CN1960129B - 具有金属线制成的多层式菱形单线圈的电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有空心式绕组的电动机，上述空心绕组包括多个用金属线制成的单线圈，其中若干单线圈以搭盖的方式相互叠加，并且各单线圈实施至少在两个对角处形成偏置，以便一半支线位于第一平面中和一半支线位于第二平面中。本发明可将更便宜和更坚固的空心式绕组的组件用于电动机。

Description

具有金属线制成的多层式菱形单线圈的电动机

技术领域

本发明涉及具有空心式绕组的电动机，所述空心式绕组包括多个用金属线制成的单线圈，其中单线圈用搭盖方式相互叠加。本发明尤其是涉及可在DC(直流)电机的转子和EC(电子控制式)电机的定子二者中使用的空心式绕组。

背景技术

象大多数电动机一样，本文所描述的电机也可以主要是建造成旋转电机或线性电机。在这种情况下，若干单绕组用扁平或弯曲式搭盖的方式并排地排列；它们不是闭合来形成对称的空心圆筒体，而是在运动的方向上具有前端和后端。具有笔直运动方向的线性电机主要是由旋转电机的圆筒形伸出部分产生。径向坐标在垂直于运动方向的笛卡尔坐标上伸出，切向坐标或角坐标在运动方向上的笛卡尔坐标上伸出，而轴向坐标在垂直于上述两个坐标的笛卡尔坐标上伸出。下面将类似地和同时使用圆筒形坐标的术语来表示这个伸出部分中相应的笛卡尔坐标。

按照现有技术所述的单线圈通常用金属线制造，所述金属线除了绝缘之外，还具有可供胶合或粘结的一层。这样，制造过程也可以用几个单独的步骤进行，而不必保证其间用机械方法粘着单线圈。

用于电动机械的圆筒形绕组从现有技术，比如从DE 1538843A1中已知，此处线圈用金属线制造，并拉拔成具有菱形形状。用于制造电动机械的这类圆筒形绕组的方法从DE 1801263A1中已知。

这类绕组在小型永久激励直流电机的转子和电子换向式电动机的定子二者中使用。

具有这类绕组的机械换向式直流电机也叫做具有空心式转子的电机，具有钟形转子的电动机或拖杯式电机。相应的电子换向式电机叫做具有空心式绕组的电机或者无槽/无键式电机。

这些电机由于它们的高效率，它们的起动转矩的自由度及它们的线性控制特性(开环和/或闭环)在许多地方为人了解和应用。

另外一些具有相应结构的电机从现有技术中已知。另外一些具有用单线圈圆筒体制成的绕组的电机从现有技术中已知。

发明内容

本发明的目的是提供具有改良的机电对称性和较高输出的电动机。另外，本发明的目的是在生产这类电动机期间能有较高的自动化程度。

根据本发明的一个方面，提供了一种具有空心式绕组的电动机，所述空心式绕组包括多个用金属线制成的单线圈，其中若干单线圈以搭盖的方式相互叠加，其中，若干单线圈实施为至少在两个对角区域中形成偏置，以便使一半支线位于第一平面中，和一半支线位于第二平面中，其特征在于，若干单线圈以未缠绕的形式绕一轴线同心螺旋式排列，上述轴线沿垂直于最终绕组的形式中的绕组表面的方向延伸，使得在该最终绕组的形式中，所述金属线基本上在切向上延伸，并且在中性区中的金属线朝向径向方向弯曲，从而产生上述两个平面之间的径向偏置。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于生产所述的电动机的方法，其特征在于，金属线用于制成单线圈，使得至少在两个对角区域中形成偏置，以便使一半支线位于第一平面中，和一半支线位于第二平面中，各单线圈以未缠绕的形式绕一轴线同心螺旋式排列，上述轴线沿垂直于最终绕组的形式中的绕组表面的方向延伸，使得在该最终绕组的形式中，所述金属线基本上在切向上延伸，并且在中性区中的金属线朝向径向方向弯曲，从而产生上述两个平面之间的径向偏置，在所述两个平面中排列多个所述单线圈，若干单线圈以搭盖的方式相互叠加，从而形成空心式绕组。

