柔性PCB绕组径向磁通微型永磁电机设计_吕佳徽.pdf

2023，50(7)研究与设计EMCA收稿日期:2023-03-07;收到修改稿日期:2023-04-03*基金项目:辽宁省教育厅基础项目(LJGD2020013)作者简介:吕佳徽(1999)，男，硕士研究生，研究方向为高品质永磁电机及特种电机系统。董婷(1982)，女，教授，博导，研究方向为交流伺服电机及其控制系统。柔性 PCB 绕组径向磁通微型永磁电机设计*吕佳徽，董婷(沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳110870)摘要:采用无槽结构的高速微型永磁电机在检测设备、医疗器械等方面应用广泛，但无槽电机绕组制作复杂，使用绕组印制技术可以简化绕组的制作过程。目前已有的印制技术多以刚性印制电路板(PCB)为载体应用于轴向磁通电机，对于径向磁通的高速电机来说，刚性 PCB 已无法满足绕组沿圆周方向分布的需求，柔性 PCB 绕组应运而生，不过目前还没有完整的柔性 PCB 绕组电机设计方案。因此，设计了一款高速微型柔性 PCB 绕组电机，针对柔性 PCB 绕组特有的缠绕不等距问题，提出了使用平均半径的解决方案，并通过仿真对电机进行了分析。结果表明，平均半径法解决了绕组缠绕不等距的问题，所设计的柔性 PCB 绕组电机能达到电机技术要求且具有良好的热稳定性。关键词:柔性 PCB 绕组;无槽电机;高速微型电机;有限元分析;温度场中图分类号:TM351文献标志码:A文章编号:1673-6540(2023)07-0013-08doi:1012177/emca2023073Design of adial Flux Permanent Magnet Micromotor withFlexible PCB Winding*L Jiahui，DONG Ting(School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)Abstract:High-speed permanent magnet micromotor with slotless structure is widely used in testing equipmentand medical equipment However，the production process of slotless motor winding is complicated，and the productionprocess of winding can be simplified by using winding printing technology At present，existing printing technologiesare mostly applied to motors with axial flux using rigid printed circuit board(PCB)as carrier For high-speed motorwith radial flux，rigid PCB can hardly meet the requirement for winding distribution along the circumference FlexiblePCB winding comes into being，but there is no complete design scheme of flexible PCB winding motor at presentTherefore，a high-speed micromotor with flexible PCB winding is designed In order to solve the problem of unequalwinding of flexible PCB winding，an average radius method is proposed and the motor is analyzed by simulation Theresults show that the average radius method solve the problem of unequal winding of flexible PCB winding，and thedesigred flexible PCB winding motor can meet the techaical requirements of the motor and has good thermal stabilityKey words:flexible PCB winding;slotless motor;high-speed micromotor;finite element analysis;temperature field0引言无槽永磁电机具有效率高、转矩纹波小、铁损耗低等优点1。这些优点使无槽永磁电机成为各种应用的理想候选者，通常是应用在电机转速高的场合24。此外，无槽永磁电机主要使用的是31研究与设计EMCA2023，50(7)气隙绕组，使得这种电机非常适合于电机的小型化5，同时也适合于在大规模生产情况下其制造和组装过程的自动化6。需要注意的是，绕组形式对无槽永磁电机的性能发挥着重要作用7。无槽永磁电机的气隙绕组通常由圆导线制成，这种绕组在制作时需要先进行分相排线，再进行固化封装，黏接到定子轭上才可使用，制作安装时较为复杂。近几年，随着印制绕组技术在轴向磁通盘式电机上的应用，使得印制电路板(PCB)绕组具有广阔的前景810。而对于径向磁通的电机来说，其绕组沿圆周方向分布，因此应用于轴向磁通盘式电机的刚性 PCB 绕组不适用于径向磁通的无槽永磁电机。柔性 PCB 因其挠度大，可以根据需要随意卷曲弯折，因此文献 11提出使用柔性PCB 绕组应用于径向磁通的无槽永磁电机，用柔性 PCB 上印制的绕组取代传统的绕线式绕组，然后将其卷起来，插入无槽永磁电机的气隙中。