专利名称：具有转置绕组层的电机定子的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机定子，并且更特别地涉及定子铁芯极对的多层绕组结构和用于形成和连接该绕组层的技术。
背景技术：
随着改进的电子控制系统和便携式电源，作为内燃机可行的替代或附件的用于车辆的高效电动机驱动的研发，已吸引了越来越多的注意。例如，两个与本发明一起转让的授予Maslov等的美国专利6,492,756和授予Maslov等的美国专利6,617,746描述了如下的结构，该结构通过最小的功率消耗提供高扭矩输出能力，这特别适合于电动车辆推进。电磁铁用作构造成定子环孔的隔离的导磁结构。在事实上没有磁通损失或关于其它电磁部件的有害的变压干涉效应的情形下，电磁组的隔离允许磁芯组中磁通的单独集中。从该分段电磁结构获得操作优点。当极对绕组的通电被切换时，单独极对与其它极组的磁路隔离消除了对邻近组的磁通变压效应。
电力牵引系统需要来自低电压推进装置的高扭矩。通过使电池数目最少并去掉另外高电压保护需要的额外绝缘，低电压限制满足节约空间的需求。为了从低电压源产生高扭矩，需要通过电机绕组引出高电流。该绕组必须粗以提供高电流容量。使用粗的单股线形成定子绕组典型地引起无法接受的高频率表面效应损失。为了减小这种损失，习惯使用成束的(in a bundle)多股细线以提供需要的线圈粗度。在减小表面效应损失的同时各股可分担电流负载。这种线束即通常所说的“承担线(wires in hand)”。
在示意图1中示出了用于形成成束多股定子绕组的传统自动化技术。示例了四承担线(wires in hand)过程。各线股10由单独的线卷轴12提供。所有的股同时供应给线捆束机，其将股组合成四承担线的单束16。然后该束缠绕在定子组件20的每个定子极18上。操作员围绕缓慢旋转的定子组件引导粗线束。多个缺点可归因于该技术。由于每股需要线卷轴，所以必须容纳增加的股数的绕组系统变得复杂。在保持绕线机所需的高张力同时在定子上弯曲粗线束是困难的。随着粗度的增加，“沟槽占空因数”减小，该“沟槽占空因数”是对于绕组占据的槽体积量的测量。这些因素严重地限制了在传统绕组结构中可成束的股数。
因此存在对于粗定子绕组的需求，该粗定子绕组利用均匀的电感和电阻特性能够提供最大的沟槽占空因数。需要将提供如下绕组的绕组技术对绕组粗度没有固有限制，并且在最小的复杂性情形下能提供合适的弯曲。
发明内容
通过在极对的每个定子极上连续地形成多个单层线股，本发明至少在部分上满足上述需求。不同于在定子上缠绕单根粗线或许多成束线的现有技术，本发明形成许多绕组层，各绕组层由相同的较细线材规格构成。绕组层单独地形成在极对的每个极上。第一层直接放置在极上而每个连续层装配在最后的先前层之上。极对中的一个极的每层与极对其它极的层串联连接，以获得在数字上等于层数的数量的单独串联线圈。由于层距离各极的距离增加，这些层的电感和电阻特性彼此不同，来自极对中的一个极的层以与其它极对不同的顺序连接到相应的层。优选地，进行层之间连接的换位，其中由一个极形成的第一层连接到其它极的最后层等等。因此平衡了电感和电阻特性。并联连接用于极对的所有串联连接。绕组具有粗线的特性，即其中多个绕组层电路分担高电流载荷，同时便利利用相对小的线材规格的线的绕组的形成。该细线分层形式提供大沟槽占空因数。
本发明特别有利的是电机具有多个极对段，每个极对段具有如上所述连接的多绕组层。这种彼此间隔开并铁磁隔离的极对段提供高扭矩和高效操作的好处。
通过以下的详细描述，对于那些本领域的技术人员，本发明其它的优点将变得显而易见，其中简单地通过实现本发明的期望最优模式，仅仅示出和描述了本发明的优选实施例。如将意识到的那样，本发明能够有其它并且不同的实施例，并且其多个细节能在各种明显的方面改进，而不会脱离本发明。因此，实质上将附图和描述认为是例证性的，而非限制性的。
在附图的图形中，通过实例而非通过限制示出本发明，并且附图中相同的参考数字指示相似的元件，在附图中图1是用于形成成束多股定子绕组的传统自动化技术的示意图。
图2a至2d是根据本发明的多个绕组层的形成的示意图。
图3是如在图2a至2d中所示形成的绕组层的互连的示意图。
具体实施例方式
图2a至2d描述了在极对段的定子极22上的四绕组层的形成。四层的选择仅仅作为本发明层数的代表，因为层数能够根据各种因素调整，包括电流负荷需求、特定的线材规格、线圈匝数以及极结构。在图2a中，绕组层形成在极22上。形成绕组的线具有较低的线材规格并且从未示出的线卷轴供应。当线的弯曲不困难时可利用传统设计的较低张力绕线机。在图2b中，第二绕组层26形成在第一绕组24之上。来自于相同卷轴的线由相同的绕线机使用。当使用相同线源的单股来形成两层时，可获得高的沟槽占空因数。分别如图22c和22d所示，以相似的形式，绕组层28和30形成在先前层之上。从线圈绕组机器看，因为每层作为来自于相同卷轴供给的单股，能够形成的层数没有限制。
