CN109995153B

CN109995153B - 一种多组合可调型pcb集中绕组的定子结构

Info

Publication number: CN109995153B
Application number: CN201910362391.4A
Authority: CN
Inventors: 王晓远; 庞炜; 李春鹏; 高鹏; 谷雨茜; 卢怀东
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2039-04-30
Also published as: CN109995153A

Abstract

本发明公开了一种多组合可调型PCB集中绕组的定子结构，该结构采用双层绕线方式以及将“槽”的概念引入到无铁心PCB定子绕组中，其中每个“槽”中含有一个线圈的上元件边和相邻线圈的下元件边，且每个“槽”中的上元件边和下元件边在周向位置上完全重合，在轴向位置上被PCB绝缘层相互隔离，分布在不同的PCB布线层中；该定子结构中的每个线圈在圆周方向上都是均匀分布的，且任何两个相邻线圈都处于不同的PCB布线层中；其中每个线圈都有一对正负出线端子，每对正负出线端子可根据PCB盘式永磁电机设计中极槽配合的不同进行多种组合的串并联连接；该定子结构中的线圈个数或者“槽”的数量也可根据极槽配合的不同进行相应的设计调整。

Description

一种多组合可调型PCB集中绕组的定子结构

技术领域

本发明涉及PCB集中绕组的定子结构领域，特别是涉及一种多组合可调型PCB集中绕组的定子结构。

背景技术

对于PCB定子绕组，它是一种在良好的绝缘材料上按预设绕组排布路径铺设铜箔而制成，其结构呈扁平状，与轴向磁通永磁电机(盘式永磁电机)结构配合完美。基于PCB绕组的盘式永磁电机，定子无铁芯，消除了定子铁芯带来的涡流损耗和磁滞损耗，以及定子齿槽带来的转矩脉动，提高了电机功率密度和其输出力矩的平稳性，降低了电机噪声。印制电路板(PCB)技术的应用简化了盘式无铁芯永磁电机电枢生产制造工艺，充分利用了有限的轴向气隙空间，直接将绕组印制在PCB板上，可以减轻了电机重量，使电机轴向空间更加紧凑，绕组设计更加灵活，线圈定位更加准确，减少了反电动势中的谐波分量，提高了电机的稳定性。

由于PCB盘式永磁电机为盘式无铁心电机，该电机的定子无齿槽，其极槽配合的概念很难在PCB盘式永磁电机的设计中直观的体现出来；对于PCB定子绕组，怎样能够将“槽”的概念融入到绕组设计中是PCB定子绕组设计的难点之一；怎样能够在PCB定子绕组中实现多种组合可调的极槽配合是PCB定子绕组设计的难点之二。这两个设计难点限制了PCB盘式无铁心永磁电机的使用范围；因此，如何解决上述设计难点是本领域技术人员需要研究的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种多组合可调型PCB集中绕组的定子结构。该定子结构应用于PCB盘式永磁电机。本发明将槽的概念融入到绕组设计中，其中每个槽中含有一个集中线圈的上元件边和相邻集中线圈的下元件边，类似于双层绕组，且每个槽中的上元件边和下元件边在周向位置上完全重合，在轴向位置上分布于不同的PCB布线层中，解决了PCB定子绕组设计中“槽”的问题；对于多种组合可调的极槽配合设计，每个线圈需要预留出一对正负出线端子，每对正负出线端子可以按照多种组合的串并联连接规律，去实现极槽配合可调的设计效果；对于不同的线圈个数或“槽”数量的设计，其极槽配合的组合也会有所变化。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种多组合可调型PCB集中绕组的定子结构，由至少三个集中线圈和至少四层印刷电路层堆叠构成；每个集中线圈由至少一个正子线圈和、至少一个负子线圈组成和通孔导体柱组成，正子线圈和负子线圈分别位于两个不同的印刷电路层中，且正子线圈与所述集中线圈的正出线端子连接，负子线圈与所述集中线圈的负出线端子连接，最终通过通孔导体柱将正子线圈和负子线圈进行串联连接，以构成一个完整的集中线圈；

所述正子线圈包括正子线圈上元件边和正子线圈下元件边，所述负子线圈包括负子线圈上元件边和负子线圈下元件边，所述正子线圈上元件边和负子线圈上元件边共同组成有集中线圈的上元件边，所述正子线圈下元件边和负子线圈下元件边共同组成有集中线圈的下元件边，所述上元件边或下元件边至少占两层的印刷电路层；

