Статорная обмотка на печатной плате с адаптивной топологией концентрических катушек Российский патент 2024 года по МПК H02K3/26 H02K3/28 

Техническая область

Изобретение относится к электроэнергетике и может применяться для аксиальных синхронных электрических машин преимущественно в диапазоне от 0 Вт до 100 кВт. В частности, для аксиальных генераторов в ветроэнергетических установках, для гидрогенераторов, валогенераторов или навесных генераторов двигательных установок. Также изобретение может быть использовано для аксиальных электродвигателей, в особенности для электротранспорта, а также в любых областях техники, в которых требуется регулируемый электропривод.

Предшествующий уровень техники

Известна интегрированная статорная обмотка аксиальной электрической машины, выполненная в виде многослойной печатной платы, каждый из слоев содержит плоские катушки, распределенные вокруг оси вращения и перпендикулярно ей, причем катушки могут состоять из двойных противоположно навитых спиралей, соединенных внутренними переходными отверстиями (заявка GB2485185A, Великобритания, опубл. 09.02.2012) (1). Катушки известной обмотки с классической радиально-арочной компоновкой ее витков имеют ограничения по длине их радиальных частей из-за необходимости вместить в узкой внутренней части катушки заданное число витков с учетом их ширины, межвиткового зазора и переходных отверстий в центре катушки.

Известна статорная обмотка аксиальной электрической машины, выполненная в виде многослойной печатной платы, каждый слой содержит множество катушек, симметрично расположенных в одной плоскости и соединенных в пару с катушкой на другом слое печатной платы, причем каждая катушка имеет в одной плоскости непрерывный концентрический вид от внешней части катушки до внутренней (Европейская заявка EP4007123A1, опубл. 01.06.2022) (2). Катушки известной обмотки с классической радиально-арочной компоновкой ее витков не предусматривают использование печатной платы под радиальные части витков меньше предельного радиуса, сформированного плотной укладкой витков во внутренней части концентрической катушки.

Известна статорная обмотка аксиальной электрической машины, выполненная в виде многослойной печатной платы, состоящей из по меньшей мере одной пары слоев, закреплённых за одной фазой электрической машины, причем каждый слой печатной платы содержит катушки, соединенные с соответствующей катушкой на другом слое печатной платы с помощью соответствующего металлизированного переходного отверстия, а количество витков в каждой катушке кратно числу фаз (Европейская заявка EP4243245A1, опубл. 13.09.2023) (3). Катушки известной обмотки с классической радиально-арочной компоновкой ее витков не используют в полной мере все свободное пространство из-за угловой ширины концентрической катушки, способной разместить на ее внутренней суженной части лишь ограниченное число витков катушки с заданной шириной и зазорами между ними.

Известна многофазная статорная обмотка аксиальной электрической машины, выполненная в виде многослойной печатной платы с катушками по числу полюсов электрической машины, каждая катушка состоит из двух частей на основном и дополняющем слоях печатной платы, причем части катушек на одном слое соединены встречно-последовательно в чередующиеся пары и соединены со своими вторыми частями катушек, аналогичным образом объединенные в пары, на другом слое (межд. заявка WO2024019630, опубл. 25.01.2024) (4). Катушки известной обмотки с классической радиально-арочной компоновкой ее витков ограничены в своих радиальных габаритах шириной внутренней части концентрической сегментообразной катушки, способной вместить в себя все витки катушки с учетом их ширины и требуемых зазоров, и не используют всю доступную площадь печатной платы.

Задача и технические результаты

Задача заявляемого изобретения заключается в создании и реализации статорной обмотки на печатной плате, состоящей из концентрических сегментообразных катушек, которая задействовала бы все доступное пространство для активной зоны катушек с радиально направленными участками ее витков, обеспечивая тем самым увеличение совокупной длины этих участков в обмотке, повышение мощности, ЭДС или крутящего момента аксиальной электрической машины.

Технические результаты, достигаемые заявленным изобретением, заключаются в повышении ЭДС и крутящего момента для генераторного и двигательного режимов работы электрической машины соответственно, увеличении ее мощности и КПД.

