Структуры и способы для управления потерями в печатных платах
Изобретение относится к моторам с печатной платой и, в частности, к печатным платам, используемым в моторах и генераторах. Техническим результатом является уменьшение эффективного сопротивления в обмотках и, следовательно, уменьшение ассоциированных потерь, чтобы добиваться указанной плотности тока во фрагментах вращающихся устройств преобразования энергии. Упомянутый технический результат достигается тем, что структура статора электромотора или генератора включает в себя планарную многослойную структуру (PCS), имеющую по меньшей мере один диэлектрический слой и множество токопроводящих слоев, причем PCS характеризуется центральной начальной точкой и периферией. Статор может также включать в себя множество первых элементов, радиально протягивающихся токопроводящих дорожек, которые протягиваются от внутреннего до внешнего радиального расстояния, радиусы измеряются от центральной начальной точки по направлению к периферии PCS, дорожки размещаются под углом на PCS. Каждый из множества первых радиально протягивающихся элементов соединяется на своем внутреннем и внешнем концах, чтобы предоставлять возможность формирования контуров обмотки и других структур цепи. Когда элементы соединяются в такие контуры, внешние концы элементов соединяются с помощью межсоединений внешних контуров, а внутренние концы элементов соединяются с помощью межсоединений внутренних контуров. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 21 ил.
Перекрестные ссылки на родственные заявки
[0001] Настоящее изобретение заявляет преимущество в рамках 35 U.S.C. §119(e) по отношению к предварительной патентной заявке США № 62/236,407, озаглавленной STRUCTURES TO REDUCE LOSSES IN PRINTED CIRCUIT BOARD WINDINGS, для Стивена Р. Шоу, поданной 2 октября 2015 года. Это изобретение также заявляет преимущество в рамках 35 U.S.C. §119(e) по отношению к предварительной патентной заявке № 62/236,422, озаглавленной STRUCTURES FOR THERMAL MANAGEMENT IN PRINTED CIRCUIT BOARD STATORS, для Стивена Р. Шоу, поданной 2 октября 2015 года. Это изобретение также заявляет преимущество в рамках 35 U.S.C. §120 по отношению к патентной заявке США порядковый номер 15/199,527, озаглавленной STRUCTURES AND METHODS FOR THERMAL MANAGEMENT IN PRINTED CIRCUIT BOARD STATORS, для Стивена Р. Шоу, поданной 30 июня 2016 года. Содержимое каждой из вышеупомянутых заявок, при этом, включено в данный документ по ссылке во всей своей полноте для всех целей.
Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Варианты осуществления, описанные в данном документе, в целом, относятся к области уменьшения потерь в устройствах на печатных платах. Более конкретно, варианты осуществления, которые раскрыты в данном документе, относятся к области управления потерями на обмотке в статорах, выполненных на многослойных печатных платах для электромоторов и/или генераторов.
Уровень техники
[0003] Изобретатель признал и оценил, что в настоящее время электромоторы и другие электрические устройства, оперирующие с высокими токами через электрические выводы в печатной плате (PCB) сталкиваются с множеством проблем, получающихся в результате электрического тока, протекающего в PCB. Такие проблемы включают в себя формирование нежелательного тепла вследствие паразитных или вихревых токов, которое может вести к механической поломке и деструктивным механическим помехам с ротором мотора или генератора, а также к другим неэффективностям в работе мотора или генератора. Как побочный продукт повышенной плотности тока, протекающего в областях электрической схемы, высокие температурные градиенты в PCB, вызванные, среди прочего, множеством сильных градиентов электрического тока, могут вести к структурному повреждению PCB, такому как расслоение, или локализованная поломка или деградация электрических выводов или диэлектрического материала в подложке. Более важно, возможно, эти высокие плотности электрического тока действуют, чтобы формировать нежелательные более значительные электромагнитные поля, которые могут создавать, например, паразитные и вихревые токи в физически близких областях электрических схем, которые, в свою очередь, могут действовать как тормоз на ротор мотора или генератора и, тем самым, уменьшать их выводимую мощность и эффективность.
[0004] Электрические устройства на печатных платах, построенные без полезных отличительных признаков, описанных далее в данном документе, применяют множество стратегий, чтобы формировать соединения между дорожками, несущими электрический ток, уложенными на поверхности PCB, или поверхностях, в случае устройства с многослойной платой, диэлектрических подложек, встречающихся в этих устройствах. Эти стратегии, однако, не устраняют, или не признают любым реальным способом, недостатки, получающиеся в результате увеличенной плотности тока в фрагментах дорожек электрических схем, и неблагоприятные результаты от этого.
Сущность изобретения
[0005] Конкретный примерный вариант осуществления изобретения относится к моторам и генераторам с печатной платой. Обмотки, сформированные из меди в печатных платах, использовались в целях формирования антенн, индукционных катушек, трансформаторов и статоров, которые могут быть внедрены в бесщеточные DC-машины (синхронные с постоянным магнитом) с постоянным магнитом. Для устройств преобразования энергии, использующих современные материалы постоянных магнитов и PCB-статоры, магнитное поле строго не ограничивается магнитно-чувствительными материалами. Таким образом, взаимодействие между полями от соседних витков в обмотке, и/или обмотках на соседних слоях (для многослойной конфигурации) может быть значительным. Структуры, раскрытые в данном документе далее, уменьшают эффективное сопротивление в обмотках, и, следовательно, уменьшают ассоциированные потери, чтобы добиваться указанной плотности тока во вращающихся устройствах преобразования энергии. Действие раскрытых структур является измеряемым уменьшением в механизмах потерь как функции увеличения частоты, по сравнению с доступными в настоящее время устройствами. Эти действия являются значимыми в частотных диапазонах, важных для процессов преобразования энергии, также как типичных стратегиях управления, например, широтно-импульсной модуляции.
[0006] В первом примерном варианте осуществления изобретение относится к структуре статора электромотора или генератора, которая включает в себя планарную многослойную структуру (PCS), имеющую, по меньшей мере, один диэлектрический слой и множество токопроводящих слоев. PCS характеризуется, по меньшей мере, частично, центральной начальной точкой и периферией. Статор может также включать в себя множество первых элементов, радиально протягивающихся токопроводящих дорожек, которые протягиваются от внутреннего радиального расстояния rs до внешнего радиального расстояния r1, радиусы измеряются от центральной начальной точки по направлению к периферии PCS. Дорожки, в целом, размещаются под углом на PCS. Каждый из множества первых радиально протягивающихся элементов соединяется на своем внутреннем и внешнем концах, чтобы предоставлять возможность формирования контуров обмотки, и других структур цепи. Когда элементы соединяются в такие контуры, внешние концы элементов соединяются с помощью межсоединений внешних контуров, а внутренние концы элементов соединяются с помощью межсоединений внутренних контуров, как описано более подробно далее в данном документе. Дополнительно, согласно некоторым примерным вариантам осуществления изобретения, по меньшей мере, один из первых радиальных токопроводящих элементов соединяется, по меньшей мере, с одним другим из радиальных токопроводящих элементов на своих соответствующих внешних концах радиуса. Также, первые токопроводящие элементы соединяются на своих внутренних концах радиуса с другими радиальными токопроводящими элементами. В результате может быть множество замкнутых контуров, имеющих множество обмоток и формирующих статор, например, электромотора или генератора.
[0007] Второй примерный вариант осуществления изобретения относится к электромотору или генератору, имеющему статор, который включает в себя PCS, по меньшей мере, с одним диэлектрическим слоем и, по меньшей мере, одним токопроводящим слоем, PCS характеризуется, по меньшей мере, частично, центральной начальной точкой и периферией. Статор может также включать в себя множество первых электропроводящих дорожек, протягивающихся радиально от начального радиуса r0, от центральной начальной точки по направлению к периферии PCS и расположенных под углом на PCS. Множество токопроводящих дорожек соединяются через соответствующее ассоциированное межсоединение, по меньшей мере, с одной другой токопроводящей дорожкой, протягивающейся радиально от внутреннего радиуса r0 от центральной начальной точки, радиально наружу по направлению к периферии PCS и расположенной под углом от ассоциированной токопроводящей дорожки.