对除了单线圈之外的问题实施一种一般解决方案，以便至少在两个对角的区域中形成偏置，因此一半支线位于第一平面中，而一半支线位于第二平面中。

在具体实施例中，这可以理解为，单线圈的每个支线都位于与同一轴向高度处相应的另一个支线径向上不同的平面中，以便使各单线圈能用搭盖的方式放在彼此的上方。这种平面的改变以后称之为偏置。

为了实现搭盖式配置，至少在单线圈在绕组的轴向端的区域内两个对角的区域中要求偏置。绕组轴向端的这个区域以后称之为中性区。

通过搭盖式配置，达到最佳利用绕组空间的目的。这有利的是产生优化的能量密度。利用按照本发明所述的解决方案得到的另一个优点是，各单线圈彼此相互对准，以便可以达到增加对称性。在直流电机和电气换向电机情况下，得到改善的电气对称性，并因此进行更平稳和更低损失的电机操作。在直流电机情况下，由其实现的另外优点是转子的较少平衡式的均匀旋转。而且，设计具有简单的使绕组制造自动化的可能性。电动机的一些有利的实施例在所附权利要求中进一步阐明。

在一优选实施例中，单线圈是取未缠绕的形式绕一轴线螺旋式排列，上述轴线在缠绕绕组时朝径向方向上延伸，因此在中性区中的金属线基本上是在切向上延伸。这个实施例在后面称之为同心式实施例。因为在完成的绕组中各单线圈在这个区域中不叠加，所以在这个区域中的偏置可以形成任选的弯曲形状。

这个实施例以特别有利的方式提供若干金属线的平行绕组，因此它们平行于绕组轴线位于未缠绕的线圈中，且并排地垂直于旋转轴线，或者分别地以缠绕的形式垂直于运动的平面。在完成的绕组中，平行缠绕的金属线并联电连接。

另一个有利的实施例除了在缠绕过程之前将多个绝缘的单金属线扭绞或拧成电缆形成多股绞合线之外，其中多股绞合线的各单金属线在完成的绕组中并联电连接。当然，每个线圈也只能用一根金属线。

如果单线圈装备有额外的金属线材料作为提供偏置的馈电部分，则这特别有利，因为额外的金属线材料为产生偏置所必需，且在这个区域中的额外金属线材料防止金属线过度拉伸。

在一个实施例中，如果馈电部分形成为线圈内部轮廓的发夹式或环形隆起，并且单线圈的内侧和外侧二者都有预定形状，则可以特别有利地实现这种馈电部分，因为这就是在整个对角线上如何得到十分整齐形式的封闭，并达到最佳利用空间和自动对准的优点。

单线圈的另一个有利的实施例在下述意义上是不对称的，即至少处于未缠绕的扁平状态的单线圈具有一基本上是四边形形状，所述四边形形状具有不等长的支线和/或风筝式四边形形状(△形)。通过单线圈处于未缠绕的扁平状态的风筝形设计，绕组可以这样装配，以使所有单线圈以齐平的方式彼此相邻。而如果单线圈对称式设计，则径向上位于外侧的支线具有间隙，如果各内部支线设置成彼此靠近，则各支线的不对称性可以这样设计，以使外部支线和内部支线二者在缠绕的绕组中彼此靠近设置，因此在两层中得到在整个对角线上的整齐形式的封闭，并以有利的方式改善了空间的最佳利用和自动对准二者的优点。对壁很薄的圆筒体来说，内层和外层的半径几乎没有不同，且理想的形状接近对称的形状。对于无弯曲的线性电机来说，理想的形状是对称的形状。

