CN108323222B - 旋转电气机器的线圈和定子组件 - Google Patents

Abstract

一种用于旋转电气机器的线圈(35)包括限定线组的多个导电线，所述线组被包绕以限定多个匝。所述线圈(35)还包括一对主部段(42)和沿着所述一对主部段(43)的复合外表面(41)。所述复合外表面(41)具有第一腿部段(44)和第二腿部段(45)，所述第一腿部段和所述第二腿部段彼此成角度。结合材料沿着所述一对主部段的部分定位以限定所述复合外表面。

Description

旋转电气机器的线圈和定子组件

技术领域

本公开一般涉及旋转电气机器，并且更特别地涉及旋转电气机器的线圈和定子组件以及制造线圈和定子组件的方法。

背景技术

工作机可以由电力推进系统提供动力。电力推进系统有时包括向工作机的牵引装置提供驱动力的电驱动牵引系统。在一些电驱动牵引系统中，开关磁阻马达用于提供驱动力。

开关磁阻马达可以具有各种马达拓扑结构(例如，定子极的数量，线圈的数量，和转子极的数量)。另外，开关磁阻马达可以配置有多个相(例如，2相，3相，4相或更多)。开关磁阻马达可以具有多个定子极，每个定子极具有围绕其定位的导电线的绕组或线圈。线的数量和线圈的构造是影响开关磁阻马达的操作效率的一个因素。

许多开关磁阻马达设计成在某些操作条件下优化操作。然而，理想的是用于为某些工作机提供动力的开关磁阻马达以高电流在低速下并且以低电流在高速下有效地操作。一些马达的线圈表现良好，但缺乏在没有过度线圈加热的情况下承载大量的电流的能力。其它线圈增加电流承载能力，但当工作频率增加时不能有效地运转，这也限制了其为工作机提供动力的能力。

美国专利第9,118,225号公开了一种开关磁阻马达，其具有多个线圈，每个线圈安装在定子极上。线圈由松散绞合的线形成，使得当它们安装在定子极上时它们可移动。安装过程期间的线的移动导致马达的改善电气性能。

前面的背景讨论仅仅是为了帮助读者。并非旨在限制本文所述的创新，也不旨在限制或扩展所讨论的现有技术。因此，前面的讨论不应当被认为指示现有系统的任何特定元件不适合与本文所述的创新一起使用，也不旨在指示任何元件对于实现本文所述的创新是必不可少的。本文所述的创新的实现和应用由附带的权利要求限定。

发明内容

在一个方面，一种用于旋转电气机器的线圈包括限定线组的多个导电线，所述线组被包绕以限定所述线组的多个匝。所述线圈还包括一对主部段和一对次部段，每个次部段互连所述一对主部段。所述线圈还包括内表面，沿着所述一对主部段的复合外表面，构造成大体邻近所述旋转电气机器的定子主体定位的插入端，以及与所述插入端相对定位的转子端。所述插入端和所述转子端将所述内表面互连到所述复合外表面。所述复合外表面具有第一腿部段和第二腿部段，所述第一腿部段大体从所述插入端朝向所述转子端延伸，并且所述第二腿部段从所述转子端大体朝向所述第一腿部段延伸。所述第一腿部段和所述第二腿部段彼此成角度。结合材料沿着所述一对主部段的部分定位以限定所述复合外表面。

在另一方面，一种制造用于旋转电气机器的线圈的方法包括提供具有芯的固定装置，供应多个导电线以限定线组并且围绕所述固定装置的所述芯将所述线组包绕预定匝数以形成具有一对主部段和一对次部段的线圈，每个次部段互连所述一对主部段。所述线圈还包括内表面，外表面，插入端，以及与所述插入端相对定位的转子端，所述插入端和所述转子端将所述内表面互连到所述外表面。每匝的多个导电线的每个导电线相对于所述匝的多个导电线中的其它导电线沿着其至少一部分横向可移动。所述方法也包括沿着所述一对主部段的外表面移动插入件以横向移动每匝的多个导电线中的至少一些以减小所述多个导电线之间的均匀空隙并且沿着所述一对主部段形成复合外表面，所述复合外表面具有第一腿部段和第二腿部段。所述第一腿部段大体从所述插入端朝向所述转子端延伸，所述第二腿部段从所述转子端大体朝向所述第一腿部段延伸，并且所述第一腿部段和所述第二腿部段彼此成角度。沿着所述一对主部段的部分施加结合材料以限定所述复合外表面。

