CN103178634A - 具有包封端匝的电机 - Google Patents

Abstract

一种具有转子和定子的电机。所述定子包括形成定子线圈的导电线。所述定子线圈形成轴向突出超出所述定子芯的轴向端部的第一多个端匝。形成所述第一多个端匝的导线部段中的每一个具有非连续的电绝缘的外层。具有热导率为至少大约50W·m^-1·K^-1的热传输材料包封所述第一多个端匝。陶瓷材料可以用来设置所述线圈的所述电绝缘的外层，并且金属材料可以用来形成包封所述端匝的热传输材料。也公开了一种制造方法。

Description

具有包封端匝的电机

技术领域

本发明涉及电机，并且更具体地涉及电机的冷却。

背景技术

尽管很多电机以很高的效率进行操作，但是必然损失一些能量。这些能量损耗采取多种形式，包括摩擦损耗、芯损耗和磁滞损耗，并且导致废热的产生。在一些应用中，必须主动地将热量从电机中移除以防止该废热在电机线圈中达到不容许的水平。

在本领域中已知将热量从电机中移除的多种方法。一种已知的方法为淋喷冷却，其通常涉及将油喷到端部线圈上以将热量从电机中移除。还已知的是向电机设置采取具有流体通道的壳体形式的“水套”，冷却液体例如水可以通过流体通道循环以将热量从电机中移除。还已知的是提供穿过或经过电机的空气流（这可以利用风扇进行辅助）以促进冷却。

尽管已知用于冷却电机的多种有效方式，但是本领域中的进一步改进保持为期望的。

发明内容

本发明提供了一种具有定子的电机，所述定子具有端匝，所述端匝包封在促进将热量从所述端匝中移除的材料中。

在一个实施例中，提供了一种电机，所述电机包括转子和与所述转子可操作联接的定子。所述定子包括限定有第一轴向端部和第二轴向端部的定子芯和形成定子线圈且安装到所述定子芯上的至少一根导电线。所述定子线圈形成轴向突出超出所述第一轴向端部的第一多个端匝，并且包括具有电绝缘的外层的多根导线部段，其中每个导线部段具有非连续的绝缘外层。热传输材料设置在所述第一多个端匝上，并且具有至少为大约50W·m^-1·K^-1的热导率。

在另一实施例中，提供了一种电机，所述电机包括转子和与所述转子可操作联接的定子。所述定子包括限定有第一轴向端部和第二轴向端部的定子芯和形成定子线圈且安装到所述定子芯上的至少一根导电线。所述定子线圈形成轴向突出超出所述第一轴向端部的第一多个端匝，并且陶瓷材料设置在形成所述第一多个端匝的所述导电线的部段上。金属材料设置在所述第一多个端匝上。

在又一实施例中，提供了制造电机的方法，所述方法包括设置转子和具有第一轴向端部和第二轴向端部的定子芯。所述方法还包括由导电线形成线圈并且将所述线圈安装到所述定子芯上，其中，所述线圈形成轴向突出超出所述定子芯的所述第一轴向端部的第一多个端匝。在将所述线圈安装到所述定子芯上之前，形成所述线圈的所述导电线设有电绝缘外覆层。所述定子芯与所述转子联接，并且所述第一多个端匝利用具有热导率为至少大约50W·m^-1·K^-1的热传输材料覆盖。

附图说明

参照下面结合附图对本发明的实施例的描述，本发明的上述和其他特征以及获得它们的方式将变为更明显并且本发明本身将被更好地理解，其中：

图1为机的侧视图。

图2为图1的电机的端视图。

图3为多个定子端匝的侧视图。

图4为定子端匝的端视图。

图5为包封端匝的横截面图。

图6为定子线圈的示意图。

图7为电机和壳体的横截面图。

图8为电机和可选壳体的细节横截面图。

图9为描绘了由热传输材料形成的冷却肋的示意图。

图10为示意性描绘了穿过热传输材料的流体通道的横截面图。

图11为具有在定子芯与热传输材料之间的间隙的电机的示意图。

对应的附图标记贯穿若干视图始终表示对应的零部件。尽管本文阐释的示例说明了本发明的若干形式的实施例，但是下文公开的实施例并非意为穷尽的或者理解为将本发明的范围限制为所公开的精确形式。

