CN113315333A - 无绕线pcb无刷电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无绕线PCB无刷电机，包括：转轴；定子组件，定子组件包括与转轴可转动连接的PCB板，以及设置于PCB板上的多个电磁感应线圈，电磁感应线圈的输入相具有三相；转子组件包括转子电磁铁、转子本体和多个永磁铁，转子电磁铁与转轴可转动连接，转子本体固设于转轴上且位于转子电磁铁远离PCB板的一侧，多个永磁铁沿所述转子本体的旋转方向环向设置于转子本体上，且任意相邻两个永磁铁之间间隔形成有间隙；以及位置检测传感器，位置检测传感器设置于转子电磁铁上并能够与任一间隙触发配合。通过设置位置检测传感器与转子组件检测配合，可实现对无绕线PCB无刷电机输出的精准换向控制，能够适用于各种对位置和速度有要求的使用场合。

Description

无绕线PCB无刷电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种无绕线PCB无刷电机。

背景技术

当前，医疗美容仪器、消费类电子产品、无人机、精密生产制造等领域对成本低廉、易于生产组装并且控制性能良好的轻薄型无绕线PCB无刷电机的需求量巨大。而无绕线PCB无刷电机的成本、体积和重量限制了其在许多领域的应用，特别是机械臂、无人机、光学变焦、电子监控产品领域。例如传统的采用铁芯漆包线方式制造的无绕线PCB无刷电机，其不仅制造工艺复杂，而且整体重量和体积较大，存在很大的应用局限性。

针对于此，近年来市面上出现了一些无绕线式的无绕线PCB无刷电机，这类无绕线PCB无刷电机通过在PCB板上使用电路设计软件绘制出导线来代替绕组。线圈所占表面积的比例较小，导致效率低下，此外电机结构为三相交流电机，只能进行开环电流控制，只能应用于启动-停止的单一场景，控制精度低，无法应用于对位置和速度有要求的使用场合。

发明内容

基于此，有必要提供一种无绕线PCB无刷电机，旨在解决现有技术应用场合存在较大局限，控制精度低，工作效率低的问题

本申请提供一种无绕线PCB无刷电机，所述无绕线PCB无刷电机包括：

转轴；

定子组件，所述定子组件包括与所述转轴可转动连接的PCB板，以及设置于所述PCB板上的多个电磁感应线圈，所述电磁感应线圈的输入相具有三相；

转子组件，所述转子组件包括转子电磁铁、转子本体和多个永磁铁，所述转子电磁铁与所述转轴可转动连接，所述转子本体固设于所述转轴上且位于所述转子电磁铁远离所述PCB板的一侧，多个所述永磁铁沿所述转子本体的旋转方向环向设置于所述转子本体上，且任意相邻两个所述永磁铁之间间隔形成有间隙；以及

位置检测传感器，所述位置检测传感器设置于所述转子电磁铁上并能够与任一所述间隙触发配合。

上述方案的无绕线PCB无刷电机工作时，当电磁感应线圈的三相输入相加载不同相位的电流时，设置在PCB板上的多个电磁感应线圈会感应出不同方向的电磁场，且不同电磁感应线圈产生的电磁场的极性呈交替变化，如此一来，电磁场作用于永磁铁上，永磁铁产生电磁作用力从而驱动转子本体以转轴的轴线为中心进行转动，实现转子本体带动转轴同步转动输出。且在转动过程中，位置检测传感器实时检测转子本体的旋转位置，当相邻两个永磁铁之间的间隙对准位置检测传感器时，位置检测传感器会被触发，且此时输出位置检测传感器的信号用作为换向开关信号，这样随着无绕线PCB无刷电机转动角度的变化，位置检测传感器输出的电压信号幅值也会随之变化，至此无绕线PCB无刷电机输入位置检测传感器的信号后即可控制换向器进行换向。相较于现有技术而言，通过设置位置检测传感器与转子组件检测配合，可实现对无绕线PCB无刷电机输出的精准换向控制，能够适用于各种对位置和速度有要求的使用场合，且多个电磁感应线圈与多个永磁铁接力配合，效率大幅提高，此外PCB板、转子组件等构件的集成化程度高，为实现高精度的电机驱动控制一体化建立了可靠基础。

