本申请请求享有2017年1月13日提交的名称为“printedrotorforelectricalmachine”的美国临时专利申请第62/445867号的优先权的利益，该申请以所有目的通过引用包括到本文中。
本主题大体上涉及增材制造构件，且更具体而言涉及电气机器以及用于制造电气机器的方法。
背景技术：
电气机器(诸如发电机、马达、马达/发电机、起动器/发电机或其他电气机器)可用于多种目的。电气机器可包括定子和转子。转子可相对于定子旋转以生成电能，且/或可由于定子的绕组中引起的变化磁场而相对于定子旋转。
例如，制造电气机器的典型方法可包括，通过堆叠氧化迭层片形成芯、缠绕由绝缘的线制成的线圈、将槽衬套和线圈插入芯的槽中、在槽的顶部滑动槽楔、形成端匝，以及对定子和/或转子上漆来制成定子或其他构件。
技术实现要素：
本公开的实施例的方面和优点将在以下描述中部分地阐释，或可从描述中学习到，或可通过实践实施例而学习到。
在示例性实施例中，一种用于制造电气机器的转子组件的方法包括打印转子轴的第一部分。该方法还包括将转子芯打印到转子轴的第一部分上。此外，该方法包括：将转子轴的第二部分打印到转子芯上；打印转子绕组的第一部分。该方法还包括将转子绕组的第一部分联接至转子芯。在将转子绕组的第一部分联接至转子芯之后，该方法包括将转子绕组的第二部分打印到转子绕组的第一部分上以形成转子组件。
在一些实施方式中，打印转子轴的第一部分包括使用第一材料打印转子轴的第一部分，且其中打印转子芯包括使用与第一材料不同的第二材料来打印转子芯。
在一些实施方式中，打印转子芯包括：打印第一迭层片；在打印第一迭层片之后，打印至少一个间隔件；以及在打印该至少一个间隔件之后，打印第二迭层片。具体而言，该至少一个间隔件定位在第一迭层片和第二迭层片之间。
在一些实施方式中，该至少一个间隔件由第一材料形成，第一材料相对于用来形成第一迭层片和第二迭层片两者的第二材料具有高电阻率。
在一些实施方式中，打印转子芯包括打印第一突出部，其中打印转子绕组的第一部分包括打印第二突出部，且其中当转子绕组的第一部分联接至转子芯时，第一突出部接触第二突出部。
在一些实施方式中，该方法包括将漆或环氧树脂施加至转子组件；在施加漆或环氧树脂之后，从转子芯移除第一突出部；在施加漆或环氧树脂之后，从转子绕组的第一部分移除第二突出部。
在一些实施方式中，将漆或环氧树脂施加至转子组件包括将环氧树脂灌注至转子组件。
在一些实施方式中，将漆或环氧树脂施加至转子组件包括将漆或环氧树脂电泳沉积到转子组件上。
在另一示例性实施例中，一种用于制造电气机器的方法包括通过三维(3d)打印过程来打印定子组件。该方法还包括通过3d打印过程来打印转子轴的第一部分。此外，该方法包括通过3d打印过程来将转子芯打印到转子轴的第一部分上。该方法还包括通过3d打印过程来将转子轴的第二部分打印到转子芯上。此外，该方法包括通过3d打印过程来打印转子绕组的第一部分。该方法还包括将转子绕组的第一部分联接至转子芯。在将转子绕组的第一部分联接至转子芯之后，该方法包括通过3d打印过程来将转子绕组的第二部分打印到转子绕组的第一部分上以形成转子组件。具体而言，3d打印过程包括使用激光能量或热量来熔融金属。
技术方案1.一种用于制造用于电气机器的转子组件的方法，所述方法包括：
打印转子轴的第一部分；
将转子芯打印到所述转子轴的第一部分上；
将所述转子轴的第二部分打印到所述转子芯上；
打印转子绕组的第一部分；
将所述转子绕组的第一部分联接至所述转子芯；以及
在将所述转子绕组的第一部分联接至所述转子芯之后，将所述转子绕组的第二部分打印到所述转子绕组的第一部分上以形成所述转子组件。
技术方案2.根据技术方案1所述的方法，其中，打印所述转子轴的第一部分包括使用第一材料打印所述转子轴的第一部分，且其中打印所述转子芯包括使用与所述第一材料不同的第二材料打印所述转子芯。
技术方案3.根据技术方案1所述的方法，其中，打印所述转子芯包括：
打印第一迭层片；
在打印所述第一迭层片之后，打印至少一个间隔件；以及
在打印所述至少一个间隔件之后，打印第二迭层片，
其中所述至少一个间隔件定位在所述第一迭层片和所述第二迭层片之间。
技术方案4.根据技术方案3所述的方法，其中，所述至少一个间隔件由第一材料形成，所述第一材料相对于用来形成所述第一迭层片和所述第二迭层片两者的第二材料具有高电阻率。
技术方案5.根据技术方案1所述的方法，其中，打印所述转子芯包括打印第一突出部，其中打印所述转子绕组的第一部分包括打印第二突出部，且其中当所述转子绕组的第一部分联接至所述转子芯时，所述第一突出部接触所述第二突出部。
技术方案6.根据技术方案5所述的方法，其中，所述方法还包括：
将漆或环氧树脂施加至所述转子组件；
在施加所述漆或环氧树脂之后，从所述转子芯移除所述第一突出部；以及
在施加所述漆或环氧树脂之后，从所述转子绕组的第一部分移除所述第二突出部。
技术方案7.根据技术方案6所述的方法，其中，将所述漆或环氧树脂施加至所述转子组件包括将所述环氧树脂灌注至所述转子组件。
技术方案8.根据技术方案6所述的方法，其中，将所述漆或环氧树脂施加至所述转子组件包括将所述漆或环氧树脂电泳沉积到所述转子组件上。
技术方案9.一种用于制造电气机器的方法，所述方法包括：
通过三维(3d)打印过程来打印定子组件；
通过所述3d打印过程来打印转子轴的第一部分；
通过所述3d打印过程来将转子芯打印到所述转子轴的第一部分上；
通过所述3d打印过程来将所述转子轴的第二部分打印到所述转子芯上；
通过所述3d打印过程来打印转子绕组的第一部分；
将所述转子绕组的第一部分联接至所述转子芯；以及
在将所述转子绕组的第一部分联接至所述转子芯之后，通过所述3d打印过程来将所述转子绕组的第二部分打印到所述转子绕组的第一部分上以形成转子组件，
