CN104734389A - 定子盘及轴向磁通永磁动能装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种定子盘及轴向磁通永磁动能装置，其中该定子盘，包括：基板，多个绕组，至少一个连接导体，和电流终端连接导体；所述基板具有轴孔；所述连接导体形成于所述基板中；所述多个绕组全部或部分独立，位于所述基板上，相互间独立的绕组通过所述连接导体全部或部分连接；所述电流终端连接导体形成于所述基板中，将所述绕组与相电流连接。

Description

定子盘及轴向磁通永磁动能装置

技术领域

本发明涉及电器设备技术领域，且特别涉及一种定子盘及轴向磁通永磁动能装置。

背景技术

定子无铁芯的轴向磁通盘式永磁（AFPM）电机，根据电磁感应原理，通电导体周围产生磁场，相电流流过定子的绕组会在电机里产生旋转磁场（旋转磁动势），而永磁体的转子产生的转子主磁极如同一个磁铁，定子旋转磁场吸着永磁转子，按旋转磁场的旋转方向旋转，从而实现电机运转的目的。由于轴向磁通盘式永磁电机无铁芯，避免了因此造成的铁芯损耗，在此，铁芯损耗简称“铁耗”，又称“磁芯损耗”、“激励损耗”，是指磁性材料中由于存在交变或脉动磁场而引起的功率损耗，以热的形式表现，分为磁滞损耗和涡流损耗两部分，因而比常规的电机运转效率更高，而且其还具有体积小，重量轻，功率密度高，控制性能优良，加工制造简单等优点，此外，轴向磁通盘式永磁电机还可以通过不同数量的定子盘和永磁转子的配置，实现不同的功率要求，因此，轴向磁通盘式永磁电机具有广阔的应用前景。

然而，轴向磁通盘式永磁电机的气隙很小，为了改善轴向磁通盘式电机的电气特性，要求轴向磁通盘式永磁电机的定子盘厚度很薄且平坦。

现有的制造定子盘的方法主要包括线圈绕制定子盘和印刷电路板定子盘两种。

采用线圈绕制定子盘时，由于线圈之间的连接需要通过线圈连续绕制或者导线之间焊接连接来实现，批量生产的效率低，而且，在制作成定子盘时，内外边缘部分线圈之间的连接导线会与线圈重叠，使得边缘重叠部分厚度明显增加，定子盘不平坦，此外只能采用小线径线圈，电机功率较小。

而采用印刷电路板定子盘时，如美国专利US7109625，该专利涉及一种可用作将电能转化为机械能的电动机或者将机械能转化为电能的发电机的优化轴向场转动能装置，其定子盘通过堆叠多个其中布置有多个电子部件的电路层，来达到设定功率和效率。由于其采用的定子盘完全由印刷电路板制造工艺制作，起作用的切割磁力线的导体线印刷在电路板上，线径受到较大限制，为了达到设定功率，需要多层电路板，且只能在小功率电机中应用，加工制作成本也较高。

发明内容

有鉴于此，本发明解决现有技术中，在轴向磁通盘式永磁电动机或发电机中，定子盘不平坦，导线线径小，功率较小，加工复杂，制作成本较高等技术问题。

本发明提供一种定子盘，其包括：基板，多个绕组，至少一个连接导体，和电流终端导体；所述基板具有轴孔；所述连接导体形成于所述基板中，所述多个绕组全部或部分独立，位于所述基板上，相互间独立的绕组通过所述连接导体全部或部分连接；所述电流终端连接导体形成于所述基板中，将所述绕组与相电流连接。

