聊聊蜂房式線圈

蜂房式線圈現在已經很少見到了。其外形大致如圖(01)所示。

聊聊蜂房式線圈

圖(01)
  繞制蜂房式線圈的絕緣導線通常是多股漆包線(有7股、13股、19股等多種)絞合後外面再包紗或者包絲,叫做紗包線或者絲包線。
  網友對蜂房式線圈,主要關心兩個問題:一是這種線圈怎麼繞出來的,二是這種線圈和其它形式對比有什麼優點。
  先說蜂房式線圈是怎麼繞出來的。
  為說明蜂房式線圈是怎麼繞出來的,先要把線圈管剖開再展平,如圖(02)所示。
  圖(02)中,我們沿圓柱形線圈管軸向把線圈管剖開,然後把剖線上面部分捲到下面,如圖中紅色所示。這就把線圈管外表面展開成了一個矩形平面。注意:雖然上面部分捲到了下面,但這只是為了便於觀看,物理上並沒有剖開,距形的上邊緣和下邊緣仍然是聯接在一起的。


聊聊蜂房式線圈

圖(02)
  蜂房式線圈是用專用蜂房式繞線機繞成的,而且必須繞在圓管或圓軸上,方管不行。蜂房式繞線機有個繞線頭,絕緣導線要通過繞線頭再繞到線圈管上。繞線頭可以沿線圈管軸向擺動,線圈管每轉一圈(嚴格地說,每轉一圈多一點,後面會詳細說)繞線頭往復擺動一次。擺動是隨線圈管轉動而勻速擺動的。
  圖(03)就是線圈管展開後的中間部分。
  圖(03)中,藍色豎線是繞線頭沿線圈管軸向擺動的兩個極限位置。


聊聊蜂房式線圈

圖(03)
  繞線開始,先要把導線的頭O粘在線圈管上,如圖(03)中O處紅色箭頭所指。
  然後線圈管開始轉動,導線與線圈管接觸處記做轉動的0°,如圖中黑色箭頭所示。隨著線圈管轉動,導線隨繞線頭向圖中右邊移動。轉過半圈多一點(例如185°),到達繞線頭右極限位置,導線開始隨繞線頭向圖中左邊移動。向下移動到達下邊緣(注意這是展開圖,實際上是轉到了剖分線,亦即到達圖中上邊緣)。線圈管繼續轉動,越過0°之後,在370°也就是10°處到達繞線頭軸向移動的左極限位置,然後隨繞線頭向右移動。導線在越過0°後,就把導線的始端壓住,如圖中A處紅色箭頭所示。
  線圈管繼續轉動,到195°處,繞線頭到達右極限位置,開始向左移動。導線也隨繞線頭向左折回。在越過185°後,導線又把第1匝壓住,如圖中B處紅色箭頭所示。
  這樣繼續繞下去,每匝都越過前一匝一點並將前一匝壓住。這樣一直繞下去,直到繞滿需要的匝數為止。這種折回並壓住前一匝的方式,在圖(01)中看得很清楚。把圖(03)上下沿捲回到一起,就成了圖(01)那種繞法。
  現在,為什麼繞線頭不是線圈管每轉一圈往復移動一次,就看得很清楚了。繞線頭必須線圈管轉動一圈多一點往復移動一次,目的就是讓導線越過前一匝,並把前一匝壓住。


