中的设计示例的不同之处在于仅导体17布置在印刷电路板6、6'上。冷却体10形成第二导体18并且实现负的直流电压供应。在该设计变形方案中，需要冷却体18经由电气绝缘材料与电力电子构件1、1'至少局部区段地分离。这例如可以通过印刷电路板6、6'的基板或单独实现的绝缘层来实现。
图3和4中所示出的实施例的共同点是，冷却体10的第一侧11与固定在其上的构件1、1'面向转子。相比之下，图5示出了稍微修改的设计变形方案，在该设计变形方案中，转子面向冷却体10的第二侧12。这意味着电力电子器件的组件，即电力电子构件1、1'背对转子。为了建立与导体区段20的电气连接，区段23B、23B'指向定子的方向，并且可选地(如图5中所示地)在冷却体的外周旁导引经过和/或导引穿过内孔13。替换地，区段23B、23B'也可以被引导通过狭缝或者牢固的留空部(未示出)。然后可以省去内孔13。这取决于对于直流电压供应所需的导体17、18布置在何处。由于这些导体在图5的实施例中同心地围绕内孔布置并且布置在内孔13附近，因此支脚23B、23B'在外周旁导引经过。然而，这也可以逆转。
图6示出了设计示例，在该设计示例中，导体17、18没有施加在相应的电力电子构件1、1'的载体上，而是直接施加在冷却体10上。为此，冷却体10要么可以由电气绝缘材料制成，要么可以在导体17、18之间并且在冷却体10中设置绝缘层。
在替代的未示出的设计方案中，导体17、18可以彼此绝缘地堆叠地布置。导体堆叠可以直接布置在冷却体10上或印刷电路板6上。
图7和8示出了实施例，在该实施例中，印刷电路板6是冷却体10的组成部分。为此，在根据图7的实施例中，已经提到的印刷电路板6的基板6A具有多个在一侧开口的冷却槽16。与此相对应，与印刷电路板6的基板6A螺纹连接的反位板24具有在一侧开口的对应数量的冷却槽26。仅示例性地，由此获得多个圆形的冷却通道。示例性地，基板6A和反位板25的连接借助多个螺钉25来实现。基板6A和反位板24的机械连接还可以以另外的方式，例如粘合、焊接、铆接、形状配合连接的元件等来实现。
除了基板6A之外，印刷电路板6包括绝缘层6B和施加到其上的导体轨道结构。在该实施例中，半导体开关2、3以及用于直流电压供应的两个导体17、18然后布置在导体轨道结构6C上。基板6A、绝缘体6B和导体轨道结构6C一起形成已经提到的印刷电路板6。
在图8中示出的实施例中，仅反位板24具有在一侧开口的冷却槽26。这些冷却槽在实施例中以矩形方式实施。同样地，仅基板6A还可以具有在一侧开口的冷却槽，而反位板24不包括冷却槽。
当然，冷却槽的横截面形状可以是任意的。同样地，在一个实施形式中可以设置冷却槽的不同横截面的任意组合。此外，可以在基板6A中仅局部区段地设置冷却槽，而在另外的区段区段处仅在反位板24中设置冷却槽。
图9示出了没有冷却体的分解立体图，在该立体图中，导体17、18布置在电力电子构件1之下。这从图10中的相关剖视图中可以最好地看到。以已经描述的方式，半导体开关2、3、可选的驱动器电路4和电子组件5(电容器)施加在电力电子构件的印刷电路板6上。在印刷电路板的对置侧上布置有两个导体17、18。仅示例性地，通过设置在导体17、18之间的螺纹连接(未示出)，实现了在构件1的印刷电路板6与冷却体10之间的连接。
为了能够尽可能大面积地形成导体17、18，这些导体可以在螺纹连接的区域中具有相应的留空部17A和18A(参见图9)。此外，如结合图2所描述的，实现了螺纹连接。导体区段20的接触仅示例性地经由已经描述的套筒21来实现，该套筒21能够实现螺纹连接。在此，套筒21从下方支撑在印刷电路板6上。导体区段20与套筒21之间的连接可以通过螺纹连接、焊接、压制、钎焊或压力来实现。
图11示出了设计示例，在该设计示例中，电力电子构件的组件布置在同心布置的环状的导体17、18之间，其中，导体17、18布置在印刷电路板6的导体轨道结构6C上(图12)。由此，导体17、18和电力电子构件1的电子组件大致位于垂直于定子的轴向方向延伸的平面中。电力电子构件，即其印刷电路板6与冷却体10以及布置在其后面的导体区段20之间的连接，如结合图1和图2所描述的那样进行。
图13示出了设计示例，在该设计示例中，导体17、18并未环状地设计，而是作为导体轨道区段从电力电子构件1导引至相邻的电力电子构件1'。由此，更大的面积可用于将电子组件施加到构件1、1'的印刷电路板6上。
图14示出了设计变形方案，在该设计变形方案中，半导体开关2、3和可选的驱动器电路4布置在多层的印刷电路板6的内部中。由此，可以在对置的两个表面上大面积地施加导体17、18、23。
在图15中所示出的设计示例中，在此，导体17和另外的导体19、例如交流电压导体被施加在板平面(Blattebene)中的下侧。在印刷电路板6的板平面中的上侧布置有导体18。在导体18上又布置有已经描述的冷却体10。
为了避免将振动从导体区段20传递到电力电子构件1，可以适宜地将导体区段20经由软线、导线或导体缆线与相应的接触部分(螺钉、套管、连接件)连接。
在另外的、附图中未示出的设计方案中，半导体开关2、3和可选的驱动器电路4可以在两侧设置有冷却体。
在另外的、附图中未示出的设计变形方案中，可以将具有电子组件(半导体开关2、3和可选的驱动电路4)的电力电子构件1预先施加到冷却体10上。
此外，所述变形方案的组合是可能的。
半导体开关尤其是功率半导体。在此，可以使用所有的晶体管变体，尤其是IGBT、MOSFET、JFET等。
附图标记列表
1 电力电子构件
2 半导体开关
3 半导体开关
4 驱动电路
5 电子组件
6 印刷电路板
6A 基板
6B 绝缘体
6C 导体面/导体轨道结构
7 螺钉
8 垫圈
9 钻孔/凹部
10 冷却体
11 冷却体的第一侧
12 冷却体的第二侧
13 留空部/内孔
14 流体通道
15 留空部
16 冷却槽
17 导体(DC母线)
17A 留空部
18 导体(DC母线)
18A 留空部
19 导体(AC)
20 导体区段
21 套筒
22 内螺纹
23 连接件(L形)
24 反位板
25 螺钉
26 冷却槽
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：定子的制造方法以及定子