電機及其纏繞線圈的方法
【專利摘要】本發明揭示一種電機及其纏繞線圈的方法，所述電機是無刷式永久磁鐵馬達，其特征在于，所述電機包括具有復數齒型部件的一定子，所述復數齒型部件具有至少一針狀纏繞串；所述至少一針狀纏繞串具有至少兩個纏繞線圈設置于互相串連的所述復數齒型部件上；所述至少兩個纏繞線圈中的每個纏繞線圈包括至少一纏繞層；以及所述至少兩個纏繞線圈之間形成一針狀通道，通過所述至少兩個纏繞線圈的一交錯部以填充至少一部份的所述針狀通道。
【專利說明】電機及其纏繞線圈的方法
【【技術領域】】
[0001]本發明涉及一種電機(electric machine),尤其涉及一種電機纏繞線圈的方法。【【背景技術】】
[0002]電機(electric machine)的使用眾所周知并且應用于各種領域,例如自動馬達車輛運輸領域，這類型的電機例如是無刷式永久磁鐵馬達組成，所述無刷式永久磁鐵馬達包括定子以及具備多個磁極的轉子，所述定子包括單相(single-phase)或是多相(mult1-phase)(例如是三相)的纏繞串聯機圈。
[0003]特別是在馬達車輛的使用中，隨著低噪音需求持續發展，有關最小的建構體積、最低的重量、高功率密度以及高效率等需求也逐漸增加，以改善電機。
【
【發明內容】
】
[0004]本發明的目的在于提供一種電機及其纏繞線圈的方法。
[0005]為達成上述目的，本發明的一優選實施例提供一種電機，所述電機是無刷式永久磁鐵馬達，其特征在于，所述電機包括具有復數齒型部件的一定子，所述復數齒型部件具有至少一針狀纏繞串；
[0006]其中所述至少一針狀纏繞串具有至少兩個纏繞線圈設置于互相串連的所述復數齒型部件上；
[0007]其中所述至少兩個纏繞線圈中的每個纏繞線圈包括至少一纏繞層；以及
[0008]其中所述至少兩個纏繞線圈之間形成一針狀通道，通過所述至少兩個纏繞線圈的一交錯部以填充至少一部份的所述針狀通道。
[0009]本發明的另一優選實施例提供一種電機纏繞線圈的方法，其利用針型卷線器，所述電機是無刷式永久磁鐵馬達，其特征在于，所述電機纏繞線圈的方法包括下列步驟:
[0010](SO)提供一線圈纏繞載具，所述線圈纏繞載具具有復數齒型部件，所述線圈包括至少兩個纏繞線圈設置于互相串連的所述復數齒型部件上，所述至少兩個纏繞線圈中的每個纏繞線圈包括至少一纏繞層；
[0011](SI)利用一纏繞導線環繞所述復數齒型部件的一第一齒型部件，以制造出所述至少兩個纏繞線圈中的第一個纏繞線圈的所述至少一纏繞層；
[0012](S2)利用所述纏繞導線環繞所述復數齒型部件的一第二齒型部件，以制造出所述至少兩個纏繞線圈中的第二個纏繞線圈的所述至少一纏繞層；以及
[0013](S3)利用所述纏繞導線環繞所述第二齒型部件以及所述第一齒型部件，以制造出所述至少一纏繞層中的一最上層纏繞層。
[0014]本發明通過纏繞線圈填充至少一部份的所述針狀通道，以增加填入的準位，用以提高電機的功率密度；依據填入至針狀通道的準位，例如可增加大約30%的功率密度。
[0015]本發明可增加電機的效率，因為通過較短的纏繞導線長度可產生一預定的磁通量。而且此種方式在相同的馬達功率條件下，可以減少奧姆損失(ohmic losses)。此外,具有標稱功率(nominal power)的電機的結構可以更小型化、更輕并且成本低廉。
[0016]在一較佳實施例中，本發明可使用兩個或是兩個以上的纏繞層，亦可使用單一纏繞層并且立即形成數字”8”的圖形。
[0017]在一較佳實施例中，所述至少一纏繞層中的最上層纏繞層以一數字” 8”的圖形環繞于所述復數齒型部件，所述交錯部形成于所述針狀通道中。
[0018]在一較佳實施例中，所述定子包括12個溝槽或是(12+n*6)個溝槽，其中η為自然數。然而其它數量的溝槽亦適用于本發明。
[0019]在一較佳實施例中，所述至少兩個纏繞線圈具有相反的纏繞方向。
