CN115208105A - 具有打印的端部线匝的定子及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了用于制造具有3D打印的端部线匝的定子的方法和布置。定子包括具有半封闭槽的定子叠层堆垛。平直的I‑pin导线节段被容纳在定子叠层堆垛的槽中并且形成定子绕组布置的槽内节段。绕组布置的端部线匝由导电材料提供，该导电材料是在平直的I‑pin的两个轴向端部处3D打印的材料。端部线匝产生了具有互锁的菱形线圈的绕组布置。端部线匝的3D打印实现了该绕组布置，因为该绕组布置被构造为使其不能在径向方向上(即，通过内径或外径处的任何槽开口)插入到叠层堆垛中。

Description

具有打印的端部线匝的定子及其制造方法

技术领域

本发明涉及电机领域，更具体地涉及用于绕组布置的端部线匝连接部。

背景技术

绕组布置通常通过定子芯体内径处的开口被插入到定子的槽中。然而，通过内径插入导体限制了绕组布置的构造。提供一种构造不局限于可通过内径插入的构造的绕组布置将是有利的。与此相关，提供一种制造这样的绕组布置的方法也将是有利的。

发明内容

在至少一个实施方式中，一种用于电机的定子包括具有多个槽的芯体以及位于芯体上的绕组布置。该绕组布置包括(i)位于定子芯体的槽中的多个轴向导体以及(ii)具有位于芯体的端部上的多个打印的端部线匝的打印的绕组头部。每个打印的端部线匝都在一对轴向导体之间延伸。

在至少一个实施方式中，一种用于电机的定子包括限定了多个槽的定子芯体以及具有位于定子芯体周围的多个线圈的绕组布置。每个线圈都包括槽内节段和头部节段，该头部节段限定了端部线匝节段和线圈引线。每个线圈都位于绕组布置中的对应的相邻线圈的旁边。每个线圈的头部节段和对应的相邻线圈的头部节段被互锁，使得每个线圈的一个头部节段在径向上位于对应的相邻线圈的线圈引线的内侧并且在径向上位于对应的相邻线圈的头部节段的外侧。

本文还公开了一种形成用于电机的绕组布置的方法，该方法包括将多个轴向导体插入到定子芯体的槽中。该方法还包括打印位于定子芯体的端部上的端部线匝，其中每个打印的端部线匝都在定子芯体的槽中的一对轴向导体之间延伸。

附图说明

图1是包括具有位于定子芯体的端部处的打印的绕组头部的绕组布置的定子的立体图。

图2是图1的定子芯体与绕组布置分离的立体图，该定子芯体包括半封闭槽开口。

图3是图1的绕组布置的菱形线圈的立体图，该线圈包括槽内节段、端部线匝和线圈引线。

图4是图1的定子芯体在导体位于定子芯体的槽中时的剖视图，其中明暗不同的导体表示绕组布置的不同相位。

图5是示例性I-pin的立体图，其提供了图1的绕组布置中的每个菱形线圈的一个槽内节段。

图6是图1的定子芯体的相对的端部处的3D打印的第二绕组头部的立体图，其中该绕组头部被打印为使得打印的铜从图5的I-pin的一个端部伸出。

图7是图1的定子的立体图，其中仅示出了绕组头部的导体的一部分，以说明每个线圈与相邻线圈之间的互锁关系。

图8是图7的定子的一个端部处的绕组头部中的两个相邻线圈的放大图，以进一步说明两个相邻线圈之间的互锁关系。

图9是制造具有打印的绕组头部的绕组布置20的方法的框图。

具体实施方式

本文公开了一种用于电机的定子。如图1所示，定子10包括定子芯体12，其中绕组布置20位于定子芯体12上。绕组布置20包括多个槽内导体32和打印的绕组头部34。打印的绕组头部34包括在槽内导体32之间延伸的端部线匝40。槽内导体32和端部线匝40一起形成被互锁并保持在定子芯体12上的多个导电线圈30。

定子芯体

图2示出了与绕组布置20分离的定子芯体12的视图。定子芯体12包括铁磁材料并且通常由冲压且堆叠在一起形成叠层堆垛(lamination stack)的多个钢片形成。定子芯体12通常是由中心轴线18限定的圆柱形，并且包括内周表面和外周表面。内周表面限定了定子的内径(ID)。外周表面限定了定子的外径(OD)。

