CN102222986B - 电动马达组件及与其联接导线有关的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动马达组件及与其联接导线有关的系统和方法。具体地，提供了一种用于电动马达的包括定子线圈的定子；所述定子线圈包含具有相应端部的导线对，利用环将所述相应端部联接到一起。所述环定位在导线对的周围，并通过金属联接工艺而联接到导线对。

Description

电动马达组件及与其联接导线有关的系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及与电动马达组件的联接导线有关的系统和方法。
背景技术
在条绕电动马达(bar-wound electric motor)组件中，通常将导线焊接到一起来装配定子。高质量的焊接是必需的，因为如果有一处焊接失效那么马达就会发生故障。因为单个马达有可能需要几百处的焊接，所以重要的是焊接工艺为高度稳健且高效的，从而确保焊接的质量，同时使焊接工艺的时间最小化。目前的焊接方法的问题包括：由于未对准导线所致的缺乏高质量的焊接，以及用来对准导线或增加焊接稳健性的低效率工艺。
在为焊接工艺做准备时，导线的自由端通常需要一些对准辅助措施。例如，利用机器人末端执行器(手指)将导线对保持到一起。利用两根手指来对各对导线进行定位。将一根手指从这些对的各侧插入，然后使两根手指闭合到一起，从而使这两根导线在周界方向上彼此相邻。此外，手指被设计成使这两根导线在径向上相邻，其中手指将导线保持成彼此相抵。当这对导线在两个方向上均被手指所限制时，进行焊接并且手指释放导线并从定子中收回。然后，定子转位到下一个槽，从而对另一对导线进行焊接。此工艺是单调乏味的，并且会出现问题。例如，如果转位和导线弯曲未同步（lineup），那么在将手指插入定子中时手指会碰撞导线。
总之，如果不能精确地对准导线对，那么所形成的焊接可能是有缺陷的。然而，机器人末端执行器以及已采用的在焊接前使导线对对准的其它复杂的导线定位工具是昂贵且复杂的。因此，需要一种可靠且可重现地将导线联接到一起的联接方法。
发明内容
通过提供具有稳健定子的电动马达以及用于可靠、高效且可重现地使定子的导线彼此联接的相关系统和方法，本发明的各实施例克服了现有技术的缺点。
根据一个示例性实施例，电动马达的定子包括定子线圈。定子线圈包括具有相应端部的导线对，所述相应端部利用环来至少部分地联接。所述环定位于导线对的周围，并且利用金属联接工艺而联接到导线对。
本发明还涉及以下技术方案。
方案1. 一种用于电动马达的定子，包括：
定子线圈，所述定子线圈包括具有相应端部的导线对，所述相应端部利用环来至少部分地联接，所述环定位于所述导线对的周围并利用金属联接工艺而联接到所述导线对。
方案2. 如方案1所述的定子，其中，所述端部在接头处被焊接到一起。
方案3. 如方案1所述的定子，其中，所述环包括导电性内层。
方案4. 如方案3所述的定子，其中，所述导电性内层通过所述金属联接工艺联接到所述导线对。
方案5. 如方案4所述的定子，其中，所述金属联接工艺包括将热量施加给所述环以使所述导电性内层熔化。
方案6. 如方案3所述的定子，其中，所述环包括绝缘性外层。
方案7. 如方案1所述的定子，其中，所述环被配置成将所述导线对对准。
方案8. 如方案1所述的定子，其中，所述金属联接工艺是磁脉冲焊接工艺。
方案9. 一种装配定子的定子线圈的方法，包括：
    将环放置在所述定子线圈的导线对的端部上；并且
用金属联接工艺将所述环联接到所述导线对。
方案10. 如方案9所述的方法，其中，将所述环联接到所述导线对的步骤包括：
将所述导线对的相应端部焊接到一起以形成接头；
其中，对所述相应端部的焊接将热传递至所述环；并且
其中，所述环包含导电材料，所述导电材料被所述热熔化并随后凝固，从而将所述环联接到所述导线对。
方案11. 如方案9所述的方法，其中，将所述环联接到所述导线对的步骤包括：利用磁脉冲焊接工艺将所述环焊接到所述导线对。
方案12. 如方案11所述的方法，还包括：相对于所述环来定位磁脉冲系统的线圈。
