用于轴向磁通永磁电机的串联匝数可调组合型无铁心定子

本发明涉及轴向磁通永磁电机，具体涉及一种用于轴向磁通永磁电机的串联匝数可调组合型无铁心定子。

背景技术：

1、轴向磁通永磁电机外形呈盘式结构，轴向长度小，适用于例如风力发电、电动车轮毂、无人机旋翼等对电机空间要求紧凑的场合。双转子、中间定子拓扑结构的轴向磁通永磁电机在磁路设计中可完全去除定子中的导磁铁心，仅保留电枢部分作为定子。该结构的优势在于整机质量减轻、无定子铁损耗、无齿槽转矩、高过载能力等。

2、印制电路板(printed circuit board,pcb)是在绝缘的基板上按照预设的路径进行铺铜，与传统绕线封装的电枢盘相比，工艺简单、铜导体定位准确、设计灵活、表面平整、适合大批量生产，更适合作为这类轴向磁通永磁电机的定子。

3、然而，现有技术中，单层pcb上的铜导体之间无法实现相互交叠，因此对链式单层整数槽分布绕组而言，每个极相组内的线圈端部导体和各极相组相互之间的连接导体无法被布置于同一层pcb中，即pcb定子中至少需要两层pcb才可以实现完整的一相布线。

4、另外，轴向磁通永磁电机稳定运行时，其主要损耗为定子的直流铜损耗。受限于pcb定子本身的外径要求和绕组端部铜箔在pcb中所占的层数，其中很大一部分直流铜损耗来自pcb定子绕组的外部非有效导体，如何减小非有效导体的电阻，降低它的直流铜损耗，提高轴向磁通永磁电机的效率，是有待解决的技术问题。

5、不同串联匝数的pcb定子，在pcb上需设计不同的铺铜线路，而不同铺铜线路的pcb在生产制作过程中需打造不同的模具，这大大增加了工艺制造上的成本。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有轴向磁通永磁电机pcb定子绕组技术的不足，提出一种用于轴向磁通永磁电机的串联匝数可调组合型无铁心定子，将无铁心定子设计为pcb本体与外部连接导线的集成结构，pcb本体仅包括全部极相组内的线圈，外部导线用作极相组间的连接，仅改变外部导线的连接形式，就可更改电机定子的每相串联匝数；外部连接导线选用较大线径的圆导线，使绕组端部电阻减小，有效减小无铁心定子的绕组损耗，提高电机效率。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、用于轴向磁通永磁电机的串联匝数可调组合型无铁心定子，包括pcb和外部连接导线，其特征在于，所述pcb在结构上包括绕组铜箔、焊盘、基板、定位孔、轴孔、空旷区铜箔和过孔；多个所述绕组铜箔、空旷区铜箔被印刻在每一层基板上；所述基板上有多处开孔位置，其中所述焊盘和定位孔分布于基板的外边缘位置；所述过孔位于每层基板的绕组铜箔上，孔壁镀铜；所述轴孔位于基板的圆心位置；所述pcb由多个基板叠压形成多层结构；所述外部连接导线被焊接在pcb中的焊盘上。

4、所述绕组铜箔采用整数槽分布绕组形式，各相线圈的有效边在基板上沿径向呈辐射状分布；所述绕组铜箔中，各相线圈的有效边的两端分别设置了均匀阵列的过孔，孔壁镀铜；所述绕组铜箔中线圈的端部线宽大于有效边线宽；所述绕组铜箔由若干个极相组组成，在每个极相组的首、尾两端各包括了一个焊盘；各极相组之间靠外部连接导线来实现串联连接或并联连接，通过改变外部连接导线在pcb上的串、并连关系，调整电机定子绕组的每相串联匝数。

5、所述绕组铜箔中，三相绕组的任意有效边均布于所述pcb中的每一层基板，而每相绕组的端部边分布于不同层基板，其中同相绕组的外端部和内端部分布于同层基板，异相绕组的端部不能印刻在所述pcb中的同层基板上。

6、所述外部连接导线为大线径的圆线，线径尺寸应保证导体电流密度被设计得越小越好；所述外部连接导线在pcb的外边缘区域相互交叠排布。

7、所述外部连接导线的截面为圆形，所述pcb上的绕组铜箔的截面为矩形。

8、所述焊盘包括大焊盘和小焊盘，大焊盘用于焊接所述定子三相绕组的终端引线，包括a+、a-、b+、b-、c+、c-；小焊盘用于焊接每相绕组中各极相组之间的外部连接导线，两个极相组之间首尾相连，从a-连接至a+，实现串联关系。

9、所述基板为圆环形，基板的最外边缘位置阵列分布了定位孔。

10、所述空旷区域铜箔为扇环形。

11、技术方案之二：一种轴向磁通永磁电机，其特征在于，该轴向磁通永磁电机是双转子、中间定子结构，轴向磁通永磁电机的结构包括所述的组合型无铁心定子、电机机壳、转子背铁、转子永磁体、电机轴、轴承，所述组合型无铁心定子位于两个转子之间，通过pcb上开设的定位孔与电机机壳固定连接

12、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

13、1)每相分布式绕组不再至少需要不同的两层pcb才能实现完整布线，仅通过一层即可实现。pcb上单层单相绕组铜箔仅包括各极相组内的线圈，不再包含极相组之间的连接铜箔，绕组中各极相组之间的连接在pcb的外边缘位置表面进行，可节省pcb的轴向空间。

