CN109478814B - 旋转电机的定子和旋转电机 - Google Patents

Abstract

为了改善旋转电机的定子和旋转电机的绝缘可靠性，定子设置有具有熔融金属结的绕组和覆盖绕组的覆盖材料。覆盖材料具有弯曲部分，该弯曲部分弯曲成与绕组部分地接触。

Description

旋转电机的定子和旋转电机

技术领域

本发明涉及一种旋转电机的定子和旋转电机，更具体地，涉及一种产生用于汽车行驶的扭矩或者在制动时产生电力的旋转电机。

背景技术

在旋转电机中，通过向定子绕组提供交流(AC)电力产生旋转磁场，然后转子随旋转磁场旋转。进一步，施加到转子的机械能可以转换成电能，以从线圈输出AC电力。以这种方式，旋转电机作为电动机或发电机运行。

发明内容

技术问题

作为这种类型的旋转电机的定子，通过焊接连接分段线圈端子形成的结构(例如，公开号为2011-151975的日本专利申请)已为人知。当这种类型的旋转电机安装在汽车中时，它被附接在狭窄的有限空间内。因此，需要减小尺寸。依照尺寸减小，必须实现低线圈端部。因此，必须降低端部线圈的高度并在狭窄的有限空间内确保绝缘距离。问题是如何确保分段线圈中的稳定绝缘距离。

本发明的目的是提高旋转电机的定子和旋转电机的绝缘可靠性。

解决方案

根据本发明的旋转电机的定子，包括：具有熔融金属结的绕组；以及覆盖绕组的覆盖材料，其中，覆盖材料具有弯曲部分，弯曲部分弯曲以与绕组部分地接触。

根据本发明的旋转电机，包括：定子，定子具有带有在周向上排列的多个槽的定子铁芯和带有绝缘膜的定子线圈，其中定子线圈插入槽中；以及转子，该转子以预定间隙相对于定子铁芯可旋转地设置，其中在定子线圈中，具有近似U形导体的多个分段线圈被连接，并且多个分段线圈包括：第一分段线圈和通过焊接处连接到第一分段线圈的第二分段线圈，并且其中在第一分段线圈或第二分段线圈中，形成在焊接处的轴向侧的搪瓷涂层中的具有第一分段线圈的线圈宽度或第二分段线圈的线圈宽度的波纹管。

本发明的有益效果

根据本发明的一个方面，可以提高旋转电机的定子和旋转电机的绝缘可靠性。

附图说明

图1

图1是根据本发明的实施例的旋转电机10的截面图。

图2

图2是定子20的透视图。

图3

图3是定子铁芯132的透视图。

图4

图4示出了转子11和定子铁芯132的横截面。

图5

图5是定子线圈60的透视图。

图6

图6示出了作为定子线圈60的连接的一个方面的星形连接。

图7(a)

图7(a)是分段导体28的说明图。

图7(b)

图7(b)是插入定子铁芯132中的分段导体28的说明图。

图8

图8示出了作为图5所示的定子线圈60的一个相位的U相线圈60U。

图9

图9示出了U1相线圈60U1。

图10

图10示出了U2相线圈60U2。

图11

图11示出了焊接侧线圈端部62中的弯曲处理端部28E1至28E4的布置。

图12

图12是从轴向观察焊接侧线圈端部62的平面图。

图13

图13是焊接侧线圈端部62的局部透视图。

图14

图14是示出安装有根据实施例的旋转电机10的车辆的配置的框图。

具体实施方式

示例

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。

根据本实施例的旋转电机优选是可用于汽车行驶的旋转电机。注意，使用旋转电机的所谓电动车辆包括设置有发动机和旋转电机两者的混合动力型电动车辆(HEV)和只利用旋转电机行驶而没有发动机的纯电动车辆(EV)。下面描述的旋转电机可用于这两种类型的车辆。这里将描述在作为两种类型的车辆的代表的混合型电动车辆中使用的旋转电机。

此外，在下面的描述中，“轴向”是指沿旋转电机的旋转轴的方向。“周向”是指沿旋转电机的旋转方向的方向。“径向”是指以旋转电机的旋转轴为中心旋转时的径向。“内周侧”是指在径向上的内侧(内径侧)以及“外周侧”指相反方向，即在径向上的外侧(外径侧)。

(车辆的示意性配置)

