双绕双饼线圈绕制装置和绕制方法

摘要

本发明涉及一种双绕双饼线圈绕制装置和绕制方法。本发明装置主要包括：线圈绕制主轴[1]、定位夹板[2]、线圈绕制骨架[5]、定位螺母[6]，在轴连接榫[12]上安装有线圈绕制骨架[5]和两片定位夹板[2]，两片定位夹板[2]位于线圈绕制骨架[5]的左右两端；线圈绕制骨架[5]与左右的定位夹板[2]组成了中间分隔的两个宽度为D的圆周形缝隙，此缝隙为导线[4]绕制的嵌线空间；线圈绕制骨架[5]的线圈成型部分[9]的外型曲线为螺线。本发明线圈绕制采用线圈匝间直接压叠的渐开线式绕制方法。本发明可消除现有技术线圈绕制过程中产生的轴向渐变间距，并可消除导线搭接处的径向间隙，线圈的电流进出引线可置于线圈外层的任意位置。本发明可准确地控制线圈的轴向和径向尺寸。

说明书

技术领域

本发明涉及一种线圈绕制装置和绕制方法，特别涉及双绕双饼线圈绕制装置和绕制方法。

技术背景

日益精密的电子和控制领域需要越来越精密的线圈来满足不同的使用要求。但目前的线圈绕制方法很难同时满足对线圈尺寸和电磁特性的要求。

双绕线圈是把两根导线当作一根导线并排绕制在一个线圈中。这种线圈多用于需要在背景磁场上叠加磁场进行精密控制的领域，双绕线圈中的一根导线通主电流，另一根导线通过控制电流，实现对器件的精确控制。

常规螺旋绕制方法在线圈轴向会留有螺旋渐变间隙。如图1所示的常规螺旋单绕线圈的绕制装置，固定好导线4后先螺旋绕制线圈的第一层，由于螺旋线的渐进性，线圈在螺旋绕制过程中，线圈与定位夹板2之间的距离越来越小，当这个距离减小到一个导线宽度时，再进行螺旋绕制，导线不能嵌入缝隙，只能沿着间隙被抬升到上面的一层。绕制到第一层的结束时，导线由于螺旋间隙的挤压过渡到上面的第二层。因为无法使导线4紧紧贴在绕线主轴1的两个定位夹板2之间，开始绕制线圈的第二层时，在绕线的开始和结束部位，会产生零到一个线宽的螺旋渐变间隙3。为保证第二层的绕制平整度，在绕制第二层以前，需要填充此螺旋渐变间隙3。以此类推，每绕制一层线圈都需要在定位夹板2与导线4接触部位填充导线的螺旋渐变间隙3。这样绕制出来的线圈不仅外型尺寸很难控制，而且填充质量也难以保证。对于双绕线圈来说，如果按照螺旋绕制方式，由于需要并排绕制两根导线，所以产生的螺旋渐变间隙是单绕线圈的两倍。因此，上述缺点对于双绕线圈来说更为明显。

中国专利03208165.0 Bi系高温超导磁体双饼线圈绕线机，采用双饼线圈绕线机对Bi系高温超导带材绕制的双饼线圈，虽然克服了线圈轴向螺旋间距，但由于采用圆形结构的骨架，径向导线搭接处仍然会存在间隙。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种双线双饼线圈绕制装置及其线圈绕制方法，本发明线圈绕制装置可消除现有技术线圈绕制过程中产生的轴向渐变间隙，所设计的骨架可消除导线搭接处的径向导线搭接处的间隙。本发明线圈绕制工艺能够将两个饼形线圈绕制成型于一个骨架上，线圈的电流进出引线可置于线圈外层的任意位置。在满足线圈电磁特性设计要求的前提下，本发明可准确地控制线圈的轴向和径向尺寸，绕制出符合需要的双绕线圈。

本发明线圈绕制装置主要包括：线圈绕制主轴、定位夹板、线圈绕制骨架、定位螺母。线圈绕制主轴由线圈绕制轴夹持部分，轴连接榫，紧固螺栓构成。线圈绕制轴夹持部分固定在绕线机转盘上，带有轴连接榫的一端背离绕线机转盘。轴连接榫上安装了线圈绕制骨架和两片定位夹板，两片定位夹板分别位于线圈绕制骨架的左右两端。线圈绕制骨架与左右两边的定位夹板组成中间分隔的两个宽度为D的圆周形缝隙，此缝隙为导线绕制的嵌线空间。紧固螺栓上安装有定位螺母进行紧固定位。线圈绕制骨架由双饼线圈过线孔、轴连接孔、线圈成型部分，双饼线圈隔离板组成。在线圈绕制骨架的中间开有通孔，为轴连接孔。轴连接孔用于连接线圈绕制骨架和主轴。双饼线圈隔离板上开有双饼线圈过线孔，用于穿过两个饼形线圈的连接导线。线圈成型部分为以双饼线圈隔离板侧表面为基准加工出的外型曲线为螺线厚度为D的凸台。双饼线圈隔离板两个侧面各加工出一个线圈成型部分。

