CN113839482A - 一种电机定子及多相电机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电机定子及多相电机系统，电机定子包括：定子铁芯和定位在定子铁芯周围的绕组；所述绕组至少包含第一相绕组和第二相绕组，且每一相绕组包括由一个或多个由导体材料组合形成的电导体；其中绕组至少包含的第一相绕组和第二相绕组中，至少一项绕组的电导体材料为铜包铝，同时至少有一项绕组的电导体材料为铝。本发明中的定子绕组采用铜包铝材料，使电机的成本和性能达到较好的平衡。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体而言，尤其涉及一种电机定子及多相电机系统。
背景技术
为了适应商用压缩机日趋轻量化的发展趋势，降低现有压缩机的重量是首选方案。开发低成本、高性能的商用压缩机是目前是领域内的研发趋势，同时不能以电机的成本和性能为代价进行研发。
多相电动机具有多个相绕组，例如三相电机具有三相绕组，传统绕组由铜材料制成。铜的电阻率是0.017，电阻率较小，但是自重过大。为了解决电机自重过大的问题，采用材料铝代替铜制备绕组。但是铝的电阻率是0.028，电阻率高导致温升高，电机发热严重，电机寿命短，电机电磁震动增大，整个机构的震动增加。同时，铝和铝合金的耐腐蚀性不好，尤其在高温下，会生成三氧化二铝，接头的电阻增大甚至过热烧断。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提供一种电机定子及多相电机系统。本发明中的定子绕组采用铜包铝材料，使电机的成本和性能达到较好的平衡。
本发明采用的技术手段如下：
一种电机定子，包括：定子铁芯和定位在定子铁芯周围的绕组；
所述绕组至少包含第一相绕组和第二相绕组，且每一相绕组包括由一个或多个由导体材料组合形成的电导体；
其中绕组至少包含的第一相绕组和第二相绕组中，至少一项绕组的电导体材料包含铜包铝，同时至少有一项绕组的电导体材料包含铝。
进一步地，具有电导体材料包含铜包铝的绕组采用聚酯亚胺/聚酰胺亚胺漆包铜包铝线或聚酯漆包铜包铝线；
具有电导体材料包含铝的绕组采用聚酯亚胺/聚酰胺亚胺漆漆包铝线或聚酯漆包铝线。
进一步地，所述聚酯亚胺/聚酰胺亚胺漆包铜包铝线或聚酯漆包铜包铝线，铜面积占比为10-15％，铜重量占比为25-38％。
进一步地，每一相绕组包括至少一个电导体，当电导体数量大于1时，各电导体采用并联方式连接。
进一步地，所述定子铁芯具有沿轴向贯通定子铁芯的通孔，所述通孔内周面上间隔布置有若干条沿轴向延伸的、且与所述通孔连通的定子槽。
进一步地，所述定子槽数为24槽、30槽或36槽。
本发明还提供一种多相电机系统，所述多相电机系统应用于涡旋压缩机，所述多相电机系统包括权利要求1中所述的电机定子。
进一步地，当多相平衡电源做功时，通过各相绕组的电流相同。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实施例提供了由不同导体材料形成的相绕组的多相电机,该多相电机具有定子，定子又包括具有通孔的的定子铁芯，所述定子铁芯具有沿所述定子铁芯的轴向贯通所述定子铁芯的通孔，所述通孔的圆周面具有多个定子槽，定子槽内设置有至少两项绕组，绕组采用合理配置，至少一项绕组的电导体材料为铜包铝，同时至少有一项绕组的电导体材料为铝。本发明中定子成本和自重较纯铜绕组电机大幅降低，同时保持了与纯铜绕组相当的电学特性，大大降低温升和电机发热，提高电机寿命并减少电磁振动。。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中定子结构主视图。
图2为本发明实施例中定子结构俯视图。
图3为第一种实施方式中三相电机绕组电路图。
图4为第二种实施方式中三相电机绕组电路图。
图5为第三种实施方式中三相电机绕组电路图。
图6为第四种实施方式中三相电机绕组电路图。
图7为第五种实施方式中三相电机绕组电路图。