其中所述3d打印过程包括使用激光能量或热量来熔融金属。
技术方案10.根据技术方案9所述的方法，其中，所述方法还包括通过所述3d打印过程来打印限定腔的壳体。
技术方案11.根据技术方案9所述的方法，其中，打印所述转子轴的第一部分包括，通过所述3d打印过程，使用第一材料打印所述第一部分，且其中打印所述转子芯包括，通过所述3d打印过程，使用与所述第一材料不同的第二材料打印所述转子芯。
技术方案12.根据技术方案9所述的方法，其中，打印所述转子芯包括：
打印第一迭层片；
在打印所述第一迭层片之后，打印至少一个间隔件；以及
在打印所述至少一个间隔件之后，打印第二迭层片，
其中所述至少一个间隔件定位在所述第一迭层片和所述第二迭层片之间。
技术方案13.根据技术方案12所述的方法，其中，所述至少一个间隔件由第一材料形成，所述第一材料相对于用来形成所述第一迭层片和所述第二迭层片两者的第二材料具有高电阻率。
技术方案14.根据技术方案9所述的方法，其中，打印所述转子芯包括，通过所述3d打印过程打印第一突出部，其中打印所述转子绕组的第一部分包括，通过所述3d打印过程打印第二突出部，且其中当所述转子绕组的第一部分联接至所述转子芯时，所述第一突出部接触所述第二突出部。
技术方案15.根据技术方案14所述的方法，其中，所述方法还包括：
将漆或环氧树脂施加至所述转子组件；
在施加所述漆或环氧树脂之后，从所述转子芯移除所述第一突出部；以及
在施加所述漆或环氧树脂之后，从所述转子绕组的第一部分移除所述第二突出部。
技术方案16.根据技术方案15所述的方法，其中，将所述漆或环氧树脂施加至所述转子组件包括将所述环氧树脂灌注至所述转子组件。
技术方案17.根据技术方案15所述的方法，其中，将所述漆或环氧树脂施加至所述转子组件包括将所述漆或环氧树脂电泳沉积到所述转子组件上。
技术方案18.一种用于制造用于电气机器的转子组件的方法，所述方法包括：
打印转子芯；
将转子轴的第一部分打印到所述转子芯的第一端部上；
将所述转子轴的第二部分打印到所述转子芯的第二端部上；
打印转子绕组的第一部分；
将所述转子绕组的第一部分联接至所述转子芯；以及
在将所述转子绕组的第一部分联接至所述转子芯之后，将所述转子绕组的第二部分打印到所述转子绕组的第一部分上以形成所述转子组件。
技术方案19.根据技术方案18所述的方法，其中，打印所述转子芯包括：
打印至少一个阻尼条；以及
打印阻尼环。
技术方案20.根据技术方案19所述的方法，其中，所述方法还包括：
将所述至少一个阻尼条插入由所述转子芯限定的槽中；以及
在将所述至少一个阻尼条插入所述槽中之后，将所述阻尼环联接至所述转子芯。
参照以下描述和所附权利要求，各种实施例的这些和其他特征、方面以及优点将变得更好理解。包括在本说明书中且形成本说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，且与描述一起用于阐明相关的原理。
附图说明
在说明书中阐释了针对本领域的普通技术人员的实施例的详细论述，其对附图进行了参照，其中：
图1绘出了根据本公开的示例性实施例的用于制造电气机器的示例性方法的流程图；
图2绘出了根据本公开的示例性实施例的制造定子组件的示例性方法的流程图；
图3绘出了根据本公开的示例性实施例的用于打印定子芯的示例性迭层片和间隔件；
图4绘出了根据本公开的示例性实施例打印的示例性定子芯；
图5绘出了根据本公开的示例性实施例打印的定子绕组的示例性第一部分；
图6绘出了根据本公开的示例性实施例的组装有定子芯的定子绕组的示例性第一部分；
图7绘出了根据本公开的示例性实施例，定子芯的示例性第一突出部接触定子绕组的第一部分的示例性第二突出部；
图8绘出了根据本公开的示例性实施例的打印到定子绕组的第一部分上的定子绕组的示例性第二部分；
图9绘出了根据本公开的示例性实施例的制造转子组件的示例性流程图；
图10绘出了根据本公开的示例性实施例的转子芯的一部分；
图11绘出了根据本公开的示例性实施例的用于打印转子芯的示例性迭层片和间隔件；
图12绘出了根据本公开的示例性实施例打印的转子芯；
图13绘出了根据本公开的示例性实施例打印的转子绕组的第一部分；
图14绘出了根据本公开的示例性实施例的组装有转子芯的转子绕组的示例性第一部分；
图15绘出了根据本公开的示例性实施例，转子芯的示例性第一突出部接触转子绕组的第一部分的示例性第二突出部；
图16绘出了根据本公开的示例性实施例的打印到转子绕组的第一部分上的转子绕组的示例性第二部分；
图17绘出了根据本公开的示例性实施例打印的转子组件；
图18绘出了根据本公开的示例性实施例打印的转子芯的截面视图；
图19绘出了根据本公开的示例性实施例打印的转子芯；
图20绘出了根据本公开的示例性实施例的联接至转子芯的多个阻尼条；
图21绘出了根据本公开的示例性实施例联接至图18的转子芯的阻尼条；
图22绘出了根据本公开的示例性实施例的打印到转子芯上的转子轴的第一部分；
图23绘出了根据本公开的示例性实施例的打印到转子芯上的转子轴的第二部分；
图24绘出了根据本公开的示例性实施例的用于制造转子组件的示例性方法的流程图；
图25绘出了根据本公开的示例性实施例打印的具有集成冷却护套的示例性壳体；
图26绘出了根据本公开的示例性实施例的用于组装电气机器的示例性方法的流程图；
图27绘出了根据本公开的示例性实施例的用于组装电气机器的示例性方法的流程图；
图28绘出了根据本公开的示例性实施例的示例性定子壳体的截面透视图；
图29绘出了根据本公开的示例性实施例的示例性定子壳体的透视图；
图30绘出了根据本公开的示例性实施例的示例性定子壳体的截面透视图；
图31绘出了根据本公开的示例性实施例的示例性定子壳体的截面透视图；且