线圈成型部分的厚度要求为： $>>D>=>2>>(>d>+>\sigma >/>1000>)>>\times >>(>1>+>k>>\sigma >>/>>1>+>\sigma >>)>>,>>>其中，D：线圈成型部分的厚度；d：导线直径(单位毫米)；\sigma ：挂绝缘漆后导线的直径尺寸允许误差最大值(单位微米)；k：补偿系数。$

线圈成型部分的厚度过大会造成线圈产生垂直错位甚至螺旋间隙，厚度过小会使得线圈的并排嵌入困难。

本发明线圈成型部分的外型曲线为螺线。螺线的设计符合螺线方程ρ＝R+d·θ/2(π-)，0≤θ≤2(π-)。其中ρ：极径，R：螺线起始处极径，d：导线直径，：半径为(d+2R)/2的圆上，弧长d对应的圆心角(弧度)。θ：极角。这样的结构可使线圈第一匝绕制在线圈成型部分上以后与线圈成型部分组成一个整圆，消除导线搭接处的径向间隙。

应用本发明双线双饼绕制装置的线圈绕制方法，采用线圈匝间直接压叠的渐开线式绕制方式。绕制完第一匝线圈后，第二匝线圈直接压叠在第一匝线圈之上，不需螺旋过渡。线圈成型部分的厚度D是在考虑导线的尺寸误差以及导线弯曲曲率半径的基础上得到的，可保证线圈在绕制过程中，线圈不会出线螺旋渐进的情况。因此这样的设计可以让导线顺利地嵌入线圈绕制骨架与定位夹板之间的缝隙，使得剩余的空间不会使导线产生螺旋，而且便于涂胶固化成型。

线圈绕制完成后，进出线均在线圈的最外层，用户可以根据线圈的安装位置将线圈的进出线端放置在线圈最外层的任意位置，使线圈使用时的连线位置变得十分灵活。

本发明绕制方法工艺步骤如下：

(1)准备两轴导线，每轴导线分别放开一半绕制在另一个线轴上，即形成四轴线，每两轴线连在一起，由此形成两组导线。

(2)固定每组导线中的一轴线于绕线转盘上，让另一轴可以转动放线。如此可以有两轴线转动，可以绕制一个双绕线圈。

(3)用定位螺母将两个定位夹板和线圈绕制骨架固定。在双饼线圈过线孔中并排放入两组导线，将导线在靠近定位螺母一侧的线圈成型部分上根据线圈成型部分曲面走向排好线后开始绕制一个双绕线圈。可以用适当厚度的四氟板从定位夹板与双饼线圈隔离板构成的缝隙中，由上端对线圈进行下压排线。

(4)绕到设计的匝数后，将绕完单饼线圈的进线端固定，去掉多余的导线。

(5)将固定于绕线盘上的两个线轴放开，在已经绕制完成的双绕线圈对侧线圈成型部分上根据曲面走向排好线，绕制第二个线圈。

(6)用适当厚度的四氟板从夹板与双饼线圈隔离板间的缝隙中，从上端对线圈进行下压排线，绕制第二个线圈，将线圈的出线端固定，去掉多余的导线。

(7)在线圈内滴入环氧树脂胶让线圈在绕线机上旋转固化48小时，最后放入烘箱烘烤24小时固化成型。

(8)松开定位螺母，脱掉定位夹板，取出绕制成型于线圈绕制骨架上的线圈。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1为现有技术螺旋单绕线圈的绕制办法示意图，图中：1线圈绕制主轴、2定位夹板、3渐变螺旋间隙、4导线；