具体实施方式

图1和图2中示出了电机20。电机20包括可操作地联接到一起的定子22和转子24。转子24限定有电机的旋转轴线26。在图示实施例中，电机20为三相感应马达，但是其他实施例可以采取替代电机的形式，其中冷却电机的定子线圈是有利的。三相感应马达和其他电机进行操作的基本原理对于本领域的普通技术人员而言是众所周知的。

定子22包括安装到定子芯28上的线圈30。如将由本领域的普通技术人员理解的，线圈30具有在定子芯28的相对轴向端部40之间延伸的轴向延伸部分48和轴向突出超出定子芯28的轴向端部40的端匝38。如将在下文更详细讨论的，端匝38被包封在热传输材料32中。穿过热传输材料32突出的连接器34用来将定子线圈30连接到电功率源（例如三相AC电源）上。

图示定子芯28具有常规的结构，并且由多个堆叠的板金属叠片形成，并且具有大致圆筒形形状（具有用于接收转子24的中央孔）。尽管常规的是利用围绕转子的定子，但是电机的可选实施例可以采用中央定子和围绕定子的转子。

在图示实施例中，多个狭槽36在定子芯28的径向向内面向的表面上延伸定子芯28的轴向长度。通过将线圈30的轴向延伸部分48插入到狭槽36中而将线圈30安装到定子芯28上。线圈30的突出超出定子芯28的轴向端部40的较短部段38形成端匝。如在图5中可见的，设置在定子芯28的轴向端部40中的每一个处的端匝38形成具有电绝缘的外层44的导电线42，其中每个端匝导线部段38具有非连续的绝缘外层44。换言之，端匝38并非通过包封多个端匝38的单一整体质量的绝缘材料而绝缘。

在图示实施例中，铜用来形成导电线42，形成线圈30的电线42的整个长度利用陶瓷材料绝缘。如果利用热传输材料32包封端匝38不会损坏导线42或绝缘层44，其他材料也能够用来形成导线42和绝缘层44。通过利用具有熔点低于绝缘外层44和导线42的熔点的热传输材料32，端匝38能够利用熔融的热传输材料32进行包封而没有损坏。能利用其中仅仅端匝38被绝缘的线圈30，但是通常更实际的是使形成线圈30的导线32的整个长度绝缘。

参照图3-图5最佳地理解端匝38由热传输材料32包封。图3是定子的一个轴向端部的侧视图，并且示意性描绘了端匝38。在图3中，虚线33表示热传输材料32的上限。图4是描绘了定子芯28和两个端匝38的端视图。在图4中未示出热传输材料32。图5是穿过热传输材料32和三个端匝38的横截面图。在图3-图5中已经描绘了仅仅有限数量的端匝38以提高图像的清晰度。还注意，在图3中能够见到绝缘狭槽衬里56的箍边。狭槽衬里56通常用来提供在形成线圈30的导线32与定子芯28的叠片之间的电绝缘隔挡层。当导线42的整个长度设有电绝缘的外层44时，可以避免使用狭槽衬里56。

热传输材料32利用与端匝38的外层44直接接触的材料32包封端匝38。图5中描绘的横截面图图示了嵌入热传输材料32内的端匝38。在图5中，端匝38未示出为彼此接触。但是，在很多应用中，端匝38将具有在形成位于热传输材料32内的端匝38的各导线部段之间的一些接触，其中热传输材料32围绕端匝38。通常期望使热传输材料32与外层44直接接触的表面区域最大化以由此使从线圈30向热传输材料32的热传递最大化。端匝38在热传输材料32内的包封不仅有利于热传递，而且将端匝38固定在材料32内。已知，使用灌封材料来包封和固定定子的端匝。常规的灌封材料包括环氧树脂和树脂材料，并且通常具有不大于大约3.0W·m^-1·K^-1的热导率。尽管这种较低热导率的常规灌封材料提供用于端匝的结构固定，但是它们通常不利于热量的移除。

与常规的灌封材料不同，热传输材料32具有至少大约50W·m^-1·K^-1的热导率，有利地至少大约150W·m^-1·K^-1，并且甚至更有利地至少大约200W·m^-1·K^-1。使用具有更高热导率的材料改进从端匝38的热传递。