[0020]在一較佳實施例中，所述至少兩個纏繞線圈的第一纏繞線圈是利用所述纏繞導線的導線橋接結構連接所述至少兩個纏繞線圈的第二纏繞線圈。
[0021 ] 在一較佳實施例中，所述至少兩個纏繞線圈是兩種不同的纏繞導線。
[0022]在一較佳實施例中，所述針型卷線器具有至少一針狀元件或是同時具有至少兩種針狀元件。
[0023]在一實施例中，若是定子具有12個溝槽，針型卷線器可同時使用6個針狀元件進行纏繞，以提高針狀通道的填滿程度，同時增加針型卷線器的生產力。
[0024]在一實施例中，本發明的電機纏繞線圈的方法適用于電機的線圈纏繞載具，所述電機的所述線圈纏繞載具是所述電機的定子，亦可適用于其它纏繞載具的線圈。
[0025]在一實施例中，本.發明的電機體積更小、重量更輕，特別適用于驅動各種馬達車輛的功能性單元，例如自動化傳送單元、窗戶升降器以及調整驅動器，特別是使用這類型電機的馬達車輛，重量的減輕的效果格外顯著，進而降低二氧化碳的排放量。
[0026]本發明的電機適用于自行車，例如是自行車的發電機。
【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0027]本發明上述目的、特征及優點將結合以下詳細說明與所附圖式具體呈現。
[0028]圖1是本發明實施例中電機的平面示意圖。
[0029]圖2是根據圖1電機的線圈纏繞分布的纏繞剖面示意圖。
[0030]圖3是根據圖2的線圈纏繞分布中一個齒型對周圍的兩個纏繞線圈的示意圖。
[0031]圖4是根據圖1的第一實施例中電機的線圈纏繞分布的纏繞剖面示意圖。
[0032]圖5是根據圖4的線圈纏繞分布中一個齒型對周圍的兩個纏繞線圈的示意圖。
[0033]圖6是根據圖1的第二實施例中電機的線圈纏繞分布的纏繞剖面示意圖。
【【具體實施方式】】
[0034]以下，本發明的實施例將參照附屬圖來具體描述。在下面的描述過程中，同樣的元素雖然它們在不同的圖中出現，但會被作為相同的參考數字。
[0035]圖1是本發明實施例中電機(electric machine) I的平面示意圖。
[0036]在一實施例中，電機I建構成為無刷式(brushless)永久磁鐵馬達,所述無刷式永久磁鐵馬達包括定子(stator) 2，所述定子2設有環型軛(yoke) 3，復數個指向齒型部件(pointing teeth)4以徑向朝內方式依附于所述環型軛3，所述復數個指向齒型部件4也可視為個別的齒型部件。在本發明的實施例中，每一齒型部件4的內側端部可視為齒型頭部4a，具備復數個指向齒型部件4的定子2用以形成線圈的纏繞載具。在每兩個齒型部件之間，用于纏繞導線的線圈的纏繞腔室(chamber) 5是固定環繞于齒型部件4的周圍，每個纏繞腔室5延伸垂直于圖示平面并且沿著半徑方向向內(中心)呈現錐形狀，每兩個齒型頭部4a之間形成一溝槽6，所述復數個指向齒型部件4環繞包圍轉子7，所述轉子7設置于所述定子2內，使得轉子7以馬達軸8為中心作轉動。在所述轉子7的周圍表面包括有變換磁極的磁鐵9。
[0037]在一實施例中，定子2的齒型部件4的數量是12個，定子2的溝槽6例如是18個、24個或是(12+n*6)個，n為自然數。
[0038]電機I用于至少一單相的纏繞線圈，如本發明的圖示，其為具有U，V, w纏繞串(winding strands)的三相(three-phase)纏繞線圈。在一實施例中，定子2或是外圍定子的纏繞線圈是利用針型卷線器(needle winder)所制造。
[0039]圖2是根據圖1中電機I的定子2的線圈纏繞分布的纏繞剖面示意圖。所述定子2的纏繞線圈是利用針型卷線器(needle winder)所制造，所述針型卷線器包括一針狀元件(needle)。
