專利名稱：電動馬達組件及與其聯接導線有關的系統和方法
技術領域：
本發明總體上涉及與電動馬達組件的聯接導線有關的系統和方法。
背景技術：
在條繞電動馬達(bar-wound electric motor)組件中，通常將導線焊接到一起來裝配定子。高質量的焊接是必需的，因為如果有一處焊接失效那么馬達就會發生故障。因為單個馬達有可能需要幾百處的焊接，所以重要的是焊接工藝為高度穩健且高效的，從而確保焊接的質量，同時使焊接工藝的時間最小化。目前的焊接方法的問題包括由于未對準導線所致的缺乏高質量的焊接，以及用來對準導線或增加焊接穩健性的低效率工藝。在為焊接工藝做準備時，導線的自由端通常需要一些對準輔助措施。例如，利用機器人末端執行器(手指)將導線對保持到一起。利用兩根手指來對各對導線進行定位。將一根手指從這些對的各側插入，然后使兩根手指閉合到一起，從而使這兩根導線在周界方向上彼此相鄰。此外，手指被設計成使這兩根導線在徑向上相鄰，其中手指將導線保持成彼此相抵。當這對導線在兩個方向上均被手指所限制時，進行焊接并且手指釋放導線并從定子中收回。然后，定子轉位到下一個槽，從而對另一對導線進行焊接。此工藝是單調乏味的， 并且會出現問題。例如，如果轉位和導線彎曲未同步(lineup)，那么在將手指插入定子中時手指會碰撞導線。總之，如果不能精確地對準導線對，那么所形成的焊接可能是有缺陷的。然而，機器人末端執行器以及已采用的在焊接前使導線對對準的其它復雜的導線定位工具是昂貴且復雜的。因此，需要一種可靠且可重現地將導線聯接到一起的聯接方法。
發明內容
通過提供具有穩健定子的電動馬達以及用于可靠、高效且可重現地使定子的導線彼此聯接的相關系統和方法，本發明的各實施例克服了現有技術的缺點。根據一個示例性實施例，電動馬達的定子包括定子線圈。定子線圈包括具有相應端部的導線對，所述相應端部利用環來至少部分地聯接。所述環定位于導線對的周圍，并且利用金屬聯接工藝而聯接到導線對。本發明還涉及以下技術方案。方案1. 一種用于電動馬達的定子，包括
定子線圈，所述定子線圈包括具有相應端部的導線對，所述相應端部利用環來至少部分地聯接，所述環定位于所述導線對的周圍并利用金屬聯接工藝而聯接到所述導線對。方案2.如方案1所述的定子，其中，所述端部在接頭處被焊接到一起。方案3.如方案1所述的定子，其中，所述環包括導電性內層。方案4.如方案3所述的定子，其中，所述導電性內層通過所述金屬聯接工藝聯接到所述導線對。方案5.如方案4所述的定子，其中，所述金屬聯接工藝包括將熱量施加給所述環以使所述導電性內層熔化。方案6.如方案3所述的定子，其中，所述環包括絕緣性外層。方案7.如方案1所述的定子，其中，所述環被配置成將所述導線對對準。方案8.如方案1所述的定子，其中，所述金屬聯接工藝是磁脈沖輝接工藝。方案9. 一種裝配定子的定子線圈的方法，包括 將環放置在所述定子線圈的導線對的端部上；并且
用金屬聯接工藝將所述環聯接到所述導線對。方案10.如方案9所述的方法，其中，將所述環聯接到所述導線對的步驟包括 將所述導線對的相應端部輝接到一起以形成接頭；
其中，對所述相應端部的輝接將熱傳遞至所述環；并且
其中，所述環包含導電材料，所述導電材料被所述熱熔化井隨后凝固，從而將所述環聯 接到所述導線對。方案11.如方案9所述的方法，其中，將所述環聯接到所述導線對的步驟包括利 用磁脈沖輝接工藝將所述環輝接到所述導線對。方案12.如方案11所述的方法，還包括相對于所述環來定位磁脈沖系統的線圏。方案13.如方案12所述的方法，還包括將所述線圈定位成完全圍繞所述導線 對。方案14.如方案12所述的方法，還包括將至少兩個線圈定位在所述導線對的相 對側。方案15. —種通過包括以下步驟的工藝來形成的定子的定子線圏，所述步驟為 將環放置在所述定子線圈的導線對的端部上；并且