[0008] В другом примерном варианте осуществления статор имеет планарную многослойную структуру (PCS), по меньшей мере, с одним диэлектрическим слоем и токопроводящим рисунком на поверхности каждого упомянутого диэлектрического слоя. Токопроводящий рисунок имеет множество первых токопроводящих дорожек, каждая протягивается радиально от внутреннего радиуса до внешнего радиуса и располагается под углом на одной из диэлектрических поверхностей, по меньшей мере, с одной из первых токопроводящих дорожек, соединенной на своем внешнем радиусе, по меньшей мере, с одной другой из первых токопроводящих дорожек на ее внешнем радиусе посредством первого межсоединения. Первое межсоединение ограничивается между внутренним и внешним краями. Первое межсоединение имеет начальную область, переходную область и оконечную область, и начальная область имеет первый закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от первой токопроводящей дорожки до переходной области, а оконечная область имеет второй закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от переходной области до другой токопроводящей дорожки; и при этом, по меньшей мере, первый закругленный участок внутреннего края и второй закругленный участок внутреннего края, каждый, характеризуются, по меньшей мере, частично, уравнением угла 
для угла, начинающегося в θS и rs и оцениваемого для θ > θS, или эквивалентной отраженной версией с 
для угла, оцениваемого с θ < θS и заканчивающегося в θS и rs.
[0009] В еще одном примерном варианте осуществления статор имеет планарную многослойную структуру (PCS), имеющую, по меньшей мере, один диэлектрический слой и токопроводящий рисунок на поверхности каждого упомянутого диэлектрического слоя. По меньшей мере, один токопроводящий рисунок имеет множество первых токопроводящих дорожек, каждая протягивается радиально от внутреннего радиуса до внешнего радиуса и располагается под углом на одной из диэлектрических поверхностей. По меньшей мере, одна из первых токопроводящих дорожек соединена на своем внешнем радиусе, по меньшей мере, с одним другим из первых токопроводящих элементов на его внешнем радиусе посредством первого межсоединения, и при этом, по меньшей мере, первое межсоединение ограничивается внутренним и внешним краями, и имеет начальную область, переходную область и оконечную область, и начальная область имеет первый закругленный участок внутреннего края и первый закругленный участок внешнего края, протягивающийся от первой токопроводящей дорожки до переходной области, и второй закругленный участок внутреннего края и второй закругленный участок внешнего края протягиваются от переходной области до другой токопроводящей дорожки. По меньшей мере, первые закругленные участки внутреннего и внешнего края и вторые закругленные участки внутреннего и внешнего края, каждый, характеризуются, по меньшей мере, частично, уравнением угла 
для угла, начинающегося в θS и rs и оцениваемого для θ > θS, или эквивалентной отраженной версией с для угла, оцениваемого с θ < θS и заканчивающегося в θS и rs.
[0010] В другом примерном варианте осуществления статор имеет планарную многослойную структуру (PCS), по меньшей мере, с одним диэлектрическим слоем и токопроводящим рисунком на поверхности каждого упомянутого диэлектрического слоя. По меньшей мере, один токопроводящий рисунок имеет множество первых токопроводящих дорожек, каждая протягивается радиально от внутреннего радиуса до внешнего радиуса и располагается под углом на одной из диэлектрических поверхностей. По меньшей мере, одна из первых токопроводящих дорожек соединяется на своем внешнем радиусе, по меньшей мере, с одним другим из первых токопроводящих элементов на его внешнем радиусе посредством первого межсоединения. Первое межсоединение ограничивается внутренним краем и внешним краем. Первое межсоединение имеет начальную область, переходную область и оконечную область, и внутренний край начальной области имеет первый закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от первой токопроводящей дорожки на ее внешнем радиусе до переходной области, и второй закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от переходной области до другой токопроводящей дорожки на ее внешнем радиусе. По меньшей мере, первый закругленный участок внутреннего края и второй закругленный участок внутреннего края, каждый, характеризуются уклоном dr/dθ, который является линейной функцией r(θ) от одной токопроводящей дорожки до переходной области, и где уклон является другой линейной функцией от переходной области до другой токопроводящей дорожки.
[0011] В еще одном примерном варианте осуществления статор имеет планарную многослойную структуру (PCS), содержащую, по меньшей мере, один диэлектрический слой и токопроводящий рисунок на поверхности каждого упомянутого диэлектрического слоя. По меньшей мере, один токопроводящий рисунок имеет множество первых токопроводящих дорожек, каждая протягивается радиально от внутреннего радиуса до внешнего радиуса и располагается под углом на одной из диэлектрических поверхностей. По меньшей мере, одна из первых токопроводящих дорожек соединяется на своем внешнем радиусе с начальной областью первого межсоединения. Первое межсоединение ограничивается внутренним и внешним краями, и первое межсоединение имеет начальную область, переходную область и оконечную область, и первый закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от внешнего радиуса одной токопроводящей дорожки до переходной области, и второй закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от переходной области до другой токопроводящей дорожки на ее внешнем радиусе. В любой точке между внутренним и внешним краем, наименьшая величина плотности тока при возбуждении постоянным током не меньше 50% наибольшей величины плотности тока, оцениваемой по кратчайшей линии между внутренним и внешним краем, проходящей через эту точку.
[0012] В другом примерном варианте осуществления статор имеет планарную многослойную структуру (PCS), имеющую, по меньшей мере, два диэлектрических слоя и токопроводящий рисунок на поверхности каждого упомянутого диэлектрического слоя. По меньшей мере, один токопроводящий рисунок имеет множество первых токопроводящих дорожек, каждая протягивается радиально от внутреннего радиуса до внешнего радиуса и располагается под углом на разных поверхностях из диэлектрических поверхностей. По меньшей мере, одна из первых токопроводящих дорожек соединяется на своем внешнем радиусе, по меньшей мере, с одной другой из первых токопроводящих дорожек на ее внешнем радиусе посредством первого межслойного межсоединения. Межсоединение практически ограничивается внутренним и внешним краями. Первое межслойное межсоединение имеет начальную область на первом слое, переходную область и оконечную область на другом слое и дополнительно имеет первый закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от первой токопроводящей дорожки до переходной области, и второй закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от переходной области до другой токопроводящей дорожки на ее внешнем радиусе; и при этом, по меньшей мере, первый закругленный участок внутреннего края и второй закругленный участок внутреннего края, каждый, характеризуются, по меньшей мере, частично, структурой, предназначенной, чтобы уменьшать влияния паразитного и вихревого тока на соседние в осевом направлении токопроводящие поверхностные структуры.
[0013] В дополнительном примерном варианте осуществления статор имеет планарную многослойную структуру (PCS), имеющую, по меньшей мере, один диэлектрический слой и токопроводящий рисунок на поверхности каждого диэлектрического слоя. По меньшей мере, один токопроводящий рисунок имеет множество первых токопроводящих дорожек, каждая протягивается радиально от внутреннего радиуса до внешнего радиуса и располагается под углом на одной из диэлектрических поверхностей. По меньшей мере, одна из первых токопроводящих дорожек соединяется на своем внешнем радиусе, по меньшей мере, с одним другим из первых токопроводящих элементов на его внешнем радиусе посредством первого межсоединения, первое межсоединение ограничивается внутренним и внешним краями. Первое межсоединение имеет начальную область, переходную область, оконечную область и первый закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от соединенной первой токопроводящей дорожки на ее внешнем радиусе до переходной области, и второй закругленный участок внутреннего края, соединяющий переходную область с внешним радиусом одной другой токопроводящей дорожки. По меньшей мере, первый закругленный участок внутреннего края и второй закругленный участок внутреннего края, каждый, характеризуются структурой для уменьшения вихревых токов во внешних токопроводящих фрагментах межсоединения.
[0014] В еще одном примерном варианте осуществления статор имеет планарную многослойную структуру (PCS), содержащую, по меньшей мере, один диэлектрический слой и токопроводящий рисунок на поверхности каждого упомянутого диэлектрического слоя. По меньшей мере, один токопроводящий рисунок имеет множество первых токопроводящих дорожек, каждая протягивается радиально от внутреннего радиуса до внешнего радиуса и располагается под углом на одной из диэлектрических поверхностей; по меньшей мере, с одной из первых токопроводящих дорожек, соединенных на своем внешнем радиусе, по меньшей мере, с одной другой из первых токопроводящих дорожек на ее внешнем радиусе посредством первого межсоединения, первое межсоединение ограничивается внутренним и внешним краями. Первое межсоединение имеет начальную область, переходную область и оконечную область, и первые закругленные участки внутреннего и внешнего края, протягивающиеся от первой токопроводящей дорожки до ее переходной области, и вторые закругленные участки внутреннего и внешнего края, протягивающиеся от переходной области до одной другой токопроводящей дорожки на ее внешнем радиусе. По меньшей мере, соответствующий уклон первого закругленного участка внутреннего края и второго закругленного участка внутреннего края, каждый, характеризуются монотонно изменяющимся значением уклона как функции угла поворота от одной токопроводящей дорожки к другой токопроводящей дорожке.
