ES2857909T3 - Estátor de placa de circuito impreso - Google Patents

Abstract

Un estátor, que comprende: una estructura compuesta plana, PCS (110), que comprende al menos una capa dieléctrica y un patrón conductor en una superficie de cada una de dichas capas dieléctricas, comprendiendo el patrón conductor; una pluralidad de pistas (111) conductoras, extendiéndose cada una radialmente desde un radio interior medido desde un punto (101) de origen central hasta un radio exterior medido desde el punto (101) de origen central y dispuestas angularmente sobre la superficie dieléctrica; y al menos una primera de las pistas (111) conductoras conectada en su radio exterior a una segunda de las pistas (111) conductoras en su radio exterior por una primera interconexión (153), en donde la primera interconexión (153) está limitada por un borde interior y un borde exterior, y tiene una región (710) de partida, una región (714) de transición y una región final, teniendo la región (710) de partida una primera sección de borde interior en disposición radial que se extiende desde la primera de las pistas (111) conductoras hasta la región (714) de transición, y teniendo la región final una segunda sección de borde interior en disposición radial que se extiende desde la región de transición hasta la segunda de las pistas (111) conductoras; caracterizado porque la primera sección de borde interior en disposición radial y la segunda sección de borde interior en disposición radial están caracterizadas cada una al menos en parte por la Ecuación de Esquina **(Ver fórmula)** para una esquina que inicia en θs y rs, con referencia al punto (101) de origen central, y evaluada para θ > θs, o la versión reflejada equivalente con **(Ver fórmula)** para una esquina evaluada con θ < θs y que termina en θs y rs, con referencia al punto (101) de origen central; y que la primera sección de borde interior en disposición radial y la segunda sección de borde interior en disposición radial tienen cada una un radio de curvatura que cambia gradualmente a lo largo de su borde.

Description

DESCRIPCIÓN

Estátor de placa de circuito impreso

Referencia cruzada con solicitudes relacionadas

La presente divulgación reivindica el beneficio bajo 35 U.S.C. § 119(e) de la Sol. de Pat. Provisional de los Estados Unidos No. 62/236,407, titulada STRUCTURES TO REDUCE LOSSES IN PRINTED CIRCUIT BOARD WINDINGS, a Steven R. Shaw, presentada el 2 de octubre de 2015. Esta divulgación también reivindica el beneficio bajo 35 U.S.C. § 119(e) de la Sol. de Pat. Provisional No. 62/236,422, titulada STRUCTURES FOR THERMAL MANAGEMENT IN PRINTED CIRCUIT BOARD STATORS, a Steven R. Shaw, presentada el 2 de octubre de 2015. Esta divulgación también reivindica el beneficio bajo 35 U.S.C. § 120 de la Solicitud de Patente de los Estados Unidos Número de Serie 15/199.527, titulada STRUCTURES AND METHODS FOR THERMAL MANAGEMENT IN PRINTED CIRCUIT BOARD STATORS, a Steven R. Shaw, presentada el 30 de junio de 2016.

Campo

Realizaciones descritas en este documento están relacionadas generalmente con el campo de reducir pérdidas en dispositivos de placa de circuito impreso. Más específicamente, realizaciones como se divulgan en este documento están relacionadas con el campo de gestión de pérdidas de devanado en estátores hechos en placas de circuito impreso multicapa para motores y/o generadores eléctricos.

Antecedentes

El inventor ha reconocido y apreciado que los motores eléctricos de corriente y otros dispositivos eléctricos que manejan altas corrientes a través de cables eléctricos en una placa de circuito impreso (PCB) enfrentan múltiples problemas que resultan del flujo de corriente eléctrica en la PCB. Tales problemas incluyen la generación de calor no deseado debido a corrientes parásitas o en torbellino, que pueden llevar a falla mecánica e interferencias mecánicas destructivas con el rotor del motor o generador, así como otras ineficiencias en la operación del motor o generador. Como un subproducto del flujo de densidad de corriente aumentado en regiones del circuito eléctrico, los gradientes de alta temperatura en la PCB causados por, inter alia, altos gradientes de corriente eléctrica pueden llevar a daños estructurales en la PCB, tales como deslaminación, o falla localizada o degradación de los cables eléctricos o del material dieléctrico en el sustrato. Más importante, quizás, estas altas densidades de corriente eléctrica actúan para generar campos electromagnéticos indeseables más grandes que pueden crear, por ejemplo, corrientes parásitas y en torbellino en regiones físicamente cercanas de los circuitos eléctricos, que a su vez pueden actuar como un arrastre en el rotor de motor o generador y de esa manera reducir su salida de potencia y eficiencia.

Los dispositivos eléctricos de placa de circuito impreso construidos sin las características ventajosas que se describen de aquí en adelante, emplean una variedad de estrategias para hacer conexiones entre pistas que portan corriente eléctrica reposadas sobre la superficie de PCB, o superficies en el caso de un dispositivo de placa multicapa, de los sustratos dieléctricos que se encuentran en estos dispositivos. Sin embargo, estas estrategias no abordan, ni reconocen de ninguna forma sustancial, las desventajas que resultan de la densidad de corriente mejorada en porciones de las pistas de circuito eléctrico y los resultados adversos de las mismas.

El documento WO 2004/073365 A2 se refiere a un dispositivo de energía giratorio axial que está dispuesto en una configuración de corriente eléctrica multifase. El dispositivo incluye un rotor que tiene una pluralidad de polos de imán permanente asegurados al mismo y además incluye un estátor formado apilando una pluralidad de capas conductoras de trabajo de placa de circuito impreso junto con una pluralidad de capas de conexión de placa de circuito impreso. El estátor tiene al menos una capa conductora de trabajo para cada fase de la corriente eléctrica y al menos una capa conductora de conexión asociada con una capa conductora de trabajo. La capa conductora de trabajo y la capa conductora de conexión tienen cada una conductores radiales que se extienden desde un orificio pasante de diámetro interior hasta un orificio pasante de diámetro exterior. Se proporciona una pluralidad de conductores vía para conectar eléctricamente unos seleccionados de los conectores radiales de la capa conductora de conexión a unos seleccionados de los conectores radiales de las capas conductoras de trabajo a través de los orificios pasantes.

Resumen

Una realización de ejemplo particular de la divulgación se relaciona con motores y generadores de placa de circuito impreso. Los devanados formados a partir de cobre en placas de circuito impreso han sido usados con propósitos de formar antenas, inductores, transformadores, y estátores que pueden ser incorporados en máquinas de DC sin escobillas de imanes permanentes (sincrónicas de imanes permanentes). Para los dispositivos de conversión de energía que usan materiales de imanes permanentes modernos y estátores de PCB, el campo magnético no está fuertemente confinado por materiales magnéticamente susceptibles. De este modo, puede ser significativa la interacción entre campos de retornos adyacentes en un devanado, y/o devanados en capas adyacentes (para una configuración de multicapas). Las estructuras divulgadas de aquí en adelante reducen la resistencia efectiva en los devanados, y por lo tanto reducen las pérdidas asociadas para lograr una densidad de corriente especificada en los dispositivos de conversión de energía giratorios. El efecto de las estructuras divulgadas es una reducción medible en los mecanismos de pérdida como una función de frecuencia creciente, en comparación con los dispositivos disponibles actualmente. Estos efectos son significativos en los rangos de frecuencia importantes para procesos de conversión de energía así como en estrategias de control típicas, por ejemplo, modulación por ancho de pulso. Se divulga la estructura de un estátor de motor o generador eléctrico que incluye una estructura compuesta plana (PCS) que tiene al menos una capa dieléctrica y una pluralidad de capas conductoras. La PCS está caracterizada al menos en parte por un punto de origen central y una periferia. El estátor también puede incluir una pluralidad de primeros elementos, pistas conductoras que se extienden radialmente, que se extienden desde una distancia radial interior rs hasta una distancia radial exterior ri, siendo los radios medidos desde el punto de origen central hacia la periferia de la PCS. Las pistas están generalmente dispuestas angularmente en la PCS. La pluralidad de primeros elementos que se extienden radialmente están conectados cada uno en sus extremos interior y exterior para permitir que sean formados bucles de devanado, y otras estructuras de circuito. Cuando los elementos están conectados en tales bucles, los extremos exteriores de los elementos están conectados usando interconexiones de bucle exterior y los extremos interiores de los elementos están conectados usando interconexiones de bucle interior como se describe con más detalle de aquí en adelante. Adicionalmente, de acuerdo con algunas realizaciones de ejemplo de la divulgación, al menos uno de los primeros elementos conductores radiales está conectado a al menos un otro de los elementos conductores radiales en sus respectivos extremos de radio exterior. También, los primeros elementos conductores están conectados en sus extremos de radio interior a otros elementos conductores radialmente. Puede resultar una pluralidad de bucles cerrados que tienen múltiples devanados y que forman el estátor, por ejemplo, de un motor o generador eléctrico.

