用于旋转电机的绕组以及用于设计这种绕组的方法
【专利说明】用于旋转电机的绕组以及用于设计这种绕组的方法 发明领域
[0001] 本发明涉及一种用于旋转电机的绕组，该电机包括电感器、铁芯以及位于其间的 气隙，该绕组包括柔性PCB，该柔性PCB具有在基板的第一表面上的多个导体以及在该基板 的第二表面上的多个导体，所述多个导体是印刷在所述PCB上的多条迹线，该第一表面的 导体通过过孔连接到该第二表面的导体上以便形成线匝，从而使得当沿着长度卷起一次或 多次时，该柔性PCB被适配用于在轴向方向上插入所述气隙中。本发明还涉及一种用于设 计这种绕组的方法。 现有技术说明
[0002] 由铜线制成的传统绕组是已知的并且用于生产电动机，诸如无刷直流电动机 (BLDC电动机）。印刷在柔性电路板（Flex-PCB)上的绕组也已经用于生产此类电动机，从而 提供改进这些BLDC电动机性能的机会，因为相比于由铜线制成的绕组，它们更容易生产， 并且较便宜并在形状和设计上给出更多灵活性。
[0003] 文档FR76288披露了一种平面直流电动机，其中磁体的有用磁场是轴向的，该平 面直流电动机的绕组被印刷在刚性平面PCB上，该刚性平面PCB具有通过多个过孔连接的 在该PCB的第一表面上的多个导体以及在该PCB的第二表面上的多个电路。此文档披露了 具有多个弯曲形状的导体的绕组的使用。在平面电动机中使用具有弯曲形状的绕组来改进 电机的性能是众所周知的。然而，尽管弯曲形状绕组在平面电动机中已众所周知的事实，但 是这些绕组并不被认为改进了其中磁体的有用磁场是径向的无刷直流电动机（BLDC电动 机）的性能。 文档US20090072651和FR2262880两者均披露了用于旋转电机的无槽绕组及其制造方 法。这些文档披露了对柔性PCB的使用，该柔性PCB具有通过多个过孔连接的在该PCB的 第一表面上的多个导体以及在该PCB的第二表面上的多个导体。然而，这些文档没有解决 优化性能的问题，受限于其在每个PCB表面上的多个导体是由两个或三个直线区段制成的 绕组，并且未描述如何实现在第一表面和第二表面上的多个导体之间的连接。
[0004] 从"B.笛赫兹（B.Dehez)、M.马尔科维奇（M.Markovic)、Y.佩里亚德 (Y.Perriard)的"BLDC电动机中的经典无槽绕组和柔性PCB无槽绕组的分析和比较 (Analysisandcomparisonofclassicalandflex-PCBslotlesswindingsinBLDC motors)"，电机与系统（ICEMS)，第l-6、21-24页，2012年第15次国际会议，2012年10月" 可知一种用于BLDC电机的柔性PCB无槽绕组。此文档（下文作为参考1而被引用）描述 了一种BLDC电动机的一般结构。给出了表征绕组的两个参数（即转矩常数和电阻）的解 析式。在经典的铜线绕组与具有简单形状的柔性PCB绕组（在该PCB的一侧上的导体从该 PCB的底部到该PCB的顶部具有三个区段，从而形成如图2和图3上分别所示出的斜交绕组 或菱形绕组）之间进行比较，表明柔性PCB绕组在功率密度方面相较于经典的铜线绕组具 有30%的潜在改进。然而，还没有在找到一种具有最优性能的设计方面做出尝试。没有给 出关于如何对该第一表面上的这些导体与该第二表面上的导体一起进行安排以便形成线 圈或线匝串联的细节。
【发明内容】
[0005] 本发明的一个目的是提供一种用于具有改进的性能的旋转电机的绕组以及一种 用于设计这种绕组的方法。
[0006] 本发明由独立权利要求所限定。从属权利要求限定了有利实施例。
[0007] 根据本发明的第一方面，提供了一种用于旋转电机的绕组，所述电机包括电感器、 铁芯以及位于其间的气隙，所述绕组包括柔性PCB，该柔性PCB具有在基板的第一表面上的 多个导体以及在该基板的第二表面上的多个导体，所述导体是印刷在所述PCB上的多条迹 线，该第一表面的一个导体通过一个过孔连接到该第二表面的一个导体上以便形成一个线 匝，所述PCB具有一定高度和长度，从而使得当沿着该长度卷起一次或多次、卷成一层或多 层时，该PCB被适配用于在轴向方向上插入所述气隙中。根据本发明，导体具有在轴向方向 上沿着一条连续曲线或η个直线区段从所述柔性PCB的底部高度延伸到所述PCB的顶部高 度的形状，η大于3。本申请人已经发现，通过给予这些导体更加复杂的形状（即一条连续 曲线或多于三个直线区段），关于提高该电机的性能可以获得出乎意料的良好结果。
