CN114530963A - 空心杯电机的斜绕组及其绕制方法和有刷空心杯电机 - Google Patents

Abstract

一种空心杯电机的斜绕组，由设置在虚拟空心圆柱体内壁与外壁上的多个绕组元件构成，多个绕组元件沿虚拟空心圆柱体周向依次排列，每个绕组元件由多根漆包导线并联并排绕制而成，虚拟空心圆柱体内外壁上的内层绕组元件与外层绕组元件在虚拟空心圆柱体的周向上交错设置，每个绕组元件周向上的首端设置有一个首端抽头，尾端设置有一个尾端抽头，内层绕组元件的首端抽头和与内层绕组元件的首端抽头相邻的外层绕组元件的尾端抽头斜跨并接，内层绕组元件的尾端抽头和与内层绕组元件的尾端相邻的外层绕组元件的首端抽头斜跨并接。由于内外层绕组元件串接不会出现位置差异及周长不等的情况，避免了由于反电势差异产生的环流，提高了电机性能。

Description

空心杯电机的斜绕组及其绕制方法和有刷空心杯电机

技术领域

本发明涉及一种空心杯电机绕组，尤其涉及一种用于消除环流的空心杯电机斜绕组及其绕制方法和具有其的有刷空心杯电机。

背景技术

近年来，空心杯电机由于其具有效率高、功率密度高、火花小、无齿槽转矩、运行平稳等特点，广泛应用于各种工业设备和伺服机构中，作为驱动元件使用。空心杯电机不使用带齿槽的铁芯安放绕组，而是由漆包线绕制成的杯型绕组。根据绕制形式不同，可以分为直绕组、斜绕组、菱形绕组、六边形绕组等等。

空心杯电机与其他电机最大的区别在于电枢仅由绕组绕制而成，省去了嵌放绕组的铁芯，由于不是在铁芯槽放置绕组，因此绕组的对称性不易保证。若多层并绕绕组上下层间出现位置差异，则会造成并绕绕组之间反电势不同，从而产生环流。

以两层的并联斜绕组为例，一般绕组由单股导线绕制，先绕制内层绕组元件，占据内侧圆周一圈，再绕制外层绕组元件元件，占据外侧圆周一圈。绕制完成后对应内外层绕组元件并联，由于上下层的周长不同，上下层绕组绕制存在一定的不对称性，这时上下层绕组并联后由于反电势有差异就会有环流产生，影响电机性能。

发明内容

综上所述，如何解决现有空心杯电机的双层斜绕组，绕组并联后由于上下层导线的不对称、周长不同而出现反电势差产生环流，影响电机性能的问题，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种空心杯电机的斜绕组，斜绕组由多个绕组元件构成；绕组元件由多根漆包导线并联并排绕制而成；绕组元件分为内层绕组元件与外层绕组元件；内层绕组元件与外层绕组元件有多个，分别设置在虚拟空心圆柱体内壁与外壁上，并沿虚拟空心圆柱体周向依次排列设置；

内层绕组元件与外层绕组元件在虚拟空心圆柱体的周向上交错设置；绕组元件周向上的首端设置有一个首端抽头，尾端设置有一个尾端抽头；内层绕组元件的首端抽头和与内层绕组元件的首端抽头相邻的外层绕组元件的尾端抽头斜跨并接，内层绕组元件的尾端抽头和与内层绕组元件的尾端相邻的外层绕组元件的首端抽头斜跨并接。