首先，将参照图14描述安装有旋转电机的车辆的示意性配置。图14是示出四轮驱动混合车辆的动力传动系的示意性配置的框图。车辆设置有发动机ENG和旋转电机10，作为前轮侧的主动力。利用发动机ENG和旋转电机10产生的动力通过传动装置TR进行传动，并且动力被传递到前轮侧驱动轮FW。此外，在后轮驱动中，设置在后轮侧的旋转电机10和后轮侧驱动轮RW彼此机械连接，并且动力被传递。作为前轮侧的动力源的旋转电机10设置在发动机ENG和传动装置TR之间。

旋转电机10执行发动机启动，并根据车辆行驶状态选择产生驱动力或产生发电能力以在车辆减速时收集能量作为电能。旋转电机10的驱动和发电操作由电力转换设备INV控制，以便根据车辆驱动状态优化转矩和转数。驱动旋转电机10所需的电力从电池BAT经由电力转换设备INV供给。此外，当旋转电机10执行发电操作时，电池BAT通过电力转换设备INV充电。

旋转电机10是永磁体内置式三相同步电动机。当定子线圈被提供三相交流电时，旋转电机10作为电动机运行以旋转转子。此外，当用发动机驱动旋转电机10时，它作为发电机运行，并输出三相交流电作为发电电力。即，旋转电机10具有作为电动机的功能，以基于电能产生旋转扭矩，并且具有作为发电机的功能，以基于机械能执行发电。可以根据车辆行驶状态选择性地使用这些功能。

(旋转电机10)

图1是根据本实施例的旋转电机10的截面图。图2是定子20的透视图。图3是定子铁芯132的透视图。旋转电机10设置在液体冷却套130内。液体冷却套130配置有发动机箱和传动箱。旋转电机10具有定子20、保持定子20的壳体50和转子11。

液体冷却套130被固定至壳体50的外周侧。液体冷却套管130的内周壁和壳体的外周壁形成有制冷剂通道153，例如油的液体制冷剂RF通过该制冷剂通道153流动。轴13利用轴承144和145被可旋转地支撑，轴承144和145设置在液体冷却套130中。相应地，液体冷却套130还用作轴承支架。

注意，在直接液体冷却的情况下，作为制冷剂RF，聚集在制冷剂(油)存储空间150中的液体流过制冷剂通道153，并从制冷剂通道154和155流向定子20，以冷却定子20。

定子20被固定至壳体50的内周侧。转子11可旋转地支撑在定子20的内周侧上。壳体50通过切割诸如碳钢之类的铁材料，或通过铸造钢或铝合金的铸造，或通过压制处理，形成圆柱形作为旋转电机10的箱体(casing)。壳体50也被称为框架体或框架。

壳体50通过拉伸厚度约为2至5mm的钢板(高强度钢板等)而形成圆柱形。壳体50设置有多个凸缘(未示出)，凸缘附接到液体冷却套130。多个凸缘在径向上在圆柱形壳体50的端表面的周缘处向外突出。注意，凸缘通过切割在拉伸时形成的端部处的除凸缘部分之外的其他部分而与壳体50一体地形成。注意，一种情况下，可以配置成不提供壳体50，而定子20被直接固定到液体冷却套130。

如图2所示，定子20具有定子铁芯132和定子线圈60。图3所示的定子铁芯132是通过在轴向上层压硅钢薄板而形成的。定子线圈60围绕设置在定子铁芯132的内圆周部分中的大量槽420缠绕。从定子线圈60产生的热量通过定子铁芯132传递到液体冷却套130，并随着流过液体冷却套130的制冷剂RF辐射。

如图1所示，转子11具有转子芯12和轴13。图4示出了转子11和定子铁芯132的横截面。注意，在图4中，轴13被省略。转子芯12通过在轴向上层压硅钢薄板而形成。如图1所示，轴13利用附接到液体冷却套130的轴承144和145可旋转地保持，并且在定子20中的预定位置中与定子20相对的位置旋转。此外，尽管在图4中省略，但转子11设有端环。

如图4所示，在定子铁芯132中，与定子铁芯132的轴向平行的多个槽420在周向上以相等的间隔形成。在本实施例中，槽420的数量例如为72。在槽420中容纳上述定子线圈60。如图3所示，各个槽420的内周侧开口，并且开口在周向上的宽度近似等于定子线圈60附接到的相应槽420的线圈附接部分，或略小于线圈附接部分。

如图3和图4所示，齿430形成在槽420之间。相应的齿430与环形芯背(core back)440结合在一起。即，定子铁芯132是整体型芯，其中相应的齿430和芯背440一体地形成。齿430将利用定子线圈60产生的旋转磁场引导到转子11，并使转子11引起旋转扭矩。

