CN108063509A - 一种印刷电路板电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种印刷电路板电机，包括：轴；定子，其包括一层或多层印刷电路板和电接口，所述电接口电连接到印刷电路板上的电路；一个或多个转子；其中，轴穿过定子和一个或多个转子并与一个或多个转子固定连接；其中，一个或多个转子包括磁性材料，磁性材料具有穿过定子的磁场。

Description

一种印刷电路板电机

技术领域

本发明涉及一种能量转换领域，尤其涉及一种印刷电路板电机。

背景技术

电机是依据电磁感应定律实现能量转换的一种电磁装置。它既可以作为电动机，产生驱动转矩，在很多应用中被广泛作为动力源；也可以作为发电机，产生电能。传统的电机通常采用电枢绕组与定子铁芯组合的方式，电机的体积和重量都很大，动态响应速度，振动噪声大。随着工业改革的推进，出现了体积紧凑的印刷电路板电机。然而，现有的印刷电路板电机仍存在诸多问题，尚未广泛应用。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种电机，包括：轴；定子，其包括一层或多层印刷电路板和电接口，所述电接口电连接到印刷电路板上的电路；一个或多个转子；其中，轴穿过定子和一个或多个转子并与一个或多个转子固定连接；其中，一个或多个转子包括磁性材料，磁性材料具有穿过定子的磁场。

如上所述的电机，进一步包括：外壳，其定义容纳定子和一个或多个转子的空间；其中定子与外壳固定连接。

如上所述的电机，进一步包括多个轴承，其固定在外壳上；其中，所述轴固定在多个轴承上并穿出外壳。

如上所述的电机，其包括多个转子，定子位于至少两个转子之间；其中定子至少一部分位于转子之间的磁场区域。

如上所述的电机，其中转子包括永磁体和屏蔽罩，其中永磁体固定在所述屏蔽罩上，所述屏蔽罩为导体。

如上所述的电机，进一步包括导热膜，其附接在定子上。

如上所述的电机，进一步包括附接在定子上的石墨烯导热膜。

如上所述的电机，其中定子的印刷电路板包括多相电路和公共点，所述公共点与多相电路中的每一相电连接；其中多相电路在印刷电路板上的各个径向部分相互间隔。

如上所述的电机，其中转子包括多个磁极；其中多个磁极的位置相互间隔并与定子印刷电路板的各个径向部分相对应。

如上所述的电机，其中所述电机为电动机或发电机。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1为根据本发明一个实施例的电机示意图；

图2为根据本发明一个实施例的电动机爆炸图；

图3A和图3B为根据本发明一个实施例定子绕线示意图；

图4为根据本发明一个实施例的永磁体磁极分区示意图；以及

图5A和图5B为根据本发明一个实施例电动机的连接示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

本发明提出了一种新型的印刷电路板板电机。本发明一些实施例的印刷电路板电机可以有效的减少电机的体积和重量；不存在转矩脉动，提高了动态响应速度；能量转换效率高，振动小，可以有效降低噪声污染。本发明的电机既可以作为电动机，也可以用作发电机。

以下以电动机的应用为例描述本发明的技术方案。本领域技术人员应当理解，发电机的应用与此相反，电机外接动力源而实现电能的输出。

图1为根据本发明一个实施例的电机示意图，并示出其整体形状。图2为根据本发明一个实施例的电机爆炸图，并示出其安装方式。

如图所示，电机100包括轴101、定子102、转子103和104和外壳105和106。定子102可以与外部电路连接。具体地，定子102包括多层印刷电路板和电接口，印刷电路板上的电路连接到电接口，而电接口可以与外部电路连接。转子103和104提供穿过定子102的磁场，轴101穿过定子102并且与转子103和104固定连接。在定子102通电的影响下，转子103和104受洛伦兹力带动轴101转动，传递转动力矩，实现能量转换。外壳105和106形成一个空间，并对其中的轴101、定子102、转子103和104起到保护的作用。外壳105和106上各自包括轴承。轴101的两端固定在这两个轴承上以获得支撑。

如图所示，轴101贯穿电机的各个部分，将电机的各个部分串联起来。在本发明的一些实施例中，轴101包括不同直径的部分107-113。不同直径的部分可以形成多个凸台。凸台可以限制各个部位的位置，防止在高速转动时部件的轴向运动，避免部件之间的碰撞，进而损坏电机。如本领域技术人员所了解，采用阶梯轴仅仅只是电动机轴的一种实施方式。轴101的限位装置还可以采用本领域中已有的其他实施方式。例如：采用同一直径的轴而在各个部件之间的接触处增加限位块。