在又一方面，一种旋转电气机器包括定子，所述定子具有带有开口槽构造的定子主体和远离所述定子主体延伸以限定多个定子槽的多个定子极。每个定子槽定位在一对多个定子极之间。转子定位在所述定子内并且具有多个转子极。线圈围绕每个定子极定位，每个线圈具有限定线组的多个导电线，并且所述线组围绕其各自的定子极包绕以限定围绕所述定子极的所述线组的多个匝。每个线圈具有一对主部段和一对次部段，每个次部段互连所述一对主部段。所述线圈还包括内表面，沿着所述一对主部段的复合外表面，构造成大体邻近所述旋转电气机器的定子主体定位的插入端，以及与所述插入端相对定位的转子端。所述插入端和所述转子端将所述内表面互连到所述复合外表面。所述复合外表面具有第一腿部段和第二腿部段，所述第一腿部段大体从所述插入端朝向所述转子端延伸，并且所述第二腿部段从所述转子端大体朝向所述第一腿部段延伸。所述第一腿部段和所述第二腿部段彼此成角度。结合材料沿着每个线圈的所述一对主部段的部分定位以限定所述线圈的所述复合外表面。

附图说明

图1是在其中包含本公开的某些方面的开关磁阻马达的一部分的示意性俯视图；

图2是与图1的开关磁阻马达一起使用的线圈的透视图；

图3是大体沿着线3-3截取的图2的线圈的截面；

图4是用于卷绕图2的线圈的固定装置的一部分的侧视图；

图5是其上形成有线圈的图4的固定装置的一部分的侧视图；

图6是图5的固定装置和线圈的一部分的侧视图，其中推板从固定装置推动线圈；

图7是其上安装有插入件的固定装置和线圈的一部分的前视图；

图8是图7的侧视图，但其上安装有第一凸缘板；以及

图9是具有安装在一些定子极上的线圈的定子的一部分的局部放大图。

具体实施方式

图1示出了诸如开关磁阻马达15的旋转电气机器的示意图，所述开关磁阻马达包括定子16和相对于定子可旋转的转子17。如图所示，定子16包括八个径向向内突出的定子极18，并且转子17包括四个径向向外突出的转子极19。马达的相的数量以及定子极18和转子极19的数量仅是示例性的而不是意在限制。每个定子极18径向向内突出并且具有向内端面21和一对相反朝向的侧表面22。在23处示出的相反朝向的侧表面22(即，定子极18的第一侧表面和第二侧表面)之间的距离是大体恒定的，使得每个极具有在围绕定子16的圆周方向上的大体恒定的宽度。

定子16还包括多个定子槽25，每个定子槽成角度地定位在一对定子极18之间，并且因此每个定子极18成角度地定位在一对相邻的定子槽25之间。因此，定子槽25的数量与定子极18的数量相等。每个定子槽25朝向转子17敞开，并且具有边缘或外表面26以及由相邻定子极18的相反朝向的侧表面22限定的相对侧边缘27。

由于定子16的圆形横截面以及每个定子极18在弓形或圆周方向上的大体恒定的宽度，因此每个定子槽25具有从外表面26朝向开口29大体均匀或线性渐缩或变窄的宽度。使用这样的结构，定子16可以被称为具有开口槽构造。每个定子槽25的中心线在相邻的成对定子极之间延伸以限定定子槽的相对侧边缘27之间的中点。

每个定子极18具有围绕其包绕的导电绕组或线圈35。围绕每组相组(A⁺，A^-和B⁺，B^-)的定子极18定位的线圈35电连接并且可以构造为电路的一部分，要么并联要么串联。

开关磁阻马达15具有没有绕组或磁体的转子17。转子17可以由垂直层压铁的、整体连续环形构件(未示出)的堆叠形成。可以预期具有其它结构和构造的转子17。另外，尽管图2的马达被示出为开关磁阻马达，但是本文所公开的概念可应用于其它旋转电气机器，例如开关磁阻发电机或其中转子17具有永磁体或某个其它结构或构造的电气机器。

