一种一次成型空心杯电机线圈绕制装置及方法与流程

本发明涉及一种绕线装置，尤其涉及一种一次成型空心杯电机线圈绕制装置及方法。

背景技术：

空心杯电机属于直流、永磁、伺服微特电机，采用空心杯型转子，彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗，具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性以及稳定的运行特性。同时,空心杯电机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电机相比，其重量、体积大幅减小。作为高效率的能量转换装置，空心杯电机代表了电机的发展方向之一。空心杯电机克服了铁芯电机不可逾越的技术障碍，而且其突出的特点集中在电机的主要性能方面，使其具备了广阔的应用领域。市场上现有的空心杯电机线圈绕线机由于排线精度低、排线方法不得当，导致空心杯电机线圈质量较差，而且生产周期较长，生产效率低。

发明专利空心杯电机线圈绕线机(cn201210138802)，所述的绕线机绕制的线圈较为单一，不能绕制马鞍形以及直径较大的空心杯线圈，具有较大的局限性。传统的绕线机具有结构上的局限性，主轴上安装有飞叉，每完成一次线圈绕制，需要将铜线挂在飞叉上，这样既限制了线圈的直径大小，同时只能绕制斜绕式线圈。本发明能绕制不同规格空心杯线圈的绕线机设备，其特征是该绕线机主要的运动由主轴回转和摆线左右移动以及自身回转完成绕线各分运动，这样不会限制所绕制线圈直径大小，因而可以绕制线圈直径较大的空心杯线圈以及各种形状线圈，同时自动挂线到销柱上，完成线圈各极的绕制。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种一次成型空心杯电机线圈绕制装置及方法。

本发明的目的是这样实现的：一种一次成型空心杯电机线圈绕制装置，包括由水平板和立柱组成的机架、设置在机架上端的平台、安装在机架的立柱上的主轴伺服电机和主轴、设置在主轴的一端和主轴伺服电机的电机轴之间的主轴同步带机构、设置在主轴另一端上的套筒、倒装在平台下端面上的摆线伺服电机、安装在摆线伺服电机输出轴上的摆线小带轮、安装在平台上的摆线大带轮、设置在摆线小带轮和摆线大带轮之间的摆线同步带、与摆线同步带的一侧固连的摆线模块、设置在摆线模块上端的线嘴电机和线嘴轴、设置在线嘴电机输出轴和线嘴轴之间的线嘴同步带机构、与线嘴轴下端固连的线嘴壳、设置在线嘴壳内的线嘴头，线嘴头的上端与线嘴轴的下端之间的线嘴壳中还设置有弹簧，线嘴头的下端伸出至线嘴壳外且其下端面设置有槽，线嘴壳的上端设置有凸台，凸台上安装有铜线导管，待缠绕的铜线依次经过铜线导管和槽后设置在套筒上的销柱上，所述摆线模块上还设置有直线气缸，直线气缸的输出端与线嘴轴的上端连接，摆线模块的下端面设置有滑块，且滑块安装在平台上设置的滑轨上。本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述摆线模块由方形壳、设置在方形壳一侧面上的两个水平板组成，线嘴同步带机构的两个带轮分别位于方向壳和两个水平板之间，且与线嘴轴连接的带轮是通过键与线嘴轴连接。

2.一种一次成型空心杯电机线圈绕制方法，包括所述的一种一次成型空心杯电机线圈绕制装置，摆线模块、线嘴电机、线嘴轴、线嘴壳、线嘴头构成线嘴机构，

首先给出绕制线圈主轴顺时针转过θ1rad，且θ1满足{θ1|0＜θ1≤π/2}∪{θ1|θ1＝π}；绕制线圈主轴逆时针转过θ2rad，且θ2满足{θ2|0＜θ2≤π/2}∪{θ2|θ2＝π}；摆线机构带动线嘴机构移动距离分别记为l1、l2、l3，且有：当0＜θ1≤π/2时，θ2＝θ1，l1＝l*θ1/π，l2＝l-2*l1，l3＝l1；当θ1＝π时，θ2＝0，l1＝l，l2＝0，l3＝0；

