用於電機的勵磁線圈的製作方法

2023-06-13 12:44:11

專利名稱：用於電機的勵磁線圈的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於電機的勵磁線圈。
背景技術：
在該部分中的聲明僅提供與本發明相關的背景信息。因此，這種聲明不用於構成對現有技術的承認。電動機器通過在靜止元件(S卩，定子)與可旋轉元件(即，轉子)之間的利用勵磁線圈感應旋轉磁場來將電功率轉化成機械扭矩。扭矩傳遞到軸，該軸通過導體條聯接到轉子。勵磁線圈可與定子相關聯。已知的電動機器包括轉子，該轉子具有被組裝到可旋轉的軸上的鋼疊片堆，以及·由例如銅或鋁之類的導電材料製成的多根導體條。導體條優選地使用短路端環連接在轉子的兩個軸向端。已知的勵磁線圈通過優選地平行於轉子旋轉軸線的轉子上的導體條感應電流。已知的定子包括勵磁線圈，其用於攜帶電源電流以感應磁場。勵磁線圈的數量可以變化並優選地成對排列。最常用類型的電機利用單相或三相電功率驅動。單相電機要求起動器在磁場不旋轉時開始旋轉轉子。三相電機通過在勵磁線圈的相位之間順序地旋轉磁場來旋轉轉子而不用起動器。已知的勵磁線圈是線纏繞的或條纏繞的。線纏繞的勵磁線圈通過插入定子的小直徑的導電線束產生。條纏繞的勵磁線圈通過插入定子的一系列導電材料條產生。

發明內容
包括轉子和定子的用於電機的勵磁線圈段包括具有第一橫截面積的第一線元件，所述第一線元件與具有第二橫截面積的第二線元件並聯電連接，所述第二橫截面積大於第一橫截面積。本發明還提供了以下方案
I.一種用於包括轉子和定子的電機的勵磁線圈段，其包括
具有第一橫截面積的第一線元件，所述第一線元件與具有第二橫截面積的第二線元件並聯電連接，所述第二橫截面積大於所述第一橫截面積。2.根據方案I所述的勵磁線圈段，其特徵在於，線元件在徑向定向堆中布置，所述徑向定向堆插入在電機的定子上形成的槽中。3.根據方案2所述的勵磁線圈段，其特徵在於，所述第一線元件相對於所述第二線元件更接近電機的轉子。4.根據方案I所述的勵磁線圈段，其特徵在於，其還包括第三線元件，其具有在第一和第二橫截面積中間的第三橫截面積，所述第三線元件與第一和第二線元件並聯電連接。5.根據方案4所述的勵磁線圈段，其特徵在於，線元件在徑向定向堆中布置，所述徑向定向堆插入在電機的定子上形成的槽中。6.根據方案5所述的勵磁線圈段，其特徵在於，所述第一線元件相對於所述第二和第三線元件更接近電機的轉子，所述第三線元件相對於所述第二線元件更接近電機的轉子。7.根據方案I所述的勵磁線圈段，其特徵在於，其還包括具有第一橫截面積的第三線元件，和具有第二橫截面積的第四線元件，所述第三和第四線元件與所述第一和第二線元件並聯電連接。8.根據方案7所述的勵磁線圈段，其特徵在於，線元件在徑向定向堆中布置，所述徑向定向堆插入在電機的定子上形成的槽中。9.根據方案8所述的勵磁線圈段，其特徵在於，所述第一和第三線元件相對於所述第二和第四線元件更接近電機的轉子。
10.根據方案8所述的勵磁線圈段，其特徵在於，所述第一線元件相對於所述第二，第三和第四線元件更接近電機的轉子，所述第三線元件相對於所述第二和第四線元件更接近電機的轉子，所述第二線元件相對於所述第四線元件更接近電機的轉子。11.根據方案8所述的勵磁線圈段，其特徵在於，所述第一線元件相對於所述第二，第三和第四線元件更接近電機的轉子，所述第二線元件相對於所述第三和第四線元件更接近電機的轉子，所述第三線元件相對於所述第四線元件更接近電機的轉子。12.根據方案8所述的勵磁線圈段，其特徵在於，所述第一和第三線元件在所述槽內並排布置並且相對於所述第二和第四線元件更接近電機的轉子。13.根據方案I所述的勵磁線圈段，其特徵在於，其還包括具有第一橫截面積的第三線元件，和第四線元件，其具有在第一和第二橫截面積中間的第三橫截面積，所述第三和第四線元件與第一和第二線元件並聯電連接。