在另一个优选实施例中，各单线圈在理想的轴向中心位置中理想的相邻对角分段之间具有单独绕组，同时以较少倾斜的分段理想地平行于轴线延伸为特征，上述分段理想的是形成六角形。因此，在具有细长绕组的电机中，可达到能量密度较高的优点。各中心分段可以是笔直的，或者也可以稍微倾斜。与整个是笔直的实施例相比，稍微倾斜的设计对绕组的稳定有一有利的效果，因为各线圈在这部分也交错或缠结。

在另外的优选实施例中，各单线圈用未缠绕的形式绕一轴线缠绕，上述轴线在缠绕绕组时朝切向方向延伸，因此在中性区中的金属线基本上在径向上延伸，因而产生偏置。

特殊的四边形或六角形形状通过随后的纵向张紧实现。

绕组用若干单线圈制造，上述绕组形成有利的实施例，以便得到更精密的金属线位置和设计。因此，这个实施例象上述实施例一样，对于对称性，空间利用和用同样方式的装配能力具有积极的效果。绕组优选的是埋置有单金属线，或者将若干金属线拧成电缆/扭绞，以形成多股绞合线，但也可以用平行通过的若干单金属线制成。

作为纵向方向张紧的可供选择的方案，单线圈在另外实施例中可以这样形成，以便除了在绕组的两端上径向上延伸的偏置之外，它包括在其它转变点处两次进一步的偏置。转变点涉及在其中金属线改变它们方向的区域。

如果单线圈包括形成单线圈的单层或多层式金属线的前端部分和终端部分，同时前端部分和终端部分向外在单线圈的其中一个角的区域中通过，则绕组处于完成状态的电源用常规机构实现可能特别方便。为了达到各单线圈之间有益的导电连接，尤其是对于直流电机来说，如果第一单线圈的一个前端部分与第二单线圈的终端部分连接而形成转子的连接引线，则它在一种改进中是有利的。相应的实施例也可用于电子式转向电机。

本发明还涉及生产电动机的方法，所述电动机包括按照装置权利要求书其中之一所述的绕组。另外，在这里，本发明的目的是达到在生产时更高的自动化程度和提供更好质量的绕组。

如果第一单线圈的金属线层的前端部分与相邻单线圈的终端部分拧成电缆/扭绞，则可以仅用一点儿费用达到特别良好的接触，其中第一单线圈的金属线的前端部分沿着第二单线圈的外侧上通过，直达第二单线圈的金属线的终端部分。

