[发明专利]一种电机筒形线圈的排布结构及其绕线方法

说明书

本发明涉及永磁空心杯电机技术领域，具体为一种电机筒形线圈的排布结构。所述筒形线圈由三组线圈构成，没有内衬支撑骨架；每一组线圈是由一根或者一股漆包线绕制成4的倍数个单独线圈构成，每个单独线圈为六边形、或者四边形、或者椭圆形，每一组包含的多个单独线圈彼此相邻或者各单独线圈的边相叠；所包含的每个单独线圈之间无断点、无连接焊点；且每一组线圈包含的相邻或者边相叠的任意两个单独线圈的绕线方向相反，即一个为顺时针绕线，则相邻的另一个为反时针绕线。所述的单独线圈可由多个绕制方向相同且位置相交的单独线圈构成，等效为一个单独线圈。可满足多对极永磁电机的线圈结构要求，并且可以用于有刷电机或者无刷电机。

技术领域

本发明涉及永磁空心杯电机技术领域，具体为一种电机筒形线圈的排布结构及其绕线方法。

背景技术

永磁空心杯电机，在要求轻量化、体积小功率密度高、高效率、控制灵敏的运用越来越广泛，特别对军事、航天、高端工业控制领域，有无可替代的优势，其重要性不言而喻。而空心杯电机，其最关键的核心技术，依然是空心杯线圈的绕制工艺，在全球范围内，这项技术依然是难题。

1．根据永磁电机电磁原理，要使空心杯电机获得最大的电磁参数，对线圈绕组而言，必须使每个绕组的跨距等于极距即整距绕组、绕组分布系数为1、如果是无刷电机则每极每相槽数比值q=1（空心杯电机线圈称为虚拟槽），同时采用多对极磁体结构。其中，采用多对极结构可以使永磁体的直径空间更大，对增加电机功率密度起着关键作用。比如外直径、长度相同的空心杯电机，同样电压和同样空载转速要求、同样使用环境条件情况下，2对极结构的空心杯电机最大连续运行功率比1对极结构的空心杯电机大25%左右，3对极结构比1对极结构的最大连续功率大38%左右， 4对极结构比1对极结构则会大54%左右；在有刷空心杯电机应用上，采用多对极结构的电机，也有类似规律，并且使在电机机壳上的磁通密度减小，进而可以减小电机机壳的厚度，减轻电机重量和减少漏磁对外围部件的干扰。

2．受制作工艺影响和装配要求，当前瑞士Maxon公司、德国Faulhaber公司、Portescap公司还是国内的拓邦股份电机事业部、北京奕山科技、深圳唯川科技等专业空心杯电机制造厂家，在空心杯线圈制作工艺中，主要采用多个独立线圈组合式、平绕卷圆式，和斜绕线式。目前，这几类线圈的绕制都有各自的优势，但都有严重的局限，特别是在2对极或2对极以上电机的空心杯线圈制作工艺上比较复杂和制作困难。比如， Maxon公司，以菱形或六边形绕线制作2对极电机结构的线圈时，把线圈分为12个独立的菱形或者六边形线圈，每个线圈一进一出两个引线头，再把24个引线头焊接到一个四层PCB板上进行各关联的独立线圈的连接，这使得工艺操作极为复杂、可靠性差，如果是3对极电机，那么引线头总计有36个，4对极电机就会有48个引线头，几乎在限定的空间内无法实现各引线的相互焊接，另外该结构的每个独立线圈是瓦型依次排布，需要特别复杂的绕线设备；再比如Maxon公司另一种和国内厂家普遍采用的平绕、卷圆成型这两种工艺，进行制作N对极电机的线圈，则至少有6*N个引线头的情况，对无刷电机，必须通过接线的方式，把各关联的引线头焊接起来，后续工艺非常复杂。

3．在目前的空心杯线圈结构中，有刷空心杯电机的线圈基本都是分布式整距的绕组结构，这使得有刷电机的功率密度非常高；在无刷空心杯中，由于受线圈绕制工艺限制，很多厂家在无刷电机线圈结构上采用分布式整距但每极每槽比值为分数的绕组结构，比如1对极电机的线圈的每一相绕组连续分布在一个圆周的120°上，这使得与同条件电机线圈绕组每极每槽比值等于1比较，铜耗会增加35%以上，电机最大连续运行功率会低16%左右，同时还存在单边磁拉力情况。Maxon公司和Faulhaber公司在高功率密度空心杯电机的线圈结构中，几乎是采用分布式整距且q=整数的结构。而要制作这种结构的线圈，不管是按目前的多个独立线圈组合的线圈结构、插针绕线一次性成型的线圈结构、还是平绕再卷圆成型的线圈结构，都面临最终的成型线圈至少有12个引线头的情况，这同样是个工艺的大难题。