CN110784049A - 一种陶瓷pcb盘式无刷励磁电机 - Google Patents

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唐宇
刘元魁
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Abstract

本发明公开了一种陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，包括依次设置在中心轴上的前盖、第一轴承、第一磁钢、第一永磁体、陶瓷PCB绕组、第二永磁体、第二磁钢、第二轴承、后盖；所用绕组为陶瓷PCB绕组，所述陶瓷PCB绕组包含至少一层陶瓷PCB基板，及固定在陶瓷PCB基板上的绕组，所述绕组在陶瓷PCB基板上以中心轴孔呈圆周阵列分布。本发明的技术方案可以提高电机整体的性能、拥有更大功率、更高速率、更长寿命，同时可以明显的降低电机的厚度。

Description

一种陶瓷PCB盘式无刷励磁电机
技术领域
本发明涉及电机制造领域，具体涉及一种陶瓷PCB盘式无刷励磁电机。
背景技术
无刷励磁电机为常见的电机种类，其电枢绕组(硅钢片铁芯)位于定子铁芯槽中，由于齿槽效应会导致电机旋转时有转矩脉动，降低动态响应速度，振动噪音变大，同时硅钢片铁芯将消耗一定的能耗；而且其采用径向磁场的结构，整体厚度较大，不能满足薄型安装要求。
公开号为CN209250362U，名为一种PCB盘式无刷直流电机的专利采用了pcb板作为绕组，但是采用的是传统印刷电路板中所使用的基板材料，如FR4(A环氧-玻璃纤维板)，这样的基板材料，在电机中又是产生高速运动转子的推动力源泉，无法避免因为摩擦、电阻等因素产生全局或者局部热或者力的冲击、变形，长时间运行时易老化，严重失效变形甚至开裂，会导致电机突然失效、引发重大灾害；另一方面，基板的细微瞬时或者永久变形，将导致基板上的PCB中的电磁回路与控制系统的要求产生匹配错位等，严重影响电机的功率、安全、转速等特性；而且，在加工PCB过程中，传统基板材料的稳定性、一致性、可靠性也会出现些许改变等，影响某单个产品或者批量电机产品的性能；同时，为了保证PCB印制板的可靠性，使用传统基板时，对其基板的厚度有一定要求，无法实现更薄、更紧凑、更高效电机的设计与制造。
公开号为CN104488285A，名为包括感应电力系统的无线遥测系统的专利采用陶瓷PCB板作为绕组，采用次级感应线圈组件，其包括形成在陶瓷基层上的司次级干面绕组，陶瓷基层安装到涡轮叶片运根部的端面。解决高温环境下信号的传递以及供电，上述方案并不能运用到电机上。
公开号为CN2807422Y，名为低温共烧陶瓷绕组高频功率变压器的专利将金属导体浆料与陶瓷材料多层层压、通过低温共烧形成的以陶瓷为绝缘骨架，包含内部金属绕线连接的整体复合陶瓷绕组模块，实现绝缘处理、提高散热性、缩小体积等，解决散热以及如何多层绕组叠加的问题，上述方案并不能运用到电机上。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，可以提高电机整体的性能、拥有更大功率、更高速率、更长寿命，同时可以明显的降低电机的厚度。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的：
一种陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，所用绕组为陶瓷PCB绕组，所述陶瓷PCB绕组包含至少一层陶瓷PCB基板，及固定在陶瓷PCB基板上的绕组，所述绕组在陶瓷PCB基板上以中心轴孔呈圆周阵列分布。
进一步地，包括依次设置在中心轴上的前盖、第一轴承、第一磁钢、第一永磁体、陶瓷PCB绕组、第二永磁体、第二磁钢、第二轴承、后盖。
进一步地，所述陶瓷PCB基板为复合陶瓷材料。
进一步地，所述陶瓷PCB基板包含氧化铝、氮化硅、金刚石、氮化硼中的一种或者多种。
进一步地，所述陶瓷PCB基板包括底板和涂敷在底板上的陶瓷材料。
进一步地，所述底板为铝、铜中的一种或多种。
