具有六层发夹绕组布局的电机的制作方法

相关申请的交叉引用

本pct国际专利申请要求于2017年10月25日提交的美国临时专利申请序列号第62/577,105号和于2017年10月30日提交的美国临时专利申请序列号第62/578,556号和于2018年6月13日提交的美国临时专利申请序列号第62/684,480号的权益和优先权，这些申请中的每一个的全部公开内容通过引用并入本文中。

本公开内容总体上涉及电机，并且更具体地涉及具有六层发夹绕组布局的电机。

背景技术：

本节提供与本公开内容有关的背景信息，其不一定是现有技术。

具有牵引马达的车辆提供了动力运输的希望，同时产生减少的排放或没有排放。虽然一些车辆仅包括牵引马达或电动马达，但是称为混合动力车辆的其他车辆包括牵引马达和内燃发动机两者。在两种情况下，能量可以存储在车载电池组中。具有牵引马达和内燃发动机两者的混合动力车辆可以利用内燃发动机来辅助牵引马达驱动轮(并联混合动力)，或者可以利用内燃发动机来单独为车载电池组充电，从而扩展了车辆的操作范围(串联混合动力)。

在一些车辆中，存在为车辆轮中的一个或更多个提供动力的单个中央定位的电动马达，而在其他车辆中，轮中的一个或更多个具有定位在每个从动轮处的电动马达(有时被称为轮毂马达)。电动马达通常包括固定的定子，该定子具有绕定子周向地设置的多个定子槽。绕组位于定子槽内并且承载交流电压。转子设置在定子中，以响应于由绕组所承载的交流电压而相对于定子旋转。

虽然当前提出的和现有的车辆在一些方面优于仅利用内燃发动机提供动力的车辆，但是会存在与一些这样的车辆相关联的问题。一个这样的问题可以是，它们的行程与内燃发动机提供动力的车辆相比通常相对较短。这对于未配备有增程器内燃发动机的车辆尤其如此。它们通常相对较短的行程的原因是用于存储能量以用于这样的车辆的操作的电池组的重量和成本。因此，提供如下技术将是有益的，该技术改进在电动马达或牵引马达的操作中使用动力的效率，以改善这样的车辆的行程。

另外，对于这样的马达或电机，通常期望增加的马达峰值速度。然而，由于定子的绕组中的损耗以及转子的高速旋转所必需的通过绕组传导的电流增加，高速会导致热增加。因此，通过减少绕组损耗来克服热产生会是有利的。因此，仍然需要克服这些缺点的改进的电机。

技术实现要素：

本部分提供了本公开内容的总体概述，而不是其全部范围或其特征和优点中的所有的全面公开内容。

本公开内容的目的是提供一种解决并克服了上述缺点的电机。电机包括绕轴线并沿轴线环状地延伸的定子。定子具有限定转子室的基本上柱形的内部。定子还包括绕定子周向地且以间隔的关系设置的多个定子槽。定子包括各自包括多个电路的多个相群。多个电路各自包括串联连接以用于承载交流电压的多个相导体的多个绕组集。多个相群之一的多个相导体中的每一个与多个相群中的另一相群的多个相导体相比承载具有相位差的交流电压。转子轴向地延伸并且设置在转子室中，以响应于由多个相导体中的每一个所承载的交流电压而相对于定子旋转。多个相导体放置在多个定子槽的多个层中，其中，包括承载交流电压的多个相导体中至少之一以及承载具有相位差的交流电压的多个相导体中的另一相导体的多个定子槽是共享槽。包括承载交流电压的多个相导体以及承载没有相位差的交流电压的多个相导体中的另一相导体的多个定子槽是相同槽。多个电路各自布置在多个定子槽中的多个层内，多个定子槽具有平衡数量的相同槽和共享槽，以减少在转子相对于定子的高旋转速度下的定子损耗。

根据本公开内容的另一方面，提供了一种包括定子的电机，该定子绕轴线并沿轴线环状地延伸，并且具有限定转子室的基本上柱形的内部以及绕定子周向地且以间隔的关系设置的多个定子槽。定子包括各自包括多个电路的多个相群。多个电路各自包括串联连接以用于承载交流电压的多个相导体的多个绕组集。转子轴向地延伸并且设置在转子室中，以响应于由多个相导体中的每一个所承载的交流电压而相对于定子旋转。多个相导体放置在多个定子槽的多个层中。多个相群包括具有第一相电阻的第一相群和具有第二相电阻的第二相群以及具有第三相电阻的第三相群，并且第一相电阻和第二相电阻以及第三相电阻均相等。

