电驱动机器的定子和用于制造这种定子的方法与流程

1.本发明涉及一种电驱动机器的定子以及一种用于制造这种定子的方法，该电驱动机器连同装入其中的定子尤其可以用于驱动混合动力车辆或电动车辆。


背景技术：

2.随着电动车辆数量的稳步增长，当今市场上时有高性能电动车辆出现，就其驾驶性能而言甚至超过了传统上由燃烧发动机驱动的最佳的跑车。在相应的敏捷、牵引性好和提供持久高性能的驱动中使用具有液体冷却装置的电动马达。借助于液体冷却装置可以有效地导出以热量形式在定子绕组上产生的功率损耗。为此，电动机器的壳体包含冷却通道系统，液态的冷却剂流经该冷却通道系统。在电动机器中产生的热量借助于热传导和对流导入到冷却剂中。在冷却剂冷却器中，所吸收的热量被释放到环境中，冷却剂由此再次冷却并在闭合回路中被再次输送至电动机器的壳体。
3.绕组头是多个电动机器中的功率限制构件，其中绕组头应被理解为绕组或扁线绕组的位于定子槽外部的那部分，因为这些绕组头是电动机器的在运行过程中达到最高容许或最高可承受温度的那部分。出于该原因，冷却系统的目的是使绕组头与冷却剂之间的热传递设计得尽可能好。因此，通常将绕组头用浇铸料浸透。此外还存在将绕组头直接用油冲刷的构思。该油取代了传统的冷却剂。在此必须确保油不会进入定子与转子之间的气隙，因为这然后会导致高摩擦损耗。为了实现这一点，在这些构思中经常借助由不可磁化的材料(例如纤维增强塑料)制成的套管来密封定子空间。然而，给定子空间铺设衬垫的缺点是定子与转子之间的“磁气隙”变大，这会降低电动机器的效率和最大可能的扭矩。这可以通过将套管实施为在壁厚较小的情况下具有高强度和高刚度来抵消。这方面的示例可以在文献de 10 2010 055 821 b4和de 10 2016 101 705 a1中找到。
4.为了更有效地导出损耗热量，从现有技术中已知具有直接绕组冷却装置的电动机器，在其中引导冷却介质直接通过绕组线所在的槽。因此，铜绕组完全被冷却介质绕流，从而提供了更大的表面用于热传递，并且可以更好地导出废热。
5.直接绕组冷却装置例如在德国专利申请de 10 2017 102 141中已知。在此，为了实施直接的绕组冷却，密封定子空间的构件被直接层压到定子中，就地压紧并在温度下硬化。通过力配合的以及部分地还有形状配合的(粘合)连接，所谓的衬管可以在运行期间承受定子空间中的高压。衬管和定子叠片组彼此不可分地相连接。由于采用层压的方式，可以使用相对便宜的材料并且实现衬管的较小的壁厚，例如使用玻璃纤维增强塑料(gfk)。替代于此，可以例如通过卷绕工艺制造自稳定的套管。套管与定子分开制造和硬化，并且可以在定子的制造过程中的任意时间点被轴向地推入该定子中。在此，套管形成与定子叠片组可分离的零件，并且例如可以在维修时取下，以及必要时可以进行更换。由于套管不与定子叠片组连接，因此它必须由更硬且更坚固的材料制成，以便能够在运行期间承受定子空间中冷却流体的外部压力。因此，在此可以使用例如碳纤维或zylon纤维。此外，套管的壁厚通常必须大于衬管的壁厚。为了稳定，套管必须局部加厚，尤其是在绕组头的下方加厚，在此处，
套管“暴露”并且受到冷却流体的压力，而没有通过定子叠片组的一部分来进行支撑。在此，稳定性的实施应使得转子仍可轴向地被引入到电动机器中。这意味着必须在一侧径向向内提供加厚部，而在另一侧径向向外提供加厚部。


技术实现要素：

6.鉴于上述现有技术，本发明的目的在于提供一种定子，在该定子中成本有效且可靠地为冷却流体提供穿过定子槽并因此环绕绕组导体或绕组线引导的流动空间，从而使冷却流体不能进入转子空间，从而因此也不能进入转子与定子之间的气隙。