Решение задачи

Для решения задачи предлагается статорная обмотка на печатной плате с адаптивной топологией концентрических катушек, характеризующаяся соединенными в единую электрическую цепь сегментообразными, сужающимися к оси вращения концентрическими катушками;

причем витки каждой катушки выполнены в виде непрерывных и уложенных по спирали электропроводящих дорожек на печатной плате;

причем взаимодействие магнитного поля ротора с витками катушки локализовано внутри активной зоны катушки, ограниченной расположенными в пределах катушки дугами внешнего и внутреннего радиусов активной зоны, и формирует за ее пределами внешнюю и внутреннюю пассивные части катушки;

при этом у витков, расположенных в катушке периферически, радиально направленные участки размещены между дугами внешнего и внутреннего радиусов активной зоны катушки и соединены между собой дорожками внешней и внутренней пассивных частей катушки;

при этом внутри активной зоны катушки расположена промежуточная соединительная зона с дорожками для соединения между собой радиально направленных участков витков, расположенных в центре катушки;

при этом радиально направленные участки указанных центральных витков размещены между дугой внешнего радиуса активной зоны катушки и промежуточной соединительной зоной и соединены между собой дорожками внешней пассивной части катушки и промежуточной соединительной зоны.

Статорная обмотка может быть размещена на двух и более слоях многослойной печатной платы.

Статорная обмотка может быть образована последовательным и/или параллельным соединением катушек, расположенных на разных слоях.

Статорная обмотка может состоять из нескольких изолированных фазных обмоток с необходимым угловым смещением и формировать многофазную статорную обмотку.

Статорная обмотка для укладки радиально направленных участков центральных витков может содержать две и более промежуточные соединительные зоны, расположенные внутри активной зоны каждой катушки.

Заявленная статорная обмотка характеризуется компоновкой витков катушки с подстраивающимся или адаптивным расположением промежуточной соединительной зоны внутри активной зоны катушки под требуемые параметры обмотки, называемой далее адаптивной топологией. Адаптивная топология напрямую влияет на распределение витков катушки на центральные и периферически расположенные, что предоставляет возможность для удлинения радиально направленных участков периферически расположенных витков и увеличения общей длины радиально направленных витков в пределах активной зоны катушки.

Поясним также, что активная зона концентрической сегментообразной катушки образована взаимодействием магнитного поля ротора с витками катушек статорной обмотки и имеет выраженные границы в виде дуг окружностей с внешним и внутренним радиусами активной зоны. Для максимальной эффективности электромагнитного взаимодействия участки витков в активной зоне катушки должны иметь радиальную направленность.

Внутренняя пассивная часть катушки расположена от дуги внутреннего радиуса активной зоны ближе к оси вращения, внешняя, наоборот, от дуги внешнего радиуса активной зоны дальше от оси вращения. Ширина внутренней части меньше внешней из-за углового расхождения радиальных границ катушки. Именно это определяет и ограничивает число и ширину витков катушки, размещаемых на дуге внутреннего радиуса активной зоны. Поскольку пассивные части, известные также как лобовые части, расположены вне зоны магнитного поля ротора, а также в большей части имеют тангенциальное расположение, в электромагнитном взаимодействии не участвуют, тем не менее имеют активное сопротивление, следовательно, создают нежелательные потери энергии, снижая общую эффективность или КПД электрической машины.

Заявленное изобретение характеризуется промежуточной соединительной зоной - областью, расположенной внутри активной зоны катушки и содержащей дорожки, соединяющие радиально направленные участки центральных витков. Ее наличие позволяет уложить по спирали центральные витки с сокращенной длиной радиально направленных участков, ограниченных дугой внешнего радиуса активной зоны катушки и промежуточной соединительной зоной. В то же самое время наличие промежуточной соединительной зоны устраняет ограничения для удлинения радиально направленных участков периферически расположенных витков катушки; указанные участки размещены между дугами внешнего и внутреннего радиусов активной зоны катушки.

Положение промежуточной соединительной зоны и число соединенных ею центральных витков катушки при заданных ширине и общем числе витков определяет число периферически расположенных витков, радиально направленные участки которых размещены между дугами внешнего и внутреннего радиусов активной зоны, что в свою очередь устанавливает минимально возможные внутренний радиус активной зоны катушки и ширину катушки на нем.