优选地，绕组元件的首端抽头与尾端抽头沿虚拟空心圆柱体的轴向同一方向设置。

优选地，多个内层绕组元件与多个外层绕组元件的个数相等；多个内层绕组元件间等距设置，多个外层绕组元件间等距设置。

优选地，多个内层绕组元件与多个外层绕组元件的线圈总匝数相等。

优选地，多个内层绕组元件中每个内层绕组元件的线圈匝数相等；每个内层绕组元件与每个外层绕组元件的线圈匝数相等。

优选地，多个内层绕组元件与多个外层绕组元件的数量均为N个；在虚拟空心圆柱体内壁与外壁上还分别设置有1个内层绕组子元件和1个外层绕组子元件，1个内层绕组子元件和1个外层绕组子元件共同形成一个绕组元件，内层绕组子元件在虚拟空心圆柱体周向上位于第1个内层绕组元件和第N个内层绕组元件之间，外层绕组子元件在虚拟空心圆柱体周向上位于第1个外层绕组元件和第N个外层绕组元件之间。

优选地，内层绕组子元件和外层绕组子元件的线圈匝数相等。

本发明还提供了一种有刷空心杯电机，有刷空心杯电机包括：外壳；永磁体，永磁体相对于外壳固定设置；和斜绕组，为权利要求1-7中任一项的斜绕组，与有刷空心杯电机的换向器连接，斜绕组设在永磁体的外部，相对于永磁体转动设置。

优选地，斜绕组的内层绕组元件与外层绕组元件的抽头斜跨并接，并接形成的接头与换向器的换向片连接；换向片的数量与接头数量相等，换向片与接头焊接。

本发明还提供了一种空心杯电机的斜绕组的绕制方法，其特征在于，多股导线并联绕制，交错并头焊接于换向器。步骤如下：

步骤1、根据圆柱绕线模的周长、轴向长、元件数，确定绕组的线圈匝数、漆包导线的直径与并绕根数；

步骤2、多根漆包导线并联并排在圆柱绕线模的外壁上依次绕制内层绕组元件；

步骤3、紧贴内层绕组元件的外壁多根漆包导线并联并排依次绕制外层绕组元件，绕制时，外层绕组元件与内层绕组元件交错设置；

步骤4、绕制时，内层绕组元件、外层绕组元分别沿圆柱绕线模的外壁周向依次排列，首尾端沿圆柱绕线模的轴向同一方向抽头；

步骤5、绕制结束，内层绕组元件的首端抽头与内层绕组元件的首端抽头相邻的外层绕组元件的尾端抽头并接，内层绕组元件的尾端抽头与内层绕组元件的尾端抽头相邻的外层绕组元件的首端抽头并接；

步骤6、抽头并接后，对斜绕组进行加固、烘焙、冷却成型脱模处理；

步骤7、抽头并接后的接头与换向器的换向片焊接。

通过上述结构设计，本发明至少能够达到如下有益效果：

本发明提供了一种空心杯电机的斜绕组，相比于常用的单股漆包导线绕制成的绕组元件并联后双层斜绕组，本发明由多股漆包导线并绕制成的绕组元件串联后双层斜绕组结构，该结构将上下层绕组元件转化为单层并绕绕组，上下层绕组元件由于不同步绕制精度，内外圆尺寸差异会存在不对称情况，但双股漆包导线并绕绕组由于同时绕制，不存在不对称的情况，可以消除并绕绕组间的环流，还可以节省绕制时间。

附图说明

图1是现有技术中提供的一种普通双层绕组绕线接线示意图；

图2是图1中普通双层绕组的等效电路图；

图3是本发明实施例提供的一种空心杯电机的斜绕组的绕线接线示意图；

图4是图3中斜绕组的等效电路图；

图5是本发明实施例提供的一种空心杯电机的斜绕组与换向片的连接示意图。

图中标号说明

在图1中，数字1a'至13a'分别代表了13个绕组元件的第一股线圈，数字1b'至13b'分别代表了13个绕组元件的第二股线圈。

在图3中，数字1a至13a分别代表了13个绕组元件的第一股线圈，数字1b至13b分别代表了13个绕组元件的第二股线圈，1a和1b至13a和13b表示绕组元件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

另外，在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参考图3和图4，其中，图3为本发明实施例中空心杯电机的斜绕组的绕线接线示意图；图4为图3中斜绕组的等效电路图。

