CN1174538C - 圆盘式电动发电机及其定子绕组的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种具有定子(507)的平圆形无刷DC电动机，所述定子带有布置在长槽内的绕组(503)，所述长槽从定子的中心向外围辐射。每个长槽的深度朝着定子的中心增加。因此长槽朝着定子的外围逐渐变宽和变浅而朝着定子的中心逐渐变窄和变深。这种结构能保证定子位于定子(507)表面(504)的下面。磁路包括铁磁材料(509)背衬。所述铁磁材料(509)可以为由柔软铁带长条制成的表发条状芯体。

Description

圆盘式电动发电机及其定子绕组的制造方法

技术领域

本发明涉及一种具有圆盘结构的无刷直流(DC)电动机型的旋转电动发电机，尤其是涉及用于这种电动发电机的定子的改进。

背景技术

对于无刷DC圆盘电动机而言，该电动机通常包括多组相邻的可磁化圆盘，这些圆盘支承着多个相互作用的磁极并且一个圆盘在可移动表面或转子内的固定磁极与用于在固定表面或定子内产生可控磁极的绕组之间相互作用产生的力矩作用下绕中心轴旋转(因此不需要滑触整流子)，其通常需要制成具有尽可能高的效率。(当然，相同的原理也可以用于发电机，其中的装置改为用于将动力转变为电能的换能器，并且该文件的范围包括发电机)。

定子设计涉及磁路方面的考虑，并且在包括高导磁率的铁磁元件(当然包括永磁铁)时，使具有低导磁率的任何磁路部分最小非常有用。因此，任何绕组内的特定电流都能产生更大的力矩(或对于发电机反之亦然)。本申请公开了改进绕线定子设计的方法，其中定子主要应用于这样的情况，即与圆盘型结合的绕组包括大量放射状的导线，例如在圆盘电动机中。

在现有的平圆形电动发电机中，定子通常以“线圈模子”为基础，该线圈模子具有许多宽度基本不变的放射状长槽，并且横切绕组的任何截面都示出了叠加导线具有类似的宽度和高度。在一个绕组和其相邻绕组的另一端之间具有一个空间，空间与绕组的比例依赖于定子内径与外径的比率。不存在使导线朝着定子的内边缘散出长槽并与相邻可旋转的磁铁阵列相碰撞的空间(其代表可以识别的无效率)。这正是需要解决的问题。

目的

本发明的目的在于提供一种改进的旋转电动发电机，其中绕组的截面高度和宽度变化以便改进效率，从而解决现有技术中存在的技术问题，或者至少为公众提供一种有用的选择。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种用于平圆形旋转电动发电机的定子绕组，包括由多个梯形导线线圈构成的实质上的平面绕组，所述每个导线线圈都构成一个能够放置到定子盘上的扇形环并且都具有一对放射状布置的导线组，其中任一导线组中的导线所占据的空间为：

(a)朝着所述定子的外围逐渐变宽和变浅；及

(b)朝着所述定子的中心逐渐变窄和变深。

本发明的另一方面是提供一种平圆形旋转电动发电机，其具有至少一个转子盘和至少一个定子盘，其中所述定子盘支撑至少一个上段所述的定子绕组。优选的是，定子上的每组导线都位于铁磁材料上，该铁磁材料具有比空气导磁率大的导磁率。

优选的是，每组导线的截面积在任何这样的平面内都大体上不变，所述平面与从该平圆形旋转电动发电机的旋转轴穿过一组导线朝着其外围延伸的半径相切。优选的是，在定子的轴向平面内所述定子的铁磁材料形成部分在定子中心的附近比在定子的外围附近要深。