下面对本申请的技术方案作进一步的说明：

在其中一个实施例中，所述电磁感应线圈设置为六个，并沿所述PCB板的圆周方向均匀间隔排布；所述永磁铁设置为六个，并沿所述转子本体的圆周方向均匀间隔排布。

在其中一个实施例中，所述永磁铁与所述电磁感应线圈均设置为相适配的扇形结构。

在其中一个实施例中，所述转子本体采用隔磁材料制成，且所述转子本体的内部形成有磁铁槽，所述永磁铁粘接在所述磁铁槽内。

在其中一个实施例中，所述PCB板设置为多层结构，且层数设置为N；所述PCB板的每层板层上均设置有多个所述电磁感应线圈，所述电磁感应线圈呈螺旋型绕制结构。

在其中一个实施例中，所述电磁感应线圈的中心设置有N个第一通孔，所述电磁感应线圈的外部设置有N-1个第二通孔，相邻层上的所述电磁感应线圈通过对应的所述第一通孔和所述第二通孔连接。

在其中一个实施例中，所述PCB板设置为四层结构，且分别定义为顶层、第一中间层、第二中间层和底层；所述顶层开设有第一过孔，所述顶层所述所述第一过孔与所述第一中间层连接，所述第一中间层开设有第二过孔，所述第一中间层通过所述第二过孔与所述第二中间层连接，所述第二中间层开设有第三过孔，所述第二中间层通过所述第三过孔与所述底层连接，所述底层开设有输出孔。

在其中一个实施例中，所述顶层、所述第一中间层、所述第二中间层、所述底层中相邻设置的两者上的所述电磁感应线圈的螺旋走线方向相反。

在其中一个实施例中，所述顶层和所述底层上设置有焊锡层。

在其中一个实施例中，所述PCB板通过轴承转动安装在所述转轴的外部；

所述转子电磁铁设有开窗，所述位置检测传感器与所述开窗相对设置；

所述电磁感应线圈的数量设置为3的整数倍。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明一实施例所述的无绕线PCB无刷电机的装配结构图；

图2为本发明中电磁感应线圈的分布结构图；

图3位本发明中永磁铁在转子本体上的安装分布结构图。

附图标记说明：

10、转轴；20、定子组件；21、PCB板；22、电磁感应线圈；23、第一通孔；24、第二通孔；25、轴承；30、转子组件；31、转子电磁铁；32、转子本体；33、永磁铁；40、位置检测传感器；50、接口；60、间隙。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，为本申请一实施例展示的一种无绕线PCB无刷电机，所述无绕线PCB无刷电机包括：转轴10、定子组件20、转子组件30以及位置检测传感器40。

请继续参阅图1至图3，所述定子组件20包括与所述转轴10可转动连接的PCB板21，以及设置于所述PCB板21上的多个电磁感应线圈22，所述电磁感应线圈22的输入相具有三相；所述转子组件30包括转子电磁铁31、转子本体32和多个永磁铁33，所述转子电磁铁31与所述转轴10可转动连接，所述转子本体32固设于所述转轴10上且位于所述转子电磁铁31远离所述PCB板21的一侧，多个所述永磁铁33沿所述转子本体32的旋转方向环向设置于所述转子本体32上，且任意相邻两个所述永磁铁33之间间隔形成有间隙60；所述位置检测传感器40设置于所述转子电磁铁31上并能够与任一所述间隙60触发配合。

综上，实施本实施例技术方案将具有如下有益效果：上述方案的无绕线PCB无刷电机工作时，当电磁感应线圈22的三相输入相加载不同相位的电流时，设置在PCB板21上的多个电磁感应线圈22会感应出不同方向的电磁场，且不同电磁感应线圈22产生的电磁场的极性呈交替变化，如此一来，电磁场作用于永磁铁33上，永磁铁33产生电磁作用力从而驱动转子本体32以转轴10的轴线为中心进行转动，实现转子本体32带动转轴10同步转动输出。且在转动过程中，位置检测传感器40实时检测转子本体32的旋转位置，当相邻两个永磁铁33之间的间隙60对准位置检测传感器40时，位置检测传感器40会被触发，且此时输出位置检测传感器40的信号用作为换向开关信号，这样随着无绕线PCB无刷电机转动角度的变化，位置检测传感器40输出的电压信号幅值也会随之变化，至此无绕线PCB无刷电机输入位置检测传感器40的信号后即可控制换向器进行换向。

相较于现有技术而言，通过设置位置检测传感器40与转子组件30检测配合，可实现对无绕线PCB无刷电机输出的精准换向控制，能够适用于各种对位置和速度有要求的使用场合，且多个电磁感应线圈22与多个永磁铁33接力配合，效率大幅提高，此外PCB板21、转子组件30等构件的集成化程度高，为实现高精度的电机驱动控制一体化建立了可靠基础。

