CN102957222A

CN102957222A - 具有由不同导体材料形成的相绕组的多相机电机器和定子

Info

Publication number: CN102957222A
Application number: CN2011102401915A
Authority: CN
Inventors: V·P·法戈; P·曹; S·刘; P·陈
Original assignee: Emerson Electric Co
Current assignee: Copland Vortex Compressor Co.,Ltd.
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2031-08-19
Also published as: ITMI20121431A1; MX2012009505A; KR101843587B1; CN102957222B; KR20130020583A

Abstract

本发明涉及具有由不同导体材料形成的相绕组的多相机电机器和定子。一种用于多相机电机器的定子，定子包含定子芯和定位在定子芯周围的绕组。绕组至少包含第一相绕组和第二相绕组。第一相绕组用至少一种不在第二相绕组中存在的电导体材料制成。

Description

具有由不同导体材料形成的相绕组的多相机电机器和定子

技术领域

本公开涉及多相机电机器(dynamoelectric machines)和定子，其具有由一种或多于一种的不同电导体材料形成的相绕组。

背景技术

本节提供与本公开有关的背景信息，其并不必然为现有技术。

例如电动机和发电机的机电机器将电能转换为机械能，或者反之。

电动机可分为两种类型：单相电动机和多相电动机。单相电动机由单相AC电源驱动，而多相电动机由多相AC电源驱动，其典型地为三相AC电源。出于本公开的目的，由单相AC电源驱动的电动机为单相电动机，即使电动机包含多个绕组，例如主绕组和辅助/启动绕组。

多相电动机和发电机具有多个(典型地为三个)相绕组。传统而言，相绕组由铜(包括铜合金)制成。最近，相绕组已经由铝(包括铝合金)制成，以便减小多相电动机的成本。这是因为铜相比于铝成本相对较高。还知道，用铜和铝二者制成各个相绕组，以便实现希望的性能特性，同时，使得各个相绕组中使用的铜的量最小化。再一次地，做到这一点以减小电动机的总体成本，由于铜相比于铝相对较高的成本。

发明内容

本节提供了对本公开的一般概括，并非对其全部范围或全部其特征的全面公开。

根据本公开一实施形态，用于多相机电机器的定子包含定子芯和定位在定子芯周围的绕组。绕组至少包含第一相绕组和第二相绕组。第一相绕组用不在第二相绕组中存在的至少一种电导体材料制成。

由这里提供的介绍，将会明了进一步的实施形态和应用范围。下面提供的说明和特定实例仅仅出于说明性目的，不是为了对本公开的范围进行限制。

附图说明

这里介绍的附图仅仅出于对所选实施例而不是所有可能的实施方式进行说明的目的，并非旨在对本公开的范围进行限制。

图1为根据本公开一示例性实施例的多相机电机器的定子的平面图；

图2A和2B为每相具有仅仅一个电导体的示例性定子的电路图；

图3A和3B为每相具有相同数量的电导体的示例性定子的电路图；

图4A-4C为每相具有不同数量的电导体的示例性定子的电路图；

图5为根据本公开另一示例性实施例的多相电动机的平面图；

图6为根据本公开另一示例性实施例的压缩机的框图；

贯穿几幅附图，对应的参考标号表示对应的部件。

具体实施方式

现在将参照附图更为全面地介绍示例性实施例。

提供示例性实施例，使得本公开将更全面，并向本领域技术人员充分传达其范围。许多具体细节作为例如特定部件、装置、方法的示例给出，以便提供对本公开的实施例的全面理解。本领域技术人员将会明了，不需要使用特定的细节，示例性实施例可以以多种不同的形式实现，特定的细节和示例性实施例均不应被看作对本公开的范围进行限制。在某些示例性实施例中，公知的过程、公知的装置结构以及公知的技术不再详细介绍。

这里所用的术语仅仅出于介绍特定示例性实施例的目的，不是为了进行限制。如这里所用的，单数形式“一”、“一个”、“该”可用于包括复数形式，除非上下文明确地另有指出。术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”是包括性的，因此明确了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多于一个的其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或附加。这里介绍的方法步骤、过程和操作不应被看作必须要求其以所讨论或示出的特定顺序执行，除非明确地识别为执行顺序。还应明了，可使用附加的或替代性步骤。

当元件或层被称为“在另一元件或层之上”，“接合到”，“连接到”或“耦合到”另一元件或层时，其可直接在所述另一元件或层之上，接合到、连接到或耦合到所述另一元件或层，或者，可存在中间元件或层。形成对比的是，当元件被称为“直接在另一元件或层之上”，“直接接合到”，“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或层时，可不存在期间的元件或层。用于描述元件之间关系的其他措辞应当以类似的方式解释(例如“在......之间”vs“直接在......之间”，“邻近”vs“直接邻近”，等等)。这里使用的用语“和/或”包括一个或多于一个的所关联的所列项目的任何以及全部组合。

