CN205945301U - 一种用于轴向磁场电机的单相绕组结构、印刷电路板 - Google Patents

Abstract

一种用于轴向磁场电机的单相绕组结构，所述绕组设置于2N层PCB板，除首层PCB板之外的每层PCB板上的绕组均设置有与电机磁极数相同的绕组周期环；相邻绕组层间通过位于绕组周期的中央部位的连接孔串行连接；绕组端部的首端和尾端这两个端点均在首层PCB板上。绕组的成本比较低；绕组的电机系数较高；绕组是由PCB的方式实现，因而2D的绕组的形状可以是任意的，绕组的尺寸和厚度可以控制得很准确。这些对于实现薄型电机的结构和提高电机性能是重要的；电机驱动电路、霍尔传感器电路和其他的电子器件的线路可以做在形成电机绕组的同一个PCB上，提高电机空间的利用率。

Description

一种用于轴向磁场电机的单相绕组结构、印刷电路板

技术领域

本实用新型涉及一种具有轴向磁场的单相电机的技术领域，具体地讲，是一种能够实现薄型电机的轴向磁场单相同步电机的绕组结构、印刷电路板。

背景技术

电机是指依据电磁定律实现电能转换的一种电磁装置。永磁同步电机(PMSM)，因为其功率密度和电机效率较高，因而在现代工业和家用产品中发挥越来越重要的作用。

电机的电磁结构可以是采用径向磁场的，如图1所显示的电机结构；在图1中，其显示了一个具有外转子的PMSM的基本结构，其包括转子外壳1＇、转子励磁磁钢2＇、定子铁芯3＇及缠绕在定子铁芯3＇上的电枢绕组4＇。图2显示的是电机的一种集中绕组的结构。图3显示的是该电机的电磁结构，转子励磁磁钢2＇的N极和S极交替安装于转子外壳1＇上。

当采用图1所显示的径向磁场的电机结构，电枢绕组的结构必须是3D的，如图2所示，3D绕组必须使用绕线机，或者手工排布的方式，来形成绕组。绕组的尺寸的精度也就不高。

电机也可以采用轴向磁场。而一些采用轴向磁场的电机结构，其电枢绕组的结构可以是2D的；如图3所示，2D绕组可以采用粘接线圈，甚至PCB的技术，来制作，绕组的精度就可以做得较高。绕组的精度对于轴向磁场的电机很重要，因为其关系到电机气隙的大小，进而影响到电机的性能。

由于单相PMSM具有驱动线路简单的特点，被广泛用于微型PMSM上。采用轴向磁场的单相PMSM，其绕组在空间是以最大跨距为180°电角度的集中式结构进行排列。这种绕组在转子磁场的匝链方面利用率很好，绕组系数也就较高。这些对提高电机的性能是非常重要的。但采用这种绕组后，当使用多层PCB的时候，为了连接位于不同层面的PCB，必须在相关的绕组层之间用连接孔连接位于不同PCB层面的绕组。设计和生产PCB的时候不得不采用“埋孔”和“盲孔”的方式连接位于不同层面上的绕组。因为绕 组的结构复杂，对埋孔和盲孔的要求也复杂。这会使得PCB的成本很高。如果采用过孔，每层的绕线必须避开过孔的位置。这会使得绕组的形状变得不合理，从而影响电机的性能。

发明内容

本实用新型的主要目的在于提供一种能够在轴向磁场电机中充分利用转子永久磁钢产生的磁场的单相绕组结构、印刷电路板。

为实现上述目的，本方法所采用的技术方案为：

本实用新型实施例提供一种用于轴向磁场电机的单相绕组结构，所述绕组设置于2N层PCB板，除首层PCB板之外的每层PCB板上的绕组均设置有与电机磁极数相同的绕组周期环；相邻绕组层间通过位于绕组周期的中央部位的连接孔串行连接；绕组端部的首端和尾端均在首层PCB板上。

