CN110138121B - 蛇形定子线圈结构及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的蛇形定子线圈结构及制造方法，涉及定子线圈技术领域。蛇形定子线圈结构的制造方法包括：在绕制用支撑件上将具有起始端和终止端的导体束弯曲卷绕成蛇形线圈。一个蛇形线圈的终止端与另外的一个蛇形线圈的起始端电连接且形成串联电路本发明能够简单有效地制作蛇形绕线的蛇形定子线圈结构。

Description

蛇形定子线圈结构及制造方法

相关申请的互相参引

本申请是申请号为201810630067.1于2018年06月19日提交的名称为“蛇形定子线圈结构及制造方法、PCB定子及制造方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及定子线圈技术领域，具体而言，涉及一种蛇形定子线圈结构及制造方法。

背景技术

目前，电动机和发电机定子的蛇形卷绕绕组的制造，是使用单个导体并且重复卷绕蛇形图案线圈以获得期望的匝数。

虽然这种技术已在很长的历史中被证明是可靠的，但它也是一个相当低效的过程。

因此，需要为蛇形绕线定子提供简单有效的制造方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蛇形定子线圈结构的制造方法，其能够简单有效地制造蛇形定子线圈。

本发明的另外一个目的在于提供一种蛇形定子线圈结构，其由上述方法制造而成。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明的实施例提供了一种蛇形定子线圈结构的制造方法，包括：

在绕制用支撑件上将具有起始端和终止端的导体束弯曲卷绕成蛇形线圈；

选择性地将一个所述蛇形线圈的终止端与另外的一个所述蛇形线圈的起始端电连接且形成串联电路。

在本发明的可选实施例中，所述蛇形线圈包括内曲部分、外曲部分和工作部分，所述内曲部分的轮廓和所述外曲部分的轮廓均呈圆弧形，所述工作部分的两端分别与所述内曲部分、所述外曲部分连接。

在本发明的可选实施例中，在一个所述蛇形线圈的终止端与另外的一个所述蛇形线圈的起始端连接且形成串联电路时，将多个所述蛇形线圈的所述内曲部分与所述内曲部分、所述外曲部分与所述外曲部分以旋转的电气对准度在所述蛇形线圈的轴向错开且使得多个所述蛇形线圈的所述工作部分保持共面性。

在本发明的可选实施例中，每个所述导体束包括多根并排的单导体，将所述蛇形线圈的起始端的最外所述单导体向外取向以形成电端子的第一极性，将紧邻起始端的最外所述单导体的起始端的最内所述单导体与终止端的最外所述单导体连接；

重复上述最内到最外的连接至形成串联匝，剩下的终止端的最内所述单导体的末端部分被引出并穿过串联后的多个所述单导体以形成电端子的第二相反极性。

本发明的实施例提供了一种蛇形定子线圈结构，采用上述任一项所述的蛇形定子线圈结构的制造方法制成。

本发明的实施例提供了一种PCB定子制造方法，包括：

对作为霍尔效应层的印刷电路板、作为所述霍尔效应层的补充层的底部层进行铣削并进行导电镀槽，所述霍尔效应层的镀槽两侧具有电连接的径向导体、所述底部层的镀槽两侧具有电连接的径向导体；

对作为功率层的印刷有蛇形图案的定子线圈的印刷电路板进行铣削并进行导电镀槽，所述功率层的镀槽两侧具有与所述霍尔效应层的径向导体形状对应的径向导体，所述功率层的镀槽两侧的所述径向导体电连接；

将所述功率层沿蛇形图案的定子线圈的轴向叠积于所述霍尔效应层和所述底部层之间，使得每层印刷电路板的所有所述径向导体通过所述导电镀槽实现轴向并联电连接。

在本发明的可选实施例中，同一印刷电路板的所述导电镀槽的两侧的所述径向导体为并联电连接。

在本发明的可选实施例中，该方法还包括：

对所述导电镀槽的一端或者两端进行第二次铣削或者对所述导电镀槽的一端或者两端进行钻孔，去除一部分镀层，使得同一印刷电路板的所述导电镀槽的两侧的所述径向导体之间断开电连接。

在本发明的可选实施例中，同一印刷电路板的所述导电镀槽的两侧的所述径向导体为串联电连接。

本发明的实施例提供了一种PCB定子，采用上述任一项所述的PCB定子制造方法制成。

本发明的有益效果是：

能够简单有效地制作蛇形绕线的蛇形定子线圈结构或者是PCB定子，对于PCB定子，由于在径向导体中间镀槽，同样可以有效提高PCB定子绕组载流能力和散热能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例1中的蛇形定子线圈结构的制造方法所用的多根单导体被截取出来后的示意图；

