CN102347660B - 定子中的多导体线圈 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定子中的多导体线圈，具体地，一种电机包括定子，定子绕轴线布置，与转子配准。定子具有平行于轴线的多个缝槽。提供具有大致矩形截面的多个线圈，每个线圈具有第一部分，第一部分相对于轴线布置在第二部分的径向内侧。多个线圈中的至少两个被至少部分地插入多个缝槽的每一个。多个缝槽的每一个中的多个大致矩形线圈降低定子中的电阻性损耗。

Description

定子中的多导体线圈

技术领域

本公开一般地涉及电机，包括具有定子的发电机和电动机，所述定子具有电线圈。

背景技术

诸如发电机的电机通常用于将机械能转换成电能。电机通常包括定子以及与其配准的转子。定子包括电线圈，其允许交流（“AC”）电流流过定子。转子相对于定子的运动导致AC电流运动通过线圈。诸如功率总线的电连接设置在线圈和各种部件之间，以允许电流在定子和充当负载的各种部件之间流动。

线圈中的AC电流所导致的结果是，线圈经受涡流损耗。涡流损耗由横槽通量（cross slot flux）引起，所述横槽通量由线圈中的AC电流感生。横槽通量流过线圈并且在线圈导体上产生涡流。结果，导体中的涡流增加了导体的有效电阻和电阻损耗。

发明内容

一种示例性电机包括定子，定子绕轴线布置，与转子配准。定子具有平行于轴线的多个缝槽。设置具有大致矩形截面的多个线圈，每个线圈具有第一部分，第一部分相对于轴线布置在第二部分的径向内侧。多个线圈中的至少两个被至少部分地插入多个缝槽的每一个。所述多个缝槽的每一个的所述多个线圈被对准而使得每个第一部分与同一缝槽的至少一个其他第一部分接触，从而形成与所述多个缝槽的每一个相关的内组，并且每个第二部分与同一缝槽的至少一个其他第二部分接触，从而形成与所述多个缝槽的每一个相关的外组。所述多个缝槽的每一个的内组连接到另一非相邻缝槽的外组。所述多个缝槽的每一个中的所述多个大致矩形线圈构造成降低所述定子中的电阻损耗。

一种示例性定子包括多个缝槽和多个线圈。每个线圈具有大致矩形截面并且包括在第二部分径向内侧的第一部分。所述多个缝槽的每一个包括至少部分地插入其内的所述多个线圈中的一对线圈，其中，所述一对线圈的每个第一部分接触并且形成内组，所述一对线圈的每个第二部分接触并且形成外组。每个缝槽具有绝缘体，所述绝缘体包括围绕所述内组的第一区段和围绕所述外组的第二区段。所述多个缝槽的每一个中的所述多个线圈构造成降低所述定子中的电阻损耗。所述定子还包括多个夹。所述多个缝槽的每一个的内组和另一非相邻缝槽的外组均与所述多个夹中的一个接触。所述多个夹构造成提供所述内组和所述外组之间的电连接。

一种示例性壳体组件，包括输入壳体，其围住绕轴线布置的定子。所述定子具有平行于所述轴线的多个缝槽。多个线圈的每一个具有大致矩形截面、第一部分和第二部分。所述第一部分相对于所述轴线布置在所述第二部分的径向内侧。所述多个线圈中的至少两个被至少部分地布置在所述多个缝槽的每一个中。所述多个缝槽的每一个中的所述多个线圈被对准而使得每个第一部分与同一缝槽的至少一个其他第一部分接触，并且每个第二部分与同一缝槽的至少一个其他第二部分接触。所述多个缝槽的每一个的至少一个第一部分连接到另一非相邻缝槽的至少一个第二部分。所述多个缝槽的每一个中的所述多个线圈降低所述定子中的电阻损耗。

一种用于降低定子中的涡流的方法包括提供具有多个缝槽的定子。具有大致矩形截面的至少两个线圈被至少部分地插入多个缝槽的每一个中，使得线圈沿缝槽的纵向边堆叠。所述线圈被定向为使得它们跨越缝槽的深度。至少两个矩形线圈被布置成使得至少部分地在同一缝槽中的每个线圈的所有第一部分在端部彼此接触，并且至少部分地在同一缝槽中的每个线圈的所有第二部分在端部彼此接触。每个缝槽的接触的第一部分与另一非相邻缝槽的接触的第二部分对准，使得被对准的第一部分和第二部分被电连接。