根据本公开内容的又一方面，提供了一种包括定子的电机，该定子绕轴线并沿轴线环状地延伸，并且具有限定转子室的基本上柱形的内部以及绕定子周向地且以间隔的关系设置的多个定子槽。定子包括各自包括多个电路的多个相群。多个电路各自包括串联连接以用于承载交流电压的多个相导体的多个绕组集。多个相群之一的多个相导体中的每一个与多个相群中的另一相群的多个相导体相比承载具有相位差的交流电压。转子轴向地延伸并且设置在转子室中，以响应于由多个相导体中的每一个所承载的交流电压而相对于定子旋转。多个相导体放置在多个定子槽的多个层中。包括承载交流电压的多个相导体中至少之一以及承载具有相位差的交流电压的多个相导体中的另一相导体的多个定子槽是共享槽。包括承载交流电压的多个相导体以及承载没有相位差的交流电压的多个相导体中的另一相导体的多个定子槽是相同槽。多个绕组集各自延伸通过第一预定数量的相同槽和第二预定数量的共享槽。第二预定数量的共享槽少于第一预定数量的相同槽。

根据本文中提供的描述，其他应用领域将变得明显。该发明内容中的描述和具体示例旨在仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开内容的范围。

附图说明

本文中描述的附图仅用于所选实施方式而不是所有可能的实现方式的说明性目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。

图1是根据本公开内容的方面的电机的第一示例实施方式的定子的前透视图；

图2是根据本公开内容的方面的电机的第一示例实施方式的定子的侧透视图；

图3是根据本公开内容的方面的电机的第一示例实施方式的定子的多个相导体的透视图；

图4是根据本公开内容的方面的示出了定子的多个定子槽和定子内的转子的电机的第一示例实施方式的截面视图；

图5a示出了包括以y配置布置的多个电路的多个串联组的多个相导体；

图5b示出了包括以y配置布置的多个电路的多个串联组并且使用替选电路名称命名法的多个相导体；

图6和图7a至图7b示出了根据本公开内容的方面的用于电机的第一示例实施方式的布置在具有平衡数量的相同槽和共享槽的多个定子槽的多个层内的多个电路的布置；

图8示出了根据本公开内容的方面的电机的绕组集中的多个发夹导体；

图9a至图9c示出了根据本公开内容的方面的用于电机的第一示例实施方式的多个相导体中的每一个内的模拟电流；

图10示出了根据本公开内容的方面的用于电机的第一示例实施方式的定子和转子中的模拟损耗；

图11示出了根据本公开内容的方面的电机的第一示例实施方式的模拟扭矩；

图12和图13a至图13b示出了根据本公开内容的方面的用于电机的第二示例实施方式的布置在具有不平衡数量的相同槽和共享槽的多个定子槽的多个层内的多个电路的布置；

图14a至图14c示出了根据本公开内容的方面的用于电机的第二示例实施方式的多个相导体中的每一个内的模拟电流；

图15示出了根据本公开内容的方面的用于电机的第二示例实施方式的定子和转子中的模拟损耗；

图16示出了根据本公开内容的方面的电机的第二示例实施方式的模拟扭矩；以及

图17和图18示出了根据本公开内容的方面的用于电机的第三示例实施方式的布置在多个定子槽的多个层内的多个电路的替选布置。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了细节以提供对本公开内容的理解。在一些情况下，未详细描述或示出某些电路、结构和技术，以免模糊本公开内容。

总体上，本公开内容涉及一种非常适合在许多应用中使用的类型的电机。将结合一个或更多个示例实施方式来描述本公开内容的电机。然而，仅提供所公开的具体示例实施方式来描述发明构思、特征、优点和目的，将足够清楚以允许本领域技术人员理解和实践本公开内容。具体地，提供示例实施方式使得本公开内容将是透彻的，并且将范围完全传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如具体部件、装置和方法的示例，以提供对本公开内容的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员将明显的是，具体细节不需要被采用，示例实施方式可以以许多不同的形式来实施，并且两者都不应当被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施方式中，未详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。

参照附图，其中贯穿若干视图，相似的附图标记指示相应的部分，在图1至图8中示出了电机20的示例第一实施方式。首先参照图1和图2，电机20包括绕轴线a并沿轴线a环状地延伸的定子22。定子22具有限定转子室24的基本上柱形的内部。定子22还包括绕定子22周向地且以间隔的关系设置的多个定子槽26。更详细地，多个定子槽26向内向转子室24敞开。根据一方面，电定子22限定了五十四(54)个定子槽26，然而，应当理解，可以利用更多或更少的定子槽26。

