CN104716766A - 电磁电机 - Google Patents

Abstract

一种电磁电机，包括定子(11)和动子(12)，定子或动子之一具有绕组，或二者皆具有绕组，其中，至少一个绕组由印刷电路(13)制成。由于使用印刷电路作为绕组，不仅节省了用铜线绕制绕组的工时以及铜材料，且能够实现精确的线路设计，有利于电磁电机的小型化。

Description

电磁电机

技术领域

本发明涉及电机领域，包括电动机和发电机，具体涉及一种电磁电机。 

背景技术

电磁电机已有近200年的历史，用于基于电磁效应进行电能与机械能之间的转换。由于发电机与电动机的可逆性，本文中所称电机既包括发电机也包括电动机，或者是具有双重功能的可逆电机。简明起见，以下以电动机为例进行讨论，但本领域技术人员悉知，所涉及的技术也适用于发电机。

经过漫长的发展，电磁电机具有丰富的种类，但通常都具有定子和动子，本文中，将电机中运动的部件称为动子，将电机中相对固定的部件称为定子。可以按照不同的特性对电机的种类进行划分，例如，按照驱动电流，可分为直流电机和交流电机；按照定子与动子的结构，可分为轴向电机和盘式电机；按照励磁方式，可分为带励磁绕组的电机和不带励磁绕组的电机；按照动子的运动形态，可分为旋转电机和直线电机，其中旋转电机的动子又称为转子。上述不同特性可以叠加存在，产生各种不同形态的电机。

传统电机中的绕组通常采用铜线绕制而成，为保证绕线的一致性，有时使用专门的绕线设备进行绕制。这使得传统电机难以进入某些应用领域，例如微型电机领域。在这些领域，发展出其他类型的电机来取代电磁电机。例如超声电机（USM，Ultra Sonic Moto）。但是超声电机也有其局限性，工作电压高，制作的一致性不好，在共振模态下工作，生产效率不高等。 

发明内容

依据本发明提供一种电磁电机，包括定子和动子，定子或动子之一具有绕组，或二者皆具有绕组，其中，至少一个绕组由印刷电路制成。

依据本发明的电磁电机，使用印刷电路作为绕组，不仅节省了用铜线绕制绕组的工时以及铜材料，且能够实现精确的线路设计，有利于电磁电机的小型化。

以下结合附图，对依据本发明的具体示例进行详细说明。

附图说明

图1是依据本发明的一种轴向电机的定子和动子截面示意图；

图2是依据本发明的一种4层印刷电路的绕线方式示意图；

图3是依据本发明的另一种4层印刷电路的绕线方式示意图；

图4是依据本发明的一种印刷电路的平面布置方式示意图；

图5是实施例1的盘式电机的结构示意图；

图6是实施例1中动子的磁极面示意图；

图7是实施例2的盘式电机的定子和动子端面示意图；

图8是实施例2中定子和动子的磁芯与PCB或FPC绕组的组合示意图；

图9是实施例3的复合式电机定子和动子端面示意图；

图10是实施例3中定子端面的磁芯与PCB或FPC绕组的组合示意图；

图11是实施例4的直线电机的结构示意图；

图12是实施例4中定子的磁芯与PCB或FPC绕组的组合示意图；

图13是依据本发明的另一种直线电机的结构示意图。

具体实施方式

依据本发明的电磁电机的一个示例结构可参照图1，不失一般性地，图1中以轴向电机为例进行说明，适用于本发明的电机可以是其他类型的电机，例如盘式电机、直线电机等。本示例中，电机包括定子11和动子12，定子和动子均具有绕组13（简明起见，图中只画出了位于一个绕线槽中的绕组），这些绕组由印刷电路制成。当然，根据具体的电机设计，定子或动子也可以只有一者具有绕组。

本发明所称印刷电路可制作于硬板，例如印刷电路板（PCB, Print Circuit Board），也可制作于软板，例如柔性印刷电路板（FPC, Flexi ble Printed Circuit）。每一块PCB或FPC可以具有单层电路，也可以由两层以上电路组成，例如两层、四层、六层、八层、十层、十二层电路等。采用多层电路能够大幅压缩绕组所占的空间，减少线材成本，降低电阻损耗，减少发热。

印刷电路采用导电材料制成，例如可采用常规的铜材料或者其他金属及其复合材料，也可优选地采用超导材料，从而大幅降低电机的铜损和发热，提高电机的性能和可靠性，并有利于减小尺寸。例如已有提出的锡氟（Stanene）复合超导材料（斯坦福大学，张首晟教授），由其制成的锡氟单层晶格复合材料薄膜，其边缘具有常温下的超导性能，将这种超导薄膜材料用于PCB或FPC的电路制作，将带来优越的性能。