优选的是，铁磁材料是从包括下列材料的材料组中选择的：铁线，铁条带，铁粉和粒状铁。

优选的是，定子为成形圆盘并具有多个通常放射状布置的凹陷，所述凹陷能够容纳多匝导线，其中每个凹陷从圆盘的内部朝着圆盘的外围逐渐变宽。

优选的是，其中每个凹陷从定子盘的外围朝着定子盘的中心逐渐变深。

优选的是，转子具有2个到128个永磁极，更佳的是具有8个磁极。

本发明的另一方面是提供一种通过将多组放射状布置的细长导线缠绕到具有中心和外围的成形模子上来制造用于平圆形旋转电动发电机的定子绕组的方法，该方法包括步骤：

在成形模子上设置多个放射状布置的凹陷，所述凹陷能够容纳多匝导线；及

将所述多组导线缠绕到所述模子上，其中任何一组导线所占据的空间为朝着定子的外围逐渐变宽和变浅而朝着定子的中心逐渐变窄和变深。

本发明的另一方面是提供一种旋转电动发电机，其至少具有第一和第二相邻的可磁化表面，每个表面都成圆盘形并支承着多个磁极，其中一个表面在第一表面内的固定磁极与第二表面内的可控磁极之间的相互作用下可以绕着轴线旋转横切另一个表面，其中至少一个第二表面的磁极由多组缠绕的导线或绕组内流动的电流产生，每组导线都缠绕在成形圆盘内形成的凹陷内，每个凹陷都朝着外围横行扩大。

优选的是，每个凹陷都位于铁磁材料(具有比空气导磁率大的导磁率)上，从而形成包括相邻第一表面的一部分磁路。

优选的是每个凹陷朝着成形圆盘的中心较深。

优选的是，每个凹陷朝着成形圆盘的中心较深，因此与第二表面旋转轴线相切的平面内的截面面积包括绕组面积基本相同。

优选的是，能够缠绕在凹陷外边界下面的导线的最大匝数在与旋转轴线相切的任何平面内基本不变并且包括绕组面积。

优选的是，铁磁材料朝着成形圆盘的中心放置的较深以便能够维持铁磁材料与绕组相邻。

铁磁材料可以包括：成表发条圈形式的铁线或铁条带，铁氧体，铁粉，或在相对低的速度用于电动发电机的粒状铁。

优选的铁磁材料是缠绕成线圈形式的有磁力的柔软铁线。

另一种优选的铁磁材料为缠绕成表发条圈形式的磁性柔软铁条带。

另一种优选的铁磁材料为压缩成所需形状或由环氧/塑料粘结剂支撑的铁粉。

另一种铁磁材料尤其是在相对低的速度用于电动发电机的铁磁材料为粒状铁，更优选的为包括铁并具有相对低的磁滞的合金。

磁极的优选数量为2到128个。

更优选的是磁极数量为8个。

本发明的另一方面提供一种圆盘电动机，其具有面对一排通常放射状布置的绕组的可磁化组件；一个能相对于另一个转动；一个具有磁极另一个具有绕组，绕组固定在支撑构件内的空腔内，其中每个空腔朝着电动机的外围较宽和较浅而朝着电动机的中心较窄和较深。

本发明的另一方面提供一种无刷DC圆盘电动机，其具有可旋转的永磁组件和不止一段内的一排通常放射状布置的绕组，每个绕组都固定在成形绕组模内的相应长槽内，其中每个长槽提供一个绕组空间，及其中任一段的绕组占据的空间朝着模制绕组模的外围较宽和较浅而朝着模制绕组模的中心较窄和较深。

本发明还包括用于这样的电动发电机(尤其是用于无刷DC圆盘电动机)的定子或成形绕组模。

另一方面，电动发电机可以以发电机的运行模式操纵，其中使第一和第二圆盘相对转动具有在多组缠绕导线内减少电流流动的作用。

电动发电机可以至少具有一个包括绕组的固定圆盘，因此在固定导线和转动导线之间没有能够携带电流的接帚触点。

另外，至少一个固定圆盘包括永磁铁，并且为了给至少一个可旋转圆盘上的绕组通电在固定导线和旋转导线之间设置有能够携带电流的接帚触点。

优选实施例

下面参考附图结合不同的实施例对本发明进行详细的描述，在任何情况下这些描述都不能认为是对本发明的限制。还需要说明的是一些包括毫米级尺寸的附图是为了有助于理解定子的形状，这些尺寸仅仅是为了举例说明并非限制本发明。

