定子的制作方法
【專利說(shuō)明】定子
[0001]本申請(qǐng)要求2012年6月22日提交的在先美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)n0.61/663，447的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，作為它的非臨時(shí)申請(qǐng)，該申請(qǐng)還要求2012年6月22日提交的在先歐洲申請(qǐng)n0.EP12173166的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，如本文所述，為了所有意圖和目的，通過(guò)全文引用將歐洲申請(qǐng)n0.EP12173166和美國(guó)申請(qǐng)n0.61/663，447的全文明確地合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種電力機(jī)器(electrical machine)的定子，具體地，涉及一種例如電動(dòng)機(jī)(motor)或發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)機(jī)器(rotating field machine)，具體地用于電動(dòng)車輛的定子，其中所述定子沿它的周長(zhǎng)具有由定子齒分隔的多個(gè)槽，在所述槽內(nèi)布置了由多個(gè)單獨(dú)線纜形成的成形條(shaped bars)。本發(fā)明還涉及一種具有這種定子的電動(dòng)機(jī)(electrical motor)以及用于制造定子的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]本發(fā)明具體地涉及一種任何類型轉(zhuǎn)子構(gòu)造(異步電機(jī)、同步磁阻電機(jī)、電流激勵(lì)的同步電機(jī)、混合激勵(lì)的同步電機(jī)以及永久激勵(lì)的同步電機(jī))的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)機(jī)器，具體地針對(duì)道路車輛的輪軸驅(qū)動(dòng)需要，對(duì)它們的機(jī)械尺寸、電力輸出和轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍進(jìn)行了優(yōu)化。
[0004]所有這種類型機(jī)器的共同點(diǎn)是定子，所述定子攜帶由逆變器(inverter)提供的繞組。本發(fā)明不僅改善所引用的所有電機(jī)的效率和熱連續(xù)輸出能力，而且還尤其改善了繞組的可自動(dòng)化制造性。
[0005]例如現(xiàn)有技術(shù)中公知的是將分布式繞組作為繞組。為了令這些驅(qū)動(dòng)機(jī)(drivemachine)實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)效率和非常低等級(jí)的扭矩波紋，將所謂的分布式繞組本身構(gòu)造為針對(duì)功率輸出范圍在70kW內(nèi)的道路車輛驅(qū)動(dòng)機(jī)的定子繞組。這種類型繞組的前提是定子槽的數(shù)目必須等于極數(shù)乘以相數(shù)的乘積或后者的倍數(shù)。因此，對(duì)于3相4極的機(jī)器，必須在該定子中容納12、24、36...個(gè)槽；對(duì)應(yīng)地，對(duì)于6極的機(jī)器，必須在該定子中容納18、36、54個(gè)槽等。將相數(shù)與極數(shù)的乘積和實(shí)際容納的槽數(shù)之間的倍數(shù)稱作m，并且對(duì)于分布式繞組，m必須相應(yīng)地總是為自然數(shù)。
[0006]在所建造的尺寸中(例如，考慮作為車輛的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)的尺寸)，4極機(jī)器的m值通常是3 (小于4)，在6極機(jī)器的情況下幾乎總是為3，在8極機(jī)器的情況下為2或3，而在10極和12極實(shí)施例的情況下幾乎總是為2。由于相對(duì)降低定子的軛架厚度(yoke thickness)扭矩密度僅有較小的附加增益，所述方法反對(duì)必要高的供給頻率以及后者相關(guān)的經(jīng)費(fèi)(與逆變器相關(guān)聯(lián))，因此更高的極數(shù)在快速運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)電機(jī)中是不常見(jiàn)的，并且根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)是不合理的。
[0007]然而，在混動(dòng)汽車應(yīng)用和賽車應(yīng)用中，有時(shí)出現(xiàn)更高的極數(shù)。根據(jù)外部直徑，用m=I或2來(lái)實(shí)現(xiàn)具有14到24極的這種機(jī)器。然而，通常還轉(zhuǎn)變?yōu)閱锡X繞組(集中式繞組)，其中m變?yōu)榉謹(jǐn)?shù)。
