CN218335697U - 定子和轴向磁通电机 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种定子，包括：基板；线圈，其被设置在所述基板上或内；和磁芯，其被设置在所述基板上或内，其中所述线圈以螺旋的形式围绕所述磁芯；其中，所述线圈包括导体，所述导体被划分为串联连接的第一段和第二段，所述第一段比所述第二段更靠近所述磁芯，其中所述第一段包括并联的n个分支，其中n为大于或等于2的整数。本申请还提供了一种包括上述定子的轴向磁通电机。本申请的轴向磁通电机和定子可以减少定子的线圈的涡流损耗。

Description

定子和轴向磁通电机

技术领域

本申请涉及轴向磁通电机技术领域，尤其涉及一种包括印刷电路板(PrintedCircuit Board，下文简称PCB)绕组的定子以及包括该定子的轴向磁通电机。

背景技术

为了克服常规绕组普遍存在的结构复杂、精度低、体积大和生产不便等缺点，现已在很多领域中采用了利用现代PCB工艺制造的PCB绕组，且具有PCB绕组的轴向磁通电机因其各种优点而在许多应用中逐渐成为极具前途的解决方案。例如，包括PCB绕组的定子的制造过程简化，且可以灵活实现复杂的绕组结构和准确的线圈定位，也可以通过PCB绕组更精确地计算和控制定子参数。另外，由于PCB绕组厚度小，这种轴向磁通电机非常适合对安装空间要求较高的应用场合。

现有技术中有一种轴向磁通电机100，如图1A至1D所示，包括彼此相对的两个转子10和设置在转子10之间的定子20，转子10上设有永磁体11，定子20包括基板21、线圈22和磁芯23，其中基板21和线圈22可形成PCB绕组，线圈22由位于基板21上且围绕磁芯23以螺旋的形式缠绕的导体24形成，用于传导电流，而磁芯23嵌置在基板21内，用于增强磁场。虽然这种轴向磁通电机具有明显提高的性能，但仍然存在诸多问题。例如，两个转子10之间的磁力线会穿过定子20的磁芯23，但由于磁芯23的空间有限，在磁芯23的邻近区域内的磁力线直接穿过线圈22。因此，这会在这部分线圈22的导体内产生额外的涡流损耗，尤其是对于在高频条件下运行的轴向磁通电机来说，这种额外的涡流损耗可能非常大，甚至高于直流铜损。

因此，需要对现有的轴向磁通电机进行改进，以解决上述问题。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种改进的定子以及包括该定子的轴向磁通电机，以减少在定子的线圈中产生的涡流损耗，并维持较低的直流损耗和简化制造过程。

为此，根据本申请的一方面，提供了一种定子，包括：基板；线圈，其被设置在所述基板上或内；和磁芯，其被设置在所述基板上或内，其中所述线圈以螺旋的形式围绕所述磁芯；其中，所述线圈包括导体，所述导体被划分为串联连接的第一段和第二段，所述第一段比所述第二段更靠近所述磁芯，其中所述第一段包括并联的n个分支，其中n为大于或等于2的整数。

根据本申请的一实施例，所述第二段包括一股导体，所述第一段的每个分支的横截面面积小于所述第二段的一股导体的横截面面积。

根据本申请的一实施例，所述n个分支中的至少一个分支的横截面面积小于或等于所述第二段的横截面面积的1/n。

根据本申请的一实施例，所述n个分支中的所述至少一个分支的宽度小于或等于所述第二段的宽度的1/n。

根据本申请的一实施例，所述第一段包括沿所述基板的径向延伸的第一部分和沿所述基板的周向延伸的第二部分，所述第二段包括沿所述基板的径向延伸的第一部分和沿所述基板的周向延伸的第二部分，所述基板的径向垂直于所述定子的中心轴线；其中，所述第一段的第一部分比所述第二段的第一部分更靠近所述磁芯，所述第一段的第二部分比所述第二段的第二部分更靠近所述磁芯。

根据本申请的一实施例，所述n个分支形成围绕所述磁芯的多匝子线圈，所述n个分支在所述多匝子线圈的两端处并联在一起，所述多匝子线圈的两端中的一端和所述第二段的第一端连接；所述多匝子线圈的两端中的另一端适于作为所述导体的电流输入端和电流输出端中的一个，所述第二段的第二端适于作为所述导体的电流输入端和电流输出端中的另一个。

