CN105591479A - 高功率密度的绕组结构、方法及具有轴向磁场的电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率密度的绕组结构、方法及应用其的电机，本发明的绕组为多层2D结构，绕组采用180°电角度的分布式结构；通过印刷电路板的形式制作而成；每一层上仅设有一相绕组，每相绕组由偶数绕组层所组成；每一层上的绕组，由与电机磁极数相同的绕组周期所组成；同一相的绕组层间通过连接孔连接；连接孔位于该绕组环内的上部的角落处。使用时，1)可充分利用PCB技术实现具有轴向磁场的绕组。不需埋孔，只用穿孔就可实现绕组连接；2)可提高绕组对转子磁钢产生的磁场的利用率。3)绕组是由PCB的方式实现，因而2D的绕组的形状可以是任意的，绕组的尺寸可以控制得很准确。通过对每相绕组的特别安排，绕组的对称性较好。

Description

高功率密度的绕组结构、方法及具有轴向磁场的电机

技术领域

本发明涉及一种电机电枢绕组的技术领域，具体地讲，是一种高性能的具有2D结构的高功率密度的轴向磁场电机的绕组结构、方法及应用其的电机。

背景技术

电机是指依据电磁定律实现电能转换的一种电磁装置。永磁同步电机(PMSM)，因为其功率密度和电机效率较高，因而在现代工业和家用产品中发挥越来越重要的作用。

电机的电磁结构可以是采用径向磁场的，如图1、2所显示的电机结构；在图1、2中，其显示了一个具有外转子的永磁同步电机(PMSM)的基本结构，其包括转子外壳1＇、转子励磁磁钢2＇、定子铁芯3＇及缠绕在定子铁芯3＇上的电枢绕组4＇。图3显示的是该电机的电磁结构，转子励磁磁钢2＇的N极和S极交替安装于转子外壳1＇上。

当采用图1、2所显示的径向磁场的电机结构，电枢绕组的结构必须是3D的，如图3所示的例子。3D绕组必须使用绕线机，或者手工排布的方式，来形成绕组。绕组的尺寸的精度也就不高。

电机也可以采用轴向磁场。而一些采用轴向磁场的电机结构，其电枢绕组的结构可以是2D的。如图4所示，其包括转子磁轭1"、转子磁钢2"、定子磁轭3"、设于定子磁轭3"与转子磁钢2"间的电枢绕组4"及电机机座5"。这种绕组通常采用同心分数式集中绕组，而三相绕组则排布在2D空间的相同层面的不同地方，各相绕组之间没有重叠的部分。这种绕组可以采用粘接线圈，甚至PCB的技术，来制作，绕组的精度就可以做得较高。绕组的精度对于轴向磁场的电机很重要，因为其关系到电机气隙的大小，进而影响到电机的性能。

现有的采用轴向磁场的电机结构，由于转子的磁钢在空间是以180°电角度进行排列，而采用同心分数式绕组在空间的跨距小于180°，例如120°，因此绕组对转子上的永久磁钢产生的磁场的利用率不高。这也导致电机的功率密度较低、电机常数较小。

理论上，2D的绕组也可以采用180°的跨距以提高对转子磁场的利用率。但采用这种绕组后，各相绕组之间有重叠的部分，在一个绕组层面上无法实现三相绕组。如果让三相绕组位于不同的层面，这种排布会带来三相绕组在磁性能上严重不对称的现象，并且对绕组的连接造成困难。设计和生产PCB的时候不得不采用“埋孔”的方式连接同相位于不同层面上的绕组。这会使得PCB的成本很高。

另外，如果绕组在不同的层面，A相的绕组距离转子磁钢最近，而C先绕组距离转子磁钢最远，因此，在同样匝数下，A相绕组所匝链的磁场要比C相绕组明显高许多，因此在电机的旋转中，A相绕组所产生的反电动势会比C相绕组大很多。这就会引起三相反电势的严重不对称，在许多应用中是不允许的。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种能够在轴向磁场电机中充分利用转子永久磁钢产生的磁场的绕组结构、方法及应用其的电机。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种高功率密度的绕组结构，绕组为多层2D结构，绕组采用180°电角度的分布式结构；每一层上仅设有一相绕组，每相绕组由偶数绕组层所组成；每一层上的绕组，由与电机磁极数相同的绕组周期所组成；同一相的绕组层间通过连接孔连接；所述的连接孔位于该绕组环内的上部的角落处。

