专利名称：导体优化的轴向场转动能装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可用作将电能转化为运动的发动机或者将转动能转化为电能的发电机的优化轴向场转动能装置。本发明包括通过堆叠多个其中布置有多个电子部件以达到最大功率和效率的印刷电路板而形成的定子。
背景技术：
具有分层的盘状定子的轴向空气间隙无刷发动机是已知的，诸如Wang的美国专利US 5789841。Wang中的定子绕组使用以波浪或者卷绕的构造互联的金属线。这些发动机具有较大的尺寸并且难于制造。
另外，使用印刷电路板定子的轴向场电子设备也是已知的，诸如Smith等的美国专利US 6411002中所示的。
本发明提供一种以多相电能操作的转动能装置。该装置基本上是平的并且较薄以及提供一种可与目前所用的许多工具和设备(诸如电钻、动力锯、食草机、电动自行车、洗衣机和干燥机)结合使用的发动机。本发明所涉及的装置被设计成使得电阻达到最小以及使得涡电流和回路电流达到最小。通过使得转子磁体和定子电路之间的间隙达到最小来增大电磁电感，另外由于发动机是有印刷电路板构成的，因此制造费用基本上达到最小。
发明内容
本发明提供一种以多相电流构造布置的轴向转动能装置。该装置包括其上固定有多个永久磁极的转子，并且还包括通过使得多个印刷电路板工作导体层和多个印刷电路板连接层堆叠在一起而形成的定子。所述定子具有至少一个用于每相电流的工作导体层和与一个工作导体层相联系至少一个连接导体层。每个所述工作导体层和连接导体层都具有从内径通孔延伸到外径通孔的径向导体。提供了多个通孔导体，用于通过所述通孔将所述连接导体层中选定的连接导体层与所述工作导体层的径向导体中选定的径向导体相连接。
为了更清楚地理解本发明以及更容易地执行本发明，将仅通过示例参照附图描述本发明的优选实施例，其中图1是以本发明方式使用的定子的部分分解图，其中拆卸了一些零件；图2是图1中所示的定子的视图，其中拆卸了一些零件；图3是图2中所示的定子的视图，其中拆卸了一些零件；图4是本发明所涉及的能量装置的分解图；图5是本发明所涉及的能量装置的横截面图；图6是与图1中所示的定子结合使用的第一工作导体层的平面图；图6A是图6中所示的第一工作导体层的平面图，其中去除了导体图案的一些细节；图7是与图1中所示的定子结合使用的第一连接导体层的平面图；图8是用在图1中所示的定子中的第二工作导体层的平面图；图9是用在图1中所示的定子中的第二连接导体层的平面图；图10是用在图1中所示的定子中的第三工作导体层的平面图；图11是用在图1中所示的定子中的第三连接导体层的平面图；图12是用在本发明所涉及的定子中的分离导体层的平面图；图13A是分解横截面图，示出了定子层中构成的方法；图13B是示出了图13A中所示的堆叠的定子层的横截面图；图13C是具有镀通孔的与图13B中所示的相同的横截面图；图14是本发明第一实施例所涉及的与导体层结合使用的径向导体的详图；图15是示出了本发明所涉及的平行连接的六个导体层的径向导体的详图；图16是图6中所示的第一工作导体层的平面图；图17是具有辅助照明(highlighting)的图7中所示的第一连接导体层的平面图；
图18是本发明第二实施例所涉及的导体层的平面图；图19是本发明第三实施例所涉及的与导体层结合使用的径向导体的详图；图20是本发明第四实施例所涉及的与导体层结合使用的径向导体的详图；图21是本发明第五实施例所涉及的与导体层结合使用的径向导体的详图；图22是本发明第六实施例所涉及的与导体层结合使用的径向导体的详图；图23是本发明第七实施例所涉及的与导体层结合使用的径向导体的详图；图24是本发明第八实施例所涉及的与导体层结合使用的径向导体的详图；以及图25是具有图12中所示的分离导体层的图1中所示的定子的部分分解图。
具体实施例方式
本发明包括通过堆叠多个包含由传导材料制成并且由非传导性介电材料支撑的多个电路的印刷电路板(PCBs)而形成的定子。总体来说，本发明是平坦、较薄的，并且具有适合于装置功能的圆形、正方形或其他形状。
