一種電機轉子的線圈纏繞方法
2023-09-20 16:25:45 2
專利名稱：一種電機轉子的線圈纏繞方法
技術領域：
本發明涉及一種電機(包括發電機和電動機)，尤其涉及一種電機轉子 的線圈纏繞方法。
背景技術：
電機是通過電磁感應原理來實現能量轉換的裝置。電在電機中是以"路" 的形式存在，即由電機內的線圈、繞組構成電機的電路；磁在電機中是以"場" 的形式存在的。在發電機和電動機轉子和定子中所發生的一切電磁過程都與 電機繞組有關，電機繞組是交流、直流電機中關鍵的電磁部件。
線圈是組成電機繞組的基本單元，不同的電機有不同的繞組形式，除去 像直流電機勵磁繞組等集中式繞組和籠式轉子等整體結構的繞組以外，通常 由一根或多根絕緣電線，按一定的匝數和形狀在線圈繞線模子(槽)中繞制 並綁紮而成。
線圈嵌入鐵芯槽中的直線部分稱為有效邊L絲，有效邊L有效是電磁能量 轉換的部分，而兩端部伸出鐵芯槽外的線圈部分不能直接轉換能量，僅僅起 一個連接相鄰兩條有效邊的橋梁作用的無效邊L g，與線圈有效邊L ，一起 形成繞組線圈閉合迴路的部分。因此，有效邊L有效所佔整個線圈的比例，決 定了線圈的有效利用率ri。
電機的線圈繞組是根據電機型號與額定功率、電壓、電流等規格設計決 定。額定功率的大小決定了所需線圈繞組有效邊L，的圈經，額定功率小的 電機，電流小，圈經就小，額定功率大的電機，電流大，圈經就大；對於電 機繞組來說，特別是對於多匝數、多股型電機繞組，起橋梁作用的無效邊L 連接就越長，圈經就越粗，這樣，不僅浪費了原材料，還增加了發電機和電動 機轉子、定子的體積(極槽的空間利用率低)。
眾所周知，欲使電機正常工作，必須遵循一定的繞組排列原則，普通電 機的排列原則如下
31) 一個磁極內所有導體的電流方向必須一致；
2) 相鄰兩個磁極內所有導體的電流方向必須相反；
3) 若為雙層繞組，以上層繞組為準，或以下層繞組為準。
請參閱圖1A，圖1A所示為現有技術中轉子繞組的線圈繞法示意圖。對 於目前應用最為廣泛的線圈，從視覺的徑向角度來看，電機繞組與激磁磁極 在發電機和電動機轉子、定子的軸向和徑向上都採用封閉式繞組(閉環式繞 組)。我們假設該轉子繞組是在額定功率大的電機中使用，為了保證較大的 線圈繞組圈經， 一種方式可以用較大線徑的導線繞制，但如果導線線徑過大 (一般在1.6mm)，則會因線粗而難繞難嵌，另一種方式還可以採用線徑較 小的導線並繞代替；但不論上述哪種方法，均存在以下缺點
首先，對於多匝數、多股型電機繞組，起橋梁作用的無效邊L^太長， 線圈的有效利用率ri低，增加了銅的消耗，浪費了原材料。
其次，增加了發電機和電動機轉子的體積及重量。
再者，為了滿足線圈端部長度的一致性、均勻平整，以及電氣和機械的 平衡性，現有導線繞制技術對繞制工藝要求較高，繞組製作工藝的繁瑣，容 易造成組裝的困擾。
因此，如何發展出一種可改善現有技術缺陷的電機轉子線圈的纏繞方 法，實為目前迫切需要解決的課題。
發明內容
鑑於上述技術的不足，本發明的目的在於，提供一種在所述發電機和電 動機轉子上以波形(蛇形)纏繞線圈的方法。該纏繞線圈的方法對於同步發 電機和同步電動機都能適用。
本發明的目的是通過如下的技術方案實現的
一種電機轉子的線圈纏繞方法，包括所述轉子線圈繞組的有效邊與相 鄰的同 一線圈繞組的有效邊通過所述線圈繞組的連接邊折返纏繞，且所述轉 子線圈繞組有效邊的邊線與相鄰的同一線圈繞組有效邊的邊線之間的距離 為一個節距。
根據所述電機轉子的線圈纏繞方法，其中，所述的線圈繞組為多匝數、多股型繞組。
根據所述電機轉子的線圈纏繞方法，其中，所述電機轉子鐵芯包括多個 線圈嵌放槽，線圈繞組中的各股線圈均勻嵌放在相鄰的幾個線圈嵌放槽中。
根據所述電機轉子的線圈纏繞方法，其中，所述的線圈繞組由高坡膜合 金絕緣導線製成。
