CN101515741A - 一种电机转子的线圈缠绕方法 - Google Patents

Abstract

一种电机转子绕组的线圈缠绕方法，包括：所述转子线圈绕组的有效边与相邻的同一线圈绕组的有效边通过所述线圈绕组的连接边折返缠绕，且所述转子线圈绕组有效边的边线与相邻的同一线圈绕组有效边的边线之间的距离为一个节距。如果制成三相电机，该三相电机转子线圈绕组需具有三组相同规格的分线圈绕组，每组分线圈绕组也可采用上述的缠绕方法进行绕制，且三组分线圈绕组各自所包含的一条有效边均匀分布在一个节距内。由此，本发明所采用的波型缠绕绕组，在发电机、电动机的制作过程中，减少了繁琐的绕组下线制作工艺，减少了铜的消耗，减低了成本，并且，在同步发电机和电动机中可单独用绕组制作转子，减少了转子铁芯所需硅钢片的耗材。

Description

一种电机转子的线圈缠绕方法

技术领域

本发明涉及一种电机(包括发电机和电动机)，尤其涉及一种电机转子的线圈缠绕方法。

背景技术

电机是通过电磁感应原理来实现能量转换的装置。电在电机中是以“路”的形式存在，即由电机内的线圈、绕组构成电机的电路；磁在电机中是以“场”的形式存在的。在发电机和电动机转子和定子中所发生的一切电磁过程都与电机绕组有关，电机绕组是交流、直流电机中关键的电磁部件。

线圈是组成电机绕组的基本单元，不同的电机有不同的绕组形式，除去像直流电机励磁绕组等集中式绕组和笼式转子等整体结构的绕组以外，通常由一根或多根绝缘电线，按一定的匝数和形状在线圈绕线模子(槽)中绕制并绑扎而成。

线圈嵌入铁芯槽中的直线部分称为有效边L_有效，有效边L_有效是电磁能量转换的部分，而两端部伸出铁芯槽外的线圈部分不能直接转换能量，仅仅起一个连接相邻两条有效边的桥梁作用的无效边L_连接，与线圈有效边L_有效一起形成绕组线圈闭合回路的部分。因此，有效边L_有效所占整个线圈的比例，决定了线圈的有效利用率η。

电机的线圈绕组是根据电机型号与额定功率、电压、电流等规格设计决定。额定功率的大小决定了所需线圈绕组有效边L_有效的圈经，额定功率小的电机，电流小，圈经就小，额定功率大的电机，电流大，圈经就大；对于电机绕组来说，特别是对于多匝数、多股型电机绕组，起桥梁作用的无效边L_连接就越长，圈经就越粗，这样，不仅浪费了原材料，还增加了发电机和电动机转子、定子的体积(极槽的空间利用率低)。

众所周知，欲使电机正常工作，必须遵循一定的绕组排列原则，普通电机的排列原则如下：

1)一个磁极内所有导体的电流方向必须一致；

2)相邻两个磁极内所有导体的电流方向必须相反；

3)若为双层绕组，以上层绕组为准，或以下层绕组为准。

请参阅图1A，图1A所示为现有技术中转子绕组的线圈绕法示意图。对于目前应用最为广泛的线圈，从视觉的径向角度来看，电机绕组与激磁磁极在发电机和电动机转子、定子的轴向和径向上都采用封闭式绕组(闭环式绕组)。我们假设该转子绕组是在额定功率大的电机中使用，为了保证较大的线圈绕组圈经，一种方式可以用较大线径的导线绕制，但如果导线线径过大(一般在1.6mm)，则会因线粗而难绕难嵌，另一种方式还可以采用线径较小的导线并绕代替；但不论上述哪种方法，均存在以下缺点：

首先，对于多匝数、多股型电机绕组，起桥梁作用的无效边L_连接太长，线圈的有效利用率η低，增加了铜的消耗，浪费了原材料。

其次，增加了发电机和电动机转子的体积及重量。

再者，为了满足线圈端部长度的一致性、均匀平整，以及电气和机械的平衡性，现有导线绕制技术对绕制工艺要求较高，绕组制作工艺的繁琐，容易造成组装的困扰。

因此，如何发展出一种可改善现有技术缺陷的电机转子线圈的缠绕方法，实为目前迫切需要解决的课题。

发明内容

鉴于上述技术的不足，本发明的目的在于，提供一种在所述发电机和电动机转子上以波形(蛇形)缠绕线圈的方法。该缠绕线圈的方法对于同步发电机和同步电动机都能适用。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