如图3和图4中最佳所示的，定子22另外包括多个相导体28。多个相导体28包括多个绕组集30并且每个绕组集30由相导体28构成，每个相导体由三(3)个发夹导体32(图8)形成。然而，应当理解，可以使用任何数目的发夹导体32。

如图5a和图5b中最佳所示的，多个绕组集30构成多个电路34、36、38、40、42、44、46、48、50，每个电路承载交流电压。多个电路34、36、38、40、42、44、46、48、50被分组为多个相或相群52、54、56。根据一方面，多个相群52、54、56中的每一个包括三个并联电路(从多个电路34、36、38、40、42、44、46、48、50中选择)，并且这些并联电路中的每一个由六(6)个串联连接的绕组集30组成。三个并联电路的相群52、54、56中的每一个与不同相或相群的三个并联电路的相群52、54、56中的另一相群相比承载具有相位差的交流电压。虽然多个电路34、36、38、40、42、44、46、48、50并联布置在相群中，但是作为在图5a和图5b中示出的每个相群52、54、56中的三个并联电路，应当理解，可以利用多个电路34、36、38、40、42、44、46、48、50的其他布置。图5a至图7中所示的相a(即，相群52)、相b(即，相群56)和相c(即，相群54)全部承载具有不同相位的交流电压(每个相群52、54、56具有彼此相比不同的相)。

返回参照图4，转子58轴向地延伸并且设置在转子室24中，以响应于由多个相导体28中的每一个所承载的交流电压而相对于定子22旋转。在转子58与定子22之间限定有气隙60。

如在图7a至图7b中最佳所示的，定子22包括多个北极62和多个南极64，其中多个北极62之一和多个南极64之一限定了电机20的一个极对。如图所示，六极电机20具有三个极对。因此，根据本公开内容的一方面，对于定子22的总共六个极62、64，存在三个北极62和三个南方64；然而，可以利用其他数量的北极62和南极64。延伸穿过多个定子槽26的多个电路34、36、38、40、42、44、46、48、50由放置在多个定子槽26内的层66中的相导体28组成。根据本公开内容的一方面，存在六个层66(图4中所示)，其中层1设置在多个定子槽26的最外部分中以及层6设置在多个定子槽26的最内部分中。应当理解，可以替代地利用更多或更少的层66。

包括承载交流电压的多个相导体28中至少之一以及承载具有相位差(即，不同相位)的交流电压的多个相导体28中的另一相导体的定子槽26是共享槽68。相反，包括承载交流电压的多个相导体28以及承载没有相位差的交流电压的多个相导体28中的另一相导体的定子槽26是相同槽70。根据本公开内容的一方面，相导体28以“y”配置连接(即，相群52、54、56以“y”配置彼此连接)。

如图5a中最佳所示的，第一相群52包括从中央相节点72到第一相源节点74彼此串联连接的多个绕组集30(例如，a11、a12、a13、a14、a15、a16)的第一初级并联电路34(即，图6中的并联1)。第一相群52包括从中央相节点72到第一相源节点74彼此串联连接的多个绕组集30(例如，a21、a22、a23、a24、a25、a26)的第一次级并联电路36(即，图6中的并联2)。第一相群52还包括从中央相节点72到第一相源节点74彼此串联连接的多个绕组集30(例如，a31、a32、a33、a34、a35、a36)的第一三级并联电路38(即，图6中的并联3)。第一相群52的电路34、36、38彼此并联；然而，可以设想例如电路34、36、38的其他布置。

类似地，第二相群54包括从中央相节点72到第二相源节点76彼此串联连接的多个绕组集30(例如，b11、b12、b13、b14、b15、b16)的第二初级并联电路40。第二相群54还包括从中央相节点72到第二相源节点76彼此串联连接的多个绕组集30(例如，b21、b22、b23、b24、b25、b26)的第二次级并联电路42以及从中央相节点72到第二相源节点76彼此串联连接的多个绕组集30(例如，b31、b32、b33、b34、b35、b36)的第二三级并联电路44。第二相群54的电路40、42、44彼此并联。

