CN109995166A - 一种多支路可调型pcb绕组的定子结构 - Google Patents

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王晓远
庞炜
李春鹏
卢怀东
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Abstract

本发明公开了一种多支路可调型PCB绕组的定子结构，该PCB定子绕组结构充分利用同心交叉式绕组的布线特征，将其设计成了多支路可调型结构；每个支路至少包括三相同心交叉式线圈，其中每相每个线圈层中的每个同心交叉式线圈都具有正负两个引出线端子，可与相邻支路上同相线圈的两个正负出线端子进行串联或并联连接，构成多种串并联可调的多支路结构；每个支路也可以作为一个独立的结构体，与外界设备进行单独的通电连接；该PCB定子绕组采用了以独特的四层为核心层的设计，将以同心交叉式绕组为布线特征的PCB定子绕组层数缩减到了最低极限，既降低了PCB制造工艺难度以及成本，也缩减了PCB板的轴向长度，非常适用于盘式电机及对轴向尺寸要求严格的场合。

Description

一种多支路可调型PCB绕组的定子结构
技术领域
本发明涉及PCB绕组的定子结构领域，特别是涉及一种多支路可调型PCB绕组的定子结构。
背景技术
申请号是CN200480009416.4的中国发明专利公开了一种导体优化的轴向场转动能装置，该装置的PCB定子绕组结构设计存在两个方面的问题：其一，采用了传统的同心式绕组的布线方式，其并联支路数为1，其存在线圈的内外端接线过多并且占用了大量的径向空间的问题，导致了线圈内外端接线产生的铜耗占输出功率的比重相对较大，使得电机的效率大打折扣，同时端接线占据的大量的径向空间限制了有效导体的长度以及其并联支路数单一化，不具有多支路可调的灵活性；其二，PCB定子绕组至少三相电路，每相电路至少有一个工作导体层(线圈层)和一个与工作导体层相串联的连接导体层，总共需要至少六层的印刷电路层才能构成一个PCB定子绕组结构，导致其PCB定子绕组层数多且结构复杂，不仅增加了PCB工艺的难度，而且使得PCB制造成本成倍增加；上述两个问题限制了此专利的实用性及适用范围。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种多支路可调型PCB绕组的定子结构。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多支路可调型PCB绕组的定子结构，由至少1个单元支路构成，每个单元支路设置有至少3对正负接线柱，每一对正负接线柱在所处的单元支路内部串联或并联连接，或在相邻单元支路之间与相应的正负接线柱串联或并联连接，构成多种串、并联可调的多支路结构；每个所述单元支路可作为一个独立的结构体与外界设备进行直接的电连接；每个单元支路至少由三相绕组构成，每相绕组至少包含一个同心交叉式线圈；每个所述同心交叉式线圈至少由四层PCB布线层堆叠而成；所述四层PCB布线层是由至少三层线圈层和至少一层出线层构成；所述线圈层是由每相的单元支路单层线圈及沿周向均匀分布的径向有效导体组成；所述的多支路结构中单元支路的个数与每个线圈层中的同心交叉式线圈个数相等。
进一步的，所述同心交叉式线圈中还设置有用于将线圈层和出线层连接起来的通孔导体。
进一步的，所述的多支路结构中单元支路的个数与每个线圈层中去掉多余的径向有效导体后仅在该层绕制的同心交叉式线圈的个数相等。
进一步的，每相绕组中构成线圈的引出线导体、径向有效导体及内外端接线导体的形状、尺寸及数量都可根据实际需要做出相应修改。
所述的单元支路按照同心交叉的布线方式绕制，构成同心交叉式绕组；且各相中的同心交叉式绕组在周向位置上均匀分布，在轴线位置上分别处于不同的PCB布线层上；其中线圈层中的每个同心交叉式绕组都具有正负两个引出线端子，将所有引出线端子按照三相绕组星角接方式连接起来形成了定子绕组的多支路结构；所述的正负两个引出线端子通过通孔导体连接到出线层中对应的两个径向有效导体的外端部接线端子上，通过两个外端部接线端子将两个正负引出线端子引出到相应支路中的接线柱上；每个所述多支路结构中包含有每一相中的两个引出线端子。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：本发明采用的同心交叉式的绕组布线，使得PCB绕组的径向有效导体长度在有限的径向空间内能够最大程度的向外延伸，提高电机的转矩及功率密度；同时将PCB定子绕组的布线层数缩减到了四层，降低改变了PCB定子绕组的制造工艺难度和成本，同时在有限的轴向布线空间内，将盘式电机的轴向气隙进一步缩短，在保持气隙磁密不变的情况下进一步缩减磁钢用量，降低盘式电机的制造成本。多支路可调的结构可以对PCB绕组的并联支路数进行改变，实现了一个PCB板的并联支路数多种可调的功能，打破了一个PCB板只有一中并联支路数的现状。
