定子的制作方法
【专利说明】定子
[0001]本申请要求2012年6月22日提交的在先美国临时申请n0.61/663，447的优先权的权益，作为它的非临时申请，该申请还要求2012年6月22日提交的在先欧洲申请n0.EP12173166的优先权的权益，如本文所述，为了所有意图和目的，通过全文引用将欧洲申请n0.EP12173166和美国申请n0.61/663，447的全文明确地合并于此。
技术领域
[0002]本发明涉及一种电力机器(electrical machine)的定子，具体地，涉及一种例如电动机(motor)或发电机的旋转场机器(rotating field machine)，具体地用于电动车辆的定子，其中所述定子沿它的周长具有由定子齿分隔的多个槽，在所述槽内布置了由多个单独线缆形成的成形条(shaped bars)。本发明还涉及一种具有这种定子的电动机(electrical motor)以及用于制造定子的方法。
【背景技术】
[0003]本发明具体地涉及一种任何类型转子构造(异步电机、同步磁阻电机、电流激励的同步电机、混合激励的同步电机以及永久激励的同步电机)的旋转场机器，具体地针对道路车辆的轮轴驱动需要，对它们的机械尺寸、电力输出和转动速度范围进行了优化。
[0004]所有这种类型机器的共同点是定子，所述定子携带由逆变器(inverter)提供的绕组。本发明不仅改善所引用的所有电机的效率和热连续输出能力，而且还尤其改善了绕组的可自动化制造性。
[0005]例如现有技术中公知的是将分布式绕组作为绕组。为了令这些驱动机(drivemachine)实现较高的系统效率和非常低等级的扭矩波纹，将所谓的分布式绕组本身构造为针对功率输出范围在70kW内的道路车辆驱动机的定子绕组。这种类型绕组的前提是定子槽的数目必须等于极数乘以相数的乘积或后者的倍数。因此，对于3相4极的机器，必须在该定子中容纳12、24、36...个槽；对应地，对于6极的机器，必须在该定子中容纳18、36、54个槽等。将相数与极数的乘积和实际容纳的槽数之间的倍数称作m，并且对于分布式绕组，m必须相应地总是为自然数。
[0006]在所建造的尺寸中(例如，考虑作为车辆的主要驱动机的尺寸)，4极机器的m值通常是3 (小于4)，在6极机器的情况下几乎总是为3，在8极机器的情况下为2或3，而在10极和12极实施例的情况下几乎总是为2。由于相对降低定子的轭架厚度(yoke thickness)扭矩密度仅有较小的附加增益，所述方法反对必要高的供给频率以及后者相关的经费(与逆变器相关联)，因此更高的极数在快速运行的驱动电机中是不常见的，并且根据现有技术是不合理的。
[0007]然而，在混动汽车应用和赛车应用中，有时出现更高的极数。根据外部直径，用m=I或2来实现具有14到24极的这种机器。然而，通常还转变为单齿绕组(集中式绕组)，其中m变为分数。
[0008]以上简要地解释了分布式绕组的优点和缺点。分布式绕组的本质在于由于电流流经的导体的空间分布，假定磁性激励的分布尽可能与正弦分布相似。这是高质量平滑运行(也就是说，非常低的扭矩波纹)以及转子中存在少量流量脉动(flow pulsat1ns)的前提，所述流量脉动将弓I起较大的附加损耗。
[0009]即使分布式绕组在相似构造尺寸的工业电机中占据主要地位，然而它仍存在可制造性差的问题。较高的人工成本促使许多制造商将生产场所移至低工资国家。
[0010]具体地，考虑到高度自动化的生产，对较高车辆数至关重要的事物以及出于质量原因，主要的是在对各个线圈进行绕组的工艺中的步骤，所述步骤仅部分适用于在规模生产中使用。这个事实形成了重要特征之一的基础(但是还是最被低估的因素之一)，是广泛传播电动车辆的障碍。
[0011]尽管存在全自动绕组工艺的示例(包括用于根据单独线缆预先形成线圈的绕线机、用于将线圈馈送到槽和布线单元(Wiring cell)的机器)，然而为了实现对绕组对称性的妥协，必须接受槽填充因子以及功率输出密度。
[0012]在牵引驱动下，由于绝对电流(由于电压电平和功率密度比工业电机大若干数量级)导致明显更多平行延伸的单独线缆的事实，使该问题恶化，从而导致生产工艺的进一步复杂。不确定的是当前可用的制造工艺是否可以完全应用于汽车牵引电机。
[0013]对定子直径在200到250mm范围内的电机(轮轴驱动电机)的比较示出了以下内容。为了阐明工业标准和车辆结构的需要之间的差别，引用实现了电机的示例。
