CN115276276A

CN115276276A - 线圈结构

Info

Publication number: CN115276276A
Application number: CN202210471385.4A
Authority: CN
Inventors: 理查德·波洛克; 詹姆斯·尼科尔斯; 彼得·达库斯; 阿比盖尔·卡明
Original assignee: Technelec Ltd
Current assignee: Technelec Ltd
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2022-11-01
Also published as: EP4113798A1; GB202106110D0; GB2606197A; GB2606197B; US20220352775A1

Abstract

本发明公开线圈结构，用于电动机的定子，电动机具有被配置为围绕轴线旋转的转子。线圈结构包括被配置为提供线圈的导体；线圈包括围绕定子的磁芯的一个或多个线圈匝，以在使用时在磁芯中感应磁通量。导体包括一个或多个第一部分，包括相互并联的多个子导体；和一个或多个与一个或多个第一部分串联耦合的第二部分。其中一个或多个第二部分中的每一个都包括单个子导体或者较少数量的并联子导体；并且至少一个线圈包括一个或多个第一部分中的一个第一部分、以及一个或多个第二部分中的一个第二部分。第一部分和第二部分之间的过渡发生在磁芯的两个轴向外端。本发明提供了铜区域的最佳使用，这是为了在机器的整个工作频率范围内提供尽可能低的电阻，并提供了一种制造在宽频率范围内有效的电动机和变压器的方法。

Description

线圈结构

技术领域

本发明涉及线圈结构，例如电动机的定子绕组。

背景技术

典型的同步电动机包括固定的定子，其具有磁耦合到转子并围绕转子的线圈绕组。通常，这样的电动机由三相交流电供电，该三相交流电同步切换定子中电磁铁的极性以产生扭矩。

在高交流频率的电磁机器中，高交流频率在电气绕组中产生的损耗比使用直流电流或低频电流运行时相同绕组中的损耗高几个数量级。这种电磁机器和电感绕组通常用利兹线(Litz wire)绕制。利兹线是一束较小的导体，带有多股较细的电线，每根导体相互绝缘，并以某种方式扭绞，以最大限度地减少由于频率增加而导致的电阻增加。由于与相同外径的实心导体相比，多根导体或多股线的总铜面积较小，因此利兹线的直流电阻高于同等尺寸的单根导体。然而，随着频率的增加，由于交流效应降低，利兹线的电阻不会迅速增加。在高于几kHz的电频率下，利兹线将提供更有效的导体。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于电磁装置的线圈结构，该线圈结构包括导体，该导体被配置为提供线圈，该线圈包括围绕磁芯的一个或多个线圈匝，以在使用时在磁芯中感应出磁通量。该导体包括一个或多个第一部分，该第一部分包括多个并联的子导体，以及一个或多个与第一部分串联耦合的第二部分，其中该第二部分或每个第二部分包括单个子导体或较少数量的并联的子导体。因此，导体可以从在线圈的一部分中具有多个子导体的利兹线变为在另一部分中的单个子导体。子导体数量之间的这种变化可以配置为即使在线圈的单匝中也可发生，以提高性能。也就是说，每个线圈匝可以包括一个或多个第一部分中的第一部分、以及一个或多个第二部分中的第二部分。

上述的线圈结构可被配置为用于电动机的定子，该电动机具有被配置为绕轴线旋转的转子。至少一个线圈匝可以包括一个或多个第一部分的一个第一部分和一个或多个第二部分的一个第二部分，其中第一部分和第二部分之间的过渡基本上发生在磁芯的两个轴向外端。通常情况下，第一部分沿定子的磁芯轴向排列，而当它在磁芯的任何一端退出槽的时候，过渡到第二部分(例如，单一子导体)。因此，在本实施方案中，导体的第一部分位于定子的有源区，而导体的第二部分，即构成线圈的端部绕组，位于有源区之外。

该第一部分或每个第一部分的多个子导体可以包括2到10个范围内的多个子导体。令人惊讶的是，已经发现相对少量的并联子导体提供了良好的结果。

优选地，第一部分或每个第一部分的子导体彼此缠绕(例如，它们具有螺旋形状)。通常，子导体围绕垂直于导体横截面轮廓的轴线(假想线)扭转。轴线通常位于横截面轮廓的中心点和横截面轮廓的外边缘之间，并且可以居中或偏心。该第一部分或每个第一部分的多个子导体优选地被扭绞以提供每个子导体的一个或多个完整旋转。这允许每个子导体具有基本相等的磁场暴露。在实施例中，还可以具有接近整数的匝数。例如，每个子导体可以包括一整个匝的90％到100％之间，或一个或多个整圈和最多10％的额外匝。该第一部分或每个第一部分的子导体可以编织在一起。

导体可以被配置为通过单个子导体耦合第一和第二部分。线圈结构可以包括多个所述导体以提供对应的多个线圈(例如，电动机的每个定子槽具有一个线圈)。

根据本公开的第二方面，提供了一种电磁装置，包括根据上述第一方面的线圈结构。电磁装置包括第一和第二磁芯，在磁芯(例如电动机的定子磁芯和转子磁芯)之间具有气隙。对于该线圈或每个线圈，该线圈匝或每个线圈匝围绕第一磁芯布置，使得导体的该第一部分或每个第一部分比导体的该第二部分或每个第二部分更靠近气隙。