[0015] В дополнительном примерном варианте осуществления статор имеет планарную многослойную структуру (PCS), по меньшей мере, с одним диэлектрическим слоем и токопроводящим рисунком на поверхности каждого упомянутого диэлектрического слоя. По меньшей мере, один токопроводящий рисунок имеет множество первых токопроводящих дорожек, каждая протягивается радиально от внутреннего радиуса до внешнего радиуса и располагается под углом на одной из диэлектрических поверхностей, по меньшей мере, одна из первых токопроводящих дорожек соединяется на своем внешнем радиусе, по меньшей мере, с одной другой из первых токопроводящих дорожек на ее внешнем радиусе посредством первого межсоединения. Первое межсоединение ограничивается внутренним и внешним краями. Первое межсоединение имеет начальную область, переходную область, оконечную область и первый закругленный участок внутреннего края и первый закругленный участок внешнего края, протягивающиеся от первой токопроводящей дорожки до переходной области, и второй закругленный участок внутреннего края и второй закругленный участок внешнего края, протягивающиеся от переходной области до одной другой токопроводящей дорожки на внешнем радиусе другой токопроводящей дорожки. По меньшей мере, между участком внутреннего края и участком внешнего края межсоединения в его переходной области межсоединение имеет, по меньшей мере, одну щелевидную вытянутую область, которая практически не уменьшает электропроводность от одного конца межсоединения до другого конца межсоединения, щелевидная вытянутая область протягивается практически параллельно участку внутреннего края в переходной области межсоединения.
[0016] В еще одном примерном варианте осуществления изобретения статор имеет планарную многослойную структуру (PCS), имеющую, по меньшей мере, один диэлектрический слой и токопроводящий рисунок на поверхности каждого упомянутого диэлектрического слоя. По меньшей мере, один токопроводящий рисунок имеет множество первых токопроводящих дорожек, каждая протягивается радиально от внутреннего радиуса до внешнего радиуса и располагается под углом на одной из диэлектрических поверхностей. По меньшей мере, одна из первых токопроводящих дорожек соединяется на своем внешнем радиусе, по меньшей мере, с одной другой из первых токопроводящих дорожек на ее внешнем радиусе посредством первого межсоединения. Первое межсоединение ограничивается, по меньшей мере, внутренним и внешним краями. Первое межсоединение имеет начальную область, переходную область и оконечную область и первый закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от первой токопроводящей дорожки до переходной области, и второй закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от переходной области до одной другой токопроводящей дорожки на внешнем радиусе другой токопроводящей дорожки. Внутренний край межсоединения от соединения между первой токопроводящей дорожкой и начальной областью до начала переходной области обозначается расстоянием "внутреннего края CT". Примерный вариант осуществления добивается, по меньшей мере, 90% максимального значения плотности тока, как определено посредством FEA/FEM-вычислений, в пределах первых 20% внутреннего края CT, измеренного по внутреннему краю межсоединения от первой токопроводящей дорожки по направлению к переходной области.
Краткое описание чертежей
[0017] Фиг. 1 иллюстрирует вид сверху статора, включающего в себя PCS, имеющую, по меньшей мере, один диэлектрический слой с одним из множества токопроводящих слоев, иллюстрируемым в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
[0018] Фиг. 2A является черно-белой копией цветной иллюстрации FEM-решения для плотности тока в углу концевого витка с острыми углами;
[0019] Фиг. 2B является версией FEM-решения в оттенках серого, показанного на фиг. 2A;
[0020] Фиг. 3A - это черно-белая копия цветной иллюстрации FEM-решения для плотности тока в структуре угла концевого витка с закругленными углами, при этом закругление соответствует половине ширины меньшей дорожки;
[0021] Фиг. 3B является версией FEM-решения в оттенках серого, показанного на фиг. 3A;
[0022] Фиг. 4A - это черно-белая копия цветной иллюстрации FEM-решения для плотности тока в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения;
[0023] Фиг. 4B является версией FEM-решения в оттенках серого, показанного на фиг. 4A;
[0024] Фиг. 5 иллюстрирует вид сверху статора, включающего в себя PCS в соответствии со структурой предшествующего уровня техники, имеющей острые углы;
[0025] Фиг. 6 иллюстрирует вид сверху статора, включающего в себя PCS, в которой углы имеют постоянный радиус поворота;
[0026] Фиг. 7 иллюстрирует подробности соединения внешнего контура в статоре, каждая конфигурация соединения включает в себя первую начальную область, соединяющуюся с переходной областью, соединяющейся, в свою очередь, с оконечной областью, согласно некоторым вариантам осуществления изобретения;
[0027] Фиг. 8 иллюстрирует сильно увеличенное, по оси z, наложение слоев статора мотора;
[0028] Фиг. 9 иллюстрирует контур концевого витка, имеющий дорожку межсоединения, которая разделена продольно;
[0029] Фиг. 10 - это черно-белая копия цветной иллюстрации FEM-решения, показывающая результирующую плотность тока без узких вытянутых щелевидных областей, иллюстрированных на фиг. 9;
[0030] Фиг. 10B является версией FEM-решения в оттенках серого, показанного на фиг. 10A;
[0031] Фиг. 11A - это черно-белая копия цветной иллюстрации FEM-решения, показывающая результирующую плотность тока с узкими вытянутыми щелевидными областями, иллюстрированными на фиг. 9;
[0032] Фиг. 11B является версией FEM-решения в оттенках серого, показанного на фиг. 11A;
[0033] Фиг. 12 иллюстрирует вид в поперечном разрезе сегмента статора 100 согласно некоторым вариантам осуществления;
[0034] Фиг. 13 иллюстрирует подробности статора 100, включающего в себя множество токопроводящих элементов 111, расположенных на PCS;
[0035] Фиг. 14 иллюстрирует подробности внутренней области статора, близкой к центральной начальной точке;
[0036] Фиг. 15 иллюстрирует вид в перспективе конфигураций соединения согласно некоторым вариантам осуществления изобретения; и
[0037] Фиг. 16 иллюстрирует блок-схему последовательности операций в способе производства статора, включающего в себя планарную многослойную структуру (PCS), имеющую, по меньшей мере, один диэлектрический слой и множество токопроводящих слоев, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0038] На чертежах элементы и этапы, обозначенные одинаковыми ссылочными номерами, ассоциируются с одинаковыми или аналогичными элементами и этапами, пока не указано иное.
Подробное описание изобретения
[0039] Обращаясь к фиг. 1, в примерном варианте осуществления изобретения, вид сверху статора 100 для использования в моторе с электроприводом или вращающемся генераторе имеет планарную многослойную структуру (PCS) 110, по меньшей мере, с одним диэлектрическим слоем и множеством слоев подложки, имеющих токопроводящие дорожки 111 на них. Диаметр статора, показанного на фиг. 1, может составлять порядка сантиметров до десятков метров. Токопроводящие дорожки 111 могут быть частью структуры обмотки в соответствии с вариантом осуществления изобретения, которая может быть соединена во внешнем кольцевом пространстве и внутреннем сегменте PCB-структуры. PCS 110 характеризуется, по меньшей мере, частично, центральной начальной точкой 101 и внешней периферией 102. Статор 100 включает в себя множество первых токопроводящих дорожек 111, протягивающихся радиально от радиуса 140 (r0) (измеряемого от центральной начальной точки 101) до радиуса 142 (r1) (измеряемого от центральной начальной точки 101) по направлению к периферии 102 PCS 110 и расположенных под углом на PCS. Одна или более первых токопроводящих дорожек соединяются на своем внешнем конце, на радиусе r1, типично с одной или более другой первой токопроводящей дорожкой(ами) на ее внешнем радиусе n. Такое межсоединение, спроектированное как внешний контур, имеет начальную область 144, переходную область 148 и оконечную область 150.
[0040] Дополняющим образом, множество токопроводящих дорожек соединяются на своих внутренних концах, на радиусе r0, посредством внутренних токопроводящих контуров 151, каждый внутренний токопроводящий контур аналогично имеет начальную область, переходную область и оконечную область. Таким образом, сочетание токопроводящих дорожек 111, и их соединительных структур, обеспечивает структуру обмотки на поверхности(ях) диэлектрического слоя(ев).