[0040]所述定子2的齒型部件4為延長的矩形，以參考數字指出三個u，v，w纏繞串(winding strands)之間的關系,纏繞導線14u, 14v, 14w以不同的圓圈記號作區隔,每個纏繞導線14u, 14v, 14w形成個別的纏繞線圈WG1...WG2于兩個齒型對(tooth pair)的一齒型部件4，如以下分析所述。所述纏繞導線14u圍繞齒型部件4ul形成第一纏繞線圈WGl ；串聯于第一纏繞線圈WGl的第二纏繞線圈WG2圍繞齒型部件4ul鄰近的齒型部件4u2 ;通過偏移150度，所述纏繞導線14u圍繞齒型部件4u3形成第三纏繞線圈WG7，并且第四纏繞線圈WG8圍繞齒型部件4u3鄰近的齒型部件4u4。
[0041]同樣地，所述纏繞導線14v圍繞齒型部件4vl形成第一纏繞線圈WG3 ;串聯于第一纏繞線圈WG3的第二纏繞線圈WG4圍繞齒型部件4vl鄰近的齒型部件4v2 ;通過偏移150度，所述纏繞導線14v圍繞齒型部件4v3形成第三纏繞線圈WG9，并且第四纏繞線圈WGlO圍繞齒型部件4v3鄰近的齒型部件4v4。
[0042]同樣地，所述纏繞導線14w圍繞齒型部件4wl形成第一纏繞線圈WG5 ;串聯于第一纏繞線圈WG5的第二纏繞線圈WG6圍繞齒型部件4wl鄰近的齒型部件4w2 ;通過偏移150度，所述纏繞導線14w圍繞齒型部件4w3形成第三纏繞線圈WG11，并且第四纏繞線圈WG12圍繞齒型部件4w3鄰近的齒型部件4w4。
[0043]在一實施例中，齒型部件4ul...2，4vl...2，4wl...2，4u3...4，4v3...4，4w3...4形成復數個齒型對(tooth pair)。
[0044]每一個纏繞串(winding strands)(即三個u, v, w中任一個)包括四個個別的纏繞線圈(winding)。
[0045]所述復數個纏繞線圈WGl...12相對應設置于纏繞腔室(chamber) 5內，在一實施例中，每個纏繞腔室5設有兩個纏繞部(portion)，兩個纏繞線圈之間形成一自由空間，用以設置一針狀通道(needle channel) 10,并且所述自由空間以一延長矩形表示之。針狀通道10依據針型卷線器的纏繞針所設計，用以制造出纏繞線圈WGl...12。參考數字S1...S12用以標示制造纏繞線圈的個別步驟。針狀通道10的寬度是依據針型卷線器的針狀元件的數量而定，如圖2所示，針型卷線器只包括一個針狀元件(needle)。[0046]在一實施例中，每個纏繞線圈WGl...12是由三個迭靠在一起的纏繞層(windinglayer) 11, 12，13所組成，依據設置方式不同，纏繞層的數量可增加或是減少
[0047]第一、第二纏繞層11，12延伸超出個別齒型部件4的四分之三的長度，第三纏繞層13 (即，最后一層或稱為上層)僅形成一部份的纏繞腔室5。
[0048]圖3是根據圖2的線圈纏繞分布中一個齒型對4ul，4u2周圍的兩個纏繞線圈WGl, WG2的示意圖。
[0049]本發明具有一導線起始端部14a的一纏繞導線14以第一纏繞方向(例如是逆時鐘方向)環繞于齒型部件4ul而形成三層纏繞層11，12，13 ;利用第一纏繞線圈WGl的一纏繞部填入于齒型部件4ul與針狀通道10之間的纏繞腔室5。接著，所述纏繞導線14連續形成導線橋接結構(wire bridge) 14b至鄰近的齒型部件4u2,并且纏繞導線14以順時鐘方向環繞于齒型部件4u2而形成三層纏繞層11，12，13 ;利用第二纏繞線圈WG2的一纏繞部填入于齒型部件4u2與針狀通道10之間的纏繞腔室5，使得針狀通道10被保持。纏繞導線14的導線末端14c從纏繞腔室5穿過出來并且進入下一個相關的齒型對4u3，4u4。在上述的導線纏繞過程中，針型卷線器的針狀元件移動穿過針狀通道10。
[0050]圖4是根據圖1的第一實施例中電機I的線圈纏繞分布的纏繞剖面示意圖。