进一步的，所述绕组包括：第一绕边及第二绕边，其中所述第一绕边及第二绕边沿所述轴孔径向排布。

进一步的，所述绕组围绕所述轴孔呈辐射状排列。

进一步的，所述多个绕组为多个独立线圈。

进一步的，所述线圈线径为0.25至1.5毫米，每相绕组总匝数具有16至70匝。

进一步的，所述基板为单面，所述多个绕组分别位于所述基板的一面。

进一步的，所述基板为双面，所述多个绕组分别位于所述基板的两面。

进一步的，所述基板包括：连接于所述连接导体的贯穿所述基板的第一过孔及连接于所述电流终端连接导体的贯穿所述基板的第二过孔，用以连接位于所述基板上全部或部分绕组。

进一步的，所述基板为两个或两个以上，所述多个基板为叠加排列。

本发明还提供一种轴向磁通永磁动能装置，包括：多个具有多永久磁极的转子以及如上所述的任一定子盘。

进一步的，所述多个转子分别设置于所述定子盘的两面，使得所述转子的永磁极磁场方向垂直于所述定子盘面。

进一步的，所述轴向磁通永磁动能装置的功率在50瓦至5000瓦。

综上所述，本发明提供的定子盘及轴向磁通永磁动能装置，所述定子盘采用的绕组为单一独立线圈，不需要多个线圈连续绕制，加工简单，生产效率高。用于固定连接绕组的基板采用简单的低成本的单面或双面设计，在该基板上焊接安装多个单一线圈、元器件、与控制器连接的插座，安装工艺简单。

其次，利用基板实现绕组线圈之间的连接和安装固定，以及其它电子元件和连接器的安装和连接，避免了绕组线圈之间的连接导线带来的重叠，有效降低了定子盘的厚度，保证了定子盘的平坦；同时，增加绕组线圈的线径，或增加安装有多个绕组的基板数，能提高电机的功率和功率密度，提高电机的效率。

附图说明

图1所示为本发明一实施例提供的定子盘的结构示意图；

图2所示为本发明一实施例提供的绕组的结构示意图；

图3所示为本发明一实施例提供的定子盘的结构示意图；

图4所示为本发明一实施例提供的轴向磁通永磁动能装置；

图5A所示为本发明一实施例提供的适用于单相电流定子盘的正面结构示意图；

图5B所示为本发明一实施例提供的适用于单相电流定子盘的背面结构示意图；

图5C所示为本发明一实施例提供的适用于单相电流单面定子盘的结构示意图；

图5D所示为本发明另一实施例提供的适用于单相电流单面定子盘的结构示意图；

图6A所示为本发明另一实施例提供的适用于两相电流定子盘的正面结构示意图；

图6B所示为本发明另一实施例提供的适用于两相电流定子盘的背面结构示意图；

图6C所示为本发明一实施例提供的适用于两相电流单面定子盘的结构示意图；

图7A所示为本发明另一实施例提供的适用于三相电流定子盘的正面结构示意图；

图7B所示为本发明另一实施例提供的适用于三相电流定子盘的背面结构示意图；

图7C所示为本发明一实施例提供的适用于三相电流单面定子盘的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

鉴于现有技术中，在轴向磁通盘式永磁电动机或发电机中，存在定子盘不平坦，导线线径小，功率较小，加工复杂，制作成本较高等技术问题，本发明设计一种定子盘，其根据功率和电流相数的需求，利用一基板来连接和固定设置于基板上的绕组，从而实现了绕组线圈之间的连接，不仅工艺简单，降低了制造成本低，而且避免了传统线圈绕制法中连接导线和线圈间的重叠，有效降低了定子盘的厚度，保证了定子盘的平坦；同时，在有限的面积上，可以增加绕组线圈的线径，增加绕组线圈的匝数，或者增加安装有多个绕组的基板数，提高电动机和发电机的功率和功率密度，避免了印刷电路板定子盘线径小，功率小的缺点。

参见图1，其所示为本发明一实施例的定子盘的结构示意图。

在本实施例中，该定子盘，包括：基板110，多个绕组120，至少一个连接导体130，和电流终端连接导体140；所述基板110具有轴孔111；所述连接导体130形成于所述基板110中；所述多个绕组120全部或部分独立，位于所述基板110上，相互间独立的绕组120通过所述连接导体130全部或部分连接；所述电流终端连接导体140形成于所述基板110中，将所述绕组120与相电流连接。

该定子盘采用基板用于固定绕组，并通过设置于基板中的导体实现全部或部分绕组的连接，不仅工艺简单，成本低廉，而且避免了绕组的重叠，有效降低了定子盘的厚度，保证了定子盘的平坦。

