CN108847735A - 一种采用pcb螺旋形绕组的飞轮高速电机 - Google Patents

一种采用pcb螺旋形绕组的飞轮高速电机 Download PDF

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刘凯
殷明
林明耀
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Abstract

本发明公开了一种采用PCB螺旋形绕组的飞轮高速电机，包括PCB定子组件、磁钢和飞轮转子；飞轮转子为空心圆柱体结构，包括外铁心和内铁心；PCB定子组件设于外铁心与内铁心之间，PCB定子组件包括六块矩形PCB板，每块矩形PCB板都包括PCB双层螺旋绕组。本发明采用了PCB双层螺旋绕组，使得电机在高速运行过程中不用考虑端部的影响，整个绕组处在主磁场中，节省了电机槽的空间利用率，减小了体积，也降低了工艺难度，还减小了电机的涡流损耗和绕组间的环流损耗。

Description

一种采用PCB螺旋形绕组的飞轮高速电机
技术领域
本发明涉及电机，特别是涉及飞轮高速电机。
背景技术
现如今的永磁无刷直流电机，绕组多放于铁芯槽中，外转子无槽永磁无刷直流电机，绕组线圈由环氧树脂浇注而成，但是在浇注过程中工艺复杂，线圈绕制困难，给电机设计添加了不少的成本，其次绕组与磁钢间隙较大，磁通密度小，电机的效率不高。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种工艺简便的、能增大电机磁通密度的采用PCB螺旋形绕组的飞轮高速电机。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的采用PCB螺旋形绕组的飞轮高速电机，包括PCB定子组件、磁钢和飞轮转子；飞轮转子为空心圆柱体结构，包括外铁心和内铁心；PCB定子组件设于外铁心与内铁心之间，PCB定子组件包括六块矩形PCB板，每块矩形PCB板都包括PCB双层螺旋绕组。
进一步，所述磁钢贴在外铁心的内表面上。这样能够减轻转子的重量，能够将电机和轴承系统都安置在腔体内，从而减小整个系统的体积。
进一步，所述磁钢为瓦片形，采用N极与S极交错的方式设置。瓦片形磁钢能够在气隙不变的情况下减少极对数，从而提高电机在高转速下的效率，降低贴心的损耗。
进一步，所述六块矩形PCB板在外铁心与内铁心之间均匀分布，矩形PCB板到电机中心轴的距离为L＝R+r，R为内铁心到电机中心轴的距离，r为内铁心到矩形PCB板的距离。
进一步，三相PCB双层螺旋绕组采用全桥驱动的Y形连接方式；PCB双层螺旋绕组中，每一层螺旋绕组由4根导线并绕构成，螺旋绕组上下层间隔一定呈梯形。相对于常规电机定子结构，减小了定子的体积，与电机转矩波动。
进一步，所述每一层螺旋绕组的厚度以及相邻层螺旋绕组之间的距离都恒定。
进一步，所述每一个PCB双层螺旋绕组之间都用高温环氧胶进行拼接，拼接完成后采用环氧树脂进行浇注固定。
有益效果：本发明公开了一种采用PCB螺旋形绕组的飞轮高速电机，采用了PCB双层螺旋绕组，使得电机在高速运行过程中不用考虑端部的影响，整个绕组处在主磁场中，节省了电机槽的空间利用率，减小了体积，也降低了工艺难度，还减小了电机的涡流损耗和绕组间的环流损耗。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中PCB双层螺旋绕组的连接模型；
图2为本发明具体实施方式中矩形PCB板到电机中心轴距离的示意图；
图3为本发明具体实施方式中六块矩形PCB板的结构示意图；
图4为本发明具体实施方式中电机的示意图；
图5为本发明具体实施方式中PCB双层螺旋绕组的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种采用PCB螺旋形绕组的飞轮高速电机，如图4所示，包括PCB定子组件、磁钢和飞轮转子2；飞轮转子2为空心圆柱体结构，包括外铁心和内铁心；PCB定子组件设于外铁心与内铁心之间，PCB定子组件包括六块矩形PCB板，每块矩形PCB板都包括PCB双层螺旋绕组3，如图5所示。磁钢包括N极11和S极12。
磁钢贴在外铁心的内表面上，磁钢为瓦片形，采用N极与S极交错的方式设置。
六块矩形PCB板在外铁心与内铁心之间均匀分布，矩形PCB板到电机中心轴的距离为L＝R+r，R为内铁心到电机中心轴的距离，r为内铁心到矩形PCB板的距离。
三相PCB双层螺旋绕组3采用全桥驱动的Y形连接方式；PCB双层螺旋绕组3中，每一层螺旋绕组由4根波形导线构成，螺旋绕组上下层弧度为120°。每一层螺旋绕组的厚度以及相邻层螺旋绕组之间的距离都恒定。每一个PCB双层螺旋绕组之间都用高温环氧胶进行拼接，拼接完成后采用环氧树脂进行浇注固定。
根据技术指标，确定飞轮高速电机主要结构尺寸，飞轮转子的能量为：ω为飞轮转子的角速度。
转动惯量J可用分割求解进行计算，转动惯量为
其中，ρ1为飞轮转子材料的密度，h1为飞轮转子的轴向长度，Ro1为飞轮转子铁心外轭外圆半径，Ri1为飞轮转子铁心外轭内圆半径，Ro2为飞轮转子铁心内轭外圆半径，Ri2为飞轮转子铁心内轭内圆半径，h2为飞轮转子端板厚度。
根据技术指标，确定了飞轮高速电机的主要尺寸：
表1电机的主要尺寸
为了防止铁心过饱和，需要对外铁心尺寸进行确定
其中，σ0为空载漏磁系数，Λ1为永磁磁钢宽度边漏磁磁导，Λ2为永磁体磁钢高度漏磁磁导，Λ3为永磁磁钢磁角处漏磁，Λδ为磁路主磁导，Bδ为气隙磁感应强度，Br为永磁体虚拟内磁磁感应强度；KF为经验值，取0.9；μr为相对回复磁导率；F为考虑磁路内非工作气隙和导磁体磁阻压降的一个系数，近似为1.2；δ为气隙长度，hm为磁钢厚度，Bm为磁钢，BFe为铁环磁感应强度，b为永磁体磁宽，电机外铁心厚度大约为5mm。电机外铁心厚度大约为5mm。
其次，对电机匝数进行确定：
φδ＝BδαiτL＝0.487×0.9×25.92×22.5×10-6＝2.556×10-4wb
其中，φδ为气隙磁链，Bδ为气隙磁感应强度，αi为计算极弧系数，τ为永磁磁钢的圆周长度，L为导体的有效长度，Ce为电势常数，ωφ为线圈匝数，因此电机的匝数为8匝。
由于6块PCB板组合成的6槽圆柱体均匀分布，如图2根据几何关系知，PCB板的长度与PCB板距离电机中心的长度相等。绕组的宽度应在限制范围内足够小，抑制较宽的绕组带来的涡流损耗，图3中，电机运行时，PCB绕组的组件和飞轮转子是旋转运动，此时PCB绕组组件相对于固定电机的支撑物体为静止，磁钢组件为永磁电机的转子；反之，PCB组件为永磁电机动子，磁钢组件为永磁电机的定子。
图1是PCB线路的绕组展开图，该轴向永磁电机绕组为三相集中绕组，每个绕组有6匝，均匀分布于PCB双层电路板上。

