CN112366867A - 一种基于pcb板的双反速轴向磁通永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机。所述一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机，采用第一PCB板绕组和第二PCB板绕组两套定子绕组，无需中间换向装置便可实现电机的双反速运行。并且，PCB绕组排布整齐、形式多样，对于结构紧凑型轴向磁通电机，不仅解决了传统散绕方式下线困难的问题，还实现了电机的轻量化设计。定子铁芯为无齿槽结构，在降低铁损、消除转矩波动的同时，实现了两套PCB板间的物理解耦，便于实现电机的双转速输出。PCB板绕组与驱动控制的一体化设计有利于实现电机与驱动控制的集成化，极大地减少占用空间。另外，本发明中机构的可拓展性强，对电机的设计和调整更为灵活和简便。

Description

一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机
技术领域
本发明涉及轴向磁通电机技术领域，特别是涉及一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机。
背景技术
随着风力发电、姿控执行机构、舰船推进以及电动汽车行业的快速发展，对高功率密度、超低功耗以及微小型化的执行机构的需求越来越迫切。电机作为以上系统的核心驱动部件，其性能的好坏直接影响整个系统的精度、响应速度和稳定性等。轴向磁通电机因其轴向尺寸较短，具有结构紧凑、体积小等优点，便于散热的同时，可大大提升功率密度和转矩密度，具有广阔的应用前景。现有技术中轴向磁通永磁电机受到广泛关注，传统的轴向磁通电机性能差，已无法满足用户对电机系统小型化、轻量化和高功率密度等方面的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机，以解决传统轴向磁通电机集成度低、可拓展性差、功耗大及使用面窄等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机，包括：转子组件、定子组件和轴系组件；
所述定子组件与所述电机轴匹配固装；所述转子组件通过轴承组与所述轴系组件连接；
所述转子组件包括：第一转子组件和第二转子组件；所述第一转子组件包括：第一永磁体组件和第一转子背铁；所述第二转子组件包括：第二永磁体组件和第二转子背铁；
所述轴承组包括：第一轴承组和第二轴承组；
所述定子组件包括：第一PCB板绕组、第二PCB板绕组和定子铁芯；
所述第一永磁体组件用于生成与所述PCB板绕组进行匝链的第一主磁场；所述第二永磁体组件用于生成与所述第二PCB板绕组进行匝链的第二主磁场；
所述定子铁芯由定子内圆盘与定子外圆盘通过螺栓固连，且所述定子铁芯为无齿槽结构；所述第一PCB板绕组设置在所述定子铁芯的第一端部上；所述第二PCB板绕组设置在定子铁芯的第二端部上；所述定子外圆盘套设在所述定子内圆盘上，且所述定子外圆盘的内环面与所述定子内圆盘的外环面进行铆接得到圆盘铆接结构；所述第一PCB板绕组位于所述第一永磁体组件与所述圆盘铆接结构之间；所述第二PCB板绕组位于所述第二永磁体组件与所述圆盘铆接结构之间；
所述第一PCB板绕组与第一驱动电源电连接；所述第二PCB板绕组与第二驱动电源电连接；所述第一PCB板绕组产生的磁动势与所述第二PCB板绕组产生的磁动势旋转方向相反；所述第一PCB板绕组和所述第二PCB板绕组通过微型开关连接。
所述第一转子背铁与所述第一PCB板绕组以所述第一永磁体组件为中心对称设置；所述第二转子背铁与所述第二PCB板绕组以所述第二永磁体组件为中心对称设置；
所述第一转子组件通过所述第一轴承组与所述轴系组件连接；所述第二转子组件通过所述第二轴承组与所述轴系组件连接。
优选的，所述第一PCB板绕组包括：第一定子绕组和第一驱动控制板；所述第二PCB板绕组包括：第二定子绕组和第二驱动控制板；
所述第一定子绕组和所述第二定子绕组以所述定子外圆盘为中心对称设置；所述第一驱动控制板和所述第二驱动控制板以所述定子内圆盘为中心对称设置；
所述第一驱动控制板和所述第二驱动控制板的外径均小于所述定子内圆盘的外径；
所述第一定子绕组和所述第二定子绕组的内径均大于所述定子外圆盘的内径。
所述第一永磁体组件包含2p1个永磁体，并沿圆周均匀分布在所述第一转子背铁上，且相邻永磁体间的充磁方向相反；所述第二永磁体组件包含2p2个永磁体，并沿圆周均匀分布在所述第二转子背铁上，且相邻永磁体间的充磁方向相反。
优选的，所述第一永磁体组件或所述第二永磁体组件采用Halbach永磁体阵列形式的方式排布在所述第一转子背铁上或所述第二转子背铁上。
优选的，所述第一永磁体组件或所述第二永磁体组件采用扇形阵列形式的方式排布在所述第一转子背铁上或所述第二转子背铁上。
