一种磁场调制盘式PCB电机及其应用

一种磁场调制盘式pcb电机及其应用
技术领域
1.本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种磁场调制盘式pcb电机及其应用。


背景技术：

2.随着社会经济的不断提升和科学技术的不断发展，电机在工农业生产、人们日常生活中扮演着越来越重要的角色。现有技术中通过在定子铁芯上绕阻组成电感，当电流在绕阻上流动时，内部的转子上的磁场与电流发生感应，驱动转子转动。
3.而磁场调制电机也具有径向磁通和轴向磁通，相较于径向磁通电机，轴向磁通的盘式电机具有结构简单、轴向尺寸小、质量和转动惯量小、低速转矩大等诸多特点。但现有磁场调制盘式电机大多采用钕铁硼永磁体，定子绕组均缠绕于铁芯上，增加电机质量的同时铁芯损耗也更高。
4.可知上述电机结构具有以下缺陷：1、定子绕组的制作大都是在铁芯上绕上导线，不仅定子绕组加工繁琐；2、由于输出功率的要求，使得定子绕组匝数多，电机整体体积、质量均较大；3、钕铁硼永磁体的使用不仅增加电机质量，还消耗稀土材料等自然资源。
5.同时可知割草机是一种用于修剪草坪、植被的机械设备，从动力源来讲，传统的发动机式割草机具有传动结构复杂、传动效率低下、质量大、体积大等劣势。从割刀种类来讲，现有割草机主要采用刀盘式、刀片式、甩刀式等刚性割刀，当地面凹凸不平时、刚性割刀触碰石头等硬物极易损坏刀刃甚至出现安全事故，地面适应性以及安全性能有限。从割草效率来讲，大多割草机为单割刀或双割刀结构，对于大面积草坪，尤其是杂草横生的情况，已有割草机往往割草效率低下。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本发明提供一种磁场调制盘式pcb电机及其应用，通过直流励磁pcb定子代替永磁体，三相电枢pcb定子代替绕组铁芯结构，采用pcb技术代替永磁体、绕组铁芯结构，减小了电机体积和质量。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种磁场调制盘式pcb电机，包括由上端盖和下端盖组成的壳体，壳体内部设置有定子组件和转子组件，转子组件内侧经输出转轴伸出壳体且与壳体转动连接，输出转轴还经深沟球轴承与定子组件转动连接，转子组件为调磁盘转子，定子组件包括设置于调磁盘转子两侧的直流励磁pcb定子和三相电枢pcb定子，直流励磁pcb定子与调磁盘转子之间留有一次气隙，调磁盘转子与三相电枢pcb定子之间留有二次气隙；
8.当直流励磁pcb定子通入直流电时，在一次气隙中产生谐波磁场，并且在三相电枢pcb定子通入三相交流电，在二次气隙中产生旋转磁场，旋转磁场经调磁盘转子的调制作用，在一次间隙中形成与由直流励磁pcb定子产生的谐波磁场极对数相同的谐波磁场，两个谐波磁场耦合，调磁盘转子在耦合磁场的作用下转动，即可驱动输出转轴转动。
9.优选的，直流励磁pcb定子包括多层第一pcb板，第一pcb板上经组合型印刷线路绕
线的方式分布有励磁绕组，在励磁绕组中输入直流电，产生n、s极交替分布的感应磁场。
10.优选的，励磁绕组包括对应分布于多层第一pcb板上且依次电性连接的多个励磁线圈；
11.位于不同层上的第一pcb板上的对应励磁线圈连通后再与相邻的励磁线圈连通，且相邻两个励磁线圈的电流方向相反。
12.优选的，三相电枢pcb定子包括多层第二pcb板，第二pcb板上经组合型印刷线路绕线的方式分布有电枢绕组，在电枢绕组通入三相交流电产生旋转磁场。
13.优选的，电枢绕组并采用星形接法，电枢绕组包括对应分布于多层第二pcb板上且层间依次电性连接的三组励磁线圈，三组励磁线圈的一端分别连接三相交流电的a相、b相和c相，另一端均经中间节点连接中性点；
