CN112186929B - 用于电机的分段条形导体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电机的分段条形导体。提出了用于电机的分段发夹型条形导体、用于制造/使用该分段条形导体的方法、使用该分段条形导体的电磁马达以及配备有使用分段发夹型条形导体的感应电动机发电机单元的车辆。电机包括定子，该定子限定了多个周向隔开的径向细长的定子槽。转子与该定子相邻定位并且可相对于该定子移动。一个或多个永磁体被安装到该转子，并且一个或多个U形发夹型绕组以与该磁体并置、隔开的关系安装到该定子。每个发夹型绕组由准直的导电线的阵列形成，这些导电线被集束在一起成为单体式条形导体。分段发夹型绕组具有一对发夹腿，其中每一个邻接发夹冠并从该发夹冠的相应端突出。每个发夹腿插入到相应的一个定子槽中。

Description

用于电机的分段条形导体

技术领域

本公开总体上涉及电机。更具体而言，本公开的各方面涉及用于混合电动和全电动车辆动力总成的多相感应电动机的“发夹型”缠绕定子的条形电导体。

背景技术

当前生产的机动车辆，例如现代的汽车，最初配备有动力总成，该动力总成操作来推进车辆并为车辆的车载电子设备供能。例如，在汽车应用中，车辆动力总成通常以原动机为代表，该原动机通过自动或手动换挡的动力传输将驱动扭矩传递到车辆的最终驱动系统（例如，差速器、车轴、车轮等）。由于其立即可用性以及相对低廉的成本、重量轻和效率，历史上汽车一直由往复活塞式内燃机（ICE）组件来供能。作为一些非限制性示例，这样的发动机包括压缩点火（CI）柴油发动机、火花点火（SI）汽油发动机、六冲程架构以及旋转发动机。另一方面，混合电动和全电动车辆利用诸如电池动力或燃料电池动力的牵引电动机之类的替代动力源来推进车辆，并且因此，最小化或消除了对用于牵引动力的基于化石燃料的发动机的依赖。

俗称“电动车”的全电动车辆（FEV）是一种电驱动车辆构造，其完全将内燃机和伴随的外围部件从动力总成系统中移除，从而仅依靠牵引电动机以用于推进以及支撑附属负载。基于ICE的车辆的发动机、燃料供应系统和排气系统被FEV中的单个或多个牵引电动机、牵引电池组以及电池冷却和充电电子设备所取代。相比之下，混合动力车辆动力总成采用多个牵引动力源来推进车辆，最常见的是结合电池动力或燃料电池动力的电动机来操作内燃机组件。由于混合动力车辆能够从发动机以外的来源获得其动力，因此在车辆通过电动机推进的同时，混合电动车辆（HEV）的发动机可全部或部分地关闭。

虽然可获得无数的设计，但在现代电驱动车辆动力总成中有三种用于牵引电动机的主要的电机类型：有刷直流（DC）电动机、无刷永磁（PM）电动机以及多相交流（AC）电动机。永磁电动机具有多种操作特性，当与其可用的对应物相比时，这些操作特性使得它们对于在车辆推进应用中使用更具吸引力，所述操作特性包括高效率、扭矩和功率密度以及扩展的恒定功率操作范围。牵引电动机使用定子和可旋转转子来将电能转换成旋转机械能，该定子具有多相电磁绕组，例如导电“发夹型”条，该可旋转转子承载有经设计样式的磁铁。常规的发夹型导体从挤压的金属条料切割，弯曲成U形的绕组，并且插入到定子芯的槽中。可嵌套在定子内部或外接于定子外部的承载磁体的转子（magnet-bearing rotor）以小的气隙与定子分开。通过定子绕组的电流流动所产生的磁场与转子的磁体所产生的磁场相互作用，从而使得转子旋转。

发明内容

本文提出了用于电机的分段条形导体、用于制造和用于使用分段条形导体的方法、使用该分段发夹型绕组的电磁马达以及配备有使用分段发夹型绕组的多相牵引电动机的机动车辆。作为示例，提出了由多个线制成的电气发夹型绕组，这些线例如通过粘合剂、绝缘护套、焊接等结合在一起，以形成单体式发夹型条形导体。各个线段可呈现各种几何形状和尺寸，包括闭合曲线和多边形横截面，并且可采用相同或不同的构造。沿相同的线，绕组段的尺寸，无论是宽度、高度、长度、直径还是主要/次要尺寸（major/minordimensions），都可根据峰值电动机频率和最大导体趋肤深度来设计。发夹型条形导体可包括在横向和纵向方向两者上分段（sectioned）的成束线材，并且线段尺寸可在每个发夹型条形导体内变化。单体式发夹式绕组可形成为具有正方形或圆形的腿部轮廓的U形组件。

至少某些所公开的构思的伴随的益处包括如下分段发夹式绕组，其提供了高的槽填充功能（high slot-fill functionality）并且减少了电机的导电绕组中的材料承载的能量损耗（material-borne energy losses）（例如，“铜损”）。随着机器频率和速度的增加，所公开的分段发夹型绕组结构还改善了AC趋肤效应；这又提高了电动机的整个操作速度范围上的电动机效率。使用分段条形导体还可开拓机器设计空间，以考虑以前由于电流损耗而被禁止的某些极槽组合。其他伴随的益处可能包括电动机质量减小、部件成本降低、抵消邻近效应以及最小化设计和组装成本。

本公开的各方面涉及采用导电的分段发夹型绕组的电机和装置，例如电动机、发电机、变压器、电感器、扼流器、AC母线等。例如，本文提出了一种具有定子的电机，该定子具有多个周向隔开的径向细长的定子槽。与该定子相邻封装并且可相对于该定子移动的转子包括安装到该转子上或该转子中的一个或多个磁体。对于至少某些应用，该转子可被可旋转地设置在该定子的中空芯（hollow core）内。一个或多个导电发夹型绕组以与磁体隔开的关系安装到该定子。每个发夹型绕组包括多个导电线，这些导电线经过绝缘、准直并集束（bundled）在一起成为单体式发夹型条形导体。该发夹型绕组具有多个发夹腿，其中每一个被连接到发夹冠的相应端，并且其中每一个被插入到相应的一个定子槽中。