一种电机转子的线圈缠绕方法，包括：所述转子线圈绕组的有效边与相邻的同一线圈绕组的有效边通过所述线圈绕组的连接边折返缠绕，且所述转子线圈绕组有效边的边线与相邻的同一线圈绕组有效边的边线之间的距离为一个节距。

根据所述电机转子的线圈缠绕方法，其中，所述的线圈绕组为多匝数、多股型绕组。

根据所述电机转子的线圈缠绕方法，其中，所述电机转子铁芯包括多个线圈嵌放槽，线圈绕组中的各股线圈均匀嵌放在相邻的几个线圈嵌放槽中。

根据所述电机转子的线圈缠绕方法，其中，所述的线圈绕组由高坡膜合金绝缘导线制成。

本发明还提供一种电机转子的线圈缠绕方法，所述转子线圈绕组包括三组相同规格的分线圈绕组，每组分线圈绕组也可采用上述的缠绕方法进行绕制，且三组分线圈绕组各自所包含的一条有效边依次分布在一个节距内。

根据所述电机转子的线圈缠绕方法，其中，所述的线圈绕组为多匝数、多股型绕组。

根据所述电机转子的线圈缠绕方法，其中，所述电机转子铁芯包括多个线圈嵌放槽，每个线圈绕组均匀嵌放在相邻的几个线圈嵌放槽中。

根据所述电机转子的线圈缠绕方法，其中，所述的线圈绕组由高坡膜合金绝缘导线制成。

从上述技术方案可以看出，本发明在电机的转子、定子的径向层面上是开放式绕组(开环式绕组)，但从电机转子、定子的轴向层面看进去，本发明的波形绕组仍然还是一个大的封闭式线圈绕组。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

首先，由于本发明有效减少了在电机的转子、定子绕组线圈起桥梁作用的无效边L_连接的长度，特别是对于多匝数、多股型电机绕组，提高了线圈的有效利用率η，减少了铜的消耗，降低了成本。

其次，减少了发电机和电动机转子的体积及重量。

再者，本波型绕组在发电机、电动机的制作过程中，减少了繁琐的绕组制作工艺。

并且，在电磁的原理上简化电机绕组的计算过程。

附图说明

图1A为现有技术中转子绕组的线圈绕法示意图；

图1B为本发明实施例转子绕组的线圈绕法示意图；

图2A为本发明实施例电机波形绕组在N极S极下之间沿F拖动方向转动，切割磁力线的示意图；

图2B为AX线圈绕组沿拖动力F方向运动所产生的正弦交变电动势及正弦交变电流的波形图；

图3A为本发明实施例同步交流二极三相单股式波绕组分槽布线图；

图3B为采用本发明实施例同步交流二极三相三股式波绕组布线图；

图4A为本发明实施例的同步高频、高压、大功率发电机定子和转子结构俯视图；

图4B为本发明实施例的同步高频、高压、大功率发电机定子和转子结构俯视图；

图5A为采用本发明绕制方法制成的直线电机结构示意图；

图5B为图5A所示直线电机的局部结构示意图；

图6A为采用本发明绕制方法制成的航空发动机转子绕组结构剖面图；

图6B为采用本发明绕制方法制成的航空发动机转子绕组结构俯视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的电机定子的绕组结构进行详细说明。

本发明电机绕组依旧为由多个线圈或线圈组组成的多匝数、多股型电机绕组，转子的展开侧面呈波形或蛇形(如图2B所示)。与图1A所示的线圈缠绕方式不同的是，从视觉的角度上看，本发明电机波形绕组的线圈缠绕方法在电机的转子、定子的径向层面上可以认为是开放式绕组(开环式绕组)；然而，从电机转子、定子的轴向层面看进去，本发明的波形绕组还是一个大的封闭式线圈绕组。

具体地说，本发明线圈绕组的缠绕方式为：导体线圈在缠绕时，所述转子线圈绕组的有效边L_有效与相邻的同一线圈绕组的有效边L_有效通过所述线圈绕组的连接边L_连接折返缠绕，且所述转子线圈绕组有效边L_有效的边线与相邻的同一线圈绕组有效边L_有效的边线之间的距离为一个节距。