[0041] В более сложных структурах токопроводящие дорожки 111 могут быть соединены с токопроводящими дорожками на других слоях с помощью внутрислойных соединений, таких как сквозные соединения или другие внутрислойные линии связи. В этих внутрислойных соединениях сочетание токопроводящих дорожек на каждом из, например, двух (или более) слоев объединяется, чтобы формировать полезную структуру многослойных обмоток, как хорошо известно в области техники.
[0042] Существует проблема, однако, что ток, проходящий от одной токопроводящей дорожки 111 к следующей токопроводящей дорожке, не создает электромагнитные поля, которые могут повреждать или уменьшать эффективность рабочей системы мотора или генератора. Такие отрицательные воздействия могут приводить в результате, например, к паразитным токам или вихревым токам в соседних электропроводящих структурах, которые могут действовать как тормоз на систему. Как объясняется дополнительно ниже, такой тормоз снижает эффективность и типично не учитывается в структурном проектировании мотора или генератора на фиг. 1. Однако, настоящее изобретение направлено на уменьшение в значительной степени, посредством правильного формирования и проектирования взаимосоединяющих концевых контуров 151, 153, таких нежелательных электромагнитных полей.
[0043] Таким образом, статор 100 может включать в себя множество слоев, аналогичных слою, иллюстрированному в виде сверху на фиг. 1. Множество слоев могут быть выполнены с возможностью предоставлять последовательность катушек или обмоток, которые соединяются, обычно последовательно, чтобы формировать полюса мотора или генератора. Полюса затем типично разделяются на группы, по меньшей мере, с одной группой для каждой фазы тока, подаваемого к мотору (или генерируемого генератором). Совокупно, когда правильно управляется посредством внешней электрической схемы, компоновка проводников (например, дорожек 111 и взаимосвязывающих токопроводящих дорожек 151 и 153 в PCS 110) создает плотность вращающего тока и ассоциированное магнитное поле. Эта плотность вращающего тока (и магнитное поле) может оказывать крутящий момент на окружающую магнитную структуру (для мотора) или формировать выходной ток (для генератора). Часть печатной платы с радиальными структурами 111 ("активная область") является частью статора, предназначенной, чтобы участвовать в этом взаимодействии. Соответственно, активная область статора 100 может включать в себя токопроводящие дорожки 111, соединенные через взаимосвязывающие токопроводящие дорожки 151 и 152, чтобы формировать вращающий ток. Некоторые варианты осуществления включают в себя два набора редкоземельных магнитов, прикрепленных к валу, проходящему через центральную начальную точку 101 PCS 110, которые формируют компактное, высокоэффективное синхронное электрическое устройство с аксиальным (осевым) полем. В дополнение к активной области, включающей в себя плотность вращающего тока, которая взаимодействует с неоднородным магнитным полем, статор 100 может включать в себя токопроводящие элементы в периферийной области и токопроводящие элементы во внутренней области. Токопроводящие элементы могут рассеивать тепло, создаваемое статором 100, во время работы.
[0044] В соответствии со структурой изобретения, планарная PCB, например, для вращающегося электромотора или генератора, имеет внутреннюю, внешнюю и нейтральную структуры концевых витков, которые формируются, чтобы оптимизировать рабочую характеристику статора. В статоре мотора на планарной PCB, или планарном многослойном статоре (PCS), конструкция концевого витка имеет критическую важность по простой причине, что концевые витки, играющие различные роли в плане обмотки, обычно не могут сосуществовать на одном слое, а также не могут появляться на большом числе слоев в качестве способа уменьшения их суммарного сопротивления. Другим фактором для концевых витков является то, что они находятся в непосредственной близости к другим токопроводящим материалам, например, другим структурам на тех же или соседних слоях, что может вести к вихревым токам и паразитным нагрузкам с высокими частотами.
[0045] Настоящее изобретение устраняет обе проблемы и может быть сравнено с другими стратегиями проектирования и структурами посредством использования методов конечных элементов (FEM). Использование термина "концевой виток" в последующем описании должно пониматься как включающее в себя аналогичные признаки во внутренних и внешних концевых витках, в линиях связи между группами полюсов, в линиях связи сквозь слои, силовых соединениях и в структурах узловых точек нейтрали. Также важно признать, что, в то время как основное использование технологии, раскрытой в данном документе, существует для моторов и генераторов, применение технологии к любой печатной плате, однослойной или многослойной, может быть полезным для уменьшения потерь в схеме. Также важно отметить, что в области моторов/генераторов число концевых витков и их функционирование будут изменяться в зависимости от числа фаз, витков и полюсов для мотора.
[0046] Как отмечено выше, внутренний или внешний концевой виток имеет несколько соединенных областей. Основной функциональной частью концевого витка является угол, область, которая соединяет электрический ток из радиального проводника активной области или дорожки с предписанным радиусом, после того как поворот или угол выполняется, типично изменяет направление тока на плоских поверхностях с практически радиально направленного тока на направленный под углом ток. Часто, виток соединяется с узкой по ширине радиальной дорожкой в ее начальной точке соединения, ширина радиально направленной дорожки диктуется пространством для проводников в активной области плоскости и пространством, доступным для угловой части витка. В целях иллюстрации, и поскольку рассматриваемый признак является приблизительно (локально) декартовым, угловое движение в вариантах осуществления, которые следуют, указывается по x-оси, в то время как радиальное движение указывается по y-оси. Существует конформное отображение между этим случаем и случаем цилиндрических координат, непосредственно применимым к PCS для машин с осевым полем.
[0047] Чтобы изучать соотношение между структурой или формой конструкции концевого витка, и ее рабочей характеристикой, FEM-модели нескольких примерных спроектированных структур и примеры из более ранних проектов описываются с условием, что каждая структура переносит точно одинаковый суммарный ток. Графики величины плотности тока в структуре были последовательно созданы из FEM-решения и иллюстрируются на фиг. 2-4. Шкалы на этих графиках регулируются так, что они могут быть сравнены. Следует понимать, что в черно-белых версиях цветных чертежей, представленных в данном документе (т.е., фиг. 2A, 3A, 4A, 10A и 11A), более темные области необязательно соответствуют областям более высокой плотности тока в FEM-решениях, а более светлые области необязательно соответствуют областям более низкой плотности тока в этих решениях. Это имеет место, поскольку красные и синие области рядом с верхом и низом, соответственно, шкал для цветных версий, обе копируются более темным цветом в черно-белых версиях. Соответственно, полезно рассмотреть версии FEM-решений в оттенках серого (т.е., фиг. 2B, 3B, 4B, 10B и 11B) вместе с черно-белыми копиями цветных версий этих решений для лучшего понимания относительных плотностей тока в различных областях.
[0048] Обычным для предшествующих CAD-комплектов на печатных платах является объединение линий различных ширин с прямыми углами, как иллюстрировано на фиг. 5. Концевые витки с углами, построенными таким образом, появляются, например, в патенте США 7,109,625. Неблагоприятным следствием этой структуры, как показано в созданной с помощью FEM карте плотности тока на фиг. 2A и 2B, является то, что ток концентрируется в значительной степени во внутреннем углу 250 участка 251 внутреннего края концевого витка. Это создает концентрацию тока и, следовательно, потерю энергии в углу внутреннего края, и ток практически равен нулю в углу 252 внешнего края. Концентрация тока в углу внутреннего края ведет к гораздо более сильному магнитному полю H (ампер на метр, или А/м) в непосредственной близости от угла внутреннего края. Медь внешнего угла служит практически отсутствию функционирования в проводимости структуры, но посредством близости к высокой плотности тока в углу внутреннего края и другим источникам тока на PCS может представлять нежелательную паразитную вторичную обмотку для изменяющихся по времени магнитных полей от таких других источников. Дополнительно, внутренний угол концентрирует ток и создает магнитное поле, которое может нежелательно взаимодействовать с другими структурами в PCS. Совокупно эти действия ведут к повышенным потерям при более высоких частотах, также как к относительно высокому сопротивлению для количества используемой меди (поскольку медь на внешнем крае угла практически не переносит ток, как отмечено выше).
[0049] Фактическая проводимость структуры между концами на фиг. 5 изменяется прогнозируемым образом как функция проводимости материала, толщины и масштаба. В целях сравнения, и чтобы подчеркивать важность формы угла концевого витка независимо от этих других переменных, проводимость структуры на фиг. 5 обозначается как 1,0.
[0050] Важно отметить, для формы/структуры на фиг. 5, что, в то время как ток, поступающий в начальную область 254 концевого витка, является практически равномерным на всем протяжении поперечного сечения дорожки, в создании острого угла он имеет тенденцию скапливаться внутрь.
