CN106374643B - 印制交流电机 - Google Patents

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Abstract

一种印制交流电机，适用于工业中微型设备领域中使用。包括定子铁芯、绝缘纸、定子印制板、转子、轴承、转轴等，其中转子既可以是永磁同步机转子又可以是异步机转子。永磁同步机转子为永磁体贴在转子铁芯上，异步机转子为定子印制板固定在转子铁芯上。所述的定子印制板、转子印制板均为印制电路板，其中多层定子印制板采用波形绕组，转子印制板采用鼠笼绕组，转子铁芯与定子铁芯均采用硅钢片叠压而成。由于该印制交流电机定子采用印制板，大大缩小了电机的体积，使得电机更加轻薄，并且减少了普通电机绕线的麻烦，便于大规模生产。且此印制交流电机定子印制板上集成有霍尔传感器，便于与控制器一起使用。

Description

印制交流电机
技术领域：
本发明涉及一种交流电机，尤其是工业中微型设备领域中使用的印制交流电机。
背景技术
目前，常规交流电机都是由绕线和铁芯构成，定子用铜线绕制而成，电机笨重体积较大，制作工艺复杂。在控制系统和电动工具装置中亟需重量轻、体积小和结构简单的交流电机。在专利文献CN104659993A中虽然设计出此类型的印制定子，1但由于此印制定子采用的是同心绕组，采用这种绕组的印制板的端线连接复杂，耗铜量大，且2该定子印制板每两层板只有一相绕组，每相孤立存在，相与相之间所在的印制板层无联系，不能充分利用印制板有限的空间。3且该定子印制板无霍尔传感器，不能估算转子位置和速度，不利于电机的控制。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提出一种结构简单、功率密度高的印制交流电机。
为实现上述技术目的，本发明的印制交流电机，包括定子和转子，定子和转子通过设有轴承的两轴档转轴组装在一起，所述定子和转子之间设有气隙，所述定子包括定子铁芯，定子铁芯与转子相对的一面上设有定子绝缘纸，定子绝缘纸上方设有定子印制板；
所述定子印制板为圆形片状多层结构，定子印制板包含多层同心圆设置的定子子板，在每层定子子板相同位置上都均匀设有印制在定子子板上的多根径向导体，所述径向导体两端分别设有过孔，每层定子子板上的径向导体与其它定子子板上的径向导体之间通过过孔并联，
所述两轴档转轴(1为两段轴档结构，分别是转子轴档和轴承轴档，转子轴档前段开有便于固定转子的螺纹，轴承档尾部开有用于固定在轴承上的键槽。
所述定子印制板中每层印制出的径向导体上均为分布着N个径向导体，若电机的极对数为p，则ABC三相绕组的极相组位置按照60度相带划分，每极每相导体数q＝N/6p，每相绕组由2p个极相组的多个径向导体串联组成。
所述定子印制板的定子子板上的通过径向导体组成的一相波形绕组的连接结构为，第2i-1号极相组和第2i号极相组中i＝1,2,…,p相对于极相组之间中线对称的q对径向导体内端分别利用同心圆弧径向导体相互连接，第2i号极相组和第2i+1号极相组中i＝1,2,…,p-1相对于极相组之间中线对称的q对径向导体外端分别用利用同心圆弧径向导体相互连接，第2p号极相组和第1号极相组中除第1号径向导体以外的其余q-1对径向导体利用同心圆弧径向导体分别将关于中线对称的一对径向导体的外端相互连接，第1号极相组中第1号径向导体外端作为该相绕组首端，将第2p号极相组中第1号径向导体外端作为该相绕组尾端从而构成一相绕组。
所述A相绕组、B相绕组与C相绕组的联结结构相同，当三相绕组在组合时相互之间在空间上互差120度电角度组合。
多层同心圆设置的定子子板的层数为6的倍数，每相绕组由2的倍数层定子子板构成。