上述方案中，所述首层PCB板设置有电机驱动系统，所述绕组与电机驱动系统连接，所述电机驱动系统包括驱动电路和霍尔传感器。

所述绕组之间的连接孔均为过孔。

所述绕组周期呈扇形。

所述每层PCB板设置有过孔。

所述过孔设置于绕组周期外侧或绕组周期内侧。

本实用新型实施例还提供一种单相绕组结构的印刷电路板，以(2n-1)层PCB板与2n层PCB板构成一PCB组件，其中，n＝1，2，…N，每个PCB组件的第一和第二层之间的绕组连接孔在绕组周期的中央，而每组PCB的绕组的首端和尾端均在其第一层上，当PCB组件连接时，一PCB组件的绕组端部与位于绕组周期外侧的孔相接，连接另一PCB组件。

上述方案中，所述外侧的孔在整体PCB上为过孔。

所述PCB组的远离磁钢的一面设置有驱动器件。

本实用新型的技术效果如下：

1)可以充分利用PCB技术来实现具有轴向磁场的单相电机的绕组。绕组的成本比较低；

2)线圈为最大跨距为180°电角度的集中式结构，可以提高绕组对转子磁钢产生的磁场的利用率。绕组的电机系数较高；

3)绕组是由PCB的方式实现，因而2D的绕组的形状可以是任意的，绕组的尺寸和厚度可以控制得很准确。这些对于实现薄型电机的结构和提高电机性能是重要的；

4)电机驱动电路、霍尔传感器电路和其他的电子器件的线路可以做在形成电机绕组的同一个PCB上，直接和电机的电枢绕组连接。提高电机空间的利用率；

单相永磁交流电机必须采用霍尔传感器来检测转子的位置，并且发出控制信号对绕组的电流进行控制和换向。这种电机的一个特殊问题是，它存在着多个转矩为零的点。在电机运行的时候，这些零转矩点可以利用机械惯性得以通过。但电机在启动的时候，如果转子位于这些转矩零点的位置，则电机无法正常启动。在电机设计的时候，必须在电磁结构上设法避免在启动的时候转子位于转矩零点的位置。

轴向磁场电机，其转子必须在轴向加以钳制，以避免转子在轴向的移动，甚至脱离电机。可以采用机械的方法进行钳制。也可以采用磁力进行钳制。后者的结构简单，特别适用于薄型电机。但如何在利用电机的电磁结构来实现，则需要考虑许多因素。

5)位于电子器件同一PCB层面的定位片，能够利用交轴磁阻小于直轴磁阻的效应，使得转子在自由停靠的时候，停在启动转矩比较大的位置，从而加强电机的启动性能。而定位片与磁钢的磁场之间的作用所产生的磁力也能够对转子起到轴向钳制作用。

附图说明

图1为现有的采用径向磁场的电机的结构分离示意图；

图2为现有的典型的径向磁场电机的集中式绕组结构示意图；

图3为采用轴向磁场的电机的典型结构示意图；

图4为实施例一p＝6时，第一层绕组周期为(p-1)时的绕组情况。

图5为实施例二p＝6时，第一层绕组周期为(p-2)时的绕组情况。

图6为实施例三p＝6时，第一层绕组周期为(p-2)时，同时使用埋孔和过孔的绕组情况。

图7为PCB底部定位片的形状的三种典型的形状。

图8为图7所示的PCB底部定位片安装到电机里面后与图6所示的PCB的第一层的对应 情况。

图9为电机的安装时候各种器件的关系。

图10为电机安装的安装结构图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1、

如图4和图5所示，图中a、b、c、d分别表示第一层、第二层、第三层、第四层，绕组周期分别为绕组第一周期8、绕组第二周期9、绕组第三周期10、绕组第四周期11、绕组第五周期15、绕组第六周期16，一种用于具有极的轴向磁场电机的单相绕组结构的绕制方法，PCB板的层数为2N，包括图4所示的第一层绕组周期为p-1的结构，或者图5所示的p-2的结构，或者类似的p-n结构(n＝1，2，…,p-1)。第一层绕组周期数的选取，由电子器件的位置和驱动电路所需要的空间决定。而绕组的两个端线都位于PCB的第一层。绕组采用最大跨距为180°电角度的集中式结构；绕组的层数为偶数；除了第一层，每一层上的绕组均由与电机磁极数p相同的绕组周期环所组成；相邻绕组层间通过连接孔串行连接。由于第一层绕组的周期数少于p，可以给驱动电路和霍尔传感器留出足够的空间。而这样的处理方法，所有的连接孔都位于绕组周期的内部。由于连接孔所位于的空间没有绕组的存在，所有连接孔可以用过孔实现。这对于减少PCB的成本是非常有意义的。