尽管可能在这里使用用语“第一”、“第二”、“第三”等等描述多个元件、部件、区域、层和/或扇区，这些元件、部件、区域、层和/或扇区不应受到这些用语的限制。这些用语仅仅用于将一个元件、部件、区域、层或扇区与另一个区域、层或扇区区分开来。在这里的例如“第一”、“第二”及其它数字用语并不蕴含顺序或次序，除非上下文明确地另有指出。因此，在不脱离示例性实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或扇区可称为第二元件、部件、区域、层或扇区。

在这里，可能为方便说明起见而使用空间相对用语，例如“内”、“外”、“在......之下”“下方”、“下面”、“上方”、“上面”等，以说明如图所示一个元件或特征与另一元件或特征的关系。除了图中所示的方位以外，方位相对用语可包括使用或操作中的装置的不同方位。例如，如果图中的装置被翻转，被称为在其它元件或特征的“下面”或“下方”的元件于是将被定位在所述其它元件或特征的“上方”。因此，示例性的用语“下方”可包括上方和下方两种定位。装置可以以其他的方式定位(旋转90度或以其他的方位)，可对这里使用的方位相对描述相应地进行解释。

根据本公开的一个示例性实施例用于三相机电机器的定子在图1中示出，并一般地用参考标号100表示。如图1所示，定子100包含定子芯102和定位在定子芯102周围的几个相绕组，包括第一相绕组104、第二相绕组106、第三相绕组108。第一相绕组104用不在第二相绕组106中存在的至少一种电导体材料制成。例如，第一相绕组104可包括铜，第二相绕组106可用不包括铜的一种或多于一种的电导体材料制成。

通过在第一相绕组中使用不在第二相绕组中存在的电导体材料，定子100——或包含定子100的机电机器——可具有希望的属性(例如效率和材料成本)组合，该属性组合不能用在各个相绕组中使用同样的电导体材料的传统定子获得。

在图1的示例性实施例中，定子芯102被示为具有仅仅三个凸极。在其它实施例中，可使用附加的凸极(且优选为使用附加的凸极)。在这种情况下，各个相绕组104-108可包括绕卷在两个或多于两个凸极周围的两个或多于两个的线圈。另外，特定的相绕组使用的电导体材料可依赖于在定子线圈102周围的其线圈的位置和/或数量。各个线圈包含一个或多于一个的匝，各个线圈的匝数可与其他线圈相同或不同。

在某些实施例中，相绕组104-108各自包含仅仅一个电导体。例如，如图2A所示，第一相绕组104可用包含铜(例如铜线)的仅仅一个电导体制成，而第二相绕组106和第三线绕组108各自可用包含铝(例如铝线)的仅仅一个电导体制成。图2B示出了另一示例性配置，其中，第一相绕组104和第三相绕组108可各自用包含铜的仅仅一个电导体形成，而第二相绕组106可用包含铝的仅仅一个电导体形成。在图2A和2B中，第一相绕组104包含不在第二相绕组106中存在的至少一种电导体材料(即铜)。

或者，一个或多于一个的相绕组104-108可包含两个或多于两个的并联连接的电导体。另外，第一相绕组104可具有与第二以及第三相绕组106、108同样数量的电导体。例如，图3A示出了一种示例性实施例，其中，各个相绕组104-108包含两个并联连接的电导体。特别地，第一相绕组104用包含铜的两个电导体形成，而第二和第三相绕组106、108各自用包含铝的两个电导体形成。类似地，在图3B所示的实例中，各个相绕组104-108包含三个并联连接的电导体。特别地，第一与第三相绕组104、108各自由包含铜的三个电导体形成，而第二相绕组106由包含铝的三个电导体形成。在图3A与3B中，第一相绕组104包含至少一种不在第二相绕组106中存在的电导体材料(即铜)。