图2为本发明双绕双饼线圈绕制装置示意图，图中：5线圈绕制骨架、6定位螺母；

图3为线圈绕制骨架5的结构示意图。图中：7双饼线圈过线孔、8轴连接孔、9线圈成型部分、10双饼线圈隔离板；

图4为本发明双绕双饼线圈绕制装置线圈绕制主轴1结构示意图，图中：11线圈绕制轴夹持部分、12轴连接榫、13紧固螺栓；

图5为本发明双绕双饼线圈绕制装置定位夹板2结构示意图；

图6为绕制成型后带有骨架的线圈示意图，其中图6a为等轴测视图，图6b为俯视图，图中：14双饼线圈连接导线。

具体实施方式

图2为本发明双绕双饼线圈绕制装置示意图。本发明双线双饼线圈绕制装置主要包括：线圈绕制主轴1、定位夹板2、线圈绕制骨架5、定位螺母6。如图2所示，线圈绕制主轴1的可夹持部分11固定在绕线机转盘上，线圈绕制主轴1一端的正方形四棱柱体结构为轴连接榫12，线圈绕制主轴1带有轴连接榫12的一端背离绕线机转盘。在轴连接榫12上安装有线圈绕制骨架5和两片定位夹板2，两片定位夹板2分别位于线圈绕制骨架5的左右两端。线圈绕制骨架5与左右的定位夹板2组成了中间分隔的两个宽度为D的圆周形缝隙，此缝隙为导线4绕制的嵌线空间。紧固螺栓13上安装有定位螺母6进行紧固定位。

线圈绕制骨架5的结构如图3所示。线圈绕制骨架5由双饼线圈过线孔7、轴连接孔8、线圈成型部分9、双饼线圈隔离板10组成。整个线圈绕制骨架可采用整块环氧板加工制作或采用模具加工环氧树脂一次成型。线圈成型部分9为以双饼线圈隔离板侧表面为基准加工出的外型曲线为螺线厚度为D的凸台。双饼线圈隔离板10两个侧面各加工出一个线圈成型部分9。两个线圈成型部分9的外型螺线向其所在的侧面投影所得均为逆时针方向旋转螺线，侧面正视，螺线起始于其所在侧面上双饼线圈过线孔7的左边线，终止于双饼线圈过线孔7的右边线。线圈成型部分9凸台表面上绕制线圈主体。在线圈成型部分9的中间开有通孔，为轴连接孔8。轴连接孔8用于连接线圈绕制骨架5和线圈绕制主轴1。双饼线圈隔离板10上开有双饼线圈过线孔7，用于穿过两个饼形线圈的连接导线。

图4为线圈绕制主轴1。轴连接榫12的表面喷涂四氟塑料。线圈绕制轴夹持部分11同绕线机旋转盘连接，轴连接榫12上安装两片定位夹板2和线圈绕制骨架5，两片定位夹板2位于线圈绕制骨架5的左右两端。紧固螺栓13安装定位螺母6，用于定位并卡紧安装定位夹板2和线圈绕制骨架5。

图5为定位夹板2的结构示意。定位夹板2采用四氟塑料或在金属圆盘表面喷涂四氟塑料薄膜制作而成，中间开有轴连接孔8，轴连接孔8用于连接定位夹板2和线圈绕制主轴1。

图6为绕制成型后带有线圈绕制骨架5的线圈示意图。绕制完成的双饼线圈成型于骨架5上，通过双饼线圈连接导线14连接两个单饼线圈。

本发明需要绕线机作为动力机构，将主轴可夹持部分11夹持在绕线机上。

本发明装置适用于绕组不同线径的导线，所以线圈绕制主轴，定位夹板和线圈绕制骨架的尺寸要根据绕制中使用的导线线径来确定。

本发明试验装置的具体参数如下(以下参数单位不做特殊说明均为毫米)：

线圈绕制主轴1选用Φ16×200不锈钢棒材为加工材料。在棒材一端依次从端面向内加工出符合GB的M5×7的紧固螺栓13和5×5×L的四棱柱形轴连接榫12，L＝2T_j+T_g。紧固螺栓13、轴连接榫12与不锈钢棒材的同轴度在0.01毫米以内。

定位夹板2为中间打5×5透孔的四氟塑料圆柱，透孔为轴连接孔8。对于不同线径的线材，定位夹板2的外径D_j由绕线匝数n，导线直径d以及线圈成型部分9的终止极径t来确定，它们之间的关系可以表示为：D_j＝2nd+t。定位夹板2的厚度T_j可根据导线的线径来选择。

