斜绕组空心杯电机与其绕组线圈组件及线圈组件制作方法与流程

本发明属于特种电机设备技术领域，更具体地说，特别涉及一种斜绕组空心杯电机、一种斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件以及一种斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件的制作方法。

背景技术

近年来，空心杯电机由于具有效率高、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，因此，其能够有效提高电机功率以及电机的响应速度。

在现有技术中，空心杯电机的空心杯转子(由漆包线绕制而成)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。

请参考图1和图2，其中，图1为现有技术中一种典型的空心杯转子在静态下或者旋转过程中某一瞬态的结构示意图；图2为图1中空心杯转子的等效电路图。

斜绕组空心杯电机中，绕组是均匀排布在圆周上的，绕组匝数受限于圆周的长度。为达到设计的匝数，有时需要绕制多层斜绕组，多层斜绕组对应元件均抽头，然后串联而成。假定：每层有N个元件，每个元件有两个抽头，共设置有m层，则斜绕组共有2*m*N个抽头。

对于某一型号的斜绕组空心杯电机而言，其共设置有7个元件，并设置有两层，全部元件串联。一种典型的绕组绕制方式如图1所示，首先绕制内层绕组的7个元件，占据内侧圆周一圈；之后再绕制外层绕组的7个元件，占据外侧圆周一圈；绕制完成后对应内外层元件串联，再焊接至换向器上，由此可见，这种绕制方式会产生28个抽头，需要焊接14个焊点。

由此可见，斜绕组空心杯电机现有的绕制方式存在抽头数量多，焊点个数多，这就导致现有绕制方式存在工作量大的问题，同时，焊点个数较多，其出现开焊的概率也就增加，影响了电机使用的可靠性。

技术实现要素：

综上所述，如何减少斜绕组空心杯电机绕组的抽头数量以及焊点个数，以提高空心杯电机使用的可靠性，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件的制作方法，在本发明中，该制作方法包括如下步骤：

步骤一、在一个虚拟圆柱体的外侧设置至少两层绕组且每层所述绕组设置有N个单层元件，与N个所述单层元件对应设置有N个换向片，所述换向片与各层绕组的所述单层元件沿径向对应并排列设置，其中，N为大于3的正整数；

步骤二、采用斜挎互联连接方法将所述单层元件进行连接；

其中，斜挎互联连接方法的具体操作为：所述在相邻的N-1个连续的所述单层元件中，将奇偶相邻的两个所述单层元件采用首尾端直连方式进行连接并形成元件组，将剩余的一个所述单层元件作为过渡元件，在全部的所述绕组中，内层所述绕组的元件组与外层所述绕组的元件组在周向上交错设置，从所述换向片引出连接线，通过连接线和与其同径向设置的所述单层元件进行电气连接，沿径向，相邻的所述单层元件通过所述连接线首尾连接。

基于上述的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件的制作方法，本发明还提供了一种斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件。具体地，该斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件包括有至少两层绕组以及一个换向片组，每层所述绕组都设置有N个单层元件，所述换向片组设置有N个换向片，N为大于3的正整数。

其中，在单层所述绕组中，全部的所述单层元件绕第一虚拟圆柱体的周向依次排列设置；

全部的所述换向片绕第二虚拟圆柱体的周向依次排列设置，所述第一虚拟圆柱体与所述第二虚拟圆柱体同轴设置，并且，所述换向片与各层绕组的所述单层元件沿径向对应并排列设置；

其中，相邻的N-1个连续的所述单层元件中，奇偶相邻的两个所述单层元件首尾端直连并形成元件组，剩余的一个所述单层元件作为过渡元件；

在全部的所述绕组中，内层所述绕组的元件组与外层所述绕组的元件组在周向上交错设置；

自所述换向片引出连接线，通过连接线和与其同径向设置的所述单层元件电气连接。

优选地，在本发明所提供的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件中，所述元件组由同一根漆包线绕制而成；构成同一个所述元件组的两个所述单层元件中，前端的所述单层元件的尾部与后端的所述单层元件的头部连接，并由前端的所述单层元件的头部以及后端的所述单层元件的尾部引出连接引线，用于分别和与其对应的所述换向片连接。

