气隙式绕组的制作方法

本发明涉及用于电动机的无芯绕组领域。

背景技术：

包括无芯绕组的电动机在本领域是已知的。无芯绕组还被称为无铁芯绕组或空心绕组或独立式绕组。无芯绕组相比于传统绕组的主要优点之一是减少的重量和低惯性，例如向转子提供快速加速和快速响应的低惯性。另一个优点是由于磁芯的缺乏引起的低电感，从而减少有关的例如电气干扰和电刷的渐进磨损的缺点，且增加了马达的寿命。

各种制造无芯绕组的技术是已知的。总体说来，无芯绕组的目标包括：最大化功率密度；最大化由线圈或绕组环收集的磁通量；对于给定的尺寸实现高的扭矩或速度，或者类似地，对于所需的扭矩或速度实现更小的尺寸。另一个重要的问题是简化导线(wire)的制造过程且特别是导线的绕制过程。又一问题是避免或至少减少导线之间的交叉。导线交叉引起的缺陷包括：较高风险的绝缘故障、以及需要减少环的数量以便在导线之间留出必要空间且避免导线的损坏。然而，减少环数量将减少绕组的性能，例如由包括绕组的转子输送的扭矩。

现有技术中电动机的无芯圆柱形绕组通常具有三角形线圈、六边形线圈或菱形线圈。可在de2931725中发现所述已知实施方式的概观。在us3360668中公开了最早由faulhaber博士介绍的三角形无铁电枢绕组。

无芯、独立式绕组的早期技术是不断发展的，例如在ep2642636中公开了具有菱形线圈的改进的无芯绕组的最新示例。

事实上，具有持续的动机以改进用于电动机的无芯绕组的性能。特别地，具有强烈的动机以提供具有小直径但能够输送高扭矩和/或达到相当大速度的无芯转子的电动机，尤其在例如医疗设备、机器人学、航空航天和航空工业的技术领域。减少重量是另一个挑战，尤其在航空学领域。与无芯圆柱形绕组、尤其是小直径的无芯圆柱形绕组有关的一个技术问题是导线的布置，该导线构成绕组的每个单个线圈。

更具体地，现有技术中多相无芯绕组的缺点是导线环的非对称布局。制造无芯绕组的常规方法提供：每个相的环是每次一个被依次地绕制，从而形成围绕圆柱体的几个同心层。该技术的缺点是每个环必须布置在先前形成的环上。这导致了偏离对称布局，且偏离对称性将导致电力不平衡的绕组。现有技术的这种缺点借助于图20和图21能够被更好地理解。

图20示出了传统的三相波形绕组的根据垂直于绕组的主轴线且位于绕组的一半高度的位置处的平面的横截面。该横截面由区域100、区域101以及区域102组成，该横截面由每个单个相的环横切，例如区域100包括相u的环，区域101包括相v的环，区域102包括相w的环。如图中所示，区域100、区域101以及区域102具有不同的形状和尺寸。一个原因是：例如u相的环首先布置成围绕圆柱形表面，没有为随后的v相的环留下充足的空间，该v相的环需要转入到外层上(即离轴较远的距离)；然后，第三相w的环容纳在剩余的空间中。然而，如前面讨论的，该技术造成不期望的对称性缺乏和电不平衡性。

图21示出了传统的非对称叠绕组的横截面的典型的外观。

现有技术的另一个问题是难以控制线圈形成过程中电力导线的位置。导线通常围绕针状物绕制以获得期望的圆柱形绕组。在传统的三角形绕组中，在两个邻近的针状物之间具有的相对长的、笔直导线部分。该导线部分可以偏离两个针状物之间的理想直线，因此引起非对称性的另一根源。

由交叉区给出了又一问题。在多相圆柱形的线圈中，不同相的线圈在某些区域处、通常在围绕圆柱体的高度的三分之一和三分之二处交叉。在交叉区中，系统的某一相的导线(例如指向下)与另一相的导线(例如指向上)交叉。因此，导线密集地交错且更加暴露于机械应力，该机械应力可使导线的绝缘层恶化。