根据本申请的一实施例，包括以下中的至少一种：所述导体在所述磁芯的厚度方向上被布置成彼此叠置的多个层；所述基板包括彼此叠置的多个子基板，所述磁芯被嵌置在所述多个子基板内；以及所述导体的多个层中的每一层被设置在所述基板的多个子基板中的每一个的表面上或内。

根据本申请的一实施例，所述定子包括多个线圈和多个磁芯，所述多个线圈和所述多个磁芯以一对一的方式围绕所述定子的中心轴线均匀地分布。

根据本申请的一实施例，所述多个线圈的导体彼此串联和/或并联以至少形成一相绕组，且所述基板被配置成所述多个线圈和所述磁芯的共同基板。

根据另一方面，本申请提供了一种轴向磁通电机，其中，所述轴向磁通电机包括：如上所述的定子；转子；和轴，其与所述转子固定连接；其中，所述定子和所述转子围绕所述轴彼此相对地设置。

本申请的定子线圈的导体被分为两部分，其中离磁芯更近的一部分导体被分成多个并联的具有更小横截面面积的分支，所以这部分导体中的涡流损耗将大大降低，而远离磁芯的一部分导体因没有处于较强的外部磁场中，产生的涡流损耗本身较小，所以这部分导体可以不必被分成多个分支而保持完整的导体，从而可以维持较低的直流损耗，且简化制造过程。

附图说明

下面将参考附图对本申请的示例性实施例进行详细描述，应当理解，下面描述的实施例仅用于解释本申请，而不是对本申请的范围的限制，在附图中：

图1A是现有技术的轴向磁通电机的示意性透视图；

图1B是图1A中的区域A的示意性放大视图；

图1C是图1A中所示的定子的示意性俯视图；

图1D是图1C中的区域B的示意性放大视图；

图2A是根据本申请的示例性实施例的轴向磁通电机的定子的示意性俯视图；

图2B是图2A中的区域C的示意性放大视图；

图2C是图2A中的区域D的示意性放大视图；

图2D是沿图2A中的线I-I'所截取的示意性局部横截面视图。

具体实施方式

下面结合示例详细描述本申请的优选实施例。但是，本领域技术人员应当理解，这些示例性实施例并不意味着对本申请形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互组合。在附图中，为简要起见，省略了其它的部件，但这并不表明本申请的定子和轴向磁通电机不可包括其它的部件。应当理解，附图中部件的尺寸、比例关系以及数目均不作为对本申请的限制。

图1A至图1D示出了现有技术的轴向磁通电机的大致结构。如图1A至图1D所示，轴向磁通电机100包括两个转子10、定子20和轴(未示出)，其中两个转子10在其各自的中心处与轴固定连接，并且两个转子10围绕轴彼此相对地设置，定子20被设置于两个转子10之间。应指出的是，本申请不限于所示的转子数量和定子数量，而是可以包括任何数量的转子和定子。

如图1A和图1B所示，转子10包括盘形的本体，且在面向定子20的一侧上设有永磁体11，两个转子10的永磁体11以相反的磁性彼此面对。例如，在图1A中，位于上部的永磁体(未标示)的下侧可以是N极，而位于下部的永磁体11的上侧可以是S极。永磁体11的形状可以为扁平形状，例如为部分扇形的扁平永磁体。在一示例中，多个永磁体11围绕转子10的中心成角度地均匀分布在转子10上。永磁体11的极性、形状、大小、数量和排列可以与定子20(将在下文中予以详细解释)上的线圈设计相互关联地设计，以优化轴向磁通电机100的电磁特性。另外，轴向磁通电机100还可包括更多的其它部件，例如，壳体、连接器、控制电路等，本文不再进一步详细描述。