每个集中线圈的上元件边和相邻线圈的下元件边共同组成有槽，每个槽中的上元件边和下元件边在周向位置上完全重合，在轴向位置上交替排列，使定子结构至少由四层的印刷电路层堆叠而成；每个所述集中线圈的正负出线端子与PCB盘式永磁电机的极数相配合，相互之间进行组合的串、并联连接，以实现多种组合可调的极槽配合。

进一步的，每个所述集中线圈的上元件边和下元件边与所在的集中线圈组成的槽的中心线平行，并相对于所在的集中线圈的中心线对称分布，且在周向位置上完全重合。

进一步的，所述的正子线圈和负子线圈匝数、每匝导条的线宽和线厚、每匝导条之间的绝缘间隙、内外端部连接导体和端部引线导体的线宽和线厚、通孔导体柱和正负出线端子通孔导体柱的数量及直径、正负出线端子的位置均可变。

进一步的，每个所述集中线圈的轴向交替排布顺序可调整，在圆周上依次给每个集中线圈进行阿拉伯数字标号，标号为偶数的所有集中线圈均位于同一印刷电路层上，标号为奇数的所有集中线圈亦均位于同一印刷电路层上，且线圈标号为奇数的集中线圈与线圈标号为偶数的集中线圈位于不同的印刷电路层上。

进一步的，所述定子结构至少应用于三相绕组。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：本发明的PCB定子绕组结构，其一，将“槽”的概念融入到了PCB定子绕组的设计中，解决了PCB盘式永磁电机设计中“槽”的问题，有利于PCB盘式永磁电机设计及其理论推导；其二，在PCB定子绕组中实现多种组合可调的极槽配合，实现了一块PCB板可应用于多种极数可调的PCB盘式永磁电机的可能，提高了PCB板的利用率和PCB盘式永磁电机设计的效率，节约了PCB盘式永磁电机设计成本。

附图说明

图1为本发明定子结构的多组合可调型PCB集中绕组的结构示意图；

图2是图1的俯视平面图；

图3是图1中取线圈标号为奇数的线圈得到结构示意图；

图4是图3的俯视平面图；

图5是图1中取线圈标号为偶数的线圈得到结构示意图；

图6是图5的俯视平面图；

图7是取出了图1中四个相邻线圈得到的结构放大示意图；

图8是图7的俯视平面图；

图9是取出了图1中的线圈①的基础结构示意图；

图10是图9的俯视平面图；

图11是图9中线圈①的正子线圈①H的俯视平面图；

图12是图9中线圈①的负子线圈①M的俯视平面图；

具体实施方式

说明书附图所绘示的结构、比例、线圈个数等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或线圈数的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

本发明的多组合可调型PCB集中绕组，由每个在周向均匀分布、在轴向交替排布的线圈构成；每个集中线圈由至少两个子线圈构成(至少一个正子线圈和至少一个负子线圈)；每个集中线圈的每个正、负子线圈都分布不同的PCB层上，且正子线圈与所述集中线圈的正出线端子连接，负子线圈与所述集中线圈的负出线端子连接，最终靠正、负子线圈内部的一个通孔导体柱将两者进行串联起来，构成一个完整的其中线圈；每个正、负子线圈都有一对正、负子元件边，一个是上子元件边，另一个是下子元件边；每对上子元件边和下子元件边位于相邻的两个“槽”中；“槽”是由在周向上处于相同位置的子元件边在轴向上交替排布而构成；“槽”的数量与集中线圈的个数相等。

根据PCB盘式永磁电机设计中的永磁体极数和本发明中定子结构的槽数，可以实现多种组合可调的极槽配合设计；以多组合可调型PCB集中绕组为非限定性示例来对本发明进行具体实施；如图1-图12所示，为本发明详细的PCB集中绕组定子结构，包括在轴向上交替排布的结构相同且沿圆周均匀分布的12个集中线圈构成的定子7；定子7是由四层的PCB印刷电路层堆叠而成，且标注有线圈①、线圈②、线圈③、线圈④、线圈⑤、线圈⑥、线圈⑦、线圈⑧、线圈⑨、线圈⑩、线圈

线圈

共计12个线圈的标号；如图1所示，每个线圈都有一个正出线端子和一个负出线端子，如线圈①的两个出线端子1+(正出线端子)和1-(负出线端子)；线圈②的两个出线端子2+(正出线端子)和2-(负出线端子)；线圈③的两个出线端子3+(正出线端子)和3-(负出线端子)；线圈