方案13. 如方案12所述的方法，还包括：将所述线圈定位成完全围绕所述导线对。
方案14. 如方案12所述的方法，还包括：将至少两个线圈定位在所述导线对的相对侧。
方案15. 一种通过包括以下步骤的工艺来形成的定子的定子线圈，所述步骤为：
将环放置在所述定子线圈的导线对的端部上；并且
用金属联接工艺将所述环联接到所述导线对。
方案16. 如方案15所述的定子线圈，其中，将所述环联接到所述导线对的步骤包括：
将所述导线对的相应端部焊接到一起以形成接头；
其中，对所述相应端部的焊接将热传递至所述环；并且
其中，所述环包含导电材料，所述导电材料被所述热熔化并随后凝固，从而将所述环联接到所述导线对。
方案17. 如方案15所述的定子线圈，其中，将所述环联接到所述导线对的步骤包括：利用磁脉冲焊接工艺将所述环焊接到所述导线对。
方案18. 如方案17所述的定子线圈，其中，所述工艺还包括相对于所述环来定位磁脉冲系统的线圈的步骤。
方案19. 如方案18所述的定子线圈，其中，所述线圈被定位成完全围绕所述导线对。
方案20. 如方案18所述的定子线圈，还包括将至少两个线圈定位在所述导线对的相对侧。
前面已广泛地概述了各实施例的一些方面和特征，这些方面和特征应当被理解成仅仅是对可能应用的说明。通过以不同方式应用所公开的信息或者通过将公开实施例的各方面加以组合，可以获得其它有利结果。除了由权利要求限定的范围之外，通过参考结合附图对示例性实施例的详细描述，还可以获得其它的方面和更全面的理解。
附图说明
图1是根据本发明示例性实施例的、包括定子的电动马达组件的剖面图。
图2和图3是图1的电动马达组件的定子的局部正视图，图2和图3与装配定子的示例性方法有关。
图4是图1的电动马达组件的定子的局部透视图，图4与装配定子的示例性方法有关。
图5是根据一个示例性实施例的环的平面图。
图6是图2～图4的定子的导线以及图5、图12和图13的环的局部示意图。
图7是按照装配定子的示例性方法而联接的图6的导线的局部示意图。
图8是按照装配定子的示例性方法而联接的图6的导线的局部示意图，以及相关系统的示意图。
图9～图11是图8的系统的一部分的示例性构造以及定子的一部分的示意图。
图12和图13是根据示例性实施例的环的平面图。
具体实施方式
按需要，本文中公开了详细的实施例。必须理解的是，所公开的实施例只是各种形式及替代形式的示例。本文中使用的词语“示例性”是可扩展地用于指代用作说明、样品、模型或者模式的实施例。附图不必是按比例的，而是一些特征可能被夸大或者最小化以显示特定部件的细节。在其它情况下，本领域技术人员所熟知的部件、系统、材料或方法不再进行详细描述，以避免使本发明变得晦涩。因此，本文所公开的特定的结构和功能细节均不应被解释为限制性的，而是应当仅仅被解释为用于权利要求的基础以及用于教示本领域技术人员的代表性基础。
本文中描述了关于条绕电动马达(如，包括汽车交流发电机的电动马达)的制造和组装的实施例。然而，可以想象，本公开的教示可以应用于其它制造应用中对导线和条的联接。一般而言，本文中所描述的系统和方法是利用了连接导线或支撑导线之间的连接的环来增加被联接导线之间连接的可靠性。此外，该环还降低了制造工艺的复杂性，这是因为可以将环很容易地放置于导线对上，以便在焊接该导线对之前使该导线对定位和对准。简化了制造工艺的一种方式是：能够将环同时放置在导线对上，然后同时对导线对进行焊接。此外，该环使得在焊接中能够利用机器视觉，这是因为可以容易地识别环的边界和中心。现在，对示例性实施例进行更详细的描述。
本文中所使用的术语“金属联接工艺”是指应用热、压力、磁力、激光、电、摩擦、声音、或者其它能量源以便联接金属。金属联接工艺可以使处于熔融状态或固体状态的金属联接。示例性的金属联接工艺包括：焊接（welding）、硬钎焊（brazing）、软钎焊（soldering）、涉及结合的其它工艺、熔接、以及它们的组合等。应当理解的是，可以用其它金属联接工艺来替代本文中所述的焊接工艺。