优选的，所述第一、第二转子背铁均开设有沿圆周分布的若干外设连接孔，以用于与外设连接，所述外设连接孔数量与相应外设连接头数量对应，所述连接孔的位置不做具体要求，仅用于与外设接头的连接即可。
优选的，所述第一轴承组和第二轴承组均可采用深沟球轴承和角接触轴承的组合形式。
优选的，所述第一轴承组和第二轴承组可采用多个圆柱滚子轴承。
优选的，所述定子内圆盘为非磁性圆盘；所述定子外圆盘为导磁性圆盘。
一种执行系统，包括上述的基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机。
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：
本发明提供的基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机，采用第一PCB板绕组和第二PCB板绕组，无需中间换向装置便可实现电机的双反速运行。并且，PCB板绕组排布整齐、形式多样，对于结构紧凑的轴向磁通电机，不仅解决了传统散绕方式下线困难的问题，还实现了电机的轻量化设计。并且定子铁芯为无齿槽结构，在降低铁损、消除转矩波动的同时，实现了两套PCB板绕组间的物理解耦，便于实现电机的双转速输出。PCB板绕组的一体化设计有利于实现电机与驱动控制的集成化，极大地减少占用空间。另外，本发明中机构的可拓展性强，对电机的设计和调整更为灵活和简便。
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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机的立体剖面图；
图2为本发明提供的基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机的半剖视图；
图3为本发明提供的电机轴的等轴视图；
图4为本发明提供的定子铁芯的局部剖视图；
图5为本发明提供的第一定子绕组及第一驱动控制板的上视图；
图6为本发明提供的定子内圆盘的下视图；
图7为本发明提供的定子外圆盘的上视图；
图8为本发明提供的第一转子背铁的结构示意图；
图中标号为：1电机轴，101第一轴肩，102第二轴肩，103第三轴肩，104走线槽，2定子组件，3转子组件，301第一转子组件，302第二转子组件，4第一轴承组，5第一转子背铁，501第一外设连接孔，502第一凸肩，6第一永磁体组件，7第二永磁体组件，8定子外圆盘，9第二转子背铁，10定子内圆盘，11第二轴承组，12第二驱动控制板，13第二定子绕组，14微型开关，15第一定子绕组，16第一驱动控制板。
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基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机，以解决传统轴向磁通电机集成度低、可拓展性差、功耗大及使用面窄等问题。
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。
图1为本发明提供的基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机的立体剖面图，参见图1，本发明提供的一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机包括：轴系组件、定子组件2和转子组件3。
如图1-图3所示，所述转子组件3包括：第一转子组件301和第二转子组件302，所述第一转子组件301和所述第二转子组件302分别位于所述定子组件2的两侧；所述第一转子组件301包括第一永磁体组件6和第一转子背铁5；所述第二转子组件302包括第二永磁体组件7和第二转子背铁9；所述轴系组件包括：电机轴1、第一轴承组4和第二轴承组11。
所述第一转子背铁5通过第一轴承组4与所述电机轴1进行连接，第一转子背铁5轴向端底端的位置由所述电机轴1的第一轴肩101限定；所述第二转子背铁9通过第二轴承组11与所述电机轴1进行连接，第二转子背铁9轴向端底端的位置由所述电机轴1的第三轴肩103限定。
所述定子组件2包括：第一定子绕组15、第一驱动控制板16、第二定子绕组13、第二驱动控制板12、定子铁芯；所述定子组件2与所述电机轴1间采用过渡配合方式进行固装，并通过第二轴肩102对其进行轴向限位；所述第一定子绕组15及第一驱动控制板16和所述第二定子绕组13及第二驱动控制板12分别位于所述定子铁芯的两侧，并通过所述电机轴1的走线槽102将导线引出。
如图4所示，所述定子铁芯由非导磁性内圆盘10与导磁性外圆盘8通过螺栓固连。所述定子内圆盘10沿轴向套接在所述电机轴1中部，所述定子内圆盘10的下表面与所述电机轴1上的第二轴肩102的上表面相连。