请参阅图2A，图2A为本发明实施例波形电机绕组在N极和S极之间沿F拖动方向转动，切割磁力线的示意图。如图所示，AX线圈绕组是W匝的多匝数、多股型线圈绕组，如果AX线圈绕组的有效边垂直切割磁力线，根据法拉弟电磁感应定律绕组首尾AX端电势e为：

$e=-\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}$

如图2A所示，AX线圈绕组的每股有效长度L_有效从a点运动到b点，绕组AX端所形成的正弦交流电动势正半周最大有效值为：

e＝-E_MAX

根据法拉弟电磁感应定律的特殊形式：

$e=\mathrm{BL}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=B\×L\×V$

可以得到波形(蛇形)绕组有效段L_有效的电动势为：

其中：e为绕组线圈内的感应电势，单位为伏

B为磁场的磁感应强度，单位为特斯拉，1特斯拉为10⁴高斯

L_有效为线圈绕组的有效长度，单位为米

dx为a点到b点的距离，即极距τ

dt＝ωt

V为线圈绕组有效长度L_有效在交变磁场中的运动速度，单位为米/秒

如图2A所示，dx就是绕组切割磁力线有效长度L在0°～90°之间的运动距离，波形(蛇形)绕组AX内每股中有W匝线，绕组AX导体内感应电势应为：

e＝B×L_有效×W×Z×V

其中，B为磁场的磁感应强度，单位为特斯拉

Z为股数(即电机的槽数)

再请参阅图2B，图2B为AX线圈绕组沿拖动力F方向运动所产生的正弦交变电动势及正弦交变电流i的波形图。AX线圈绕组每运动两个极距τ的距离(如图2A所示)，就产生一个交流周波电动势，即从N极运动到S极(a点到b点)，线圈绕组感生出一个周波的感生电动势；线圈绕组AX中的正弦电流的频率f为：

f＝Z×P×n

其中：Z为绕组股数(电机槽数)

P为极对数

n为每秒旋转圈数

如果波形(蛇形)绕组运用在同步发电机中，绕组中的反拖动力矩f用比-萨电磁定律求出：

F＝B×i×L_有效

其中：B为磁场的磁感应强度，单位为特斯拉，1特斯拉为10⁴高斯

i为线圈绕组流过的总电流

L_有效为导体的总有效长度，单位为米

F为电磁力，单位为牛顿

请参阅图3A，图3A为采用本发明实施例同步交流二极三相单股式波绕组分槽布线图。如图所示，所述转子线圈绕组包括三组相同规格的线圈分绕组，每组分线圈绕组采用图2B所述的缠绕方法进行绕制，且三组分线圈绕组各自所包含的一条有效边依次分布在一个节距内。

所述的线圈绕组可以为多匝数、多股型绕组，所述电机转子铁芯包括多个线圈嵌放槽，线圈绕组中的各股线圈均匀嵌放在相邻的几个线圈嵌放槽中。请参阅图3B，图3B为采用本发明实施例同步交流二极三相三股式波绕组布线图。

从图3A和图3B中可以看出，本发明实施例所示的波形绕组在制作同步电机中能节省大量的铜材消耗，并且，加工绕组时走线工艺简单，省去了以往封闭式绕组繁锁的下线工艺，减低了制作成本。需要说明的是，以上两槽线分布图只限于同步发动机或同步电动机布槽线，不适合异步电动机。

在下述的几个实施例中，在同步发电机和电动机中绕组可直接替代转子，例如，所述的线圈绕组由高坡膜合金绝缘导线制成，省去了由硅钢片叠压的转子铁芯，减少了转子硅钢片的耗材及简化制作工艺。

实施例一

请参阅图4A和图4B，图4A为本发明实施例的同步高频、高压、大功率发电机定子和转子结构俯视图；图4B为本发明实施例的同步高频、高压、大功率发电机定子和转子结构俯视图。

如图所示，同步交流发电机由固定的两个定子(外定子2和内定子3)和可旋转的转子1两大部分组成，转子1中的线圈绕组的标号为4。用于励磁的定子具有的励磁磁极数，可以根据实际需要确定，在本实施例中，用于励磁的定子具有12极励磁磁极。该发电机的变频、变压输出全由原拖动机的转速调节确定。此外，该同步发电机的转子1可用截面为圆形、长方形或方形等的波形绕组单独制作，省去了转子铁芯所需硅钢片的耗材，并且，该同步发电机的转子1可以不用铜材制作，而是用工程纯铁或高导磁率的硅钢高坡膜合金等高μ导磁的金属铁材料制成。