在本发明实施例中，连接导体形成于基板中的方式可以但不限于下述方式：

（1）将连接导体按设计要求加工好之后嵌合或排布在基板中；

（2）在采用印刷电路板做为基板的情况下，使设计好的连接导体图案形成于印刷电路板中。

在采用上述（2）中所述的基板的情况下，由于印刷电路板加工简便，可以进一步提高生产效率和工艺稳定性。

参见图2，其所示为本发明一实施例提供的绕组的结构示意图。

在本发明实施例中，在定子盘中的所述绕组包括：第一绕边210及第二绕边220，其中所述第一绕边210及第二绕边220沿所述轴孔111径向排布，本发明实施例所述的沿轴孔径向的第一绕边及第二绕边是指在定子盘中起到作用的有效绕边，例如：绕组线圈可以是扇形、也可绕制成接近于椭圆形或方形，但其均有等效的沿所述轴孔的径向分布的垂直于磁场方向的起到作用的有效绕边，例如在电动装置应用领域中，当绕组通电时，在磁场中产生以轴孔为中心的磁场扭力，从而带动电机的转子发生转动，使电动装置工作。而在发电装置应用领域中，当永磁体转子转动时，会产生与绕组线圈交链的旋转磁转，从而在绕组线圈中感应出电动势。

参见图3，其所示为本发明一实施例的定子盘的结构示意图。

在本发明实施例中，所述绕组围绕310所述轴孔111呈辐射状排列，在提升绕组有效工作区域的同时避免了绕组的重叠，使各相电流互不干扰，避免交叉，且进一步降低了定子盘的厚度，保证了定子盘的平坦。

在本发明实施例中，所述多个绕组为多个独立线圈，在生产加工过程中，可以分别单独加工，使加工更加容易，避免了在现有技术中连续线圈绕制的难度，提高了生产效率，保证了加工质量，并且在保证电气特性的前提下，减小了多相电流之间的相互干扰，并且避免了绕组的重叠，有效降低了定子盘的厚度，保证了定子盘的平坦。

在本实施例中，绕组线圈可以根据功率的要求进行调整，在大功率电机的配备上可以增加绕组线圈的线径，增加绕组线圈的匝数，进而提高电机的功率和功率密度，提高电机的效率，扩大了其适用范围。优选地，在本发明实施例中，所述线圈线径为0.25至1.5毫米，每相绕组的总匝数为16至70匝数。

在本发明实施例中，所述基板为单面，所述多个绕组分别位于所述基板的一面。

在本发明实施例中，所述基板为双面，所述多个绕组分别位于所述基板的两面。

在本发明实施例中，当所述基板为双面时，所述基板包括：连接于所述连接导体的第一过孔及连接于所述电流终端连接导体的第二过孔，以连接位于所述基板上全部或部分绕组。通过第一及第二过孔，使基板两面的全部或部分绕组线圈连接在一起，充分利用基板的容纳空间，提高功率密度。

在本发明实施例中，为了达到更大功率的使用要求，定子盘的所述基板为两个或两个以上，并且所述多个基板为叠加排列。由此可在多个基板上安装固定更多绕组，在工作时，输出更大的功率，以满足更大功率电机配置的需求。

参见图4，所示为本发明一实施例提供的轴向磁通永磁动能装置

在本发明实施例中，该轴向磁通永磁动能装置，包括：多个具有多永久磁极的转子410以及如上实施例所述的任一定子盘420。所述定子盘的结构如上述实施例所述，在此不再赘述。

在本发明实施例中，所述多个转子分别设置于所述定子盘的两面，使得所述转子的永磁极磁场方向垂直于所述定子盘面，当该轴向磁通永磁动能装置应用于电动装置领域时，定子盘通电时产生洛伦兹力驱动转子转动，使电动装置工作；当该轴向磁通永磁动能装置应用于发电装置领域时，当永磁极转子转动时，会产生与绕组线圈交链的旋转磁转，从而在绕组线圈中感应出电动势。