一种用于p个磁极的轴向磁场电机的单相绕组结构的绕制方法，其PCB的层数为2N，包括：

步骤一、在第一层绕组的第一个周期的起始端即第一绕组端线12，从外部绕进周期的内部，绕组的末端通过位于其周期的内部的连接孔与第二层绕组的起始周期的起始端连接；见图4。绕组周期的形状为扇形。

步骤二、在第二层绕组的第1个周期的起始端，从内部绕到周期的外部；见图1。然后在第二层开始该层绕组的第2个周期，而该周期的末端位于第2个周期的内部。通过连接孔与第一层绕组的第2个周期的起始端相连接。而第一层绕组的第2个绕组周期从周期内部绕至其外部，然后开始第一层的第3周期绕制，直至第3周期内部；

步骤三、由以上步骤下去，直至第2层绕组的第p个周期开始，从周期的外部绕至周期的内部，而周期绕组的末端与第三层绕组的第一个周期的首端通过连接孔相接。

步骤四、在第三层绕组的第一个周期的起始端，从内部绕至周期的外部；见图4。然后在第三层开始绕组的2个周期，而该周期的末端位于其第2个周期的内部，通过连接孔与第四层绕组的第1个周期的起始端相连接，第四层绕组的第1个绕组周期从周期内部绕至其外部，然后开始第四层的第2周期绕制，直至其第2周期内部，并且与第三层的第3周期的起始端连接。

步骤五、由以上步骤下去，直至第2N层绕组的第p个周期开始，绕组从周期的外部绕至周期的内部，周期绕组的末端通过连接孔送至第一层，与第一层的第二绕组端线13连接。这样，整个绕组的端线的首端和末端均被安排在第一层。由于使用过孔，每个绕组周期的内部均有两个过孔。而第一层有一个绕组周期的空间可用于安排驱动电路和霍尔检测电路。在以上过程中形成的各个层上的各个绕组周期所形成的绕组电流的走向，与相处于相同位置的其他层的绕组周期的电流走向相同。各个绕组周期的形状为扇形。在扇形的边缘可以根据转子磁钢的内径和外径加以倒角处理。

一种用于p个磁极的轴向磁场电机的单相绕组结构的绕制方法，其PCB的层数为2N，包括：

步骤一、在第一层绕组的第一个周期的起始端，从外部绕进周期的内部，绕组的末端通过位于其周期的内部的连接孔与第二层绕组的起始周期的起始端连接；见图4。绕组周期的形状为扇形。

步骤二、在第二层绕组的第1个周期的起始端，从内部绕到周期的外部；见图1。然后在第二层开始该层绕组的第2个周期，而该周期的末端位于第2个周期的内部。通过连接孔与第一层绕组的第2个周期的起始端相连接。而第一层绕组的第2个绕组周期从周期内部绕至其外部，然后开始第一层的第3周期绕制，直至第3周期内部；

步骤三、由以上步骤下去，直至第二层绕组的第(p-2)个周期开始，也就是图5中的第二层的第4个周期的绕组，从周期的外部绕至周期的内部，然后周期绕组的末端与第一层绕组的第4个周期的首端通过连接孔相接。第一层绕组的第4个周期从内部绕向外部，然后不再形成新的绕组周期，直接通过一个连接孔与第二层绕组的第(p-1)个周期，即图5中的第二层的第5绕组周期，的内部首端相接。第二层的第5绕组周期从其内部绕向外部，然后从第6周期的外部绕向其内部。该周期绕组的末端，通过连接孔，与第三层的第1周期的首端相连接；见图5。

步骤四、绕组周期不断绕制下去，直至第2N层绕组的第p个周期开始，即见图5中第4层绕组的第6个周期，从周期的外部绕至周期的内部，周期绕组的末端通过连接孔送至第一层，与第一层与第二绕组端线13连接。这样，整个绕组的首端和末端均被安排在第一层。由于使用过孔，每个绕组周期的内部均有两个过孔。而第一层有2个绕组周期的空间可供安排驱动电路和霍尔检测电路。在以上过程中形成的各个层上的各个绕组周期所形成的绕组电流的走向，与相处于相同位置的其他层的绕组周期的电流走向相同。各个绕组周期的形状为扇形。在扇形的边缘可以根据转子磁钢的内径和外径加以倒角处理。

