专利名称：具有位错排列的多极电极单元的多相电机的制作方法
这项发明是涉及一种多相电机和它的制造方法。
在多相电机的特别是需要在大电流和高电压的环境下工作的电机的制造中，交叉导体通道的绝缘装置大大地增加了制造成本。为使电机获得高功率和高的能量密度，需尽可能地加大导体对环槽体积的比例，尽可能地减小在外伸绕组中导体长度所占的比例。
美国第4、398、112号专利中叙述了一种，用于盘形电枢和直线电机的分层绕组，其冲压过的导体层由气隙处沿环槽的深度方向插入环槽，但是在上述专利文件中指出，由于不同相的导体支路的气隙的距离均不相同，这使得绕组中的导电通道变得非常短，环槽的体积仅在单相电机中得到全部使用。而单相电机的输出转矩值却极不稳定，变化很大，而双相电机中环槽的充填系数，根据上述专利文件，已下降至50％，三相电机中的更降至33％。
本发明的目的是为了提高多相电机的技术开发和制造方法，以达到低制造成本，高效率，高的能量密度，低的欧姆损耗，节省材料，易于实现自动化，最终实现有经济效益的生产。
本发明中的电机由若干个电极单元组成，每个电极单元的相数为电机相数的一部分，最好将这些单相或是双相的电极单元沿环槽深度方向，环槽走向或环槽宽度方向顺序排列，并具有矩形截面的导体支路。导体曲折排列在软磁体内部的层和局部区域中。这些层和局部区域与气隙平行，并且垂直于运动方向，每个电极组分别沿运动方向，或者沿环槽宽度方向具有若干个极性交替变换的电极，在每个电极组之内的极距保持不变。与之相关的转子或定子分别沿它的整个圆周或是长度保持这个极距。与电极组的相数相比，由于所排列的电极组，相对于电机的转子极，可相互位错几分之一的极距，所以电机的相数是稳固连接电极组的倍数。
在一个实施例中，一台多相电机具有数个相同的单相电极组。电机电极组的数量与电机的相数或是相数的倍数相对应。在这种结构中，导体的绝缘仅需根据终端电压的几分之一来设计，对有平面气隙的电机，导体只由两个盘形结构的导体构成。有的软磁体可制成一个整体装置，或制成由一个齿片部件和两个扼片部件组成。包括环槽楔在内的每个电极组仅由六个简单的部件组成，这样对大量的部件，能在自动化生产工场中达到有经济效益的制造。
对有双数相的电机，最好调整两个电极组，使它们相距于一个转子盘，相互偏移半个极距，转子盘的数量相当于相数的一半。但是，一台三相电机仍然可以由三个转子盘和六个电极组组成。
另一方面，将较大的旋转电机分为多个相同的扇形电极组，它的极限槽是按宽出几分之一个极距的而设计的。这样将电机对称分成多个相同的电极组，可以简化电机的生产和装配。
下面的插图展示出本发明的优选实施形式。
图1为一个装有外转子式转子的四相盘形电枢的纵向剖面；图2所示为图1中具有30个电极盘形电枢的六个侧面图，从A—A视图到F—F视图3所示为四相电机有源部件的三个切向剖面图；图4所示为四相直线电机的五个结构设计图；图5所示为三相盘形电枢沿环槽定子方向的纵向剖面图。该三个盘形电枢由6相五极区段组成；图6所示为对带永久磁铁的32极转子的纵向剖面，永久磁铁装在图1中的盘形电枢上；图7为直线电机四极区段的齿片部件和环槽楔的装配图；图8所示为与图7中的区段由一个10层导体架组成；图9所示为如何将图8中的导体架插入图7中的齿形件中；图10所示为如何将已装好的四极区段由扼片部件插入而稳定；图11所示为一个有不同的截面的型材导体的侧面图，适合沿径向气隙式电机；图12为电机中一个设备的纵向剖面图。该设备可用于预先组装型材导体与沿径向气隙式电机的四极区段绕组。