一个绕组可以由一块PCB或FPC来实现，也可以由两块以上PCB或FPC或二者的混合来实现。基于成熟的印刷电路制作技术，可以按照预定的线圈构造对印刷电路的结构进行排布，以整体（一块PCB或FPC）或多块拼装（端部需要连接的线路进行焊接）的方式来实现所需要的绕组。参见图2、图3和图4，示出了几种典型的印刷电路排布方式，图中箭头为示例的电流方向，本领域技术人员容易理解，可以根据绕组需要的构造相应设计印刷电路的排布和/或拼装方式。其中，图2中示出了轴向多层重叠的平面螺旋绕线方式，先在单层进行螺旋绕线然后通过穿孔进入另一层继续进行螺旋绕线，每一层螺旋电路可以是一块单层的PCB或FPC，也可以是多层PCB或FPC中的一层，层间通过导电通孔进行连接（下同）。图3中示出了径向多层嵌套的立体螺旋绕线方式，先在不同的层间螺旋绕线，再从内到外（或从外到内）进行立体螺旋绕线，可视为多个不同直径的立式线圈的嵌套。图4中示出了一种印刷电路的平面布置方式，采用FPC制作，按照虚线所示将FPC的端部进行焊接即可形成一组螺旋绕线，图4中印刷电路的布置方式也适用于PCB，不过由于PCB不可弯折，因此需要两块以上PCB进行拼接来形成螺旋绕线，图4中仅示出了一层线路布置，也可以有多层，分别进行对位焊接即可。

图1中绕组103可采用各种适合的印刷线路制成，例如可采用图4中的FPC制成，将一块或多块FPC（单层或多层）***线圈槽内，绕过定子11（或动子12）对应的部位后将端部焊接在一起即可获得需要的绕组，这种绕线方法加工简单，成本低且绕组更为轻巧，因此损耗也更小。由于线圈槽的不规则性，可以使用多块PCB或FPC来充分利用空间，此外，采用多层或多条FPC也有利于增加线圈的匝数。在实际生产中，为有利于散热以及绕组的固定，还可以为PCB或FPC制作散热包裹，例如可以使用导热胶对放置PCB或FPC绕组后的线圈槽进行灌注等。

在空间结构允许的情况下，定子（或动子）的全部绕组可印刷在单块PCB或FPC上，以获得更加紧凑和经济的电机。PCB或FPC上未印制电路的部分可以根据需要进行保留或开孔，以便于与定子或动子的机械结构进行配合，具体可根据实际需要进行设计。

由印刷电路充当的绕组，在将电路从PCB或FPC引出后即可按照所需要的电路连接方式进行连接，可以与传统铜线绕制的绕组的连接方式类似，不再赘述。因此，依据本发明的电机可采用传统的交流或直流驱动方式，也可采用步进驱动方式。通常，步进电机的运动控制是通过交替变换磁极的极性来实现的，电机的一步对应于一个磁极的位置，一般最小步长精度为一步或者半步，依据本发明的电机由于绕组采用PCB或FPC制作，因此，很多的控制芯片可以集成在PCB或FPC上，这大大方便了步进电机的控制实现。

以下通过具体实施例来对依据本发明的电磁电机进行举例说明。其中涉及前述已经详细描述的内容，例如可选的绕线方式等将不再赘述。

实施例1

依据本发明的电磁电机的一种实施方式可参考图5和图6，为一种盘式电机，包括定子101和动子102，其定子和动子具有中空结构，动子套设在定子之外。具体结构为，定子101表现为中空的定位套筒，固定在基板104（在本实施例中即为印刷定子绕组的PCB或FPC）上，至少一对动子磁极1022安装在动子的底部，基板上印刷有至少两个定子绕组（例如采用图2或图3所示的绕线方式）1013。动子套设在定位套筒外，能够绕定位套筒旋转；动子可以是一个纯铁芯，这种情况下，动子的磁极1022可以简单地嵌在铁芯中；动子也可以由塑胶等非磁性材料制成，动子的磁极1022安装在非磁性材料表面或嵌入其中；磁极不必突出端面，可通过增加一个罩壳使得磁极与罩壳的端面齐平甚至略微凹陷。当按一定规律向定子绕组供给交流或直流电时，在定子绕组与动子磁极之间将产生一个旋转磁场，该磁场通过磁极带着动子一起转动。

本实施例中，定子的全部绕组印刷在一整块PCB或FPC上，使得电机的整体结构紧凑；且动子套设在定子之外，形成空心的套筒结构，在某些特殊领域，例如光学领域具有很大的应用价值，可用于安装例如透镜组。在其他实施方式中，也可以是定子套设在动子之外，或者，动子也可以是实心的，这样虽不便用于光学应用，但可用于例如机械传动等应用。