上述的高功率密度的绕组结构，其设有A相绕组、B相绕组及C相绕组；所述的B相绕组和A相绕组在切向空间上相差120°电角度，所述的C相绕组和A相绕组在切向空间上相差240°电角度，所述的A相绕组、B相绕组及C相绕组成形为空间对称的三相绕组。

上述的A相绕组、B相绕组及C相绕组，各由两层绕组组成；所述的A相绕组位于第一层绕组及第六层绕组；所述的B相绕组位于第二层绕组及第五层绕组；所述的C相绕组位于第三层绕组及第四层绕组。

上述的高功率密度的绕组结构，是通过印刷电路板的形式制作而成。

上述的高功率密度的绕组方法，当所述的绕组采用Y型连接时，绕组的中点安放在PCB的电路的最内侧。

一种具有轴向磁场的电机，其包括转子磁轭、磁钢、定子磁轭、电机底座及上述的高功率密度的轴向磁场电机的绕组结构，所述的定子磁轭设于所述的电机底座上，所述的绕组结构位于所述的磁钢与定子磁轭之间，所述的转子磁轭设于所述的磁钢上。

上述的具有轴向磁场的电机，每一层的线圈由六个周期的绕组环组成，其是与转子的六个磁极磁钢相对应。

上述的定子磁轭由软磁材料构成。

上述的软磁材料为软磁铁氧体或软磁复合材料。

采用上述技术方案后，使用时，本发明具有以下效果：

1)可以充分利用PCB技术来实现具有轴向磁场的三相电机的绕组。不需要埋孔，只用穿孔就可以实现绕组的连接，绕组的成本比较低；

2)线圈的跨距为180°，可以提高绕组对转子磁钢产生的磁场的利用率。绕组的电机系数较高；

3)在电性能和磁性能上，三相绕组是对称的；

4)由于采用软磁铁氧体，或者卷绕式铁芯，作为定子绕组的轭部构成轴向和切向磁路，电机的定子铁损耗可以减少；

5)由于只有一层轴向气隙，电机的厚度可以降低。

6)绕组是由PCB的方式实现，因而2D的绕组的形状可以是任意的，绕组的尺寸可以控制得很准确。通过对每相绕组的特别安排，绕组的对称性较好。

附图说明

图1为现有的采用径向磁场的电机的结构分离示意图；

图2为现有的采用径向磁场的电机的结构的组装示意图；

图3为现有的典型的径向磁场电机的集中式绕组结构示意图；

图4为现有的采用轴向磁场的电机的结构示意图；

图5-1为本发明第一层绕组的结构示意图；

图5-2为本发明第二层绕组的结构示意图；

图5-3为本发明第三层绕组的结构示意图；

图5-4为本发明第四层绕组的结构示意图；

图5-5为本发明第五层绕组的结构示意图；

图5-6为本发明第六层绕组的结构示意图；

图6为本发明的三相绕组组装后的绕组关系示意图；

图7为本发明具有轴向磁场的电机结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

其发明公开了一种高功率密度的轴向磁场电机的绕组结构，该绕组为多层2D结构，且该绕组采用180°电角度的分布式结构；另外，该绕组的每一层上仅设有一相绕组，每相绕组由偶数层绕组所组成；每一层上的绕组，由与电机磁极数相同的绕组周期(绕组环)所组成。

在本实施例中，参考图5-1至图5-6所示，该绕组包括有三相，分别为A相绕组、B相绕组及C相绕组；且，参考图5-1与图5-6所示，A相绕组由第一层绕组和第六层绕组构成；参考图5-2与图5-5所示，B相绕组由第二层绕组和第五层绕组构成；参考图5-3与图5-4所示，C相绕组由第三层绕组和第四层绕组构成。