优选地，在本发明所提供的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件中，所述元件组为弧形板式绕组结构；在同一层所述绕组中的全部所述元件组的弧度一致。

优选地，在本发明所提供的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件中，各层所述绕组中的所述元件组的弧度一致。

优选地，在本发明所提供的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件中，在同一层所述绕组中，所述元件组之间间隔设置，所述元件组与所述过渡元件之间间隔设置，且所述元件组之间的间隔距离以及所述元件组与所述过渡元件之间的间隔距离相同。

优选地，在本发明所提供的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件中，所述换向片为弧形板式结构，全部的所述换向片等间隔设置。

优选地，在本发明所提供的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件中，所述换向片的弧度与所述元件组的弧度一致。

优选地，在本发明所提供的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件中，所述N为大于3的正整数。

优选地，在本发明所提供的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件中，所述N为5、7、9、11、13。

优选地，在本发明所提供的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件中，在全部的所述绕组中，自内而外，所述绕组依次往复自转360°/N。

本发明还提供了一种斜绕组空心杯电机，包括有磁钢以及电机外壳。本发明还包括有如上述的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件；所述斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件可旋转地装配于所述电机外壳中，所述磁钢装配于所述斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件中并相对于所述电机外壳固定设置。

通过上述结构设计，本发明至少能够达到如下有益效果：

本发明提供了一种斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件及其制作方法，该斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件包括有至少两层绕组以及一个换向片组，每层绕组都设置有N个单层元件，换向片组设置有N个换向片，N为大于3的正整数且为奇数。其中，在单层绕组中，全部的单层元件绕第一虚拟圆柱体的周向依次排列设置；全部的换向片绕第二虚拟圆柱体的周向依次排列设置，第一虚拟圆柱体与第二虚拟圆柱体同轴设置，并且，换向片与各层绕组的单层元件沿径向对应并排列设置；其中，相邻的N-1个连续的单层元件中，相邻的两个单层元件首尾端直连并形成元件组，剩余的一个单层元件作为过渡元件；在全部的绕组中，内层绕组的元件组与外层绕组的元件组在周向上交错设置；自换向片引出连接线，通过连接线和与其同径向设置的单层元件电气连接。本发明还提供了一种使用该斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件的空心杯电机。

本发明所提供的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件采用特殊的连续两个单层元件之间采用不抽头连接的绕制方法和上下绕组特殊的连接方式，可以将抽头数量减少一半，减少了一半的焊接工作量，在相应场合具有一定的应用前景。本发明通过对绕组线圈组件进行了特殊的结构优化设计，使得同一层绕组中相邻的两个单层元件之间不采用抽头方式进行连接而是采用直连方式进行连接(即同一层绕组中相邻的两个单层元件由一根漆包线绕制而成)，这样可以有效减少各个单层元件的抽头个数。

附图说明

图1为现有技术中一种典型的空心杯转子在静态下或者旋转过程中某一瞬态的结构示意图；

图2为图1中空心杯转子的等效电路图。

在图1中，数字1′至14′代表了14个元件，1′P至7′P代表了7个换向片。

图3为本发明实施例中斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件在静态下或者旋转过程中某一瞬态的结构示意图；

图4为图3中空心杯转子的等效电路图。

在图3中，数字1至14代表了14个单层元件，1P至7P代表了7个换向片。

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为本发明实施例中斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件在静态下或者旋转过程中某一瞬态的结构示意图；图4为图3中空心杯转子的等效电路图。

本发明提供了一种斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件，该斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件(下面简称为线圈组件)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线圈(转子)可以进行替换。

在本发明中，该线圈组件包括有两个主要结构，一个是绕组，一个是换向片组。绕组为薄壁圆筒形结构(或者可以理解为杯状结构)，在本发明中，绕组设置有至少两层，绕组自内而外依次套装到一起。换向片组是设置在绕组一端的一个电流换向结构(绕组的另一端为圆形开口，用于磁钢的装配)。绕组与换向片组之间为导电连接(通过细的漆包线或者其他能够导电的细线缆进行连接)结构，通过换向片组将电源所提供的直流电输送给绕组中的不同单层元件上，每一个单层元件在通电的过程中都会产生磁场，与绕组内部装配的磁钢配合产生推力使得绕组旋转，换向片组与绕组同步旋转，这样能够使得绕组中各个单层元件得电产生磁场推动绕组持续旋转。