有利地，对于该线圈或每个线圈而言，导体可以布置成使得当电磁装置在使用中时，导体的该第一部分或每个第一部分经历比该第二部分或每个第二部分更强的磁场。

电磁装置可以是具有包括所述第一磁芯和所述线圈结构的定子、和包括所述第二磁芯的转子的电动机。多个线圈被配置为提供电动机的多个相绕组。例如，线圈可以与其他线圈串联和/或并联，以提供三相绕组。每个线圈匝可以包括第一部分和第二部分，其中第一部分位于定子的与气隙相邻的槽中，并且第二部分在该槽的外部提供返回路径(例如，用于提供环形线圈结构)。或者，线圈可以缠绕在定子齿上，使得导体的第一部分位于两个相邻定子槽中的气隙附近，第二部分位于相同的两个定子槽中，但距离气隙更远，和/或定位在定子槽之间的顶部和底部(端部绕组)，此时交流效应可能较低。相邻定子槽中的第一部分然后可以通过单个子导体(即，在两个定子槽之间的顶部和底部上的非利兹线)连接。

根据本公开的第三方面，提供了一种形成用于电磁装置并且包括一个或多个线圈的线圈结构的方法。该方法包括形成大致U形的部分、形成顶部、以及将顶部固定到大致U形的部分，以为该线圈或每个线圈提供连续导体，该连续导体提供一个或多个线圈匝。当零件固定在一起时，线圈匝就完成了。该方法可以用于形成上述根据第一方面的线圈结构。

形成大致U形部分的所述步骤可以包括通过增材制造形成U形部分，并且可选地形成顶部。例如，U形部分和顶部可以分别进行3D打印，然后固定在一起。

或者，形成大致U形导体部分和可选地顶部的所述步骤可以包括铸造其中一个或多个部分。例如，可以通过增材制造形成模具。将部件固定在一起的步骤可以包括键合、焊接或软焊。

该方法还可以包括在固定顶部之前将磁芯(例如定子芯)插入到大致U形的部分中。

根据本公开的第四方面，提供了一种形成根据第一方面的线圈结构的方法。该方法包括通过增材制造形成该导体或每个导体，以及在该导体或每个导体的部分与其子导体之间形成绝缘结构，其中该绝缘结构在增材制造期间为该导体或每个导体提供支撑。例如，导体和绝缘结构可以通过双材料3D打印工艺形成。该方法还可以包括在形成导体期间将磁芯插入线圈结构中。

根据本公开的第五方面，提供了一种存储设计文件的计算机可读存储介质，该设计文件表示根据第一方面的线圈结构的几何布置或形状。

根据本公开的第六方面，提供了一种包括计算机可执行指令的计算机程序，所述计算机可执行指令在由处理器执行时使处理器控制增材制造设备以制造根据第一方面的线圈结构。

根据本公开的第七方面，提供了一种通过增材制造制造装置的方法。该方法包括获得表示根据第一方面的线圈结构的几何形状的电子文件，以及控制增材制造设备在一个或多个增材制造步骤中根据电子文件中指定的几何形状制造线圈结构。

根据本公开的第八方面，提供了一种用于电动机的定子的线圈结构，该电动机具有被配置为围绕轴线旋转的转子。该线圈结构包括被配置为提供线圈的导体；该线圈包括围绕定子的磁芯的一个或多个线圈匝，以在使用时在磁芯中感应磁通量。该导体包括一个或多个第一部分，其包括相互并联的多个子导体；和一个或多个与一个或多个第一部分串联耦合的第二部分。其中一个或多个第二部分中的每一个都包括单个子导体或者较少数量的并联子导体；并且其中至少一个线圈包括一个或多个第一部分中的一个第一部分、以及一个或多个第二部分中的一个第二部分。第一部分和第二部分之间的过渡发生在磁芯的两个轴向外端。

优选地，一个或多个第一部分中的每一个的多个子导体包括2个至10个范围内的多个子导体。

优选地，一个或多个第一部分中的每一个的子导体彼此缠绕。

优选地，一个或多个第一部分中的每一个的多个子导体被扭绞以提供每个子导体的一个或多个完整旋转。

优选地，导体被配置为通过单个子导体耦合第一部分和第二部分。

优选地，线圈结构包括多个所述导体，以提供对应的多个线圈。

根据本公开的第九方面，提供了一种电动机，包括根据上述第八方面的线圈结构。该电动机包括定子的磁芯以及转子的磁芯，并且这两个磁芯之间具有气隙。线圈结构包括一个或多个导体，其中每一个导体都被配置为提供线圈，并且对于所述一个或多个导体的线圈而言，一个或多个线圈匝中的每一个围绕定子的磁芯布置，使得导体的一个或多个第一部分中的每一个，比导体的一个或多个第二部分中的至少一个更靠近气隙。