在本发明实施例中，所述轴向磁通永磁动能装置的功率在50瓦至5000瓦。

以盘式永磁无刷直流电动机为例，根据给定条件，确定样机的结构尺寸；结合工程设计需要及电磁分析结果选定气隙、磁轭厚度、极弧系数等相关参数；基于静磁场电磁分析获取相关磁密及磁通数值；空载反电势是基于降低定子电流，提高电机效率，降低电动机的温升并兼顾与额定电压的比值在一定的合理范围内选择的；由反电势公式算出每相绕组匝数，并考虑到绕组线圈个数的选择，最终确定匝数，并确定出反电势；线径及绕组匝数综合考虑电密、电负荷、热负荷及槽满率等情况确定；依据电势常数和转矩常数，确定输出功率；轴承摩擦损耗和电枢对空气摩擦的损耗基于经验系数，铜耗基于电流、电阻计算；最后求出效率。根据确定的一系列参数，制作定子盘及样机并校验效率。

以下是根据上述设计方法设计的50瓦、1200瓦的具有上述实施例提供的定子盘的盘式永磁无刷直流电动机的具体参数：

以下以盘式发电机为例，该具有上述实施例中的定子盘的盘式无铁心永磁同步发电机采用中间定子结构，即电机由双转子和单定子组成双气隙，电枢绕组是径向分布的，有效导体位于永磁体前方的面上，当永磁体由原动机拖动至同步转速时，将会在气隙中产生与电枢绕组交链的旋转磁转，从而在电枢绕组中感应出三相交流电动势。

根据确定的电机主要尺寸和绕组数据的时候，空载有效磁通、磁铁内部磁感应强度等数据后，在考虑流密度、电负荷、电枢绕组在定子盘空间内是否放得下等因素，该发电机的电枢绕组采用漆包铜圆线，裸线径为0.9mm，每相6个绕组，每相绕组总匝数为66匝；一共18个线圈，2面分布，每面9个线圈，最终使该采用上述实施例的定子盘的发电机的功率达到了5000瓦，转速达到3600rpm/min。

为了更加清楚地阐述本发明，以下结合具体实施例加以说明，以下实施例是以电动装置为例，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者在理解本发明实施例后，可以将该实施例稍做变形应用到发电装置中，同样适用于本发明实施例，在此不再赘述。

实施例一：

请结合参见图5A及图5B，其所示为本发明一实施例提供的单相电流绕组在电路板上的安装示意图。

该适用于单相电流的定子盘，包括：基板510，在该实施例中，基板510为双面结构，绕组分别设置于其正反两面，其具有轴孔用以穿插转轴，第一连接导体521、第二连接导体522及第三连接导体523形成于所述基板510中；电流输入终端连接导体541与电流输出终端连接导体542形成于所述基板510中，用以连接单相电流。

第一连接导体521、第二连接导体522及第三连接导体523上分别连接有贯穿基板的6个过孔551、552、553、554、555、556，所述电流终端连接导体541和542上分别连接有电路输入终端过孔561及电流输出终端过孔562。

在本实施例中，四个绕组531、532、533、534分别设置于基板510正反两面上，如图5A所示，第一绕组531及第三绕组533设置于基板510的正面；如图5B所示，第二绕组532及第四绕组534设置于基板510的反面。每个绕组具有两个连接端，并通过连接导体及过孔实现绕组之间的连接。当电流接通时，电流从电流输入终端连接导体541通过电路输入终端过孔561与第一绕组531的一连接端，经过第一绕组531的另一连接端通过第一过孔551与第一连接导体521连接，第一连接导体521再经由第二过孔552与位于基板510背面的第二绕组532的一端连接，经由第二绕组532的另一端通过第三过孔553与第二连接导体522连接，第二连接导体522通过第四过孔554与位于基板510正面的第三绕组533的一端连接，经由第三绕组533的另一端通过第五过孔555与第三连接导体523连接，第三连接导体523再经由第六过孔556与位于基板510背面的第四绕组534的一端连接，第四绕组534的另一端通过电流输出终端过孔562与电流输出终端连接导体542连接，这样依次连接形成电流回路。