本发明提供了一种空心杯电机的斜绕组，该空心杯电机的斜绕组是空心杯电机的一个组成部分，其与现有的空心杯电机上所使用的绕组线圈可以进行替换。

参考图3，该空心杯电机的斜绕组有多个绕组元件，多个绕组元件组成圆筒形结构(或者可以理解为杯状结构)，绕组元件之间都有间距，即间隔设置。在本发明中绕组元件由多根漆包导线并联并排进行绕制而成，绕制时绕组元件周向上(或长度方向或虚拟空心圆柱体的周向上)的首端和尾端各引出一个抽头，分别称为首端抽头和尾端抽头，多个绕组元件沿虚拟空心圆柱体(或者虚拟杯状结构)的内壁与外壁设置了两层。我们将其分为内层绕组元件与外层绕组元件，本发明为了通电后绕组元件产生的磁场推力稳定，绕制时将内层绕组元件设置于虚拟空心圆柱体的内壁上，外层绕组元件设置在虚拟空心圆柱体的外壁上。内层绕组元件与外层绕组元件都有多个，多个内层绕组元件沿虚拟空心圆柱体的内壁周向依次排列设置，多个外层绕组元件沿虚拟空心圆柱体的外壁周向依次排列设置，从而形成圆筒形结构，绕制时内层绕组元件与外层绕组元件在虚拟空心圆柱体的周向上交错设置。

这里相邻的两个内层绕组元件中的一个内层绕组元件的首端抽头与该首端抽头相邻的外层绕组元件的尾端抽头斜跨并接，相邻的两个内层绕组元件中的另一个内层绕组元件的尾端抽头与该尾端抽头相邻的外层绕组元件的首端抽头斜跨并接。需要说明的是，相邻的两个内层绕组元件指的是在虚拟空心圆柱体的周向上，间距最小的两个内层绕组元件。与相邻的两个内层绕组元件都相邻的外层绕组元件指的是，外层绕组元件中与该相邻的两个内层绕组元件距离最近的外层绕组元件，此处距离指的是外层绕组元件的两个抽头分别与相邻的两个内层绕组元件的相对的两个抽头之间的距离。

进一步，抽头斜跨并接时为了减少抽头斜跨幅度，同一绕组元件的首端抽头与尾端抽头沿绕组元件的轴向同一方向设置，多个绕组元件(内层绕组元件与外层绕组元件)的首端抽头与尾端抽头沿虚拟空心圆柱体的轴向同一方向设置(与换向器换向片连接的一面)。

通过使绕组元件由多根漆包导线并联并排绕制而成，将常用的由单根绕制而成的双层绕组(上、下层绕组并联)转化为单层绕组(或称单层并绕绕组)，例如：常用的是：一个绕组元件N匝线圈所占据的角度为360°/N，采用本方案，即两根并绕后，一个绕组元件N匝线圈所占据的角度为2*360°/N。由于单层并绕绕组的各根漆包导线同时绕制，不会存在不对称的情况，可以消除常用绕制法中并绕绕组间的环流。

因为电机的电势相加原则，需将绕组元件串联与并联，本发明使虚拟空心圆柱体上依次排列的内层绕组元件与外层绕组元件串接(绕组间连接后转化为单层绕组，展开后是个大圆)。具体为：虚拟空心圆柱体上依次排列的内层绕组元件与依次排列的外层绕组元件的抽头方向相同，即各绕组元件的同一端抽头的引出方向相同，例如：各绕组元件的首端抽头相对绕组元件本身均沿顺时针方向自绕组元件的首端引出，各绕组元件的尾端相对绕组元件本身均沿逆时针方向自绕组元件的尾端端引出，内层绕组元件的首端抽头和与其首端抽头相邻的外层绕组元件的尾端抽头斜跨并接，该内层绕组元件的尾端抽头和与其尾端抽头相邻的外层绕组元件的首端抽头斜跨并接，该斜跨并接指的是：两个抽头并在一起，然后电连接(例如焊接)到换向片上，换言之，两个抽头并接后的接头与换向片连接，具体参见图5。