图32绘出了根据本公开的示例性实施例的示例性定子壳体的透视图。
构件清单
100方法
102步骤
104步骤
106步骤
108步骤
200方法
202步骤
204步骤
206步骤
208步骤
210步骤
212步骤
214步骤
216步骤
220定子芯
222迭层片
224间隔件
226槽楔
228槽斜
229第一突出部
230定子绕组
232定子绕组的第一部分
234定子绕组的第二部分
236第二突出部
237底部端匝
239顶部端匝
250定子组件
300方法
302步骤
304步骤
306步骤
308步骤
310步骤
312步骤
314步骤
316步骤
318步骤
319步骤
320转子轴
322转子轴的第一部分
324转子轴的第二部分
330转子芯
332迭层片
334间隔件
335冷却管
339第一突出部
340转子绕组
342转子绕组的第一部分
344转子绕组的第二部分
346第二突出部
347底部端匝
349顶部端匝
350转子组件
351湿腔油喷射喷嘴
352端盖
354固持环
356冷却构件
360转子芯
362多个槽
364转子芯的第一端部
366转子芯的第二端部
370阻尼条
372阻尼环
380转子轴
382转子轴的第一部分
384转子轴的第二部分
400方法
402步骤
404步骤
406步骤
408步骤
410步骤
412步骤
414步骤
500壳体
502集成冷却护套
504结构
510腔
600方法
602步骤
604步骤
606步骤
608步骤
610步骤
612步骤
614步骤
616步骤
650方法
652步骤
654步骤
656步骤
658步骤
660步骤
662步骤
700电气机器
710壳体
732空气冷却翅片
734安装耳部
736端盖
800电气机器
810壳体
830冷却护套
832空气冷却翅片
834安装耳部
836端盖。
具体实施方式
现在将详细参照实施例，其一个或多个示例在附图中示出。各个示例借助于论述实施例来提供，而非实施例的限制。事实上，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，可在本公开中进行各种修改和改型，而不脱离本发明的范围和精神。例如，作为一个实施例的一部分而示出或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，意在使本公开覆盖落入所附权利要求及其等同方案的范围内的这些修改和改型。
如在说明书和所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数参照，除非上下文另外清楚地指出。结合数值使用用语“大约”指在所述量的25%内。
本公开的示例性方面涉及电气机器(例如，旋转电气机器)的增材制造的或“打印的”构件，且/或涉及其制造方法。如本文使用的用语“打印的”或“打印”例如指其中相继材料层设在彼此上来逐层“建构”三维构件的制造过程。用于打印电气机器的金属构件的示例性制造过程将在下文详细论述。
例如，电气机器可通过根据本公开的示例性方面打印定子组件、根据本公开的示例性方面打印转子组件以及根据本公开的示例性实施例打印壳体(包括冷却护套和/或端盖)来制造。构件然后可组装在一起来形成电气机器。可根据本公开的示例性实施例组装的示例性电气机器可包括发电机、马达、马达/发电机、起动器/发电机等。在一些实施例中，电气机器可为空气冷却的。在一些实施例中，电气机器可为液体冷却的。在一些实施例中，电气机器可为湿腔机器、干腔机器和/或湿/干组合。
在示例性实施例中，一种用于制造电气机器的定子组件的方法可包括：打印电气机器的定子芯；打印待联接至定子芯的定子绕组的第一部分，将定子绕组的第一部分联接至定子芯，以及将定子绕组的第二部分打印到定子绕组的第一部分上以形成定子组件。漆或环氧树脂可施加至定子组件。具体而言，漆或环氧树脂可灌注(例如，在环氧树脂的情况下)或电泳沉积。以此方式，可建立迭层至迭层对地绝缘、匝-匝绝缘以及相-相绝缘。如将在下文更加详细论述的那样，在漆或环氧树脂施加至定子组件之后，可移除打印为定子芯的一部分的第一突出部以及打印为定子绕组的第一部分的一部分的第二突出部。
在一些实施例中，通过打印迭层片(其中打印的间隔件在迭层片之间)，可打印定子芯。间隔件可足够小，以使定子芯中的涡电流损耗可忽略。在一些实施例中，相对于用于迭层片的金属电阻率较高的金属可用于间隔件，以进一步降低由迭层片之间的空间引起的涡电流损耗。期望的槽斜可与迭层片一起打印。槽楔可与迭层片一起打印。额外的临时形状(例如，第一突出部)可与间隔件一起增加至迭层片，且与间隔件一起的这些额外件可在上漆、灌注、沉积等之后移除。
在一些实施例中，定子绕组可打印成两部分。更特别地，可打印包括底部端匝和多个线圈的第一部分，以用于插入到由定子芯限定的槽中。在一些实施例中，第一突出部可打印为绕组的第一部分的一部分。然后，当将定子绕组的第一部分联接至定子芯时，第一突出部可接触第二突出部。以此方式，第一突出部和第二突出部可确保相之间的空间、匝之间的空间、线圈和槽之间的空间、端匝和芯面之间的空间等。一旦定子绕组的第一部分联接至定子芯，绕组的第二部分(例如，顶部端匝)可打印到定子绕组的第一部分上以形成定子组件。在示例性实施例中，用于绕组和其他构件的线可打印成实心线、多应变线、绞合线或中空线。
在打印定子绕组的第二部分之后，漆或环氧树脂可施加至定子组件。在示例性实施例中，施加漆或环氧树脂可包括将环氧树脂灌注到定子组件上。备选地，施加漆或环氧树脂可包括将环氧树脂电泳沉积到定子组件上。在施加漆或环氧树脂之后，定子组件中的空间可利用绝缘物填充。此外，可从定子芯移除第一突出部，且可从定子绕组的第一部分移除第二突出部。