一种用于p个磁极的轴向磁场电机的单相绕组结构的绕制方法，其PCB的层数为2N，包括：

步骤一、在第一层绕组的第一个周期的起始端，从外部绕进周期的内部，绕组的末端通过位于其周期的内部的连接孔与第二层绕组的起始周期的起始端连接；见图6。绕组周期的形状为扇形；

步骤二、(2)在第二层绕组的第1个周期的起始端，从内部绕到周期的外部；见 图1。然后在第二层开始该层绕组的第2个周期，而该周期的末端位于第2个周期的内部。通过连接孔与第一层绕组的第2个周期的起始端相连接。而第一层绕组的第2个绕组周期从周期内部绕至其外部，然后开始第一层的第3周期绕制，直至第3周期内部；

步骤三、重复上述步骤，直至第二层绕组的第(p-3)个周期开始，也就从周期的外部绕至周期的内部，然后周期绕组的末端与第一层绕组的第(p-2)个周期的首端通过连接孔相接，第一层绕组的第(p-2)个周期从内部绕向外部，然后不再形成新的绕组周期，直接通过一个连接孔与第二层绕组的第(p-1)个周期的内部首端相接，第二层的第(p-1)个绕组周期从其内部绕向外部，然后从第p周期的外部绕向其内部,该周期绕组的末端，通过连接孔，与第一层相接，然后再连接至第一过孔17。在第一层的第一过孔17与第三层绕组的第一个周期的起始端相接，从其外部绕至周期的内部，再通过连接孔与第四层绕组的第1个周期的起始端相连接，第四层绕组的第1个绕组周期从周期内部绕至其外部，然后开始第四层的第2周期绕制，直至其第2周期内部，并且与第三层的第3周期的起始端连接。第一过孔17可以位于PCB的外侧，也可以位于PCB的内侧。

步骤四、重复上述步骤，直至第2N层绕组的第p个周期开始，绕组从周期的部绕至周期的内部，周期绕组的末端通过连接孔送至第2N-1层，与第2N-1层的第p个周期绕组相连，而第2N-1层的第p个周期的尾端与位于绕组周期外部的第二过孔18连接，第二过孔18则与第一层的绕组末端连接，并且作为整个绕组的尾端，与芯片端口连接。第二过孔18可以位于PCB的外侧，也可以位于PCB的内侧。在以上过程中形成的各个层上的各个绕组周期所形成的绕组电流的走向，与相处于相同位置的其他层的绕组周期的电流走向相同。各个绕组周期的形状为扇形。在扇形的边缘可以根据转子磁钢的内径和外径加以倒角处理。

实施例二

一种用于具有极的轴向磁场电机的单相绕组结构的绕制方法，PCB板的层数为2N，包括图6所示的绕组结构，图中a、b、c、d分别表示第一层、第二层、第三层、第四层， 绕组周期分别为绕组第一周期8、绕组第二周期9、绕组第三周期10、绕组第四周期11、绕组第五周期15、绕组第六周期16。对于一具有2N层的PCB而言，每两个层面构成一个PCB组件，总共构成N给组件。每个组件的绕组尾端与下一个组件的首端以过孔相连。最后组件的尾端被过孔连接到第一个组件的第一层，与驱动芯片的端口进行连接。过孔的存在不影响PCB绕组的排布。显然，这种绕组排布方式能够进一步增加绕组的匝数，并且简化PCB的生产条件。

实施例三

如图7、图8、图9、图10所示，一种使用上述单相绕组结构的印刷电路板，每个单相绕组结构为一个PCB组，所述印刷电路板包括N个PCB组，首组PCB的绕组端部通过位于绕组周期外侧的过孔与相连接的PCB的绕线端部连接。

其中，所述PCB组的远离磁钢的一面设置有驱动器件。

一种电机，包括电机底座、PCB组和转子外壳，所述电机底座设置有轴承，所述转子外壳的电机轴一端穿过PCB组设置于轴承内，所述转子外壳内设置有转子磁钢，所述PCB组的远离转子磁钢的一面设置有定位片，所述材料的磁导率大于1。