Ключевое отличие заявленного изобретения от аналогов заключается в том, что наличие промежуточной зоны внутри активной зоны катушки позволяет соединить между собой радиально направленные участки центральных витков не дорожками внутренней пассивной части катушки, а дорожками промежуточной соединительной зоны, находящейся внутри активной зоны, что позволяет уменьшить внутренний радиус активной зоны, используя соответствующую дугу для укладки только периферически расположенных витков катушки, увеличить длину их радиально направленных участков, в полной мере использовать доступную площадь печатной платы для размещения радиально направленных участков, включая участки центральных витков, высокая эффективность которых обусловлена большей удаленностью от оси вращения.

Таким образом в статорной обмотке с адаптивной топологией оптимальным образом используется доступное пространство для размещения активной зоны катушки с радиально направленными участками, что приводит к повышению мощности, ЭДС или крутящего момента аксиальной электрической машины.

Указанный вывод базируется на следующем. Значения ключевых параметров ЭДС и крутящего момента аксиальной электрической машины определяются ниже формулами для и соответственно.

Где - ЭДС радиального участка одной половины витка, - значение индукции магнитного поля в воздушном зазоре, - длина радиального участка одной половины витка, заключенной между внешним и внутренним радиусами активной зоны, - угловая скорость вращения магнитного поля ротора, - средний радиус активной зоны, - момент вращения радиального участка одной половины витка, - значение силы тока в катушке, - конструктивный параметр обмотки, отражающий отношение внутреннего радиуса активной зоны к внешнему.

Оба параметра и находятся в прямой квадратичной зависимости от внешнего радиуса активной зоны и обратной - от отношения внутреннего радиуса активной зоны к внешнему. Поскольку параметры внешнего и внутреннего радиусов активной зоны с радиально направленными участками витков идентичны для всех катушек обмотки, следовательно, для создания высокоэффективных аксиальных электрических машин с максимальными ЭДС и крутящим моментом необходимо, чтобы вся обмотка имела в первую очередь максимальный внешний, а затем и минимальный внутренний радиус активной зоны.

Полная мощность электрической машины переменного тока и аксиальной, в частности, в рабочем режиме находится в близко к квадратичной зависимости от ее ЭДС (или противо ЭДС) и обратно пропорциональна полному внутреннему сопротивлению обмотки. Поскольку активное сопротивление обмотки составляет крайне малую часть полного сопротивления обмотки и всей цепи, то определяющим фактором для повышения мощности также является расширение активной зоны взаимодействиями с магнитным полем ротора.

Основываясь на вышеизложенном, превалирующими факторами для достижения максимальных ЭДС или крутящего момента, мощности, а также и оптимизации общей эффективности и повышения КПД электрической машины со статорной обмоткой и концентрическими катушками на печатной плате являются максимизация внешнего и минимизация внутреннего радиусов активной зоны взаимодействия с магнитным полем ротора, что в полной мере реализовано в заявляемом изобретении за счет использования промежуточной соединительной зоны с адаптивным расположением и числом соединенных ею центральных витков катушки, так что достигаемые с ее помощью распределение и укладка витков катушки, когда у периферически расположенных витков радиально направленные участки размещены между дугами внешнего и внутреннего радиусов активной зоны, позволяет существенно уменьшить внутренний радиус активной зоны катушки и увеличить длину радиально направленных участков периферически расположенных витков, при этом эффективно разместить центральные витки катушки, используя преимущество их большей удаленности от оси вращения.

Таким образом, за счет применения адаптивной топологии с удлинением радиально направленных участков у части наружных витков катушек по сравнению с традиционной компоновкой витков катушек статорной обмотки на печатной плате и прототипом (4) достигается: совокупное удлинение радиальных участков витков катушек, вступающих в электромагнитное взаимодействие с магнитным полем ротора; повышение эффективности использования площади печатных плат для размещения обмотки и ее активных радиальных частей; повышение мощности, ЭДС, крутящего момента электрической машины, приводя тем самым к увеличению ее общей эффективности и КПД. Величина достигаемых изменений варьируется в значительной степени от заданных в каждом конкретном случае параметров обмотки.

