CN112134429B - 一种一体化pcb绕组盘式电机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种一体化PCB绕组盘式电机系统。所述一体化PCB绕组盘式电机系统由上层转子盘、下层转子盘和定子盘构成双边永磁体盘式电机结构，能够克服单边磁拉力，减少漏磁，并充分利用永磁材料，有利于提高电机性能，降低成本，缩小体积，并且轴向尺寸短，结构紧凑，适用于严格要求摆放空间的场合。本发明盘式电机系统中定、转子对等排列，散热好，可获得较高的功率密度。另外转轴上增设的可调机构既能够实现电机上、下气隙可调，又能便于一体化PCB绕组结构层数的拓展和调整，使电机性能达到最优。

Description

一种一体化PCB绕组盘式电机系统
技术领域
本发明涉及盘式电机技术领域，特别是涉及一种一体化PCB绕组盘式电机系统。
背景技术
航天事业在国防建设和国民生产中发挥着无可替代的作用，近年来随着微纳卫星、皮卫星、敏捷小卫星等微小型航天器的发展，对高功率密度、超低功耗、微小型化的执行机构的需求越来越迫切，电机作为姿控飞轮系统的核心部件，其性能直接影响姿控飞轮系统的精度、响应速度和稳定性。航天器的特殊工作环境决定了其对电机的功率密度、效率、环境适应性等有着严苛的要求。
相比于普通圆筒形电机存在的一些弱点，如转子铁心利用率低、冷却困难等，盘式电机气隙是平面型的，气隙磁场是轴向的，轴向尺寸较短，具有结构紧凑、体积小、重量轻等优点。
现有技术中盘式永磁电机越来越受到广泛关注。但现有的盘式电机在定子绕组结构的一体化方面研究很少，无法实现电机与驱动控制的集成化；并且转子盘的位置不可更改，电机气隙不可调，使得电机性能不易达到最佳，从而导致小型化、轻量化和低功耗的盘式飞轮电机产品仍然处于研究和试验阶段。
发明内容
本发明的目的是提供一种一体化PCB绕组盘式电机系统，以解决现有盘式电机无法实现电机与驱动控制的集成化，并且电机气隙不可调导致的电机性能无法达到最佳的问题。本发明一体化PCB绕组盘式电机系统既适用于姿态控制飞轮系统，也适用于其他对高功率密度电机有需求的领域。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种一体化PCB绕组盘式电机系统，所述一体化PCB绕组盘式电机系统包括：转轴、转子盘、定子盘和可调机构；所述转子盘包括上层转子盘和下层转子盘；所述可调结构包括上层可调机构和下层可调机构；所述上层可调机构包括上层自制螺母、上层支撑块、上层轴承和上层套筒；所述下层可调机构包括下层自制螺母、下层支撑块、下层轴承和下层套筒；所述上层套筒和所述下层套筒的高度相同；
所述定子盘沿轴向套接在所述转轴中部，所述定子盘的上表面与所述转轴上的轴肩的下表面相连；所述上层套筒套在带螺纹的所述转轴上，所述上层套筒的底部与所述轴肩的上表面相连；所述上层转子盘位于所述定子盘上方；所述上层转子盘与所述转轴之间依次设置所述上层轴承和所述上层支撑块；所述上层支撑块位于所述上层轴承与所述转轴之间；所述上层支撑块的下表面与所述上层套筒的顶部相连；所述上层自制螺母通过所述上层支撑块及所述上层轴承，与所述上层转子盘经过渡配合进行连接；所述上层自制螺母套在带螺纹的所述转轴上；
所述下层套筒套在带螺纹的所述转轴上，所述下层套筒的顶部与所述定子盘的下表面相连；所述下层转子盘位于所述定子盘下方；所述下层转子盘与所述转轴之间依次设置所述下层轴承和所述下层支撑块；所述下层支撑块位于所述下层轴承与所述转轴之间；所述下层支撑块的上表面与所述下层套筒的底部相连；所述下层自制螺母通过所述下层支撑块及所述下层轴承，与所述下层转子盘经过渡配合进行连接；所述下层自制螺母套在带螺纹的所述转轴上。
可选的，所述定子盘采用一体化PCB绕组结构；所述定子盘采用PCB板作为外圆盘，驱动控制板作为内圆盘，将所述内圆盘和所述外圆盘同轴粘结在一起形成所述一体化PCB绕组结构。