为了使得转子在电机不工作的时候能够避开零转矩的位置，并且能够对转子产生轴向钳制作用，在PCB远离磁钢的那一面，即安装有驱动器件的那一面，连接具有特别形状的定位片。该定位片材料含有铁的成分，因而可以和转子磁场作用产生轴向引力。这样，磁钢和定位片之间相对关系不同的时候电机主磁路的磁阻是不同的。而定位片有一个比较大的缺口是为电子器件的安装所留出的空间。在电机安装的时候，定位片被安装在在绕组的交轴位置上磁阻最小的位置。这样，使得转子在自由停靠的时候，能够停靠在交轴的位置附近，从而使得电机在启动的时候避开启动转矩为零的情况出现。

p＝6的时候，按照对定位定位片的这些要求而设计出的两种定位片如图7和图8所示。

在电机安装的时候，电子器件被安装在PCB上。而该PCB没有电子器件的一面是面向转子磁钢的。在电机安装完成后，定位片与电子器件的同一面上的PCB的面相近。该 定位片可以直接安装在PCB上，或者被安装在电机的机座上。

本实用新型还公开了绕组结构的制作方法，是通过印刷电路板的形式制作而成。而定位片材料的相对磁导率大于1。

本实用新型还公开了一种具有轴向磁场的电机，其包括转子磁轭1、磁钢2、电机绕组3、定位片4、电机底座5，和电子器件6。其中：

转子磁轭1由铁质材料构成，

定位片4的相对磁导率大于1。它的结构能够使得电机主磁路的磁阻会随着磁钢和定位片之间相对位置的变化而变化。

绕组结构3为上述的具有多层2D的结构，用PCB的方式做成的绕组。在本实施例中，每层的线圈由六个周期(绕组环)组成，以和转子的六个磁极磁钢相对应。

本实用新型所公开的电机，可以充分利用电机的绕组空间，从而增加电机的功率密度和降低电机的厚度。定位片的使用可以改善单相电机的启动特性。电机的结构简单，生产过程得到简化，电机的可靠性和电机生产的良品率都可以得到提高。

图7显示了该定位片在p＝6的情况下的三个例子。铁片结构的周期性与磁钢的周期性相同，以与磁钢的磁极对耦合。

图8显示了图7所示的三种定位片4在安装到电机里面的时候，与图6所示的PCB7的第一层的绕组的关系。

见图9和图10，在电机安装的时候，电子器件被焊接在PCB7上。而该PCB7没有电子器件6的一面是面向转子磁钢2的；

见图9和图10，在电机安装完成后，定位片4与电子器件6的同一面上的PCB7的面相联。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于轴向磁场电机的单相绕组结构，其特征在于：所述绕组设置于2N层PCB板，除首层PCB板之外的每层PCB板上的绕组均设置有与电机磁极数相同的绕组周期环；相邻绕组层间通过位于绕组周期的中央部位的连接孔串行连接；绕组端部的首端和尾端均在首层PCB板上。

2.根据权利要求1所述的一种用于轴向磁场电机的单相绕组结构，其特征在于：所述首层PCB板设置有电机驱动系统，所述绕组与电机驱动系统连接，所述电机驱动系统包括驱动电路和霍尔传感器。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于轴向磁场电机的单相绕组结构，其特征在于：绕组之间的连接孔均为过孔。

4.根据权利要求1所述的一种用于轴向磁场电机的单相绕组结构，其特征在于：所述绕组周期呈扇形。

5.根据权利要求1所述的一种用于轴向磁场电机的单相绕组结构，其特征在于：所述每层PCB板设置有过孔。

6.根据权利要求5所述的一种用于轴向磁场电机的单相绕组结构，其特征在于：所述过孔设置于绕组周期外侧或绕组周期内侧。

7.一种使用权利要求1至6任一项所述的单相绕组结构的印刷电路板，其特征在于，以2n-1层PCB板与2n层PCB板构成一PCB组件，其中，n＝1，2，…N，每个PCB组件的第一和第二层之间的绕组连接孔在绕组周期的中央，而每组PCB的绕组的首端和尾端均在其第一层上，当PCB组件连接时，一PCB组件的绕组端部与位于绕组周期外侧的孔相接，连接另一PCB组件。

8.根据权利要求7所述的印刷电路板，其特征在于：所述外侧的孔在整体PCB上为过孔。

9.根据权利要求7或8所述的印刷电路板，其特征在于：所述PCB组的远离磁钢的一面设置有驱动器件。