参照图1，示例性的电动马达10包括：转子12，其围绕着外壳16内的轴14旋转；以及定子18，其被固定至外壳16的内壁。定子18 被配置成与转子12的外圆周相接界（interface）。轴14可旋转地被支撑在外壳16中。带轮20被固定到轴14的一端，以使得能够利用带(未图示)将来自发动机(未图示)的转矩传递给轴14，并且滑环22被固定到轴14的另一端，用以向转子12提供电流。电刷24被配置成以接触滑环22的方式滑动。电动马达10还包括：调节器26，其被配置成调节在定子18中所产生交流电压的大小；和整流器28，其被配置成将在定子18中所产生的交流电转换成直流电。
转子12包括：转子线圈30和一对磁极芯部32a、32b。转子线圈30配置成当电流经过转子线圈30时产生磁通。利用电刷24和滑环22将电流从电池(未图示)提供给转子线圈30。磁极芯部32a和32b被固定到轴14，并相邻于转子线圈30的外表面相互交错（intermesh）。磁极芯部32a被转子线圈30的磁通磁化成“N”极性，磁极芯部32b被转子线圈30的磁通磁化成“S”极性。当通过附接到带轮20的带(未图示)将由发动机(未图示)所提供的旋转转矩传递给轴14时，转子12旋转。旋转的转子12产生变化的磁通。
定子18包括：定子芯部40和定子线圈42。定子线圈42包括导线60（也称为“条”），导线60缠绕在定子芯部40的周围，如以下更详细描述的那样。在定子线圈42中，利用由旋转的转子12所产生的变化的磁通来产生交流电流。施加给定子线圈42的旋转磁场在定子线圈42中产生电动势。利用整流器28将此交变电动势转换成直流电，并利用调节器26调节其电压。
现在参照图2～图8对定子线圈42的装配进行描述。定子芯部40具有圆柱形的形状以及多个槽50(见图2和图3)，槽50沿着轴向延伸并以均等的角节距布置在定子芯部40的圆周的周围。通过把导线段60(见图2)联接成一个单元(见图3和图4)来构建定子线圈42。例如，导线段60是粗铜导线（heavy gage copper wire）。参照图2，导线段60首先被配置成具有大致“U”形，然后将平直的端部插入相应的槽50中。然后将从槽50中延伸出的导线段60的端部弯曲，如图2中的虚线所示，使得端部62定位成将要联接到其它成对的导线段60的端部62，如图3和图4中所示。将导线段60的端部加以联接从而完成多个相。为了说明目的，下面更详细地描述将单对导线段60a、60b的自由端62a、62b加以联接的示例性方法。在下文中，这对导线段60a、60b被称为导线对60a/60b。应当理解的是，所描述的方法可同时地实施，从而一次将定子18的所有导线对加以联接。
现在参照图2～图7，对定位和联接导线对60a/60b的第一方法进行描述。参照图2～图4，将自由端62a、62b扭转、弯曲并压到一起，或以另外的方式将其定位以便大致对准。然后，参照图3～图6和图12，利用放置装置或固定装置(未图示)将环70放置在自由端62a、62b上。环70配置成用于约束导线对60a/60b的位置，从而使得在下面更详细描述的焊接工艺中将导线段60a、60b精确地对准并保持就位。因此，在将环70放置在导线对60a/60b上之后，在实施焊接工艺之前，可以移除放置装置。
暂时参考图4、图5和图12，相对于导线对60a/60b的组合截面或周长的尺寸和形状来配置环70的内尺寸。例如，环70的内尺寸(例如，直径、截面等)被配置成足够大，以便为放置在导线对60a/60b上提供充分的间隙，并且还被配置成足够小，以便约束和定位导线对60a/60b。环70以用于焊接的正确的关系将导线对60a/60b保持在一起，而无需用专门的抓握工具对导线对60a/60b进行进一步对准或定位。在与焊接站(未图示)相同的站(未图示)处，或者在前阶段位置（prior staging location）(未图示)中，将环70放置在导线对60a/60b上。一旦环70就位，如图3～图6中所示，那么导线对60a/60b中的自然回弹张力会将环70保持就位，直至随后的焊接操作。图5示出了具有圆形截面的环，图12示出了具有矩形截面的环。图4示出了图5的环和图12的环中的每一种环，其中图5的环被对准以便将要放置在导线对上，图12的环则已放置在导线对上。