作为非限定性示例，图1示出了包含布置在三相电流结构中的六个PCB层的本发明一个优选实施例的三维图。在文中三相被表示为A、B和C。在图1中，为了清楚起见轴向比例已被放大，并且作为电力绝缘和和机械支撑的非传导性材料已被去除。图1示出了许多可行性布置中的一个，相A电路、相B电路和相C电路通过所述布置互相配合并且彼此绕过。在图2中，相C电路已被移除从而可更容易地看到一些零件。图2示出了许多可行性布置中的一个，相A电路通过所述布置与相B电路和互相配合并且彼此绕过。如从其中相B电路和相C电路都已被移除的图3中清楚看出的是，相A电路包括传导材料层。每层传导材料都由以径向导体2为代表的多个径向导体和由非径向导体3、4和5表示的多种非径向导体构成。径向导体和非径向导体在同一个导体层上被串联地连接在一起并且还通过由间层导体6表示的多个间层导体与另一个导体层上的导体串联地连接。间层导体还可并联地连接不同传导材料层上的相应径向导体。具有在相同层上以串联方式或以串联和并联方式连接在一起并且在层之间以串联和并联方式、或以串联方式、或以并联方式相互连接的多个径向和非径向导体的相A电路与包含在传导材料的相同层中的任何其他相电路相互配合并且彼此绕过。在图1-3中示出了相电路A、B和C是由六层传导材料构成的，但是本发明的其他实施例可具有更少或更多数量层的传导材料。
如图1-3中所示的，并且如下所述的，基于包含本发明的装置的功能和期望性能，相A、B和C电路中每个导体的尺寸、空间排列以及相互连接都是最优化的。一层传导材料上的一个导体的尺寸、空间排列以及相互连接可与相同层传导材料上的任何其他导体无关地改变。一层传导材料上的一个导体的尺寸、空间排列以及相互连接可与任何其他层传导材料上的任何其他导体的尺寸、空间排列以及相互连接无关地改变。作为一个示例，图3示出了这样一个径向导体2，所述径向导体2具有小于非径向导体3宽度的宽度，尽管它们在相同层传导材料上被相互连接。通过选择性地操纵相A、B和C电路中每一个导体的尺寸、空间排列以及相互连接，可使得所述装置在多个因素方面最优化，所述因素包括(但不局限于)电阻、电磁感应系数、涡流和回路电流生成、热消散、以及制造成本。下面将详细描述本发明的优选实施例以便于进一步解释新发明的范围。
在图4中示出了本发明的一个优选实施例。被构成得用作马达或发电机的导体优化能量装置10包括两个外壳11和12、驱动轴13、轴键13a、两个转子14a和14b、导体优化定子15、两个轴承16a和16b、两个轴向磁化的永磁体17a和17b、波状垫圈18、以及三个霍尔传感器19。装置10还包括定子相位连接器20、定子传感器连接器21、电子控制板22、控制相位连接器23、控制传感器连接器24、控制散热器25、以及控制盖26。电子控制板22提供了电子感测和控制装置以便于适当地向导体优化定子15输送电流。电子控制板22与dc电源(诸如电池组或dc电源(未示出))相连接。在本领域中电子控制板22还被称为电动机驱动并且使用当前存在的传统类型部件，诸如集成电路片、功率晶体管、调整器、二极管、晶体管以及电容器。
定子相位连接器20与控制相位连接器23相连接并且定子传感器连接器21与控制传感器连接器24相连接以便于将电子控制板22与导体优化定子15相连接。还示出了用于将外壳11、外壳12以及控制盖26紧固在一起的螺栓27和螺母28。控制安装螺栓29将电子控制板22和控制散热器25紧固于外壳11。
仍然参照图4，磁体17a和17b是轴向磁化的并且具有在环周围交替的磁极N和S。磁体17a和17b被示为以及被描述为环形磁铁，但是也可将其制成为独立部分。磁体17a和17b最好包括至少一种稀土金属，诸如钕、铁和硼的合金。当如图5中所示的那样被装配于装置10中时，磁体17a和17b被附于转子14a和14b。在将磁体17a和17b布置得使得磁体17a上的N极面对磁体17b上的N极的情况下，转子14a和14b被牢固地固定于定子15相对侧上的驱动轴13上。磁体17a和17b在它们之间产生垂直于导体优化定子15表面的磁通量。磁体17a和17b被示为以及被描述为具有四个磁极，然而装置10也可被构成得具有包含其他数量磁极的磁体，诸如包含两个、六个、八个、十六个或可制造出的任何其他偶数数量的磁极。