本發明還提供一種電機轉子的線圈纏繞方法，所述轉子線圈繞組包括三 組相同規格的分線圈繞組，每組分線圈繞組也可採用上述的纏繞方法進行繞 制，且三組分線圈繞組各自所包含的一條有效邊依次分布在一個節距內。
根據所述電機轉子的線圈纏繞方法，其中，所述的線圈繞組為多匝數、 多股型繞組。
根據所述電機轉子的線圈纏繞方法，其中，所述電機轉子鐵芯包括多個 線圈嵌放槽，每個線圈繞組均勻嵌放在相鄰的幾個線圈嵌放槽中。
根據所述電機轉子的線圈纏繞方法，其中，所述的線圈繞組由高坡膜合 金絕緣導線製成。
從上述技術方案可以看出，本發明在電機的轉子、定子的徑向層面上是 開放式繞組(開環式繞組)，但從電機轉子、定子的軸向層面看進去，本發 明的波形繞組仍然還是一個大的封閉式線圈繞組。與現有技術相比，本發明 的有益效果在於
首先，由於本發明有效減少了在電機的轉子、定子繞組線圈起橋梁作用 的無效邊L，的長度，特別是對於多匝數、多股型電機繞組，提高了線圈的 有效利用率ll，減少了銅的消耗，降低了成本。
其次，減少了發電機和電動機轉子的體積及重量。
再者，本波型繞組在發電機、電動機的製作過程中，減少了繁瑣的繞組 製作工藝。
並且，在電磁的原理上簡化電機繞組的計算過程。
圖1A為現有技術中轉子繞組的線圈繞法示意圖； 圖1B為本發明實施例轉子繞組的線圈繞法示意5圖2A為本發明實施例電機波形繞組在N極S極下之間沿F拖動方向轉
動，切割磁力線的示意圖2B為AX線圈繞組沿拖動力F方向運動所產生的正弦交變電動勢及
正弦交變電流的波形圖3A為本發明實施例同步交流二極三相單股式波繞組分槽布線圖； 圖3B為採用本發明實施例同步交流二極三相三股式波繞組布線圖； 圖4A為本發明實施例的同步高頻、高壓、大功率發電機定子和轉子結
構俯視圖4B為本發明實施例的同步高頻、高壓、大功率發電機定子和轉子結 構俯視圖5A為採用本發明繞制方法製成的直線電機結構示意圖； 圖5B為圖5A所示直線電機的局部結構示意圖6A為採用本發明繞制方法製成的航空發動機轉子繞組結構剖面圖； 圖6B為採用本發明繞制方法製成的航空發動機轉子繞組結構俯視圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明的電機定子的繞組結構進行詳細說明。
本發明電機繞組依舊為由多個線圈或線圈組組成的多匝數、多股型電機 繞組，轉子的展開側面呈波形或蛇形(如圖2B所示)。與圖1A所示的線 圈纏繞方式不同的是，從視覺的角度上看，本發明電機波形繞組的線圈纏繞 方法在電機的轉子、定子的徑向層面上可以認為是開放式繞組(開環式繞 組) ，然而，從電機轉子、定子的軸向層面看進去，本發明的波形繞組還是 一個大的封閉式線圈繞組。
具體地說，本發明線圈繞組的纏繞方式為導體線圈在纏繞時，所述轉 子線圈繞組的有效邊L絲與相鄰的同一線圈繞組的有效邊L有效通過所述線圈 繞組的連接邊L ,折返纏繞，且所述轉子線圈繞組有效邊L ^的邊線與相鄰 的同一線圈繞組有效邊L有效的邊線之間的距離為一個節距。
請參閱圖2A，圖2A為本發明實施例波形電機繞組在N極和S極之間沿 F拖動方向轉動，切割磁力線的示意圖。如圖所示，AX線圈繞組是W匝的多匝數、多股型線圈繞組，如果AX線圈繞組的有效邊垂直切割磁力線，根 據法拉弟電磁感應定律繞組首尾AX端電勢e為
如圖2A所示，AX線圈繞組的每股有效長度L *效從a點運動到b點， 繞組AX端所形成的正弦交流電動勢正半周最大有效值為
根據法拉弟電磁感應定律的特殊形式 e=BL^=BXLXV
可以得到波形(蛇形)繞組有效段L頓的電動勢為 fBL^二BXL有效XV
其中e為繞組線圈內的感應電勢，單位為伏 B為磁場的磁感應強度，單位為特斯拉，1特斯拉為104高斯 L，為線圈繞組的有效長度，單位為米 dx為a點到b點的距離，即極距T dt二cot
V為線圈繞組有效長度L有效在交變磁場中的運動速度，單位為米/秒 如圖2A所示，dx就是繞組切割磁力線有效長度L在0° 90°之間的運
動距離，波形(蛇形)繞組AX內每股中有W匝線，繞組AX導體內感應電