当电流接通时，四个绕组中便会有持续电流流动，在垂直磁场的作用下产生围绕轴孔的旋转磁动势，带动转子转动。

在本发明另一实施例中，四个绕组也可以同时设置于基板的一面，由三个连接导体如图5C所示进行连接，在此不再赘述。

在本发明的另一实施例中，四个绕组也可以同时设置于基板的一面，由一个连接导体如图5D所示进行连接，在此不再赘述。图中虚线不代表任何意义。

实施例二：

请结合参见图6A及图6B，其所示为本发明一实施例提供的两相电流绕组在电路板上的安装示意图。

该适用于两相电流的定子盘，包括：基板610，在该实施例中，基板510为双面结构，8个绕组分别设置于其正反两面，其具有轴孔611用以穿插转轴，六个连接导体621、622、623、624、625、626形成于所述基板610中；六个连接导体上分别连接有贯穿基板610的12个过孔6501～6512；四个绕组631、634、635、638设置于基板610的正面，四个绕组632、633、636、637设置于基板610的背面，每个绕组具有两个连接端，并通过连接导体及过孔实现绕组之间的连接。第一及第二相电流输入终端连接导体641、642与电流输出终端连接导体643形成于所述基板中，连接于所述电流终端连接导体的第一及第二相电流输入终端过孔661、662及电流输出终端过孔663，用以连接相电流。

当两相电流接通时，第一相电流从第一相电流输入终端连接导体641通过第一相电流输入终端过孔661进入第一绕组631的一连接端，经过第一绕组631的另一连接端通过第一过孔6501与第一连接导体621连接，第一连接导体621通过第二过孔6502再与设置于基板610背面的第二绕组633的一端连接，经由第二绕组633的另一端通过第三过孔6503与第二连接导体622连接，第二连接导体622通过第四过孔6504与位于基板610正面的第三绕组635的一端连接，经由第三绕组635的另一端通过第五过孔6505与第三连接导体623连接，第三连接导体623再通过第六过孔6506与设置于基板610背面的第四绕组637的一端连接，第四绕组637的另一端通过电流输出终端过孔663与电流输出终端643连接，这样依次连接形成回路。

第二相电流从第二相电流输入终端连接导体642通过第二相电流输入终端过孔662进入位于基板610背面的第五绕组632的一连接端，经过第五绕组632的另一连接端通过第七过孔6507与第四连接导体624连接，第四连接导体624通过第八过孔6508再与设置于基板610正面的的第六绕组634的一端连接，经由第六绕组634的另一端经由第九过孔6509与第五连接导体625连接，第五连接导体625通过第十过孔6510与第七绕组636的一端连接，经由第七绕组636的另一端经由第十一过孔6511与第六连接导体626连接，第六连接导体626再通过第十二过孔6512与设置于基板610另一面上第八绕组638的一端连接，第八绕组638通过电流输出终端过孔663与电流输出终端连接导体643连接，这样依次连接形成电流回路。

当两相电流接通时，八个绕组中便会有持续电流流动，根据电磁感应原理，通电导体周围产生磁场，在垂直磁场的作用下产生围绕轴孔的旋转磁动势，从而带动转子转动。

在本发明另一实施例中，8个绕组也可以同时设置于基板的一面，如图6C所示，在此不再赘述。

实施例三：

请结合参见图7A及图7B，其所示为本发明一实施例提供的三相电流绕组在电路板上的安装示意图。

该适用于两相电流的定子盘，包括：基板710，在该实施例中，基板710为双面结构，12个绕组可分别设置于其正反两面，其具有轴孔用以穿插转轴，九个连接导体721～729形成于所述基板710中；九个连接导体上分别连接有贯穿基板710的18个过孔7501～7518；六个绕组7301～7306设置于基板710的正面，六个绕组7307～7312设置于基板710的背面，每个绕组具有两个连接端，并通过连接导体及过孔实现绕组之间的连接。第一、第二及第三相电流输入终端连接导体741、742、743与电流输出终端连接导体744形成于所述基板中，连接于所述电流终端连接导体的第一及第二相电流输入终端过孔761、762、763及电流输出终端过孔764，用以连接相电流。

当三相电流接通时，第一相电流从第一相电流输入终端连接导体741通过第一相电流输入终端过孔761进入第一绕组7301的一连接端，经过第一绕组7301的另一连接端通过第一过孔7501与第一连接导体721连接，第一连接导体721通过第二过孔7502再与设置于基板610背面的第二绕组7308的一端连接，经由第二绕组7308的另一端通过第三过孔7507与第二连接导体724连接，第二连接导体724通过第四过孔7508与位于基板710正面的第三绕组7304的一端连接，经由第三绕组7304的另一端通过第五过孔7513与第三连接导体727连接，第三连接导体727再通过第六过孔7514与设置于基板710背面的第四绕组7311的一端连接，第四绕组7311的另一端通过电流输出终端过孔764与电流输出终端744连接，这样依次连接形成回路。