可选的，所述上层转子盘包括上层转子铁芯和上层永磁体；所述上层永磁体粘结在所述上层转子铁芯的下表面；
所述下层转子盘包括下层转子铁芯和下层永磁体；所述下层永磁体粘结在所述下层转子铁芯的上表面。
可选的，所述PCB板位于所述上层永磁体与所述下层永磁体之间；所述PCB板与所述上层永磁体和所述下层永磁体之间均留有气隙，组成双气隙结构。
可选的，所述PCB板为多层；最外层的所述PCB板上安装有多个霍尔传感器；所述霍尔传感器与所述驱动控制板电连接。
可选的，所述上层永磁体为多个；所述上层转子铁芯上粘结的相邻两个所述上层永磁体之间充磁方向相反；所述下层永磁体为多个；所述下层转子铁芯上粘结的相邻两个所述下层永磁体之间充磁方向相反。
可选的，所述下层永磁体的数量与所述上层永磁体的数量相同；多个所述上层永磁体与多个所述下层永磁体的位置正对；位置正对的所述上层永磁体和所述下层永磁体之间充磁方向相同。
可选的，所述PCB板与所述上层永磁体之间留有第一气隙；所述PCB板与所述下层永磁体之间留有第二气隙；所述第一气隙与所述第二气隙宽度相等。
可选的，多个所述上层永磁体构成的内圆的直径大于等于所述驱动控制板的外径。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种一体化PCB绕组盘式电机系统，所述一体化PCB绕组盘式电机系统由上层转子盘、下层转子盘和定子盘构成双边永磁体盘式电机结构，能够克服单边磁拉力，减少漏磁，并充分利用永磁材料，有利于提高电机性能，降低成本，缩小体积，并且轴向尺寸短，结构紧凑，适用于严格要求摆放空间的场合。本发明系统中定、转子对等排列，散热好，可获得较高的功率密度。另外转轴上增设的可调机构既能够实现电机上、下气隙可调，又能便于一体化PCB绕组结构层数的拓展和调整，使电机性能达到最优。
此外，本发明定子盘采用的一体化PCB绕组结构为无铁心无槽结构，无铁心无槽结构不存在由齿槽效应引起的转矩脉动，因此转矩输出平稳，不存在磁滞损耗和涡流损耗，电机运行效率高。驱动控制板与PCB板的一体化有利于实现电机与驱动控制的集成化，减少占用空间，方便使用。一体化PCB绕组上安装了霍尔效应传感器，可直接测量磁场的变化，随后磁场变化信息被输入到电动机驱动控制板中，以测量转子及永磁体在传感器上方旋转的速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一体化PCB绕组盘式电机系统的剖面图；
图2为本发明提供的定子盘的结构示意图；
图3为本发明提供的转子盘的结构示意图；
图4为本发明提供的上、下层永磁体的充磁方向和磁路分布图；
图5为本发明提供的气隙宽度的示意图；
图中标号为：1转轴，2上层自制螺母，3上层支撑块，4上层轴承，5上层转子铁芯，6上层永磁体，7上层套筒，8霍尔传感器，9PCB板，10驱动控制板，11下层永磁体，12下层转子铁芯，13下层轴承，14下层支撑块，15下层自制螺母，16下层套筒，17轴肩。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种一体化PCB绕组盘式电机系统，可实现电机与驱动控制一体化和电机气隙可调，减少铁心损耗，减少功耗，提高功率密度，提高电机性能，降低成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶部”、“底部”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，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。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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，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，或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。
