用于基于轴向的电动机器的箔线圈结构及其缠绕方法

专利名称：用于基于轴向的电动机器的箔线圈结构及其缠绕方法
技术领域：
本发明的各种实施例大体上涉及电动机器和其类似物，且更具体来说，涉及用于电 动机器中的定子的箔线圈结构及其缠绕方法。
背景技术：
虽然用于电动机器的传统结构(例如，轴向电动机和发电机)为起作用的，但其在 其实施方面具有若干缺点。 一般来说，传统的定子不提供用于产生安培匝数("AT") 通量的最佳结构。举例来说，传统定子使用通常由具有圆形横截面的线组成的线圈，每 一线个别地绕着定子的一个组件巻绕而不顾其它组件。将希望提供最小化与轴向电动机 和发电机相关联的缺点中的一个或一个以上的经改进技术和结构。

发明内容
本发明揭示用于电动机器中的定子的箔线圈结构及其缠绕方法，以及实施此类线圈 结构的电动机器。在一个实施例中，箔线圈结构经配置以供用具有面临(例如)圆锥形 磁体的极面的场磁极部件来实施。


与结合附图所取得的以下详细描述结合，将更充分地了解本发明和其各种实施例， 在附图中
图1和图2描绘根据本发明的实施例的有效场磁极部件的实例； 图3描绘根据本发明的至少一个实施例的线圈结构的实例；
图4A描绘根据本发明的特定实施例的包括基于箔的引线的线圈结构的一部分； 图4B展示根据本发明的实施例的基于箔的引线结构；
图5描绘根据本发明的特定实施例的包括偏移部分的线圈结构的一部分；图7为描绘根据本发明的一个实施例的实施耦合在一起的有效场磁极部件的定子的 部分的图8A为根据本发明的实施例的组装有图7中所示的场磁极部件的子集的定子的俯视
图8B到图8D指示根据本发明的一个实施例的定子的组合件的实例； 图9、图IOA和图IOB展示根据本发明的实施例的用于定子的另一箔配置； 图10C展示根据本发明的各种实施例的包括各种线圈结构和定子的转子-定子结构 的实例；
图11和图12展示根据本发明的实施例的用于定子的箔配置的又一实例； 图13和图14展示根据本发明的实施例的用于相对较高数目个场磁极部件的集合的 箔配置的再一实例；
图15到图18B描绘根据本发明的各种实施例的实施可变宽度箔导体的线圈结构的各 种实施方案；
图19A描绘根据本发明的至少一些实施例的包括偏移部分的线圈结构的一部分； 图19B展示根据本发明的至少一些实施例的包括经形成以产生间隙的偏移部分的箔 导体；以及
图20A和图20B描绘根据本发明的至少一些实施例的线圈结构的其它实例。 在所有诸图的若干视图中，相同参考数字指代对应部分。请注意，参数数字中的大 多数包括大体上识别首先引入那个参考数字的图式的一个或两个最左边的数字。
具体实施例方式
定义
以下定义适用于关于本发明的一些实施例描述的元件中的一些。在本文中可对这些 定义同样地进行扩展。
如本文所使用，至少在一个实施例中，术语"气隙"指代磁体表面与面临极面之间 的空间或间隙。此类空间在物理上可描述为至少由磁体表面和极面的区域定界的体积。 气隙用以使转子与定子之间能够相对运动，和限定通量相互作用区。虽然气隙通常填充 有空气，但无需限于此。
如本文所使用，术语"背铁" 一般描述常用以完成另外开放的磁路的物理结构(以及产生那个物理结构的材料)。具体来说，背铁结构通常仅用以将磁通量从一个磁路元件 传送到另一磁路元件，例如从一个导磁场磁极部件到另一导磁场磁极部件或从第一磁体 的磁极到第二磁体的磁极，或两者，而无需在场磁极部件或磁极之间插入安培匝数产生 元件(例如，线圈)。此外，背铁结构一般不经形成以接受相关联的安培匝数产生元件(例 如， 一个或一个以上线圈)。
如本文所使用，至少在一个实施例中，术语"线圈"指经布置以在电感上耦合到导 磁材料以产生磁通量的导体的连续圈的组合。在一些实施例中，术语"线圈"可描述为 "绕组"或"线圈绕组"。术语"线圈"也可指箔线圈。在至少一些实施例中，术语"箔 线圈"可指具有任何横截面形状的导体。箔线圈的实例为相对平坦的平面状导体。在其
它实例中，箔线圈在结构上可为单片的，或可由共同具有非圆形横截面的多个导体组成。 如本文所使用，至少在一个实施例中，术语"线圈区" 一般指线圈绕其缠绕的场极 点部件的一部分。
如本文所使用，至少在一个实施例中，术语"芯"指场磁极部件的一部分，在其中， 线圈通常安置于极靴之间且一般由用于提供磁通量路径的一部分的导磁材料组成。至少 在一个实施例中，在线圈结构的上下文中，术语"芯"可指经配置以支撑磁区的结构。 因此，术语芯可与术语"轴心"互换。
如本文所使用，至少在一个实施例中，术语"场磁极部件" 一般指由导磁材料组成 且经配置以提供线圈可绕其缠绕的结构的元件(即，所述元件经配置以收纳线圈以实现 产生磁通量的目的)。具体来说，场磁极部件包括芯(即，芯区)和至少一个极靴，其每 一者通常位于芯的相应末端附近。此外，场磁极部件不经配置以产生安培匝数通量。在 一些实施例中，术语"场磁极部件"可一般描述为"定子芯"。
如本文所使用，至少在一个实施例中，术语"有效场磁极部件"指芯、 一个或一个 以上线圈和至少两个极靴的组合。具体来说，有效场磁极部件可描述为组装有用于可选 择地产生安培匝数通量的一个或一个以上线圈的场磁极部件。在一些实施例中，术语"有 效场磁极部件"可一般描述为"定子芯部件"。
如本文所使用，至少在一个实施例中，术语"铁磁材料"指通常展现磁滞现象且其 磁导率取决于磁化力的材料。而且，术语"铁磁材料"也可指其相对磁导率大于一个单
位且取决于磁化力的导磁材料。
如本文所使用，至少在一个实施例中，术语"场相互作用区"指其中从两个或两个 以上源产生的磁通量以可相对于那些源产生机械力和/或扭矩的方式来矢量地相互作用的区。通常，术语"通量相互作用区"可与术语"场相互作用区"互换使用。此类源的 实例包括场磁极部件、有效场磁极部件，和/或磁体，或其部分。虽然场相互作用区在旋 转机械用语中通常被称作"气隙"，但场相互作用区为描述其中来自两个或两个以上源的 磁通量矢量地相互作用以相对于那些源产生机械力和/或扭矩的区的更广泛术语，且因此 不限于气隙的定义(即，不限于由磁体表面和极面的区域和从所述两个区域之间的外围 延伸的平面限定的体积)。举例来说，场相互作用区(或至少其部分)可位于磁体内部。
