CN106787333A - 线圈结构及无刷马达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种线圈结构及无刷马达，线圈结构包括一第一层线圈以及一第二层线圈。第一层线圈具有多圈依序相接的第一绕线而呈空心杯状，其中，多个所述第一绕线在空心杯面上斜向延伸绕圈，各多个所述第一绕线在完整的一圈内具有至少一转折。第二层线圈具有多圈依序相接的第二绕线在第一层线圈上，其中，多个所述第二绕线在第一绕在线斜向延伸绕圈，各多个所述第二绕线在完整的一圈内具有至少一转折。本发明的线圈机构，因线圈结构具有多层线圈，多层线圈能靠拢排列在一起。相较于单层线圈，线圈结构整体变得较为厚实，能承受较大的外力冲击并且各层线圈的变形也较小。

Description

线圈结构及无刷马达

技术领域

本发明涉及一种马达及线圈结构，尤其涉及一种无刷马达及其线圈结构。

背景技术

马达是常用的致动组件，其依供电方式可分为交流马达以及直流马达，一般直流马达又可分为有刷马达与无刷马达。

一般直流有刷马达包含定子、转子与电刷，电刷通常是碳刷安装在定子的固定位置上，定子具有永久磁铁，转子具有电枢以及换向接点，电枢是由绕组与铁心所构成，绕组连接到接点，当定子上的电刷与转子上的接点接触时，电流能流经绕组而产生转矩。

一般直流无刷马达与前述直流有刷马达相比，结构上同样具有转子与定子，但其没有电刷，而且永久磁铁是设在转子上，绕组是在定子上。定子上的绕线线圈可分为兩种型式，第一种型式为单一线圈(single hollow coil)，由多个单一线圈包覆绝缘件组合而成；另一种型式为空心杯线圈(hollow cupcoil)，其利用铜线绕成中空圆柱狀，空心杯线圈不会包覆与缠绕任何绝缘件。

然而，直流有刷马达的电枢与电刷会因彼此接触而磨耗，而且，电刷作为电流变换器，为保使用效能，必须定期清理在其上面的污物，故直流有刷马达的应用有所限制。另外，虽然直流无刷马达没有前述的接触而磨耗的缺点，但因定子的空心杯线圈为薄壳体，其结构强度较弱，因此，当马达运转时空心杯线圈变形将造成转子所受磁力不均，马达性能因而较差。

发明内容

本发明的一个目的为提供一种具结构强度较强的线圈结构以及具有此线圈结构的无刷马达。

本发明的一个目的为提供一种较不占体积却仍有较佳性能的线圈结构以及具有此线圈结构的无刷马达。

一种线圈结构适用于一无刷马达，其包括一第一层线圈以及一第二层线圈。第一层线圈具有多圈依序相接的第一绕线而呈空心杯状，其中第一绕线在空心杯面上斜向延伸绕圈，各第一绕线在完整的一圈内具有至少一转折。第二层线圈具有多圈依序相接的第二绕线在第一层线圈上，其中，第二绕线在第一绕在线斜向延伸绕圈，各第二绕线在完整的一圈内具有至少一转折。

一种线圈模块适用于一无刷马达，其包括一线圈结构以及一导线结构。线圈结构包括一第一层线圈以及一第二层线圈。第一层线圈具有多圈依序相接的第一绕线而呈空心杯状，其中第一绕线在空心杯面上斜向延伸绕圈，各第一绕线在完整的一圈内具有至少一转折。第二层线圈具有多圈依序相接的第二绕线在第一层线圈上，其中，第二绕线在第一绕在线斜向延伸绕圈，各第二绕线在完整的一圈内具有至少一转折。导线结构包括一电路板以及多个导电端子，导电端子设置于电路板上并分别连接部分的第一绕线以及部分的第二绕线。

一种无刷马达包括一线圈结构以及一马达转子。线圈结构包括一第一层线圈以及一第二层线圈。第一层线圈具有多圈依序相接的第一绕线而呈空心杯状，其中第一绕线在空心杯面上斜向延伸绕圈，各第一绕线在完整的一圈内具有至少一转折。第二层线圈具有多圈依序相接的第二绕线在第一层线圈上，其中，第二绕线在第一绕在线斜向延伸绕圈，各第二绕线在完整的一圈内具有至少一转折。第一线圈与第二线圈环绕马达转子。