También se divulga un motor o generador eléctrico que tiene un estátor que incluye una PCS con al menos una capa dieléctrica y al menos una capa conductora, estando la PCS caracterizada al menos en parte por un punto de origen central y una periferia. El estátor también puede incluir una pluralidad de primeras pistas eléctricamente conductoras que se extienden radialmente desde un radio de partida, r0, desde el punto de origen central hacia la periferia de la PCS y dispuestas angularmente sobre la PCS. Una pluralidad de las pistas conductoras se conecta a través de una interconexión asociada respectiva a al menos una otra pista conductora que se extiende radialmente desde un radio interior r0 desde el punto de origen central radialmente hacia afuera hacia la periferia de la PCS y dispuestas angularmente desde la pista conductora asociada.

En una realización de ejemplo, se proporciona un estátor de acuerdo con la reivindicación 1.

También se divulga un estátor que tiene una estructura compuesta plana (PCS) que tiene al menos una capa dieléctrica y un patrón conductor en una superficie de cada una de dichas capas dieléctricas. Al menos un patrón conductor tiene una pluralidad de primeras pistas conductoras, extendiéndose cada una radialmente desde un radio interior a un radio exterior y dispuestas angularmente sobre una de las superficies dieléctricas. Al menos una de las primeras pistas conductoras conectada en su radio exterior a al menos un otro de los primeros elementos conductores en su radio exterior por una primera interconexión, y en donde al menos la primera interconexión está limitada por bordes interior y exterior, y tiene una región de partida, una región de transición, y una región final, y la región de partida tiene una primera sección de borde interior en disposición radial y una primera sección de borde exterior en disposición radial que se extienden desde la primera pista conductora hasta la región de transición, y una segunda sección de borde interior en disposición radial y una segunda sección de borde exterior en disposición radial que se extienden desde la región de transición hasta la otra pista conductora. Al menos las primeras secciones de borde interior y exterior en disposición radial y las segundas secciones de borde interior y exterior en disposición radial están caracterizadas cada una al menos en parte por la Ecuación de Esquina B-9S

r(6) = rd (rs - rd)e « para una esquina que inicia en 9S y rs y evaluada para 9 > 9S, o la versión reflejada equivalente con r(9) = rd (rs - rd)e'(0s'0)/a para una esquina evaluada con 9 < 9s y que termina en 9s y rs.

También se divulga un estátor que tiene una estructura compuesta plana (PCS) con al menos una capa dieléctrica y un patrón conductor en una superficie de cada una de dichas capas dieléctricas. Al menos un patrón conductor tiene una pluralidad de primeras pistas conductoras, extendiéndose cada una radialmente desde un radio interior a un radio exterior y dispuestas angularmente sobre una de las superficies dieléctricas. Al menos una de las primeras pistas conductoras está conectada en su radio exterior a al menos un otro de los primeros elementos conductores en su radio exterior por una primera interconexión. La primera interconexión está limitada por un borde interior y un borde exterior. La primera interconexión tiene una región de partida, una región de transición, y una región final, y el borde interior de la región de partida tiene una primera sección de borde interior en disposición radial que se extiende desde la primera pista conductora en su radio exterior hasta la región de transición, y una segunda sección de borde interior en disposición radial que se extiende desde la región de transición hasta la otra pista conductora en su radio exterior. Al menos la primera sección de borde interior en disposición radial y la segunda sección de borde interior en disposición radial están caracterizadas cada una por una pendiente dr/d9 que es una función lineal de r(9) desde la pista conductora hasta la región de transición y donde la pendiente es una función lineal diferente de la región de transición a la otra pista conductora.

También se divulga un estátor que tiene una estructura compuesta plana (PCS) que comprende al menos una capa dieléctrica y un patrón conductor en una superficie de cada una de dichas capas dieléctricas. Al menos un patrón conductor tiene una pluralidad de primeras pistas conductoras, extendiéndose cada una radialmente desde un radio interior a un radio exterior y dispuestas angularmente sobre una de las superficies dieléctricas. Al menos una de las primeras pistas conductoras está conectada en su radio exterior a una región de partida de una primera interconexión. La primera interconexión está limitada por bordes interior y exterior, y teniendo la primera interconexión la región de partida, una región de transición, y una región final, y una primera sección de borde interior en disposición radial que se extiende desde el radio exterior de la pista conductora hasta la región de transición, y una segunda sección de borde interior en disposición radial que se extiende desde la región de transición hasta la otra pista conductora en su radio exterior. En cualquier punto entre el borde interior y exterior, la magnitud de densidad de corriente más pequeña bajo excitación de corriente continua no es menor que 50% de la magnitud de densidad de corriente más grande evaluada a lo largo de la línea más corta entre el borde interior y exterior que pasa a través de ese punto.

También se divulga un estátor, que tiene una estructura compuesta plana (PCS) que tiene al menos dos capas dieléctricas y un patrón conductor en una superficie de cada una de dichas capas dieléctricas. Al menos un patrón conductor tiene una pluralidad de primeras pistas conductoras, extendiéndose cada una radialmente desde un radio interior a un radio exterior y dispuestas angularmente sobre unas diferentes de las superficies dieléctricas. Al menos una de las primeras pistas conductoras está conectada en su radio exterior a al menos una otra de las primeras pistas conductoras en una superficie diferente en su radio exterior por una primera interconexión intercapas. La interconexión está sustancialmente limitada por bordes interior y exterior. La primera interconexión intercapas tiene una región de partida en una primera capa, una región de transición, y una región final en una capa diferente, y además tiene una primera sección de borde interior en disposición radial que se extiende desde una primera pista conductora hasta la región de transición, y una segunda sección de borde interior en disposición radial que se extiende desde la región de transición hasta la otra pista conductora en su radio exterior; y en donde al menos la primera sección de borde interior en disposición radial y la segunda sección de borde interior en disposición radial están caracterizadas cada una al menos en parte por una estructura diseñada para reducir los efectos de corrientes parásitas y en torbellino sobre estructuras de superficies conductoras axialmente adyacentes.

También se divulga un estátor que tiene una estructura compuesta plana (PCS) que tiene al menos una capa dieléctrica y un patrón conductor en una superficie de cada una de las capas dieléctricas. Al menos un patrón conductor tiene una pluralidad de primeras pistas conductoras, extendiéndose cada una radialmente desde un radio interior a un radio exterior y dispuestas angularmente sobre una de las superficies dieléctricas. Al menos una de las primeras pistas conductoras está conectada en su radio exterior a al menos un otro de los primeros elementos conductores en su radio exterior por una primera interconexión. La primera interconexión está limitada por bordes interior y exterior. La primera interconexión tiene una región de partida, una región de transición, una región final, y una primera sección de borde interior en disposición radial que se extiende desde la primera pista conductora conectada en su radio exterior hasta la región de transición, y una segunda sección de borde interior en disposición radial que conecta la región de transición al radio exterior de la una otra pista conductora. Al menos la primera sección de borde interior en disposición radial y la segunda sección de borde interior en disposición radial están caracterizadas cada una por una estructura para reducir las corrientes en torbellino en las porciones conductoras exteriores de la interconexión.