多个齿14形成在定子芯体12的内部上并且向内指向中心轴线18。每个齿14都在径向上向内延伸并终止于内周表面处。轴向槽16在齿14之间形成在定子芯体12中。每个槽16都被限定在两个相邻的齿之间，使得两个相邻的齿形成一个槽的两个相对的径向壁。齿14和槽16全都从芯体的第一端部26延伸至第二端部28。

槽16可沿着定子芯体12的内周表面是打开的、封闭的或半封闭的。当槽16是半封闭的时，每个槽16都在内周表面处具有比径向上更朝外的位置(即，更靠近外周表面的槽位置)更小的宽度。除了穿过内周表面的用于槽16的开口(即，对于打开的和半封闭的槽)之外，还在定子芯体12的相对的端部26、28设置用于槽的开口。

如图1所示，定子芯体12被构造为在定子芯体12的槽16内保持绕组布置20。在至少一个实施方式中，绕组布置20由被保持在槽16内的多个互连的线圈形成。这些线圈包括形成环的多个铜或其他的导电材料的节段。这些环通常延伸穿过槽并缠绕在芯体的齿上。

绕组布置的线圈

现在参照图3，与绕组布置分离地示出了绕组布置20的其中一个线圈30。如图3所示，每个线圈都是菱形线圈，其包括多个平直的槽内导体32、多个3D打印的端部线匝40以及多个3D打印的线圈引线50。将从图3认识到的是，具有这些部分32、40和50的线圈可大体上被认为具有菱形形状。平直的槽内导体32(其在本文中也可被称为“槽内节段”)穿过槽16从芯体12的一个端部延伸至芯体的相对的端部。槽内节段32的两个组合32a和32b与每个线圈30相关联。槽内节段32的每个组合32a、32b延伸穿过芯体的不同的槽。每个组合32a、32b中包括多个槽内节段。在图3的实施方式中，每个组合32a、32b包括四个槽内节段32。这四个槽内节段在槽16内设置为单个纵列。每个槽都被构造为在该槽的多个层中保持一定数量的槽内节段。在至少一个实施方式中，槽16被构造为保持数量为每个组合32a、32b的导体数量的两倍的槽内节段32(例如，每个组合32a、32b包括四个槽内导体32，并且每个槽都被构造为保持八个槽内导体)。

图4示出了定子10的剖视图，其中槽内节段32分层设置在定子芯体12的槽16中。如图4所示，八个槽内节段32位于定子芯体12的每个槽16中。示例性线圈的槽内节段的第一组合32a以第一圆圈指出，并且同一个线圈的槽内节段的第二组合32b以第二圆圈指出。虽然图4示出了导体被设置在槽中的八个层中并且每个相位都在槽内设置为4-8-4形式，但是将认识到的是也可设想不同的绕组构造。

图5示出了从线圈中分离出来的一个平直的槽内节段32的例子。如图4所示，槽内节段32由平直的I-pin导体来提供。I-pin包括一定实体长度的导电材料，例如铜。I-pin的端部38是露出的，但是I-pin的中心部分被隔离部39覆盖、包裹或封住。隔离部39由导电材料提供，例如环氧树脂或隔离纸。将在本文中更详细地讨论的是，I-pin导体可在装配绕组布置的过程中被轻易地插入到定子槽16中。

再次参照图3，除了槽内节段32之外，每个线圈30还包括端部线匝40和线圈引线50。端部线匝40和线圈引线50被设置为绕组布置20的绕组头部34和36的一部分，并因此在轴向上设置为超出定子芯体12的相应的端部26、28(每个轴向端部上的每组导体也都可被简称为“头部”)。如图3所示，端部线匝40(其也可被称为“端环”)在槽内节段的两个组合32a、32b之间延伸。换句话说，每个端部线匝40都提供了从一个组合32a中的导体端部到另一个组合32b中的导体端部的桥接部。每个端部线匝40都包括第一倾斜部分42(其在本文中也可被称为“第一节段”)以及第二倾斜部分44(其在本文中也可被称为“第二节段”)。第一节段42沿着相对于轴向方向倾斜(即，相对于中心轴线18倾斜)的第一端部线匝方向延伸。类似地，第二节段44沿着相对于轴向方向倾斜的第二端部线匝方向延伸。这两个节段42、44在端部线匝的顶部46处会聚。顶部46限定了端部线匝的使线圈30随着其绕在芯体上而改变方向的部分(例如，从在轴向上远离芯体移动的方向改回到在轴向上朝向芯体移动的方向)。线圈30的倾斜部分42、44和相关联的顶部形成了具有菱形形状的线圈。