将初始极数和匝数记为0，手动挂线，则铜线具体缠绕的步骤如下：

(1)主轴伺服电机带动主轴顺时针转过θ1；同时摆线伺服电机带动线嘴机构向左移动l1；

(2)主轴保持静止不动，摆线伺服电机带动线嘴机构匀速向左移动l2；

(3)主轴伺服电机带动主轴逆时针转过θ2；同时摆线伺服电机带动线嘴机构向左移动l3；

(4)线嘴伺服电机带动线嘴机构自转πrad；

(5)主轴伺服电机带动主轴逆时针转过θ2；同时摆线伺服电机带动线嘴机构向右移动l3；

(6)主轴保持静止不动，摆线伺服电机带动线嘴机构匀速向右移动l2；

(7)主轴伺服电机带动主轴顺时针转过θ1；同时摆线伺服电机带动线嘴机构向右移动l1；

(8)此时，当前匝数自动加1，并与每一极线圈匝数n比较：小于n时，主轴伺服电机带动主轴顺时针转动ф，在此之后线嘴伺服电机带动线嘴机构自转πrad，然后重复步骤(1)～(7)；当前线圈匝数等于n时，当前极数加1；其中：ф是漆包线线径对应的电机主轴的角度；

(9)开始自动挂线，将铜线挂到套筒的销轴上，线嘴向右移动，然后主轴伺服电机带动主轴转动，线嘴机构自转πrad，向左移动，完成挂线动作；

(10)主轴伺服电机带动主轴转过角度θ，进行下一极的线圈绕制工作，重复步骤(1)～(9)，直到极数等于p，完成绕制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过三个方向的协调转动，完成特定的轨迹，实现线圈的绕制。可以通过调整绕线方法绕制斜绕式、直绕式以及马鞍形线圈，能够绕制多极空心杯线圈1、所述绕线机绕制的铜线为自粘线，由线嘴在直线气缸和内部弹簧的共同作用压到线圈套筒上，使得线圈可以按照既定的指令完成绕制任务。2、线圈套筒上开有孔槽，与主轴上的销柱配合，既可以在绕制一极线圈后完成挂线，又可以保证线圈套筒能够沿着主轴转动。3、线嘴机构中，线嘴轴可以更换，从而适应不同漆包线线径的铜线来完成绕制。

附图说明

图1a是本发明的线嘴结构图示，图1b是图1a的内部结构图。

图2是本发明方法依托的装置的结构示意图。

图3是本发明的主轴模块结构示意图。

图4是本发明的摆动机构示意图。

图5a-图5c是本发明的自动挂线过程示意图。

图6是马鞍形线圈图示。

图7是马鞍形线圈绕制流程图。

图8是斜绕式线圈图示。

图9是斜绕式线圈绕制流程图。

图10是直绕式线圈图示。

图11是直绕式线圈绕制流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的绕线设备由机架，主要运动模块以及辅助运动模块等构成了一个完整的系统。各个环节协调运作，最终实现线圈的绕制。该机构主要运动模块包括线嘴运动、主轴运动及摆动机构运动。线嘴运动模块由导引铜线5的导管4，线嘴壳7，线嘴头6，线嘴轴8，弹簧9以及直线气缸19等组成，线嘴头6底部有限制铜线自由活动的槽。主轴运动模块伺服电机15通过主轴同步带16传动同步带轮20降速到主轴1，主轴上安装有套筒2，套筒上销柱3用来挂线。摆动机构运动模块利用同步带传动带动线嘴机构进行线圈绕制，摆线伺服电机14直接输出摆线小带轮26通过同步带17带动摆线大带轮24减速，张紧轮25放松，带动摆线模块12安装在机架上平台21上，在滑轨模块22上往复移动，线嘴电机13通过线嘴同步带18传动，实现线嘴换向运动，直线气缸19的直线运动使线嘴23有一定的压力压紧线圈，保证铜线贴合与套筒上。

结合图1a至图3，本发明包括机架11，主轴部分1，摆线模块12以及安装在摆线模块上的线嘴机构组成。机架11是安装各部件的基体，主轴部分由主轴伺服电机15通过主轴同步带传动16带动主轴1按照指令回转，构成绕线的主运动，线圈套筒2固定到主轴1的芯轴上，随着主轴1一起转动。摆线模块12安装在机架上，由摆线伺服电机14通过摆线同步带17传动带动其左右移动。线嘴机构安装在摆线模块12前侧，由线嘴电机13通过同步带来完成运动。线嘴机构由导引铜线5的导管4，线嘴壳7，线嘴头6，弹簧9,销轴10以及直线气缸19等组成，线嘴头6底部有限制铜线自由活动的槽。