附图说明

图1大体上示出了为了在较窄的空间内容纳固定数量的截面成圆形的导线，单个凹陷(或导线组)的分布从外围到中心是怎样变化的；

图2为部分定子芯体的透视图，其中包括从图1剖开的一组导线的三个截面；

图3为标有尺寸的定子模的工程截面图；

图4为标有尺寸的定子模的表面视图

图5为包括一个定子的圆盘电动机的截面图，其中定子具有沿半径切出的凹陷，同时标出了部分导线和表发条形式的层压铁磁衬板；

图6为固定到定子上之前的预制定子绕组。

本发明的基本原理如图所示。众所周知，横切圆的扇面的尺寸越接近中心越小。在圆盘电动机中，绕组敷设在基本上成放射状的有源部分内并且每个绕组都理想地占据圆盘的一个扇面。因此可以将相同数量的导线放置在宽度逐渐减小的扇面内。需要说明的是给出了特定导线在截面103内的标号“A-D”，以及这些导线在其他截面内的相应位置。

附图1至图5示出了一个定子，其具有特殊成形的凹陷以使通常放射状布置构成绕组的导线组以这样的方式缠绕，即它们在定子外围附近占据的空间比它们朝着定子中心占据的空间要宽要浅。由此导线能够缠绕到成形的定子上。在另一个例子中，导线可以缠绕到成形模上，然后通过树脂或其他类似物保持所需的形状，接下来固定到定子圆盘上。图6示出了固定到定子上之前的这样的定子绕组。

图1示出了将11个球形轮廓(代表导线104)放入矩形的三种方式，尽管更相关的要求是在截面轮廓内至少包括必需数量的球形轮廓，但是矩形仍具有相同的截面面积。矩形101以4个上面放3个再在上面放4个的形式固定着11个轮廓，102以5个上面放6个的形式固定着相同数量的轮廓，矩形103以一条直线的方式固定着11个轮廓。如果采用正方形导线，填充的方式就会有差别。

图2为根据本发明将图1中的轮廓放置在定子制模(“线圈模子”)200或成形圆盘上的透视图。需要说明的是一个绕组与其相邻绕组之间的隔离器或翼片201具有基本不变的最小宽度，而横切凹陷的任何矩形截面具有基本不变的截面面积(见图4)。优选的是，每个凹陷朝着成形圆盘的中心较深，因此与第二表面旋转轴相垂直的平面内的截面面积基本不变并包括绕组面积。以另一种方式放置，定子制模内的凹陷203朝着外围204变浅。(这是因为尽管平的凹锥形磁铁表面可以，但是大多数情况下除了在通常平坦的表面内在其他表面内设置具有固定永磁铁的圆盘不方便)。每个导线紧密地沿着虚构的半径线。

图3为本发明具有凹陷203的定子制模300的截面图(沿图4中线A-A剖开)，如上所述，凹陷203具有朝着中心304倾斜的底面303。在该8极圆盘电动机的例子中包含了尺寸(毫米)。空间301固定磁路的铁磁部分。表面302在使用中将与带有永磁铁的圆盘相邻。

图4为本发明具有圆盘401形式的定子制模400的表面视图，如上所述，其包括与成形凹陷203相交替的24个最小厚度的隔离器中的两个隔离器201。在该三相8极圆盘电动机的例子中包含了尺寸(毫米)。

图5为通过完成定子507扇面中线的径向截面图500，所述定子507具有中心更加凹入的腔体(如上所述)和位于绕组503下面的铁磁材料509(此处示出了四根导线)，如图2所示，导线503在圆盘平面内朝着外围和中心分叉，由此在中心附近更加凹入的区域内差不多相互叠加，所述中心位于图5顶部的上面。

在该例中，铁磁材料509为合适镀层钢材制成的表发条带，其占据的环形宽度与磁铁组占据的大致相同。其可以包含在任何合适材料的内环506与外环505之间。在一个样机中采用的是吐弗诺层压塑料板；一种织物增强酚醛塑料材料。这些环是任选的，在一些型式电动机中，它们参与固定铁磁材料就位。

定子主体507可以有益地用导热材料(例如金属性的)制成，以便从铁磁材料509和绕组503上散去热量。例如定子主体507可以用铝制成。另外，其还可以用其他任何金属性材料制成。另外，其还可以为非金属性的(例如用合适的工程塑料如Rynite)。

钢转子501带有磁铁502(此处示出了N极)，磁铁502通过小的间隙508面对着绕组。驱动带(此处为504：其他处为201)为定子507距转子最近的部分。

需要说明的是，铁磁材料最好也从转子向定子的中心倾斜。表发条状芯体或绕线铁芯可以缠绕成这种形状或者后来变形，然而，粒状材料可以相应地压制，浇铸，研磨，撤削或其他成形。

