CN111585371A - 直流电机换向极绕组、直流电机及绕组绕制方法 - Google Patents

Abstract

一种直流电机换向极绕组、直流电机及绕组绕制方法，该直流电机换向极绕组包括上层半全圈数扁铜线绕组、下层半全圈数扁铜线绕组，上层半全圈数扁铜线绕组位于最内圈的扁铜线端部经连接部与下层半全圈数扁铜线绕组位于最内圈的扁铜线端部连接形成全圈换向极成型绕组；全圈换向极成型绕组为两圈以上长圆形线圈结构，每圈线圈结构包括两圆弧段、连于两圆弧段两端之间的直线段，上层半全圈数扁铜线绕组位于最内圈的扁铜线端部、下层半全圈数扁铜线绕组位于最内圈的扁铜线初始位置均位于圆弧段。该直流电机换向极绕组在保证直流电机在相同性能的情况下，换向极绕组体积最小化，实现了空间利用最大化。

Description

直流电机换向极绕组、直流电机及绕组绕制方法

技术领域

本发明涉及有刷直流电机技术领域，具体是直流电机换向极绕组、直流电机及绕组绕制方法。

背景技术

航空直流起动发电机由于工作在低电压、大电流、宽转速范围工况下、为保证航空直流起动发电机的使用性能，电机均设计有换向极，并在换向极上设计有换向极绕组，换向极和换向极绕组一起作用于直流起动发电机的交轴上，产生换向电势以消除或削弱电机的换向火花。换向极的径向尺寸大小、径向相对位置以及换向极绕组的圈数均是影响电机换向火花的关键因素。

由于飞机对航空部件的尺寸限制，换向极绕组必须最大化的利用换向极部位的空间，即在最小的空间占用下绕出需要的圈数，因此换向极绕组需采用扁铜线绕制（相对于多股圆铜线，空间利用率可以明显提高）。但即使是采用扁铜线，由于正比于转子槽数的换向极绕组的圈数较多，换向极绕组需要多层（沿换向极轴向方向）多圈（垂直于换向极轴向并平行于转子切向方向）绕制。

如何达到圈数空间占用的最优化，在绕制满足要求的圈数的同时换向极绕组体积不增加，成为亟待解决的问题。

现有的解决途径之一是利用分布在磁极极靴上的补偿绕组的替代作用，来减少换向极绕组的圈数，从而使换向极绕组可以以单圈多层绕组的方式实现，换向极绕组因而不存在上述缺点。但由于补偿绕组的存在，一方面加大了制造的难度，另一方面较长的绕组端部形成的电阻使电机的效率及起动状态下同转矩时电机工作转速降低，电机的重量和温升相对增大。

现有的解决途径之二是压缩扁铜线线横截面积尺寸进而保证换向极绕组所需圈数，显然这样就会因为绕组的电阻增加（电机绕组的电阻和截面积成反比例关系），使电机的效率及起动状态下同转矩时电机工作转速降低，造成电机的相对温升升高，但重量会有所减轻。

现有的解决途径之三是加大电机体积，以留出足够的空间来安装换向极绕组，显然这样会增大电机的体积和重量。

发明内容

本发明的目的是解决现有换向极绕组在保证扁铜线面积、所需圈数下，绕制的绕组体积大，电机的重量和温升增大的技术问题，而提出了一种直流电机换向极绕组，结构合理、达到圈数空间占用的最优化。

本发明另一目的是提出一种直流电机。

本发明还一目的是提出一种绕组绕制方法。

本发明的技术方案是：

一种直流电机换向极绕组，包括上层半全圈数扁铜线绕组、下层半全圈数扁铜线绕组，所述上层半全圈数扁铜线绕组为由扁铜线沿扁铜线厚度方向顺时针由内向外绕制成两圈以上线圈结构，所述下层半全圈数扁铜线绕组为由扁铜线沿扁铜线厚度方向逆时针由内向外绕制成两圈以上线圈结构，上层半全圈数扁铜线绕组位于最内圈的扁铜线端部经连接部与下层半全圈数扁铜线绕组位于最内圈的扁铜线端部连接形成换向极成型绕组，换向极成型绕组最内圈为套于换向极处的换向极安装位置；换向极成型绕组为两圈以上长圆形线圈结构，每圈线圈结构包括两圆弧段、连于两圆弧段两端之间的直线段，上层半全圈数扁铜线绕组位于最内圈的扁铜线端部、下层半全圈数扁铜线绕组位于最内圈的扁铜线初始位置均位于圆弧段。初始位置在圆弧段，否则全圈换向极成型绕组的圈数会减少半圈。