通过以下说明书和附图可以最好地理解本发明的这些及其它特征，其下面是简要说明。

附图说明

图1是示例性电机组件的示意图。

图2是示例性定子的透视图。

图3A是示例性线圈的透视图。

图3B是图3A的示例性线圈的关节（knuckle）部分的特写透视图。

图4是示例性定子的多个缝槽的透视图。

图5是缝槽的侧视截面图，带有图2的示例性定子的线圈。

图6是图2的示例性定子的一部分的特写透视图。

图7A是在缝槽中的示例性排列（alignment）中围绕线圈组的绝缘体的顶透视图。

图7B是在缝槽中的另一示例性排列中围绕线圈组的绝缘体的顶透视图。

图8是图2的示例性定子的顶透视图，其包括不在缝槽中的多个线圈部分。

图9是用于降低定子中的涡流的示例性方法。

具体实施方式

参见图1，示意性地示出了诸如发电机或辅助动力单元的示例性电机10。如图所示，电机10包括定子12，其与转子13配准。然而，使用任何缠绕的定子12和转子13布置以及使用具有更多部件或不同布置的电机10均在本公开的构想之内。电机由原动机15驱动，原动机15例如是用于航空航天应用的气体涡轮发动机。如图所示，轴17联接原动机15和转子13。然而，使用其他原动机和联接装置也在本公开的构想之内。在一个实施例中，壳体组件11包括输入壳体23，其围住电机10的各种部件。然而，包括更多部件和不同的布置的壳体组件也在本公开的构想之内。在一个示例中，输入壳体23围住定子12和转子13。轴17延伸到输入壳体23中以联接到转子13。如图所示，输入壳体23围住定子12和转子13。然而，输入壳体23围住更多的部件（例如热设备）以及壳体23部分地覆盖电机10，这也在本公开的构想之内。

参见图2，示例性定子12绕轴线14布置并且包括多个缝槽16和多个线圈18。如图7A中更详细示出的，多个线圈18的每一个具有大致矩形截面。在一个示例中，多个线圈18具有大致矩形截面而同时具有成圆形的角部。多个线圈18的每一个的至少一部分延伸到多个缝槽16的每一个中。多个缝槽16圆周地位于定子12的内圆周20周围。多个缝槽16延伸定子12的长度22，并且平行于轴线14。然而，使用其他长度和取向的缝槽16也在本公开的构想之内。

定子12包括许多跳跃连接件（jump connection）24，其与变流器26和相位出口27电连接，以提供定子12和另一部件或设备28之间的电连接。在一个示例中，示出了三对跳跃连接件24，一对中的每个跳跃连接件24分开180度。所述多对跳跃连接件24也可偏置120度，从而提供三相交流布置。然而，使用其他布置和数量的跳跃连接件24也在本公开的构想之内。

参见图3A和图3B，并继续参见图2，示例性线圈18包括关节30、第一部分32和第二部分34。关节30通过对线圈18的部分31进行扭转和弯曲来形成，以产生插入到定子的缝槽16中的端部。通过经由扭转和弯曲线圈18来产生关节30，形成了线圈18的分离的第一部分32和第二部分34。然而，即使线圈18在关节30处被扭转以产生一角度，允许第一部分32和第二部分34二者沿相同方向延伸，但第一部分32和第二部分34二者仍保持大致矩形截面。线圈18由导电材料制成，例如铜或其他类似的导电材料。

参见图4，并继续参见图2，示出了图2的定子12的一部分，并且移除了多个线圈18以更好地示出多个缝槽16。多个缝槽16具有深度19并且为了示意性目的而示出，以表示定子12中的多个缝槽16的放置和取向。

参见图5，并继续参见图2、3和4，多个线圈18至少部分地插入多个缝槽16中的每一个。多个线圈18被插入而使得关节30被首先插入并运动到每个缝槽16的底端40。每个线圈18的第一部分32和第二部分34二者位于同一个缝槽16中。每个线圈18的第一部分32相对于轴线14位于第二部分34的径向向内的位置。第一部分32和第二部分34二者从每个缝槽16的底端40延伸出来。在一个示例中，两个线圈18被插入每个缝槽16中。然而，每个缝槽16保持多于两个线圈18，这也在本公开的构想之内。