第二及第三相电流连通与如上所述类似，在此不再赘述。

三相电中每相电流均经过四个单一线圈绕组，其中两个单一线圈绕组相对布置在基板的一面，另外两个单一线圈绕组相对布置在基板的另一面，两面的排布为十字交叉型；每相电流的四个单一线圈绕组最终通过输出终端过孔764与电流输出终端744连接，该输出终端形成电路的封闭端。

由此，在电机的定子盘通入三相交流电，根据电磁感应原理，通电导体周围产生磁场，三相交流电流流过定子盘的三相电流绕组会在电机里产生旋转磁场（旋转磁动势），而永磁体产生的转子主磁极按旋转磁场的旋转方向带动转子旋转。

在本发明另一实施例中，12个绕组也可以同时设置于基板的一面，如图7C所示，在此不再赘述。

综上所述，本发明实施例提供的定子盘及轴向磁通永磁动能装置，具有以下的明显优点：

首先，所述定子盘采用的绕组为单一独立绕组线圈，不需要多个线圈连续绕制，加工简单，生产效率高。用于固定连接绕组的基板采用简单的低成本的单面或双面设计，连接导体形成于所述基板中。在该基板上焊接安装多个单一线圈、元器件、与控制器连接的插座等，安装工艺简单。

其次，利用基板实现绕组线圈之间的连接和安装固定，以及其它电子元件和连接器的安装和连接，避免了传统线圈绕制法中连接导线和线圈间的重叠，有效降低了定子盘的厚度，保证了定子盘的平坦。在采用基板双面布置线圈的方式下，还能够避免绕组线圈之间重叠所造成的电流之间的干扰，大幅提升电气特性；

第三，通过增加绕组线圈的线径，或增加安装有多个绕组的基板数，能大幅度提高电机的功率和功率密度，提高电机的效率。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (12)

1.一种定子盘，其特征在于，包括：

基板，多个绕组，至少一个连接导体，和电流终端连接导体；

所述基板具有轴孔；

所述连接导体形成于所述基板中；

所述多个绕组全部或部分独立，位于所述基板上，相互间独立的绕组通过所述连接导体全部或部分连接；

所述电流终端连接导体形成于所述基板中，将所述绕组与相电流连接。

2.根据权利要求1所述的定子盘，其特征在于，所述绕组包括：第一绕边及第二绕边，其中所述第一绕边及第二绕边沿所述轴孔径向排布。

3.根据权利要求1所述的定子盘，其特征在于，所述绕组围绕所述轴孔呈辐射状排列。

4.根据权利要求1所述的定子盘，其特征在于，所述多个绕组为多个独立线圈或部分独立线圈。

5.根据权利要求4所述的定子盘，其特征在于，所述线圈线径为0.25至1.5毫米，每相绕组的总匝数具有16至70匝。

6.根据权利要求1所述的定子盘，其特征在于，所述基板为单面，所述多个绕组分别位于所述基板的一面。

7.根据权利要求1所述的定子盘，其特征在于，所述基板为双面，所述多个绕组分别位于所述基板的两面。

8.根据权利要求1所述的定子盘，其特征在于，所述基板包括：连接于所述连接导体的贯穿所述基板的第一过孔及连接于所述电流终端连接导体的贯穿所述基板的第二过孔，用以连接位于所述基板上全部或部分绕组。

9.根据权利要求1所述的定子盘，其特征在于，所述基板为两个或两个以上，所述多个基板为叠加排列。

10.一种轴向磁通永磁动能装置，其特征在于，包括：多个具有多永久磁极的转子以及如权利要求1至9所述的任一定子盘。

11.根据权利要求10所述的轴向磁通永磁动能装置，其特征在于，所述多个转子分别设置于所述定子盘的两面，使得所述转子的永磁极磁场方向垂直于所述定子盘面。

12.根据权利要求10所述的轴向磁通永磁动能装置，其特征在于，所述轴向磁通永磁动能装置的功率在50瓦至5000瓦。