[0051]所述針型卷線器包括一針狀元件(needle)。
[0052]相較于圖2的線圈纏繞分布，圖4的第一實施例六個針狀通道IOa以及六個半針狀通道IOb被填充以纏繞結構。在此實施例中，當通過執行中間步驟Zl...Z12來執行每兩個步驟 S1...2，S3...4，S5...6，S7...8，S9...10，Sll...12 時，在齒型對 4ul...2，4vl...2，4wl...2，4u3...4，4v3...4，4w3...4的最后一層纏繞層13被纏繞完成，使得齒型部件與齒型對 4ul...2，4vl...2，4wl...2，4u3...4，4v3...4，4w3...4 之間的針狀通道 IOa 被完全填充。因而在齒型對 4ul...2，4vl...2，4wl...2，4u3...4，4v3...4，4w3...4 的每個半針狀通道IOb被填充一半(half-filled)。
[0053]圖5是根據圖4的線圈纏繞分布中一個齒型對4ul，4u2周圍的兩個纏繞線圈WGl, WG2的示意圖。
[0054]根據本發明的方法，在第一方法步驟中，纏繞導線14的導線起始端部14a以第一纏繞方向環繞于第一齒型部件4ul而形成兩層纏繞層11，12 ;利用第一纏繞線圈WGl的一纏繞部填入于第一齒型部件4ul與針狀通道IOa之間的纏繞腔室5。接著，在第二方法步驟中，所述纏繞導線14連續形成導線橋接結構(wire bridge) 14b至鄰近的齒型部件4u2,并且纏繞導線14以順時鐘方向環繞于第二齒型部件4u2而形成兩層纏繞層11，12 ;利用第二纏繞線圈WG2的一纏繞部填入于齒型部件4u2與針狀通道IOa之間的纏繞腔室5，使得針狀通道IOa被保持。
[0055]接著，在第三方法步驟中，所述纏繞導線14通過”8”圖形(水平方向)之方式，以環繞于第二齒型部件4u2與第一齒型部件4ul，以作為第三纏繞層(或是最上層纏繞層)(如虛線所示)13。在此實施例中，當完成第二齒型部件4u2的第二纏繞線圈WG2的第二纏繞層12之后，所述纏繞導線14的第一交錯部14d從第二齒型部件4u2穿過纏繞腔室5返回針狀通道10a，以再次朝向第一齒型部件4ul的起始端部14a，并且依據逆時鐘方向環繞所述第一齒型部件4ul到達針狀通道IOa ;然后所述纏繞導線14的第二交錯部14e通過針狀通道10a，其中所述纏繞導線14的第二交錯部14e與第一交錯部14d在針狀通道IOa交錯。接著，所述纏繞導線14進一步以順時針方向環繞所述第二齒型部件4u2，以完成”8”圖形(水平方向)。持續執行環繞齒型對4ul...2的兩個齒型部件的”8”圖形(水平方向)，直至完成第三纏繞層(或是最上層纏繞層)13。第一交錯部14d以及第二交錯部14e完全填滿針狀通道IOa并且形成交錯部15 ;接著，纏繞導線14的導線末端14c從纏繞腔室5穿過出來并且進入下一個相關的齒型對4u3, 4u4。
[0056]上述之方法步驟適用于全部的齒型對4ul...2，4vl...2，4wl...2，4u3...4，4v3...4，4W3...4o
[0057]圖6是根據圖1的第二實施例中電機I的線圈纏繞分布的纏繞剖面示意圖。
[0058]相較于圖4的第一實施例中線圈纏繞分布，圖6的針狀通道IOa完全被填滿，其是以具備六針狀元件的針型卷線器來制造上述的線圈纏繞分布。通過同步以六個針狀元件進行纏繞，所有的針狀通道IOa被填滿并且每個針狀通道IOa包括交錯部15。在一實施例中，六針狀元件中的三個針狀元件的方向為順時鐘纏繞方向，另外三個針狀元件的方向為逆時鐘纏繞方向。
[0059]本發明也適用于大于4個纏繞線圈(winding),例如6個、8個、10個等，以用于每個纏繞串(即三個U，V, W中任一個)。通常來說，一個纏繞串(即三個U，V, W中任一個)、或是大于三個纏繞串(即三個u，v，w)亦適用于本發明。