参考图2-3，线圈35可以由限定线组的多个导电线36形成，所述线组以大体椭圆形的方式围绕中心开口37包绕预定次数或匝数。中心开口37在尺寸上大体对应于定子极18的横截面，使得线圈35可以在开关磁阻马达15(图9)的制造期间滑动到定子极18上。每个线圈35包括大体邻近定子16的定子主体31定位的插入端38，以及与插入端相对且大体邻近定子极18的端面21定位的转子端39，并且大体与转子17相对。内表面40构造成邻近或接近其相应的定子极18定位，并且复合外表面41相大体与内表面相反地面对。因此，内表面40和外表面41两者限定大体椭圆形的表面。插入端38和转子端39将内表面40互连到外表面41。

每个线圈35具有一对主部段42和一对次部段43，每个次部段互连该对主部段。沿着该对主部段42的复合外表面41包括第一腿部段44和第二腿部段45。第一腿部段44从线圈35的插入端38朝向转子端39延伸。第二腿部段45从转子端39朝向插入端38延伸并且在交叉部46处与第一腿部段44交叉。

如图所示，交叉部46相对于插入端38和转子端39的位置是外表面41的高度47的约54％。可以根据需要使用其它比例。在一个实施例中，据信将交叉部46定位在高度47的约49％至59％之间的位置处将产生可接受的结果。在另一实施例中，将交叉部46定位在高度47的约44％至64％之间的位置处可以产生可接受的结果。

第一腿部段44和第二腿部段45在交叉部46处彼此成角度48定位或构造。因此，第一腿部段44限定具有大体均匀的宽度(即，从内表面40到外表面41的距离)的第一部段50。第二腿部段45限定具有锥形宽度的第二部段51。角度48可以基于或取决于定子16的定子极18的数量。在一个实施例中，角度48可以大体等于360度除以定子极18的数量。图2-3中所示的线圈35可以与具有十二个定子极68的定子66(图9)一起使用，并且因此角度48构造为约30度。在许多应用中，角度48可以在约15度至60度之间。

尽管在附图中示出了复合外表面41围绕线圈35的整个外表面延伸，但是在一些构造中，仅主部段42可以包括复合外表面41。

尽管示出为具有连续的固体外表面41，但是线圈35由多个导电线36形成，如图3中所示，并且可以具有或不具有这样的连续的固体表面。然而，如下面更详细讨论，多个导电线36的部分可以沿着线圈35的主部段42用结合材料固定在一起，从而将多个导电线的部分保持在其期望的位置并且限定复合外表面41。

如果需要，可以沿着主部段42向线圈35的外表面41施加耐热的电绝缘层或包裹物49。在一个示例中，绝缘包裹物49可以是诸如

的材料或具有类似性质的材料。

如图3中所示，每个导电线36具有大体圆形的横截面。在一些构造中，导电线36可以具有非圆形横截面，例如椭圆形，正方形或矩形。导电线36可以由诸如铜的高导电挠性材料形成，并且在其上具有绝缘层。在一个实施例中，可以使用具有搪瓷绝缘层的磁线。

在一个实施例中，线圈35可以制造成具有约八英寸长的一对主部段42和约两英寸长的一对次部段43。该线组可以包括七个导电线36，每个导电线具有约.05英寸的直径，并且可以围绕中心开口37包绕五十六次。这样的线圈也可以被称为具有五十六匝。在其它类似的实施例中，该线组可以包括约五至九条之间的导电线36。如果需要，可以使用其它数量的导电线36。

导电线36也可以具有其它直径。在另一实施例中，导电线36可以是约15-18号线。也可以使用其它数量的导电线36和具有其它直径的导电线。可以基于开关磁阻马达15的期望电气性能来确定或设定该线组围绕中心开口37包绕的匝数或次数。因此，可以根据需要调节围绕中心开口37的匝数。