14.每组励磁线圈包括相对设置且电性连接的两个励磁线圈；
15.每个励磁线圈在同一层的第二pcb板之间采用螺旋或者波形绕线。
16.优选的，调磁盘转子包括保持架，保持架的外圆周侧均匀开设有多个放置槽，多个放置槽内交替设置有导磁块和非导磁块，保持架的内侧与输出转轴过盈配合实现周向定位，且保持架内侧经弹性挡圈与输出转轴连接实现轴向定位。
17.优选的，导磁块由硅钢制成，非导磁块由环氧树脂制成，导磁块与非导磁块数量、形状、大小均相同。
18.优选的，设定直流励磁pcb定子通电后产生谐波磁场的极对数用p1表示，三相电枢pcb定子通电后产生谐波磁场的极对数用p2表示，构成导磁块与非导磁块的数量均用z表示，三者满足数量关系式：z＝p1+p2。
19.一种磁场调制盘式pcb电机的应用，用于绳式割刀，绳式割刀包括磁场调制盘式pcb电机和中心与磁场调制盘式pcb电机的输出转轴螺纹连接的绳盘，绳盘的外圆周侧连接有柔性尼龙绳；
20.绳盘与输出转轴的螺纹旋向与输出转轴的转动方向相同。
21.优选的，多个绳式割刀平行或者相互垂直设置于行走支架上；
22.行走支架包括横向推动杆和一端与横向推动杆的同一侧固定连接的多个l型连接杆，多个l型连接杆的另一端的底侧均转动连接有行走轮；l型连接杆靠近行走轮的一端设置有绳式割刀。
23.本发明具有以下有益效果：
24.1.以直流励磁pcb定子代替永磁体，三相电枢pcb定子代替绕组铁芯结构，采用pcb技术代替永磁体、绕组铁芯结构，不仅实现电机轻量化、紧凑型、高效率的目的，还未使用钕铁硼永磁体，从而节约稀土资源。
25.2.本发明涉及割草机构采用磁场调制盘式pcb电机直接驱动甩绳式割刀。甩绳式柔性尼龙绳具有结构紧凑、易更换、地面适应性强、安全性能高等独特优势，适用于小型整体手持式割草机，具有电驱动、轻量化、紧凑型的特点。
26.3.本发明涉及割草机构通过行走支架分布式多割刀组件，各割刀组件由单个电机独立驱动，极大地简化了分布式结构的传动系统，且具有响应迅速、结构紧凑、作业范围大、适用场景多的特点。
27.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
28.图1为本发明的一种磁场调制盘式pcb电机的内部结构示意图；
29.图2为本发明的一种磁场调制盘式pcb电机的转子组件结构示意图；
30.图3为本发明的一种磁场调制盘式pcb电机的直流励磁pcb定子结构示意图；
31.图4为本发明的一种磁场调制盘式pcb电机的三相电枢pcb定子结构示意图；
32.图5为本发明的一种磁场调制盘式pcb电机的磁场调制原理图；
33.图6为本发明的一种磁场调制盘式pcb电机的应用组装图；
34.图7为本发明的公开的多个绳式割刀相互平行时的结构示意图；
35.图8为本发明的公开的多个绳式割刀相互垂直时的结构示意图。
36.其中：1、磁场调制盘式pcb电机；11、直流励磁pcb定子；111、第一pcb板；112、励磁线圈；12、转子组件；121、保持架；122、导磁块；123、非导磁块；124、放置槽；13、三相电枢pcb定子；131、第二pcb板；132、电枢线圈；14、上端盖；15、下端盖；16、输出转轴；
37.2、绳式割刀；21、绳盘；22、柔性尼龙绳；
38.3、行走支架；31、行走轮；32、l型连接杆；33、横向推动杆。
具体实施方式
39.为了使本发明实施例公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
40.需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
41.相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
