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三、空心杯线圈设计与生产

（一）线圈设计：三大主流设计各有千秋

空心杯电机线圈常用到三种设计—直绕组、斜绕组、菱形绕组。

菱形绕组设计为省材，功耗也小。刘明豪在《永磁直流有shua空心杯电机设计》中对 比分析了不同线圈设计的空心杯电机在 maxwell3d 中的铜损。当铜损达到稳定后，菱 形绕组的铜耗小，斜绕组次之，直绕组铜耗大。从根源上分析，绕组铜线的铜耗来源于导线中的电阻。在材料相同的情况下，绕组跨距都为 180°，由于直绕组的轴向边距离较长，所需的铜线尺寸长，因此铜耗大。而斜绕组在拐角处距离略长于菱形绕组，长度接近但铜耗略大于菱形绕组，因此菱形绕组为省材料，功耗也小。

绕制工艺方面，斜绕组更适合手动绕制而成，直绕组难度次之，菱形绕组手动绕制较难，一般需要借助特定的绕线机工艺设备完成。手动绕制过程中人为误差较大，且进行多边形绕制与固定时更易精度不够、产生形变，会降低绕组的空间密度、形状规范，从而会影响到绕组发挥电磁转换的作用。世界企业的空心杯电机多采用机械进行菱形绕制方式。前人设计中，直绕组内的气隙区域较大，空心杯轴向较长或者且额定功率较大的 电机中多采用此设计。

（二）线圈绕制工艺：“绕卷式”虽易，“一次成型”更佳

生产空心杯电机的关键在于空心杯线圈的绕制方式，目前主要有绕卷式生产和一次性绕 制成型两种生产方式。

1、绕卷式生产工艺

绕卷式生产主要由送线、坯线圈绕制、板坯成型、卷制成型四大步骤组成，下面以刘青星在《基于小样本学习的空心杯线圈质量控制研究》中的贵州某企业的高精度空心杯线 圈智能制造生产线为例，介绍绕卷式生产的工艺流程。

送线：坯线圈绕制过程中，漆包线所受的张力将影响坯线成型松散程度，对后续的板坯压制、卷制成型过程均有不同程度的影响。因此，采用伺服磁阻尼张力器进行漆包线张力控制，磁阻尼张力器以永磁体产生的磁场为媒介，传递恒定扭矩进行张力控制。坯线圈绕制：经过张力控制器的张力调节，空心杯线圈绕线机将漆包线绕制成一定匝数和引线脚数的坯线圈。棱形卷制柱将漆包线绕制到恒定匝数时，便停止旋转，左右两边的压平板对棱形卷制柱上的线圈进行搓平，同时钩针上升钩下漆包线并进行旋转，形成一根引线。重复上述过程，当坯线圈的匝数与引线数达到设置值时，坯线圈成型。

板坯成型：坯线圈形成后，空心杯线圈压扁装置从棱形卷制柱上夹取坯线圈，通过夹具上的涂胶加热以及夹具的压力定型，将坯线圈压制为板坯并将坯线板放置在线圈成型装 置上，进行卷制成型。

卷制成形：工装夹具沿导轨运动，将压制好的板坯送至线圈卷圆装置中，由四个模具及中间的卷制圆柱对板坯进行加热、加压定型，进而将板坯卷制成线圈。通过设定四个模具定型时的压力、定型温度、定型时间等关键工艺参数，保证线圈的成型质量。线圈卷制完成后，取料夹具将空心杯线圈从卷制圆柱上取下，并放置在图片采集平台上，以便 对其进行外观缺陷检测。

2、一次成型生产工艺

一次成型技术为全自动化生产，绕线机为核心设备。一次成型生产技术利用空心杯线圈绕制设备一次绕制成型，绕线机降铜线按照既定的规则缠绕在主轴上，一次成型，全程 依靠绕线机工作，属于全自动化生产。一次成型技术主要分为加工准备、绕线、抽头三步，由绕线机的六大模块相互配合完成。通过分析线圈的结构可以将绕线机的机械结构分为六个模块：主运动模块、排线模块、摆线模块、加热模块、抽头模块、剪断模块。其中加工准备主要由加热模块完成，绕线主要由主运动模块、排线模块和摆线模块相互协调完成，抽头主要由抽头模块和剪断模块 完成。