实施例2

依据本发明的电磁电机的另一种实施方式可参考图7和图8，为一种盘式电机，包括定子201和动子202，与实施例1相比，主要区别在于动子具有用作励磁绕组的动子绕组2023。具体结构包括，动子的转子套筒2021套设在定子套筒2011内，定子基板204上还设置有两个定子电极（导电环）2014，两个动子电极（导电弹簧片）2024设置在动子基板（在本实施例中即为印刷动子绕组2023的PCB或FPC）205上，分别用于在旋转过程中与两个导电环保持电连接。使得定子201能够通过导电环和导电弹簧片向动子绕组供电。

本实施例中，动子端面与定子端面是接触的，动子磁极2022略矮于动子端面，而定子磁极2012的尺寸大于动子磁极凹陷产生的孔，这样，当动子端面滑过定子磁极时，不会产生磕碰。

为便于测量动子的位置以进行精确控制，本实施例中还将动子磁极2022用作霍尔磁环，在定子上设置霍尔感应器件206，以对动子的位置进行测量。

为获得紧凑的电机结构，本实施例中定子的全部绕组2013和动子的全部绕组2023分别印刷在一整块电路板上（即基板204和基板205）。为获得更加紧凑的电机结构，以及更好的电气性能，定子磁极2012和动子磁极2022均分别由一体化方法制成，例如，采用整体压制成型的铁芯或磁芯等，基板204和基板205上每个绕组的内部开有通孔，用于嵌入相应的磁极，如图8所示。在其他实施方式中，可以仅将定子或动子之一的绕组由一块PCB或FPC来制作，或者，仅对定子或动子之一的磁芯采用一体化方法制作。

实施例3

依据本发明的电磁电机的另一种实施方式可参考图9和图10，为一种以轴向电机为基础的复合式电机，包括定子301和动子302（轴向电机的定子和动子磁极未图示）以及以PCB或FPC实现的轴向电机的绕组303，其在定子和/或动子的一个端面上还设置有盘式电机的磁极和绕组。

所称盘式电机的磁极和绕组包括盘式电机的定子磁极和绕组（若有）和盘式电机的动子磁极和绕组（若有）。参考图10，盘式电机的定子磁极3012可以在定子的端面上由一体化方法制成，也可以单独安装上去。盘式电机的动子磁极可以与轴向电机的动子磁极集成在一起，也可以与轴向电机的动子磁极磁路分离，采用分离方式的盘式电机的动子磁极3022可以在动子的端面上由一体化方法制成，也可以单独安装上去，其磁路可以与轴向电机的动子磁极的磁路相连通也可以相互隔离。若盘式电机的动子磁极与轴向电机的动子磁极集成在一起，轴向电机与端面上的盘式电机（以下简称“端面电机”）为同步运行。若盘式电机的动子磁极与轴向电机的动子磁极分离，可以带来设计和应用上更大的自由度和灵活性。例如，端面电机与轴向电机的磁极对数可以不同；又如，端面电机和轴向电机可以用作不同的用途，比如一个用于驱动，另一个用于励磁；又如，端面电机和轴向电机可以一个采用交流驱动，而另一个采用直流驱动；又如，若用于车辆，端面电机和轴向电机可以在不同阶段发挥不同的作用，比如启动时全部用作电动机，匀速前进时，只使用其中一个电机，而在紧急刹车时，一个用来发电，另一个作反向驱动，以缩短刹车距离。

与实施例2中类似，端面电机的绕组，例如图10中的定子绕组3013，可印刷在一整块PCB或FPC基板304上，每个绕组的内部开有通孔，用于嵌入相应的定子磁极3012。若端面电机的动子具有动子绕组，也可以采用类似的方式来实现。

为了使端面电机更好地发挥作用，本实施例中，采用定子在内动子在外的结构，即定子的磁极和绕组在圆周方向上被动子的磁极和绕组所包围，这种结构使得动子的直径增加，从而增加端面电机的有效面积，进而增加复合式电机的能量密度。在其他实施方式中，也可以采用传统的定子在外动子在内的结构。此外，上述定子在内动子在外的结构也适用于不具有端面电机的轴向电机。

通常轴向电机的两端较为空闲，有很多空间未被利用，而盘式电机的轴向较为空闲，也有很多空间未被利用，因此本实施例通过在轴向电机的一端设置盘式电机能获得一种能量密度更高的复合式电磁电机，有利于重型设备的小型化。显然，在此思想指导下，根据需要，也可以在轴向电机的两端都设置盘式电机的磁极和绕组。