图2为图1中的多根单导体被束缚件集束成导体束后的示意图；

图3为图2中的导体束弯曲卷绕成蛇形线圈的示意图；

图4为图3中的蛇形线圈形成串联电路的示意图；

图5为图4的A部分的局部放大图；

图6为单个蛇形线圈在绕制用支撑件上的示意图；

图7为三个图4中的蛇形线圈形成蛇形定子线圈结构且错开排列成三相绕组的示意图；

图8为图7中的三个蛇形线圈的更具体的位置关系示意图；

图9为实施例2中的PCB定子的制造方法所用的霍尔效应层的示意图；

图10为实施例2中的PCB定子的第一相的功率层的示意图；

图11为第二相的功率层的示意图；

图12为第三相的功率层的示意图；

图13为底部层的示意图；

图14A为蛇形定子线圈结构的第一相的轴向截面示意图；

图14B为蛇形定子线圈结构的第二相的轴向截面示意图；

图14C为蛇形定子线圈结构的第三相的轴向截面示意图；

图15A为图10中的径向导体和镀槽的示意图；

图15B为图10中的循环电流的路径的示意图；

图15C为去除一部分镀层的镀槽的示意图；

图16为去除一部分镀层的PCB定子的示意图。

图标：10-导体束；12-单导体；14-起始端；16-终止端；18-束缚件；20-绕制用支撑件；22-弯曲部分；24-蛇形线圈；25a-内曲部分；25b-外曲部分；25c-工作部分；26、28-电端子。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参照图1至图8，本实施例提供了一种蛇形定子线圈结构的制造方法，用于制作蛇形定子线圈结构。该方法包括：

在绕制用支撑件20上将具有起始端14和终止端16的导体束10弯曲卷绕成蛇形线圈24；

选择性地将一个蛇形线圈24的终止端16与另外的一个蛇形线圈24的起始端14电连接且形成串联电路。

其中，选择性地串联表示的是，可以让一个蛇形线圈24与另外的蛇形线圈24首尾相连形成串联电路，并在蛇形线圈24的数量更多时也这样首尾连接，完成串联。除了这样的大多数情况外，也可以是只有一个蛇形线圈24单独使用，此时没有形成串联电路。所以，是否要选择形成串联电路，是根据实际需求而定，而不是必须形成。

先在成卷的绕线筒上截取所需长度的多根单导体12，多根单导体12的两端分别为起始端14和终止端16。单导体12的数量等于所需匝数的数量，其长度足够完成蛇形绕线且有额外长度用于导出起始端14和终止端16，便于与另外的一个蛇形线圈24串联。

接着用束缚件18将多根单导体12集束成导体束10，束缚件18可以是将多根单导体12全包围的物件，如护套，也可以是适合于包装和/或自粘的间隔束缚的任何材料，包括胶带、收缩包装、塑料等。

接着再在绕制用支撑件20上进行弯制，弯制成蛇形线圈24的弯曲部分22。蛇形线圈24包括内曲部分25a、外曲部分25b和工作部分25c，内曲部分25a的轮廓和外曲部分25b的轮廓均呈圆弧形，工作部分25c的两端分别与内曲部分25a、外曲部分25b连接。

其中，绕制用支撑件20可以是工装夹具，也可以是整体定子支撑件。通过这样的卷绕，避免了当仅使用一根连续导体时必须重复且顺序地形成外部弯曲和内部弯曲以形成蛇形图案线圈匝数的复杂性。

在形成串联电路时的具体连接方式：每个导体束10包括多根并排的单导体12，将蛇形线圈24的起始端14的最外单导体12a向外取向以形成电端子26的第一极性，将紧邻起始端14的最外单导体12的起始端14的最内单导体12b与终止端16的最外单导体12c连接；

重复上述最内到最外的连接至形成串联匝，剩下的终止端16的最内单导体12d的末端部分被引出并穿过串联后的多个单导体12以形成电端子28的第二相反极性。

通过这样的连接，除了第二相反极性的末端一部分以外，其他的各个单导体12都是共面的。

除了上述的较为优选的连接方式，也可以让相邻导体束10在至少一个导体束10之上或之下交叉而形成串联连接以使一个导体束10的起始端14与另一个导体束10的终止端16串联连接，其中单导体12在彼此上下交叉以连接导体束10的端部。