[0008]以上簡(jiǎn)要地解釋了分布式繞組的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。分布式繞組的本質(zhì)在于由于電流流經(jīng)的導(dǎo)體的空間分布，假定磁性激勵(lì)的分布盡可能與正弦分布相似。這是高質(zhì)量平滑運(yùn)行(也就是說(shuō)，非常低的扭矩波紋)以及轉(zhuǎn)子中存在少量流量脈動(dòng)(flow pulsat1ns)的前提，所述流量脈動(dòng)將弓I起較大的附加損耗。
[0009]即使分布式繞組在相似構(gòu)造尺寸的工業(yè)電機(jī)中占據(jù)主要地位，然而它仍存在可制造性差的問(wèn)題。較高的人工成本促使許多制造商將生產(chǎn)場(chǎng)所移至低工資國(guó)家。
[0010]具體地，考慮到高度自動(dòng)化的生產(chǎn)，對(duì)較高車輛數(shù)至關(guān)重要的事物以及出于質(zhì)量原因，主要的是在對(duì)各個(gè)線圈進(jìn)行繞組的工藝中的步驟，所述步驟僅部分適用于在規(guī)模生產(chǎn)中使用。這個(gè)事實(shí)形成了重要特征之一的基礎(chǔ)(但是還是最被低估的因素之一)，是廣泛傳播電動(dòng)車輛的障礙。
[0011]盡管存在全自動(dòng)繞組工藝的示例(包括用于根據(jù)單獨(dú)線纜預(yù)先形成線圈的繞線機(jī)、用于將線圈饋送到槽和布線單元(Wiring cell)的機(jī)器)，然而為了實(shí)現(xiàn)對(duì)繞組對(duì)稱性的妥協(xié)，必須接受槽填充因子以及功率輸出密度。
[0012]在牽引驅(qū)動(dòng)下，由于絕對(duì)電流(由于電壓電平和功率密度比工業(yè)電機(jī)大若干數(shù)量級(jí))導(dǎo)致明顯更多平行延伸的單獨(dú)線纜的事實(shí)，使該問(wèn)題惡化，從而導(dǎo)致生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步復(fù)雜。不確定的是當(dāng)前可用的制造工藝是否可以完全應(yīng)用于汽車牽引電機(jī)。
[0013]對(duì)定子直徑在200到250mm范圍內(nèi)的電機(jī)(輪軸驅(qū)動(dòng)電機(jī))的比較示出了以下內(nèi)容。為了闡明工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和車輛結(jié)構(gòu)的需要之間的差別，引用實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的示例。
[0014]用于有效質(zhì)量為36kg的汽車輪軸驅(qū)動(dòng)的定子直徑為240mm的6極電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速在4500rpm到13000rpm之間，功率輸出大于10kW(65kW連續(xù)功率)。這里，峰值扭矩是280Nm(超過(guò)30秒)，連續(xù)扭矩(低于5500rpm)大約是120Nm。
[0015]當(dāng)以恒定100rpm在主干網(wǎng)絡(luò)操作中，運(yùn)行配備為相同有效質(zhì)量和體現(xiàn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相同構(gòu)造尺寸，從而最多實(shí)現(xiàn)由牽引驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的功率的10%，當(dāng)優(yōu)化降溫條件時(shí)，可能實(shí)現(xiàn)15%。在逆變器操作中，增加旋轉(zhuǎn)速度的范圍，但是功率輸出數(shù)據(jù)保持相同級(jí)別。
[0016]下文中將詳細(xì)描述條形繞組的原理。將成形條滑動(dòng)到槽并在它們的表面上將其正確相連的工程(engineering)源自大型機(jī)械構(gòu)造，并被確立為標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于如果將所有成形條串聯(lián)則可以得到良好的可制造性，所以這些機(jī)械結(jié)構(gòu)的路端電壓(terminalvoltage)是1kV到50kV。因?yàn)槊總€(gè)發(fā)電機(jī)必須在任何情況下與分布網(wǎng)絡(luò)上的變壓器相連，所以由于繞組還可以得到所述路端電壓。因此對(duì)電壓的適應(yīng)不存在問(wèn)題。
[0017]然而，由于在每極每相的若干槽中的感應(yīng)電壓不足以實(shí)現(xiàn)由直接串聯(lián)繞組提供的電壓，在沒(méi)有其它工作的情況下，這種技術(shù)無(wú)法縮小比例為小型構(gòu)造。由于成本壓力，對(duì)外加的和標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)電壓的任何類型調(diào)整都是不合理的。
