CN105071573A - 一种具有印刷电路板绕组的定子结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有印刷电路板绕组的定子结构，包括由至少三相绕组组成的定子，每个绕组包括一对结构相同的绕组单元，绕组单元包括上、下导电层，上、下导电层在圆周方向上分别设有多个位置相对应的框形回转线圈并形成回转线圈组，框形回转线圈包括多个交替连接的动力导杆和连接导杆，框形回转线圈的两端分别为内、外连接端，回转线圈组的两个内连接端分别通过竖导电杆串联，相邻回转线圈组的两个外连接端通过第一串联导电杆串联，所述绕组单元的上、下导电层形成一条通路，两个绕组单元的两个外连接端通过第二串联导电杆串联。本发明具有盘式扁平结构，径向尺寸比轴向长度大，重量轻，有效增加了绕组的圈数，减小了电阻和涡流损耗。

Description

一种具有印刷电路板绕组的定子结构

技术领域

本发明涉及一种具有印刷电路板绕组的定子结构。

背景技术

定子是电动机静止不动的部分，定子与转子配合使用。定子一般由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。定子的主要作用是产生旋转磁场，而转子的主要作用是输出转矩。申请号是CN200480009416.4的中国专利公开了一种导体优化的轴向场转动能装置，其主要由转子和定子组成，定子中所涉及的径向导体从内径通孔延伸到外径通孔，由于通孔的直径较径向导体的宽度大得多，造成每相绕组的匝数少，相同功率下绕组相间电压低，电流大，在较高电压的场合难以适用，这样限制了此专利的使用范围。因此，如何解决上述技术问题是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种效率高、易散热、使用范围广的具有印刷电路板绕组的定子结构，以克服现有技术的上述缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种具有印刷电路板绕组的定子结构，包括由结构相同的至少三相绕组组成的定子，每个绕组包括一对结构相同的绕组单元，所述绕组单元包括由印刷电路板制成的上导电层和下导电层，上、下导电层在圆周方向上分别设有多个位置相对应的框形回转线圈，位置相对应的两个框形回转线圈形成回转线圈组，所述框形回转线圈包括多个交替连接的动力导杆和连接导杆，所述框形回转线圈的两端分别为内连接端和外连接端，所述动力导杆的一端均朝向所述圆周的中心部分，位置相对应的框形回转线圈的两个内连接端分别通过竖导电杆串联，相邻的回转线圈组的两个外连接端通过第一串联导电杆串联，所述绕组单元的上导电层和下导电层形成一条通路，每相绕组的两个绕组单元均沿上下方向设置，两个绕组单元的两个外连接端通过第二串联导电杆串联形成一条通路；当同相绕组设有多个时，并联或串联在一起。

优选地，所述框形回转线圈上的动力导杆的宽度小于连接导杆的宽度。

优选地，每个绕组单元的上导电层和下导电层分别设有三个框形回转线圈，三个框形回转线圈在圆周上均匀分布。

优选地，所述上、下导电层均为铜箔层。

优选地，所述框形回转线圈上的连接导杆均为向外的弧形结构。

进一步地，所述框形回转线圈均为扇面形状。

优选地，各相绕组的回转线圈组沿圆周方向交替布置。

如上所述，本发明一种具有印刷电路板绕组的定子结构，具有以下有益效果：

1)本发明的绕组为框形回转线圈结构(螺旋线结构)，因此可以得到更多的圈数(匝数)，有利于提高反电动势，减低绕组中的电流；此外，因为本发明将每相绕组的圈数实现了最大化，并且有效降低每相绕组的电阻，通过优化框形回转线圈布局进而有效减小了涡流损耗；

2)本发明装置扁平结构，径向尺寸比轴向长度大，易于直接安装在相关设备上，本发明的绕组的可靠性高，一致性好；

3)本发明整体重量轻，散热性能好，耐用性好，适用于许多交通工具的驱动电机，如电动汽车、电动自行车和直升飞机机引擎；

4)本发明可应用在电动机或发动机中，可以不用齿轮箱或中间传动件，而直接驱动外部设备，或直接被外部设备拖动；因为绕组产生的磁场为轴向结构，电动机或发电机中的轴承在径向上不受任何磁场力的作用，延长了轴承的使用寿命；