在示例性实施例中，转子轴和转子芯可打印为集成件。可选地，冷却管可包括为转子芯的一部分。额外的冷却管可增强转子的热耗散能力。在一些实施例中，冷却管可打印为芯的一部分，而非制造为与芯分开的件以及焊接在轴上。
例如，在一些实施例中，转子轴的第一部分可逐层打印，直到转子轴的第一部分达到期望高度。转子轴的第一部分可使用相对于用于打印转子芯的材料成本相对较低的材料来打印。在打印转子轴的第一部分之后，转子芯可打印为由间隔件分开的多个迭层。在示例性实施例中，经过轴子芯的轴区域可打印为实心层。一旦已经打印转子芯，转子轴的第二部分可逐层打印，直到其达到期望高度。转子轴的第二部分可使用与转子轴的第一部分相同的材料打印。在一些实施例中，至少一个阻尼条可插入由转子芯限定的多个槽中的一个中。备选或额外地，至少一个阻尼条可打印且联接至转子芯的至少一个端部。
在一些实施例中，转子的绕组可打印成两部分。更特别地，可打印包括底部端匝和线圈的转子绕组的第一部分，以用于插入到转子芯中。在一些实施例中，打印为转子芯的一部分的第一突出部可接触打印为转子绕组的第一部分的一部分的第二突出部。更特别地，当转子绕组的第一部分联接至转子芯时，第一突出部可接触第二突出部，以确保匝-匝之间的空间、线圈和槽之间的空间、端匝和芯面之间的空间等。一旦转子绕组的第一部分联接至转子芯，绕组的第二部分(例如，顶部端匝)可打印到绕组的第一部分上以形成转子组件。
在打印转子绕组的第二部分之后，可将漆或环氧树脂施加至转子组件。在示例性实施例中，施加漆或环氧树脂可包括将环氧树脂灌注到转子组件上。备选地，施加漆或环氧树脂可包括将环氧树脂电泳沉积到转子组件上。在施加漆或环氧树脂之后，转子组件中的空间可利用绝缘物填充。此外，可从转子芯移除第一突出部，且可从转子绕组的第一部分移除第二突出部。仍进一步，转子组件的所有相关联的附件(例如，端盖、固持环等)可联接至转子芯和转子轴中的至少一者。
在示例性实施例中，用于电气机器的壳体可逐层打印。在一些实施例中，壳体可垂直于经过两个支承中心的中心线逐层打印。在一些实施例中，壳体可包括与壳体集成的冷却护套。在一些实施例中，壳体可与定子芯集成。此外，冷却护套可与跟定子芯集成的壳体集成。一旦定子、转子和壳体已经根据本公开的示例性实施例制造，可组装构件以形成电气机器。
例如，本公开的一个示例性实施例针对一种用于制造电气机器的方法，电气机器具有主要的、励磁器和永磁体发电机(pmg)，它们集成为单个电气机器的部分。本示例提供成用于说明和论述的目的。使用本文提供的公开，本领域的普通技术人员将理解，本文论述的示例性过程可用于制造其他电气机器，而不脱离本公开的范围。
电气机器的各种构件可根据本公开的示例性实施例打印。例如，主定子、励磁器定子和pmg定子都可根据本公开的示例性方面打印。定子和励磁器电枢然后可上漆、灌注或沉积。
可打印包括转子芯(带有绕组)和转子轴的主转子。主转子可然后上漆、灌注或沉积。此外，可增加其他构件(例如，端盖、固持环等)。可根据本公开的示例性实施例打印励磁器转子。可根据本公开的示例性方面打印pmg转子，其带有用于永磁体的槽。励磁器转子可上漆。然后可组装与转子相关联的各种构件，诸如旋转整流器、轴承、密封件等。可增加到转子的构件的电气连接。
可打印用于电气机器的壳体。在一些实施例中，空气冷却翅片和/或液体冷却护套可打印为壳体的一部分。还可打印用于电气机器的端盖。
可通过将前端盖组装至壳体来组装电气机器。三个定子(主要的、励磁器、pmg)可组装到壳体中。变流器(ct)可组装到壳体中。转子(带有旋转整流器)可组装到定子中。后端盖可增加至壳体，且可增加适当的电气连接。
根据本公开的示例性方面，可使用增材制造过程(诸如3-d打印过程)来形成或“打印”各种构件。使用此过程可允许构件集成地形成为单个整体式构件，或形成为任何适合数量的子构件。具体而言，制造过程可允许这些构件集成地形成，且包括使用先前制造方法时不可能存在的多种特征。
如本文使用的用语“增材制造的”或“增材制造技术或过程”大体上指其中相继材料层设在彼此上来逐层“建构”三维构件的制造过程。在一些实施例中，相继层大体上熔融在一起以形成整体式构件，其可具有多个集成的子构件。尽管增材制造技术在本文中描述为设置成通常沿竖直方向通过逐点、逐层建构物体来制造复杂物体，但其他制造方法也是可能的并且在本公开的范围内。例如，尽管本文的论述指增加材料以形成相继层，但本领域技术人员将了解，本文公开的方法和结果可利用任何增材制造技术或制造技术实践。例如，本发明的实施例可使用层增材过程、层减材过程或混合过程。
根据本公开的适合的增材制造技术例如包括熔融沉积成型(fdm)、选择性激光烧结(sls)、诸如通过喷墨打印机或激光打印机的3d打印、立体光刻(sla)、直接选择性激光烧结(dsls)、电子束烧结(ebs)、电子束熔化(ebm)、激光工程净成形(lens)、激光净成形制造(lnsm)、直接金属沉积(dmd)、数字光处理(dlp)、直接金属激光烧结(dmls)以及其他已知过程。
本文中描述的增材制造过程可用于使用任何适合的材料形成构件。更特别地，根据示例性实施例，本文描述的构件可部分地、整体地或以包括但不限于以下的材料的组合形成：纯金属、钴合金、铁钴钒合金、镍合金、铬合金、钛、钛合金、镁、镁合金、铝、铝合金、诸如镍铬基超级合金的奥氏体合金(例如，可从specialmetalscorporation获得的名为inconel®的那些)以及金属陶瓷复合物(例如，铝sic基质)。
本领域技术人员将了解，用于结合那些材料的多种材料和方法可使用且构思为处于本公开的范围内。如本文使用的那样，对“熔融”的参照可指用于产生任何上述材料的结合层的任何适合的过程。例如，如果材料是粉末金属，则结合可通过熔融过程形成。本领域技术人员将了解，通过增材制造熔融材料来形成构件的其他方法是可能的，且目前公开的主题可利用那些方法实践。