[0051] Другой обычной практикой в CAD-инструментах является предоставление варианта объединения линий с применением точно указанного постоянного радиуса поворота на витке. Часто закругления во внутреннем закругленном углу 642 и внешнем закругленном углу 645, используемых для замены острого угла на фиг. 5, выбираются на основе ширин линий, которые должны быть объединены. Геометрия угла, иллюстрированная на фиг. 6, показывает этот тип угла концевого витка. Отметим, что на фиг. 6 существует 3 вложенных один в другой концевых контура 635. В этом случае внутреннее и внешнее закругление для внутреннего края 640 и внешнего края 650 являются такими же, что и радиус отверстия, используемого для вертикального сегмента дорожки. Работа структуры, иллюстрированной на фиг. 6, улучшается относительно структуры, иллюстрированной на фиг. 5 (как показано посредством FEM-модели на фиг. 3A и 3B), хотя структура/форма на фиг. 6 все еще показывает концентрацию тока рядом с краем внутреннего угла, и некоторая часть меди на краю внешнего угла не несет значительный ток. Проводимость структуры, иллюстрированной на фиг. 6 относительно фиг. 5, равна 1,046. Структура на фиг. 6, следовательно, обеспечивает меньшую потерю на сопротивление; однако, плотность тока все еще является нежелательно высокой на краю внутреннего угла, приводя в результате к тем же нежелательным воздействиям, отмеченным в связи со структурой на фиг. 5, хоть и на слегка более низких уровнях.
[0052] Примерный вариант осуществления, описанный в данном документе, таким образом, признает необходимость получать дополнительное снижение с высоких плотностей тока более ранних структур, иллюстрированных на фиг. 2 и 5, и фиг. 3 и 6, чтобы определять форму конструкции и функцию, которая значительно уменьшает концентрацию плотности тока вдоль внутреннего угла, а особенно края внутреннего угла, с последующим уменьшением отрицательных воздействий, получающихся в результате высокой концентрации плотности тока, иллюстрированной на фиг. 2 и 3.
[0053] Обращаясь к фиг. 7, иллюстрированная структура концевого витка ограничивается своими внутренним и внешним краями и соответствует локальному решению дифференциального уравнения первого порядка в x и y (или r и θ). Этот пример и предпочтительный вариант осуществления, соответствующий определению параметров с одной переменной для непрерывного перехода от начальной ширины и местоположения 710 угла 712 концевого витка, через угол, к x- или θ-направленному фрагменту 714 концевого витка. Плавный переход, описанный более подробно ниже, избегает локализованной концентрации тока в угловом переходе, встречающемся в примерах на фиг. 5 и 6, и не имеет тенденции концентрировать плотность тока на повороте. Соответственно, нежелательные магнитные поля, создаваемые предшествующими структурами (фиг. 5 и 6), минимизируются. Определение параметров поворота предоставляет независимую переменную, которая может быть использована в целях оптимизации в различных конструктивных решениях. Как иллюстрировано на фиг. 4, это конструктивное решение концевого витка избегает концентрации плотности тока и имеет относительную проводимость 1,197, почти на 20% выше структуры концевого витка, иллюстрированной на фиг. 5. Дополнительно, в одном конкретном примерном варианте осуществления изобретения внутренний и внешний края могут принимать форму в соответствии с так называемым "уравнением угла":
для угла, начинающегося в θS и rs и оцениваемого для θ > θS, или эквивалентной отраженной версией с для угла, оцениваемого с θ < θS и заканчивающегося в θS и rs. Это уравнение предоставляет постепенное изменение радиуса изгиба вдоль краев и является контролируемым посредством одного параметра, α, выбранного в зависимости от начальной и конечной точек края. В предпочтительном варианте осуществления уклон является постоянно изменяющейся переменной, имеющей нулевую вторую производную. Равносильно сказать, что закругленный край характеризуется уклоном, который является линейной функцией r от начальной точки (пересечения между начальной областью и токопроводящей дорожкой) до переходной области, и что уклон является отличающейся линейной функцией от переходной области до конца оконечной области. Вся структура края контура может быть описана от первоначальной дорожки 111 до конечной дорожки 111 единственным уравнением
где rS1, θ1 является начальной точкой структуры на первоначальной дорожке 111, rS2, θ2 является конечной точкой структуры, α является параметром углов, и rd является радиусом, с которым структура протягивается преимущественно в угловом направлении.
[0054] Избегание концентрации плотности тока в контуре (внутреннем или внешнем) может рассматриваться посредством измерения плотности тока вдоль внутреннего края контура в начальной области. Типично, показатель плотности тока будет выше в начале начальной области, где он соединяется с токопроводящей радиальной дорожкой, и наименьшим на внутреннем крае на пересечении начальной и переходной областей. Если участок внутреннего края межсоединения от соединения между первой токопроводящей дорожкой и начальной областью до начала переходной области обозначается расстоянием "внутреннего края CT", тогда, в примерном варианте осуществления, плотность тока достигает, по меньшей мере, 90% максимального значения плотности тока, как определяется посредством FEA/FEM-вычислений, в пределах первых 20% внутреннего края CT, измеренных вдоль внутреннего края межсоединения от первой токопроводящей дорожки по направлению к переходной области. Это существенно отличается от структур на фиг. 5 и 6, в которых пик возникает гораздо дальше от радиального проводника в местоположении, которое более вероятно неблагоприятно воздействует на паразитные и вихревые токи в соседних проводниках.
[0055] Как отмечено выше, расстояние проводника до источника электромагнитного излучения может значительно влиять на силу электромагнитного поля, падающего на проводник, и его неблагоприятные последствия. Этот эффект "близости" является тенденцией для тока в соседнем проводнике влиять на распределение тока в проводнике первичной обмотки, и наоборот. Это воздействие приводит в результате к изменению распределения тока в проводнике первичной обмотки, также как к потерям в обоих проводниках, и выглядит как увеличение в электрическом сопротивлении проводника первичной обмотки, когда частота тока увеличивается. Близко совпадающей концепцией является: тенденция токопроводящего материала, который не является частью схемы в DC, становиться паразитной "вторичной обмоткой" вследствие плотности тока, индуцируемой изменяющимся по времени током проводника первичной обмотки. Это действие увеличивается, когда (i) частота идет вверх, (ii) сила магнитного поля увеличивается, и (iii) когда приближение паразитного токопроводящего материала к первичной обмотке уменьшается. Эти факторы смягчаются в пользу как уменьшения концентрации электромагнитного поля, например, с помощью примерной структуры формы угла, иллюстрированной на фиг. 7, так и уменьшения близости проводника, где возможно, к соседним проводникам. В предпочтительном примерном варианте осуществления изобретения "уравнение угла", указанное далее в данном документе, помогает улучшать оба этих воздействия.
[0056] Для любого из уравнений выше параметр α определяет степень, с которой концевой виток будет приближаться к своему практически постоянному закругленному, направленному под углом, фрагменту структуры статора (переходной области). Важным фактором является то, что угол должен избегать помех с соседними структурами. Если соседние структуры являются вложенными друг в друга углами, такими как описанные уравнением угла и иллюстрированные по ссылке 153 на фиг. 1, внешний край внутреннего концевого витка должен быть меньше, чем "постоянный" радиус внутреннего края соседнего внешнего концевого витка. Дополнительно, большие значения для α могут создавать помехи или нарушения минимального зазора с соседними структурами на печатной плате, такими как оконечные структуры, которые не регулируются уравнением угла. С учетом этих факторов, определение подходящего значения может быть выведено из углового смещения (обозначенного как δ) двух соседних радиальных дорожек 111, таких как показанные на фиг. 1. В типовом статоре, имеющем, например, 120 радиальных дорожек, угловое разделение θ может быть, например, порядка 3° (или 2 π/120 радиан) или менее. Дополнительно, в то время как минимальный производственный зазор будет фактором для точного вычисления наибольшего возможного α для данного конструктивного решения, нежелательно использовать α, который также является большим, поскольку ширина всей структуры концевого витка может быть уменьшена, с воздействием увеличивающегося DC-сопротивления структуры. С другой стороны, задание α в значения, которые являются слишком маленькими, например, менее 0,1 δ, эффективно создает форму прямого угла и уменьшает преимущества, идентифицированные в данном документе. Соответственно, задается потенциальный "диапазон" для α, где угловое разделение между соседними радиальными дорожками составляет, например, приблизительно между 0,2 δ и 0,06 δ радиан.
