CN101442226B - 定子缠绕方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定子缠绕方法和设备，其中定子组件包括定子芯和至少一导线束。定子芯具有第一端部、第二端部以及从第一端部延伸到第二端部的若干狭槽。导线束包括若干独立的绝缘导线。至少一导线束的至少一部分从若干狭槽之一的第一端部延伸到第二端部。将上述至少一部分在上述一个狭槽内扭曲预定量，以便使得沿着至少一部分内的若干独立绝缘导线的循环电流最小化。

Description

定子缠绕方法和设备

本申请要求于2007年11月15日提交的美国临时专利申请No.60/988,282的优先权。

技术领域

本申请涉及用于电机的定子，以及更具体地涉及用于电机定子的缠绕方法。

背景技术

电动机和发电机包括旋转的转子和固定的定子。定子通常包括若干绕组，并且每一绕组可相应于一束导线。即使在一束导线中的每一导线是绝缘的，但是该束导线仍会在其内存在循环电流，上述是不希望的。循环电流与电动机或发电机工作频率的平方成比例。因此当电动机或发电机的转子高速旋转时循环电流是成问题的。

发明内容

定子组件包括定子芯和至少一导线束。定子芯具有第一端部、第二端部以及从第一端部延伸到第二端部的若干狭槽。导线束包括若干独立的绝缘导线。至少一导线束的至少一部分从若干狭槽中一个狭槽的第一端部延伸到第二端部。将上述至少一部分在上述一个狭槽内扭曲预定量，以便使得沿着上述至少一部分内的若干独立绝缘导线的循环电流最小化。

形成定子组件的方法包括将若干独立的绝缘导线分组成导线束，将导线束的一部分放置在从定子芯第一端部延伸到定子芯第二端部的定子芯狭槽内，以及扭曲导线束，这样将上述部分在定子芯狭槽内扭曲预定量，以便使得沿着上述部分内的若干独立绝缘导线的循环电流最小化。

从下述说明和附图可以更好地理解本发明的这些和其它特征，下面是简要说明。

附图说明

图1示意示出定子电路；

图2示意示出定子芯；

图3示意示出执行图1定子电路的缠绕方案；

图4a示意示出定子芯狭槽的第一视图，该狭槽包括一部分，该部分具有两个导线束；

图4b示意示出图4a定子芯狭槽和导线束部分的第二视图；

图4c示意示出在扭曲预定量之后的图4a的导线束部分；

图5a示意示出定子芯狭槽，该狭槽包括四部分，每部分具有两个导线束；

图5b示意示出定子芯狭槽，该狭槽包括一部分，该部分示例性地具有两股绞合线导线束；

图6示意示出通过将若干线圈插入图2定子芯内形成定子组件的方法；

图7示出关于图6方法的效率改进；

图8示出对于处于若干频率下的电流各个相位的循环损失系数；

图9示意示出压缩机电机。

具体实施方式

图1示意示出定子电路10，其包括处于所谓“双星”形式的若干线圈12，14，16，18，20，22。线圈12和线圈18并联耦合成一对，线圈14和线圈20并联耦合成一对，以及线圈16和线圈22并联耦合成一对。在一个实例中，每一对相应于电机中的交流(“AC”)相位。

图2示意示出圆柱形定子芯30，其具有第一端部32和第二端部34。在一个实例中，第一端部32相应于定子芯30的下端，以及第二端部34相应于定子芯30的上端。中心轴线35沿着定子芯30的中心轴向延伸。定子芯30具有限定内周缘表面38的中央开口。定子芯30包括若干狭槽36，上述狭槽形成在从第一端部32延伸到第二端部34的内周缘表面上并且平行于中心轴线35。在一个实例中，每一狭槽36具有第一狭槽部分37和第二狭槽部分39(见图4b)，其中第一狭槽部分37更接近定子芯30的外周缘表面41，以及第二狭槽部分39更接近定子芯30的内周缘表面38。虽然图2的定子芯30包括三十六个狭槽36，但是可以理解还可利用其它数量的狭槽，并且每一狭槽的几何形状可变化。如图3中所示，狭槽36被单独用标为S1-S36。

图3示意示出示例性的缠绕方案40，其利用导线束60(图4a-c，5)在定子芯30上执行定子电路10，每一导线束包括若干绝缘导线62(见图4a)。利用单独的绝缘导线62有助于在使用较粗导线(例如，如果导线束由单根较粗电线形成)时将会发生的不希望的涡流最小化。图3的示例性缠绕方案40将线圈12，14和16放置在若干狭槽36的第一狭槽部分37内，并且将线圈18，20和22放置在若干狭槽36的第二狭槽部分39内。在一个实例中，若干绝缘导线62的每一根具有瓷漆绝缘涂层。在一个实例中，在导线束60内的若干绝缘导线62的每一根并联电耦合。