在一个蛇形线圈24的终止端16与另外的一个蛇形线圈24的起始端14连接且形成串联电路时，将多个蛇形线圈24的内曲部分25a与内曲部分25a、外曲部分25b与工作部分25c以旋转的电气对准度在蛇形线圈24的轴向错开且使得多个蛇形线圈24的工作部分25c保持共面性。如图7、图8，通过一定的轴向错开弯曲，使得每个蛇形线圈24的三个部分有所错落，三个蛇形线圈24相互间又有一定的转动错位，从而使得工作部分25c是共面的，以实现磁性转子之间较小的气隙。

根据定子绕组的相位的不同，可以有多个蛇形线圈24进行转动堆叠，如3个相，则可以120°转动。形成的定子绕组的相位可以分成不同的长度段，而不只是完全的就一个整体。比如如果有两个分段，则每个分段相的电压是总电压的一半，如果有3个分段，那么相位的电压只有三分之一。例如，可能存在来自一相的两个分段的120V的输出，或者这两个分段可能被连接成整个相位并且导出240V(例如，通常在作业现场的发电机上应用，其中一些装置需要较低的电压，而其他装置更高的电压)。

通过这样的蛇形定子线圈结构的制造方法，能够简单有效地制作蛇形定子线圈结构。

实施例2

请参照图9至图16，本实施例提供了一种PCB定子制造方法，使用印刷电路板(PCB)实现蛇形绕组的PCB定子的制造。该方法包括：

对作为霍尔效应层的印刷电路板、作为霍尔效应层的补充层的底部层进行铣削并进行导电镀槽，霍尔效应层的镀槽两侧具有电连接的径向导体、底部层的镀槽两侧具有电连接的径向导体；

对作为功率层的印刷有蛇形图案的定子线圈的印刷电路板进行铣削并进行导电镀槽，功率层的镀槽两侧具有与霍尔效应层的径向导体形状对应的径向导体，功率层的镀槽两侧的径向导体电连接；

将功率层沿蛇形图案的定子线圈的轴向叠积于霍尔效应层和底部层之间，使得每层印刷电路板的所有径向导体通过导电镀槽实现轴向并联电连接。

在本实施例中，示范的是三匝的两个合并导体和八个极的十四个导体层的多层轴向间隙定子。其中黑色部分是印刷电路的铜迹线(除了最外面的黑线和最内面的黑线分别仅为PCB板的内边缘和外边缘，尽管内边缘和外边缘也可以被镀铜)。

其中，霍尔效应层也称为“霍尔”层或“信号”层，是作为第一层(层30)来连接霍尔效应传感器(未示出)，用于发信号通知永磁体转子(也未示出)的交变磁极的转变。

第一层上还示出了电源端子31、32和33。每个电源端子都与通孔或柱相关联。通常，每相有一个焊盘/通孔/接线柱，因此三相电机有三个电源接线端31、32、33。

其中，同一印刷电路板的导电镀槽的两侧的径向导体为并联电连接，称作合并径向转矩感应导体，合并径向转矩感应导体及垂直镀槽标记为34，。每层的PCB板具有多对合并径向转矩感应导体，每队合并径向转矩感应导体通过垂直的导电镀槽电连接到十四层中的每个相对应的轴向并联的每一层中的两个合并径向转矩感应导体。在其他的功率层或者底部层的图示中分别标记为44、54、64、74。

用于三相电路的常规Y形或星形连接由Y形端子35，36和37组成。在图10中，第二层，第三层，第四层和第五层(统称为层40)各自都是功率层。其中每层具有通过通孔或垂直柱直接电连接到第一相的功率端子42，例如相A。

整个A相电路在层40上从电源端子42出发通过端部线圈连续地串联到每对合并径向转矩感应导体及垂直镀槽44，并终止于Y形端子45处。层40还具有Y形端子46到Y形端子47的连接。

图11中所示的第六层，第七层，第八层和第九层(统称为层50)，每个层都具有功率层，其中每个层具有通过通孔或垂直柱的直接电连接至第二相功率端子51，例如相B。

整个B相电路在层50上显示，通过第二相功率端子51到端部绕组依次串联连接每对合并径向转矩感应导体及垂直镀槽54，并终止于Y形端子56。层50还具有连接至Y形端子57的Y形端子56。

图12中所示的第十，第十一，第十二和第十三层(统称为层60)中的每一个都是“功率”层，其中每个层具有通过通孔或垂直柱到第三相功率端子63(例如相C)的直接电连接性。

整个C相电路在层60上显示，通过相功率端子63到端部绕组依次串联连接到每对合并径向导体及垂直镀槽64，并终止于Y形端子67。层60还具有连接到Y形端子66的Y形端子65。