另一方面，如果在转子组件中优选提供一个凹入的平锥形，定子凹陷的加深就不必要了。

如果绕组如图6所示预成形并且固定到具有成形铁磁材料509的定子表面上，定子凹陷可以省略(但是将缺少分离器504)。需要说明的是，每组导线沿着通常为梯形的通路，但是其通常为与图1和图2所示相应的放射状部分(相对于绕组的中心)。

如图6(其为实际绕组的影印)所示的定子预成形使多重绕组能够如图所示进行重叠并且没有来自图5中分离器的干扰。导线可以缠绕到成形模上，然后通过树脂等保持所需的形状，接下来固定到成形的定子上。

变型

优选的铁磁材料包括：缠绕成表发条圈形式的铁线或铁条带，(尽管可能不像铁氧体)，铁粉，或在相对低的速度用于电动发电机中的粒状铁。优选的是具有较低磁滞的硅钢。当转子运动，定子内的铁磁材料在一个第一方向上然后在另一方向上带有磁通量，因此磁性柔软的，低磁滞损耗的材料是优选的，尤其是当翻转速度在更高速增加时。

尽管这里对8极电动机进行了描述，但是磁极的数量可以在2到128之间，甚至超过128。

优点

具有中心加深凹陷的改进定子制造相对容易并且不会对使用它的电动发电机的制造或使用增加任何额外的困难，其中的凹陷是通过成形护铁形成用于容纳绕组。通过靠拢磁路中的间隙和使导线用定子长槽面积最大能够提高这种电动发电机的效率。

最后，需要重申的是，尽管可以提供给读者此处所述本发明的其他变型，但是这些变型仍然落在本发明的范围内。

Claims (10)

1、一种用于平圆形旋转电动发电机的定子绕组，包括由多个梯形导线线圈构成的实质上的平面绕组，所述每个导线线圈都构成一个能够放置到定子盘上的扇形环并且都具有一对放射状布置的导线组，其中任一导线组中的导线所占据的空间为：

(a)朝着所述定子的外围逐渐变宽和变浅；及

(b)朝着所述定子的中心逐渐变窄和变深。

2、一种平圆形旋转电动发电机，其具有至少一个转子盘和至少一个定子盘，其中所述定子盘支撑至少一个如权利要求1所述的定子绕组。

3、如权利要求2所述的平圆形旋转电动发电机，其中定子上的每组导线都位于铁磁材料上，所述铁磁材料具有比空气的导磁率大的导磁率。

4、如权利要求3所述的平圆形旋转电动发电机，其中每组导线的截面积在任何这样的平面内都大体上不变，所述平面与从该平圆形旋转电动发电机的旋转轴穿过一组导线朝着其外围延伸的半径相切。

5、如权利要求4所述的平圆形旋转电动发电机，其中在定子的轴向平面内所述定子的铁磁材料形成部分在定子中心的附近比在定子的外围附近要深。

6、如权利要求5所述的平圆形旋转电动发电机，其中铁磁材料是从包括下列材料的材料组中选择的：缠绕成表发条圈形式的铁线或铁条带，铁氧体，铁粉和粒状铁。

7、如权利要求6所述的平圆形旋转电动发电机，其中定子为成形圆盘并具有多个放射状布置的凹陷，所述凹陷能够容纳多匝导线，其中每个凹陷从圆盘的内部朝着圆盘的外围逐渐变宽。

8、如权利要求7所述的平圆形旋转电动发电机，其中每个凹陷从定子盘的外围朝着定子盘的中心逐渐变深。

9、如权利要求8所述的平圆形旋转电动发电机，其中转子具有2个到128个永磁极。

10、一种通过将多组放射状布置的细长导线缠绕到具有中心和外围的成形模子上来制造用于平圆形旋转电动发电机的定子绕组的方法，该方法包括步骤：

在成形模子上设置多个放射状布置的凹陷，所述凹陷能够容纳多匝导线；及

将所述多组导线缠绕到所述模子上，其中任何一组导线所占据的空间为朝着定子的外围逐渐变宽和变浅而朝着定子的中心逐渐变窄和变深。

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