Фазная статорная обмотка на печатной плате
PHASE STATOR WINDING ON A PRINTED CIRCUIT BOARD

Изобретение относится к электроэнергетике и может применяться для аксиальных генераторов, преимущественно в диапазоне от 0 Вт до 100 кВт, в ветроэнергетических установках, для гидрогенераторов, валогенераторов или навесных генераторов двигательных установок большой мощности, мобильных двигательных установок, включая автомобили. Также изобретение может быть использовано для аксиальных или линейных двигателей, в особенности для электротранспорта, а также в областях техники, в которых требуется регулируемый электропривод.
Известна статорная обмотка, используемая в тихоходном магнитоэлектрическом генераторе, которая представляет собой якорную обмотку на наружной поверхности статора в виде плоских медных печатных плат, уложенных в три слоя и изолированных между собой композитным материалом (Патент на полезную модель РФ 157778, опубл. 10.12.2015) [1]. В известном решении не используется вся площадь печатной платы под размещение фазной обмотки, выполненной по типу меандра, что снижает эффективность электромагнитного взаимодействия статора и ротора электрической машины. Конструкция известной фазной обмотки также не предполагает возможности последовательного и/или параллельного соединения нескольких плат в единую фазную обмотку для наращивания витков обмотки или увеличения общей площади сечения проводника для адаптации параметров статора под различные технические требования.
Известна статорная обмотка, используемая в статоре ротационной электрической машины с аксиальным полем. Обмотка размещена на проводниковых слоях, выполненных на печатных платах. При этом каждый проводниковый слой содержит набор радиальных проводников, пару внешних проводников и множество внутренних проводников (Патент на изобретение РФ 2294588, опубл. 27.02.2006) [2]. Конструкция известной обмотки имеет большое число внутренних соединений и высокую технологическая сложность сборки, что существенным образом снижает надежность обмотки в целом. Проводниковые слои обмотки не в полной мере заполнены радиальными проводниками, в т.ч. из-за большого числа внутренних соединений, что приводит к неэффективному использованию площади проводникового слоя и дополнительным электрическим потерям.
Известна фазная обмотка, применяемая в статоре электрической машины, содержащем печатные платы, имеющие множество электропроводящих катушек, соединенных между собой внутри печатной платы (межд. заявка WO 2019190959, опубл. 03.10.2019) [3]. Известный статор характеризуется высокой сложностью коммутации фазных обмоток, реализуемой с помощью большого числа металлизированных отверстий и посредством заранее подготовленных клеммных площадок. Применение указанных площадок с отверстиями ограничивает возможность наращивания фазных слоев для достижения задаваемых параметров статора. Катушки статорной обмотки на печатных платах имеют высокую удельную длину лобовых частей, что приводит к неэффективному использованию площади плат и дополнительным электрическим потерям.
Настоящее изобретение представляет собой разновидность фазной обмотки статора аксиальной или линейной электрической машины, реализуемой в виде катушек из электропроводящих дорожек на печатной плате.
Задача изобретения заключается в создании усовершенствованной фазной обмотки или ее части (в случае последовательного и/или параллельного соединения - частей, размещаемых на нескольких печатных платах), состоящей из размещенных на печатной плате и сгруппированных в катушки электропроводящих дорожек; характеризующейся высокой эффективностью использования площади печатных плат для размещения обмотки и ее активных частей, упрощении конструкции обмотки и снижении числа внутренних соединений, наличием возможности соединения нескольких плат в единую фазную обмотку для наращивания числа витков обмотки или увеличения общей площади сечения проводника для адаптации параметров статора под различные технические требования, снижении электрических потерь за счет сокращения длины лобовых частей, не принимающих участие в электромагнитном взаимодействии.
Технические результаты, достигаемые заявленным изобретением, заключаются в снижении габаритных размеров катушек и обмотки в целом и уменьшении величины активного сопротивления обмотки.
Для достижения указанных технических результатов предлагается фазная статорная обмотка на печатной плате, состоящая из электропроводящих дорожек печатной платы, сгруппированных в последовательно соединенные катушки, при том, что на одной печатной плате размещена обмотка или часть обмотки только одной фазы; указанная печатная плата путем последовательной и/или параллельной коммутации может быть соединена с другими печатными платами той же фазы; при этом фазная обмотка вместе с фазными обмотками других фаз образует трехфазную обмотку электрической машины, отличающаяся тем, что электропроводящие дорожки печатной платы сгруппированы в катушки по числу полюсов электрической машины, причем в каждой паре катушек каждая вторая катушка включена встречно по отношению к первой катушке в своей и последующей паре, а выводы начала и конца фазной обмотки образованы началами первой и последней катушек обмотки соответственно.
