CN102017372A - 用于弯曲电机导体的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扭转设备(40)以及弯曲位于电机的部件(14)中的导体(12)的相关方法。所述扭转设备(40)包括至少一个导体耦合器(20，22，24，26，28)，所述至少一个导体耦合器(20，22，24，26，28)被配置成将多个导体(12)与可操作地连接到所述导体耦合器(20)的至少一个驱动器啮合。所述至少一个驱动器(70)被配置成旋转所述导体耦合器(20)以弯曲所述多个导体(12)并且同时相对于电机部件(14)沿轴向方向移动所述导体耦合器(20)。所述相关方法包括首先将多个导体(12)与导体耦合器(20)啮合。之后通过在相对于所述电机的所述部件(14)沿轴向方向移动所述导体耦合器(20)的同时旋转所述导体耦合器(20)来弯曲所述多个导体(12)。

Description

用于弯曲电机导体的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2008年4月7日提交的美国临时专利申请No.61/123,227的权益，这里以引用的方式结合该申请的内容。

技术领域

本申请涉及电机领域，并且尤其涉及具有弯曲的导体绕组的电机。

背景技术

电机是传统内燃机汽车的重要部件。例如，电机通常用作启动马达以曲柄转动汽车发动机。其它电机用作根据发动机运动生成电力并且向汽车负载传送功率的交流发电机。电机在现代混合动力车(HEV)中也很重要，用作HEV电气驱动系统中的核心部件。

许多HEV中的电机包括层叠的定子叠层，其具有插入到定子凹槽中的多个矩形绕组。为了将绕组插入到定子凹槽中，利用具有矩形截面的U形分段导体(这里也被称为“簪形物”或者“U形条”)。通过将矩形导体切割为许多段，并且每一个段具有一定的长度来生成这些簪形物。然后将导线的直段弯曲并且扭转为具有用于电机的正确跨度的U形导体(或者“簪形物”导体)。接下来，将U形导体从定子的插入端插入到定子铁芯的凹槽中。在将U形导体插入到凹槽中以后，簪形物导体的腿部在导体的多个径向行中从定子的连接端延伸。然后在导体之间进行连接之前将这些腿部端(leg end)弯曲到适当位置。图7示出了对于示例性的定子铁芯14设置在导体的外部行中的多个弯曲导体12。在授予给Cai等人的美国专利No.7,034,428中公开了示例性的四层导体结构，这里以引用的方式结合该专利的内容。

U形导体的腿部端的精确弯曲(这里也被称为“扭转”)有助于导体之间的正确连接。然而，很难将导体端弯曲到正确连接所需的精确量。具体而言，在定子的端部处导体之间存在很小的空间，并且这仅能够接入导体且很难进行与导体弯曲所需的任何相关联的移动。而且，金属导体是有弹性的并且在被弯曲后倾向于一定程度上朝着其原始位置反弹回。这使得难于精确弯曲到期望程度或者期望位置。而且，在弯曲导体时，导体的高度轮廓会改变。具体而言，所需的弯曲程度越大，弯曲导体的最终高度轮廓就越低。利用当前的弯曲机器，旋转和高度定位不是独立的。在弯曲期间不能够适于导体的改变高度会导致不正确的弯曲。

考虑到上面这些，提供一种用于以更加精确的方式来扭转定子绕组的方法和设备是有利的。如果能够快速并且相对容易地进行这样的扭转也将是有利的。如果在使系统在该扭转过程期间适于适应导体的旋转偏移和高度改变的同时能够实现这样的扭转也将是有利的。

发明内容

在至少一个实施例中，一种弯曲位于电机的部件中的导体的方法包括首先将多个导体与导体耦合器啮合。之后，通过在相对于所述电机的所述部件沿轴向方向移动所述导体耦合器的同时旋转所述导体耦合器来弯曲所述多个导体。

在至少一个实施例中，所述弯曲所述导体耦合器的步骤包括在朝向所述电机的所述部件沿轴向方向移动所述导体耦合器的同时沿第一旋转方向旋转所述导体耦合器并且然后沿与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向旋转所述导体耦合器以将所述多个导体弯曲到期望位置。