在图2、3所示的实例实施例中，第一相绕组104完全用第一电导体材料(例如铜线)制成，第二相绕组106完全用不同于第一电导体材料的第二电导体材料(例如铝线)制成。

图4A-4C示出了另外的示例性实施例，其中，第一相绕组104具有与第二或第三相绕组106、108不同数量的电导体。在图4A的示例性实施例中，第一相绕组104由两个并联连接的电导体形成，包括包含铜的第一电导体和包含铝的第二电导体。相反，第二和第三相绕组106、108各自由包含铝的单个电导体形成。图4B示出了具有与图4A的实例相同配置的另一示例性实施例，除了图4B中的第三相绕组由包含铝而不是铜的导体构成以外。在图4C的示例性实施例中，第一与第三相绕组104、108各自由并联连接的两个电导体构成，包括包含铜的第一电导体和包含铝的第二电导体。相反，第二相绕组106由包含铜的单个电导体构成。在图4A-4C中，第一相绕组104包含在第二相绕组106中不存在的至少一种电导体材料(即图4A和4B中的铜，图4C中的铝)。

第三相绕组108(当使用时)可具有与第一相绕组104或第二相绕组106相同的构造(即同样的电导体数量和类型)。或者，第三相绕组108可具有独特的配置，其不同于第一相绕组104和第二相绕组106。图4B为具有独特构造的第三相绕组108的一个实例。

在任何给定的实施例中，各个电导体的尺寸或线规可与同一相绕组(如果适用的话)或其他相绕组中的其他电导体的尺寸和线规相同或不同。一般而言，任何特定导体的尺寸或线规可依赖于导体及其相关联的相绕组的希望的电阻和/或阻抗、导体在定子芯上的位置、堆叠的定子叠层(当适用时)的“堆叠高度”、定子叠层(当使用时)的设计、机器的尺寸、预期应用场合和/或其他的考虑。在许多实施例中，各个电导体的尺寸可在从大约19AWG和大约14AWG的范围内。

进一步参照图1，定子芯102可使用任何合适的材料用任何合适的方式形成。例如，定子芯102可使用分段或不分段的构造，并可包含堆叠在一起的多个叠层。叠层可用钢、铸铁、铝或其他合适的材料形成。

定子100的尺寸可对于任何给定的应用合适地选择。在某些实施例中，定子100具有大约5.3英寸(13.5cm)和大约7.1英寸(18cm)之间的直径。在一个特定的实施例中，定子100具有大约6.3英寸(16cm)的直径。

尽管上面介绍的示例性实施例使用了包含铜或铝的电导体，应当明了，可使用其他已知电导体材料，包括银、金、钙、铍、钨等。另外，本公开的教导也可使用将来(即当前未知的)的电导体材料来应用。

在图2-4所示的示例性实施例中，相绕组104-108以Y形配置连接。或者，相绕组可以以Δ形配置连接。

还应明了，尽管图1-4示出了用于三相机器的定子。本公开的教导适用于具有更多或更少相绕组的任何多相机器，包括具有仅仅两个相绕组的定子(例如用于两相电动机)。

在本公开的任何给定实施例中，第一相绕组的电阻可在实质上与第二相绕组的电阻和/或第三相绕组的电阻不同。例如，第一相绕组的电阻可与第二相绕组的电阻不同达大于百分之十(10％)。然而，优选为，第一相绕组的电气阻抗将实质上与第二相绕组的电气阻抗和/或第三相绕组的电气阻抗(例如在其百分之十(10％)之内)相同。结果，当例如定子在由平衡电源供能的电动机中使用时，任何两个相之间的电流不平衡可不大于百分之十(10％)。

图5示出了根据本公开另一示例性实施例的多相电动机200。电动机200包含耦合到电动机轴206的转子204以及定子202。转子204可具有任何合适的构造。例如，转子204可使用鼠笼、滑环、实心芯或其他合适的构造。另外，转子204可由定子202围绕，如图5所示。或者，转子可被配置为在定子周围延伸(即，有时称为“外转子”或“反转”电动机)。

定子202可使用上面提到的和/或图1-4所示配置中的任何一种。优选为，定子包含三个相绕组，每个相绕组具有在其他相绕组电气阻抗的百分之十(10％)以内的电气阻抗。结果，当多相电动机用平衡电源供能时，任何两个相绕组之间的电流不平衡将不会大于百分之十(10％)。

在一个当前优选的实施例中，图5的多相电动机200包含定子202，定子具有如图2A所示的绕组构造。基于固定转子性能测量，第一相绕组104和第二相绕组106之间的线间电感为56.4mH，第一相绕组104和第三相绕组108之间的线间电感为62.7mH，第二相绕组106和第三相绕组108之间的线间电感为69.2mH。因此，平均线间电感为62.8mH。另外，任何两个线间电感之间的最大偏差仅仅为大约百分之十(10％)，即使第一相绕组104由与第二以及第三相绕组106、108不同的材料(即铜)制成。另外，线路电感之间的偏差可能是由于电动机内不均匀的气隙造成的，而不是由于不同的电导体材料造成的。