线圈绕制骨架5用环氧材料制作，由双饼线圈隔离板10、线圈成型部分9、双饼线圈过线孔7、轴连接孔8组成。其中双饼线圈隔离板10为直径D_j、厚度2d的圆柱体。双饼线圈隔离板10的柱面上切出的一个宽2.2d的贯通开口为双饼线圈过线孔7，开口深度从双饼线圈隔离板10侧圆表面延伸至线圈绕制骨架成型部分9的上表面。以双饼线圈隔离板10的两个侧面为基准，各加工出一个厚度为D的螺线形凸台形成线圈成型部分9。选定绕制导线后，根据导线参数按照公式： $>>D>=>2>>(>d>+>\sigma >/>1000>)>>\times >>(>1>+>k>>\sigma >>/>>1>+>\sigma >>)>>>>设计厚度D。对于圆形截面直径在5mm-1mm之间的铜导线或者超导线材，补偿系数k取0.1，直径在1mm及以下的铜导线或者超导线材，k取0.05。凸台外型曲线符合方程\rho ＝R+d·\theta /2(\pi -)，0\le \theta \le 2(\pi -)。该螺线形凸台的起始极径为R，终止极径为t且螺线按照逆时针方向分别起始和终止于双饼线圈过线孔7的左右两个侧边；线圈绕制骨架5的中间开有5\times 5正方形透孔为轴连接孔8。整个线圈绕制骨架5的厚度T$_g＝2(d+D)。

紧固螺母使用GBM5螺母，使用时配用标准垫片。

用直径1毫米，σ＝4微米的线材绕制线圈，设计绕制匝数为6匝。绕制装置的尺寸参数如下：

线圈绕制主轴部件：Φ16×200mm不锈钢棒材，在主轴一端依次从端面向内加工出5×5×16.18mm的正方形轴连接榫和符合GB的M5×7mm的紧固螺栓。

定位夹板部件：厚度T_j＝5mm，中间打5×5mm透孔，外径28mm。

线圈绕制骨架部分：线圈成型部分厚度为2.09mm，螺线起始极径15mm，终止极径16mm。双饼线圈隔离板厚度2mm，外径28mm。线圈绕制骨架部分总体厚度T_g＝6.18mm，中间打5×5mm正方形透孔。

本发明绕制方法工艺步骤如下：

(1)准备两轴导线4，每轴导线4分别放开一半绕制在另一个线轴上，如此形成四轴线，并且每两轴线是连在一起的。由此，导线4分为两组。

(2)固定每组导线4中的一轴线于绕线转盘上，让另一轴可以转动放线。这样就可以有两轴线转动，可以绕制一个双绕线圈。

(3)用定位螺母6将两个定位夹板2和线圈绕制骨架5固定。在双饼线圈过线孔7中并排放入两组导线4，将导线4在靠近定位螺母6一侧的线圈成型部分9上根据线圈成型部分9曲面走向排好线后开始绕制一个双绕线圈。可以用适当厚度的四氟板从定位夹板2与双饼线圈隔离板10构成的缝隙中，由上端对线圈进行下压排线。

(4)绕到设计的匝数后，将绕完线圈的进线端固定，去掉多余的导线4。

(5)将固定于绕线盘上的两个线轴放开，放置在同绕制第一个线圈时线轴相对的位置。在已经绕制完成的线圈对侧线圈成型部分9上根据曲面走向排好线，绕制第二个线圈。

(6)用适当厚度的四氟板从定位夹板2与双饼线圈隔离板10构成的缝隙中，从上端对线圈进行下压排线，绕制第二个线圈，将线圈的出线端固定，去掉多余的导线4。

(7)在线圈内滴入环氧树脂胶，让线圈在绕线机上旋转固化48小时，最后放入烘箱烘烤24小时固化成型。

(8)松开定位螺母6，脱掉定位夹板2，取出绕制成型于骨架5上的线圈。至此，双饼线圈绕制完成。

线圈的固化时间比较长，而且固化过程中还需要占用绕线设备，生产效率低，可以在同一个主轴上绕制多个线圈，提高线圈绕制的效率。将轴连接榫11的长度加长，便可以在轴连接榫上以夹板间隔安装多个线圈绕制骨架5。在旋转固化已经绕制好的线圈的同时，绕制新的线圈。

另外，不同形状和尺寸的线圈绕制骨架5可以绕制出不同的线圈。设计不同要求的线圈，只需要重新设计新的骨架，这样的可复用结构提高了设备的利用率。

本发明可以精确控制线圈的外型尺寸和匝数，提高线圈绕制的效率。可应用于控制领域使用的环形，矩形，跑道形双绕线圈的研究及生产。线圈导线可以采用普通铜导线或者超导线材。