14、2)组合型无铁心定子设计为pcb与外部连接导线的集成结构，充分利用了绕组线圈外端部位置的空间冗余，采用大线径的圆铜导线焊接在pcb的焊盘上，以实现pcb上各极相组的连接，减小了绕组端部电阻，从而削减绕组端部上的铜损耗，可使端部损耗下降40％以上，进一步提升轴向磁通永磁电机的效率。

15、3)根据轴向磁通永磁电机的实际设计需求，只需改变外部连接导线的连接形式，即可使绕组极相组之间产生更多的组合方式，进一步改变电机定子绕组的每相串联匝数，无需重新设计pcb的铺铜路径，节省了设计不同pcb的开模成本，具有良好的经济性。

技术特征：

1.用于轴向磁通永磁电机的串联匝数可调组合型无铁心定子，包括pcb(5)和外部连接导线(6)，其特征在于，所述pcb(5)在结构上包括绕组铜箔(8)、焊盘(9)、基板(10)、定位孔(11)、轴孔(12)、空旷区铜箔(13)和过孔(14)；多个所述绕组铜箔(8)、空旷区铜箔(13)被印刻在每一层基板上(10)；所述基板上有多处开孔位置，其中所述焊盘(9)和定位孔(11)分布于基板(10)的外边缘位置；所述过孔(14)位于每层基板的绕组铜箔(8)上，孔壁镀铜；所述轴孔(12)位于基板的圆心位置；所述pcb(5)由多个基板(10)叠压形成多层结构；所述外部连接导线(6)被焊接在pcb(5)中的焊盘(9)上。

2.根据权利要求1所述的用于轴向磁通永磁电机的串联匝数可调组合型无铁心定子，其特征在于，所述绕组铜箔(8)采用整数槽分布绕组形式，各相线圈的有效边在基板(10)上沿径向呈辐射状分布；所述绕组铜箔(8)中，各相线圈的有效边(801)的两端分别设置了均匀阵列的过孔(14)，孔壁镀铜；所述绕组铜箔(8)中线圈的端部线宽大于有效边线宽；所述绕组铜箔(8)由若干个极相组组成，在每个极相组的首、尾两端各包括了一个焊盘(9)；各极相组之间靠外部连接导线(6)来实现串联连接或并联连接，通过改变外部连接导线(6)在pcb(5)上的串、并连关系，调整电机定子绕组的每相串联匝数。

3.根据权利要求1所述的用于轴向磁通永磁电机的串联匝数可调组合型无铁心定子，其特征在于，所述绕组铜箔(8)中，三相绕组的任意有效边(801)均布于所述pcb(5)中的每一层基板(10)，而每相绕组的端部边分布于不同层基板(10)，其中同相绕组的外端部(802)和内端部(803)分布于同层基板，异相绕组的端部不能印刻在所述pcb(5)中的同层基板上。

4.根据权利要求1所述的用于轴向磁通永磁电机的串联匝数可调组合型无铁心定子，其特征在于，所述外部连接导线(6)为大线径的圆线；所述外部连接导线(6)在pcb(5)的外边缘区域相互交叠排布。

5.根据权利要求1所述的用于轴向磁通永磁电机的串联匝数可调组合型无铁心定子，其特征在于，所述外部连接导线(6)的截面为圆形，所述pcb(5)上的绕组铜箔(8)的截面为矩形。

6.根据权利要求1所述的用于轴向磁通永磁电机的串联匝数可调组合型无铁心定子，其特征在于，所述焊盘(9)包括大焊盘和小焊盘，大焊盘(901)用于焊接所述定子三相绕组的终端引线，包括a+、a-、b+、b-、c+、c-；小焊盘(902)用于焊接每相绕组中各极相组之间的外部连接导线，两个极相组之间首尾相连，从a1-连接至a2+，实现串联关系。

7.根据权利要求1所述的用于轴向磁通永磁电机的串联匝数可调组合型无铁心定子，其特征在于，所述基板(10)为圆环形，基板(10)的最外边缘位置阵列分布了定位孔(11)。

8.根据权利要求1所述的用于轴向磁通永磁电机的串联匝数可调组合型无铁心定子，其特征在于，所述空旷区域铜箔(13)为扇环形。

9.一种轴向磁通永磁电机，其特征在于，该轴向磁通永磁电机是双转子、中间定子结构，轴向磁通永磁电机的结构包括权利要求1-8所述的组合型无铁心定子、电机机壳(1)、转子背铁(2)、转子永磁体(3)、电机轴(4)、轴承(7)，所述组合型无铁心定子位于两个转子之间，通过pcb(5)上开设的定位孔(11)与电机机壳(1)固定连接。

技术总结
本发明涉及轴向磁通永磁电机技术领域，具体涉及一种用于轴向磁通永磁电机的串联匝数可调组合型无铁心定子，包括PCB和外部连接导线，其特征在于，PCB在结构上包括绕组铜箔、焊盘、基板；多个绕组铜箔、空旷区铜箔被印刻在每一层基板上；焊盘和定位孔分布于基板的外边缘位置；过孔位于每层基板的绕组铜箔上；轴孔位于基板的圆心位置；PCB由多个基板叠压形成多层结构；外部连接导线被焊接在PCB中的焊盘上。本发明优点是：1)每相分布式绕组仅需一层即可实现布线，各极相组间连线改在外部。2)降低了绕组端部电阻，提升了电机的效率。3)绕组串联匝数可更改，无需重新设计PCB上的铺铜路径，节省了设计不同PCB的开模成本。

技术研发人员：王晓远,李天元,赵晓晓
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17