用金屬聯接工藝將所述環聯接到所述導線對。方案16.如方案15所述的定子線圈，其中，將所述環聯接到所述導線對的步驟包 括
將所述導線對的相應端部輝接到一起以形成接頭； 其中，對所述相應端部的輝接將熱傳遞至所述環；并且
其中，所述環包含導電材料，所述導電材料被所述熱熔化井隨后凝固，從而將所述環聯 接到所述導線對。方案17.如方案15所述的定子線圈，其中，將所述環聯接到所述導線對的步驟包 括利用磁脈沖輝接工藝將所述環輝接到所述導線對。方案18.如方案17所述的定子線圈，其中，所述工藝還包括相對于所述環來定位 磁脈沖系統的線圈的步驟。方案19.如方案18所述的定子線圈，其中，所述線圈被定位成完全圍繞所述導線 對。方案20.如方案18所述的定子線圈，還包括將至少兩個線圈定位在所述導線對 的相對側。前面已廣泛地概述了各實施例的一些方面和特征，這些方面和特征應當被理解成 僅僅是對可能應用的說明。通過以不同方式應用所公開的信息或者通過將公開實施例的各方面加以組合，可以獲得其它有利結果。除了由權利要求限定的范圍之外，通過參考結合附圖對示例性實施例的詳細描述，還可以獲得其它的方面和更全面的理解。
圖1是根據本發明示例性實施例的、包括定子的電動馬達組件的剖面圖。圖2和圖3是圖1的電動馬達組件的定子的局部正視圖，圖2和圖3與裝配定子的示例性方法有關。圖4是圖1的電動馬達組件的定子的局部透視圖，圖4與裝配定子的示例性方法有關。圖5是根據一個示例性實施例的環的平面圖。圖6是圖2 圖4的定子的導線以及圖5、圖12和圖13的環的局部示意圖。圖7是按照裝配定子的示例性方法而聯接的圖6的導線的局部示意圖。圖8是按照裝配定子的示例性方法而聯接的圖6的導線的局部示意圖，以及相關系統的示意圖。圖9 圖11是圖8的系統的一部分的示例性構造以及定子的一部分的示意圖。圖12和圖13是根據示例性實施例的環的平面圖。
具體實施例方式按需要，本文中公開了詳細的實施例。必須理解的是，所公開的實施例只是各種形式及替代形式的示例。本文中使用的詞語“示例性”是可擴展地用于指代用作說明、樣品、 模型或者模式的實施例。附圖不必是按比例的，而是一些特征可能被夸大或者最小化以顯示特定部件的細節。在其它情況下，本領域技術人員所熟知的部件、系統、材料或方法不再進行詳細描述，以避免使本發明變得晦澀。因此，本文所公開的特定的結構和功能細節均不應被解釋為限制性的，而是應當僅僅被解釋為用于權利要求的基礎以及用于教示本領域技術人員的代表性基礎。本文中描述了關于條繞電動馬達(如，包括汽車交流發電機的電動馬達)的制造和組裝的實施例。然而，可以想象，本公開的教示可以應用于其它制造應用中對導線和條的聯接。一般而言，本文中所描述的系統和方法是利用了連接導線或支撐導線之間的連接的環來增加被聯接導線之間連接的可靠性。此外，該環還降低了制造工藝的復雜性，這是因為可以將環很容易地放置于導線對上，以便在焊接該導線對之前使該導線對定位和對準。簡化了制造工藝的一種方式是能夠將環同時放置在導線對上，然后同時對導線對進行焊接。 此外，該環使得在焊接中能夠利用機器視覺，這是因為可以容易地識別環的邊界和中心。現在，對示例性實施例進行更詳細的描述。本文中所使用的術語“金屬聯接工藝”是指應用熱、壓力、磁力、激光、電、摩擦、 聲音、或者其它能量源以便聯接金屬。金屬聯接工藝可以使處于熔融狀態或固體狀態的金屬聯接。示例性的金屬聯接工藝包括焊接(welding)、硬釬焊(brazing)、軟釬焊 (soldering)、涉及結合的其它工藝、熔接、以及它們的組合等。應當理解的是，可以用其它金屬聯接工藝來替代本文中所述的焊接工藝。參照圖1，示例性的電動馬達10包括轉子12，其圍繞著外殼16內的軸14旋轉；以及定子18，其被固定至外殼16的內壁。