加热模块负责加热自粘线导线以实现导线间的粘结。空心杯线圈绕线机采用自粘线导线作为生产原材料。采用自粘线导线生产线圈时需要设计加热装置，裴新平在《空心杯线圈绕线机设计》中采用热风加热。将加热模块设计成伸缩结构。需要加热时将热风口伸 出至指定位置，实现加热。

主运动模块负责实现芯轴的旋转。以一个芯轴按照一定规律的旋转运动作为空心杯线圈绕线机的主运动；芯轴充当缠绕线圈时的载体，芯轴的外径决定了空心杯线圈的内径。排线模块负责控制导线按一定的规律排列。空心杯线圈是由紧密排列的导线构成的。所以空心杯线圈成型过程中需要导线按照一定的规律排列。而单独靠做旋转运动的芯轴并不能完成排线功能，因此绕线机需要设计单独的排线单元。通过仔细观察线圈可知空心杯线圈是由重复的导线回路构成的，各个回路的形状理论上是一致的，也就意味着排线过程中主轴旋转一周排线机构与主轴在主轴圆柱表面的交点沿圆柱周向移动一个固定值（该值由所要加工的线圈匝数和线圈内径决定），即排线机构与主运动机构存在固定的相位差，该相位差根据所加工的线圈匝数、内径的不同而不同；绕线机的主运动为回转运 动，所以排线机构也设计为回转运动。

摆线模块负责控制线嘴的运动，与主运动模块一起决定了导线的缠绕方式。空心杯线圈的导线轴线可以简化为两个空间正交的直线和圆柱体在圆柱体表面的交点的轨迹，主运动的芯轴即为该圆柱体，摆线结构的线嘴的轴线即为该直线。摆线机构带动线嘴机构往复摆动，线圈的长度即为线嘴部分的摆动范围。摆线机构与主轴的运动规律共同决定了 空心杯线圈导线的缠绕方式。

抽头模块负责在指定位置留出抽头。抽头模块主要由伸缩机构、勾头、抽头电机组成，空心杯线圈需要在指定位置留出抽头。在加工过程中，可以通过在指定位置暂停主运动和摆线运动，将导线拉出一定长度的方式实现在指定位置留有抽头的目的。为此设计抽头模块，为避免运动干涉同样将抽头模块设计成伸缩形式。

剪断模块负责在抽头和加工完成后剪断导线。空心杯线圈绕线机所采用的原材料导线为成捆的整根导线。因此在抽头和加工完成后均需要剪断导线，方便拨叉将线圈推出，为tigao生产效率和自动化程度，将剪断模块也设计成自动化模块。

（三）技术壁垒：绕线工艺与设备

绕卷式生产工艺大多为手工或半自动化模式，生产设备要求较低但批量生产能力较差成品一致性差：传统的线圈绕线工艺采用手工布线，线圈在布线模中的定位是通过肉眼来判断是否均匀，线圈的均匀定位误差较大；而且由于手工绕制线圈，各个线圈之间存在误差。这种误差的存在，使得线圈重量、宽度均不一致，由此造成绕组成型后分布不 均匀，成品一致性差。生产效率低：采用该方法加工的空心杯电枢绕组贴成圆形后，后期还需要用刮板手工整形、对线圈进行手工整理，绕组两端手工整形，整理、固定浮线，操作工艺复杂，生产效 率低。无法绕制大功率电机线圈：绕卷式工艺只能生产线径为 0.2 以下的线圈，而较大功率电 机线径较粗，该工艺无法生产。

一次绕制成型工艺生产效率高、产品质量高，但对生产设备要求较高。日本、瑞士、德国等国研制空心杯电机的时间较早，现在都已具有高效而优良的生产设备，有能力进行自动化程度更高、人为干扰因素更少的一次绕制成型生产，tigao生产效率的同时tigao了 线圈的生产质量。