在实施例中，第一绕线与第二绕线彼此靠拢排列。

在实施例中，第一绕线与第二绕线在转折之处的夹角角度相同。

在实施例中，在完整的一圈内，第一绕线与第二绕线的转折的数量相同。

在实施例中，第一绕线分别与位置上对应的第二绕线沿相同方向斜向延伸。

在实施例中，最尾端的第一绕线与最头端的第二绕线彼此连接。

在实施例中，第一层线圈还包括N组第一出线对，第一出线对各具有两出线端，第一线圈电性上分成N段第一绕组，各段第一绕组的两端对应地连接第一出线对的两出线端。第二层线圈还包括N组第二出线对，第二出线对各具有两出线端，第二线圈电性上分成N段第二绕组，各段第二绕组的两端对应地连接第二出线对的两出线端。其中，N等于无刷马达的驱动相位数，例如以三相驱动来说，N为3。

在实施例中，在完整的一圈内，第一绕线或第二绕线的转折的数量为无刷马达的极数的一半。

综上所述，因线圈结构具有多层线圈，多层线圈能靠拢排列在一起。相较于单层线圈，线圈结构整体变得较为厚实，能承受较大的外力冲击并且各层线圈的变形也较小。另一方面，多层线圈较单层线圈能产生更强的磁力矩，但所需扩增的空间相较于现有单层结构却没有增加很多，因此，多层线圈结构兼具性能强化及节省空间效果。

再者，线圈结构可用在三相驱动的马达，三相对应的绕组线段长度接近，线圈结构也不容易有迭线问题，因此，以此驱动的马达的操作精密度高。

附图说明

图1A为一实施例的一线圈结构的立体示意图。

图1B为图1A的线圈结构的一展开图。

图1C为图1A的线圈结构的一相位配置图。

图2A为一实施例的一线圈结构的立体示意图。

图2B为图2A的线圈结构的一展开图。

图2C为图2A的线圈结构的一相位配置图。

图3A为一实施例的一线圈模块的一分解图。

图3B为图3A的线圈模块的一立体图。

图3C与图3D为图3A的线圈模块经包覆成型后的一立体图。

图3E为图3C的线圈模块的一侧视图。

图4A为图3A的线圈模块的导电端子的一立体放大图。

图4B为图4A的导电端子的一主视图。

图4C至图4F为图4A的导电端子的变化方式的主视图。

图5是一实施例的一马达的立体示意图。

【符号说明】

1：线圈结构

11：第一层线圈

111：第一绕线

112、113：转折

114：出线对

12：第二层线圈

121：第二绕线

122、123：转折

124：出线对

2：线圈模块

21：电路板

22：导电端子

221：闸口槽

222：主体

223：折脚

224：折脚

225：折脚

226：插脚

23：绝缘套件

24：定子铁心

25：结构胶或塑料

3：无刷马达

31：上盖

32：转子

33：下盖

L₁～L_n：第1圈～第n圈绕线

Z：轴向

r：径向

U1+、U1-、V1+、V1-、W1+、W1-：第一绕组的出线端

U2+、U2-、V2+、V2-、W2+、W2-：第二绕组的出线端

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明依本发明较佳实施例的线圈结构、线圈模块及马达，其中相同的组件将以相同的参照符号加以说明。

图1A为一实施例的一线圈结构1的立体示意图。图1B为图1A的线圈结构1的一展开图。图1C为图1A的线圈结构1的一相位配置图。

如图1A与图1B所示，线圈结构1包括一第一层线圈11以及一第二层线圈12。第一层线圈11具有多圈依序相接的第一绕线111而呈空心杯状，第一绕线111在空心杯面上斜向延伸绕圈。第二层线圈12一端连接第一层线圈11的一端，并具有多圈依序相接的第二绕线121在第一层线圈11上，且第二绕线121在第一绕线111上斜向延伸绕圈。在本实施例中，第二绕线121在第一绕线111外侧上斜向延伸绕圈。