图1为本发明提供的一体化PCB绕组盘式电机系统的剖面图。参见图1，本发明提供的一体化PCB绕组盘式电机系统包括：转轴1、转子盘、定子盘和可调机构。
所述转子盘包括上层转子盘和下层转子盘。所述定子盘位于上、下层转子盘之间，采用一体化PCB绕组结构(简称一体化PCB绕组)，此一体化PCB绕组由PCB板9与驱动控制板10组成。具体如图3所示，所述定子盘采用层数可变的硬性PCB板9作为外圆盘，驱动控制板10作为内圆盘，将所述内圆盘和所述外圆盘同轴粘结在一起形成所述一体化PCB绕组结构。所述一体化PCB绕组结构沿轴向套在转轴1上，通过与转轴1上的轴肩17相连实现定子盘的位置固定。
本发明盘式电机为永磁电机，盘式无铁心永磁电机为中间定子结构，其定子盘采用的一体化PCB绕组为无铁心无槽结构。定子盘位于两个转子盘之间，由一层或多层硬性一体化PCB板9沿轴向堆叠后，与驱动控制板10同轴粘结而成。本发明特点在于，多层PCB板9组成的PCB绕组的层数可变，绕组形状也可变，除本发明附图所示的圆盘形外，还可以是四边形、五边形、六边形等形状。
所述转子盘包括：上层转子盘和下层转子盘。所述上层转子盘位于一体化PCB绕组的上侧，由上层永磁体6粘结在上层转子铁芯5的下表面组成。所述下层转子盘位于一体化PCB绕组的下侧，由下层永磁体11粘在下层转子铁芯12的上表面组成。所述上、下层转子盘沿轴向套在转轴1上。
所述可调结构包括：上层可调机构和下层可调机构。所述上层可调机构包括上层自制螺母2、上层支撑块3、上层轴承4和上层套筒7。所述下层可调机构包括下层自制螺母15、下层支撑块14、下层轴承13和下层套筒16。
如图1所示，所述定子盘沿轴向套接在所述转轴1中部，所述定子盘的上表面与所述转轴1上的轴肩17的下表面相连。所述上层套筒7套在带螺纹的所述转轴1上，所述上层套筒7的底部与所述轴肩17的上表面相连。
所述上层转子盘位于所述定子盘上方。所述上层转子盘与所述转轴1之间依次设置所述上层轴承4和所述上层支撑块3。所述上层支撑块3位于所述上层轴承4与所述转轴1之间。
所述上层支撑块3的下表面与所述上层套筒7的顶部相连。所述上层自制螺母2通过所述上层支撑块3及所述上层轴承4，与所述上层转子盘经过渡配合进行连接；并且所述上层自制螺母2套在带螺纹的所述转轴1上，实现上层转子盘轴向端顶端的位置限定。上层转子盘轴向端底端的位置由所述上层套筒7限定。
所述下层套筒16套在带螺纹的所述转轴1上，所述下层套筒16的顶部与所述定子盘的下表面相连。所述下层转子盘位于所述定子盘下方。所述下层转子盘与所述转轴1之间依次设置所述下层轴承13和所述下层支撑块14。所述下层支撑块14位于所述下层轴承13与所述转轴1之间。
所述下层支撑块14的上表面与所述下层套筒16的底部相连。所述下层自制螺母15通过所述下层支撑块14及所述下层轴承13，与所述下层转子盘经过渡配合进行连接。所述下层自制螺母15套在带螺纹的转轴1上，实现下层转子盘轴向端底端的位置限定。下层转子盘轴向端顶端的位置由所述下层套筒16限定。
具体的，所述上层套筒7套在带螺纹的转轴1上，位于上层转子盘的下表面与轴肩17之间，实现上层转子盘轴向端底端的位置限定。下层套筒16套在带螺纹的转轴1上，位于下层转子盘与定子盘的下表面之间，实现下层转子盘轴向端顶端的位置限定。从而在所述PCB板9与所述上、下层永磁体之间形成气隙，组成双气隙结构。一体化PCB绕组盘式电机的上、下层气隙宽度相等。