图8为第六种实施方式中三相电机绕组电路图。
图9为第七种实施方式中三相电机绕组电路图。
图10为第八种实施方式中单相电机绕组电路图。
图11为本发明实施例中提供的多相电机系统定子剖视图。
图12为本发明实施例中提供的多相电机系统示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1-2所示，本发明提供了一种电机定子，包括定子铁芯100和定位在定子铁芯周围的绕组1001。定子铁芯具有沿轴向贯通定子铁芯的通孔1002，通孔1002的内周面具有沿其周向间隔且与通孔1002连同的多个定子槽1003。其中绕组至少包含第一相绕组10011和第二相绕组10012，且每一相绕组包括由一个或多个由导体材料组合形成的电导体，每相绕组的电导体材料唯一。其中绕组至少包含的第一相绕组10011和第二相绕组10012中，至少一项绕组的电导体材料为铜包铝，同时至少有一项绕组的电导体材料为铝。
作为本发明一个优选的实施方式，实施例1中给出了三相电机定子100，定子绕组1001包含第一相绕组10011，第二相绕组10012和第三相绕组10013。
如图3所示，在本实施例第一个优选实施方式中，第一相绕组10011的电导体材料采用铜包铝，为聚酯胺酰亚胺漆包铜包铝线或聚酯漆包铜包铝线；第二相绕组10012电导体材料采用铝材料，为聚酯胺酰亚胺漆包铝线或聚酯漆包铝线；第三相绕组10013电导体材料采用铝材料，为聚酯胺酰亚胺漆包铝线或聚酯漆包铝线。
如图4所示，在本实施例第二个优选实施方式中，第一相绕组10011和第二相绕组10012的电导体材料采用铜包铝，为聚酯胺酰亚胺漆包铜包铝线或聚酯漆包铜包铝线；第三相绕组10013电导体材料采用铝材料，为聚酯胺酰亚胺漆包铝线或聚酯漆包铝线。
进一步地，三相电机定子100中定子绕组1001采用同心式绕组结构，同一定子铁心000嵌入三相绕组，第一相绕组10011重量大于第二项绕组10012，第二相绕组10012重量大于第三相绕组10013。在相同导体材料下导体电阻第一相绕组10011电阻大于第二相绕组10012，第二相绕组10012电阻大于第三相绕组10013。
领域内公知的，铜的电阻率是0.017，铝的电阻率是0.028，电阻率高导致温升高，电机发热严重，电机寿命短，电机电磁震动增大，整个机构的震动增加；铝和铝合金的耐腐蚀性不好，尤其在高温下，会生成三氧化二铝，接头的电阻增大甚至过热烧断。这些都制约的电极的优化。
本发明采用金属包线制造绕组，一方面能够有效降低电机自重，另一方面可以保证电性能。铝的电阻率高，意味着电机设计时采用铝漆包线的直径大于铜线电机直径，造成槽满率增加，增加制造难度，同时由于槽满率的限制，铝线电机无法实现高性能的电机开发，较铜线电机性能下降6％左右。而在制造过程中，铝和铝合金的延展性好于铜和铜合金但相对漆包线而言，延展性过高在制造工程中极易发生漆皮破裂现象；具经验判断，导体直径的形变量达到3％就对导体导电性产生较大影响，负载能力预计下降20％左右，铝和铝合金漆包线硬度较低，在生产过程中极易发生形变，造成负载能力下降，在形变点及附近电阻率增大，电机局部发热严重，容易造成电机烧毁。
在本实施例中，优选采用至少一相绕组的电导体为铜包铝，该相绕组为聚酯胺酰亚胺漆包铜包铝线或聚酯漆包铜包铝线。同时还有至少一相绕组的电导体为铝材料，该相绕组为聚酯胺酰亚胺漆包铝线或聚酯漆包铝线，这样使得定子100或包含定子100的涡旋压缩机10可具有较高电机能效、较低材料成本和较低自重的属性组合，该属性组合效果不能在组由铜或铜合金制成、铝或铝合金制成或铜或铜合金和铝或铝合金制成各相绕组的传统定子中获得。
