CN105990930A - 用于电机的绕组 - Google Patents

Abstract

一种用于电机的线圈从箔导体弯曲而成。该箔最初被缠绕在绕线模上，使该箔的厚度远离绕线模延伸。该线圈随后被转移到弯曲工具，并且线圈的侧边被处理，以便将线圈边转过大约90度。在组装到电机的定子上之后，线圈对于线圈中的损耗具有极好的热传递，实现了绕组的冷却运行，或者增大了机器的额定功率。

Description

用于电机的绕组

技术领域

本发明涉及用于形成电机，尤其是其中的线圈不与相邻线圈重叠的那些机器中的绕组的线圈。

背景技术

电机利用磁路中的磁通流动来将能量从一种形式转换成另一种形式。旋转电机在充当马达时将电能转换成机械能，而在充当发电机时将机械能转换成电能。所有这些机器均需要承载励磁或负载电流的电气绕组。这些绕组典型地由一个或多个线圈的导线(例如，铜或铝)构成，该导线被涂以绝缘磁漆(insulating enamel)以提供线圈的相邻匝之间的电绝缘。

因为现有的机器是多种多样的，为了令人满意地制造不同形状的线圈，需要许多不同类型的绕组还需要许多不同的技术。对于相对小的机器，通常使用圆的线圈，并且因为产量通常较高，已知用自动化的方法来生产所需的线圈。典型地，这些线圈具有大量的匝，例如100匝或更多匝，并且导线相当细，例如，直径小于0.5mm，所以线圈是“随机的”或“散”绕的，即，任意一匝的位置在线圈内是不被限定的。有时，这些线圈直接缠绕在机器中，即，“现场(in situ)”绕组。

随着机器尺寸增大或者供给电压降低，所需的匝数下降，并且导线的横截面不得不增大，以承载所需要的更大的电流。这导致采用“分层的”绕组，其中在线圈中每匝的位置被控制，以在给定的横截面积中给出最高可能数目的导体。图1示出了这样的线圈10的横截面，其中各个匝12布置成“六方堆积(hexagonal packing)”的形式。这种构造典型地用于1至5毫米之间的导线直径。

然而，对于更大的机器，通常需要线圈中的匝更少，对可用空间的最优使用需要利用矩形截面的导线。这样的导线，尽管能够在给定空间内产生非常高的密度的导线，但是缠绕起来要困难很多，并且通常涉及劳动密集型的处理。图2中示出了用矩形条导线22缠绕从而给出紧密堆积的形式的线圈20的横截面。

线圈的所需轮廓非常取决于电机的类型。在采用磁动势(mmf)的旋转波的机器中，典型地采用“分布式”绕组，其中每个线圈跨越定子中的几个槽，因此与一个或多个相邻的线圈重叠。为了适应线圈末端绕组或悬垂部分(overhang)(被定义为在定子芯部的有效长度以外的线圈部分)，经常使用钻石形，如图3中所示。这样的线圈和它们的制造方法在一些教科书中进行了讨论，例如1958年由Pitman出版的M G Say所著的“The Performance andDesign of Alternating Current Machines”的第三版。

在其他类型的机器中，线圈仅仅跨越单个齿或电极。这些机器典型地具有凸出的定子电极，并且经常具有平行直边的电极(parallel sided poles)，因此通常将线圈缠绕在绕线模(former)上，随后将线圈安装在电极上，在电极与线圈之间带有适当的绝缘系统。例如，在直流电机中和在开关磁阻电机中的场绕组中能发现这样的线圈。用于这些机器的线圈典型的特征为具有“狭窄的”轮廓，即与线圈安装到的电极成直角的线圈宽度是在容纳线圈的槽的方向上的线圈总长度的一部分，典型地为0.1至0.6。图3示出了线圈的磁致“激活”(magnetically“active”)的长度，即在定子电极或齿之间的线圈长度的范围。

图4示出了用于开关磁阻电机的典型定子的横截面。定子芯40典型地由具有期望轮廓的堆叠叠片组成。芯部具有经常被称为“护铁”的环形的外部41，定子电极42从该外部41径向向内延伸。电极承载线圈46典型地连接成直径上对置的对，从而形成相绕组。电极的数目和相的数目是设计者为了最好地满足机器的规格而选择的参数。