围绕中心开口37包绕的线组由也可以绞合在一起的单独的导电线36形成。线的绞合可以以任何期望的方式实现。在一个示例中，导电线36可以通过张紧器(未示出)从多个线供应器(未示出)供应，并且当线被进给并且围绕线轴组件或固定装置70(图4)包绕以形成线圈35时可以旋转张紧器(以及需要时的线供应器)以绞合线。

不管绞合导电线36的方式如何，绞合形成线的相对松散绞合。当线圈35形成时，这样的线的松散绞合允许单独的导电线36相对于其它线横向移动。

为了形成线圈35，多个导电线36可以围绕完全组装的线轴组件或固定装置70包绕。固定装置70包括位于第一凸缘板72和第二凸缘组件73之间的中心椭圆形芯71。第一凸缘板72可以相对于芯71可去除地安装。第二凸缘组件73包括第二凸缘板74和推板75。芯71可以固定到第二凸缘板74，并且推板75可以可滑动地安装在第二凸缘板74上并具有与芯71的尺寸对应的开口。参考图6，推板75可以具有形状与芯71对应的开口(未示出)，并且板可以远离第二凸缘板74可滑动地移动，且开口移动经过芯71以从固定装置70排出完成的线圈35。

在线圈的组装期间，绝缘包裹物49的长度可以沿着芯71的长侧或主侧定位，并且线36围绕绝缘包裹物和芯的一部分包绕。如果线36将被绞合，则当它们围绕芯71包绕时可以绞合它们。这样的绞合可以使线组呈现略微圆形的横截面，但是线的松散绞合允许每个导电线36相对于该线组内的其它线横向移动。在一些实施例中，当导电线36围绕芯71包绕时它们可以绞合约一至五次之间。在其它实施例中，可能以较慢或较快的速率绞合或根本不绞合该线组。在一些实施例中，线组沿着每匝的整个长度以大体均匀的方式绞合。在其它实施例中，这些组线可以不以大体均匀的方式绞合。例如，线可以沿着主部段42以一种方式绞合并且沿着次部段43以不同的方式(例如，以不同的速率或根本不会)绞合。

当多个导电线36围绕固定装置70包绕时，可以将结合材料施加到线。结合材料可以是任何期望的材料，包括环氧树脂，硅酮，基于橡胶的粘合剂，和基于聚酯的材料。如果需要，结合材料可以表现出高导热性质。在一些情况下，可能期望以大体匹配线圈35的期望形状或横截面的图案围绕芯71包绕或卷绕线36。例如，参考图3，线36可以大体上以接近线圈的形状的图案沿着外表面41的第一腿部段44和第二腿部段45缠绕。

在替代实施例中，可以在将导电线36围绕芯71包绕之后将结合材料施加到导电线。在这样的情况下，可能仅沿着线圈35的主部段42施加结合材料。另外，可能不必将结合材料施加到所有线36或沿着所有线36。例如，可能仅沿着内表面40和外表面41的全部或部分来施加结合材料。在一些情况下，结合材料可以被施加到插入端38和转子端39的全部或部分，或者可以从其全部或部分被省略。

一旦线36围绕固定装置70的芯71包绕，绝缘材料49的长度的一部分可以沿着线圈的主部段折叠或定位在插入端38，转子端39和外表面41上。然后沿着线圈35的主部段42定位或安装插入件76(图7-8)以接合导电线36并迫使它们成为期望的形状。更具体地，插入件76均具有形状与外表面41的期望形状相对应的内表面77。由于线36以相对松散的方式围绕芯71包绕(并可能绞合)以允许线的移动，因此朝向固定装置70的芯71推动插入件76可能导致线的足够横向移动，使得线组的每个匝或包绕不容易与线的其它匝或包绕区分，并且单独的导电线36可能看起来相对随机地定位或以非均匀阵列定位。端板78(图7中仅示出其中的一个)也可以被安装以完全组装固定装置70。

当插入件76朝向芯71滑动时，单独的线36可以移动以相对紧密地填充芯和插入件之间的空间。由于导电线36的横向移动，该移动可能导致该线组的相邻匝之间的大量的开口或间隙被填充。另外，线36之间的均匀空隙也可以沿着每个线圈35的横截面被减少或大体上被消除。该结构产生相对密集的线圈构造(即，减少的空气量)，这导致开关磁阻马达15的更有效的操作。