В частном случае катушки размещены на обеих сторонах печатной платы, причем каждая катушка состоит из двух частей на наружной и внутренней сторонах печатной платы, а в каждой паре частей катушек наружной стороны каждая вторая часть включена встречно по отношению к первой, и в паре частей наружной стороны часть второй катушки согласно присоединена к ответной части катушки на внутренней стороне, включенной встречно в пару с частью последующей катушки на внутренней стороне, которая далее согласно соединена с ответной частью на наружной стороне и образует новую пару, а выводы начала и конца фазной обмотки образованы началами частей первой и последней катушек на наружной стороне, а концы частей первой и последней катушек на наружной стороне согласно соединены со своими ответными частями на внутренней стороне.
В частном случае - в аксиальной электрической машине - фазная обмотка может быть размещена на кольцеобразной печатной плате.
В частном случае - в линейной электрической машине - фазная обмотка может быть выполнена развернутой на плоскости и незамкнутой. В настоящем изобретении реализована такая компоновка катушек и соединений между ними, которая позволяет сориентировать направления укладки витков у любых расположенных рядом катушек в обмотке зеркально-симметрично друг к другу с той целью, чтобы полное покрытие по ширине одним полюсом электрической машины группы однонаправленных витков достигалось бы не витками половины одной катушки, как это реализовано в классическом исполнении у фазных обмоток с числом катушек, равным числу пар полюсов, включая прототип [3], а двумя примыкающими половинами двух соседних катушек с однонаправленными витками.
Указанная в заявленном изобретении компоновка достигается за счет встречного соединения соседних катушек, когда конец первой катушки соединен не с началом следующей, а с ее концом, а начало второй - с началом третьей и так далее. Таким образом, условное направление укладки витков катушек совпадает у катушек, расположенных через одну друг по отношению к другу, а у соседних катушек направление укладки витков зеркально-симметричное.
Для реализации указанной компоновки катушек необходимо вдвое увеличить число катушек фазной обмотки по сравнению с классическим исполнением обмотки на печатной плате и прототипом [3], у которого число катушек равно числу пар полюсов электрической машины. А это, в свою очередь, приводит к двукратному снижению числа витков в катушке и существенному сокращению длины непродуктивных с точки зрения электромагнитного взаимодействия в электрической машине лобовых частей обмотки, а также длины их вылета, которую для аксиальных и линейных электрических машин следует рассматривать как превышение габаритной ширины обмотки (для аксиальной машины это разность радиусов по внешней и внутренней кромкам обмотки) над длиной активных участков витков (или «пазовой части» обмотки для классических электрических машин с сердечником). Длина вылета лобовых частей обмотки пропорциональна числу лобовых соединений или витков в катушке и может быть рассчитана как произведение числа витков в катушке, умноженное на сумму ширины дорожки с учетом межвиткового зазора. Совокупная длина лобовых частей, включая вылет, изменяется в зависимости, близкой к сумме арифметической прогрессии (с незначительными погрешностями, связанными, в-основном, с конфигурацией витков). Но теоретический эффект сокращения длины лобовых частей близкий к двукратному (при переходе к удвоенному числу катушек и, соответственно, вдвое меньшему числу лобовых соединений, при сохранении ширины дорожки) не может быть достигнут из-за наличия перемычки, встречно соединяющей две смежные катушки, и на практике происходит сокращение длины лобовых частей в 1,7÷1,9 раза, которое варьируется из-за формы такой перемычки, радиуса внешней кромки обмотки, ширины дорожек, числа катушек и пр.
Следует отметить, что в случае размещения катушек только на одной стороне печатной платы как для классического исполнения обмотки на печатной плате, включая прототип [3], так и в предлагаемом изобретении, для последовательного соединения катушек друг с другом потребуются дополнительные перемычки, которые могут быть размещены, например, на обратной стороне двухсторонней печатной платы или другом слое многослойной платы. Поэтому, оптимальным с точки зрения использования площади печатной платы следует считать вариант, где катушки размещены на обеих сторонах двухсторонней печатной платы, и необходимость в дополнительных перемычках отпадает естественным образом из-за наличия дорожек обмоток на обратной стороне (другом слое) платы, а соединение частей катушки на наружной и внутренней сторонах печатной платы осуществляется при помощи металлизированного сквозного отверстия в центре концентрической катушки.
Таким образом, при переходе к предлагаемой в данном изобретении компоновке катушек с числом, равным числу полюсов электрической машины, с сохранением прочих параметров обмотки достигнуто требуемое снижение длины витков катушек и обмотки в целом на величину сокращаемых в 1,7÷1,9 раза длины лобовых частей, габаритных размеров катушек и обмотки в целом по ее ширине на удвоенное значение суммарной ширины дорожек у сокращаемых в катушке витков и межвитковых зазоров за вычетом ширины одной дорожки, используемой в качестве перемычки между смежными катушками, а также уменьшения активного сопротивления обмотки на величину, пропорциональную сокращаемой длине лобовых частей.