定子18被配置成與轉子12的外圓周相接界 (interface).軸14可旋轉地被支撐在外殼16中。帶輪20被固定到軸14的一端，以使得能夠利用帶(未圖示)將來自發動機(未圖示)的轉矩傳遞給軸14，并且滑環22被固定到軸14的另一端，用以向轉子12提供電流。電刷24被配置成以接觸滑環22的方式滑動。 電動馬達10還包括調節器26，其被配置成調節在定子18中所產生交流電壓的大小；和整流器28，其被配置成將在定子18中所產生的交流電轉換成直流電。轉子12包括轉子線圈30和一對磁極芯部32a、32b。轉子線圈30配置成當電流經過轉子線圈30時產生磁通。利用電刷24和滑環22將電流從電池(未圖示)提供給轉子線圈30。磁極芯部32a和32b被固定到軸14，并相鄰于轉子線圈30的外表面相互交錯 (intermesh)。磁極芯部32a被轉子線圈30的磁通磁化成“N”極性，磁極芯部32b被轉子線圈30的磁通磁化成“S”極性。當通過附接到帶輪20的帶(未圖示)將由發動機(未圖示)所提供的旋轉轉矩傳遞給軸14時，轉子12旋轉。旋轉的轉子12產生變化的磁通。定子18包括定子芯部40和定子線圈42。定子線圈42包括導線60 (也稱為 “條”)，導線60纏繞在定子芯部40的周圍，如以下更詳細描述的那樣。在定子線圈42中， 利用由旋轉的轉子12所產生的變化的磁通來產生交流電流。施加給定子線圈42的旋轉磁場在定子線圈42中產生電動勢。利用整流器28將此交變電動勢轉換成直流電，并利用調節器26調節其電壓。現在參照圖2 圖8對定子線圈42的裝配進行描述。定子芯部40具有圓柱形的形狀以及多個槽50 (見圖2和圖3)，槽50沿著軸向延伸并以均等的角節距布置在定子芯部 40的圓周的周圍。通過把導線段60(見圖2)聯接成一個單元(見圖3和圖4)來構建定子線圈42。例如，導線段60是粗銅導線(heavy gage copper wire)。參照圖2，導線段60首先被配置成具有大致“U”形，然后將平直的端部插入相應的槽50中。然后將從槽50中延伸出的導線段60的端部彎曲，如圖2中的虛線所示，使得端部62定位成將要聯接到其它成對的導線段60的端部62，如圖3和圖4中所示。將導線段60的端部加以聯接從而完成多個相。為了說明目的，下面更詳細地描述將單對導線段60a、60b的自由端62a、62b加以聯接的示例性方法。在下文中，這對導線段60a、60b被稱為導線對60a/60b。應當理解的是， 所描述的方法可同時地實施，從而一次將定子18的所有導線對加以聯接。現在參照圖2 圖7，對定位和聯接導線對60a/60b的第一方法進行描述。參照圖2 圖4，將自由端62a、62b扭轉、彎曲并壓到一起，或以另外的方式將其定位以便大致對準。然后，參照圖3 圖6和圖12，利用放置裝置或固定裝置(未圖示)將環70放置在自由端62a、62b上。環70配置成用于約束導線對60a/60b的位置，從而使得在下面更詳細描述的焊接工藝中將導線段60a、60b精確地對準并保持就位。因此，在將環70放置在導線對 60a/60b上之后，在實施焊接工藝之前，可以移除放置裝置。暫時參考圖4、圖5和圖12，相對于導線對60a/60b的組合截面或周長的尺寸和形狀來配置環70的內尺寸。例如，環70的內尺寸(例如，直徑、截面等)被配置成足夠大，以便為放置在導線對60a/60b上提供充分的間隙，并且還被配置成足夠小，以便約束和定位導線對60a/60b。環70以用于焊接的正確的關系將導線對60a/60b保持在一起，而無需用專門的抓握工具對導線對60a/60b進行進一步對準或定位。在與焊接站(未圖示)相同的站(未圖示)處，或者在前階段位置(prior staging location)(未圖示)中，將環70放置在導線對60a/60b上。