勢應為
c:BXL有效XWXZXV 其中，B為磁場的磁感應強度，單位為特斯拉
Z為股數(即電機的槽數) 再請參閱圖2B，圖2B為AX線圈繞組沿拖動力F方向運動所產生的正 弦交變電動勢及正弦交變電流i的波形圖。AX線圈繞組每運動兩個極距t 的距離(如圖2A所示)，就產生一個交流周波電動勢，即從N極運動到S 極(a點到b點)，線圈繞組感生出一個周波的感生電動勢；線圈繞組AX 中的正弦電流的頻率f為 f=ZXPXn其中Z為繞組股數(電機槽數) P為極對數
n為每秒旋轉圈數
如果波形(蛇形)繞組運用在同步發電機中，繞組中的反拖動力矩f用 比一薩電磁定律求出
F=BxixL 有效
其中B為磁場的磁感應強度，單位為特斯拉，1特斯拉為104高斯 i為線圈繞組流過的總電流 L有效為導體的總有效長度，單位為米 F為電磁力，單位為牛頓
請參閱圖3A，圖3A為採用本發明實施例同步交流二極三相單股式波繞 組分槽布線圖。如圖所示，所述轉子線圈繞組包括三組相同規格的線圈分繞 組，每組分線圈繞組採用圖2B所述的纏繞方法進行繞制，且三組分線圈繞 組各自所包含的一條有效邊依次分布在一個節距內。
所述的線圈繞組可以為多匝數、多股型繞組，所述電機轉子鐵芯包括多 個線圈嵌放槽，線圈繞組中的各股線圈均勻嵌放在相鄰的幾個線圈嵌放槽 中。請參閱圖3B，圖3B為採用本發明實施例同步交流二極三相三股式波繞 組布線圖。
從圖3A和圖3B中可以看出，本發明實施例所示的波形繞組在製作同步 電機中能節省大量的銅材消耗，並且，加工繞組時走線工藝簡單，省去了以 往封閉式繞組繁鎖的下線工藝，減低了製作成本。需要說明的是，以上兩槽 線分布圖只限於同步發動機或同步電動機布槽線，不適合異步電動機。
在下述的幾個實施例中，在同步發電機和電動機中繞組可直接替代轉 子，例如，所述的線圈繞組由高坡膜合金絕緣導線製成，省去了由矽鋼片疊 壓的轉子鐵芯，減少了轉子矽鋼片的耗材及簡化製作工藝。
實施例一
請參閱圖4A和圖4B，圖4A為本發明實施例的同步高頻、高壓、大功 率發電機定子和轉子結構俯視圖；圖4B為本發明實施例的同步高頻、高壓、 大功率發電機定子和轉子結構俯視圖。如圖所示，同步交流發電機由固定的兩個定子(外定子2和內定子3) 和可旋轉的轉子1兩大部分組成，轉子1中的線圈繞組的標號為4。用於勵 磁的定子具有的勵磁磁極數，可以根據實際需要確定，在本實施例中，用於 勵磁的定子具有12極勵磁磁極。該發電機的變頻、變壓輸出全由原拖動機 的轉速調節確定。此外，該同步發電機的轉子l可用截面為圓形、長方形或 方形等的波形繞組單獨製作，省去了轉子鐵芯所需矽鋼片的耗材，並且，該 同步發電機的轉子1可以不用銅材製作，而是用工程純鐵或高導磁率的矽鋼 高坡膜合金等高p導磁的金屬鐵材料製成。
實施例二
請參閱圖5A和圖5B，圖5A為採用本發明繞制方法製成的直線電機轉 子繞組結構示意圖；圖5B為直線電機轉子繞組的局部結構示意圖。
如圖所示，該直線電機勵磁磁極為線型結構，波繞組是豎直型垂直切割 勵磁磁極的磁力線。圖中F為運動方向，當然，也可逆向運動。圖5A中標 號所示的5為該直線電機的繞組，該直線電機的繞組可用截面為片狀的波形 繞組單獨製作，此繞組也可用工程純鐵或高導磁鐵磁材料製成，並且，此直 流電機也可作為發電機使用。
實施例三
請參閱圖6A和圖6B，圖6A為採用本發明繞制方法製成的航空發動機 轉子繞組結構剖面示意圖；圖6B為採用本發明繞制方法製成的航空發動機 轉子繞組結構俯視圖。該航空發動機的勵磁磁極用汝鐵硼高剩磁高驕頑力永 磁鐵，該航空發動機轉子的繞組也可用截面為圓形、長方形、片狀或方形等 波形繞組單獨製作，此繞組也可用高坡膜合金絕緣導線製成。
此外，為了更大限度地提高發動機的功率，該航空發動機定子的勵磁磁 極為盤型結構，該盤型結構能根據需要一盤一盤地疊加勵磁磁極和波形繞組 盤增加功率，如圖6A和圖6B中的標號6和7所示，該發動機共有9盤波形 繞組盤和10盤勵磁磁極盤。根據圖6B的結構，該大功率輸出、高轉速的發 動機可根據電源輸入的電流頻率可以線性調節轉速。