被插入每个缝槽16的至少两个线圈18被对准而使得至少两个线圈18之间没有间隔空间或者有最小的间隔空间。在多个缝槽16的每一个中，在同一个缝槽16中的每个线圈18的每个第一部分32被集合起来以形成内组46，并且在同一个缝槽中的每个线圈18的每个第二部分34被集合起来以形成外组48。

参见图6，并继续参见图2和图5，至少第一部分32的一部分和第二部分34的一部分延伸到多个缝槽16之外。当多个线圈18被部分地插入多个缝槽16时，圆周地围绕定子12形成了内组46的内环42以及外组48的外环44。

多个线圈18的每一个被围在非导电绝缘体50中。然而，在线圈18的不处于缝槽16中的端部52处，绝缘体50被除去以暴露出端部52，从而允许线圈18进行电接触。因此，暴露的端部52被构造成允许电流流过被连接的线圈18。另外，多个线圈18的一部分被多个缝槽16中的缝槽绝缘体60（下面进一步详细讨论）围绕。在一个示例中，缝槽绝缘体60是成形材料片，其部分地延伸高于缝槽16。

在一个示例中，绝缘片49被设置在内环42和外环44之间以提供进一步绝缘。绝缘片49在多个缝槽16外面在内环42和外环44之间被对准。如图所示，绝缘片49可从多个缝槽16的顶部延伸到暴露的端部52。然而，使用绝缘片49的其他排列和尺寸也在本公开的构想之内。绝缘片49提供内环42和外环44之间的额外绝缘，以防止至少部分地布置在同一缝槽16中的第一部分32和第二部分34接触。

跳跃连接件24设置在定子12周围的一些位置处，以提供电流离开定子12的路径。跳跃连接件24是导电的并且通过替换线圈18之一的第二部分34的一部分而被电连接到线圈18。在需要跳跃连接件24的地方，线圈18的第二部分34的暴露端部52被移除，并且跳跃连接件24被插入。跳跃连接件24被铜焊到其所结合的第二部分34的外组48的剩余第二部分34。如已知的，所述铜焊包括在填充金属与待结合的两个金属的表面之间形成冶金结合。然而，使用结合线圈18和跳跃连接件24的其他方法也在本公开的构想之内。通过将跳跃连接件24电连接到剩余第二部分34，跳跃连接件24能够从多个线圈18接收电流并且使电流流出定子12，如上所述。

参见图7A并继续参见图5，多个缝槽16各自包括围绕多个线圈18的绝缘体60。绝缘体60包括围绕每个缝槽16中的线圈18的内组46的第一区段72以及围绕每个缝槽16中的线圈18的外组48的第二区段74。在该示例中，内组46和外组48的每一个中的线圈18被对准而使得每个线圈18的矩形截面的纵向边76或长边是接触的。在该示例中，纵向边76被对准成大致平行于定子12的内圆周20。

多个线圈18维持由成对的相对边76、78限定的大致矩形截面。一对中的每个边76、78彼此平行并且分别垂直于相对的一对的每个边78、76。如图所示，多个线圈18维持大致矩形截面，而同时具有成圆形的角部，所述角部连接相对的成对边76、78。多个线圈以不改变相对的成对边76、78的排列的其他布置来维持大致矩形截面，这也在本公开的构想之内。

参见图7B并继续参见图5和图7A，多个缝槽16各自包括围绕多个线圈18的绝缘体60。绝缘体60包括围绕每个缝槽16中的线圈18的内组46的第一区段72以及围绕每个缝槽16中的线圈18的外组48的第二区段74。在一个示例中，内组46和外组48的每一个中的线圈18被对准而使得每个线圈18的大致矩形截面的非纵向边78或短边是接触的。在该示例中，非纵向边78被对准成大致平行于定子12的内圆周20。

