定子绕组装置的制作方法

定子绕组装置
1.本申请要求于2018年10月16日提交的英国专利申请no.1816855.9和于2018年10月24日提交的美国临时申请no.62/749,754的优先权和权益。这些申请的全部内容通过引用并入本文。
2.本公开涉及用于旋转电机中的定子的绕组装置，并且更具体地涉及可以帮助减小电机的温度升高并改进电机的冷却的绕组装置。
3.旋转电机(诸如马达和发电机)一般包括转子，该转子安装在轴上并被布置成在定子内侧旋转。转子包括保持转子绕组或永磁体的转子芯。转子绕组或永磁体产生旋转磁场，该旋转磁场横过转子和定子之间的气隙。定子包括定子芯，该定子芯保持定子绕组(与旋转磁场组合)。
4.在旋转电机中，定子绕组通常容纳在定子槽中，定子槽沿轴向延伸穿过定子芯。通常，定子绕组包括绕着定子周向地设置的多个线圈。线圈可原位缠绕在槽中，或者预先形成的线圈可插入到槽中。在任何一种情况下，绕组都必须离开一个槽并且在进入另一槽之前绕过定子的外侧。绕组的穿过槽的部分通常被称为侧部绕组，而绕组的在定子外侧延伸的部分通常被称为端部绕组或悬伸绕组。通常出于连接目的而提供线圈端部引线。
5.通常需要将一些或所有线圈端部引线带出定子以连接到外部部件。取出的端部引线的数量取决于连接方式、并行路径、电压要求等。端部引线通常围绕定子周向地布线，以便将它们带到公共的连接点(诸如接线盒)。来自不同线圈的端部引线通常被一起捆束在沿轴向方向与端部绕组相邻的环中。
6.电机的额定功率通常受限于电机使用时定子和转子的温度上升。此外，电机一般在较低温度下更有效地运行。另外，如果电机在较高温度下操作，则电机的使用寿命会减少。由此，许多电机被布置成使空气流过电机，以便冷却电机。
7.在旋转电机中，定子通常用作电枢并且承载主电力。结果，可能需要定子的端部引线承载大电流。这与端部引线通常被捆束在一起的事实相结合，可以导致端部绕组中的温度上升加大。这又会导致电机的整体温度上升。
8.在多相电机中，定子绕组包括用于每相的单独绕组。这样可能导致不同相的端部引线在围绕定子布线时彼此相邻。在操作中，每相均处于不同的电位。因此，有必要确保在不同相的端部引线之间有足够的电绝缘。
9.定子绕组中的各个导线通常借助外绝缘层(通常是绝缘漆)而电绝缘。附加的绝缘也可设置在端部引线上。然而，或是由于制造过程，或是由于在构造或者使用插入工具期间施加在导线上的应力，可能在外绝缘层中产生缺陷。此外，电绝缘可能随着时间的推移因热、机械和环境应力而劣化。在端部引线处于不同电位的情况下，这可能导致绕组之间电弧放电。这将使电机效率低下并且可能导致电机损坏并最终导致电机故障。虽然原则上可能通过增加绝缘量来降低电弧放电的风险，但是这将减少给定尺寸导体的铜量，从而将降低效率并可能导致温度进一步上升。
10.已知提供用于将各个定子线圈彼此连接并与输出端子连接的连接器环。然而，这种连接器环需要进行附加的连接，这增加了制造过程的复杂性。此外，这种连接器环通常增
加了电机的整体尺寸。
11.因此，希望提供一种绕组装置，它可以帮助减少线圈端部引线中的温度升高。还希望提供一种绕组装置，其中可以在不同相的端部引线之间实现更大的电分离，而不会影响热性能。另外，希望提供一种在空间要求和易于制造方面有效的绕组装置。
12.根据本发明的一个方面，提供了一种用于旋转电机的定子，该定子包括：
13.定子芯，所述定子芯包括定子槽；以及
14.多个定子线圈，所述定子线圈包括位于所述定子槽中的侧部绕组、从所述定子槽中延伸出的端部绕组以及用于连接所述定子线圈的端部引线；
15.其中，所述端部引线中的至少一些端部引线围绕所述端部绕组的径向向外侧周向地延伸。
16.本发明可以提供以下优点：通过使端部引线围绕端部绕组的径向向外侧周向地延伸，可以改进端部引线和/或端部绕组的冷却。这反过来可以有助于改善电机寿命和/或增强电机的功率密度。此外，可以改善多相电机中的相之间的电分离。另外，可以使绕组布置在空间要求和/或易于制造方面更有效。