在本实施例中，转子本体32形成为圆形结构，且所述转子本体32采用隔磁材料制成。例如，隔磁材料为有机高分子材料，如此有利于减小转子组件30的整体重量，降低动不平衡惯量的影响。所述转子本体32的内部形成有磁铁槽，所述永磁铁33嵌装并粘接固定在所述磁铁槽内。将永磁铁33通过粘接固定在磁铁槽内，不仅安装稳固，同时安装方式简单，不会对永磁铁33正常工作产生任何干涉。

同时，永磁铁33较佳的采用钕铁硼永磁体。该种材料的磁性好，结构强度高。

请继续参阅图3，进一步地，所述永磁铁33与所述电磁感应线圈22均设置为相适配的扇形结构。例如本实施例中永磁铁33的数量设置为六个，且在转子本体32的磁铁槽内沿环向等间距60°布置。永磁铁33的厚度为1mm(利于无绕线PCB无刷电机薄型化设计)，且其厚度方向的两个相对侧面分别为N极和S极。

将永磁铁33与电磁感应线圈22设计制作为相适配的扇形结构，有助于提高电磁感应线圈22与永磁铁33的耦合程度；同时电磁感应线圈22在PCB板21上的分布面积足够大，有助于提高磁感效率，提升无绕线PCB无刷电机的工作效率。

在上述任一实施例的基础上，所述电磁感应线圈22设置为六个，并沿所述PCB板21的圆周方向均匀间隔排布；所述永磁铁33设置为六个，并沿所述转子本体32的圆周方向均匀间隔排布。

例如，图2中示出了采用六个电磁感应线圈22的布置图。其中相对设置的一对电磁感应线圈22构成一个相位的感应线圈组，也即总共可以形成三对感应线圈组构成无绕线PCB无刷电机的A、B、C三相。进一步地，本申请采用三个位置检测传感器40，如位置检测传感器40采用霍尔传感器。三个霍尔传感器在圆周方向上相差60°布置，输出的霍尔信号将每个电周期分为6个区域。当转子组件30转动到某个区域时，特定的电磁感应线圈22便会通电。根据检测到霍尔传感器信号A、B、C三相的通电顺序是AB->AC->BC->BA->CA->CB，按照这个顺序PCB板21上6个电磁感应线圈22变换不同的感应电动势的极性，对永磁铁33产生尺作用，从而推动转子组件30转动。

在其中一个实施例中，所述PCB板21设置为多层结构，且层数设置为N；所述PCB板21的每层板层上均设置有多个所述电磁感应线圈22，所述电磁感应线圈22呈螺旋型绕制结构。如此，有助于增强定子组件20的电磁感应能力。

请继续参阅图2，在上述实施例中，所述电磁感应线圈22的中心设置有N个第一通孔23，所述电磁感应线圈22的外部设置有N-1个第二通孔24，相邻层上的所述电磁感应线圈22通过对应的所述第一通孔23和所述第二通孔24连接。如此便于实现相邻板层的电性导通。

为了降低无绕线PCB无刷电机的制造成本，较佳地所述PCB板21设置为四层结构，且分别定义为顶层、第一中间层、第二中间层和底层；所述顶层开设有第一过孔，所述顶层所述所述第一过孔与所述第一中间层连接，所述第一中间层开设有第二过孔，所述第一中间层通过所述第二过孔与所述第二中间层连接，所述第二中间层开设有第三过孔，所述第二中间层通过所述第三过孔与所述底层连接，所述底层开设有输出孔。如此，可实现四层板层的电性导通，且连接方式简单可靠。

进一步地，所述顶层、所述第一中间层、所述第二中间层、所述底层中相邻设置的两者上的所述电磁感应线圈22的螺旋走线方向相反。PCB板21上相邻的电磁感应线圈22布线走向相反，这样当PCB板21通电后，相邻电磁感应线圈22产生的电磁场极性相反，电磁感应线圈22的电磁场对转子组件30产生电磁作用力，转子本体32上安装的永磁铁33极性交错排布，当电磁感应线圈22通电并改变通电顺序后，转子组件30便能够随着PCB板21上的电磁感应线圈22的通电顺序旋转起来。

需要说明的是，所述电磁感应线圈22的数量设置为3的整数倍。如此能够确保任意相邻的电磁感应线圈22之间产生的电磁场极性相反，进而对永磁铁33产生连续电磁作用力，实现转子组件30连续转动。

