製作電動機線圈的方法
2024-02-08 20:21:15 1
專利名稱：製作電動機線圈的方法
技術領域：
本發明涉及一種定子線圈和一種製作電動機線圈的方法，這種電動機包括具有管狀芯部和管狀線圈的定子，管狀線圈設置成與管狀芯部的內表面接觸。具體地，本發明涉及一種包括兩層繞組的片狀結構件，繞組可與定子或轉子芯部連接，以形成磁場。本發明還涉及一種片狀結構件和與其相連的管狀芯部件。
背景技術：
一般來說，已存在具有上面提到種類的定子的電動機。對於傳統的電動機，線圈的繞組設置在芯部的沿軸向延伸的槽中。為了傳導磁性，芯部用含鐵的材料製成。將線圈纏繞在芯部的槽中的原理是其可產生強電場和保持繞組於適當位置。但是，這樣製作繞組很費時，並要求技巧和非常專門和昂貴的生產裝置。此外，這種類型的電動機因為存在槽，帶來齒槽效應(cogging)的缺點。還有另外一種電動機，其中預纏繞的線圈形成硬的包括多個導線繞組的管狀線圈件。管狀線圈件粘接到管狀芯部件的內表面。第二種類型的電動機很容易製造，但與首先提到類型的電動機不同，管狀線圈件插入管狀芯部件增加了芯部和電動機轉子之間的距離，因此使電動機的性能下降。
所提到的第二種類型的電動機的管狀芯部件一般通過在心軸上纏繞絕緣導線來形成。纏繞後，將具有螺旋線圈形式的導線從心軸上取下。其後，將螺旋線圈斜置進行壓平，形成繞組片狀件，該片狀件然後卷繞形成管狀線圈件，其可插入和固定到管狀芯部件。當螺旋線圈從心軸上取下時變得很柔軟，為了線圈不變形，必須小心操作。在斜置和壓平過程中，難以防止螺旋線圈出現不平整，截面形狀經常變形，因此導線傾斜，一般會出現某些繞組重疊在其他繞組上，使得線圈的厚度增加。由於厚度增加，芯部和線圈之間需要更大空氣隙，從而使電動機的效率下降。管狀線圈件通常在爐中進行強化，如背面塗敷導線塗料或所謂的漆。硬管狀線圈件然後插入管狀芯部件。強化的管狀件不能膨脹與芯部件的內表面接觸，為了線圈件和芯部件之間建立可靠的接觸，其間的間隙填充有硬化膠。管狀芯部件和轉子之間形成的距離，即粘性層的厚度和線圈件厚度，比較大，導致電動機的性能下降。
發明內容
根據本發明，提供了一種製造電動機繞組的方法，所述方法使得電動機更容易製造和具有良好的性能。因此，本發明的第一方面提供了一種製造帶有多個電動機導線繞組的片狀件的方法，所述方法包括步驟非粘性層覆蓋心軸外表面的一部分；粘性層覆蓋非粘性層外表面的一部分；纏繞導線到心軸的外表面，形成與粘性層接觸的線圈；從心軸取下線圈和至少一部分粘性層；和壓平線圈，形成包括兩層繞組的片狀結構件，繞組通過粘接層連接。
由於線圈導線纏繞到粘性層上，當線圈從心軸上取下時，線圈的各層與相鄰層連接。很容易將線圈斜置和壓平，並形成繞組層的片狀結構件，導致了繞組的截面形狀較少變形，因此，當用於電動機時可具有更好的性能。用於電動機時，片狀結構件可固定到導磁材料芯部，即構成電動機的轉子或定子的管狀芯部件。根據本發明的一個實施例，片狀結構件的厚度基本上等於兩倍的線厚度加上兩倍的施加到非粘性層的外表面的粘性層的厚度。與現有的電動機的管狀線圈件的壁厚相比，導線和粘性層的厚度與總厚度的正相關關係有很大的不同。在現有的電動機中，當從心軸取下線圈時經常出現繞組變形，其後的線圈壓平導致總壁厚是線圈繞組層的線厚度總和的3倍。
非粘性層可以是施加粘性層前施加到心軸上的非粘性塗層。非粘性層可以是施加到心軸外表面的聚四氟乙烯層，或者是任何非粘性層，如在模具中模製塑料件所用的非粘性層。非粘性層和粘性層可通過噴塗或類似的塗敷技術施加到心軸上。非粘性層最好是柔性的片狀材料，可以是與粘接劑相連的塑料或紙條墊，即其具有平滑或光滑的表面，有助於方便地脫離片狀粘性的粘結劑層。心軸的外表面可設置固定機構，以保持固定到心軸的柔性片狀材料，即可通過吸力或通過縱向延伸的槽，如設置在心軸外表面的張力套管的一部分，以利於從心軸取下線圈。