参见图8并继续参见图2和图4，示出了线圈18的位于多个缝槽16上面的部分。由于每个线圈18延伸到缝槽16之外，线圈沿着大致与定子12的内圆周20对准的方向弯曲。多个线圈18的每一个的第一部分32位于多个线圈18的每一个的第二部分34的径向内侧。第一部分32和第二部分34沿相反方向弯曲，以允许非相邻的第一部分32和第二部分34对准。非相邻的第一部分32和第二部分34的对准允许连续的电流流过线圈18，而不使线圈18短路。

内组46和外组48由同一缝槽16所共有的多个线圈18形成。在一个示例中，内组46是一对第一部分32，并且外组48是一对第二部分34。然而，其他数量的第一部分32和第二部分来构成内组46和外组48，这也在本公开的构想之内。外组48和内组46的暴露端部52被对准而使得每个内组46被电联接到来自非相邻缝槽16的外组48。被对准的内组46和外组48在暴露端部52铜焊到一起，以形成电联接。

在一个示例中，铜焊夹62用于帮助电连接内组46和外组48。铜焊夹62由导电材料制成，并且允许电流在内组46和外组48之间流动。铜焊夹62可以是H夹，如图所示。然而，基于内组46和外组48的排列而使用其他构造的夹也在本公开的构想之内。在一个示例中，铜焊夹62是铜合金的。铜焊夹62的使用导致内组被电学地且物理地夹持到外组，以允许线圈18之间的电流流动。

在操作中，由转子13的旋转而产生的电流流过定子12中的多个线圈18。具有大致矩形截面的线圈18允许多个线圈18更加高效地填充多个缝槽，比其他导体更加完全地填充所述缝槽。结果，缝槽16尺寸被减小，并且定子12的总重量被减小。

线圈18中的在缝槽中流动的AC电流产生时变的磁漏通量。该漏通量流过缝槽16的宽度。该漏通量在线圈18的表面中感生出涡流，这增大了线圈18的有效电阻和电阻损耗。由涡流引起的对于电阻损耗的损耗增大被称为涡流损耗。涡流损耗与线圈18的纵向边78的平方、AC电流的频率的平方以及单元中的磁通量的平方成比例。通过使用多个导体，所感生的涡流可行进的表面得以在纵向边76上减小，因而减小了总的有效电阻。有效电阻的减小以及涡流损耗还防止产生额外的热量，从而降低定子12中的冷却要求。

参见图9，一种用于降低定子中的涡流损耗或有效电阻的方法包括提供具有多个缝槽的定子（步骤102）。具有矩形截面的至少两个线圈18被插入多个缝槽的每一个中，使得线圈沿缝槽的纵向边堆叠（步骤104）。至少两个线圈被定向为使得至少两个线圈跨越缝槽的深度（步骤106）。至少两个线圈至少部分地布置在每个缝槽中，使得同一缝槽中的每个线圈的所有第一部分在端部彼此接触，而同一缝槽中的每个线圈的所有第二部分也在端部彼此接触（步骤108）。每个缝槽的接触的第一部分与另一非相邻缝槽的接触的第二部分对准，使得被对准的第一部分和第二部分被电连接（步骤110）。

尽管已公开了优选的实施例，但本领域普通技术人员会认识到在本公开的范围内可进行一定修改。为此，应研究所附权利要求以确定本公开的真实范围和内容。

Claims (17)

1.一种电机，包括：

转子；

定子，所述定子绕轴线布置并且具有平行于所述轴线的多个缝槽，所述定子与所述转子配准；和

多个线圈，

所述多个线圈的每一个具有大致矩形截面，

第一部分，和

第二部分，所述第一部分相对于所述轴线布置在所述第二部分的径向内侧，

其中，所述多个线圈中的至少两个被至少部分地布置在所述多个缝槽的每一个中，

其中，所述多个缝槽的每一个中的所述多个线圈被对准而使得每个第一部分与同一缝槽的至少一个其他第一部分接触以形成所述多个缝槽的每一个共有的内组，并且每个第二部分与同一缝槽的至少一个其他第二部分接触以形成所述多个缝槽的每一个共有的外组，

其中，所述多个缝槽的每一个的内组连接到另一非相邻缝槽的外组，并且所述多个缝槽的每一个中的所述多个线圈降低所述定子中的电阻性损耗，所述多个线圈的每一个的第一部分和第二部分至少部分位于同一个缝槽中。