在图5中，由刚性材料(诸如模制塑料或包含铝或镁的合金)制成的外壳11和12支撑轴承16a和16b。驱动轴13由这两个轴承16a和16b支撑并且驱动轴13通过外壳12中的开口伸出。与磁体17a和17b相连接的转子14a和14b被附于轴13。转子14a和14b是由可渗透磁力的材料(诸如钢)制成的以便于为磁体17a和17b提供通量返回。磁体17a和17b在它们之间产生集中的磁通量。外壳11和12将导体优化定子15保持在转子14a和14b之间的位置中并且从磁体17a和17b处越过气隙31a和31b。位于磁体17a和17b之间集中的磁通量中的导体优化定子15的部分限定了工作区域30。当适当的聚集和输送允许装置10表现为发电机或交流发电机时，磁体17a和17b的外部装置的旋转将在工作区域30的传导材料中诱发电流。与此相反，向工作区域30的传导材料中适当地施加电流将在流动电流与磁场之间产生洛伦兹力。所产生的力是使得牢固地连接于转子14a和14b的磁体17a和17b旋转的扭矩，其中转子14a和14b牢固地连接于驱动轴13。驱动轴13可以用来作功，因此装置10可表现为马达或致动器。
结合本发明的一个优选实施例，将描述导体优化能量装置10的新颖特征。装置10的导体优化定子15包括由多层非传导性材料支撑的堆叠的传导材料PCB层。图6-11中每个都示出了用于导体优化定子15中的一层传导材料的导体图案。图6示出了具有“工作”PCB图案32的导体优化定子15中的一层传导材料。每层传导材料都由将其与其他层传导材料相分离的一层传导材料支撑。导体优化定子15中的每层传导材料可具有相同或不同的PCB图案32。每层的图案都表示电导体由导电材料(诸如铜)构成，并由非传导材料(诸如玻璃纤维)电绝缘并机械支撑。可通过各种方法产生每层的导体图案，所述方法包括(但不局限于)蚀刻、冲压、喷雾、切割、或机加工。优选方法是将导体图案(诸如导体图案32)化学性地蚀刻到多个由夹在两个铜片之间的一片玻璃纤维构成的两边电路板39中。作为非限定性示例，图13A-13C示意性地示出了如何制造导体优化定子15。在图13A中，三个两边电路板39被堆叠在一起，其中，它们之间具有两个玻璃纤维片40。在图13B中，通过热和压力使得堆叠的电路板39和玻璃纤维片40层压在一起以便于形成用于导体优化定子15的多板布置。形成了中央孔41以允许轴13从中穿过。如图13C中所示的，钻有多个孔42，并且孔42可镀以传导材料(诸如铜)，从而形成多个电镀孔，如图13C中电镀孔43所代表的。
最好使用具有比最普通制造的电路板中所使用的铜板厚的铜板的电路板。其范围从0.004英寸到0.007英寸的铜板厚度是优选的，但是也可使用其他厚度的铜板。如前面图1中所示的，在没有支撑玻璃纤维的情况下所看时，优选范围内的铜板厚度生产出带状的导体。再参照图6，穿过导体优化定子15的多个电路板在精确位置中钻出孔，之后将孔的内壁镀以传导材料(诸如铜)。也被称作通孔(vias)的电镀孔，提供了多个间层导体，由与导体优化定子15的不同层上的导体电连接的通孔201和301代表。在该实施例中尽管示出并描述了电镀孔，但是应该理解的是，其他间层导体装置也是可行的，包括(但不局限于)填充有传导材料的孔、金属销、卷边点、点焊缝、或线。如前面描述的，通过通孔以串联和并联方式连接在一起的导体优化定子15的不同层上的各种导体包括本发明的优化导体电路。当今的电路板制造技术能够为导体优化定子15的质量在导体尺寸、空间排列、定子厚度方面提供较小的差异，以及对于导体电路连续性的百分之百的保证。
在当前所述的图4-11中所示的优选实施例中，在导体优化定子15中存在三个优化导体电路，每个都用于三相电源电路的每个电源相位。如前面所述的，图6示出了由工作PCB图案32构成的导体优化定子15中的一层传导材料。图7示出了由“连接”PCB图案33构成的导体优化定子15中的一层传导材料。图6的PCB图案32和图7的PCB图案33是由连接在一起的导体构成的以便于电力完成相A电路的一部分。PCB图案32和33还包括与相B和C电路有关的导体。相似地，图8中所示的工作PCB图案34和图9中所示的连接PCB图案33是由连接在一起的导体构成的以便于电力完成相B电路的一部分。PCB图案34和35还包括与相A和C电路有关的导体。同样，图10中所示的工作PCB图案36和图11中所示的连接PCB图案37是由连接在一起的导体构成的以便于电力完成相C电路的一部分。PCB图案36和37还包括与相A和B电路有关的导体。