参照图3，并且将线圈12用作实例，线圈12在定子芯30的第一端部32处进入狭槽S1，在定子芯30的第二端部34处离开狭槽S1，在定子芯30的第二端部34处进入狭槽S16，在定子芯30的第一端部32处离开狭槽S16，然后在定子芯30的第一端部32处进入狭槽S2以形成线圈部分42a的第一线匝(见图2)。这些步骤可以重复从而线圈部分42a包括若干线匝。一旦完成线圈部分42a，重复如图3所示的程序以形成若干线圈部分42b-f，这样线圈12具有预定量的线圈部分。虽然对于线圈12而言缠绕方案40包括六个线圈部分(部分42a-f)，但是可以理解可以使用其它数量的部分。以类似的方式形成其它线圈14-22以便具有六个部分。但是，如上所述，还可使用其它数量的部分。在一个实例中，线圈形成的顺序是12，22，14，18，16和20。但是，可以理解线圈12-22可以其它顺序形成。如图3中所示，线圈12，14和16存在于若干狭槽36的第一狭槽部分37内，以及线圈18，20和22存在于若干狭槽36的第二狭槽部分39内。

此外，如图3中所示，诸如狭槽S19-S21的一些狭槽包括多个线圈部分。为了将多个线圈容纳在单一狭槽内，可以使用绝缘分隔层64(见图4a-c)。还可利用分隔层64来进一步使得沿着定子芯30的第一端部32和第二端部34的线圈绝缘。在一个实例中，每一线圈部分4a-f包括一至四个线匝，并且每一狭槽具有处于第一狭槽部分37和第二狭槽部分39内的一部分导线束60，这样每一狭槽36包括二至八个线匝。

图6示意示出在定子芯30上形成若干线圈12-22的方法100。导线束60的一部分61(图2)放置在定子芯30的第一狭槽36内(步骤102)。然后扭曲导线束60，这样将部分61在第一狭槽内扭曲预定量(步骤104，图4c)。但是，可以理解可在将其插入到狭槽36内之前将导线束60扭曲预定量。在一个实例中，预定量为360度。在一个实例中，预定量是360度的倍数。当然可以使用其它的预定量。导线束60的第二部分63(图2)插入到另一狭槽内(步骤106)，然后扭曲导线束60，这样将第二部分63扭曲预定量(步骤108)。接着可重复步骤102-108(步骤110)以便形成具有希望数量线匝的线圈部分。接着可重复步骤102-110(步骤111)以便形成具有希望数量线圈部分的线圈。接着可重复步骤102-111(步骤112)以便在定子芯30上形成希望数目的线圈。

图4a-c示意示出导线束60a，60b，每一导线束相应于单束的绝缘导线62，这样狭槽36a的第一部分37包括导线束60a的单一部分，以及狭槽36a的第二部分39包括导线束60b的单一部分。图5a示出定子芯狭槽36b，其包括导线束60c的四个部分以及导线束60d的四个部分。在图5a的实例中，导线束60c，60d包括较少的绝缘导线62，这样狭槽36b可容纳每一导线束60c，60d的四个线匝。当然，可以使用其它数量的线匝。

图5b示出定子芯狭槽36c，该狭槽包括一部分，该部分示例性地具有两股绞合线导线束66a，66b。每一导线束66a，66b包括绝缘导线62的若干离散束68。如上所述，在步骤104中，将导线束60的一部分61扭曲预定量(第一预定量)。在图5b的实例中，在将导线束66扭曲第一预定量之前将每一离散束68扭曲第二预定量。在一个实例中，第二预定量是360度。在一个实例中，第二预定量是360度的倍数。在一个实例中，在每一离散束68中的绝缘导线62并联电耦合。

图7示出关于图6方法的效率改进。图7包括表70，其将利用方法100形成的第一导线束72(见图4c)、未扭曲的第二导线束74(见图4a)、以及未扭曲但包括已经扭曲的离散束的第三导线束76(见图5)进行比较。如图7所示，对于利用方法100形成的导线束72而言平均的循环电流损失系数78是最低的。可通过下述等式来确定循环损失系数：

$k_{\mathrm{cc}}=N_s\frac{\underset{n=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\underset{\‾}{i}}_n\right|}^2}{{\left|\underset{n=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}{\underset{\‾}{i}}_n\right|}^2}=\frac{P_{\mathrm{cc}}}{P_{\mathrm{ed}}}$     等式#1

其中Kcc是循环损失系数；

Ns是在导线束中平行股的数目；

I_n是在第n股中电流的复值；

Pcc相应于存在循环电流的情形；以及

Ped相应于电流总和被导线束中各股之间均分的情形。

作为对照点，1.0的损失系数(其中Pcc＝Ped)相应于零循环损失。但是，如果Pcc>Ped，那么损失系数将大于1.0，指示非零循环损失。

图8示出对于处于若干频率下的电流各个相位的循环损失系数。相位U90相应于线圈12和18并联连接，相位V92相应于线圈14和20并联连接，以及相位W94相应于线圈16和22并联连接。在该实例中，每一相位具有两个线圈，并且每一线圈具有并联的一百根导体或股线。图8还包括对于所有相位90-94的平均循环损失系数96。如图8所示，当频率增加时循环损失系数趋于增加。