柔性 PCB 技术的改进，促使其在电机绕组制造领域中拥有更广泛的应用1213。此外，温度场分析对于柔性 PCB 绕组电机至关重要1416。由于绕组形式与常规绕线式绕组不同，需要额外验证校核柔性 PCB 这一材料能否耐得住电机工作时的温升，从而保障电机的热稳定性。综上所述，本文设计了一款额定转速为10 000 r/min，功率为 21 W 的柔性 PCB 绕组高速微型电机，之后验证该电机性能，并对电机进行温度场分析。1径向磁通微型永磁电机设计所提柔性 PCB 绕组电机为内转子结构，柔性PCB 绕组处于定子轭与永磁体之间，并沿电机定子轭将柔性 PCB 绕组缠绕固定，柔性 PCB 绕组电机基本结构如图 1 所示。11主要尺寸的确定按照所给定的功率与转速指标，径向磁通微型永磁电机的电磁负荷 A、B与电机主要尺寸之间具有如下关系:D2LefnP=61AB(1)式中:D 为电枢直径;Lef为电枢长度;n 为电机转图 1柔性 PCB 绕组电机基本结构示意图速;P 为电机的计算功率;为永磁电机的计算极弧系数;A 为电负荷;B为磁负荷。永磁电机的长径比为=LefD(2)在永磁电机的设计过程中一般认为 的范围处在 0615，之后根据长径比 及式(1)可以得到:D=361PABn(3)12电磁负荷的确定由于电机的功率 P 和电机的转速 n 在电机设计的起始阶段就已经给出了，而计算极弧系数 与电机的长径比 的变化很小，对整体设计的影响不大。因此，电机的主要尺寸数值，由电机的电磁负荷 A 和 B来确定。电负荷表达式如下:A=mIaN2aD(4)式中:m 为永磁电机的相数;N 为永磁电机的每槽导体数;2a 为电机绕组的并联支路数;Ia为永磁电机的电枢电流。磁负荷 B为B=Lef(5)式中:为永磁电机的每极主磁通;为永磁电机的极距。13气隙长度的确定对于无槽电机来说，由于其定子没有定子齿，电机绕组完全处于定转子之间的气隙中，导致其等效气隙偏大。因此，对于柔性 PCB 绕组电机来说，其绕组与转子轭之间的部分应尽量取得小一些，同时为了削弱由等效气隙大而导致气隙磁压降过大的影响，可以选择相对厚一些的永磁体，以412023，50(7)研究与设计EMCA增加磁动势。最终，电机各部分尺寸设计如表 1所示。表 1柔性 PCB 绕组径向磁通微型电机设计参数参数名称参数值定子外径/mm2100定子内径/mm1445永磁体厚度/mm300永磁体外径/mm1160轴向长度/mm1800单层柔性 PCB 厚度/mm020定转子间气隙长度/mm100额定功率/W21额定转速/(rmin1)10 000永磁体材料NdFeB40SH2柔性 PCB 绕组设计对于柔性 PCB 绕组来说，在结构上可以将其视为三个部分，分别是处于中间位置的柔性 PCB基板，柔性 PCB 基板两侧的印制铜箔以及将柔性PCB 绕组固化在定子轭上的固化胶，如图 2 所示。图 2柔性 PCB 绕组横切面展开图由图 1 可知，柔性 PCB 绕组在使用时需沿电机定子轭将其进行周向贴合并缠绕，而随着缠绕过程的进行，其所贴合面的半径在不断地改变，使得所缠绕的每一圈周向长度均发生着改变。倘若在进行柔性 PCB 布线时对每个铜箔导体依次等间距排列，在缠绕时就会因为所沿圆周半径发生改变而使得沿径向上各层铜箔导体位置发生偏移，进而影响电机性能，如图 3图 4 所示。图 3理想绕组的各相导体沿径向对齐为了更清晰地展现这种导体径向偏移的结构特点，图 5 和图 6 以 AZ 相绕组为例，分别给出图 4实际绕组的各相导体沿径向发生偏移了沿径向偏移前后的绕组截面拓扑图。从图 5 和图 6 中可以清晰地看出，绕组在缠绕时的缠绕半径不断变化，使得绕组不断发生偏移，进而导致沿径向上原本应处于同一相位的内外层绕组无法再沿径向对齐，原本沿径向同相位的导体将产生相位差。图 5沿径向未发生偏移时的 AZ 相绕组拓扑图图 6沿径向发生偏移时的 AZ 相绕组拓扑图不同于传统的绕线式绕组，上述现象是柔性PCB 绕组的一大特殊性，本文将这种现象称为柔性 PCB 绕组的缠绕不等距现象。为了防止电机性能受到影响，柔性 PCB 绕组的缠绕不等距问题需要得到解决。为了解决柔性 PCB 绕组的缠绕不等距问题并且简化模型，本文提出对所缠绕的各圈柔性PCB 缠绕半径均用平均半径去替代的方法，如图7 所示。图 7柔性 PCB 绕组平均半径的选择(以一圈为例)由图 7 可知，柔性 PCB 绕组按圈缠绕是一个压合的过程。以缠绕一圈为例，当柔性 PCB 绕组51研究与设计EMCA2023，50(7)沿电机定子轭圆缠绕一圈时，柔性 PCB 绕组的两端并不是处于对齐接合的状态，而是处于压合的状态，柔性 PCB 绕组的两端会相差一层柔性 PCB绕组的厚度。即柔性 PCB 绕组在缠绕的过程中，各圈柔性 PCB 绕组的两端处在不同的半径上，使用平均半径的方法可以将各圈的半径分别等效为其各自对应的平均半径，进而使得柔性 PCB 绕组的各相导体沿径向对齐，从而解决绕组缠绕不等距的问题。对于所缠绕的每一圈绕组，均用对应的平均半径作为该圈的半径，根据每圈的平均半径可以计算出每圈柔性 PCB 的平面展开周长，接下来只需在每段周长上将该圈导体平均分布排开布线。所缠绕的各圈周长是按照各圈的平均半径分别得出的，因此在缠绕时各圈的导体均能保证缠绕后内外层对齐，柔性 PCB 绕组的缠绕不等距问题得以解决。目前市场上高速小型电机的 PCB 印制绕组多选用 005 mm 规格，因此本文所选用的柔性PCB 基板厚度 h 为005 mm，基板两侧铜箔导体厚度 H 各为 005 mm，固化柔性 PCB 绕组的固化胶厚度 t 为 005 mm。综上，柔性 PCB 绕组层厚度 d为 02 mm，如图 8 所示。图 8柔性 PCB 绕组横切面尺寸示意图该电机所用的柔性 PCB 绕组依据定子轭与永磁体之间的气隙长度以及柔性 PCB 绕组的厚度综合分析后，