[0008] 优选地，该形状具有可变宽度，从而使得在导体与邻近导体之间的间隙沿着所述 导体的长度等于预先确定的常数。该预先确定的恒定距离被选择以便实现位于该PCB的同 一侧上的两个相邻导体之间的良好电绝缘。换言之，这些导体具有可变宽度。
[0009] 当这些导体的形状是沿着η个直线区段延伸时，η有利地大于6并且小于或等于 100。本申请人已经发现，6个或更多个区段仍然改进了性能，而通过使用多于100个区段不 能获得更显著的改进。
[0010] 根据第一优选实施例，这些导体具有线对称形状，该对称轴是在该PCB的中间高 度上沿着该PCB的长度的一条线。这种绕组在本领域中被称为叠绕组。
[0011] 优选地，多个线匝串联连接以便形成一个线圈。
[0012] 在第一连接方式中，在一个线匝的第一表面上的导体沿着其长度延伸并且通过过 孔连接到第二表面上具有相应延伸的导体上，以便在所述线圈的两个接连线匝之间形成连 接，这两个接连线匝在长度方向上相距一定距离。
[0013] 在第二连接方式中，所述多个线匝是t个线匝，该第一表面的多个导体在长度方 向上被从1到t编号，该第二表面的多个导体在长度方向上也被从1到t编号，对于i= 1 到i=t-1，该第一表面上的导体i在该PCB的上端处通过沿着该PCB的长度方向在渐减的 高度上延伸的一条迹线连接到该第二表面的导体t-i上； 并且对于i= 1到i=t，该第一表面上的导体i在该PCB的下端处通过沿着该PCB的 长度方向在渐增的高度上延伸的一条迹线连接到第二表面的导体t-i+Ι上。 第一表面和第二表面的编号为t的导体连接到端子上。通过使用此第二连接方式，获 得与第一连接方式中相同的转矩。然而，随着这些导体的总长度缩短，电阻降低并且性能得 到改进。
[0014] 根据第二优选实施例，所述多个导体具有点对称形状，反射点在该PCB的中间高 度上。这种绕组在本领域被称为波形绕组。
[0015] 优选地，多个线匝串联连接并从而形成线匝串联。
[0016] 在第一连接方式中，多个相邻线匝串联在长度方向上被安排成相距一定距离，在 一个串联中的一个线匝的第一表面上的导体沿着其长度延伸并且通过过孔连接到第二表 面上的接连串联中具有相应延伸的导体上，以便在两个接连串联之间形成连接，这两个接 连串联在该长度方向上相距一定距离。
[0017] 在第二连接方式中，多个相邻线匝串联在长度方向上被接连地安排成相距一定距 离，所述多个串联是t个串联，相邻导体在第一表面和第二表面两者上被从1到t编号，并 且该第一表面上的多个导体1到t在该PCB的该上端处通过沿着该PCB的该长度方向在渐 减的高度上延伸的t条迹线连接到对应地在该第二表面上的多个导体t到1，并且该第二表 面上的多个导体1到t在该PCB的该下端处通过沿着该PCB的该长度方向在渐增的高度上 延伸的一条迹线连接到该第一表面的多个导体t到1。对于所述多个串联的相邻线匝的一 个串联，该第一表面上的导体1到t-Ι在该PCB的上端处通过沿着该PCB的长度方向在渐 减的高度上延伸的t-Ι条迹线连接到该第二表面上的导体t-Ι到1上。第一表面和第二表 面的编号为t的导体连接到端子上。通过使用此第二连接方式，获得与第一连接方式中相 同的转矩。然而，随着这些导体的总长度缩短，电阻降低并且性能得到改进。
[0018] 在该第一实施例和在该第二实施例中，该第二连接方式的这些迹线可以有利地位 于该PCB的该第一表面和该第二表面两者上。这将进一步减少绕组的电阻并且改进电机的 性能。
[0019] 在这种情况下，该PCB两侧上的这些迹线可以通过多个过孔来连接。
[0020] 绕组/导体的形状可以有利地被设计用于优化所述绕组的转矩常数1^除以相电 阻Rph的平方根的比kp:
可以选择其他有待优化的目标函数：电机的效率（即功率输出与功率输入之比）或功 率密度或大小。
[0021] 根据本发明的第二方面，提供了一种用于设计用于旋转电机的绕组的方法，所述 电机包括电感器、铁芯以及位于其间的气隙，所述绕组包括柔性PCB，该柔性PCB具有在第 一表面上的多个导体以及在第二表面上的多个导体，所述导体是印刷在所述PCB上的迹 线，该第一表面的导体通过过孔连接到该第二表面的导体上以便形成线匝，所述PCB具有 一定高度和长度，从而使得当沿着该长度卷起一次或多次、卷成一层或多层时，该PCB被适 配用于在轴向方向上插入所述气隙中。导体在轴向方向上沿着一条连续曲线或η个直线区 段从该柔性PCB的底部高度延伸到该PCB的顶部高度，η大于3,并且该导体具有可变宽度， 从而使得导体与邻近导体之间的间隙