此外，本文中公开的增材制造过程允许单个构件由多种材料形成。因此，本文描述的构件可由上述材料的任何适合的混合物形成。例如，构件可包括使用不同材料、过程和/或在不同增材制造机器上形成的多个层、节段或部分。以此方式，可构造具有不同材料和构件特性的构件，以用于满足任何特定应用的需要。
现在将描述示例性增材制造或打印过程。增材制造过程使用三维(3d)信息(例如构件的三维计算机模型)制作构件。因此，构件的三维设计模型可在制造之前限定。在此方面，可扫描构件的模型或原型来确定构件的三维信息。作为另一个示例，构件的模型可使用适合的计算机辅助设计(cad)程序来构造，以限定构件的三维设计模型。
设计模型可包括构件的整个构造(包括构件的外表面和内表面两者)的3d数字坐标。例如，设计模型可限定本体、构件基底、表面、任何表面特征(诸如不规则或数据特征)以及内通道、开口、支撑结构等。在一个示例性实施例中，三维设计模型被转换成多个切片或节段，例如沿构件的中心(例如，竖直)轴线或任何其他适合的轴线。各个切片可对于切片的预定高度限定构件的二维(2d)截面。多个相继的2d截面切片一起形成3d构件。构件然后逐个切片或逐层“建构”，直到完成。
以此方式，本文描述的构件可使用增材过程制作，或更特别地，各层相继地形成，例如通过使用激光能量或热量来熔融烧结金属粉末。例如，特定类型的增材制造过程可使用能量束(例如，电子束，或诸如激光束的电磁辐射)来烧结或熔化粉末材料。可使用任何适合的激光和激光参数，包括关于粉末、激光束点大小和扫描速度的考虑。建构材料可由选择成用于增强的强度、耐久性以及使用寿命(特别是在高温)的任何适合的粉末或材料形成。
各个相继层可为例如在大约0.25密耳和200密耳之间，但厚度可基于任何数量的参数选择且可为根据备选实施例的任何适合的大小。因此，使用本文描述的增材形成方法，本文描述的构件可具有与增材形成过程期间使用的相关联的粉末层的厚度(例如，10密耳)一样薄的截面。
此外，通过使用增材过程，表面光洁度和构件的特征可取决于应用根据需要改变。例如，表面光洁度可通过在增材过程期间选择适当的激光参数来调整(例如，变得较光滑或较粗糙)。较粗糙的光洁度可通过增加激光扫描速度或粉末层的厚度来实现，且较光滑的精整可通过降低激光扫描速度或粉末层的厚度来实现。扫描图案和/或激光粉末也可改变以改变构件的选择的区域中的表面光洁度。
值得注意的是，在示例性实施例中，本文描述的构件的若干特征在之前由于制造约束而不可能。然而，本公开有利地利用增材制造技术的当前进展来大体上根据本公开开发此构件的示例性实施例。增材制造的确提供多种制造优点，包括制造容易、降低的成本、较高的精度等。
在此方面，利用增材制造技术，甚至多部分构件可形成为单件连续金属，且因此相比于先前设计可包括较少子构件和/或连结。这些多部分构件通过增材制造的集成形成可有利地改进总体组装过程。例如，集成形成减少必须组装的单独部分的数量，因此减少相关联的时间和总体组装成本。此外，可有利地减少关于例如泄漏、单独部分之间的连结质量和总体性能的现有问题。
此外，上文描述的增材制造方法允许本文描述的构件的更加复杂和错综的形状和轮廓。例如，此构件可包括薄截面层和新颖表面特征。所有这些特征可相对复杂和错综以用于避免探测和/或阻碍由第三方伪造。此外，增材制造过程允许制造具有不同材料的单个构件，使得构件的不同部分可展示不同的性能特点。增材过程的相继、增材本质允许构造这些特征。
图1绘出了根据本公开的示例性实施例的制造电气机器的示例性方法100的流程图。出于说明和论述的目的，图1绘出了以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开，本领域的普通技术人员将理解，本文公开的任何方法的步骤可适应、扩展、包括子步骤、修改、省略、同时执行且/或以各种方式再布置，而不脱离本公开的范围。
在(102)处，方法100可包括打印用于电气机器的定子组件。用于打印定子构件的示例性技术将参照图2-8论述。
在(104)处，方法400可包括打印用于电气机器的转子组件。用于打印转子构件的示例性技术将参照图9-16论述。
在(106)处，方法100可包括打印用于电气机器的壳体。用于打印壳体构件的示例性技术将参照图25论述。
在(108)处，方法100可包括组装各种构件以形成电气机器。用于组装各种构件以形成示例性电气机器的示例性方法将参照图26和27论述。
图2绘出了根据本公开的示例性实施例的用于打印电气机器的定子组件的示例性方法200的流程图。如上文论述的那样，出于说明和论述的目的，图2绘出了以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开，本领域的普通技术人员将理解，本文公开的任何方法的步骤可适应、扩展、包括子步骤、修改、省略、同时执行且/或以各种方式再布置，而不脱离本公开的范围。
在(202)处，方法200可包括将定子芯的第一迭层片打印为层。期望的槽斜和/或槽楔可设计和打印为定子芯的迭层片的一部分。
图3绘出了根据本公开的示例性方面打印的定子芯220的示例性迭层片222的平面视图。迭层片222可具有例如在大约5密耳到大约20密耳的范围中(诸如大约10密耳)的厚度。迭层片222可例如打印为铁钴钒软磁合金(例如hiperco50合金)。如图所示，期望的槽斜228和槽楔226可对于定子芯220设计或可打印为迭层片222的一部分。
在一些实施例中，定子芯220的底部迭层片222可打印带有第一突出部229，如图4中绘出的那样。具体而言，第一突出部229可为凸片。如将在下文更加详细地论述的那样，第一突出部229可接触第二突出部236(图5)，第二突出部打印为定子绕组的一部分。以此方式，第一突出部229和第二突出部236可协助将定子绕组与定子芯220联接。