[0018]由于這種原因，小型電機(jī)的繞組每槽包含多個(gè)繞組，隨后在平行或串行的組中對(duì)所述繞組進(jìn)行正確布線。因此，不將每槽完全由兩個(gè)成形條構(gòu)成的條形繞組用于構(gòu)造尺寸在IEC 132-1EC 160范圍內(nèi)的工業(yè)電機(jī)。
[0019]在電動(dòng)道路車輛的牽引電機(jī)中，存在相似問(wèn)題。通過(guò)DC變壓器對(duì)電池電壓的任何調(diào)整(出于半導(dǎo)體物理學(xué)的原因沒(méi)有進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，處于400V的范圍內(nèi))有可能既不是有效的或也不是成本優(yōu)化的。
[0020]然而，在定子直徑為200到250mm的構(gòu)造尺寸的情況下，由于高旋轉(zhuǎn)速度而出現(xiàn)如下情況:根據(jù)構(gòu)造長(zhǎng)度的正確選擇，槽中所需的繞組數(shù)完全對(duì)應(yīng)于極數(shù)。在這種情況下，條形繞組是有可能的，然而，條形繞組相對(duì)構(gòu)造尺寸、旋轉(zhuǎn)速度等級(jí)、標(biāo)定電池電壓和極數(shù)存在非常嚴(yán)格的自由度。這樣導(dǎo)致不太通用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，無(wú)法將所述電機(jī)的規(guī)格操作為任何較大程度。
[0021]由于截止到目前，現(xiàn)今的汽車制造商沒(méi)有在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用這種標(biāo)準(zhǔn)解決方案，具有條形繞組的先前實(shí)施例主要受限于混合驅(qū)動(dòng)，在混合驅(qū)動(dòng)中，似乎可以在較寬的限制中選擇電池電壓的參數(shù)。由于受到變速箱凸緣中一般較大的電機(jī)尺寸和非常短的構(gòu)造長(zhǎng)度的限制，極數(shù)變?yōu)榭勺杂蛇x擇的參數(shù)。機(jī)械結(jié)構(gòu)本身的效率起到較小的作用；它的動(dòng)作基于內(nèi)燃機(jī)(combust1n engine)的負(fù)載點(diǎn)位移，由于固有較低系統(tǒng)效率大約為20%到25%的增加大于僅補(bǔ)償了相對(duì)低效的機(jī)械結(jié)構(gòu)的85%，而不是92%。
[0022]通常，由于通常過(guò)低，具有成形條的實(shí)施例還需要電池電壓形式的技術(shù)妥協(xié)，所述折衷對(duì)于功率電子器件而言是次優(yōu)的，因?yàn)殡姵仉妷和ǔ］^低，或者對(duì)于DC/DC轉(zhuǎn)換器的布置的折衷。
[0023]下文中，檢查了弦繞組(chorded windings)的原理。如果定子中槽的數(shù)目多于槽數(shù)和極數(shù)的乘積的二倍，則可想象的是分割在一個(gè)槽中存在的相位線圈，使得以與例如4個(gè)而不是3個(gè)槽上的其它相位交疊的方式分布所述線圈。因此，形成了兩個(gè)“純”槽，而不是三個(gè)，僅一個(gè)相位的電流流過(guò)所述槽。然后，在這些槽中的兩個(gè)槽上，在每個(gè)槽中通過(guò)不同相位的電流。
[0024]弦繞組通常需要兩個(gè)線圈層，其中在一個(gè)槽中所述兩個(gè)線圈層必須彼此絕緣，在分布式繞組的情況下還從其它深層填充進(jìn)一步減去所述線圈層。出于這個(gè)原因，牽引電機(jī)通常表現(xiàn)為單層繞組。出于功率密度考慮，接受稍微較高的扭矩脈沖和噪聲產(chǎn)生。
[0025]然而，條形繞組固有地由兩層繞組構(gòu)成?？梢杂脙蓪永@組實(shí)現(xiàn)的高度填充還將弦繞組的優(yōu)點(diǎn)移動(dòng)到感興趣的焦點(diǎn)。
[0026]在現(xiàn)有技術(shù)中，存在多種已知的定子結(jié)構(gòu)。例如，應(yīng)提及以下文獻(xiàn):JP2005130667A、JP2007060743A, JP2008187875A、JP2009011148A、DE4031276A1、DE102005022280AU DE102005032965AU DE102006019312AU DE102006038582AUEP2251960A2。除了繞組方案之外，這些文獻(xiàn)中的一部分文獻(xiàn)還涉及在定子的表面處連接繞組。
[0027]在現(xiàn)有技術(shù)中，通過(guò)平行側(cè)壁形成容納繞組的槽(S卩，成形條)。因此，具有分離槽的定子齒在任何情況下都具有兩個(gè)彼此傾斜的側(cè)壁，使得定子齒的橫截面沿轉(zhuǎn)子的方向變細(xì)。換言之:在橫截面中，定子齒的基部寬于其尖部。具體地而非僅有地，在上述電動(dòng)機(jī)的情況下，由于設(shè)置