本公开的其他方面涉及用于制造和用于利用任何所公开的分段发夹型绕组、电机和机动车辆的方法。在一个示例中，提出了一种用于组装电机的方法。按照任何顺序并且按照与上文和下文公开的选择和特征中的任何一者的任何组合，该代表性方法包括：提供定子，其限定了多个定子槽；相对于该定子可移动地安装转子；将一个或多个磁体安装到该转子上或该转子中；以及将一个或多个发夹型绕组以与该一个或多个磁体隔开的关系安装到该定子中，该发夹型绕组中的每一个包括多个导电线，这些导电线集束在一起成为单体式发夹型条形导体，该发夹型绕组具有多个发夹腿，该多个发夹腿通过发夹冠连接，并且各自被插入到相应的一个定子槽中。

本公开的其他方面涉及配备有牵引电动机的电驱动机动车辆，该牵引电动机采用分段发夹式绕组来产生旋转能。如本文所用的，术语“车辆”和“机动车辆”可互换和同义地使用，以包括任何相关的车辆平台，例如乘用车（例如，混合电动、全电动、完全和部分自动驾驶等）、商用车、工业车辆、履带式车辆、越野和全地形车（ATV）、摩托车、农用设备、水运工具、飞机等。在一个示例中，电驱动机动车辆包括具有车身，该车身具有多个车轮和其他标准原始设备。牵引电动机被安装到该车身上，并且电连接到车载电池组、燃料电池堆或其他合适的可充电能量存储系统（RESS）。该牵引电动机可单独操作（例如，在全电动车辆（FEV）应用中），或者与内燃机结合操作（例如，在混合电动车辆（HEV）应用中），来驱动车轮中的一个或多个，以由此推进车辆。

继续以上示例，该牵引电动机包括环形定子，该环形定子制造有中空芯以及一系列周向隔开的定子槽。可旋转地设置在该环形定子的中空芯内的圆柱形转子制造有多个周向隔开的转子槽。该牵引电动机还包括永磁体，这些永磁体被安装在该圆柱形转子的周向隔开的转子槽内。多个U形发夹型绕组以与该转子的永磁体并置（juxtaposed）、隔开的关系安装到该定子。每个发夹型绕组包括多个相互平行的导电线，这些线被集束在一起成为单体式发夹型条形导体，该条形导体被包围在绝缘护套中。该发夹型绕组具有第一发夹腿和第二发夹腿，其中每一个从发夹冠的相应端突出，并且其中每一个被插入到相应的一个定子槽中。

本发明还包括以下技术方案。

方案1. 一种电机，包括：

定子，其限定了多个定子槽；

转子，其与所述定子相邻并且能够相对于所述定子移动；

安装到所述转子的磁体；以及

发夹型绕组，其与所述磁体呈隔开的关系安装到所述定子，所述发夹型绕组包括多个导电线，所述多个导电线集束在一起成为单体式条形导体，所述发夹型绕组具有多个发夹腿，所述多个发夹腿通过发夹冠连接，并且各自被插入到相应的一个所述定子槽中。

方案2. 如方案1所述的电机，其特征在于，所述单体式条形导体在所述电机的峰值操作频率下具有最大导体趋肤深度，并且其中，所述导电线中的每一个具有拥有最大尺寸的横截面，所述最大尺寸大约等于或小于所述单体式条形导体的所述最大导体趋肤深度。

方案3. 如方案2所述的电机，其特征在于，所述最大导体趋肤深度被计算为：

其中，是所述单体式条形导体的所述最大导体趋肤深度；/>是所述线的导电材料的电阻率；/>是作为所述电机的所述峰值操作频率的函数的最大角电流频率；并且/>，其中，/>是真空磁导率，并且/>是所述线的所述导电材料的相对磁导率。

方案4. 如方案1所述的电机，其特征在于，所述导电线中的每一个具有拥有截面面积的横截面，并且成束的线的所述截面面积从所述单体式条形导体的外部到中心逐渐减小。

方案5. 如方案1所述的电机，其特征在于，所述导电线中的每一个具有拥有截面面积的横截面，并且成束的线的所述截面面积从所述单体式条形导体的第一侧到第二侧逐渐减小。

方案6. 如方案1所述的电机，其特征在于，所述发夹型绕组还包括电绝缘护套，所述电绝缘护套将成束的导电线包围在其中。

方案7. 如方案1所述的电机，其特征在于，所述导电线中的每一个包括压敏粘合剂，所述压敏粘合剂将所述导电线粘合到所述导电线中的相邻导电线。

方案8. 如方案1所述的电机，其特征在于，所述导电线中的每一个包括低压绝缘涂层。

方案9. 如方案1所述的电机，其特征在于，所述导电线呈彼此邻接的关系准直。

方案10. 如方案1所述的电机，其特征在于，所述导电线相互平行并且集束成线排和线列的方形阵列。

方案11. 如方案1所述的电机，其特征在于，所述导电线中的每一个具有圆形、正方形、矩形、椭圆形和/或六角形的横截面。

方案12. 如方案1所述的电机，其特征在于，所述导电线中的每一个是铜线或铜包铝线的细长股线。

方案13. 如方案1所述的电机，其特征在于，所述发夹型绕组具有U形几何形状，其中，所述发夹腿中的第一个邻接所述发夹冠并从所述发夹冠的第一端突出，并且所述发夹腿中的第二个邻接所述发夹冠并从所述发夹冠的与所述第一端相对的第二端突出。