图13中的第十四层70是一底层，它补充了图9所示的霍尔效应层。因为它使层的总数成为制造工艺要求的偶数。层70具有成对的合并径向转矩感应导体，该径向导体通过竖直电镀槽电联接到第一至第十三层中的每一层的相应的轴向并联的成对的合并径向转矩感应导体。

更为具体的，多个电镀通孔或过孔组成的每个Y形端子电连接到Y形端子35、45、55、65和75的所有层；Y形端子36、46、56、66和76的所有层；以及图9到图13的Y形端子37、47、57、67和77的所有层。用于三相定子连接的星形连接发生在层40上的Y形端子46和47之间、层50上的Y形端子56和57之间以及层60上的Y形端子65和66之间。

关于镀槽的制作，作为示例的是，在多层PCB板的其中一层上使单个径向转矩感应导体铜图案化(例如，通过光刻、化学蚀刻、选择性电镀等实现印刷或蚀刻)。铜层的图案可以在单面或双面PCB上，并且其中单个径向导体同外端部处的两个合并外端绕组和内端部处的两个合并内端绕组相连接，然后为了减小径向转矩感应导体的宽度而形成两个由槽隔开的合并径向转矩感应导体，然后进行导电镀槽(例如，铜、铜合金等)，以便通过竖直电镀槽提供电连接到每个相应的轴向并联的两个合并径向转矩感应导体。机加工是使用已知的铣刨和钻孔设备进行的，并且通常是非常自动化的过程。

如图14A至14C，示出了十四层PCB的三个轴向截面图。

图14A是具有四个功率层80的第一相A相的轴向截面图，其中径向导体连接到相A的端部导体，并且十个其他层82仅由径向导体构成，所述径向导体通过镀槽的导电镀层83进行轴向电连接。

图14B是具有四个功率层84的第二相B相的轴向截面图，其中径向导体连接到相B的端部绕组导体，并且十个其他层86(例如86a，86b)仅由径向导体构成，所述径向导体通过镀槽的导电电镀层87进行轴向电连接。

图14C是具有四个功率层88的第二相位C的轴向横截面图，其中径向导体连接至相C的端部导体，并且十个其他层90仅由径向导体构成，所述径向导体通过镀槽的导电镀层91进行轴向电连接。

在一些现有技术中所见，单独的连接层不存在于该具有蛇形绕组的PCB定子方案中。这意味着有可能创建一个只有三层的改进蛇形绕组的三相PCB定子。但是最常见的PCB制造工艺需要偶数层。因此，实际的最小值是四层。而在现有设计中，每相需要两个不同层来完成三相定子，最小层数为六层。

本领域技术人员已知但应该提及的是，在每个PCB导体层之间，PCB的多层轴向堆叠内存在电绝缘层。

为了减少通过合并径向转矩感应导体之间的镀槽的环路电流的可能性，可以选择的是：

对导电镀槽的一端或者两端进行第二次铣削或者对导电镀槽的一端或者两端进行钻孔，去除一部分镀层，使得同一印刷电路板的导电镀槽的两侧的径向导体之间断开电连接。

进一步的，同一印刷电路板的导电镀槽的两侧的径向导体为串联电连接。

具体的，可以沿着轴向堆叠的PCB的径向转矩感应迹线的任一侧或两侧铣削槽，以便通过垂直电镀槽提供电连接以穿过每个相应的轴向并联的径向转矩感应导体。再次，如现在在图15A至15C中所示，执行第二铣削或钻孔操作以去除槽的任一端或两端的导电镀层，以通过不提供两侧之间的电连接来减轻镀槽内的环路电流。

图15A是如上所示的三个径向导体101的特写视图。导电镀层102覆盖槽103的内壁。径向导体101在槽103的任一侧以形成两个合并导体。

图15B示出了来自旋转的永磁体转子(未示出)的交变磁通量。铜导体中的这种环路电流是永磁无铁芯电机中已知的损耗。

图15C在槽103的端部处具有导电镀层102。导电镀层的端部部分可以通过钻孔或铣削操作或诸如激光切割的一些其他手段去除。

导电镀槽不仅为各层径向导体提供了轴向电连接性，而且还提供了额外的电流承载能力，从而增强了印刷的径向导体。此外，导电镀层导体提供导热性，特别是用于从内层轴向向外提供热传递，由于径向导体之间的多个轴向绝缘层，内层具有更大的热路径阻力。多层PCB的内层通常成为热限制层，因为在这种内层中产生的热量在被移除时具有阻力。导电镀槽还可以作为一种导管，通过使气体或液体流体在定子和转子之间的气隙中流动并且与槽中的导电镀层接触，可以在其中发生对流热传递。对流流体可以包括但不限于空气或其他气体或气体混合物，或液体如水、水/乙二醇或电介质油。

