CN114765390A

CN114765390A - 环氧树脂-铁混合物定子绝缘衬系统

Info

Publication number: CN114765390A
Application number: CN202210036161.0A
Authority: CN
Inventors: 弗朗哥·伦纳迪; 朱乐易
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2022-07-19
Also published as: DE102022100759A1; US11482902B2; US20220231560A1

Abstract

本公开提供了“环氧树脂‑铁混合物定子绝缘衬系统”。一种定子包括被布置成限定多个狭槽的芯和包覆成型的中间部段；以及缠绕在狭槽内的多个导体。中间部段的紧邻狭槽的部分具有嵌入其中的铁颗粒，使得所述部分的磁导率大于中间部段的没有铁颗粒的其他部分。

Description

环氧树脂-铁混合物定子绝缘衬系统

技术领域

本公开涉及经由使用传递成型的中间部段来控制定子与定子线圈之间的磁导率。

背景技术

用于诸如电池电动车辆和插电式混合动力车辆等电动车辆的扩展驾驶里程技术不断地增加对用于车辆推进的电机的要求。实现增加的驾驶里程可能需要牵引电池和电机具有更高的功率输出。实现更高的功率输出的一种方式是增加定子(电机的部件)的磁通承载能力，从而增加其扭矩产生能力。

发明内容

一种电机包括定子，所述定子具有被布置成限定多个狭槽的芯和包覆成型的中间部段；以及缠绕在狭槽内的多个导体。中间部段的紧邻狭槽的部分具有嵌入其中的铁颗粒，使得所述部分的磁导率大于中间部段的没有铁颗粒的其他部分。

一种定子包括芯和包覆成型的中间部段。芯和包覆成型的中间部段被布置成限定多个狭槽。定子还包括缠绕在狭槽内的多个导体。中间部段的紧邻狭槽的部分包括嵌入其中的铁磁颗粒。定子还包括设置在导体与定子的内径表面之间的多个非磁性楔形件。

一种定子包括芯和包覆成型的中间部段。芯和包覆成型的中间部段被布置成限定多个狭槽。定子还包括缠绕在狭槽内的多个导体。中间部段的紧邻狭槽的部分包括嵌入其中的金属颗粒。

附图说明

图1是示例性电动车辆的示意图。

图2是拆卸的定子的分解组装图。

图3是常规定子狭槽的平面图。

图4是传递成型的中间部段的透视图。

图5是定子的一部分的横截面视图。

图6是环氧树脂-铁混合物的磁通密度对磁场强度的曲线图。

具体实施方式

所公开的实施例仅仅是示例并且其他实施例可以呈现各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可以被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而仅应解释为用于教导本领域技术人员以不同方式采用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任一者示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征组合以产生未明确地示出或描述的实施例。所示特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或实施方式，可能期望与本公开的教导一致的对特征的各种组合和修改。

除非上下文另外明确指明，否则如说明书和所附权利要求中所使用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数个指示物。例如，以单数形式提及部件意图包括多个部件。

当一个元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“接合到”另一个元件或层、“连接到”另一个元件或层、或者“联接到”另一个元件或层时，其可以直接在另一个元件或层上、接合、连接或联接到另一个元件或层，或者可以存在中间元件或中间层。相比之下，当一个元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接接合到”另一个元件或层、“直接连接到”另一个元件或层或者“直接联接到”另一个元件或层时，可能不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应以类似方式解译(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一者或多者的任何和所有组合。

使用牵引马达驱动进行推进的车辆被称为电动车辆(EV)。存在三种主要类别的电动车辆。这三个类别(按其电力消耗的程度限定)是：电池电动车辆(BEV)、混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)。电池电动车辆通常使用外部电网来对其内部电池再充电并为其电动马达供电。混合动力电动车辆使用主内燃发动机和辅助补充电池来为其马达供电。与混合动力电动车辆相比，插电式混合动力电动车辆使用主大容量电池和辅助内燃发动机来为其马达提供动力。一些插电式混合动力电动车辆也可以仅依靠其内燃发动机运行而无需接合马达。

电动车辆通常包括一个或多个电机。电机可以被称为电动马达、牵引马达或发电机等。电机可以是永磁电机或感应电机。取决于工况，电机可能能够作为马达或发电机工作。例如，电机可以提供用于车辆推进的扭矩，或者用作发电机以使用再生制动技术将机械动力转换成电力。电机还可以提供减少的污染物排放，因为电动车辆可以以电动模式或混合动力模式操作以减少车辆燃料消耗。虽然本公开是在电动车辆的背景下描述的，但是应当理解，其可以与非汽车应用结合使用。例如，所公开的电机可以在制造设备或发电机器中使用。