方案14. 如方案13所述的电机，其特征在于，所述发夹腿中的每一个具有圆形或矩形的横截面。

方案15. 一种电驱动机动车辆，包括：

车身，其具有附接到所述车身的多个车轮；

牵引电动机，其附接到所述车身并且能够操作来驱动所述车轮中的一个或多个，以由此推进所述机动车辆，所述牵引电动机包括：

具有中空芯的环形定子，所述环形定子限定了多个周向隔开的定子槽；

可旋转地设置在所述环形定子的所述中空芯内的圆柱形转子，所述圆柱形转子限定了多个周向隔开的转子槽；

安装在所述圆柱形转子的所述周向隔开的转子槽内的多个永磁体；以及

多个U形发夹型绕组，其与所述永磁体呈并置、隔开的关系安装到所述定子，所述发夹型绕组中的每一个包括多个相互平行的导电线，所述导电线集束在一起成为单体式条形导体，并且包围在绝缘护套中，所述U形发夹型绕组中的每一个具有第一发夹腿和第二发夹腿，所述第一发夹腿和所述第二发夹腿各自从发夹冠的相应端突出，并且各自被插入到相应的一个所述定子槽中。

方案16. 一种组装电机的方法，所述方法包括：

提供定子，其限定了多个定子槽；

相对于所述定子可移动地安装转子；

将一个或多个磁体安装到所述转子；以及

将一个或多个发夹型绕组以与所述一个或多个磁体隔开的关系安装到所述定子，所述发夹型绕组中的每一个包括多个导电线，所述多个导电线集束在一起成为单体式条形导体，所述发夹型绕组具有多个发夹腿，所述多个发夹腿通过发夹冠连接，并且各自被插入到相应的一个所述定子槽中。

方案17. 如方案16所述的方法，其特征在于，所述单体式条形导体在所述电机的峰值操作频率下具有最大导体趋肤深度，所述方法还包括将所述导电线中的每一个形成为具有拥有最大尺寸的横截面，所述最大尺寸大约等于或小于所述单体式条形导体的所述最大导体趋肤深度。

方案18. 如方案16所述的方法，其特征在于，所述导电线中的每一个具有拥有截面面积的横截面，所述方法还包括集束所述线，使得所述截面面积从所述单体式条形导体的外部到中心或者从所述单体式条形导体的第一侧到第二侧逐渐减小。

方案19. 如方案16所述的方法，还包括将所述发夹型绕组中的每一个的导电线束包围在电绝缘护套内。

方案20. 如方案16所述的方法，还包括：

将所述导电线中的每一个包围在压敏粘合剂中；以及

将所述导电线压缩在一起，以激活所述压敏粘合剂，并且由此，将所述导电线中的每一个粘结到所述导电线中的相邻导电线。

上面的概述不意在代表本公开的每个实施例或每个方面。而是，前面的概述仅提供对本文阐述的一些新颖构思和特征的例示。当结合附图和所附权利要求时，通过下面对用于实施本公开的所示示例和代表性模式的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和伴随的优点将是显而易见的。此外，本公开明确地包括上文和下文呈现的元件和特征的任何和所有组合和子组合。

附图说明

图1是根据本公开的各方面的配备有混合电动动力总成的代表性电驱动车辆的示意图，该混合电动动力总成具有多相感应电动机/发电机单元（MGU），该多相感应电动机/发电机单元具有承载分段发夹型绕组的发夹型缠绕定子。

图2是根据本公开的各方面的具有定子组件和转子组件的代表性电机的示意性侧视图，该定子组件具有承载多个分段发夹型绕组的环形定子环，该转子组件具有承载多个永磁体的转子芯。

图3是工作流程图，其图示了根据所公开构思的各方面的用于制造分段发夹式条形导体的代表性系统和方法。

图4-7是根据本公开的各方面的由具有不同的截面几何形状的导电线段束制造的不同的代表性分段发夹型绕组的等距端视图。

本公开适于各种修改和替代形式，并且一些代表性实施例在附图中通过示例的方式示出并且将在本文中详细描述。然而，应当理解的是，本公开的新颖方面不限于上面列举的附图中所示的特定形式。而是，本公开将覆盖落入如所附权利要求所涵盖的本公开的范围内的所有修改、等同形式、组合、子组合、置换、分组和替代。

具体实施方式

本公开容许有呈许多不同形式的实施例。本公开的代表性实施例在附图中示出，并且将在具有以下理解的情况下在本文中详细描述，即：这些实施例被提供为对所公开原理的例示，而不是对本公开的广泛方面的限制。在那种程度上，例如在“摘要”、“技术领域”、“背景技术”、“发明内容”以及“具体实施方式”部分中描述但未在权利要求中明确阐述的元件和限制不应通过暗示、推论或其他方式单独或共同地结合到权利要求中。

为了此详细描述的目的，除非特别声明：单数形式包括复数并且反之亦然；用语“和”和“或”应是连接词和转折连词两者；用语“任何”和“所有”两者均应意指“任何和所有”；并且用语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”等应各自意指“包括但不限于”。此外，近似的用语，例如“大约”、“几乎”、“基本上”、“大致”、“近似”等可各自在本文中在例如“处于、接近或几乎处于”或者“在其0-5%之内”或者“在可接受的制造公差内”或者前述的任何逻辑组合的意义上使用。最后，方向性形容词和副词，例如头、尾、内侧、外侧、右舷、左舷、竖直、水平、向上、向下、前、后、左、右等，可相对于机动车辆，例如当车辆在正常行驶表面上操作性地定向时相对于机动车辆的向前行驶方向。