技术实现要素：

本发明旨在改进上述现有技术并解决上述问题。

本发明的目的是提供一种用于电动机的无芯圆柱形绕组的新型布置，其中该无芯圆柱形绕组具有高的功率密度和相对于绕组的尺寸(直径)输送高扭矩或速度的能力。本发明的另一目的是简化特别地避免绕组的各个线圈的导线之间的交叉(重叠)的绕组技术。本发明的另一目的是减少绕组的非对称性，从而具有更好的电平衡。

根据所附的权利要求书，利用无芯绕组达到了这些目的。

本发明的第一实施方式是具有圆柱形形状的多相无芯绕组，其特征在于包括具有至少六个侧边且绕制成波形绕组的环。

在优选的实施方式中，绕组包括多个段，且针对每个相包括两个段以用于与其连接，绕组的用于每个相的两个段以180电角度相对，在绕组的连接到两个不同相的两个邻近段之间的角距离(偏移)是360/(2n)的电角度，其中n是相数。

例如，在三相绕组中，相之间的所述偏移是60电角度且绕组的所述两个段以180电角度相对。因此，绕组可被称为60°三相绕组。例如，在具有5相的绕组中，所述偏移是36°(el)。

在本说明书中，除非另有说明，否则所有对角度(度)的提及均应被理解为电角度。在旋转的发电机中，机械角度θm和对应的电角度θel符合等式θm＝θel/np，其中，np是磁极对的数目。例如，在具有定子、转子和两对极(4个极)的马达中，转子相对于定子机械转动一圈等于电流方向变化两次。根据本发明的绕组可具有两个极或更大数量的极，例如4个极或更多极。符号(el)将用作电角度符号，例如60°(el)表示60电角度。

每个段由导电材料的导线的数个环(也称为匝)构成，该环可能地分组形成线圈。线圈可以理解为一组导线的基本环。例如，绕组的一个段(属于一相)可包括一个或多个线圈，且每个线圈由数个导线环构成。

每个环可被认为是具有不同空间定向的大量的导线段。所述导线段简称为环的侧边或导线。

绕组包括交叉区，在该交叉区中，连接到两个不同相的环的侧边彼此交叉。

根据另一优选的特征，所述绕组具有相对于主轴线的对称布局。根据本发明，该对称布局满足下述情况。

首先，所述绕组的根据第一平面的横截面包括一个或多个同心层，该第一平面垂直于所述主轴线且远离所述交叉区与该轴线相交，所述一个或多个同心层通过相对于所述主轴线对称分布的包含不同相的环的横截面区域而形成，每个所述横截面区域仅包含一个相的环。

其次，所述绕组的根据第二平面的横截面包括由连续的横截面区域形成的一个或多个同心层，该第二平面垂直于所述主轴线且在交叉区中与该轴线相交，每个区域包含均匀分布的两个相的环。

由于上述第一种情况的结果，不同的相相对于绕组的轴线在绕组的横截面显示为对称分布，且成360°/n角度间隔。例如，三相绕组的横截面将示出以120°隔开的大体上相同的三个区域，每个相对应一个区域。同样在交叉区中，依照上述第二种情况，相的环均匀地分布。

优选地，所有的相被同时地(而不是顺序地)绕制以形成所述对称的无芯绕组。这与导致上述缺点的现有技术相反，在现有技术中不同相的线圈被顺序地绕制。

申请人已发现：在导线的正确定位和减少的非对称性方面，波形绕组和具有至少六个侧边的环的结合是特别有利的。该结合迄今为止还没有被提及。

在制造过程中，具有至少六个侧边的导线环具有更好地控制导线位置的优点，因为导线是围绕定位在较短的距离处的针状物进行绕制。因此，减少了导线的笔直部分的长度，该导线的笔直部分是偏离环的理论形状的一个根源。

具有六个侧边(优选地六边形)的环还比传统(例如菱形的)环具有更大表面的优点。因此，每个环收集更大数量的磁通量。这意味着例如在根据本发明的转子中，每个环将输送更大的扭矩。因此，当需要高扭矩时，六边形环和波形绕组的结合是特别适合的。

根据优选的特征，绕组(用于三相系统的60°-绕组)对于每个相的两个相对段的设定具有在绕组段的中心线和磁极之间的小的角度的优点。因此，导线单个环相对于磁场的布置是更有效的，且对于给定的电流产生了更大的扭矩。