附图说明
图1为本发明定子的多支路可调型PCB三相绕组结构示意图；
图2是图1中拆去一相绕组的多支路可调型结构示意图；
图3是图1中拆去两相绕组的多支路可调型结构示意图；
图4是图3的一相绕组的多支路可调型俯视平面图；
图5是图1中出线层L4的三相多支路可调型平面图；
图6是图1中线圈层L1与出线层L4中取A相引出线端子构成的多支路可调型重叠俯视平面图；
图7是图1中线圈层L2与在出线层L4中取B相引出线端子构成的多支路可调型重叠俯视平面图；
图8是图1中线圈层L3与在出线层L4中取C相引出线端子构成的多支路可调型重叠俯视平面图；
具体实施方式
说明书附图所绘示的结构、比例、支路数等，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、比例关系的改变或支路数的调整，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。
本发明的多支路可调型PCB绕组的定子结构，由至少4个单元支路构成；每个单元支路可根据其在实际轴向磁通电机应用中的需求，进行有规律的串联或并联；所述的每个支路也可以作为一个独立的结构体，与外界设备进行单独的通电连接；单元支路至少由三相绕组构成，每相绕组至少包含一个同心交叉式线圈；
根据实际用途的需要，本发明可以调整支路的个数；为了对多支路可调型PCB定子绕组结构进行详细描述，接下来以四个独立的单元支路构成的三相PCB定子绕组结构为例子来对本发明进行具体实施；如图1-图8所示，为本发明在四个独立单元支路情况下的PCB定子绕组结构，包括由结构相同的四个独立单元支路(R1，R2，R3和R4)沿圆周均匀分布构成的定子7；所述的独立单元支路，如图1所示，以单元支路R1为例，由绕线结构完全相同的三个同心交叉式线圈(A1线圈，B1线圈和C1线圈)构成；所述的A1线圈有两个接线端子41(A1+)和44(A1-)，B1线圈有两个接线端子42(B1-)和45(B1+)以及C1线圈有两个接线端子43(C1+)和46(C1-)；为了清楚的看到每相线圈的具体位置及分布情况，在图1的基础上将C相所有线圈移除，得到了图2所示的A相绕组和B相绕组的相对位置分布图；图3是将B相绕组和C相绕组全部移除后，得到的独有A相绕组的结构图；在图3中，R1支路中的A1同心交叉式线圈由下列四部分的零件有规律的构成。
第一部分是由位于出线层L4的一对引出线410和430为代表的多对引出线构成；所述的引出线410将径向有效导体411的外端部与A1+的接线端子41串联的连接下一起，引出线430将径向有效导体429的外端部与A1-的接线端子44串联的连接下一起。
第二部分是以径向有效导体411为代表的在不同层中沿圆周均匀分布的多个径向有效导体构成；其中图3中的径向有效导体分布图是去除了B相和C相后剩余的A相部分；所述的A相的多个径向有效导体在周向方向上分布是相互独立，需要通过通孔导体5为代表的多个内端部通孔导体和通孔导体6为代表的多个外端部通孔导体以及内端部连接导体112、124为代表的多个内端部连接导体和外端部连接导体118、122为代表的多个外端部连接导体以一定的绕线规律进行相互配合连接，来使得周向分布的多个独立的径向有效导体连接成一个整体；所述的通孔导体5位于径向有效导体的内端部处；所述的通孔导体6位于径向有效导体的外端部处；所述的A相的多个径向有效导体在轴向不同层(线圈层L1，线圈层L2，线圈层L3和出线层L4)之间的分布也是相互独立的，需要通过内外端部通孔导体将不同层中处于相同周向位置处的径向有效导体进行选择性的并联连接。
第三部分是以内端部连接导体112、116、120、124和128为代表的多个内端部连接导体和以外端部连接导体114、118、122 126为代表的多个外端部连接导体构成；所述的内端部连接导体和外端部连接导体是按照同心交叉式的布线规律与相应的径向有效导体进行串联连接。
第四部分是以通孔导体5为代表的多个内端部通孔导体和通孔导体6为代表的多个外端部通孔导体构成；所述的通孔导体不仅具有导电的作用，而且将上述三部分的零件按同心交叉式的绕线规则组合在了一起，从而形成了每个独立的同心交叉式线圈；
在图1-3中，本发明示出了由四层PCB布线层构成的同心交叉式定子绕组结构；四层PCB布线层是由三层线圈层和一层出线层构成；但是本发明的其他实施方案可以具有更多数量的线圈层和出线层。