在所有层中PCB图案32、33、34、35、36和37中的径向导体的图案是相同的。
图12示出了具有与其他PCB层中的径向导体的图案相同的径向导体的PCB图案38的传导材料的PCB层。PCB图案38还包括用于将多个传感器终端45连接于多个传感器安装垫46的多个连接器44。传感器安装垫46供用于检测磁体17a和17b的磁极N和S的装置(诸如霍尔传感器的阵列)的表面安装之用。示出了安装于一个传感器安装垫46的一个霍尔传感器19。传感器安装垫46A供用于温度感测装置(诸如热敏电阻器)的表面安装之用。传感器终端45为外部电子控制装置(诸如马达驱动器)提供连接装置。PCB图案38还包括与相位A、B和C电路相关的导体。图25示出了前面图1中所示的堆叠PCB图案32、33、34、35、36和37的顶部上的PCB图案38。PCB图案38最好是顶层或底层以有助于传感器和连接器的表面安装，诸如霍尔传感器19与传感器安装垫46的连接、定子相位连接器20与相位终端53的连接、以及定子传感器连接器21与传感器终端45的连接。径向导体I PCB图案38通过通孔导体与PCB图案32、33、34、35、36和37的相位电路A、B和C电连接。
现在参照图6A，PCB图案32由多个差别在于它们所包含的导体的功能的同中心环状部分构成。图6A示出了PCB图案32的各种功能性的环状部分，其中为了清楚起见去除了PCB图案32的某些零件。PCB图案32的以下功能性环状部分的描述应适用于导体优化定子15每层传导材料上的每个PCB图案。图6A中还示出了具有磁极N和S的磁体17b。磁体17b被布置在图6A中所示的导体优化定子15的后面，而磁体17a(未示出)处于相同的位置中，但是位于导体优化定子15的上方。PCB图案32具有由磁体17a的磁极N和S限定的工作导体部分30。换句话说，工作导体部分30是由磁体17a与17b之间的磁通量贯穿的导体优化定子15的部分。如图6A中所示的，存在表示为A、B和C的工作导体部分30的多个相位部分。相位部分的总数等于磁极的数量乘以所使用的电相的数量。在当前描述的实施例中，装置10使用三相结构和四个磁极，因此工作导体部分30总共具有12个相位部分。装置10也可被构成得与可改变相位部分数量的其他多相位结构结合使用。作为非限定性示例，使用五相结构和四个磁极的装置10的另一个实施例将具有分成为20个相位部分的工作导体部分30。如图6A中所示的，相位部分A、B和C的布置在工作导体部分30周围是连续的，并且三个相位部分的组合面积等于一个磁极的面积。
仍然参照图6A，将描述PCB图案32的其他部分。工作导体部分30的径向向内部分是内部通孔部分47。内部通孔部分的径向向内部分是内部非径向导体部分48。内部非径向导体部分48的径向向内部分是轴孔49。工作导体部分30的径向向内部分是外部通孔部分50。外部通孔部分50的径向向外部分是外部非径向导体部分51。外部非径向导体部分51的径向向外部分是散热器部分52。散热器部分52与外壳11和12相接触以提供用于从导体优化定子15向外壳11和12传输热量的装置。散热器部分52的一个区域被表示为终端部分53，所述终端部分53提供与外部电力系统(诸如马达驱动器、整流器或转换器)的连接装置。
所示出的导体优化定子15的PCB图案32具有六个同中心环状部分，但是具有更低或更高数量同中心环状部分的本发明的其他实施例也是可行的。
终端部分53包括终端53A、53B、53C、53D、53E和53F，电源电路的每个相位使用两个终端。如图1中所示的，每个堆叠层都具有通过通孔连接器连接在一起的这些终端。工作导体层32与终端53A、53B相连接。工作导体层34与终端53C、53D相连接。工作导体层36与终端53E、53F相连接。
如图6-11中所示的，PCB图案32的第一部分中的第一导体的尺寸和形状通常不同于PCB图案32的第二部分中的第二导体的尺寸和形状。另外，导体优化定子15的第一层上的第一图案的第一部分中的导体的尺寸、形状和位置可与导体优化定子15的第二层的第二图案的相应第一部分中的导体相同或不同。这与缠绕有固定直径线的传统马达和发电机中的导体是相反的，所述固定直径线表明所述导体在整个马达或发电机上具有恒定的尺寸和形状。