由於電動機的性能取決於轉子和產生感應磁場的芯部之間的距離，電動機的性能可通過減少繞組層的厚度來提高，即片狀結構件的厚度，即通過卷繞片狀結構件得到的管狀線圈件的壁厚。此外，性能提高還可通過片狀結構件和芯部件的表面之間建立緊密接觸，其中產生感應磁場的芯部件是轉子或定子的芯部。粘性層可以是彈性粘接材料，即丙烯酸或橡膠基的材料。由於粘接材料具有彈性，片狀結構件變得更柔軟，因此更容易變形和壓入與芯部件的表面接觸，這是一個優點，尤其是當芯部件是管狀，因此具有彎曲的外表面時。此外，使用彈性粘接材料可顯著地減少使用片狀結構件的電動機的噪音。
至少部分或全部的非粘性層可從心軸上與線圈和粘性層一起取下。通過這種方式，可保護粘性層免受灰塵等的作用，直到後面的生產階段，此時線圈進行壓平。在進行壓平之前，取下非粘性層，以便暴露粘性層，使得片狀結構件的兩層繞組進行連接。
導線可以是規則的絕緣電導線，是已知的用於電動機繞組的導線，如0.15毫米的導線。導線具有一層或兩層漆，內層漆的熔點高於外層的熔點。通過在兩個漆層熔點之間的溫度下對線圈進行熱處理，可使得線圈的繞組之間進一步連接。
為了進一步支撐結構和防止線圈在從心軸取下時變形，或在線圈進行壓平時變形，至少一個細長條的剛性片狀材料可施加到粘性層的外表面。該材料條最好是沿線圈軸向施加，即從一個軸向端部延伸到相對的軸向端部。在一非常優選的實施例中，兩個材料條沿軸向施加到線圈兩側的外表面，即兩個條之間大約為180°。為了防止線圈變形，材料條的剛性最好比非粘性層更高，材料條最好可提供至少一個方向的彎曲抗力，因此沿這個方向手指壓力難以使材料條變形，材料條可容易地沿其他方向變形。這樣的特性可在金屬網上發現，以及在帶有可削弱板沿一個方向抗彎能力的許多平行凹孔的較剛性板上發現。因此，材料條可沿軸向施加到彈性粘接材料的外表面，可通過中等的手指壓力彎曲，順應心軸外表面的曲率。材料條可用帶孔的材料製造，如金屬網布。具體地，材料條可用金屬網製造，其孔的尺寸允許粘接劑在壓力下通過。金屬網的金屬絲可選擇其直徑小於線圈導線的直徑，使得材料條的厚度對線圈的總厚度的貢獻很小，線圈的總厚度包括金屬絲，粘性層和材料條的厚度。材料條可用鋼絲製造，其直徑在0.05到1.0毫米。孔的大小在0.1到5.0平方毫米的範圍，材料帶還可用複合材料製造，複合材料包括玻璃纖維或碳纖維和聚酯樹脂或環氧樹脂。材料條最好具有剛性表面形狀，防止表面出現變形，防止材料條的邊之間角度改變。
為了幫助從心軸取下線圈，可先減少心軸的徑向尺寸，然後再從心軸取下線圈和至少部分粘性層。例如，心軸的外表面可由套管或張力套管形成，套管設有縱向延伸的槽，允許套管或張力套管受壓形成較小徑向尺寸，或心軸可形成彈性軟管，如由橡膠材料製成，其在充有一定壓力的流體介質時，變成足夠剛性，在纏繞過程施加背壓力。在從心軸取下線圈之前，釋放壓力使得心軸變軟，很容易取下線圈和至少一部分粘性層。
在進行壓平之前，通過插入線圈中的細長膨脹件進行膨脹，線圈可變形成為任意的截面形狀。將膨脹件插入線圈之後，再使膨脹件和線圈互相分開。在線圈膨脹期間，膨脹件的圓周外形可壓入線圈中。膨脹件最好是鋼杆，具有圓形截面，但實際可具有任何截面形狀，可用任何剛性材料製造。由於纏繞金屬絲到具有多邊形狀的心軸時金屬絲圍繞銳邊彎曲可帶來問題，金屬絲最好纏繞到具有圓形截面的心軸，然後線圈膨脹成為具有彎曲外形的截面形狀，如橢圓截面形狀。或者，線圈可膨脹成為多邊形截面形狀，如菱形、四邊形、五邊形或六邊形。
由於粘接劑具有彈性，片狀結構件成為柔性的。片狀結構件由於柔性可捲成柔性的管狀線圈件，其可插入管狀芯部件，即形成電動機的定子或轉子。片狀結構件的尺寸最好使得管狀線圈件的長度超過對應的管狀芯部件的長度。這使得線圈件可同軸位於芯部件的外側或內側，線圈件沿兩個軸向端部共同延伸。一般地，片狀結構件的厚度在線圈壓平過程金屬線進行摺疊的區域稍微增加。片狀結構件最好捲成管狀線圈件，其中前面進行的對線圈壓平造成的金屬線摺疊只位於管狀線圈件的軸向端部，這部分管狀線圈件最好位於管狀芯部件的外側。
將管狀線圈件插入管狀芯部件之後，線圈件可徑向向外膨脹，從而導致與芯部件內表面緊密接觸，因此電動機的轉子和定子之間的距離可減少。
在斜置和壓平線圈期間，暴露出片狀結構件中兩層繞組的端部的粘性層。為了保持片狀結構件的管狀，兩個相對的端部可粘接到一起，即通過暴露的粘性層或使用另外的施加到端部的粘結劑。