图1描绘了混合动力电动车辆(“HEV”)112。HEV 112包括电动化推进系统，所述电动化推进系统具有机械地联接到混合动力变速器(未示出)的一个或多个电机114。另外，混合动力变速器机械地联接到内燃发动机118(即，ICE)。电机114被布置成在发动机118操作或关闭时提供推进扭矩以及减速扭矩能力。当发动机118关闭时，HEV 112可以在纯电动行驶模式下使用电机114作为唯一推进源进行操作。混合动力变速器还机械地联接到行车轮，以从电机114和/或燃烧发动机118输出扭矩。

牵引电池或电池组124存储可以用于对电机114供电的能量。电池组124提供高压直流(DC)输出。一个或多个接触器142可以在断开时将牵引电池124与DC高压总线154A隔离，而在闭合时将牵引电池124耦合到DC高压总线154A。牵引电池124经由DC高压总线154A电耦合到一个或多个电力电子模块126。电力电子模块126还电耦合到电机114，并且提供在AC高压总线154B与电机114之间双向传递能量的能力。根据一些示例，牵引电池124可以提供DC电流，而电机114使用三相交流电(AC)进行操作。电力电子模块126可以将DC电流转换为三相AC电流以操作电机114。在再生模式中，电力电子模块126可以将来自充当发电机的电机114的三相AC电流输出转换为与牵引电池124兼容的DC电压。本文中的描述同样适用于不具有燃烧发动机的纯电动车辆。

除了提供用于推进的能量之外，牵引电池124还可以为其他车辆电气系统提供能量。车辆112可以包括电耦合到高压总线154的DC/DC转换器模块128。DC/DC转换器模块128可以电耦合到低压总线156。DC/DC转换器模块128可以将牵引电池124的高压DC输出转换为与低压车辆负载152兼容的低压DC供应。低压总线156可以电耦合到辅助电池(例如，12V电池)。低压负载152可以电耦合到低压总线156。低压负载152可以包括车辆112内的各种控制器。一个或多个高压电气负载158可以耦合到高压总线154。高压电气负载158还可以包括压缩机和电加热器。

车辆112的牵引电池124可以由车外电源136进行再充电。车外电源136可以是通向电气插座的连接。外部电源136可以电耦合到充电器或另一类型的电动车辆供电装备(EVSE)138。车外电源136可以是由电力公用事业公司提供的配电网络或电网。EVSE 138提供电路和控制件以用于调节和管理能量在电源136与车辆112之间的传递。车外电源136可以向EVSE 138提供DC或AC电力。EVSE 138可以具有用于插入到车辆112的充电端口162中的充电连接器160。充电端口162可以电耦合到车载电力转换模块或充电模块164。充电模块164可以调节从EVSE 138供应的电力以向牵引电池124提供适当的电压和电流水平。

所讨论的各种部件可以具有一个或多个相关联的控制器，以控制、监测和协调部件的操作。控制器可以经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由分立的导体进行通信。另外，可以提供车辆系统控制器148以协调各个部件的操作，诸如管理去往和来自一个或多个电机的电流。

电机可以包括例如用于推进电动车辆的定子和转子。图2描绘了拆卸的定子200的分解图。定子200可以包括具有前侧和后侧的多个叠片(未示出)。当堆叠时，前侧和后侧抵靠相邻的前侧和后侧设置以形成定子芯202。每个叠片还包括外径(或外壁)和内径(或内壁)。外径协作以限定定子200的外表面，并且内径协作以限定空腔204。

定子芯202可以包括围绕定子芯202的圆周间隔开的多个狭槽206。多个绕组(也称为线圈、导线或导体)208可以缠绕在定子200上并且设置在定子狭槽206内。绕组208可以以蜿蜒方式布线遍及狭槽206以形成一个或多个绕组路径以通过定子200传输电流。基于绕组208的布置，绕组的部分可以从定子芯202的端面210突出。在一些具体示例中，绕组208包括铜发卡绕组，所述铜发卡绕组布线在整个铁合金定子芯中。多个单独的发卡可以轴向地插入穿过狭槽206，并且具有突出超过端面210以邻接相邻狭槽中的发卡的端部。

定子200还可以包括围绕定子芯202形成的包覆成型的中间部段212。中间部段212可以由聚合物材料原位注塑成型，以便匹配定子芯202的形状和特征。中间部段212还可以包括狭槽216，所述狭槽被布置成对应于定子芯202的限定用于容纳绕组208的基本上为矩形的狭槽的狭槽206。在一些实施例中，所使用的聚合物材料可以是环氧树脂。