如本文所使用，至少在一个实施例中，术语"发电机" 一般指经配置以将机械能转 换成电能而不管(例如)其输出电压波形如何的电动机器。如可类似地定义"交流发电 机"，术语发电机将交流发电机包括在其定义中。
如本文所使用，至少在一个实施例中，术语"磁体"指在自身外部产生磁场的物体。 因此，术语磁体包括永久磁体、电磁体和类似物。术语磁体也可指内部永久磁体("IPM")、 表面式永久磁体("SPM")和类似物。
如本文所使用，至少在一个实施例中，术语"电动机"一般指经配置以将电能转换 成机械能的电动机器。
如本文所使用，术语"导磁"为描述性术语，其至少在一个实施例中一般指通量密
度("B")与所施加磁场("H")之间具有磁可确定关系的那些材料。另外，希望术语"导 磁"为广义术语，其包括(不限于)铁磁材料，例如普通层压钢、冷轧晶粒取向(CRGO) 钢、粉末金属、软磁复合材料("SMC")和其类似物。
如本文所使用，至少在一个实施例中，术语"极面"指极靴的表面，所述表面面向 通量相互作用区(以及气隙)的至少一部分，由此形成通量相互作用区(以及气隙)的 一个边界。在一些实施例中，术语"极面"可一般描述为包括"通量相互作用表面"。在 一个实施例中，术语"极面"可指"定子表面"。
如本文所使用，至少在一个实施例中，术语"极靴"指场磁极部件的促进对极面定 位使得其面临转子(或其部分)的那个部分，由此用以对气隙定形并控制其磁阻。场磁 极部件的极靴一般位于芯的一个或一个以上末端附近在线圈区处或附近开始且终止于极 面处。在一些实施例中，术语"极靴"可一般描述为"定子区"。
如本文所使用，至少在一个实施例中，术语"软磁复合材料"("SMC")指部分包 含绝缘磁性微粒(例如，可经模制以形成本发明的定子结构的元件的绝缘涂层铁粉末金 属材料)的那些材料。
如本文所使用，在至少一个实施例中，术语"圆锥形磁体结构"指圆锥形磁体的结构，其可实施磁体材料和/或磁体组件的组合件，包括(但不限于)磁区和/或磁性材料和 轴心结构，或至少一个表面是与旋转轴成某角度而定向的任何其它磁体。在各种实施例 中，术语"圆锥形磁体结构"可与术语"圆锥形磁体"互换使用。在至少一个实施例中， 术语"圆锥形磁体"可指描述于第7,061,152号美国专利、第12/080,788号美国非临时申 请案和/或第11/255,404号美国非临时申请案中的那些磁体。 论述图1和图2描绘根据本发明的实施例的有效场磁极部件的实例。如图1所示，有效 场磁极部件100可包括具有极面112 (其一者未图示)的场磁极部件102，极面112经 配置以面临圆锥形磁体(未图示)；以及线圈结构IIO。线圈结构IIO展示为包括由一根 或一根以上线组成的线圈104，和至少第一引线106a (例如，作为"引入"引线的进入 线圈104中的引线)和第二引线106b(例如，作为"引出"引线的离开线圈104的引线)。 在此实例中，引线106a和106b由线(例如，线圈104的线的末端)组成。引线106a和 106b可为单根线的部分，或可为与线圈104的一根或一根以上线分开形成且接着附接到 所述线的其它导体材料。在各种实施例中， 一个或一个以上线圈104可包括横截面具有 任何形状的任何类型的线或导体的一根或一根以上线。实例包括圆线、方线和类似物。 根据各种实施例，场磁极部件(例如，场磁极部件102)可经定形以在极面112之间提供 直通量路径(或大体上直的通量路径)。在至少一些实施例中，场磁极部件102经形成以 提供排除不直的路径部分的通量路径。不直通量路径部分可包括在极面112之间以约九 十度的角度偏离的通量路径区段。图2描绘根据本发明的至少一个实施例的另一有效场磁极部件的实例。如所示，有 效场磁极部件200可包括具有面临圆锥形磁体的极面的场磁极部件202和线圈结构210。 此处，线圈结构210展示为包括由一个或一个以上箔导体204组成的线圈204和至少第 一引线206a (例如，进入线圈204中的引线)和第二引线206b (例如，离开线圈204的 引线)。在此实例中，引线206a和206b可由适合于促进电流通过线圈结构210以在场磁 极部件202内产生AT通量的线或任何导体材料组成。在至少一些实施例中，场磁极部件 202可经形成以提供任何数目个线圈区， 一个或一个以上线圈204可安置于所述线圈区 处。接下来展示线圈结构210的实例。图3描绘根据本发明的至少一个实施例的线圈结构的实例。线圈结构300包括箔导 体304，其一般为细长的且包括第一侧面310a和第二侧面310b，其两者大体上平行于在 箔导体304的第一末端308a与箔导体304的第二末端308b之间建立的电流路径而延伸。引线306a和引线306b分别耦合到箔导体304的第一末端308a和箔导体304的第二末端 308b。在一个例子中，引线306a和引线306b由线组成。在各种实施例中，箔导体304 可由铜、铝或任何其它载流材料组成。
根据各种实施例，线圈结构300的一个或一个以上箔导体304可减少经组装电动机 或发电机的阻抗以(例如)最小化电压调节问题(即，在发电机中)。电感一般随绕组中 导体匝数的平方而增加，因此为实现较低电感，通常实施较少匝数的较粗号的线。场磁 极部件的大小和相对于彼此的间隔由所使用的线的规格限制，此归因于(例如)线的最 小弯曲半径。相反，相对较薄但较宽件的箔导体片304可具有等效于相对粗号的线的导 体横截面积，但可易于绕着直场磁极部件(或大体上直的场磁极部件)巻绕。请注意， 在所示实例中，由线组成的引线306a和引线306b可促进箔导体304的实施。在其它实 施例中，引线306a和引线306b可由包括箔导体的其它导体组成(例如，在箔导体304 包括铝时的情况)。