所述导体耦合器可以是第一导体耦合器，第二导体耦合器与第一导体耦合器同轴。所述第二导体耦合器啮合通过沿与第一导体耦合器的所述旋转方向相反的方向旋转所述第二导体耦合器弯曲的第二多个导体。在所述第二导体耦合器的所述旋转的同时，相对于所述电机的所述部件沿所述轴向方向移动所述第二导体耦合器。可以使用伺服电机沿所述旋转方向以及所述轴向方向驱动所述第一和第二导体耦合器。

在至少一个实施例中，将四层导体设置在所述电机部件中。使单独和独立的导体耦合器与所述四层导体中的每一层接触。使用所述导体耦合器精确地扭转/弯曲所述导体。使用伺服电机来驱动和控制每一个所述导体耦合器的位置。使用伺服电机控制独立控制定子的每一个导体层的旋转和高度。因此，所述机器使用八个轴来定位四层导体：四个轴用于旋转定位，并且四个轴用于高度定位。

通过参考下面的详细描述以及附图，上述的特征和优点以及其它对于本领域的普通技术人员来说将变得更加显而易见。尽管期望提供对于浏览本公开的技术人员来说很明显的提供这些和其它有利特征中的一个或者多个的方法和设备，但是这里公开的教导延伸到落入任何所附权利要求范围内的那些实施例，而与这样的实施例是否实现上述优点中的一个或者多个无关。

附图说明

图1示出了包括扭转部分和连接结构的导体扭转设备的简图；

图2示出了图1的连接结构的多个连接圆筒的透视图；

图3A示出了被装配以形成所述连接结构的图2的连接圆筒；

图3B示出了装配的连接结构沿图3A的线B-B的截面图；

图4示出了图2的连接圆筒中的一个中与所述连接圆筒的凹槽边缘相对的齿状边缘的一部分的侧视图；

图5示出了图1的导体扭转设备没有所述导体耦合器的透视图；

图6A示出了图5的导体扭转设备的顶部剖视图；

图6B示出了图6A的导体扭转设备的扭转滚筒(barrel)沿着所述扭转滚筒的轴的正视图；以及

图7示出了从定子的连接端延伸的一组弯曲导体的近视图。

具体实施方式

参考图1，示出了啮合定子14和定子导体12的导体扭转设备40的简图。扭转设备40包括配置成关于轴41旋转的扭转部分44。扭转设备44沿着齿状互锁37可释放地啮合连接结构20。连接结构20啮合从定子铁芯14延伸的导体12。使用定子夹具42将定子铁芯14保持在扭转设备40上的静止位置中。扭转设备44围绕轴41的旋转导致导体耦合器20以及啮合的导体12的旋转。

参考图2，示出了与这里公开的电机扭转设备一起使用的示例性未装配的连接结构20。连接结构20包括圆筒22、24、26和28形式的多个单独导体耦合器。按照同心方式装配每一个圆筒22、24、26、28以形成连接结构20。每一个圆筒包括设置在位于一端上的凹槽边缘30与位于相对端上的齿状边缘34(参见图3B)之间的伸长的中心体。

图3A示出了在被同心装配以形成连接结构20时每一个圆筒22、24、26、28的凹槽边缘30的端视图。每一个凹槽边缘30包括在边缘30中设置为孔或者洞的多个凹槽32。设计凹槽32及其尺寸以容纳设置在定子铁芯14中的导体12的端部。因而，导体的腿部端沿与圆筒的中心轴平行的方向向下适配到设置在边缘30上的凹槽32中。通常配置凹槽32以与导体的截面形状匹配。然而，凹槽32略微大于导体端，因而允许导体被容易地插入到凹槽中。

图3B示出了形成连接结构20的装配的圆筒22、24、26、28的截面图。如图3B所示，圆筒22、24、26、28按照同心方式围绕轴41嵌套以形成连接结构20。每一个圆筒22、24、26、28包括与凹槽边缘30相对的齿状边缘34。每一个圆筒22、24、26、28的凹槽边缘30通常比齿状边缘34更加靠近一起。然而，应该意识到，每一个圆筒22、24、26和28与连接结构20的其它圆筒独立。因此，每一个圆筒22、24、26和28能够围绕轴41独立旋转并且沿着轴41进行独立的线性移动，而不会导致连接结构20的其它圆筒的移动。