为了绕制方便在虚拟空心圆柱体周向上排列的多个绕组元件(内层绕组元件与外层绕组元件)的抽头同面设置。图3中示意出了两层，共13个绕组元件，分别为：1a和1b至13a和13b，na和nb表示第n个绕组元件，na表示第n个绕组元件的一股漆包线，nb表示第n个绕组元件的另一股漆包线，n为大于等于13且小于等于1的自然数。

该多个绕组元件组成的圆筒形结构，其内、外层绕组元件的抽头并接后与换向器的换向片连接，组成一个电流换向结构(绕组的另一端为圆形开口，用于永磁体的装配)。通过换向器将电源所提供的直流电输送给多个绕组元件中，而每一个绕组元件在通电的过程中都会产生磁场，绕组元件感应电动势大小与磁场强度、绕组长度和主极磁场切割速度成正比。为了使电机工作时转子与定子之间的径向力均衡不改变转子的稳定性，绕组元件作为转子时起动、制动迅速，响应快速。本发明中沿虚拟圆柱体依次设置的内层绕组元件与外层绕组元件数量相等，因为电机工作时绕组元件能够很好的散热，可以延长电机寿命，所以多个内层绕组元件间、多个外层绕组元件间都有距离，而且各内层绕组元件等距设置，各外层绕组元件间等距设置(相邻的两个内层绕组元件间有距离且等距设置，相邻的两个外层绕组元件间有距离且等距设置)，而且多个内层绕组元件与多个外层绕组元件的线圈总匝数是相等的(绕制内外层的绕组元件的多根漆包导线直径相同)。

进一步，为了使斜绕组通电时产生的磁场推力稳定，内层绕组元件、外层绕组元件需均布在虚拟圆柱体的内外壁上，由于绕组元件是沿虚拟圆柱体周向设置，所以极域内的绕组元件最好是均匀相等(这里的相等指数量、线圈匝数相等)，使径向力均衡，不改变转子的稳定性，本发明提供了两种绕组数量及线圈的分配方式，第一种，设置在虚拟圆柱体内、外壁上的多个绕组元件，其中每个内层绕组元件的线圈匝数相等、每个外层绕组元件的线圈匝数相等，且每个内层绕组元件与每个外层绕组元件的线圈匝数也相等；第二种，设置在虚拟圆柱体内外壁上的内层绕组元件与外层绕组元件各有N个绕组元件(N为多个)，N个内层绕组元件与N个外层绕组元件每个绕组元件的线圈匝数都是相等的，除N个内层绕组元件与N个外层绕组元件外，虚拟空心圆柱体内壁与外壁上还分别设置有1个内层绕组子元件和1个外层绕组子元件，内层绕组子元件在虚拟空心圆柱体周向上位于第1个内层绕组元件和第N个内层绕组元件之间，外层绕组子元件在虚拟空心圆柱体周向上位于第1个外层绕组元件和第N个外层绕组元件之间，内层绕组子元件和外层绕组子元件也分别首尾端抽头，其中，绕组元件与绕组子元件的连接方式为第1个内层绕组元件的尾端抽头与外层绕组子元件的首端端抽头斜跨串联，外层绕组子元件的尾端抽头与内层绕组子元件的首端抽头斜跨串联，内层绕组子元件的尾端抽头与第N个外层绕组元件的首端抽头斜跨串联，串联后内层绕组子元件和外层绕组子元件共同形成一个绕组元件(内层绕组子元件与外层绕组子元件的线圈匝数之和等于绕组元件的线圈匝数)。