进一步地，所述绕组包括10～18组闭合线圈；所述闭合线圈围绕中心轴孔呈辐射状分布在陶瓷PCB基板上。
进一步地，所述绕组由导电材料印制在陶瓷PCB基板上。
进一步地，所述绕组为在陶瓷PCB基板蚀刻而成。
进一步地，所述绕组由金属3D打印或掩膜喷涂的方式固定在陶瓷PCB基板上。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
(1)陶瓷PCB基板定子绕组盘实现了无铁芯结构，无齿无槽，消除了齿槽转矩和铁芯损耗，并能够消除定、转子间的电磁吸力；
(2)电枢绕组采用陶瓷PCB绕组，与线绕型绕组相比，可以降低定子电枢的厚度，减小电机的等效气隙长度，减少永磁体的用量；
(3)陶瓷PCB绕组形式和线圈形状设计灵活，线圈的形状、尺寸和定位非常精确，加工的工艺性非常好，并具有良好机械强度和散热条件。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为实施例中陶瓷PCB盘式无刷励磁电机爆炸结构示意图；
图2为实施例中陶瓷PCB绕组的结构示意图；
图3为实施例中陶瓷PCB盘式无刷励磁电机剖面结构示意图；
图4为实施例中陶瓷PCB盘式无刷励磁电机的控制电路连接示意图。
图中：1.前盖；2.第一轴承；3.第一磁钢；4.第一永磁体；5.陶瓷PCB绕组；6.第二永磁体；7.第二磁钢；8.第二轴承；9.后盖；10.中心轴；11.陶瓷PCB基板；12.绕组；13.电极引线；14中心轴孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例：
如图1至图4所示，陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，包括依次设置在中心轴上的前盖、第一组轴向磁铁(第一轴承、第一磁钢、第一永磁体)、陶瓷PCB绕组、第一组轴向磁铁(第二永磁体、第二磁钢、第二轴承)、后盖；上述部件均在中心位置设有连接孔，中心轴外套在上述部件上。
所述陶瓷PCB绕组包含一层陶瓷PCB基板，具体数量根据实际需要进行叠加即可，及固定在陶瓷PCB基板上的绕组，所述绕组在陶瓷PCB基板上以中心轴孔呈圆周阵列分布。
采用陶瓷PCB绕组电机消除了常规PCB电机中因为基板材料老化、变形、导热能力差、耐冲击性能低等不足产生的电机功能与寿命等问题，将极大提升PCB电机的运行功率、转速、寿命、稳定与可靠性等。
本实施例中，所述陶瓷PCB基板为复合陶瓷材料，具体可以根据电机的性能要求选用氧化物、氮化物、碳化物、硅酸盐、铝酸盐、各种金属和非金属的混合、化合物，如氧化铝、氮化硅、金刚石、氮化硼等高导热、高绝缘陶瓷材料，等均可作为陶瓷基板选材。
本实施例中，所述陶瓷PCB基板包含氧化铝、氮化硅、金刚石、氮化硼中的一种或者多种。
氧化铝、氮化硅、金刚石、氮化硼中的一种或者多种陶瓷材料具有高导热、高绝缘的特性，可以运用到特定要求的电机生产中。
当然陶瓷PCB基板可以是包括底板和涂敷在底板上的陶瓷材料构成。选用特定的底板可以获得特定的物理性能。
具体的底板选用高导热且磁屏蔽的金属，如铝、铜中的一种或多种。
本实施例中，所述绕组可以是10、12、14、16、18个组闭合线圈，本实施例中在陶瓷PCB基板的两面上均设置12个组闭合线圈，所述闭合线圈围绕中心轴孔呈辐射状分布在陶瓷PCB基板上。
陶瓷PCB基板也可以为多个堆叠，每个陶瓷PCB基板上的线圈依次串联即可。
陶瓷PCB绕组固定在陶瓷PCB基板的方式有多种，可以使用导电银浆、导电石墨烯或二者的混合油墨印制在陶瓷PCB基板上；也可以采用化学镀、电镀导电金属在陶瓷PCB基板上后，再采用蚀刻形成陶瓷PCB绕组；还可以金属3D打印、掩膜喷涂等方式印制在陶瓷PCB基板。
本实施例具体的选择将铝板根据陶瓷PCB基板结构和尺寸()要求进行加工；接着，在该铝材加工件表面，喷射氧化铝乳液并置入高温炉中烧结，获得氧化铝层厚度100微米的铝基陶瓷PCB基板。
根据如图2所示的绕组结构，制作形成丝网印刷板，之后利用导电银浆作为油墨，在铝基陶瓷PCB板上面印刷陶瓷PCB绕组的各组闭合线圈，及对应的电极引线形成陶瓷PCB绕组，各组闭合线圈为5匝，线圈导体径向角度由内至外依次为6°、8°、10°、12°、14°。