17.优选地，端部引线位于端部绕组的径向向外侧上。这可以帮助确保端部引线位于相对较高气流的区域中，并且因此可以允许更多的冷却空气与端部引线接触。然而，在一些情况下，端部引线中的一些端部引线可能位于端部绕组的径向向内侧上。端部引线中的一些端部引线也可能在端部绕组的轴向外侧。
18.优选地，侧部绕组延伸穿过定子槽(例如，在大致轴向方向上)。优选地，端部绕组从一个定子槽延延伸出并进入另一定子槽。端部绕组可以在定子槽之间在大致周向方向上延伸。端部引线优选地是各个线圈的端部引线。端部引线可以设置有用于连接到其它部件的端子。优选地，端部引线被布置成连接到诸如接线盒之类的外部部件。
19.为了将定子绕组连接到诸如接线盒之类的部件，通常需要使端部绕组围绕定子周向地延伸。因此，端部引线可围绕端部绕组的外部至少部分地周向延伸。
20.每个定子线圈优选地由单个连续导体缠绕成。因此，每个端部引线优选地是作为侧部绕组和端部绕组的同一连续导体的一部分。这可以避免需要进行附加的连接或单独的导体环，这可以帮助提高空间效率和/或易于制造。
21.在一优选实施方式中，每个线圈由缠绕成一系列匝的单个连续导线形成。该导线可以是例如金属导线，诸如铜线。因此，每个定子线圈可以由形成侧部绕组、端部绕组和端部引线的导线缠绕成。这可以帮助提高空间效率和/或易于制造。然而，如果需要的话，可以用两段或更多段导线制成线圈。
22.优选地，端部引线沿着端部绕组的外侧(例如，在大致轴向方向上)布置成排。该排可以包括例如在大致轴向方向上的多个端部引线和在大致径向方向上的单个端部引线，但是其它布置(诸如在径向方向上有两个或更多个端部引线)也是可能的。将端部引线布置成排(而不是将它们组合在一起)可以允许更多的冷却空气与端部引线接触，从而改进冷却。
23.优选地，来自不同线圈的端部引线彼此间隔开。这可以允许空气流在相邻端部引线之间通过，从而改进端部引线和/或端部绕组的冷却。此外，将端部引线彼此间隔开可以改进电隔离。
24.在本发明的一个实施方式中，所述电机是多相电机，并且不同相的端部引线彼此
间隔开。在这种情况下，本发明的实施方式可以帮助改进相之间的电分离。然而，所述电机可以是单相，或具有任何其它数量的相。
25.在一些情况下，所述端部引线可以直接安放在所述端部绕组上。在这种情况下，如果需要，可在所述端部绕组和所述端部引线之间放置绝缘屏障，诸如间位芳族聚酰胺材料的复合片。然而，在优选实施方式中，所述端部引线与所述端部绕组间隔开。这可以允许在所述端部引线和所述端部绕组之间存在用于空气流的通道，这可以有助于冷却端部绕组和端部引线二者。
26.所述定子还可以包括在所述端部绕组和所述端部引线之间的间隔器。该间隔器可以被设置成使端部引线彼此间隔开和/或与端部绕组间隔开。优选地，所述间隔器被布置成将所述端部引线与所述端部绕组分开，从而在两者之间产生气隙。这可以为端部绕组和端部引线之间的空气流提供通道，从而有助于冷却。
27.所述间隔器也可以被布置成(例如在轴向方向上)在相邻的端部引线之间提供气隙。这些气隙可提供用于使冷却空气与端部绕组和端部引线接触的通道，这可以帮助确保有效的冷却。
28.优选地，所述间隔器被布置成将所述端部引线相对于彼此保持在适当位置和/或在相邻的端部引线之间提供电绝缘。例如，所述间隔器可包括底座和多个直立元件。在这种情况下，所述端部引线可容纳在相邻的直立构件之间。这可以允许将端部引线保持在适当位置，和/或在相邻的端部引线之间提供气隙，以及将端部引线与端部绕组间隔开。
29.优选地，所述间隔器的所述底座在基本平行于电机的旋转轴线的方向上延伸。优选地，所述直立构件沿大致径向方向从所述底座向外延伸。优选地，所述直立构件沿着所述底座布置在间隔位置处。