热传输材料32通过两种不同的机制将热能从端匝38中移除。首先，热传输材料32作为将热量从端匝38中移除且随后将热量传递到与材料32热联接的另一种介质上的导管。例如，材料32能够将热量传递给壳体或空气或与材料32直接接触的另一种流体上。其次，热传输材料32作为吸热装置，其中从端匝38中移除的热能保持在材料32中并且升高材料32的温度。在几乎所有应用中，热传输材料32经由这两种机制将热能从端匝38中移除。

在图示实施例中，热传输材料32为金属材料，并且为铝合金。锡、银和其他材料可以被添加到热传输材料32中以获得期望的物理特性。除了热导率以外，材料32的更重要物理特性中的一个为其相对于导线42和外层44的熔点。为了防止在通过熔融材料32包封期间破坏导线42和外层44，材料32选取为使得其熔点低于导线42和外层44的熔点并且能够在不导致对导线42或外层44的破坏的情况以液态状态接触外层44。尽管通常期望的是利用完全液态的热传输材料包封端匝并且使热传输材料能够固化为固态或半固态，但是也可能的是当热传输材料处于半熔融状态下时包封端匝。

在图示实施例中，导线42由具有熔点为大约1084℃的铜形成。还已知的是通过镀镍铜或仅仅通过镍形成高温磁导线，并且这种高温磁导线也可以用来形成导线42。镍具有大约1453℃的熔点。已知的是向旨在高温应用的磁导线设置陶瓷外层44。这种外层可以由完全固化的釉瓷（vitreous enamel）质薄膜形成，该薄膜牢固地粘结到基部导线上且具有与基部导线相同的柔性。陶瓷涂层磁导线可通过具有可以耐受温度为大约1,000℃的陶瓷涂层商业获得。

铝具有大约660℃的熔点，并且由此能够容易地以纯铝或铝合金用作材料32，其中铜导线42具有陶瓷涂层44。例如，具有熔点为大约232℃的锡和具有熔点为大约961℃的银能够与铝一起使用以形成热传输材料32。在热传输材料32中使用的材料的精确比例能够被调节以不仅控制材料32的熔点而且控制材料32的其他物理特性例如材料32的热导率和热膨胀系数。

就用来形成包封材料32的材料的热导率而言，注意到的是铝的热导率略大于200W·m^-1·K^-1，对于锡其为大约66.8W·m^-1·K^-1，而对于银其略大于400W·m^-1·K^-1。就导线42而言，铜具有介于350W·m^-1·K^-1与400W·m^-1·K^-1之间的热导率，而镍具有大约91W·m^-1·K^-1的热导率。用来形成外层44的陶瓷材料将通常具有大约30W·m^-1·K^-1至45W·m^-1·K^-1的热导率。尽管通常期望地是最大化包封材料32的热导率，但是其他设计因素也可能影响包封或热传输材料32的选择。在热导率值的低端，期望包封材料32具有比外层44的热导率大的热导率，并且通过利用具有值为至少大约50W·m^-1·K^-1的包封材料32，包封材料32通常具有比外层44大的热导率。

使用金属材料形成热传输材料32提供了若干优点。使用金属形成包封材料32不仅提供了相对于常规灌封材料的更高水平的热导率，而且通常将提供与导线32的热膨胀系数较近的热膨胀系数。由此，在电机20的整个操作温度范围，导线42不太可能由于导线42和材料32所经受的热膨胀的差异而受到损害。还可能的是，将材料设置在端匝与热传输材料之间以补偿在端匝与热传输材料之间的热膨胀的差异。

尽管使用金属材料包封端匝38是有利的，可选实施例能够采用金属和非金属材料的组合或者纯的非金属材料，只要这些材料拥有相对升高的热导率即可。还注意到的是，金属通常为导电材料，使用绝缘外层44使导线42与热传输材料32隔开以容许将这种导电材料用作热传输材料而不会使端匝短路。

图示实施例具有导线42，导线42具有0.1毫米至0.3毫米厚的陶瓷外层44。但是，其他材料也可以被采用以形成外绝缘层44。例如，如果锡为用来形成热传输材料32的单独或主要的材料（例如由锡和银形成的热传输材料），则外层44不需要由陶瓷材料所提供的相同热性能，能将聚酰亚胺薄膜（具有大约260℃的温度限制）用作外层44。各种其他可选实施例也是可能的。例如，金属和非金属材料的混合能够用来形成热传输材料32，并且对于一些材料32而言，还可能的是采用具有由聚酰亚胺釉质（具有大约180℃的温度限制）形成的外层44的导线42。