上述对称布局具有系统相的更好的电平衡的附加优点，因为所有相围绕绕组的轴线均匀分布。因此，电动势的相关分布也是对称的。对称布局的优点表现为低损耗，其在高速应用中是特别重要的。因此，特别是对于应用于高速马达的定子和/或转子，对称布局是优选的。

在优选的实施方式中，所述环包括两个轴向地延伸的有效侧边，该有效侧边可平行于或近似平行于绕组的轴线、或倾斜合适的角度。所述轴向地延伸的有效侧边延伸穿过通过圆柱形绕组的中心带或区域。因为在大多数情况下该有效侧边收集更多的磁通量(50％或更多的可用通量)且产生大部分的输出扭矩，故它们被称为有效导线。关于所述轴向地延伸侧边，环包括许多较短的连接支脚，例如六边形环将包括两个有效侧边和一对上部连接支脚和一对下部连接支脚。

优选的环形状是六边形。如上文限定的，本发明的一方面是六边形环和对于每个相具有相对段的对称绕组的结合。申请人已发现：与现有技术的布置相比，所述特征的组合减少了磁通量的损失且对于给定尺寸(直径)的绕组输送了更多的扭矩或更高的速度。

在环的有效侧边布置成平行于或近似平行于轴的实施方式中，有效侧边相对于绕组的轴线的倾斜角优选地是小的角度，更优选地所述角度不大于10°(机械角度)。

具有轴向地定向的或近似轴向地定向的有效导线的实施方式可优选地用于最大化由每个环收集的磁通量。有效侧边的倾斜减少了由每个环收集的磁通量的数量，另一方面，允许用于容纳更多环的空间。因此，尽管偏离理论上最好的实施方式，所述倾斜可提供在性能方面的全部益处，例如在由转子传递的扭矩对在环中流动的电流的强度方面。此外，环的有效侧边的倾斜使得制造过程更容易。

本发明的另一实施方式是根据所附的权利要求11的绕组。在该进一步的实施方式中，绕组包括具有至少六个侧边的环，优选六边形的形状的环，且该绕组具有上文所述的特征：两个段用于每个相(用于三相系统的60°-绕组)和对称布局。

上述优选的环的轴向的或倾斜的有效侧边的特征也是可应用的。

在该实施方式中，环可被绕制为波形绕组或叠绕组。叠绕组也称为叠瓦状绕组。叠绕组和波形绕组是技术人员已知的且已描述于文献中。

在优选的实施方式中，匝被绕制为叠绕组，且具有小于180电角度的减少的节距(也称为开口宽度)。节距是已知的特征且可限定为在环的轴向侧边之间或在数个环构成的线圈的正中环之间的角距离(以电角度测量)。

在制造过程方面，减少叠瓦状线圈的节距给出了显著的优点，因为它减少了单个环的交叉和重叠。因此，制造方法更容易且减少了导线损坏的风险。短节距也导致由每个环收集的磁通量的损失；然而此缺点通过上述积极效果被过度补偿。

更优选地，叠瓦状环的节距包括在360/(2·n)和360/n之间，其中相的数目n是2或更大的数目。更加优选地，在三相实施方式中(n＝3)，所述节距是大约100°(el)，例如在90°(el)到110°(el)之间。