在(204)处，方法200可包括打印至少一个间隔件以用于设置迭层片。图3绘出了示例性间隔件224，其用于设置在定子芯220的迭层片222之间。间隔件224可具有足够小的厚度以使涡电流损耗可忽略。在一些实施例中，间隔件224可具有比迭层片222的厚度小的厚度。在一些实施例中，间隔件224的厚度可例如在0.25密耳到大约1密耳的范围中，诸如大约0.5密耳。在备选实施例中，间隔件的厚度可等于0密耳。以此方式，转子中的谐波频率可最小化。
间隔件224可由任何适合的材料打印。在一些实施例中，间隔件224可由相对于迭层片222不同的材料形成。例如，间隔件224可由相对于迭层片220的材料具有较高电阻率的材料形成。在一些实施例中，用于间隔件224的材料可为镍合金，诸如inconel718，或其他材料。
往回参照图2，打印迭层片(202)以及打印间隔件(204)可重复，直到定子芯完成(206)或达到期望大小(例如，高度)。图4中绘出了根据本公开的示例性实施例打印的示例性定子芯220。
在(208)处，方法200可包括打印定子绕组的第一部分。例如，用于由定子芯限定的槽的底部端匝237(图5)和线圈(未示出)可打印为定子绕组的第一部分的一部分。在一些实施例中，第二突出部可协助定子绕组的第一部分相对于定子芯的定位。第二突出部可提供相之间的空间、线圈和槽之间的空间、端匝和芯面之间的空间等。如上文提到的那样，当定子绕组的第一部分与定子芯220联接时，第一突出部和第二突出部可接触彼此。图5绘出了根据本公开的示例性实施例的定子绕组230的示例性第一部分232。
在(210)处，方法200可包括将定子绕组的第一部分联接至定子芯。图6绘出了根据本公开的示例性方面的联接至定子芯220的定子绕组230的第一部分232。更特别地，图7是图6的局部放大视图，且绘出第一突出部229接触第二突出部236。
一旦定子绕组的第一部分联接至定子芯，则方法200可包括将定子绕组的第二部分打印到定子绕组的第一部分上，如图2的(212)处所示的那样。以此方式，可形成定子组件。图8绘出了示例性定子组件250，其包括在定子绕组230的第一部分232与定子芯220组装之后打印到定子绕组230的第一部分232上的定子绕组232的第二部分234。如图所示，定子绕组230的第二部分232可包括顶部端匝239。
参照图2的(214)，方法200包括将漆或环氧树脂施加至定子组件。在示例性实施例中，施加漆或环氧树脂可包括将漆或环氧树脂灌注到定子组件上。备选地，施加漆或环氧树脂可包括将漆或环氧树脂电泳沉积到定子组件上。
在(214)处施加漆或环氧树脂之后，方法200可包括，在(216)处，从定子芯移除第一突出部，以及从定子绕组的第一部分移除第二突出部。此外，空间可利用绝缘物填充，且/或可附接电气导线。
在一些实施例中，用于定子组件和/或电气机器的其他构件的线可根据本公开的示例性方面打印。用于绕组和其他构件的线可打印成实心线或中空线。在一些实施例中，可打印绞合线或中空线。
图9绘出了根据本公开的示例性实施例的用于打印电气机器的转子组件的示例性方法300的流程图。如上文论述的那样，出于说明和论述的目的，图9绘出了以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开，本领域的普通技术人员将理解，本文公开的任何方法的步骤可适应、扩展、包括子步骤、修改、省略、同时执行且/或以各种方式再布置，而不脱离本公开的范围。
在(302)处，方法300可包括逐层打印转子轴的第一部分或底部部分，直到其达到期望高度。图10绘出了根据本公开的示例性实施例打印的转子轴320的第一部分322。转子轴的第一部分可由任何适合的材料打印。例如，在一些实施例中，转子轴的第一部分可由钢合金打印，诸如#4340钢合金，其包含例如镍、铬和钼。可使用其他适合的材料，而不脱离本公开的范围。
在(304)处，方法300可包括将转子芯的迭层片打印为层。转子芯的期望特征可打印为迭层片的一部分。例如，与用于转子芯的一个或多个冷却管相关联的特征可打印为迭层片的一部分。在一些实施例中，用于经过转子芯的转子轴的轴区段可打印为迭层片的一部分。备选地或此外，第一突出部339(图12)可打印为迭层片的一部分。如将在下文更详细地论述的那样，第一突出部可接触第二突出部，第二突出部打印为转子绕组的第一部分的一部分。更特别地，在将转子绕组的第一部分联接至转子组件的转子芯时，第一突出部可接触第二突出部。以此方式，可控制转子绕组的第一部分相对于转子芯的定位。
图11绘出了根据本公开的示例性方面打印的转子芯的示例性迭层片332。迭层片332可具有例如在大约5密耳到大约20密耳的范围中(诸如大约10密耳)的厚度。迭层片332可例如使用铁钴钒软磁合金(例如hiperco50合金)打印。如图所示，冷却管335可打印为迭层片332的一部分。冷却管335可由与迭层片332相同的材料打印。例如，冷却管335可打印为铁钴钒软磁合金(例如hiperco50合金)。在一些实施例中，转子轴320的一部分也可打印为迭层片的一部分。转子轴320的部分可由与迭层片332相同或不同的材料打印。
在(306)处，方法300可包括打印用于设置在转子芯的迭层片之间的间隔件。图11绘出了用于设置在转子芯的迭层片332之间的示例性间隔件334。在一些实施例中，间隔件334可具有比迭层片332的厚度小的厚度。在一些实施例中，间隔件334的厚度可例如在0.25密耳到大约1密耳的范围中，诸如大约0.5密耳。间隔件334可使用任何适合的材料打印。在一些实施例中，间隔件334可使用与迭层片332相同的材料打印。例如，间隔件334可打印为铁钴钒软磁合金(例如hiperco50合金)。在一些实施例中，转子芯330的轴部分可在没有间隔件的情况下打印。