7.该目的借助于本发明的方法和装置来实现。在优选实施方式中限定了另外的扩展方案。
8.根据本发明的制造方法和相应地能够借助该方法制造的定子基于如下方案，即，具有已经被设计成流体密封的槽绝缘件的定子被设置为：在端面处分别具有与该槽绝缘件和周围的定子壳体流体密封地连接的端板，该端板具有插入件用于提高承载能力或结构上的构件强度。
9.端板的轴向部负载冷却流体的液压，并且应相应地被实施成稳定的。然而，轴向部的最大可能壁厚受到周围构件的限制。因此，绕组头的内直径决定了轴向部的最大外直径，而转子的外直径决定了轴向部的最小内直径。因此，根据流过冷却通道的冷却流体的工作压力，轴向部的承载能力可能是关键的。为此，本发明提供了帮助并且尤其在如下情况下有利，即，当端板(无插入件)的材料的机械性能不足以制造在其轴向区域足够窄/薄的端板来使该端板能够在电动机器运行期间承受冷却流体的液压时。从不同的角度来看，根据本发明的方法能够针对端板实现成本有效、可易于加工的材料(例如短纤维增强塑料)的使用，因此可以由插入件补偿或“获取”所需的构件强度。
10.根据本发明，提供一种用于制造定子的方法。该方法包括：提供该定子的基体，该基体具有用于容纳转子的空腔和轴向穿过该基体延伸的以容纳绕组的多个槽。优选地，基体可以具有叠片组。根据本发明制造的定子可以是具有定子绕组直接冷却装置的定子。
11.该方法还包括：提供槽绝缘件，使得每个槽内部空间都被设计成相对于基体电绝缘且流体密封。槽绝缘件可以在每个槽中被设计成一体式、流体密封并且由不导电且优选不导磁的具有高介电强度的材料制成的。为此，通常可以使用塑料，例如非流体密封的nomex-kapton-nomex(nkn)，或是既流体密封又电绝缘的聚醚醚酮聚合物(peek)。槽绝缘件通常可以被直接注射或者被单独制造以及推入/插入槽中。
12.该方法还包括：在基体的两个端面的每一个端面上分别形成端板，其中这些端板被流体密封地安装在该基体上，使得没有流体能够从该端板与该基体之间到达该基体的或该定子的空腔。此外，这些端板具有径向部分(径向部)和轴向部分(轴向部)，其中该轴向部分具有插入件。插入件是结构增强的插入件，相对于由端板的径向部分的材料制成的情况，该插入件赋予端板的轴向部分更高的构件强度。插入件可以在端板的轴向部分的整个轴向延伸尺寸上或在其一部分上延伸。例如，插入件可以是结构稳定的空心圆柱体，尤其是与由端板的材料制成的相同的空心圆柱体相比结构更稳定的空心圆柱体，该插入件构成端板的轴向部分的一部分或与该轴向部分相对应。因此，插入件可以被视为加强端板的轴向部分的“约束结构(korsett)”。
13.在根据本发明的方法的范围内，端板的形成既可以理解为在(例如通过注塑成型)由一种材料基本制造端板的意义上的实际的形成，也可以理解为在将已经预制的端板或端板部分紧固或安装到定子上的意义上的形成。在后一种情况下，轴向部分和径向部分可以彼此分离地被紧固或安装到基体上。例如端板的轴向部分可以是单独的构件，并且可以稍后被流体密封地安装到端板的径向部分上，该径向部分首先被流体密封地固定到基体上。
14.端板被流体密封地安装在基体上，使得没有流体能够径向地到达端板与基体之间并由此到达定子与插入到该定子中的转子之间的气隙。由于定子绕组的电导体抵靠端板，因此端板也由电绝缘体制成，例如塑料(可能是纤维增强塑料)。端板具有轴向区域和径向区域或者轴向部分和径向部分，其中轴向部分沿定子的纵向轴线(但平行偏移)延伸，而径向部分相应地垂直于该纵向轴线延伸。因此，端板的轴向部分在几何上可以基本上是空心圆柱体，其开口与定子空间的开口平行地布置。端板的径向部分在几何上可以基本上是具有同心开口的圆盘，该开口与定子空间的开口平行地布置。槽绝缘件在基体的端面上与相应的端板、尤其与其径向部分流体密封地相连接。如果这些构件具有热塑性塑料，则可以通过焊接和/或粘合来进行连接。此外，可以在制造过程中将端板“注射模制”到槽绝缘件上，即通过注塑成型模制到槽绝缘件上。