También se divulga un estátor que tiene una estructura compuesta plana (PCS) con al menos una capa dieléctrica y un patrón conductor en una superficie de cada una de dichas capas dieléctricas. El al menos un patrón conductor tiene una pluralidad de primeras pistas conductoras, extendiéndose cada una radialmente desde un radio interior a un radio exterior y dispuestas angularmente sobre una de las superficies dieléctricas; con al menos una de las primeras pistas conductoras conectada en su radio exterior a al menos una otra de las primeras pistas conductoras en su radio exterior por una primera interconexión, la primera interconexión limitada por bordes interior y exterior. La primera interconexión tiene una región de partida, una región de transición, y una región final, y primeras secciones de borde interior y exterior en disposición radial que se extienden desde la primera pista conductora hasta su región de transición, y segundas secciones de borde interior y exterior en disposición radial que se extienden desde la región de transición hasta la una otra pista conductora en su radio exterior. Al menos la pendiente respectiva de la primera sección de borde interior en disposición radial y la segunda sección de borde interior en disposición radial están caracterizadas cada una por un valor de pendiente que cambia monótonamente como una función del ángulo de rotación desde la pista conductora a la otra pista conductora.

También se divulga un estátor que tiene una estructura compuesta plana (PCS) con al menos una capa dieléctrica y un patrón conductor en una superficie de cada una de dichas capas dieléctricas. Al menos un patrón conductor tiene una pluralidad de primeras pistas conductoras, extendiéndose cada una radialmente desde un radio interior a un radio exterior y dispuestas angularmente sobre una de las superficies dieléctricas, estando al menos una de las primeras pistas conductoras conectada en su radio exterior a al menos una otra de las primeras pistas conductoras en su radio exterior por una primera interconexión. La primera interconexión está limitada por bordes interior y exterior. La primera interconexión tiene una región de partida, una región de transición, una región final, y una primera sección de borde interior en disposición radial y una primera sección de borde exterior en disposición radial que se extienden desde la primera pista conductora hasta la región de transición, y una segunda sección de borde interior en disposición radial y un segunda sección de borde exterior en disposición radial que se extienden desde la región de transición hasta la una otra pista conductora en el radio exterior de la otra pista conductora. Al menos entre una sección de borde interior y una sección de borde exterior de la interconexión en su región de transición, la interconexión tiene al menos una región alargada similar a rejilla que no reduce sustancialmente la conductividad eléctrica desde un extremo de la interconexión hasta el otro extremo de la interconexión, extendiéndose la región alargada similar a rejilla sustancialmente paralela a la sección de borde interior en la región de transición de la interconexión.

También se divulga un estátor que tiene una estructura compuesta plana (PCS) que tiene al menos una capa dieléctrica y un patrón conductor en una superficie de cada una de dichas capas dieléctricas. Al menos un patrón conductor tiene una pluralidad de primeras pistas conductoras, extendiéndose cada una radialmente desde un radio interior a un radio exterior y dispuestas angularmente sobre una de las superficies dieléctricas. Al menos una de las primeras pistas conductoras está conectada en su radio exterior a al menos una otra de las primeras pistas conductoras en su radio exterior por una primera interconexión. La primera interconexión está limitada al menos por bordes interior y exterior. La primera interconexión tiene una región de partida, una región de transición, y una región final, y una primera sección de borde interior en disposición radial que se extiende desde la primera pista conductora a la región de transición, y una segunda sección de borde interior en disposición radial que se extiende desde la región de transición a la una otra pista conductora en el radio exterior de la otra pista conductora. El borde interior de la interconexión desde la conexión entre la primera pista conductora y la región de partida hasta el comienzo de la región de transición se designa la distancia de "borde interior de CT". Una realización de ejemplo logra al menos 90% del valor máximo de densidad de corriente, según lo determinado por cálculos de FEA/FEM, dentro del primer 20% del borde interior de CT medido a lo largo del borde interior de la interconexión desde la primera pista conductora hacia la región de transición.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 ilustra una vista en planta de un estátor que incluye una PCS que tiene al menos una capa dieléctrica con una de una pluralidad de capas conductoras que se ilustra de acuerdo con algunas realizaciones de la divulgación; La figura 2A es una copia en blanco y negro de una ilustración en color de una solución de FEM para densidad de corriente en una esquina de retorno en extremo con esquinas afiladas;

La figura 2B es una versión en escala de grises de la solución de FEM mostrada en la figura 2A;

La figura 3A es una copia en blanco y negro de una ilustración en color de una solución de FEM para densidad de corriente en una estructura de esquina de retorno en extremo con esquinas de radio en donde el radio corresponde a la mitad de ancho de la pista más pequeña;

La figura 3B es una versión en escala de grises de la solución de FEM mostrada en la figura 3A;

La figura 4A es una copia en blanco y negro de una ilustración en color de una solución de FEM para densidad de corriente de acuerdo con una realización de ejemplo de la divulgación;

La figura 4B es una versión en escala de grises de la solución de FEM mostrada en la figura 4A;

La figura 5 ilustra una vista en planta de un estátor que incluye una PCS de acuerdo con una estructura de la técnica anterior que tiene esquinas afiladas;

La figura 6 ilustra una vista en planta de un estátor que incluye una PCS en donde las esquinas tienen un radio de retorno constante;

La figura 7 ilustra detalles de una conexión de bucle exterior en un estátor, incluyendo cada configuración de conexión una primera región de partida que se conecta a una región de transición que se conecta a su vez a una región de terminación, de acuerdo con algunas realizaciones de la divulgación;

La figura 8 ilustra un apilamiento de estátor de motor muy expandido, en el eje z;

La figura 9 ilustra un bucle de retorno en extremo que tiene una pista de interconexión que se divide longitudinalmente;

La figura 10A es una copia en blanco y negro de una ilustración en color de una solución de FEM que muestra una densidad de corriente resultante sin las regiones estrechas alargadas similares a rendijas ilustradas en la figura 9; La figura 10B es una versión en escala de grises de la solución de FEM mostrada en la figura 10A;

La figura 11A es una copia en blanco y negro de una ilustración en color de una solución de FEM que muestra una densidad de corriente resultante con las regiones estrechas alargadas similares a rendijas ilustradas en la figura 9; La figura 11B es una versión en escala de grises de la solución de FEM mostrada en la figura 11A;

La figura 12 ilustra una vista en sección transversal de una sección de estátor 100 de acuerdo con algunas realizaciones;

La figura 13 ilustra un detalle de estátor 100 que incluye una pluralidad de elementos 111 conductores dispuestos en la PCS;

La figura 14 ilustra un detalle de un área interior del estátor próxima al punto de origen central;

La figura 15 ilustra una vista en perspectiva de configuraciones de conexión de acuerdo con algunas realizaciones de la divulgación; y

La figura 16 es un diagrama de flujo en un método para fabricar un estátor que incluye una capa compuesta plana (PCS) que tiene al menos una capa dieléctrica y una pluralidad de capas conductoras, de acuerdo con algunas realizaciones.

En las figuras, los elementos y etapas denotados por los mismos números de referencia están asociados con elementos y etapas iguales o similares, a menos que se indique otra cosa.