如果各金属线分别在下端和上端处通过垂直于突起部分的平面延伸来改变平面，则它同样是优点。这允许将金属线快速而不复杂的从一个平面改变到另一个平面。

如果位于缠绕的线圈的外侧的支线比位于缠绕的线圈的内侧的支线更强烈地倾斜，则还可以实现另外的有利的实施例。

附图说明

下面将通过附图更详细说明本发明一些实施例的例子。在附图中：

图1示出发明的绕组具有若干同心形式单线圈的侧视图；

图2示出单线圈处于同心形式，但处于未缠绕的扁平状态的实施例的示意详图；

图3示出单线圈以分布的形式处于未缠绕的扁平状态的实施例的

示意详图；

图4示出单线圈以分布的形式处于未缠绕的扁平状态的另一个实施例的示意详图；

图5示出单线圈处于未缠绕的扁平状态的两个另外的实施例的两种示意表示法，一种单线圈具有较少倾斜的分段，而一种单线圈具有笔直的分段；

图6示出若干单线圈层的搭盖式配置的示意表示法；

图7示出两个单线圈用金属线的前端部分和终端部分以搭盖的方式安排成层的示意局部详图，其中单线圈的一个终端部分与另一个单线圈的前端部分拧成电缆；及

图8a和8b示出在两个不同的实施例中偏置的表示法的轴向视图。

具体实施方式

图1示出按照本发明所述电动机的整个绕组1的侧视图。绕组1包括一空心圆筒体。绕组的空心圆筒体包括多个单线圈2。若干单线圈因而用搭盖的方式交错在彼此的上方。在图1中，可以看到各单线圈2的一半，而相应单线圈2的另一半被相邻的单线圈2盖住。因此，单线圈2的另一半位于绕组1的外侧上，而这另一半位于绕组1的内侧上。绕组1具有一中心对称轴线3，所述中心对称轴线3同时也是转子的旋转轴线和转子的纵向轴线。绕组内部结构的对称理想的是旋转式对称。单线圈2的一半具有一距这个对称轴线的距离比单线圈2的另一半距这个对称轴线的距离小。这样，单线圈具有两个不同的曲率半径。3根金属线4在径向上位于另一根金属线上方，它们以同心式菱形并排配置形成单线圈2。3根金属线形成前端部分5和终端部分6。第一单线圈2的终端部分6的各单根金属线4与第二单线圈2前端部分5的金属线4形成电缆，并形成绕组的连接引线7。与金属线4的前端部分5和终端部分6相比，连接引线7在图1中可充分认识。各金属线的前端部分5和终端部分6在图2中可以更好地得以认识。

还可以认识到，各单线圈2用搭叠的方式相互叠加，及通过形成偏置使支线的一半位于内圆筒体16中，而使支线的另一半位于外圆筒体15中。支线的一半位于第一平面18中，而支线的另一半通过形成偏置位于与第一平面18平行的平面19中。各单线圈2的形状是这样，即单线圈2在至少一个支线9，10，11，12的至少一个分段上形成，以使一个绕组1的外边缘触及相邻绕组1的内边缘，以便通过形成封闭限制单线圈2的切向运动自由度。外层的支线9和10的倾斜部分大于内层11和12的倾斜部分。

图2示出单线圈2。在单线圈2的这个实施例中，在前端部分和终端部分5和6相对侧上设置一馈电部分8。这个馈电部分8形成为发夹式隆起。

按照本发明，把馈电部分插入产生径向偏置的每个地方中。

如图2所示，另外单线圈2的对角，亦即前端部分5和终端部分6由其显露的部分，设置有馈电部分8。馈电部分8是产生偏置所必需的，上述偏置在图6中更详细描述。因而图2中单线圈2的两个右面支线9，10不再位于与单线圈2的两个左面支线11，12相同的平面中。两个右面支线所在的平面比两个左面支线所在的平面高，然而，用相反的方式也是可行的。

位于缠绕的线圈中外侧的支线9，10比位于缠绕的线圈中内侧的支线11，12更强烈地倾斜，因而产生风筝的四边形形状。这样，各单个分段2可以用结构闭合的方式邻近外平面和内平面二者，并可以最佳地充填空间。

在这种情况下，象所有实施例一样，也可以放弃形成封闭和外平面的最大填充。在图2中，金属线4用螺旋式缠绕的线示意表示，而与安装新层之前垂直于突出部分的平面连续地安排几个绕组无关。由两个或多个导线制造单线圈同样是可行的，上述在完成的绕组中并联连接。

图3用未缠绕的扁平状态分布的形式示出单线圈2一个实施例的详图。金属线4也用线条示意示出。金属线各通过垂直于突出平面延伸在平面的下端处和上端处改变。位于完成的绕组外平面中的金属线用黑体示出。在如图3所示的实施例中，在右侧有支线9，10。然而，镜面翻转式配置是等效的。在图3中，可以特别清楚地认识到，位于缠绕线圈外部的支线9，10比位于缠绕的线圈内部的支线11，12更强烈地倾斜。这样，各单分段2可以结构的封闭(form-c1osed)的方式邻近外平面和内平面二者上，并且空间可以最佳地充装。在这种情况下，象在所有实施例中一样，也可以放弃外平面的结构封闭和最大充装。缠绕线圈的意义不是通过它的最终形状预定；线圈的前端5和线图的终端6可以安排在顶部处。

