电机及其缠绕线圈的方法
【专利摘要】本发明揭示一种电机及其缠绕线圈的方法，所述电机是无刷式永久磁铁马达，其特征在于，所述电机包括具有复数齿型部件的一定子，所述复数齿型部件具有至少一针状缠绕串；所述至少一针状缠绕串具有至少两个缠绕线圈设置于互相串连的所述复数齿型部件上；所述至少两个缠绕线圈中的每个缠绕线圈包括至少一缠绕层；以及所述至少两个缠绕线圈之间形成一针状通道，通过所述至少两个缠绕线圈的一交错部以填充至少一部份的所述针状通道。
【专利说明】电机及其缠绕线圈的方法
【【技术领域】】
[0001]本发明涉及一种电机(electric machine),尤其涉及一种电机缠绕线圈的方法。【【背景技术】】
[0002]电机(electric machine)的使用众所周知并且应用于各种领域,例如自动马达车辆运输领域，这类型的电机例如是无刷式永久磁铁马达组成，所述无刷式永久磁铁马达包括定子以及具备多个磁极的转子，所述定子包括单相(single-phase)或是多相(mult1-phase)(例如是三相)的缠绕串联机圈。
[0003]特别是在马达车辆的使用中，随着低噪音需求持续发展，有关最小的建构体积、最低的重量、高功率密度以及高效率等需求也逐渐增加，以改善电机。
【
【发明内容】
】
[0004]本发明的目的在于提供一种电机及其缠绕线圈的方法。
[0005]为达成上述目的，本发明的一优选实施例提供一种电机，所述电机是无刷式永久磁铁马达，其特征在于，所述电机包括具有复数齿型部件的一定子，所述复数齿型部件具有至少一针状缠绕串；
[0006]其中所述至少一针状缠绕串具有至少两个缠绕线圈设置于互相串连的所述复数齿型部件上；
[0007]其中所述至少两个缠绕线圈中的每个缠绕线圈包括至少一缠绕层；以及
[0008]其中所述至少两个缠绕线圈之间形成一针状通道，通过所述至少两个缠绕线圈的一交错部以填充至少一部份的所述针状通道。
[0009]本发明的另一优选实施例提供一种电机缠绕线圈的方法，其利用针型卷线器，所述电机是无刷式永久磁铁马达，其特征在于，所述电机缠绕线圈的方法包括下列步骤:
[0010](SO)提供一线圈缠绕载具，所述线圈缠绕载具具有复数齿型部件，所述线圈包括至少两个缠绕线圈设置于互相串连的所述复数齿型部件上，所述至少两个缠绕线圈中的每个缠绕线圈包括至少一缠绕层；
[0011](SI)利用一缠绕导线环绕所述复数齿型部件的一第一齿型部件，以制造出所述至少两个缠绕线圈中的第一个缠绕线圈的所述至少一缠绕层；
[0012](S2)利用所述缠绕导线环绕所述复数齿型部件的一第二齿型部件，以制造出所述至少两个缠绕线圈中的第二个缠绕线圈的所述至少一缠绕层；以及
[0013](S3)利用所述缠绕导线环绕所述第二齿型部件以及所述第一齿型部件，以制造出所述至少一缠绕层中的一最上层缠绕层。
[0014]本发明通过缠绕线圈填充至少一部份的所述针状通道，以增加填入的准位，用以提高电机的功率密度；依据填入至针状通道的准位，例如可增加大约30%的功率密度。
[0015]本发明可增加电机的效率，因为通过较短的缠绕导线长度可产生一预定的磁通量。而且此种方式在相同的马达功率条件下，可以减少奥姆损失(ohmic losses)。此外,具有标称功率(nominal power)的电机的结构可以更小型化、更轻并且成本低廉。
[0016]在一较佳实施例中，本发明可使用两个或是两个以上的缠绕层，亦可使用单一缠绕层并且立即形成数字”8”的图形。
[0017]在一较佳实施例中，所述至少一缠绕层中的最上层缠绕层以一数字” 8”的图形环绕于所述复数齿型部件，所述交错部形成于所述针状通道中。
[0018]在一较佳实施例中，所述定子包括12个沟槽或是(12+n*6)个沟槽，其中η为自然数。然而其它数量的沟槽亦适用于本发明。
[0019]在一较佳实施例中，所述至少两个缠绕线圈具有相反的缠绕方向。