当电机作为马达操作时，供应到绕组208的电流产生促使转子旋转的机电场。当电机作为发电机操作时，在绕组208中由转子的惯性旋转产生电流，并且能量可以存储在电池中和/或用于为其他车辆部件供电。在电机作为马达和发电机两者的操作期间，可以在整个定子芯202和绕组208中产生热量。该热量可以使用冷却介质(例如，通过使变速器油或其他合适的冷却介质循环)来从电机去除。冷却介质(或冷却剂)降低绕组208和定子芯202的温度，从而允许定子促进较高电流负载的通过而不会引起不期望的发热程度。

热管理总成可以用于促进冷却介质。因此，电机可以包括热管理总成，所述热管理总成将油或其他介电流体引入到电机的用于冷却目的的部分。在一些示例中，油可以滴落或喷洒到电机的导线或绕组上。然而，施加到绕组的冷却剂流的不均匀性可能降低冷却效率。替代地，可以提供空气冷却的热管理总成以帮助管理电机的热状况。气流冷却可能需要风扇或鼓风机与端部绕组流体流动连接以将空气推向所述端部绕组以用于冷却目的。这种配置还可能需要消耗封装空间的附加部件，诸如风道。

为了解决这些缺点，可以提供封闭的冷却剂通道总成以帮助管理电机的绕组的热状况。在一些具体示例中，封闭的冷却剂通道总成可以由一个或多个注塑成型的聚合物部件形成并安装到定子。在一些实施例中，封闭的冷却剂通道总成由注塑成型的聚合物形成。封闭的冷却剂通道总成可以限定内部空腔，所述内部空腔被布置成引导冷却剂流与绕组208热连通。在一些实施例中，例如，一对端盖214可以设置在定子200的端面210附近。端盖214和定子芯202可以相对于彼此布置，以在其间形成流体密封，并且使得被导引通过通道的冷却剂容纳在其中。在一些实施例中，端盖214可以包括用于从贮存器或其他源接收冷却剂流的一个或多个入口端口218，以及用于从电机热管理系统排出冷却剂的一个或多个出口端口220。冷却剂流入定子200允许从突出超过定子芯202的端面210的绕组208的端部部分移除热量。

由于这些增强的冷却能力可以提高排热效率，因此定子可以能够适应附加的电流负载而没有热劣化问题。例如，定子齿(即，芯的与定子狭槽直接相邻的部分)可以制造得更大，以增加定子的磁通承载能力。然而，较大的定子齿可能会使狭槽收缩并减少导体可用的空间。导体可用的空间较小可能意味着材料(诸如直接有助于扭矩产生的铜)更少。此外，通常用于在导体(诸如铜)与芯(诸如硅钢芯)之间提供隔离的狭槽绝缘衬可能进一步减小狭槽中的可用空间。

例如，图3示出了常规定子300，所述常规定子包括至少一个绕组302、至少一个定子狭槽304和至少一个狭槽绝缘衬306，以在至少一个绕组302与定子300之间提供绝缘。至少一个狭槽绝缘衬306可以由多层专用纸、塑料等制成，以获得最优的介电强度和机械强度。为了使效率最大化，通常仅留下插入导体302所需的最小间隙作为自由空间。

为了补救上述潜在问题中的一个或多个，可以将铁磁材料添加到上面讨论的传递成型的中间部段(包覆成型的中间部段)。在一些实施例中，铁磁材料可以是铁粉。传递成型的中间部段可以由注塑成型的聚合物形成。在一些实施例中，注塑成型的聚合物可以是环氧树脂。因此，在一些实施例中，传递成型的中间部段可以由环氧树脂-铁混合物制成。环氧树脂-铁混合物的高磁导率可以增加定子的磁通承载能力，进而增加定子的扭矩产生能力。在一些实施例中，环氧树脂-铁中间部段可以代替常规的狭槽绝缘衬。因此，先前仅专用于导体与芯之间的绝缘的狭槽绝缘衬的空间可以用环氧树脂-铁混合物传递成型的中间部段代替，与先前使用的狭槽绝缘衬不同，所述中间部段可以充当磁路的有源部件。