所述上层半全圈数扁铜线绕组位于最内圈的扁铜线端部与其相邻的长圆形线圈结构之间、下层半全圈数扁铜线绕组位于最内圈的扁铜线端部与其相邻的长圆形线圈结构之间均有预留焊接空间。

所述上层半全圈数扁铜线绕组、下层半全圈数扁铜线绕组分别由两根扁铜线绕制，连接部为焊料连接形成。

所述上层半全圈数扁铜线绕组、下层半全圈数扁铜线绕组由一根扁铜线绕制，连接部为拉伸形变部。

所述拉伸形变部为上下层错位拉伸形变部。

两圆弧段中其中一圆弧段为一段完整的半圆形弧段，另一圆弧段由中间直线段、连于中间直线段两端的端部圆弧段组成。中间直线段可以控制绕组长度、同时便于形成预留焊接空间。

一种直流电机，包括定子、转子，所述定子包括基座、主磁极、换向极、电刷装置，所述换向极外套有上述的直流电机换向极绕组。

一种绕组绕制方法，包括如下步骤：

1）、将扁铜线按所需长度下料，按扁铜线间间隙和扁铜线的宽度，选取同等厚度和宽度的垫片；根据间隙形状不同，将垫片折弯成相适配的形状；

2）、将压板中安装槽装入底座台阶中；

3）、将一根扁铜线的扁铜线初始位置绕制成型后，靠近扁铜线初始位置的扁铜线自由端位于底座轴侧面形成最内圈线圈的一直线段，将垫块放置于最内圈线圈的直线段外侧；

4）、夹紧虎钳：虎钳钳口一端夹于压板侧面、底座侧面，虎钳钳口另一端夹于垫块；

5）、最内圈线圈的直线段压紧，扁铜线沿厚度方向顺时针紧贴底座轴侧面绕制形成最内圈线圈的圆弧段，靠近最内圈线圈的圆弧段的扁铜线自由端位于底座轴侧面形成最内圈线圈的另一直线段；

6）、松开虎钳，将垫块放置于最内圈线圈的另一直线段外侧，在扁铜线初始位置外侧放置小垫块，重复步骤4）夹紧虎钳，最内圈线圈的另一直线段压紧，扁铜线沿厚度方向顺时针紧贴底座轴侧面绕制形成第二圈线圈的圆弧段、直线段，取走小垫块，扁铜线初始位置与第二圈线圈的圆弧段形成预留焊接空间；

7）、最内圈线圈的圆弧段外侧放置相适配的垫片，松开虎钳，将垫块放置于第二圈线圈的直线段外侧，重复步骤4）夹紧虎钳，第二圈线圈的直线段压紧，扁铜线沿厚度方向顺时针紧贴垫片侧面绕制形成第二圈线圈的圆弧段、另一直线段；垫片形成线圈间间隙；

8）、重复步骤7）及步骤4）完成上层半全圈数扁铜线绕组；

9）、采用上述方法使扁铜线逆时针由内向外绕制，完成下层半全圈数扁铜线绕组；

10）、将上层半全圈数扁铜线绕组、下层半全圈数扁铜线绕组依次放入焊接底座槽腔内，两个半全圈数扁铜线绕组的焊接部位位于焊接定位夹具轴端，使其组合在一起，放入银铜焊料，用盖板和螺钉紧固；

11）、在焊接部位两外侧的扁铜线部位接入焊机的两个钨极头进行加热，由于银铜焊料的熔点比扁铜低，将温度加热到高于银铜焊料的熔点，低于扁铜熔化温度，在焊接部位熔融，将两个半全圈数扁铜线绕组可靠连接在一起，构成完整的换向极绕组。

一种绕组绕制工装，包括底座、压板；所述底座由位于底部的大台阶部、位于中部的底座轴、位于上部的底座台阶组成三级阶梯式结构，所述底座轴为长圆形，压板中部有与底座台阶相适配的安装槽，压板经安装槽装于底座台阶处，压板内面内圈与底座轴表面相接触，压板内面边缘凸出于底座轴，压板内面边缘、底座轴与底座之间形成环形绕制空间；还包括用于依次放置于每圈扁铜线直线段的垫块、用于配合垫块压紧扁铜线直线段的虎钳、用于形成相邻两圈扁铜线间间隙的垫片，虎钳钳口一端夹于压板侧面、底座侧面，虎钳钳口另一端夹于垫块。