图4示出按照另一实施例所述的单线圈处于未缠绕的扁平状态的详图。它具有一种分布形式，此处平面不仅在轴线终端处改变，而且每次从一个支线转变到下一个支线。在图4中，支线9和11设置用于外平面，支线10和12设置用于内线圈平面。由于相对于对称轴线3的倾斜位置，在该实施例中也可以达到外层和内层的结构封闭和致密充装。在这种情况下，象在其它实施例中一样，可以放弃外平面的结构封闭和最大充装。

图5示出两个另外的实施例的单线圈处于未缠绕的扁平状态的轮廓。所示出的是前端部分5和终端部分6，而金属线在图中略去。倾斜程度较小的分段13位于支线9和10之间，而同样分段14位于支线11和12之间。分段13和14可以设计成稍微倾斜，如左图所示，或者设计成是笔直的，如右图所示。与整个笔直的实施例相比，稍微倾斜的设计对绕组的稳定性具有有利的效果，因为线圈在这部分中还交错/纠缠。外轮廓显示同心的实施例，其中包括典型的馈电部分8。然而，用同样方式，具有较小倾斜程度的中间分段13和14也可适用于分布绕组的形式，如没有这些中间分段的图3中所示。

图6示出6个同心式单线圈2交错层配置的示意图。如所示的图与线性电动机的配置相对应。也可以把它看成是处于未缠绕的扁平状态的圆筒形绕组。在该视图中的隐藏部分各用虚线绘出。各金属线和绕组端部在该图中未示出。

各单线圈2这里都用结构封闭方式并排放置。每组绕组都必需放在一侧上(此处是在右侧上)并位于下一组绕组的上方，而同时它必需在对侧上(此处是在左侧上)放在下一组绕组的下方。

此外，这些组的绕组必须尽可能致密地包装。这要求在顶部和底部处在每一局部绕组中垂直偏置两次，同时让一半突出而一半向后偏置。垂直偏置要求一定金属线长度，所述金属线长度对于绕组的均匀度的消耗不起作用。

在绕组对电动机“有效”的部分中，亦即电流通过的金属线保持规整而平行，以便各相邻组的绕组可以彼此紧密地包装。在中性区中的馈电部分为垂直偏置所必需的金属线长度而提供。在中性区中的这个馈电部分能在不损坏的情况下垂直偏置两个对半的部分绕组。通过弯成垂直偏置，在这种情况下，相应的对半的部分绕组收缩一可重现的程度。该程度在缠绕过程中必需加以考虑，以便在弯成垂直偏置之后最终部分的绕组保持最佳几何形状。

图7示出两个同心的单线圈以搭盖的方式在彼此上方成层的示意图，每个单线圈都具有金属线的前端部分5和终端部分6。可以看出，在这种配置中单线圈的终端部分变成直接紧跟在相邻单线圈的前端部分之后放置。在该位置中，两部分可以相互形成电缆，因而形成绕组1的连接引线7。

图8a和8b分别示意示出在圆筒形绕组中同心形式的单线圈2a和分布形式的单线圈2b的轮廓的轴向视图。金属线4和连接引线7未示出。应该可充分认识的是一个支线10在外圆筒体15中延伸，和一个支线11在内圆筒体16中延伸，亦即在这些支线之间提供径向偏置17。相应的其它支线在这个透视图中看不到，因为它们在轴向上位于前面支线的后面。

作为本发明的结果，可以用具有高包装密度的绕组生产电动机，因而可实现良好的自动化程度。减少了废料，并降低了不平衡。通过所有这一切可达到与较低成本一致的技术优点。

Claims (15)