在本发明的所有实施方式中，三个相可以星形(“y”形)或“δ”形的方式连接。此外，在所有的实施方式中，环可具有超过六的侧边，例如八个侧边。

本发明的绕组可用于电动机的转子和定子两者。优选的用途针对制造无刷马达的定子。

将借助于附图阐述本发明的特征和优点，该附图涉及优选的且非限制性的实施方式。

附图说明

图1是根据本发明实施方式的波形绕组的视图。

图2是图1的绕组的平面图。

图3是示出了图1的绕组的变型的平面图，其中导线环的轴向侧是倾斜的。

图4是图1的绕组的另一图解，其仅示出了三个环且还示出了两个截面。

图5和图6是根据图4中示出的两个平面的绕组的横截面。

图7和图8示出波形绕组和叠(叠瓦状)绕组的环的典型的布置。

图9是根据本发明的另一实施方式的叠绕组的视图。

图10是根据本发明的又一实施方式的叠绕组、即图9的变型的细节视图，其中，减少了环的开口节距。

图11和图12以平面视图示出了根据图10的变型的叠绕组的导线环和线圈的布置。

图13和图14是根据本发明的实施方式以及根据图9中示出的平面的叠绕组的示例性横截面。

图15是根据本发明的另一实施方式的5-相绕组的视图。

图16和图17是图15的绕组的横截面视图。

图18、图19示出了星形连接和“δ”形连接的示例。

图20、图21涉及现有技术。

具体实施方式

附图示出了本发明的各种实施方式。在附图中，字母u、v、w表示三相系统的相。字母a到f表示绕组的连接端子。

在附图中，坐标系x、y、z以及角坐标θel(theta)也用于描述绕组，如例如在图1中所示的。所述角坐标θel以电角度的方式表达。字母h表示在轴向方向z上测量的绕组的高度。如所示的z轴线可被认为是圆柱形的绕组的主轴线。

图1示出了根据本发明的第一实施方式的两极三相无芯绕组1。

绕组1是由六边形的导线环组成的波形绕组。更具体地，绕组1由六边形的环2构成。每个六边形的环2包括两个轴向定向的侧边3和两对连接支脚4，该侧边在绕组1的中央带上延伸。

侧边3的区域也被命名为绕组1的同轴部分，同时支脚4的区域可被命名为绕组的非同轴部分。

字母a1、a2、b1、b2…到f2表示绕组的端子。在图18和图19中给出了星形连接和“δ”形连接的示例。图18的符号n表示中性点。

因为绕组1具有两个极，故在此情况下机械角度和电角度一致。在下面的描述中，无论以任何方式，除非另有说明，否则对角度的提及将指代电角度。

绕组1可以包括针对每个相的一个段或两个段。在第一种情况下，每个段延伸超过120°(el)且绕组可以被称为120°三相绕组。在第二种情况下，每个相的两个段成180°(el)相对且延伸超过60°(el)；因此，绕组可以被称为60°三相绕组。所述120°或60°延伸对应于两个相之间的角距离(偏移)。更普遍地，在具有n相的多相绕组中，所述延伸或距离分别是360/n或360/(2n)。

在60°的实施方式中，三相绕组1需要12个连接，即2个连接对应每个段且因此4个连接对应每个相。所述两个段具有相反的绕组方向。

图2以平面图示出了根据坐标θel(弧度)和z的波形绕组。在图2中，六边形环2的侧边3平行于或大体上平行于z轴，而图3示出了另一实施方式，其中轴向定向的侧边3相对于z轴线倾斜角度β。

根据本发明的另一优选的特征，绕组1具有对称的布局。该特征参考图4到图6可被更好地理解。

在图4中，为了便于图形显示仅示出一些环，可以看出，当两相(例如第一相u和第二相w)的环彼此交叉时，绕组1包括交叉区5。

对称布局满足两种情况，其可以根据至少两个平面p1和p2参照绕组1的横截面而被限定。第一平面p1垂直于主轴线z且远离交叉区5(例如在环2的轴向延伸的侧边3中)截断所述z轴线。第二平面p2也垂直于主轴线z，但对应于交叉区5截断所述z轴线。虚线20是第一平面p1和绕组1之间的相交部且虚线21是绕组1与第二平面p2的相交部。如图4所示，相交线21穿过环2的交叉区5。

优选地，平面p1位于绕组的一半高度处。交叉区的位置取决于极和相的数目。在两极三相绕组中，交叉区5位于绕组的大约1/3高度和2/3高度处。因此，在这种绕组中，上述平面p2优选地位于1/3高度h或2/3高度h处。

更普遍地，具有n相和np对的极的绕组将在非同轴部分示出数个交叉区。

在本发明的对称实施方式中，平面p1和p2的横截面分别出现在图5和图6中。

在根据平面p1的横截面中(图5)，可辨认出六个全部由数字7表示的横截面区域。每个区域7包含连接到一个u相或v相或w相的导线。在示例中，区域7u和区域7’u包含u相的环，且类似地区域7v、区域7’v包含v相的环以及区域7w、区域7’w包含w相的环。如图5所示，所述区域7是大体上一致的，这些区域相对于所述z轴线对称地分布且这些区域是等间隔的。相比之下，在如图20、图21中所示的现有技术绕组中不满足这种情况。