在图3和图4中，展示出了去掉B相绕组和C相绕组后的A相绕组的布线图；由于三相绕组中，除了各相的线圈内外端部连接导体位于不同的线圈层上以外，从图6-8中可以看出三相绕组每个线圈的绕线方式完全相同，都采用的是同心交叉式绕线，所以接下来以A相绕组中处于R1支路的A1线圈为例，结合图3和图4，完整的说明同心交叉式线圈中电流的流向；假设电流从A1+的接线端子41流入，经过引出线导体410，流入径向有效导体411，并通过外端部通孔导体将电流导入到相同周向位置不同层的相互并联的径向有效导体中，最后四个支路的电流通过内端部通孔导体汇集在一起，流入到内端部连接导体112中；接下来电流会从内端部连接导体112依次流过径向有效导体413、外端部连接导体114、径向有效导体415、内端部连接导体116、径向有效导体417、外端部连接导体118、径向有效导体419、内端部连接导体120、径向有效导体421、外端部连接导体122、径向有效导体423、内端部连接导体124、径向有效导体425、外端部连接导体126、径向有效导体427、内端部连接导体128、径向有效导体429和引出线导体430，最后从A1-的接线端子44流出；图4是在图3基础上的俯视平面图，能清晰的展示出同心交叉式绕组的绕线规律；在图3中A相绕组的R2支路、R3支路和R4支路中的线圈可以按照R1支路中的A1线圈的布线方式进行一定规律的旋转复制得到；对于B相绕组线圈和C相绕组线圈可以按照A相线圈的布线方式得到；在图6-8中清楚的展示出了三相绕组的空间位置排布图，其中图6所示的A相绕组的内外端部连接导体位于L1线圈层以及四对引出线(A1+，A1-)、(A2+，A2-)、(A3+，A3-)和(A4+，A4-)位于L4出线层；图7中的B相绕组的内外端部连接导体位于L2线圈层以及四对引出线(B1+，B1-)、(B2+，B2-)、(B3+，B3-)和(B4+，B4-)位于L4出线层；图8中的C相绕组的内外端部连接导体位于L3线圈层以及四对引出线(C1+，C1-)、(C2+，C2-)、(C3+，C3-)和(C4+，C4-)位于L4出线层；
在上述实施例中，每相绕组的线圈个数、构成线圈的各部分的导体形状及尺寸都可以根据实际的用途而做出修改和改变；图5中展示出了出线层L4中的三相绕组各个引出线所构成的四个单元支路的结构；所述的四个单元支路可以根据PCB定子绕组的实际用途按照一定规律进行串并联；所述的单元支路的个数与每相绕组线圈的个数相等。
综上，本发明一种具有印刷电路板(PCB)绕组的定子结构，能应用在盘式电机中；本发明采用了新型的同心交叉式的绕组布线，使得PCB绕组的径向有效导体能够最大程度的向外延伸，可以使得电机的性能得到进一步提升；同时将PCB定子绕组的布线层数降低到了四层，可以减少PCB定子绕组的制造工艺难度和成本，以及充分利用了有限的布线空间，将盘式电机的轴向气隙进一步缩短，在保持气隙磁密不变的情况下可以进一步缩减磁钢用量，进一步缩减盘式电机的成本；上述所述的技术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。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多支路可调型PCB绕组的定子结构，其特征在于，由至少1个单元支路构成，每个单元支路设置有至少3对正负接线柱，每一对正负接线柱在所处的单元支路内部串联或并联连接，或在相邻单元支路之间与相应的正负接线柱串联或并联连接，构成串、并联可调的多支路结构；每个所述单元支路可作为一个独立的结构体与外界设备进行直接的电连接；每个单元支路至少由三相绕组构成，每相绕组至少包含一个同心交叉式线圈；每个所述同心交叉式线圈至少由四层PCB布线层堆叠而成；所述四层PCB布线层是由至少三层线圈层和至少一层出线层构成；所述线圈层是由每相的单元支路单层线圈及沿周向均匀分布的径向有效导体组成；所述的多支路结构中单元支路的个数与每个线圈层中的同心交叉式线圈个数相等。
2.根据权利要求1所述一种多支路可调型PCB绕组的定子结构，其特征在于，所述同心交叉式线圈中还设置有用于将线圈层和出线层连接起来的通孔导体。
3.根据权利要求1所述一种多支路可调型PCB绕组的定子结构，其特征在于，所述的多支路结构中单元支路的个数与每个线圈层中去掉多余的径向有效导体后仅在该层绕制的同心交叉式线圈的个数相等。
4.根据权利要求1所述一种多支路可调型PCB绕组的定子结构，其特征在于，所述的单元支路按照同心交叉的布线方式绕制，构成同心交叉式绕组；且各相中的同心交叉式绕组在周向位置上均匀分布，在轴线位置上分别处于不同的PCB布线层上；其中线圈层中的每个同心交叉式绕组都具有正负两个引出线端子，将所有引出线端子按照三相绕组星角接方式连接起来形成了定子绕组的多支路结构；所述的正负两个引出线端子通过通孔导体连接到出线层中对应的两个径向有效导体的外端部接线端子上，通过两个外端部接线端子将两个正负引出线端子引出到相应支路中的接线柱上；每个所述多支路结构中包含有每一相中的两个引出线端子。
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