如图5-图7所示，所述第一驱动控制板16的外径为d1，所述第一定子绕组15的内径为d2，所述非导磁性定子内圆盘10的外径为d3，所述导磁性定子外圆盘8的内径为d4。为使主磁场尽可能多地与定子绕组有效匝链，并且对驱动控制板不产生电磁干扰，需要满足：d1≤d3且d2≥d4。同理，所述第二驱动控制板14的外径小于所述非导磁性定子内圆盘10的外径，所述第二定子绕组13的内径大于所述导磁性定子外圆盘8的内径。
如图8所示，所述第一转子背铁5在所述第一永磁体组件6非安装位置处均开设一定数量的外设连接孔501，便于与外设相连。同理，所述第二转子背铁9在所述第二永磁体组件7的非安装位置处均开设一定数量的沿圆周分布的外设连接孔。
所述第一永磁体组件6粘结在所述第一转子背铁5的下表面，并通过第一凸肩502对所述第一永磁体组件6进行径向限位。同理，所述第二永磁体组件7粘结在所述第二转子背铁9的上表面，并通过第二凸肩对所述第二永磁体组件7进行径向限位。通过以上结构的设置，可抵消高速旋转过程中永磁体所受的较大离心力的作用。所述第一永磁体组件6形成与所述第一定子绕组15有效匝链的第一主磁场，所述第二永磁体组件7形成与所述第二定子绕组13有效匝链的第二主磁场。
所述第一定子绕组15和所述第二定子绕组13均为PCB板绕组结构，分别连接在两套相互独立的驱动电源上；所述第一定子绕组15和所述第二定子绕组13的排布方式不同，使各自产生的磁动势旋转方向相反；所述第一定子绕组15和所述第二定子绕组13的通过所述微型开关14相连。
优选的，所述第一轴承组4与第二轴承组11均采用深沟球轴承和角接触轴承组合式轴承组或采用圆柱管子轴承组，用于抵消定转子之间强大的轴向吸力。
优选的，所述第一永磁体组件6包含2p1个永磁体，并沿圆周均匀分布在所述第一转子背铁5上，且相邻永磁体间的充磁方向相反；所述第二永磁体组件7包含2p2个永磁体，并沿圆周均匀分布在所述第二转子背铁9上，且相邻永磁体间的充磁方向相反。
优选的，所述第一永磁体组件6的极对数p1与所述第二永磁体组件7的极对数p2并非要求两者相等。
优选的，所述第一永磁体组件6和所述第二永磁体组件7不限于扇形结构，均可采用Halbach永磁体阵列形式，但不限于此。
优选的，所述第一和第二转子背铁上外设连接孔的数量均为6个，但不限于此。
优选的，所述定子内圆盘10为铝合金非导磁材料，所述定子外圆盘8为硅钢片导磁材料，但不限于此。
优选的，所述转子背铁(包括第一转子背铁5和第二转子背铁9)的材料使用10#钢，但不限于此材料。所述永磁体组件(包括第一永磁体组件6和第二永磁体组件7)的材料可选择铷铁硼、铁氧体、钐钴中的任意一种，但不限于此。
与现有技术相比，本发明提供的基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机至少还具有以下优点：
1、本发明提供的基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机由带有两套PCB绕组的定子以及位于定子两侧的相互独立的两个转子构成，无需中间换向装置便可实现电机的双反速运行；
2、本发明采用PCB板结构定子绕组，排布整齐、形式多样，对于结构紧凑型轴向磁通电机，不仅解决了传统散绕方式下线困难的问题，还实现了电机的轻量化设计；
3、本发明两套定子绕组间的定子铁芯为无齿槽结构，在降低铁损、消除转矩波动的同时，实现了两套定子绕组间的物理解耦，便于实现电机的双转速输出及平稳运行；
4、本发明中驱动控制板与定子绕组的一体化设计，有利于实现电机与驱动控制的集成化，极大地减少了占用空间；
5、本发明中机构的可拓展性强、应用面广，不仅适用于本发明所提及的风力发电、姿控飞轮、舰船推进以及电动汽车领域，同样适用于任何对电机小型化、轻量化和高功率密度有特殊需求的领域。
此外，本发明还提供了一种执行系统，该执行系统包括本发明上述提供的基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机。
本发明中的执行系统为风力发电、姿控飞轮、舰船推进以及电动汽车等行业所采用的执行系统。
本发明示意图中所绘制的轴承部分，仅表示对应位置采用轴承支撑，并不限定为本发明附图中所示的深沟球轴承，本发明对转子支撑采用深沟球轴承和角接触轴承组合式轴承组件或圆柱滚子轴承。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
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方法及其核心思想；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 (10)