的两个出线端子11+(正出线端子)和11-(负出线端子)；线圈

的两个出线端子12+(正出线端子)和12-(负出线端子)。各个线圈的正负出线端子可以根据PCB盘式永磁电机极槽配合的不同，相互之间进行多种组合的串并联连接，比如8极12槽或10极12槽等多种组合的极槽配合连接；图2是图1的俯视平面图，将各个线圈的周向排布位置清楚的展现出来，并且每个线圈的出线端子沿周向也是均匀排布；如图3所示是在图1的基础上，只取出了线圈标号为奇数的线圈得到的三维结构图；图4是在图3基础上的俯视平面图，能够清楚的看见每个线圈的形状；同样，图5展示出了线圈标号为偶数的线圈三维结构图；图6是在图5基础上的俯视平面图。

为了清楚的展示出各线圈之间的轴向交叠图，取出了四个相邻的集中线圈，如图7所示，分别是线圈①、线圈②、线圈③和线圈

图8是在图7基础上的俯视平面图；这四个线圈的轴向交叠排布规律可以反映出本发明中的所有线圈的排布规律，由于一个线圈至少有一个正子线圈和至少有一个负子线圈，如1线圈

的正子线圈

H位于印刷电路L1层，相邻的线圈①的正子线圈①H位于印刷电路L2层，线圈

的负子线圈

M位于印刷电路L3层，相邻的线圈①的负子线圈①M位于印刷电路L4层，而与线圈①相邻的另外一个线圈②，其正子线圈②H位于印刷电路层L1层，负子线圈②M位于印刷电路L3层，与线圈②相邻的另外一个线圈③，其正子线圈③H位于印刷电路层L2层，负子线圈③M位于印刷电路L4层，以此规律排布下去，可以得到本发明的线圈排布特点：在轴向方向的印刷电路L1至L4层，按照线圈①到线圈①线圈

的标号顺序，线圈处于L1L3与L2L4轴向依次交替排布的规律，但是线圈的轴向排布规律不限于这1种，比如L1L2与L3L4轴向依次交替排布规律和L1L4与L2L3轴向依次交替排布规律等都属于本发明的排布规律以内。同时线圈标号为偶数的线圈都位于同一印刷电路层上，所有线圈标号为奇数的线圈也都位于同一印刷电路层上，但是线圈标号为奇数的线圈与线圈标号为偶数的线圈位于不同的印刷电路层上，这意味着本发明的定子结构至少需要四层的印刷电路层，由于每个线圈的正子线圈或负子线圈可以在本发明的四层印刷层的基础上进行增加，所以本发明的定子结构可以做成更多的层数，且属于本发明专利保护的范围内。

为了说明本专利定子结构中最基本的集中线圈结构以及“槽”的概念，将线圈①的结构单独展示出来，如图9所示，线圈①的正子线圈①H通过通孔导体柱16与线圈①的负子线圈①M相串联构成一个完整的集中线圈；图10是在图9基础上的俯视平面图，线圈①的正子线圈的上子元件边A2与负子线圈的上子元件边A4是完全重合的，一起组合成线圈①的“上元件边AA”；线圈①的正子线圈的下子元件边C2与负子线圈的下子元件边C4也是完全重合的，一起组合成了线圈①的“下元件边CC”；其“上元件边AA”或“下元件边CC”的宽度就是一个“槽”的宽度，且“槽S1”与“槽S2”沿线圈①的中心线T0是相互对称的；“槽S1”的槽中心线T1与“槽S2”的槽中心线T2的交点位于圆心O处，中心线T1与中心线T2的夹角为θ；根据定子设计中“槽”数的不同，夹角θ也会发生相应的变化；每个“槽”沿圆周都是均匀分布的，“槽”的宽度与每个线圈的匝数、每匝导条的宽度以及每匝导条之间的绝缘间隙有关；以“槽S1”为例，包括线圈①上元件边的5匝导条(121A、122A、123A、124A和125A)，每匝导条线宽相同、相互平行并沿中心线T1对称分布，根据PCB盘式永磁电机设计中电机性能的不同，槽中的线匝数以及线宽都需做出相应的调整；对于每匝导条之间的绝缘间隙的大小，与PCB的生产工艺技术以及绝缘等级等密切相关，在该定子结构设计中也是一个相对灵活可变的参数；“槽S1”的宽度就是上述线圈①上元件边的5匝导条的线宽以及5匝导条之间的4个绝缘间隙之和；根据PCB盘式永磁电机设计中极槽配合以及性能要求的不同，该定子结构的槽数、线圈数、每个线圈的匝数、每匝导条的宽度以及每匝导条之间的绝缘间隙等都可以修改或改变，所有这些修改和调整都属于本发明所要保护的范围之内。