Claims (7)

1.一种采用PCB螺旋形绕组的飞轮高速电机，其特征在于：包括PCB定子组件、磁钢和飞轮转子；飞轮转子为空心圆柱体结构，包括外铁心和内铁心；PCB定子组件设于外铁心与内铁心之间，PCB定子组件包括六块矩形PCB板，每块矩形PCB板都包括PCB双层螺旋绕组。
2.根据权利要求1所述的采用PCB螺旋形绕组的飞轮高速电机，其特征在于：所述磁钢贴在外铁心的内表面上。
3.根据权利要求1所述的采用PCB螺旋形绕组的飞轮高速电机，其特征在于：所述磁钢为瓦片形，采用N极与S极交错的方式设置。
4.根据权利要求1所述的采用PCB螺旋形绕组的飞轮高速电机，其特征在于：所述六块矩形PCB板在外铁心与内铁心之间均匀分布，矩形PCB板到电机中心轴的距离为L＝R+r，R为内铁心到电机中心轴的距离，r为内铁心到矩形PCB板的距离。
5.根据权利要求1所述的采用PCB螺旋形绕组的飞轮高速电机，其特征在于：三相PCB双层螺旋绕组采用全桥驱动的Y形连接方式；PCB双层螺旋绕组中，每一层螺旋绕组由4根波形导线构成，螺旋绕组上下层弧度为120°。
6.根据权利要求5所述的采用PCB螺旋形绕组的飞轮高速电机，其特征在于：所述每一层螺旋绕组的厚度以及相邻层螺旋绕组之间的距离都恒定。
7.根据权利要求1所述的采用PCB螺旋形绕组的飞轮高速电机，其特征在于：所述每一个PCB双层螺旋绕组之间都用高温环氧胶进行拼接，拼接完成后采用环氧树脂进行浇注固定。
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