1.一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机，其特征在于，包括：转子组件、定子组件和轴系组件；
所述定子组件与所述电机轴匹配固装；所述转子组件通过轴承组与所述轴系组件连接；
所述转子组件包括：第一转子组件和第二转子组件；所述第一转子组件包括：第一永磁体组件和第一转子背铁；所述第二转子组件包括：第二永磁体组件和第二转子背铁；
所述轴承组包括：第一轴承组和第二轴承组；
所述定子组件包括：第一PCB板绕组、第二PCB板绕组和定子铁芯；
所述第一永磁体组件用于生成与所述PCB板绕组进行匝链的第一主磁场；所述第二永磁体组件用于生成与所述第二PCB板绕组进行匝链的第二主磁场；
所述定子铁芯由定子内圆盘与定子外圆盘通过螺栓固连，且所述定子铁芯为无齿槽结构；所述第一PCB板绕组设置在所述定子铁芯的第一端部上；所述第二PCB板绕组设置在定子铁芯的第二端部上；所述定子外圆盘套设在所述定子内圆盘上，且所述定子外圆盘的内环面与所述定子内圆盘的外环面进行铆接得到圆盘铆接结构；所述第一PCB板绕组位于所述第一永磁体组件与所述圆盘铆接结构之间；所述第二PCB板绕组位于所述第二永磁体组件与所述圆盘铆接结构之间；
所述第一PCB板绕组与第一驱动电源电连接；所述第二PCB板绕组与第二驱动电源电连接；所述第一PCB板绕组产生的磁动势与所述第二PCB板绕组产生的磁动势旋转方向相反；所述第一PCB板绕组和所述第二PCB板绕组通过微型开关连接；
所述第一转子背铁与所述第一PCB板绕组以所述第一永磁体组件为中心对称设置；所述第二转子背铁与所述第二PCB板绕组以所述第二永磁体组件为中心对称设置；
所述第一转子组件通过所述第一轴承组与所述轴系组件连接；所述第二转子组件通过所述第二轴承组与所述轴系组件连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述第一PCB板绕组包括：第一定子绕组和第一驱动控制板；所述第二PCB板绕组包括：第二定子绕组和第二驱动控制板；
所述第一定子绕组和所述第二定子绕组以所述定子外圆盘为中心对称设置；所述第一驱动控制板和所述第二驱动控制板以所述定子内圆盘为中心对称设置；
所述第一驱动控制板和所述第二驱动控制板的外径均小于所述定子内圆盘的外径；
所述第一定子绕组和所述第二定子绕组的内径均大于所述定子外圆盘的内径。
3.根据权利要求1所述的一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述第一永磁体组件包含2p1个永磁体，并沿圆周均匀分布在所述第一转子背铁上，且相邻永磁体间的充磁方向相反；所述第二永磁体组件包含2p2个永磁体，并沿圆周均匀分布在所述第二转子背铁上，且相邻永磁体间的充磁方向相反。
4.根据权利要求3所述的一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述第一永磁体组件或所述第二永磁体组件采用Halbach永磁体阵列形式的方式排布在所述第一转子背铁上或所述第二转子背铁上。
5.根据权利要求3所述的一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述第一永磁体组件或所述第二永磁体组件采用扇形阵列形式的方式排布在所述第一转子背铁上或所述第二转子背铁上。
6.根据权利要求3所述的一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述第一、第二转子背铁均开设有沿圆周分布的若干外设连接孔，以用于与外设连接，所述外设连接孔数量与相应外设连接头数量对应，所述连接孔的位置不做具体要求，仅用于与外设接头的连接即可。
7.根据权利要求3所述的一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述第一轴承组和第二轴承组均采用深沟球轴承和角接触轴承的组合形式。
8.根据权利要求3所述的一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述第一轴承组和第二轴承组采用多个圆柱滚子轴承。
9.根据权利要求1所述的一种基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机，其特征在于，所述定子内圆盘为非磁性圆盘；所述定子外圆盘为导磁性圆盘。
10.一种执行系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的基于PCB板的双反速轴向磁通永磁电机。
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