类似于槽内节段32，端部线匝40也包括导电材料，例如铜。将在本文中更详细地讨论的是，端部线匝40可由3D打印的铜制端部线匝来提供，这些端部线匝被打印在槽内节段32的端部上并且设置在芯体12的轴向端部26、28中的一个或两个上。

继续参照图3，每个线圈30都包括两个线圈引线50。每个线圈引线50都提供了进入或离开每个线圈的环形部分的路径。换句话说，如果线圈主体被认为包括槽内节段32和端部线匝40，则线圈引线50提供了通向线圈主体的路径。图3示出了可被认为是“平直的”线圈引线的第一线圈引线50a，因为其仅在轴向方向上直接从槽内节段32伸出并且不像端部线匝40的节段42、44那样倾斜。图3还示出了可被认为是“弯曲”或“倾斜”的第二线圈引线50b，因为线圈引线50a的一部分在端部线匝40的顶部46附近在轴向方向上远离线圈主体延伸之前遵循端部线匝的角度。虽然在图3中示出了平直的线圈引线50a和弯曲的线圈引线50b，但是在至少一个实施方式中两个线圈引线50都是平直的线圈引线(即，两个线圈引线都在轴向上与平直的槽内节段32对齐地延伸，类似于第一线圈引线50a)，或者两个线圈引线都替代地为倾斜的线圈引线。

完整的绕组布置

将多个线圈30连接在一起来形成绕组布置20。为此，芯体12的第一端部上的绕组头部34包括各种头部节段(包括上述的端部线匝节段和线圈引线)以及提供线圈之间的连接部的多个连接节段60。如图1所示，每个连接节段60都在两个不同线圈的线圈引线50之间延伸。在本文讨论的实施方式中，连接节段60在端部线匝40的径向外侧的位置处以圆周的方式在线圈之间延伸。类似于线圈30，连接节段也包括铜或在用于电机的绕组布置中常用的其他导电材料。

图6示出了设置在定子芯体的与第一绕组头部34(在图1中示出)相对的端部上的第二绕组头部36。绕组头部34仅包括端部线匝40，并且不包括线圈引线50或连接节段60。图1和图6一起示出了具有绕组布置20的单一的定子芯体12，该绕组布置包括由位于定子芯体的槽中的I-pin构成的槽内节段以及设置在定子芯体的相对两个轴向端部上的绕组头部34和36。

线圈30和连接节段60一起形成具有多个相位绕组的绕组布置20。在至少一个实施方式中，该绕组布置包括具有用于每个相位的多条路径的三个相位绕组(例如，U相绕组、V相绕组和W相绕组)。这三个相位绕组可根据所需的绕组构造被连接为星形(“Y”)或三角形(“Δ”)。

完整的绕组布置的互锁线圈

图7和图8示出了与其他相位的线圈分离的用于位于芯体12上的绕组布置的一个相位的一组线圈30。仅示出绕组头部34的有限数量的导体更好地说明了线圈30在绕组布置20中的互锁特性。如图7所示，绕组布置20由与图3所示的类似的多个菱形线圈30形成。绕组布置的每个线圈30a都位于围绕芯体的整个圆周的对应的相邻线圈30b的旁边。特别地，具有延伸穿过特定的槽的槽内节段32的每个线圈30a都与具有延伸穿过与所述特定的槽紧邻的槽的槽内节段的对应线圈30b相邻。例如，线圈30a包括延伸穿过在图8中被表示为“1”和“6”的槽的槽内节段。对应的相邻线圈30b包括延伸穿过在图8中被表示为“2”和“7”的槽的槽内节段。