[0020]在一较佳实施例中，所述至少两个缠绕线圈的第一缠绕线圈是利用所述缠绕导线的导线桥接结构连接所述至少两个缠绕线圈的第二缠绕线圈。
[0021 ] 在一较佳实施例中，所述至少两个缠绕线圈是两种不同的缠绕导线。
[0022]在一较佳实施例中，所述针型卷线器具有至少一针状元件或是同时具有至少两种针状元件。
[0023]在一实施例中，若是定子具有12个沟槽，针型卷线器可同时使用6个针状元件进行缠绕，以提高针状通道的填满程度，同时增加针型卷线器的生产力。
[0024]在一实施例中，本发明的电机缠绕线圈的方法适用于电机的线圈缠绕载具，所述电机的所述线圈缠绕载具是所述电机的定子，亦可适用于其它缠绕载具的线圈。
[0025]在一实施例中，本.发明的电机体积更小、重量更轻，特别适用于驱动各种马达车辆的功能性单元，例如自动化传送单元、窗户升降器以及调整驱动器，特别是使用这类型电机的马达车辆，重量的减轻的效果格外显著，进而降低二氧化碳的排放量。
[0026]本发明的电机适用于自行车，例如是自行车的发电机。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0027]本发明上述目的、特征及优点将结合以下详细说明与所附图式具体呈现。
[0028]图1是本发明实施例中电机的平面示意图。
[0029]图2是根据图1电机的线圈缠绕分布的缠绕剖面示意图。
[0030]图3是根据图2的线圈缠绕分布中一个齿型对周围的两个缠绕线圈的示意图。
[0031]图4是根据图1的第一实施例中电机的线圈缠绕分布的缠绕剖面示意图。
[0032]图5是根据图4的线圈缠绕分布中一个齿型对周围的两个缠绕线圈的示意图。
[0033]图6是根据图1的第二实施例中电机的线圈缠绕分布的缠绕剖面示意图。
【【具体实施方式】】
[0034]以下，本发明的实施例将参照附属图来具体描述。在下面的描述过程中，同样的元素虽然它们在不同的图中出现，但会被作为相同的参考数字。
[0035]图1是本发明实施例中电机(electric machine) I的平面示意图。
[0036]在一实施例中，电机I建构成为无刷式(brushless)永久磁铁马达,所述无刷式永久磁铁马达包括定子(stator) 2，所述定子2设有环型轭(yoke) 3，复数个指向齿型部件(pointing teeth)4以径向朝内方式依附于所述环型轭3，所述复数个指向齿型部件4也可视为个别的齿型部件。在本发明的实施例中，每一齿型部件4的内侧端部可视为齿型头部4a，具备复数个指向齿型部件4的定子2用以形成线圈的缠绕载具。在每两个齿型部件之间，用于缠绕导线的线圈的缠绕腔室(chamber) 5是固定环绕于齿型部件4的周围，每个缠绕腔室5延伸垂直于图示平面并且沿着半径方向向内(中心)呈现锥形状，每两个齿型头部4a之间形成一沟槽6，所述复数个指向齿型部件4环绕包围转子7，所述转子7设置于所述定子2内，使得转子7以马达轴8为中心作转动。在所述转子7的周围表面包括有变换磁极的磁铁9。
[0037]在一实施例中，定子2的齿型部件4的数量是12个，定子2的沟槽6例如是18个、24个或是(12+n*6)个，n为自然数。
[0038]电机I用于至少一单相的缠绕线圈，如本发明的图示，其为具有U，V, w缠绕串(winding strands)的三相(three-phase)缠绕线圈。在一实施例中，定子2或是外围定子的缠绕线圈是利用针型卷线器(needle winder)所制造。
[0039]图2是根据图1中电机I的定子2的线圈缠绕分布的缠绕剖面示意图。所述定子2的缠绕线圈是利用针型卷线器(needle winder)所制造，所述针型卷线器包括一针状元件(needle)。