PCB图案32的每个部分中的传导材料的结构形状取决于每个部分对于导体优化定子15履行何种功能职责。如前面所示出并描述的，相位部分A、B和C处于磁体17a和17b之间的通量场中。现在参照图14，其中示出了一部分PCB图案32具有工作导体部分30的部分、内部通孔部分47、内部非径向导体部分48、轴孔49、外部通孔部分50以及外部非径向导体部分51。作为在PCB图案32的不同部分中导体是如何被最优化的一个示例，将详细描述径向导体101和一些相关非径向导体。在当前所述的实施例中，径向导体101包括具有宽度54的工作导体101a，其中宽度54在工作导体部分30中是恒定的并且宽度54沿半径55是对称的。径向导体101还包括内部通孔部分47中具有宽度56的内部垫101b和外部通孔部分50中具有宽度57的外部垫101c。宽度54小于或等于宽度56。宽度54小于宽度57。由于宽度54位于垂直于磁通量的平面中，因此增加的宽度54将导致工作导体101a中涡电流的增加。当装置10用作发电机或马达时，涡电流产生与磁体17a和17b的旋转相反的力，抢掠装置10的电力。磁体17a和17b的旋转速度是用于确定宽度54的一个因素。越快的旋转速度产生越多的涡电流，因此被构成得在高速下旋转的装置10的实施例将具有比被构成得在低速下旋转的装置10的实施例中的宽度54的数值更小的宽度54的数值。电阻是用于确定宽度54的数值的另一个因素。当装置10用作发电机或马达时，电阻抢掠装置10的电力。当电流流过导体优化定子15的传导材料时电阻产生热量并且当传导材料的温度增加时电阻增加。当宽度54减小时电阻增加。因此为了减小由于电阻导致的损失，可选择宽度54的最大值。然而，取决于装置10的操作速度，宽度54的最大值可导致由于涡电流而造成的实质损失。因此，将工作导体101a的宽度54的数值选择得可平衡涡电流损失与电阻损失。
参照图6和14，垫101b处于内部通孔部分47中。内部通孔201将径向导体101的内部垫101b与导体优化定子15中的其他层传导材料上的相应径向导体电连接。内部垫101b与具有宽度59的内部非径向导体58相连接。内部非径向导体58的宽度59最好大于或等于径向导体101的内部垫101b的宽度56。外部垫101c具有将径向导体101的垫101c与导体优化定子15中的其他层传导材料上的相应径向导体相连接的外部通孔301。外部垫101c与具有宽度61的外部非径向导体62相连接。宽度61最好大于或等于宽度57。在图14中，示出了内部垫101b与内部非径向导体63相连接并且示出了外部垫101c与外部非径向导体62相连接。然而，在当前所述的实施例中，径向导体101的内部垫101b仅与图6中所示的PCB图案32中的内部非径向导体63以及图7中所示的PCB图案33中的内部非径向导体65相连接。外部垫101c仅与图6中所示的PCB图案32中的外部非径向导体62相连接。图8、9、10和11中分别示出的PCB图案34、35、36和37中的径向导体101未被示出得与内部非径向导体或外部非径向导体相连接。应该理解的是，径向导体101可选择性地连接于导体优化定子15中的任意传导材料层上的内部非径向导体63或外部非径向导体62。
再次参照图14，径向导体101的内部垫101b和外部垫101c、内部非径向导体63和外部非径向导体62不会受到磁体17a和17b的集中磁场。因此，涡电流不是因素，并且在其导体优化定子15的各个部分中宽度56、57、59和61被制造得尽可能大以便于减小总电流的电阻。
减小导体优化定子15中的导体电路的总电阻的另一种方法是以并联方式连接不同层传导材料上的相应导体。作为非限定性示例，图15示出了通过通孔201和301以并联方式电连接的六层径向导体101。多个并联导体(每个都具有电阻值)的总电阻等于除以每个电阻值倒数的总数。当导体分别具有相同的电阻值(诸如图15中所示的六层径向导体101中的每个)时，公式可简化为等于一个导体的电阻值除以并联导体的数量的总电阻。例如，如果第一层的径向导体101具有0.006ohms的电阻值，并且其他五层中的每个中的径向导体101具有相同电阻值的话，那么六层径向导体101的总电阻值等于0.006ohms除以六个导体，或0.001ohms。图15示出了一组径向导体在六层上的并联连接。图3示出了六层上相A电路的每个部分的径向导体的并联连接。