如图1C和图1D所示，定子20为盘形的PCB形式，位于两个转子10之间，也位于两个转子10上设置的永磁体11之间。当定子20通电而使转子10带动轴旋转时，轴向外输出动力。如图1C和1D所示，定子20包括基板21、线圈22和磁芯23，基板21和线圈22可形成PCB绕组。线圈22由位于基板21上的导体24形成。基板21可以是例如电木板、玻璃纤维板或塑胶板的绝缘板。导体24可以由位于基板21的表面上或内的导电迹线形成。例如，对基板21上的金属涂层进行蚀刻之后可以形成各种导电迹线，其中一些可以形成平面线圈的形式。再例如，可以在基板21的形成过程中通过过孔连接形成立体线圈形式的导电迹线。因此，导体24可以由沿二维或三维螺旋延伸的导电迹线形成。线圈22用于传导电流，而磁芯23用于增强磁场。磁芯23可以被嵌置在基板21内(或被设置在基板21上)，一方面可以增加气隙磁通密度，从而提高电机的扭矩密度，另一方面当磁芯23被嵌置在基板21内，不会增加定子20的轴向长度，从而可以提高电机的紧凑性。而且，磁芯23不容易移动或脱落，可确保电机的稳定运行，从而提高可靠性。

由于转子10和定子20之间的磁场作用，磁力线主要从定子20的磁芯23中穿过，但由于磁芯23的空间有限，在磁芯23的邻近区域的磁力线直接穿过线圈22，因此会在线圈22内产生额外的涡流损耗。

为减少线圈22内的涡流损耗，本申请在现有的轴承磁通电机的基础上，提出一种改进的轴向磁通电机。具体而言，本申请提出的轴向磁通电机100包括转子10、定子20和轴，其中轴与转子10固定连接，且定子20和转子10围绕轴彼此相对地设置。应指出的是，除定子外，本申请提出的轴向磁通电机可具有与现有技术中的轴向磁通电机类似的结构，因此，对于相同的结构，本文将不再重复相应的描述。

根据本申请的实施例，如图2A至2D所示，定子20包括基板21、线圈22和磁芯23，线圈22和磁芯23被设置在基板21上，其中线圈22以螺旋的形式围绕磁芯23。线圈22包括导体24，导体24被划分为串联连接的第一段和第二段，第一段比第二段更靠近磁芯23。例如，根据如图2A至2D中所示的实施例，第一段包括沿基板21的径向延伸的第一部分和沿基板21的周向延伸的第二部分，第二段包括沿基板21的径向延伸的第一部分和沿基板21的周向延伸的第二部分，基板21的径向垂直于定子20的中心轴线，其中第一段的第一部分比第二段的第一部分更靠近磁芯23，第一段的第二部分比第二段的第二部分更靠近磁芯23。根据本申请的实施例，第一段包括并联的两个分支25。例如，两个分支25之间具有间隙26。应指出的是，本申请不限于将第一段分成并联的两个分支，而是可以分成更多个分支25，例如，可以概括为n个分支，其中n为大于或等于2的整数，这n个分支可以仅在其两端处电流汇合而形成两个并联点，在这两个并联点之间n个分支相互分立而无电流交汇，在两个并联点之间，所述n个分支可以包括相互平行的部分。虽然在图2A至图2D仅示出了第一段包括一匝导电迹线，第二段包括多匝导电迹线，但本申请不限于此。例如，第一段可包括围绕磁芯23螺旋缠绕的第一多匝的导电迹线，第二段可包括围绕磁芯23螺旋缠绕的第二多匝的导电迹线，其中第一多匝的导电迹线与第二多匝的导电迹线之间串联连接，第一多匝的匝数为并联的n个分支形成的并联绕组的匝数。根据本申请的实施例，n个分支25可形成围绕磁芯23的多匝子线圈，且n个分支25可在多匝子线圈的两端处并联在一起，其中多匝子线圈的两端中的一端和第二段的第一端连接，多匝子线圈的两端中的另一端适于作为导体24的电流输入端和电流输出端中的一个，第二段的第二端适于作为导体24的电流输入端和电流输出端中的另一个。