往回参照图9，在(304)处打印迭层片以及在(306)处打印间隔件可在必要时重复，直到转子芯完成(308)或达到期望大小(例如，高度)。图10中绘出了根据本公开的示例性实施例打印的示例性转子芯330。
一旦转子芯完成，方法300可包括在(310)处逐层打印转子轴的第二部分或底部部分，直到其达到期望高度。图12绘出了根据本公开的示例性实施例打印的转子轴320的示例性第二部分324。转子轴的第二部分可由任何适合的材料打印。例如，在一些实施例中，转子轴320的第二部分324可由钢合金打印，诸如#4340钢合金，其包含例如镍、铬和钼。可使用其他适合的材料，而不脱离本公开的范围。
参照图9的(312)，方法300可包括打印转子绕组的第一部分。如上文提到的那样，转子绕组的第一部分可包括第二突出部346(图13)。具体而言，第二突出部346可打印为转子绕组的第一部分的一部分。图13绘出了根据本公开的示例性实施例打印的转子绕组340的第一部分342。如图所示，底部端匝347可打印为转子绕组340的第一部分342的一部分。
参照图9的(314)，方法300可包括将转子绕组的第一部分联接至转子芯。图14绘出了根据本公开的示例性方面的联接至转子芯330的转子绕组340的第一部分342。当转子绕组342的第一部分342联接至转子芯330时，第一突出部339接触第二突出部346，如图15中绘出的那样。以此方式，可控制转子绕组340的第一部分342相对于转子芯330的定位。
一旦转子绕组的第一部分联接至转子芯，方法300可包括在(316)处将转子绕组的第二部分打印到转子绕组340的第一部分上以形成转子组件。图16绘出了在转子绕组340的第一部分342联接至转子芯330之后，打印到转子绕组340的第一部分342上的转子绕组340的第二部分344。如图所示，转子绕组340的第二部分344可包括顶部端匝349。
参照图9，在(318)处，方法300包括将漆或环氧树脂施加至转子组件。例如，转子组件可使用漆或环氧树脂上漆。备选地或此外，可灌注环氧树脂。还进一步，漆或环氧树脂可电泳沉积到转子组件上。在将漆或环氧树脂施加至转子组件之后，方法300可包括，在(319)处，从转子芯移除第一突出部以及从转子绕组的第一部分移除第二突出部。此外，空间可利用绝缘物填充，且/或可附接电气导线。在一些实施例中，如图16中所示，诸如端盖352、固持环354和/或冷却构件356的附件可组装至转子芯330以完成转子组件350。
可对转子组件350进行变化和修改，而不脱离本公开的范围。例如，如图17中所示，湿腔油喷射喷嘴351可打印为转子芯330的一部分以在湿腔电气机器中使用。
图19至图24绘出了用于制造用于电气机器的转子组件的另一示例性方法400。在(402)处，方法400可包括打印转子芯360。转子芯360可由任何适合的材料打印。例如，转子芯360可使用铁钴钒软磁合金(例如hiperco50合金)打印。
在(404)处，方法400可包括打印至少一个阻尼条370。该至少一个阻尼条370可由任何适合的材料打印。此外，方法400可包括，在(406)处，将该至少一个阻尼条370联接至转子芯330。在示例性实施例中，将该至少一个阻尼条370联接至转子芯330包括，将该至少一个阻尼条370插入由转子芯360限定的多个槽362中的一个中。
在(408)处，方法400可包括打印阻尼环372。阻尼环372可由任何适合的材料打印。此外，方法400可包括，在(410)处，将阻尼环372联接至转子芯360。在示例性实施例中，阻尼环372可定位在转子芯360的第一端部364上。然而，在备选实施例中，阻尼环372可定位在转子芯360的第二端部366上。具体而言，第二端部366可沿转子芯360的长度l与第一端部364间隔开。
在(412)处，方法400可包括将转子轴380的第一部分382打印到转子芯360的第一端部364上。此外，方法400可包括在(414)处将转子轴380的第二部分384打印到转子芯360的第二端部366上以形成转子组件。
现在参照图25，本公开的示例性实施例针对打印用于电气机器的壳体，以容纳和支撑电气机器的各种构件，诸如根据本公开的示例性实施例打印的定子组件和/或根据本公开的示例性实施例打印的转子组件。
图25绘出了根据本公开的示例性实施例打印的示例性壳体500。如图所示，壳体500限定腔510。具体而言，腔510构造成容纳电气机器的各种构件，诸如一个或多个定子、一个或多个转子、ct、旋转整流器等。在示例性实施例中，壳体500可垂直于延伸穿过成对支承中心508的各个支承中心的中心线506逐层打印。
此外，由于使用增材制造，壳体500可打印成带有冷却护套502，使得壳体500和冷却护套502可与彼此集成。集成打印带有冷却护套502的壳体500可允许消除通常将为电气机器壳体的一部分的各种构件(例如，密封件)。此外，冷却护套502可限定用于流体(例如，油)经过的一个或多个通道。具体而言，该一个或多个通道可包括油回路或贮槽。壳体500可包括用于容纳各种构件的其他构件，诸如用于容纳用于电气机器的定子组件的结构504。
在示例性实施例中，冷却护套502可与壳体500的至少一部分同时打印。
一旦壳体500已经根据本公开的示例性实施例打印，方法可包括组装各种构件以形成电气机器。例如，定子组件、转子组件以及其他组件可与壳体500组装以形成电气机器。
图26和27绘出了用于制造电气机器的示例性方法的流程图，电气机器包括主定子、励磁器定子以及pmg定子，例如用于在飞行器或其他航空电子应用中使用。图26绘出了用于制造在电气机器中使用的各种构件(例如，定子组件，转子组件等)的示例性方法(600)的流程图。在(602)处，方法600可包括打印用于电气机器的主定子组件、励磁器定子组件和pmg定子组件。定子组件可例如使用参照图2论述的方法来打印。