图4示出了传递成型的中间部段404(也称为包覆成型的中间部段)的透视图。传递成型的中间部段404可以由纯聚合物形成。在一些实施例中，传递成型的中间部段404可以由聚合物(或多种聚合物)和铁磁材料(或多种铁磁材料)的组合形成。在一个实施例中，用于形成传递成型的中间部段404的聚合物可以是环氧树脂。在一个实施例中，用于浸渍(掺杂)聚合物成分的铁磁材料可以是铁粉。虽然本公开可以将传递成型的中间部段称为环氧树脂-铁成型件，但是应当理解，本公开不限于该特定实施例/材料。更确切地，聚合物和铁磁材料以及本公开的其他部件的选择取决于具体应用和条件。例如，在一些实施例中，本公开的用铁磁材料浸渍的聚合物可以是硅树脂、聚氨酯、酚醛树脂或其任何组合。类似地，在本公开的一些实施例中，用于浸渍聚合物的铁磁材料可以是铁硅合金、镍、钴或其任何组合。

图4的传递成型的中间部段404可以包括多个狭槽406，所述多个狭槽被布置成对应于定子芯(未示出)的用于容纳绕组(未示出)的狭槽。传递成型的中间部段404还可以包括多个非磁性楔形件414，所述多个非磁性楔形件设置在狭槽406的靠近定子中心的短端处，使得一旦组装，非磁性楔形件414就可以设置在导体与定子的内径表面之间。一旦组装好，联接到传递成型的中间部段404的楔形件414就可以完全包住绕组。在一些实施例中，楔形件414可以与导体直接接触。楔形件414可以在两步过程中被传递成型到中间部段404，或者在传递成型之前作为单独的楔形件插入。在一些实施例中，楔形件414可以是塑料的。在一些实施例中，非磁性楔形件414的紧邻导体的宽度大于非磁性楔形件414的邻近内径表面的宽度。在一些实施例中，传递成型的中间部段404的材料可以不同于非磁性楔形件414的材料。

在一些实施例中，包覆成型的中间部段404可以由环氧树脂-铁混合物形成。在一些实施例中，环氧树脂包覆成型的中间部段的一些部分可以不含铁颗粒，以避免不必要地增加狭槽泄漏电感。换句话说，聚合物包覆成型件的铁磁浸渍可以是均匀的或不均匀的。在一些实施例中，包覆成型的中间部段404的紧邻狭槽406的部分可以具有嵌入其中的铁颗粒，使得这些部分的磁导率大于包覆成型的中间部段404的没有铁颗粒的其他部分。

图5示出了定子400的子部段的横截面视图，其示出了多个定子狭槽402的详细视图。在一些实施例中，包覆成型的中间部段404可以包括对应于共同限定多个定子狭槽402的多个定子芯狭槽408的多个包覆成型的中间部段狭槽406。因此，定子狭槽402可以由包覆成型的中间部段404到定子芯410的联接限定。在诸如图5所示的一些实施例中，包覆成型的中间部段404可以由铁磁掺杂的聚合物形成。在一些实施例中，包覆成型的中间部段404可以由环氧树脂-铁混合物形成。在一些实施例中，定子芯410可以完全围绕环氧树脂-铁包覆成型的中间部段404。此外，在一些实施例中，环氧树脂-铁包覆成型的中间部段404可以完全围绕至少一个导体(线圈或绕组)412，使得至少一个导体412与定子芯410绝缘。在一些实施例中，包覆成型的中间部段404还可以包括设置在定子狭槽402的靠近定子400的中心的短端处的多个非磁性楔形件414。换句话说，多个非磁性楔形件414可以设置在导体412与定子400的内径表面之间。

在诸如图5所示的一些实施例中，可以由环氧树脂-铁混合物形成的包覆成型的中间部段404可以代替通常由专用纸制成的常规狭槽绝缘衬。因此，本公开的一个优点可以是用环氧树脂-铁包覆成型的中间部段404替换狭槽绝缘衬可以使导体412与定子芯410之间的热传递得到改进。这可能是因为环氧树脂-铁混合物的热导率大于常规的狭槽绝缘衬。实际上，环氧树脂-铁混合物的热导率可能大于纯环氧树脂的热导率。

图6示出了环氧树脂-铁混合物的磁通密度对磁场强度的图表。已经测得具有94重量％(94wt％)的铁的环氧树脂-铁混合物的铁磁性质。简而言之，磁通密度是由于施加的磁场强度引起的磁感应量。磁场强度是磁化力的量。饱和是指外部磁场的增加不再增加材料的磁化时的状态。预期环氧树脂-铁混合物在1.36特斯拉下饱和。环氧树脂-铁混合物中的铁负载水平确保混合物是电绝缘的。

尽管上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。

如先前描述，各个实施例的特征可以组合以形成可能未明确描述或示出的其他实施例。尽管各种实施例可能已经被描述为就一个或多个期望的特性而言提供优点或优于其他实施例或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员认识到，可以折衷一个或多个特征或特性以实现期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实施方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，描述为关于一个或多个特性而言不如其他实施例或现有技术实施方式那样期望的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。