结合图5，铜线安装过程如下。铜线5经由铜线导管4压到线嘴头6下部的槽里，继而挂在套筒2的销柱3上。第一次安装时，需要手动将铜线拉引出来，并挂在套筒最右侧的销柱上。

结合图5-7以绕制马鞍形线圈为例，描述绕制过程。

一极绕线开始各轴插补运动，线嘴模块匀速向左移动，同时主轴1正向匀速转动。线嘴模块移动到套筒2中间部位，主轴1匀速反转，同时线嘴模块12继续向左匀速移动，移动至最左端。主轴1停转，线嘴模块自转180度，主轴1继续匀速反转，同时线嘴模块12向右匀速移动。移动至中间位置，主轴1开始匀速正转，线嘴模块继续向右移动。移动到右端结束部位，以防止布线不整齐以及重叠，主轴顺时针转过主轴顺时针转动ф，在此之后线嘴机构自转180度，，一匝铜线绕制完成。重复上述过程，绕制多匝线圈构成一极线圈，直至绕制完成整个线圈。

结合图7，当绕制完一极线圈时需要将铜线挂到套筒2的销柱3上。线嘴模块先向右移动，然后主轴1转动一定角度，线嘴模块自转180度后，向左移动，完成挂线的动作，继而进行下一极的线圈绕制工作，直到整个线圈绕制完成。

由于线圈的形状完全通过主轴转动，线嘴模块移动以及线嘴自转这三种运动协调产生，因而对于线圈的形状没有限制，并且能够自动挂线，对线圈极数没有限制。相比于传统绕线机绕制线圈单一，本发明可以绕制不同形状，以及不同线径的空心杯线圈。

先确定漆包线线径大小d0，线圈内径d，线圈长度l，电机极数p，每一极线圈匝数n，漆包线线径对应于主轴转角ф。第一次挂线需要人工将铜线拉引出来，并挂到套筒最右侧的销柱上。在完成每一极线圈绕制之后，主轴转过角度θ，进行下一极的线圈绕制工作。

设绕制线圈主轴顺时针转过θ1rad({θ1|0＜θ1≤pi/2}∪{θ1|θ1＝pi})，绕制线圈主轴顺时针转过θ2rad({θ2|0＜θ2≤pi/2}∪{θ2|θ2＝pi})，摆线机构带动线嘴机构移动距离为l1，l2，l3。当0＜θ1≤pi/2时，θ2＝θ1，l1＝l*θ1/pi，l2＝l-2*l1，l3＝l1；当θ1＝pi时，θ2＝0，l1＝l，l2＝0，l3＝0。将初始极数和匝数记为0，具体绕制方法为：

(1)主轴顺时针转过θ1；同时摆线机构带动线嘴向左移动l1

(2)主轴保持静止不动，摆线机构带动线嘴匀速向左移动l2

(3)主轴逆时针转过θ2；同时摆线机构带动线嘴向左移动l3

(4)线嘴机构自转πrad

(5)主轴逆时针转过θ2；同时摆线机构带动线嘴向右移动l3

(6)主轴保持静止不动，摆线机构带动线嘴匀速向右移动l2

(7)主轴顺时针转过θ1；同时摆线机构带动线嘴向右移动l1

(8)当前匝数自动加1，并与每一极线圈匝数n比较，小于n时，以防止布线不整齐以及重叠，主轴顺时针转过主轴顺时针转动ф，在此之后线嘴机构自转πrad，然后重复步骤(1)～(7)；当前线圈匝数等于n时，当前极数加1