最后，第三相群56包括从中央相节点72到第三相源节点77彼此串联连接的多个绕组集30(例如，c11、c12、c13、c14、c15、c16)的第三初级并联电路46。第三相群56包括从中央相节点72到第三相源节点77彼此串联连接的多个绕组集30(例如，c21、c22、c23、c24、c25、c26)的第三次级并联电路48。第三相群56包括从中央相节点72到第三相源节点77彼此串联连接的多个绕组集30(例如，c31、c32、c33、c34、c35、c36)的第三三级并联电路50。第三相群56的电路46、48、50彼此并联。相源节点74、76、77中的每一个可以连接至控制器和/或电源(未示出)以为电机20供电。

图5b类似于图5a的图，但是具有替选的电路命名方案。在替选电路命名方案中，并联电路34由相字母(a、b或c)之后的两个数字指定。绕组集30由与并联电路34编号用逗号分隔的单个数字指定。例如，在图5a的命名方案中的绕组“a16”对应于图5b的命名方案中的绕组“a11,2”。

第一相群52具有第一相群电阻，以及第二相群54具有第二相群电阻，以及第三相群56具有第三相群电阻。作为相导体28连接以及放置在多个定子槽26中的方式的结果，相群52、54、56的电路34、36、38、40、42、44、46、48、50中的每一个中的电阻相等。具体地，如图6以及图7a至图7b中最佳所示的，有利地实现了相等相群电阻，因为多个电路34、36、38、40、42、44、46、48、50的第一相群52和第二相群54以及第三相群56各自布置在具有平衡数量的相同槽70和共享槽68的多个定子槽26中的多个层66内，以减少在转子58相对于定子22的高旋转速度下的定子22损耗。更具体地，相群52、54、56中的每一个的初级并联电路34、40、46、次级并联电路36、42、48和三级并联电路38、44、50中的每一个具有相同数目的共享槽68和相同数目的相同槽70(即，相群52、54、56中的每一个的初级并联电路34、40、46、次级并联电路36、42、48和三级并联电路38、44、50中的每一个延伸穿过相等数量的共享槽68和相等数量的相同槽70)，从而导致没有循环电流。根据一方面，初级并联电路34、40、46中的每一个、次级并联电路36、42、48中的每一个以及三级并联电路38、44、50中的每一个具有十二(12)个共享槽68和二十四(24)个相同槽70。

如以上所讨论的，多个电路34、36、38、40、42、44、46、48、50各自包括彼此互连(例如，形成为缠绕)的多个发夹导体32(例如，三(3)个发夹导体32)。具体地，多个发夹导体32中的每一个具有一对腿部78并且该对腿部78中的每一个单独设置在多个定子槽26之一中以限定间距。因此，间距是被该对腿部78之一跨越的多个定子槽26的数目。如图8中所示的连接在一起的发夹导体32包括绕组集30。在第一示例实施方式中，多个绕组集30各自包括形成三个线圈的发夹导体32。换言之，多个电路34、36、38、40、42、44、46、48、50中的每一个来回穿过多个定子槽26六次。参照图4，正(+)指示流入纸的电流，而负(-)指示流出纸的电流。

如图9a至图9c中最佳所示的，模拟结果指示电机20的第一示例实施方式的每个相群(即，第一相群52、第二相群54和第三相群56)的三个并联电路34、36、38、40、42、44、46、48、50的群中的每一个有利地承载相同量的稳态电流，在并联电路34、36、38、40、42、44、46、48、50内不构成循环电流。类似地，图10示出了定子22中和转子58中的电损耗因此非常低。因此，如图11中最佳所示的，与如果将多个电路34、36、38、40、42、44、46、48、50的第一相群52和第二相群54以及第三相群56布置在没有平衡数量的相同槽70和共享槽68的多个定子槽26中的多个层66内相比，电机20的第一示例实施方式可以产生更高的扭矩。

如图12和图13a至图13b中最佳所示的，提供了电机120的示例第二实施方式，其包括分隔100个数示出第一示例实施方式的相似特征的附图标记。电机120的第二示例实施方式不同于第一示例实施方式，因为第一相群电阻和第二相群电阻以及第三相群电阻彼此不相等。具体地，如图12中所示，相中的每一个的初级并联电路134、140、146(即，并联1)、次级并联电路136、142、148(即，并联2)和三级并联电路138、144、150(即，并联3)中的每一个不具有相同数目的共享槽168和相同槽170，从而导致更高的循环电流和损耗。例如，并联2具有最高电阻和最低电流，而并联3具有比并联1稍高但是比并联2低得多的电阻。因此，与电机20的第一示例实施方式不同，电机120的第二示例实施方式的第一相群电阻和第二相群电阻以及第三相群电阻并不均相等。不相等的相群电阻是由多个电路134、136、138、140、142、144、146、148、150的第一相群152和第二相群154以及第三相群156各自布置在具有不平衡数量的相同槽170和共享槽168的多个定子槽126中的多个层166内的事实引起的。