Descripción detallada

Con referencia a la figura 1, en una realización de ejemplo de la divulgación, una vista en planta de un estátor 100 para uso en un motor accionado eléctricamente o un generador giratorio, tiene una estructura compuesta plana (PCS) 110 con al menos una capa dieléctrica y una pluralidad de capas de sustrato que tienen pistas 111 conductoras sobre las mismas. El diámetro del estátor que se muestra en la figura 1 puede ser del orden de cm a decenas de metros. Las pistas 111 conductoras pueden ser parte de una estructura de devanado de acuerdo con una realización de la divulgación que se puede conectar en la corona circular exterior y sección interior de una estructura de PCB. La PCS 110 está caracterizada al menos en parte por un punto 101 de origen central y una periferia 102 exterior. El estátor 100 incluye una pluralidad de primeras pistas 111 conductoras que se extienden radialmente desde un radio 140 (rü) (medido desde el punto 101 de origen central) a un radio 142 (n) (medido desde el punto 101 de origen central) hacia periferia 102 de PCS 110 y dispuestas angularmente sobre la PCS. Una o más de las primeras pistas conductoras están conectadas en su extremo exterior, en radio r-i, típicamente a una u otras más de las primeras pistas conductoras en su radio exterior n. Tal interconexión, designada como un bucle exterior, tiene una región 144 de partida, una región 148 de transición, y una región 150 final.

De una manera complementaria, una pluralidad de las pistas conductoras está conectada en sus extremos interiores, en radio r^ por bucles 151 conductores interiores, teniendo cada bucle conductor interior de manera similar una región de partida, una región de transición, y una región final. De esta manera, la combinación de pistas 111 conductoras, y sus estructuras de conexión, proporcionan una estructura de devanado en las superficies de las capas dieléctricas.

En estructuras más complejas, las pistas 111 conductoras pueden estar conectadas a pistas conductoras en otras capas usando conexiones de capa interior tales como vías u otros enlaces de capa interior. En estas conexiones intercapas, la combinación de las pistas conductoras en cada una de, por ejemplo, dos (o más) capas se combinan para formar una estructura ventajosa de devanados en multicapa como es bien conocido en el campo.

Sin embargo, hay una preocupación de que la corriente que pasa de una pista 111 conductora a la siguiente pista conductora no cree campos electromagnéticos que puedan dañar o reducir la eficiencia del sistema operativo del motor o generador. Tales efectos negativos pueden dar como resultado, por ejemplo, corrientes parásitas o corrientes en torbellino en estructuras eléctricamente conductoras cercanas que pueden actuar como un arrastre en el sistema. Como se explica además a continuación, tal arrastre reduce la eficiencia, y típicamente no se considera en el diseño estructural del motor o generador de la figura 1. Sin embargo la presente divulgación está dirigida a reducir sustancialmente, mediante conformación y diseño adecuados de los bucles 151, 153 de extremo de interconexión, tales campos electromagnéticos indeseables.

De este modo, un estátor 100 puede incluir múltiples capas similares a la ilustrada en la vista en planta de la figura 1. Las múltiples capas pueden estar dispuestas para proporcionar una secuencia de bobinas o devanados que están conectados, usualmente en serie, para formar los polos de un motor o generador. Entonces los polos son segregados típicamente en grupos, con al menos un grupo para cada fase de corriente suministrada al motor (o generada por el generador). Colectivamente, cuando se controla adecuadamente mediante un circuito eléctrico exterior, la disposición de conductores (por ejemplo, pistas 111, y pistas 151 y 153 conductoras de interconexión en PCS 110) crea una densidad de corriente giratoria y un campo magnético asociado. Esta densidad de corriente giratoria (y campo magnético) puede ejercer un torque en una estructura magnética circundante (para un motor) o generar una salida de corriente (para un generador). La parte de la placa de circuito impreso con las estructuras 111 radiales (el "área activa") es la parte del estátor diseñada para participar en esta interacción. Por consiguiente, el área activa de estátor 100 puede incluir pistas 111 conductoras acopladas a través de pistas 151 y 152 conductoras de interconexión para formar la corriente giratoria. Algunas realizaciones incluyen dos conjuntos de imanes de tierras raras fijados a un árbol que pasa a través del punto 101 de origen central de PCS 110, que forma un dispositivo eléctrico sincrónico de campo axial compacto, de alta eficiencia. Además del área activa que incluye una densidad de corriente giratoria que interactúa con un campo magnético no homogéneo, el estátor 100 puede incluir elementos conductores en un área periférica y elementos conductores en un área interior. Elementos conductores y pueden disipar calor generado por el estátor 100, mientras está en operación.

De acuerdo con la estructura de la divulgación, una PCB plana, por ejemplo, para un motor o generador eléctrico giratorio, tiene estructuras de retorno en extremo interior, exterior, y neutra que están conformadas para optimizar el rendimiento de estátor. En un estátor de motor de PCB plano, o estátor compuesto plano (PCS), el diseño de retorno en extremo es de importancia crítica por la simple razón de que los retornos en extremo que sirven a diferentes funciones en el plan de devanado usualmente no pueden coexistir en una única capa, y tampoco pueden aparecer en un gran número de capas como un método para reducir su resistencia total. Otra consideración para los retornos en extremo es que están en estrecha proximidad a otros materiales conductores, por ejemplo, otras estructuras en la misma o adyacentes capas, lo cual puede llevar a corrientes en torbellino y cargas parásitas a altas frecuencias.

La presente divulgación aborda ambos problemas, y se puede comparar con otras estrategias y estructuras de diseño a través de uso de mediciones de elementos finitos (FEM). Debe entenderse que el uso de "retorno en extremo" en la siguiente descripción incluye características similares en retornos en extremo interior y exterior, en enlaces entre grupos de polos, en enlaces de capas cruzadas, conexiones de potencia, y en estructuras de punto de enlace neutro. También es importante reconocer que aunque un uso principal de la tecnología divulgada en este documento es sin rasgaduras y generadores, la aplicación de la tecnología a cualquier placa de circuito impreso, de única capa o en multicapas, puede ser ventajosa para reducir pérdidas en el circuito. También es importante anotar que dentro del campo de motor/generador, el número de retornos en extremo y su función variará dependiendo del número de fases, retornos, y los polos para el motor.

Como se indicó anteriormente, un retorno en extremo interior o exterior tiene varias regiones conectadas. La parte funcional básica de un retorno en extremo es una esquina, una región que conecta corriente eléctrica de un conductor radial de región activa o pista a un radio prescrito después de que es ejecutado el retorno o esquina, cambiando típicamente la dirección de la corriente en las superficies planas desde una corriente sustancialmente dirigida radialmente a una corriente dirigida angularmente. A menudo, el retorno se conecta a una pista radial de ancho estrecho en su punto de conexión inicial, estando el ancho de la pista dirigida radialmente dictado por el espaciado de conductores en la región activa del plano y el espacio disponible para la parte angular del retorno. Con propósitos de ilustración, y debido a que la característica bajo consideración es aproximadamente (localmente) Cartesiana, el recorrido angular en las realizaciones que siguen se indica en el eje x, mientras que el recorrido radial se indica en el eje y. Hay un mapa conformado entre este caso y el caso de coordenadas cilíndricas directamente aplicable a la PCS para máquinas de campo axial.

Para explorar la relación entre estructura o conformación del diseño de retorno en extremo, y su rendimiento, se describen simulaciones de FEM de varias estructuras diseñadas de ejemplo y ejemplos de diseños anteriores con la condición de que cada estructura porte exactamente la misma corriente total. Los gráficos de magnitud de densidad de corriente dentro de una estructura fueron producidos subsecuentemente a partir de la solución de FEM, y se ilustran en las figuras 2-4. Las escalas en estos gráficos están ajustadas de tal manera que puedan ser comparados. Debe apreciarse que en las versiones en blanco y negro de los dibujos en color presentados en este documento (es decir, figuras 2A, 3A, 4A, 10A y 11A), las regiones más oscuras no corresponden necesariamente a regiones de mayor densidad de corriente en las soluciones de FEM y las regiones más claras no corresponden necesariamente a regiones de menor densidad de corriente en esas soluciones. Esto es cierto debido a que las regiones roja y azul cerca de la parte superior e inferior, respectivamente, de las escalas para las versiones en color ambas se copiaron como un color más oscuro en las versiones en blanco y negro. Por consiguiente, es útil considerar las versiones en escala de grises de las soluciones de FEM (es decir, figuras 2B, 3B, 4B, 10B y 11B) en conjunto con las copias en blanco y negro de las versiones en color de esas soluciones para entender mejor las densidades relativas de corriente en las diversas regiones.