现在参考附图，其中贯穿若干视图，相同的附图标记表示相同的特征，在图1中示出了代表性汽车的示意图，该代表性汽车总体上以10标示，并且在本文中出于论述的目的描绘为具有平行双离合器（P2）混合电动动力总成的乘用车。特别地，所示的动力总成通常由单个发动机12和单个电动机14构成，该单个发动机12和单个电动机14单独地并且协同地操作，以通过液力变矩器（TC）组件18将牵引动力传输到多速动力传动装置16，以驱动车辆的最终驱动系统11的一个或多个车轮20。在本文中也称为“机动车辆”或简称为“车辆”的所示汽车10仅是一示例性应用，利用其可实践本公开的新颖方面和特征。同样，将本构思实施到多相同步永磁（PM）电动机发电机单元中也应被理解为本文所公开的构思的示例性应用。如此，将会理解的是，本公开的各方面和特征可应用于其他电机构造，并且可用于任何逻辑上相关类型的机动车辆。最后，仅选定的部件被示出，并且将在本文中另外详细地描述。然而，下面论述的车辆和电机可包括许多附加和替代的特征，以及例如用于执行本公开的各种方法和功能的其他可用的外围部件。

代表性的车辆动力总成系统在图1中被示出为具有原动机，例如可重启的内燃机（ICE）组件12，该原动机通过多速自动动力传动装置16传动地连接到最终驱动系统11的传动轴15。发动机12优选地经由发动机曲轴13（“发动机输出构件”）借助于扭矩将动力传递至传动装置16的输入侧。根据所示示例，ICE组件12使发动机驱动的（第一）扭转阻尼器组件26旋转，并且通过该扭转阻尼器组件26使发动机分离离合器（disconnect clutch）28旋转。该发动机分离离合器28当操作性地接合时将借助于阻尼器26从ICE组件12接收的扭矩传递到TC组件18的输入结构。传动装置16又适于从发动机12和电动机14接收牵引动力，选择性地操纵该牵引动力并将其分配到车辆的最终驱动系统11，并且由此推进混合动力车辆10，该最终驱动系统11在本文中由传动轴15、后差速器22和一对后车轮20表示。图1的动力传动装置16和液力变矩器18可共享用于供应液压流体的共同的传动油盘或“油底壳”32，以及用于实现足够的液压压力的共享的传动装置泵34，以激活传动装置16的元件、TC组件18的元件，以及对于某些实施方式，激活发动机断开装置28的元件。

ICE组件12操作以例如在“仅发动机”操作模式中独立于牵引电动机14来推进车辆10，或者例如在“电动机增强”操作模式中与电动机14协作地推进车辆10。在图1中所描绘的示例中，ICE组件12可以是任何可获得的或将来开发的发动机，例如压缩点火的柴油发动机或火花点火的汽油或弹性燃料发动机，所述发动机容易适于通常以一定每分钟转数（RPM）来提供其可获得的功率输出。尽管未在图1中明确描绘，但是应当理解，最终驱动系统11可采用任何可用的构造，包括前轮驱动（FWD）布局、后轮驱动（RWD）布局、四轮驱动（4WD）布局、全轮驱动（AWD）布局等。

图1还描绘了电动机/发电机单元14或其他合适的牵引电动机，其经由电动机支撑毂（support hub）、轴或带29（“电动机输出构件”）操作性地连接到变矩器18，并且经由变矩器18连接到传动装置16的输入轴17（“传动装置输入构件”）。电动机/发电机单元14可直接耦接到TC输入轴上，或者刚性地安装到变矩器18的壳体部分。电动机/发电机单元14通常由外接圆柱形的承载PM的转子23并与之同心的环形发夹型缠绕定子21构成。电功率通过电导体或电缆27提供给定子21，该电导体或电缆27以合适的密封和绝缘穿通件（feedthrough）（未图示）穿过电动机壳体。相反，电功率例如可通过再生制动由MGU 14提供给车载牵引电池组（traction battery pack）30。任何所示动力总成部件的操作都可由车载或远程的车辆控制器来控制，所述车辆控制器例如可编程电子控制单元（ECU）25。虽然示出为P2混合电动架构，该P2混合电动架构具有与单个发动机组件平行动力流连通的单个电动机，但车辆10可采用其他动力总成构造，包括PS、P1、P3和P4混合动力总成，它们中的任何一种都可适用于HEV、PHEV、增程混合动力车辆、燃料电池混合动力车辆等。

动力传动装置16可使用差动齿轮装置24来例如相应地在传动装置输入轴17和输出轴19之间实现可选择性改变的扭矩和速度比，同时通过可变元件发送其全部动力或部分动力。一种形式的差动齿轮装置是周转行星齿轮布置结构。行星齿轮提供了以下优点，即：紧凑性以及行星齿轮装置子集的所有构件之间不同的扭矩和速度比。传统上，液压致动的扭矩建立装置，例如离合器和制动器（术语“离合器”用于指代离合器和制动器两者），可选择性地接合，以激活前述的齿轮元件，以便在传动装置的输入轴和输出轴之间建立期望的前进和倒退速度比。虽然设想为8速自动变速器，但动力传动装置16可以可选地采用其他合适的构造，包括无级变速器（CVT）架构、自动变速器等。

如上面指出的，除其他之外，ECU 25被构造和编程为控制发动机12、电动机14、传动装置16、TC 18和断开装置28的操作。控制模块、模块、控制器、控制单元、电子控制单元、处理器及其任何排列可互换和同义地使用，以表示逻辑电路、组合逻辑电路、专用集成电路（ASIC）、电子电路、中央处理单元（例如，微处理器）、输入/输出电路和装置、适当的信号调理和缓冲电路以及提供所述功能的其他部件等中的一个或多个中的任何一个或各种组合。相关联的存储器和存储装置（例如，只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器、有形等），无论是常驻的、远程的还是两者的组合，均存储处理器可执行的软件和/或固件程序或例程。