14.根據方案13所述的勵磁線圈段，其特徵在於，所述第一和第三線元件在所述槽內並排布置並且相對於所述第二和第四線元件更接近電機的轉子，並且所述第四線元件相對於所述第二線元件更接近電機的轉子。15.根據方案I所述的勵磁線圈段，其特徵在於，其還包括第三線元件，其具有在第一和第二橫截面積中間的第三橫截面積，和具有第三橫截面積的第四線元件，所述第三和第四線元件與第一和第二線元件並聯電連接。16.根據方案15所述的勵磁線圈段，其特徵在於，線元件在徑向定向堆中布置，所述徑向定向堆插入在電機的定子上形成的槽中。17.根據方案16所述的勵磁線圈段，其特徵在於，所述第一線元件相對於所述第二，第三和第四線元件更接近電機的轉子，所述第三線元件相對於所述第二和第四線元件更接近電機的轉子，所述第四線元件相對於所述第二線元件更接近電機的轉子。18. 一種用於包括轉子和定子的電機的相的勵磁線圈，其包括
多個勵磁線圈段，其每個包括具有第一橫截面積的相應的第一線元件，和具有第二橫截面積的相應的第二線元件，所述第二橫截面積大於所述第一橫截面積；
所述相應的第一線元件在電源和槽之間串聯電連接；以及 所述相應的第二線元件在電源和槽之間串聯電連接。19.根據方案18所述的勵磁線圈，其特徵在於，相應的線元件在徑向定向堆中布置，所述徑向定向堆插入在電機的定子上形成的相應的槽中。20.根據方案19所述的勵磁線圈，其特徵在於，相應的第一線元件相對於相應的第二線元件更接近電機的轉子。21.根據方案20所述的勵磁線圈，其特徵在於，所述多個勵磁線圈段的每個包括相應的第三線元件，其具有在第一和第二橫截面積中間的第三橫截面積，所述相應的第三線元件在電源和槽之間串聯電連接，並且所述第三線元件位於第一和第二線元件中間。


作為示例，現在將參考附圖來描述一個或多個實施例，附圖中
圖I示出了根據本公開的包括定子和轉子的電機的橫截面的局部剖視 圖2-1至2-6每個都示出了根據本公開的用於勵磁線圈段的繞組布置；
圖3示出了根據本公開的用於單個大的線元件、小的線元件、相同尺寸的並聯線元件，和大和小的並聯線元件的頻率範圍(Hz)上的AC電阻(ohm)的增加；
圖4示出了根據本公開的用於第一布置，第二布置，第三布置和第四布置中的線元件的AC電阻(ohm)相對於頻率(Hz)的關係；和
圖5示出了根據本公開的用於具有第一變體，第二變體和第三變體的線元件的相關於頻率(Hz)的作為百分比的效率。
具體實施例方式現在參考附圖，其中所顯示的內容僅僅為了圖示某些示例性實施例的目的，而不是為了限制所述示例性實施例的目的，圖I示出了包括定子10和轉子22的三相電機12的局部剖視圖。應該意識到雖然詳細地討論了三相電機，本公開不限於此，並且可採用額外的相方案，其具有實現的類似益處。 轉子22具有旋轉軸線36，其通過一系列的鋼疊片堆板32和多個導體條34繞受到磁場影響的點旋轉。轉子22可繞旋轉軸線36旋轉，旋轉軸線36與軸25同軸。定子10是環形裝置，其與旋轉軸線36同軸，並且包括相對於旋轉軸線36的多個徑向地定向的槽16，其每個具有的形狀和尺寸容納導電繞組，其在此處稱作勵磁線圈段14。多個勵磁線圈段14作為定子10的元件被描述，但是意識到此處所述的概念應用採用勵磁線圈段14的電機把勵磁線圈段14作為轉子的元件。勵磁線圈段14被電力安排以形成合適的勵磁線圈，其在開關電路30和槽19之間電連接，參照圖3顯示。每個相包括能夠產生磁極的至少一對相對勵磁線圈。定向的功率可以在單相或多相中供給，其中三相是通用多相配置。單相配置包括用於每個磁極的一對相對的勵磁線圈，三相配置包括用於每個磁極的三對相對的勵磁線圈。例如，單相單極定子具有一對相對的勵磁線圈，單相三極定子具有三對相對的勵磁線圈。類似地，三相單極定子具有三對相對的勵磁線圈，三相三極定子具有九對相對的勵磁線圈。