CN113366729A - 电机结构及工艺 - Google Patents

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Abstract

电机包括转子和操作地联接到转子的内部定子。内部定子还包括具有承载部和多个齿的背铁、围绕背铁缠绕的多个环形线圈、中心轮毂、以及将中心轮毂连接到背铁的多个连接件。背铁由第一材料制成，并且至少一个连接件由不同于第一材料的第二材料制成。

Description

电机结构及工艺
相关申请
本申请要求于2018年10月16日提交的标题为“Electric Machine Structure andTechnology(电机结构及工艺)”的美国临时专利申请No.62/746224的权益，并通过引用合并该临时申请。
背景技术
在包括电动车辆和发动机-发电机(例如发电机组)的各种应用中都使用电机。例如，电动车辆的驱动系统通常包括由直流(DC)电源(例如，主电池)驱动的交流(AC)电动马达。AC电动马达经由执行转换功能以将DC电力转换成AC电力的电力逆变器联接到DC电源。
在一些情况下，电机构造可以包括外部转子和内部定子。定子可以用“环”型线圈缠绕。例如，基本环形线圈(也称为环状线圈)可以围绕内部定子的背铁(也称为轭)形成，并且可以仅位于一个槽中。为了对比，传统绕组可以具有位于至少两个槽中的基本线圈，并且将不会以任何方式包围背铁。具有环形线圈的绕组的一些优点包括易于重新构造(即，其能以各种不同数量的极和/或相工作，极距的概念不再存在)、在高频下表现良好并且与传统方法相比可感知的漏电感更小。然而，这种线圈可能在几何上和电磁上与传统定子结构干涉。
发明内容
根据一个实施方式，本公开提供了一种电机，该电机包括转子和操作地联接到转子的内部定子。内部定子还包括具有承载部和多个齿的背铁、围绕背铁缠绕的多个环形线圈、中心轮毂、以及将中心轮毂连接到背铁的多个连接件。背铁由第一材料制成，并且至少一个连接件由不同于第一材料的第二材料制成。
在一些实施方式中，第一材料可以具有高磁特性，并且第二材料可以具有带有高电阻率的非磁特性。
在一些实施方式中，中心轮毂可以由不同于第一材料和第二材料的第三材料制成。另外，第三材料可以是提供电机所需的刚性和可加工性同时可焊接到第二材料的材料。
在一些实施方式中，中心轮毂的内表面可以被调节成使中心轮毂的轴线与形成在转子和内部定子之间的气隙的轴线对准。
在一些实施方式中，多个线圈中的每一个线圈可以在多个齿之间的槽中围绕承载部缠绕。
在一些实施方式中，多个连接件中的至少一个连接件可以基本上平行于多个环形线圈中的环形线圈。
在一些实施方式中，背铁还可以包括多个突出部，并且多个连接件中的一个连接件可以被焊接到多个突出部中的一个突出部。
在一些实施方式中，背铁还可以包括多个突出部，并且多个连接件中的两个连接件可以被焊接到多个突出部中的单个突出部。
在一些实施方式中，多个连接件的构造可以允许一个或多个焊接设备接近多个连接件之间的空间，以将多个连接件焊接到中心轮毂和背铁。
在一些实施方式中，将中心轮毂连接到背铁可以包括在单个焊接操作中将多个连接件焊接到中心轮毂和背铁。
根据另一实施方式，本公开提供一种电气系统，该电气系统包括电源、操作地连接到电源的逆变器和操作地连接到逆变器的电机。电机还包括转子和操作地联接到转子的内部定子。内部定子包括具有承载部和多个齿的背铁、围绕背铁缠绕的多个环形线圈、中心轮毂、以及将中心轮毂连接到背铁的多个连接件。背铁由第一材料制成，并且至少一个连接件由不同于第一材料的第二材料制成。
在一些实施方式中，第一材料可以具有高磁特性，并且第二材料可以具有带有高电阻率的非磁特性。
在一些实施方式中，中心轮毂可以由不同于第一材料和第二材料的第三材料制成。另外，第三材料可以是提供电机所需的刚性和可加工性同时可焊接到第二材料的材料。
在一些实施方式中，中心轮毂的内表面可以被调节成使中心轮毂的轴线与形成在转子和内部定子之间的气隙的轴线对准。
在一些实施方式中，多个线圈中的每一个线圈可以在多个齿之间的槽中围绕承载部缠绕。
在一些实施方式中，多个连接件中的至少一个连接件可以基本上平行于多个环形线圈中的环形线圈。
在一些实施方式中，背铁还可以包括多个突出部，并且多个连接件中的一个连接件可以被焊接到多个突出部中的一个突出部。
在一些实施方式中，背铁还可以包括多个突出部，并且多个连接件中的两个连接件可以被焊接到多个突出部中的单个突出部。
附图说明
通过参考结合附图对本发明的实施方式的以下描述，本公开的上述和其它特征和优点以及实现它们的方式将变得更加明显，并且本发明本身将被更好地理解，其中：