作为导体优化定子15如何发挥作用的示例，将描述在装置10作为马达被确定时当其流过本实施例一个电路时电流的路径。现在参照图16，工作PCB图案32的工作导体区域30由径向导体101到172构成。在当前所示的优选实施例中，每个相部分都包含承载沿相同方向穿过相部分的电流的六个径向导体。径向导体101到106在正时相部分A中，径向导体107到112在正时相部分B中，而工作导体113到118在正时相部分C中。径向导体119到124在负时相部分A中，径向导体125到130在负时相部分B中，而径向导体131到136在负时相部分C中。径向导体137到142在正时相部分A中，径向导体143到148在正时相部分B中，而径向导体149到154在正时相部分C中。径向导体155到160在负时相部分A中，径向导体161到166在负时相部分B中，而径向导体167到172在负时相部分C中。应该注意的是，取决于装置10的期望输出要求可制造出在每个相部分中具有更少或更多数量的其他实施例。
每个相部分的径向导体以串联的方式连接以提供穿过工作区域30的多个电流。图16示出了先前所述的具有突出的相A电路的工作PCB图案32，而图17示出了也具有突出的相A电路的连接导体PCB图案33。
在图16中，电流从控制装置被输送到A+终端53A。控制装置(诸如先前所述的电子控制板22)使用感测装置以确定由穿过相电路A、B和C的每个相部分的永磁体17a和17b产生的磁通量的偏振。所述感测装置最好为安装在导体优化定子15上的阵列霍尔传感器。控制装置使用多个功率晶体管或MOSFETS(金属氧化物半导体场效应晶体管)，所述功率晶体管或MOSFETS在适当的时间和周期将电流切换到相电路A、B和C以便于基于霍尔传感器阵列的输入产生和保持所述装置的转动。控制装置位于装置10的外部并且可通过独立导体(诸如一束电线或带状电缆)执行控制装置与导体优化定子15之间的电连接。
电流从A+终端53A中移过外部非径向导体62。电流被引入到径向导体101中并且穿过径向导体101之后进入到内部非径向导体63中。内部非径向导体63引导电流进入并穿过径向导体124。电流从该点离开工作PCB图案32。电流穿过外部通孔324到达图17中的连接PCB图案33。从外部通孔324处，电流穿过外部非径向导体64到达径向导体102。电流穿过径向导体102到内部非径向导体65，进入到径向导体123，之后到外部非径向导体66并进入到径向导体103。每次电流穿过径向导体，电流都穿过工作导体区域30。电流与穿过径向导体122、104、121、105、120、106和119的电流连接。电流从径向导体119处穿过通孔319返回到图16中所示的工作PCB图案32。从通孔319处，电流穿过外部非径向导体67并且进入到径向导体137。从径向导体137处，电流穿过内部非径向导体68到达径向导体160。电流必须穿过外部通孔360到达连接PCB图案33，再次参照图17，其中电流能够流过外部非径向导体69到径向导体138。电流从径向导体138流入到内部非径向导体70之后流入到径向导体159中。电流与穿过径向导体139、158、140、157、141、156、142和155的电流连接。从径向导体155中，电流通过外部通孔355被引入到图16中所示的工作PCB图案32。从外部通孔355处，电流穿过外部非径向导体71到A-终端53B。电流从A-终端53B处被输送回控制装置。以相同的方式，工作图案34与终端53B及53C相连接并且电流流过包含在工作PCB图案34和连接PCB图案35中的相B电路，如图8和9中所示的。另外，工作图案36与终端53C及53D相连接并且电流流过包含在工作PCB图案36和连接PCB图案37中的相C电路，如图10和11中所示的。如先前在图15中所示的和示出的，外部通孔301和内部通孔201以并联方式连接包含在PCB图案32、33、34、35、36、37中的每层传导材料上的径向导体101。相似地，通过外部通孔302到372以及通过内部通孔202到272，将图16和17中所示的径向导体102到172以并联的方式连接于导体优化定子15中的每层传导材料相应的径向导体。