软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语可互换和同义地使用，以表示任何处理器可执行的指令集，包括校准和查找表。ECU 25可被设计成具有一组控制例程，该组控制例程被执行以提供期望的功能。控制例程例如通过中央处理单元来执行，并且可操作来监测来自感测装置和其他联网的控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程，以控制装置和致动器的操作。这样的输入可包括车辆速度和加速度数据、限速数据、交通信号灯状态和位置数据、道路坡度数据、停车标志位置数据、交通流量数据、地理空间数据、道路和车道级别数据、车辆动态数据、传感器数据等。例程可在车辆使用或操作期间实时地、连续地、系统地、偶发地和/或以规则的间隔执行，例如，每100微秒、每3.125毫秒、6.25毫秒、12.5毫秒、25毫秒和100毫秒等执行。可替代地，例程可在车辆10的操作期间响应于事件的发生而执行。

图2图示了电机114的另一示例，该电机114采用永磁体和发夹型绕组将电能转换成机械能，并且反之亦然。如本文所论述的，电机114具有多相发夹型缠绕定子组件116，该组件116在其中嵌套并且外接承载PM的同步磁阻转子组件118。虽然可用于汽车和非汽车应用中，但图2的电机114可特别适合用于混合电动动力总成中，作为与发动机（例如，ICE组件12）一起使用的牵引电动机（例如，图1的电动机14），并且至少以发动机启动模式、再生充电模式和扭矩辅助模式操作。电机114可被设计成实现：相对高的效率，例如在校准的输出功率和速度范围上的大约85%的效率；相对高的功率密度（例如，大于大约1500瓦每升）和扭矩密度（例如，大于大约5牛顿米每升）；相对大的峰值功率范围（例如，大约4至6千瓦或更大）；至少大约18,000 rpm的最大速度；降低成本（例如，通过最小化永磁体的数量）；减小的质量和惯性（例如，用于对用户输出需求的快速动态响应）；以及适合置入到相对小的包装空间中。电机114可采用各种替代实施例，包括替代转子组件架构和/或替代定子组件架构，以满足类似或替代的操作参数。

继续参考图2，定子组件116与转子组件118同轴并围绕转子组件118，同时在它们之间维持小的气隙115。根据所示示例，该气隙115例如可不小于大约0.2毫米（mm）并且不大于大约1.0 mm，以便最大化功率输出并且最小化转子组件118所承载的永磁体120的数量，以提供期望的功率输出。两者均被描绘为具有大致环形形状的截断直圆柱体的图2的代表性的定子组件116和转子组件118绕电机114的纵向中心轴线A同心地对准。定子组件116具有中空的定子芯122，该定子芯122在其中嵌套转子组件118；转子组件118例如具有中空的转子芯124，该转子芯124花键连接到电动机轴（未示出）。应当理解的是，保护性电动机壳体（也未示出）可围绕定子的主体126的外周缘并且可支撑电机114的电动机轴。

图2的转子组件118制造有转子主体128，该转子主体128用于支撑围绕转子芯124周向隔开的多个永磁体120。具体而言，转子主体128精密加工有布置在径向隔开的阻挡层（例如，四个不同的阻挡层）中的多个转子槽130。槽130的第一阻挡层130A可被定位成最靠近转子主体128的内周缘，而槽130的第四阻挡层130D可被定位成与其他阻挡层相比离转子主体的内周缘最远。槽130的第二阻挡层130B可径向地置于第一和第三阻挡层130A、130C之间，而槽130的第三阻挡层130C可径向地置于第二和第四阻挡层130B、130D之间。对于至少一些实施例，仅选定的阻挡层（例如，第一和第三阻挡层130A、130C）可收容磁体120，而其他选定的阻挡层（例如，第二和第四阻挡层130B、130D）不收容磁体120，并且因此作为气障。在其他实施例中，仅一个阻挡层或所有阻挡层可包括在其中存储永磁体的槽。例如，三个径向最内部的阻挡层130A-130C可填充有磁体120，而径向最外部的阻挡层130D不包括磁体120。转子主体128可由包括高级钢材的金属材料制成，该金属材料被设计成将高速旋转应力维持在预定极限内。

图2的定子组件116制造有定子主体126，该定子主体126具有多个径向细长的周向隔开的定子槽132（例如，总共60个槽）。这些定子槽132沿电机114的旋转轴线A纵向延伸穿过定子主体126。定子槽132被构造成收容导电的多相定子绕组134的互补腿。在本文中也称为“发夹型绕组”及其排列的定子绕组134可分成不同的组，每个组可承载相同数量的电流相，例如三相、五相、六相或七相。另外，定子绕组134可轴向延伸超过定子主体126的纵向端部。作为非限制性示例，定子主体126的外径与定子组件116的轴向长度（即，不包括定子绕组134的任何延伸部分的主体的纵向端部之间的沿轴线A的距离）之比例如可不小于1.5且不大于3.5，以便满足针对电机114的特定应用的预定包装空间约束，例如在图1的车辆动力总成中的应用。

为便于制造、简化组装并节省更多成本，可能期望所有永磁体120共用相同的矩形多面体形状。然而，应当认识到，任何一个或多个或所有PM主体都可采用无数的形状和尺寸，包括其他多面体块型磁体、环形（环状）磁体、面包块型磁体（具有邻接半椭圆形截面的四边形截面的截面）、弯曲瓦形磁体等。在一个非限制性示例中，每个永磁体120可具有大约1.5 mm至2.5 mm的厚度，以装配在具有互补尺寸的槽130内。在至少实施例中，电机114所用的磁体材料的总质量（即，所有磁体120的质量）可为大约150克至大约250克。通过使用较少的磁性材料但仍满足预定的操作参数，成本得以降低。电机114的永磁体120可全部由相同的材料制成，例如钕铁硼（NdFeB）；可替代地，任何一个或多个或全部磁体120可采用不同的材料，例如钐钴（SmCo）、铝镍钴（AlNiCo）或者稀土磁体材料的任何组合。