图11和图12是在图10的基础上将线圈①的正子线圈①H和负子线圈①M拆分开的平面图，线圈绕向在图中已标记出来；从图11中的正子线圈①H的正出线端子1+为起点，按照图11标示线圈的绕向，依次经过端部引线导体120，第一匝导体：槽导体121A、内端部连接导体121B、槽导体121C、外端部连接导体121D，第二匝导体：槽导体122A、内端部连接导体122B、槽导体122C、外端部连接导体122D，第三匝导体：槽导体123A、内端部连接导体123B、槽导体123C、外端部连接导体123D，第四匝导体：槽导体124A、内端部连接导体124B、槽导体124C、外端部连接导体124D，第五匝导体：槽导体125A、内端部连接导体125B、槽导体125C、外端部连接导体125D，到达连接点126；接着通过通孔导体柱16将正子线圈连接点126与负子线圈连接点146串联起来，然后从图12中的负子线圈①M的连接点146为起点，按照图12中标示的方向进行缠绕，依次经过第五匝导体：槽导体145A、内端部连接导体145B、槽导体145C、外端部连接导体145D，第四匝导体：槽导体144A、内端部连接导体144B、槽导体144C、外端部连接导体144D，第三匝导体：槽导体143A、内端部连接导体143B、槽导体143C、外端部连接导体143D，第二匝导体：槽导体142A、内端部连接导体142B、槽导体142C、外端部连接导体142D，第一匝导体：槽导体141A、内端部连接导体141B、槽导体141C，端部引线导体140，最后与负出线端子1-相连接，构成一个完整线圈；

综上，本发明的一种多组合可调型PCB集中绕组的定子结构，能应用于PCB盘式永磁电机中；本发明将“槽”的概念融入到PCB定子绕组设计中，解决了PCB定子绕组中很难确定的“槽”问题，从而也解决了PCB盘式永磁电机设计中极槽配合的难题；同时本发明的PCB定子绕组中的每个线圈都预留有一对正负接线柱，其目的是为了只使用一套PCB定子绕组来实现多种组合可调的极槽配合，对PCB盘式永磁电机的设计起到一定的辅助作用；本发明解决了上述PCB盘式永磁电机设计中的一些难题，具有较高的利用价值和使用意义。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多组合可调型PCB集中绕组的定子结构，应用于PCB盘式永磁电机，其特征在于，由至少三个集中线圈和至少四层印刷电路层堆叠构成；每个集中线圈由至少一个正子线圈、至少一个负子线圈和通孔导体柱组成，正子线圈和负子线圈分别位于两个不同的印刷电路层中，且正子线圈与所述集中线圈的正出线端子连接，负子线圈与所述集中线圈的负出线端子连接，最终通过通孔导体柱将正子线圈和负子线圈进行串联连接，以构成一个完整的集中线圈；

所述正子线圈包括正子线圈上元件边和正子线圈下元件边，所述负子线圈包括负子线圈上元件边和负子线圈下元件边，所述正子线圈上元件边和负子线圈上元件边共同组成集中线圈的上元件边，所述正子线圈下元件边和负子线圈下元件边共同组成集中线圈的下元件边，所述上元件边或下元件边至少占两层的印刷电路层；

每个集中线圈的上元件边和相邻集中线圈的下元件边共同组成槽，每个槽中的上元件边和下元件边在周向位置上完全重合，在轴向位置上交替排列，使定子结构至少由四层的印刷电路层堆叠而成；每个所述集中线圈的正负出线端子与PCB盘式永磁电机的极数相配合，相互之间进行组合的串、并联连接，以实现多种组合可调的极槽配合。

2.根据权利要求1所述一种多组合可调型PCB集中绕组的定子结构，其特征在于，每个所述集中线圈的上元件边和下元件边与所在的集中线圈组成的槽的中心线平行，并相对于所在的集中线圈的中心线对称分布。

3.根据权利要求1所述一种多组合可调型PCB集中绕组的定子结构，其特征在于，在圆周上依次给每个集中线圈进行阿拉伯数字标号，标号为偶数的所有集中线圈均位于同一印刷电路层上，标号为奇数的所有集中线圈亦均位于同一印刷电路层上，且标号为奇数的集中线圈与标号为偶数的集中线圈位于不同的印刷电路层上。

4.根据权利要求1所述一种多组合可调型PCB集中绕组的定子结构，其特征在于，所述定子结构至少应用于三相绕组。