为了计算平均相电感，平均线间电感可在下面的公式(1)中使用，其中，L_ph为平均相电感，L_line为平均线间电感。

(1)L_ph＝L_line/1.5

因此，对于所讨论的特定实施例，平均相电感为42mH。

相电抗可使用下面的公式(2)来计算，其中，X为相电抗，f为运行频率，L_ph为平均相电感(上面计算的)。

(2)X＝2＊π＊f＊L_ph

假设50Hz的运行频率，各个相的电抗为13.2欧姆。

各个相的阻抗可使用下面的公式(3)计算，其中，Z为相阻抗，R为相电阻，X为相电抗。

(3)Z＝√(R²+X²)

在此示例性实施例中，第二相绕组106和第三相绕组108(均用铝制成)各自具有1.727欧姆的电阻，而第一相绕组104(用铜制成)具有1.146欧姆的电阻。因此，各个铝相绕组的阻抗为13.31欧姆，而铜相绕组的阻抗为13.25欧姆。

相应地，尽管第一相绕组的电阻以大约百分之二十(20％)不同于第二以及第三相绕组的电阻，第一相绕组104的阻抗大约与第二以及第三相绕组106、108的阻抗相同。因此，当电动机200由平衡电源供能时，通过各个相绕组的电流将大约相同，即使第一相绕组104用与第二以及第三相绕组106、108不同的材料(即铜)制造。

本公开的教导可应用于具有多种构造(例如尺寸、形状、马力等)的宽广范围内的多相电动机和发电机，包括感应电动机、同步电动机等。这种电动机可在包括泵、风扇、吹风机、压缩机、电器、运输机驱动器、电气车辆以及任何其他多相电动机应用在内的宽广范围内的应用中使用。

图6示出了根据本公开另一示例性实施例的压缩机300。如图6所示，压缩机300包含多相电动机302。多相电动机302包含定子(未示出)。定子可使用上面提到和/或图1-5所示的任何配置。压缩机300优选为密封涡旋式压缩机。或者，可使用另一合适类型的压缩机，包括往复式、旋转螺旋式和旋转叶片式压缩机。

出于说明和介绍的目的，提供了前面对实施例的介绍。其不是穷举性的，也不是对本公开进行限制。特定实施例的个体元件或特征一般不限于该特定实施例，而是在可适用时可互换，并可在所选择的实施例中使用，即使没有明确示出或介绍。其也可以多种方式改变。这种变化不应被看作脱离本公开，所有这种修改包含在本公开的范围内。

Claims

1.一种用于多相机电机器的定子，定子包含定子芯和定位在定子芯周围的绕组，绕组至少包含第一相绕组和第二相绕组，第一相绕组用不在第二相绕组中存在的至少一种电导体材料制成。

2.根据权利要求1的定子，其中，所述至少一种导体材料包含铜。

3.根据权利要求1或2的定子，其中，第二相绕组包含铝。

4.根据权利要求1-3中任意一项的定子，其中，第一相绕组包含仅仅一个电导体。

5.根据权利要求1、2或3的定子，其中，第一相绕组包含第一电导体以及与第一电导体并联连接的第二电导体。

6.根据权利要求5的定子，其中，第一电导体和第二电导体各自包含铜。

7.根据权利要求5的定子，其中，第一电导体包含铜，第二电导体包含铝。

8.根据权利要求1-7中任意一项的定子，其中，第二相绕组包含仅仅一个电导体。

9.根据权利要求1-8中任意一项的定子，其中，第一相绕组具有电阻，第二相绕组具有电阻，第一相绕组电阻和第二相绕组电阻之间的差大于百分之十(10％)。

10.根据权利要求1-9中任意一项的定子，其中，第一相绕组具有阻抗，第二相绕组具有阻抗，第一相绕组阻抗在第二相绕组阻抗的百分之十(10％)以内。

11.根据权利要求1-10中任意一项的定子，其还包含第三相绕组。

12.根据权利要求11的定子，其中，第三相绕组包含铜。

13.根据权利要求11的定子，其中，第三相绕组包含铝。

14.根据权利要求11、12或13的定子，其中，第三相绕组包含仅仅一个电导体。

15.一种多相机电机器，其包含根据权利要求1-14中任意一项的定子。

16.根据权利要求15的多相机电机器，其中，机器为多相电动机。

17.根据权利要求16的多相机电机器，其中，当多相电动机用平衡电源供能时，任何两个相绕组之间的电流差不大于百分之十(10％)。

18.一种密封压缩机，其包含权利要求16的多相机电机器。