类似于图2的永磁体120，可能期望所有的多相定子绕组134共用相同的构造，包括材料组分、制造方法和最终几何形状。如在图3中最佳地看到的，例如，每个定子绕组134由单体式发夹型条形导体（例如，图3的单体式发夹型条形部段202D）制成，该条形导体形成为U形几何形状，该U形几何形状分别由第一和第二细长的直线形发夹腿140和142限定，该发夹腿140和142从曲线形的发夹冠（hairpin crown）144的相对端倾斜地或大致正交地突出。该单体式发夹型条形导体和所得的定子绕组134可呈现矩形截面（图4）、正方形截面（图5）、椭圆形截面（图6）、圆形截面（图7）或任何其他合适的形状。发夹腿140、142被插入到定子主体126的槽132中，其中每个腿140、142延伸通过不同的定子槽132，使得发夹冠144（也称为“绕组端部（end-turn）”）在若干个定子槽132上延伸（例如，每个发夹冠144可跨三个或四个或五个槽延伸）。每个发夹型定子绕组134可相对于相邻的发夹以“错开”或“交错”的模式插入。任何给定的定子槽132都将包括若干个发夹腿140、142（例如，在图2的图示示例中为四个）。一旦所有的发夹型定子绕组134都被插入到定子主体126的槽132中，发夹腿140、142的从定子116的纵向端部延伸的端部就弯曲。然后对每个绕组134进行电连接。

如将在下面广泛详细地解释的，多相发夹式定子绕组134是由多个种线（seedwire）制成的高频电导管，该多个种线被结合在一起以形成“整体式”发夹型条形导体。每个种线可从挤压铜、铜包铝或其他合适的导线的供应线轴切割。种线段可呈现各种不同的尺寸和截面几何形状，包括矩形（图4）、六角形（图5）、椭圆形（图6）、圆形（图7）以及其他闭合曲线和多边形形状。各个种线的截面尺寸可根据电机的操作频率范围和发夹型导体的预测趋肤深度（skin depth）来设计。线段尺寸可在发夹型条形导体的径向或横向方向上增大/减小，以改善AC接近度（AC proximity）和趋肤效应。在针对电池电动车辆（BEV）的采用主流MGU的代表性案例研究中，根据本公开的分段发夹型条形导体在高速电动机操作期间将总铜损减少到以前的一半（1/2）。此外，使用分段条形导体开拓了电机设计空间，以考虑以前由于AC损耗而无法获得的某些极槽（pole-slot）组合。

在电机114的操作期间，例如，在再生充电模式中，转子组件118通过电动机轴旋转，而定子组件116保持相对静止。在这样做时，永磁体120移动经过多相定子绕组134；永磁体120所发出的磁场通过电磁感应在绕组134中产生电流。该感生的电流可用于为负载（例如，图1的充电牵引电池组30）供能。相反，在电机114的操作期间，例如，在发动机启动模式或扭矩辅助模式中，电流通过合适的电源（例如，牵引电池组30）来供应给定子绕组134。使供应的电流通过多相定子绕组134将在定子齿136处产生磁场。从定子齿136输出的磁场与转子组件118中的永磁体120相互作用，使得转子主体128和附接的电动机轴旋转，以产生旋转驱动力。

图3描绘了用于构造用于电机的分段发夹式绕组134的代表性的制造系统和伴随的制造过程（共同标示为200），所述电机例如图1的牵引电动机14或图2的电机114。可利用多种技术、选择性过程和系统架构来制造发夹型定子绕组134。然而，仅制造系统200的选定区段在附图中通过示例的方式示出，并将在下文中详细地描述。然而，在不脱离本公开的预期范围的情况下，图3的制造系统200可包括许多附加和替代的制造过程以及其他可用的工作单元和设备。还应认识到，所示操作的执行顺序可被改变，可添加附加的操作，并且所描述的一些操作可被修改、组合或消除。

在第一制造站201处，具有例如圆形或矩形截面的各股裸露种线202以卷起、不扭曲的形式设置在离散的供应线轴204上。每个种线202可具有大约2.0-4.0 mm的预处理的宽度/直径，以及可选地具有耐腐蚀和防锈的表面涂层。在排列成图3中的单行的情况下，供应线轴204可被保持为绕共同的水平线轴轴线A_s-A_s旋转。一个或多个供给器电动机206可自动化从供应线轴204系统展开种线202，并从该种线202中放出线，以便在被制造成适合于电机应用的形式之前经受预处理。解绕的种线202可经受化学剥离和除垢，其间用盐酸溶液或其他清洁和剥离剂来处理表面，以便去除运输涂层、杂质、污染物、污垢、污渍和锈。

继续参考图3，使放出的各股种线202通过第二制造站203，以用表面涂层208对种线202进行表面处理。在一个非限制性示例中，该表面涂层208可包含低压绝缘材料，以便增加种线段之间的电阻。取决于电机的预期应用，该绝缘材料可以是交联聚乙烯绝缘材料、硅氧化物绝缘材料、乙丙橡胶绝缘材料、聚酯基绝缘材料或它们的任何组合。对于至少一些期望的应用，各个种线202的股线涂覆有具有+180℃的温度额定值的聚酯酰亚胺树脂（polyester-imide resin）。表面涂层208还可包含热塑性或丙烯酸类的高粘性、压敏或温度敏感的粘合剂，以用于将种线202粘合在一起。可表面施加一层可选的清漆，以便减少电流捏缩效应（current pinch effect）。表面处理可通过任何合适的技术来完成，包括化学气相沉积（CVD）、氧化物层、聚合物涂层、溅射涂层、湿式涂层、物理气相沉积（PVD）等。可通过UV灯站、固化炉或其他适当的方法来提供任何这样的表面水平涂层的固化。

涂覆的线段202A例如通过供给辊和线引导件（未示出）从第二制造站203转移到第三制造站205，以将这些段准直成紧凑的束。第三制造站205可配备有马达驱动的线材矫直机，该线材矫直机定位成将线段202A在水平方向上并且随后在竖直方向上矫直，例如，这是通过反复地使线在相对应的方向上来回弯曲，直到各个线呈现为基本上没有弯曲。串联布置的电子线材准直器可操作以将矫直、涂覆的线段202A对准成相互平行、彼此邻接的关系，以形成条形导体前体202B。该条形导体前体202B可通过可选的连接器配件或条带或者通过钎焊、点焊或焊接而被保持在紧凑的包装中。

