CN104604100A - 轴流电机 - Google Patents

Abstract

一种2p个极的轴流电机，包括由至少一对导体层组成的定子，其中以半相将印刷相布置到所述导体层上。

Description

轴流电机

技术领域

本发明涉及一种轴流电机。

背景技术

电机是将电功率变换为机械功率的设备。描述将限于旋转机器。本领域技术人员可容易地将本发明转换为线性机器。

电机由两个部分组成：称为转子的旋转部分和称为定子的固定部分。由在定子与转子之间产生的扭矩引起转子的旋转并向被驱动的设备提供机械功率。

电机在工业中和在诸如洗衣机或石英表的公共产品中具有许多应用。这些应用之一是电动汽车的推进。

图1示出由例如锂/离子/聚合物类型的电池16提供电能的电动汽车的图。所谓的控制电子器件10连接至电力电子器件11，继而连接至电机12。电机12通过传动装置14将其机械功率传送至机动车轮13。此传动装置可以通过电机轴、链条或传动带实现。可以在电机与传动装置之间插入变速箱。

在无刷电机的情况下，控制电子器件10适配注入到电机12中的电流的相位以使得其锁到由转子产生的旋转磁场的旋转相位上。例如连接到控制电子器件10的光学位置传感器15、或霍尔效应传感器可用于测量转子相对于定子的旋转角度，此测量被集成到控制环中。

本领域技术人员知道存在一个或多个电池、具有一个或多个传动装置的一个或多个电机以及一个或多个机动车轮的许多可能组合用于产生这样的设备的。

在一些情况下，可以通过将电机22集成到如图2中所示的机动车轮中而省略传动装置，。在此情况下，该机动车轮附接至电机的转子。此设备消除了机械损失以及传动系统的耗损件的更换成本。

电机的历史揭示第一台机器是轴流式的(专利US 405858N，特斯拉，1889年)。此类型的电机然后被充分利用以获得径向流电机的益处，直到最近高能磁铁的开发为止，诸如，重新唤起对此类型的机器的兴趣的称为《稀土》(于1983年首次公布)的NdFeB类型的磁铁。

轴流电机的特性是磁场的方向平行于电机的旋转轴。在径向上布置电流所经过的导体。

图3示出集成到车轮中的配置中的轴流电机30和永久磁铁(用于轴向磁通永久磁铁的AFPM)的示意部分。转子集成了永久磁铁31，其磁化和布置在轴向上产生交替磁场。磁化方向在两个连续极之间交替。在转子的完整旋转期间倒转磁化方向的次数称为极数。因为此数目是成对的，所以这是说电机具有2p个极点，p为整数。

定子由使得导体33跨过由转子形成的缝隙的绕组32构成，并且当电流穿过它们时产生扭矩。电流相对于由转子31的磁铁产生的磁场的取向穿过缝隙中的导体的方向对于由要被添加的导体的每段产生的扭矩来说是必须的。

交替地(alternatively)激活的、平均且有角度地分布的几个相产生恒定扭矩，而与转子相对于定子的位置角度无关。定子的相数目由m指定。在大多数情况下，m＝3。在三相定子的情况下，可以以星形或三角形组装(assemble)定子，星形配置是最常见的。

可以有利地使用印刷电路技术来制造轴流电机的定子和永久磁铁。

印刷电路包括交替的导电层和绝缘层的堆叠(stack)。用作绝缘基板的材料通常是以玻璃纤维加固的环氧树脂的复合材料。此基板提供用于支撑由得到的扭矩产生的应力所必须的机械阻力。所使用的导体通常是诸如铜或铝的金属。

图4示出两层印刷电路40的示意部分。通过化学光刻来蚀刻绝缘基板42上的导电层41，以再现优选图案(pattern)。金属化孔43在同一印刷电路的两个或多个导电层的图案之间形成电接触。在制造工艺完成时施加绝缘漆44。

图5示出四层印刷电路50的示例。在多层印刷电路的情况下，除了外部导电层55之外，通过将内部导电层51与绝缘基板52的层交替而添加内部导电层51。不同的组装配置是可能的。在所示配置中，金属化孔可以是通孔53(即，它们潜在地使所有穿过的层相接触)、或盲孔54(即，孔仅穿过基板52的一层，并且仅仅两个相邻导电层可以在此点连接)。对盲的金属化孔的兴趣是在相同坐标获得彼此隔离的几个连接点。