5)本发明在实际使用时，电阻小、体积小、扭矩大，因此其具有高效率、高功率密度和高过载能。

附图说明

图1是以本发明使用的定子三相绕组的结构示意图。

图2是图1中拆去一相绕组的结构示意图。

图3是图1中拆去两相绕组的结构示意图。

图4是本发明中回转线圈组的第一种结构图。

图5是图4的立体图。

图6是本发明中回转线圈组的第二种结构图。

图7是图6的立体图。

图8是本发明中框形回转线圈的第一种结构图。

图9是本发明中框形回转线圈的第二种结构图。

图10是本发明中上、下导电层的材料结构图。

图11是本发明中动力导杆的第一种实施方式示意图。

图12是本发明中动力导杆的第二种实施方式示意图。

图13是本发明中动力导杆的第三种实施方式示意图。

图14是本发明第一种应用结构拆分图。

图15是本发明在图14中的结构示意图。

图16是图14中的转子结构示意图。

图17是图14组装后的剖视图。

图18是图17中定子和转子的展开图。

图19是本发明第二种应用结构的剖视图。

图20是本发明在图19中的结构示意图。

图中：1、定子11、信号连接点12、温度传感器

13、空气气隙2、绕组21、上导电层

22、下导电层211/221、框形回转线圈2111/2211、动力导杆

2112/2212、连接导杆2113/2213、内连接端2114/2214、外连接端

23、双面覆铜板231、铜箔层232、芯板层

24、半固化板31、竖导电杆32、第一串联导电杆

33、第二串联导电杆331、中间导杆34、并联导电杆

41、内侧弧线42、外侧弧线43/44、直线段

51、外壳52、轴承53、卡簧

54、转子541、刚性支撑件542、永磁体

55、转轴551、卡槽552、连接键

56、电子控制板57、信号连接器58、控制盖

61、转轴611、空腔62、卡簧

63、转子64、外壳65、永磁体

66、轴承67、波形垫圈

具体实施方式

说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图13所示，为本发明一种印刷电路板绕组定子结构，包括由结构相同的至少三相绕组组成的定子1，每个绕组2包括一对结构相同的绕组单元，所述绕组单元包括由印刷电路板制成的上导电层21和下导电层22，上、下导电层21、22在圆周方向上分别设有多个位置相对应的框形回转线圈211、221，位置相对应的两个框形回转线圈211、221形成回转线圈组，所述框形回转线圈211、221包括多个交替连接的动力导杆2111、2211和连接导杆2112、2212，所述框形回转线圈211、221的两端分别为内连接端2113、2213和外连接端2114、2214，即上、下导电层21、22上的框形回转线圈211、221均为螺旋线形状。所述动力导杆2111、2211的一端均朝向所述圆周的中心部分，也就是说，所述动力导杆2111、2211的一端可以朝向中心，也可以大致朝向中心，其目的是为了使交流电流流过动力导杆2111、2211时能形成旋转磁场。本发明中上、下导电层21、22上位置相对应的框形回转线圈211、221的两个内连接端2113、2213分别通过竖导电杆31串联，相邻回转线圈组的两个外连接端2114、2214通过第一串联导电杆32串联，所述绕组单元的上导电层21和下导电层22形成一条通路，每个绕组2的两个绕组单元均沿上下方向设置，两个绕组单元的两个外连接端通过第二串联导电杆33串联形成一条通路，此时，所述通路的两端分别有一个没有串联也没有并联的外连接端。当同相绕组2设有多个时，并联或串联在一起，并联时，如图3所示，每个绕组2形成的一条通路两端的外连接端分别通过并联导电杆34并联；串联时，通过第二串联导杆33将多个绕组首尾相连形成一条通路即可。进一步地，以三相绕组为例，当三相绕组有多组并且需要并联时，同相绕组2在上下方向上位置相对应，以方便并联导电杆34对其进行连接，同相绕组2的结构和连接方式一致。以三相绕组为例，三相绕组的回转线圈组沿圆周方向交替布置，也就是说，三相绕组中的绕组在空间上两两互为120°电角度，并且每相绕组的上、下导电层21、22分别在同一平面内，进而减小定子1轴向的长度，有效地利用空间；本实施例中所述电角度需要根据绕组相数确定，即电角度＝360°/绕组相数，本实施例仅作为举例。本发明中同相绕组2在轴向(上下方向)均压合在一起，也就是说，位置相对应的导电层(包括多个绕组的所有上、下导电层)均压合在一起。