在插入件76已定位在固定装置70上之后，可以执行任何必要的操作以允许或导致结合材料固化或硬化。例如，如果结合材料是热定形环氧树脂，则可以将其上安装有多个导电线36的固定装置70放置在烘箱中以固化环氧树脂。在固化或硬化结合材料时，线36将被固定或保持在其期望的位置和/或线圈具有期望的形状。另外，绝缘包裹物49被固定到线圈35或与其成为一体，并且围绕线圈的主部段42的全部或大部分包绕。在制造过程期间，绝缘包裹物49在施加到线36的结合材料和固定装置70的部分之间提供缓冲或屏障。

在结合材料固化之后，第一凸缘板72，插入件76和端板78可以从固定装置70去除。然后推板75可以从第二凸缘板74推离，如图6中所示，以迫使完全成形的线圈35远离第二凸缘板74并离开芯71。

可以通过将多个整体连续环形铁构件(未示出)堆叠在一起而形成定子16。可以在每个铁构件之间提供绝缘材料层(未示出)。参考图9，通过相对于定子沿着箭头“A”移动线圈以使定子极68滑动通过每个线圈35的中心开口37，可以将线圈35安装在定子66上。在将线圈35滑动到每个定子极18上时，角度48允许每个线圈35的插入端38插入到定子极68上，而不接合或接触安装在相邻定子极上的相邻线圈。换句话说，角度48产生用于相邻线圈35的第一腿部段44穿过的间隙或开口80。第一腿部段44和第二腿部段45的这样的构造允许沿着定子66的空间的有效使用，并且结合材料的使用简化了线圈35在定子极68上的操作和安装。

另外，相邻线圈35的第二腿部段45之间的开口80产生相邻线圈之间的第一通道，并且相邻线圈35的第一腿部段44之间的开口81产生相邻线圈之间的第二通道。在一些情况下，油，空气或另一种冷却流体或介质可以被导引通过相邻线圈35的第一腿部段44之间的通道和相邻线圈的第二腿部段45之间的通道以增强开关磁阻马达15内的冷却。

另外，通过将绝缘包裹物49定位在线圈35的主部段上，在定子16和线圈之间提供绝缘层。

在每个线圈35安装在定子极68上之后，可以施加保持结构(未示出)以将线圈固定就位。线圈可以电连接，并且根据需要执行开关磁阻马达15的进一步处理，例如真空压力浸渍。

线圈35的外表面41的形状可以构造成最大化定子66中的铜填充量。因此，外表面41在附图中被示出为具有彼此成角度的大体平面表面(第一腿部段44和第二腿部段45)。然而，线圈35可以形成有具有弓形表面的外表面41，只要线圈安装在定子极上时它们不干扰相邻线圈。例如，第一和第二腿部段中的一个或两者可以形成有弓形外表面，或者整个外表面41可以形成有连续的弓形表面，因此第一和第二腿部段是连续的。这样的结构可以减少导电线36的数量或体积，但是仍然有助于可接受的性能并且获得本文所述的简化的操作和安装过程的优点。

工业实用性

根据前面的讨论将容易领会本文描述的旋转电气机器的工业实用性。上述讨论适用于诸如开关磁阻马达15的旋转电气机器，其中希望在一系列操作条件下提高旋转电气机器的电效率和性能并简化其制造过程。

通过所公开的线圈35构造和制造线圈的方法，可以实现改善的电性能，效率和减少的铜损。例如，使用本文示出的线圈35的开关磁阻马达15可以通过减小导体的表皮效应和导体内的涡流而显著减少马达中的铜损。此外，线圈35内的铜的较高密度也可以通过减小线组的单独的导电线36之间的空气间隙来改善热导率。减小线36之间的空气空隙的另一益处是局部放电引起的故障的敏感性降低。

通过在线组内相对随机地定位单独的导电线36，通过所公开的结构也减小了接近效应。这部分是由于在线初始围绕芯71包绕之后在插入件76与线圈的外表面接合期间线定位时线的相对松散绞合以及线的横向移动。由于线圈35内的线组的单独的导电线36的相对随机定位，通过所公开的结构减小绞股间循环电流。线组内的导电线36的相对松散绞合也导致在通过插入件76接合线时线圈35内的线的有效体积利用或包装。