对所有相绕组而言，A相绕组的位于第一层绕组1是所有线圈层里最靠近转子磁钢的，而位于第六层绕组却是所有的线圈层里离转子磁钢最远的。因此，和位于第二层绕组以及第五层绕组5的B相绕组比较，这两相绕组所感应出的电势在幅值上相差不大。但由于A相绕组和B相绕组在空间相差120°，所以两相绕组所感应出的反电势在时域上相差120度。同样，由于位于不同层面上的同相绕组是交错安排的，B相绕组和C相绕组的幅值基本相同，但相位相差120°。如此安排的三相绕组，能够实现对称的反电势。由于绕组和磁钢之间没有传感器，电机定子和转子之间的气隙较小，绕组能够有效地利用转子磁钢所产生的磁场，电机的功率密度就此提高。电机也能够用三相无感的驱动方式进行驱动和控制。

参考图5-1及图5-6所示，对于A相绕组来说，它分布在PCB的第一层绕组和第六层绕组上。第一层绕组有焊接区域13、14、15，通过焊接区13、14、15可以把三相绕组的端部和外电路连接。

三相绕组的端口，通过连接线和外电路相连。由于采用无传感器驱动，电机内部的绕组空间被充分利用。

当本实施例的三相绕组采用Y型连接方式的时候，绕组的中线连接的部分16可以在图5-1中看到，位于绕组的内侧，这样安排可提高绕组的空间利用率。

由于B相绕组为A相绕组在空间旋转120°电角度而形成的，C相绕组由A相绕组在空间旋转240°电角度而形成的，A相绕组、B相绕组及C相绕组成形为空间对称的三相绕组。则：

参考图5-1及图5-6所示，第一层绕组和第六层绕组上，每层的线圈由6个周期(绕组环)组成，以和转子的6个磁极磁钢相对应。在其线圈的内侧面的角落处，分别对应设计有连接孔17、61。

参考图5-2及图5-5所示，在第二层绕组和第五层绕组上相应位置，分别设有三组连接孔21、22、23及51、52、53。

参考图5-3及图5-4所示，在第三层绕组和第四层绕组上相应位置，分别设有三组连接孔31、32、33及41、42、43。

A相绕组的第一层绕组与第六层绕组连接时，从连接孔17，依次穿过第二层绕组的连接孔22、第三层绕组的连接孔33、第四层绕组的连接孔43、第五层绕组的连接孔52，最后与第六层绕组的连接孔61相连。

B相绕组的第二层绕组与第五层绕组连接时，其是从连接孔21，依次穿过第三层绕组的连接孔32、第四层绕组的连接孔42，与第五层绕组的连接孔51相连。

C相绕组的第三层绕组与第五层绕组连接时，是将连接孔31与41相连。

由上可在，由于本发明，在一个层面上只有一相绕组，其采用180°的跨距。每相两层面之间绕组的连接是通过绕组中间的连接孔得以实现的。这种绕组的不同磁极下的绕组能够实现自然连接，无须特别的连接引线，因而空间的利用率高,绕组的电阻较小。

参考图6所示，其清楚地显示三相绕组在空间的关系。从中可以看到，按这样的绕组排布关系，当把绕组的连接孔放在绕组环内的上部的角落处，各相绕组的连接穿孔不会影响到其他相绕组的排布。另外，在大部分的区域，每相绕组的有效宽度大于60°电角度。

对所有相绕组而言，A相的位于第一层的绕组是所有线圈层里最靠近转子磁钢的，而位于第六层的绕组是离开转子磁钢最远的。因此，和位于第二层以及第五层的B相绕组比较，这两相绕组所感应出的电势在幅值上相差不大。但由于A相和B相绕组在空间相差120°，所以两相绕组所感应出的反电势在时域上相差120度。同样，由于位于不同层面上的同相绕组是交错安排的，B相和C相绕组的幅值基本相同，但相位相差120°。如此安排的三相绕组，能够实现对称的反电势。由于绕组和磁钢之间没有传感器，绕组能够有效地利用转子磁钢所产生的磁场，电机的功率密度就此提高。电机也能够用三相无感的驱动方式进行驱动和控制。

本发明还公开了上述三相绕组结构的制作方法，是通过印刷电路板的形式制作而成。另外，通过控制绕组的宽度，把一相绕组的一层绕组和另外一层绕组的连接孔设计在绕组线圈的内上侧面的角落处，参考图5-1至图5-6所示，在绕组环内部的顶端，绕组的宽度略微小于60°电角度，能够让其他相绕组的连接孔与该相线圈之间相距足够的距离而不相碰。这样，每相绕组的连接孔都可以用穿孔来实现，而不影响到其他相位绕组的排列，参考图6所示；线圈的成本可以就此大大降低。