对于上述各种依据本发明的盘式电机（包括具有端面电机的复合式电机），在采用传统的步进电机驱动方法时具有特别的优势，其步进的自锁性能更好，单步的定位精度更高，步进电压（或电流）控制的阈值范围更大。这是由于盘式电机的电磁力，在磁场不变化时是沿着轴向方向的，而这个方向上的磁极的力的不对称性，不会导致电机的任何运动。因而，只有磁极的圆周位置的不对称性会导致电机各步位置的在精度上的细小差别，而依据本发明的盘式电机很容易采用一体化的PCB或FPC线圈及磁极结构，使得精度能够得到有效地保证。例如，参考图10，定子的两个相邻磁极之间的跨度307即为步进电机的一步。

实施例4

依据本发明的电磁电机的另一种实施方式可参考图11和图12，为一种直线电机，包括定子401（相当于直线电机的初级）和动子402（相当于直线电机的次级），其定子的绕组4013排成一列印刷在电路板上（图11中示意性地绘出了两层线路，表示PCB或FPC可以具有多层结构），每个绕组的内部开有通孔，用于嵌入相应的磁极或铁芯4012（图11中虚线轮廓表示被线路板遮挡的磁极或铁芯的底衬部分）。

由上述结构可以看出，由于形状的规则性，直线电机的绕组非常适于以PCB或FPC印刷线路的方式实现。参考图12，全部定子绕组可制作在一整块带有穿孔的PCB或FPC基板404上，制作和安装都很方便。当然，若定子长度很长，也可以使用多块PCB或FPC。定子磁极或铁芯可以采用一体化方法整体压铸而成，也可以采用多块（或多片）安装而成。

此外，本领域技术人员悉知，直线电机也可以采用次级固定，初级运动的方式，如图13所示，其中定子501相当于直线电机的次级，动子502相当于直线电机的初级，在这种情况下，动子磁极与绕组的结构与上述定子磁极与绕组的结构类似，不再赘述。

以上描述的皆为双边直线电机，若去除双定子中的一个定子（或双动子中的一个动子）即为单边直线电机。

以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，应该理解，以上实施方式只是用于帮助理解本发明，而不应理解为对本发明的限制。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，可以对上述具体实施方式进行变化。 

Claims (12)

1.一种电磁电机，包括定子(1)和动子(12)，所述定子和/或动子具有绕组，其特征在于，至少一个所述绕组由印刷电路(13)制成。

2.如权利要求1所述的电磁电机，其特征在于，所述印刷电路制作于印刷电路板PCB或柔性印刷电路板FPC，所述PCB或FPC由一层或两层以上电路组成，和/或，

所述印刷电路采用超导材料，所述超导材料包括锡氟复合超导材料。

3.如权利要求2所述的电磁电机，其特征在于，所述PCB或FPC上的印刷线路采用轴向多层重叠的平面螺旋绕线方式，和/或径向多层嵌套的立体螺旋绕线方式，和/或端部焊接的平面布置方式。

4.如权利要求1-3任意一项所述的电磁电机，其特征在于，所述电机为轴向电机。

5.如权利要求4所述的电磁电机，其特征在于，所述轴向电机在定子和/或动子的一个端面上还设置有盘式电机的磁极和绕组；或者，

在定子和/或动子的两个端面上还设置有盘式电机的磁极和绕组。

6.如权利要求5所述的电磁电机，其特征在于，所述定子端面上的盘式电机的磁极由一体化方法制成；和/或，

所述动子端面上的磁极与轴向电机的动子磁极一体化集成在一起，或者与轴向电机的动子磁极磁路分离且由一体化方法制成，或者与轴向电机的动子磁极磁路分离且单独安装在动子端面。

7.如权利要求4所述的电磁电机，其特征在于，所述轴向电机的定子的磁极和绕组在圆周方向上被动子的磁极和绕组所包围。

8.如权利要求1-3任意一项所述的电磁电机，其特征在于，所述电机为盘式电机。

9.如权利要求8所述的电磁电机，其特征在于，所述盘式电机的定子和/或动子具有中空结构，定子套设在动子之外，或者，动子套设在定子之外。

10.如权利要求8或9所述的电磁电机，其特征在于，所述盘式电机的定子或动子的全部绕组印刷在一整块电路板上，或者，定子和动子的全部绕组分别印刷在一整块电路板上。

11.如权利要求10所述的电磁电机，其特征在于，所述定子或动子的磁极由一体化方法制成，或者，所述定子和动子的磁极分别由一体化方法制成；所述电路板上每个绕组的内部开有通孔，用于嵌入相应的磁极。

12.如权利要求1-3任意一项所述的电磁电机，其特征在于，所述电机为直线电机，其定子或动子的绕组排成一列印刷在电路板上，每个绕组的内部开有通孔，用于嵌入相应的磁极或铁芯。