作為向外膨脹與管狀芯部件接觸的替代方式，片狀結構件可卷繞或膨脹成其徑向尺寸大於管狀芯部件的內部徑向尺寸。插入期間，管狀線圈件受壓進入管狀芯部件，由於其具有柔性，可相對管狀芯部件的內表面向外壓出。
為了改進芯部件的內表面和管狀線圈件之間的接觸，粘結劑施加到管狀線圈件外表面和芯部件的內表面部分中至少一個上，然後將管狀線圈件插入管狀芯部件。粘結劑可以是任何能夠將兩個部件連接到一起的粘結劑，如彈性粘接材料。粘結劑可通過噴塗或使用刷子或使用膠水帶施加到表面。
作為卷繞單個片狀結構件形成管狀線圈件的替代方式，可將不止一個分別包括兩層繞組的片狀結構件設置成與管狀芯部件的內表面緊密接觸。例如，分別連接交流電流的三相的三個單片結構件可位於管狀芯部件的同樣大，即120°，的圓周部分。不止一個片狀結構件單獨壓平，分別連接到芯部件；或可連接起來形成一個新的片狀結構件，其包括多個單獨金屬絲的繞組層；然後連接到芯部件。
為了加快製造過程，柔性片狀材料和彈性粘接材料粘性層可通過一個操作施加到心軸，即具有粘接帶的形式，其中粘結劑層預先施加到柔性片狀材料。例如，可使用3M的Scotch Very High Bond tape，可包括帶有塑料面紙的橡膠或丙烯酸基粘結劑。
在第二方面，本發明涉及一種電動機的線圈，其可根據上面介紹的本發明的第一方面的方法的步驟進行製造。
下面將參考附圖對本發明的優選實施例進行詳細介紹，附圖中圖1顯示了心軸和位於其外表面的粘結劑施加帶；圖2顯示了圖1的心軸，其帶有兩個設置到粘結劑施加帶外表面的材料條；圖3顯示了圖1和2的心軸，其帶有多個纏繞在外表面的線圈；圖4顯示了從心軸取下時的線圈；圖5顯示了圖4的線圈，其變形成橢圓截面形狀；圖6和7顯示了壓平線圈，形成了片狀結構件；
圖8顯示了片狀結構件卷繞形成管狀線圈件；圖9到12顯示了管狀線圈件插入芯部件前後和其膨脹與芯部件的內表面接觸前後的截面圖；圖13顯示了片狀結構件的兩側的視圖；圖14和15顯示了直接在心軸上壓平和卷繞三相的單片結構件；圖16顯示了三相電動機的三個單獨線圈壓平，然後卷繞片狀結構件於心軸上；圖17顯示了直接在心軸上壓平並卷繞的三相電動機的三個單獨線圈；圖18和19顯示了線圈和對應的片狀結構件的可選擇的形狀。
具體實施例方式
圖1顯示了心軸1，張力套管3設置在心軸的外表面，允許心軸的徑向尺寸改變，以便容易地取下線圈。張力套管的外表面4上施加了具有粘結劑施加帶5形式的非粘性層和粘性層，其包括背面紙和彈性粘接材料，如橡膠或丙烯酸基材料。心軸和套管用剛性材料製造，如鋼鐵，其一端可連接到驅動軸，驅動軸連接到動力驅動機構，使得心軸繞其中心線旋轉。心軸上設置了槽，可容納柔性片狀材料的邊沿部分，使得圍繞心軸纏繞片狀材料時，材料容易固定到心軸。出於相同目的，心軸還可以製成帶有多個小吸孔，其連接到真空泵，在施加彈性粘接材料層時，可保持柔性片狀件於適當位置。吸力可在後來的從心軸取下線圈之前關斷。
圖2顯示了施加兩條片狀材料20，21到彈性粘接材料層的外表面，片狀材料的剛性比柔性片狀材料大，如一片金屬網，一片複合材料，如碳纖維或玻璃纖維增強的聚酯或環氧樹脂，或一片布織物。該材料條是縱向材料條，沿縱向從一個軸向端部22延伸到相對的軸向端部23。
圖3顯示了圖1和2的心軸，其上施加了許多金屬絲31的繞組30，如直徑為0.15毫米的金屬絲。金屬絲設有漆形成的絕緣層。所公開的金屬絲是直徑為0.15毫米的銅絲。金屬絲纏繞在彈性粘接材料層的外表面，使得各繞組連接到相鄰的繞組，線圈可纏繞成多層。此外，線圈可用不止一種金屬絲進行纏繞。即，對於2相或3相電動機，其中2個或3個單獨的電絕緣金屬絲纏繞在同一個心軸上，形成均勻的線圈，其包括2個或3個電絕緣的導線，導線將連接到交流電的各個相上。在施加了足夠數量的繞組後，即一層或多層時，將螺旋線圈從心軸取下。
圖4顯示了從心軸取下的線圈。在這種狀態下，線圈的形狀得到保持只有依靠與彈性粘接材料層41和兩個剛性條(圖4中未顯示)和柔性片狀材料或張力套管42相結合的金屬絲的剛性。