30.所述直立构件可以被成对地布置。一对直立构件中的直立构件可在圆周方向上彼此相邻。在这种情况下，在一对直立构件中的直立构件之间可存在气隙。这可以有助于对齐端部引线，同时允许空气流过位于一对的两个构件之间的端部引线。此外，如果使用诸如系带或扎带之类的保持装置将端部引线保持在端部绕组上，则该保持装置可能在一对直立构件之间通过。这可以帮助确保保持装置保持在适当位置，并且确保将端部引线、间隔器和端部绕组保持在一起。
31.优选地，直立构件的对在轴向方向上彼此相邻，其间具有间隙。优选地，所述端部引线容纳在相邻各对直立构件之间。
32.分离器的底座可以包括轴向空气通道。这可以进一步帮助冷却和/或减少间隔器中使用的材料量。
33.优选地，在所述端部绕组和所述端部引线之间设置有多个间隔器。所述间隔器可周向地围绕定子位于间隔位置处。这可有助于确保在端部绕组和端部引线之间提供一致的气隙。
34.优选地，提供用于将端部引线保持在端部绕组上的保持装置。例如，可使用系带或扎带来将端部引线保持在端部绕组上。这也可能有助于将间隔器保持在适当位置。因此，间隔器可以保持在端部绕组与端部引线之间，优选地不需要单独的安装装置。
35.根据本发明的另一方面，提供一种旋转电机，该旋转电机包括转子和上述任何形式的定子。所述旋转电机可以是马达或发电机，或两者。所述旋转电机可包括接线盒，并且
一些或所有端部引线可连接到所述接线盒中的端子。所述旋转电机的连接侧可位于非驱动端或驱动端处，或两者处。
36.还可提供对应的方法。由此，根据本发明的另一方面，提供了一种制造用于旋转电机的定子的方法，该方法包括以下步骤：将线圈插入到定子芯中，使得端部绕组延伸出定子槽；以及围绕所述端部绕组的径向向外侧周向地布设线圈端部引线。
37.本发明的一个方面的特征可以设置有任何其他方面。装置特征可以具有方法方面，反之亦然。
38.在本公开中，诸如“径向”、“轴向”和“周向”之类的术语通常参考旋转电机的旋转轴线来限定，除非上下文另有所指。
39.现在将参考附图纯粹通过示例的方式描述本发明的优选实施方式，在图中：
40.图1示出了穿过已知旋转电机的多个部分的纵向剖视图；
41.图2示出了穿过已知旋转电机的非驱动端的一部分的纵向剖视图；
42.图3示出了穿过本发明的一个实施方式中的旋转电机的一部分的纵向剖视图；
43.图4示出了本发明的一个实施方式中的定子的多个部分；
44.图5示出了本发明的一个实施方式中的定子的端视图；
45.图6a和图6b示出了根据本发明的一个实施方式的间隔器的视图；以及
46.图7示出了穿过本发明的一个实施方式中的旋转电机的多个部分的纵向剖视图。
47.图1示出了穿过已知旋转电机的多个部分的纵向剖视图。典型的例子是交流发电机。参照图1，该电机包括位于定子12内部的转子10，在两者之间具有气隙14。转子安装在轴15上，其中旋转轴线由虚线表示。定子12包括定子芯16，定子芯16在其内圆周上具有沿大致轴向方向延伸的槽。定子绕组17位于定子槽中。端部绕组18在定子芯的每个端部处伸出定子槽。端部绕组18在大致圆周方向上围绕定子芯的外部延伸。定子12被容纳在大致柱形的定子框架20内。气隙22设置在定子芯16和定子框架20之间。
48.在该示例中，电机是同步发电机，其由诸如柴油发动机之类的原动机驱动。驱动端适配器24位于电机的驱动端处，并用于将电机连接到原动机。驱动端适配器24用螺栓连接到定子框架20。风扇26在驱动端适配器24内部安装在轴15上。
49.在操作中，风扇26吸引空气流经过电机以提供冷却。该空气流主要在轴向方向上穿过转子/定子气隙14和定子/框架气隙22，如图1中的箭头27所示。对于典型的电机，经过电机的70％的空气流通过定子/框架气隙，而30％的空气流通过转子/定子气隙。
50.或者，风扇可将空气推过电机，在这种情况下，空气流将处于相反的方向上。如果需要，可以使用外部独立驱动的风扇代替轴驱动风扇。