图18中示出了本发明的另一个实施例。所述实施例包括与定子15结合使用的PCB图案91。与前述实施例之间的差异包括用于将磁极传感器(诸如霍尔传感器95定位在工作区域30中的装置。图案91包括传感器袋92。传感器袋92是穿过所有传导和非传导测量层的空白区域。传感器袋92的尺寸被制定并且被布置得允许磁极传感器可被放置在磁体17a和17b之间的集中磁通量中。靠近于传感器袋92的径向导体被构成得用于提供适当的间隙并且保持导体优化定子15中的连接。
除以上所述的以外，本发明还提供了使得导体优化定子15的导体最优化的其他实施例。如前面所述的，图15示出了径向导体101的一个结构，所述径向导体101包括关于半径55对称的一个直工作导体101a、以及内部通孔垫101b、内部通孔201、外部通孔垫101c以及外部通孔301。作为非限定性示例，图19到24示出了用于使得本发明的导体最优化的其他可行装置。图19示出了如上所述的径向导体101，所述导体包含内部垫101b中的三个通孔201和外部垫101c中的三个通孔301。增加连接每层传导材料上的径向导体101径向导体101的通孔数量增加了每个连接的总电镀区域，这减小了电路的电阻。尽管示出了三个通孔201和三个通孔301，但是应该理解的是，其他数量的通孔也是可行的。
图20中所示的另一个实施例示出了径向导体401，所述径向导体401由两个工作导体401a和401b构成。工作导体401a和401b与半径55平行并且具有相等宽度402。示出了径向导体401具有两个工作导体。然而，也可使用其他数量的工作导体。每个独立工作导体的宽度都被最小化以助于减小涡电流损失。当与单个工作导体相比较时，具有并联的多个工作导体(诸如工作导体401a和401b)，减小了电阻并且提高了热量的向外传输。
图21示出了本发明范围内的径向导体的另一个可行实施例。分支导体501被示为与内部垫501b相连接的工作导体501a。工作导体501a径向向外分支到工作导体501d和501e中，并且在分支上进入到工作导体501f、501g和501h中。将导体501分支是用于减小涡电流损失、减小电阻、以及增加热量向导体优化定子15的外部边缘的传输的另一种方法。
在图22和图23中，工作区域30中的多个通孔602从半径55的一侧到另一侧穿过一对工作导体。在图22中，径向导体601由工作导体601a、601b、601c和601d构成。工作导体601a和601b如所示的那样连接并且工作导体601c和601d如所示的那样终止于通孔602处。穿过工作导体601a的电流位于半径的一侧上之后传到工作导体601b中的半径的另一侧。在601c中行进的电流通过图23中所示那样构成的通孔602与另一层传导材料相连接。电流从通孔602中移动到工作导体601c中之后穿过半径55移动到工作导体601d中。在图23中所示的传导材料层上，工作导体601a和601b终止于通孔602处。穿过工作导体601a的电流与图22中所示的传导材料层相连接，在那里它与工作导体601a相连接之后穿过半径55移动到工作导体601d中。以刚刚描述的这种方式穿过工作导体是减小回路电流的方法，所述回路电流是在交流磁场中在并联导体中诱发的。
图24示出了具有径向导体701的另一个实施例，所述径向导体701由中点702构成，所述中点702为从半径55处的距离703和从导体优化定子15的中心705处的距离704。对于导体优化定子15中的不同层传导材料上的距离703和距离704来说，中点702可具有相同或不同的数值。以刚刚描述的这种方式使得径向导体弯曲得远离半径55是减少初轧的方法。
图14和15中以及图19-24中所示的径向导体的不同结构是作为非限定性示例存在的，应该理解的是，可进一步优化导体的许多其他结构是可行的。
