针对电机的改进的槽衬导热性的制作方法

本申请要求分别于2015年10月8日和2015年11月23日提交的美国临时专利申请第62/239,024号和第62/258,752号以及于2015年11月24日提交的美国专利申请第14/950,276号的权益，其全部内容通过引用被整体并入本文。

技术领域

本公开内容涉及高性能电机领域。更具体地，本公开内容涉及用于电机的定子的封装槽绝缘部的构造，其使得热量能够从电机有效地移除。

背景技术：

使用通常称为“槽衬”的部件来实现使导体与转子或定子芯材料电绝缘的传统方法。槽衬被用于电机(例如，发电机和/或电动机)的定子和/或转子中，以在定子芯和/或转子芯与定子绕组和/或转子绕组之间提供绝缘。槽衬将放置在定子芯的槽中的定子绕组与定子芯分开。类似地，槽衬将转子绕组与转子芯分开。

槽衬通常由薄的电绝缘材料(例如，诺梅克斯(nomex)或聚酯薄膜)制成。存在通常用作槽衬的许多不同的材料，包括诸如NMN(诺梅克斯-聚酯薄膜-诺梅克斯)和DMD(涤纶-聚酯薄膜-涤纶)的不同材料的复合材料。所提及的材料是为此目的而制造的无数可能的材料的小集合。这些材料中的大多数具有相对较低的导热率。在操作时，槽衬提供定子绕组与芯的电绝缘，同时使得定子绕组中产生的热量能够从定子绕组转移至定子芯。

在许多电机设计中，构成定子和/或转子芯的软磁材料具有用于容纳用于在电机中承载电流的电导体的多个槽。定子和/或转子中的这些软磁材料也被称为定子芯、转子芯或磁芯。在大多数情况下，将用于使转子芯中的槽绝缘的材料制造成薄片。然后切割薄片并且有时将其形成为适合电机中的转子和/或定子槽的形状。然后，该绝缘材料薄片保护且隔离电机的定子和/或转子内的电导体。

这种使导体与定子和/或转子芯绝缘的方法通常来自导热能力差的材料。因此，希望淘汰由通常导热不良的材料的绝缘材料片制成的传统槽衬。

技术实现要素：

本公开内容的示例性实施方式提供的是，淘汰了传统的槽衬，传统的槽衬通常由从薄片切割然后插入到磁芯中的导热不良的材料构成。所公开的实施方式使用绕组封装材料来填充通常由槽衬片材料占据的空间。也可以在用于绕线式转子的转子芯以及定子内的定子芯中发现同样的做法。本公开内容应用于两种情况，转子芯和定子芯。例如，本公开内容的示例性实施方式提供了一种电机，该电机包括定子，该定子具有包括多个槽的定子芯。多个槽中的每个槽都包括间隔件、导体和/或封装槽绝缘部。间隔件被配置成使导体悬置以适当的介电距离远离定子芯，而不占用导体与定子芯之间的全部空间。封装槽绝缘部包括封装材料，该封装材料被配置成在导体的外周周围以流体状态流动，以填充导体和定子芯之间的空间。封装材料固化并硬化以将间隔件和导体保持到位。封装材料的流体状态可以采用各种粘度，并且存在使封装材料流入绕组和槽中的众多已知方法。

本公开内容的示例性实施方式提供了一种电机，该电机包括定子，该定子具有包括多个槽的定子芯。多个槽中的每个槽都包括多个间隔件、导体和/或封装槽绝缘部。多个间隔件被配置成使导体悬置以介电距离远离定子芯，而不占用导体和定子芯之间的全部空间。封装槽绝缘部包括封装材料，该封装材料被配置成在导体的外周周围以流体状态流动，以填充导体和定子芯体之间的空间。封装材料固化以将多个间隔件和导体保持到位。

本公开内容的示例性实施方式提供了一种电机，该电机包括定子，该定子具有包括多个槽的定子芯。多个槽中的每个槽都包括多个间隔件、多个导体和/或封装槽绝缘部。多个间隔件被配置成使多个导体悬置以介电距离远离定子芯，而不占用多个导体与定子芯之间的全部空间。封装槽绝缘部包括封装材料，该封装材料被配置成在多个导体的外周周围以液态流动，以填充多个导体与定子芯之间的空间。封装材料固化以将多个间隔件和多个导体保持到位。