当印制交流电机作为异步机使用时，所述转子包括转子铁芯，转子铁芯与气隙相对一面上顺序设有定子绝缘纸和转子印制板，所述转子印制板为圆形片状多层结构，转子印制板包含单层或多层转子子板，每层转子子板上设有印制的多根径向导体，所有径向导体通过两端的端环短接，两端的端环上都均匀设置多个过孔，当转子子板为多层结构时，所有层相同位置导体通过过孔并联，每层转子子板上的径向导体之间通过过孔并联。
所述转子子板为获得更大的过流能力，转子子板上印制的径向导体要比定子子板上印制径向导体更宽，径向导体端部通过端环短接，为减少涡流损耗，印制导体之间留有足够间距。
作为永磁同步机使用时所述转子包括转子铁芯，转子铁芯与气隙相对一面上设有多个扇形永磁体，永磁体磁场方向沿轴向按N极永磁体、S极永磁体每隔360/2P度交替排列。
所述定子印制板的定子子板上设有多个霍尔传感器。
有益效果：
1.当定子中通入对称的三相交流电时，会产生沿轴向旋转的磁场,从而转子会跟着旋转磁场旋转。
2.该印制交流电机磁通方向沿轴向，电机输出转矩大。
3.由于定子采用印制板，因此该电机体积小、质量轻。
4.该交流电机不需绕线，便于大规模生产，节省人力物力。
5.定子绕组为波式结构，每极下绕组导体无交叉串联，简化了印制电路结构。
6.绕组导体采用多层并联结构，根据需要增加串联的印制电路板的层数提高了绕组导电能力。
7.当作为永磁同步电机使用时，集成的霍尔传感器可以估算转子的位置和转速。
附图说明
图1是本发明的印制交流电机整体结构图。
图2是本发明的印制异步电机时转子结构图。
图3是本发明的印制永磁同步电机时转子结构图。
图4是本发明的两轴档转轴图。
图5是本发明的定子印制板整体结构图。
图6-a是本发明的层印制板定子A相印制板层图正面结构图。
图6-b是本发明的层印制板定子A相印制板层图背面结构图。
图7-a是本发明的层印制板定子B相印制板层图正面结构图。
图7-b是本发明的层印制板定子B相印制板层图背面结构图。
图8-a是本发明的层印制板定子C相印制板层图正面结构图。
图8-b是本发明的层印制板定子C相印制板层图背面结构图。
图9是本发明作为印制异步机使用时多层印制板转子印制板图。
图中：a-两轴档转轴；b-转子；c-气隙；d-定子印制板；e-定子铁芯；f-轴承；g-定子绝缘纸；a.1-轴承轴档；a.2-转子轴档；a.3-螺纹；a.4-转子轴档截面；b.1-转子铁芯；b.2-转子绝缘纸；b.3-转子印制板；b.4-永磁体N极；b.5-永磁体S极。
具体实施方式1
下面结合附图对本发明作为异步机时的一个实施例作进一步的描述：
如图1、图2、图4、图9所示，本发明的印制交流电机，包括定子和转子b，定子和转子b通过设有轴承f的两轴档转轴a组装在一起，其特征在于：所述定子和转子b之间设有气隙c，所述定子包括定子铁芯e，定子铁芯e与转子b相对的一面上设有定子绝缘纸g，定子绝缘纸g上方设有定子印制板d；
所述定子印制板d为圆形片状多层结构，多层同心圆设置的定子子板的层数为6的倍数，每相绕组由2的倍数层定子子板构成；定子印制板d包含多层同心圆设置的定子子板，定子印制板4的定子子板上设有多个霍尔传感器，在每层定子子板相同位置上都均匀设有印制在定子子板上的多根径向导体，所述径向导体两端分别设有过孔，每层定子子板上的径向导体与其它定子子板上的径向导体之间通过过孔并联，所述两轴档转轴1为两段轴档结构，分别是转子轴档a.2和轴承轴档a.1，转子轴档a.2前段开有便于固定转子b的螺纹a.3，轴承档尾部开有用于固定在轴承上的键槽。
如图6-a、6-b、7-a、7-b、8-a和8-b所示，所述A相绕组、B相绕组与C相绕组的联结结构相同，当三相绕组在组合时相互之间在空间上互差120度电角度组合；定子印制板d中每层印制出的径向导体上均为分布着N个径向导体，若电机的极对数为p，则ABC三相绕组的极相组位置按照60度相带划分，每极每相导体数q＝N/6p，每相绕组由2p个极相组的多个径向导体串联组成。