如图7和图8中所示，形成电机20的定子22和转子24能够设置在壳体50中。通过将热传输材料32与壳体50热联接，能够进一步增强电机20的冷却。通常有利的是，使热传输材料32直接抵接壳体50的表面54以将热传输材料32与壳体50热联接。也能够采用提供热传输材料32与壳体50之间的热能传递的其他方式。

图7和图8中描绘的壳体50具有流体通道52，冷却流体能够通过流体通道52循环以将从热传输材料32传递到壳体50上的热量移除。具有这种流体通道的壳体通常称为水套。尽管流体通道52的设置极大地提高了壳体50的热量移除能力，但是不具有这种通道的壳体在与热传输材料32热联接时用作吸热装置，也有利于热量的移除。这种壳体也可能包括翅片或用于将热量散失到周围环境中的其他装置。风扇也可以被采用以增大这种热散失的速率。

现在将描述电机20的制造和装配。转子24利用常规的方法制造。线圈30能够使用常规的缠绕设备和方法缠绕为环圈。定子芯28具有常规的结构并且能够由堆叠的金属叠片形成。线圈30安装到定子芯28上，其中端匝38延伸超出轴向端部40。线圈30的插入能够使用常规的插入设备和方法完成以将线圈30的轴向部分48插入定子狭槽36内。

在包封端匝38之前，端匝38设有电绝缘的外层44。这能够在将导线42形成为线圈30之前且在将线圈30安装到定子芯28上之前通过向导线42设置外层44而最容易地实现。在将线圈30安装到定子芯28上之后，端匝38利用热传输材料32包封。定子芯和转子能够在端匝38已经被包封之前或之后联接到一起以形成电机20。类似地，如果电机20具有壳体50，则端匝38能够在将定子芯28安装到壳体50中之前或之后被包封。通常，有利的是使用模制工具在压力作用下模制热传输材料32。端匝38也能够浸入热传输材料32内以包封端匝38。浸入方法的一个优点在于其能够更容易用来形成在热传输材料与定子芯28之间的间隙64。这种间隙64在图11中示出并且使一小段端匝38暴露在热传输材料42与定子芯28之间，并且也使冷却流体（即气体和液体）能够流过该间隙以增强热量的移除。

当端匝在将电机安装在壳体中之前或者当电机20未设有壳体时被包封时，当利用热传输材料32包封端匝38时使用固定件和模具。可选地，定子芯28能够在利用热传输材料32包封端匝38之前安装在壳体50中，热传输材料32以熔融状态引入壳体50内。壳体50由此能够作为模具，并且减小或消除对于用来形成热传输材料32的最终形状的固定件和模具的需求。

图7图示了其中端匝38在将电机20安装在壳体50中之前被包封的实施例。图8图示了利用壳体50包封端匝38之前将电机20安装到壳体50中的实施例，其中壳体50作为用于热传输材料32的模具。壳体50作为用于热传输材料32的部分或完全模具的使用类似于使用常规的灌封材料将电机的端匝包封在电机的壳体内。通过在壳体50中模制材料32，热传输材料32和壳体50直接接触的表面区域能够容易地扩大。这种扩大的接触表面区域增强从材料32到壳体的热传递。

热传输材料32也能够形成各种热传递结构以进一步增强热传递。图9和图10图示了这种热传递结构的两个示例。图9图示了采取轴向突出翅片形式的热传递结构62。翅片62增大热传输材料32的可用于远离端匝38传递热量的表面区域。翅片62能够由热传输材料通过模制成型、通过将预成型翅片焊接到热传输材料的主体上或者通过其他合适的方式形成。

图10图示了采取延伸穿过热传输材料32的流体通道形式的热传递结构58。流体通道58使冷却气体或液体能够流过热传输材料32并且由此增强热传递。流体通道58能够通过将中空管60设置在适当位置中且同时包封管60而形成，端匝38利用材料32包封。在模制成型期间管60可以延伸超出热传递材料32的范围，管60在材料32固化之后被修剪。