附图说明

下面参照附图中示出的示例性实施方式更详细地描述本公开内容的另外的改进、优点和特征，其中：

图1A、1B和1C示出根据现有技术由片材切割成或形成的槽衬；

图2示出了根据本公开内容的示例性实施方式的封装槽绝缘部；

图3示出了根据本公开内容的示例性实施方式的具有多个导体(示出了2个，通过复制可获得更多)的封装槽绝缘部；

图4示出了根据本公开内容的示例性实施方式的具有预先施加至导体的绝缘间隔件的封装槽绝缘部；

图5示出了根据本公开内容的示例性实施方式的具有筛网或穿孔槽衬的封装槽绝缘部。

在附图中，相似的部件和/或类似功能的部件用相同的附图标记表示。为了更好地理解本公开内容的特征，附图中描绘的各种特征并非按比例绘制。

具体实施方式

图1A、1B和1C示出了根据现有技术的实施方式的由片材切割成或成形的传统槽衬。使用通常称为“槽衬”的部件来实现使导体与转子和/或定子芯材料电绝缘的标准方法。槽衬通常由薄电绝缘材料(例如，诺梅克斯或聚酯薄膜)组成。存在通常用作槽衬的许多不同的材料，包括诸如NMN(诺梅克斯-聚酯薄膜-诺梅克斯)和DMD(涤纶-聚酯薄膜-涤纶)的不同材料的复合材料。所提及的材料是为此目的而制造的无数可能的材料的示例性集合，这些材料中的大多数具有相对低的导热率。

在大多数电机设计中，组成定子和/或转子芯的软磁材料具有用于容纳用于在电机中承载电流的电导体的多个槽106c。定子和/或转子中的这些软磁材料也被称为定子芯、转子芯或磁芯。在大多数情况下，将用于使转子芯中的槽绝缘的材料制成薄片102a。然后切割薄片102a并且有时使其成形为104b以适应电机中的转子和/或定子槽的形状。该绝缘材料薄片102a随后保护并隔离电机的定子和/或转子内的电导体。这种使导体与定子和/或转子芯绝缘的方法通常来自导热能力差的材料。

图2示出了根据本公开内容的示例性实施方式的定子200中的封装槽绝缘部。该实现方式也可以应用于转子。电机包括：定子200，其包括间隔件或一组间隔件202、定子芯204、导体206、封装槽绝缘部208和/或多个槽210。定子200可以具有包括多个槽210的定子芯204。多个槽210中的每个都可以包括间隔件202、导体206和封装槽绝缘部208。

间隔件202包括多个间隔件。在一些实现方式中，间隔件202是一个或更多个珠状物、分立棒状物和/或任何其他形状的电绝缘材料。在一些实现方式中，间隔件202在导体206插入到槽210中之前被施加至导体206。在一些实现方式中，间隔件202在导体206插入到槽210中之后被施加至导体206。间隔件202被配置成使导体206悬置以介电距离远离定子芯204，而不占用导体206和定子芯204之间的全部空间。间隔件202被设置成与定子芯204距离适当的间隙。

导体206可以包括多个导体206。在一些实现方式中，导体206是铜条、多个铜条或多个独立绝缘的绞合铜线，并且/或者由任何其他导电材料制成。

封装槽绝缘部208可以包括封装材料，该封装材料被配置成在导体206的外周周围以液态流动，以填充导体206和定子芯204之间的空间。在制造过程中，封装材料是使用各种方法将其推入、拉入和/或吸入绕组中的流体。封装材料随后在绕组周围硬化和/或固化。封装材料固化以将间隔件202和导体206保持到位。在一些实现方式中，封装材料是下面的至少一种：凡立水、聚酯树脂、有机树脂、无机树脂、环氧树脂、硅基材料、铝氧化物、增加导热性的无数种其他填料材料和/或包含在树脂材料中的填料材料。