印刷电路行业目前制造2至12层的电路。当前使用的导体层的厚度从35微米变化到140微米。光刻技术产生道(track)之间数十微米量级的最小间距。

电子行业所制造的大多数印刷电路用于组装分离电子组件(电阻器、电容器、电感器、晶体管等)以及表面安装或横跨(traversing)的集成组件(处理器、存储器、电源管理电路等)。

发明内容

对于此申请，必要的电路的总厚度是极小的，最多为3毫米量级。因此，印刷电路的大多数制造设备被设计用于制造小于3毫米厚度的电路。

然而，在轴流电机的定子的情况下，此厚度限制可能限制电机的性能。实际上，对于给定的电流强度，定子的厚度越小，经过其的电流强度越大。当电流强度过大时，由于焦耳效应导致电路的温度上述可能损坏电路。如果大于3毫米的定子的厚度是必须的，则印刷电路的制造设备应当被适配，这将显著提高工具成本。

在此情况下，可以利用对极小厚度的印刷电路进行组装来制造更大厚度的定子，如图6中所示。组装的困难是导体在电路的中心具有它们的接入点。因此，除了通过使该堆叠中相邻电路的金属化孔63相对放置外，不可能将电路61、62彼此连接。继而通过被置于两个电路中相对的金属化孔中的导线64确保电路之间的接触，如图6中所示。例如，可以通过焊接或经由夹紧系统来形成导线64与金属化孔63之间的接触。

本发明的目的在于改正这些缺点中的至少一个。

为此，本发明的第一方面涉及一种2p个磁极的轴流电机，包括：转子；以及具有m个相的定子，定子包括至少一对导体层，在其上，以半相布置构成定子的相的导电道。

根据实施例，每个半相包括两组导电道；在定子的内边缘与定子的外边缘之间以径向配置布置每组导电道，使得半相的一组导电道的电流从定子的内边缘流向定子的外边缘，并且所述半相的另一组导电道的电流从定子的外边缘流向定子的内边缘。

每组导电道可以包括一个或多个导电道。

根据实施例，将半相的其中一组导电道印刷在一对导体层的一层上，并且将所述半相的另一组导电道印刷在所述对导体层的另一层上。

根据实施例，通过在定子的内边缘和外边缘附近布置的连接将半相的两组导电道互连。

根据实施例，定子的同一相的以及同一对导体层的两个半相通过弧度的角旋转而相对于彼此偏移。

根据实施例，电流到定子的一对导体层的半相的导电道的两个接入点通过弧度的角旋转而相对于彼此偏移，每个接入点与所述半相的末端(end)关联。

根据实施例，将半相的电流的接入点布置在定子的同一半径上。

根据实施例，所述半相的电流的每个接入点相对于所关联的末端偏移给定角。

根据实施例，半相的电流的接入点在径向上相对于末端偏移。

根据实施例，定子的导体层对在0或弧度的旋转之后彼此堆叠，并且通过现在相反的电流到半相的接入点而连接在一起。

根据实施例，以星形组装构成相的导电道，并且返回点用于将电流注入到定子中。

附图说明

以下，以已知的非限制方式参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1示意性地图示使用电机用于车辆的推进的示例；

图2示意性地图示使用电机用于车辆的推进的另一示例，其中将电机集成到机动车轮中；

图3示出轴流和永久磁铁电机的示例的示意剖面；

图4示出两层印刷电路的示意剖面；

图5示出四层印刷电路的示意剖面；

图6示出两个两层印刷电路的组装的示意剖面；

图7示意性地示出根据本发明的实施例的附接至转子的磁极的布置；

图8示意性地示出根据本发明的实施例的构成定子的半相的导电道的布置示例；

图9示意性地示出根据本发明的实施例的构成定子的同一相的两个半相的导电道的布置示例；

图10示出与图9的图等效的图；

图11a示意性地示出根据本发明的实施例的构成定子的同一相的半相的导电道上的接入点的布置；

图11b示意性地示出图9的图上的图11a的元件；

图12示意性地示出根据本发明的另一实施例的到附接于定子的构成半相的导电道的接入点的布置；

图13示出与图11和12等效的图；

图14示出根据本发明的实施例的等效于串联的两个电路的组装的图；

图15示出根据本发明的实施例的等效于并联的两个电路的组装的图；以及

图16示出根据本发明的实施例的等效于连接的定子的3个相的图。

具体实施方式

在其磁激励场由永久磁铁产生的电机的上下文中描述本发明的实施例，因为它们给出最佳性能。然而，本领域技术人员将认识到本发明适用于其它类型的磁激励。

为了呈现本发明的实施例，将参考图7和8描述对于定子的相的电机的转子的极以及定子的绕组的布置。在所述第一实施例中，电机的电子电路由两个导电层构成。这两个导电层可以是通过盲金属化孔连接的双层印刷电路的两层、或多层印刷电路的层中的两个。