继续参考图5和图12，环70被进一步配置成用金属联接工艺紧密地与导线对60a/60b相配合，并防止导线对60a/60b与相邻的导线对之间发生电短路(见图3)，这在相邻导线对之间的间隔较小时尤其有用。环70包括导电性内层72，导电性内层72被配置成使环70与导线对60a/60b紧密地配合。例如，内层72是软钎焊或硬钎焊材料。环70还包括绝缘性外层74，绝缘性外层74被配置成维持环70的形状，并防止内层72接触其它导线对而引起电短路。
参照图7，在将环70放置在导线对60a/60b(示于图6中)上之后，利用熔接或焊接工艺(例如，钨极惰性气体(TIG)焊接、等离子体焊接等)将端部62a、62b加以联接，但是也可以采用其它高温焊接工艺(如，软钎焊或硬钎焊)。熔接工艺以冶金方式使端部62a、62b熔化，端部62a、62b熔融到一起然后凝固，从而形成接头76(由楔形示意性地表示)。接头76提供了牢固、导电的连接。
此外，参照图12和图13，来自熔接工艺的热量或其它能量被传递至环70，使得导电性内层72被加热到熔点并在导线对60a/60b周围流动。熔化的内层72由于加热而发生膨胀，并且填满导线段60a与60b之间以及环70与导线对60a/60b之间的间隙。经冷却，内层72缩回到较小尺寸并且在导线对60a/60b的周围凝固。在环70和导线对60a/60b中均产生收缩力。导线对60a/60b中的收缩力导致了导线对60a/60b突然张开（flare up）或上移，从而导致导线对60a/60b与环70彼此紧密地配合。环70与导线对60a/60b紧密地配合并向导线对60a/60b施加力，这与端部62a、62b为形成接头76而进行的熔合而相结合，一起提供了导线段60a与60b之间的可靠且牢固的连接。此外，环70取代了复杂的定位工具。焊接工艺可以保持基本上不变，但所形成的连接却更加牢固，这是因为环70支撑着接头76。
如上所述，环放置装置(未图示)分别将多个环同时放置在多个导线对上。同样地，焊接装置(未图示)对定子线圈的多个导线对同时进行焊接，结果是同时使多个环与多个导线对结合。可以实施同时焊接的原因在于，环的使用使得在焊接工艺期间无需专门的导线保持机构来保持端部的对准。可以针对生产量、成本、品质和设备可靠性来优化焊接工艺。
参照图3～图6和图8，根据对导线对60a/60b进行定位和联接的第二方法，采用磁脉冲焊接法来迫使环70围绕在导线对60a/60b的周围。可以利用磁脉冲焊接来联接相似的金属以及不同的金属。在此实施例中，环70是由具有高传导性的材料制成从而非常适合于产生高磁力，并且环70具有薄的截面从而非常适合于在导线对60a/60b周围坍缩。如上面参照图3～图6所述，将环70放置在导线对60a/60b上。然而，根据此方法，利用图8中所示的磁脉冲焊接工艺而不是上面参照图7所述的熔接工艺来联接环70和导线对60a/60b。
参照图8，磁脉冲系统100包括磁脉冲发生器102和磁性线圈104，磁性线圈104配置成产生磁场。磁性线圈104被配置成定位成与环70和导线对60a/60b相邻。当磁脉冲发生器102引导非常高的交流电流(AC)经过磁性线圈104时，产生主磁场。根据楞次定律，该磁场在环70中产生次级涡电流，该次级涡电流又产生次生磁场。主磁场与次生磁场彼此相反。相反的磁场在磁性线圈104与环70之间产生排斥力(称为洛伦兹力)。洛伦兹力迫使环70抵靠导线对60a/60b，使得环70与导线对60a/60b之间发生固态焊接，或者另外地，环70在导线对60a/60b上坍缩或紧密地包围在导线对60a/60b的周围。
现在，对具有多个磁性线圈104的磁脉冲系统100的示例性构造进行描述。示例性的磁脉冲系统100配置成利用参照图8所述的磁脉冲焊接工艺来同时将许多个环焊接到许多导线对上。图9和图11示出了配置成用于单排导线对的磁脉冲系统100，图10示出了配置成用于两排导线对的磁脉冲系统100。可以基于本文所提供的教示，开发出用于三排或更多排导线对的替代构造。参照图9，第一磁脉冲系统100包括磁性线圈104，磁性线圈104均被配置成围绕相应的单个导线对 60a/60b。类似的构造用于焊接多于一排的导线对，其中导线对在定子的周围径向地交错。图9的磁脉冲系统100被配置成可避免磁性线圈104与相邻的导线对60之间的干扰。