43.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.一种磁场调制盘式pcb电机，包括由上端盖14和下端盖15组成的壳体，壳体内部设置有定子组件和转子组件12，转子组件12内侧经输出转轴16伸出壳体且与壳体转动连接，
输出转轴16还经深沟球轴承与定子组件转动连接，转子组件12为调磁盘转子，定子组件包括设置于调磁盘转子两侧的直流励磁pcb定子11和三相电枢pcb定子13，直流励磁pcb定子11与调磁盘转子之间留有一次气隙，调磁盘转子与三相电枢pcb定子13之间留有二次气隙；当直流励磁pcb定子11通入直流电时，在一次气隙中产生谐波磁场，并且在三相电枢pcb定子13通入三相交流电，在二次气隙中产生旋转磁场，旋转磁场经调磁盘转子的调制作用，在一次间隙中形成与由直流励磁pcb定子11产生的谐波磁场极对数相同的谐波磁场，两个谐波磁场耦合，调磁盘转子在耦合磁场的作用下转动，即可驱动输出转轴转动。
45.优选的，直流励磁pcb定子11包括多层第一pcb板111，第一pcb板111上经组合型印刷线路绕线的方式分布有励磁绕组，在励磁绕组中输入直流电，产生n、s极交替分布的感应磁场。优选的，励磁绕组包括对应分布于多层第一pcb板111上且依次电性连接的多个励磁线圈112；位于不同层上的第一pcb板111上的对应励磁线圈112连通后再与相邻的励磁线圈112连通，且相邻两个励磁线圈112的电流方向相反。
46.本实施例中通过增加pcb板层数在一定程度上可提升磁场强度，考虑pcb定子厚度，故采用4层第一pcb板111，由上到下分别为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ层，且每层第一pcb板111呈圆周阵列布置的6个励磁线圈112(分别为1号线圈、2号线圈、3号线圈、4号线圈、5号线圈和6号线圈)；具体电流流向如下：电流在1号线圈中从正极接口出发，沿逆时针方向依次流经第ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ层；在第ⅳ层中电流由1号线圈顺时针方向流入2号线圈，依次流经第ⅳ、ⅲ、ⅱ、ⅰ层；在第ⅰ层中电流由2号线圈逆时针流入3号线圈，依次流经第ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ层；在第ⅳ层中电流由3号线圈顺时针方向流入4号线圈，依次流经第ⅳ、ⅲ、ⅱ、ⅰ层；在第ⅰ层中电流由4号线圈逆时针流入5号线圈，依次流经第ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ层；在第ⅳ层中电流由5号线圈顺时针方向流入6号线圈，依次流经第ⅳ、ⅲ、ⅱ、ⅰ层到达负极接口。
47.优选的，三相电枢pcb定子13包括多层第二pcb板131，第二pcb板131上经组合型印刷线路绕线的方式分布有电枢绕组，在电枢绕组通入三相交流电产生旋转磁场。优选的，电枢绕组采用星形接法，电枢绕组包括对应分布于多层第二pcb板131上且层间依次电性连接的三组励磁线圈112，三组励磁线圈112的一端分别连接三相交流电的a相、b相和c相，另一端均经中间节点连接中性点；每组励磁线圈112包括相对设置且电性连接的两个励磁线圈112；每个励磁线圈112在同一层的第二pcb板131之间采用螺旋或者波形绕线。