定子铁芯132是通过冲压厚度约为0.05至1.0mm的磁钢板并层压所形成的环形磁钢板而形成的。如图3所示，焊接处200通过TIG焊接或激光焊接在环形定子铁芯132的外周部分处平行于定子铁芯132的轴向设置。注意，可以配置为不提供焊接处200，而是通过堵缝(caulking)固定定子铁芯，并且定子铁芯132直接插入并固定在箱体中。

如图4所示，在转子芯12中等间隔地形成有插入矩形磁体的磁体插入孔810。永磁体18插入相应的磁体插入孔810中并用粘合剂、粉末树脂或模具固定。磁体插入孔810在周向上的宽度被设定为大于永磁体18在周向上的宽度。磁隙156形成在永磁体18的两侧。磁隙156可以用粘合剂填充或通过树脂模制与永磁体18整体固定。永磁体18形成转子11的场磁极。

永磁体18的磁化方向朝向径向，并且磁化方向被场磁极反转。也就是说，假设在一个形成磁极的永磁体18中，定子侧表面被磁化为N极，而轴侧表面被磁化为S极，在形成相邻的磁极的相邻的永磁体18中，定子侧表面被磁化为S极而轴侧表面被磁化为N极。被磁化使得磁化方向通过磁极交替变化的这些永磁体18沿周向设置。在本实施例中，以相等的间隔设置12个永磁体18，并且在转子11中形成12个磁极。

注意，作为永磁体18，可以使用钕或钐烧结磁体、铁氧体磁体、钕粘结磁体等。在本实施例中，辅助磁极160形成于形成磁极的各个永磁体18之间。辅助磁极160起作用以减小定子线圈60产生的q轴磁通量的磁阻。利用辅助磁极160，由于q轴磁通量的磁阻与d轴磁通量的磁阻相比非常小，因此出现大的磁阻转矩。

图5是定子线圈60的透视图。图6示出了作为定子线圈60的连接的一个方面的星形连接。在本实施例中，如图6所示，具有2星结构的定子线圈被用作定子线圈60，在该2星结构中两个星形连接并联。即，定子线圈60具有包括U1相线圈60U1、V1相线圈60V1和W1相线圈60W1的星形连接，以及包括U2相线圈60U2、V2相线圈60V2和W2相线圈60W2的星形连接。附图标记N1和N2表示相应星形连接的中性点。

定子线圈60可具有圆形或矩形横截面。注意，由于存在尽可能多地利用槽420的内部横截面以减小槽中的空间的结构提高效率的趋势，因此使用矩形横截面是合意的。注意，关于矩形横截面的各个边的长度，定子铁芯132在径向上的边可以更长，或者在周向上的边可以更长。

在根据本实施例的定子线圈60中，使用具有矩形横截面的扁平线。矩形横截面的较长边在槽420中排列在定子铁芯132的周向上。短边排列在定子铁芯132的径向上。扁平线外围涂覆有绝缘膜。作为定子线圈60，使用无氧铜或含氧铜。例如，在含氧铜的情况下，氧含量为约10ppm至1000ppm。

图7(a)是分段导体28的说明图。图7(b)是插入定子铁芯132中的分段导体28的说明图。U1相线圈60U1、V1相线圈60V1、W1相线圈60W1、U2相线圈60U2、V2相线圈60V2和W2相线圈60W2是通过连接如图7(a)所示的多个分段导体28形成的波绕组线圈。图7(a)示出了分段导体28在附接到定子铁芯132之前的形状。分段导体28利用扁平线形成，呈近似U形，该U形具有一对腿28B以及连接它们的头端28C。

当通过连接分段导体28形成各相线圈时，如图7(b)所示，分段导体28的一对腿28B分别沿轴向从定子铁芯132的一侧插入不同的槽420中。此后，在轴向上伸出到定子铁芯132另一侧的腿28B在设置待连接的分段导体28的方向上被折叠，并且腿28B的端部28E被焊接到另一分段导体28的端部28E。

如图5所示，伸出到定子铁芯132一侧的一组头端28C在定子线圈60的一侧形成线圈端部61。伸出到定子铁芯132的另一侧的一组端部28E在定子线圈60的另一侧形成线圈端部62。在下面的描述中，线圈端部62将被称为焊接侧线圈端部62，并且线圈端部61将被称为反焊接侧线圈端部61。