由于在本申请的定子20中离磁芯23更近的第一段导体被分成多个并联的分支25，所以这段导体(处于较强的外部磁场中)内的涡流损耗将因为导体25被细分而使各分支25具有较小的横截面面积而大大降低，而远离磁芯23的第二段导体(没有处于较强的外部磁场中)内的涡流损耗本身较小，所以第二段导体可以不必被分成多个分支而仍然保持完整的导体，从而可以维持较低的直流损耗，且简化制造过程。应理解的是，第一段和第二段之间界线的划分可以基于磁场强度分布以及涡流损耗和直流损耗之间的平衡点等因素来确定。例如，占线圈22的匝数的1/5至1/3的更靠近磁芯23的部分导体可以被限定为第一段，因为这部分导体所在区域的磁场强度较高。另外，还可以根据对线圈的不同导体部分中的涡流损耗和直流损耗进行模拟计算而得出的结果来划分第一段和第二段。应指出的是，在本文中使用的“横截面面积”是指垂直于导体24的延伸方向的横截面的面积。

例如，在根据本申请的实施例的轴向磁通电机100中，导体24的第一段包括n个并联的分支，第二段包括一股导体，则第一段的每个分支的横截面面积小于第二段的一股导体的横截面面积。如果导体24的第一段被平均分成n个并联的分支25，则每一分支25例如在第一段与第二段的连接处的横截面面积等于第二段例如在连接处的横截面面积的1/n。第一段的分支25的横截面面积减小，相应地可以使其内部的涡流损耗减小；此外，多个并联的分支25能够分摊远离磁芯23的一部分导体中的电流，有利于实现第一段和第二段中电流密度分布均匀。考虑到在将第一段分成多个分支时采用的加工工艺(例如，切削、蚀刻、激光加工等)，第一段的每一分支25例如在第一段与第二段的连接处的横截面面积可以小于第二段例如在连接处的横截面面积的1/n。

另外，导体24的第一段也可沿横截面不平均地被分成并联的n个分支25，且同样可以实现降低涡流损耗的目的。在这种情况下，n个分支25中的至少一个分支25例如在第一段与第二段的连接处的横截面面积可以小于或等于第二段例如在连接处的横截面面积的1/n。

根据PCB绕组的制造工艺，导体24可以由位于基板21的表面上或内的导电迹线形成。例如，可以在基板21上形成具有一致厚度的导电迹线。在这种情况下，导体24的宽度与横截面面积成比例关系。然后，对靠近磁芯23的第一段导电迹线在宽度上进行平均分割而将其分成并联的n个分支。因此，在本申请的定子20中，导体24的第一段的n个分支中的每一个在任一位置处的宽度可以小于或等于被分割之前的导体24的对应位置处的宽度的1/n。当然，也可以对第一段导电迹线进行不平均地分割。替代性地，也可以直接在基板21上或内平均地或不平均地形成具有并联的n个分支的一段导电迹线作为导体24的第一段。在这种情况下，n个分支25中的至少一个分支例如在第一段与第二段的连接处的宽度可以小于或等于第二段例如在连接处的宽度的1/n。因此，使导体24的第一段的分支25的宽度减小意味着其横截面面积的减小，同样可以降低导体24的第一段内的涡流损耗，即使在导电迹线的厚度不均匀的情况下也是如此。应指出的是，在本文中使用的“宽度”是指导体24的在平行于所述基板21的平面内的垂直于其延伸方向的尺寸。如图2D所示，线圈22的导体24可以在磁芯23的厚度方向上被布置成彼此叠置的多个层，例如，10层，以增加线圈22的匝数。导体24的多个层可以布置在基板21的内部，也可以布置在基板21的表面上。另外，如图2D所示，基板21可以包括彼此叠置的多个子基板，导体24中的每一层可以设置在一个子基板的表面上或内。例如，对于包括多个子基板的情形来说，在制造基板21的过程中，可以在子基板的一个表面或两个表面上设置用于形成导体24的导电迹线，然后将多个子基板叠置而形成基板21。应指出的是，这些子基板可以选择性地在单面、双面上设有导电迹线，或者甚至可以是没有设置导电迹线的空板。另外，如前所述，导电迹线也可以形成在子基板的内部。在包括多个子基板的多层式基板中，磁芯23可以嵌置在一个或多个子基板内。

继续参考图2A，定子20可包括多个线圈22和多个磁芯23，每个线圈22分别与一个磁芯23相对应。例如，磁芯23定位在相应的线圈22内。因此，磁芯23与线圈22以一对一的方式围绕定子20的中心轴线设置，这样可以增加磁通密度。另外，多个线圈22的导体24可以彼此串联和/或并联，以至少形成一相绕组，且基板21可以被配置成多个线圈22和多个磁芯23的共同基板，从而改善定子绕组的容量和结构完整性。