图4A描绘根据本发明的特定实施例的包括基于箔的引线的线圈结构的一部分。线圈 结构部分400包括基于箔的引线402形成于箔导体404的末端406处的箔导体404的一 部分。基于箔的引线402可由箔导体404或任何其它箔导体(未图示)形成。在一个实 施例中，基于箔的引线402包括经配置以提供(例如)基于箔的引线402的横截面积的 电流密度增强部分408，所述横截面积等效于或大体上近似箔导体404的宽度("width") 409处的横截面积。举例来说，电流密度增强部分408可经配置以增强基于箔的引线402 与箔导体404之间的耦合以增强原本可能受到阻碍的电流密度。在至少一些实施例中， 基于箔的引线402与箔导体404的部分由同一箔导体形成(例如，基于箔的引线402与 箔导体404的部分由同一单片导体形成)。因此，相对于使用任何己知紧固件(例如，焊 料等)将引线附接到箔导体404的一部分的结构，可增强结构的可靠性。电流密度增强 部分408可经配置以使基于箔的引线402的载流能力与箔导体404的载流能力匹配。任 选地，可通过在折叠线410处折叠箔导体404使基于箔的引线402与箔导体404成任何 角度而定向。根据各种实施例，可以折叠线410实施一个或一个以上折叠线(未图示) 或所述折叠线可实施为折叠线410的代替物以确定基于箔的引线402之间的角度。虽然 基于箔的引线402可由同一箔导体形成，但其无需根据一些实施例。在各种实施例中， 箔导体404的一个或一个以上侧可包括放上所述一个或一个以上侧上的绝缘层。请注意， 可移除此类绝缘层(或其部分)以增强在彼此之上折叠的部分之间的导电性。
图4B展示根据本发明的实施例的基于箔的引线结构。线圈结构部分450包括基于箔的引线结构490形成于箔导体454的末端处的箔导体454的一部分。基于箔的引线结构 490可经配置以包括经配置以在彼此之上折叠的折叠部分470a和470b。折叠部分470a 和470b可分别包括电流密度增强部分480a和480b，其可经配置以提供基于箔的引线结 构4卯的横截面积，所述横截面积可等效于在箔导体454的宽度453处或沿着宽度453 的横截面积。在一个实施例中，箔导体454可包括非引线区460和引线区462，引线区 462包括折叠部分470a和470b。请注意，根据至少一些实施例，单侧绝缘层在其自身缠 绕于场磁极部件上时可足以使箔导体电绝缘。
在特定实施例中，可将一个或一个以上对角狭缝(例如，对角狭缝456a和456b)切 到箔导体454中非引线区460与引线区462之间的边界处或附近。在一个例子中，可相 对于侧492a和492b以锐角来切割对角狭缝456a和456b，其中所述锐角(例如)朝折叠 部分470a和470b敞开。请注意，对角狭缝456a与456b之间的距离("d") 488可确定 种子引线部分472的宽度，所述宽度又可确定在折叠部分470a和470b折叠到种子引线 部分472上(例如，沿着线471纵向地折叠)后基于箔的引线结构490的引线的宽度。 种子引线部分472可经配置以由与箔导体454相同的单片材料形成，且可提供折叠部分 470a和470b折叠于其上的基础结构。在一些实施例中，折叠部分470a和470b在种子引 线部分472上Z形地折叠(即，模仿字母"Z")。请注意，如果箔导体454在一侧或两侧 上具有绝缘层，那么可从折叠线410到箔导体454的末端去除绝缘层。在折叠折叠部分 470a和470b后，电流密度增强部分480a和480b各自可在区486处或附近附加(例如， 用导电胶、焊料或任何其它电性粘合剂或紧固件)到箔导体454以增强箔可在那个区域 中传导的电流密度。箔导体454的包括基于箔的引线结构490的一部分可接着沿着折叠 线410折叠以产生(例如)大体上垂直于箔的引线。在其它实例中，折叠线410可经配 置以定位引线使之与箔导体454成任何角度。请注意，在一个实施例中，种子引线部分 472可位于箔导体454的侧面附近，由此使用一个对角狭缝(例如，对角狭缝456a)来 形成引线。
图5描绘根据本发明的特定实施例的线圈结构的包括偏移部分的一部分。线圈结构 部分500包括形成于箔导体506中的偏移部分502。偏移部分502经配置以形成多个箔 导体部分501a和501b且在其间形成间隙504。因此，多个箔导体部分501a和501b可绕 着场磁极部件的不同区(未图二示)缠绕。在至少一些实施例中，箔导体部分(例如，箔 导体部分501a和501b中的任一者)可经配置以安置于场磁极部件上的对应线圈区处或 附近。因此，如果需要2N个匝数，那么多个箔导体部分502a和502b中的每一者可包括N个匝数，此可减少绕着场磁极部件缠绕的线圈结构的厚度。减少线圈结构的厚度可增 强实施各种实施例的箔导体的电动机或发电机的填装密度。请注意，箔导体部分501a和 501b中的每一者可具有任何匝数，且无需限于相同匝数，且可相对于偏移部分502以相 反方向来缠绕(例如，顺时针方向和反时针方向)。也就是说，箔导体部分501a可绕着 场磁极部件相对于偏移部分502以顺时针方向缠绕，而箔导体部分501b可绕着场磁极部 件相对于偏移部分502以反时针方向缠绕。因此，在电流通过箔导体部分501a和501b 时，电流在箔导体部分501a和501b中的每一者中以相同方向流动，由此在场磁极部件 中在相同方向上诱发磁通量(即，安培匝数("AT")通量)。来自两个线圈区的引线可位 于其相应外层上，由此使引线为可接近的。虽然线圈也可相对于偏移部分502以相同方 向(例如，顺时针方向或反时针方向两者)来缠绕，但此可致使来自每一线圈的经诱发 磁通量是在相反方向上，由此倾向于消除彼此对磁通量的贡献(如果每一线圈上缠绕的 匝数相同的话)。在所示实例中，偏移部分502可由单片箔导体形成，使得箔导体部分 501a由与箔导体部分501b相同的不可分的材料形成(例如，箔导体部分501a不由与箔 导体部分501b分离的零件形成)。如用以描述一些实例，邻接导体可形成为单片导体。 在至少一些实施例中，偏移部分502可由其它导电材料形成并耦合到箔导体部分501a和 501b。