[0014]用于有效质量为36kg的汽车轮轴驱动的定子直径为240mm的6极电机实现转速在4500rpm到13000rpm之间，功率输出大于10kW(65kW连续功率)。这里，峰值扭矩是280Nm(超过30秒)，连续扭矩(低于5500rpm)大约是120Nm。
[0015]当以恒定100rpm在主干网络操作中，运行配备为相同有效质量和体现工业标准的相同构造尺寸，从而最多实现由牵引驱动电机产生的功率的10%，当优化降温条件时，可能实现15%。在逆变器操作中，增加旋转速度的范围，但是功率输出数据保持相同级别。
[0016]下文中将详细描述条形绕组的原理。将成形条滑动到槽并在它们的表面上将其正确相连的工程(engineering)源自大型机械构造，并被确立为标准。然而，由于如果将所有成形条串联则可以得到良好的可制造性，所以这些机械结构的路端电压(terminalvoltage)是1kV到50kV。因为每个发电机必须在任何情况下与分布网络上的变压器相连，所以由于绕组还可以得到所述路端电压。因此对电压的适应不存在问题。
[0017]然而，由于在每极每相的若干槽中的感应电压不足以实现由直接串联绕组提供的电压，在没有其它工作的情况下，这种技术无法缩小比例为小型构造。由于成本压力，对外加的和标准化的网络电压的任何类型调整都是不合理的。
[0018]由于这种原因，小型电机的绕组每槽包含多个绕组，随后在平行或串行的组中对所述绕组进行正确布线。因此，不将每槽完全由两个成形条构成的条形绕组用于构造尺寸在IEC 132-1EC 160范围内的工业电机。
[0019]在电动道路车辆的牵引电机中，存在相似问题。通过DC变压器对电池电压的任何调整(出于半导体物理学的原因没有进行标准化，处于400V的范围内)有可能既不是有效的或也不是成本优化的。
[0020]然而，在定子直径为200到250mm的构造尺寸的情况下，由于高旋转速度而出现如下情况:根据构造长度的正确选择，槽中所需的绕组数完全对应于极数。在这种情况下，条形绕组是有可能的，然而，条形绕组相对构造尺寸、旋转速度等级、标定电池电压和极数存在非常严格的自由度。这样导致不太通用的驱动电机，无法将所述电机的规格操作为任何较大程度。
[0021]由于截止到目前，现今的汽车制造商没有在驱动系统中使用这种标准解决方案，具有条形绕组的先前实施例主要受限于混合驱动，在混合驱动中，似乎可以在较宽的限制中选择电池电压的参数。由于受到变速箱凸缘中一般较大的电机尺寸和非常短的构造长度的限制，极数变为可自由选择的参数。机械结构本身的效率起到较小的作用；它的动作基于内燃机(combust1n engine)的负载点位移，由于固有较低系统效率大约为20%到25%的增加大于仅补偿了相对低效的机械结构的85%，而不是92%。
[0022]通常，由于通常过低，具有成形条的实施例还需要电池电压形式的技术妥协，所述折衷对于功率电子器件而言是次优的，因为电池电压通常较低，或者对于DC/DC转换器的布置的折衷。
[0023]下文中，检查了弦绕组(chorded windings)的原理。如果定子中槽的数目多于槽数和极数的乘积的二倍，则可想象的是分割在一个槽中存在的相位线圈，使得以与例如4个而不是3个槽上的其它相位交叠的方式分布所述线圈。因此，形成了两个“纯”槽，而不是三个，仅一个相位的电流流过所述槽。然后，在这些槽中的两个槽上，在每个槽中通过不同相位的电流。
[0024]弦绕组通常需要两个线圈层，其中在一个槽中所述两个线圈层必须彼此绝缘，在分布式绕组的情况下还从其它深层填充进一步减去所述线圈层。出于这个原因，牵引电机通常表现为单层绕组。出于功率密度考虑，接受稍微较高的扭矩脉冲和噪声产生。
[0025]然而，条形绕组固有地由两层绕组构成。可以用两层绕组实现的高度填充还将弦绕组的优点移动到感兴趣的焦点。
[0026]在现有技术中，存在多种已知的定子结构。例如，应提及以下文献:JP2005130667A、JP2007060743A, JP2008187875A、JP2009011148A、DE4031276A1、DE102005022280AU DE102005032965AU DE102006019312AU DE102006038582AUEP2251960A2。除了绕组方案之外，这些文献中的一部分文献还涉及在定子的表面处连接绕组。
[0027]在现有技术中，通过平行侧壁形成容纳绕组的槽(S卩，成形条)。因此，具有分离槽的定子齿在任何情况下都具有两个彼此倾斜的侧壁，使得定子齿的横截面沿转子的方向变细。换言之:在横截面中，定子齿的基部宽于其尖部。具体地而非仅有地，在上述电动机的情况下，由于设置