Таким образом, снижаются габаритные размеры катушек и обмотки в целом за счет изменения компоновки катушек и сокращения длины ее лобовых частей, не принимающих участия в электромагнитном взаимодействии. При этом все остальные параметры обмотки, такие как число витков, ширина дорожек, длина и расположение активных радиальных участков витков катушек, толщина печатной платы, возможность объединять несколько печатных плат в фазную обмотку статора за счет их последовательного и/или параллельного соединения, остаются неизменными.
Конструкция фазной обмотки на печатной плате иллюстрируется фиг. 1 - с видом сверху на наружную сторону печатной платы с числом катушек, равным числу полюсов электрической машины, фиг. 2 - с видом сверху на проекцию внутренней стороны печатной платы с числом катушек, равным числу полюсов электрической машины, фиг. 3 - с видом сверху на наружную сторону печатной платы с числом катушек, равным числу пар полюсов электрической машины, фиг. 4 - с видом сверху на проекцию внутренней стороны печатной платы с числом катушек, равным числу пар полюсов электрической машины, фиг. 5 - сравнительная схема обмоток с контурами катушек и направлениями витков, причем:
1 - печатная плата;
2 - части катушки фазной обмотки на наружной стороне печатной платы с числом катушек, равным числу полюсов электрической машины;
3 - части катушки фазной обмотки на внутренней стороне печатной платы с числом катушек, равным числу полюсов электрической машины;
4 - коммутационное углубление печатной платы;
5 - выходная клемма начала фазной обмотки;
6 - выходная клемма конца фазной обмотки;
7 - монтажные отверстия;
8 - части катушки фазной обмотки на наружной стороне печатной платы с числом катушек, равным числу пар полюсов электрической машины;
9 - части катушки фазной обмотки на внутренней стороне печатной платы с числом катушек, равным числу пар полюсов электрической машины;
10 - условное направление витков части катушек на наружной стороне печатной платы;
11 - условное направление витков части катушек на внутренней стороне печатной платы.
Примеры.
Статор аксиальной электрической машины с двенадцатью парами полюсов содержит фазную обмотку на двухсторонней печатной плате 1. Рассматривается фазная обмотка фазы А, печатные платы фаз В и С идентичны, при формировании трехфазной статорной обмотки печатные платы будут повернуты на угол -120 и -240 электрических градусов соответственно, используя заранее заготовленные монтажные отверстия 7.
Печатная плата 1 может быть выполнена, например, из фольгированного стеклотекстолита, и содержит двадцать четыре катушки фазной обмотки с числом катушек, равным числу полюсов (фиг. 1 и фиг. 2), в виде электропроводящих медных дорожек шириной 2,5 мм и разделенных минимальным зазором в 0,2 мм, каждая из которых состоит из части 2 на наружной стороне печатной платы и включенной согласно части 3 на внутренней стороне платы, соединение двух частей произведено с помощью сквозного металлизированного отверстия в центре катушки, что проиллюстрировано на фиг. 1, фиг. 2. Пять витков каждой части катушки 2 и 3 выполнены концентрическими, при этом геометрически укладка витков частей катушек 2 направлена внутрь против вращения часовой стрелки, а укладка витков частей катушек 3 в продолжение укладки витков частей катушек 2 - направлена от центра против часовой стрелки.
Для коммутации печатной платы последовательно и/или параллельно с другими платами той же фазы выходные клеммы начала 5 и конца 6 фазной обмотки могут быть соединены с клеммами обмоток других плат с использованием коммутационных углублений 4.
Важно отметить, что для последовательного соединения двух и более печатных плат в одной фазе путем предварительного переворота каждой второй платы внутренней стороной наружу с последующим соединением выходных клемм, расположенными одна над другой, по принципу «конец обмотки одной платы - начало обмотки другой платы» или наоборот, необходимо обеспечить смену условных направлений всех витков обмотки при перевороте платы внутренней стороной наружу. Для этого в предлагаемом изобретении катушки должны быть расположены, как это представлено на фиг. 1 и фиг. 2. А именно, ось, вокруг которой осуществляется переворот, равноудаленная от выходных клемм 5 и 6, должна проходить через центр одной из катушек. В предлагаемом изобретении - через центр последней катушки. В этом случае переворот платы обеспечивает смену условных направлений витков обмотки на противоположный.