图1所示为外转子式转子的四相盘形电枢的纵向剖面，在内支架(1)上具有一空腔，冷却液(2)在其中循环流动。装配时，先将两个已预先制造好的电极组(3b，3c)沿轴线方向压入支架内，这步骤保证在内支架(1)的绝缘槽(5)内的朝外沿轴线方向延伸的供电和电流支路(4)均有四分之一极距的切向位错。然后，将两个相同的转子盘(6a，6b)和它们内部的轴承(7)和两个外部电极组(3a，3d)以及它们的冷却体(8)一起沿轴线方向压入。在管状壳体(9)沿轴线滑入的过程中，转子盘的凸出部分(10)以及隔棒(11)保证有摩擦的连接，不会随便移动，以及使转子盘获得准确的定位。最后一步是将两个外部轴承压入。
图2为图1中的30个电极盘形电枢的六个附有阴影线的侧面图，从A—A截面到F—F截面。相对于两个同时对准安装的转子盘(6a，6b)，将四个相同的电极组(3a—3b)旋转零点几个极距。分别与转子盘连接的极组(3a，3b)或(3c，3d)，彼此相对旋转隔二分之一个极距。每两组之间错开四分之一个极距。整个导体组合包括交替堆在对方顶部的相互错开一个极距的两个导体层(13a，13b)。可根据影线的角度和密度来区别它们之间的不同，如软磁体(14)的阴影线为同心圆线，导体层(13b)可从两个线圈架(15)看到，它利用导体层(13a)的凹部，使导体高度增加了一倍。电流以曲折形式经过每一个导体层(13a，13b)，流完整个电机圆周但少一个极距。在留出的这个凹部上，馈电和电流支路4实现控制作用，或连接到沿环槽深度方向的相邻的导体层，将软磁片或硬磁片装入不带磁性的安装架中时，可以一个极距又一个极距地组装转子盘(6a，6b)。
图3为四相直线电机的三个切向剖面，图中显示了电极组的切向位错情况以及软硬磁片各自的磁通走向。
图3a中显示一个含有10个极距的区段，类似于图1和图2，也附有阴影线和有关的标号，但减少了环槽深度。
图3b中所显示的是不考虑电枢横向磁场的永久恒磁调节电机情况下的磁场分布图。在环槽位置处采用两个圆符号来表示电流方向，圆中有点的符号表示流向视者，圆中有叉号的表示流离视者。这些电流流动方向与转子的位置有关。沿着每个软磁体齿的切面中心(17)处的伸出箭头用于指示磁通方向。电极组(16a)的环槽位于相对的转子两极间的间隙中。这时相关的极相正处于换向过程，所以叙述为没有电流。然而，电极组(16b)此时可产生完全的转矩。电极组(16c)和(16d)之间相互位错了半个极距，这也有利于产生所需要的转矩。朝右边转动的转子盘包括沿轴布置的稀土磁铁(18)，并由一个纤维加固的框架19保持定位。
图3c中所显示的是一四相磁阻机的电枢磁场分布图。当软磁片(21)向右移动时，磁场的磁阻降低，而电极组(20a—20d)中的电流处于通电状态。对于底图中所示转子的位置，电极组(20b)所产生的磁场其磁阻达到最低值，之后在导体(22)流动的电流被中断。电极组(20d)磁场所产生的力推动转子向右运动。这种磁阻机也可应用于步进电机。
图4所示为四相直线电机的电极组的五种排列方式。
图4a所示为四相直线电机的简单结构示意图，它的四个电极组(23a—23d)沿运行方向顺序排列。在各相同电极组之间的距离(24)为四分之一个极距。这个间距与磁导轭铁25有关。由软磁材料构成的定子架26带有多个沿运行路径与架体整体形成的槽。为了清楚地显示三度空间的布局，与电极组稳固连接在一起的转子(27)在所示图里往上移了一些。
图4b中展示了一种实施方式，转子(29)具有14个硬磁片(28)，并包容了4个三极电极组(30)，每个电极组之间的距离为四分之一个极距。于是当电极单元中至少部分受到恒磁磁场作用时，这部分电极单元可通流。