在本发明中，线圈组件包括有至少两层绕组(在本发明的一个优选实施方式中，绕组设置有两层)以及一个换向片组，每层绕组都设置有N个单层元件，换向片组设置有N个换向片，N为大于3的正整数。在本发明的优选实施方式中，N可以是5、7、9、11、13，N最优选为7(设置7个仅为本发明的一个实施例中设置数量，其设置数量以及形状可以根据转子杯的直径进行设定)。

每一层绕组中所设置的单层元件个数相同，并且，单层的绕组中所设置的单层元件个数与换向片组中换向片的个数相同。例如，当换向片组设置有7个换向片时，每一层的绕组都设置有7个单层元件。

在本发明中，换向片与单层元件对应设置，其对应关系如下：沿绕组的轴向投影，换向片与单层元件在周向上一一对应设置，并且，具有对应关系的换向片与单层元件之间沿绕组的径向排列设置。

在现有技术中，单层元件的两端引出有引线(即抽头)，然后将引线在按照一定的方式进行焊接，这样抽头个数为单层元件个数的二倍，抽头设置个数多，那么焊点个数也会相应增加，焊点个数增加不仅会增加单个电机的焊接工作量，同时还会影响电机的产品质量，增加电机损坏的几率。

为了解决上述问题(抽头数量多而引起的焊点个数增加问题)，本发明提出了如下优化设计：在单层绕组中(一个筒状结构的单层绕组中)，全部的单层元件绕第一虚拟圆柱体(第一虚拟圆柱体是一个虚拟的圆柱体结构)的周向依次排列设置。全部的换向片绕第二虚拟圆柱体(第二虚拟圆柱体也是一个虚拟的圆柱体结构)的周向依次排列设置。其中，第一虚拟圆柱体与第二虚拟圆柱体同轴设置，并且，换向片与各层绕组的单层元件沿径向(绕组沿其轴向进行投影，绕组投影的径向即上述径向)对应并排列设置。其中，相邻的N-1(N为奇数，因此，N-1即为偶数)个连续的单层元件中，相邻的两个单层元件首尾端直连并形成元件组，剩余的一个单层元件(即上述N-1中的那个“1”所代表的单层元件)作为过渡元件。

元件组之间为同一个绕组内的电性连接，过渡元件用于实现各层绕组之间的电性连接。

本发明中，绕组设置有多层，在全部的绕组中，内层绕组的元件组与外层绕组的元件组在周向上交错设置。由图1可见，在全部的绕组中，自内而外，绕组依次往复自转360°/N。

换向片是用于实现外部电源与绕组电性连接必不可少的元件，换向片需要与绕组进行连接，从而实现电能的输送。具体地，自换向片引出连接线(连接线必须具有导电功能)，通过连接线和与其同径向设置的单层元件电气连接。

由上述可知，在本发明中元件组是由两个相邻的奇偶单层元件直连组成的，即相互连接的两个单层元件不再通过抽头、焊接方式进行连接，而是由不间断的一根漆包线进行连接，即：元件组由同一根漆包线绕制而成。

进一步地，构成同一个元件组的两个单层元件中，沿绕组的周向，前端的单层元件的尾部与后端的单层元件的头部连接，并由前端的单层元件的头部以及后端的单层元件的尾部引出连接引线，用于分别和与其对应的换向片连接(例如前端的单层元件的头部所引出的连接引线和与其对应的一个换向片连接，后端的单层元件的尾部所引出的连接引线和与其对应的一个换向片连接，上述的两个换向片为相邻的两个换向片)。

由于绕组为杯型(圆筒形)结构，因此，在本实施例中将元件组设计成为了弧形板式绕组结构(或者理解为弧形的片状绕组结构)，并且，在同一层绕组中的全部元件组的弧度一致。基于上述实施例，各层绕组中的元件组的弧度一致。