[0040]所述定子2的齿型部件4为延长的矩形，以参考数字指出三个u，v，w缠绕串(winding strands)之间的关系,缠绕导线14u, 14v, 14w以不同的圆圈记号作区隔,每个缠绕导线14u, 14v, 14w形成个别的缠绕线圈WG1...WG2于两个齿型对(tooth pair)的一齿型部件4，如以下分析所述。所述缠绕导线14u围绕齿型部件4ul形成第一缠绕线圈WGl ；串联于第一缠绕线圈WGl的第二缠绕线圈WG2围绕齿型部件4ul邻近的齿型部件4u2 ;通过偏移150度，所述缠绕导线14u围绕齿型部件4u3形成第三缠绕线圈WG7，并且第四缠绕线圈WG8围绕齿型部件4u3邻近的齿型部件4u4。
[0041]同样地，所述缠绕导线14v围绕齿型部件4vl形成第一缠绕线圈WG3 ;串联于第一缠绕线圈WG3的第二缠绕线圈WG4围绕齿型部件4vl邻近的齿型部件4v2 ;通过偏移150度，所述缠绕导线14v围绕齿型部件4v3形成第三缠绕线圈WG9，并且第四缠绕线圈WGlO围绕齿型部件4v3邻近的齿型部件4v4。
[0042]同样地，所述缠绕导线14w围绕齿型部件4wl形成第一缠绕线圈WG5 ;串联于第一缠绕线圈WG5的第二缠绕线圈WG6围绕齿型部件4wl邻近的齿型部件4w2 ;通过偏移150度，所述缠绕导线14w围绕齿型部件4w3形成第三缠绕线圈WG11，并且第四缠绕线圈WG12围绕齿型部件4w3邻近的齿型部件4w4。
[0043]在一实施例中，齿型部件4ul...2，4vl...2，4wl...2，4u3...4，4v3...4，4w3...4形成复数个齿型对(tooth pair)。
[0044]每一个缠绕串(winding strands)(即三个u, v, w中任一个)包括四个个别的缠绕线圈(winding)。
[0045]所述复数个缠绕线圈WGl...12相对应设置于缠绕腔室(chamber) 5内，在一实施例中，每个缠绕腔室5设有两个缠绕部(portion)，两个缠绕线圈之间形成一自由空间，用以设置一针状通道(needle channel) 10,并且所述自由空间以一延长矩形表示之。针状通道10依据针型卷线器的缠绕针所设计，用以制造出缠绕线圈WGl...12。参考数字S1...S12用以标示制造缠绕线圈的个别步骤。针状通道10的宽度是依据针型卷线器的针状元件的数量而定，如图2所示，针型卷线器只包括一个针状元件(needle)。[0046]在一实施例中，每个缠绕线圈WGl...12是由三个迭靠在一起的缠绕层(windinglayer) 11, 12，13所组成，依据设置方式不同，缠绕层的数量可增加或是减少
[0047]第一、第二缠绕层11，12延伸超出个别齿型部件4的四分之三的长度，第三缠绕层13 (即，最后一层或称为上层)仅形成一部份的缠绕腔室5。
[0048]图3是根据图2的线圈缠绕分布中一个齿型对4ul，4u2周围的两个缠绕线圈WGl, WG2的示意图。
[0049]本发明具有一导线起始端部14a的一缠绕导线14以第一缠绕方向(例如是逆时钟方向)环绕于齿型部件4ul而形成三层缠绕层11，12，13 ;利用第一缠绕线圈WGl的一缠绕部填入于齿型部件4ul与针状通道10之间的缠绕腔室5。接着，所述缠绕导线14连续形成导线桥接结构(wire bridge) 14b至邻近的齿型部件4u2,并且缠绕导线14以顺时钟方向环绕于齿型部件4u2而形成三层缠绕层11，12，13 ;利用第二缠绕线圈WG2的一缠绕部填入于齿型部件4u2与针状通道10之间的缠绕腔室5，使得针状通道10被保持。缠绕导线14的导线末端14c从缠绕腔室5穿过出来并且进入下一个相关的齿型对4u3，4u4。在上述的导线缠绕过程中，针型卷线器的针状元件移动穿过针状通道10。
[0050]图4是根据图1的第一实施例中电机I的线圈缠绕分布的缠绕剖面示意图。