封装材料通常填充有导热材料，使其具有良好的导热特性。封装材料用于填充绕组导体206之间的空隙以增加电机绕组中的绝缘性和强度。在一些实现方式中，封装材料具有通常包括如图1a、图1b和图1c中的槽绝缘部的片材的导热率的10倍至30倍的导热率。封装材料用于填充先前由槽衬材料片占用的空间，从而省去了对传统槽衬材料的需要。在一些实现方式中，封装材料的导热性比传统槽衬的导热性高10倍至30倍。这使得热量能够更好地从槽中流出，致使对于新设计的功率和转矩密度的极大提高，和/或致使对于现有设计的连续的功率或转矩增加。通过使用导热率更高的封装材料，封装槽绝缘部具有相比于通常的片式槽衬高得多的导热率。因此，该布置将使得热量能够更有效地从导体中散发，并提供性能更高且冷却更好地运行的电机。

在示例性实施方式中，当导体206包括固体铜条绕组时，可以实现许多不同的实施方式。挑战在于将铜条与磁芯间始终准确地隔开预定的距离，同时允许封装材料在制造过程期间在铜条周围流动。封装材料随后在铜条周围的位置硬化，形成封装槽绝缘部208。许多不同的实现方式和部件布置可以被实现为在封装过程期间将铜条悬置在磁芯内的方式。通常使用压力和/或真空迫使导热封装材料进入到绕组和磁芯中，因此使导体悬置的装置应足够坚固以抵抗注入封装材料的力。

使固体铜条导体悬置的一种方法是利用电绝缘材料的分立棒状物，其成形为使得导体206与磁芯材料间隔开。除了成形的绝缘棒状物材料之外，铜条导体和/或磁芯材料可以具有正确地保持在磁芯的槽内的铜条位置的分立特征件。期望的是，用于使导体悬置的电绝缘部件是分立的，使得其较少地占用槽的外周。这将允许较高导热性的封装材料更多地占用槽的外周，从而允许更好的热性能。

在另一示例性实施方式中，在将导体插入到槽中之前，通过在分立的位置处将电绝缘材料施加和/或粘附至铜条上来使固体铜条导体悬置。在这种情况下，还希望的是，粘附的电绝缘材料尽可能少地占用外周，使得导热性较高的材料可以占用更多的外周，并且允许更高的热性能。在示例性实施方式中，铜条是由任何导电材料制成的导体。

对于上述任一示例性实施方式，使用粘附的和/或基于特征的悬置部件，可以实现多个不同的实施方式几何形状，并且这些几何形状中的每个的主旨全部被涵盖在本文中。

除了上面公开的用于使导体(例如，固体铜条)悬置的方法之外，还可以实现另一种方法，其中将导体(例如，固体铜条)保持固定在磁芯外部，使得其在封装过程期间不完全阻碍封装材料的流动。该方法要求定子芯的导体(例如，固体铜条)和槽特征件二者在芯内的导体位置的整个长度上保持非常的直，以保持导体与芯之间的间距一致。由于能够使导体的整个外周被封装材料包围，因此该方法具有产生高性能电机的潜力。

图3示出根据本公开内容的示例性实施方式的在定子300中具有多个导体306a、306b的封装槽绝缘部。该实现方式也可以应用于转子。

电机包括定子300，定子300具有包括多个槽310的定子芯304。多个槽310中的每个包括多个间隔件302、多个导体306a、306b以及封装槽绝缘部308。

在一些实现方式中，针对应用中的预期操作电压，间隔件302被设置在距定子300适当的间隙处。在一些实现方式中，间隔件302被设置在多个导体306a、306b的条之间的间隙处。

导体306a、306b是以下的一个或更多个：铜条、独立绝缘的绞合铜线和/或由任何导电材料制成。任何数量的导体都是可行的。

在一些实现方式中，多个间隔件302被配置成将多个导体306a、306b悬置以介电距离远离定子芯304，而不占用多个导体306a、306b与定子芯304之间的全部空间。许多不同的间隔件形状都是可行的，只要其允许封装材料流入槽中即可。

封装槽绝缘部308可以包括如下封装材料：其被配置成在多个导体306a、306b的外周周围以流体状态流动，以填充多个导体306a、306b与定子芯304之间的空间。在一些实现方式中，封装材料可以固化和/或硬化以将多个间隔件和多个导体保持到位。