图6说明根据本发明的实施例的实施多个箔导体部分的有效场磁极部件。有效场磁 极部件600包括通过间隙604偏移的多个箔导体部分601a和601b，间隙604经配置以排 除(或最小化)来自多个箔导体部分601a与601b之间的电弧的电压差。多个箔导体部 分601a和601b中的一者可以顺时针方向缠绕，而另一者可以反时针方向缠绕。或，两 者可以相同方向缠绕。虽然多个箔导体部分601a和601b可由单独箔导体制成，但其也 可由实施偏移部分502 (图5)的单一箔导体制成，偏移部分502未展示于图6中。请注 意，偏移部分502可经配置以提供电流路径以在相同方向上通过多个箔导体部分601a和 601b，因此在场磁极部件602中产生添加性磁通量，其将在相同方向上极化。另外，可 任选地实施基于箔的引线608。如此处所示，可针对箔导体部分601a与601b耦合在一起 的配置来实施两个引线608。在其它例子中，在箔导体部分601a和601b不耦合在一起时， 可实施两个其它引线(未图示)以使电流通过每一导体部分。请注意，在一些实施例中， 在多个箔导体部分601a和601b中可使用铝(或其它类似载流材料)，且铝在箔的顶部和 底部上的氧化可提供足够绝缘，由此减少对包括绝缘(例如，塑胶绝缘层)和相关厚度 或多个箔导体部分601a和601b中的每一者的每一绕组之间的任何其它绝缘材料的需要。一般来说，根据各种实施例，电动机和发电机可每相位具有多个场磁极部件，其(例 如)与连接在一起的引出引线(或共同部分)串联连接以形成"Y"连接拓扑。在使用箔 导体时，可通过使用连续导体(例如，箔导体的单片条带)同相地耦合多个场磁极部件 来减少不同场磁极部件间的连接的数目。图7到图14展示根据各种实施例的表示用于进
行这些连续箔配置的许多方案的若干实例。
图7为描绘根据本发明的一个实施例的实施耦合在一起的有效场磁极部件的定子的 部分的图表。在此实例中，在定子中实施六个场磁极部件，且在圆锥形磁体(例如，具 有四个磁化区的圆锥形磁体结构)上实施四个磁极。如所示，场磁极部件的第一子集702a 包括经由第一箔导体耦合的场磁极部件704a和706b，第一子集702a包括在第一区(例 如，与场磁极部件704a和706b相关联的上部区)处通过第一箔导体部分703a耦合的至 少两个场磁极部件。第一箔导体包括(例如，在从顶部观看时(即，俯视图T-T')以相 同反时针方向)缠绕于第一区处的第一箔导体部分703a。第一箔导体也包括第一箔导 体部分701a，其包括引入(例如，用于施加相位A电流以激励第一子集702a的引线750a); 以及第一箔导体部分705a，其包括引出(例如，用于耦合到共同部分的引线752a)。请 注意，场磁极部件704a和706a中的虚线箭头指示在针对相位A在导体中以箔部分701a、 703a和705a中的箭头所示的方向施加电流时磁通量的方向。也请注意，箔导体展示为绕 着两个场磁极部件以相同方向缠绕。另外，上部区(或第一区)在随后诸图中展示为与 虚线相关联，且下部区(或第二区)展示为与实线相关联。这些惯例也可适用于随后诸 图。
另外，场磁极部件704b和706b的第二子集702b展示为经由第二箔导体耦合，第二 子集702b包括在第二区(例如，与场磁极部件704b和706b相关联的下部区)处通过第 二箔导体部分703b耦合的至少两个场磁极部件(例如，场磁极部件704b和706b)。第 二箔导体可包括缠绕(例如，以相同方向，例如反时针方向)于第二区处的第二箔导体 部分703b。第二箔导体也可包括第二箔导体部分701b，其包括引入(例如，用于施加 相位B电流以激励第二子集702b的引线750b);以及第二箔导体部分705b，其包括引出 (例如，用于耦合到共同部分的引线752b)。在此实例中，部分701b和705b与第一区相 关联。另外，对于图7所示的实例，实施第三子集702c，场磁极部件704c与706c之间 的连接类似于第一子集702a的连接，但与相位C电压有关。第三箔导体可包括缠绕(例 如，以相同反时针方向)于第二区处的第三箔导体部分703c。第三箔导体也可包括第 三箔导体部分701c，其包括引入(例如，用于施加相位C电流以激励第二子集702c的引线750c);以及第三箔导体部分705c，其包括引出(例如，用于耦合到共同部分的引线752c)。
请注意，图7指示场磁极部件实施类似于图5和图6所示的偏移部分的偏移部分(未图示)，且场磁极部件704a、 704b和704c的"引出"引线继续引出且分别转变为场磁极部件706a、 706b和706c的"引入"引线。具体来说，箔导体部分703a、 703b和703c的导体经配置以代替场磁极部件之间的"引出"引线和"引入"引线以(尤其)增强可靠性。箔导体部分703a、 703b和703c可通过减少非单片材料之间的连接(例如，使用线将部分701b与705b耦合在一起)来增强结构的可靠性。另外，根据本发明的至少一些实施例，箔导体部分703a、 703b和703c的导体可经配置以在场磁极部件704a、 704b和704c与相应场磁极部件706a、 706b和706c之间提供任何长度以组装子集702a、 702b和702c以形成定子。即，此类长度可经配置以确保特定线圈区(例如，上部区和下部区)处的匝数。根据各种实施例，箔导体部分703a、 703b和703c的长度中的两者或两者以上可经配置以为不同的，每一长度是根据交错图案(例如，使箔导体在彼此中交织的图案，其实例展示并描述于图8A中)来确定的。