15.端板的轴向部分通过密封件相对于定子壳体密封。该密封件可以径向和/或轴向地抵靠端板和定子壳体。将端板轴向流体密封地安装在叠片组上例如可以通过将其注射模制到基体的端面上、通过单独制造和(在环状局部上或在整个表面上，例如使用环形粘合垫)粘合或者通过单独制造并结合传统密封件(o形环、密封垫等)来实现。
16.由于槽绝缘件被实施为流体密封的并且被流体密封地安装到端板上，因此在绕组头的区域中以及在槽的内部产生了流动空间，该流动空间相对于转子空间流体密封。不导电的流体流过该流动空间以导出在绕组上产生的损耗热量。流动区域在绕组头区域中受到壳体和端板的限制。在槽的区域中，流动区域受到槽绝缘件的限制。绕组因此可以几乎完全被冷却流体环流并且由此被理想地冷却。
17.在另外的步骤中，根据本发明的方法可以包括：将导体(例如铜导体)装入到基体的槽中。然后将这些导体根据所需的接线图相互电接触并形成定子绕组。
18.需要指出的是，除了端板的轴向部分具有插入件这一特征之外，根据本发明的方法可以在德国专利申请de 10 2017 102 141 a1中实施。
19.按照根据本发明的方法的另外的实施方式，形成端板的步骤可以包括：通过用端板的材料将材料纤维至少部分地注射包封来制造端板，其中被注射包封的材料纤维形成插入件；以及分别将端板流体密封地安装到基体的两个端面的每一个端面上。插入件在此可以具有纯纤维，例如玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维等。在注射包封的同时这些纤维也被浸渍。
20.按照根据本发明的方法的另外的实施方式，形成端板的步骤可以包括：通过用端板的材料对插入件进行注射包封来制造端板，其中插入件具有纤维增强的塑料复合部分；以及分别将端板流体密封地安装到基体的两个端面的每一个端面上。插入件在此可以作为单独制造的部件存在并且例如可以具有纤维增强的塑料复合部分。用端板材料对插入件进行的注射包封可以包括部分注射包封(例如注射模制)或完全注射包封。此外，对插入件进行的至少部分的注射包封可以直接在定子上进行，由此，端板的整体或至少其轴向部分同
时被注射到基体上。
21.按照根据本发明的方法的另外的实施方式，插入件的表面可以对应于端板的表面。换言之，插入件不必完全被端板材料注射包封，而是也可以在对应的定子或端板的制造过程中被注射模制，从而使该插入件的表面之一至少部分地暴露。在一个实施例中，插入件可以位于径向内部，即其可以形成端板的朝向定子内部空间的表面。当插入件可以被实施为在内侧带有非常好的表面或者具有这样的表面时，这尤其可以是有利的。在另一个实施例中，插入件可以位于径向外部，即其可以形成端板的背离定子内部空间的表面，或者换言之，可以形成端板的朝向位于绕组头的区域中的冷却通道部分的表面。当插入件的表面质量较差时，这尤其可以是有利的。通过选择这些实施例中的一个实施例，可以确保径向密封面具有较高的表面质量并且可以可靠地确保密封效果。根据定子的具体设计方案，一个或另一个实施方案可能是有利的。表面质量的好坏可能意味着其在前述用于将端板安装到槽绝缘件和/或基体上的方法之一方面的适用性。