空心杯大致是空心柱状，中心轴标示为轴向Z，若从轴向Z上方朝线圈结构1俯视径向r所在平面，线圈结构1的绕线在所绕的一圈之中(图示是沿逆时针方向)，绕线在其延伸的路径上没有朝径向r延伸，而是朝切线方向延伸。也就是说，绕线是朝切线与轴向Z的结合方相延伸。

第一绕线111在完整的一圈内具有至少一转折112，第二绕线121在完整的一圈内具有至少一转折122，转折处位于空心杯设定的最高或最低处，转折可说是绕线在轴向Z的分量上反向沿伸。完整的一圈可说是绕线从出发点开始沿伸，绕一圈回到出发点旁。在本实施例中，第一绕线111在其完整的一圈内具有一个转折112，第二绕线121在其完整的一圈内具有一个转折122。

若从图1A将第一层线圈11沿正交于轴向Z的切线方向摊开，摊开的结果如图1B所示。第一绕线111有N圈，各圈绕线分别依序标示为L₁～L_N，绕线L₁～L_N依序排列，即第i圈绕线的尾端连接第i+1圈绕线的头端，0＜i＜N，其中i为自然数。第二绕线121与第一绕线111相同或类似，其也有N圈，不同圈绕线L₁～L_N依序排列，第i圈绕线的尾端连接第i+1圈绕线的头端，0＜i＜N，其中i为自然数。

第一层线圈11可以用法宇哈巴式绕线(FaulHaber winding)来制作而成为空心杯线圈结构。空心杯线圈外观呈斜向走线，并由多个分布在线圈圆柱外表面上的三角形组合而成，在本实施例中，第一层线圈11线圈在空心杯面上构成的纹路呈现三个三角形。绕完第一层线圈11后线不截断而继续绕第二层线圈12，也就是说，制作时最尾端的第一绕线与最头端的第二绕线彼此连接。第二层线圈12也可以用法宇哈巴式绕线来制作而成为内侧套有第一层线圈11的空心杯线圈，这二层线圈用相同绕法来制作。因此，第二层线圈12与第一层线圈11大致类似，第二层空心杯线圈外观也是呈斜向走线，并由多个分布在线圈圆柱外表面上的三角形组合而成。在本实施例中，第二层线圈12在空心杯面上构成的纹路也是呈现三个三角形。

一层绕在线的三角形数量与转折数量有关，其关系可表示为：三角形数量＝转折数量x2+1。

在完整的一圈内，第一绕线111的转折的数量为无刷马达的极数的一半，或是说转折的数量等于无刷马达的磁极的对数。在本实施例中，各第一绕线111在其完整的一圈内具有一转折112，即转折的数量为1，适用的无刷马达则应具有一对磁极(也就是说，2个磁极)。

同样的，在完整的一圈内，第二绕线121的转折的数量为无刷马达的极数的一半，也可说转折的数量等于无刷马达的磁极的对数。在本实施例中，各第二绕线121在其完整的一圈内具有一转折122，即转折的数量为1。

在相同方位角不同层的同圈绕线，两层上位置彼此对应的第一绕线111与第二绕线121沿相同方向斜向延伸并在相同处转折。第一绕线111与第二绕线121彼此靠拢排列。第一绕线111与第二绕线121在分别在其对应转折112、122之处的夹角角度相同。在完整的一圈内，第一绕线111与第二绕线121的转折112、122的数量相同。

如图1C所示，线圈可因应马达相位数所需而分成多段绕组，并因应设有多个出线对。例如，第一层线圈11还包括N组第一出线对114，第一出线114对各具有两出线端，第一层线圈11电性上分成N段第一绕组，各段第一绕组的两端对应地连接第一出线对的两出线端。第二层线圈12还包括N组第二出线对124，第二出线对124各具有两出线端，第二线圈电性上分成N段第二绕组，各段第二绕组的两端对应地连接第二出线对124的两出线端。其中，N等于无刷马达的驱动相位数，例如以三相驱动来说，N为3，三组第一出线对114的出线端分别标为(U1+、U1-)、(V1+、V1-)与(W1+、W1-)，三组第二出线对124的出线端分别标为(U2+、U2-)、(V2+、V2-)与(W2+、W2-)。