Es común que los paquetes CAD de placas de circuito impreso anteriores fusionen líneas de diferentes anchos con esquinas cuadradas, como se ilustra en la figura 5. Los retornos en extremo con esquinas dibujadas de esta forma aparecen, por ejemplo, en la patente de los Estados Unidos 7,109,625. Una consecuencia adversa de esta estructura, como se muestra en el mapa de densidad de corriente producido de FEM en las figuras 2A y 2B, es que la corriente se concentra significativamente en la esquina 250 interior de la sección 251 de borde interior del retorno en extremo. Esto crea una concentración de corriente, y por tanto una pérdida de energía en la esquina de borde interior, y la corriente es esencialmente cero en el borde 252 de esquina exterior. La concentración de corriente en la esquina de borde interior lleva a un campo magnético mucho más fuerte H (amperios por metro, o A/m) en las cercanías inmediatas de la esquina de borde interior. El cobre de esquina exterior no cumple esencialmente ninguna función en la conductividad de la estructura, pero en virtud de proximidad a la alta densidad de corriente en el borde de esquina interior y otras fuentes de corriente en la PCS, puede presentar un parásito indeseable secundario a campos magnéticos variables en tiempo de tales otras fuentes. Adicionalmente, la esquina interior concentra corriente y produce un campo magnético que puede interactuar indeseablemente con otras estructuras en la PCS. Colectivamente estos efectos llevan a pérdidas aumentadas a frecuencias más altas, así como a una resistencia relativamente más alta para la cantidad de cobre usado (debido a que el cobre en el borde exterior de la esquina no porta sustancialmente corriente, como se indicó anteriormente).

La conductividad real de extremo a extremo de la estructura de la figura 5 varía de una manera predecible como una función de la conductividad, espesor, y escala de material. Para propósitos de comparación y para enfatizar la importancia de la conformación de esquina de retorno en extremo independiente de estas otras variables, la conductividad de la estructura en la figura 5 se designa como 1.000.

Es importante anotar, para la conformación/estructura de la figura 5, que mientras que la corriente que ingresa a la región 254 de partida del retorno en extremo es sustancialmente uniforme en toda la extensión en sección transversal de la pista, al hacer el retorno afilado tiende a congregarse hacia adentro.

Otra práctica común en herramientas CAD es proporcionar la opción de fusionar líneas con la aplicación de un radio de retorno constante específico en el retorno. A menudo los radios en la esquina 642 interior en disposición radial y esquina 645 exterior en disposición radial usados para reemplazar la esquina afilada de la figura 5 se eligen con base en los anchos de las líneas que van a ser fusionadas. La geometría de la esquina ilustrada en la figura 6 muestra este tipo de esquina de retorno en extremo. Nótese que en la figura 6, hay 3 bucles 635 de extremo anidados. En este caso, los radios interior y exterior para el borde 640 interior y borde 650 exterior son los mismos que el radio de la abertura usado para el segmento de pista vertical. La operación de la estructura ilustrada en la figura 6 es mejorada en relación con la estructura ilustrada en la figura 5 (como se muestra por la simulación de FEM de las figuras 3A y 3B), aunque la estructura/conformación de la figura 6 todavía muestra la concentración de corriente cerca del borde de esquina interior, y algo de cobre en el borde de esquina exterior todavía no porta una corriente significativa. La conductividad de la estructura ilustrada en la figura 6 en relación con la figura 5 es 1.046. Por lo tanto la estructura de la figura 6 proporciona menos pérdida de resistencia; sin embargo, la densidad de corriente todavía es indeseablemente alta en el borde de esquina interior dando como resultado los mismos efectos indeseables indicados en relación con la estructura de la figura 5, no obstante a niveles ligeramente inferiores.

Una realización de ejemplo descrita en este documento reconoce de este modo la necesidad de obtener una reducción adicional de las altas densidades de corriente de las estructuras anteriores ilustradas en las figuras 2 y 5, y figuras 3 y 6, para determinar una conformación y función de diseño que reduzca significativamente la concentración de densidad de corriente a lo largo de la esquina interior, y específicamente el borde de esquina interior, con la consecuente reducción de los efectos negativos que resultan de la alta concentración de densidad de corriente ilustrada en las figuras 2 y 3.

Con referencia a la figura 7, la estructura de retorno en extremo ilustrada allí está limitada por sus bordes interior y exterior, y corresponde a una solución local de una ecuación diferencial de primer orden en x y y (o r y 0). Este ejemplo y realización preferida, que corresponde a una parametrización de única variable de una transición continua desde el ancho de partida y ubicación 710 de la esquina 712 de retorno en extremo, a través de la esquina, a la porción 714 dirigida x o zeta del retorno en extremo. La transición suave que se describe con más detalle a continuación evita la concentración localizada de corriente en la transición de esquina que se encuentra en los ejemplos de figuras 5 y 6 y no tiende a concentrar la densidad de corriente en el retorno. Por consiguiente se minimizan los campos magnéticos indeseables producidos por estructuras anteriores (figuras 5 y 6). La parametrización del retorno proporciona una variable independiente que puede ser usada con propósitos de optimización en diferentes diseños. Como se ilustra en la figura 4, este diseño de retorno en extremo evita la concentración de densidad de corriente y campo magnético y tiene una conductividad relativa de 1.197, casi 20% más alta que la estructura de retorno en extremo ilustrada en la figura 5. Adicionalmente, en una realización de ejemplo particular de la divulgación, los bordes interior y exterior pueden estar conformados de acuerdo con la 9-6s

denominada "ecuación de Esquina": _ rí (rs ~~ rd)e “ para una esquina que inicia en 0S y rs y evaluada para 0 > 0^s , o la versión reflejada equivalente con r(0) = r^d + (r^s - r^d)e^{' (0s' 0)/a} para una esquina evaluada con 0 < 0^s y que termina en 0^s y r^s . Esta ecuación proporciona un cambio gradual del radio de curvatura a lo largo de los bordes y es controlable por un único parámetro, a, seleccionado dependiendo de los puntos inicial y final del borde. En una realización preferida, la pendiente es una variable que cambia continuamente que tiene una segunda derivada cero. Esto es equivalente a decir que el borde en disposición radial es caracterizado por una pendiente, que es una función lineal de r desde el punto de partida (la intersección entre la región de partida y la pista conductora) a la región de transición y que la pendiente es una función lineal diferente desde la región de transición hasta el extremo de la región final.

La evitación de una concentración de densidad de corriente en el bucle (interior o exterior) se puede ver midiendo la densidad de corriente a lo largo del borde interior de un bucle en la región de partida. Típicamente, la medición de densidad de corriente será más alta al comienzo de la región de partida donde se conecta a una pista radial conductora, y más baja en el borde interior en la intersección de las regiones de partida y de transición. Si la sección de borde interior de la interconexión desde la conexión entre la primera pista conductora y la región de partida hasta el comienzo de la región de transición se designa la distancia de "borde interior de CT", entonces en una realización de ejemplo, la densidad de corriente alcanza al menos 90% del valor de densidad de corriente máxima, según lo determinado por cálculos de FEA/FEM, dentro del primer 20% del borde interior de CT medido a lo largo del borde interior de la interconexión desde la primera pista conductora hacia la región de transición. Esto difiere sustancialmente de las estructuras de las figuras 5 y 6 en donde el pico se produce mucho más lejos del conductor radial en una ubicación que probablemente afecte más negativamente a las corrientes parásitas y en torbellino en los conductores cercanos.