2.如权利要求1所述的电机，还包括至少一个绝缘体，每个绝缘体包括至少部分地围绕所述内组的第一区段和围绕所述外组的第二区段，所述绝缘体延伸所述缝槽的长度并且构造成防止所述内组和所述外组之间的接触。

3.如权利要求2所述的电机，其中，所述内组的多个第一部分和所述外组的多个第二部分中的至少一个被对准而使得一组中的所述多个部分的纵向边接触，所述纵向边大致垂直于所述定子的内圆周。

4.如权利要求2所述的电机，其中，所述内组的多个第一部分和所述外组的多个第二部分中的至少一个被对准而使得一组中的所述多个部分的非纵向边接触，所述非纵向边大致与所述定子的内圆周对准。

5.如权利要求1所述的电机，其中，所述电机构造成用于航空航天应用。

6.如权利要求1所述的电机，其中，与所述多个缝槽的每一个相关的内组在暴露的端部处电连接到另一非相邻缝槽的外组。

7.如权利要求6所述的电机，其中，跳跃连接器替换至少一个外组中的第二部分的暴露端部。

8.如权利要求6所述的电机，其中，所述内组被电学地且物理地夹持到所述外组。

9.如权利要求8所述的电机，其中，所述内组通过铜焊与所述外组接触。

10.如权利要求6所述的电机，其中，夹与所述内组和所述外组二者接触，所述夹构造成提供所述内组和所述外组之间的电连接。

11.一种定子，包括：

多个缝槽；

具有大致矩形截面的多个线圈，每个线圈包括在第二部分径向内侧的第一部分，所述多个缝槽的每一个包括至少部分地插入其内的所述多个线圈中的一对线圈，其中，所述一对线圈的每个第一部分接触并且形成内组，所述一对线圈的每个第二部分接触并且形成外组，其中，所述多个缝槽的每一个具有绝缘体，所述绝缘体包括围绕所述内组的第一区段和围绕所述外组的第二区段，所述多个缝槽的每一个中的所述多个线圈构造成降低所述定子中的电阻性损耗；和

多个夹，其中，所述多个缝槽的每一个的内组和另一非相邻缝槽的外组均与所述多个夹中的一个接触，所述多个夹构造成提供所述内组和所述外组之间的电连接，所述多个线圈的每一个的第一部分和第二部分至少部分位于同一个缝槽中。

12.如权利要求11所述的定子，其中，所述多个线圈的每一个的内部和外部均具有暴露端部，所述内组和外组在所述暴露端部处通过所述多个夹中的一个被电连接。

13.如权利要求11所述的定子，其中，所述内组的多个第一部分和所述外组的多个第二部分中的至少一个被对准而使得一组中的所述多个部分的纵向边接触，所述纵向边大致对准到所述定子的内圆周。

14.如权利要求11所述的定子，其中，所述多个缝槽的每一个中的每一对线圈在暴露端部被铜焊。

15.如权利要求11所述的定子，其中，部分地插入所述多个缝槽的每一个中的内组形成围绕所述定子圆周地对准的内环，并且部分地插入所述多个缝槽的每一个中的外组形成围绕所述定子圆周地对准的外环。

16.如权利要求15所述的定子，其中，绝缘片被设置在所述内环和所述外环之间，高于所述多个缝槽。

17.一种用于降低定子中的涡流的方法，包括：

将具有大致矩形截面的至少两个线圈至少部分地插入定子的多个缝槽的每一个中，使得所述线圈沿所述缝槽的纵向边堆叠；

使至少两个线圈定向为使得至少两个线圈跨越所述缝槽的深度；

将所述至少两个线圈至少部分地布置在每个缝槽中，使得同一缝槽中的每个线圈的所有第一部分在端部彼此接触，并且同一缝槽中的每个线圈的所有第二部分在所述端部彼此接触；以及

使每个缝槽的接触的第一部分与另一非相邻缝槽的接触的第二部分对准，使得被对准的第一部分和第二部分被电连接，所述至少两个线圈的每一个的第一部分和第二部分至少部分位于同一个缝槽中。