在反焊接侧线圈端部61侧，连接到U1相线圈60U1的一端的引线41U1和连接到U2相线圈60U2的一端的引线41U2被拉出。引线41U1和引线41U2聚集成具有交替端子42U的束。类似地，在反焊接侧线圈端部61侧，连接到V1相线圈60V1和V2相线圈60V2的端部的引线41V1和41V2聚集成具有交替端子42V的束。连接到W1相线圈60W1和W2相线圈60W2的端部的引线41W1和41W2聚集成具有交替端子42W的束。

另外，在反焊接侧线圈端部61侧设有中性点连接导体40N1和40N2。中性点连接导体40N1涉及一个星形连接中的中性点N1(见图6)，并且中性点连接导体40N2涉及另一个星形连接中的中性点N2。

定子线圈60由分布式绕组缠绕。在分布式绕组中，相线圈围绕定子铁芯132缠绕，使得相线圈容纳在两个槽420中，在这两个槽之间具有多个槽420(见图3)。在本实施例中，由于采用分布式绕组作为绕组，所形成的磁通量分布与在集中绕组中形成的磁通量分布相比更接近正弦波，并且容易引起磁阻转矩。相应地，在旋转电机10中，改善了使用弱磁场控制的可控性和磁阻转矩。在从低旋转速度到高旋转速度的宽旋转速度范围内使用旋转电机10，并且获得适合于电动车辆的优异的电动机特性是可能的。

图8示出了用于图5中所示的定子线圈60的一相的U相线圈60U。如图6所示，U相线圈60U配置有用于一个星形连接的U1相线圈60U1，和用于另一个星形连接的U2相线圈60U2。图9示出了U1相线圈60U1，并且图10示出了U2相线圈60U2。如图9和图10所示，中性点连接导体40N1连接到U1相线圈60U1的另一端。中性点连接导体40N2连接到U2相线圈60U2的另一端。

(定子制造技术)

-弯曲-

接下来，将描述根据本实施例的定子20的制造技术。如上所述，将图7(a)所示状态的分段导体28插入定子铁芯132的槽中。然后，如图7(b)所示，腿28B朝向另一个待连接的分段导体28的方向弯曲。

图11示出了弯曲后焊接侧线圈端部62中的端部28E1至28E4的布置。图11是焊接侧线圈端部62的透视图，并且图12是从轴向观察的焊接侧线圈端部62的平面图。

四列分段导体28沿径向插入槽420中，并且插入槽420中的腿28B被提供有槽衬310。利用槽衬310，提高分段导体28之间和分段导体28与槽420的内表面之间的耐压是可能的。注意，在连接被执行的端部28E1至28E4中，去除绝缘膜并暴露导体。绝缘膜的弯曲部分设置有弯曲部分400。弯曲部分400设置成比覆盖材料的弯曲部分更靠近待连接的端部。以这种方式，由于在轴向侧的搪瓷涂层中形成波纹管(bellows)，弯曲部分400减轻了焊接后搪瓷涂层的燃烧。此外，由于在焊接后将这部分浸入清漆中，绝缘性提高。弯曲部分400在焊接之前形成弯曲。弯曲部分通过利用R0.1至0.5夹具模制，并且使用相对于导体具有小的延展的搪瓷涂层来模制弯曲部分400而形成。注意，非弯曲部分是指绝缘膜的一部分，其接触面积大于弯曲部分400的分段导体28的接触面积。

此外，在焊接侧线圈端部62中，绝缘纸300设置在沿径向排列的四列分段导体28之间。在分段导体28之间沿周向呈环形设置绝缘纸300以改善焊接侧线圈端部62中的相间绝缘和导体间绝缘。注意，绝缘纸300还起保持构件的作用，以在树脂材料落在定子线圈60的整个或部分上时，防止树脂材料(例如聚酯或环氧液体清漆)滴落。

以这种方式，由于绝缘纸300和槽衬310设置在槽内部和线圈端部，即使当分段导体28的绝缘膜损坏或劣化时，维持必要的耐压也是可能的。注意，绝缘纸300是例如厚度约0.1至0.5mm的耐热聚酰胺纸的绝缘片。

维持四列的布置的同时，从各个槽420拉出的各个腿28B在待连接的分段导体28的方向上弯曲。例如，插入槽420中的内周侧的第一列中的腿28B1在周向上向左侧弯曲。同时，虽然未示出，但是具有端部28E2的腿28B2从图中的端部28E2插入左侧的槽420的第二列中，并且在周向上从槽420弯曲到右侧，其中端部28E2连接到腿28B1的端部28E1。端部28E1和28E2设置成在径向上彼此相邻。另外，在端部28E2的外周侧在径向上依次设置有彼此连接的端部28E3和端部28E4。

