在制冷剂环境中使用的马达的制作方法

相关申请

本申请是于2014年1月28日申请的美国非临时专利申请no.14/166,424的部分连续申请，其要求申请日为2013年1月28日的美国临时专利申请no.61/757,380的优先权，其全部内容通过引用的方式结合在本文中。

背景技术：

本发明涉及在氨环境中使用的电动马达。更为具体地，本发明涉及在氨环境中使用并且由变频器驱动的电动马达。

技术实现要素：

在一方面，在制冷剂环境中使用的马达包括构造成围绕一轴线转动的转子和与所述转子相邻的定子。所述定子包括限定端部的芯和限定多个槽的多个齿。多个线圈围绕所述多个齿缠绕，使得所述多个线圈中的每一个线圈包括一对槽部段和端匝(endturn)，所述槽部段至少部分地延伸通过所述多个槽中的相邻的槽，所述端匝在槽部段之间延伸并且至少部分地跨过所述端部。壳体封装定子的端部，使得所述多个线圈的端匝基本与制冷剂环境隔离。

在另一方面，一种用于组装在制冷剂环境中使用的马达的方法包括形成包括芯和限定多个槽的多个齿的定子。所述芯限定定子的端部。多个线圈围绕所述多个齿缠绕，使得所述多个线圈的端匝延伸跨过所述端部。在所述端部上形成一壳体，使得所述多个线圈的端匝基本与制冷剂环境隔离。

在又一个方面，一种制冷系统包括构造成包含制冷剂的压缩机腔室和设置在所述压缩机腔室内并且构造成在一压力下从压缩机腔室抽吸制冷剂 并且在较高压力下将所述制冷剂排出的压缩机。马达设置在压缩机腔室中并且联接至压缩机以驱动所述压缩机。马达包括构造成围绕一轴线转动的转子和与所述转子相邻的定子。所述定子包括端部和限定多个槽的多个齿。多个线圈围绕所述多个齿缠绕，使得所述多个线圈中的每个线圈包括一对槽部段和端匝，所述槽部段至少部分地延伸通过所述多个槽中的相邻的槽，所述端匝在槽部段之间延伸并至少部分地跨过所述端部。壳体封装定子的端部，使得多个线圈的端匝基本与所述制冷剂隔离。

附图说明

本发明的其它方面在考虑详细描述和附图后将变得明显。

图1是包括压缩机和马达的制冷系统的示意图；

图2是定子的透视图；

图3是图2的定子的更详细的透视图；

图4是示出了绕线/线绕组(wirewinding)的一个槽的端部视图；

图5是一个绕线的剖视图；

图6是转子的透视图；和

图7是引出线的剖视图。

具体实施方式

在详细描述本发明的任何实施例之前，应理解的是，本发明在其应用方面不局限于在下面的描述中给出的或者在下面的附图中示出的构件的结构和布置的细节。本发明可具有其它实施方式并且以各种方式操作或实施。同样，应理解的是，这里使用的措辞和术语用作描述的目的并且不应视为限制。这里“包含”、“包括”或“具有”和其各种变型的使用意味着包含其后列出的物体以及它们的等同物和附加物。除非指定或另外限制，术语“安装”、“连接”、“支承”和“联接”及其变型被宽泛地使用并且包含直接和间接的安装、连接、支承和联接。此外，“连接”和“联接”不局限于物理或机械连接或联接。

图1示出了包括压缩机腔室15的制冷系统10，压缩机腔室15包含由电动马达25驱动的压缩机20。所述制冷系统10还包括蒸发器31、冷凝器32和膨胀阀33。所述制冷系统10适于使用制冷流体例如氨。在一个实施例中，所述氨为制冷剂代号为r-717的氨。

所述压缩机20可包括例如旋转螺杆式、往复式、转轴式、离心式等各种不同类型的压缩机中的一种。对于本发明而言，所使用的压缩机的实际类型并不重要。反而，只需所述压缩机20包含固定部分和与压缩机轴联接的转动部分。

在优选实施例中，马达25是特别设计为浸在制冷剂环境中的密封型马达(hermeticmotor)。马达25可使用能线路馈电(line-fed)或逆变器供电的外部能量供应。

用于氨压缩机20的马达25通常位于压缩机腔室15外侧并且使用轴封或磁力耦合器/磁力联轴器以将所述马达25连接至压缩机轴。因为制冷剂(例如氨)对于马达结构的标准材料的化学侵蚀，这一直是必要的。另外，暴露于高温/高压氨会引起一般绝缘材料丧失电阻，其进而引起马达的过早失效。本发明使用对于氨更具抗力的材料来构造马达25并且使用增强材料的有效性的技术和布置，由此允许马达25被放置在氨环境中而令人满意地运行足够长的时间。

如在图1中示出的，马达25和压缩机20设置在压缩机腔室15内部以节约空间和为所述马达提供来自制冷剂的冷却效果。马达25的该冷却可能允许使用更小的马达以实现相同的性能。另外，将马达25放置在压缩机腔室15内消除了经过外部轴封的任何可能的泄露路径。最后，将马达25放置在压缩机腔室15内允许更低的成本单位，因为其消除了在外部连接所述马达所需的复杂支架和轴承。压缩机轴也可制造得更短、省去轴封并且不再需要磁力耦合器。