图4示出了圆筒22、24、26或者28中的一个的齿状边缘的一部分的侧视图。齿状边缘34设置在圆筒中与凹槽边缘30相对的端部上。齿状边缘34包括围绕圆筒的端部的多个齿36。在每一个齿36之间设置有凹陷38。

现在参考图5，示出了导体扭转设备40的透视图，不包括设置于设备40中的连接结构20。导体扭转设备40包括定子夹具部分42和导体扭转部分44，在该定子夹具部分42和导体扭转部分44之间设置有加工区域48。定子(图5中未示出)位于夹具部分42的台架区域(staging area)46中，定子的导体端朝向扭转部分44延伸。配置夹具部分42以在定子中的导体12被扭转时保持定子铁芯14静止。因而，在使用导体扭转设备40弯曲定子的导体12时，台架区域46和夹具部分42为定子铁芯14提供支座。定子驱动结构43用于朝向或者远离扭转设备40的加工区域48沿线性方向移动夹具42和定子。

尽管图5中未示出，但是应该意识到，配置连接结构20以插入到扭转设备40的加工区域48中，其中连接结构的齿状边缘34(参见图4)面对扭转部分44并且连接结构的凹槽边缘30面对夹具部分42。然后将从定子延伸的导体端插入到位于连接结构30上的凹槽32中，每一层导体插入到同轴圆筒22、24、26、28中的不同一个中(参见图3)。因而，圆筒22、24、26、28中的一个的旋转导致导体在相关联的层中的扭转。

在连接结构中定子的相对端处，齿状边缘34可释放地啮合扭转设备40的扭转部分44。参考图5、6A和6B，扭转部分44包括轭50和多个同心扭转滚筒52、54、56、58(最好参见图6A和6B)。每一个同心扭转滚筒52、54、56或者58关于另一个扭转滚筒可独立旋转(即，沿着旋转或者“圆周”方向，如箭头81所标注)。而且，每一个同心扭转滚筒52、54、56或者58朝向或者远离夹具部分42沿轴向方向可移动(即，如箭头71所标注的“线性”方向)。配置位于同心扭转滚筒的端部上的齿状部分以啮合位于连接结构上的齿状边缘34，在同心扭转滚筒52、54、56、58和同心圆筒22、24、26、28之间形成齿状互锁37。在旋转扭转滚筒或者朝向台架区域46沿旋转方向或者线性方向移动扭转滚筒时，该齿状互锁将圆筒22、24、26、28加固到扭转滚筒52、54、56、58。然而，在远离台架区域46沿线性方向移动扭转滚筒时，圆筒22、24、26、28可以从扭转滚筒52、54、56、58释放。

将同心扭转滚筒52、54、56、58可操作地安装在框架48内。此外，将总共八个伺服电机安装到框架80。八个伺服电机包括第一组60的四个伺服电机62、64、66和68以及第二组70的四个伺服电机72、74、76和78。配置第一组60的伺服电机以提供对于扭转滚筒52、54、56和58的旋转调节。配置第二组70的伺服电机以提供对于扭转滚筒52、54、56和58的线性调节。

最好参见图6A，将伺服电机的第二组70连接到从伺服电机延伸到扭转滚筒的臂73、75、77和79。在伺服电机的第二组70操作时，臂73、75、77和79移动并且导致扭转滚筒52、54、56和58也沿横向方向(即，由图6中的箭头71标注的线性方向)移动。因此，伺服电机的第二组70用于控制扭转滚筒52、54、56和58的线性移动。

伺服电机的第一组60也通过臂连接到扭转滚筒52、54、56和58。这些臂通过连接到框架80的扭转滚筒安装圆筒90、92中的开口82、84、86、88到达扭转滚筒。通过开口82、84、86、88延伸的臂最好参见图5，但是图5中仅示出了两个臂63和67。臂63通过开口82延伸并且臂67通过开口86延伸。在伺服电机的第一组60操作时，臂63和67移动，导致可枢转地连接到臂的扭转滚筒52、54、56和58的旋转。因此，伺服电机的第一组60用于控制扭转滚筒的旋转移动。

在操作中，定子铁芯14安装在扭转设备40上的静止位置中，定子的导体插入到连接结构20的凹槽中。在扭转滚筒52、54、56和58通过伺服电机的第一组60围绕该扭转滚筒的轴沿圆周方向81旋转时，导体被扭转。在至少一个实施例中，在交替的层中，导体沿相反方向扭转。因而，通过伺服电机沿一个方向旋转扭转滚筒52和54，而沿相反方向旋转扭转滚筒54和56。