22.此外，可以巧妙地利用所涉及材料(即端板的材料和插入件的材料)的特性。重要的是插入件和端板材料在运行过程中不会相互脱离。例如，如果在制造过程中温度很高并且插入件的热膨胀率高于端板材料，则插入件可以在径向外部抵靠端板的轴向部，因为该插入件会始终“收缩”到端板材料上或向端板材料拱起。相反，如果插入件位于径向内部并且在制造过程中存在高温，则插入件的热膨胀率优选地可以相应地低于端板材料的热膨胀率。
23.根据该方法的另外的实施方式，形成端板的步骤可以包括：将端板的径向部分流体密封地安装到基体的相应端面上；以及将插入件流体密封地安装到该端板的径向部分上。在该实施方式中，插入件对应于端板的轴向部并且是被单独制造的。为此，例如可以将浸渍过塑料树脂的纤维缠绕在芯轴上并使其硬化。在根据已经描述的方法之一将端板的径向部流体密封地安装到基体的端面上之后，可以接着将单独制造的插入件流体密封地与该端板的径向部相连接，例如通过粘合或焊接。在另外的实施例中，可以附加地在端板的径向部中形成径向环绕的接缝，将插入件的末端之一插入该接缝中，并且可以在该位置对其进行粘合或焊接，由此可以在将插入件安装到径向部上时为其提供还更多的支撑。
24.根据本发明，还提供一种电驱动机器的定子，该定子尤其可以通过前述根据本发明的方法来制造。因此，下面描述的根据本发明的定子可以具有结合根据本发明的制造方法所描述的所有结构空间特征或与该制造方法的功能特征相对应的结构空间特征，并且反之亦然。
25.根据本发明的定子具有优选与定子叠片组相对应的基体，该基体具有用于容纳转子的空腔和轴向穿过该基体延伸的以容纳绕组的多个槽，这些槽的内部空间被形成为相对于该基体电绝缘且流体密封。定子的各个端面上分别形成有端板，该端板被流体密封地安装在基体上，使得没有流体能够进入该端板与该基体之间而到达该基体的空腔。端板具有径向部分和轴向部分，并且如先前已经描述的，该轴向部分具有插入件。
26.根据定子的另外的实施方式，插入件可以具有由端板的材料注射包封的材料纤维。在此，材料纤维同时由插入件的材料浸透。
27.根据定子的另外的实施方式，插入件可以具有纤维增强的塑料复合部分。在这种情况下，插入件可以具有薄的空心圆柱体的形状并且可以完全被嵌入端板的轴向部分中，
例如被注射包封或可以仅部分被注射包封。插入件一般可以仅被布置或安装在端板的轴向部上或该轴向部中，或者也可以伸入到径向部中。后一种情况发生在插入件伸入到端板的如下区域中，即该区域由端板的径向部的两个表面在径向外部区域中(即朝向定子的外侧)到径向内部区域中(即朝向定子的内部空间)的延伸来限定。考虑到材料的几何尺寸和热膨胀系数，可以根据具体情况来调整对插入件的布置方式的选择，以列举两个可能的确定参数的示例。
28.根据定子的另外的实施方式，插入件的表面可以对应于端板的表面。换言之，因为插入件没有完全被端板的材料包裹，因此插入件的表面露出。在此，插入件可以在径向外部或者径向内部抵靠端板的轴向部。
29.根据定子的另外的实施方式，插入件可以对应于端板的轴向部分。换言之，插入件可以构成端板的轴向部，并且一方面可以流体密封地与基体相连接，另一方面可以与端板的径向部相连接。
30.根据各种实施方式，根据本发明的定子设置有高性能的直接冷却系统，该冷却系统包括多个冷却通道，其中各个冷却通道穿过定子的槽延伸并且具有分别布置在绕组头的区域中的流体入口和流体出口。因此，根据本发明的定子可以用于制造具有绕组直接冷却装置的电动机器。冷却流体被准确地引导到产生关键损耗的位置。此外，可以使用成本有效的材料和制造方法。制造成本大大低于具有衬管或密封管的直接冷却装置变体的成本。根据本发明的定子在制造和运行过程中都提供高鲁棒性。还应该强调的是，任何叠装方法都可以用于叠装定子叠片组，因为定子叠片组本身不必很紧密，也不必在其轴向长度上承载任何构件。叠片组例如可以焊接或冲压叠装而成。这些方法比例如借助于烤漆(backlack)的叠装更具成本效益。根据本发明的定子可以在气隙中具有或不具有额外的密封件的情况下实现。选择在气隙中的额外的密封件来提供额外的安全性，即没有流体可以到达转子空间并因此到达气隙。在气隙中没有额外密封件的实施方式中，在气隙中没有任何构件。因此可以将气隙选择得非常小，从而促使提高机器的性能和效率。