三相電機能夠在轉子22中推動旋轉而不用起動器裝置，然而單相電機要求起動器裝置。如圖不的，包括定子10的電機12布置成包括一組相對的第一相勵磁線圈24, —組相對的第二相勵磁線圈26，和一組相對的第三相勵磁線圈28，其緊鄰轉子22並且與轉子22分開一定氣隙相對於旋轉軸線36順序地圍繞定子10的圓周定位。第一相勵磁線圈24,第二相勵磁線圈26，和第三相勵磁線圈28的每組電連接到電源和槽之間，例如參照圖3所示的三相開關電路和槽。第一相勵磁線圈24，第二相勵磁線圈26和第三相勵磁線圈28的每個通過電連接選擇的勵磁線圈段14形成。這包括串聯連接與第一相勵磁線圈24相關聯的勵磁線圈段14的相對應的線元件，串聯連接與第二相勵磁線圈26相關聯的勵磁線圈段14的相對應的線元件，和串聯連接與第三相勵磁線圈28相關聯的勵磁線圈段14的相對應的線元件。這種連接是已知的並且在此不詳細討論。第一相勵磁線圈24，第二相勵磁線圈26和第三相勵磁線圈28的每個的串聯連接的線元件在電源和槽之間並聯電連接。在關於圖I所示的實施例中，勵磁線圈段14的每個具有兩個小的線元件18和兩個大的線元件20。小的線元件18和大的線元件20相對於與旋轉軸線36正交地突起的徑向線在堆成型部中布置。小的線元件18具有橫截面積，其小於大的線元件20的橫截面積。小的線元件18優選地相對鄰近轉子22和旋轉軸線36，大的線元件20優選地相對遠離轉子22和旋轉軸線36。意識到小和大的線元件18，20相應的橫斷面形狀可以是任何合適的橫 截面形狀，例如，圓形，方形或矩形。意識到每個橫截面積對於正交於電流流動的平面被確認。進一步，雖然勵磁線圈段14被描述為布置在定子10上，本公開不限於此並且構思的勵磁線圈段14布置在轉子22上。圖2-1至2-6的每個都示意性地示出了插入轉子10的槽16中的單個勵磁線圈段14的繞組布置，其中每個圖示出了不同的繞組布置。理解的是所示的勵磁線圈段14和相關聯的繞組布置並不是排他的，而是示出了可採用的勵磁線圈段14的繞組布置。圖2-1至2-6的每個都示意性地示出了勵磁線圈段14的繞組布置，其包括小的線元件18，大的線元件20，並且在若干視圖中，示出了中間的線元件38。意識到術語小，大，和中間指示橫截面的相對尺寸。參照圖2-1至2-6示出的勵磁線圈段的繞組布置是說明性的。與本公開一致的，徑向定向的堆中布置的並且使用小的，中間的，大的線元件插入一個槽16中的勵磁線圈段14的其他繞組布置被構思。圖2-1示意性地示出了插入槽16的一個中的勵磁線圈段14的單個的第一繞組布置。第一繞組布置包括徑向定向堆，其具有鄰近轉子22的兩個相鄰的小的線元件18和遠離轉子22的兩個相鄰的大的線元件20。兩個小的線元件18和兩個大的線元件20在電源和槽之間並聯電連接。圖2-2示意性地示出了插入槽16的一個中的勵磁線圈段14的單個的第二繞組布置。第二繞組布置包括徑向定向堆，其具有兩個小的線元件18和兩個大的線元件20，其以鄰近轉子22的小的線元件18的第一個，與其相鄰的大的線元件20的第一個，鄰近大的線元件20的第一個的小的線元件18的第二個，和遠離轉子22的大的線元件20的第二個的交替順序布置。兩個小的線元件18和兩個大的線元件20在電源和槽之間並聯電連接。圖2-3示意性地示出了插入槽16的一個中的勵磁線圈段14的一個的第三繞組布置。第三繞組布置包括徑向定向堆，其包括小的線元件18，中間的線元件38，和大的線元件20。小的線元件18鄰近轉子22，其中中間的線元件38與其相鄰，隨後是遠離轉子22的大的線元件20。小的，中間的，大的線元件18，38，20分別在電源和槽之間並聯電連接。圖2-4示意性地示出了插入槽16的一個中的勵磁線圈段14的一個的第四繞組布置。第四繞組布置包括徑向定向堆，其包括鄰近轉子22的小的線元件18，隨後是兩個中間的線元件38，和遠離轉子22的大的線元件20。