什么是電機定子？

電機定子的工作原理

電機定子是電機中靜止的部分，在大多數(shù)電機中，定子通過提供變化的旋轉磁場，從而驅動轉子旋轉，從而完成電能到機械能的轉化。

定子由鐵芯和繞組兩部分組成：鐵芯通常由硅鋼片疊壓而成，以減少磁滯和渦流損耗；繞組是指纏繞在鐵芯槽內的導線，負責產生磁場。

電機定子設計時需要考慮的關鍵要素

鐵芯材料

鐵芯的材料選擇決定了磁滯和渦流損耗，對電機的性能和效率有很大影響，設計時通常使用高導磁率的硅鋼片來提高磁場效率。

繞組絕緣

銅線繞組需要良好絕緣，防止電流泄漏和短路。

散熱

電機的特性決定了其需要長時間穩(wěn)定的運行狀態(tài)，因而在設計時需要綜合考慮電機的散熱問題，減少運行過程中產生的熱量堆積。維持電機的溫度在效率最佳的范圍內。

電機定子和轉子的組成

圖源：VectorMine

為什么用PCB技術加工電機定子？

PCB電機定子商業(yè)應用的背景

早期PCB定子技術主要應用于小功率的軸向磁通電機，這些電機扭矩大，尺寸小，重量輕，特別安裝在手持設備上。例如手持割草機，使用的就是PCB定子的軸向磁通電機。如下圖，就是手持割草機中的PCB定子，使用的是4oz厚銅工藝的6層PCB。

直流軸向磁通電機中的PCB定子

圖源：Ben Katz

2012年，Boulder Wind Power（BWP）公司意識到PCB定子電機高扭矩特性在風力發(fā)電領域的潛力，開始著手將PCB定子電機的額定功率提升到兆瓦（MW）級別，并且電機的工作電壓高達600V。

風力發(fā)電機中的PCB定子

如今，隨著軸向磁通電機在新能源汽車、電動船舶、電動飛機和機器人領域大規(guī)模應用，在中低功率的軸向磁通電機中使用PCB定子的比例也越來越大。

PCB電機定子的優(yōu)勢

產品一致性

傳統(tǒng)的交流電機的生成過程，需要將銅線圈成型和絕緣，自動化程度比較低，盡管有嚴格的質量控制流程，但是仍無法保證每個線圈都絕緣良好并且線圈間沒有空隙。PCB制造過程的自動化程度高，而且可以針對加工過程做定量控制，為產品提供了無與倫比的一致性，同時通過壓合工藝，可以保證PP（預浸料）被充分擠壓填充到PCB上的銅線圈，能夠保證良好的絕緣性。

熱穩(wěn)定性

傳統(tǒng)電機中使用的銅繞組、鐵芯和絕緣材料各自具有不同的熱膨脹系數(shù)，電機在冷熱變化時會以不同的速率收縮和膨脹。在熱應力可能導致機器絕緣層產生裂縫，從而發(fā)生故障。相比之下，PCB定子具有相似的熱膨脹系數(shù)，在冷熱周期中可以均勻地收縮和膨脹，而不會產生熱應力導致結構出現(xiàn)裂縫。

集成度高

PCB定子技術不僅大大縮小了定子的體積，可以讓電機的體積變的更加小巧。同時可以將傳感器等器件直接放置在PCB上，集成度變高的同時，裝配也更加簡單。

更低的成本和能耗

PCB電機定子的用銅量比傳統(tǒng)繞線定子少66%，同時PCB電機定子的壽命是傳統(tǒng)電機定子的10倍。自重更小、效率更高，有利于實現(xiàn)節(jié)能降碳。

PCB電機定子的加工

PCB電機定子的設計特點顯著，通常線圈繞線很密，厚銅工藝，層數(shù)高，使用高Tg板材，絕緣要求高。

PCB電機定子的特點決定其加工過程有一系列難點：

曝光精度：線圈曝光精度的差異會導致電機不同相之間的參數(shù)出現(xiàn)偏差，從而影響電機的運行效率。

蝕刻環(huán)節(jié)：藥水交換難度加大，側蝕量也會變大，需要通過多次快速蝕刻和增加蝕刻補償系數(shù)的方式來解決側蝕量變大的問題。

層壓環(huán)節(jié)：由于線路間隙較深，在殘銅率相同的情況下，需要選擇多張流動性好的半固化片來滿足樹脂填充量的需求。同時需要增加鉚釘，加強芯板之間的固定，減少滑板的風險。銅厚的增加導致在壓合時板子的實際升溫速率變慢，需要增加高溫段的持續(xù)時間，增加半固化片的固化效果。

鉆孔環(huán)節(jié)：厚銅板厚在2.0mm以上時，可使用分段鉆孔來解決鉆孔難度的問題，同時調節(jié)進刀速和退刀速的相關參數(shù)來優(yōu)化鉆孔質量，降低落刀速度，避免產生厚銅焊盤拉裂的問題。

阻焊印刷環(huán)節(jié)：由于線路間隙較深，銅與基材的高低差會導致流油、油厚不夠、線路發(fā)紅、針孔氣泡等問題，需要將油墨粘度稀釋，采用多次印刷的方式來解決阻焊印刷的一系列問題。