如图3所示，所述第二串联导杆33的两端还可以分别连有一个中间导杆331，通过中间导杆331与相关的外连接端连接，从而满足实际工作的位置需要。

本发明回转线圈组中位置相对应框形回转线圈211、221的结构可以相同，也可以不同，只要满足位置对应，并且为回转形状即可，所述框形回转线圈211、221均为多圈的形式，如图4-图7所示，为上、下导电层21、22相对应的两个框形回转线圈211、221的两种结构形式；如图4、图5所示，其形成的回转线圈组的两个外连接端2114、2214均在内侧；如图6、图7所示，其形成的回转线圈组的两个外连接端2114、2214一个在内侧、一个在外侧，两种结构形式的原理相同，根据实际的走线需要选择使用。所述回转线圈组的结构原理是：以图4为例，其中的箭头方向为电流方向，结合图3，电流由上导电层21上的框形回转线圈211流入，由上导电层21一个框形回转线圈211的外圈开始，由外向内依次流经各个动力导杆2111和连接导杆2112，即按螺旋线形式由外向内导通，在进入最后一圈的内连接端2113时电流通过竖导电杆31流入下导电层22的内连接端2213，此时电流由下导电层22内圈开始，由内向外依次流经各个动力导杆2211和连接导杆2212，电流依然按螺旋线形式由内向外导通，在电流经过下导电层22的框形回转线圈221的最后一圈外连接端2214时，完成了电流在一个回转线圈组的流入和流出过程；然后电流从外连接端2214流入相邻的回转线圈组，按照相同的原理流过一个绕组单元；一个绕组单元导通后，电流通过第二串联导电杆33流入另一个绕组单元，进而让电流流过一个绕组2，最终完成一个绕组2内的电流流入和流出过程。

在本发明中，上、下导电层21、22的框形回转线圈211、221上的动力导杆2111、2211的宽度小于连接导杆2112、2212的宽度。其原因是：为了减小绕组2的电阻，从而降低绕组的铜耗；此外，较小的动力导杆宽度使得并联后的绕组能达到类似利兹线的效果，有利于降低绕组的涡流损耗。进一步地，为了到达较大的线圈圈数，可以在满足工作要求和物理性能的同时将动力导杆的宽度设计的尽可能小。进一步地，以一个框形回转线圈211为例，如图11-图13所示，为三种具体结构形式，以绕组2所围成的圆周中心为原点，第一种结构如图11所示，所述动力导杆2111在以内侧圆弧41和外侧圆弧42所包围的磁场范围内受到磁场作用(所述磁场范围是根据试验确定的)，动力导杆2111以外的所有连接导杆2112都不会受到磁场的作用。动力导杆2111的内侧一端与连接导杆2112通过直线段43相连，外侧一端与连接导杆2112通过直线段44相连。所述两条直线段43、44的宽度分别表示为d1和d2，动力导杆2111的宽度为d3。为减小涡流损耗，所述动力导杆2111的宽度d3分别小于d1和d2；为了增加线圈的圈数，所述内侧的直线段43宽度与动力导杆2111的宽度相近；为减小绕组2的电阻，与内侧的直线段43连接的连接导杆2112宽度大于直线段43的宽度d1，与外侧的直线段44连接的连接导杆2112宽度大于直线段44的宽度d2。第二种结构如图12所示，所述动力导杆2111包括两个相平行的导体部分a1和a2，每个导体部分的宽度都被最小化以利于减小涡流损耗，也进一步地减小了电阻，且有利于散热；本实施例仅以一个动力导杆有两个导体部分为例说明，具体还可以用更多个导体部分组成动力导杆。第三种结构如图13所示，动力导杆2111为分支形式，从内侧开始，动力导杆2111沿长度方向首先为导体部分b1，然后由b1分成导体部分b2和b3，然后进一步分成导体部分b4、b5和b6，本结构形式也能有效减小涡流损失、减小电阻，并有利于散热；本实施例仅将动力导杆进行两次分支，具体还可以进行多次分支。