相对于图5中描绘的基本实心的和连续的线性横截面，图9和图10中描绘的热传递结构62、58均增大热传输材料32暴露给流体流的表面区域。其他热传递结构也能够被采用以提供暴露给流体流的增大的表面区域。例如，除了描绘的翅片以外，不连续部（例如突出部或者凹部例如凹陷部）能够在热传输材料的外表面中形成，以增大可用于热传递的表面区域。

尽管本发明已经描述为具有示例设计，但是本发明还可以在本公开的精神和范围内进行修改。本申请由此旨在包涵本发明的使用其基本原理的任意改变、使用或适应性修改。

Claims (16)

1.一种电机，包括：

转子和与所述转子可操作联接的定子，所述定子包括：

限定有第一轴向端部和第二轴向端部的定子芯；

形成安装在所述定子芯上的定子线圈的至少一根导电线，所述定子线圈形成轴向突出超出所述第一轴向端部的第一多个端匝，所述第一多个端匝包括具有电绝缘的外层的多个导线部段，其中每个导线部段具有非连续的绝缘外层；以及

设置在所述第一多个端匝上的热传输材料，所述热传输材料具有至少大约50W·m^-1·K^-1的热导率。

2.如权利要求1所述的电机，其中，所述热传输材料具有至少大约150W·m^-1·K^-1的热导率。

3.如权利要求1所述的电机，其中，所述热传输材料具有至少大约200W·m^-1·K^-1的热导率。

4.如权利要求1所述的电机，其中，所述热传输材料为金属材料。

5.如权利要求1所述的电机，其中，所述导线的整个长度由所述绝缘外层覆盖。

6.如权利要求1所述的电机，还包括壳体，其中，所述定子和所述转子设置在所述壳体内，所述热传输材料与所述壳体热联接，并且所述壳体限定流体通道。

7.如权利要求1所述的电机，其中，所述热传输材料形成热传递结构，所述热传递结构使所述热传输材料暴露给流体流的表面区域相对于基本实心和连续的线性横截面增大。

8.如权利要求1所述的电机，其中，所述绝缘外层为陶瓷材料并且所述热传输材料包括铝。

9.如权利要求1所述的电机，其中，所述定子线圈形成轴向突出超出所述第二轴向端部的第二多个端匝，所述第二多个端匝包括具有电绝缘的外层的多个第二导线部段，其中每个导线部段具有非连续的绝缘外层；并且

第二热传输材料具有至少大约50W·m^-1·K^-1的热导率，所述第二热传输材料基本包封所述第二多个端匝并且与所述第二多个端匝的绝缘外层直接接触；并且

其中，所述热传输材料基本包封所述第一多个端匝并且与所述第一多个端匝的绝缘外层直接接触。

10.如权利要求1所述的电机，其中，所述热传输材料的至少一部分与所述定子芯通过间隙隔开。

11.一种制造电机的方法，所述方法包括：

设置转子；

设置具有第一轴向端部和第二轴向端部的定子芯；

以导线形成线圈；

将所述线圈安装在所述定子芯上，其中所述线圈形成延伸超出所述定子芯的所述第一轴向端部的第一多个端匝；

在将所述线圈安装到所述定子芯上之前为形成所述线圈的导线设置电绝缘外覆层；

将所述定子芯与所述转子联接；以及

利用具有热导率为至少大约50W·m^-1·K^-1的热传输材料覆盖所述第一多个端匝。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述绝缘外覆层为陶瓷材料。

13.如权利要求11所述的方法，还包括将所述定子芯安装在壳体中，并且其中，利用热传输材料覆盖所述第一多个端匝的步骤包括将所述热传输材料在至少部分液态状态下引入所述壳体内，并且使所述热传输材料能够在所述壳体内至少部分地固化。

14.如权利要求11所述的方法，其中，覆盖所述第一多个端匝的步骤包括利用所述热传输材料基本完全围绕形成所述第一多个端匝的所述导线部段。

15.如权利要求11所述的方法，其中，所述热传输材料为金属材料并且具有至少大约150W·m^-1·K^-1的热导率。

16.如权利要求11所述的方法，其中，所述热传输材料为金属材料并且具有至少大约200W·m^-1·K^-1的热导率。

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