CN118398298A - 用以制造用于高频的电动马达导体线的方法 - Google Patents

用以制造用于高频的电动马达导体线的方法 Download PDF

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Abstract

一种制作导体的方法包括:将超导铜箔折叠/堆叠/卷起成多层折叠式/堆叠式/卷起式超导铜箔。用铜和铝中的一者将多层折叠式/堆叠式/卷起式超导铜箔包覆成包覆的折叠式/堆叠式/卷起式超导铜箔,并使包覆的折叠式/堆叠式/卷起式超导铜箔塑性变形成包覆的超导铜线、棒和缆线中的一者。

Description

用以制造用于高频的电动马达导体线的方法
引言
本节中提供的信息是为了总体上呈现本公开的上下文的目的。当前署名的发明人的工作,就其在本节中所描述的程度而言,以及在提交时不可被另视为现有技术的该描述的各方面,既不明确地也不隐含地被认作针对本公开的现有技术。
技术领域
本公开涉及一种制造用于高频的电动马达导体线的方法。
背景技术
常规的发夹(hairpin)导体(磁线(magnet wire))从挤出的金属棒料上切下、弯曲成U形绕组、并且插入到定子的芯的槽中。流过单个线导体的AC电流随着频率的增加而越来越多地将电流推向导体的表面“皮肤”。趋肤效应被定义为AC电流以不均匀方式分布在磁线内的趋势,使得电流密度在导体表面附近最大,并且随着朝向导体的中心向内移动更大深度而减小。电流趋向于避免行进通过固体导体的中心,而主要在导体的“皮肤”处在外表面和称为“趋肤深度”的水平之间流动。这种物理现象与电流的频率成正比地促进了线的AC电阻。超过98%的电流将在距表面4倍趋肤深度的层内流动。这种行为与直流电不同,直流电通常将均匀地分布在线的截面上。因此,期望找到消除AC马达中的趋肤效应的方式。
可将最大导体趋肤深度计算为:δMAX=2/ρμωMAX
其中δMAX是整体发夹棒的最大导体趋肤深度;ρ是线的导电材料的电阻率;ωMAX是作为电机峰值操作频率的函数的最大角电流频率;并且μ=μrμ0,其中μ0是真空磁导率,并且μr是线的导电材料的相对磁导率。
利兹线是用于在无线电频率下传导交流电(AC)的多股圆线。单独的非常细小的圆形磁线编织在一起,这有助于减少由高频绕组中发现的趋肤效应和邻近效应造成的AC损耗。然而,由于线之间的空洞空间过大所致,一束圆线股不会产生非常致密的导体。
橡树岭国家实验室(ORNL)已设计出商业上可行的制造方法和材料配方以制造高性能箔基/带基超导铜(UCC)。与商用纯Cu相比,这些UCC材料实现了>5%的电阻减小、>10%的载流量增加、以及>10%的强度改善。UCC制造的基本方法包括配制稳定的碳纳米管(CNT)分散体、在铜带上沉积CNT、在CNT上溅射薄铜覆层、以及热退火。
发明内容
已提出了一种用于制作导体线/棒/缆线(磁线)的方法,以改善电动马达的电导率和性能。首先将超导铜(UCC)带/箔(约25um厚)折叠、堆叠或卷起成圆柱形或立方体卷形状,且然后在外周边上用铜抑或铝对其进行包覆(clad)。在包覆之后,通过拉伸或挤出使UCC/Cu或UCC/Al棒进一步塑性变形,以制造具有用于电动马达应用(诸如,发夹)的几何形状和尺寸的导体线/棒/缆线。每个发夹式绕组由准直数量的细UCC/Cu棒/线/缆线形成,这些棒/线/缆线被捆绑在一起成为整体棒/线/缆线导体。所预期的是,与商用纯Cu相比,UCC电导体材料实现>5%的电阻减小、>10%的载流量增加、以及>10%的强度改善。
根据本公开的方面,一种制作导体的方法包括:将超导铜箔折叠成多层折叠式超导铜箔。用铜和铝中的一者将多层折叠式超导铜箔包覆成包覆的折叠式超导铜箔,并使包覆的折叠式超导铜箔塑性变形成包覆的超导铜线、棒和缆线中的一者。
根据另一方面,包覆的超导铜线、棒和缆线中的所述一者被形成为插入到电动马达的定子芯的槽中的发夹式绕组。
根据另一方面,超导铜箔由涂有一层对齐的碳纳米管的连续Cu带制成。也可通过使用其他技术将碳纳米材料结合在Cu带或Cu薄片材/条带内来制作带。例如,能够使用Cu-石墨烯挤出复合膜或薄片材。
根据另一方面,超导铜箔具有提供比铜箔更低的电阻的涂层。
根据另一方面,超导铜箔与铜箔进行堆叠,并且超导铜箔和铜箔中的每一者被折叠以形成多层折叠式超导铜箔。