准直和成束的条形导体前体202B被转移到第四制造站207，用于互连若干个线段并且成形为期望的最终形状和尺寸。在制造的这个时刻，条形导体前体202B例如通过伺服马达和供给器臂供给通过具有截头圆锥形（frustaconical）或角锥状截头锥体形（pyramidal-frustum）模头的挤压机，以产生压缩且结合的条形导体束202C。为了在施用自粘合的压敏粘合剂涂层的应用中实现最大的结合强度，还可在第四制造站207处施加热，以将应用温度提高到大约100℉至130℉，从而使粘合剂与结合表面形成紧密接触。可能期望将粘合剂涂层实施为高粘性（high-tact）、高温丙烯酸或改性丙烯酸PSA，其具有大约–20℉至450℉的操作范围，并且具有至少大约100 oz/in至150 oz/in的结合强度。对于圆段线（round segment wire），工件可经受合适的线材扭结和/或换位技术。

在挤压和结合之后，条形导体束202C从第四制造站207转移到第五制造站209，用于以高压绝缘材料来涂覆组装的条形导体束202C。根据代表性制造系统200，搪瓷涂层可直接施加并结合在条形导体束202C上。替代构造可采用摩擦配合或收缩包裹的合成、半芳香聚酰胺或聚乙烯绝缘套，该绝缘套将条形导体束202C包覆在其中。处理序列中的该步骤还可包括将成束的线切割成一定长度，作为离散的单体式发夹型条形部段202D。各个单体式发夹型条形部段202D被转移到第六制造站211，以形成为U形的发夹型定子绕组134。

根据所公开的构思的各方面，可能理想的是，各个种线在任何横向方向上的尺寸小于或大约等于分段条形导体在其预期用于的电机的最高操作频率下的趋肤深度。如任何承载交流电的导体一样，单体式发夹型条在电机的峰值操作频率下具有最大的导体趋肤深度。如本文所用的，术语“趋肤效应”应被给予其如本领域普通技术人员所理解的普通和惯常的含义。在这方面，趋肤效应可被体现为交流电流以非均匀的方式分布在细长导体内的趋势，使得电流密度在导体的表面附近最大，并且当朝向导体的中心向内移动时随着深度变大而减小。电流趋于避免行经固体导体的中心，并且主要在导体的“表皮”处、外表面和称为“趋肤深度”的水平之间流动。所述趋肤深度是指电流密度在导体的表面处达到其值的大约37%的点。每个导电种线都具有拥有最大尺寸（例如，直径、宽度、半长轴尺寸（semi-majordimension）等）的横截面，该最大尺寸大约等于或小于单体式发夹型条的最大导体趋肤深度。该最大导体趋肤深度可被计算为：

其中，是单体式发夹型条的最大导体趋肤深度；/>是这些线的导电材料的电阻率；/>是作为电机的峰值操作频率的函数的最大角电流频率（maximum angularcurrent frequency）；并且/>，其中，/>是真空磁导率（vacuum permeability），并且/>是这些线的导电材料的相对磁导率。

图4-7提供了由具有不同截面几何形状的成束的种线制成的不同的代表性分段发夹型绕组334、434、534和634的端视图。作为示例而非限制，图4的分段发夹型绕组334由矩形的种线302（即，具有直角矩形横截面的种线）构成，这些种线302相互平行并集束成线排的阵列，其中各个线302的宽度和高度从绕组334的第一侧到第二侧（例如，从图3中的顶部到底部）逐渐增加。电绝缘护套304将成束的导电线302包围在其中。一旦组装并形成，图4的发夹型绕组334就具有矩形的轮廓。相比之下，图5的分段发夹型绕组434由具有六角形线402的蜂窝状布置结构构成，该六角形线402可通过压缩圆形种线而呈现该最终形状，如图3的插图所示。这些六角形线402相互平行并且集束成线排和线列的阵列。压敏粘合剂406将各个线402粘合到毗连的相邻线。电绝缘护套404将成束的导电线402包围在其中。一旦组装并形成，图5的发夹型绕组434就具有正方形的轮廓。

接下来参考图6，分段发夹型绕组534由椭圆形的种线502构成，这些种线502相互平行并且集束成具有大约1.5的间距直径比（pitch-to-diameter ratio）的直列正方形阵列（inline-square array）。电绝缘护套504将成束的导电线502包围在其中。低压绝缘涂层508被插入各个种线502之间并围绕各个种线502。一旦组装并形成，图5的发夹型绕组534就具有卵形的轮廓。作为比较点，图7的分段发夹型绕组634由未压缩的圆形种线602构成，这些种线602相互平行并集束成轮辐式模式，其中，种线602的直径从绕组634的外表面到中心（例如，沿图7中的径向向内方向）逐渐减小。电绝缘护套604将成束的导电线602包围在其中。一旦组装并形成，图7的发夹型绕组634就具有圆形的轮廓。虽然在外观上有所不同，但是可预想，参考图4-7的示例所公开的任何特征都可单独地或以任何组合结合到彼此以及结合到图1-3的示例中，并且反之亦然。

已参考所示实施例详细地描述了本公开的各方面；然而，本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可对其进行许多修改。本公开不限于本文所公开的精确构造和组成；根据前述描述显而易见的任何和所有修改、改变和变型都在由所附权利要求限定的本公开的范围内。而且，本构思明确地包括前述元件和特征的任何和所有组合和子组合。

Claims (16)