所述垫块为长条形钢件，当虎钳夹紧放置于扁铜线直线段处的垫块时垫块外侧面凸出于底座侧面，垫块高度和扁铜线的宽度相同，垫块长度和扁铜线直线段相同。

所述垫片为不锈钢片，垫片由两个半段直线段和一个成型圆弧段，半段直线段为各圈扁铜线直线段的一半，成型圆弧段与各圈扁铜线的圆弧段相对应，厚度为扁铜线间间隙，垫片的高度与扁铜线的宽度相同。

一种绕组焊接工装，包括焊接底座、盖板，焊接底座为两端敞开的长槽形结构，焊接底座槽腔中部沿长度方向设有长圆形焊接定位夹具轴，焊接定位夹具轴一端伸出于焊接底座槽腔外，焊接定位夹具轴表面有两个以上螺栓孔，盖板经螺栓装于焊接底座槽口处，焊接底座、盖板、焊接定位夹具轴之间形成用于定位待焊接的上层半全圈数扁铜线绕组与下层半全圈数扁铜线绕组的环形定位腔。

所述环形定位腔的高度等于扁铜线宽度的2倍；焊接底座截面大小与盖板大小相同。

所述焊接底座、盖板由钢件制成。

本发明将上层半全圈数扁铜线绕组和下层半全圈数扁铜线绕组在扁铜线初始位置经连接部连接代替靠一定斜接长度实现上下层过渡的绕制方法，本发明换向极成型绕组绕出所需圈数，在结构上做到了体积最小化，实现了空间利用最大化。

附图说明

图1是上层半全圈数扁铜线绕组的结构示意图；

图2是下层半全圈数扁铜线绕组的结构示意图；

图3是换向极成型绕组的结构示意图之一；

图4是绕组绕制工装的底座的结构示意图；

图5是图4的侧视图；

图6是绕组绕制工装的压板的结构示意图；

图7是绕组绕制工装的使用状态图；

图8是绕组焊接工装的焊接底座的结构示意图；

图9是绕组焊接工装的盖板的结构示意图；

图10是绕组焊接工装的使用状态图；

图11是换向极成型绕组的结构示意图之二；

图12是上下层错位拉伸形变的结构示意图；

图13是上下层起始绕制位置结构示意图；

图14是现有换向极成型绕组的结构示意图；

图15是图14的剖视图。

具体实施方式

图1-10中，换向极成型绕组包括上层半全圈数扁铜线绕组1、下层半全圈数扁铜线绕组2、换向极安装位置3、位于其上的焊接部位6、银铜焊料7。上层半全圈数扁铜线绕组1和下层半全圈数扁铜线绕组2，根据换向极安装位置3尺寸要求完成绕制后，在位于其上的焊接部位6处，采用银铜焊料7钎焊完成。银铜焊料采用片状δ=0.1～0.28成型悍料，由于钨极头的温度要高于银铜焊料的熔点，在焊接处预留焊接空间5可防止加热过程中温度过高造成相邻半圆外圈的扁铜线漆皮烧伤，实现空间利用最大化。

绕组绕制工装包括底座、压板，底座由位于底部的大台阶部、位于中部的底座轴15、位于上部的底座台阶14组成三级阶梯式结构，底座轴15为长圆形，压板中部有与底座台阶14相适配的安装槽11，压板经安装槽11装于底座台阶14处，虎钳钳口一端夹于压板侧面、底座侧面，虎钳钳口25另一端夹于垫块24，压板内面内圈与底座轴15表面相接触，压板内面边缘凸出于底座轴15，压板内面边缘、底座轴15与底座之间形成环形绕制空间。相邻两圈扁铜线之间的垫片形成扁铜线间间隙18。

绕组焊接工装包括焊接底座、盖板，焊接底座为两端敞开的长槽形结构，焊接底座槽腔19中部沿长度方向设有长圆形焊接定位夹具轴20，焊接定位夹具轴20一端伸出于焊接底座槽腔19外，焊接定位夹具轴20表面有两个以上螺栓孔，盖板经螺栓装于焊接底座槽口处，焊接底座、盖板、焊接定位夹具轴20之间形成用于定位待焊接的上层半全圈数扁铜线绕组1与下层半全圈数扁铜线绕组2的环形定位腔。

此实施例中该换向极成型绕组绕制方法如下：

1）、将扁铜线按所需长度下料，按扁铜线间间隙和扁铜线的宽度，选取同等厚度和宽度的垫片；根据间隙形状不同，将垫片折弯成相适配的形状；

2）、将压板中安装槽11装入底座台阶14中；

3）、将一根扁铜线的扁铜线初始位置4绕制成型后，靠近扁铜线初始位置4的扁铜线自由端位于底座轴15侧面形成最内圈线圈的一直线段，将垫块放置于最内圈线圈的直线段外侧；