另外，不同层的出线对114、124的位置是在同方位角上或附近。例如，第一绕组的出线端(U1+、U1-)分别位在第二绕组的出线端(U2+、U2-)旁，第一绕组的出线端(V1+、V1-)分别位在第二绕组的出线端(V2+、V2-)旁，第一绕组的出线端(W1+、W1-)位在第二绕组的出线端(W2+、W2-)旁。

同一绕组的两出线端的方位角的夹角与转折的数量有关，也就是说，与马达转子的磁极数量有关。同一绕组的两出线端的方位角的夹角可如下式表示，其中，θ为方位角的夹角，T为转折的数量，M为马达的驱动相位数。

θ＝360°/(T×M)

在本实施例中，T等于1，M等于3，则θ等于120度。

同一层线圈的绕线大部分是逐圈连续相接，即连续相接的绕线是彼此能电性导通的，仅有在出线对处不同绕组没有彼此相接，各绕组是各自独立。但不同绕组的绕线在相邻处仍连续排列，彼此只是电性上没有相接而已。另外，虽然第一层线圈与第二层线圈之中，最尾端的第一绕线与最头端的第二绕线于制作时是可以彼此连接，但为了配置绕组，这不同层的两端仍可截断使各自对应的绕组彼此独立。

图2A为一实施例的一线圈结构1a的立体示意图。图2B为图2A的线圈结构1a的一展开图。图2C为图2A的线圈结构1a的一相位配置图。

如图2A至图2C所示，其与图1A至图1C的不同之处之一是，各层线圈上的转折数量较多。

在本实施例中，多层线圈也是用法宇哈巴式绕线来制作。第一层线圈11也是空心杯线圈，第二层线圈12是内侧套有第一层线圈11的空心杯线圈。第一层线圈11在空心杯面上构成的纹路呈现五个三角形，第二层线圈12在空心杯面上构成的纹路也是呈现五个三角形。绕完第一层线圈11后线不截断而继续绕第二层线圈12，也就是说，制作时最尾端的第一绕线111与最头端的第二绕线121彼此连接。相较于图1A至图1C的线圈结构1，本实施例的线圈结构1a因同层同圈内折数较多，故其线圈利用率较高。

举例来说，线圈结构1a可用于极数为4的无刷马达，也就是说，无刷马达的转子具有2对磁极。线圈结构1a的第一层线圈11以及第二层线圈12在完整的一圈内转折数数量为2。另外，马达以三相驱动。

同一绕组的两出线端的方位角的夹角与转折的数量有关，也就是说，与马达转子的磁极数量有关。同一绕组的两出线端的方位角的夹角可如下式表示，其中，θ为方位角的夹角，T为转折的数量，M为马达的驱动相数。

θ＝360°/(T×M)

在本实施例中，T等于2，M等于3，则θ等于60度。

另外，如果线圈结构1a的第一层线圈11以及第二层线圈12在其完整的一圈内分别转折112、122的数量超过1，也就是说，转折112或转折122的数量大于或等于2，同层的出线对114、124的位置是依序排列。另外，不同层的出线对114、124的位置是依序排列。例如，循顺时针或逆时针方向，先将第一绕组的出线端配置完再配置第二绕组的出线端，图2C的例子是出线端(U1+、U1-)、出线端(V1+、V1-)、出线端(W1+、W1-)、出线端(U2+、U2-)、出线端(V2+、V2-)与出线端(W2+、W2-)依序配置。

图3A为一实施例的一线圈模块2的一分解图。图3B为图3A的线圈模块2的一立体图。

如图3A所示，线圈模块2包括一线圈结构1b以及一导线结构。导线结构包括一电路板21、多个导电端子22、绝缘套件23以及定子铁心24。线圈结构1b中的第一绕线111与第二绕线121为漆包线，导电端子22为导体。定子铁心24为空心圆柱，其内侧容置线圈结构1b。定子铁心24沿圆柱轴向的一端设有绝缘套件23，电路板21设在绝缘套件23上。电路板21与定子铁心24设在绝缘套件23的两侧，绝缘套件23隔开此二者以防止短路。另外，导线结构也可不包括定子铁心，此实施例中马达则为无铁心马达。