在本发明中，作为优选实施方式，参考图3，每个绕组单元的上导电层21和下导电层22分别设有三个框形回转线圈211、221，三个框形回转线圈211、221在圆周上均匀分布。此外，结合图1-图3，因为本发明可以有多于三相绕组，所以每相绕组2上的框形回转线圈211、221在整个圆周上均匀分配，即当有N相绕组时，每相绕组2上的框形回转线圈占整个圆周的N分之一，从而满足设置要求，节省空间，让整体结构更加紧凑。本实施例中上、下导电层21、22上的框形回转线圈的个数仅用于举例说明结构原理，在实际使用时其数量根据具体的电机极数来确定。根据实际的结构需要，所述上、下导电层21、22的框形回转线圈211、221上的连接导杆2112、2212均为向外的弧形结构，并且内侧的连接导杆弧长小于外侧连接导杆的弧长，进而使得框形回转线圈211、221为扇面形状；如图8、图9所示，以上导电层21的框形回转线圈211为例参考。将框形回转线圈设置成扇面形状还可以在设置三相绕组时充分利用圆周内的空间。在本实施例中，因为框形回转线圈为扇面形状，所以其中两个最边缘位置的动力导杆的夹角为α1，参考图8，在制作框形回转线圈时，两个最边缘位置的动力导杆的实际夹角度数应略小于α1，以使得相邻框形回转线圈具有合适的配合间隙，即不同相的框形回转线圈能够不接触的在同一水平面内；通过调整各中间动力导杆之间夹角α2以及内侧动力导杆之间的夹角α3，可以优化线圈绕组内部的谐波，并使得绕组的反电动势波形最接近正弦波波形，因此图8的结构形式适用于电动机。图9中的结构形式可以增大电动势波形的幅值，因此其适用于发电机。

如图4、图6、图8或图9所示，本发明中所述个框形回转线圈内部是中空的，此中空部分不存在导体结构，中空部分在保证机械强度的前提下，一方面有利于整体重量的降低，另一方面也有利于绕组2的散热。

结合图3和图10，本发明中所述上、下导电层21、22均为铜箔层231，在实际情况下，上、下导电层21、22是压合在一起的，压合时铜箔层231之间设有芯板层232。压合后的上、下导电层21、22即形成一块具有双铜箔层的印刷电路板。当同相绕组设有多个时，上下方向位置对应的印刷电路板要压合在一起最终形成定子1；在压合时，所述印刷电路板之间均设有半固化板24。本实施例中所述的层芯板层232和半固化板24通常可由高温树脂(如热固性增韧改性聚酰亚胺)材料组成，其具有如耐高温、耐湿热、低热膨胀系数、良好的力学性能、优异的热稳定性等特点，在印刷电路板中起到机械支撑和电气绝缘的作用。在实际使用时，每相绕组的数量根据需要确定，只要确保印刷电路板和半固化板24交替压合即可。经过试验验证，铜箔层231厚度的优选范围是0.5盎司到2盎司，这个范围内的铜箔层231的导电性可以得到保证，同时不会占用过多空间，也不会造成使用浪费。