Краткое описание чертежей

Конструкция заявленного изобретения иллюстрируется чертежами трех вариантов концентрических катушек и шести слоев многослойной печатной платы статорной обмотки трехфазной аксиальной электрической машины обращенной конструкции.

На [фиг. 1] - концентрическая катушка статорной обмотки на сегменте печатной кольцеобразной платы с адаптивной топологией и пятью витками.

На [фиг. 2] - концентрическая катушка статорной обмотки на сегменте печатной кольцеобразной платы с классической компоновкой и тремя витками.

На [фиг. 3] - концентрическая катушка статорной обмотки на сегменте печатной кольцеобразной платы с классической компоновкой и пятью витками.

На [фиг. 4] - первый слой многослойной печатной платы с верхним слоем обмотки фазы А, состоящей из концентрических катушек с адаптивной топологией и пятью витками, а также выходных клемм.

На [фиг. 5] - второй слой многослойной печатной платы с нижним слоем обмотки фазы А, состоящей из концентрических катушек с адаптивной топологией и пятью витками.

На [фиг. 6] - третий слой многослойной печатной платы с верхним слоем обмотки фазы В, состоящей из концентрических катушек с адаптивной топологией и пятью витками, а также выходных клемм.

На [фиг. 7] - четвертый слой многослойной печатной платы с нижним слоем обмотки фазы В, состоящей из концентрических катушек с адаптивной топологией и пятью витками.

На [фиг. 8] - пятый слой многослойной печатной платы с верхним слоем обмотки фазы С, состоящей из концентрических катушек с адаптивной топологией и пятью витками, а также выходных клемм.

На [фиг. 9] - шестой слой многослойной печатной платы с нижним слоем обмотки фазы С, состоящей из концентрических катушек с адаптивной топологией и пятью витками.

На указанных фигурах:

1 - печатная кольцеобразная плата статорной обмотки;

2 - ось вращения электрической машины;

3 - концентрическая катушка статорной обмотки;

4 - электропроводящая дорожка;

5 - контактная площадка в центре катушки с переходными отверстиями для соединения с катушками на другом слое;

6 - изолированная контактная площадка с переходными отверстиями для соединения катушек других фаз;

7 - дуга внешнего радиуса активной зоны катушки;

8 - дуга внутреннего радиуса активной зоны катушки;

9 - активная зона катушки;

10 - радиально направленные участки периферически расположенных витков катушки;

11 - радиально направленные участки центральных витков катушки;

12 - внешняя пассивная часть катушки;

13 - внутренняя пассивная часть катушки;

14 - промежуточная соединительная зона;

15 - выходные клеммы начала и конца обмотки;

16 - крепежные отверстия.

В таблице приведен сравнительный анализ параметров обмотки для всех трех приведенных вариантов концентрических катушек: с адаптивной топологией и пятью витками; с классической компоновкой и тремя витками, с классической компоновкой и пятью витками.

Статорная обмотка на печатной плате [1] с адаптивной топологией концентрических катушек содержит соединенные в единую электрическую цепь сегментообразные, сужающиеся к оси вращения [2] концентрические катушки [3]; витки каждой катушки [3] выполнены в виде непрерывных и уложенных по спирали электропроводящих дорожек [4] на печатной плате [1]; взаимодействие магнитного поля ротора с витками катушки локализовано внутри активной зоны [9] катушки, ограниченной расположенными в пределах катушки дугами внешнего [7] и внутреннего [8] радиусов активной зоны, и формирует за ее пределами внешнюю [12] и внутреннюю [13] пассивные части катушки; у витков, расположенных в катушке периферически, радиально направленные участки [10] размещены между дугами внешнего [7] и внутреннего [8] радиусов активной зоны катушки и соединены между собой дорожками внешней и внутренней пассивных частей катушки; внутри активной зоны [9] катушки расположена промежуточная соединительная зона [14] с дорожками для соединения между собой радиально направленных участков витков, расположенных в центре катушки [11]; радиально направленные участки центральных витков [11] размещены между дугой внешнего радиуса [7] активной зоны катушки и промежуточной соединительной зоной [14] и соединены между собой дорожками внешней пассивной части катушки и промежуточной соединительной зоны.