在各种实施例中，可存在任何数目个线圈区(例如，两个以上区，其可或可不包括上部区和下部区，每一线圈或线圈对具有单独引线)，且每场磁极部件子集存在任何数目个场磁极部件。在至少一些实施例中，可存在任何数目个场磁极部件子集。另外，可存在可用以耦合场磁极部件子集中的场磁极部件的任何数目个导体。请注意，虽然图7针对4个磁极展示6个场磁极部件，但各种实施例可包括任何数目个场磁极部件、任何数目个子集，和/或任何数目个磁极。
图8A为根据本发明的实施例的组装有图7中所示的场磁极部件子集的定子的俯视图800。请注意，可使用在其处巻绕箔导体的多个区来如图7所示般单独地巻绕场磁极部件子集。接着，经组装的场磁极部件子集可组合或集成在一起以形成定子，例如图8A所示的实例。为区分与不同区相关联的箔导体的目的，参看俯视图T-T'，使用实线指示与下部区相关联地巻绕的箔导体部分，而使用虚线指示上部区。也请注意，巻绕于下部区处的箔导体部分既不必须交叉或干扰巻绕于同一下部区处的另一箔导体部分。上部区中的任何箔导体部分也不交叉或干扰上部区中的另一箔导体部分。具体来说，构成子集702a的场磁极部件704a ("FP1")和706a ("FP4")横跨定子的中心彼此相对地定位，所述中心为经配置以包括轴(未图示)的内部区。子集702b和702c中的其它对中的其它场磁极部件类似地定位。因此，根据本发明的各种实施例，经由定子的中心在相同线圈区位置处将场磁极部件对耦合在一起的导体将不彼此干扰。图8A也展示方向(例如，如在俯视图T-T'中观看，箔导体的顺时针方向或反时针反向缠绕)。
根据各种实施例，在子集702a、 702b和702c中的箔导体中实施偏移部分(未图示)可促进多个线圈区(例如，图7的上部区和下部区)的使用，此可减少或消除箔导体在耦合场磁极部件对时彼此干扰的情况。在至少一些实施例中，箔导体部分703a、 703b和703c的长度可经配置以为相同或不同的。不同长度可有助于减少或消除箔导体部分703a、703b和703c中的一者可能防止或阻碍另一者将相关场磁极部件耦合在一起的情况。在各种实施例中，箔导体部分703a、 703b和703c中任一者可经配置以进行以下各者中的一者或一者以上(1)通过定子的中心，例如图8A的箔导体部分703b; (2)通过定子的外部边界区(例如，场磁极部件的表面外的区7卯，所述表面一般位于离定子的中心最远处)(例如，箔导体部分703a)(即，其以(例如)反时针方向(如俯视图T-T'中所见)在场磁极部件("FP2") 704b与("FP3") 704c之间离开定子的中心且通过外部边界区以越过场磁极部件(FP3) 704c和("FP4") 706a的表面外部以耦合到场磁极部件("FP4")706a); (3)进入和/或离开定子的中心(例如，不通过定子的中心)，例如箔导体部分703a(例如，部分703a从邻近于场磁极部件("FP1") 704a的外部边界区迂回到场磁极场磁极部件("FP1") 704a与("FP2") 704b之间的界面中以进入定子的中心，且在场磁极部件("FP2") 704b与场磁极部件("FP3") 704c之间离开以返回延伸进入外部边界区中)；和/或(4)提供用以将两个或两个以上场磁极部件耦合在一起的任何其它配置。任何或所有箔导体部分可经配置以提供用于任何或所有前述配置。
箔导体部分703a、 703b和703c中的任一者可相对于其它者中的一者或一者以上具有相同或变化长度以供组装成定子。在所示的实例中，箔导体部分703a的长度(例如，约55个场磁极部件之间的"虚线"， 一虚线近似一个单位长度)被展示为大于箔导体部分703c(例如，在其穿过定子的中心时，约14个场磁极部件之间的"虚线")。此配置导致以下连接方案所有三个共同部分可连接或耦合在一起(在内部或外部)，且相位A、B和C可用以连接到外部驱动器以完成标准的"Y"电动机接线配置。
图8B到图8C指示根据本发明的实施例的定子的组合件的实例。图8B描绘图7的子集702c的组合件，图8C展示子集702a与子集702c的集成。如所示，箔导体部分703c具有适于在场磁极部件("FP2") 704b (在图8D中添加)与定子的中心之间通过的部分760。图8D包括子集702b的添加以形成定子。在一些情况下，从图8C所示的定子组合件的底部插入子集702b的场磁极部件("FP2") 704b和("FP5") 706b以形成定子。请注意，在图8B到图8C中，展示与组合件阶段有关的引线，为论述的简单性，省略其它引线。
图9、图IOA和图IOB展示根据本发明的实施例的用于定子的另一箔配置。此处，箔配置用六个场磁极和两个磁极实施电动机。请注意，此不同于图7到图8D中的实例，因为场磁极部件906a、 906b和卯6c中磁通量的方向分别以与子集902a、卯2b和902c中的场磁极部件卯4a、 904b和904c相反的方向定向。举例来说，箔导体部分903a、 903b和903c的末端的第一集合可以顺时针方向("CW")(如从俯视图R-R'观看)缠绕于场磁极部件卯6a、 906b和卯6c上，而箔导体部分903a、 903b和903c的末端的第二集合可以反时针方向("CCW")缠绕于场磁极部件卯4a、卯4b和卯4c上。也请注意，箔导体被展示为围绕两个场磁极部件以相反方向缠绕。图10A展示以具有两个箔层级的子集卯2a、卯2b和902c组装的定子的端视图1000。巻绕于下部区处的箔导体以实线来展示，而上部区处的箔导体以点线/虚线展示。再次请注意，同一层级上或同一区中的箔不彼此交叉或彼此干扰。图10B为与图9的子集902相关联地组装的定子的透视图1050，其中添加了所示的圆锥形磁体转子结构。