圖5顯示了柔性片狀材料取下後兩剛性材料條51保留在線圈內，以支撐線圈變形後的形狀。線圈容易成形為優選的截面形狀，如可通過沿軸向插入細長形狀的成形件到線圈內。在圖4中，截面形狀是橢圓形，但也可以是四方形或多邊形。如圖所示，柔性片狀材料件已經取出，暴露出位於線圈內表面的彈性粘接材料層。當線圈斜置和壓平形成包括兩個繞組層的片狀結構件後，粘接劑可彈性地將線圈粘接起來。
圖6a-6c顯示了斜置和壓平線圈，形成包括兩個繞組層的片狀結構件。
圖7顯示了圓柱形滾筒71，其用於壓平線圈以形成片狀結構件。
圖8中，圖7的片狀結構件在圓筒形心軸81上卷繞，形成管狀線圈件。心軸81可與圖7的滾筒71相同。
圖9顯示了管狀線圈件的截面圖，管狀線圈件由包括兩層繞組90，91的片狀結構件卷繞而成，兩層繞組由粘性層92連接起來。粘性層92與在圖1中用標記5表示的粘性層相同。
圖10顯示了圖9的管狀線圈件的截面圖，其上施加了粘性層100，以粘接管狀線圈件到電動機的管狀芯部件的內表面。
圖11顯示了圖10中的管狀線圈件的截面圖，線圈件插入管狀芯部件110內，如圖所示，管狀線圈件尚未膨脹。
圖12顯示出管狀線圈件已經膨脹，與管狀芯部件的內表面接觸，形成電動機的定子，準備接納圓柱形轉子。
圖13顯示了片狀結構件的前側130和後側131，結構件包括兩層導線繞組。
圖14顯示了心軸141的三維視圖，線圈140的一側連接到心軸。在圖15中，截面圖A-D顯示了線圈件如何斜置和壓平，形成片狀結構件，同時通過圍繞心軸卷繞線圈件，片狀結構件形成管狀線圈件。視圖A中線圈件的一邊連接到心軸，視圖B線圈件繞心軸卷繞；視圖C管狀線圈件已經形成；視圖D粘性層已經施加到管狀線圈件的外表面，準備插入線圈件到管狀芯部件，在其內表面內進行膨脹。
圖16顯示了用於三相電動機的三個片狀結構件160，161，162的視圖。A到D的四個視圖顯示了三個片狀結構件是如何在一個操作中形成管狀線圈件。在視圖A各片狀件的一邊固定到心軸163的外表面。在視圖B片狀結構件繞心軸卷繞；在視圖C形成包括三個單獨的相導線的管狀線圈件。在視圖D粘性層施加到管狀線圈件的外表面，準備插入和固定管狀線圈件到管狀芯部件。
圖17中，三個線圈170，171，172固定到心軸173。通過繞心軸卷繞成線圈，在一次操作中線圈斜置，壓平並形成管狀線圈件。截面圖A-D中顯示了操作。
圖18顯示了菱形線圈，即通過圍繞具有菱形截面形狀的心軸纏繞導線得到的線圈。圖19顯示了線圈進行壓平以形成片狀結構件。除了菱形形狀外，線圈和其片狀結構件對應於前面介紹的線圈。通過測試，已經發現菱形可減少線圈在斜置和壓平形成片狀結構件時的不平整，菱形因此有助於提高電動機的性能。
權利要求
1.一種製造帶有多個導線繞組的片狀件的方法，所述方法包括步驟非粘性層覆蓋心軸外表面的一部分；粘性層覆蓋非粘性層外表面的一部分；纏繞導線到所述粘性層的外表面，形成與所述粘性層接觸的線圈；從所述心軸取下所述線圈和至少部分粘性層；和壓平所述線圈，形成片狀結構件，其包括兩層由粘接層連接的線圈繞組。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述非粘性層包括柔性片狀材料。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述粘性層包括彈性粘接材料。
4.根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述至少一部分非粘性層與線圈和粘性層一起從所述心軸取下，然後取下非粘性層暴露出粘性層後進行線圈壓平。
5.根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括施加至少一個細長條片狀材料到粘性層外表面的步驟。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述長條片材沿所述線圈的軸向施加，從一個軸向端部延伸到相對的軸向端部。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其特徵在於，所述長條片材的剛度比非粘性層大。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述長條片材採用的材料可從下面一組材料選擇，包括玻璃纖維，碳纖維，環氧樹脂，聚酯，鋼，鋼絲及這些材料的任何組合。