优选地，对于线圈而言，导体被布置成使得在使用中，导体的一个或多个第一部分中的每一个，在电动机的使用过程中，经历比一个或多个第二部分中的每一个更强的磁场。

优选地，线圈结构包括多个导体以提供多个线圈，该多个线圈被配置为提供多个相绕组。

优选地，对于一个或多个线圈匝中的每一个而言，第一部分位于定子的与气隙相邻的槽中，并且第二部分在该槽的外部提供返回路径。

根据本公开的第十方面，提供了一种形成用于电动机的线圈结构的方法，该线圈结构包括一个或多个线圈。该方法包括：形成U形的部分、形成顶部、和将顶部固定到U形的部分，以便为所述一个或多个线圈中的每一个提供连续导体，该连续导体提供一个或多个线圈匝。

优选地，形成U形的部分的步骤，包括通过增材制造形成U形的部分。

优选地，形成顶部的步骤，包括通过增材制造形成顶部。

或者，形成U形的部分的步骤，包括铸造U形的部分。

以及，形成顶部的步骤，包括铸造顶部。

另外，固定步骤也包括键合、焊接或软焊。

优选地，上述方法还包括在固定顶部之前将磁芯插入到U形的部分中。

优选地，所述线圈结构为根据上述第八方面的线圈结构。

根据本公开的第十一方面，提供了一种用于形成根据上述第八方面的线圈结构的方法，包括通过增材制造形成导体；和在导体的部分和它的子导体之间，形成绝缘结构，其中该绝缘结构在增材制造的期间为导体提供支撑。

优选地，导体和绝缘结构是通过双材料3D打印工艺形成的。

优选地，上述方法还包括在形成导体期间将磁芯插入线圈结构中。

根据本公开的第十二方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令。该计算机可执行指令在被处理器执行时，使得处理器控制增材制造设备以制造根据上述第八方面的线圈结构。

根据本公开的第十三方面，提供了一种通过增材制造来制造线圈结构的方法，该方法包括：获取表示根据上述第八方面的线圈结构的几何形状的电子文件；以及根据该电子文件中指定的几何形状，控制增材制造设备在一个或多个增材制造步骤中制造线圈结构。

附图说明

图1a显示了一种同步电动机的示意图；

图1b显示了与线圈相连的磁路；

图2a显示了另一种异步电动机的示意图；

图2b显示了具有替代的线圈位置的磁路；

图2c显示了图2b磁路中的磁通路径；

图3显示了由具有利兹线的线圈装置连接的磁路；

图4显示了具有不同导体轮廓的改进线圈布置；

图5显示了线圈和磁路的3D视图；

图6示出了布置在多极电动机绕组的一个槽中的扭绞的子导体的3D视图，其中外导体是实心的；

图7示出了布置在多极电动机绕组的一个槽中的扭绞的子导体的3D视图，其中外导体也被扭绞；

图8a显示了具有内导体和外导体以及端部绕组导体的电动机的绕组；

图8b显示了电动机的绕组，该电动机具有内导体和外导体、以及包括导体顶部的端部绕组导体。

图9显示了电动机的另一个绕组，包括三个用于在绕组上施加电压的连接器；

图10a示出了根据一个实施例的用于铸造线圈绕组的一部分的模具；

图10b显示了模具的横截面；和

图10c显示了模具的另一个横截面。

具体实施方式

图1a示出了具有围绕转子芯6的定子芯5的同步电动机的示意图。定子包括九个齿，它们之间有定子槽16。线圈15(仅针对一个槽16示出)围绕铁芯(从槽16的内侧延伸到外侧)布置，以便在磁芯5、6中感应出磁通量来驱动电动机。线圈15的布置被称为环形绕组。线圈15上所示的十字和圆点示出了电流如何在使用时在特定时间沿从定子槽16沿着页面方向向外流出，并沿着页面方向向内而返回到定子之外。

图1b示出了图1a的电动机的一部分的示意性横截面图，其中磁芯5和6分别是定子芯5和转子芯6。图中展示了带有线圈15的单个定子槽16，其中线圈15具有围绕定子芯5缠绕的线圈匝。在磁芯5和6之间存在气隙10，其允许转子相对于定子移动。

线圈15具有围绕定子芯5的四个线圈匝，导体部分1、2、3、4(作为一个连续导体的一部分)穿过定子槽的内部，并且导体部分11、12、13、14提供定子槽外部的电流的返回路径。即，导体部分1和11是线圈15的同一匝的一部分，而导体部分2和12是另一个线圈匝的一部分，等等，这是因为线圈15围绕铁芯5而行。

图2a示出了根据另一实施例的同步电动机的示意图，其中线圈15布置在定子齿周围，从一个槽16到另一个槽16，而不是在定子外部具有返回路径。相同的附图标记用于不同附图中的等同或相似特征以帮助理解，并且不旨在限制所示实施例。

图2b示出了图2a的同步电动机的一部分的示意性截面图，示出了芯部5和6，它们之间具有气隙10。四个导体部分21、22、23、24处于与图1b中的导体部分1、2、3、4相似的位置。该结构中的回路导体部分31、32、33、34位于磁芯5的外侧，靠近气隙10。