如图10所示，本发明中上、下导电层21、22形成的印刷电路板由双面覆铜板23制成，在制作过程中，所述动力导杆和连接导杆均表现为铜箔，竖导电杆31、第一串联导电杆32、第二串联导电杆33和并联导电杆34表现为过孔。所述印刷电路板上的图案可通过印刷电路板PCB自动化设计软件绘制，然后制作光绘文件(俗称Gaber文件)。在PCB自动化设计软件中，所述铜箔通常表现为直线和圆弧，通过直线、圆弧和过孔绘制光绘文件，然后印刷电路板生产厂根据光绘文件，对每一道PCB工艺流程提供的数据，对双面覆铜板23进行诸如蚀刻、钻孔、电镀、切割和压合等工艺来制作所需的印刷电路板，最后形成包括上、下导电层的印刷电路板。

如图14-图17所示，为本发明的具体应用，其为电动机或发电机，具体包括：相配合的两个外壳51、两个轴承52、两个金属卡簧53、两个具有轴向磁场的转子54、本发明的定子1、一个转轴55、一个电子控制板56、一个信号连接器57、一个控制盖58、若干温度传感器12，以及若干连接螺栓。两个转子54位于所述定子1的两侧，转子54的刚性支撑件541中沿周向布置有永磁体542，永磁体542由宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁的永磁材料(如稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料)制成，所述刚性支撑件541可由磁性材料、包含镁和铝的轻质合金或碳纤维复合材料制成。当刚性支撑件541采用磁性材料时，可用作永磁体542的磁轭，以形成磁力线回路。所述刚性支撑件541中间位置通过花键与所述转轴55耦合固定。同时转子54外侧的卡簧53固定于转轴55上的卡槽551，阻止转子54的轴向移动。两转子54的外侧分别有轴承52，轴承52的外圈分别固定于两侧的外壳51内，轴承52内圈与转轴55的两端相配合。定子1上设有与外壳51上定位针相配合的定位孔，以方便定子1的安装定位。控制盖58与一个外壳51连接用以保护电子控制板56。所述温度传感器12安装在定子1上用于检测各相绕组2的温度。此外，本发明的定子1上有信号连接点11，所述信号连接点11与信号连接器57连接将动力信号及控制信号传至电子控制板56，电子控制板56与外部电源相连。在实际使用时，当需要位置控制时，可在转轴55上安装编码器。本实施例中的转轴55上有连接键552，其用于与外部设备相连进行能量的转换。本实施例中每相绕组的多个回转线圈组的两个外连接端2114、2214均为一个在内侧、一个在外侧，即图6、图7所示的结构形式，每个回转线圈组内侧的外连接端用于与相邻的回转线圈组串联，外侧的外连接端从定子1的边缘位置向外引线，因此所述信号连接点11位于定子1的边缘位置。

在上述实施例的基础上，参考图14、图17、图18，为了提高定子1和转子54之间空气气隙13的磁密(也称为磁感应强度)，各永磁体542具有海尔贝克阵列结构，即如图16所示，各永磁体542在径向与切向阵列交错排列结合在一起，这种结构使得一侧的磁场增强而另一侧的磁场减弱。图18可看出该转子54的海尔贝克阵列按圆周在空间上展开后的结构，图中箭头表明永磁体542的磁化方向。当永磁体542产生的磁力线穿过三相绕组时，经过的都是三相绕组的动力导杆2111、2211部分，不会穿过连接导杆2112、2212部分，而且所述磁力线垂直于动力导杆2111、2211所在平面。根据洛伦兹力原理，当动力导杆2111、2211中通过电流时，就有一个垂直于动力导杆2111、2211方向的力产生，此力的方向可用左手定则确定，当所有绕组2通过电流时会产生旋转磁场，旋转磁场作用于永磁体542形成电磁力旋转扭矩，进而驱动转子54转动，因为转子54固定于转轴55上，因此转轴55会在转子54的带动下旋转，这时本装置为电动机。当转轴55由外部装置带动旋转时，固定于转轴55上的转子54一起旋转，这时永磁体542会使得定子1上的三相绕组上的动力导杆2111、2211做切割磁力线运动，并在绕组中产生感应电动势，进而产生电流，这时本装置为发电机。