另外，线圈35的结构也通过简化在定子极18上安装线圈的过程来改进开关磁阻马达15的制造过程。更具体地，每个线圈35的复合外表面41产生间隙，所述间隙允许线圈的插入端38通过而不接触先前已安装在定子16上的相邻线圈。外表面的形状可以基于定子16的定子极18的数量。此外，通过以一致的形状形成每个线圈35，线圈的电气性能的一致性可以增加。通过减小线圈35之间的电感差异，可以改善线圈之间的电流平衡并且进一步减小线圈间循环电流。

应当领会，前面的描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，预期本公开的其它实现方式可以在细节上与前述示例不同。对本公开或其示例的所有引用旨在引用在那时讨论的特定示例，而不是旨在更一般地暗示对本公开的范围的任何限制。关于某些特征的区别和贬低的所有语言旨在指示对那些特征缺乏偏好，但不将其从本公开的范围完全排除，除非另有说明。

本文中的值范围的叙述仅仅旨在用作单独引用落入该范围内的每个单独值的速记方法，除非在本文中另有说明，并且每个单独值被合并到说明书中，如同其在本文中单独叙述。在本文中描述的所有方法可以以任何合适的顺序被执行，除非在本文中另有说明或者与上下文明显矛盾。

因此，如适用法律所允许的，本公开包括在后附权利要求中叙述的主题的所有修改和等效物。而且，本公开涵盖其所有可能变型中的上述元件的任何组合，除非在本文中另有说明或者与上下文明显矛盾。

Claims (8)

1.一种旋转电气机器，包括：

定子(16)，定子具有带开口槽构造的定子主体，定子主体具有远离定子主体延伸以限定多个定子槽(25)的多个定子极(18)，每个定子槽定位在所述多个定子极的一对定子极之间；

转子(17)，其定位在所述定子内并且具有多个转子极(19)；

多个线圈(35)，每个线圈围绕每个定子极定位，每个线圈具有限定线组的多个导电线(36)，并且所述线组围绕其各自的定子极包绕以限定围绕所述定子极的所述线组的多个匝；每个线圈具有一对主部段(42)和一对次部段(43)，每个次部段互连所述一对主部段，每个主部段邻近相邻线圈的主部段定位，所述线圈还包括接近其相应定子极的内表面(40)，沿着所述一对主部段的复合外表面(41)，大体邻近所述定子主体定位的插入端(38)，以及与所述插入端相对定位的转子端(39)，所述插入端和所述转子端将所述内表面(40)互连到所述复合外表面(41)；

所述复合外表面(41)具有第一腿部段(44)和第二腿部段(45)，所述第一腿部段大体从所述插入端朝向所述转子端延伸，并且所述第二腿部段从所述转子端大体朝向所述第一腿部段延伸，所述第一腿部段和所述第二腿部段彼此成角度(48)；以及

沿着每个线圈的所述一对主部段(42)的部分以限定所述线圈的所述复合外表面(41)的结合材料。

2.根据权利要求1所述的旋转电气机器，其中每个线圈的所述第一腿部段(44)和所述第二腿部段(45)均是大体平面的。

3.根据权利要求1所述的旋转电气机器，其中每个线圈的所述第一腿部段(44)和所述第二腿部段(45)之间的角度(48)在约15度至60度之间。

4.根据权利要求1所述的旋转电气机器，其中每个线圈的所述多个导电线的部分用所述结合材料固定在一起以沿着相应线圈的所述复合外表面(41)保持所述多个导电线的所述部分。

5.根据权利要求1所述的旋转电气机器，其中每个线圈的所述线组沿着每个匝的整个长度以大体均匀的方式绞合。

6.根据权利要求1所述的旋转电气机器，其中每个线圈的所述线组至少沿着所述线圈的所述一对主部段(42)绞合。

7.根据权利要求1所述的旋转电气机器，其中每个定子极在圆周方向上具有大体恒定的宽度。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的旋转电气机器，其中每个线圈大体消除沿着相应线圈的横截面在所述线组的相邻匝之间的均匀空隙。

Images