-末端处理-

接下来，为了对齐端部28E1至端部28E4的高度并抑制线圈端部高度，在端部28E1至端部28E4执行切割处理。图12示出了从末端方向观察的端部28E1至端部28E4。图13是焊接侧线圈端部62的局部透视图。弯曲部分400在轴向侧的搪瓷涂层中形成。

接下来，如图13所示，通过焊接末端，端部28E1和端部28E2彼此连接，并且端部28E3和端部28E4彼此连接。在端部28E1和端部28E2中，以及在端部28E3和端部28E4中，熔化并固定基材，并形成焊接处800。作为焊接，分段导体28的基材通过等离子焊接或弧形焊接的TIG焊接熔化，用于连接。使用氩气或氦气，进一步，氩气和氦气的气体混合物等，作为保护气体。利用弯曲部分400，防止焊接时搪瓷涂层的燃烧是可能的。此外，由于搪瓷涂层具有波纹管结构，因此相对于线圈的绝缘距离得以确保。改善绝缘性是可能的。此外，由于从波纹管结构的入口浸入清漆，改善了绝缘性。

根据上述实施例，获得了以下优点。

(1)如上所述，在用于旋转电机的定子20的制造技术中，具有形成有多个槽420的定子铁芯132，以及通过连接多个分段导体28形成的定子线圈60，其中，分段导体28具有插入槽420中的矩形横截面，一对相互连接的分段导体28的端部28E1至28E4的末端具有熔融金属结，并且绝缘膜具有弯曲部分以弯曲以便部分地与定子线圈接触。

以这种方式，通过设置弯曲部分400以便在焊接之前进行弯曲，如图11所示，通过制备具有波纹管结构的搪瓷涂层确保了到线圈的绝缘距离，并改善了绝缘性。此外，由于从波纹管结构的入口浸入清漆，改善了绝缘性。

(2)例如，如图11所示，弯曲部分可以形成在轴向侧的搪瓷涂层中。另外，通过在轴向上在两侧形成弯曲部分来改善绝缘性是可能的。

作为图14所示的前轮侧的动力源的旋转电机10设置在发动机ENG和传动装置TR之间。它具有利用图1至图13所描述的配置。由于旋转电机10作为后轮侧的驱动力源，可以使用类似的机器，或者可以使用具有通用配置的其它旋转电机。注意，不言而喻，本发明可应用于除四轮驱动电动车辆之外的混合电动车辆。

如上所述，根据本发明，提供一种旋转电机的定子是可能的，它是一种小而高输出的定子并且具有极好的绝缘性。

在以上描述中，已经阐述了实施例，然而，本发明不限于这些内容。在本发明的技术构思的范围内考虑的其他方面包括在本发明的范围内。

附图标记列表

28…分段导体，28B1、28B2、28B3、28B4…分段导体的腿，28E1、28E2、28E3、28E4…腿的端部、300…绝缘纸，400…弯曲部分

引用列表

专利文献

专利文献1:日本专利申请公开No.2011-151975。

Claims (4)

1.一种旋转电机的定子，其特征在于，包括：带有槽的铁芯；插入所述槽中的绕组；连接所述绕组和插入另一所述槽中的另一绕组的熔融金属结；以及覆盖所述绕组的覆盖材料，其中所述覆盖材料具有弯曲部分，所述弯曲部分被设置在所述熔融金属结和所述绕组插入所述槽中的部分之间，所述弯曲部分弯曲以与所述绕组部分地不接触，所述覆盖材料具有非弯曲部分，所述非弯曲部分与所述绕组紧密接触；所述弯曲部分和所述非弯曲部分形成在同一所述覆盖材料中的不同位置；所述弯曲部分形成在所述熔融金属结侧，而不是在与周向上相邻的另一熔融金属结轴向重叠的位置。

2.根据权利要求1所述的旋转电机的定子，其特征在于，所述弯曲部分设置得比所述非弯曲部分更靠近所述熔融金属结。

3.根据权利要求1或2所述的旋转电机的定子，其特征在于，所述绕组具有矩形横截面，所述弯曲部分形成在从旋转电机的轴向上的所述熔融金属结的远离所述槽的一侧观察所述绕组时可见的表面上。

4.一种旋转电机，其特征在于，包括：根据权利要求1至3中任一项所述的定子；以及被可旋转地支撑的转子。

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