当然，也可以采用另一种陶瓷PCB基板制作方法，具体为直接镀铜DPC(Directplating copper)薄膜法进行金属膜沉积，主要用蒸发、磁控溅射等面沉积工艺进行基板表面金属化，先是在真空条件下溅射钛，铬然后再是铜颗粒，最后电镀增厚，接着以普通pcb工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀沉积方式增加线路的厚度。此方法具有更高的热导率(≥24w/(m.k))，是常规PCB材料的几十倍甚至上百倍；更匹配的热膨胀系数(在300～800℃条件下，为6.5～8.0X10ˉ6mm/℃)；更加牢固、更低阻的金属膜层；可焊性好、使用温度高、绝缘性好等优点。
如图1所示，利用45#钢加工前盖、后盖、各组磁钢和轴承(第一磁钢、第一永磁体、第二永磁体、第二磁钢厚度均为10毫米；第一永磁体、第二永磁体内径160毫米，外径300毫米)，以及中心轴，利用钕铁硼加工各组磁铁，获得如图1所示陶瓷PCB盘式无刷励磁电机各个组件。
将上述组件根据加工安装要求组装在一起(单面永磁铁与陶瓷PCB绕组支架内的间隙不小于2毫米)，其中陶瓷PCB绕组上的引线，与图3的控制电路连接，控制电路与直流电源连接，即构成完整的陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，应用于相应的工作场景中。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，其特征在于，所用绕组为陶瓷PCB绕组，所述陶瓷PCB绕组包含至少一层陶瓷PCB基板，及固定在陶瓷PCB基板上的绕组，所述绕组在陶瓷PCB基板上以中心轴孔呈圆周阵列分布。
2.根据权利要求1所述的陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，其特征在于，包括依次设置在中心轴上的前盖、第一轴承、第一磁钢、第一永磁体、陶瓷PCB绕组、第二永磁体、第二磁钢、第二轴承、后盖。
3.根据权利要求1所述的陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，其特征在于，所述陶瓷PCB基板为复合陶瓷材料。
4.根据权利要求1～3中任一所述的陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，其特征在于，所述陶瓷PCB基板包含氧化铝、氮化硅、金刚石、氮化硼中的一种或者多种。
5.根据权利要求1～3中任一中所述的陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，其特征在于，所述陶瓷PCB基板包括底板和涂敷在底板上的陶瓷材料。
6.根据权利要求5所述的陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，其特征在于，所述底板为铝、铜中的一种或多种。
7.根据权利要求1～3中任一所述的陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，其特征在于，所述绕组包括10～18组闭合线圈；所述闭合线圈围绕中心轴孔呈辐射状分布在陶瓷PCB基板上。
8.根据权利要求1～3中任一所述的陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，其特征在于，所述绕组由导电材料印制在陶瓷PCB基板上。
9.根据权利要求1～3中任一所述的陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，其特征在于，所述绕组为在陶瓷PCB基板蚀刻而成。
10.根据权利要求1～3中任一所述的陶瓷PCB盘式无刷励磁电机，其特征在于，所述绕组由金属3D打印或掩膜喷涂的方式固定在陶瓷PCB基板上。
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