具体如图5所示，所述PCB板9位于所述上层永磁体6与所述下层永磁体11之间。所述PCB板9与所述上层永磁体6之间留有第一气隙δ1；所述PCB板与所述下层永磁体之间留有第二气隙δ2；所述第一气隙δ1与所述第二气隙δ2宽度相等。
所述的上、下层套筒是可拆卸的，实际操作中可自由更换不同高度的套筒，但应保证所述上层套筒7和所述下层套筒16的高度相同。如图5所示，本发明通过调整带细牙螺纹的自制螺母在带螺纹的转轴上的位置，可实现单层转子盘一侧位置的限定，通过更换不用长度的套筒，可实现该转子盘另一侧位置的限定，最终实现盘式电机气隙可调，且在调整过程中应始终保证上下层气隙宽度相等，即δ1＝δ2。
本发明盘式电机系统实现了电机与驱动控制一体化以及电机气隙可调功能，减少了铁心损耗和电机功耗，提高了功率密度，提高了电机性能，降低了成本。本发明盘式电机系统不仅适用于本发明所提及的姿控飞轮系统，同样适用于任何需要空间、条件、环境、精度、性能有所限定的场合。
如图1和图2所示，所述PCB板9可以为多层，最外层的所述PCB板9上安装有多个霍尔传感器8；所述霍尔传感器8的数量至少为两个。所述霍尔传感器8与所述驱动控制板10电连接。所述霍尔传感器8直接测量磁场的变化，并将磁场变化信号发送至驱动控制板10，以测量转子及永磁体在传感器上方旋转的速度。
优选的，所述霍尔传感器8的数量为三个，如图2所示，三个霍尔传感器8安装在一体化PCB绕组上，可通过直接测量磁场的变化以测量转子及永磁体在传感器上方旋转的速度。
如图3所示，所述上、下层永磁体的数量为多个；所述下层永磁体11的数量与所述上层永磁体6的数量相同。对于所述转子盘，上、下层相对的永磁体之间充磁方向相同，同一层上相邻的永磁体之间充磁方向相反。
具体如图3所示，所述上层转子铁芯5上粘结的相邻两个上层永磁体6之间充磁方向相反，同理所述下层转子铁芯12上粘结的相邻两个下层永磁体11之间充磁方向也相反。
如图1和图4所示，多个所述上层永磁体6与多个所述下层永磁体11的位置正对。位置正对的所述上层永磁体6和所述下层永磁体11之间充磁方向相同。
优选的，所述上层转子盘中永磁体的数量为四个，四块永磁体形状、大小相同，相邻永磁体之间充磁方向相反。下层转子部分与图2所示的上层转子部分结构相同。
另外为了避免一体化PCB绕组上的驱动控制板10置于强磁场中，对驱动控制元件产生影响，多个所述上层永磁体6构成的内圆的直径应大于等于所述驱动控制板10的外径。以图2和图3为例，规定驱动控制板10的外径d2应小于等于转子永磁体内圆的直径d1，即d2≤d1。
所述转子铁芯(包括上层转子铁芯5和下层转子铁芯12)的材料使用硅钢片，但不限于此材料。所述永磁体(包括上层永磁体6和下层永磁体11)的材料可选择铷铁硼、铁氧体、钐钴中的一种，但不限于此。所述永磁体粘结在硅钢片叠成的转子铁芯上从而形成转子盘。
所述支撑块(包括上层支撑块3和下层支撑块14)由非磁性材料制成。
与现有技术相比，本发明一体化PCB绕组盘式电机系统至少具有以下技术效果：
1、本发明一体化PCB绕组盘式电机系统采用的双边永磁体盘式电机结构能克服单边磁拉力，减少漏磁，并充分利用永磁材料，有利于提高电机性能，降低成本，缩小体积。因此轴向尺寸短，结构紧凑，适用于严格要求摆放空间的场合。
2、本发明定子盘采用的无铁心无槽结构不存在由齿槽效应引起的转矩脉动，因此转矩输出平稳，不存在磁滞损耗和涡流损耗，电机运行效率高。
3、本发明系统中定、转子对等排列，散热好，可获得较高的功率密度。
4、本发明驱动控制板与PCB板的一体化有利于实现电机与驱动控制的集成化，减少占用空间，方便使用。
5、本发明一体化PCB绕组上安装了霍尔效应传感器，可直接测量磁场的变化，随后这些信息被输入到电动机驱动控制板中，以测量转子及永磁体在传感器上方旋转的速度。