[0051]所述针型卷线器包括一针状元件(needle)。
[0052]相较于图2的线圈缠绕分布，图4的第一实施例六个针状通道IOa以及六个半针状通道IOb被填充以缠绕结构。在此实施例中，当通过执行中间步骤Zl...Z12来执行每两个步骤 S1...2，S3...4，S5...6，S7...8，S9...10，Sll...12 时，在齿型对 4ul...2，4vl...2，4wl...2，4u3...4，4v3...4，4w3...4的最后一层缠绕层13被缠绕完成，使得齿型部件与齿型对 4ul...2，4vl...2，4wl...2，4u3...4，4v3...4，4w3...4 之间的针状通道 IOa 被完全填充。因而在齿型对 4ul...2，4vl...2，4wl...2，4u3...4，4v3...4，4w3...4 的每个半针状通道IOb被填充一半(half-filled)。
[0053]图5是根据图4的线圈缠绕分布中一个齿型对4ul，4u2周围的两个缠绕线圈WGl, WG2的示意图。
[0054]根据本发明的方法，在第一方法步骤中，缠绕导线14的导线起始端部14a以第一缠绕方向环绕于第一齿型部件4ul而形成两层缠绕层11，12 ;利用第一缠绕线圈WGl的一缠绕部填入于第一齿型部件4ul与针状通道IOa之间的缠绕腔室5。接着，在第二方法步骤中，所述缠绕导线14连续形成导线桥接结构(wire bridge) 14b至邻近的齿型部件4u2,并且缠绕导线14以顺时钟方向环绕于第二齿型部件4u2而形成两层缠绕层11，12 ;利用第二缠绕线圈WG2的一缠绕部填入于齿型部件4u2与针状通道IOa之间的缠绕腔室5，使得针状通道IOa被保持。
[0055]接着，在第三方法步骤中，所述缠绕导线14通过”8”图形(水平方向)之方式，以环绕于第二齿型部件4u2与第一齿型部件4ul，以作为第三缠绕层(或是最上层缠绕层)(如虚线所示)13。在此实施例中，当完成第二齿型部件4u2的第二缠绕线圈WG2的第二缠绕层12之后，所述缠绕导线14的第一交错部14d从第二齿型部件4u2穿过缠绕腔室5返回针状通道10a，以再次朝向第一齿型部件4ul的起始端部14a，并且依据逆时钟方向环绕所述第一齿型部件4ul到达针状通道IOa ;然后所述缠绕导线14的第二交错部14e通过针状通道10a，其中所述缠绕导线14的第二交错部14e与第一交错部14d在针状通道IOa交错。接着，所述缠绕导线14进一步以顺时针方向环绕所述第二齿型部件4u2，以完成”8”图形(水平方向)。持续执行环绕齿型对4ul...2的两个齿型部件的”8”图形(水平方向)，直至完成第三缠绕层(或是最上层缠绕层)13。第一交错部14d以及第二交错部14e完全填满针状通道IOa并且形成交错部15 ;接着，缠绕导线14的导线末端14c从缠绕腔室5穿过出来并且进入下一个相关的齿型对4u3, 4u4。
[0056]上述之方法步骤适用于全部的齿型对4ul...2，4vl...2，4wl...2，4u3...4，4v3...4，4W3...4o
[0057]图6是根据图1的第二实施例中电机I的线圈缠绕分布的缠绕剖面示意图。
[0058]相较于图4的第一实施例中线圈缠绕分布，图6的针状通道IOa完全被填满，其是以具备六针状元件的针型卷线器来制造上述的线圈缠绕分布。通过同步以六个针状元件进行缠绕，所有的针状通道IOa被填满并且每个针状通道IOa包括交错部15。在一实施例中，六针状元件中的三个针状元件的方向为顺时钟缠绕方向，另外三个针状元件的方向为逆时钟缠绕方向。
[0059]本发明也适用于大于4个缠绕线圈(winding),例如6个、8个、10个等，以用于每个缠绕串(即三个U，V, W中任一个)。通常来说，一个缠绕串(即三个U，V, W中任一个)、或是大于三个缠绕串(即三个u，v，w)亦适用于本发明。