31.在根据本发明的制造方法的范围内和在根据本发明的定子中，承载能力的显著提高通过更高的鲁棒性和与之相关联的更低的电动机器故障风险、以及通过在冷却流体系统中使用更高压力的可能性来实现。由此使得在所使用的尤其可以具有更高粘度的冷却流体方面具有更大的灵活性。此外，可以增加体积流量并由此提高导出的热量。此外，可以在密封区域获得非常好的表面。这是必要且有益的，以便能够可靠地装配密封件并且能够可靠地确保电动机器在所有运行区域以及在其使用寿命内的密封性。
32.不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，以上提到的这些特征以及仍将在以下说明的特征不仅能够在相应给出的组合中使用，而且还可以在其他组合中或者单独地使用。
附图说明
33.本发明的其他优点和设计方案自说明书和附图的整体中得出。
34.图1示出了根据本发明的定子的一部分的立体视图，该定子具有已被推入的槽绝缘件。
35.图2示出了根据本发明的定子的一部分的立体视图，该定子具有已被推入的槽绝
缘件和端板。
36.图3示出了根据本发明的定子的一部分的立体视图，该定子具有已被推入的槽绝缘件、端板以及定子绕组的被引入到槽中的电导体。
37.图4a示出了根据本发明的定子的一部分的沿其纵向轴线的截面视图。
38.图4b示出了根据本发明的定子的、图4a所示的一部分的垂直于其纵向轴线在径向截面b-b中的截面视图。
39.图4c示出了根据本发明的定子的、图4a所示的一部分的垂直于其纵向轴线在径向截面c-c中的截面视图。
40.图5示出了根据本发明的定子的端面的一个实施例的截面视图。
41.图6示出了根据本发明的定子的端面的另一实施例的截面视图。
42.图7示出了根据本发明的定子的端面的另一实施例的截面视图。
具体实施方式
43.在图1至图3中示出了根据本发明的定子的一部分的立体视图。不同的视图展示了根据本发明的制造方法的不同阶段。在图1所示的定子状态之前的第一步骤中，提供定子的基体1，其中基体1具有用于容纳转子的空腔和轴向穿过基体1延伸的以容纳绕组的多个槽2。在下一步骤中，根据本发明的方法包括：提供槽绝缘件3，使得每个槽内部空间都被设计成相对于基体1电绝缘且流体密封。在根据本发明的制造方法的这个阶段中的定子状态在图1中展示。槽绝缘件3可以被注射到定子槽2中或作为成品套管插入到该定子槽中。
44.在根据本发明的方法的如图2所示的下一步骤中，将端板4分别布置在基体1的两个端面的每一个端面上，其中各个端板4被流体密封地安装在基体1上，使得没有流体可以进入端板4与基体1之间而到达定子的空腔。在此，端板4具有径向部分5和轴向部分6，其中轴向部分6具有插入件8。如图2所示，径向部分5在基体1的端面上平面式地在垂直于基体1的轴向延伸尺寸或纵向轴线的平面中延伸。轴向部分6在整个周向上平面式地平行于基体1的轴向延伸尺寸或纵向轴线延伸。插入件8以虚线示出，因为其在所示的示例中完全地嵌入端板4的轴向部分6内部。定子的图2所示的状态可以例如通过将插入件8抵靠基体1的端面并用端板4的材料注射包封来实现。与此同时，使端板4贴靠注射模制到基体1的端面，并将槽绝缘件3与端板4流体密封地连接(例如焊接或粘合)。替代性地，可以将插入件8插入端板4的轴向部6中并且由端板4的材料进行注射包封。然后，将单独制造的端板4流体密封地安装到基体1的端面并与槽绝缘件3流体密封地连接。