所述定子印制板d的定子子板上的通过径向导体组成的一相波形绕组的连接结构为，第2i-1号极相组和第2i号极相组中i＝1,2,…,p相对于极相组之间中线对称的q对径向导体内端分别利用同心圆弧径向导体相互连接，第2i号极相组和第2i+1号极相组中i＝1,2,…,p-1相对于极相组之间中线对称的q对径向导体外端分别用利用同心圆弧径向导体相互连接，第2p号极相组和第1号极相组中除第1号径向导体以外的其余q-1对径向导体利用同心圆弧径向导体分别将关于中线对称的一对径向导体的外端相互连接，第1号极相组中第1号径向导体外端作为该相绕组首端，将第2p号极相组中第1号径向导体外端作为该相绕组尾端从而构成一相绕组。
当印制交流电机作为异步机使用时，所述转子b包括转子铁芯b.1，转子铁芯b.1与气隙c相对一面上顺序设有定子绝缘纸g和转子印制板b.3，所述转子印制板b.3为圆形片状多层结构，转子印制板b.3包含单层或多层转子子板，每层转子子板上设有印制的多根径向导体，所有径向导体通过两端的端环短接，两端的端环上都均匀设置多个过孔，当转子子板为多层结构时，所有层相同位置导体通过过孔并联，每层转子子板上的径向导体之间通过过孔并联。
所述转子子板为获得更大的过流能力，转子子板上印制的径向导体要比定子子板上印制径向导体更宽，径向导体端部通过端环短接，为减少涡流损耗，印制导体之间留有足够间距。
作为永磁同步机使用时所述转子b包括转子铁芯b.1，转子铁芯b.1与气隙c相对一面上设有多个扇形永磁体，永磁体磁场方向沿轴向按N极永磁体、S极永磁体每隔360/2P度交替排列。
实施例一：
印制异步电机由转子铁芯b.1、转子印制板b.3、气隙c、定子印制板d、定子铁芯e、轴承f、定子绝缘纸g、转子绝缘纸b.2组成，沿着两轴档转轴a依次按转子铁芯b.1-转子绝缘纸b.2-多层转子印制板b.3构成的转子b-气隙c-多层定子印制板d构成的定子-定子绝缘纸g-定子铁芯e-轴承f排列构成。
多层定子印制板d通过安装定位孔固定在定子铁芯e上，在每层印制板上均匀分布多个径向导体，每个径向导体两端分别设置一个过孔，所有层相同位置径向导体利用过孔使用铜柱并联，三相绕组共用并联的径向部分。定子印制板d的板层数为六层，整体结构如图5所示。其中1、2层为A相绕组，如图6-a和图6-b所示；3、4层为B相绕组，如图7-a和图7-b所示；5、6层为C相绕组，如图8-a和图8-b所示。三相绕组之间通过星形连接，通过图6-b 7-b8-b上方最左侧的孔是并联在一起的中性点引出。
该实施例印制异步电机为四对极异步电机，每层径向导体数为96(如图6-a所示标号，按照60度相带法划分ABC三相位置，每极每相径向导体数为4。每极每相的径向导体分布如表1所示。
表1 ABC三相径向导体分布
下面结合图6-a以A相绕组为例，详细介绍该异步电机定子印制板波形绕组的实现方式：定子印制板的绕组有96个径向导体，4对极，ABC三相绕组的极相组位置按照60度相带划分，每极每相径向导体数4，每相绕组由8个极相组的多个径向导体串联组成，对于其中一相绕组的连接方式为：先将第(2i-1)号极相组和第2i号极相组中(i＝1,2,3,4)，相对于极相组之间中线对称的4对径向导体内端分别用同心圆弧径向导体连接，然后将第2i号极相组和第(2i+1)号极相组中(i＝1,2,3)，相对于极相组之间中线对称的4对径向导体外端分别用同心圆弧径向导体连接，再将第8号极相组和第1号极相组中除第1号径向导体以外的其余3对径向导体，用同心圆弧径向导体分别将关于中线对称的一对径向导体外端连接，最后将第1号极相组中第1号径向导体外端作为该相绕组首端，将第8号极相组中第85号径向导体外端作为该相绕组尾端，如图6-b所示。这样就形成了如图6-a中所示将印制径向导体按1-16-25-40-49-64-73-88-2-15-26-39-50-63-74-87-3-14-27-38-51-62-75-86-4-13-28-37-52-61-76-85的顺序，按图中端线依次串联就构成了A相的波形绕组。为了能使印制绕组承受更大的电流，径向导体端部的印制径向导体会更宽。为充分利用印制电路板有限的空间，径向导体近圆心的端部采用双层印制板并联。B相绕组与C相绕组与A相绕组联结方式类似，所不同的仅仅是三相绕组在空间上互差120度电角度。