图2c示出了磁路的一部分，例如图2a和2b的电动机的磁路。当电流在导体部分21和22中流动，并在导体部分31和32中返回时，在气隙10中产生磁场。磁场通过等势线(有时称为磁通线)而被可视化。在气隙10的中心部分7中，这些线是平行的。在气隙10的边缘，磁通线由于所谓的边缘通量而进一步分开。边缘磁场8和9可以穿过最靠近气隙10的导体部分22和32。

如果向形成线圈15的导体部分21、22、31和32馈送交流电流，则在边缘磁通8通过导体处的气隙10周围的区域中存在交变磁场。这导致导体部分32中的电子路径被推离气隙10，朝向导体部分32的上表面。结果，导体部分32内的电流密度分布不均匀。靠近气隙10的导体部分32的部分具有比远离气隙10的导体部分32的部分更低的电流密度。由于边缘磁场9的存在，在导体部分22中出现类似的效果。

随着交流电的频率增加，这种畸变效应增加，并且导体部分22和32的铜面积的利用率降低。导体电阻增加了，而导体损耗同时也增加了。类似的效果出现在其他导体部分，例如21和31，但由于这些部分远离气隙的边缘磁通较少，因此损耗的增加不太显著。

利兹线通常用于减少上述不良影响，例如与高频交流电相关的损耗。利兹线由多股扭绞线组成，如图3所示，其中每个导体部分41、42、43、44和51、52、53、54代表四股扭绞线。在实践中，利兹导体中的线股数量在101到102数量级。

随着利兹线进一步穿过磁路，多股线被扭绞，从而改变它们在整个导体中的位置。利兹线可以在导体的整个横截面上提供更均匀的载流电子分布。这种分布的增加减少了交流电损耗。然而，使用相互绝缘的多股线，以及对扭绞的要求，减少了导体横截面积中的铜量，因此扭绞导体对非交流(DC)电流或较低频率的(例如<100Hz)电流的电阻，可能高于实心导体。此外，在磁路的其他部分存在边缘磁通较少的导体，并且在这些导体中使用利兹线会导致损耗增加。

例如，在图1b中，导体部分2的返回部分是导体部分12。虽然导体部分2将遭受边缘磁通感应电阻增加的影响，但导体部分12的边缘磁通会大大降低。因此，很难优化单个导体轮廓的选择以同时适应磁路内部和外部的导体部分。

并非电气绕组的所有部分都需要利兹线，并且在由于趋肤效应和邻近效应引起的交流效应较小的某些区域，绕组的性能会降低。在绕组的其他部分，利兹线提供了性能改进。这里描述的实施例提供了具有从单个子导体变为多个子导体(如利兹线)的导体的线圈结构。或者，线圈结构可以包括具有较多子导体的部分以及包括较少子导体的另一部分。该解决方案可以为线圈结构提供传统线圈绕组所不具备的显著性能优势。

在整个线圈结构中，损耗可能不会均匀地分布在一个匝上，即使在高频下，也只有匝的某些部分会经历最高的交流损耗。本文所公开的线圈结构的特点可以使其尽可能地利用导体中的材料，在交流损耗最大的部分有更多的子导体，在直流损耗占主导地位的部分有更少的子导体(或一个单一的子导体)。

实施例对于高速电动机可能特别有用，例如以高于100,000或200,000rpm和/或具有大于1kHz的交流频率运行的电动机。例如，实施例可以有利地用在涡轮增压器中。

图4示出了根据一个实施例的包括线圈15的磁路。靠近气隙10和相关边缘场的导体部分62和返回导体部分72，被分成更小的导体(即，每个导体部分包括多个子导体)。然而，远离气隙10的导体部分61和71使用实心导体，这不会减少可用于铜的有效面积。因此可以选择导体的横截面轮廓以优化可用面积的使用，并最小化交流电流和边缘磁通的影响。

可以看出导体部分62具有有限数量的子导体621、622、623和624。与已知的利兹线设计准则相反，子导体的数量可以比在利兹线中使用的要少得多。令人惊奇的是，已经发现用构成导体横截面轮廓的少于10个子导体可以获得良好的性能。

此外，在根据本公开的电磁组件中，可以在电流路径中存在导体的一部分，由此子导体被合并到单个导体或不同数量的子导体。可以发生导体轮廓的这种变化，以优化轮廓内导体区域的使用，以最大限度地减少整个导体路径中的直流电阻，并最大限度地减少由于趋肤效应或邻近效应引起的交流电阻变化的影响，这具体取决于导体部分在磁性组件内的位置。这允许铜的最佳使用和整个电气绕组的铜损耗最小化。

改变导体的横截面轮廓，以最大限度地利用导体中的材料。根据导体部分相对于磁路的位置的不同，它可以是具有实心或空心轮廓的单个导体，或者可以包括多个子导体。

图5示出了根据本公开的线圈结构的一部分的三维视图。例如，它可以是图4的线圈结构的一部分。线圈结构具有高度h。即，通过靠近气隙的定子槽的导体62的前部具有高度h。导体62的前部包括四个平行的子导体。优选地，子导体围绕垂直轴线(沿着导体的该部分的纵向方向)扭绞。可以看出在导体62的横截面轮廓内扭绞的子导体的好处。如果导体位置围绕轴线(平行于电流方向)的旋转导致磁路高度h上的整数旋转，则所述好处被最大化。这确保了每个子导体在靠近或远离气隙附近的边缘场时有一个均衡的效果。