45.最后，图3展示了根据本发明的制造方法的可选步骤，其中将绕组的电导体7插入到了槽2中，由此可以制造电动机器的绕组，在所示的示例中，这些电导体是所谓的插接线圈(发夹式线圈)的铜导体。
46.图4a示出了示例性的根据本发明的定子的一部分沿其纵向轴线l的截面视图。与之相对应，在图4b、图4c中示出了根据本发明的定子的图4a所示的一部分的垂直于图4a所示的视图、在径向截面b-b或c-c中(二者均在图4a中标出)的截面视图。
47.为了提供对绕组的直接冷却，在定子中围绕电导体7形成流动空间，该流动空间包括第一室10a、第二室10b和相应的槽2的位于这二者之间的没有被电导体7占据的内部空间。后者对应于槽2内部的电导体7之间的中间空间，这些中间空间在图4b和图4c中可以特
别清楚地被看到。在此，第一室10a和第二室10b分别包围绕组的绕组头14。在以根据本发明的定子为基础构造的电动机器的运行中由泵提供的可能的流体流动由箭头11指示，其中流动方向自然是任意选择的。流动空间被设计为相对于空腔12或用于容纳转子的转子空间(图中未示出)流体密封，从而使冷却流体不能到达转子空间并因此不能到达转子与定子之间的气隙。
48.分别具有径向部分5和轴向部分6的端板被流体密封地安装在定子的基体1上(例如通过焊接、粘合或注射模制端板4的材料)，从而使流体不能径向地到达端板4与基体1之间，因此也不能到达对应于图4a中的空腔12的最上部的气隙。通过密封件9使端板4的轴向部分6相对于定子的壳体13密封。在所示的示例中，密封件径向地抵靠端板4，尤其抵靠其轴向部分6和壳体13。附加地或替代性地，密封件9通常可以轴向地抵靠端板和壳体13。
49.在根据本发明的定子的图4a所示的实施例中，端板4的轴向部分6具有插入件8以提高该端板的结构强度。插入件8被注射到端板4的轴向部分6中。如已经描述的，插入件8可以具有纯纤维(玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维等)，这些纤维是在注射包封过程中用端板4的材料浸渍过的。替代性地，插入件8可以具有纤维增强的塑料复合部分，其由端板材料来注射包封。在图4a所示的实施例中，插入件8(优选地在整个周向上)仅位于端板4的轴向部分6中。
50.图5至图7示出了根据本发明的定子的端面的另外的实施例的截面视图。因为图5至图7中的视图基本上作为局部视图包含在图4a中，所以相同的元件设有相同的附图标记并且不再重复作详细描述。
51.图5和图6所示的根据本发明的定子与图4a所示的定子的不同之处在于，一方面插入件8伸入直至端板4的径向部分5中。为了完整起见，应指出的是，图4a所示的实施例中的插入件8也可以类似地延伸到端板4的径向部分5中。此外，在图5和图6中，插入件8没有完全被端板材料注射包封，而只是“注射模制”。其结果是，插入件8的表面对应于端板4的表面，更准确地说是对应于端板4的轴向部分6的表面。在图5中，插入件8在径向内部地布置在轴向部分6上，而在图6中示出了相反的情况，其中插入件8在径向外部地布置在端板4的轴向部分6上。术语“径向外部”和“径向内部”指的是相对于定子或转子空间12的纵向轴线l的径向位置。
52.图7示出了根据本发明的定子的端面的另一实施例的截面视图。在此，端板4的轴向部分6对应于插入件8，因此轴向部分6不具有端板4的任何材料。为此，可以单独制造插入件8，并且以已经描述的方式之一将其流体密封地与预先安装到基体1的端面上的、端板4的径向部分5相连接(例如通过粘合或焊接)。