进一步地，在同一层绕组中，元件组之间间隔设置(相邻的两个元件组之间具有一定的间隙)，元件组与过渡元件之间间隔设置(过渡元件前后设置的两个元件组与该过渡元件之间具有一定的间隙)，且元件组之间的间隔距离以及元件组与过渡元件之间的间隔距离相同。

在本发明中换向片组为圆柱体结构，这样才能够与空心杯电机的电刷有效且稳定连接(该连接为具有相对运动的连接，即换向片组旋转，电刷固定)，因此，在本实施例中，换向片为弧形板式结构，全部的换向片等间隔设置，这样全部的换向片排列后能够形成一个圆柱体结构的换向片组。

具体地，换向片的弧度与元件组的弧度一致。

根据上述的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件的结构形式，本发明还提供了一种斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件的制作方法，该斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件的制作方法具体包括如下步骤：步骤一、在一个虚拟圆柱体(这是一个虚拟的非实体圆柱体，用于更为具体地表现换向片组的结构)的外侧同轴设置至少两层绕组，绕组设置至少两层，每层绕组设置有N个单层元件。本发明的有一个优选实施方式中，绕组设置有两层。沿绕组的轴向，绕组和换向片组(换向片组由N个弧度且弯曲程度一致的弧形换相片组成)依次排列，绕组与换向片组同轴设置，换向片组包括与N个所述单层元件对应设置的N个换向片，即换向片组共设置有N个换向片，换向片与各层绕组的单层元件沿径向(上述虚拟圆柱体的径向)对应并排列设置，其中，N为大于3的正整数；步骤二、采用斜挎互联连接方法将单层元件进行连接；其中，斜挎互联连接方法的具体操作为：在相邻的N-1个连续的单层元件中，将奇偶相邻的两个单层元件采用首尾端直连方式进行连接并形成元件组，将剩余的一个单层元件作为过渡元件，在全部的绕组中，内层绕组的元件组与外层绕组的元件组在周向上交错设置，从换向片引出连接线，通过连接线和与其同径向设置的单层元件进行电气连接，沿径向，相邻的单层元件通过连接线首尾连接(例如内层的单层元件的头部与连接线连接，则下一层的单层元件则通过尾部与连接线连接)。

本发明还提供了一种新型斜绕组空心杯电机，包括有磁钢以及电机外壳(电机定子)，同时本发明还设置了如上述的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件作为电机转子。其中，斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件可旋转地装配于电机外壳中，磁钢装配于斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件中并相对于电机外壳固定设置。

请参考图3和图4，本发明的一个具体结构形式为：电机内的杯形绕组，从第一个单层元件开始，连续两个单层元件(即相邻的两个单层元件)中间不采用不抽头结构连接，即第一和第二个单层元件不抽头，第三和第四个单层元件之间不抽头……，然后再通过上下层(相邻两层绕组)之间的斜跨互联接法，形成多层串联斜绕组形式，该绕组形式应用于空心杯电机中，可以减少一半的抽头数量，提高加工效率。

在本发明中，相邻两层绕组通过斜跨互联方式，形成多条支路，其等效电路(图4)与普通斜绕组绕线形式的等效电路(图2)相同，其不会降低电机的各个性能指标。

需要说明的是：本发明所提供的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件既可以用于有刷空心杯电机，也可以用于无刷空心杯电机。

本发明所提供的斜绕组空心杯电机用绕组线圈组件采用特殊的连续两个单层元件之间采用不抽头连接的绕制方法和上下绕组特殊的连接方式，可以将抽头数量减少一半，减少了一半的焊接工作量，在相应场合具有一定的应用前景。

本发明通过对绕组线圈组件进行了特殊的结构优化设计，使得同一层绕组中相邻的两个单层元件之间不采用抽头方式进行连接而是采用直连方式进行连接(即同一层绕组中相邻的两个单层元件由一根漆包线绕制而成)，这样可以有效减少各个单层元件的抽头个数。

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。