因此，如图14a至图14c中最佳所示的，模拟结果指示电机120的第二示例实施方式的三个并联电路134、136、138、140、142、144、146、148、150的群中的每一个(即，第一相群152、第二相群154和第三相群156)没有承载相同量的电流。图15示出了定子122中和转子158中的电损耗由于由不平衡数量的相同槽170和共享槽168而导致的不相等的相群电阻而相对地比电机20的第一示例实施方式的电损耗高。因此，如图16中最佳所示的，电机120的第二示例实施方式产生相对较低的扭矩(与电机20的第一示例实施方式相比)，因为多个电路134、136、138、140、142、144、146、148、150的第一相群152和第二相群154以及第三相群156未布置在具有平衡数量的相同槽170和共享槽168的多个定子槽126中的多个层166内。较低的扭矩产生指示：机器120表现不佳并且不满足要求的扭矩值。

如图17至图18中最佳所示的，提供了电机220的示例第三实施方式，其包括分隔200个数示出电极20的第一示例实施方式的相似特征的附图标记。第三示例实施方式并入了来自图6至图7中示出的示例实施方式的替选绕组布局。图17示出了具有平衡数量的相同槽270和共享槽268的电路234、236和238的a相绕组集230。更详细地，多个绕组集230各自延伸通过第一预定数量的相同槽270和第二预定数量的共享槽268。第二预定数量的共享槽268少于第一预定数量的相同槽270。第二预定数量的共享槽268是第一预定数量的相同槽270的一半。如图所示，第二预定数量的共享槽268是两(2)个共享槽268，以及第一预定数量的相同槽270是四(4)个相同槽270。图17和图18采用图5b中引入的替选电路命名法。图18突出显示了并联电路234a11作为示例，其中其六个绕组集230中的每一个(a11,1；a11,2；a11,3；a11,4；a11,5；和a11,6)被圈出。图17类似于图6，如上所述，以及图18类似于图7a至图7b。第三实施方式，也称为“优化绕组布局2”，提供了与图6以及图7a至图7b的示例实施方式相同的优点，但是具有不同的绕组布局以提高可制造性。

显然，然而，在不脱离所附权利要求书中所限定的范围的情况下，可以对本文中所描述和示出的内容进行改变。例如，所公开的电机可以利用感应马达在车辆或其他应用中进行操作。

为了说明和描述的目的，已经提供了实施方式的前述描述。其不旨在穷举或限制本公开内容。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的，并且即使未具体示出或描述也可以在所选实施方式中使用。同样也可以以许多方式变化。这样的变化不应被认为是脱离本公开内容，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开内容的范围内。本领域技术人员将认识到，与示例电机相关联公开的概念可以同样地实现到许多其他系统中，以控制一个或更多个操作和/或功能。

本文中所使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而不旨在进行限制。除非上下文另外明确指示，否则如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也可以旨在包括复数形式。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含”和“具有”是包含性的，并且因此指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。本文中描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须以所讨论或示出的特定顺序执行，除非明确地标识为执行顺序。还应理解，可以采用附加或替选步骤。

当元件或层被称为“在另一元件或层上”、“接合至”、“连接至”或“耦接至”另一元件或层时，它可以直接在另一元件或层上、接合、连接或耦接至另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件或层时，可能不存在中间元件或层。应当以类似的方式来解释用于描述元件之间的关系的其他词语(例如，“在...之间”与“直接在...之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文中所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或更多个的任何和所有组合。

尽管本文中可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应被这些术语限制。这些术语仅可以用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分。除非上下文明确指示，否则诸如“第一”、“第二”和其他数字术语的术语在本文中使用时不暗指次序或顺序。因此，在不脱离示例实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

为了便于描述，在本文中可以使用诸如“内部”、“外部”、“在…之下”、“在…下方”、“下”、“在…上方”、“上”、“顶部”、“底部”等的空间相对术语来描述如附图中所示的一个元件或特征与另一或其他元件或特征的关系。除了附图中描绘的取向之外，空间相对术语还可以旨在涵盖装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件将被取向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例术语“在…下方”可以涵盖在…上方和在…下方两个取向。装置可以以其他方式取向(旋转角度或以其他取向)，并因此解释本文中使用的空间相对描述。