为了进一步说明本发明的空心杯电机的斜绕组与现有空心杯电机的斜绕组的区别及产生的有益效果，采用现有技术进一步对照说明，参照图1和图2，现有技术空心杯电机的斜绕组静态下的结构示意图，现有技术中内外层绕组元件分别是由两根漆包线(1a'和1b')分别单股绕组绕制成双层绕组，绕制后内外层的绕组元件并接(1a'和1b'、2a'和2b'......13a'和13b')。将内外层绕组元件转化为单层并绕绕组时，上下层由于绕制精度，内外圆尺寸差异会存在不对称情况。本发明的绕组元件由于是多根漆包线并排并绕，内外层绕组元件可以同时绕制，将内外层绕组元件转化为单层并绕绕组时(展开是个大圆)，不存在内外圆的尺寸差异与不对称的情况。在本发明的优选实施方式中，多个绕组元件可以是大于3的整数个,优选7、9、11、13个。

本发明还提供了一种有刷的空心杯电机，该电机采用的是上述斜绕组，该空心杯电机的永磁体设置在空心杯电机外壳内，相对于空心杯电机外壳固定设置；斜绕组的内、外层绕组的抽头并接，并接后的接头与换向器连接，具体为接头与换向器的换向片焊接(换向片的片数与接头数相等)；斜绕组与换向器焊接好后，将其套设在永磁体的外部，斜绕组与永磁体都在空心杯电机的外壳内，斜绕组相对于永磁体与空心杯电机外壳转动设置。由于内外层绕组元件间串联，由于单层绕组不存在内外圆尺寸差异，不出现不对称的情况，其绕制精度也很好把控，可以有效的消除并绕绕组间的环流。

本发明还提供了一种空心杯电机的斜绕组绕制方法，该方法绕制绕组元件时其内层绕组元件与外层绕组元件沿空心圆柱绕线模内外壁绕制。具体步骤如下：

步骤1、根据圆柱绕线模的周长、轴向长、元件数，确定绕组的线圈匝数、漆包导线的直径与并绕根数；

步骤2、绕制时，多根漆包导线通过粘剂并联并排粘贴在圆柱绕线模的外壁上，采用斜绕的方式依次绕制内层绕组元件；

步骤3、多根漆包导线通过粘剂并联并排粘贴在内层绕组元件的外壁上，采用斜绕的方式依次绕制外层绕组元件，绕制时，外层绕组元件与内层绕组元件沿圆柱绕线模的周向交错绕制；

步骤4、绕制时，多个内层绕组元件与多个外层绕组元件沿圆柱绕线模周向依次排列，并且多个内层绕组元件与多个外层绕组元件的首端与尾端沿圆柱绕线模的轴向同一方向抽头；

步骤5、绕制结束后，内层绕组元件的首端抽头与内层绕组元件的首端抽头相邻的外层绕组元件的尾端抽头并接，内层绕组元件的尾端抽头与内层绕组元件的尾端抽头相邻的外层绕组元件的首端抽头并接(内层绕组元件与外层绕组元件形成串接)；

步骤6、圆柱绕线模上的绕组元件的抽头并接后，对绕组元件进行加固处理后，绕制成的斜绕组经烤箱烘焙后冷却成型脱模；

步骤7、成型脱模后的斜绕组，其抽头并接后的接头与换向器的换向片焊接在一起。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种空心杯电机的斜绕组，其特征在于，

所述斜绕组由多个绕组元件构成；

所述绕组元件由多根漆包导线并联并排绕制而成；

所述绕组元件分为内层绕组元件与外层绕组元件；

所述内层绕组元件与所述外层绕组元件有多个，分别设置在虚拟空心圆柱体内壁与外壁上，并沿所述虚拟空心圆柱体周向依次排列设置；

所述内层绕组元件与所述外层绕组元件在所述虚拟空心圆柱体的周向上交错设置；

所述绕组元件周向上的首端设置有一个首端抽头，尾端设置有一个尾端抽头；

所述内层绕组元件的首端抽头和与所述内层绕组元件的首端抽头相邻的所述外层绕组元件的尾端抽头斜跨并接，所述内层绕组元件的尾端抽头和与所述内层绕组元件的尾端相邻的所述外层绕组元件的首端抽头斜跨并接。