[0057] В дополнение к уравнению угла, описанному выше, существуют другие описания формирования и придания формы углу конечного контура или дорожки, которые также улучшают результаты, видимые, когда угол является "острым". Таким образом, например, как описано выше, и в контексте концевого контура, как описано выше в соединении, например, с концевым контуром 714, иллюстрированным на фиг. 7, первый закругленный участок внутреннего края и второй закругленный участок внутреннего края концевого контура в начальной и оконечного областях контура могут, каждый, характеризоваться уклоном dr/dθ, который является линейной функцией r(θ), от первой токопроводящей дорожки до переходной области, и где уклон является отличающейся линейной функцией от переходной области до токопроводящей дорожки, которая должна быть подсоединена.
[0058] В другом описании формирования и придания формы для угла в концевом контуре можно выбирать любую точку между внутренним и внешним краем контура, и форму контура, так что наименьшая величина плотности тока при возбуждении постоянным током в этой точке не меньше 50% наибольшей величины плотности тока, оцениваемой по кратчайшей линии между внутренним и внешним краем контура и проходящей через эту точку. Этот подход соответственно также уменьшает неблагоприятные воздействия совокупной плотности тока.
[0059] В еще одном описании для формирования и придания формы углу концевого контура, соответствующий уклон первого закругленного участка внутреннего края и второго закругленного участка внутреннего края контура, каждый, характеризуются монотонно изменяющимся значением уклона как функции угла поворота от одной токопроводящей дорожки до токопроводящей дорожки, которая должна быть присоединена. Это также уменьшает индуцируемые токи посредством уменьшения совокупной плотности тока в углу. В еще одном подходе к уменьшению совокупной плотности тока примерный вариант осуществления достигает, по меньшей мере, 90% максимального значения плотности тока, как определено посредством FEA/FEM-вычислений, в пределах первых 20% внутреннего края CT (как определено выше), измеренных вдоль внутреннего края межсоединения от первой токопроводящей дорожки по направлению к переходной области.
[0060] В практических конструктивных решениях статора структуры вне плоскости могут также формировать паразитные элементы вторичной обмотки. Фиг. 8 показывает сильно увеличенное (по z-оси) представление наложения слоев статора мотора. В фактической конструкции расстояние между медью будет приблизительно таким же, что и толщина меди. Это иллюстрирует значительную сложность понятия "близость", которая может изменяться на основе параметров конструкции статора, таких как количество полюсов, число витков и т.д. Соответственно, как показано на чертеже, токопроводящие поверхности могут быть разнесены в группы (группы из трех, как показано на фиг. 8, являются лишь одной примерной конфигурацией), по структуре и по функции для того, чтобы сохранять необходимые полезные действия всего устройства. Таким образом, все внешние контуры не будут совмещаться для всей высоты уложенных слоев статора мотора/генератора, и преимущества будут получены в уменьшенных электромагнитных полях, генерируемых в отличной от активной области платы.
[0061] Обращаясь к фиг. 9, контур 700 концевого витка имеет взаимосоединяющую дорожку, которая разделяется продольно на два или более параллельных пути 704 на большей части своей протяженности. Продольная щель(и) имеет небольшое воздействие на проводимость между концами, но изменяет способ, которым изменяющийся по времени поток связывается посредством структуры. Результирующая плотность тока, индуцируемая в сегментах концевого витка, разделенных щелью(ями) 706 (вызванная узкой вытянутой областью(ями) практически без или с нулевой электропроводностью), иллюстрируется на фиг. 10 и 11 посредством моделирования, с помощью тех же условий, так что результаты могут быть сравнены между различными вариантами осуществления, как по форме, так и по величине. Дополнительно, действием щелей является предотвращение значительного увеличения в плотности тока, часто видимого, когда щель не используется, или используется меньшее количество щелей.
[0062] Результат FEM, отображенный на фиг. 10, показывает значительное воздействие индуцируемого тока, вызванного внешним изменяющимся по времени полем в начале 1004 вытянутой дорожки 1002. Индуцируемые токи являются особенно большими в начале и областях 1006 и 1008 поверхности, вертикально выровненных с началом. Отметим, что продольная щель 706 на фиг. 11, при наличии конкретного радиального зазора для концевого витка, обязательно уменьшает площадь поперечного сечения и, следовательно, увеличивает DC-сопротивление сегмента концевого витка. Дополнительно, ширина щели зависит от толщины меди, которая определяет минимальный размер детали, достижимый с помощью фоторезистного/травильного процесса, посредством которого изготавливаются печатные платы. Таким образом, число щелей в любой заданной конструкции зависит от рассеяния потока, других источников dB/dt, радиального зазора для концевых витков и скорости работы конструкции мотора или генератора. Преимущественно, однако, как иллюстрировано на фиг. 11, существование этих новаторских щелей может существенно уменьшать распределения индуцированного тока в концевом витке, линии связи, нейтрали, силовом соединении и аналогичных деталях в конструкции статора, как в начале, так и в выровненных областях поверхности. Физическая степень воздействия индуцируемого тока также уменьшается.
[0063] Принятие во внимание конструкции в статоре 100 подразумевает компромисс между проводимостью и потерями на вихревые токи в активной области статора. Чтобы уменьшать потери на проводимость, проводники должны быть шире (или соединены параллельно на последующих слоях). Чтобы уменьшать потери на вихревые токи, эффективные области, захватывающие изменяющийся по времени поток, должны быть меньше, таким образом, проводники должны быть более узкими.
[0064] Третий источник тепла подразумевает вихревые токи вследствие магнитного поля от токонесущих проводников. Это воздействие является важным для рассмотрения во внутренней и внешней областях PCB, где различные слои могут выполнять различные функции.
[0065] Фиг. 12 иллюстрирует частичный вид в поперечном разрезе статора 100 согласно некоторым вариантам осуществления. Без ограничения и в иллюстративных целях ось "z" показана в направлении наложения различных слоев в статоре 100, а перпендикулярная ось 'r' показана в его поперечном сечении. Как видно, статор 100 может включать в себя диэлектрическую подложку 162, расположенную между токопроводящими слоями 161a и 161b. Сквозное соединение 125 обеспечивает электропроводность между токопроводящими слоями 161a и 161b. Кроме того, сквозное соединение (или сквозные соединения) 125, которое является электропроводным, может также обеспечивать теплопроводность между слоями 161a и 161b благодаря токопроводящему материалу, который типично используется в этих элементах (например, медь, алюминий, олово, вольфрам и производные смеси). Диэлектрическая подложка 162 может включать в себя любой материал, используемый во множестве PCB, такой как композитный материал, включающий в себя тканое стекловолокно с эпоксидным полимерным связующим веществом (например, FR-4 и т.п.). Как иллюстрировано на фиг. 12, незаштрихованные области, т.е., чистые области, являются электропроводными, и сквозное соединение 125, протягивающееся сквозь подложку, обеспечивает электрический контакт от дорожек на одной поверхности с дорожками на противоположной поверхности подложки.
[0066] Соответственно, в некоторых вариантах осуществления, статор 100 включает в себя, по меньшей мере, один из токопроводящих элементов 111, расположенных на различных токопроводящих слоях 161a и 161b. Например, токопроводящий элемент 111a может быть одним из множества токопроводящих элементов 111 в активной области статора 100 и располагаться на токопроводящем слое 161a. Соответственно, токопроводящий элемент 111b может быть одним из множества токопроводящих элементов 111 в активной области статора 100 и располагаться на другом токопроводящем слое 161b.
[0067] Фиг. 13 иллюстрирует подробности статора 100, включающего в себя множество токопроводящих элементов 111, расположенных радиально на PCS 110, согласно некоторым вариантам осуществления. Токопроводящие элементы 152, внутренние контуры, располагаются под углом на PCS 110, и в этом примерном варианте осуществления внешние контуры разделяются продольно щелями 157. Внутренние контуры, иллюстрированные здесь, не разделяются вследствие ограниченного пространства, доступного ближе к центру статора. В некоторых вариантах осуществления статор 100 дополнительно включает в себя множество третьих токопроводящих элементов, протягивающихся радиально от радиуса более чем n от центральной начальной точки 101 по направлению к периферии 102 и расположенных под углом на PCS 110, при этом, по меньшей мере, один из третьих токопроводящих элементов и, по меньшей мере, один из вторых токопроводящих элементов являются совпадающими, но располагаются на различных токопроводящих слоях. Например, и без потери общности, третьи токопроводящие элементы могут быть включены в токопроводящий слой 161a, а вторые токопроводящие элементы 121b могут быть включены в токопроводящий слой 161b.