在进一步的实施例中，子导体围绕平行于电流流动方向的轴线的整数数量的旋转，可以发生在N*h的长度上，其中N是相同导体穿过的槽的数量。以这种方式，子导体的整数转数确保了每个子导体通过等量的边缘磁通。这样做的结果应该是每个单独的子导体的电阻在导体的长度上的大致相等。在实际的电磁绕组中，可能无法精确实现子导体的整数圈数。与实心导体相比，即使是非整数也仍然可以提供改进的电流密度分布和更低的电阻。

由于子导体的扭绞往往会减少可用于导电的面积的百分比，因此发现当导体穿过N个槽的高度(h)时，扭绞的整数数量可以低至1，或者可以在N个时隙中的每一个中为1个。

在图1b中，返回导体11、12、13、14远离气隙。它们不会受到边缘磁通的影响。因此，将这些导体11、12、13、14分成子导体优势极小或完全没有优势。因此，在一个实施例中，仅在电磁装置的电阻将由于穿过导体的边缘磁通而增加的部分中，导体分割成子导体并且子导体彼此缠绕(即旋转子导体围绕平行于电流流动方向的轴线的位置仅出现在电磁设备的部分中，否则电阻将由于通过导体的边缘磁通而增加)。例如，在图1b的实施例中，只有最靠近气隙的导体部分2和4可以受益于包含子导体并被扭绞。对比之下，对于导体部分1、3、11、12、13和14来说，由于导电材料的体积相对较大，因此具有固体结构的较低电阻可能导致实心结构的使用。

图6示出了根据实施例的用于电动机的线圈结构100的一部分的示例。下面的图8a和8b显示了该部分如何被集成到整个线圈结构100中。线圈结构100可用于提供图1a和1b中所示的线圈15。线圈结构100包括提供具有五个匝(在一个定子槽中)的线圈的导体101。位于靠近定子和转子之间的气隙的电动机的槽内的、构成第一部分的导体101的每一匝的前部102(也称为“内部”)，由四个被扭绞的子导体103并联组成。每个扭绞的子导体103与其他子导体103绝缘，例如通过清漆涂层实现。包括返回路径的导体101的每一匝的、构成第二部分的后部104(也称为“外部”)与电动机的气隙(相对)长距离，并且(仅)包括单个子导体105(即单个实心导体部分)。图中未示出导体101的顶部，该顶部闭合匝并将前部102连接到后部104。由于相隔气隙和相关边缘场的距离，具有单个子导体105可能仅导致电阻随频率增加而仅仅幅增加。导体101的底部106还包括单个子导体107(即单个实心导体部分)。导体101形成U型，具有间隙/空间108，用于将定子芯(例如层压软铁芯)定位在线圈结构100内，之后可以将导体101的顶部(未显示)固定在前部102和后部104，以闭合结构100，使导体101“缠绕”在磁芯周围，并被安排为在磁芯中提供磁通。

图7示出了线圈结构100的另一实施方式，其可以在电动机中形成一个线圈。线圈结构100类似于图6所示的实施例，但不同之处在于内导体部分102和外导体部分104均由多个扭绞的子导体103组成。导体的每个部分中，导体的外轮廓的形状都不同，以优化电动机形状内可用区域的使用。当在导体101的正面102和背面104处都存在显著的交流效应(例如，由于边缘场)时，该实施例可能特别有用。

图8a和8b示出了线圈结构100的进一步实施例。结构100通常包括由连接导体101而成的三相绕组，用于连接到三相输入。电动机的结构100可以形成环形形状，其中导体101的内部部分102靠近气隙。定子外侧的导体101的外部部分104形成导体101的返回路径。线圈结构100包括十二个导体，提供十二个线圈(每个定子槽有一个)耦合在一起以提供三相绕组。

在图8a和图8b中，位于定子顶部和底部的导体101的部分109和106，也称为端部绕组，由实心导体107(即单个子导体)制成。图8b示出了线圈结构100，该线圈结构100包括添加并连接到下部的相应导体101的顶端绕组(即导体101的顶部109)。根据本实施例的电动机可以做得非常紧凑。在该实施例中，顶部和底部上的导体101的部分106和109可以是实心的，并且穿过电动机长度的导体101的部分102结合了扭绞的子导体布置。

此外，图8b展示了一种组装方法，在该方法中，在定子芯插入下部和垂直导体之后，顶部导体与其他导体结合或焊接。

图9示出了具有三个连接器110、111和112的电动机线圈结构100，连接器110、111和112连接到导体101的顶部109，用于向电动机提供三相输入。

用于线圈结构的设计过程可以提供显著的制造优势。在一个实施例中，线圈被制造为实心U形结构，由此导体被形成和绝缘，从而实现以前使用传统的侵入式铜线绕组技术不可能实现的设计。然后使用例如焊料或焊接将U形结构与导体的顶部(或“端部绕组”)配合。此外，通过使用增材制造(例如3D打印)，可以在打印过程的中途添加定子，从而允许将线圈结构完全打印在定子周围。在线圈形成之后，它们被绝缘，例如，通过用清漆涂敷导体。