一旦環70就位，如圖3 圖6中所示，那么導線對60a/60b中的自然回彈張力會將環70保持就位，直至隨后的焊接操作。圖5示出了具有圓形截面的環， 圖12示出了具有矩形截面的環。圖4示出了圖5的環和圖12的環中的每一種環，其中圖 5的環被對準以便將要放置在導線對上，圖12的環則已放置在導線對上。繼續參考圖5和圖12，環70被進一步配置成用金屬聯接工藝緊密地與導線對 60a/60b相配合，并防止導線對60a/60b與相鄰的導線對之間發生電短路(見圖3)，這在相鄰導線對之間的間隔較小時尤其有用。環70包括導電性內層72，導電性內層72被配置成使環70與導線對60a/60b緊密地配合。例如，內層72是軟釬焊或硬釬焊材料。環70還包括絕緣性外層74，絕緣性外層74被配置成維持環70的形狀，并防止內層72接觸其它導線對而引起電短路。參照圖7，在將環70放置在導線對60a/60b(示于圖6中)上之后，利用熔接或焊接工藝(例如，鎢極惰性氣體(TIG)焊接、等離子體焊接等)將端部62a、62b加以聯接，但是也可以采用其它高溫焊接工藝(如，軟釬焊或硬釬焊)。熔接工藝以冶金方式使端部62a、 62b熔化，端部62a、62b熔融到一起然后凝固，從而形成接頭76 (由楔形示意性地表示)。接頭76提供了牢固、導電的連接。此外，參照圖12和圖13，來自熔接工藝的熱量或其它能量被傳遞至環70，使得導電性內層72被加熱到熔點并在導線對60a/60b周圍流動。熔化的內層72由于加熱而發生膨脹，并且填滿導線段60a與60b之間以及環70與導線對60a/60b之間的間隙。經冷卻， 內層72縮回到較小尺寸并且在導線對60a/60b的周圍凝固。在環70和導線對60a/60b中均產生收縮力。導線對60a/60b中的收縮力導致了導線對60a/60b突然張開(flare up) 或上移，從而導致導線對60a/60b與環70彼此緊密地配合。環70與導線對60a/60b緊密地配合并向導線對60a/60b施加力，這與端部62a、62b為形成接頭76而進行的熔合而相結合，一起提供了導線段60a與60b之間的可靠且牢固的連接。此外，環70取代了復雜的定位工具。焊接工藝可以保持基本上不變，但所形成的連接卻更加牢固，這是因為環70支撐著接頭76。如上所述，環放置裝置(未圖示)分別將多個環同時放置在多個導線對上。同樣地，焊接裝置(未圖示)對定子線圈的多個導線對同時進行焊接，結果是同時使多個環與多個導線對結合。可以實施同時焊接的原因在于，環的使用使得在焊接工藝期間無需專門的導線保持機構來保持端部的對準。可以針對生產量、成本、品質和設備可靠性來優化焊接工藝。參照圖3 圖6和圖8，根據對導線對60a/60b進行定位和聯接的第二方法，采用磁脈沖焊接法來迫使環70圍繞在導線對60a/60b的周圍。可以利用磁脈沖焊接來聯接相似的金屬以及不同的金屬。在此實施例中，環70是由具有高傳導性的材料制成從而非常適合于產生高磁力，并且環70具有薄的截面從而非常適合于在導線對60a/60b周圍坍縮。 如上面參照圖3 圖6所述，將環70放置在導線對60a/60b上。然而，根據此方法，利用圖8中所示的磁脈沖焊接工藝而不是上面參照圖7所述的熔接工藝來聯接環70和導線對 60a/60b。參照圖8，磁脈沖系統100包括磁脈沖發生器102和磁性線圈104，磁性線圈104 配置成產生磁場。磁性線圈104被配置成定位成與環70和導線對60a/60b相鄰。當磁脈沖發生器102引導非常高的交流電流(AC)經過磁性線圈104時，產生主磁場。根據楞次定律，該磁場在環70中產生次級渦電流，該次級渦電流又產生次生磁場。主磁場與次生磁場彼此相反。相反的磁場在磁性線圈104與環70之間產生排斥力(稱為洛倫茲力)。洛倫茲力迫使環70抵靠導線對60a/60b，使得環70與導線對60a/60b之間發生固態焊接，或者另外地，環70在導線對60a/60b上坍縮或緊密地包圍在導線對60a/60b的周圍。