图7示意性地示出根据本发明的至少一个实施例的示例的轴流电机的附接至转子10的磁极71的布置。在此实施例中的主磁化方向是轴向的。在转子70的中心的内边缘72与转子70的外边缘73之间以径向配置布置磁极71。内边缘72允许穿过用于定子的轴。

图8示意性地示出根据本发明的实施例的构成定子的相的半相的导电道的布置示例。定子的相的每个半相包括导电道81，其描述在定子82的中心与定子的外面(exterior)83之间的往返运动。在两个不同的导电层上蚀刻包括给定半相的两组导电道81。在一层上蚀刻执行电流从定子的中心82到定子的外面83的离开运动的半相的导电道81a的组，并且在不同层上蚀刻同一半相的执行电流从定子的外面83到定子的中心82的返回运动的另一组导电道81b。导电道81a和81b通过布置在外围830以及在标注为R0的定子的中心的半径上的定子80的内侧820处的金属化孔84而互连。金属化孔84包括半相的内在连接。此配置在同一对层上具有几个相，而不引起它们之间的短路。

进行往返运动的导电道81的几何形态(form)可改变。US3144574尤其提出了可在本发明的上下文中使用的一些几何形状(geometry)。

电流到半相的接入通过其在定子的内边缘上的点85处的末端而完成，如图8中在两个导电层上所指示的。

半相81仅使用每层上的可用导体的表面的一半。可以使用从第一半相通过(p为极数)的角旋转而获得的第二半相，如图9中图示的。相同相之一的两个半相的导电道分开的角。相n和n+1分开的角。因此，在一旋转角，所有的半相几乎彼此相同。

因此，定子的每个相包括由导电道91(91A和91B)构成的两个半相。每个相的终止(termination)可以在R0与定子的内边缘92之间的电路的中心得到。

图10示出图9的电路的等效图。由导体101A、101B示出每个半相。导体下的箭头指示给出正扭矩的电流的方向。图10的此图示出两个半相101A、101B具有相反极性。在图上仅示出到定子的相的两个半相的接入点95A和95B的角半径可以从R0变化到定子的内边缘92。

通过使用金属化孔用于半相的电流95的每个接入点，可以并联地组装两个电路。这种组装的缺点是层数目越大，组装的等效电阻越小。这牵涉相当大的供应电流，其可能根据电机和电源电子器件的优选特性而不被允许。

为了串联地组装两个相同的电子电路，本发明的特定实施例包括将电流的金属化接入孔置于半相的导电道1101上，如图11a和11b中图示的。在此实施例中，半相1101上的电流的金属化接入孔1104布置在定子的中心的同一半径上且相对于彼此偏移弧度。它们相对于半相的末端切向偏移角1102，以防止半相1101的金属化接入孔1104与同一半相的连接至电流的另一接入点1104的另一末端1103短路。显然，通过为每个半相将接入点的半径适配到半相，可以通过所示的相的旋转获得定子的其它相，而没有相之间的短路。

图12示意性地图示本发明的另一实施例，其中电流到构成相的半相的导电道的接入的金属化孔1204在径向方向上且不在切向上偏移。根据在R0与定子的内边缘1202之间的空间、导电道1201的宽度、和互连导电道的宽度，将更好地适配两个实施例中的一个或另一个。当然，还可以在作为切向和径向方向的组合的方向上位移金属化孔1204。

在应当将导电层对堆叠在同一印刷电路内部的情况下，在构成半相的内在多层互连的、在外围和R0上的金属化孔将是盲孔。仅到半相的金属化接入孔将是通孔。

图13示出等效于图11和12中所示的电路的图。在两层导体1303之间示出半相1302A和1302B，以及示出到半相的金属化接入孔1302。仅示出金属化孔1301的位置的角θ。