Como se indicó anteriormente, la distancia de un conductor a una fuente de radiación electromagnética puede afectar significativamente la fuerza del campo electromagnético que impacta en el conductor y sus consecuencias adversas. Este efecto de "proximidad" es la tendencia de una corriente en un conductor adyacente a influir en la distribución de corriente en un conductor primario, y viceversa. Este efecto da como resultado un cambio de distribución de corriente en el conductor primario así como pérdidas en ambos conductores, y es evidente como un aumento en la resistencia eléctrica del conductor primario a medida que aumenta la frecuencia de corriente. Un concepto estrechamente alineado es: la tendencia de un material conductor que no es parte del circuito en DC a convertirse en un parásito "secundario" debido a una densidad de corriente inducida por una corriente variable en tiempo en el conductor primario. Este efecto aumenta cuando (i) asciende la frecuencia, (ii) aumenta la fuerza del campo magnético, y (iii) a medida que disminuye la proximidad del material conductor parásito al primario. Estas consideraciones mitigan tanto a favor de reducir la concentración del campo electromagnético, por ejemplo, usando la estructura de conformación de esquina de ejemplo ilustrada en la figura 7, como reducir la proximidad del conductor donde sea posible a los conductores adyacentes. En una realización de ejemplo preferida de la divulgación, la "ecuación de esquina" especificada de aquí en adelante ayuda a mejorar ambos de estos efectos.

Para cualquiera de las ecuaciones anteriores, el parámetro a determina la tasa a la cual el retorno en extremo se acercará a su porción de radio esencialmente constante, dirigida angularmente, de la estructura de estátor (la región de transición). Una consideración importante es que la esquina necesita evitar interferencia con estructuras cercanas. Si las estructuras cercanas son esquinas anidadas, tales como las descritas por la ecuación de esquina e ilustradas en 153 en la figura 1, el borde exterior de un retorno en extremo interior debe ser menor que el radio "constante" del borde interior del retorno en extremo exterior adyacente. Adicionalmente, grandes valores de a, pueden producir interferencia o violaciones de espacio mínimo con estructuras adyacentes en la placa de circuito impreso, tales como estructuras de terminación que no se rigen por la Ecuación de Esquina. Con estas consideraciones en mente, la determinación de un valor adecuado de a puede inferirse del desplazamiento angular (designado como 8) de dos pistas 111 radiales adyacentes tales como las que se muestran en la figura 1. En un estátor típico, que tiene por ejemplo, 120 pistas radiales, la separación angular 8 puede ser, por ejemplo, del orden de 3° (o 2n/120 radianes) o menos. Adicionalmente, mientras que un espacio mínimo de fabricación influirá en un cálculo preciso del a más grande posible para un diseño dado, es indeseable usar un a que sea demasiado grande dado que el ancho de la estructura completa de retorno en extremo puede ser reducido, con el efecto de aumentar la resistencia de DC de la estructura. Por otro lado, establecer a en valores que son demasiado pequeños, por ejemplo menores que 0.18, produce efectivamente una conformación de esquina cuadrada y reduce las ventajas identificadas en este documento. Por consiguiente, un "rango" potencial para a donde la separación angular entre pistas radiales adyacentes es, por ejemplo, entre aproximadamente 0.28 y 0.068 radianes.

Además de la ecuación de Esquina descrita anteriormente, hay otras descripciones de formación y conformación de la esquina de un bucle de extremo o pista que también mejoran los efectos que se ven cuando la esquina es "afilada". De este modo, por ejemplo, como se describió anteriormente, y en el contexto de un bucle de extremo como se describió anteriormente en relación con, por ejemplo, y bucle 714 ilustrado en la figura 7, la primera sección de borde interior en disposición radial y la segunda sección de borde interior en disposición radial del bucle de extremo en las regiones de partida y final del bucle pueden ser caracterizadas cada una por una pendiente dr/d0 que es una función lineal de r(0) desde una primera pista conductora a la región de transición y donde la pendiente es una función lineal diferente de la de región de transición a la pista conductora que va a ser conectada.

En otra descripción de la formación y configuración de la esquina de en el bucle de extremo, se puede seleccionar cualquier punto entre el borde interior y exterior del bucle, y conformar el bucle, de tal manera que la magnitud de densidad de corriente más pequeña bajo excitación de corriente continua en ese punto es no menor que 50% de la mayor magnitud de densidad de corriente evaluada a lo largo de la línea más corta entre el borde interior y exterior del bucle y que pasa a través de ese punto. Por consiguiente este enfoque también reduce los efectos adversos de densidad de corriente agregada.

En aún otra descripción para formar y conformar la esquina de un bucle de extremo, la pendiente respectiva de la primera sección de borde interior en disposición radial y la segunda sección de borde interior en disposición radial del bucle están caracterizadas cada una por un valor de pendiente que cambia monótonamente como una función del ángulo de rotación desde la pista conductora hasta la pista conductora que va a ser conectada. Esto también reduce corrientes inducidas al reducir la densidad de corriente agregada en la esquina. En aún otro enfoque para reducir la densidad de corriente agregada, una realización de ejemplo logra al menos 90% del valor máximo de densidad de corriente, según lo determinado por cálculos de FEA/FEM, dentro del primer 20% del borde interior de CT (como se definió anteriormente) medido a lo largo del borde interior de una interconexión desde la primera pista conductora hacia la región de transición.

En diseños prácticos de estátor, las estructuras fuera del plano también pueden formar elementos secundarios parásitos. La figura 8 muestra una representación muy expandida (en el eje z) de un apilamiento de estátor de motor. En la construcción real, el espaciado entre cobre sería aproximadamente el mismo que el espesor de cobre. Esto ilustra la considerable complejidad de la noción de "proximidad", que puede variar con base en los parámetros de diseño de estátor tal como conteo de polos, número de retornos, etc. Por consiguiente, como se muestra en la figura, las superficies conductoras pueden ser escalonadas en grupos (grupos de tres como se muestra en la figura 8 son solo una configuración de ejemplo), en estructura, y en función con el fin de mantener las eficiencias necesarias del dispositivo total. De este modo, por ejemplo, todos los bucles exteriores no se alinearán en toda la altura de las capas apiladas del estátor de motor/generador, y se obtendrán ventajas en campos electromagnéticos reducidos generados en un área distinta a la activa de una placa.

Con referencia a la figura 9, un bucle 700 de retorno en extremo tiene una pista de interconexión que se divide longitudinalmente en dos o más trayectorias 704 paralelas en la mayor parte de su longitud. Las divisiones longitudinales tienen poco efecto sobre la conductividad de extremo a extremo, pero cambian la forma en que el flujo variable en tiempo es vinculado por la estructura. La densidad de corriente resultante inducida en los segmentos de retorno en extremo separados por las rendijas 706 (causada por regiones alargadas estrechas de conductividad eléctrica sustancialmente nula o cero) se ilustra en las figuras 10 y 11 mediante una simulación, usando las mismas condiciones, de tal manera que los efectos puedan ser comparados a través de diferentes realizaciones, tanto en conformación como en magnitud. Adicionalmente, el efecto de las rendijas es evitar un aumento sustancial en la densidad de corriente que a menudo se ve cuando no se usan rendijas o menos rendijas.

El resultado de FEM que se muestra en la figura 10 muestra un efecto sustancial de corriente inducida causada por un campo exterior variable en tiempo en el origen 1004 de pista 1002 alargada. Las corrientes inducidas son particularmente grandes en el origen, y las regiones 1006 y 1008 de superficie alineadas verticalmente con el origen. Nótese que la rendija 706 longitudinal en la figura 11, dada un espacio radial particular para el retorno en extremo, necesariamente reduce el área en sección transversal y por lo tanto aumenta la resistencia de DC del segmento de retorno en extremo. Adicionalmente, el ancho de la rendija es dependiente del grosor de cobre, lo cual determina el tamaño mínimo de característica lograble usando el proceso de fotorresistencia/grabado mediante el cual se hacen las placas de circuito impreso. De este modo, el número de rendijas en cualquier diseño dado es dependiente de la fuga de flujo, otras fuentes de dB/dt, espacio radial para retornos en extremo, y la velocidad de operación del diseño de motor o generador. Sin embargo, de manera ventajosa, como se ilustra en la figura 11, la existencia de estas nuevas rendijas puede reducir sustancialmente distribuciones de corriente inducida en el retorno en extremo, enlace, neutro, conexión de potencia, y características similares en un diseño de estátor, tanto en el origen como en las regiones de superficie alineadas. También es reducida la extensión física del efecto de la corriente inducida.