在电极之间形成的槽衬有某种绝缘物。通常，使用由一片绝缘材料制成的槽绝缘衬(slot liner)45。线圈典型地缠绕在绕线模上，然后被转移到定子和放在槽绝缘衬上。围绕一个电极的线圈有时被描述为具有两个“线圈边”43、44和两个线圈端绕组(在此横截面中没有示出)，该线圈端绕组在定子的轴端处将线圈边结合在一起。绝缘衬经常被折叠在同一个槽内的相邻线圈的线圈边上方，并且通过闭合件47(有时称为“槽楔”或“顶贴(topstick)”)固定就位。

对于图4中所示的构造类型，通常将与电极侧面成直角处的线圈尺寸限制成在电极侧面最里面处的电极侧面之间的间隙的一半。这确保了线圈将全部能够装配到定子内，但是导致在完成的定子中存在空隙48。尽管这种空隙对于线圈(从而相绕组)之间的电气绝缘有利，但是其通常在热的方面是不利的，因为其不能提供低的热阻抗来从线圈移除热量。除非线圈将通过流过线圈自身的冷却流体直接冷却，否则在线圈中产生的损耗必须被排除到电极侧面或横跨线圈接触的表面的护铁。结果就是线圈的与这些表面距离最远的匝具有在这些匝与定子芯之间的相对高的热阻抗，因为热量不得不经过许多层绝缘物(在电线自身周围以及槽绝缘衬)才能到达定子。结果，线圈最外的角落将典型地变得比线圈其他部分热得多，并且这经常会对设计的特性造成限制。

因此需要一种线圈设计，其允许损耗被有效地移除到线圈定子，并且具有更均匀的热分布。

发明内容

本发明在所附独立权利要求中进行限定。从属权利要求中列举了优选特征。

本发明的各个方面在独立权利要求中陈述。

在一些实施例中，一种用于具有带凸极的定子的电机的线圈从导体缠绕而成以形成用于容纳电机的凸极的空间。导体具有宽度和厚度，并且该导体的宽度与厚度的长径比大于10。导体的宽度在远离所述线圈的一部分中的空间的方向上延伸。

在一些实施例中，导体的宽度在线圈的各自部分中的空间的两个相反侧中的每一侧上在远离所述空间的各自方向上延伸。所述各自的方向可以与等分线圈的各自部分之间的空间的平面垂直。

在一些实施例中，一种用于具有带凸极的定子的电机的线圈由导体缠绕而成，该导体具有垂直于该导体的长度的宽度和厚度，并且该宽度与厚度的长径比大于10。该线圈被形成为具有线圈边，其通过在每端的各自的端部结合起来。线圈边被相对于端部进行扭转。线圈边可以相对于所述端部被扭转过基本上90度。

在一些实施例中，提供了具有带凸极的定子的电机。凸极具有电极侧面，相邻的电极的电极侧面设置在该相邻的电极之间的槽的任一侧上。该电机具有由导体缠绕凸极而形成的线圈，所述导体具有垂直于所述导体的长度的宽度和厚度。宽度与厚度的长径比大于10。所述导体的宽度在远离凸极的电极侧面的区域中的电极侧面的方向上延伸。该方向可以基本上垂直于所述电极侧面。

有利的是，通过提供由扁平的、带状的导体(其具有的宽度与厚度的长径比大于某个值，例如大于10)制成的线圈，在宽度的方向上由导线绝缘物代表的热传递障碍物被移除，因此通过形成线圈的导体的宽度，在定子与在线圈的其他地方产生的热量之间可以发生有效的热交换。此外，通过将导体定向成使其宽度在远离电极侧面的方向上，例如在垂直于电极侧面的方向上延伸，线圈的自由面与电极端部之间的距离增大，因此减少了由于在电极面的端部处的边缘磁通导致的涡流的发生。这种结构因此将热冷却效率与产生的磁路的效率结合起来。