进一步地，定子位于轴的109部分处。定子包括多层印刷电路板，每一层电路板的结构类似。定子102的形状可以为带突出部的圆形。三个不同直径的圆将定子划分为四个部分114-117：第一部分114和第三部分116为圆周方向电路部分，第二部分115为径向电路部分，第四部分117为一个突出部。如本领域技术人员所理解，定子102也可以有其他形状。例如：椭圆形、方形、或者不规则形状。

定子102固定在电机中。定子101包括孔118，以供轴101穿过。轴101的109部分处的轴向长度大于定子的宽度，以确保定子与转子之间留有间隙。突出部117能够嵌入到外壳105和106所形成的空间中，以在电机内固定定子。如本领域人员所了解，突出部嵌入外壳中仅仅只是一种固定方式，本领域中已有的其他固定方式均可以应用于本发明技术方案，例如螺钉、铆钉或者销等。

转子103位于轴101的108部分处。在本发明的一些实施例中，转子103包括永磁体119和屏蔽罩120。永磁体119，例如磁钢，用于提供磁场。屏蔽罩120附接在永磁体119上以封闭磁场。在通电的情况下，定子102的径向电路在永磁体之间的磁场受到洛伦兹力。由于定子102是固定的，转子103在反作用力影响下转动并带动电机的轴101转动。转子优选为圆形。如本领域技术人员所理解，转子可以有其他形状，例如方形、椭圆形或者不规则图形。

永磁体119可以为圆环形，其形状与第二部分115的形状类似或者略小。由此，永磁体119提供的磁场可以被限制在第二部分115的径向电路部分，从而提高能量转换效率。根据本发明一个实施例，永磁体119可以为钕铁硼等磁性材料。

进一步地，屏蔽罩120包括孔121。屏蔽罩120与轴101固定连接从而可以带动轴101转动。举例而言，销或者轴键固定连接。如本领域技术人员所了解，这种配合方式仅仅是轴装配的一种实施方式，其他方式也同样可行。例如，屏蔽罩120的孔121的直径相比于轴101的108部分的直径相同或者略小，孔121的深度与轴部分108处的轴向长度相同或者略小。这样轴就可以直接与孔进行过盈或者过渡配合的安装方式。

屏蔽罩120为导电材料，具有屏蔽磁力线的功能。磁力线绝大部分通过屏蔽罩120形成了一个闭合回路。经过屏蔽罩120隔离后，屏蔽罩之外的磁场就非常弱或几乎没有，从而起到隔离屏蔽功能。

在一些实施例中，永磁体119可以预先粘贴到屏蔽罩120上，实现二者之间的固定连接。如本领域人员所了解，采用粘贴的方式仅仅只是磁钢和屏蔽罩之间的一种安装方式。本领域中已有的其他安装方式均可以应用于本发明安装方式。举例而言，在屏蔽罩120上可以具有与永磁体119形状相适应的槽。永磁体119可以置入其中。或者，在永磁体119的外缘包括多个槽；屏蔽罩120相应的位置包括多个突起；永磁体119可以卡接在屏蔽罩120上。或者，在屏蔽罩129可以包括外套，其可以直接将永磁体119套在其中。外套可以通过螺钉等与屏蔽罩固定连接。根据本发明一个实施例，屏蔽罩可以是电工纯铁。

如图所示，转子104位于轴101的110部分。转子104具有与转子103类似的结构，此不做赘述。

在一些实施例中，外壳105和106包括连通的腔体122-124和125-127，其中腔体122和125用于容纳定子，腔体123和126用于容纳转子，腔体124和127用于容纳轴101。电机还包括轴承128和129，其分别位于外壳105和106的腔体124和127中。根据本发明一个实施例，外壳可以是金属、合金或者非金属等材料。

外壳105和106定义了一个空间以容纳电机其他部件并且对电机起到保护作用。同时，在本发明的一些实施例中，外壳105和106还对轴101和定子102起到限位和支撑作用。具体而言，腔体122和125的形状与定子102的形状类似，其大小与定子的大小相同或者略大。进一步地，腔体122和125的深度和与定子的宽度相同或者略大。

腔体123和126直径要大于转子103和104的直径。进一步地，腔体123或者126的深度也要大于转子103和104的宽度，以方便转子在外壳内转动。腔体124和127的直径与轴承128和129的外圈直径相当或者略小。进一步地，腔体124或者127的深度与轴承的宽度相当或者略大。轴承128和129与腔体124和127进行过渡或者过盈配合。轴承128和129分别位于电机轴的部分107和111部分上，二者的直径与轴承内圈相当或者略小，电机的轴101的107和111部分的轴向长度与轴承的宽度相当。这样电机的轴101与轴承128和129之间采用过渡或者间隙配合，进而可以对轴进行限位和支撑，并且减小转动产生的摩擦。