現在，對具有多個磁性線圈104的磁脈沖系統100的示例性構造進行描述。示例性的磁脈沖系統100配置成利用參照圖8所述的磁脈沖焊接工藝來同時將許多個環焊接到許多導線對上。圖9和圖11示出了配置成用于單排導線對的磁脈沖系統100，圖10示出了配置成用于兩排導線對的磁脈沖系統100。可以基于本文所提供的教示，開發出用于三排或更多排導線對的替代構造。參照圖9，第一磁脈沖系統100包括磁性線圈104，磁性線圈104 均被配置成圍繞相應的單個導線對60a/60b。類似的構造用于焊接多于一排的導線對，其中導線對在定子的周圍徑向地交錯。圖9的磁脈沖系統100被配置成可避免磁性線圈104 與相鄰的導線對60之間的干擾。參照圖10，磁脈沖系統100包括磁性線圈104，磁性線圈104圍繞兩個徑向對準的導線對60a/60b。在此，固體間隔件106定位于兩個導線對60a/60b之間，用以防止在連續的各排導線對60之間的接觸。因此，磁脈沖系統100配置成用于同時焊接兩排導線對。參照圖11，磁脈沖系統100包括磁性線圈104，磁性線圈104被配置成定位于定子焊接端的內圓周和外圓周的周圍，在一排導線對的每側。磁脈沖焊接工藝可以單獨使用，或者與用于導線對的傳統焊接工藝一起使用，所述傳統焊接工藝例如，鎢極電弧焊接、TIG焊接、硬釬焊、軟釬焊。當單獨利用磁脈沖焊接工藝時，所述環是用以將導線對保持到一起的主要功能部件。當與傳統的焊接工藝組合時，可以另外地如上所述那樣聯接導線對的端部。上述實施例只是說明性的實施方式，用以清楚地理解本發明原理。在不脫離權利要求范圍的情況下，可實現上述實施例的變型、修改和組合。所有這樣的變型、修改和組合均包含于本發明及所附權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種用于電動馬達的定子，包括定子線圈，所述定子線圈包括具有相應端部的導線對，所述相應端部利用環來至少部分地聯接，所述環定位于所述導線對的周圍并利用金屬聯接工藝而聯接到所述導線對。
2.如權利要求1所述的定子，其中，所述端部在接頭處被焊接到一起。
3.如權利要求1所述的定子，其中，所述環包括導電性內層。
4.如權利要求3所述的定子，其中，所述導電性內層通過所述金屬聯接工藝聯接到所述導線對。
5.如權利要求4所述的定子，其中，所述金屬聯接工藝包括將熱量施加給所述環以使所述導電性內層熔化。
6.如權利要求3所述的定子，其中，所述環包括絕緣性外層。
7.如權利要求1所述的定子，其中，所述環被配置成將所述導線對對準。
8.如權利要求1所述的定子，其中，所述金屬聯接工藝是磁脈沖焊接工藝。
9.一種裝配定子的定子線圈的方法，包括將環放置在所述定子線圈的導線對的端部上；并且用金屬聯接工藝將所述環聯接到所述導線對。
10.一種通過包括以下步驟的工藝來形成的定子的定子線圈，所述步驟為 將環放置在所述定子線圈的導線對的端部上；并且用金屬聯接工藝將所述環聯接到所述導線對。
全文摘要
本發明涉及電動馬達組件及與其聯接導線有關的系統和方法。具體地，提供了一種用于電動馬達的包括定子線圈的定子；所述定子線圈包含具有相應端部的導線對，利用環將所述相應端部聯接到一起。所述環定位在導線對的周圍，并通過金屬聯接工藝而聯接到導線對。
文檔編號H02K15/06GK102222986SQ20111009229
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月13日 優先權日2010年4月13日
發明者P. 斯派塞 J., S. 阿加皮歐 J., 王 P-C. 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司