绝缘套件23与电路板21为环形，这些导电端子22与线圈结构1b的各层线圈的出线对的出线端配对设置在电路板21上。导电端子22的数量依无刷马达的驱动相位数以及线圈结构1b的线圈层数而定。例如可表示为：导电端子的数量＝2×驱动相位数×线圈层数。导电端子22设置于电路板21上并分别连接线圈结构1b的部分的第一绕线111以及部分的第二绕线121。

另外，如果线圈结构1b的第一层线圈11以及第二层线圈12在其完整的一圈内分别转折112、122的数量超过1，也就是说，转折112或转折122的数量大于等于2，不同层的出线对114、124的位置是依序排列，供不同层的出线对114、124连接用的导电端子22也是在电路板21上依序排列。

图4A为图3A的线圈模块的导电端子的一立体放大图。图4B为图4A的导电端子的一主视图。图4C至图4F为图4A的导电端子的变化方式的主视图。

如图4A与图4B所示，导电端子22包括一闸口槽221以及一主体222，闸口槽221位于主体222的一侧，闸口槽221的最窄处窄于导线在出线端的直径，较佳是窄于导线在出线端扣除漆包层的直径，以去除嵌入的出线端的漆包层。闸口槽221的狭长处也窄于出线端的直径，以固定嵌入的出线端在闸口槽221。

较佳的，闸口槽221与所夹的导线之间的关系可如下式表示，其中P为闸口槽221狭长处的宽，O为闸口槽221最窄处的宽，L为闸口槽221狭长处的长，d为导线直径。

O＝(0.8～0.85)×d

P＝(0.92～0.97)×d

L＝(1.5～2.0)×d

导电端子22包括折脚223、224，折脚223、224连接主体222并从主体222分别朝二个方向弯曲，折脚223、224可固定在电路板221上。

另外，导电端子的形状可变化如图4C至图4F所示。在图4C中，端子的顶部变的较为圆滑。在图4D中，折脚225的数量变为一个。在图4E中，导电端子22包括一插脚226，插脚226连接主体222并从主体222延伸，插脚226可直接插在电路板21上，有利于方便组装。在图4F中，导电端子22具有如图4B所示的折脚223、224，并还有如图4E所示的插脚226。

举例来说，当出线端的导线***闸口槽221时，较窄的闸口槽221会将出线端的导线外侧上的漆包层一并移除或刮除。因此，出线端除了能固定在闸口槽221之外，出线端所相关的绕组也能电性连接导电端子22。因此，出线端的导线能够直接嵌入在导电端子22的闸口槽221并直接形成导通，而且无需任何额外的焊接工艺。

图3C与图3D为图3A的线圈模块经包覆成型后的一立体图。图3E为图3C的线圈模块的一侧视图。如图3C至图3E所示，连接后的线圈模块2，能以灌注结构胶或塑料25以射出方式包覆成型，成型后其结构增强而且导线与导电端子连接处更加稳固，马达组装及运转质量不仅提升，而且马达生产组立工时也能节省。也就是说，定子线圈、导电端子与电路板的半成品可再以结构胶或塑料25包覆成型，其防水程度可符合IP防护等级。另外，定子组件的其他组件例如铁心定子、绝缘套件也可包覆封装在这个定子主体中。

另外，导电端子能配合电路板的布线设计，因而可满足不同接法的设计需求，例如三角接法或Y接法，无需复杂的串(并)联接线，因此，可节省工时并且提升连接后的导通质量。

图5是一实施例的一马达3的立体示意图。如图5所示，一无刷马达3包括一导线结构2、一壳体以及一马达转子33。壳体包覆导线结构2的线圈结构1b。由于导线结构2中的相关组件以及说明可参考前述内容，故此不再赘述。

举例来说，壳体包括一上盖31以及一下盖32，上盖31与下盖32结合并包覆导线结构2的外侧。导线结构2设置于上盖31与下盖32定义的空间之内。上盖31与下盖32具有开口让转子33的转轴穿设。导线结构2的定子铁心24环绕转子33，并设置于上盖31与下盖32之内。线圈结构1b的第一线圈11与第二线圈12环绕转子33。