Пример осуществления изобретения

Использование предлагаемой статорной обмотки на печатной плате с адаптивной топологией концентрических катушек наиболее целесообразно для электрических машин с аксиальным направлением магнитного поля, но не ограничено только указанным типом электрических машин. А сама компоновка витков с подстраивающимся расположением промежуточной соединительной зоны внутри активной зоны катушки под требуемые параметры обмотки, включая число соединенных промежуточной соединительной зоной витков, может быть применена для любых типов концентрических сегментообразных катушек, размещаемых на печатной плате.

Концентрическая катушка с адаптивной топологией может быть соединена с другими катушками, расположенными как на том же слое печатной платы посредством электропроводящей дорожки, так и на других слоях многослойной печатной платы, используя переходные отверстия в центре катушки, и, будучи соединенной в единую цепь, образовывать статорную обмотку электрической машины на кольцеобразной печатной плате или плате в форме многоугольника или других аналогичных. Концентрическая катушка может состоять из нескольких катушек, размещенных одна над другой на различных слоях многослойной печатной платы и соединенных вместе последовательно или параллельно, при этом к любой катушке на любом слое многослойной печатной палаты в полной мере может быть применено заявленное решение.

В настоящем примере статорная обмотка на печатной плате с адаптивной топологией концентрических катушек используется в аксиальной электрической машине, где ротор аксиальной машины представляет собой два магнитопроводящих диска с расположенными на них постоянными магнитами в форме сегмента кольца с внешним и внутренним радиусами, соответствующими границам активной зоны катушек, причем статорная обмотка расположена между дисками с магнитами.

Концентрическая катушка [3] с адаптивной топологией (фиг. 1) на сегменте печатной кольцеобразной платы [1], пять витков которой выполнены в виде электропроводящих дорожек [4], состоит из активной зоны [9], находящейся в зоне действия магнитного поля ротора машины, вращающегося вокруг оси вращения [2], а также внешней [12] и внутренней [13] пассивных частей, известных также как лобовые части обмотки.

Витки катушки [3] по всей длине имеет одинаковую ширину. Допускаются также варианты с изменяемой шириной витков.

Дуги внешнего [7] и внутреннего [8] радиусов активной зоны формируют границы между внешней пассивной частью [12], активной зоной [9] и внутренней пассивной частью [13] катушки.

За исключением промежуточной соединительной зоны [14], дорожки которой уложены в форме полукруглой арки, участки витков внутри активной зоны [9] расположены радиально. Форма витков внутри пассивных частей обмотки может принимать любые формы, однако, чтобы обеспечить минимальную длину пассивных частей при наименьшем приросте радиальных габаритов обмотки, внутренняя пассивная часть [13] выполнена также в виде полукруглой арки, а внешняя пассивная часть [12] состоит из комбинаций нескольких сегментов круглых арок. Радиально направленные участки двух центральных витков [11] катушки соединены между собой в пределах активной зоны [9] электропроводящими дорожками промежуточной соединительной зоны [14], а также дорожками внешней пассивной части катушки [12]. А радиально направленные участки трех периферически расположенных витков [10] соединены дорожками внешней [12] и внутренней [13] пассивных частей катушки.

На дуге внутреннего радиуса [8] активной зоны катушки уложена лишь часть общего числа витков катушки [3] с длиной радиально направленных активных участков [10], соответствующей активной зоне [9] взаимодействия с магнитным полем ротора, а именно, три периферически расположенных витка из пяти. За счет этого ширина катушки [3] на дуге внутреннего радиуса [8] активной зоны, определяемая числом и шириной периферически расположенных витков, позволяет уменьшить внутренний радиус [8] активной зоны катушки до минимально допустимого для данной конфигурации витков значения и максимально увеличить длину радиально направленных участков периферически расположенных витков [10].