小的，中間的，大的線元件18，38，20在電源和槽之間並聯電連接。圖2-5示意性地示出了插入槽16的一個中的勵磁線圈段14的一個的第五繞組布置。第五繞組布置包括徑向定向堆，其具有鄰近兩個堆疊的大的線元件20的與轉子22相鄰的槽內的並排布置的兩個小的線元件18。小的，大的線元件18，20在電源和槽之間並聯電連接。圖2-6示意性地示出了插入槽16的一個中的勵磁線圈段14的一個的第六繞組布置。第六繞組布置包括徑向定向堆，其具有與轉子22相鄰的並排布置的兩個小的線元件18，其中，中間的線元件38與其相鄰。大的線元件20鄰近中間的線元件38並且遠離轉子22。小的，中間的，大的線元件18，38，20分別在電源和槽之間並聯電連接。在關於圖2-1至2-6描述的繞組布置的每個中，與每個相相關聯的勵磁線圈段14的相對應的線元件優選地串聯連接，並且串聯連接的線元件在電源和槽之間並聯電連接。這在圖3中示意性示出。·圖3示意性地示出了第一相勵磁線圈24，第二相勵磁線圈26和第三相勵磁線圈28的線路圖，其每個由採用小的線元件18和大的線元件20的多個串聯連接的勵磁線圈段14構造。勵磁線圈段14的小的線元件18和大的線元件20在示例性三相電機12的定子的前述繞組布置之一中布置，該電機連接到電源，該電源包括開關電路30。小和大的線元件18，20在開關電路30和槽19之間並聯電連接。開關電路30使電流通過三相之一，優選地以連續順序，從而在第一、第二和第三勵磁線圈24，26，28的每個中產生連續磁場。第一、第二和第三勵磁線圈24，26，28的每個包括小的線元件18和大的線元件20。例如，開關電路30可以是三相開關電路或變換器，其控制電流的振幅和頻率，該電流分別通過第一、第二和第三勵磁線圈24, 26, 28,從而產生作用於轉子的旋轉磁場。當磁極產生的時候，轉子受到磁性的影響並被推動以繞旋轉軸線36旋轉從而與磁極對齊。由開關電路30所提供的電流使磁極繞定子10旋轉。磁極的旋轉使轉子與產生的旋轉磁極對齊。旋轉磁極的產生因而推動轉子，以在開關電路30順序地控制分別通過第一、第二和第三勵磁線圈24，26，28的每個的電流的時候旋轉。轉子的轉速被來自開關電路30的電流輸出的頻率控制。每個線元件具有內部交流(AC)電阻，其由透入效果影響。透入效果是電流隨著頻率增加在線元件表面附近行進的趨勢。由於較大的表面積，在正交於電流流動的方向的平面上具有較大橫截面積的線元件引發了比具有較小的表面積的較小橫截面積的線元件的更大的透入效果。透入效果依據透入深度討論，透入深度是從線元件邊緣行進的電流的深度。當電流的頻率增加時，透入深度隨著電流試圖在表面附近行進而減小，由此導致線元件中的更高AC電阻。大的線在低頻電流傳遞期間具有小的透入效果，其允許透入深度穿透線而導致總體的低AC電阻。由於大的線元件的大的表面積，增加AC電流的頻率導致增加透入效果，因而減小透入深度和增加AC電阻。更小的線元件在低頻具有小的透入效果，其中產生低AC電阻但是由於其較小橫截面積，不能傳遞較大線那麼多的電流。由於小的線元件的小表面積，AC電流頻率增加透入效果較小量。小的線元件具有低透入深度損失和AC電阻的較小增加。因而，小的線元件在更高頻率比更大的線元件攜帶更多的電流。
由透入效果導致的有效的AC電阻由下面的等式近似
R ^ (L* P ) / (π* (D- δ ) * δ )[I]
其中L是線長度，
P是材料電阻率，
D是線直徑，以及 δ是有效透入深度。