1.具有空心式绕组(1)的电动机，所述空心式绕组(1)包括多个用金属线(4)制成的单线圈(2)，其中若干单线圈(2)以搭盖的方式相互叠加，其中，若干单线圈(2)实施为至少在两个对角区域中形成偏置(17)，以便使一半支线位于第一平面(16)中，和一半支线位于第二平面(15)中，其特征在于，若干单线圈(2)以未缠绕的形式绕一轴线同心螺旋式排列，上述轴线沿垂直于最终绕组的形式中的绕组表面的方向延伸，使得在该最终绕组的形式中，所述金属线(4)基本上在切向上延伸，并且在中性区中的金属线(4)朝向径向方向弯曲，从而产生上述两个平面之间的径向偏置(17)。

2.按照权利要求1所述的电动机，其特征在于，各单线圈装备有额外的金属线材料(4)作为偏置(17)区域中的馈电部分(8)，上述馈电部分(8)在单线圈的内轮廓处形成发夹式或环形隆起。

3.按照权利要求1所述的电动机，其特征在于，单线圈(2)不对称地形成，并且至少处于未缠绕的扁平状态的单线圈(2)具有基本上带不等长支线(9，10，11，12)的菱形形状和/或风筝四边形形状。

4.按照权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述空心式绕组(1)具有形成平行四边形的四条支线(9，10，11，12)，其中若干单线圈(2)实施为在所有四个角的区域中形成偏置，所述金属线在每个角处沿径向改变平面。

5.按照权利要求1或4所述的电动机，其特征在于，若干单线圈(2)用搭盖式叠加的方式形成绕组，绕电机的旋转轴线弯曲，并一起形成空心圆筒体的形状。

6.按照权利要求1或4所述的电动机，其特征在于，单线圈(2)的内侧和外侧都具有预定的形状。

7.按照权利要求1或4所述的电动机，其特征在于，若干单线圈(2)装配有单独的绕组，所述单独的绕组在轴向上相邻的对角分段之间，在中间位置，具有一较少倾斜的分段，所述较少倾斜的分段平行于轴线延伸，上述分段形成六角形。

8.按照权利要求1或4所述的电动机，其特征在于，多个绝缘的单根金属线(4)在缠绕过程之前拧成电缆以便形成多股绞合线。

9.按照权利要求1或4所述的电动机，其特征在于，单线圈(2)包括形成单线圈(2)的单层式或多层式金属线(4)的前端部分(5)和终端部分(6)，同时前端部分和终端部分(5、6)向外在单线圈(2)其中一个角的区域中通过。

10.按照权利要求1或4所述的电动机，其特征在于，第一单线圈(2)的一个前端部分(5)与第二单线圈(2)的终端部分(6)连接，以便形成连接引线(7)。

11.按照权利要求1或4所述的电动机，其特征在于，绕组(1)用若干单线圈(2)制造。

12.用于生产按照上述权利要求其中之一所述的电动机的方法，其特征在于，金属线(4)用于制成单线圈(2)，使得至少在两个对角区域中形成偏置(17)，以便使一半支线位于第一平面(16)中，和一半支线位于第二平面(15)中，单线圈(2)以未缠绕的形式绕一轴线同心螺旋式排列，上述轴线沿垂直于最终绕组的形式中的绕组表面的方向延伸，使得在该最终绕组的形式中，所述金属线(4)基本上在切向上延伸，并且在中性区中的金属线(4)朝向径向方向弯曲，从而产生上述两个平面(16、15)之间的径向偏置(17)，在所述两个平面中排列多个所述单线圈(2)，若干单线圈(2)以搭盖的方式相互叠加，从而形成空心式绕组(1)。

13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，第一单线圈(2)金属线层的前端部分(5)与相邻的单线圈(2)的终端部分(6)拧成电缆，其中第一单线圈(2)的导线(4)的前端部分(5)沿着第二单线圈(2)的外侧通过直到第二单线圈(2)的金属线(4)的终端部分(6)。

14.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，各导线(4)通过垂直于突起部分的平面延伸在下端和上端(18，19)处改变平面。

15.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，位于缠绕的线圈(2)外侧的支线(9，10，11，12)比位于缠绕的线圈(2)内侧的支线(9，10，11，12)更强烈地倾斜。

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