应指出的是，除以上所述的实施例之外，轴向磁通电机100也可以包括两个或更多个转子20和多个定子10。在这种情况下，转子20和定子10可以围绕轴彼此交替地布置。即，沿轴的中心轴线相近的两个转子20之间布置有一个定子10，且相近的两个定子10之间布置有一个转子20。

根据本申请，通过将定子的线圈导体分为两部分，其中离磁芯更近的一部分导体被分成多个并联的分支，可以使靠近磁芯的导体内的涡流损耗大大降低，且可以使远离磁芯的导体保持完整的导体状态，以维持较低的直流损耗和简化制造过程。

以上结合具体实施例对本申请进行了详细描述。然而，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本申请的限制。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本申请的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本申请的范围。

Claims (10)

1.一种定子(20)，包括：

基板(21)；

线圈(22)，其被设置在所述基板(21)上或内；和

磁芯(23)，其被设置在所述基板(21)上或内，其中所述线圈(22)以螺旋的形式围绕所述磁芯(23)；

其特征在于，所述线圈(22)包括导体(24)，所述导体(24)被划分为串联连接的第一段和第二段，所述第一段比所述第二段更靠近所述磁芯(23)，其中所述第一段包括并联的n个分支(25)，其中n为大于或等于2的整数。

2.根据权利要求1所述的定子(20)，其特征在于，所述第二段包括一股导体，所述第一段的每个分支的横截面面积小于所述第二段的一股导体的横截面面积。

3.根据权利要求2所述的定子(20)，其特征在于，所述n个分支(25)中的至少一个分支的横截面面积小于或等于所述第二段的横截面面积的1/n。

4.根据权利要求1所述的定子(20)，其特征在于，所述n个分支(25)中的所述至少一个分支的宽度小于或等于所述第二段的宽度的1/n。

5.根据权利要求1所述的定子(20)，其特征在于，所述第一段包括沿所述基板(21)的径向延伸的第一部分和沿所述基板(21)的周向延伸的第二部分，所述第二段包括沿所述基板(21)的径向延伸的第一部分和沿所述基板(21)的周向延伸的第二部分，所述基板(21)的径向垂直于所述定子(20)的中心轴线；

其中，所述第一段的第一部分比所述第二段的第一部分更靠近所述磁芯(23)，所述第一段的第二部分比所述第二段的第二部分更靠近所述磁芯(23)。

6.根据权利要求1所述的定子(20)，其特征在于，所述n个分支(25)形成围绕所述磁芯(23)的多匝子线圈，所述n个分支(25)在所述多匝子线圈的两端处并联在一起，所述多匝子线圈的两端中的一端和所述第二段的第一端连接；

所述多匝子线圈的两端中的另一端适于作为所述导体(24)的电流输入端和电流输出端中的一个，所述第二段的第二端适于作为所述导体(24)的电流输入端和电流输出端中的另一个。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的定子(20)，其特征在于，包括以下中的至少一种：

所述导体(24)在所述磁芯(23)的厚度方向上被布置成彼此叠置的多个层；

所述基板(21)包括彼此叠置的多个子基板，所述磁芯(23)被嵌置在所述多个子基板内；以及

所述导体(24)的多个层中的每一层被设置在所述基板(21)的多个子基板中的每一个的表面上或内。

8.根据权利要求1至6中的任一项所述的定子(20)，其特征在于，所述定子(20)包括多个线圈(22)和多个磁芯(23)，所述多个线圈(22)和所述多个磁芯(23)以一对一的方式围绕所述定子(20)的中心轴线均匀地分布。

9.根据权利要求8所述的定子(20)，其特征在于，所述多个线圈(22)的导体(24)彼此串联和/或并联以至少形成一相绕组，且所述基板(21)被配置成所述多个线圈(22)和所述磁芯(23)的共同基板。

10.一种轴向磁通电机(100)，其特征在于，所述轴向磁通电机(100)包括：

根据权利要求1至9中的任一项所述的定子(20)；

转子(10)；和

轴，其与所述转子(10)固定连接；

其中，所述定子(20)和所述转子(10)围绕所述轴(60)彼此相对地设置。

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