在优选实施例中，马达25使用变频器(vfd)30以与更常规的线路馈电系统相比改进了制冷系统10的效率。所述vfd30使用对于马达电流消耗和系统泄露电流敏感的控制系统。

马达结构必须改造为确保不存在或存在极少的如下区域：在该区域中，所述氨可与电机绕组或极间连接线(inter-poleconnection)内的导电区域接触。因为相对于在密封型压缩机中使用的一般制冷剂，氨对于电流具有更高的传导性能，并且由于马达的定子位于所述氨内，可能产生的泄露电流将有可能相对于在未设置在氨中的马达上产生的泄露电流会更大。该电流泄露将更容易引起vfd马达保护以将能量移动至马达25。为了减少这种可能性，所述马达25集成有其中不存在内部连接件的定子绕组(即每一相绕组都是连续的)。内部连接件的消除减少了由氨制冷剂引起任何潜在的泄露电流的可能性。

马达25包括定子35和与所述定子35相邻设置并且驱动地连接至压缩机20的驱动轴的转子40。在示出的结构中，转子40包括设置在定子35的腔室45中的部分。但是，也可以使用其它马达布置结构以驱动压缩机20。

电动马达25设置在制冷系统10内，使得电动马达25直接联接至压缩机20并且使得电动马达25直接暴露于制冷剂，在示出的例子中，该制冷剂为氨。使马达25以这种方式定位提供了马达25和压缩机20之间更高效的能量转移，并且也提供了马达25的使用制冷剂作为冷却剂的更高效的冷却。但是，制冷剂可能会对很多一般的马达构件不利。

参照图2-4，定子35限定接收转子40的一部分的腔室45。定子35包括限定了相对的端部55、60的芯50。定子芯50包括多个周向间隔开的堆叠的金属层压片65，所述金属层压片平行于腔室45的中心轴线70设置。在一个实施例中，金属层压片65由电气级层压钢构成，其它材料或结构例如粉末状金属部分也是可能的。如在图4中最佳示出的，定子芯50包括多个齿75，每一个齿限定一对周向间隔开的纵向槽壁80。相邻的齿75的所述槽壁80彼此协作以在所述定子35的周向上限定纵向槽85。每一个齿还限定两个钩状部90。

周向间隔开的线圈布置成使得每一线圈布置在一个齿75上，从而使每一线圈至少部分地布置在两个槽85中。每一线圈由多个绕线95构成，部 分绕线95在所述线圈所在的所述槽85中纵向地延伸。因此，每一线圈由多个重复地穿过第一槽85a、围绕所述第一端部55、穿过与第一槽85a相邻的第二槽85b、围绕所述第二端部60，并且再次穿过所述第一槽85a的多个绕线95限定。

如在图5中最佳地示出的，绕线95包括直接地由线绝缘部分105包围的导电材料100。在示出的结构中，铜线或铝线100用作导体100，且铝在氨环境中是优选的。在优选结构中，聚醚醚酮材料peek被用于形成绝缘部分105。一些结构可使用涂覆有peek绝缘部分105的导体100，而优选的结构则采用挤压的peek绝缘部分105，因为测试已表明：使用该结构使性能明显提高。具体地，当与涂覆的绝缘部分相比，挤压的peek绝缘部分105表现出改善的磨损性能和更高的绝缘性能。

在槽85中的绕线95和相应的槽壁80之间布置有槽衬件110，以进一步使所述绕线95与磁芯50绝缘。在优选结构中，槽衬件110由聚苯硫醚(pps)片形成。虽然各种厚度的槽衬件110都是可能的，一个优选结构使用在约0.01和约0.02英寸范围厚度之间的槽衬件110。与所测试的其它材料相比，所述片材提供更好的可成型性和鲁棒性。

在高电压、多相应用中，定子35可在线圈之间包括有时称作相纸的相间绝缘件115，以进一步绝缘所述马达25的不同相。在优选结构中，使用相纸15并且相纸使用与槽衬件110类似的pps材料片制成。同所述槽衬件110一样，该片材提供了与其它材料选择相比改进的性能。

当缠绕所述定子35时，通常在槽85中存在未被填充的空间。通常在所述槽85中设置楔形块120以占据该空间，保证各个绕线95尽可能紧地堆叠，并且限制绕线95的不希望的移动。尽管可以使用若干种不同的楔形块120以填充希望的空间，在示出的结构中使用纵向延伸的楔形块120。每个楔形块120在槽口85内设置在各个槽衬件110和绕组95之间。楔形块120接合形成为相邻齿75的一部分的两个相邻钩状部90的下侧以对所述绕线95施加压缩力。在一些结构中，在所述绕线95和楔形块120之间设置栓钉以占据另外的空间并且为所述楔形块120提供更平坦的接合表 面。虽然很多材料可用于楔形块120和栓钉，但优选结构采用由环氧层压板、聚苯硫醚(pps)、聚醚醚酮材料(peek)中的一种形成的楔形块120和栓钉(如果使用的话)。所述楔形块120和栓钉(如果使用的话)被紧固成和定子芯50成互锁的关系以阻止线圈95相对于定子芯50径向向外地移动。需要注意的是，可以使用所述三种提到的材料的任意组合来构造所述定子35。例如，若需要，栓钉可以由peek材料形成而楔形块120由pps材料形成。或者，各构件可被制造为合成件。例如，栓钉或楔形块120可由涂覆有或覆盖有挤压的peek、pps或环氧层压板材料的木质芯材形成。