进一步地，外壳105还包括多个槽130-132，用于容纳多个传感器。槽130-132与腔体122和123联通。多个传感器经设置与定子102接近，以感测穿过定子102的磁通量，进而可以控制电机。

进一步地，外壳106还包括孔133，以供电机的轴101穿出电机，与其他电器或者机械设备相连接。为减小轴与外壳的摩擦，孔133的直径要略大于轴对应位置的直径。

进一步地，参考图2，定子102位于轴101的109部分处，并固定在腔体122和125中。转子103和104分别位于轴101的108和110部分处，并处于外壳的腔体123和126中。轴承128和129分别位于轴101的107和111部分处，并位于外壳的腔体124和127中。

根据本发明一个实施例，为减小转子和轴承之间的摩擦，转子的屏蔽罩还包括凸缘134和135。凸缘134和135的形状和大小与轴承128和129的内圈相当。这样，即使将屏蔽层和轴承分离，凸缘与轴承内圈一起转动，可以带动轴101转动，从而有效的减小了转子与轴承之间的摩擦阻力。

电机在高速运行下，可能会产生大量的热，并影响电机的工作参数以及动态响应速度。根据本发明的一个实施例，电机还包括导热膜136和137，以便于将电机运转产生的热量传导出去。举例而言，导热膜可以为圆形，导热膜的直径与定子部分116的直径相当或者略小。如本领域技术人员所理解，导热膜可以有其他形状。例如：正方形、椭圆形或者不规则形状。根据本发明一个实施例，导热膜可以是石墨烯。对于同样功率的电机，相比不采用导热膜的情况，以石墨烯为导热膜的电机体积可以进一步缩小20％。

在一些实施例中，导热膜136-137分别粘贴在定子的两侧。导热膜可以包括一个突出部分而直接与外壳接触，以增大导热面积。即使不包括额外的接触部分，由于导热膜具有良好的导热性能，工作时定子板线圈的发热将通过导热膜可以快速传导到永磁体和屏蔽罩上，并进一步传导到外壳上。外壳具有良好的散热能力，从而保证电机内部的稳定工作。根据本发明一个实施例，电机外壳包括多条阵列的肋板，可以增加外壳表面的面积，增大散热面积，进而加快电机的散热速度。如本领域技术人员所理解，电机外壳的肋板可以有不同的数量和位置。

进一步地，电机还可以包括电机座138，用于固定电机的位置。可以将电动机安装到动力源的位置。如本领域技术人员所理解，根据电动机不同的工作环境，可以拥有不同的电机座。

在以上的实施例中，定子102通电的情况下，定子第三部分115处的径向电路与转子103和104的永磁体提供的磁场垂直，由于洛伦兹力的作用，转子103和104就会带动电机的轴101转动。

根据本发明一个实施例，定子采用多层的印刷电路板代替了传统的铁芯绕组，印刷电路板的本身特殊的结构，使得电机在结构上具有更加小的轴向尺寸以及结构更加紧凑等特点。从而有效的减小了电机的重量和体积。

定子的多层印刷电路板取决于电机的电源相数。以下通过一个具体的实例来说明定子部分的结构。在本实施例中，电机为三相电动机，定子的印刷电路板为六层。如本领域技术人员所理解，电动机还可以有其他相数。进一步地，以一个具体的实施例来描述定子一相绕线的连接方式，如本领域技术人员所理解，本发明技术方案包括但不限于此种连接方式。

图3A和图3B为根据本发明一个实施例定子绕线示意图。图3A为定子第一层印刷电路板电路示意图，示出其第一层的通电情况。图3B为定子第二层印刷电路板电路示意图，示出其第二层的通电情况。

定子包括多层印刷电路板，各层电路板的电路结构相似。定子每通入一相电源，需要两块印刷电路板绕线连接。如图所示，定子A相包括印刷电路板102a和102b。每块印刷电路板各包括36根径向电路(编号1～36号)，电路板102a还包括圆周方向电路301-308和电路309-310。电路板102b还包括圆周方向电路311-319。其中印刷电路板102a和102b的各个径向电路相互连接。

参考图3A，电流由V_A+端通过电路309流入到1号径向电路中，经过圆周方向电路301(或者311)进入到8号径向电路中，参考图3B，通过圆周方向电路312进入到2号径向电路中，通过圆周方向电路313(或者302)进入到7号径向电路中，参考图3A，通过圆周方向电路303进入到13号径向电路中，通过圆周方向电路304(或者314)进入到20号径向电路中，参考图3B，通过圆周方向电路315进入到14号径向电路中，通过圆周方向电路316(或者305)进入到19号径向电路中，参考图3A，通过圆周方向电路306进入到25号径向电路中，通过圆周方向电路307(或者317)进入到32号径向电路中，参考图3B，通过圆周方向电路318进入到26号径向电路中，通过圆周方向电路319(或者308)进入到31号导体中，参考图3A，通过电路310进入到了公共点-端流出。