За исключением наружной части первой и последней катушек с клеммами 5 и 6, соответственно, все остальные части катушек для описания их соединения в обмотку предлагаемого изобретения с числом катушек, равным числом полюсов, разбиты на пары. Так, каждая пара частей 2 катушек наружной стороны включена встречно друг по отношению другу, и часть 2 второй катушки в паре на наружной стороне согласно присоединена к ответной части 3 катушки на внутренней стороне, включенной встречно в пару с частью 3 последующей катушки на внутренней стороне, которая далее согласно соединена с ответной частью 2 катушки на наружной стороне и образует новую пару на наружной стороне.
При этом части 2 первой и последней катушек на наружной стороне с клеммами начала 5 и конца 6 фазной обмотки согласно соединены со своими ответными частями 3 на внутренней стороне печатной платы.
Радиус наружной кромки фазной обмотки настоящего изобретения
- с числом катушек, равным числу полюсов, - включая перемычки между катушками, составляет для приведенного примера 157,00 мм, внутренней
- 85,45 мм, а совокупное число витков фазной обмотки статора, размещенной на обеих сторонах печатной платы, равно двумстам сорока, усредненная длина витков обеих частей двух смежных катушек, включая длину перемычек между катушками, - 2768 мм, из которых длина лобовых частей - 968 мм.
У фазной обмотки с числом катушек, равным двенадцати, что равно числу пар полюсов (фиг. 3 и фиг. 4), число витков в катушке равно двадцати, по десять у каждой части на наружной 8 и внутренней 9 сторонах печатной платы, ширина дорожек и минимальный зазор между ними одинаковы с параметрами катушек предлагаемого изобретения; 2,5 мм и 0,2 мм соответственно, обе части соединены согласно посредством сквозного металлизированного отверстия в центре концентрической катушки. Катушки последовательно и согласно соединены между собой с помощью второго сквозного металлизированного отверстия в следующем порядке: наружная часть первой катушки - ответная часть первой катушки на внутренней стороне - наружная часть второй катушки - ответная часть второй катушки на внутренней стороне, и далее вплоть до части последней двенадцатой катушки на внутренней стороне. К началу части 8 первой катушки и к концу 9 последней двенадцатой катушки подведены выходные клеммы начала 5 и конца 6 фазной обмотки.
Радиус наружной кромки фазной обмотки с числом катушек, равным числу пар полюсов, составляет для приведенного примера 166,80 мм, внутренней - 73,20 мм, а совокупное число витков фазной обмотки статора, размещенной на обеих сторонах печатной платы, равно двумстам сорока, усредненная длина витков двух частей одной катушки - 3592 мм, из которых длина лобовой части - 1792 мм.
На фиг. 5 представлена сравнительная схема обмоток обоих типов с контурами катушек и направлениями витков. Так, совмещенный контур обеих частей 2 и 3 катушек обмотки предлагаемого изобретения показан сплошной линией, а прерывистой - совмещенный контур частей 8 и 9 катушек обмотки с числом катушек, равным числу пар полюсов. Стрелками 10 и 11 показаны условные направления активных радиальных участков витков (где одна стрелка условно представляет группу из сонаправленных радиальных частей дорожек у пяти витков) на наружной и внутренней сторонах печатной платы. Схема на фиг. 5 наглядно показывает, что две смежные половины катушек обмотки предлагаемого изобретения всегда образуют группу из четырех сонаправленных стрелок, что, как ранее было определено, означает группу из 20 витков и идентично катушке обмотки с числом катушек, равным числу пар полюсов, с той лишь разницей, что края катушек обоих типов смещены на 90 электрических градусов. Таким образом, предлагаемая компоновка катушек фазной обмотки с числом катушек, равным числу полюсов, по своим электромагнитным параметрам (число витков на полюс, расположение активных радиальных участков витков, ширина витков и пр.) абсолютно равнозначна обмотке с числом катушек, равным числу пар полюсов.
Но сравнение габаритных и электрических параметров обмоток обоих типов однозначно указывает на существенные преимущества фазной обмотки предлагаемого изобретения с числом катушек, равным числу полюсов электрической машины. Так, габаритная ширина (разность радиусов по внешней и внутренней кромкам обмотки у аксиальной электрической машины) обмотки предлагаемого изобретения ниже в 1,31 раза или на 23,6%, чем габаритная ширина обмотки с числом катушек, равным числу пар полюсов. Длина витков и, соответственно, величина активного сопротивления обмотки - сокращена в 1,30 раза или на 22,9%, длина лобовых частей - уменьшена в 1,85 раза или на 46,0%.
Таким образом, предлагаемое изобретение усовершенствованной фазной обмотки на печатной плате статора аксиальной или линейной электрической машины с числом катушек, равным числу полюсов электрической машины, позволяет минимизировать длину витков катушек и фазной обмотки в целом, ее габаритную ширину, существенно снизить активное сопротивление обмотки.