图1是电机的示例性实施方式的立体图；
图2是图1的电机的横截面图；以及
图3是电机的另一示例性实施方式的横截面图。
在若干视图中，对应的附图标记表示对应的部件。本文阐述的范例示出了本公开的示例性实施方式，并且这样的范例不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
为了促进对本公开的原理的理解，现在参考在附图中示出的实施方式，在下面描述这些实施方式。本文公开的示例性实施方式不旨在是穷举的或将本公开限制到以下详细描述中公开的精确形式。相反，选择和描述这些示例性实施方式是为了使本领域的其它技术人员可以利用它们的教导。
使用术语“联接”、“联接的”及其变型来包括其中两个或更多个部件处于直接物理接触的布置和其中两个或更多个部件彼此不直接接触(例如，部件经由至少第三部件“联接”)但仍彼此配合或交互的布置。
在整个本公开和在权利要求中，使用数字术语(例如第一和第二)指代各种部件或特征。这种使用不是要表示部件或特征的顺序。相反，使用数字术语是为了帮助读者识别所引用的部件或特征，而不应狭义地解释为提供部件或特征的特定顺序。
下面描述来自电气系统的电机的结构。例如，电机包括定子和转子。在本发明中，定子结构允许使用环形绕组的几何和电磁接口最小或没有。另外和/或替代地，使用这种结构允许大规模生产电机。应当理解，本发明的电机可以用作电动车辆、发动机发电车辆和/或插电式混合动力车辆的电气系统的一部分。
现在参考图1，示出了电机100的示例性实施方式。电机100包括内部定子102和转子104。转子104是电机100的运动部件，并且可由任何合适的构造制成，例如但不限于感应构造、永磁体(PM)构造和凸极转子(SR)构造。内部定子102是电机100的固定部件并且包括多个环形线圈106。通常，使用环形线圈可能在几何上和/或电磁上与传统定子发生干涉。然而，在说明性实施方式中，电机100的内部定子116的结构适于避免与环形线圈106发生这种干涉。另外，如下面进一步描述的，内部定子116由三种不同的材料制成：具有高磁特性的第一材料、具有非磁特性的第二材料、以及提供电机102所需的刚性和可加工性同时可焊接到第二材料的第三材料。
内部定子102包括背铁108、围绕背铁108缠绕的多个环形线圈106、多个连接件(例如，辐条)110、以及中心轮毂112。背铁108还包括承载部114和多个齿116。多个环形线圈或绕组(例如，环状线圈)106定位在齿116之间。具体地，环形线圈106围绕承载部114盘绕并且盘绕在齿116之间(例如，环绕承载部114)。换句话说，环形线圈106不是围绕齿116盘绕，而是环形线圈106围绕承载部114缠绕，使得线圈106的第一区段在齿116中的两个齿之间，而线圈的第二区段面向轮毂112。仅为了易于说明，图2示出了环形线圈106被示出仅缠绕在内部定子102的一部分上。在使用中，内部定子102包括围绕整个背铁108(即，在各个齿116之间)的环形线圈106。另外，连接件110适于支撑中心轮毂112和/或将中心轮毂112联接到背铁108。更具体地，连接件110经由多个突出部118联接到背铁108的承载部114。如下面进一步描述的，突出部118的长度可以基于连接件110的构造而变化。中心轮毂112容纳轴承和转子轴(未示出)。
如上所述，内部定子102的部件可以由不同的材料制成。例如，背铁108由第一材料制成，而连接件110由不同于第一材料的第二材料制成。在说明性实施方式中，通过使用两种不同材料用于背铁108和连接件110而将电磁干涉最小化或减小。在一些示例中，背铁108由具有高磁特性的材料制成，例如但不限于硅钢、镍合金、钴合金和/或其它铁基合金。而连接件110由具有带有高电阻率的非磁特性的材料(例如不锈钢)制成，以使寄生损耗最小化。另外，中心轮毂112由分别不同于背铁108和连接件110的第一和第二材料的第三材料制成。中心轮毂112可由提供电机100所需的刚性和可加工性同时可焊接到第二材料的任何材料(例如，合适的结构钢或铸铁)制成。
现在参考图2，示出了图1的电机100的横截面图。如上所述，内部定子102包括背铁108、多个环形线圈106、多个连接件110和毂112。连接件110经由突出部118联接到背铁108，并且中心轮毂112经由连接件110联接到背铁108。另外，环形线圈的主动(active)部分106A定位在齿116之间，而线圈的返回部分106B定位成在连接件110之间面向轮毂112。