Una consideración de diseño en el estátor 100 involucra una compensación entre las pérdidas por conducción y por corrientes en torbellino en el área activa de estátor. Para reducir las pérdidas por conducción, los conductores deben ser más anchos (o conectados en paralelo en capas subsecuentes). Para reducir las pérdidas por corrientes en torbellino, las áreas efectivas que capturan el flujo variable en tiempo deben ser más pequeñas, de este modo los conductores deben ser más estrechos.

Una tercera fuente de calor involucra corrientes en torbellino debido al campo magnético de los conductores que portan corriente. Es importante considerar este efecto en las regiones interior y exterior de la PCB, donde diferentes capas pueden realizar diferentes funciones.

La figura 12 ilustra una vista en sección transversal parcial de estátor 100, de acuerdo con algunas realizaciones. Sin limitación y con propósitos de ilustración, se muestra un eje "z" en la dirección del apilamiento de las diferentes capas en el estátor 100, y se muestra un eje perpendicular 'r' a lo largo de su sección transversal. Como se ve, el estátor 100 puede incluir un sustrato 162 dieléctrico en sándwich entre capas 161a y 161b conductoras. Las vías 125 proporcionan conductividad eléctrica entre las capas 161a y 161b conductoras. Además, una vía (o vías) 125, que es eléctricamente conductora, también puede proporcionar conductividad térmica entre capas 161a y 161b debido al material conductor que es usado típicamente en estos elementos (por ejemplo, cobre, aluminio, estaño, tungsteno, y compuestos derivados). El sustrato 162 dieléctrico puede incluir cualquier material usado en PCBs, tal como un material compuesto que incluye fibra de vidrio tejida con un aglomerante de resina epoxi (por ejemplo, FR-4 y similares). Como se ilustra en la figura 12, las regiones no sombreadas, es decir, las regiones claras, son eléctricamente conductoras y las vías 125 se extienden a través del sustrato proporcionando contacto eléctrico desde las pistas en una superficie hasta las pistas en la superficie opuesta del sustrato.

Por consiguiente, en algunas realizaciones, el estátor 100 incluye al menos uno de los elementos 111 conductores, ubicado en diferentes capas 161a y 161b conductoras. Por ejemplo, el elemento 111a conductor puede ser uno de la pluralidad de elementos 111 conductores en el área activa de estátor 100 y dispuesto sobre capa 161a conductora. De manera correspondiente, el elemento 111b conductor puede ser uno de la pluralidad de elementos 111 conductores en el área activa de estátor 100 y dispuesto sobre una capa 161b conductora diferente.

La figura 13 ilustra un detalle de estátor 100 que incluye una pluralidad de elementos 111 conductores, dispuestos radialmente en PCS 110, de acuerdo con algunas realizaciones. Los elementos 152 conductores, los bucles interiores, están dispuestos angularmente en PCS 110 y en esta realización de ejemplo, los bucles exteriores están divididos a lo largo de las rendijas 157. Los bucles interiores ilustrados aquí no están divididos debido al espacio limitado disponible más cerca del centro del estátor. En algunas realizaciones, el estátor 100 incluye además una pluralidad de terceros elementos conductores que se extienden radialmente desde un radio mayor que n desde el punto 101 de origen central hacia periferia 102 y dispuestos angularmente en PCS 110, en donde al menos uno de los terceros elementos conductores y al menos uno de los segundos elementos conductores son coincidentes pero ubicados en diferentes capas conductoras. Por ejemplo, y sin pérdida de generalidad, los terceros elementos conductores pueden estar incluidos en la capa 161a conductora, y los segundos elementos 121b conductores pueden estar incluidos en la capa 161b conductora.

En la realización ilustrada de la figura 13, las pistas 111 conductoras radiales pueden terminar en un conector 191 de terminación a una distancia 142 (r-i) del punto 101 de origen central. Estos conectores se describen con más detalle en la solicitud de los Estados Unidos copendiente número de serie 15/199,527 identificados e incorporados por referencia anteriormente.

La figura 14 ilustra un detalle de un área interior próxima al punto 101 de origen central de estátor 100, que incluye una pluralidad de elementos 111 conductores dispuestos radialmente y elementos 151 conductores dispuestos angularmente en PCS 110, de acuerdo con algunas realizaciones. Debido a las limitaciones espaciales cerca del punto 101 de origen central, en algunas realizaciones solo ciertos elementos 151 conductores están acoplados eléctricamente a los elementos 111 conductores correspondientes. Esta disposición evita hacer contacto eléctrico indeseable entre elementos conductores adyacentes tales como los usados para mejorar la disipación de energía térmica, cerca del punto 101 de origen central. Además, para abordar el problema de conductividad térmica y eléctrica en el espacio altamente restringido del área interior de la PCS 110, los elementos conductores tales como bucles 151 de extremo pueden alternarse o ser escalonados, con un bucle de extremo que está en uno capa de una PCS 110 en multicapa y estando el otro bucle de extremo en una capa adyacente de PCS 110. Al escalonar los bucles de extremo, en diferentes capas conductoras, pueden extenderse hacia adentro mientras que se mantiene un espacio deseado entre elementos conductores adyacentes en la misma capa conductora. Pueden preverse otras configuraciones escalonadas consistentes con esta característica, por ejemplo conectando cada tercer o cuarto elemento conductor a través de una vía. Las vías pueden extenderse no solo entre capas conductoras en la superficie de un único sustrato, sino también a través de múltiples capas.

Algunas realizaciones incluyen una o más vías entre capas cerca de las porciones exteriores de la estructura 115 de terminación para proporcionar conexión eléctrica entre capas. Estas vías son empleadas típicamente en conexiones de interenlaces, y en particular en conexión con los bucles exterior e interior, para proporcionar las estructuras de devanado requeridas por el dispositivo. Estas conexiones pueden emplear múltiples vías, o solo una vía, extendiéndose a través de múltiples capas para habilitar las conexiones necesarias para el circuito requerido. De este modo, la región de partida de un bucle interior o exterior puede estar en una primera capa, la región final en una segunda capa, y la región de transición puede incluir entonces las conexiones de interenlaces (por ejemplo, un cable de pista que se conecta a la región de partida, una vía u otro conector de intercapas, y una segunda pista de conexión que se conecta a la región final). En esta configuración, como en las configuraciones mostradas por ejemplo en la figura 7, las pistas de la región de partida y la región final querrán cumplir los términos de, por ejemplo, una ecuación de Esquina.

La figura 15 muestra una vista en perspectiva de la configuración 615a de conexión, de acuerdo con algunas realizaciones. La configuración 615a de conexión incluye elementos 111a,b y 121a,b conductores en dos capas conductoras diferentes (por ejemplo, capa 161a y 161b conductora), formando un acoplamiento eléctrico en la estructura 115 de terminación. Más específicamente, la configuración 615a de conexión proporciona acoplamiento eléctrico entre elementos 111a,b conductores y elementos 121a,b conductores.

La figura 16 ilustra un diagrama de flujo para un método 800 para fabricar un estátor que incluye una capa compuesta plana (PCS) que tiene al menos una capa dieléctrica y una pluralidad de capas conductoras, de acuerdo con algunas realizaciones (por ejemplo, estátor 100, PCS 110, sustrato 162 dieléctrico, capas 161a, b conductoras). Los métodos consistentes con la presente divulgación pueden incluir al menos algunas, pero no necesariamente todas, las etapas ilustradas en el método 800, y en algunas realizaciones pueden realizarse en una secuencia diferente. Adicionalmente, los métodos consistentes con la presente divulgación pueden incluir al menos dos o más etapas como en el método 800 realizado superponiendo en tiempo, o casi simultáneamente.