图4c中，若电枢在沿运动方向比较短，电极组(31)可分别沿垂直于运动的方向，或沿凹槽的方向并肩排列。
如果电枢具有小的长宽外尺寸，建议按图(4d)所示排列。电极组(32)沿凹槽的深度方向顺序排列。电枢或定子(33)的有源部分在每两个互相位错的电极组之间凸出呈现着陆滑架状。
在图4e中所示的另一种排列方式中，相对于电极组(34)，转子(35)尺寸较大。其有源部分沿横向排列在分段层(36)上，而分段层(36)沿水平方向插入转子内。为补偿扭矩，将同一相的两个电极组排列在转子的斜对两角上。
在图5中示出了六个相同的扇形区段(37a)至(39b)，每两个位于对面的区段属于同一相，导体架包括两个冲压过的部件(40，41)，交替上下排列。在加宽的极限槽口(42)处，不同极相的导体由较厚的绝缘层隔开，相邻区段边牙的沿径向的中心线之间的距离总共为四分之三个极距，这相应于转子的极距。
图6中所示的转子由对称分布的32个相同的磁极(43)组成，这些磁极均安装在一个塑料架(44)中。为了产生不同的极相，定子中装有6个较宽的极限槽口(42)和30余个电极45。
图7至图10所示为一个直线电机四极扇区段的装配图。图中描述的这种围绕不同的轴线弯曲的结构设计也可应用于沿轴向和径向气隙式电机。
图7所示的是不同扇区段的装配。首先将绝缘板47插入齿形件46的槽中，接着嵌入弹性槽楔(48)达到其最终位置。绝缘片可塞在狭窄的滑槽(49)中，滑槽(49)位于齿片部件的中线上，可引导磁通，槽楔块保证齿片部件间的间距，和防止产生噪音。较宽大的槽楔(50)适用于填充较宽极限槽口。
图8所示为图7的扇区中10层导体架(51)的装配图。图中左边的5个导体零件组成一个紧密的导体架，其余的5个导体零件或个别或两个一起加入。每个多相直线电机的导体架均由两个冲压在一起的导体型材组成，除了供电和输出导体(52)外，还插入8个一般的导体层(53)。将导体层相互叠装一起后，通过焊接其交界边缘(54)构成完整的导体架。
图9中，将组装好的导体架(51)插入齿片部件(46)中，最后如图10所示，将磁扼部件(55，56)沿槽方向插入齿片部件(46a)的终端里。齿片部件(46a)的终端从导体架(51)中伸出，使得导体架压在弹性槽楔(48，50)上，形成一无间隙的严密结构，并且易于随时再拆卸。除了一般的扼片部件(55)外，大一些的扼片部件(56)需装在不同极相的邻接相同扇区段的极限槽内，可以用铁氧体来代替一般的多层磁扼部件。
除了可采用预先制造的没弯曲的导体层，将多相电机划分成单相多电极组以外，因为上述电极组的导体走向是不交叉的，最好采用型材导体实现。
图11所示为一个用于沿径向气隙式电机的矩形成形导体(57)。导体的截面在敷有绝缘材料(58)之前，该导体在一涂布设备58内由一程序控制的轧辊59处理一预定长度，使其横截面发生变化。而横截面保持恒定的长度对应与气隙平行敷设的导体长度，因此，导体的宽度变化在每次位置变化时与其半径是成比例的。
图12表示一设备60，它具有预先制成一径向气隙式电机的四极分段绕组61，能自动装载在该设备上。与齿条相对应的装置组件62插入一基座63内，并具有易于装入导体的锥形缩小端64。在展宽的极限槽65中，将绕组相66的倾斜走向的线段插入定位导向件67内，导向件由一种绝缘高强度的塑料制成，在采用粘接剂组装该自行装载的预制的分段绕组61之前，和径向从设备60中抽出所有齿条62之后，获得的槽隔离使在极限槽65内的导体段再次变形，从而在稳固的定位导向件67内切向压缩。图中左侧所示的在极限槽65’内的导体段已完成压缩变形。而在右侧槽65内的导体段尚未压缩。由薄绝缘板68相互切向分隔开的各分段绕组组成多相电机的总线圈。