应当理解，图2所示的内部定子102的结构(例如，将背铁108操作地联接到中心轮毂112的连接件110的构造)适合于高转矩电机100，该高转矩电机可以是具有极性开关变化的牵引马达。基于500毫米(mm)的气隙直径和200mm的堆叠长度，这种电机100在开始(短时间)时可以产生超过10000牛顿米(Nm)。在该实施方式中，基本环形线圈106可具有大约40匝(例如，AGW14或等效物)。
在电机100的加工或制造期间，连接件110经由突出部118焊接到背铁108。例如，磁路(例如，背铁108)可以由薄的电工钢的堆叠(例如，对于200mm的堆叠为大约800片)制成。因此，突出部118上的焊接部(weld)120适于将堆叠保持在一起。换句话说，如果突出部118被焊接，则不需要其它装置来确保堆叠组装和刚性。应当理解，大多数现代高频电工钢(例如HF-10X)是为了良好的可焊接性而配制的，使得可以通过常规金属惰性气体(MIG)焊接、钨极惰性气体(TIG)焊接或电弧机来进行组装。另外，连接件110被焊接到中心轮毂112，从而将中心轮毂112连接到背铁108。
应当理解，连接件110的构造允许一个或多个焊接设备(例如，焊接头和/或机器人)接近连接件110之间的空间，以将连接件110焊接到中心轮毂112和背铁108。例如，多个焊接头可以接近连接件110之间的空间，以在单个焊接操作中将多个连接件110焊接到中心轮毂112和背铁108(即，同时形成焊接部120)。这允许热量被均匀地施加到中心轮毂112和背铁108，使得它们不会扭曲或引入内部应力。
一旦形成了焊接部120，则要对电机100执行的最后加工操作是加工中心轮毂112的内(例如，内部)表面122。可以为了在中心轮毂112的轴线和形成在内部定子102和转子104之间的气隙的轴线之间获得真正同轴而执行这一操作。另外和/或替代地，可以为了补偿在连接件110的焊接过程中可能发生的误差而执行这一操作。
现在参考图3，示出了电机200的另一实施方式的横截面图。应当理解，电机200类似于图1和图2的电机100。还应当理解，除了连接件的构造和突出部的长度不同以允许电机200在高频应用中使用之外，内部定子202类似于图1和图2的内部定子102。
在该实施方式中，内部定子202的每个突出部218朝向轮毂112进一步向内延伸(即，内部定子202的突出部218比内部定子102的突出部118长)，并且该每个突出部用作两个基本对称的连接件210的组件。由于连接件210的结构，线圈绕组106被定位成基本上平行于连接件210的一部分。这使得齿116之间的每个槽中的线圈绕组106与图1和图2中所示的电机100的线圈绕组相比具有更少的匝数(例如，三到四匝)，从而相对于电机100减小了电机200的总重量。应当理解，线圈绕组106可以由扁平导体制成。应当理解，较少的匝数和使用扁平导体作为线圈绕组106可以减轻由高频电流产生的特定效应。
尽管已经将本发明描述为具有示例性设计，但是可以在本公开的精神和范围内对本发明进一步修改。因此，本申请旨在覆盖使用本发明的一般原理的本发明的任何变化、使用或修改。此外，本申请旨在覆盖在本发明所属领域的已知或惯例实践内的并且落入所附权利要求的限制内的与本公开的偏离。
此外，本文包含的各图中所示的连接线旨在表示各元件之间的示例性功能关系和/或物理联接。应当注意，在实际系统中可以存在许多替代或附加的功能关系或物理连接。然而，益处、优点、问题的解决方案以及可以引起任何益处、优点或解决方案发生或变得更加显著的任何元素不应被解释为关键的、必需的或基本的特征或元素。因此，本发明的范围不受除了所附权利要求之外任何的限制，其中除非明确说明，否则以单数形式提及元件并不意味着“一个且仅一个”，而是“一个或多个”。
此外，在权利要求中使用与“A、B或C中的至少一者”类似的短语的情况下，该短语旨在被解释为意味着在一个实施方式中可以只存在A，在一个实施方式中可以只存在B，在一个实施方式中可以只存在C，或者在单个实施方式中可以存在元件A、B或C的任意组合；例如A和B、A和C、B和C、或A和B和C。
本文提供了系统、方法和设备。在本文的详细描述中，对“一个实施方式”、“实施方式”、“示例实施方式”等的引用指示所描述的实施方式可包括特定特征、结构或特性，但每个实施方式可不一定包括该特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定是指相同的实施方式。此外，当结合实施方式描述特定特征、结构或特性时，认为结合无论是否明确描述的其它实施方式，利用本公开的益处而影响这样的特征、结构或特性是在本领域技术人员的知识范围内的。在阅读了本说明书之后，相关领域的技术人员将清楚如何在替代实施方式中实现本公开。