如圖6B標號D表示盤型發動機做功有效圓直徑，假設，盤型圓周的直 徑D設置為200M ,則可製成航天發射器，若有效圓徑周長L為
9L=tixD = 3.1415 x200=628.3M
設發動機轉速為n=25轉/秒，那麼發射器有效圓周線速度V的理論值 可以得到為
V = 628.3x25轉/秒 =15707.5M =15.7公裡/秒
從上述三個實施例可以看出，本波型繞組可製成大功率、大輸出扭矩、 高頻率(可變頻、可變壓)型同步發電機；可製成超大功率、超大輸出力矩、 超高壓、超高轉速直線電機；也可製成超大輸出力矩、超大功率、超高轉速 直線電機或往復式直線電機。
由此，本發明所採用的波型纏繞繞組，在發電機、電動機的製作過程中， 減少了繁瑣的繞組下線製作工藝，減少了銅的消耗，降低了成本，並且，在 同步發電機和電動機中可單獨用繞組製作轉子，減少了轉子鐵芯所需矽鋼片 的耗材。
需要聲明的是，上述發明內容及具體實施方式
意在證明本發明所提供技 術方案的實際應用，不應解釋為對本發明保護範圍的限定。本領域技術人員 在本發明的精神和原理內，當可作各種修改、等同替換、或改進。本發明的 保護範圍以所附權利要求書為準。
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權利要求
1、一種電機轉子的線圈纏繞方法，其特徵在於，包括所述轉子線圈繞組的有效邊與相鄰的同一線圈繞組的有效邊通過所述線圈繞組的連接邊折返纏繞，且所述轉子線圈繞組有效邊的中心線與相鄰的同一線圈繞組有效邊的中心線之間的距離為一個節距。
2、 根據權利要求1所述電機轉子的線圈纏繞方法，其特徵在於，所述 的線圈繞組為多匝數、多股型繞組。
3、 根據權利要求2所述電機轉子的線圈纏繞方法，其特徵在於，所述電機轉子鐵芯包括多個線圈嵌放槽，線圈繞組中的各股線圈均勻嵌放在相鄰 的幾個線圈嵌放槽中。
4、 根據權利要求1所述電機轉子的線圈纏繞方法，其特徵在於，所述 的線圈繞組由高坡膜合金絕緣導線製成。
5、 一種電機轉子的線圈纏繞方法，其特徵在於，所述轉子線圈繞組包 括三組相同規格的分線圈繞組，每組分線圈繞組採用權利要求1所述的線圈 纏繞方法進行繞制，且三組分線圈繞組各自所包含的一條有效邊依次分布在 一個節距內。
6、 根據權利要求5所述電機轉子的線圈纏繞方法，其特徵在於，所述 的線圈繞組為多匝數、多股型繞組。
7、 根據權利要求6所述電機轉子的線圈纏繞方法，其特徵在於，所述 電機轉子鐵芯包括多個線圈嵌放槽，每個線圈繞組均勻嵌放在相鄰的幾個線 圈嵌放槽中。
8、 根據權利要求5所述電機轉子的線圈纏繞方法，其特徵在於，所述 的線圈繞組由高坡膜合金絕緣導線製成。
全文摘要
一種電機轉子繞組的線圈纏繞方法，包括所述轉子線圈繞組的有效邊與相鄰的同一線圈繞組的有效邊通過所述線圈繞組的連接邊折返纏繞，且所述轉子線圈繞組有效邊的邊線與相鄰的同一線圈繞組有效邊的邊線之間的距離為一個節距。如果製成三相電機，該三相電機轉子線圈繞組需具有三組相同規格的分線圈繞組，每組分線圈繞組也可採用上述的纏繞方法進行繞制，且三組分線圈繞組各自所包含的一條有效邊均勻分布在一個節距內。由此，本發明所採用的波型纏繞繞組，在發電機、電動機的製作過程中，減少了繁瑣的繞組下線製作工藝，減少了銅的消耗，減低了成本，並且，在同步發電機和電動機中可單獨用繞組製作轉子，減少了轉子鐵芯所需矽鋼片的耗材。
文檔編號H02K15/08GK101515741SQ200810007959
公開日2009年8月26日 申請日期2008年2月21日 優先權日2008年2月21日
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