一种具有大小极弧的单相集中绕组定子的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种单相集中绕组定子。
【背景技术】
[0002]众所周知，单相电机由于磁路和电路均处于不平衡状态，工作在非圆形磁场之中，磁势的谐波分量很大，谐波转矩不仅加大电机的振动噪音，通常还会减小工作转矩和造成起动困难。为了减小谐波分量，目前常用的办法是采用分布式绕组，通过短距或者正弦方式，使电机能够正常工作。但是，分布式绕组存在显著的缺点:定子槽数和绕组线包很多，不利于机器大批量自动生产；绕组线圈需要先绕成线包，然后再嵌入定子槽，这样必然使绕组端部长度较大，降低了电机效率。
[0003]与分布式绕组相比，集中绕组在工艺上具有显著优势，机器大批量自动生产非常方便；同时集中绕组可以直接在定子齿上绕线，端部长度较小，节省了电机的用铜量，减小了电机的铜损耗，提高了电机效率。但集中绕组的缺点是:所产生的磁势波形为梯形波，分解后包含所有奇次谐波磁势分量，尤其是低次谐波如3、5次谐波的强度较大，并且无法通过正常宽度的定转子斜槽来消除。
[0004]根据电机学原理，如果单相电机要消除V次谐波分量，斜槽宽度应该取SK=2 Ji *Dil/p/v(式中Dil为定子内径，P为电机极数)。如果2极电机要消除3次谐波，则SK= π/3*Dil，也就是说斜槽宽度比定子内径还要大，显然实际中根本无法实行；如果4极电机要消除3次谐波，则SK= π /6*Dil，也就是说斜槽宽度比定子半径略大，实际中虽然可以实行，但扭矩损失很大使这种设计几乎没有实际意义；只有在多极电机上勉强可以用，但低次谐波造成的扭矩损失依然高达30%以上。
[0005]因此，适合机器大批量自动生产的、用铜少且电机效率高的集中绕组，它的低次谐波问题成为限制它在单相电机上更广泛使用的根本性因素。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种单相集中绕组定子结构，以消除或削弱强度较大的低次谐波，使之能够广泛用于单相电机。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种具有大小极弧的单相集中绕组定子结构，由定子轭(I)和主相定子齿(2)、付相定子齿(3)组成，其中主相定子齿(2)的有效极弧宽度，为极距的2/3，以完全消除3次谐波分量；所谓“有效极弧宽度”是指机械极弧宽度加上其在极弧尖端处形成的扩张效应，一般扩张效应约等于气隙宽度。定子内圆采用偏心结构，齿中心的气隙宽度最小；齿边缘的气隙宽度最大，为2-4倍的最小气隙宽度；大小气隙用偏心圆弧平滑过度。
[0008]众所周知，在分布式绕组中，如果主绕组的跨距等于极距的2/3，那么3次谐波被完全消灭；而众所不知的是，集中绕组主相定子齿(2)的有效极弧宽度为极距的2/3，其形成的磁势，跟主绕组的跨距等于极距的2/3是完全等效的，因此也可以完全消除3次谐波分量。
[0009]由于谐波是磁势偏离正弦造成的，当采用均匀气隙的时候，磁势为梯形波，谐波分量最大；如果采用不均匀气隙，则磁极中心处磁势最强，磁极边缘处磁势逐渐减弱，因此更接近正弦波形。根本发明人对电机进行磁极优化设计的经验，当极弧宽度等于极距时，极尖的气隙宽度应等于最小气隙宽度的6倍；当极弧宽度为极距的2/3时，极尖的气隙宽度应等于最小气隙宽度的3倍，此时磁势波形最接近正弦波，是谓“最优结果”。由于定转子公差的客观存在，实际中不可能绝对地控制最大气隙宽度为最小气隙宽度的3倍，为2-4倍时也是比较接近于正弦波的，因此实际应该要求最大气隙宽度控制为最小气隙宽度的2-4倍，以削弱谐波分量。
[0010]本发明的有益效果是:电机功率增大了、效率提高了、振动噪音减小了，同时提高了电机的起动转矩。由于谐波分量被大大地削弱，尤其是3次谐波形成的负转矩被消除，5次谐波形成的负转矩被削弱，电机主要由基波磁势发挥作用，和没有采用本发明的普通集中绕组电机相比，在外形尺寸、工作转速等条件都一样的前提下，电机扭矩可以增大30%以上。同时，由于集中绕组可以利用机器把线直接绕在齿上，无需分布式绕组的绕线嵌线整形等工序，可以提闻电机制造过程中的生广效率。
[0011]总之，由于谐波得到充分地削弱，因此本发明的集中绕组定子结构可以广泛地应用于各种单相电机，电机性能和电机制造过程中的生产效率都能得到提升。
【附图说明】