在任意扭转滚筒52、54、56、58旋转时，其也通过位于伺服电机的第二组70中的电机朝向定子铁芯14沿线性方向71移动。这也导致相关联的圆筒22、24、26、28的线性运动。该线性运动用于说明在导体端在定子中被扭转时该导体端的高度降低的原因。通过移动扭转滚筒52、54、56、58(以及相关联的圆筒22、24、26、28)，设备40确保了在扭转过程期间导体端充分位于圆筒22、24、26、28的凹槽32中。换句话说，随着导体12通过圆筒22、24、26、28旋转，导体倾向于离开该圆筒。然而，由于在圆筒旋转时，圆筒22、24、26、28也朝向定子铁芯14沿线性方向移动，不允许导体12逃离圆筒中的凹槽32。因而，扭转滚筒52、54、56、58以及相关联的圆筒22、24、26、28的旋转和线性移动的双重作用有助于确保导体12通过扭转设备40被正确扭转。

通过使用伺服电机执行扭转运动，可以使用扭转设备40更加精确地扭转导体。具体而言，可以操作伺服电机以向导体提供过扭转的量(即，超过期望量的旋转)。在过扭转之后，使用伺服电机向导体提供反向扭转的轻微量。该反向扭转使导体返回到其用于连接的期望扭转位置。该过扭转和返回(或者反向扭转)的过程降低了导体朝向其原始位置反弹并且离开正确的连接位置的倾向。

除了前面描述，应该意识到，在扭转过程期间，可以利用伺服电机提供与扭转滚筒53、54、56、58以及相关联的圆筒22、24、26、28的位置相关的反馈信息。具体而言，伺服电机在每一个伺服电机的后部上设置有旋转编码器。通过使用原位置开关，使移动扭转设备40的扭转滚筒52、54、56、58的线性致动器的位置与编码器同步。然后可以使用该与相关联的扭转滚筒的位置相关的信息来确定伺服电机应该被驱动的程度以实现扭转滚筒移动的期望量。具体而言，可以将伺服电机连接到使用该反馈信息将每一个伺服电机驱动精确量的微处理器以实现相关联的扭转滚筒的旋转或者线性移动的精确量。还应该意识到，也可以按照其它方式提供反馈信息。例如，可以使用光学传感器来确定一个或者多个扭转滚筒52、54、56、58或者圆筒22、24、26或者28的旋转或线性移动的程度。在这种情况下，可以驱动电机或者其它致动器，直到光学传感器表明所述扭转滚筒或者圆筒已经移动了期望量。

尽管已经相对于某些优选实施例描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应该意识到，其它实现和修改是可能的。例如，尽管这里公开的实施例涉及定子绕组，但是这里公开的机器和方法也能够用于扭转其它绕组，例如转子绕组。作为另一示例，尽管描述了当前扭转设备具有四个扭转滚筒和四个相关联的圆筒，但是，取决于要扭转的导体层的数量，可以利用更少或者更多的扭转滚筒或圆筒。而且，对于这里描述的不结合上述其它方面获得的单独改进存在优点。因此，任何权利要求的精神和范围不应该局限于这里包含的优选实施例的描述。

Claims (19)

1.一种弯曲位于电机的部件中的导体的方法，所述方法包括：

a)将多个导体与导体耦合器啮合；以及

b)在相对于所述电机的所述部件沿轴向方向移动所述导体耦合器的同时，通过旋转所述导体耦合器来弯曲所述多个导体。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述导体耦合器是啮合第一多个导体的第一导体耦合器，所述方法还包括步骤：

c)将第二多个导体与第二导体耦合器啮合，以及

d)在相对于所述电机的所述部件沿所述轴向方向移动所述第二导体耦合器的同时，通过沿与所述第一导体耦合器的所述旋转方向相反的方向旋转所述第二导体耦合器来弯曲所述第二多个导体。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述第一导体耦合器包括第一圆筒并且所述第二导体耦合器包括第二圆筒，所述第二圆筒同轴地位于所述第一圆筒内。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述弯曲的步骤包括(i)在朝向所述电机的所述部件沿轴向方向移动所述导体耦合器的同时，沿第一旋转方向旋转所述导体耦合器，并且然后(ii)沿与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向旋转所述导体耦合器以将所述多个导体弯曲到期望位置。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述旋转所述导体耦合器的步骤包括使用伺服电机驱动所述导体耦合器。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述沿轴向方向移动所述导体耦合器的步骤包括使用伺服电机驱动所述导体耦合器。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述将所述多个导体与所述导体耦合器啮合的步骤包括将所述多个导体插入到所述导体耦合器中的多个凹槽中。