Радиально направленные участки периферически расположенных витков [10] катушки и радиально направленные участки центральных витков [11] катушки могут иметь незначительные угловые отклонения и/или обводы для огибания с соблюдением необходимого зазора других электропроводящих элементов печатной платы, таких как, например, контактной площадки [5] в центре катушки с переходными отверстиями для соединения с катушками на другом слое многослойной печатной платы и образования фазной статорной обмотки по способу, указанному в аналогах (3) и (4), а также изолированные контактные площадки [6], образованные переходными отверстиями катушек других фаз. Наличие обводов других электропроводящих элементов печатной платы и ограниченные угловые отклонения у радиально направленных участков витков катушки лишь в незначительной степени сказывается на ключевых параметрах обмотки и фактически влияют лишь на общую длину витков обмотки.

В результате внедрения промежуточной соединительной зоны [14] с адаптивным расположением и числом соединенных ею витков в пределах активной зоны [9] катушки достигается наиболее эффективное заполнение площади печатной платы [1] витками катушек статорной обмотки. При этом катушки статорной обмотки занимают максимально возможную площадь печатной платы [1], принимая во внимание все конструктивные и технологические ограничения, налагаемые такими параметрами обмотки как ширина и число витков, расположение выходных клемм, габариты корпуса и элементов внутренней полости машины, так и особенностями самих печатных плат - толщина электропроводящего слоя, зазор между дорожками и прочими, что приводит к увеличению активной зоны [9] катушки и совокупному удлинению радиально направленных участков витков катушки, повышение ключевых параметров - мощности, ЭДС и крутящего момента электрической машины.

Для анализа эффективности предлагаемой статорной обмотки на печатной плате с адаптивной топологией концентрических катушек используется сравнение с аналогичными статорными обмотками с катушками, образованными классически известным способом с радиально-арочной компоновкой витков и без промежуточной соединительной зоны по образцу аналогов (1), (2), (3) и (4).

На фиг. 2 приведен вариант использования классической компоновки витков катушки с числом витков, равным числу периферически расположенных витков у катушки с адаптивной топологией. Три витка концентрической катушки [3] при тех же параметрах (ширина витков и зазора), что и у катушки с адаптивной топологией, позволяют аналогичным образом разместить радиально направленные участки всех ее витков на дуге внутреннего радиусе активной зоны катушки [8], удаленным от оси вращения [2] на такое же расстояние, что и в случае катушки с адаптивной топологией.

Радиально направленные участки всех трех витков при этом уложены в пределах активной зоны [9] катушки между ее внешним [7] и внутренним [8] радиусами и соединены между собой дорожками внешней [12] и внутренней [13] пассивных частей катушки.

Площадь, занимаемая такой катушкой на поверхности печатной платы [1], эквивалента площади для размещения катушки с адаптивной топологией, однако число витков и совокупная длина радиально направленных участков у такой катушки с классической компоновкой трех витков значительно меньше, чем у катушки с адаптивной топологией. Тем не менее, за счет меньшего числа витков внешний радиус [7] активной зоны превышает аналогичный у катушки с адаптивной топологией, что незначительно расширяет активную зону [9], однако ее наполнение радиально направленными участками витков у катушки с адаптивной топологией существенно выше.

На фиг. 3 приведен вариант использования классической компоновки витков для катушки с числом витков, равным числу всех витков катушки с адаптивной топологией. Внутренний радиус [8] активной зоны катушки определен возможностью разместить на его дуге заданные при проектировании электрической машины число и ширину витков, учитывая также необходимые технологические зазоры между дорожками и ширину контактной площадки [5]. Для пяти витков концентрической катушки [3] с классической компоновкой расположение внутреннего радиуса [8] активной зоны и его удаленность от оси вращения [2] будут аналогичны положению промежуточной соединительной зоны [14] катушки с адаптивной топологией, а для двух витков в центре катушки совпадать. Ввиду углового расхождения радиальных границ катушки дальнейшее уменьшение внутреннего радиуса [8] активной зоны и удлинение радиально направленных участков всех витков более невозможны.

Очевидно, что совокупная длина всех радиально расположенных участков витков у такой катушки с классической компоновкой пяти витков меньше, чем у катушки с адаптивной топологией, причем площадь поверхности печатной платы [1], доступная для размещения статорной обмотки и ее катушек, используется лишь частично.