在一些实施例中，提供了通过使用如上所述的导体制造用于电机的线圈的方法。该方法包括：将导体缠绕在绕线模上以形成线圈，使导体的厚度远离绕线模延伸。线圈具有通过在每端处的各自端部结合起来的线圈边。该方法包括：沿着从其中一个端部向另一个端部的方向围绕轴线弯曲线圈边。在一些实施例中，该方法包括：将线圈边围绕轴线弯曲一角度，使得当该操作完成时线圈边基本上共面。该方法可以包括将线圈边围绕轴线弯曲大于90度的角度。

在任意以上实施例中，导体的长径比可以大于40、大于50或大于100。该电机可以是开关磁阻电机。

附图说明

本发明能够以多种方式实施，现在将通过举例的方式并通过参考附图来描述其中一些方式，在附图中：

图1示出了由圆形电线制成的密堆积的线圈的横截面；

图2示出了由矩形电线制成的密堆积的线圈的横截面；

图3示出了用于分布式绕组的典型的钻石形的线圈；

图4示出了用于开关磁阻电机的典型定子的局部横截面；

图5示出了在一个电极上具有箔式缠绕的线圈的定子的放大部分；

图6示出了箔式缠绕的线圈；

图7a和图7b示出了根据实施例的从线圈的相反侧看到的视图；

图8a、图8b和图8c示出了适合用于弯曲图7中的线圈的线圈边的弯曲工具；以及

图9示出了根据本发明的一个方面的带有箔式缠绕的线圈的定子的放大部分。

具体实施方式

对来自电机的绕组的损耗的驱散依赖于通向冷却剂(例如，吹过线圈外表面的空气)或通向冷却表面(例如，电极侧面或护铁)的热通路的存在。图4示出了用于低压开关磁阻电机的典型绕组，将可以看到从最外边的匝49到定子芯的热通路相对较长。如果机器被完全围住(即，损耗通过定子芯和框架排除)，那么对于线圈的距离定子最远的这些部分通常而言，其运行起来会比更靠近定子的匝热很多。计算显示尽管铜的热导率是398W/mK，但是由铜导线和必要的绝缘物构成的通路的热导率是0.93W/mK。

利用铜的更低的热导率的一种方式是从箔缠绕线圈，并将它们如图5中所示的那样放置在电极上，图5显示了定子的放大部分。在此上下文中，“箔”被认为是宽度与厚度的比例(经常被称为长径比)超过10的导体。等于40或50的长径比经常用在工业应用中。因为其形状，这种材料有时被称为“带状导体”。这种特定的线圈由铜箔52缠绕而成，该铜箔52具有附接到箔的一侧以使线圈的各个匝彼此绝缘的一薄片的绝缘物53。该绝缘物可以是几种已知类型中的一种，例如由DuPont销售的名称为的合成聚酰亚胺薄膜。通常会使绝缘物比箔的宽度稍宽，以避免在箔边缘处的线圈的匝之间的所有短路。为了简洁期间，从此图中略去了槽绝缘物。

此种类型的线圈具有一些优点，尤其是在缠绕的速度方面，因为箔线圈是每层一匝的，从而允许以高速将线圈缠绕在非常简单的绕线模上，而无需确保每一匝相对于下层上的那些匝正确就位。图6示出以这种方式制造的线圈。已经从图6中略去了箔绝缘物。箔导体60被连续盘旋地缠绕在绕线模周围绕轴线68旋转，以产生所示的形状。在常规方式中，线圈具有两个线圈边64、65，这两个线圈边被端绕组66、67连接起来。可以已知的方式将线圈62、63的端部终止成常规的引出导线，使得线圈能够以通常的方式连接起来形成相绕组。这些线圈对于以低压供电的电机尤其有吸引力，因为它们具有数量相对少的匝。制造的可替换的方法是将线圈缠绕在圆形绕线模上以产生环形的线圈，然后通过同时地向内挤压线圈边和向外拉端绕组将线圈形成为图6中所示的“跑道”形状。

为了避免引发疑虑，在以上参考图6所描述的线圈中，导体的长度被缠绕以形成线圈的各匝。在线圈的每层中存在线圈的仅仅一匝。参考平面XX经过线圈的轴线68，并以与线圈长度相同的方向延伸。在线圈边的区域中，导体的宽度大致位于平行于XX的平面中，而导体的厚度以与XX成直角的方向延伸。换言之，随着线圈被缠绕，每一匝增加了线圈的厚度，同时线圈的宽度由导体的宽度(加上存在的任意绝缘物)。