在(604)处，方法600可包括将漆或环氧树脂施加至主定子组件、励磁器定子组件和pmg定子组件。例如，定子组件可使用漆或环氧树脂上漆。备选地或此外，定子组件可灌注(例如，利用环氧树脂)或沉积。在将漆或环氧树脂施加至定子组件之后，对于各个定子组件，可从定子芯移除上文参照图4论述的第一突出部(诸如第一突出部229)。此外，对于各个定子组件，可从定子绕组的第一部分移除上文参照图5论述的第二突出部(诸如第二突出部236)。在移除第一突出部和第二突出部之后，空间可利用绝缘物填充，且/或可附接电气导线。
在(606)处，该方法可包括打印主转子组件。主转子组件可例如使用参照图8论述的方法来打印。备选地，主转子组件可例如使用上文参照图24论述的方法来打印。
在(608)处，漆或环氧树脂可施加至主转子组件。在将漆或环氧树脂施加至转子组件之后，可从主转子组件的转子芯移除上文参照图12论述的第一突出部(诸如第一突出部339)。此外，可从主转子组件的转子绕组的第一部分移除上文参照图13论述的第二突出部(诸如第二突出部346)。在移除第一突出部和第二突出部之后，空间可利用绝缘物填充，且/或可附接电气导线。
在(610)处，该方法可包括打印励磁器和pmg转子组件。励磁器转子组件可例如使用参照图9论述的方法来打印。可根据本公开的示例性方面打印pmg转子，其带有用于永磁体的槽。
在(612)处，该方法可包括组装转子构件。例如，励磁器和pmg转子可组装在一起。可组装与转子相关联的各种构件，诸如旋转整流器、轴承、密封件等。
在(614)处，可完成励磁器和pmg转子组件。例如，漆或环氧树脂可施加至励磁器和pmg转子组件中的每一个；空间可利用绝缘物填充；且可附接电气导线。
在(616)处，方法可包括打印用于与电气机器相关联的定子组件和转子组件的壳体。在一些实施例中，壳体可具有集成冷却护套和其他构件以用于容纳定子组件和转子组件。还可打印电气机器的端盖、固持环和其他构件。
图27绘出了根据本公开的示例性实施例的将各种打印的构件组装在一起以形成电气机器的示例性方法650的流程图。在(652)处，方法650可包括将前端盖组装或联接至壳体。主定子、励磁器定子和pmg定子然后可在(654)处组装到壳体中。
在(656)处，方法650可包括组装ct。主转子组件以及励磁器转子和pmg转子组件可组装到壳体中(658)。后端盖可组装到壳体(660)上。在(662)处，可完成电气机器。例如，适当的电气连接可包括在电气机器中。以此方式，电气机器可使用3d打印技术制造，其提供优于制造电气机器的典型方法的许多优点。
可对本文公开的示例性方面进行改型和修改。例如，在一些实施例中，电气机器可打印为独立单元。电气机器可根据本公开的示例性实施例打印且可包括各种特征。例如，在根据本公开的示例性实施例打印定子芯时，用于电气机器700的壳体710可打印为迭层片的一部分。例如，如图28和图29中所示，至少一个空气冷却翅片732可打印为在打印定子芯220时打印的壳体710的一部分。备选地或此外，至少一个安装耳部734可打印为壳体710的一部分。在示例性实施例中，该至少一个空气冷却翅片732和/或安装耳部734可在打印定子芯220时打印。更特别地，空气冷却翅片732和/或安装耳部734可打印为定子芯220的一部分。在示例性实施例中，打印安装耳部734可与打印壳体710同时发生。更特别地，安装耳部734可与壳体710集成。备选地或此外，至少一个端盖736可打印为壳体710的一部分。此外，当制造壳体710时，端盖736可经由安装耳部734联接至壳体710。当端盖736经由安装耳部734联接至壳体710时，由壳体710限定的腔740可封闭。在示例性实施例中，第一端盖可经由定位在壳体710的第一端部处的第一对安装耳部联接至壳体710。此外，第二端盖可经由定位在壳体710的第二端部处的第二对安装耳部联接至壳体710。具体而言，第二端部可沿壳体710的长度与第一端部间隔开。当定子组件和转子组件彼此联接且设置在腔740内，端盖736可实际上将定子组件和转子组件与外部环境密封。
图30至32绘出了可根据本公开的示例性实施例打印的电气机器的另一示例性实施例。例如，用于电气机器800的壳体810可包括冷却护套830。备选地或此外，壳体810可包括至少一个安装耳部834。备选地或此外，壳体810可包括至少一个端盖836。更特别地，冷却护套830、安装耳部834和/或端盖836可打印为定子芯220的一部分。以此方式，冷却护套830、安装耳部834和/或端盖836可与定子芯220集成。在一些实施例中，与冷却护套830和/或安装耳部834相关联的特征可在打印定子芯220时打印为迭层片的一部分。例如，打印冷却护套830可包括打印冷却护套830使得冷却护套830限定用于流体经过的一个或多个通道。具体而言，该一个或多个通道可包括油回路以供油经过。备选地或此外，该一个或多个通道可包括贮槽以供油经过。然而，应了解的是，任何适合的流体可经过油回路和贮槽。
如图所示，壳体810限定腔840，其构造成容纳至少定子芯220和转子芯330。在示例性实施例中，腔840可与由转子芯330限定的一个或多个湿腔喷射喷嘴351流体连通。以此方式，离开湿腔喷射喷嘴351的流体可进入腔840。如此，图31中所绘的打印的电气机器是湿腔电气机器。相比而言，图30中所绘的打印的电气机器是干腔电气机器，因为转子芯330不包括一个或多个湿腔喷射喷嘴351。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则意在使这些其他示例处于权利要求的范围内。