根据本公开的方面,一种制作导体的方法包括:将超导铜箔堆叠成多层堆叠式超导铜箔。用铜和铝中的一者将堆叠式超导铜箔包覆成包覆的堆叠式超导铜箔。使包覆的堆叠式超导铜箔塑性变形成包覆的超导铜线、棒和缆线中的一者。
根据另一方面,将超导铜箔进行堆叠包括:将铜箔与超导铜箔进行堆叠以形成多层折叠式超导铜箔。
根据本公开的方面,一种制作导体的方法包括:将超导铜箔卷起成多层卷起式超导铜箔。用铜和铝中的一者将卷起式超导铜箔包覆成包覆的卷起式超导铜箔。使包覆的卷起式超导铜箔塑性变形成包覆的超导铜线、棒和缆线中的一者。
根据另一方面,将超导铜箔卷起包括:将铜箔与超导铜箔进行堆叠,并将超导铜箔与铜箔的堆叠进行卷起以形成多层卷起式超导铜箔。
本发明至少包括如下技术方案:
方案1.一种制作导体的方法,所述方法包括:
将超导铜箔折叠成多层折叠式超导铜箔;
用铜和铝中的一者将所述多层折叠式超导铜箔包覆成包覆的折叠式超导铜箔;以及
使所述包覆的折叠式超导铜箔塑性变形成包覆的超导铜线、棒和缆线中的一者。
方案2.根据方案1所述的方法,所述方法进一步包括:将包覆的超导铜线、棒和缆线中的所述一者形成为插入到电动马达定子芯的槽中的发夹式绕组。
方案3.根据方案1所述的方法,其中,所述超导铜箔由涂有一层对齐的碳纳米管的连续Cu带制成。
方案4.根据方案1所述的方法,其中,所述超导铜箔包括Cu膜上的碳纳米材料。
方案5.根据方案1所述的方法,其中,所述超导铜箔包括Cu薄片材衬底,所述Cu薄片材衬底是通过将碳纳米管组合在所述Cu薄片材衬底的顶部上来制备的。
方案6.根据方案1所述的方法,其中,所述超导铜箔包括Cu薄片材衬底,所述Cu薄片材衬底是通过将碳纳米管组合在所述Cu薄片材衬底内来制备的。
方案7.根据方案1所述的方法,其中,所述超导铜箔具有提供比铜箔更低的电阻的涂层。
方案8.根据方案1所述的方法,其中,所述超导铜箔与铜箔进行堆叠,并且所述超导铜箔和所述铜箔中的每一者被折叠以形成所述多层折叠式超导铜箔。
方案9.一种制作导体的方法,所述方法包括:
将超导铜箔堆叠成多层堆叠式超导铜箔;
用铜和铝中的一者将所述堆叠式超导铜箔包覆成包覆的堆叠式超导铜箔;以及
使所述包覆的堆叠式超导铜箔塑性变形成包覆的超导铜线、棒和缆线中的一者。
方案10.根据方案9所述的方法,所述方法进一步包括:将包覆的超导铜线、棒和缆线中的所述一者形成为插入到电动马达定子芯的槽中的发夹式绕组。
方案11.根据方案9所述的方法,其中,所述超导铜箔由涂有一层对齐的碳纳米管的连续Cu带制成。
方案12.根据方案9所述的方法,其中,所述超导铜箔具有提供比铜箔更低的电阻的涂层。
方案13.根据方案9所述的方法,其中,将所述超导铜箔进行堆叠包括:将铜箔与所述超导铜箔进行堆叠以形成所述多层折叠式超导铜箔。
方案14.一种制作导体的方法,所述方法包括:
将超导铜箔卷起成多层卷起式超导铜箔;
用铜和铝中的一者将所述卷起式超导铜箔包覆成包覆的卷起式超导铜箔;以及
使所述包覆的卷起式超导铜箔塑性变形成包覆的超导铜线、棒和缆线中的一者。
方案15.根据方案14所述的方法,所述方法进一步包括:将包覆的超导铜线、棒和缆线中的所述一者形成为插入到电动马达定子芯的槽中的发夹式绕组。
方案16.根据方案14所述的方法,其中,所述超导铜箔由涂有一层对齐的碳纳米管的连续Cu带制成。
方案17.根据方案14所述的方法,其中,所述超导铜箔具有提供比铜箔更低的电阻的涂层。
方案18.根据方案14所述的方法,其中,将所述超导铜箔卷起包括:将铜箔与所述超导铜箔进行堆叠,并将超导铜箔与铜箔的所述堆叠卷起以形成所述多层卷起式超导铜箔。
本公开的其他适用领域将从详细描述、权利要求书和附图变得显而易见。详细描述和特定示例旨在仅用于说明目的而并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本公开将从详细描述和附图变得被更充分地理解,其中:
图1是根据本公开的原理的制作电动马达导体线的第一过程的示意性图示;
图2是根据本公开的原理的制作电动马达导体线的第二过程的示意性图示;
图3是根据本公开的原理制作电动马达导体线的第三过程的示意性图示;以及
图4是实施根据本公开的原理制作的导体线的马达定子的示意性图示。
在附图中,附图标记可被重复使用以识别类似和/或相同的元件。
具体实施方式
参考图4,示出了电动马达定子10,其包括芯12和多个发夹式绕组14。所述多个发夹式绕组14能够由高频导体线制成,该高频导体线是通过根据本公开的原理的过程制造的。