在本实施例中，马达3是直流无刷内转子无铁心空心杯马达。另一方面，导线结构2也可不包括定子铁心24，马达3为无铁心马达。

综上所述，因线圈结构具有多层线圈，多层线圈能紧密靠拢排列在一起。相较于单层线圈，线圈结构整体变得较为厚实，能承受较大的外力冲击并且各层线圈绕线后的变形也较小。另一方面，多层线圈较单层线圈能产生更强的磁力矩，但所需扩增的空间却没有相对增加很多，因此，多层线圈结构兼具性能强化及节省空间。

再者，线圈结构可用在三相驱动的马达，三相对应的绕组线段长度接近，线圈结构也不容易有迭线问题，因此，以此驱动的马达的操作精密度高。

以上所述仅为举例性，而非对本发明的限制。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于所附的权利要求中。

Claims (10)

1.一种线圈结构，适用于一无刷马达，包括：

一第一层线圈，具有多圈依序相接的第一绕线而呈空心杯状，其中，多个所述第一绕线在空心杯面上斜向延伸绕圈，多个所述第一绕线在完整的一圈内具有至少一转折；以及

一第二层线圈，具有多圈依序相接的第二绕线在该第一层线圈上，其中，多个所述第二绕线在多个所述第一绕在线斜向延伸绕圈，各多个所述第二绕线在完整的一圈内具有至少一转折。

2.如权利要求1所述的线圈结构，其中，多个所述第一绕线与多个所述第二绕线彼此靠拢排列。

3.如权利要求1所述的线圈结构，其中，多个所述第一绕线与多个所述第二绕线在多个所述转折之处的夹角角度相同。

4.如权利要求1所述的线圈结构，其中，在该完整的一圈内，该第一绕线与该第二绕线的多个所述转折的数量相同。

5.如权利要求1所述的线圈结构，其中，多个所述第一绕线分别与位置上对应的多个所述第二绕线沿相同方向斜向延伸。

6.如权利要求1所述的线圈结构，其中，

该第一层线圈还包括N组第一出线对，多个所述第一出线对各具有两出线端，多个所述第一线圈电性上分成N段第一绕组，各段第一绕组的两端对应地连接多个所述第一出线对的所述两出线端；

该第二层线圈还包括N组第二出线对，多个所述第二出线对各具有两出线端，多个所述第二线圈电性上分成N段第二绕组，各段第二绕组的两端对应地连接多个所述第二出线对的所述两出线端，

其中，N等于该无刷马达的驱动相位数。

7.如权利要求1所述的线圈结构，其中，在该完整的一圈内该至少一转折的数量为该无刷马达的极数的一半。

8.如权利要求1所述的线圈结构，其中，最尾端的第一绕线与最头端的第二绕线彼此连接。

9.一种线圈模块，适用于一无刷马达，包括：

一线圈结构，包括：

一第一层线圈，具有多圈依序相接的第一绕线而呈空心杯状，其中，多个所述第一绕线在空心杯面上斜向延伸绕圈，各多个所述第一绕线在完整的一圈内具有至少一转折；以及

一第二层线圈，具有多圈依序相接的第二绕线在该第一层线圈上，其中，多个所述第二绕线在多个所述第一绕在线斜向延伸绕圈，各多个所述第二绕线在完整的一圈内具有至少一转折；以及

一导线结构，包括：

一电路板；以及

多个导电端子，设置于该电路板上，并分别连接部分的多个所述第一绕线以及部分的多个所述第二绕线。

10.一种无刷马达，包括：

一线圈结构，包括：

一第一层线圈，具有多圈依序相接的第一绕线而呈空心杯状，其中，多个所述第一绕线在空心杯面上斜向延伸绕圈，各多个所述第一绕线在完整的一圈内具有至少一转折；以及

一第二层线圈，具有多圈依序相接的第二绕线在该第一层线圈上，其中，多个所述第二绕线在多个所述第一绕在线斜向延伸绕圈，各多个所述第二绕线在完整的一圈内具有至少一转折；以及

一马达转子，其中多个所述第一线圈与多个所述第二线圈环绕该马达转子。