8.一种配置成弯曲位于电机部件中的导体的装置，所述装置包括：

配置成啮合多个导体的导体耦合器；以及

可操作地连接到所述导体耦合器的至少一个驱动器，将所述至少一个驱动器配置成旋转所述导体耦合器，以弯曲所述多个导体并且同时相对于所述电机部件沿轴向方向移动所述导体耦合器。

9.如权利要求8所述的装置，还包括同轴地位于所述第一导体耦合器内的第二导体耦合器，将所述第二导体耦合器配置成与所述第一导体耦合器独立地旋转，设计所述第一导体耦合器及其尺寸以啮合所述电机部件中的所述导体的第一层，并且设计所述第二导体耦合器及其尺寸以啮合所述电机部件中的所述导体的第二层。

10.一种配置成弯曲位于电机部件中的导体的装置，所述装置包括：

配置成容纳所述电机部件的支座；

配置成啮合位于所述电机部件中的第一多个导体的第一导体耦合器；

配置成啮合位于所述电机部件中的第二多个导体的第二导体耦合器；

配置成沿第一旋转方向驱动所述第一导体耦合器的第一伺服电机；

配置成沿与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向驱动所述第二导体耦合器的第二伺服电机。

11.如权利要求10所述的装置，还包括配置成在所述第一伺服电机沿所述第一旋转方向驱动所述第一导体耦合器时朝向所述支座沿轴向方向驱动所述第一导体耦合器的第三伺服电机。

12.如权利要求11所述的装置，还包括配置成在所述第二伺服电机沿所述第二旋转方向驱动所述第二导体耦合器时朝向所述支座沿轴向方向驱动所述第二导体耦合器的第四伺服电机。

13.如权利要求10所述的装置，其中，所述第一导体耦合器包括第一圆筒，所述第一圆筒包括位于所述第一圆筒的边缘附近的多个凹槽，将所述多个凹槽配置成啮合位于所述电机部件中的所述第一多个导体。

14.如权利要求10所述的装置，还包括可操作地连接在所述第一伺服电机与所述第一导体耦合器之间的驱动扭转滚筒。

15.如权利要求14所述的装置，其中，所述第一伺服电机可操作地连接到连接在所述第一伺服电机与所述驱动扭转滚筒之间的枢转臂，其中所述第一伺服电机的操作使所述臂枢转并且旋转所述驱动扭转滚筒。

16.如权利要求11所述的装置，还包括连接在所述第三伺服电机与所述第一导体耦合器之间的驱动扭转滚筒，所述驱动扭转滚筒可操作地连接到所述第三伺服电机，使得所述第三伺服电机的操作使所述驱动扭转滚筒沿轴向方向移动并且沿所述轴向方向移动所述第一导体耦合器。

17.一种弯曲位于电机部件中的导体的方法，所述方法包括：

将所述电机部件加固到固定位置；

将第一可旋转元件与位于所述电机部件中的多个导体啮合；

使用第一电马达沿第一旋转方向驱动所述第一可旋转元件，其中沿所述第一旋转方向驱动所述第一可旋转元件弯曲所述多个导体；以及

向所述第一电马达提供与所述第一可旋转元件的位置相关的反馈信息。

18.如权利要求17所述的方法，还包括：

将第二可旋转元件与位于所述电机部件中的第二多个导体啮合；

使用第二电马达沿与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向驱动所述第二可旋转元件；以及

向所述第二电马达提供与所述第二可旋转元件的所述位置相关的反馈信息。

19.如权利要求18所述的方法，还包括使用第三电马达相对于所述电机部件沿轴向方向驱动所述第一可旋转元件并且向所述第三电马达提供与所述第一可旋转元件的所述位置相关的反馈信息的步骤。

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