参考图1,示出了一种制作高频导体线的方法,该方法包括:示出了将超导铜(UCC)箔20折叠成多层折叠式超导铜箔22。然后,用铜和铝中的一者将该多层折叠式超导铜箔22包覆成包覆的折叠式超导铜箔24。然后,通过拉伸或挤出使包覆的折叠式超导铜箔24塑性变形成包覆的超导铜线、棒和缆线26中的一者。超导铜线、棒和缆线26能够形成为插入到电动马达定子芯12的槽中的发夹式绕组14,如图4中所示,或者在其他应用中能够以其他方式用作高频电导体。
超导铜箔20能够包括涂有一层对齐的碳纳米管的连续Cu带。在Cu膜或薄片材衬底之上或之内的碳纳米材料可通过其他方法通过在Cu膜或薄片材的顶部上抑或在Cu膜或薄片材内组合碳纳米材料来制备。能够调整Cu-碳复合材料中的碳含量,以改善电阻率和/或电导率。超导铜箔能够替代性地进行涂布以提供比纯铜箔更低的电阻。
过程能够包括:将多个UCC箔片材20进行堆叠,且然后折叠UCC片材的堆叠。另外,能够将UCC片材与纯铜片材进行堆叠,同时将它们折叠成多层折叠式超导铜箔22的堆叠。
参考图2,示出了一种制作高频导体线的方法,该方法包括:将超导铜(UCC)箔40的多个条带堆叠成多层堆叠式超导铜箔42。然后,用铜和铝中的一者将多层堆叠式超导铜箔42包覆成包覆的折叠式超导铜箔44。然后,通过拉伸或挤出使包覆的堆叠式超导铜箔44塑性变形成包覆的超导铜线、棒和缆线46中的一者。超导铜线、棒和缆线46能够形成为插入到电动马达的定子芯12的槽中的发夹式绕组14,如图4中所示,或者能够在其他应用中以其他方式用作高频电导体。
超导铜箔40能够包括涂有一层对齐的碳纳米管的连续Cu带。超导铜箔能够替代性地进行涂布以提供比纯铜箔更低的电阻。
该过程能够包括:将多个UCC片材与纯铜片材进行堆叠,以形成多层堆叠式超导铜箔22。
参考图3,示出了一种制作高频导体线的方法,该方法包括:将超导铜(UCC)箔60紧密地卷起成多层卷起式超导铜箔62。然后,用铜和铝中的一者将多层卷起式超导铜箔62包覆成包覆的卷起式超导铜箔64。然后,通过拉伸或挤出使包覆的卷起式超导铜箔64塑性变形成包覆的超导铜线、棒和缆线66中的一者。超导铜线、棒和缆线66能够形成为插入到电动马达定子芯12的槽中的发夹式绕组14,如图4中所示,或者能够在其他应用中以其他方式用作高频电导体。
超导铜箔60能够包括涂有一层对齐的碳纳米管的连续Cu带。超导铜箔60能够替代性地进行涂布以提供比纯铜箔更低的电阻。
该过程能够包括:将多个UCC片材60进行堆叠,且然后将UCC片材的堆叠卷起。另外,UCC片材能够与纯铜片材进行堆叠,其同时被卷起成多层卷起式超导铜箔62的多个层。
Cu与碳纳米材料改性的线具有更高的电导率和电阻率的优点。所预期的是,UCC电导体材料有助于减少由高频绕组中发现的趋肤效应和邻近效应造成的AC损耗,以实现与商用铜导体相比>5%的电阻减小、>10%的载流量增加、以及>10%的强度改善。
前面的描述本质上仅仅是图示性的,并且决不旨在限制本公开、其应用或使用。本公开的广泛教导能够以各种形式实施。因此,虽然本公开包括特定示例,但是本公开的真实范围不应受到如此限制,因为在研究附图、说明书和以下权利要求时,其他修改将变得显而易见。应理解,方法内的一个或多个步骤可按不同次序(或同时)执行,而不更改本公开的原理。进一步地,虽然上文将实施例中的每一者描述为具有某些特征,但是关于本公开的任何实施例描述的那些特征中的任何一个或多个能够在其他实施例中的任一个中实施和/或与其他实施例中的任一个的特征组合,即使该组合未明确描述。换句话说,所描述的实施例不是相互排斥的,并且一个或多个实施例彼此的排列仍然在本公开的范围内。
元件之间(例如,模块、电路元件、半导体层等之间)的空间和功能关系使用各种术语来描述,包括“连接”、“接合”、“联接”、“相邻”、“紧邻”、“在……顶部上”、“上方”、“下方”和“设置”。除非明确地描述为“直接”,否则当在上面的公开中描述第一元件和第二元件之间的关系时,该关系能够是在第一元件和第二元件之间不存在其他介入元件的直接关系,但也能够是在第一元件和第二元件之间存在(空间抑或功能上)一个或多个介入元件的间接关系。如本文中所使用的,短语A、B和C中的至少一个应被解释为使用非排他性逻辑或来意指逻辑(A或B或C),并且不应被解释为意指“A中的至少一个、B中的至少一个、以及C中的至少一个”。