图14示出图13中描述的两个电路1410串联的组装的等效图。此图可以表示多层电路的双层或四层的两个电路的组装。将一个电路相对于另一个电路旋转弧度的角防止金属化接入孔使得半相的电流相反，从而串联连接半相，并且电流在每个半相中流动的方向使得由每个半相产生的扭矩相加，半相的轨道以及定子的极的布置通过弧度的旋转而不变。金属化孔1402使电流进入或离开构成定子的整个相的两个电路1401的半相组。金属化孔1402称为所示的相的接入点。返回点1403将半相连接在一起，并且以此方式使电流环闭合。

在两个印刷电路的组装的情况下，此布置因此允许相同电路的串联组装。用于制造和物流的工具成本是有限的。

图15示出根据本发明的实施例的诸如图13中描述的两个电路1501的并联连接。电路1501不经历相对于彼此的旋转，并且到其中一个电路1501的半相的接入点的组连接至另一电路1501的其等同物。与在图14中类似地，点1502是所示相中的接入点，并且返回点1503将半相连接在一起，并且以此方式使电流环闭合。

当新的电路被添加到堆叠时，根据是否进行了相对于在前电路的旋转，该新的电路可以是串联或并联。在印刷电路的组装的情况下，可以获得具有单个类型的印刷电路的不同电配置。

图16示出根据所述本发明的实施例、继而以星形组装的定子的3个相的等效图。在此图上针对每个相而指示图14和15中所示的返回点1603。在与可接入相的接入点1602的面相反的面上，在定子的中心可以接入返回点1603。对于每个相，在图14(1402)和15(1502)中所示的两个接入点上，其中一个仍然可用，而另一个被用于以星形将相连接在一起。

如果在返回点、而非在到相的接入点注入电流，并且如果将相保持在开路，那么仅使用一半绕组。在此情况下，用于给定旋转速度的反电机力被除以二。此设备因此实现双绕组双速系统。当旋转速度较低时，在到相的接入点处注入电流。在此情况下，每安培注入电流的扭矩将最大。当旋转速度较高时，在返回点注入电流，将到相的接入点保持在开路。在此情况下，反电机力被除以二。

在所提出的描述中，每个半相仅经过极一次以简化描述。事实上，每个半相可以描述定子的几匝、而非所述的一匝。因为这种其它配置不改变到半相的接入点的配置，所以不影响本发明的主题。

如显而易见的并且也如从以上得到的，本发明不限于刚刚描述的特定实施例，而是包含所有变型。

Claims (11)

1.一种2p个磁极的轴流电机，包括：

转子；以及

具有m个相的定子，所述定子包括至少一对导体层，在其上，以半相布置构成定子的相的导电道。

2.如权利要求1所述的电机，其中每个半相包括两组导电道；在定子的内边缘与定子的外边缘之间以径向配置布置每组导电道，使得半相的一组导电道的电流从定子的内边缘流向定子的外边缘，并且所述半相的另一组导电道的电流从定子的外边缘流向定子的内边缘。

3.如权利要求2所述的电机，其中将半相的其中一组导电道印刷在一对导体层的一层上，并且将所述半相的另一组导电道印刷在所述一对导体层的另一层上。

4.如权利要求3所述的电机，其中通过在定子的内边缘和外边缘附近布置的连接将半相的两组导电道互连。

5.如在前权利要求中任一项所述的电机，其中定子的同一相的且同一对导体层的两个半相通过弧度的角旋转而相对于彼此偏移。

6.如在前权利要求中任一项所述的电机，其中电流到定子的一对导体层的半相的导电道的两个接入点通过弧度的角旋转而相对于彼此偏移，电流的每个接入点与所述半相的末端关联。

7.如权利要求6所述的电机，其中将半相的电流的接入点布置在定子的同一半径上。

8.如权利要求6或7所述的电机，其中所述半相的电流的每个接入点相对于所关联的末端偏移给定角。

9.如权利要求6至8中任一项所述的电机，其中半相的电流的接入点在径向上相对于末端偏移。

10.如权利要求5至9中任一项所述的电机，其中定子的导体层对在0或弧度的旋转之后彼此堆叠，并且通过现在相反的电流到半相的接入点而连接在一起。

11.如权利要求5至10中任一项所述的电机，其中以星形组装构成相的导电道，并且返回点用于将电流注入到定子中。