这些U形导体可以使用增材制造，或者，可以3D打印模具并铸造独特的设计。以这种方式制作的导体，允许在模拟中被完全优化设计，并且可以选择导体的确切数量，以平衡一圈内每个点处导体的横截面积，并且在整个机器或磁性部件周围相等。此外，模具本身可以用作子导体之间的绝缘材料，因此可以在浇铸后留在原处。

图10a至10c示出了模具114，其可用于根据实施例铸造线圈结构的一部分。图10a显示了模具114，其可用于铸造用于环形定子的线圈结构的导体的下部(U形)。模具中的空心115(负空间)填充有合适的材料(通常是熔融铜)以形成导体。图10b示出了模具114，其具有部分切除，以露出用于形成包括实心导体的导体的底部的管道116。图10c还示出了模具114，但是具有不同的剖面以露出用于形成导体前部的扭绞的子导体的管道117。模具114可以是3D打印的，并且可以包括陶瓷或其他电绝缘和导热的材料。可以使用类似的模具来铸造线圈结构的顶部。定子芯可以在围绕其铸造线圈结构之前插入模具中。

所描述的制造方法允许生产非常紧凑的线圈结构，其中铜匝的长度尽可能地短以连接磁路。此外，铜区域的最佳使用，是为了在机器的整个工作频率范围内提供尽可能低的电阻，这提供了一种制造在宽频率范围内有效的电动机和变压器的方法。

线圈结构的实施例可以有利地使用线圈结构的导体部分的增材制造、以及线圈结构的单独导体和子导体之间的绝缘的同时进行来形成。然后，绝缘层在导电材料(例如铜)的各个部分之间提供“填充”，同时将线圈结构粘合在一起而不需要额外的支撑，这将在单一材料工艺中由导电材料本身制成，并且之后必须在后处理过程中切掉。例如，可以使用双材料3D打印工艺。这两种材料可以同时构建或一次构建一种材料，但随着构建高度的增加在每种材料之间交替。

制造过程可以围绕钢叠片形成。例如，可以首先用绝缘材料印刷中空外壳，然后开始构建具有连续绝缘部分的铜绕组(即线圈结构的导体)。在任何裸露的导体上涂上一层绝缘层，就可以插入钢叠片芯，然后可以继续打印。最终结果是已经在其外壳中完成的定子。

图6到10说明了具有环形绕组方案的电动机的结构。该方法也可用于线圈侧放置在定子齿之间的相邻槽中的电动机绕组。在这种情况下，线圈两侧将有一些靠近气隙的导体，这将受益于子导体。机器的端部线圈具有较少的交流效应，并且可以是具有扁平轮廓的实心导体，以使定子长度的附加长度最短。

根据本公开的示例优选地使用增材制造工艺形成。增材制造的一个常见例子是3D打印。但是，也可以使用其他增材制造方法。快速原型或快速制造也是可用于描述增材制造过程的术语。

如本文所用，“增材制造”通常是指制造工艺，其中连续的材料层被提供在彼此上以逐层“构建”或“增材制造”三维部件。这与一些减材制造方法(例如铣削或钻孔)产生对比，其中在后者中，材料被连续去除以制造零件。连续的层通常熔合在一起以形成可具有多种整体子组件的整体组件。特别地，制造过程可以允许线圈绕组的示例被一体地形成并且包括在使用现有制造方法时不可能做到的各种特征。尤其，对于给定体积的导电材料而言，通过增材制造形成的线圈结构可能比由传统缠绕铜线形成的绕组占用更少的空间。使用增材制造还可以为线圈绕组的匝提供更尖锐的(基本上为90°)角。

本文所述的增材制造方法能够制造成具有各种特征的任何合适的尺寸和形状，这可能是使用现有制造方法不可能实现的。增材制造可以在不使用任何工具、模具或固定装置的情况下创建复杂的几何形状，并且几乎没有或没有废料。增材制造中使用的唯一材料是成型零件所需的材料，而不是用塑料或金属实心坯料加工零件，其中后者大部分都被切掉并丢弃。特别地，这允许形成包括具有多个扭绞的子导体的部分和具有单个实心导体的部分两者的导体。

根据本公开的合适的增材制造技术包括例如熔融沉积建模(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、直接选择性激光烧结(DSLS)、电子束烧结(EBS)、电子束熔化(EBM),电子束增材制造(EBAM),激光净形制造(LNSM),直接金属沉积(DMD),直接选择性激光熔化(DSLM),选择性激光熔化(SLM),直接金属激光熔化(DMLM),直接金属激光烧结(DMLS)、材料喷射(MJ)、按需滴涂(DOD)、层压物体制造(LOM)和其他已知工艺。本文所述的增材制造工艺可用于使用任何合适的材料(通常是铜)来形成部件。

由多种材料制成的单个组件。例如，组件可以包括使用不同材料、工艺和/或在不同增材制造机器上形成的多个层、段或部件。以这种方式，可以构造具有不同材料和材料特性的部件以满足任何特定应用的需求。此外，增材制造可以与其他制造技术相结合以提供最终产品。例如，当形成线圈结构时，可以使用常规方法形成叠片铁芯，然后在增材制造工艺之后或期间将叠片铁芯插入到线圈结构中。