  那麼,這個“多一點”是多多少呢?
  圖(03)中,我們畫出了導線與線圈管軸向之間的角度。線圈管軸向我們用紅色線表示,導線和軸向之間的角度記為θ,那麼線圈管上兩匝相鄰的導線沿周向的距離是多轉的那“一點點”角度乘以線圈管半徑。此“導線沿周向的距離”必須大於等於導線直徑除以cosθ,這樣導線才不會重疊。多轉的“一點點”角度稍大是允許的,此時相鄰的兩匝導線並不密接,而是稍隔開一點距離。實際上,隨著導線不斷堆疊,繞線半徑逐漸增大,“導線沿周向的距離”也在增大。相鄰的兩匝導線之間的距離也在逐漸增大。
  蜂房式繞線機之所以能夠每轉多“一點點”角度,是靠一套複雜的齒輪系統實現的,換用不同的齒輪,就像汽車換檔,可以改變繞線頭往復移動的速度,繞成每層不同匝數的蜂房式線圈。繞線頭左右往復移動的距離也可以調節,便於繞制不同寬度的蜂房式線圈。
  蜂房式線圈可以疊繞多層,繞10層甚至20層也不會滑脫。這是因為:一、導線是紗包或者絲包,紗包線或者絲包線表面的摩擦遠比漆包線大。二、每匝導線轉折時都壓住前一匝導線。所以蜂房式繞法可以繞出堆疊得很高的線圈,而不必使用框架。當然,繞好後的蜂房式線圈通常都需要浸漬,把各匝線圈粘住,避免鬆散。圖(01)中就用了稀薄的清漆進行浸漬。

  其實,蜂房式繞法繞制的一個線圈,和圖(04)中的一格線圈是一樣的。只不過圖(04)是使用漆包線疊繞,沒有交叉,每匝導線並不能壓住前一匝導線,如果沒有檔牆,線圈就不可能堆疊那麼高。


聊聊蜂房式線圈

圖(04)
  圖(05)所示骨架,每格如果用絕緣導線繞滿,也就相當於一個蜂房式線圈。


聊聊蜂房式線圈

圖(05)
  蜂房式線圈也可以繞完一個後,沿軸向移動一段距離,再繞一個,乃至連續繞三個四個。圖(01)就是繞完一個蜂房式線圈後移動一段距離再繞一個。這就和用圖(05)那種骨架連續繞制多格完全一樣了。不同之處僅在於蜂房式繞法不必使用骨架。
  蜂房式線圈的歷史相當悠久,1933年創刊的《中國無線電》雜誌上面就有,那時的線圈甚至所有元器件都是進口的。估計在西方各國蜂房式線圈出現還要更早,可能20年代就出現了。


  為什麼那時要把線圈繞成蜂房式?
  理由非常簡單:那個時代,沒有鐵氧體,也沒有其它種類的可以用於高頻率(數十kHz到數MHz)的磁性材料,只能繞空心線圈。這樣,線圈的匝數必定比較多。如果單層平繞,線圈的體積勢必很大。要體積小,就只能繞成多層。還必須知道:那個時代,還沒有現在的各種熱塑性塑料如尼龍、聚苯乙烯、聚酯等等,只有酚醛這一種熱固性塑料。酚醛塑料製件加工麻煩,加工速度很慢,那時的模具加工技術也相當不發達,所以很難製作圖(05)那樣的骨架,也就很難繞製圖(04)那樣的線圈。又要匝數多,又要體積小,還沒有骨架,只好採用蜂房式的繞法,雖然蜂房式線圈的導線必須多股漆包線紗包或者絲包,導線製作麻煩,成本較高,蜂房式繞線機結構複雜,齒輪加工複雜,成本相當高。採用蜂房式繞法,那是不得已的辦法,是沒有辦法當中的辦法。
  現在有了導磁率相當高,高頻性能相當好的鐵氧體材料,線圈匝數不必繞那麼多,線圈的體積也就比較小。如果需要很多匝,也可以製作多格骨架,分段繞制以減小分佈電容。在現代,不必再採用紗包或者絲包線用蜂房式繞法繞線圈。
  某些網站上有手工繞制蜂房式線圈的帖子,甚至有用漆包線繞蜂房式線圈的。我要告訴網友:手工繞制蜂房式線圈很困難,雖然不是絕對繞不成。用漆包線繞制蜂房式線圈就更困難。而且,即使手工繞好了一個蜂房式線圈,這個蜂房式線圈的各種性能也不會比加鐵氧體磁芯的單層線圈或者多格線圈更好。


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