本发明中电机定子采用端子压接取代焊接，焊接端采用绝缘材料包裹，改善铝和铝合金的腐蚀情况。同时铜包铝漆包线的外层铜材质可以很好地在集肤效应的作用下降低铜包铝线的电阻率约在0.020左右，大大降低温升和电机发热，提高电机寿命并减少电磁振动。铜包铝线的较铝线电机提升4％左右。制造方面，铜包铝线的外层铜材质很好地起到的支撑作用，使铜包铝材质在实际制造过程中形变量与铜基本相当，不易发生漆皮破裂现象，不易发生变形。优选地，绕组使用的铜包铝线，铜面积占比为10-15％，铜重量占比为25-38％，该材料组分配比方案基于合理设计计算，可以保证当多相平衡电源做功时，通过其他相绕组多相绕组的电流基本相同。
在实施例1中，相绕组10011、10012以及10013各自仅包含一个电导体，而在本发明实施例2中，一个或多于一个的相绕组可包含两个或多于两个的并联连接的电导体。例如，图5示出的实施方式，其中各个相绕组10011-10013包含两个并联连接的电导体，第一相绕组10011可用铜包铝电导体材料的两个个电导体制成，而第二相绕组10012和第三相绕组10013各自可用包含铝电导体材料的各两个电导体制成。图6示出的实施方式中，第一相绕组10011的电导体材料采用铜包铝，为聚酯胺酰亚胺漆包铜包铝线或聚酯漆包铜包铝线和电导体材料采用铝材料，为聚酯胺酰亚胺漆包铝线或聚酯漆包铝线并绕组成；第二相绕组10012的电导体材料采用铜包铝，为聚酯胺酰亚胺漆包铜包铝线或聚酯漆包铜包铝线和电导体材料采用铝材料，为聚酯胺酰亚胺漆包铝线或聚酯漆包铝线并绕组成；第三相绕组10013的电导体材料采用铜包铝，为聚酯胺酰亚胺漆包铜包铝线或聚酯漆包铜包铝线和电导体材料采用铝材料，为聚酯胺酰亚胺漆包铝线或聚酯漆包铝线并绕组成。
图7示出的实施方式中，各个相绕组10011-10013包含三个并联连接的电导体，第一相绕组10011可用铜包铝电导体材料的三个个电导体制成，而第二相绕组10012和第三相绕组10013各自可用包含铝电导体材料的各三个电导体制成。在图5-7中每一相绕组包含包括一个或多个由导体材料形成的电导体，其中至少一相绕组的电导体不同于其他两相。图8示出的实施方式中，第一相绕组10011的电导体材料采用铜包铝，为聚酯胺酰亚胺漆包铜包铝线或聚酯漆包铜包铝线和电导体材料采用铝材料，为聚酯胺酰亚胺漆包铝线或聚酯漆包铝线并绕组成；第二相绕组10012的电导体材料采用铜包铝，为聚酯胺酰亚胺漆包铜包铝线或聚酯漆包铜包铝线和电导体材料采用铝材料，为聚酯胺酰亚胺漆包铝线或聚酯漆包铝线并绕组成；第三相绕组10013的电导体材料采用铜包铝，为聚酯胺酰亚胺漆包铜包铝线或聚酯漆包铜包铝线和电导体材料采用铝材料，为聚酯胺酰亚胺漆包铝线或聚酯漆包铝线并绕组成。图9示出的实施方式中，第一相绕组10011具有与第二相相绕组10012或第三相绕组10013不同数量的电导体，在图示中，第一相绕组10012由两个并联连接的铜包铝电导体材料形成，第二相绕组10012和第三相绕组10013各自由包含铝的不同数量的电导体构成。
在实施例1或者实施例2中，相绕组10011-10013以Y型配置连接，或者，相绕组可以以△形配置连接。
尽管实施例1或者实施例2中示出了用于三相电机定子的绕组连接，但本公开的内容同样适用于具有更多或更少相绕组的任何多相定子，包括具有仅仅两个相绕组的定子，例如单相电动机。
在本发明的实施例1或者实施例2中，各个电导体的尺寸与同一相绕组或其他相绕组中的其他电导体的尺寸相同或者不相同，一般情况下，任何特定导体的尺寸可依赖与导体及其相关的相绕组的电阻、导体在定子铁心上的位置、铁心堆叠高度、铁心外形尺寸、应用场合和范围等因素考虑。
图2示出的定子铁心1000采用分段或不分段的结构，包含堆叠在一起的多个叠层，叠层可用硅钢材料制成，所述定子铁心由多个冷轧硅钢片叠置而成，外径范围直径在150mm-240mm，叠厚高度在80mm-185mm，定子槽数为24槽、30槽或36槽。这样可以进一步便于定子铁芯1000的制造，降低制造难度，降低废品率，提高生产效率。通过设置相绕组在定子槽内的位置、公共槽和非公共槽的重叠设置、每相绕组导体数量、每相绕组内导体串并联情况以及铁心堆叠高度实现满足整体机构的性能要求。所述定子槽数量为24槽、30槽或36槽，这样便于多相绕组的分配，使转子转动时受力更均匀。