图10C展示根据本发明的各种实施例的包括各种线圈结构和定子的转子-定子结构的实例。图10C描绘转子-定子结构1090，其包括由轴1094和磁体(例如，圆锥形磁体1092a和1092b)组成的转子，和定子1092。在所示实例中，定子1092在结构和/或功能上类似于图10B的视图1050中所示的定子。在至少一些实施例中，定子1092可包括任何数目个场磁极部件、任何数目个线圈结构，和用于针对每一相位(例如，相位A、 B和C)将场磁极部件集合耦合在一起的任何类型的缠绕图案。
图11和图12展示根据本发明的实施例的用于定子的箔配置的又一实例。图11展示与箔导体1102耦合的三个场磁极的三个集合中的一个集合1100，所述箔导体1102包括过渡部分1104，所述过渡部分1104经配置以使箔导体1102在点1106处(如从俯视图S-S'观看)从上部层级(即，第一区)过渡到下部层级(即，第二区)，点1106可处于(例如)最终配置(如图12的图表1200中所示)中的场磁极部件之间的距离的约三分之二处。如本文所使用，至少在一些实施例中，术语"过渡部分"可指无需安置于与同一场磁极部件相关联的两个线圈之间的偏移部分，但在两个线圈与不同场磁极部件相关联的情况下可指箔导体的使箔导体从一个区过渡到另一区的一部分。在一些情况下，过渡区可位于场磁极部件之间的任何位置处。过渡区可经定向以邻近于场磁极部件的另一子集中的另一场磁极部件。如图12所示，三个有效场磁极部件的三个集合(即，总共9个场磁极部件)可以交 叉或交错方式组装以允许上部层级或区(即，如以虚线所示)上的箔作适当看齐。此方 案使得能够在所有三个场磁极集合上实施相同巻绕图案，此可简化制造。为说明组装定 子的一个实例，考虑场磁极部件FP1、 FP4和FP7构成场磁极部件的初始子集，向其添加 场磁极FP2、 FP5和FP8作为下一个场磁极部件子集。接着，添加场磁极部件FP3、 FP6 和FP9以作为另一场磁极部件子集从而形成定子。在一个实例中，过渡区1104经定位以 易于邻近于场磁极部件N+2或场磁极部件PF3。请注意，虽然图11和图12展示关于九 个场磁极和六个磁极电动机器的箔导体巻绕配置，但上述技术可扩展到每一相位中具有 额外均匀间隔的场磁极以及存在任何数目个场磁极部件、相位和/或区的配置。
图13和图14展示根据本发明的实施例的用于相对较高数目个场磁极部件的集合的 箔配置的再一实例。图13为以俯视图U-U'展示场磁极部件的三个集合1302a、 1302b和 1302c的图1300，所述每一集合可包括四个场磁极部件，进而提供用于八个磁极配置的 十二个场磁极部件。图14为俯视图("U-U'")1400，其展示场磁极部件的三个集合1302a、 1302b和1302c可组装成定子，而在下部区(例如，以实线展示)或上部区(例如，如以 虚线所示)中的任何箔不彼此干扰或彼此交叉。
鉴于前述，图7到图14提供场磁极部件与磁极的特定组合的代表性箔导体巻绕配置 和图案。这些图仅说明由本发明的各种实施例提供的各种箔导体巻绕配置和图案。因此， 所属领域技术人员可认识到如何使用本文所述的技术来实施其它箔导体巻绕配置。而且， 针对图7到图14中的特定配置展示的交错图案仅为集成场磁极部件子集以形成定子的许 多种方式的数个实例。交错图案为通过例如使箔导体中的至少一些通过定子的中心、进 入和/或离开定子的中心，和/或通过定子的外部边界，相对于场磁极部件交织箔导体以将 场磁极部件系在一起或将其耦合的导体(例如，箔导体)图案。
图15到图18描绘根据本发明的各种实施例的实施可变宽度箔导体的线圈结构的各 种实施方案。图15为展示实施安置于场磁极部件1504上(例如，围绕其缠绕)的线圈 结构1502的有效场磁极部件1500的图。通过实施安置于极靴部分1508上的线圈结构 1502的部分1507，可减少在极靴部分1508不由箔导体覆盖的情况下原本将会存在的磁 通量泄漏。
图16为根据本发明的实施例的实施具有可变宽度的箔导体的线圈结构。线圈结构 1600包括具有可变宽度的箔导体1604，和引线1602a和1602b。具体来说，箔导体1604 包括第一箔导体部分1612中的一者或一者以上，其经配置以使场磁极部件的极面暴露；以及第二箔导体部分1610的一者或一者以上，其经配置以覆盖另一极靴部分。请注意， 在安置于场磁极部件上(例如，围绕其缠绕)时，部分1612可经配置以与场磁极部件的 底部对准(例如，离旋转轴最近)，且部分1610可经配置以与场磁极部件的顶部对准(例 如，离旋转轴最远，且例如在定子的外部边界区处)。在至少一个实施例中，与图2所示 的具有可为相对恒定(至少在一些情况下)的宽度"W2"的箔绕组相比，宽度可变的箔 导体1604可减少整个箔绕组的平均电阻，因为箔导体1604包括较宽部分("W1") 1620， 所述较宽部分具有比窄部分("W2") 1622的电阻低的电阻。
图17展示根据本发明的实施例的实施多个箔导体部分的有效场磁极部件。有效场磁 极部件1700包括多个箔导体部分1701a和1701b，其形成间隙1704。箔导体部分1701a 和1701b可分别耦合到引线1705a和1705b。或者，引线1705a和1705b可耦合到箔导体 部分1701a和1701b中的一者，而另一箔导体部分耦合到其它引线(未图示)。在至少一 些实施例中，可经由偏移部分(未图示)耦合箔导体部分1701a与1701b。在各种实施例 中，多个导体部分1701a和1701b可包括在任何数目个线圈区处的任何数目个导体部分， 其中每一对线圈包括单独引线。