多层转子印制板b.3通过安装定位孔固定在转子铁芯b.1上，在每层转子印制板b.3上均匀分布多个径向导体，所有径向导体通过两端的端环短接，两端的端环都均匀设置多个过孔，所有层相同位置径向导体利用过孔并联。定子铁芯e中心开有能使两轴档转轴a穿过的圆孔，下方固定有轴承f，两轴档转轴a通过轴承键和轴承档a.1固定在轴承上，转子铁芯中心开有与转子档截面a.4相同的孔，转子通过螺母紧固在转轴上，转子铁芯b.1与定子铁芯d同心。
转子印制板b.3的板层数为两层。为获得更大的过流能力，转子印制板b.3径向导体要比定子印制径向导体更宽，径向导体端部通过端环短接。为减少涡流损耗，印制径向导体之间要有一定间距，如图9所示。
当三相绕组通入互差120度的三相对称交流电时，定子会产生沿轴向旋转的磁场，从而转子与旋转磁场保持一定的转差旋转。
实施例二：
下面结合附图对本发明作为永磁同步机时的一个实施例作进一步的描述：如图1、图3、图4所示，印制永磁同步电机由两轴档转轴a、转子铁芯b.1、永磁体、气隙c、定子印制板d、定子铁芯e、轴承f、定子绝缘纸g组成，沿着转轴依次按转子铁芯b.1-永磁体-气隙c-多层印制板定子d-定子绝缘纸g-定子铁芯e-轴承排列构成。
多层定子印制板d通过安装定位孔固定在定子铁芯e上，在每层印制板上均匀分布多个径向导体，每个径向导体两端分别设置一个过孔，所有层相同位置径向导体利用过孔使用铜柱并联，三相绕组共用并联的径向部分。定子印制板的的板层数为六层，整体结构如图5所示。其中1、2层为A相绕组，如图6-a和图6-b所示；3、4层为B相绕组，如图7-a和图7-b所示；5、6层为C相绕组，如图8-a和图8-b所示。三相绕组通过星形连接，中性点引出。
该实施例印制永磁同步电机为四对极同步电机，每层径向导体数为96(如图4-a所示标号，按照60度相带法划分ABC三相位置，每极每相径向导体数为4。每极每相的径向导体分布如表2所示。
表2 ABC三相径向导体分布
下面结合图6-a以A相绕组为例，详细介绍该永磁同步电机定子印制板波形绕组的实现方式：定子印制板的绕组有96个径向导体，4对极，ABC三相绕组的极相组位置按照60度相带划分，每极每相径向导体数4，每相绕组由8个极相组的多个径向导体串联组成，对于其中一相绕组的连接方式为：先将第(2i-1)号极相组和第2i号极相组中(i＝1,2,3,4)，相对于极相组之间中线对称的4对径向导体内端分别用同心圆弧径向导体连接，然后将第2i号极相组和第(2i+1)号极相组中(i＝1,2,3)，相对于极相组之间中线对称的4对径向导体外端分别用同心圆弧径向导体连接，再将第8号极相组和第1号极相组中除第1号径向导体以外的其余3对径向导体，用同心圆弧径向导体分别将关于中线对称的一对径向导体外端连接，最后将第1号极相组中第1号径向导体外端作为该相绕组首端，将第8号极相组中第85号径向导体外端作为该相绕组尾端，如图6-b所示。这样就形成了如图6-a中所示将印制径向导体按1-16-25-40-49-64-73-88-2-15-26-39-50-63-74-87-3-14-27-38-51-62-75-86-4-13-28-37-52-61-76-85的顺序，按图中端线依次串联就构成了A相的波形绕组。为了能使印制绕组承受更大的电流，径向导体端部的印制径向导体会更宽。为充分利用印制电路板有限的空间，径向导体近圆心的端部采用双层印制板并联。B相绕组与C相绕组和A相绕组联结方式类似，所不同的仅仅是三相绕组在空间上互差120度电角度。
定子印制板d在预留安装孔处安装有霍尔传感器，能估算出转子位置和速度，与控制器一起使用，可实现高性能调速。