增材制造工艺通常基于组件的三维(3D)信息(例如，三维计算机模型(或设计文件))来制造组件。因此，本文所述的示例不仅包括本文所述的产品或组件，还包括通过增材制造制造此类产品或组件的方法、以及用于通过增材制造控制此类产品的制造的计算机软件、固件或硬件。

产品的一个或多个部分的结构可以以设计文件的形式数字化表示。设计文件或计算机辅助设计(CAD)文件是对产品形状的一个或多个表面或体积配置进行编码的配置文件。也就是说，设计文件代表产品的几何排列或形状。

设计文件可以采用任何现在已知或以后开发的文件格式。例如，设计文件可能是为3D Systems的立体光刻CAD程序创建的立体光刻或“标准镶嵌语言”(.stl)格式，或者是美国机械学会(American Society of Mechanical)的增材制造文件(.amf)格式工程师(ASME)标准是一种基于可扩展标记语言(XML)的格式，旨在允许任何CAD软件描述要在任何增材制造打印机上制造的任何3D对象的形状和组成。

设计文件格式的更多示例包括AutoCAD(.dwg)文件、Blender(.blend)文件、Parasolid(.x_t)文件、3D制造格式(.3mf)文件、Autodesk(3ds)文件、Collada(.dae)文件和Wavefront(.obj)文件，虽然还存在许多其他文件格式。

可以使用建模(例如CAD建模)软件和/或通过扫描产品表面以测量产品的表面配置来生成设计文件。

一旦获取之后，设计文件可被转换成一组计算机可执行指令，一旦由处理器执行，使处理器控制增材制造设备以根据设计文件中指定的几何布置来生产产品。该转换可以将设计文件转换为将由增材制造设备顺序形成的切片或层。指令(也称为几何代码或“G代码”)可以针对特定的增材制造设备进行校准，并且可以指定在制造过程的每个阶段要形成的材料的精确位置和数量。如上所述，可以通过沉积、通过烧结或通过任何其他形式的合适的增材制造方法来形成。

如果需要，可以在不同格式之间转换代码或指令、转换成一组数据信号并发送、作为一组数据信号接收和转换成代码、存储等。指令可以是对增材制造系统的输入，并且可以来自零件设计者、知识产权(IP)提供商、设计公司、增材制造系统的运营商或所有者，或来自其他来源。增材制造系统可以执行指令以使用本文公开的任何技术或方法制造产品。

设计文件或计算机可执行指令可以存储在(临时或非临时)计算机可读存储介质(例如，存储器、存储系统等)中，存储代表要生产的产品的代码或计算机可读指令。如所指出的，在增材制造系统执行代码或指令时，定义可用于物理生成对象的产品的代码或计算机可读指令。例如，指令可以包括产品的精确定义的3D模型，并且可以从各种众所周知的计算机辅助设计(CAD)软件系统中的任何一个生成，例如

DesignCAD 3D Max等.或者，可以扫描组件的模型或原型以确定组件的三维信息。

因此，通过根据计算机可执行指令控制增材制造设备，可以指令增材制造设备打印出产品的一个或多个部分。这些可以以组装或未组装的形式打印。例如，产品的不同部分可以单独打印(作为一组未组装的零件)，然后进行组装。这可能特别适用于线圈结构的实施例。然后可以分别形成导体的U形下部和平坦顶部，然后固定在一起。或者，可以以组装形式印刷不同的部分。

鉴于以上所述，实施例包括通过增材制造的制造方法。这包括获取代表产品的设计文件并指示增材制造设备根据设计文件以组装或非组装形式制造产品的步骤。增材制造设备可以包括处理器，该处理器被配置为将设计文件自动转换成计算机可执行指令以用于控制产品的制造。在这些实施例中，一旦输入到增材制造设备中，设计文件本身就可以自动导致产品的生产。因此，在该实施例中，设计文件本身可以被认为是使增材制造设备制造产品的计算机可执行指令。

鉴于上述情况，本说明书中描述的主题和操作的实现的设计和制造可以使用数字电子电路或计算机软件、固件或硬件来实现，包括本说明书中公开的结构及其结构等价物，或其中一种或多种的组合。例如，硬件可以包括处理器、微处理器、电子电路、电子元件、集成电路等。本说明书中描述的主题的实现可以使用一个或多个计算机程序，即计算机程序指令的一个或多个模块来实现，编码在计算机存储介质上，供数据处理设备执行或控制其操作。或者或另外而言，程序指令可以在人工产生的传播信号上编码，例如机器产生的电、光或电磁信号，该信号被产生以编码信息以传输到合适的接收器装置以供数据处理装置执行。计算机存储介质可以是或包含在计算机可读存储设备、计算机可读存储基板、随机或串行存取存储器阵列或设备、或它们中的一个或多个的组合中。此外，虽然计算机存储介质不是传播信号，但计算机存储介质可以是编码在人工生成的传播信号中的计算机程序指令的源或目的地。计算机存储介质也可以是或包含在一个或多个单独的物理组