图18A和图18B展示根据本发明的至少一些实施例的箔导体的实例和用以产生通过 间隙偏移的多个箔导体部分的一种类型的折叠图案的实例。图18A展示包括用于产生多 个箔导体部分1801a和1801b的偏移部分1804的箔导体1802。图18A展示包括折叠图 案线1890的偏移部分1804，箔导体1802 (展示为巻绕前的箔导体)是沿着折叠图案线 18卯折叠的。图18B展示包括已经折叠以产生间隙1808的偏移部分1804的箔导体1802 (展示为巻绕后的箔导体)。在至少一些实施例中，箔导体1802可实施一个或一个以上箔 导体部分以代替图18A和图18B中所示的引线，任选地实施额外箔导体部分1801a和 1801b (未图示)以(例如)提供可变宽度箔导体以耦合子集(例如，图13中所示的一 个或一个以上子集)中的场磁极部件。因此，图13的子集1302a、 1302b和1302c或本 文所描述或提及的任何其它结构可经配置以使用可变宽度箔导体。
虽然箔导体结构和其形成方法的实例中的一些展示为包括折叠部分，但至少一些实 施例无需实施如(例如)图5中所描述的折叠箔导体部分或折叠图案。在至少一些实施 例中，可在不使用导体的折叠部分的情况下形成偏移部分。举例来说，可通过使用冲模 (或任何其它切割技术，如使用激光来切割导体)将一张箔片切割成箔导体来形成偏移部 分，借此箔导体包括偏移部分。
图19A描绘根据本发明的至少一些实施例的包括偏移部分的线圈结 部分。 圈结构部分l卯0展示为包括形成于箔导体l卯6中的偏移部分l卯2。偏移部分l卯2经配置 以形成多个箔导体部分1901a和l卯lb且在其间形成间隙1904。因此，多个箔导体部分 1901a和l卯lb可围绕场磁极部件的不同区(未图示)缠绕。在至少一些实施例中，箔导 体部分(例如，箔导体部分l卯la和1901b中的任一者)可经配置以安置于场磁极部件 上的对应线圈区上。在所示实例中，偏移部分1902由单片箔导体形成，使得箔导体部分 l卯la与箔导体部分1901b为单片的。在至少一些实施例中，偏移部分1卯2可由其它导 电材料形成并耦合到箔导体部分1901a和1901b。请注意，箔导体部分1901a和l卯lb 中的每一者可具有任何匝数，且无需限于相同匝数，且可相对于偏移部分1902以相反方 向(例如，顺时针方向和反时针方向)缠绕，使得通过笵导体部分1901a和1901b中的 每一者的电流可在场磁极部件中在相同方向上诱发安培匝数("AT")通量。图19B展示 包括偏移部分1954的可变宽度箔导体1952，所述偏移部分1954已经形成(例如，切割) 以产生间隙1958而无需如图18B中所要求般折叠导体。
图20A和图20B描绘根据本发明的至少一些实施例的线圈结构的实例的另一集合。 如图20A所示，线圈结构2000由以下各者组成将缠绕于场磁极部件的第一子集上的线 圈结构部分2002a、将缠绕于场磁极部件的第二子集上的线圈结构部分2002b，和缠绕于 场磁极部件的第三子集上的线圈结构部分2002c。可使用切割图案从一张箔片切出图20A 中的线圈结构的实例以形成所示形状。在所示实例中，线圈结构2000的尺寸未按比例。 举例来说，为清楚起见，与水平(即，宽度)尺寸相比，垂直(即，长度)尺寸减少。 在此实例中，线圈结构部分2002a、 2002b和2002c耦合于共同点2009处。具体来说， 线圈结构部分2002a、 2002b和2002c可经配置为在共同点2009处以单片形式耦合在一 起的箔导体(即，不由单独导体形成)，进而避免为特定引线子集使用单独引线(例如， 用于共同相位的引线)，此又提供线圈结构部分2002a、 2002b和2002c的单片式互连。 因此， 一个定子三个引线足以施加相位A、 B、 C。任选地，引线可用于共同点2009到 共同部分。
线圈结构部分2002a、2002b和2002c在缠绕于场磁极上时可在结构和/或功能上类似 于图7的子集702a、 702b和702c以分别促进相位电流A、 B和C的施加。箔导体部分 2001a、 2001b和2001c经配置以提供"引入"引线(未图示)，类似于图7的箔导体部分 701a、 701b和701c，而箔导体部分2005a、 2005b和2005c经配置以提供到(例如)共 同部分的"引出"引线，类似于图7的箔导体部分705a、 705b和705c。箔导体部分2003a、 2003b和2003c经配置以提供与图7的箔导体部分703a、 703b和703c类似的结构和/或功能，但在此种情况下其为以单片形式互连的。也展示偏移部分2004a、 2006a、 2004b、 2006b、 2004c和2006c，其经配置以使箔导体部分偏移以使箔导体适合于场磁极部件的 不同线圈区。
图20B描绘根据本发明的至少一些实施例的经折叠以允许线圈以类似于图7中所使 用的图案的图案缠绕于相应场磁极上的图20A的线圈结构。具体来说，相位B将具有在 场磁极2和5的上部区上的"引入"和"引出"引线，而相位A和C将具有在其相应场 磁极的下部区中的"引入"和"引出"引线。此促进类似于图8A到图8D中所描述的方 案的组合件方案以形成经组装定子。所得定子具有在组合件内部的单片式连接，在线圈 结构是由铝箔或难以可靠地互连的某一其它导体制成时，此可尤其有利。根据本发明的 至少一些实施例，图20A和图20B中所示的线圈结构可实施可变宽度箔导体和本文中所 描述的另一结构或功能。
为解释目的，前述描述使用特定术语以提供对本发明的彻底理解。然而，所属领域 技术人员将明白，实践本发明不需要特定细节。事实上，此描述不应被理解为将本发明 的任何特征或方面限于任何实施例；而是一个实施例的特征和方面可易于与其它实施例 互换。举例来说，尽管实施例的上述描述涉及电动机，但所述论述可适用于所有电动机 器，例如适用于发电机。
因此，对本发明的特定实施例的前述描述是为说明和描述的目的而呈现的。未期望 其为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式；显然，鉴于上述教示，许多修改和变化 为可能的。选择并描述实施例以便最好地解释本发明的原理和其实际应用；其进而使所 属领域的其它技术人员能够在进行适于所涵盖的特定用途的各种修改的情况下最好地利 用本发明和各种实施例。值得注意的是，本发明的每一实施例无需实现本文所描述的每