实施例二

请参阅图5A和图5B，图5A为采用本发明绕制方法制成的直线电机转子绕组结构示意图；图5B为直线电机转子绕组的局部结构示意图。

如图所示，该直线电机励磁磁极为线型结构，波绕组是竖直型垂直切割励磁磁极的磁力线。图中F为运动方向，当然，也可逆向运动。图5A中标号所示的5为该直线电机的绕组，该直线电机的绕组可用截面为片状的波形绕组单独制作，此绕组也可用工程纯铁或高导磁铁磁材料制成，并且，此直流电机也可作为发电机使用。

实施例三

请参阅图6A和图6B，图6A为采用本发明绕制方法制成的航空发动机转子绕组结构剖面示意图；图6B为采用本发明绕制方法制成的航空发动机转子绕组结构俯视图。该航空发动机的励磁磁极用汝铁硼高剩磁高骄顽力永磁铁，该航空发动机转子的绕组也可用截面为圆形、长方形、片状或方形等波形绕组单独制作，此绕组也可用高坡膜合金绝缘导线制成。

此外，为了更大限度地提高发动机的功率，该航空发动机定子的励磁磁极为盘型结构，该盘型结构能根据需要一盘一盘地叠加励磁磁极和波形绕组盘增加功率，如图6A和图6B中的标号6和7所示，该发动机共有9盘波形绕组盘和10盘励磁磁极盘。根据图6B的结构，该大功率输出、高转速的发动机可根据电源输入的电流频率可以线性调节转速。

如图6B标号D表示盘型发动机做功有效圆直径，假设，盘型圆周的直径D设置为200M，则可制成航天发射器，若有效圆径周长L为：

L＝π×D＝3.1415×200＝628.3M

设发动机转速为n＝25转/秒，那么发射器有效圆周线速度V的理论值可以得到为：

V＝628.3×25转/秒

＝15707.5M

＝15.7公里/秒

从上述三个实施例可以看出，本波型绕组可制成大功率、大输出扭矩、高频率(可变频、可变压)型同步发电机；可制成超大功率、超大输出力矩、超高压、超高转速直线电机；也可制成超大输出力矩、超大功率、超高转速直线电机或往复式直线电机。

由此，本发明所采用的波型缠绕绕组，在发电机、电动机的制作过程中，减少了繁琐的绕组下线制作工艺，减少了铜的消耗，降低了成本，并且，在同步发电机和电动机中可单独用绕组制作转子，减少了转子铁芯所需硅钢片的耗材。

需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (8)

1、一种电机转子的线圈缠绕方法，其特征在于，包括：所述转子线圈绕组的有效边与相邻的同一线圈绕组的有效边通过所述线圈绕组的连接边折返缠绕，且所述转子线圈绕组有效边的中心线与相邻的同一线圈绕组有效边的中心线之间的距离为一个节距。

2、根据权利要求1所述电机转子的线圈缠绕方法，其特征在于，所述的线圈绕组为多匝数、多股型绕组。

3、根据权利要求2所述电机转子的线圈缠绕方法，其特征在于，所述电机转子铁芯包括多个线圈嵌放槽，线圈绕组中的各股线圈均匀嵌放在相邻的几个线圈嵌放槽中。

4、根据权利要求1所述电机转子的线圈缠绕方法，其特征在于，所述的线圈绕组由高坡膜合金绝缘导线制成。

5、一种电机转子的线圈缠绕方法，其特征在于，所述转子线圈绕组包括三组相同规格的分线圈绕组，每组分线圈绕组采用权利要求1所述的线圈缠绕方法进行绕制，且三组分线圈绕组各自所包含的一条有效边依次分布在一个节距内。

6、根据权利要求5所述电机转子的线圈缠绕方法，其特征在于，所述的线圈绕组为多匝数、多股型绕组。

7、根据权利要求6所述电机转子的线圈缠绕方法，其特征在于，所述电机转子铁芯包括多个线圈嵌放槽，每个线圈绕组均匀嵌放在相邻的几个线圈嵌放槽中。

8、根据权利要求5所述电机转子的线圈缠绕方法，其特征在于，所述的线圈绕组由高坡膜合金绝缘导线制成。

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