此外，本公开中的元件、部件或方法步骤都不是专用于公众的，无论该元件、部件或方法步骤是否在权利要求中明确叙述。如本文所使用的，术语“包括”、“包含”或其任何其它变化形式旨在覆盖非排他性的包括，使得包括一系列元件的过程、方法、物品或设备不仅包括那些元件，而且可以包括未明确列出的或对于这样的过程、方法、物品或设备固有的其它元件。

Claims (20)

1.一种电机，所述电机包括：
转子；以及
内部定子，所述内部定子操作地联接到所述转子，其中，所述内部定子包括：
背铁，所述背铁具有承载部和多个齿；
多个环形线圈，所述多个环形线圈围绕所述背铁缠绕；
中心轮毂；以及
多个连接件，所述多个连接件被构造成将所述中心轮毂连接到所述背铁，
其中，所述背铁由第一材料制成，并且至少一个连接件由不同于所述第一材料的第二材料制成。
2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述第一材料具有高磁特性，并且所述第二材料具有带有高电阻率的非磁特性。
3.根据权利要求1所述的电机，其中，所述中心轮毂由不同于所述第一材料和所述第二材料的第三材料制成。
4.根据权利要求3所述的电机，其中，所述第三材料是提供所述电机所需的刚性和可加工性同时能够焊接到所述第二材料的材料。
5.根据权利要求1所述的电机，其中，所述中心轮毂的内表面被调节成使所述中心轮毂的轴线与形成在所述转子和所述内部定子之间的气隙的轴线对准。
6.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个线圈中的每一个线圈在所述多个齿之间的槽中围绕所述承载部缠绕。
7.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个连接件中的至少一个连接件基本上平行于所述多个环形线圈中的环形线圈。
8.根据权利要求1所述的电机，其中，所述背铁还包括多个突出部，其中，所述多个连接件中的一个连接件被焊接到所述多个突出部中的一个突出部。
9.根据权利要求1所述的电机，其中，所述背铁还包括多个突出部，其中，所述多个连接件中的两个连接件被焊接到所述多个突出部中的单个突出部。
10.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个连接件的构造允许一个或多个焊接设备接近所述多个连接件之间的空间，以将所述多个连接件焊接到所述中心轮毂和所述背铁。
11.根据权利要求1所述的电机，其中，将所述中心轮毂连接到所述背铁包括在单个焊接操作中将所述多个连接件焊接到所述中心轮毂和所述背铁。
12.一种电气系统，所述电气系统包括：
电源；
逆变器，所述逆变器操作地联接到所述电源；以及
电机，所述电机操作地联接到所述逆变器，其中，所述电机还包括：
转子；以及
内部定子，所述内部定子操作地联接到所述转子，其中，所述内部定子包括：
背铁，所述背铁具有承载部和多个齿；
多个环形线圈，所述多个环形线圈围绕所述背铁缠绕；
中心轮毂；以及
多个连接件，所述多个连接件被构造成将所述中心轮毂连接到所述背铁，
其中，所述背铁由第一材料制成，并且至少一个连接件由不同于所述第一材料的第二材料制成。
13.根据权利要求12所述的电气系统，其中，所述第一材料具有高磁特性，并且所述第二材料具有带有高电阻率的非磁特性。
14.根据权利要求12所述的电气系统，其中，所述中心轮毂由不同于所述第一材料和所述第二材料的第三材料制成。
15.根据权利要求14所述的电气系统，其中，所述第三材料是提供所述电机所需的刚性和可加工性同时能够焊接到所述第二材料的材料。
16.根据权利要求12所述的电气系统，其中，所述中心轮毂的内表面被调节成使所述中心轮毂的轴线与形成在所述转子和所述内部定子之间的气隙的轴线对准。
17.根据权利要求12所述的电气系统，其中，所述多个线圈中的每一个线圈在所述多个齿之间的槽中围绕所述承载部缠绕。
18.根据权利要求12所述的电气系统，其中，所述多个连接件中的至少一个连接件基本上平行于所述多个环形线圈中的环形线圈。
19.根据权利要求12所述的电气系统，其中，所述背铁还包括多个突出部，其中，所述多个连接件中的一个连接件被焊接到所述多个突出部中的一个突出部。
20.根据权利要求12所述的电气系统，其中，所述背铁还包括多个突出部，其中，所述多个连接件中的两个连接件被焊接到所述多个突出部中的单个突出部。
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