Claims (10)

1.一种制作导体的方法,所述方法包括:
将超导铜箔折叠成多层折叠式超导铜箔;
用铜和铝中的一者将所述多层折叠式超导铜箔包覆成包覆的折叠式超导铜箔;以及
使所述包覆的折叠式超导铜箔塑性变形成包覆的超导铜线、棒和缆线中的一者。
2.根据权利要求1所述的方法,所述方法进一步包括:将包覆的超导铜线、棒和缆线中的所述一者形成为插入到电动马达定子芯的槽中的发夹式绕组。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述超导铜箔由涂有一层对齐的碳纳米管的连续Cu带制成。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,所述超导铜箔包括Cu膜上的碳纳米材料。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述超导铜箔包括Cu薄片材衬底,所述Cu薄片材衬底是通过将碳纳米管组合在所述Cu薄片材衬底的顶部上来制备的。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,所述超导铜箔包括Cu薄片材衬底,所述Cu薄片材衬底是通过将碳纳米管组合在所述Cu薄片材衬底内来制备的。
7.根据权利要求1所述的方法,其中,所述超导铜箔具有提供比铜箔更低的电阻的涂层。
8.根据权利要求1所述的方法,其中,所述超导铜箔与铜箔进行堆叠,并且所述超导铜箔和所述铜箔中的每一者被折叠以形成所述多层折叠式超导铜箔。
9.一种制作导体的方法,所述方法包括:
将超导铜箔堆叠成多层堆叠式超导铜箔;
用铜和铝中的一者将所述堆叠式超导铜箔包覆成包覆的堆叠式超导铜箔;以及
使所述包覆的堆叠式超导铜箔塑性变形成包覆的超导铜线、棒和缆线中的一者。
10.根据权利要求9所述的方法,所述方法进一步包括:将包覆的超导铜线、棒和缆线中的所述一者形成为插入到电动马达定子芯的槽中的发夹式绕组。
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