参照图10，磁脉冲系统100包括磁性线圈104，磁性线圈104围绕两个径向对准的导线对60a/60b。在此，固体间隔件106定位于两个导线对60a/60b之间，用以防止在连续的各排导线对60之间的接触。因此，磁脉冲系统100配置成用于同时焊接两排导线对。
参照图11，磁脉冲系统100包括磁性线圈104，磁性线圈104被配置成定位于定子焊接端的内圆周和外圆周的周围，在一排导线对的每侧。
磁脉冲焊接工艺可以单独使用，或者与用于导线对的传统焊接工艺一起使用，所述传统焊接工艺例如，钨极电弧焊接、TIG焊接、硬钎焊、软钎焊。当单独利用磁脉冲焊接工艺时，所述环是用以将导线对保持到一起的主要功能部件。当与传统的焊接工艺组合时，可以另外地如上所述那样联接导线对的端部。
上述实施例只是说明性的实施方式，用以清楚地理解本发明原理。在不脱离权利要求范围的情况下，可实现上述实施例的变型、修改和组合。所有这样的变型、修改和组合均包含于本发明及所附权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种用于电动马达的定子，包括：
定子线圈，所述定子线圈包括:
具有相应端部的导线对，所述相应端部通过熔接或焊接的热量施加被联接以形成接头；和
环，所述环定位于所述导线对的周围，并且包括导电性内层和绝缘性外层；
其中所述导电性内层施加收缩力到所述导线对。
2.如权利要求1所述的定子，其中，所述端部在所述接头处被焊接到一起。
3.如权利要求1所述的定子，其中，所述导电性内层通过金属联接工艺联接到所述导线对。
4.如权利要求3所述的定子，其中，所述金属联接工艺包括将热量施加给所述环以使所述导电性内层熔化。
5.如权利要求1所述的定子，其中，所述环被配置成将所述导线对对准以形成所述接头。
6.如权利要求3所述的定子，其中，所述金属联接工艺是磁脉冲焊接工艺。
7.一种装配定子的定子线圈的方法，包括：
将环定位于所述定子线圈的导线对的周围，其中所述环包含导电材料；
通过熔接或焊接将热施加到所述导线对的相应端部以形成接头，其中热从所述导线对传递到所述环并且熔化所述导电材料；以及
允许所熔化的导电材料凝固以将所述环联接到所述导线对，其中所述导电材料在其凝固时施加收缩力到所述导线对。
8.如权利要求7所述的方法，其中，将所述环联接到所述导线对包括：利用磁脉冲焊接工艺将所述环焊接到所述导线对。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：相对于所述环来定位磁脉冲系统的线圈。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：将所述线圈定位成完全围绕所述导线对。
11.如权利要求9所述的方法，还包括：将至少两个线圈定位在所述导线对的相对侧。
12.一种通过包括以下步骤的工艺来形成的定子的定子线圈，所述步骤为：
将环定位于所述定子线圈的导线对的周围，其中所述环包含导电材料；
通过熔接或焊接将热施加到所述导线对的相应端部以形成接头，其中热从所述导线对传递到所述环并且熔化所述导电材料；以及
允许所熔化的导电材料凝固以将所述环联接到所述导线对，其中所述导电材料在其凝固时施加收缩力到所述导线对。
13.如权利要求12所述的定子线圈，其中，将所述环联接到所述导线对包括：利用磁脉冲焊接工艺将所述环焊接到所述导线对。
14.如权利要求13所述的定子线圈，其中，所述工艺还包括相对于所述环来定位磁脉冲系统的线圈的步骤。
15.如权利要求14所述的定子线圈，其中，所述线圈被定位成完全围绕所述导线对。
16.如权利要求14所述的定子线圈，还包括将至少两个线圈定位在所述导线对的相对侧。
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