PCB定子无铁心盘式电机分布式绕组的对比分析
摘要：针对印制电路板（PCB）定子绕组的特点，以PCB定子无铁心盘式电机的输出功率最大化作为目标，设计一种应用于PCB定子无铁心盘式电机的分布式绕组，并将这种绕组与传统的螺旋形绕组进行对比分析。首先建立PCB定子盘式电机的三维解析模型，给出所设计的分布式PCB绕组的结构及特点，推导出电机的反电动势及绕组损耗等解析式。然后采用有限元法對应用两种绕组的PCB定子无铁心盘式电机进行仿真分析，对比采用两种绕组对PCB定子无铁心盘式电机多方面的性能影响。结果表明分布式绕组的应用使PCB定子电机获得更高的输出功率，同时减小了电机的绕组损耗，也为PCB定子无铁心盘式电机的设计提供一定的参考依据和实际工程价值。
关键词：盘式电机；印制电路板定子；分布式绕组；绕组设计；有限元仿真
盘式电机又称轴向磁通永磁电机，它具有轴向尺寸短、功率密度大、散热性好等特点[1]。在国内外诸多领域如飞轮储能、电动车辆、风力发电等具有十分广泛的应用[2]。基于印制电路板（print circuit board，PCB）技术的盘式电机定子绕组具有诸多优点。该种定子绕组无铁心，有效地避免了定子铁心带来的磁滞损耗及涡流损耗，消除了齿槽转矩脉动，提高了电机功率密度同时降低电机运行时的噪声。PCB技术的应用使盘式无铁心永磁电机电枢生产制造工艺得到了简化，减轻了电机重量，使电机轴向空间更加紧凑，线圈定位更加准确，有利于批量化生产[3-4]。
电枢绕组设计是PCB定子无铁心电机设计的关键，目前已有一些国内外研究人员对PCB绕组进行了各项研究。文献[5]基于PCB技术，设计了一台单定子单转子盘式无铁心电机，PCB绕组形状采用梯形；文献[6]设计了偏菱形PCB绕组，有效的减小PCB绕组的端部；文献[7]对应用于无刷直流电机的传统绕线式绕组和PCB绕组进行了对比探讨，应用PCB技术设计了斜绕组及菱形绕组，与绕线式绕组相比有效的提高了功率密度；文献[8]设计了卫星姿态控制用反作用轴向磁通飞轮系统，对比分析了螺旋形PCB绕组和波形PCB绕组对飞轮驱动电机性能的影响；文献[9]基于PCB绕组技术设计了一台应用于水力发电的低速永磁同步发电机，PCB绕组形状为矩形。就目前来看，国内外有关PCB绕组的设计研究主要集中于不同绕组形状方面的优化，而对于PCB绕组三相绕组的排布，以及PCB绕组端部的优化，这些问题在PCB定子无铁心电机的设计方面鲜有探讨。
本文以实现PCB定子轴向磁通永磁同步电机输出功率最大化为目的，设计了一种应用于PCB定...
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