使用等式I的分析指示AC電阻在低頻操作由於透入效果受到更大的線元件影響，而AC電阻在高頻操作由於透入效果受到更小的線元件影響。圖4是數據圖，其描繪了在第一布置82，第二布置84，第三布置86和第四布置88中的線元件的AC電阻(ohm) 80與頻率(Hz) 90的關係。第一布置82是具有相對大的橫截面積的單個線元件。第二布置84是具有相對小的橫截面積的單個線元件。第三布置86是具有相同的橫截面積並且在並聯電路中布置的兩個線元件。第四布置88是兩個線元件，其包括具有相對小的橫截面積的第一線和具有相對大的橫截面積的第二線。第一布置82在低工作頻率具有比第二布置84更低的AC電阻80。第一布置82在低工作頻率具有比第三布置86或第四布置88更大的AC電阻。如所示的，在大約470 Hz，第一布置82的AC電阻增加到大於第二布置84，並且在直到至少1200 Hz在較高頻率具有所有布置的最大AC電阻。第三布置86和第四布置88在低工作頻率具有大約相同的AC電阻，並且在大約200 Hz開始分離。第三布置86的AC電阻相對於第四布置88的AC電阻增加。第三布置86的AC電阻在較低頻率小於第二布置84的AC電阻，在大約980 Hz與其相等，並且在這之後大於第二布置84的AC電阻。第四布置88的AC電阻在報告的頻率範圍(即0-1200 Hz)上最小。因此，圖表指示在低頻範圍沒有性能損失並且在第四布置88的較高頻率範圍具有最好性能，其包括兩個線元件，該線元件包括具有相對小的橫截面積的第一線和具有相對大的橫截面積的第二線。表I提供了在O Hz和1200 Hz之間的頻率範圍上在第三布置86 (電阻相同尺寸線)和第四布置88 (電阻不同尺寸線)中配置的電機AC電阻減小關係。
權利要求
1.一種用於包括轉子和定子的電機的勵磁線圈段，其包括 具有第一橫截面積的第一線元件，所述第一線元件與具有第二橫截面積的第二線元件並聯電連接，所述第二橫截面積大於所述第一橫截面積。
2.根據權利要求I所述的勵磁線圈段，其特徵在於，線元件在徑向定向堆中布置，所述徑向定向堆插入在電機的定子上形成的槽中。
3.根據權利要求2所述的勵磁線圈段，其特徵在於，所述第一線元件相對於所述第二線元件更接近電機的轉子。
4.根據權利要求I所述的勵磁線圈段，其特徵在於，其還包括第三線元件，其具有在第一和第二橫截面積中間的第三橫截面積，所述第三線元件與第一和第二線元件並聯電連接。
5.根據權利要求4所述的勵磁線圈段，其特徵在於，線元件在徑向定向堆中布置，所述徑向定向堆插入在電機的定子上形成的槽中。
6.根據權利要求5所述的勵磁線圈段，其特徵在於，所述第一線元件相對於所述第二和第三線元件更接近電機的轉子，所述第三線元件相對於所述第二線元件更接近電機的轉子。
7.根據權利要求I所述的勵磁線圈段，其特徵在於，其還包括具有第一橫截面積的第三線元件，和具有第二橫截面積的第四線元件，所述第三和第四線元件與所述第一和第二線元件並聯電連接。
8.根據權利要求7所述的勵磁線圈段，其特徵在於，線元件在徑向定向堆中布置，所述徑向定向堆插入在電機的定子上形成的槽中。
9.根據權利要求8所述的勵磁線圈段，其特徵在於，所述第一和第三線元件相對於所述第二和第四線元件更接近電機的轉子。
10.一種用於包括轉子和定子的電機的相的勵磁線圈，其包括 多個勵磁線圈段，其每個包括具有第一橫截面積的相應的第一線元件，和具有第二橫截面積的相應的第二線元件，所述第二橫截面積大於所述第一橫截面積； 所述相應的第一線元件在電源和槽之間串聯電連接；以及 所述相應的第二線元件在電源和槽之間串聯電連接。
全文摘要
本發明涉及用於電機的勵磁線圈。具體地，一種用於包括轉子和定子的電機的勵磁線圈段，其包括具有第一橫截面積的第一線元件，所述第一線元件與具有第二橫截面積的第二線元件並聯電連接，所述第二橫截面積大於所述第一橫截面積。
文檔編號H02K3/12GK102904361SQ20121026111
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月26日 優先權日2011年7月26日
發明者L.郝 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司