如图11示出的一个实施方式中，定子槽数量为36，三相绕组均匀分布，第一相绕组10011占用33、34、35、36、1、2、3、4和15、16、17、18、19、20、21、22槽，其中35、36、1、2和17、18、19、20为非公共槽，33、34、3、4和15、16、21、22为公共槽。第二相绕组10012占用9、10、11、12、13、14、15、16和27、28、29、30、31、32、33、34槽，其中11、12、13、14和29、30、31、32为非公共槽，9、10、15、16和27、28、33、34为公共槽。第三相绕组10013占用21、22、23、24、25、26、27、28和3、4、5、6、7、8、9、10槽，其中23、24、25、26和5、6、7、8为非公共槽，21、22、27、28和3、4、9、10为公共槽。在上述设置中，第33、34和15、16槽为第一相绕组10011和第二相绕组10012的公共槽；第9、10和27、28槽为第二相绕组10012和第三相绕组10013的公共槽；第3、4和21、22槽为第一相绕组10011和第三相绕组10013的公共槽。本公开的示例实施例的设计便于大批量自动化生产，以保证电机的可靠性，从而保证压缩机的可靠性，保证压缩机的性能。
作为本发明一个优选的实施方式，实施例3中给出了单相电机定子100，定子绕组1001包含第一相绕组10011，第二相绕组10012。在单相实施例中，相绕组10011和10012各自仅包含一个电导体，如图10所示。而在本发明中，可以为一个或多于一个的相绕组可包含两个或多于两个的并联连接的电导体。第一相绕组为主绕组10011可用铜包铝电导体材料的两个个电导体制成，而第二相绕组为辅绕组10012可用包含铝电导体材料的各两个电导体制成，10014元件为启动电容，保证单相电机启动性。
如图12所示，本发明还提供了一种多相电机系统，该多相电机系统应用于涡旋压缩机，具体地，该多相电机系统包括上述的电机定子。并能够保证当多相平衡电源做功时，通过各相绕组的电流相同。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种电机定子，其特征在于，包括：定子铁芯和定位在定子铁芯周围的绕组；
所述绕组至少包含第一相绕组和第二相绕组，且每一相绕组包括由一个或多个由导体材料组合形成的电导体；
其中绕组至少包含的第一相绕组和第二相绕组中，至少一项绕组的电导体材料包含铜包铝，同时至少有一项绕组的电导体材料包含铝。
2.根据权利要求1所述的电机定子，其特征在于，具有电导体材料包含铜包铝的绕组采用聚酯亚胺/聚酰胺亚胺漆包铜包铝线或聚酯漆包铜包铝线；
具有电导体材料包含铝的绕组采用聚酯亚胺/聚酰胺亚胺漆漆包铝线或聚酯漆包铝线。
3.根据权利要求2所述的电机定子，其特征在于，所述聚酯亚胺/聚酰胺亚胺漆包铜包铝线或聚酯漆包铜包铝线，铜面积占比为10-15％，铜重量占比为25-38％。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的电机定子，其特征在于，每一相绕组包括至少一个电导体，当电导体数量大于1时，各电导体采用并联方式连接。
5.根据权利要求1所述的电机定子，其特征在于，所述定子铁芯具有沿轴向贯通定子铁芯的通孔，所述通孔内周面上间隔布置有若干条沿轴向延伸的、且与所述通孔连通的定子槽。
6.根据权利要求5所述的电机定子，其特征在于，所述定子槽数为24槽、30槽或36槽。
7.一种多相电机系统，所述多相电机系统应用于涡旋压缩机，其特征在于，所述多相电机系统包括权利要求1中所述的电机定子。
8.根据权利要求7所述的多相电机系统，其特征在于，当多相平衡电源做功时，通过各相绕组的电流相同。
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2021
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