更进一步地，所述顶层和所述底层上设置有焊锡层。具体而言，焊锡层为采用喷涂工艺形成于顶层和底层表面的具备高导电率的锡层，同时顶层和底层的电磁感应线圈22取消绿油组焊层，以便PCB印刷线路的电流负载能力。经过喷锡处理，最大电流可以增加50％或以上。

请继续参阅图1，在上述任一实施例的基础上，所述PCB板21通过轴承25转动安装在所述转轴10的外部。具体地轴承25为微型轴承25，以适配无绕线PCB无刷电机的小型化设计。PCB板21通过轴承25可与转轴10转动连接，轴承25对PCB板21起到支撑定位作用，同时避免PCB板21直接与转轴10接触而产生摩擦磨损，影响使用寿命。

所述转子电磁铁31设有开窗，所述位置检测传感器40与所述开窗相对设置。通过设置开窗，可避免对位置检测传感器40的检测光线造成遮挡，保证位置检测传感器40检测准确度。

请继续参阅图1，此外，PCB板21上还设有接口50，以便于与驱动板通过电线相连。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

Claims (10)

1.一种无绕线PCB无刷电机，其特征在于，所述无绕线PCB无刷电机包括：

转轴；

定子组件，所述定子组件包括与所述转轴可转动连接的PCB板，以及设置于所述PCB板上的多个电磁感应线圈，所述电磁感应线圈的输入相具有三相；

转子组件，所述转子组件包括转子电磁铁、转子本体和多个永磁铁，所述转子电磁铁与所述转轴可转动连接，所述转子本体固设于所述转轴上且位于所述转子电磁铁远离所述PCB板的一侧，多个所述永磁铁沿所述转子本体的旋转方向环向设置于所述转子本体上，且任意相邻两个所述永磁铁之间间隔形成有间隙；以及

位置检测传感器，所述位置检测传感器设置于所述转子电磁铁上并能够与任一所述间隙触发配合。

2.根据权利要求1所述的无绕线PCB无刷电机，其特征在于，所述电磁感应线圈设置为六个，并沿所述PCB板的圆周方向均匀间隔排布；所述永磁铁设置为六个，并沿所述转子本体的圆周方向均匀间隔排布。

3.根据权利要求2所述的无绕线PCB无刷电机，其特征在于，所述永磁铁与所述电磁感应线圈均设置为相适配的扇形结构。

4.根据权利要求1所述的无绕线PCB无刷电机，其特征在于，所述转子本体采用隔磁材料制成，且所述转子本体的内部形成有磁铁槽，所述永磁铁粘接在所述磁铁槽内。

5.根据权利要求1所述的无绕线PCB无刷电机，其特征在于，所述PCB板设置为多层结构，且层数设置为N；所述PCB板的每层板层上均设置有多个所述电磁感应线圈，所述电磁感应线圈呈螺旋型绕制结构。

6.根据权利要求5所述的无绕线PCB无刷电机，其特征在于，所述电磁感应线圈的中心设置有N个第一通孔，所述电磁感应线圈的外部设置有N-1个第二通孔，相邻层上的所述电磁感应线圈通过对应的所述第一通孔和所述第二通孔连接。

7.根据权利要求5所述的无绕线PCB无刷电机，其特征在于，所述PCB板设置为四层结构，且分别定义为顶层、第一中间层、第二中间层和底层；所述顶层开设有第一过孔，所述顶层所述所述第一过孔与所述第一中间层连接，所述第一中间层开设有第二过孔，所述第一中间层通过所述第二过孔与所述第二中间层连接，所述第二中间层开设有第三过孔，所述第二中间层通过所述第三过孔与所述底层连接，所述底层开设有输出孔。

8.根据权利要求7所述的无绕线PCB无刷电机，其特征在于，所述顶层、所述第一中间层、所述第二中间层、所述底层中相邻设置的两者上的所述电磁感应线圈的螺旋走线方向相反。

9.根据权利要求7所述的无绕线PCB无刷电机，其特征在于，所述顶层和所述底层上设置有焊锡层。

10.根据权利要求1至9任一项所述的无绕线PCB无刷电机，其特征在于，所述PCB板通过轴承转动安装在所述转轴的外部；

所述转子电磁铁设有开窗，所述位置检测传感器与所述开窗相对设置；

所述电磁感应线圈的数量设置为3的整数倍。

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