48.本实施例中，考虑pcb定子厚度，也采用4层第二pcb板131，由上到下分别为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ层，且每层第二pcb板131呈圆周阵列布置的6个电枢线圈132(分别为1号线圈、2号线圈、3号线圈、4号线圈、5号线圈和6号线圈)，具体电流流向如下：a相电流在1号线圈中从a相接口出发，沿逆时针方向依次流经第ⅰ、ⅱ、ⅳ、ⅲ层，并在第ⅲ层中电流由1号线圈逆时针流入4号线圈，在4号线圈中依次流经ⅲ、ⅳ、ⅱ、ⅰ层到达中间结点；其中b相电流在2号线圈中从b相接口出发，沿逆时针方向依次流经第ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ层，并在第ⅳ层中电流由2号线圈逆时针流入5号线圈，依次流经ⅳ、ⅲ、ⅱ、ⅰ层到达中间结点；其中c相电流在3号线圈中从c相接口出发，沿逆时针方向依次流经第ⅰ、ⅲ、ⅳ、ⅱ层，并在第ⅱ层中电流由3号线圈逆时针流入6号线圈，依次流经ⅱ、ⅳ、ⅲ、ⅰ层到达中间结点。
49.优选的，调磁盘转子包括保持架121，保持架121的外圆周侧均匀开设有多个放置槽124，多个放置槽124内交替设置有导磁块122和非导磁块123122，保持架121的内侧与输出转轴过盈配合实现周向定位，且保持架121内侧经弹性挡圈与输出转轴连接实现轴向定
位。
50.优选的，导磁块122由硅钢制成，非导磁块123122由环氧树脂制成，导磁块122与非导磁块123122数量、形状、大小均相同。
51.优选的，设定直流励磁pcb定子11通电后产生谐波磁场的极对数用p1表示，三相电枢pcb定子13通电后产生谐波磁场的极对数用p2表示，构成导磁块122与非导磁块123122的数量均用z表示，三者满足数量关系式：z＝p1+p2。
52.一种磁场调制盘式pcb电机的应用，用于绳式割刀2，绳式割刀2包括磁场调制盘式pcb电机1和中心与磁场调制盘式pcb电机1的输出转轴螺纹连接的绳盘21，绳盘21的外圆周侧连接有柔性尼龙绳22；绳盘21与输出转轴的螺纹旋向与输出转轴的转动方向相同，即拧紧方向与旋转方向相同，避免割草机构工作时割刀组件发生松动。当磁场调制盘式pcb电机1高速旋转时带动绳盘21一起转动，从而带动柔性尼龙绳22高速旋转，高速旋转的柔性尼龙绳22与杂草接触的瞬间将杂草切断。且柔性尼龙绳22在切割工作时还具有避让的特性，即当遇到大的阻力时，尼龙绳弯曲而不刚性碰撞石头也不至于割断绿化植株。
53.优选的，多个绳式割刀2平行或者相互垂直设置于行走支架3上；在本实施例中切割水平生长的杂草、藤蔓时，可将绳式割刀2水平布置，切割竖直生长的杂草；将部分绳式割刀2竖直布置，切割水平生长的杂草，实现大面积、多方位除草。
54.行走支架3包括横向推动杆33和一端与横向推动杆33的同一侧固定连接的多个l型连接杆32，多个l型连接杆32的另一端的底侧均转动连接有行走轮31；l型连接杆32靠近行走轮31的一端设置有绳式割刀2。
55.因此，本发明采用上述磁场调制盘式pcb电机及其应用，通过直流励磁pcb定子代替永磁体，三相电枢pcb定子代替绕组铁芯结构，采用pcb技术代替永磁体、绕组铁芯结构，减小了电机体积和质量。
56.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种磁场调制盘式pcb电机，包括由上端盖和下端盖组成的壳体，壳体内部设置有定子组件和转子组件，转子组件内侧经输出转轴伸出壳体且与壳体转动连接，输出转轴还经深沟球轴承与定子组件转动连接，其特征在于：转子组件为调磁盘转子，定子组件包括设置于调磁盘转子两侧的直流励磁pcb定子和三相电枢pcb定子，直流励磁pcb定子与调磁盘转子之间留有一次气隙，调磁盘转子与三相电枢pcb定子之间留有二次气隙；当直流励磁pcb定子通入直流电时，在一次气隙中产生谐波磁场，并且在三相电枢pcb定子通入三相交流电，在二次气隙中产生旋转磁场，旋转磁场经调磁盘转子的调制作用，在一次间隙中形成与由直流励磁pcb定子产生的谐波磁场极对数相同的谐波磁场，两个谐波磁场耦合，调磁盘转子在耦合磁场的作用下转动，即可驱动输出转轴转动。