[0060]本發明的纏繞線圈可利用一個或是多個針狀元件的針型卷線器來制造。本發明的纏繞線圈方法可適用于一個或是多個溝槽。
[0061 ] 本發明的電機纏繞線圈的方法除了適用于定子之外，也適用于轉子。
[0062]本發明的電機纏繞線圈的方法除了適用于兩個齒型部件的串聯纏繞線圈之外，也適用兩個以上的齒型部件的串聯纏繞線圈，其中最上層纏繞層的結構例如是兩個、三個或是三個以上的呈”8”圖形(水平.方向)，例如兩個針狀信道IOa的三個鄰近齒型部件皆被填充以交錯部15。
[0063]雖然本發明的最佳實施例已經說明了用途，但是在本領域的技術人員不得脫離其說明書的范圍和發明的精神，來進行不同的修改、補充和替代。而本發明的實施例只是為了說明本發明的技術思想范圍，而不是僅僅限于本發明的實施例。本發明的范圍要根據附屬的權利要求，例如所有的技術想法包括等同于本發明的權利要求范圍，來進行解釋。
[0064]【主要組件符號說明】
[0065]
【權利要求】
1.一種電機，是無刷式永久磁鐵馬達，其特征在于，所述電機包括具有復數齒型部件的一定子，所述復數齒型部件具有至少一針狀纏繞串； 其中所述至少一針狀纏繞串具有至少兩個纏繞線圈設置于互相串連的所述復數齒型部件上； 其中所述至少兩個纏繞線圈中的每個纏繞線圈包括至少一纏繞層；以及 其中所述至少兩個纏繞線圈之間形成一針狀通道，通過所述至少兩個纏繞線圈的一交錯部以填充至少一部份的所述針狀通道。
2.如權利要求1所述電機，其特征在于，所述至少一纏繞層中的一最上層纏繞層以一數字” 8”的圖形環繞于所述復數齒型部件，所述交錯部形成于所述針狀通道中。
3.如權利要求1及2中任意一項所述電機，其特征在于，所述定子包括12個溝槽或是(12+n*6)個溝槽，其中η為自然數。
4.如權利要求1及2中任意一項所述電機，其特征在于，所述至少兩個纏繞線圈具有相反的纏繞方向。
5.一種電機纏繞線圈的方法，其利用針型卷線器，所述電機是無刷式永久磁鐵馬達，其特征在于，所述電機纏繞線圈的方法包括下列步驟: (50)提供一線圈纏繞載具，所述線圈纏繞載具具有復數齒型部件，所述線圈包括至少兩個纏繞線圈設置于互相串連的所述復數齒型部件上，所述至少兩個纏繞線圈中的每個纏繞線圈包括至少一纏繞層； (51)利用一纏繞導線環繞所述復數齒型部件的一第一齒型部件，以制造出所述至少兩個纏繞線圈中的第一個纏繞線圈的所述至少一纏繞層； (52)利用所述纏繞導線環繞所述復數齒型部件的一第二齒型部件，以制造出所述至少兩個纏繞線圈中的第二個纏繞線圈的所述至少一纏繞層；以及 (53)利用所述纏繞導線環繞所述第二齒型部件以及所述第一齒型部件，以制造出所述至少一纏繞層中的一最上層纏繞層。
6.如權利要求5所述電機纏繞線圈的方法，其特征在于，在步驟(S3)中，所述纏繞導線以一數字”8”的圖形環繞所述第二齒型部件以及所述第一齒型部件。
7.如權利要求5及6中任意一項所述電機纏繞線圈的方法，其特征在于，所述至少兩個纏繞線圈的一第一纏繞線圈是利用所述纏繞導線的一導線橋接結構連接所述至少兩個纏繞線圈的一第二纏繞線圈。
8.如權利要求5至7中任意一項所述電機纏繞線圈的方法，其特征在于，所述至少兩個纏繞線圈是兩種不同的纏繞導線。
9.如權利要求5至8中任意一項所述電機纏繞線圈的方法，其特征在于，所述針型卷線器具有至少一針狀元件或是同時具有至少兩種針狀元件。
10.如權利要求5至9中任意一項所述電機纏繞線圈的方法，其特征在于，所述電機的所述線圈纏繞載具是所述電機的一定子。
【文檔編號】H02K3/18GK103444056SQ201280014799
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2012年1月18日 優先權日:2011年1月24日
【發明者】斯特凡·克爾 申請人:布羅斯汽車零件維爾茨堡兩合公司