4）、夹紧虎钳：虎钳钳口一端夹于压板侧面、底座侧面，虎钳钳口另一端夹于垫块；

5）、最内圈线圈的直线段压紧，扁铜线沿厚度方向顺时针紧贴底座轴15侧面绕制形成最内圈线圈的圆弧段，靠近最内圈线圈的圆弧段的扁铜线自由端位于底座轴15侧面形成最内圈线圈的另一直线段；

6）、松开虎钳，将垫块放置于最内圈线圈的另一直线段外侧，在扁铜线初始位置4外侧放置小垫块，重复步骤4）夹紧虎钳，最内圈线圈的另一直线段压紧，扁铜线沿厚度方向顺时针紧贴底座轴15侧面绕制形成第二圈线圈的圆弧段、直线段，取走小垫块，扁铜线初始位置4与第二圈线圈的圆弧段形成预留焊接空间5；

7）、最内圈线圈的圆弧段外侧放置相适配的垫片，松开虎钳，将垫块放置于第二圈线圈的直线段外侧，重复步骤4）夹紧虎钳，第二圈线圈的直线段压紧，扁铜线沿厚度方向顺时针紧贴垫片侧面绕制形成第二圈线圈的圆弧段、另一直线段；垫片形成线圈间间隙18；

8）、重复步骤7）及步骤4）完成上层半全圈数扁铜线绕组；

9）、采用上述方法使扁铜线逆时针由内向外绕制，完成下层半全圈数扁铜线绕组；

10）、将上层半全圈数扁铜线绕组、下层半全圈数扁铜线绕组依次放入焊接底座槽腔19内，两个半全圈数扁铜线绕组的焊接部位6位于焊接定位夹具轴20端，使其组合在一起，放入银铜焊料7，用盖板21和螺钉紧固；

11）、在焊接部位6两外侧的扁铜线部位接入焊机的两个钨极头进行加热，由于银铜焊料的熔点比扁铜低，将温度加热到高于银铜焊料的熔点，低于扁铜熔化温度，在焊接部位6熔融，将两个半全圈数扁铜线绕组可靠连接在一起，构成完整的换向极绕组。

图11、12、13中，上层半全圈数扁铜线绕组1、下层半全圈数扁铜线绕组2由一根扁铜线绕制，上层半全圈数扁铜线绕组1、下层半全圈数扁铜线绕组2之间为拉伸形变部8。针对生产批量较高，可采用一根扁铜线将上下层错位拉伸形变形成拉伸形变部8，来实现由上层半全圈数扁铜线绕组1和下层半全圈数扁铜线绕组2的连接和过渡，从而达到和焊接相同的效果。然后再分别在各自的轴向位置上，完成上层半全圈数扁铜线绕组1和下层半全圈数扁铜线绕组2的绕制，构成换向极成型绕组。9为上下层起始绕制位置。此实施例中该换向极成型绕组绕制方法如下：

1、采用一根扁铜线沿扁铜线宽度方向完成上下层错位拉伸形变。

2、沿扁铜线厚度方向，分别将上下层起始绕制位置9绕制完成。

3、在各自的轴向位置上，使扁铜线由内向外绕制，完成上层半全圈数扁铜线绕组1和下层半全圈数扁铜线绕组2，构成完整的换向极成型绕组。

图14、15中，以2层4圈现有换向极绕组为例，当上层半全圈数扁铜线绕组1’的4圈绕组绕制完成后，位于4圈中最里面的扁铜线的一端需要过渡到下层半全圈数扁铜线绕组2’的4圈中最里面一圈。由于扁铜线具有一定的宽高比，该过渡必须依靠一定的斜接长度10’来完成，因此会占用上层半全圈数扁铜线绕组1’的半圈扁铜线和下层半全圈数扁铜线绕组2’的半圈扁铜线的空间，最终会导致两个半全圈数扁铜线绕组的半圈扁铜线空间均只实现了半圈的功能，整体上浪费了半圈扁铜线的空间，达不到圈数空间占用的最优化。绕制满足要求的圈数，换向极绕组体积将增加。

Claims (8)

1.一种直流电机换向极绕组，其特征在于：包括上层半全圈数扁铜线绕组（1）、下层半全圈数扁铜线绕组（2），所述上层半全圈数扁铜线绕组（1）为由扁铜线沿扁铜线厚度方向顺时针由内向外绕制成两圈以上线圈结构，所述下层半全圈数扁铜线绕组（2）为由扁铜线沿扁铜线厚度方向逆时针由内向外绕制成两圈以上线圈结构，上层半全圈数扁铜线绕组（1）位于最内圈的扁铜线初始位置经连接部与下层半全圈数扁铜线绕组（2）位于最内圈的扁铜线初始位置连接形成换向极成型绕组，换向极成型绕组最内圈为套于换向极处的换向极安装位置（3）；