尽管增材制造技术在本文中被描述为能够通过逐点、逐层、通常在垂直方向上构建对象来制造复杂对象，但其他制造方法是可能的并且在本主题的范围内。例如，虽然本文的讨论涉及添加材料以形成连续层，但本领域技术人员将理解本文公开的方法和结构可以用任何增材制造技术或其他制造技术来实践。

尽管上面已经描述了特定实施例，但本领域技术人员将理解在权利要求的范围内可以提供其他实施例。

Claims

1.一种用于电动机的定子的线圈结构，该电动机具有被配置为围绕轴线旋转的转子，所述线圈结构包括被配置为提供线圈的导体；该线圈包括围绕所述定子的磁芯的一个或多个线圈匝，以在使用时在所述磁芯中感应磁通量，该导体包括：

一个或多个第一部分，其包括相互并联的多个子导体；和

一个或多个与所述一个或多个第一部分串联耦合的第二部分；其中所述一个或多个第二部分中的每一个都包括单个子导体或者较少数量的并联子导体；并且其中至少一个所述线圈包括所述一个或多个第一部分中的一个所述第一部分、以及所述一个或多个第二部分中的一个所述第二部分；所述第一部分和所述第二部分之间的过渡发生在所述磁芯的两个轴向外端。

2.根据权利要求1所述的线圈结构，其中，所述一个或多个第一部分中的每一个的所述多个子导体，包括2个至10个范围内的多个子导体。

3.根据权利要求1或2所述的线圈结构，其中，所述一个或多个第一部分中的每一个的子导体彼此缠绕。

4.根据权利要求3所述的线圈结构，其中，所述一个或多个第一部分中的每一个的所述多个子导体被扭绞以提供每个子导体的一个或多个完整旋转。

5.根据权利要求1所述的线圈结构，其中所述导体被配置为通过单个子导体耦合所述第一部分和所述第二部分。

6.根据权利要求1所述的线圈结构，包括多个所述导体，以提供对应的多个线圈。

7.一种电动机，包括根据前述权利要求中任一项所述的线圈结构，其中所述电动机包括定子的磁芯以及转子的磁芯，并且这两个磁芯之间具有气隙；所述线圈结构包括一个或多个导体，其中每一个所述导体都被配置为提供线圈，并且对于所述一个或多个导体的线圈而言，

一个或多个线圈匝中的每一个围绕所述定子的所述磁芯布置，使得所述导体的一个或多个第一部分中的每一个，比所述导体的一个或多个第二部分中的至少一个更靠近所述气隙。

8.根据权利要求7所述的电动机，其中，对于所述线圈而言，所述导体被布置成使得在使用中，所述导体的一个或多个第一部分中的每一个，在所述电动机的使用过程中，经历比所述一个或多个第二部分中的每一个更强的磁场。

9.根据权利要求8所述的电动机，其中所述线圈结构包括多个导体以提供多个线圈，所述多个线圈被配置为提供多个相绕组。

10.根据权利要求9所述的电动机，其中，对于一个或多个线圈匝中的每一个而言，所述第一部分位于所述定子的与所述气隙相邻的槽中，并且所述第二部分在所述槽的外部提供返回路径。

11.一种形成用于电动机的线圈结构的方法，该线圈结构包括一个或多个线圈，该方法包括：

形成U形的部分；

形成顶部；和

将所述顶部固定到所述U形的部分，以便为所述一个或多个线圈中的每一个提供连续导体，该连续导体提供一个或多个线圈匝。

12.根据权利要求11所述的方法，其中形成所述U形的部分的步骤，包括通过增材制造形成所述U形的部分。

13.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述顶部的步骤，包括通过增材制造形成所述顶部。

14.根据权利要求11所述的方法，其中形成所述U形的部分的步骤，包括铸造所述U形的部分。

15.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述顶部的步骤，包括铸造所述顶部。

16.根据权利要求11所述的方法，其中所述固定步骤包括键合、焊接或软焊。

17.根据权利要求11所述的方法，还包括在固定所述顶部之前将磁芯插入到所述U形的部分中。

18.根据权利要求11所述的方法，其中所述线圈结构为根据权利要求1至6中任一项所述的线圈结构。

19.一种用于形成如权利要求1至6中任一项所述的线圈结构的方法，包括：

通过增材制造形成导体；和

在所述导体的部分和它的子导体之间，形成绝缘结构，其中该绝缘结构在所述增材制造的期间为所述导体提供支撑。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述导体和所述绝缘结构是通过双材料3D打印工艺形成的。

21.根据权利要求19或20所述的方法，还包括在形成所述导体期间将所述磁芯插入所述线圈结构中。

22.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，其特征在于，该计算机可执行指令在被处理器执行时，使得所述处理器控制增材制造设备以制造如权利要求1至6中任一项所述的线圈结构。

23.一种通过增材制造来制造线圈结构的方法，该方法包括：

获取表示如权利要求1至6中任一项所述的线圈结构的几何形状的电子文件；以及

根据所述电子文件中指定的所述几何形状，控制增材制造设备在一个或多个增材制造步骤中制造所述线圈结构。