[0068] В иллюстрированном варианте осуществления на фиг. 13 радиальные токопроводящие дорожки 111 могут заканчиваться на оконечном соединителе 191 на расстоянии 142 (r1) от центральной начальной точки 101. Эти соединители описываются более подробно в находящейся одновременно на рассмотрении заявке США порядковый номер 15/199527, идентифицированной и объединенной по ссылке выше.
[0069] Фиг. 14 иллюстрирует подробности внутренней области, близкой к центральной начальной точке 101 статора 100, включающего в себя множество токопроводящих элементов 111, расположенных радиально, и токопроводящих элементов 151, расположенных под углом на PCS 110, согласно некоторым вариантам осуществления. Вследствие пространственных ограничений рядом с центральной начальной точкой 101, в некоторых вариантах осуществления только некоторые токопроводящие элементы 151 электрически соединяются с соответствующими токопроводящими элементами 111. Эта компоновка избегает создания нежелательного электрического контакта между соседними токопроводящими элементами, такими как элементы, используемые, чтобы улучшать рассеяние тепловой энергии, рядом с центральной начальной точкой 101. Кроме того, чтобы устранять проблему тепловой и электрической проводимости в сильно ограниченном пространстве внутренней области PCS 110, токопроводящие элементы, такие как концевые контуры 151, могут чередоваться или быть расположены в шахматном порядке, с одним концевым контуром, находящимся на одном слое многослойной PCS 110, и другим концевым контуром, находящимся на соседнем слое PCS 110. Располагая в шахматном порядке концевые контуры, в различных токопроводящих слоях, они могут протягиваться внутрь, в то же время сохраняя желательный зазор между соседними токопроводящими элементами на одном и том же токопроводящем слое. Другие конфигурации разнесения, согласующиеся с этим отличительным признаком, могут быть представлены, например, соединяющие каждый третий или четвертый токопроводящий элемент через сквозное соединение. Сквозное соединение может протягиваться не только между токопроводящими слоями на поверхности одной подложки, но также сквозь множество слоев.
[0070] Некоторые варианты осуществления включают в себя одно или более сквозных соединений между слоями рядом с внешними фрагментами оконечной структуры 115, чтобы обеспечивать электрическое соединение между слоями. Эти сквозные соединения типично применяются в связывающих соединениях, и, в частности, в соединении с внешними и внутренними контурами, чтобы предоставлять структуры обмотки, требуемые устройством. Эти соединения могут применять множество сквозных соединений, или только одно сквозное соединение, протягивающееся сквозь множество слоев, чтобы предоставлять возможность соединений, необходимых для требуемой схемы. Таким образом, начальная область внутреннего или внешнего контура может быть на первом слое, оконечная область на втором слое, а переходная область может тогда включать в себя связующие соединения (например, разводку дорожек, соединяющую с начальной областью, сквозное соединение или другой межслойный соединитель, и вторую соединяющую дорожку, соединяющую с оконечной областью. В этой конфигурации, как и в конфигурациях, показанных, например, на фиг. 7, дорожки начальной области и оконечной области будут стремиться удовлетворять терминам, например, уравнения угла.
[0071] Фиг. 15 показывает вид в перспективе конфигурации 615a соединения, согласно некоторым вариантам осуществления. Конфигурация 615a соединения включает в себя токопроводящие элементы 111a,b и 121a,b в двух различных токопроводящих слоях (например, токопроводящем слое 161a и 161b, см. фиг. 1B), формирующих электрическое и тепловое соединение в оконечной структуре 115. Более конкретно, конфигурация 615a соединения предусматривает электрическое связывание между токопроводящими элементами 111a,b и токопроводящими элементами 121a,b.
[0072] Фиг. 16 иллюстрирует блок-схему последовательности операций способа 800 для производства статора, включающего в себя планарную многослойную структуру (PCS), имеющую, по меньшей мере, один диэлектрический слой и множество токопроводящих слоев, согласно некоторым вариантам осуществления (например, статор 100, PCS 110, диэлектрическую подложку 162, токопроводящие слои 161a, b).
[0073] Способы, согласующиеся с настоящим изобретением, могут включать в себя, по меньшей мере, некоторые, но необязательно все, этапы, иллюстрированные в способе 800, и в некоторых вариантах осуществления могут выполняться в различной последовательности. Кроме того, способы, согласующиеся с настоящим изобретением, могут включать в себя, по меньшей мере, два или более этапов как в способе 800, выполняемые перекрывающимися по времени или почти одновременно.
[0074] Этап 802 включает в себя формирование первого токопроводящего слоя на одной поверхности PCS посредством радиального расположения в соответствии с описанием изобретения в данном документе, первых токопроводящих элементов на диэлектрической подложке, каждый начинается с первого расстояния от центральной начальной точки PCS и протягивается радиально до фиксированного внешнего радиуса. Этап 804 включает в себя формирование второго токопроводящего слоя на стороне подложки, противоположной первому токопроводящему слою, посредством расположения вторых токопроводящих элементов, протягивающихся радиально от предварительно установленного расстояния от центральной начальной точки PCS.
[0075] Этап 806 включает в себя формирование множества внешних концевых контуров в соответствии с вариантами осуществления изобретения на обеих поверхностях подложки и соединение, в соответствии с описанием изобретения в данном документе, первых токопроводящих элементов друг с другом и со вторыми токопроводящими элементами через взаимосвязывающее соединение с помощью внешних контуров. Этап 808 включает в себя формирование множества внутренних концевых контуров в соответствии с вариантами осуществления изобретения на обеих поверхностях подложки и соединение, в соответствии с описанием изобретения в данном документе, первых токопроводящих элементов друг с другом и со вторыми токопроводящими элементами через взаимосвязывающее соединение с помощью внутренних контуров. На этапе 810 могут быть применены сквозные соединения или другое между поверхностными соединениями.
[0076] В некоторых вариантах осуществления соединение первого токопроводящего элемента со вторыми токопроводящими элементами может включать в себя тепловое соединение. Кроме того, соединение может включать в себя конфигурацию соединения, имеющую взаимосвязывающие структуры, включающие в себя сквозные соединения, которые проходят через диэлектрическую подложку от одного токопроводящего слоя до другого, несоседнего, токопроводящего слоя (например, с помощью сквозного соединения 125).
[0077] Специалист в области техники признает, что изобретение может быть осуществлено в других конкретных формах без отступления от духа или его неотъемлемых характеристик. Вышеупомянутые варианты осуществления, следовательно, должны рассматриваться во всех отношениях скорее иллюстративными, чем ограничивающими изобретение, описанное в данном документе. Рамки изобретения, таким образом, указываются посредством прилагаемой формулы изобретения вместо предшествующего описания, и все изменения, которые подпадают под значение и диапазон эквивалентности формулы изобретения, следовательно, предназначаются, чтобы быть заключенными в них.
[0078] Различные аспекты настоящего изобретения могут быть использованы отдельно, в сочетании или во множестве компоновок, специально не обсуждаемых в вариантах осуществления, описанных выше, и, следовательно, не ограничиваются в этой заявке деталями и компоновкой компонентов, изложенных в предшествующем описании или иллюстрированных на чертежах. Например, аспекты, описанные в одном варианте осуществления, могут быть объединены любым образом с аспектами, описанными в других вариантах осуществления.
[0079] Также, изобретение может быть осуществлено как способ, пример которого был предоставлен. Действия, выполняемые как часть способа, могут быть упорядочены любым подходящим образом. Соответственно, могут быть созданы варианты осуществления, в которых действия выполняются в порядке, отличном от иллюстрированного, который может включать в себя выполнение некоторых действий одновременно, даже если показаны как последовательные действия в иллюстративных вариантах осуществления.
[0080] Использование порядковых терминов, таких как "первый", "второй", "третий" и т.д. в формуле изобретения, чтобы модифицировать элемент формулы изобретения, само по себе не являет какой-либо приоритет, предшествование или порядок одного элемента формулы изобретения в отношении другого или временной порядок, в котором действия способа выполняются, а используются просто как метки, чтобы различать один заявляемый элемент, имеющий некоторое наименование, от другого элемента, имеющего такое же наименование (но для использования порядкового термина), чтобы различать элементы формулы изобретения.
[0081] Также, фразеология и терминология, применяемая здесь, используется с целью описания и не должна быть расценена как ограничение. Использование фраз "включающий в себя", "содержащий" или "имеющий", "состоящий", "подразумевающий" и их вариаций в данном документе предназначено, чтобы охватывать объекты, перечисленные после этого, и их эквиваленты, также как и дополнительные объекты.