在一些结构中，定子35包括系住所述线圈的端匝的系索125。系索125紧紧地紧固所述线圈的端匝，从而减少不希望地移动或振动。在优选结构中，系索125由带形成。当然，可使用其它材料构造系索125(例如其它间位芳纶、对位芳纶等)。

定子35也包括提供所述线圈和电源之间连接的引出线130。如在图7中示出的，引出线130包括直接由引出线绝缘部分140包围的导电材料135(例如铜，铝等)。例如，一个结构采用由具有引出线绝缘部分140的缠绕的铝绞线形成的导电材料135，所述引出线绝缘部分140由含氟聚合物如(即，聚四氟乙烯(ptfe))形成。在优选结构中，绝缘部分140形成在电机引出线上以密封引出线并且提供希望的绝缘。在一些结构中，绝缘材料以带的形式设置，所述带围绕导电部分135以叠置的关系包覆，使得带的叠置部分为至少约50％。在一个实施例中，引出线绝缘部分140包括以叠置的关系包覆的带和在带上覆盖的玻璃纤维绞线或玻璃纤维丝。玻璃纤维丝在带上提供了一个柔性抗磨损的覆盖层。在一个替代实施例中(未示出)，马达为无引出线的，使得电线直接连接至电源终端。

定子35还可以包括保护所述引出线130并且还使所述引出线130在线圈的交叉处彼此隔离开的套筒145。在一个实施例中，套筒145包括含氟聚合物例如(即，聚四氟乙烯(ptfe))。

在一个示例性实施例中，壳体150封装组装的定子35的至少一部分。特别是，壳体150封装定子35的第一端部55和第二端部60，使得线圈的端匝基本隔离于制冷剂环境。在替代实施例中，所述壳体封装定子35的能使所述马达如本文所述的运行的任意部分。在一些实施例中，所述壳体150基本封装整个定子35。在示例性实施例中，壳体150没有孔口以减少电流泄露的量。在一些实施例中，壳体150为不透明的/不传热的。在替代实施例中，壳体150具有能使所述马达如本文所述的运行的任意特征。

同样，在示例性实施例中，壳体150包括结合至所述线圈的端匝的环氧树脂。在一个合适的实施例中，所述壳体150包括低粘度环氧树脂，例如可从马来西亚南丹尼斯的arcor^tmepoxytechnologies公司获得的商品名为arcor^tmee11的胺固化100％的固体环氧外涂层。在替代实施例中，壳体150包括能使所述马达25如本文所述的运行的任意材料。

此外，在示例性实施例中，壳体150具有从约1毫米(mm)到约100mm范围的平均厚度。在另一实施例中，壳体150具有从约4mm到约10mm范围的平均厚度。在替代实施例中，壳体150具有能使所述马达如本文所述的运行的任意厚度。

另外，在示例性实施例中，壳体150通过使用用于固化形成所述壳体150的液体来涂覆所述线圈的端匝和所述定子35的全部暴露表面而形成。所述定子35通过将所述定子35至少部分地浸渍在液体中而被涂覆，所述液体附着至所述定子35并且固化以形成壳体150。在另一实施例中，定子35通过滴流施加固化以形成壳体150的液体而被涂覆。在替代实施例中，所述壳体150以能使所述马达25如本文所述的运行的任意方式形成。在示例性实施例中，壳体150将所述线圈隔离于氨环境中，将所述绕线95结合在一起以减少所述绕线95相对于彼此的移动，减少来自马达25的噪音，覆盖并且联结定子35中的层压板65，并且锚固相间绝缘部分。另外，当定子35被放置在压缩机腔室15中时且在制冷系统10运行期间，所述壳体150有助于保护所述线圈的端匝以免划伤或磨损。因此，所述壳体150增加了马达25的对氨环境的抗力并且减少了定子35的线圈的电流泄露的风 险。

转子40使用传统材料和技术形成。在图6中示出的转子40包括转子芯155，所述转子芯155由沿着旋转轴线70堆叠至希望长度的电气级层压钢板或铝板形成。在其它结构中，芯155的一些部分可由粉末金属或其它成分形成。转子条160沿着芯155的长度延伸并且联接至设置在所述芯155每一端的端环165、170上。在优选结构中，转子条160和端环165、170使用铝(其它材料也是可能的)形成。

与已有马达相比，由所指出的材料形成的马达25对于氨的侵蚀更具抵抗性。马达25可安装在制冷系统10中与氨接触，所述制冷系统10适于在所述马达25在与氨接触时运行。因此，制冷系统10可以简单地且便宜地构造，而不需要使所述马达25与氨封隔起来。

本发明的各种特征和优点在下面的权利要求中给出。