6、本发明转轴上增设的可调机构既能够实现电机上/下气隙可调，又能便于一体化PCB定子绕组层数的拓展和调整，使电机性能达到最优。
7、本发明一体化PCB绕组盘式电机还可以组合成多拓扑结构。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种一体化PCB绕组盘式电机系统，其特征在于，所述一体化PCB绕组盘式电机系统包括：转轴、转子盘、定子盘和可调机构；所述转子盘包括上层转子盘和下层转子盘；所述可调机构 包括上层可调机构和下层可调机构；所述上层可调机构包括上层自制螺母、上层支撑块、上层轴承和上层套筒；所述下层可调机构包括下层自制螺母、下层支撑块、下层轴承和下层套筒；所述上层套筒和所述下层套筒的高度相同；
所述定子盘沿轴向套接在所述转轴中部，所述定子盘的上表面与所述转轴上的轴肩的下表面相连；所述上层套筒套在带螺纹的所述转轴上，所述上层套筒的底部与所述轴肩的上表面相连；所述上层转子盘位于所述定子盘上方；所述上层转子盘与所述转轴之间依次设置所述上层轴承和所述上层支撑块；所述上层支撑块位于所述上层轴承与所述转轴之间；所述上层支撑块的下表面与所述上层套筒的顶部相连；所述上层自制螺母通过所述上层支撑块及所述上层轴承，与所述上层转子盘经过渡配合进行连接；所述上层自制螺母套在带螺纹的所述转轴上；
所述下层套筒套在带螺纹的所述转轴上，所述下层套筒的顶部与所述定子盘的下表面相连；所述下层转子盘位于所述定子盘下方；所述下层转子盘与所述转轴之间依次设置所述下层轴承和所述下层支撑块；所述下层支撑块位于所述下层轴承与所述转轴之间；所述下层支撑块的上表面与所述下层套筒的底部相连；所述下层自制螺母通过所述下层支撑块及所述下层轴承，与所述下层转子盘经过渡配合进行连接；所述下层自制螺母套在带螺纹的所述转轴上。
2.根据权利要求1所述的一体化PCB绕组盘式电机系统，其特征在于，所述定子盘采用一体化PCB绕组结构；所述定子盘采用PCB板作为外圆盘，驱动控制板作为内圆盘，将所述内圆盘和所述外圆盘同轴粘结在一起形成所述一体化PCB绕组结构。
3.根据权利要求2所述的一体化PCB绕组盘式电机系统，其特征在于，所述上层转子盘包括上层转子铁芯和上层永磁体；所述上层永磁体粘结在所述上层转子铁芯的下表面；
所述下层转子盘包括下层转子铁芯和下层永磁体；所述下层永磁体粘结在所述下层转子铁芯的上表面。
4.根据权利要求3所述的一体化PCB绕组盘式电机系统，其特征在于，所述PCB板位于所述上层永磁体与所述下层永磁体之间；所述PCB板与所述上层永磁体和所述下层永磁体之间均留有气隙，组成双气隙结构。
5.根据权利要求2所述的一体化PCB绕组盘式电机系统，其特征在于，所述PCB板为多层；最外层的所述PCB板上安装有多个霍尔传感器；所述霍尔传感器与所述驱动控制板电连接。
6.根据权利要求3所述的一体化PCB绕组盘式电机系统，其特征在于，所述上层永磁体为多个；所述上层转子铁芯上粘结的相邻两个所述上层永磁体之间充磁方向相反；所述下层永磁体为多个；所述下层转子铁芯上粘结的相邻两个所述下层永磁体之间充磁方向相反。
7.根据权利要求6所述的一体化PCB绕组盘式电机系统，其特征在于，所述下层永磁体的数量与所述上层永磁体的数量相同；多个所述上层永磁体与多个所述下层永磁体的位置正对；位置正对的所述上层永磁体和所述下层永磁体之间充磁方向相同。
8.根据权利要求4所述的一体化PCB绕组盘式电机系统，其特征在于，所述PCB板与所述上层永磁体之间留有第一气隙；所述PCB板与所述下层永磁体之间留有第二气隙；所述第一气隙与所述第二气隙宽度相等。
9.根据权利要求6所述的一体化PCB绕组盘式电机系统，其特征在于，多个所述上层永磁体构成的内圆的直径大于等于所述驱动控制板的外径。
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