图4示出了根据本公开内容的示例性实施方式的将绝缘部预先施加于定子400中的导体406的封装槽绝缘部。该实现方式也可以应用于转子。

电机包括定子400，定子400具有包括多个槽410的定子芯404。多个槽410中的每个包括多个间隔件402、导体406和封装槽绝缘部408。多个间隔件402被配置成将导体406悬置以介电距离远离定子芯404，而不占用导体406和定子芯404之间的全部空间。封装槽绝缘部408包括如下的封装材料：其被配置成在导体406的外周周围以液态流动，以填充导体406和定子芯404之间的空间。封装材料可固化以将多个间隔件402和导体406保持到位。在一些实现方式中，导体406是铜条。在一些实现方式中，导体406包括多个铜条。在一些实现方式中，导体406是独立绝缘的绞合铜线。

在一些实现方式中，多个间隔件402可以是一个或更多个珠状物和/或棒状物。多个间隔件402在导体402被插入到槽410中之前被施加至导体402。在一些实现方式中，多个间隔件402在导体406被插入到槽410中之后被施加至导体406。间隔件402可以包括多个间隔件。间隔件402针对操作电压被设置成距定子400适当的间隙。间隔件402可以是粘附至导体406(例如，铜)的珠状物和/或棒状物。可以实现许多不同的间隔件位置和具有电绝缘特性的材料。用作封装槽绝缘部408的封装材料是以下的至少一种：凡立水、聚酯树脂、有机树脂、无机树脂、环氧树脂和硅基材料。在一些实现方式中，材料以流体形式施加然后硬化。

图5示出了根据本公开内容的示例性实施方式的在定子500中的具有电绝缘筛网508a或穿孔槽衬(例如，可以具有任何穿孔形状或穿孔密度的冲压槽衬508b和/或也可以具有任何穿孔形状或穿孔密度的穿孔槽衬508c)的上述封装槽绝缘部。该实现方式也可以应用于转子。

在一些实现方式中，筛网508a或穿孔槽衬508b、508c可以包括介电间距。施加至导体506(例如，绞合线和/或铜条绕组)的封装材料可以是用于填充导体506和定子芯504之间的空间的流体材料。孔必须足够小以不允许绞合线侵入，但最大化的孔密度优选地允许封装材料与导体和芯材料最大化地接触。

也可以使用槽内的绞合线来实现该封装槽绝缘部工艺。绞合线可以由圆形线、正方形、矩形或任何其他形状组成，其中多个独立绝缘的线占据磁芯内的槽。对绞合线进行封装的方法需要在插入槽510之前将筛网508a安装于槽510的外周或线周围。筛网508a必须具有所需的厚度和密度以将绞合线与定子芯504材料隔开所需的距离。在封装过程期间，液化的封装材料将流过筛网508a并在封装材料固化之后在绞线周围产生封装槽绝缘部506。筛网508a必须具有足够高的密度以阻止绞合线侵入线和定子芯504之间的所需的介电间距。然而，为了更好的性能，筛网508a应该为实现适当介电距离所需的最低材料密度，使得更多的封装材料占据绞线与磁芯之间的空间。在封装过程期间，筛网508a还必须允许封装材料流入绕组和芯之间的区域。

筛网508a材料可以由具有在注入封装材料的同时保持适当位置的能力和强度的任何电绝缘材料制成。筛网508a材料还必须具有在使用任何已知方法在将绞合线插入槽中的同时保持位置所必需的刚度和机械强度。

上述方法涉及在封装过程期间使封装材料在导体506(例如，铜条)周围流动，在封装材料固化之后形成高导热率封装槽绝缘部。

本公开内容的示例性定子架构还可应用于电机中的转子。尽管本公开内容已经在附图和前面的描述中详细示出和说明，但是这样的图示和说明被认为是说明性的或示例性的而非限制性的。本公开内容不限于所公开的实施方式。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域的技术人员在实践要求保护的本发明时可以理解并实现所公开的实施方式的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载特定措施这一事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围进行限制。

因此，本领域的技术人员将理解的是，可以在不背离其主旨或基本特征的情况下以其他具体形式来实施本发明。因此，目前公开的实施方式在各个方面都被认为是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而不是前面的描述来指示，并且在其含义、范围以及等同内容范围内的全部变化旨在被包括在其中。