如参考图2a至2d所描述的那样，图3的简化示意图描述了极22以及极对段的其它极22a。以如参考绕组层24、26、28和30的形成所描述的相同形式，绕组层24a、26a、28a和30a形成在极22a上。在优选实施例中，每个绕组层具有相同数量的绕组匝数。因为层的平均绕组长度从底层到顶层增加，层的电阻和电感也将自底到顶增加。为了避免由层内的随机串联或并联连接产生的层间电流，极22和22a的层通过层换位彼此串联连接。换句话说，极22的层24连接到极22a的层30a，极22的层26连接到极22a的层28a，极22的层28连接到极22a的层26a，和极22的层30连接到极22a的层24a。对在虚线框32中所示的内层端子进行连接。作为层换位的结果，包含来自每个极的层的四个串联电路关于它们的电阻和电感特性平衡。串联电路在它们的外端子处并联连接。
如在上述Maslov等的专利中所示，图3的定子电磁极对结构优选地是围绕气隙分布的多个定子段中的一个。每段可对应于多相电机控制系统中的一个相，每个电磁极对从单独受控供给供应。或者，多相控制系统的每相可供应多个电磁铁。
正如能够意识到的那样，在避免成束线的限制的同时，已经提供了大大简化的绕组技术。平衡层连接的多线股分担电流负载而无明显的绕组间电流。该优选示出的实施例已预见用于利用分段电磁结构的应用。但是，预期到，当应用于连续凸极定子铁芯时，相同的分层绕组和连接技术提供相同的优点。
在本公开中，仅仅示出和描述了本发明的优选实施例以及其通用性的仅仅少数实例。要理解本发明能够在各种其它组合和环境下使用，并且能够在在此表达的独创性概念的范围内改变和修改。例如，替代单根粗线或成束线的多层细线材规格的提供，能够应用于利于在开槽定子铁芯上装配绕组。如早先讨论的那样，本发明还可应用于除四以外的数量的极绕组层，使得能够适应变化的负载需求和线材规格。还应该意识到尽管上文已经时论在每层中的线圈匝数相等，但这些层可调整以具有不同的数目，或者在相同极的层之间或者在极对的两个极上的层之间具有不同数目。
权利要求
1.缠绕具有至少一个极对的电机的定子铁芯的方法，所述方法包括的步骤为在极对段的每个极上以连续顺序形成预定数目的卷绕线股单独层；和将所述极对中的第一极的每个所述层与所述极对的第二极的层串联连接，以在极对上获得在数量上等于所述预定数目的单独串联线圈连接，其中在每个串联线圈连接中的层形成的顺序彼此不同。
2.如权利要求1所述的方法，其中电机定子包括彼此间隔开并铁磁隔离的多个极对段，以及所述形成和连接的步骤被应用于所述多个极对段中的每一个。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述形成步骤包括将第一层直接装配在极上和将每个连续层装配在最后的先前层之上，并且所述连接步骤包括将形成在所述极对的每个极上的第一层连接到形成在另一极上的最后层，以获得层连接换位。
4.如权利要求3所述的方法，包括并联连接所述极对的所有串联连接的额外步骤。
5.电机定子包括芯，该芯具有一对极；多个线圈层，该多个线圈层缠绕在所述芯的每个极上，所述层围绕所述极在适当的位置连续地彼此覆盖，所述第一极的层以与所述相应的层围绕所述极的布置的相反顺序连接到所述第二极的层。
6.如权利要求5所述的电机定子，其中每个极上的层数相同并且形成单独串联电路的所述连接层在数字上与层数相等。
7.如权利要求6所述的电机定子，其中两极的多个绕组层中的每一个包括相同数量的线圈匝数。
8.如权利要求6所述的电机定子，其中所述每个串联电路包括来自于每个极的层并且该每个串联电路并联连接。
9.电机定子，其包括多个极对，每对具有多个如权利要求5所述构造并连接的线圈层。
10.如权利要求9所述的电机定子，其中所述多个极对中的每一个包括铁磁芯段，该铁磁芯段与所述其它各极对铁磁地隔离。
全文摘要
电机设置有多层绕组定子铁芯结构。线股的多个单独层连续地形成在极对的各定子极上。各绕组层由相同的较细线材规格构成。第一层直接放置在极上而各连续层装配在先前的最后层顶上。极对中的一个极的各层与极对其它极的层串联连接，以获得单独串联线圈的数目在数字上等于层数。由于当层从各极距离增加时层的电感和电阻特性彼此不同，从极对中的一个极的层以与其它极对不同的顺序连接到相应的层。
文档编号H02K3/18GK1989677SQ200580024835
公开日2007年6月27日 申请日期2005年7月18日 优先权日2004年7月20日
发明者齐亚·拉赫曼 申请人:波峰实验室责任有限公司