51.在如图1所示的电机之类的电机中，定子绕组通常包括分布在定子周围的多个线圈。例如，在具有36个定子槽和双层绕组的定子中，可能存在总共36个线圈。每个线圈通常由被缠绕成一系列匝的单个连续导体(诸如铜线)形成。可以在将线圈插入定子槽之前或在原位执行缠绕过程。每个线圈包括沿轴向延伸穿过定子槽的侧部绕组、从定子槽延伸出并围绕定子芯的端部周向地延伸的端部绕组以及用于连接线圈的端部绕组。为了连接目的，必须将部分或全部线圈端部引线带到定子外部(取决于连接方式)。在图1的布置中，线圈端部引线被带到接线盒23(在图1中部分地示出)。这是通过在电机的非驱动端处围绕定子周向地布线线圈端部引线来完成的。来自定子绕组中的各个线圈的端部引线被一起捆束在沿
轴向方向与端部绕组邻近的环30中。
52.图2示出了穿过已知旋转电机的非驱动端的一部分的纵向剖视图，示出了已知的端部引线布置。在图2中，电机包括基本上如上所述的定子和转子。端部引线28围绕定子周向地布线，以便将定子绕组连接到接线盒。来自不同线圈的端部引线被一起捆束在沿轴向方向与端部绕组18邻近的环30中。
53.在图1和图2所示的布置中，线圈端部引线位于电机的非驱动端侧上。然而，也可以将线圈端部引线定位在电机的驱动端侧以及或代替非驱动端侧。
54.实际上，已经发现，以图2所示的方式将端部引线捆束在一起可能导致端部引线内的温度过度升高。此外，将端部引线轴向地定位在端部绕组的外部可能部分地限制空气流，或者使空气流偏离端部绕组。这可能降低冷却系统的效率。另外，由于端部引线可承载不同的相，端部绕组的绝缘的任何劣化都可能导致端部引线之间的电弧放电。
55.图3示出了穿过旋转电机的一部分的纵向剖视图，概念性地示出了本发明的一个实施方式中的布置。在图3中，电机包括基本上如上参照图1和图2所描述的定子和转子。如图2的示例中那样，端部引线28围绕定子周向地布线，以便将定子绕组连接到接线盒。然而，在图3的布置中，端部引线28不是被定位成在轴向方向上邻近端部绕组18，而是位于端部绕组18的径向向外侧。此外，来自不同线圈的端部引线28不是一起被捆束在环中，而是沿着端部绕组的外部沿大致轴向方向成排地间隔开。结果，在相邻的端部引线28之间存在气隙37。在这种布置中，在端部绕组18和端部引线28之间也设置有气隙38。
56.根据本发明已经发现，如图3所示，将端部引线定位在端部绕组的径向向外侧上可以允许更多的冷却空气与端部引线接触。此外，使端部引线远离端部绕组的端部可打开通向风扇的空气流路径，这可帮助冷却系统更有效和高效地操作。通过将端部引线间隔开来进一步增强端部引线的冷却。将端部引线间隔开也可有助于降低电弧放电的风险。作为额外的益处，已经发现图3的布置可以导致更有效地利用空间。
57.在本发明的一个优选实施方式中，在制造缠绕定子时执行以下步骤。
58.将绝缘纸插入到定子槽中
59.将绝缘纸插入定子芯的槽中。绝缘纸用作铜线和定子芯之间的绝热层。
60.准备铜线圈
61.根据设计要求，通过将漆包线缠绕在成形器上来制备铜线圈。基于设计参数来选择导线尺寸和匝数。根据绕组的类型(例如，双层同心、双层搭接等)来选择线圈形状和布置。线圈的端部引线保持未缠绕。
62.将线圈插入到定子中
63.然后将线圈插入到定子中，使得它们形成所需的极性(例如，示例4极)并且不同的相保持电气地分开120
°
(在三相电机的情况下)。
64.终端引线连接
65.为了连接目的，将线圈的端部引线从定子中取出。取出的端部引线的数量取决于连接方式、并联路径、电压要求等。端部引线围绕绕组悬伸部的外侧布线。端部引线以这样的方式形成，使得更多的空气能够通过端部引线和绕组悬伸部，这使得冷却系统更加有效和高效。
66.图4示出了根据本发明的一个实施方式的定子的多个部分。参照图4，定子包括定