[0060]本发明的缠绕线圈可利用一个或是多个针状元件的针型卷线器来制造。本发明的缠绕线圈方法可适用于一个或是多个沟槽。
[0061 ] 本发明的电机缠绕线圈的方法除了适用于定子之外，也适用于转子。
[0062]本发明的电机缠绕线圈的方法除了适用于两个齿型部件的串联缠绕线圈之外，也适用两个以上的齿型部件的串联缠绕线圈，其中最上层缠绕层的结构例如是两个、三个或是三个以上的呈”8”图形(水平.方向)，例如两个针状信道IOa的三个邻近齿型部件皆被填充以交错部15。
[0063]虽然本发明的最佳实施例已经说明了用途，但是在本领域的技术人员不得脱离其说明书的范围和发明的精神，来进行不同的修改、补充和替代。而本发明的实施例只是为了说明本发明的技术思想范围，而不是仅仅限于本发明的实施例。本发明的范围要根据附属的权利要求，例如所有的技术想法包括等同于本发明的权利要求范围，来进行解释。
[0064]【主要组件符号说明】
[0065]
【权利要求】
1.一种电机，是无刷式永久磁铁马达，其特征在于，所述电机包括具有复数齿型部件的一定子，所述复数齿型部件具有至少一针状缠绕串； 其中所述至少一针状缠绕串具有至少两个缠绕线圈设置于互相串连的所述复数齿型部件上； 其中所述至少两个缠绕线圈中的每个缠绕线圈包括至少一缠绕层；以及 其中所述至少两个缠绕线圈之间形成一针状通道，通过所述至少两个缠绕线圈的一交错部以填充至少一部份的所述针状通道。
2.如权利要求1所述电机，其特征在于，所述至少一缠绕层中的一最上层缠绕层以一数字” 8”的图形环绕于所述复数齿型部件，所述交错部形成于所述针状通道中。
3.如权利要求1及2中任意一项所述电机，其特征在于，所述定子包括12个沟槽或是(12+n*6)个沟槽，其中η为自然数。
4.如权利要求1及2中任意一项所述电机，其特征在于，所述至少两个缠绕线圈具有相反的缠绕方向。
5.一种电机缠绕线圈的方法，其利用针型卷线器，所述电机是无刷式永久磁铁马达，其特征在于，所述电机缠绕线圈的方法包括下列步骤: (50)提供一线圈缠绕载具，所述线圈缠绕载具具有复数齿型部件，所述线圈包括至少两个缠绕线圈设置于互相串连的所述复数齿型部件上，所述至少两个缠绕线圈中的每个缠绕线圈包括至少一缠绕层； (51)利用一缠绕导线环绕所述复数齿型部件的一第一齿型部件，以制造出所述至少两个缠绕线圈中的第一个缠绕线圈的所述至少一缠绕层； (52)利用所述缠绕导线环绕所述复数齿型部件的一第二齿型部件，以制造出所述至少两个缠绕线圈中的第二个缠绕线圈的所述至少一缠绕层；以及 (53)利用所述缠绕导线环绕所述第二齿型部件以及所述第一齿型部件，以制造出所述至少一缠绕层中的一最上层缠绕层。
6.如权利要求5所述电机缠绕线圈的方法，其特征在于，在步骤(S3)中，所述缠绕导线以一数字”8”的图形环绕所述第二齿型部件以及所述第一齿型部件。
7.如权利要求5及6中任意一项所述电机缠绕线圈的方法，其特征在于，所述至少两个缠绕线圈的一第一缠绕线圈是利用所述缠绕导线的一导线桥接结构连接所述至少两个缠绕线圈的一第二缠绕线圈。
8.如权利要求5至7中任意一项所述电机缠绕线圈的方法，其特征在于，所述至少两个缠绕线圈是两种不同的缠绕导线。
9.如权利要求5至8中任意一项所述电机缠绕线圈的方法，其特征在于，所述针型卷线器具有至少一针状元件或是同时具有至少两种针状元件。
10.如权利要求5至9中任意一项所述电机缠绕线圈的方法，其特征在于，所述电机的所述线圈缠绕载具是所述电机的一定子。
【文档编号】H02K3/18GK103444056SQ201280014799
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年1月18日 优先权日:2011年1月24日
【发明者】斯特凡·克尔 申请人:布罗斯汽车零件维尔茨堡两合公司