(9)开始自动挂线，将铜线挂到套筒的销轴上，整个运动如图3。线嘴机构向右移动，然后主轴转过一定角度，线嘴机构自转πrad，向左移动，完成挂线动作。

(10)主轴转过角度θ，进行下一极的线圈绕制工作，重复步骤(1)～(9)，直到极数等于p，完成线圈绕制，结束程序。

下面结合图6-11，分别说明马鞍形线圈，斜绕式线圈，直绕式线圈的绕制方法：

结合图6、图7说明马鞍形线圈绕制方法。首先将初始极数和匝数记为0，开始连续的插补运动：

(1)主轴顺时针转过π/2rad,同时摆线机构带动线嘴向左移动l/2

(2)主轴逆时针转过π/2rad,同时摆线机构带动线嘴向左移动l/2

(3)线嘴机构自转πrad

(4)主轴逆时针转过π/2rad,同时摆线机构带动线嘴向右移动l/2

(5)主轴顺时针转过π/2rad,同时摆线机构带动线嘴匀速移动l/2

(6)当前匝数自动加1，并与每一极线圈匝数n比较，小于n时，以防止布线不整齐以及重叠，主轴顺时针转过主轴顺时针转动ф，在此之后线嘴机构自转πrad，然后重复步骤(1)～(5)；当前线圈匝数等于n时，当前极数加1

(7)开始自动挂线，将铜线挂到套筒的销轴上，整个运动如图3。线嘴机构向右移动，然后主轴转过一定角度，线嘴机构自转πrad，向左移动，完成挂线动作。

(8)主轴转过角度θ1，进行下一极的线圈绕制工作，重复步骤(1)～(7)，直到极数等于p，完成线圈绕制，结束程序。

结合图8、图9说明斜绕式线圈绕制方法。首先将初始极数和匝数记为0，开始连续的插补运动：

(1)主轴顺时针转过πrad,同时摆线机构带动线嘴向左移动l

(2)线嘴机构自转πrad

(3)主轴顺时针转过πrad,同时摆线机构带动线嘴向右移动l

(4)当前匝数自动加1，并与每一极线圈匝数n比较，小于n时，以防止布线不整齐以及重叠，主轴顺时针转过主轴顺时针转动ф，在此之后线嘴机构自转πrad，然后重复步骤(1)～(3)；当前线圈匝数等于n时，当前极数加1

(5)开始自动挂线，将铜线挂到套筒的销轴上，整个运动如图3。线嘴机构向右移动，然后主轴转过一定角度，线嘴机构自转πrad，向左移动，完成挂线动作。

(6)主轴转过角度θ1，进行下一极的线圈绕制工作，重复步骤(1)～(5)，直到极数等于p，完成线圈绕制，结束程序。

结合图10、图11说明直绕式线圈绕制方法。首先将初始极数和匝数记为0，开始连续的插补运动：

(1)主轴顺时针转过θrad；同时摆线机构带动线嘴向左移动l*θ/π

(2)主轴保持静止不动，摆线机构带动线嘴匀速向左移动(π-2*θ*l/π

(3)主轴逆时针转过θrad；同时摆线机构带动线嘴向左移动l*θ/π

(4)线嘴机构自转πrad

(5)主轴逆时针转过θrad；同时摆线机构带动线嘴向右移动l*θ/π

(6)主轴保持静止不动，摆线机构带动线嘴匀速向右移动(π-2*θ*l/π

(7)主轴顺时针转过θrad；同时摆线机构带动线嘴向右移动l*θ/π

(8)当前匝数自动加1，并与每一极线圈匝数n比较，小于n时，以防止布线不整齐以及重叠，主轴顺时针转过主轴顺时针转动ф，在此之后线嘴机构自转πrad，然后重复步骤(1)～(7)；当前线圈匝数等于n时，当前极数加1

(9)开始自动挂线，将铜线挂到套筒的销轴上，整个运动如图3。线嘴机构向右移动，然后主轴转过一定角度，线嘴机构自转πrad，向左移动，完成挂线动作。

(10)主轴转过角度θ1，进行下一极的线圈绕制工作，重复步骤(1)～(9)，直到极数等于p，完成线圈绕制，结束程序。

也可以说本发明的绕线方法是依托以下机构来实现其绕线功能的：该机构包括机架，主轴机构，摆线机构以及安装在摆线机构上的线嘴机构组成。机架是安装各部件的基体，主轴机构由伺服电机通过同步带传动主轴按照指令回转，构成绕线的主运动。线嘴机构安装在摆线模块上，由伺服电机带动其左右移动，构成绕线的主要从运动。线嘴机构由导引铜线的导管，线嘴壳，线嘴头以及弹簧等组成，线嘴头底部有限制铜线自由活动的槽。线嘴机构也是由安装在摆线机构上的伺服电机由同步带传动带动其沿着自身回转。