La etapa 802 incluye formar una primera capa conductora en la superficie de la PCS disponiendo radialmente de acuerdo con la divulgación en este documento, primeros elementos conductores sobre un sustrato dieléctrico cada uno iniciando desde una primera distancia desde un punto de origen central de la PCS y extendiéndose radialmente hasta un radio exterior fijo. La etapa 804 incluye formar una segunda capa conductora en un lado del sustrato opuesto a la primera capa conductora, disponiendo un segundo elemento conductor que se extiende radialmente desde una distancia prefijada desde el punto de origen central de la PCS.

La etapa 806 incluye formar una pluralidad de bucles de extremo exteriores de acuerdo con realizaciones de la divulgación en ambas superficies del sustrato, y acoplar, de acuerdo con la divulgación en este documento, los primeros elementos conductores entre sí y con los segundos elementos conductores a través de una conexión de interenlaces usando los bucles exteriores. La etapa 808 incluye formar una pluralidad de bucles de extremo interiores de acuerdo con realizaciones de la divulgación en ambas superficies del sustrato, y acoplar, de acuerdo con la divulgación en este documento, los primeros elementos conductores entre sí y a los segundos elementos conductores a través de una conexión de interenlaces usando los bucles interiores. En la etapa 810, pueden ser empleadas vías u otros entre conexiones de superficie.

En algunas realizaciones, el acoplamiento del primer elemento conductor con los segundos elementos conductores puede incluir un acoplamiento térmico. Adicionalmente, el acoplamiento puede incluir una configuración de conexión que tiene estructuras de interenlaces que incluyen vías que pasan a través del sustrato dieléctrico desde una capa conductora a otra capa conductora, no adyacente (por ejemplo, usando vías 125).

Un experto en la técnica se dará cuenta de que la divulgación puede realizarse en otras formas específicas sin apartarse del espíritu o características esenciales de la misma. Por lo tanto las realizaciones anteriores deben considerarse en todos los aspectos ilustrativos más que limitantes de la divulgación descrita en este documento. De este modo el alcance de la divulgación está indicado por las reivindicaciones anexas, más que por la descripción anterior.

Pueden ser usados diversos aspectos de la presente invención solos, en combinación, o en una variedad de disposiciones no discutidas específicamente en las realizaciones descritas en lo anterior y por lo tanto no se limita en esta aplicación a los detalles y disposición de componentes establecidos en la descripción anterior o ilustrados en los dibujos. Por ejemplo, aspectos descritos en una realización pueden ser combinados de cualquier manera con los aspectos descritos en otras realizaciones.

El uso de términos ordinales tales como "primero", "segundo", "tercero", etc. en las reivindicaciones para modificar un elemento de reivindicación no connota por sí mismo ninguna prioridad, precedencia u orden de un elemento de reivindicación sobre otro o el orden temporal en el cual se realizan actos de un método, pero son usados simplemente como etiquetas para distinguir un elemento reivindicado que tiene un cierto nombre de otro elemento que tiene un mismo nombre (pero para uso del término ordinal) para distinguir los elementos de reivindicación. También, la fraseología y terminología usadas en este documento son usadas con propósitos de descripción y no deben considerarse como limitantes. El uso de "que incluye", "que comprende", o "que tiene", "que contiene", "que involucra", y variaciones de los mismos en este documento, pretende abarcar los ítems enumerados después de esto y equivalentes de los mismos así como ítems adicionales.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Un estátor, que comprende:

una estructura compuesta plana, PCS (110), que comprende al menos una capa dieléctrica y un patrón conductor en una superficie de cada una de dichas capas dieléctricas, comprendiendo el patrón conductor;

una pluralidad de pistas (111) conductoras, extendiéndose cada una radialmente desde un radio interior medido desde un punto (101) de origen central hasta un radio exterior medido desde el punto (101) de origen central y dispuestas angularmente sobre la superficie dieléctrica; y

al menos una primera de las pistas (111) conductoras conectada en su radio exterior a una segunda de las pistas (111) conductoras en su radio exterior por una primera interconexión (153),

en donde la primera interconexión (153) está limitada por un borde interior y un borde exterior, y tiene una región (710) de partida, una región (714) de transición y una región final, teniendo la región (710) de partida una primera sección de borde interior en disposición radial que se extiende desde la primera de las pistas (111) conductoras hasta la región (714) de transición, y teniendo la región final una segunda sección de borde interior en disposición radial que se extiende desde la región de transición hasta la segunda de las pistas (111) conductoras; caracterizado porque

la primera sección de borde interior en disposición radial y la segunda sección de borde interior en disposición radial están caracterizadas cada una al menos en parte por la Ecuación de Esquina

para una esquina que inicia en 0s y rs, con referencia al punto (101) de origen central, y evaluada para 0 > 0s, o la versión reflejada equivalente con

para una esquina evaluada con 0 < 0s y que termina en 0s y rs, con referencia al punto (101) de origen central; y que la primera sección de borde interior en disposición radial y la segunda sección de borde interior en disposición radial tienen cada una un radio de curvatura que cambia gradualmente a lo largo de su borde.

2. El estátor de una cualquiera de la reivindicación 1, en donde:

la región (710) de partida tiene una primera sección de borde exterior en disposición radial que se extiende desde la primera de las pistas (111) conductoras hasta la región (714) de transición, y una segunda sección de borde exterior en disposición radial que se extiende desde la región (714) de transición hasta la segunda de las pistas (111) conductoras;

la primera sección de borde exterior en disposición radial y la segunda sección de borde exterior en disposición radial están caracterizadas cada una al menos en parte por la Ecuación de Esquina

para una esquina que inicia en 0^s y rs, con referencia al punto (101) central y evaluada para 0 > 0^s , o la versión reflejada equivalente con

para una esquina evaluada con 0 < 0s y que termina en 0s y rs, con referencia al punto (101) central;

la primera sección de borde exterior en disposición radial tiene un radio de curvatura que cambia gradualmente a lo largo de su borde; y

la segunda sección de borde exterior en disposición radial tiene un radio de curvatura que cambia gradualmente a lo largo de su borde.

3. El estátor de la reivindicación 1 o reivindicación 2, en donde el estátor es un estátor multicapa, y que incluye además una estructura de conexión para interconectar la región de partida de una pista (111) conductora a la región final de otra pista (111) conductora en una capa diferente.

4. El estátor de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el estátor está incluido en un motor o generador de flujo axial que incluye un rotor asociado operativamente con el estátor.

5. El estátor de cualquiera de una de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la separación angular entre dos pistas (111) conductoras adyacentes es 8 radianes, y

a oscila entre 0.068 y 0.28 radianes.

6. El estátor de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde al menos la primera sección de borde interior en disposición radial y la segunda sección de borde interior en disposición radial están caracterizadas cada una por una pendiente dr/d0 que es una función lineal de r(0) de la primera de las pistas (111) conductoras a la región (714) de transición y donde la pendiente dr/d0 es una función lineal diferente de la región (714) de transición a la segunda de las pistas (111) conductoras.

7. El estátor de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde una pendiente de la primera sección de borde interior en disposición radial está caracterizada por un valor de pendiente que cambia continuamente como una función de un ángulo de rotación desde la primera de las pistas (111) conductoras a la segunda de las pistas (111) conductoras.

8. El estátor de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde una pendiente de la primera sección de borde interior en disposición radial está caracterizada por un valor de pendiente que cambia monótonamente como una función de un ángulo de rotación desde la primera de las pistas (111) conductoras a la segunda de las pistas (111) conductoras.

9. El estátor de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde al menos entre el borde interior y el borde exterior de la primera interconexión (153) en su región (714) de transición, la primera interconexión tiene al menos una región alargada similar a rendija que no reduce sustancialmente la conductividad eléctrica desde un extremo de la primera interconexión (153) hasta el otro extremo de la primera interconexión (153), y que se extiende sustancialmente paralela al borde interior en la región (714) de transición de la primera interconexión (153).