然而，在这种类型的线圈中，线圈的匝相对于电极侧面的方向可能导致会使损耗增大的问题。对图5的观察显示线圈的最靠近机器的空气隙的部分将容易受到在转子电极移动成与定子电极对齐时由边缘磁通在导体中产生的涡流的影响。对于开关磁阻电机存在边缘磁通已经被文献充分证明，参见，例如“Analytical Estimation of the Minimum andMaximum Inductances of a Double-Salient Motor”，Corda,J&Stephenson,JM,Proceedings International Conference on Stepping Motors&Systems,Leeds,Sept1979,pp 50-59，该文件通过参考并入本文中。由磁通产生的涡流在箔的相对大的平面中流动，并且导致导体中的额外损耗。由于这个原因，除了磁通改变的速率非常低的低速电机以外，这种类型的线圈构造通常并不受欢迎。

对于这个问题较有吸引力的解决方法是将箔转过90°，并将线圈缠绕“在边缘上”，使得箔安置成垂直于电极侧面。然而，因为箔的长径比较大，不可能形成围绕线圈端部的箔，因为在迫使箔围绕成相对急的弯时箔将弯曲或撕裂。此外，缠绕的速度会非常低，因此将丧失原有的优点。

图7a和图7b示出了根据一个实施例的线圈的两个视图，该视图是线圈的相对两侧的视图。箔线圈70已经以与线圈60类似的方式缠绕在绕线模上，从而获得缠绕起来轻松而快速的好处。然而，在被放置成围绕电极之前，已经通过夹住线圈72、74的侧面并将其转过90°，来相对于端绕组对线圈72、74的侧面进行了处理。现在，端绕组的形状比之前复杂很多，因为在端绕组中的每一层占据了新的位置以应对线圈边转过90°。为了帮助理解该形状，图7b包括在线圈边和端绕组中的对箔的方向的指示。

图8a、图8b和图8c示出了提供了一种处理线圈边的方法的弯曲工具的示意图。图8a示出了放在工具80中的线圈70，线圈边72、74被容纳在槽82、84中。在该工具的另一种版本中，槽是可调节的，使得槽最初较宽以将线圈容纳在工具中，然后通过可移动构件滑动到适当位置并紧紧地夹紧线圈边72、74使槽变窄。板86、87固定到工具的顶部以固定住线圈的上表面，如图8b中所示。含有槽82、84的工具的两个部分83、85被承载在臂88、89上，臂88、89能够绕轴线旋转。这些臂旋转过适当的角度以将线圈边扭转到期望的平面。由于铜导体通常表现出一定的滞回，典型地有必要将线圈边扭转大于90°，使得线圈边在被从工具上释放时会采用所需的位置。图8c示出了处于某个位置的工具，在该位置处线圈边已经被扭转过90°。线圈制造领域的技术人员将理解到，所示的弯曲工具80在很大程度上是示意性的，并且实际的工具将看起来是不同的，但仍会实现对线圈边进行的期望的处理。

图9示出了组装到开关磁阻电机的定子92的电极90上的线圈70的横截面视图。为了清楚起见，在此图中夸大了空隙，但是实际上线圈将被紧密堆积起来并且典型地在组装以后将用聚酯或树脂漆浸渍，以填满箔周围的所有间隙。在线圈边中箔的宽度的方向为，或近似为，与电极侧面成90°，并且箔的厚度平行于电极侧面。典型地，箔将被组装到定子中的每个电极，并且被连接以形成期望数目的相绕组。

这种结构具有几个好处。对图9的观察显示从线圈任意部分到电极侧面的热通路主要贯穿了箔导体的宽度。这种通路具有非常低的热阻抗，因此除热较好。进一步，因为与导线缠绕的线圈相比箔线圈实现了非常紧密的堆积，对于给定横截面积的导体，线圈较小。这允许更紧凑的线圈位于与空气隙距离更远之处，并进一步降低了涡流损耗。