绕制过程如下：第一次安装时，需要手动将铜线拉引出来，并挂在套筒最右侧的销柱上。线嘴机构下移，线嘴机构内部的弹簧可保证线嘴压在套筒上，并且压力不会太大，保证有合适的压力，不会压坏套筒和线圈。继而主轴转动，线嘴机构左右摆动，完成一匝线圈的绕制。在线嘴机构移动到线嘴末端时，线嘴机构自身回转180度，保证铜线在运动过程中一直被压在线嘴槽中。在完成一匝线圈绕制之后，线嘴机构保持静止，主轴转过一定角度，完成分度运动，避免线圈的漆包线重叠。每一极线圈绕制完成后，线嘴机构将铜线挂到套筒的销柱上，完成自动挂线工序继而切换到下一极的绕线运动中，然后完成下一级线圈的绕制。

综上，本发明涉及一种一次成型空心杯电机线圈绕制方法，通过主轴、摆线和线嘴三个方向的协调运动，完成特定的轨迹，实现线圈的绕制。所绕制的铜线为热熔自粘线，加热到一定温度后，有一定的黏性，配合线嘴的一定压力下，可以按照既定规则粘到套筒上。套筒随主轴芯轴的转动，摆线模块带动线嘴架左右摆动，线嘴自身转动，三个方向的协调作用完成一匝线圈的绕制。绕线成型方法包括以下特征：将线圈套筒固定到主轴的芯轴上，跟随主轴转动，是线圈绕制的主运动。线嘴机构由导引铜线的导管，线嘴壳，线嘴头以及弹簧等组成，在线嘴头的底部有限制铜线自由活动的槽。绕制过程如下：线圈绕制前，需要手动将铜线拉引出来，经过线嘴底部的槽，挂在套筒最右侧的销柱上。线嘴机构下移，线嘴机构内部的弹簧可保证线嘴在一定的压力下压在套筒上。继而主轴转动，线嘴机构左右摆动，完成一匝线圈的绕制。在线嘴机构移动到线嘴末端时，线嘴机构自身回转180度，保证铜线在运动过程中，始终被压在线嘴槽内，绕在套筒上的铜线不会被线嘴拉回。为了满足实际应用，在每匝绕制完成之后，需要主轴转动漆包线线径对应的主轴的角度ф，完成分度运动。在完成一极线圈绕制后，线嘴机构将铜线挂到套筒的销柱上，完成自动挂线工序后立即切换到下一极的运动中，继而完成下一极线圈的绕制，直至完成整个线圈的绕制。

本发明的主要的运动由主轴回转和线嘴机构左右移动以及自身回转完成绕线各分运动，绕制完一极线圈后，自动挂线到套筒的销柱上，继续完成下一极线圈的绕制，直到整个线圈绕制完成。因此该方法不限定线圈直径大小，以及绕制线圈的形状，完成各种线圈绕制只需切换程序或者更换线嘴大小来实现，因此扩展了绕制范围，提高了效率。

本发明所提供的绕线机主要的运动由主轴回转和线嘴左右移动以及自身回转完成绕线各分运动，绕制完一极线圈后，自动挂线到套筒的销柱上，继续完成下一极线圈的绕制，直到整个线圈绕制完成。同时能够通过改变线嘴大小，来绕制不同线径，不同线圈直径的空心杯电机线圈。线嘴机构由导引铜线的导管，线嘴壳，线嘴头，线嘴头底部有限制铜线自由活动的槽。通过三个方向的运动实现线圈的绕制，套筒随主轴芯轴的转动，线嘴架左右摆动，线嘴自身转动。三个方向的协调作用完成一匝线圈的绕制。

本发明可以通过切换程序来绕制不同形状的线圈，既可以完成斜绕式、直绕式，也可以完成马鞍形线圈的绕制，对线圈绕制形式没有限制。伺服电机通过同步带带动线嘴机构自转，线嘴机构内部的弹簧可保证线嘴压在套筒上，并且压力不会太大，保证有合适的压力，不会压坏套筒和线圈，保证铜线在线嘴移动过程中，始终压在套筒上，同时在自转180度时，保证绕在套筒上的铜线不会被线嘴拉回。