9.根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述心軸的徑向尺寸減小後，從心軸取下線圈和至少一部分粘性層。
10.根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括進行壓平前使線圈膨脹的步驟，其通過插入細長膨脹件到所述線圈，然後使所述膨脹件脫離線圈。
11.根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括將所述片狀材料捲成管狀線圈件的步驟。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述片狀結構件卷繞成管狀線圈件可通過固定所述片狀結構件的端部到心軸，然後圍繞所述心軸卷繞所述片狀結構件。
13.根據權利要求11或12所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括在連接所述線圈件和芯部件形成電動機的定子或轉子之前，施加粘性層到管狀線圈件的表面和對應芯部件的表面中至少一個上的步驟。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，使所述管狀線圈件膨脹與管狀芯部件的內表面密切接觸。
15.根據權利要求11到14中任一項所述的方法，其特徵在於，至少兩個片狀結構件的邊緣連接形成一體的片狀結構件，然後卷繞一體的片狀結構件成為管狀線圈件。
16.根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述方法包括壓平所述線圈的步驟，形成了包括兩層繞組的片狀結構件，壓平步驟包括固定所述線圈的外圓周面到所述心軸；和圍繞所述心軸纏繞線圈，斜置和壓平所述線圈。
17.根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，通過粘結劑轉移帶的形式在一個操作中將非粘性層和粘性層施加到所述心軸上，所述粘結劑轉移帶具有預先施加到非粘性層的粘性層。
18.根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述粘性層包括彈性粘接材料，所用材料可從包括橡膠的一組材料中選擇，或者所述粘接材料是基於丙烯酸鹽或丙烯酸材料。
19.一種電動機的柔性線圈，其包括多個由絕緣電導線構成的繞組，各繞組通過彈性粘接材料連接到相鄰繞組。
20.根據權利要求19所述的線圈，其特徵在於，所述線圈進行壓平，形成包括兩層繞組的片狀結構件。
21.根據權利要求20所述的線圈，其特徵在於，所述片狀結構件進行卷繞，所述片狀結構件的相對周邊端部進行連接，形成柔性管狀線圈件。
22.根據權利要求21所述的線圈，其特徵在於，所述線圈插入所述管狀芯部件，並進行膨脹與導磁材料製成的管狀芯部件的內表面緊密接觸。
全文摘要
本發明提供了一種通過製作帶有多個導線繞組的片狀件簡化電動機製造的方法。該片狀件捲成管狀體，插入導磁材料製成的管狀定子件，並壓入與其內表面接觸。根據本發明，心軸外表面的一部分覆蓋了非粘性層和粘性層。然後，導線纏繞到心軸上與粘性層接觸。由於非粘性層的存在，線圈可容易地從心軸取下；由於粘性層的存在，線圈繞組在後面的線圈壓平過程中保持在適當位置。因此，可避免線圈繞組之間的不平整，使得更容易地製造具有高容量的電動機。
文檔編號H02K3/47GK1864315SQ200480029077
公開日2006年11月15日 申請日期2004年8月5日 優先權日2003年8月9日
發明者O·漢森 申請人:丹福斯有限公司