根据本发明，提供了一种电机，所述电机具有定子，所述定子包括被布置成限定多个狭槽的芯和包覆成型的中间部段，以及缠绕在狭槽内的多个导体，其中中间部段的紧邻狭槽的部分具有嵌入其中的铁颗粒，使得所述部分的磁导率大于中间部分的没有铁颗粒的其他部分。

根据一个实施例，包覆成型的中间部段的材料是环氧树脂。

根据一个实施例，定子还包括设置在导体与定子的内径表面之间的多个非磁性楔形件。

根据一个实施例，非磁性楔形件的材料是塑料。

根据一个实施例，非磁性楔形件的邻近导体的宽度大于非磁性楔形件的邻近内径表面的宽度。

根据一个实施例，包覆成型的中间部段的材料不同于非磁性楔形件的材料。

根据本发明，提供了一种定子，其具有：芯；包覆成型的中间部段，其中芯和包覆成型的中间部段被布置成限定多个狭槽；缠绕在狭槽内的多个导体，其中中间部段的紧邻狭槽的部分包括嵌入其中的铁磁颗粒；以及多个非磁性楔形件，其设置在导体与定子的内径表面之间。

根据一个实施例，铁磁颗粒是铁或铁合金。

根据一个实施例，非磁性楔形件的材料是塑料。

根据一个实施例，包覆成型的中间部段的材料是环氧树脂。

根据本发明，提供了一种定子，其具有：芯；包覆成型的中间部段，其中芯和包覆成型的中间部段被布置成限定多个狭槽；以及缠绕在狭槽内的多个导体，其中中间部段的紧邻狭槽的部分包括嵌入其中的金属颗粒。

根据一个实施例，金属颗粒沿着狭槽均匀地分布。

根据一个实施例，金属颗粒是铁或铁合金粉末。

根据一个实施例，非磁性楔形件的材料是塑料。

根据一个实施例，非磁性楔形件与导体中的一些直接接触。

Claims

1.一种电机，其包括：

定子，其包括被布置成限定多个狭槽的芯和包覆成型的中间部段，以及缠绕在所述狭槽内的多个导体，其中所述中间部段的紧邻所述狭槽的部分具有嵌入其中的铁颗粒，使得所述部分的磁导率大于所述中间部段的没有所述铁颗粒的其他部分。

2.如权利要求1所述的电机，其中所述包覆成型的中间部段的材料是环氧树脂。

3.如权利要求1所述的电机，其中所述定子还包括设置在所述导体与所述定子的内径表面之间的多个非磁性楔形件。

4.如权利要求3所述的电机，其中所述非磁性楔形件的材料是塑料。

5.如权利要求3所述的电机，其中所述非磁性楔形件的邻近所述导体的宽度大于所述非磁性楔形件的邻近所述内径表面的宽度。

6.如权利要求3所述的电机，其中所述包覆成型的中间部段的材料不同于所述非磁性楔形件的材料。

7.一种定子，其包括：

芯；

包覆成型的中间部段，其中所述芯和所述包覆成型的中间部段被布置成限定多个狭槽；

缠绕在所述狭槽内的多个导体，其中所述中间部段的紧邻所述狭槽的部分包括嵌入其中的铁磁颗粒；以及

多个非磁性楔形件，其设置在所述导体与所述定子的内径表面之间。

8.如权利要求7所述的定子，其中所述铁磁颗粒是铁。

9.如权利要求7所述的定子，其中所述非磁性楔形件的材料是塑料。

10.如权利要求7所述的定子，其中所述包覆成型的中间部段的材料是环氧树脂。

11.如权利要求7所述的定子，其中所述非磁性楔形件的邻近所述导体的宽度大于所述非磁性楔形件的邻近所述内径表面的宽度。

12.如权利要求7所述的定子，其中所述包覆成型的中间部段的材料不同于所述非磁性楔形件的材料。

13.一种定子，其包括：

芯；

包覆成型的中间部段，其中所述芯和所述包覆成型的中间部段被布置成限定多个狭槽；以及

缠绕在所述狭槽内的多个导体，其中所述中间部段的紧邻所述狭槽的部分包括嵌入其中的金属颗粒。

14.如权利要求13所述的定子，其中所述金属颗粒沿着所述狭槽均匀地分布。

15.如权利要求13所述的定子，其中所述定子还包括设置在所述导体与所述定子的内径表面之间的多个非磁性楔形件。