图9示意示出压缩机电机80，其是用于定子芯30一个实例。在一个实例中，电机80在20,000-100,000rpm、100-600kw和400-690V的范围下运行。电机80包括由气隙84分隔开的实心钢转子82和定子芯83。在一个实施例中，定子芯83包括若干狭槽，上述狭槽至少部分由0.2-0.35毫米(0.079-0.0014英寸)之间厚度的薄层压件形成。在一个实例中，气隙84为1-4毫米(0.04-0.16英寸)厚。若干绕组86在定子芯82上形成线圈。这些线圈可以是上述中的任意线圈，并且可相应于如图4a-c和图5所示的导线束60，66。外壳88罩盖转子82、定子芯83和绕组86。可以理解，转子80还可设计成作为发电机运行，并且因此可认为是电机。

虽然已经公开了本发明的优选实施例，但是本领域的那些普通技术人员将认识到特定变型将落入本发明的范围内。因为上述原因，应该研究下面的权利要求，以确定真正的保护范围和本发明的内容。

Claims (15)

1.定子组件，包括：

定子芯，其具有第一端部、第二端部以及从第一端部延伸到第二端部的若干狭槽；以及

至少一个导线束，其包括若干独立的绝缘导线，其中至少一导线束的至少一部分从若干狭槽中一个狭槽的第一端部延伸到第二端部，以及其中将所述导线束的至少一部分在所述一个狭槽内扭曲预定量，以便使得沿着至少一部分内的若干独立绝缘导线的循环电流最小化，

其中所述导线束的至少一部分包括若干导线束部分，其中每一部分插入到若干狭槽之一内以形成具有若干线圈部分的线圈，每一线圈部分具有至少一个线匝，并且其中至少一个导线束包括独立绝缘导线的若干离散束，其中在将至少一个导线束的部分扭曲预定量之前将每一离散束单独扭曲。

2.根据权利要求1所述的定子组件，其中所述若干导线束部分包括十二个导线束部分，上述十二个导线束部分放置在十二个不同的狭槽内，并且十二个导线束部分的每一部分在十二个狭槽的每一狭槽内扭曲预定量以形成具有六个线圈部分的线圈。

3.根据权利要求2所述的定子组件，其中每一线圈部分包括导线束的至少一个线匝。

4.根据权利要求2所述的定子组件，其中每一线圈部分包括导线束的两个、三个或四个线匝。

5.根据权利要求1所述的定子组件，其中预定量是至少360度。

6.根据权利要求1所述的定子组件，其中定子芯是圆柱形的，并且其中狭槽沿着定子芯的内周缘表面延伸，并且平行于定子芯的中心轴线。

7.根据权利要求1所述的定子组件，其中至少一个导线束包括若干导线束，每一导线束相应于由定子组件产生的交流电流相位。

8.根据权利要求1所述的定子组件，其中至少一个导线束包括若干对导线束，其中每一对导线束相应于与定子组件相关联的交流电流相位，并且其中每一对导线束包括并联连接的至少两个导线束。

9.根据权利要求1所述的定子组件，其中若干独立绝缘导线中每一导线具有瓷漆绝缘涂层。

10.根据权利要求1所述的定子组件，其中定子组件与电机相关联，该电机可运行以产生具有400-690伏特范围的电压以及产生具有100-600千瓦范围的功率，电机具有在每分钟20,000-100,000转之间旋转的转子。

11.形成定子组件的方法，包括：

将若干独立绝缘导线分组成导线束，其中导线束包括独立绝缘导线的若干离散束，并且其中在将导线束的至少一部分扭曲预定量之前将每一离散束单独扭曲；

将导线束的上述部分放置在从定子芯第一端部轴向延伸到定子芯第二端部的定子芯狭槽内，

这样将导线束的上述部分在定子芯狭槽内扭曲预定量，以便使得沿着上述部分内若干独立绝缘导线的循环电流最小化。

12.根据权利要求11所述的方法，其中将若干独立绝缘导线分组成导线束的所述步骤包括：

扭曲第一若干独立绝缘导线以形成第一离散的导线束；

扭曲第二若干独立绝缘导线以形成第二离散的导线束；

扭曲第三若干独立绝缘导线以形成第三离散的导线束；以及

将第一离散的导线束、第二离散的导线束以及第三离散的导线束分组在一起，以提供组合的导线束。

13.根据权利要求11所述的方法，其中将导线束的上述部分放置在从定子芯第一端部轴向延伸到定子芯第二端部的定子芯狭槽内的所述步骤包括：

a)将导线束的第一部分插入到第一定子芯狭槽内；

b)扭曲导线束，这样将第一部分在第一定子芯狭槽内扭曲预定量；

c)将导线束的第二部分插入到第二定子芯狭槽内；以及

d)扭曲导线束，这样将第二部分在第二定子芯狭槽内扭曲预定量。

14.根据权利要求13所述的方法，包括在同一定子芯狭槽内选择性重复步骤(a)-(d)，以形成具有希望数量线匝的线圈。

15.根据权利要求13所述的方法，包括在不同的定子芯狭槽内选择性重复步骤(a)-(d)，以形成具有希望数量线圈部分的线圈。