进一步地，1号、2号、7号、8号、13号、14号、19号、20号、25号、26号、31号和32号径向电路都通入了电流，在磁场中都会产生作用力。如图所示，以相邻两条径向电路为一个区，同一区内电流的流向相同，但相邻的两个区电流的流向相反。

进一步地，其他各相绕线的连接方式与A相绕向的连接方式类似，所有各相的电流都从公共端流出，故在此不再赘述。

图4为根据本发明一个实施例的永磁体磁极分区示意图，示出其分区情况。如图所示，永磁体的各极相间分布，相邻的两极所提供的磁场方向相反，分布区域与定子印刷电路板径向电路区域划分相配合。结合图3A和图3B，不同区域的径向电路，其电流的流向相反。不同区域的磁场方向也不相同。使得定子上的所有径向电路所受的力方向一致。

图5A-图5B为根据本发明一个实施例电动机的连接示意图。图5A为电动机线路连接图，示出其连接情况。图5B为传感器分布示意图。示出其分布情况。

参考图5A，电机的工作系统包括电机100、电源501和控制板502。其中电源501为控制板502和电机100供电。电源先通过线路503供电到控制板502中，控制板500通过线路504-506给电机100供电。控制板502通过线路507接收电机内部传感器的信号，进而控制线路504-506给电机供电。

参考图5B，在电机内部包括传感器508-510。传感器508-510分别位于电机外壳的槽130-132中与定子接触，并且传感508-510分别分布在定子的不同区域。转子转动磁钢提供的磁场不停转动变化，定子同一区域的磁场存在变化。传感器可以反馈通过电动机电源每相区域的磁场方向以及磁场强度，进而控制板通过反馈的信息可以对电机的各相电源通电情况进行控制。

下面以本发明上述实施例为例详细介绍这种控制方式，如本领域技术人员所理解，本发明控制方式包括但不限于该种控制方式。

参考图3A和图3B，当给电机A相通电时，转子提供的磁场与定子通电电路产生作用力，转子转动，当转子转过一定的角度，转子其他极转到A相时，转子提供的磁场方向发生了变化，磁场变成反向，这时定子与转子产生的作用力变成相反方向，会阻止电机继续运动。这时控制板就会对A相停止供电，对B相开始供电，B相相对于A相来说，还在转子原来提供的磁场中，定子与转子所产生的作用力仍为原方向，电动机仍会继续运动。相应的当转子继续转过一个角度时，控制板对B相停止供电，对C相开始供电，以此方式循环，即控制板控制线路504-506通电或断电。这种控制方式可以使得定子上多项之间只需要一个电流流出点就可以形成闭合的回路，从而电机的结构更加的简单。电机可以无阻力的连续运行，增加了电机的转矩密度和功率密度，降低了转动惯量，提高了动态相应速度，并且有效的抑制了电机运行时的振动和噪声。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，相关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims (10)

1.一种印刷电路板电机，包括：

轴；

定子，其包括一层或多层印刷电路板和电接口，所述电接口电连接到印刷电路板上的电路；

一个或多个转子；

其中，轴穿过定子和一个或多个转子并与一个或多个转子固定连接；其中，一个或多个转子包括磁性材料，磁性材料具有穿过定子的磁场。

2.根据权利要求1所述的电机，进一步包括：外壳，其定义容纳定子和一个或多个转子的空间；其中定子与外壳固定连接。

3.根据权利要求2所述的电机，进一步包括多个轴承，其固定在外壳上；其中，所述轴固定在多个轴承上并穿出外壳。

4.根据权利要求1所述的电机，其包括多个转子，定子位于至少两个转子之间；其中定子至少一部分位于转子之间的磁场区域。

5.根据权利要求1所述的电机，其中转子包括永磁体和屏蔽罩，其中永磁体固定在所述屏蔽罩上，所述屏蔽罩为导体。

6.根据权利要求1所述的电机，进一步包括导热膜，其附接在定子上。

7.根据权利要求1所述的电机，进一步包括附接在定子上的石墨烯导热膜。

8.根据权利要求1所述的电机，其中定子的印刷电路板包括多相电路和公共点，所述公共点与多相电路中的每一相电连接；其中多相电路在印刷电路板上的各个径向部分相互间隔。

9.根据权利要求7所述的电机，其中转子包括多个磁极；其中多个磁极的位置相互间隔并与定子印刷电路板的各个径向部分相对应。

10.根据权利要求1所述的电机，其中所述电机为电动机或发电机。