1.一种电机，包括：

定子，其限定了多个定子槽；

转子，其与所述定子相邻并且能够相对于所述定子移动；

安装到所述转子的磁体；以及

发夹型绕组，其与所述磁体呈隔开的关系安装到所述定子，所述发夹型绕组包括多个导电线，所述多个导电线集束在一起成为单体式条形导体，所述发夹型绕组具有多个发夹腿，所述多个发夹腿通过发夹冠连接，并且各自被插入到相应的一个所述定子槽中，所述单体式条形导体在所述电机的峰值操作频率下具有最大导体趋肤深度，并且其中，所述导电线中的每一个具有拥有最大尺寸的横截面，所述最大尺寸等于或小于所述单体式条形导体的所述最大导体趋肤深度，

其中，所述导电线相互平行并且集束成线排和线列的方形阵列，导电线包括布置在第一排中并具有第一尺寸的第一横截面的多个第一电线；布置在邻接第一排的第二排中并具有第二尺寸的第二横截面的多个第二电线；以及布置在邻接第二排的第三排中且具有第三尺寸的第三横截面的多个第三电线，第二尺寸小于第一尺寸，第三尺寸小于第二尺寸。

2.如权利要求1所述的电机，其特征在于，发夹型绕组由椭圆形的种线构成。

3.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述最大导体趋肤深度被计算为：

其中，是所述单体式条形导体的所述最大导体趋肤深度；/>是所述导电线的导电材料的电阻率；/>是作为所述电机的所述峰值操作频率的函数的最大角电流频率；并且/>，其中，/>是真空磁导率，并且/>是所述线的所述导电材料的相对磁导率。

4.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述发夹型绕组还包括电绝缘护套，所述电绝缘护套将成束的导电线包围在其中。

5.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述导电线中的每一个包括压敏粘合剂，所述压敏粘合剂将所述导电线粘合到所述导电线中的相邻导电线。

6.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述导电线中的每一个包括低压绝缘涂层。

7.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述导电线呈彼此邻接的关系准直。

8.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述导电线中的每一个具有圆形、正方形、矩形、椭圆形和/或六角形的横截面。

9.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述导电线中的每一个是铜线或铜包铝线的细长股线。

10.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述发夹型绕组具有U形几何形状，其中，所述发夹腿中的第一个邻接所述发夹冠并从所述发夹冠的第一端突出，并且所述发夹腿中的第二个邻接所述发夹冠并从所述发夹冠的与所述第一端相对的第二端突出。

11.如权利要求10所述的电机，其特征在于，所述发夹腿中的每一个具有圆形或矩形的横截面。

12.一种电驱动机动车辆，包括：

车身，其具有附接到所述车身的多个车轮；

牵引电动机，其附接到所述车身并且能够操作来驱动所述车轮中的一个或多个，以由此推进所述机动车辆，所述牵引电动机包括：

具有中空芯的环形定子，所述环形定子限定了多个周向隔开的定子槽；

可旋转地设置在所述环形定子的所述中空芯内的圆柱形转子，所述圆柱形转子限定了多个周向隔开的转子槽；

安装在所述圆柱形转子的所述周向隔开的转子槽内的多个永磁体；以及

多个U形发夹型绕组，其与所述永磁体呈并置、隔开的关系安装到所述定子，所述发夹型绕组中的每一个包括多个相互平行的导电线，所述导电线集束在一起成为单体式条形导体，并且包围在绝缘护套中，所述U形发夹型绕组中的每一个具有第一发夹腿和第二发夹腿，所述第一发夹腿和所述第二发夹腿各自从发夹冠的相应端突出，并且各自被插入到相应的一个所述定子槽中，所述单体式条形导体在所述牵引电动机的峰值操作频率下具有最大导体趋肤深度，并且其中，所述导电线中的每一个具有拥有最大尺寸的横截面，所述最大尺寸等于或小于所述单体式条形导体的所述最大导体趋肤深度，

其中，所述导电线相互平行并且集束成线排和线列的方形阵列，导电线包括布置在第一排中并具有第一尺寸的第一横截面的多个第一电线；布置在邻接第一排的第二排中并具有第二尺寸的第二横截面的多个第二电线；以及布置在邻接第二排的第三排中且具有第三尺寸的第三横截面的多个第三电线，第二尺寸小于第一尺寸，第三尺寸小于第二尺寸。

13.一种组装电机的方法，所述方法包括：

提供定子，其限定了多个定子槽；

相对于所述定子可移动地安装转子；

将一个或多个磁体安装到所述转子；以及

将一个或多个发夹型绕组以与所述一个或多个磁体隔开的关系安装到所述定子，所述发夹型绕组中的每一个包括多个导电线，所述多个导电线集束在一起成为单体式条形导体，所述发夹型绕组具有多个发夹腿，所述多个发夹腿通过发夹冠连接，并且各自被插入到相应的一个所述定子槽中，所述单体式条形导体在所述电机的峰值操作频率下具有最大导体趋肤深度，所述方法还包括将所述导电线中的每一个形成为具有拥有最大尺寸的横截面，所述最大尺寸等于或小于所述单体式条形导体的所述最大导体趋肤深度，

其中，所述导电线相互平行并且集束成线排和线列的方形阵列，导电线包括布置在第一排中并具有第一尺寸的第一横截面的多个第一电线；布置在邻接第一排的第二排中并具有第二尺寸的第二横截面的多个第二电线；以及布置在邻接第二排的第三排中且具有第三尺寸的第三横截面的多个第三电线，第二尺寸小于第一尺寸，第三尺寸小于第二尺寸。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，发夹型绕组由椭圆形的种线构成。

15.如权利要求13所述的方法，还包括将所述发夹型绕组中的每一个的导电线束包围在电绝缘护套内。

16.如权利要求13所述的方法，还包括：

将所述导电线中的每一个包围在压敏粘合剂中；以及

将所述导电线压缩在一起，以激活所述压敏粘合剂，并且由此，将所述导电线中的每一个粘结到所述导电线中的相邻导电线。