永磁同步机转子由永磁体和转子铁芯b.1构成。永磁体的形状为扇形，每隔45度永磁体N极b.4和永磁体S极b.5交替排列。转子铁芯b.1中心开有与转子档截面a.4相同的孔，转子通过螺母紧固在转轴上，转子铁芯b.1与定子铁e芯同心。
当三相绕组通入互差120度的三相对称交流电时，定子会产生沿轴向旋转的磁场，从而转子与旋转磁场同步旋转。

Claims (7)

1.一种印制交流电机，包括定子和转子（b），定子和转子（b）通过设有轴承（f）的两轴档转轴（a）组装在一起，其特征在于：所述定子和转子（b）之间设有气隙（c），所述定子包括定子铁芯（e），定子铁芯（e）与转子（b）相对的一面上设有定子绝缘纸（g），绝缘纸（g）上方设有定子印制板（d）；
所述定子印制板（d）为圆形片状多层结构，定子印制板（d）包含多层同心圆设置的定子子板，在每层定子子板相同位置上都均匀设有印制在定子子板上的多根径向导体，所述径向导体两端分别设有过孔，每层定子子板上的径向导体与其它定子子板上的径向导体之间通过过孔并联，
所述两轴档转轴（1）为两段轴档结构，分别是转子轴档（a.2）和轴承轴档（a.1），转子轴档（a.2）前段开有便于固定转子（b）的螺纹（a.3），轴承档尾部开有用于固定在轴承上的键槽；
印制交流电机为异步机，所述转子（b）包括转子铁芯（b.1），转子铁芯（b.1）与气隙（c）相对一面上顺序设有绝缘纸（g）和转子印制板（b.3），所述转子印制板（b.3）为圆形片状多层结构，转子印制板（b.3）包含单层或多层转子子板，每层转子子板上设有印制的多根径向导体，所有径向导体通过两端的端环短接，两端的端环上都均匀设置多个过孔，当转子子板为多层结构时，所有层相同位置导体通过过孔并联，每层转子子板上的径向导体之间通过过孔并联；
所述转子子板为获得更大的过流能力，转子子板上印制的径向导体要比定子子板上印制径向导体更宽，径向导体端部通过端环短接，为减少涡流损耗，印制导体之间留有足够间距。
2.根据权利要求1所述的印制交流电机，其特征在于：所述定子印制板（d）中每层印制出的径向导体上均为分布着N个径向导体，若电机的极对数为p，则ABC三相绕组的极相组位置按照60度相带划分，每极每相导体数q=N/6p，每相绕组由2p个极相组的多个径向导体串联组成。
3.根据权利要求2所述的印制交流电机，其特征在于：所述定子印制板（d）的定子子板上的通过径向导体组成的一相波形绕组的连接结构为，第2i-1号极相组和第2i号极相组中i=1,2,…,p相对于极相组之间中线对称的q对径向导体内端分别利用同心圆弧径向导体相互连接，第2i号极相组和第2i+1号极相组中i=1,2,…,p-1相对于极相组之间中线对称的q对径向导体外端分别用利用同心圆弧径向导体相互连接，第2p号极相组和第1号极相组中除第1号径向导体以外的其余q-1对径向导体利用同心圆弧径向导体分别将关于中线对称的一对径向导体的外端相互连接，第1号极相组中第1号径向导体外端作为该相绕组首端，将第2p号极相组中第1号径向导体外端作为该相绕组尾端从而构成一相绕组。
4.根据权利要求3所述的印制交流电机，其特征在于：所述A相绕组、B相绕组与C相绕组的联结结构相同，当三相绕组在组合时相互之间在空间上互差120度电角度组合。
5.根据权利要求1所述的印制交流电机，其特征在于：多层同心圆设置的定子子板的层数为6的倍数，每相绕组由2的倍数层定子子板构成。
6.根据权利要求1所述的印制交流电机，其特征在于：作为永磁同步机使用时所述转子（b）包括转子铁芯（b.1），转子铁芯（b.1）与气隙（c）相对一面上设有多个扇形永磁体，永磁体磁场方向沿轴向按N极永磁体、S极永磁体每隔360/2P度交替排列。
7.根据权利要求1所述的印制交流电机，其特征在于：所述定子印制板（4）的定子子板上设有多个霍尔传感器。
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