子芯16，定子芯16具有容纳定子绕组的定子槽。定子绕组包括端部绕组18，端部绕组18延伸出定子槽并围绕定子芯的外部。提供端部引线28，其围绕端部绕组18的外部周向地布线。来自不同线圈的端部引线28沿大致轴向方向布置成一排，并且轴向间隔开。端部引线28设置有连接器32，用于连接到接线盒中的端子。
67.图5示出了本发明的一个实施方式中的定子的端视图。在图5所示的布置中，端部引线28的端部按各相分组，准备连接到接线盒中的适当端子。根据电机的尺寸和设计参数来选择各种参数w1、w2、l1、d1、d2和θ。
68.在图4和图5的布置中，在端部绕组18与线圈端部引线28之间围绕端部绕组在间隔位置处设置多个间隔器34。间隔器34用于使端部引线28在径向方向上远离端部绕组18，从而形成气隙38。间隔器34还将端部引线28保持在适当位置并在相邻的端部引线之间提供间隙。另外，系带36用于将端部引线28保持在端部绕组18上。
69.图6a和图6b示出了根据本发明的一个实施方式的间隔器的视图。图6a和图6b的间隔器34被设计成装配在端部绕组18和定子的端部引线28之间，如图4和图5所示。
70.参照图6a和图6b，间隔器34包括底座40和多个直立构件42。底座40是细长的，并且当间隔器在适当位置时，其在基本上平行于电机的旋转轴线的方向上延伸。直立构件42沿着底座被成对地布置在间隔位置处。
71.当间隔器34在适当位置时，如图4和图5所示，直立构件42在大致径向方向上从底座40向外延伸。一对直立构件中的直立构件在圆周方向上彼此相邻，而直立构件的对在轴向方向上彼此相邻。相邻各对直立构件42之间的空间44容纳端部引线28，单个端部引线通常位于两对相邻的直立构件之间(但是，如果需要，可以进行一些加倍)。
72.图6a和图6b中所示的间隔器34在相邻的端部引线28之间形成气隙37，并且在端部绕组18和端部引线28之间形成气隙38。这些气隙提供用于冷却空气与端部绕组和端部引线接触的通道，有助于确保有效冷却。一对直立构件之间的间隙46也有助于冷却。另外，可设置有穿过底座40的轴向空气通道48，以帮助冷却并减少用于形成间隔器的材料的量。间隔器34还起到将端部引线保持在适当位置的作用，并确保相邻端部引线之间的足够电绝缘。
73.在图4所示的布置中，系带36用于将端部引线28系到端部绕组18上。由于间隔器34的底座40位于端部绕组18与端部引线28之间，因此这也将间隔器34夹紧在适当的位置，而无需为间隔器提供单独的连接点。尽管未示出，但是系带也可以或代替地与间隔器位于同一位置，并且可以在一对直立构件之间延伸。
74.间隔器34可以例如由耐温塑料模制而成。然而，可以替代地使用任何其它适当的材料或制造技术。
75.图7示出了穿过本发明的一个实施方式中的旋转电机的多个部分的纵向剖视图，示出了通过电机的空气流。参见图7，可以看出空气流过端部绕组18和端部引线28之间的气隙38，然后穿过相邻端部引线28之间的气隙37径向地向外流动。这有助于确保有效冷却端部引线和端部绕组二者。
76.与以前的设计相比，在本申请人进行的测试中，在400v和50hz下，发现端部引线的温度降低了46.4k；在480v和60hz时，发现端部引线的温度降低了49.2k。这种显著的温度降低可以使电机更有效地运行和/或允许电机的额定功率增加。
77.应当理解，仅通过示例的方式描述了本发明的实施方式，并且可在所附权利要求
的范围内进行细节上的变化。例如，电机可以是单相、三相，或具有任何其它数量的相。可以在定子绕组中使用任何适当数量的线圈。定子绕组可使用各种不同的绕组配置，例如集中式、分布式、重叠式、单层、双层绕组、三层或任何其它适当的配置。机器的连接侧可位于非驱动端或驱动端处，或两者处。其它细节修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。