虽然已示出并描述了本发明的基本新颖特征，但是应该理解的是，在不脱离本发明精神或保护范围的前提下，本领域中普通技术人员可作出各种替代、修正、和改变。因此，所有这些修正或改变都包含在以下权利要求中所限定的本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种具有正极性和负极性的多相电流终端的轴向磁场转动能装置，包括其上具有多个永久磁极的转子；以及定子，所述定子具有多个电路板工作导体层，所述电路板工作导体层具有至少一个用于每相电流的工作导体层，每个所述工作导体层都包括在内径通孔与外径通孔之间连续的多个径向导体的图案，所述内径通孔位于所述工作导体层的内径处，所述外径通孔位于所述工作导体层的外径处；每个工作导体层还具有用于将电流的一个相的正终端和负终端与所选择的外径通孔电连接的一对外部导体以及用于将所选择的内径通孔电连接在一起的多个内部导体；连接导体层的多个电路板，至少一个电路板与每个工作导体层相联系，并且每个都包括在内径通孔与外径通孔之间连续的多个径向导体的图案，所述内径通孔位于所述连接导体层的内径处，所述外径通孔位于所述连接导体层的外径处；每个连接导体层还具有用于将所选择的外径通孔电连接在一起的多个外部导体以及用于将所选择的内径通孔电连接在一起的多个内部导体；以及多个通孔导体，位于工作导体层和连接导体层中选定的内部和外部通孔中，用于将连接导体层的径向导体中选定的径向导体与工作导体层的径向导体中选定的径向导体电连接。
2.依照权利要求1所述的转动能装置，其特征在于，每个电路板工作导体层都具有平坦结构以及每个电路板连接导体层都具有平坦结构，并且定子是通过以一个在另一个上方的方式堆叠工作导体层和连接导体层形成的，其中在每层之间具有衬底层。
3.依照权利要求2所述的转动能装置，其特征在于，所述定子具有沿垂直于层的平坦结构方向穿通的中央孔，并且还包括穿过所述中央孔的可转动的驱动轴，以及还包括牢固地固定于定子一侧上的驱动轴的第一转子和牢固地固定于定子相对侧上的驱动轴的第二转子。
4.依照权利要求3所述的转动能装置，还包括安装于所述定子的感测装置，用于确定所述永久磁极的转动位置。
5.依照权利要求3所述的转动能装置，其特征在于，第一转子的永久磁极相对于第二转子的永久磁极如此布置，即，使得通量线沿垂直于工作导体层的平坦结构的方向穿过定子。
6.依照权利要求3所述的转动能装置，其特征在于，每个转子都具有至少四个永久磁极。
7.依照权利要求1所述的转动能装置，被构成得用于至少三相电路。
8.依照权利要求1所述的转动能装置，其特征在于，工作导体层和连接导体层的径向导体具有预先选定的宽度，并且工作导体层的外部和内部导体与连接导体层的外部和内部导体具有大于预先选定宽度的宽度。
9.依照权利要求1所述的转动能装置，其特征在于，每个工作导体层和每个连接导体层被分成为部分，其中每个部分与每相电流的正极性或负极性相联系并且径向导体穿过每个部分。
10.依照权利要求9所述的转动能装置，其特征在于，每个工作导体层的内部导体与每个连接导体层的内部和外部导体一起通过通孔导体将与电流的相有关的每个部分中的径向导体串联地连接在一起。
11.依照权利要求10所述的转动能装置，其特征在于，所述装置被构成得用于至少三相电流，并且所述转子包括至少四个永久磁极，并且每个工作导体层和每个连接导体层被分成为至少十二个部分，并且所述工作导体层包括用于将与相的负极性相关的部分连接于与该相的正极性相关的部分相连接的至少一个外部导体。
12.依照权利要求10所述的转动能装置，其特征在于，每个工作导体层和每个连接导体层的径向导体是以相同的图案布置的，并且每层中相应的径向导体通过通孔导体以并联的方式电连接。
全文摘要
本发明提供了一种布置在多相电流结构中的轴向转动能装置。所述装置包括其上具有多个永久磁极的转子；以及还包括定子，所述定子是通过将多个印刷电路板工作导体层与多个印刷电路板连接层堆叠在一起而形成的。所述定子具有用于每相电流的至少一个工作导体层和与一个工作导体层相联系的至少一个连接导体层。每个所述工作导体层和连接导体层都具有从内径通孔延伸到外径通孔的径向导体。提供了多个通孔导体，用于通过所述通孔将连接导体层的径向导体中选定的径向导体与工作导体层的径向导体中选定的径向导体电连接。
文档编号H02K3/50GK1771642SQ200480009416
公开日2006年5月10日 申请日期2004年2月5日 优先权日2003年2月7日
发明者M·B·乔尔, L·M·乔尔 申请人:核心创新有限责任公司