Для анализа выбран условный пример кольцеобразной печатной платы с наружным диаметром 200 мм и внутренним 33 мм, угловой шириной катушки 22,5 градуса. Обмотка размещена на двух слоях печатной платы и содержит 32 последовательно соединенные катушки. В расчетах учтена длина отводов дорожек к клеммам обмотки, а также переходы между слоями. Ширина дорожек 2,2 мм, толщина 0,105 мм, материал дорожек - медь.

Как видно из сводных данных таблицы, обмотки с классической компоновкой имеют практически одинаковые ключевые параметры эффективности ЭДС и крутящего момента аксиальной электрической машины, схожее сопротивление обмотки. При использовании заявленной статорной обмотки по отношению к обмотке с классической компоновкой витков существенно возрастает интегральный показатель относительного значения ЭДС или крутящего момента на почти 33%, в том числе за счет не менее 30% преимущества в длине активных радиальных участков, доля которых в общей длине витков обмотки составляет 75%. И хотя доля активных радиальных участков в общей длине витков обмотки с катушками с классической компоновкой и тремя витками выше и равна 81%, положительное влияние этого показателя компенсируются существенно меньшей длиной самих активных радиальных участков в обмотке. Общая длина обмотки и, соответственно, заполнение площади печатной платы электропроводящими дорожками у варианта с катушкой с адаптивной топологией выше других, что логично приводит и к повышению общего сопротивления обмотки.

В предложенном варианте осуществления настоящего изобретения повышение длины радиально направленных участков витков и их среднего радиуса внутри активной зоны катушек , что также равнозначно результату по достижению в первую очередь максимального внешнего , а затем и минимального внутреннего радиусов активной зоны, обеспечило прирост ключевого интегрального показателя значения ЭДС или крутящего момента относительно аналога (3) на более чем 32%, что может привести к не менее 70% повышению мощности электрической машины.

Дополнительные же потери статорной обмотки, вызванные увеличением активного сопротивления обмотки из-за ее удлинения, лишь в крайне незначительной степени нивелируют 70% рост мощности, и при необходимости могут быть снижены увеличением толщины и ширины дорожек, добавлением параллельных слоев.

Как наиболее оптимальный вариант осуществления статорной обмотки на фиг. 4-9 продемонстрирована трехфазная статорная обмотка аксиальной электрической машины с катушками с адаптивной топологией, подобными катушке, ранее отображенной на фиг. 1, и с сохранением тех же габаритов печатной платы и параметров обмотки. Обмотка выполнена для электрической машины обращенного типа с внутренним статором, закрепленным на неподвижном валу машины. Присоединение кабеля обычно в таких случаях осуществляется через полый вал к выходным клеммам [15] начала и конца обмотки, расположенным в непосредственной близости к валу. Многослойная печатная плата [1] для крепления к валу имеет четыре крепежных отверстия [16].

Обмотка фазы А размещена на первом и втором слоях многослойной печатной платы [1] на фиг. 4 и 5 соответственно. Пара катушек [3] соединена встречно-последовательно на одном слое с дальнейшим поочередным присоединением к паре катушек другого слоя, используя сквозные переходные металлизированные отверстия в центре катушек, замыкая тем самым последовательную электрическую цепь из катушек в фазную обмотку. От начал первой и последней катушек фазной обмотки на первом слое сделаны отводы к выходным клеммам [15] начала и конца фазной обмотки.

Аналогично, обмотка фазы В расположена на третьем и четвертом слоях многослойной печатной платы [1] на фиг. 6 и 7, а фазы С - на пятом и шестом слоях на фиг. 8 и 9 соответственно. Фазные обмотки сдвинуты друг относительно друга на 120 электрических градусов или 15 градусов в данном представлении.

Дополнительно к преимуществам адаптивной топологии катушек предлагаемого изобретения статорная обмотка со встречно-последовательным соединением катушек и размещением клемм, как представлено на фиг. 4-9, и использованная в том числе в прототипе (4), позволяет существенно сократить длину и габаритные размеры пассивных частей обмотки на печатной плате, соединять отдельные многослойные печатные платы не только параллельно, но и последовательно, используя переворот многослойной печатной платы обратной стороной наверх.