1. Статор электрической машины, содержащий:
планарную композитную структуру (PCS), содержащую по меньшей мере один диэлектрический слой и проводящий рисунок на поверхности упомянутого по меньшей мере одного диэлектрического слоя, причем проводящий рисунок содержит:
по меньшей мере первую и вторую проводящие дорожки, каждая протягивается радиально от внутреннего радиуса до внешнего радиуса и располагается под углом на поверхности; и
первое межсоединение, имеющее первый фрагмент, соединенный с первой проводящей дорожкой на внешнем радиусе, и второй фрагмент, соединенный со второй проводящей дорожкой на внешнем радиусе;
при этом первое межсоединение ограничивается внутренним краем и внешним краем и имеет начальную область, переходную область и конечную область, причем начальная область имеет первый закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от первой проводящей дорожки до переходной области; и
при этом по меньшей мере фрагмент первого закругленного участка внутреннего края имеет кривизну, которая изменяется непрерывно в зависимости от длины дуги.
2. Статор по п. 1, в котором форма фрагмента первого закругленного участка внутреннего края характеризуется уравнением угла
для угла, начинающегося в θS и rs и оцениваемого для θ > θS, или эквивалентной отраженной версией с
для угла, оцениваемого с θ < θS и заканчивающегося в θS и rs.
3. Статор по п. 1 или 2, в котором:
конечная область имеет второй закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от переходной области к второй проводящей дорожке; и
по меньшей мере фрагмент второго закругленного участка внутреннего края имеет кривизну, которая изменяется непрерывно в зависимости от длины дуги.
4. Статор по п. 3, в котором форма фрагмента второго закругленного участка внутреннего края характеризуется уравнением угла
для угла, начинающегося в θS и rs и оцениваемого для θ > θS, или эквивалентной отраженной версией с
для угла, оцениваемого с θ < θS и заканчивающегося в θS и rs.
5. Статор по п. 4, в котором уравнение угла для всего внутреннего края первого межсоединения характеризуется уравнением
,
где rS1, θ1 является начальной точкой структуры на первоначальной дорожке, rS2, θ2 является конечной точкой структуры, α является параметром углов и rd является радиусом, с которым структура протягивается в угловом направлении.
6. Статор по любому из пп. 1-5, в котором:
начальная область имеет первый закругленный участок внешнего края, протягивающийся от первой проводящей дорожки до переходной области, и второй закругленный участок внешнего края, протягивающийся от переходной области ко второй проводящей дорожке;
по меньшей мере фрагмент первого закругленного участка внешнего края имеет кривизну, которая изменяется непрерывно в зависимости от длины дуги; и
по меньшей мере фрагмент второго закругленного участка внешнего края имеет кривизну, которая изменяется непрерывно в зависимости от длины дуги.
7. Статор по п. 6, в котором форма фрагмента первого закругленного участка внешнего края и форма фрагмента второго закругленного участка внешнего края, каждая, характеризуется уравнением угла
для угла, начинающегося в θS и rs и оцениваемого для θ > θS, или эквивалентной отраженной версией с
для угла, оцениваемого с θ < θS и заканчивающегося в θS и rs.
8. Статор по любому из пп. 1-7, в котором PCS имеет множество слоев и дополнительно включающий в себя:
соединительные структуры для взаимного соединения фрагментов проводящих рисунков на различных слоях.
9. Статор по любому из пп. 1-8, причем статор включен в мотор или генератор с аксиальным магнитным потоком.
10. Статор по любому из пп. 2, 4, 5 и 7, в котором угловое разделение между первой проводящей дорожкой и смежной проводящей дорожкой, которая также протягивается радиально от внутреннего радиуса до внешнего радиуса, равно δ радиан, и
α изменяется в диапазоне между 0,06δ и 0,2δ радиан.
11. Статор электрической машины, содержащий:
планарную композитную структуру (PCS), содержащую по меньшей мере один диэлектрический слой и проводящий рисунок на поверхности упомянутого по меньшей мере одного диэлектрического слоя, причем проводящий рисунок содержит:
по меньшей мере первую и вторую проводящие дорожки, каждая протягивается радиально от внутреннего радиуса до внешнего радиуса и располагается под углом на поверхности; и
первое межсоединение, имеющее первый фрагмент, соединенный с первой проводящей дорожкой на внешнем радиусе, и второй фрагмент, соединенный со второй проводящей дорожкой на внешнем радиусе;
при этом первое межсоединение ограничивается внутренним краем и внешним краем и имеет начальную область, переходную область и конечную область, причем начальная область имеет первый закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от первой проводящей дорожки на внешнем радиусе до переходной области, и второй закругленный участок внутреннего края, протягивающийся от переходной области до второй проводящей дорожки на внешнем радиусе; и
при этом по меньшей мере первый закругленный участок внутреннего края и второй закругленный участок внутреннего края, каждый, характеризуются уклоном dr/dθ, который является линейной функцией от r(θ) от первой проводящей дорожки до переходной области, и где уклон dr/dθ является другой линейной функцией от переходной области до второй проводящей дорожки.
12. Статор по п. 11, в котором PCS имеет множество слоев и дополнительно включающее в себя:
соединительные структуры для взаимного соединения фрагментов проводящих рисунков на различных слоях.
13. Статор по п. 11 или 12, причем статор включен в мотор или генератор с аксиальным магнитным потоком.
14. Статор электрической машины, содержащий:
планарную композитную структуру (PCS), содержащую по меньшей мере один диэлектрический слой и проводящий рисунок на поверхности упомянутого по меньшей мере одного диэлектрического слоя, причем проводящий рисунок содержит:
по меньшей мере первую и вторую проводящие дорожки, каждая протягивается радиально от внутреннего радиуса до внешнего радиуса и располагается под углом на поверхности;
первое межсоединение, имеющее первый фрагмент, соединенный с первой проводящей дорожкой на внешнем радиусе, и второй фрагмент, соединенный со второй проводящей дорожкой на внешнем радиусе;
причем первое межсоединение ограничивается внутренним краем и внешним краем и имеет начальную область, переходную область и оконечную область, причем начальная область протягивается от первой проводящей дорожки на внешнем радиусе до переходной области, и конечный участок протягивается от переходной области до второй проводящей дорожки на внешнем радиусе; и
причем в любой точке между внутренним и внешним краем наименьшая величина плотности тока при возбуждении постоянным током не меньше 50% наибольшей величины плотности тока, оцениваемой по кратчайшей линии между внутренним и внешним краем, проходящей через эту точку.
15. Статор по п. 14, в котором PCS имеет множество слоев и дополнительно включающее в себя:
соединительные структуры для взаимного соединения фрагментов проводящих рисунков на различных слоях.
16. Статор по п. 14 или 15, причем статор включен в мотор или генератор с аксиальным магнитным потоком.
17. Статор электрической машины, содержащий:
планарную композитную структуру (PCS), содержащую по меньшей мере один диэлектрический слой и проводящий рисунок на поверхности упомянутого по меньшей мере одного диэлектрического слоя, причем проводящий рисунок содержит:
по меньшей мере первую и вторую проводящие дорожки, каждая протягивается радиально от внутреннего радиуса до внешнего радиуса и располагается под углом на поверхности; и
первое межсоединение, имеющее первый фрагмент, соединенный с первой проводящей дорожкой на внешнем радиусе, и второй фрагмент, соединенный со второй проводящей дорожкой на внешнем радиусе;
при этом первое межсоединение ограничивается внутренним краем и внешним краем и имеет начальную область, переходную область и конечную область, причем начальная область имеет первые закругленные участки внутреннего и внешнего края, протягивающиеся от первой проводящей дорожки на внешнем радиусе до переходной области, и вторые закругленные участки внутреннего и внешнего края, протягивающиеся от переходной области до второй проводящей дорожки на внешнем радиусе; и
при этом по меньшей мере соответствующий уклон первого закругленного участка внутреннего края и участка внешнего края и второго закругленного участка внутреннего края и участка внешнего края, каждый, характеризуется монотонно изменяющимся значением уклона как функции угла поворота от первой проводящей дорожки до второй проводящей дорожки.
18. Статор по п. 17, в котором PCS имеет множество слоев и дополнительно включающее в себя:
соединительные структуры для взаимного соединения фрагментов проводящих рисунков на различных слоях.
19. Статор по п. 17 или 18, причем статор включен в мотор или генератор с аксиальным магнитным потоком.