权利要求
1.多相电机，其特征在于下列特征——这电机由多个多极电极组(3，16，20，37a—39b)组成，电极组的相数等于总电机相数的几分之一，——电极组(37a—39b)中的电极(45)具有沿运动方向交替改变的极性，——在电机组(3a—3d)中流动的磁通是通过软磁体(14)构成回路的，——导体(13，22，61)沿与气隙平行的层(40，41，53)敷设，并以曲折形状沿运动方向经过电极组(3，37a—39b)的整个长度，——电极组中的导体(40，41，66)具有矩形截面，——在电极组(3，37a—39b)内的极距是不变的。——在转子和定子(6，18，21)相对布置的气隙上各电极单元(3，16，20)的极距在整个电机的圆周和长度上是保持不变的，——一些牢固连接的电极组(16a—16d，20a—20d)相对于相对布置的转子或定子极(18，21)是相互顺序位错几分之一个极距排列的，——电极组(30，31，32)沿环槽深度方向，沿环槽方向或沿运动方向顺序排列。
2.根据权利要求1的多相电机，其中转子具有一个轴向或径向气隙，转子相对于定子旋转，其特征在于，电极组被制成扇片的形状，而导体(40，41，66)仅沿电机圆周的几分之一延伸，极限槽(42，65)位于切向相邻的两个扇形电极组(37a—39b)之间，其宽度比一般的槽的宽度大几分之一个极距。
3.根据权利要求1的多相电机，其特征在于它的电极组(3，37a—39b)数量与电机的相数，或是相数的倍数相一致，而所有的电极组均为单相，并且是相同的结构。
4.根据权利要求3的多相电极，导体层(13a，13b)之间采用薄绝缘层隔开，并相互偏移一个极距布置，它们位于软磁体(14)上，并且在线圈架(15)内的区域上沿槽宽度方向延伸，与沿槽深走向的其他区域相比，前者的导体层高度加大。
5.根据权利要求1的多相电机，两个相同的电极组(3，34)排列于转子(6)或定子(36)的对面，它们沿环槽宽度方向相互偏移半个极距排列。
6.根据权利要求5的多相电机，其余的同样设计的结构附件用于同样的部件的运动，其中转子(6，35)各与这些运动零件牢固连接，相对于转子极，电极组(3，34)各以相应于相数的几分之一极距住错排列，冷却液(2)在内部电极组(3b，3c)之间循环流动。
7.制造多相电机的方法，其特征在于在包敷导体绝缘材料前，预先制好一个矩形的，和有多种截面的成型导体，这成型的导体插入设备的形状曲折的通道内后，将导体长度(位于单相、多极电极组间的极限槽处)被挤压变形，经过这样处理的多个电极单元相互连接共同构成电动机的总线圈。
全文摘要
一种位错排列的多极电极单元的多相电机，包括多个电极单元(37a-b)，每个电极单元具有较少数量的相数并且在运动方向上具有交替极性的极。该电极单元在气隙中彼此相邻设置，且相对于转子极相互偏移几分之一个极距。它们的扇形结构导体(40)在平行于气隙的层中延伸。在单相电极单元中，导体绝缘仅需满足端电压的几分之一的要求。这种设计使得组装电机仅用少量的不同形状的部件，因此可以按自动方式大规模制造。
文档编号H02K41/03GK1119480SQ9419151
公开日1996年3月27日 申请日期1994年1月31日 优先权日1993年2月2日
发明者沃尔夫冈·希尔 申请人:沃尔夫冈·希尔