2.根据权利要求1所述的一种磁场调制盘式pcb电机，其特征在于：直流励磁pcb定子包括多层第一pcb板，第一pcb板上经组合型印刷线路绕线的方式分布有励磁绕组，在励磁绕组中输入直流电，产生n、s极交替分布的感应磁场。3.根据权利要求2所述的一种磁场调制盘式pcb电机，其特征在于：励磁绕组包括对应分布于多层第一pcb板上且依次电性连接的多个励磁线圈；位于不同层上的第一pcb板上的对应励磁线圈连通后再与相邻的励磁线圈连通，且相邻两个励磁线圈的电流方向相反。4.根据权利要求1所述的一种磁场调制盘式pcb电机，其特征在于：三相电枢pcb定子包括多层第二pcb板，第二pcb板上经组合型印刷线路绕线的方式分布有电枢绕组，在电枢绕组通入三相交流电产生旋转磁场。5.根据权利要求4所述的一种磁场调制盘式pcb电机，其特征在于：电枢绕组并采用星形接法，电枢绕组包括对应分布于多层第二pcb板上且层间依次电性连接的三组励磁线圈，三组励磁线圈的一端分别连接三相交流电的a相、b相和c相，另一端均经中间节点连接中性点；每组励磁线圈包括相对设置且电性连接的两个励磁线圈；每个励磁线圈在同一层的第二pcb板之间采用螺旋或者波形绕线。6.根据权利要求1所述的一种磁场调制盘式pcb电机，其特征在于：调磁盘转子包括保持架，保持架的外圆周侧均匀开设有多个放置槽，多个放置槽内交替设置有导磁块和非导磁块，保持架的内侧与输出转轴过盈配合实现周向定位，且保持架内侧经弹性挡圈与输出转轴连接实现轴向定位。7.根据权利要求6所述的一种磁场调制盘式pcb电机，其特征在于：导磁块由硅钢制成，非导磁块由环氧树脂制成，导磁块与非导磁块数量、形状、大小均相同。8.根据权利要求6所述的一种磁场调制盘式pcb电机，其特征在于：设定直流励磁pcb定子通电后产生谐波磁场的极对数用p1表示，三相电枢pcb定子通电后产生谐波磁场的极对数用p2表示，构成导磁块与非导磁块的数量均用z表示，三者满足数量关系式：z＝p1+p2。9.如上述权利要求1-8任一项所述的一种磁场调制盘式pcb电机的应用，其特征在于：用于绳式割刀，绳式割刀包括磁场调制盘式pcb电机和中心与磁场调制盘式pcb电机的输出转轴螺纹连接的绳盘，绳盘的外圆周侧连接有柔性尼龙绳；绳盘与输出转轴的螺纹旋向与输出转轴的转动方向相同。10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：多个绳式割刀平行或者相互垂直设置于
行走支架上；行走支架包括横向推动杆和一端与横向推动杆的同一侧固定连接的多个l型连接杆，多个l型连接杆的另一端的底侧均转动连接有行走轮；l型连接杆靠近行走轮的一端设置有绳式割刀。

技术总结
本发明公开了一种磁场调制盘式PCB电机及其应用，属于电机领域，包括由上端盖和下端盖组成的壳体，壳体内部设置有定子组件和转子组件，转子组件内侧经输出转轴伸出壳体且与壳体转动连接，输出转轴还经深沟球轴承与定子组件转动连接，转子组件为调磁盘转子，定子组件包括设置于调磁盘转子两侧的直流励磁PCB定子和三相电枢PCB定子，直流励磁PCB定子与调磁盘转子之间留有一次气隙，调磁盘转子与三相电枢PCB定子之间留有二次气隙。本发明采用上述磁场调制盘式PCB电机及其应用，通过直流励磁PCB定子代替永磁体，三相电枢PCB定子代替绕组铁芯结构，采用PCB技术代替永磁体、绕组铁芯结构，减小了电机体积和质量。减小了电机体积和质量。减小了电机体积和质量。


技术研发人员：李臻 黄浩程 何志祝 李思语 周胥 盛磊
受保护的技术使用者：中国农业大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/9