Использование адаптивной топологии у концентрических катушек статорной обмотки на печатной плате не ограничено только представленными вариантами осуществления, и может быть применено к любым разновидностям статорных обмоток с концентрическими сегментообразными катушками, размещаемыми на печатной плате.

Таким образом, применение заявленной статорной обмотки на печатной плате с адаптивной топологией катушек позволяет добиться существенного прироста длины активных радиально направленных участков витков катушек, повышения мощности, ЭДС или крутящего момента электрической машины, что увеличивает тем самым ее общую эффективность или КПД.

Таблица

Сравнительный анализ ключевых параметров обмотки с катушками различной топологии витков Катушка с адаптивной топологией и пятью витками Катушка с классической компоновкой и тремя витками Катушка с классической компоновкой и пятью витками Внешний радиус активной зоны 90,10 мм 95,30 мм 90,10 мм Нижний радиус активной зоны 32,57 мм 32,57 мм 60,30 мм Общая длина витков обмотки 17,06 м 12,04 м 13,80 м Общая длина радиальных участков 12,79 м 9,81 м 8,35 м Отн. длина радиальных участков 100,00 76,68 65,30 Общая длина пассивных частей 4,27 м 2,23 м 5,45 м Сопротивление обмотки 1,29 Ом 0,91 Ом 1,05 Ом Доля радиальных участков в общей длине витков обмотки 75,0% 81,5% 60,5% Относительное значение ЭДС или крутящего момента 100,00 75,17 75,29

Изобретение относится к области электротехники. Статорная обмотка на печатной плате с адаптивной топологией концентрических катушек применяется для аксиальных электрических генераторов и двигателей. Каждая катушка [3] состоит из активной зоны [9], а также внешней [12] и внутренней [13] пассивных частей для соединения между собой радиальных направленных участков витков. Радиальные участки периферически расположенных витков [10] катушки размещены в пределах активной зоны [9], а радиальные участки центральных витков катушки [11] соединены из-за сужающейся ее ширины дорожками в промежуточной соединительной зоне [14]. Благодаря адаптивному расположению промежуточной соединительной зоны [14] достигается наиболее эффективное использование площади печатной платы, увеличиваются совокупная длина активных радиальных участков витков, ЭДС и крутящий момент электрической машины, повышается ее мощность и КПД. 4 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

1. Статорная обмотка на печатной плате с адаптивной топологией концентрических катушек, характеризующаяся соединенными в единую электрическую цепь сегментообразными, сужающимися к оси вращения концентрическими катушками;

причем витки каждой катушки выполнены в виде непрерывных и уложенных по спирали электропроводящих дорожек на печатной плате;

причем взаимодействие магнитного поля ротора с витками катушки локализовано внутри активной зоны катушки, ограниченной расположенными в пределах катушки дугами внешнего и внутреннего радиусов активной зоны, и формирует за ее пределами внешнюю и внутреннюю пассивные части катушки;

при этом у витков, расположенных в катушке периферически, радиально направленные участки размещены между дугами внешнего и внутреннего радиусов активной зоны катушки и соединены между собой дорожками внешней и внутренней пассивных частей катушки;

при этом внутри активной зоны катушки расположена промежуточная соединительная зона с дорожками для соединения между собой радиально направленных участков витков, расположенных в центре катушки;

при этом радиально направленные участки указанных центральных витков размещены между дугой внешнего радиуса активной зоны катушки и промежуточной соединительной зоной и соединены между собой дорожками внешней пассивной части катушки и промежуточной соединительной зоны.

2. Статорная обмотка по п.1, отличающаяся тем, что размещена на двух и более слоях многослойной печатной платы.

3. Статорная обмотка по п.2, отличающаяся тем, что образована последовательным и/или параллельным соединением катушек, расположенных на разных слоях.

4. Статорная обмотка по п.3, отличающаяся тем, что состоит из нескольких изолированных фазных обмоток с необходимым угловым смещением и формирует многофазную статорную обмотку.

5. Статорная обмотка по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что для укладки радиально направленных участков центральных витков содержит две и более промежуточные соединительные зоны, расположенные внутри активной зоны каждой катушки.