绕组布置20的菱形线圈30与串联连接部60连接在一起来提供用于定子绕组的相应的相位的完整的绕组路径。绕组头部34包括线圈端部线匝40、轴向延伸的线圈引线50以及线圈连接部60。如前所述，每个线圈都包括与一个槽对齐的轴向线圈引线(例如，图8中的线圈引线50a与槽1对齐，并且线圈引线50b与槽2对齐)。线圈端部线匝40为每个菱形线圈提供了180°的方向转变，并且在定子芯体12的轴向外侧的一定距离处限定了每个线圈的顶部。线圈连接部60在轴向上从槽伸出，然后在径向上向外转动，然后在周向上转动。每个线圈连接部60都在周向上围绕端部线匝40的OD侧延伸，以对来自同一相位和路径的两个不同的相邻线圈的引线50进行连接。因此，每个线圈连接部60都提供了用于同一相位的相邻线圈的串联连接部。这些串联连接部可以是连续的导线(没有连接部)，或者可以通过对两个单独的线圈进行焊接来形成。

图7和图8还示出了绕组布置20内的每个线圈30a与其对应的相邻线圈30b的互锁特性。特别地，在绕组布置20内每个线圈30a都与对应的相邻线圈30b互锁，使得每个线圈都不能在不移除对应的相邻线圈的情况下在径向方向上从绕组布置中移除。这种互锁关系特别是由图8中的圆圈81和82示出。如圆圈81所示，线圈30a的端部线匝的第一节段42a在径向上设置在对应的相邻线圈30b的线圈引线50b的内侧。同时，如圆圈82所示，线圈30a的端部线匝的第二节段44a在径向上设置在对应的相邻线圈30b的端部线匝的第一节段42b的外侧。结果，由于线圈30a的第二节段44a在径向方向上被卡在(即，封在)相邻线圈的线圈引线50b与第二节段44b之间，因此线圈30a与相邻线圈30b被互锁。线圈30a还通过相邻线圈30b的端部线匝的节段44a和44b在轴向方向上被相邻线圈30b卡住。

鉴于线圈30之间的互锁关系，将认识到的是不能通过从ID处将线圈插到芯体12上来完成绕组布置。一个原因是图1、图7和图8所示的线圈引线50仅在轴向方向上离开槽(即，引线50不像线圈端部线匝40的形状那样倾斜)。因此，一个菱形线圈的线圈主体设置在相邻线圈的线圈主体的内侧，但是所述一个线圈的线圈引线设置在相邻的线圈主体的外侧。因此，不能在径向上将线圈主体插入到定子芯体中并且实现这种构造。特别地，当尝试从ID处在径向方向上插入线圈主体时，不能使一个线圈的轴向线圈引线位于相邻线圈的外侧而又使线圈主体自身位于同一个相邻线圈的内侧。在图8的例子中，不能(a)在不使线圈30b的线圈引线50b撞击线圈30a的情况下在ID处在径向方向上将线圈30b插入到槽中，也不能(b)在不使线圈30a的端部线匝的第一节段42a撞击线圈30b的端部线匝的情况下在ID处在径向方向上将线圈30a插入到槽中。绕组布置20中的所有其他线圈也都具有相同的特征，因此防止了从ID处在径向方向上对它们进行插入。为此，图1、图7和图8所示的绕组布置20中的所有的端部线匝40和线圈引线50都必须不同地形成，例如根据下文所述的方法进行3D打印。

制造绕组布置的方法

现在参照图9，公开了一种制造具有打印的绕组头部34的绕组布置20的方法90。方法90起始于提供具有半封闭槽开口的定子芯体12的框92。接下来，在框94处，将I-pin插入到定子芯体12的槽中来提供绕组布置20的槽内节段。如上所述，I-pin被分层地插入到槽内(例如，八层)。

在将I-pin插入到芯体12的槽中之后，方法在框94处继续，并且使用增材制造技术来打印绕组头部34。在这个过程中，在芯体12的第一端部26处将线圈端部线匝40和线圈引线50打印到I-pin导体的端部上。只要所选技术适于打印用于绕组头部的导电材料(例如，铜)，就可使用3D打印领域中常用的各种增材制造技术中的任一种。打印的绕组头部34包括多个线圈端部线匝40、多个线圈引线50以及线圈之间的多个串联连接部60，如上文结合图1至图7的绕组布置描述的那样。