参考图7所示，本发明还公开了一种具有轴向磁场的电机，其包括转子磁轭1、磁钢2、绕组结构3、定子磁轭4、电机底座5，其中：

转子磁轭1由铁磁材料构成，

定子磁轭4由由具有较高电阻率和高导磁率的软磁材料构成，如软磁铁氧体，切向绕制矽钢片，软磁复合材料(softmagneticcompositematerial，SMC)或者其他绕制软磁合金所构成。

绕组结构3为上述的具有多层2D的结构，用PCB的方式做成的绕组。在本实施例中，每层的线圈由六个周期(绕组环)组成，以和转子的六个磁极磁钢相对应。

定子磁轭4设于电机底座5上，绕组结构3位于磁钢2与定子磁轭4之间，转子磁轭1设于磁钢2上。

对于A相绕组，由于其是由第一层绕圈和第六层线圈所组成；因此，第一层线圈是所有线圈层里最靠近转子磁钢的，而第六层线圈是离开转子磁钢最远的。B相绕组由第二层绕组和第五层绕组构成；C相绕组由第三层绕组和第四层绕组构成。

由PCB制成的三相绕组可以直接安装在一软磁材料制成的定子磁轭4上，如图7所示。由于定子磁轭4的磁场为3D排布，为了避免涡电流的产生，该磁轭可以用具有较高电阻率和高导磁率的软磁材料构成，如软磁铁氧体，切向绕制矽钢片、软磁复合材料(softmagneticcompositematerial，SMC)或者其他绕制软磁合金所构成。

本发明所公开的电机，可以充分利用电机的绕组空间，从而增加电机的功率密度和降低电机的厚度。2D软磁定子磁轭的使用可以降低电机的铁芯的电损耗。电机的结构简单，生产过程得到简化，电机的可靠性和电机生产的良品率都可以得到提高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种高功率密度的绕组结构，其特征在于：绕组为多层2D结构，所述的绕组采用180°电角度的分布式结构；每一层上仅设有一相绕组，每相绕组由偶数绕组层所组成；每一层上的绕组，由与电机磁极数相同的绕组周期所组成；同一相的绕组层间通过连接孔连接；所述的连接孔位于该绕组环内的上部的角落处。

2.如权利要求1所述的高功率密度的绕组结构，其特征在于：其设有A相绕组、B相绕组及C相绕组；所述的B相绕组和A相绕组在切向空间上相差120°电角度，所述的C相绕组和A相绕组在切向空间上相差240°电角度，所述的A相绕组、B相绕组及C相绕组成形为空间对称的三相绕组。

3.如权利要求2所述的高功率密度的绕组结构，其特征在于：所述的A相绕组、B相绕组及C相绕组，各由两层绕组组成；所述的A相绕组位于第一层绕组及第六层绕组；所述的B相绕组位于第二层绕组及第五层绕组；所述的C相绕组位于第三层绕组及第四层绕组。

4.如权利要求1～3任一所述的高功率密度的绕组结构，是通过印刷电路板的形式制作而成。

5.如权利要求4所述的高功率密度的绕组方法，其特征在于：当所述的绕组采用Y型连接时，绕组的中点安放在PCB的电路的最内侧。

6.一种具有轴向磁场的电机，其特征在于：其包括转子磁轭、磁钢、定子磁轭、电机底座及权利要求1-3任一所述的高功率密度的轴向磁场电机的绕组结构，所述的定子磁轭设于所述的电机底座上，所述的绕组结构位于所述的磁钢与定子磁轭之间，所述的转子磁轭设于所述的磁钢上。

7.如权利要求6所述的具有轴向磁场的电机，其特征在于：每一层的线圈由六个周期的绕组环组成，其是与转子的六个磁极磁钢相对应。

8.如权利要求6或7所述的具有轴向磁场的电机，其特征在于：所述的定子磁轭由软磁材料构成。

9.如权利要求8所述的具有轴向磁场的电机，其特征在于：所述的软磁材料为软磁铁氧体或软磁复合材料。