2.根据权利要求1所述空心杯电机的斜绕组，其特征在于，

所述绕组元件的所述首端抽头与所述尾端抽头沿所述虚拟空心圆柱体的轴向同一方向设置。

3.根据权利要求2所述空心杯电机的斜绕组，其特征在于，

多个所述内层绕组元件与多个所述外层绕组元件的个数相等；

多个所述内层绕组元件间等距设置，多个所述外层绕组元件间等距设置。

4.根据权利要求3所述空心杯电机的斜绕组，其特征在于，

多个所述内层绕组元件与多个所述外层绕组元件的线圈总匝数相等。

5.根据权利要求4所述空心杯电机的斜绕组，其特征在于，

多个所述内层绕组元件中每个所述内层绕组元件的线圈匝数相等；

每个所述内层绕组元件与每个所述外层绕组元件的线圈匝数相等。

6.根据权利要求4所述空心杯电机的斜绕组，其特征在于，

多个所述内层绕组元件与多个所述外层绕组元件的数量均为N个；

在所述虚拟空心圆柱体内壁与外壁上还分别设置有1个内层绕组子元件和1个外层绕组子元件，1个所述内层绕组子元件和1个外层绕组子元件共同形成一个绕组元件，所述内层绕组子元件在所述虚拟空心圆柱体周向上位于第1个所述内层绕组元件和第N个所述内层绕组元件之间，所述外层绕组子元件在所述虚拟空心圆柱体周向上位于第1个所述外层绕组元件和第N个所述外层绕组元件之间。

7.根据权利要求6所述空心杯电机的斜绕组，其特征在于，

所述内层绕组子元件和所述外层绕组子元件的线圈匝数相等。

8.一种有刷空心杯电机，其特征在于，所述有刷空心杯电机包括：

外壳；

永磁体，所述永磁体相对于所述外壳固定设置；和

斜绕组，为权利要求1-7中任一项所述的斜绕组，与所述有刷空心杯电机的换向器连接，所述斜绕组设在所述永磁体的外部，相对于所述永磁体转动设置。

9.根据权利要求8所述的一种有刷空心杯电机，其特征在于，

所述斜绕组的内层绕组元件与外层绕组元件的抽头斜跨并接，并接形成的接头与所述换向器的换向片连接；

所述换向片的数量与所述接头数量相等，所述换向片与所述接头焊接。

10.一种权利要求1-7中任一项所述的空心杯电机的斜绕组的绕制方法，其特征在于，多股导线并联绕制，交错并头焊接于换向器。步骤如下：

步骤1、根据圆柱绕线模的周长、轴向长、元件数，确定所述绕组的线圈匝数、漆包导线的直径与并绕根数；

步骤2、多根漆包导线并联并排在所述圆柱绕线模的外壁上依次绕制内层绕组元件；

步骤3、紧贴所述内层绕组元件的外壁多根漆包导线并联并排依次绕制外层绕组元件，绕制时，所述外层绕组元件与所述内层绕组元件交错设置；

步骤4、绕制时，所述内层绕组元件、所述外层绕组元分别沿圆柱绕线模的外壁周向依次排列，首尾端沿所述圆柱绕线模的轴向同一方向抽头；

步骤5、绕制结束，所述内层绕组元件的首端抽头与所述内层绕组元件的首端抽头相邻的所述外层绕组元件的尾端抽头并接，所述内层绕组元件的尾端抽头与所述内层绕组元件的尾端抽头相邻的所述外层绕组元件的首端抽头并接；

步骤6、所述抽头并接后，对所述斜绕组进行加固、烘焙、冷却成型脱模处理；

步骤7、所述抽头并接后的接头与换向器的换向片焊接。

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