在将绕组头部34打印在定子芯体12的一个端部上之后，方法继续到框96，其中使定子翻转并在芯体的相对的端部上打印第二绕组头部36。在芯体12的第二端部28处将线圈端部线匝40打印到I-pin导体的端部上。

鉴于上述内容，将认识到的是公开了一种具有3D打印的铜制头部的绕组布置。该绕组布置的线圈具有不可在径向方向上插入的形状。因此，通过(从ID处在径向上或者从定子芯体的端部处在轴向上)将I-pin插入到槽中然后在定子芯体的端部处3D打印头部来形成该绕组布置。因此，将认识到的是每个菱形线圈30都不是预先形成然后插到定子芯体上的。相反地，在将平直的线圈节段插入到芯体12的槽中并且将端部线匝40和引线3D打印到槽内节段上之后完成绕组布置的形成。具有轴向延伸的引线的绕组布置20的一个优点是串联连接部较短，因此减小了电阻(即，因为减小了线圈之间的连接部的长度)。

在制造绕组布置的至少一种替代方法中，仅打印其中一个绕组头部。根据这种方法，将一部分导线形成为包括轴向导体(或I-pin)32的发夹形状，该轴向导体与提供位于轴向导体32的第一轴向端部(即，芯体的第一端部)上的绕组头部36的端部线匝连续。这种形状的发夹型导体在2020年12月11日提交的美国专利申请第17/119,522号中公开，该申请的全部内容通过引用并入本文。在形成了发夹型导体之后，在轴向上将这些导体插入到槽中，从而将这些发夹形物嵌套、插入或设置在槽内。此后，将互锁的绕组头部34打印到轴向导体的第二轴向端部(即，芯体的第二端部)上。因此，将认识到的是，可通过将头部仅打印在芯体的一个端部上而不是芯体的两个端部上来替代地形成绕组布置20。

根据本文的讨论，将认识到的是定子可包括定子的各种实施方式中的以下特征中的一个或多个：

-菱形线圈；

-冲压有半封闭槽(即，内径(ID)处的槽开口比该槽背部的槽宽度更窄)的定子叠层；

-具有裸铜导线或绝缘导线的被容纳在槽中的平直导线节段(例如，I-pin)；

-在一个轴向端部上被打印在平直节段上的3D打印的裸铜端环；

-在相对的轴向端部上被打印在平直节段上的3D打印的裸铜端环；

-线圈引线在轴向上延伸并且不遵循线圈的角度；以及

-在3D打印了头部之后，通过喷涂、浸渍、涂覆或类似工艺使用环氧树脂/塑料/树脂/清漆使裸铜端环电绝缘。

虽然本文已经提供了多个实施方式，但本领域技术人员将理解其他的实现方案和修改方案也是可行的。例如，在至少一个实施方式中，可通过将分离的导体节段焊接或连接到I-pin的端部上而不是对绕组头部的部件进行打印来提供一个或多个绕组头部或者绕组头部的一个或多个部件。此外，本文描述的各种实施方式的多个方面可以进行组合或者用来自其他特征的多个方面进行替换来从本文所述的内容中得出不同的实施方式。因此，将理解的是可合乎需要地将多个上文公开的和其他的特征和功能或者它们的替代物组合成许多其他不同的系统或应用。本领域技术人员随后可做出当前未想到或未预料到的各种替代方案、修改方案、变型方案或改进方案，它们也应包含在最终附加的任何权利要求中。

Claims (21)

1.一种用于电机的定子，其包括：

包括多个槽的芯体；以及

位于所述芯体上的绕组布置，所述绕组布置包括(i)位于所述芯体的槽中的多个轴向导体以及(ii)具有位于所述芯体的端部上的多个打印的端部线匝的打印的绕组头部，每个打印的端部线匝都在一对轴向导体之间延伸。

2.根据权利要求1所述的定子，其中，所述轴向导体和打印的所述端部线匝在所述芯体上形成多个互锁的线圈。

3.根据权利要求2所述的定子，其中，多个所述线圈中的每一个都是菱形线圈。

4.根据权利要求2所述的定子，其中，每个打印的端部线匝都包括在顶部处会聚的第一节段和第二节段，其中所述第一节段沿着相对于轴向方向倾斜的第一端部线匝方向延伸，并且所述第二节段沿着相对于所述轴向方向倾斜的第二端部线匝方向延伸。