换向极成型绕组为两圈以上长圆形线圈结构，每圈线圈结构包括两圆弧段、连于两圆弧段两端之间的直线段，上层半全圈数扁铜线绕组（1）位于最内圈的扁铜线初始位置、下层半全圈数扁铜线绕组（2）位于最内圈的扁铜线初始位置均位于圆弧段。

2.根据权利要求1所述的直流电机换向极绕组，其特征在于：所述上层半全圈数扁铜线绕组（1）位于最内圈的扁铜线端部与其相邻的长圆形线圈结构之间、下层半全圈数扁铜线绕组（2）位于最内圈的扁铜线端部与其相邻的长圆形线圈结构之间均有预留焊接空间（5）。

3.根据权利要求1所述的直流电机换向极绕组，其特征在于：所述上层半全圈数扁铜线绕组（1）、下层半全圈数扁铜线绕组（2）分别由两根扁铜线绕制，连接部为焊料连接形成。

4.根据权利要求1所述的直流电机换向极绕组，其特征在于：所述上层半全圈数扁铜线绕组（1）、下层半全圈数扁铜线绕组（2）由一根扁铜线绕制，连接部为拉伸形变部。

5.根据权利要求4所述的直流电机换向极绕组，其特征在于：所述拉伸形变部为上下层错位拉伸形变部（8）。

6.根据权利要求1所述的直流电机换向极绕组，其特征在于：两圆弧段中其中一圆弧段为一段完整的半圆形弧段，另一圆弧段由中间直线段、连于中间直线段两端的端部圆弧段组成。

7.一种直流电机，其特征在于：包括定子、转子，所述定子包括基座、主磁极、换向极、电刷装置，所述换向极外套有如权利要求1-5中任一项权利要求所述的直流电机换向极绕组。

8.一种绕组绕制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）、将扁铜线按所需长度下料，按扁铜线间间隙和扁铜线的宽度，选取同等厚度和宽度的垫片；根据间隙形状不同，将垫片折弯成相适配的形状；

2）、将压板中安装槽11装入底座台阶14中；

3）、将一根扁铜线的扁铜线初始位置4绕制成型后，靠近扁铜线初始位置4的扁铜线自由端位于底座轴15侧面形成最内圈线圈的一直线段，将垫块放置于最内圈线圈的直线段外侧；

4）、夹紧虎钳：虎钳钳口一端夹于压板侧面、底座侧面，虎钳钳口另一端夹于垫块；

5）、最内圈线圈的直线段压紧，扁铜线沿厚度方向顺时针紧贴底座轴15侧面绕制形成最内圈线圈的圆弧段，靠近最内圈线圈的圆弧段的扁铜线自由端位于底座轴15侧面形成最内圈线圈的另一直线段；

6）、松开虎钳，将垫块放置于最内圈线圈的另一直线段外侧，在扁铜线初始位置4外侧放置小垫块，重复步骤4）夹紧虎钳，最内圈线圈的另一直线段压紧，扁铜线沿厚度方向顺时针紧贴底座轴15侧面绕制形成第二圈线圈的圆弧段、直线段，取走小垫块，扁铜线初始位置4与第二圈线圈的圆弧段形成预留焊接空间5；

7）、最内圈线圈的圆弧段外侧放置相适配的垫片，松开虎钳，将垫块放置于第二圈线圈的直线段外侧，重复步骤4）夹紧虎钳，第二圈线圈的直线段压紧，扁铜线沿厚度方向顺时针紧贴垫片侧面绕制形成第二圈线圈的圆弧段、另一直线段；垫片形成线圈间间隙18；

8）、重复步骤7）及步骤4）完成上层半全圈数扁铜线绕组；

9）、采用上述方法使扁铜线逆时针由内向外绕制，完成下层半全圈数扁铜线绕组；

10）、将上层半全圈数扁铜线绕组、下层半全圈数扁铜线绕组依次放入焊接底座槽腔19内，两个半全圈数扁铜线绕组的焊接部位6位于焊接定位夹具轴20端，使其组合在一起，放入银铜焊料7，用盖板21和螺钉紧固；

11）、在焊接部位6两外侧的扁铜线部位接入焊机的两个钨极头进行加热，由于银铜焊料的熔点比扁铜低，将温度加热到高于银铜焊料的熔点，低于扁铜熔化温度，在焊接部位6熔融，将两个半全圈数扁铜线绕组可靠连接在一起，构成完整的换向极绕组。

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