题主的忧虑是有道理的,铜线越细电阻越大,电阻越大损耗也越大,因铜线电阻产生的热损耗叫“铜耗”。铜耗过大,既浪费电,也增加电机散热负担。散热不好,会造成电机线圈烧坏。
设计一款电机,要尽可能减小铜耗,所以也最好使用优质的铜、较粗的铜线。最理想的就是零电阻的超导体了,但超导体需要零下200多度的低温,对电机来说,工程上、成本上都无法实现。
铜线的作用是通过电流来产生磁场,或者利用磁场来产生电流,线圈能够通过的最大电流是一个很重要的参数,决定了电机的最大功率。
对电机中的某一个线槽中的线圈来说,看的是该线圈边的总电流,也就是安匝数,比如1根线通10A电流,与通1A电流的10匝线圈,产生的电磁力效果是一样的。所以从原理上来说,用粗线、细线都可以,只要总电流和总电阻满足要求。
但是,还要考虑电源的因素,电源如果只能提供1A的电流,那就只好使用“1A*10圈”的方案,如果电源可以提供10A电流,那么“10A*1圈”也是可以考虑的。
对发电机来说,还有电压方面的要求。假设1圈可以产生1V的电压,那么10圈(串联)可以产生10V。所以线圈匝数,与发电机的输出电压密切相关。
一般地,大电机用粗线,小电机用细线。当然,同一尺寸或功率的电机,用粗线、细线的都有。下面提供几张图,供参考。
这是韩国的一家电机制造厂流水线,正在将绕好的线圈装入定子。图中定子槽中已经装入了2相的线圈组,正在安装第3相。这些线圈都是漆包线绕制的。
这是装好线圈后的定子,待送到一下工位,进行线圈整理。
这是一个潜艇电机的定子。工人正在把预制好的线圈一个一个的镶嵌到定子槽中,可见线圈的导体是很粗的,还有导体上、定子槽中,都有黄色和蓝色的绝缘带和纸。
这是一款大型发电机的定子。说线圈已经不太像了,是由一根根大型铜条组成的。
这款大型电机的转子用的就不是很粗壮的铜条了,也是一束束由漆包线绕制好的线圈。
一款相对较小的直流电机的转子,用了很粗的铜线。
至于线圈卷成什么形状,也取决于电机的设计。现在一些汽车同步电机的线圈,已经不再使用线圈了,而是粗导体,然后端部用所谓的“发夹”进行电气连接了,这种设计可以节省铜材料,缩小端部占用的空间。
为了尽可能提高线槽的空间利用率,导体也设计成方形了。
理论上,圆形导线密绕,理论上的填充率可以达到0.91,而方形导体填充率更高,接近1。而乱七八糟的狂野式绕法,填充率在0.5-0.8之间。不过,对一些应用要求不高的小电机,狂野绕法也能达到设计要求,制造成本低效率高,仍被大量使用。