5.根据权利要求4所述的定子，其中，打印的所述绕组头部还包括从多个所述线圈伸出的多个线圈引线。

6.根据权利要求5所述的定子，其中，每个线圈引线都与多个所述线圈中的一个相关联，并且都在不与所述第一端部线匝方向或所述第二端部线匝方向平行的方向上延伸。

7.根据权利要求6所述的定子，其中，每个线圈的至少一个线圈引线在轴向方向上延伸。

8.根据权利要求6所述的定子，其中，每个线圈都位于所述绕组布置中的对应的相邻线圈的旁边，并且每个线圈都与对应的相邻线圈互锁，使得每个线圈都不能在不移除对应的相邻线圈的情况下在径向方向上从所述绕组布置中移除。

9.根据权利要求8所述的定子，其中，每个线圈的所述端部线匝的所述第一节段在径向上设置在对应的相邻线圈的所述线圈引线的内侧，并且每个线圈的所述端部线匝的所述第二节段在径向上设置在对应的相邻线圈的所述端部线匝的所述第一节段的外侧。

10.根据权利要求5所述的定子，其中，打印的所述绕组头部还包括在多个所述线圈引线之间延伸的多个圆周线圈连接部，其中所述圆周线圈连接部在径向上设置在多个所述端部线匝的外侧。

11.一种用于电机的定子，其包括：

限定了多个槽的定子芯体；以及

包括位于所述定子芯体周围的多个线圈的绕组布置，每个线圈都包括槽内节段和头部节段，所述头部节段包括端部线匝节段和线圈引线，

其中每个线圈都位于所述绕组布置中的对应的相邻线圈的旁边，并且其中每个线圈的所述头部节段和对应的相邻线圈的所述头部节段被互锁，使得每个线圈的端部线匝节段在径向上位于对应的相邻线圈的线圈引线的内侧并且在径向上位于对应的相邻线圈的端部线匝节段的外侧。

12.根据权利要求11所述的定子，其中，所述线圈延伸穿过第一槽并且每个相邻线圈延伸穿过在所述芯体上与所述第一槽紧邻的第二槽。

13.根据权利要求11所述的定子，其中，多个所述线圈中的每一个都是菱形线圈。

14.根据权利要求11所述的定子，其中，每个端部线匝都由与第二端部线匝节段在顶部处会聚的第一端部线匝节段来限定，并且每个线圈引线都提供进入到所述槽内节段中的路径。

15.根据权利要求14所述的定子，其中，每个线圈的第一端部线匝节段在径向上位于对应的相邻线圈的所述线圈引线的内侧，并且每个线圈的第二端部线匝节段在径向上位于对应的相邻线圈的第一端部线匝节段的外侧。

16.根据权利要求11所述的定子，其中，所述头部节段是打印的头部节段，并且所述槽内节段和打印的所述头部节段为每个线圈限定了导电路径。

17.一种形成用于电机的绕组布置的方法，所述方法包括：

将多个轴向导体插入到定子芯体的槽中；以及

打印位于所述定子芯体的端部上的端部线匝，其中每个打印的端部线匝都在一对轴向导体之间延伸。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述轴向导体和打印的所述端部线匝在所述芯体上形成多个菱形线圈。

19.根据权利要求18所述的方法，其还包括打印提供到所述定子的芯体的所述槽中的所述轴向导体的路径的线圈引线，其中所述线圈引线具有与所述端部线匝不同的形状，并且其中每个菱形线圈都与对应的相邻菱形线圈互锁。

20.一种形成用于电机的绕组布置的方法，所述方法包括：

将导线的多个平直部分形成为包括轴向导体的多个嵌套的发夹形物，所述轴向导体与形成位于所述轴向导体的第一端部上的第一绕组头部的端部线匝连续；

在轴向上将多个所述嵌套的发夹形物插入到定子芯体的槽中；以及

打印位于所述轴向导体的第二轴向端部上的第二绕组头部，所述第二绕组头部包括多个打印的端部线匝，其中每个打印的端部线匝都在一对轴向导体之间延伸。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述嵌套的发夹形物和打印的所述端部线匝在所述芯体上形成多个互锁的线圈。

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