进一步参考图16所示，电镀槽144的端部通过上述方式断开以分离径向导体142和143。

三相PCB定子的一相(例如相A)的功率层140具有相功率端子141。功率端子141电连接到一个径向导体142。径向导体142与相邻的径向导体143串联电连接。参考前文的图10，合并径向转矩感应导体44形成合并并联的径向导体对。如其中所示和所述，每对合并径向转矩感应导体44的端部绕组也是并联的。图16示出端部绕组同每个单独径向导体的串联连接，如示例导体142和143所示。在其他功率层，PCB定子的剩余两相将具有相同的用于径向导体的串联连接。标号145等三个Y形端子将三相连接成Y形或星形。串联连接的径向导体与镀槽轴向层到层连接的布置允许在相同的PCB定子电路尺寸下实现更多的匝数。匝数总数受到径向导体最内端圆周的限制。

一些现有技术的定子使用电镀通孔将层连接在一起，这些层沿径向导体与内端部绕组之间的周向线定位或靠近该定位线。允许在PCB制造中存在从孔直径到包含孔的铜焊盘或焊盘边缘的偏移量的公差。结果是匝数总数受电镀孔的大小加上偏移量加上焊盘之间的间距的限制。本实施例的带蛇形绕组的改进型PCB定子仅受径向导体宽度加上匝间间距的限制，因此可以设计具有更多匝数的定子。

多层多相PCB定子的一个优选方案包括轴向相邻放置的同相功率层，以减轻当在多相PCB的堆叠中彼此轴向相邻的不同相存在时可能出现的较高的相间电压差异。

另一种可以想见的方案是在具有不同相电力层的层之间并入具有较高电压击穿电位的绝缘层，然后在同相电力层之间并入电压击穿电位。

需要说明的是，这里公开的图示和叙述是特定于轴向间隙定子架构的，但是蛇形绕组结构以及同相导体的方法和互连的类似配置可以用于线性电机和/或径向电机，并且这样的替代架构通过由轴向间隙电机明确详细示出的结构和方法进行实践。

本实施例所公开的合并卷绕蛇形PCB定子的说明和叙述特定于为每个相提供两个端子的极性的电路架构，例如六端子三相定子。并且，图示的蛇形PCB定子特定于三出线端星(Y)形三相定子。然而，这些示例是说明性的，因此本发明不限于这些具体说明的实施例。相反，可以通过本发明的结构和方法导出任何数量的相、极、匝和相端子布置，包括每相的独立极性端子或串联连接的相，例如可以是星[Y]形或三角形，适用于所选择的扭矩和速度特性以及用于运行电机和/或发电机的控制器。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种蛇形定子线圈结构的制造方法，其特征在于，包括：

在绕制用支撑件上将具有起始端和终止端的导体束弯曲卷绕成蛇形线圈；

将一个所述蛇形线圈的终止端与另外的一个所述蛇形线圈的起始端电连接且形成串联电路；

每个所述导体束包括多根并排的单导体，将另外的一个所述蛇形线圈的起始端的最外所述单导体向外取向以形成电端子的第一极性，将紧邻起始端的最外所述单导体的起始端的最内所述单导体与一个所述蛇形线圈的终止端的最外所述单导体连接；

重复上述最内到最外的连接至形成串联匝，一个所述蛇形线圈的剩下的终止端的最内所述单导体的末端部分被引出并穿过串联后的多个所述单导体以形成电端子的第二相反极性。

2.根据权利要求1所述的蛇形定子线圈结构的制造方法，其特征在于，所述蛇形线圈包括内曲部分、外曲部分和工作部分，所述内曲部分的轮廓和所述外曲部分的轮廓均呈圆弧形，所述工作部分的两端分别与所述内曲部分、所述外曲部分连接。

3.根据权利要求2所述的蛇形定子线圈结构的制造方法，其特征在于，在一个所述蛇形线圈的终止端与另外的一个所述蛇形线圈的起始端连接且形成串联电路时，将多个所述蛇形线圈的所述内曲部分与所述内曲部分、所述外曲部分与所述外曲部分以旋转的电气对准度绕所述蛇形线圈的轴向错开且使得多个所述蛇形线圈的所述工作部分保持共面性。

4.一种蛇形定子线圈结构，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的蛇形定子线圈结构的制造方法制成。

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