个益处；而是任何特定实施例可提供上述优点中的一者或一者以上。希望所附权利要求 和其等效物限定本发明的范围。
权利要求
1.一种用于电动机器的定子，其包含线圈结构，其经配置以产生安培匝数(“AT”)通量，所述线圈结构包含箔导体，其包括所述箔导体的偏移部分，其经配置以使所述箔导体的若干部分偏移；以及场磁极部件，其具有多个区，所述箔导体的所述若干部分在所述区处安置于所述场磁极部件上，所述场磁极部件包含第一区和第二区，所述箔导体的第一部分安置于所述第一区处且所述箔导体的第二部分安置于所述第二区处，所述箔导体的所述偏移部分将所述箔导体的所述第一部分耦合到所述箔导体的所述第二部分。
2. 根据权利要求l所述的定子，其进一步包含场磁极部件子集，其包含两个场磁极部件，所述场磁极部件包括耦合在一起的所 述场磁极部件和另一场磁极部件。
3. 根据权利要求2所述的定子，其中所述箔导体的所述第一部分经配置以将所述两个 场磁极部件耦合在一起，所述箔导体的所述第一部分包含单片箔导体。
4. 根据权利要求1所述的定子，其中所述箔导体的所述第二部分包含基于箔的引线。
5. 根据权利要求l所述的定子，其中所述箔导体包含具有可变宽度的单片箔导体。
6. 根据权利要求l所述的定子，其中所述箔导体的所述偏移部分包含所述箔导体的若干折叠部分。
7. 根据权利要求l所述的定子，其中所述线圈结构包含多个单片箔导体。
8. 根据权利要求l所述的定子，其中所述箔导体的所述第二部分包含引线，其包括在彼此之上折叠的多个折叠部分，所述多个折叠部分包括电流密度增强部分，其经配置以为所述引线提供等效于细长线圈的宽度处的横 截面积的横截面积。
9. 根据权利要求8所述的定子，其中所述箔导体包含非引线区；引线区，其包括所述多个所述折叠部分；以及一个或一个以上对角狭缝，其经配置以确定所述非引线区和所述引线区，且进一 步经配置以产生所述电流密度增强部分；其中所述引线区的一部分折叠于所述非引线区的一部分上以形成所述电流密度 增强部分。
10. 根据权利要求l所述的定子，其进一步包含场磁极部件子集，其经由所述箔导体耦合，所述场磁极部件子集包括所述场磁极 部件和另一场磁极部件以形成通过所述箔导体的所述第一部分耦合在一起的两个 场磁极部件；另一箔导体，其包括所述另一箔导体的另一偏移部分，其经配置以使所述另一箔导体的若干部分偏 移；以及所述场磁极部件的另一子集，其经由所述另一箔导体耦合，所述另一子集包括另 外两个场磁极部件，所述另一子集包含第一区和第二区，所述另一箔导体的第一部分在所述第一区处耦合所述另外两 个场磁极部件，且所述另外两个场磁极部件中的至少一者包括所述另一箔导体在 所述第二区处的第二部分。
11. 根据权利要求10所述的定子，其中所述箔导体与所述另一箔导体为单片的。
12. 根据权利要求IO所述的定子，其中所述箔线圈经配置以穿过所述定子的外部边界 区。
13. 根据权利要求IO所述的定子，其中所述箔线圈经配置以穿过所述定子的中心。
14. 根据权利要求l所述的定子，其中所述场磁极部件中的至少一者包含极面，其具有相对于穿过所述定子的所述中心的纵向中心线以锐角定向的表面部 分。
15. 根据权利要求l所述的定子，其中所述场磁极部件中的至少一者包含大体上直的场磁极部件。
16. —种用于电动机器的定子，其包含场磁极部件的多个子集，其经配置以使用多个线圈区，所述场磁极部件的所述子 集构成相位；以及多个箔导体，其以交叉图案布置，所述多个箔导体中的至少一个子集经配置以穿过所述定子的外部区，且进一步经配置以将所述场磁极部件的至少一个子集耦合到所述多个线圈区中的至少两者。
17. 根据权利要求16所述的定子，其中所述多个所述箔导体包括所述箔导体的经配置 以将场磁极部件耦合在一起的若干部分，所述箔导体的所述若干部分中的至少两者 具有不同长度。
18. 根据权利要求16所述的定子，其中所述多个所述箔导体包含多个过渡区，其至少一者大体上安置于场磁极部件之间。
19. 一种用于电动机器的定子，其包含场磁极部件，其包括线圈区；以及 箔导体，其包含若干箔导体部分，其至少两者在所述线圈区中的两者或两者以上处围绕所述场 磁极部件缠绕；以及所述箔导体的偏移部分，其经配置以使所述箔导体的第一部分与所述箔导体的 第二部分偏移。
20. 根据权利要求19所述的定子，其中所述场磁极部件进一步包括极面，所述场磁极 部件经配置以在所述极面之间提供大体上直的通量路径。
21. 根据权利要求19所述的定子，其中所述箔导体的所述第一部分经配置以耦合到另一场磁极部件。
22. —种用于电动机器的转子-定子结构，其包含转子，其包含圆锥形磁体；以及定子，其包含若干导体，其包括第一导体，其穿过所述定子的外部边界区；第二导体，其穿过所述定子的内部区；以及若干偏移部分，其经配置以使所述导体的若干部分偏移；以及 若干场磁极部件，其具有经配置以面临所述圆锥形磁体的表面的极面，所述场磁 极部件具有在其处缠绕所述导体的若干部分的多个区。
23. 根据权利要求22所述的定子，其中所述导体包含若干平面导体，其包括具有在彼此之上折叠的多个折叠部分的若干引线。
全文摘要
本发明揭示用于电动机器中的定子的箔线圈结构和其缠绕方法，以及实施此类线圈结构的电动机器。在一个实施例中，箔线圈结构经配置以供用具有面临(例如)圆锥形磁体的极面的场磁极部件来实施。
文档编号H02K17/00GK101682241SQ200880018882
公开日2010年3月24日 申请日期2008年6月6日 优先权日2007年6月7日
发明者唐纳德·伯奇, 约翰·帕特里克·彼得罗 申请人:洛华托奇公司