在根据位于交叉区5中的平面p2的横截面中(图6)，可辨认出仅仅3个全部由数字8表示的区域。更具体地，每个区域8uv、8uw或8vw包含连接到两个不同相(即，u和v或u和w或v和w)的导线的均匀分布。

术语“大体上一致的区域”和“对称分布”将被解释为将制造公差考虑在内。

应注意的是：图5和图6为了简明示出一个层，但可以提供环的数个同心层。

回看图2和图3，图2示出了其中侧边3平行于z轴线的实施方式。应当注意的是：即便在“平行”的实施方式中，也可能由制造过程的公差和绕组机引起侧边3的略微倾斜(可以忽略的)。尽管导致了通过每个环2收集的磁通量中的损失，但是侧边3的更明显的倾斜(如图3所示的角度β)可以是优选的，因为将增加连接支腿4的密度且因此将容纳更多的环，以及增加针对给定电流强度的总输出扭矩。

角度β优选地不大于10机械角度。

在本发明的第二实施方式中，多相绕组具有上文描述的与具有至少六个侧边的环相结合的对称布置，以及上文描述的覆盖360/2n角度(对于三相，为60°绕组)的绕组的段的特征。

在该第二实施方式中，环可具有波形绕组或也可具有叠绕组。波形绕组和叠绕组是本领域技术人员已知的。在图7中示出了具有波形绕组的环2的典型布置，在图8中示出了具有叠绕组的环2的典型布置。如在图7中所示，波形环通常围绕绕组的轴线(z轴线)转动。

参照图9至图13，示出了根据本发明的其它实施方式的具有六边形的环的三相叠瓦状60°绕组10。

图9以类似于图4的方式且使用相同的标记示出了绕组10，图9特别地示出一些环2及其交叉区5。图10示出了优选地实施方式的细节，其中减少了环的节距。

绕组10包括每个相u、v、w的两个段。每个相的所述两个段以180°(el)相对。每个所述段包括一个线圈或多个线圈，且每个线圈包括多个的单个导线环。绕组10的结构通过图11和图12可被更好地理解。

图11以平面视图示出了的六边形导线环2的空间布置，图11针对每一个线圈仅示出一个环。图中还示出了单个环的节距p。

图12示出了绕组10的结构，其中每个段11包括例如两个线圈12且每个线圈12由多个环2组成。按照惯例，相u、相v、相w的线圈在图中以符号a、b、c表示。

在图12中，使用负号标记表示导线绕组的相反方向。实践中，每个段11可包括更高数量的线圈12。

每个相的两个段11以180°相对，如该图在u相的连接a和-a之间所示。该图还示出了连续相之间的角距离(偏移)w和叠绕组的线圈的开口p，在该示例中该角距离例如是60°且更普遍地对于n相绕组是360/(2n)。将线圈12的中心之间的距离或线圈组的中心之间的距离作为距离w。

如图12的虚线示出的，线圈12的节距(或开口宽度)p可被限定为正中环13的轴向侧边之间的距离。

根据本发明优选的特征，节距p减少到少于180°(el)，优选地大约100°(el)。如在图10中所示，较短节距的优点是相应减少环之间的交叉。

在图13和图14中示出了绕组10的根据如上文限定的平面p1和平面p2的横截面。

图13示出了形成绕组10的多个同心的线圈层。第一(最里面的)层包括区域7u、7v、7w，第二层包括区域7’u、7’v、7’w等。

图14示出了交叉区5的横截面区域8，即：区域8uv、8uw和8vw。

图15示出了在包括五个相的多相无芯绕组中本发明的示例，该多相无芯绕组可例如用于直流(dc)马达。当每个相包括两个相对的线圈时，偏移在此情况下是36°(el)。

图16示出了图15的绕组的根据位于侧边3的同轴区域中的平面的横截面(第一层)，且图17示出了根据穿过交叉区5中的一者的平面的横截面。横截面示出了如上文所述的区域7、区域8。