如图19所示为本发明的另一应用结构的剖视图，图中所示结构为外转子装置，结合图20，定子1上设有信号连接点11、温度传感器12等相关结构。其转轴61与定子1通过诸如花键的连接方式固定在一起，定子1左右两端分别用卡簧62固定，以防止轴向移动，定子1左右两侧的转子63分别由外壳64以及外壳64中的永磁体65组成。两转子63分别通过轴承66支撑在转轴61上，同时右侧轴承66的外圈还有波形垫圈67用于轴向间隙调整。此外，两转子63通过螺栓等连接件连接在一起；同时，所述定子1内侧开有孔，信号连接点11位于孔所在位置以便于从孔中引出的线能直接与信号连接点11连接；所述转轴61内部设有沿轴向的空腔611，通过孔和空腔611将信号引出到外部电机驱动器。本实施例中主要是采用如图4、图5所示的回转线圈组结构，回转线圈组的两个外连接端2114、2214均在内侧，进而实现从内侧引线，这是本实施例和上述实施例的主要区别。

综上所述，本发明一种具有印刷电路板绕组的定子结构，能应用在电动机、发电机中，其能适用较高电压的场合，适用范围广。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。

上述实施方式仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本发明还有许多方面可以在不违背总体思想的前提下进行改进，对于熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，可对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种具有印刷电路板绕组的定子结构，其特征在于，包括由结构相同的至少三相绕组组成的定子(1)，每个绕组(2)包括一对结构相同的绕组单元，所述绕组单元包括由印刷电路板制成的上导电层(21)和下导电层(22)，上、下导电层(21、22)在圆周方向上分别设有多个位置相对应的框形回转线圈(211、221)，位置相对应的两个框形回转线圈(211、221)形成回转线圈组，所述框形回转线圈(211、221)包括多个交替连接的动力导杆(2111、2211)和连接导杆(2112、2212)，所述框形回转线圈(211、221)的两端分别为内连接端(2113、2213)和外连接端(2114、2214)，所述动力导杆(2111、2211)的一端均朝向所述圆周的中心部分，位置相对应的框形回转线圈(211、221)的两个内连接端(2113、2213)分别通过竖导电杆(31)串联，相邻的回转线圈组的两个外连接端(2114、2214)通过第一串联导电杆(32)串联，所述绕组单元的上导电层(21)和下导电层(22)形成一条通路，每相绕组(2)的两个绕组单元均沿上下方向设置，两个绕组单元的两个外连接端通过第二串联导电杆(33)串联形成一条通路；当同相绕组(2)设有多个时，并联或串联在一起。

2.根据权利要求1所述的一种具有印刷电路板绕组的定子结构，其特征在于：所述框形回转线圈(211、221)上的动力导杆(2111、2211)的宽度小于连接导杆(2112、2212)的宽度。

3.根据权利要求1所述的一种具有印刷电路板绕组的定子结构，其特征在于：每个绕组单元的上导电层(21)和下导电层(22)分别设有三个框形回转线圈(211、221)，三个框形回转线圈(211、221)在圆周上均匀分布。

4.根据权利要求1所述的一种具有印刷电路板绕组的定子结构，其特征在于：所述上、下导电层(21、22)均为铜箔层(231)。

5.根据权利要求1所述的一种具有印刷电路板绕组的定子结构，其特征在于：所述框形回转线圈(211、221)上的连接导杆(2112、2212)均为向外的弧形结构。

6.根据权利要求5所述的一种具有印刷电路板绕组的定子结构，其特征在于：所述框形回转线圈(211、221)均为扇面形状。

7.根据权利要求1所述的一种具有印刷电路板绕组的定子结构，其特征在于：各相绕组的回转线圈组沿圆周方向交替布置。