[0012]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0013]图1是本发明的原理图，为包含定子轭(I)和主相定子齿(2)、付相定子齿(3)的单相2极电机定子冲片。
[0014]图2是普通集中绕组的定子冲片图。
[0015]图3是本发明用于单相4极电机的定子冲片图。
【具体实施方式】
[0016]以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。但本发明不局限于这些实施例。
[0017]实施例是一个应用本发明的单相8槽4极集中绕组定子，如图3所示，其中付相定子齿(3)为分块式结构。定子参数如下:定子外径69.5mm,内径38mm,主相齿宽7.45mm,付相齿宽4臟，轭高5mm，铁芯厚度30mm，主相绕组0.15mm*950匝，付相绕组0.13mm*1300匝。所用铜线重量115克，运转电容luf/450V.AC，转子斜槽宽度8.7mm(为了只对比定子，所用得电容和转子和对照的普通定子是一样的)。电机参数为:工作转速1250r/min，工作扭矩
0.147N.m输出功率19.2W,电流0.208A输入功率44.7W，效率43%功率因数0.978，起动转矩0.063Nm,最大转矩0.147Nm，温升63K
作为对照，图2为同等条件下普通集中绕组的定子冲片图，电机参数如下:定子外径69.5mm,内径38mm,齿宽6mm,轭高4.5mm,铁芯厚度30mm,主相绕组0.15mm*1100阻，付相绕组0.13mm*1200匝，运转电容luf/450V.AC，转子斜槽宽度8.7mm。所用铜线重量120克，工作转速1250r/min，工作扭矩0.098N.m输出功率12.881W,电流0.15A，输入功率32.742W,效率39.3%功率因数0.99，起动转矩0.042Nm,最大转矩0.105Nm，温升49K
从实施例与对照例的电机参数对比可以看出，应用本发明后，电机外径和铁芯叠长没有改变，铜线重量减少约4%，而最大转矩从0.105Nm提高到0.147Nm,提高约40% ;起动转矩从0.042Nm提高到0.063Nm,提高约50%。在同一转速下对比工作性能，工作转矩从0.098Nm提高至Ij 0.147Nm,提高约50%;输出功率从12.881W提高到19.2W，提高约49% ;电机效率从39.3%提高到43%。总之，电机的功率增加了，效率提高了，印证了本发明的有益效果。
[0018]当然，由于功率增大了，必然使电流和输入功率也相应的增大，电机的温升有所提高，但是，如果只想做到原来普通方案的功率，只需要把铁芯缩短并重新设计相应的绕组数据即可，那样，可以使包括温升在内各方面运行性能指标都跟原方案持平，但成本大幅度降低，而振动噪音和起动性能大幅改善。另外需要说明的是，本实施例和对比例只是为了说明本发明的定子的优越性，对比时采用的是同样的转子，但是，如果能够设计跟本发明匹配的转子，适当加大转子总齿宽、减小斜槽宽度，电机运行效率还可以更高。
【主权项】
1.一种具有大小极弧的单相集中绕组定子，其特征是:由定子轭(I)和主相定子齿(2)、付相定子齿(3)组成，其中主相定子齿(2)的有效极弧宽度，为极距的2/3。
2.根据权利要求1所述的一种具有大小极弧的单相集中绕组定子，其特征是定子内圆采用偏心结构，齿中心的气隙宽度最小；齿边缘的气隙宽度最大，为2-4倍的最小气隙宽度；大小气隙用偏心圆弧平滑过度。
【专利摘要】一种具有大小极弧的单相集中绕组定子结构，由定子轭（1）和主相定子齿（2）、付相定子齿（3）组成，其中主相定子齿（2）的有效极弧宽度，为极距的2/3，以完全消除3次谐波分量；所谓“有效极弧宽度”是指机械极弧宽度加上其在极弧尖端处形成的扩张效应，一般扩张效应约等于气隙宽度。定子内圆采用偏心结构，齿中心的气隙宽度最小；齿边缘的气隙宽度最大，为2-4倍的最小气隙宽度；大小气隙用偏心圆弧平滑过度。由于谐波得到充分地削弱，因此本发明的集中绕组定子结构可以广泛地应用于各种单相电机，电机性能和电机制造过程中的生产效率都能得到提升。
【IPC分类】H02K17-04, H02K1-14
【公开号】CN104702070
【申请号】CN201410424538
【发明人】刘威卿, 李玲辉, 刘建宏
【申请人】宁波高新区南牛电机技术有限公司
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2014年8月27日