图7和图8示出了一个线圈边被以顺时针方向旋转而另一个线圈边被以逆时针方向旋转从而产生最终的线圈形状。同样可能以相同的方向旋转两个线圈边从而产生成品线圈。尽管对于这种结构，端绕组会具有与图7中所示的那些稍微不同的轮廓，但是对于线圈边而言最后结果是一样的，即在成品线圈中的线圈边具有的箔导体的宽度与为定子电极提供的空间成直角。

本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明的情况下，公开的结构可以有改变，尤其是在线圈的形状和弯曲工具的细节方面。例如，线圈边的其他朝向可以实现热传导改善和涡流降低的类似好处，该其他朝向例如是箔导体的宽度并不在与电极侧面成90°或接近90°的方向上延伸，而是以非0°的另一个角度(例如，45°的或在45°至90°之间的角度)上延伸。可见，只要导体箔的边缘保持与电极侧面相接触或相接近，则热通路可保持成主要为贯穿导体的宽度，同时与图5和图6的结构相比由于边缘磁通导致的涡流会降低，因为线圈的面与空气隙中的磁通的接近度降低。

相应地，以上对几个实施例的描述是通过举例的方式做出的，而并不是为了限制的目的。对于技术人员来说很明显的是，对以上描述的线圈设计和制造方法可以做出较小的修改。本发明旨在仅受以下权利要求的范围的限制。

Claims (15)

1.一种线圈，用于具有带凸极的定子的电机，该线圈由导体缠绕而成以形成用于容纳电机的凸极的空间，所述导体具有宽度和厚度，并且该导体的宽度与厚度的长径比大于10，其中所述导体的宽度在远离所述线圈的一部分中的空间的方向上延伸。

2.如权利要求1所述的线圈，其中所述导体的宽度在所述线圈的各自部分中的空间的两个相反侧中的每一侧上以远离所述空间的各自方向上延伸。

3.如权利要求2所述的线圈，其中所述各自的方向与等分所述线圈的各自部分之间的空间的平面垂直。

4.一种线圈，用于具有带凸极的定子的电机，该线圈由导体缠绕而成，该导体具有垂直于该导体的长度的宽度和厚度，并且该宽度与厚度的长径比大于10，该线圈被形成为具有线圈边，其通过在每端处的各自的端部结合起来，其中所述线圈边相对于所述端部进行扭转。

5.如权利要求4所述的线圈，其中所述线圈边相对于所述端部被扭转基本上90度。

6.一种电机，具有带凸极的定子和围绕该凸极的如权利要求1至5中任一项所述的线圈。

7.一种电机，具有带凸极的定子和由导体缠绕在凸极周围而形成的线圈，该凸极具有电极侧面，相邻的电极的电极侧面设置在该相邻的电极之间的槽的任一侧上，所述导体具有垂直于所述导体的长度的宽度和厚度，并且所述导体的宽度与厚度的长径比大于10，其中所述导体的宽度在远离所述凸极的所述电极侧面的区域中的所述电极侧面的方向上延伸。

8.如权利要求7所述的电机，其中所述方向基本上垂直于所述电极侧面。

9.一种通过使用导体制造用于电机的线圈的方法，该导体具有垂直于所述导体的长度的宽度和厚度，并且所述导体的长度与厚度的长径比大于10，该方法包括：

将导体缠绕在绕线模上以形成线圈，使所述导体的厚度远离所述绕线模延伸，所述线圈具有线圈边，线圈边由在每端处的各自端部结合起来；以及沿着从端部中的一个向端部中的另一个的方向围绕轴线弯曲每个线圈边。

10.如权利要求9所述的方法，所述方法包括：将每个线圈边围绕所述轴线弯曲一角度，使得当所述弯曲操作完成时所述线圈边基本上共面。

11.如权利要求9或10所述的方法，所述方法包括：将每个线圈边围绕所述轴线弯曲大于90度的角度。

12.如前述权利要求中任一项所述的一种线圈、电机或方法，其中所述长径比大于40。

13.如前述权利要求中任一项所述的一种线圈、电机或方法，其中所述长径比大于50。

14.如前述权利要求中任一项所述的一种线圈、电机或方法，其中所述长径比大于100。

15.如前述权利要求中任一项所述的一种线圈、电机或方法，其中所述电机是开关磁阻电机。