專利名稱：無刷直流電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本項(xiàng)發(fā)明與電機(jī)工程，尤其是電磁機(jī)械相關(guān)，可用于多種用途的電子設(shè)備生產(chǎn)，例如通風(fēng)設(shè)備，壓縮機(jī)，機(jī)泵，電動(dòng)汽車的方向盤等等。
背景技術(shù)：
端面上轉(zhuǎn)子定子交互模式的機(jī)械是眾所周知的，在這種模式中，轉(zhuǎn)子是一個(gè)圓盤，交變磁性的永磁鐵的底面位于圓周上；定子被做成盤(環(huán))形，與轉(zhuǎn)子同軸安裝，電磁定子卷被安裝在定子的端面上。舉例來說，美國專利第5440185號(hào)，IPC 6 H02K 21/12描述的直流無刷電動(dòng)機(jī)(電動(dòng))就屬于這種機(jī)械。已知的這種裝置至少包括一個(gè)安裝在軸上的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子是一個(gè)多極電磁盤，其圓周上分成若干區(qū)域，這些區(qū)域可以交互變換極性。該裝置還包括至少一個(gè)盤形定子元件以決定轉(zhuǎn)子的位置，一個(gè)將轉(zhuǎn)子和定子固定在某一輪軸的裝置，一個(gè)根據(jù)定子元件定位多極電磁盤的傳感器，和一個(gè)識(shí)別定子元件中電磁域的裝置。定子元件上纏繞著兩組線圈，直流電輸入其中一組，決定定子的極性。這種已知的裝置制造起來并非易事，最大的難題在于制造帶有可變極性電磁極的盤形轉(zhuǎn)子。
這種電子設(shè)備的轉(zhuǎn)子由安裝在一根軸上的兩個(gè)圓盤組成，磁極分布在圓周外緣上，兩盤之間有一個(gè)圓柱形的磁鐵，以軸向發(fā)生磁化，通過這種方式，一張盤上的電極是一種極性，相對(duì)的，另一張盤上的電極是另一種極性。由線圈組成的定子散布在圓周上，與發(fā)明相一致，轉(zhuǎn)子的磁極由圓盤外緣上的齒狀物組成，面內(nèi)垂直于設(shè)備軸線，定子線圈這樣排列是為了使其端面與轉(zhuǎn)子磁極相接觸。這種設(shè)備的轉(zhuǎn)子已在美國申請(qǐng)專利第09/621,104號(hào)，同種類型的產(chǎn)品沒有這種爪狀的磁極角(磁極)。轉(zhuǎn)子磁極由位于圓盤外緣的齒狀物組成，其作用同磁路。這保證了轉(zhuǎn)子的流水線生產(chǎn)和其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)子磁極位于兩盤的外圓周，與設(shè)備的軸線面內(nèi)垂直，定子線圈這樣排列是為了使其端面與轉(zhuǎn)子磁極相接觸。這里存在一個(gè)可能，如果縮小設(shè)備半徑，定子磁極就可以放到前面提及的圓盤轉(zhuǎn)子磁極之間。這樣就有可能提高驅(qū)動(dòng)功率，因?yàn)檗D(zhuǎn)子磁極間的電磁區(qū)域達(dá)到最大密度。原先的組合電動(dòng)通風(fēng)機(jī)體積很大，因?yàn)樗袃蓚€(gè)分開的部分——電動(dòng)機(jī)和葉輪。現(xiàn)在的發(fā)明利用了連接電磁葉輪的兩個(gè)定子電路，節(jié)省了空間。最終這項(xiàng)發(fā)明將會(huì)有更簡單的結(jié)構(gòu)和安裝過程，大大節(jié)約生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
此項(xiàng)發(fā)明的目標(biāo)，是研制一種新型無刷直流電動(dòng)機(jī)，并根據(jù)這項(xiàng)設(shè)計(jì)，可能開發(fā)出組合無刷直流電動(dòng)機(jī)/吹氣機(jī)或者電動(dòng)機(jī)/氣泵。這種組合了吹氣機(jī)或氣泵葉輪的電動(dòng)機(jī)的體積有可能大大縮小。
為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，這種研發(fā)中的電動(dòng)機(jī)由包含電路板的定子、轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)子/葉輪、機(jī)架和一個(gè)控制設(shè)備組成。


圖1A，1B分別是定子板一側(cè)線圈的平面圖，和另一側(cè)透視平面圖；圖2A，2B分別是定子板1A和1B上線圈的截面圖；圖3是電動(dòng)機(jī)的截面圖；圖4是圖3中電動(dòng)機(jī)A點(diǎn)的截面圖；圖5是圖3中電動(dòng)機(jī)加上鐵金屬板的截面圖；圖6是圖5中電動(dòng)機(jī)C點(diǎn)的截面圖；圖7是圖3中電動(dòng)機(jī)只帶有一個(gè)定子板時(shí)的截面圖；圖8是聯(lián)合電動(dòng)機(jī)/吹氣機(jī)的截面圖；圖9是圖8中聯(lián)合電動(dòng)機(jī)/吹氣機(jī)中A點(diǎn)的截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面要說明的是一種使用印刷電路板的定子線圈的新型無刷直流電動(dòng)機(jī)。以下我們的說明中，將把這種印刷電路板稱為定子板或電路板。磁性轉(zhuǎn)子由永久磁性物質(zhì)制成，可能是一個(gè)整體的部分，或者是一系列擁有相同磁極的機(jī)組。以下將把這個(gè)整體或機(jī)組稱為轉(zhuǎn)子輪盤或轉(zhuǎn)子/葉輪。下面的簡單說明分為六個(gè)部分定子板，轉(zhuǎn)子，電動(dòng)機(jī)說明，聯(lián)合電動(dòng)機(jī)/吹氣機(jī)，電動(dòng)機(jī)控制器和操作說明。
定子板這里要說明的定子板如此構(gòu)造是為了供一個(gè)H橋形控制器使用。圖1A是定子板1的前側(cè)面，包括在電路板基片3上，位于定子板圓周的線圈2，由金屬，通常是銅蝕刻而成。圖1B是定子板1的后側(cè)面(透視)，包括在電路板基片3上，位于定子板圓周的線圈2a，由金屬，通常是銅蝕刻而成。圖1A中，線圈10是斷開的(中斷)，用以提供動(dòng)力，使11和12到達(dá)控制設(shè)備13。這兩條分別引自兩個(gè)定子板的線圈可以串聯(lián)或并聯(lián)。
圖2A，圖2B中分別是圖1A，1B中定子板前側(cè)面，后側(cè)面(透視)的一個(gè)部分。定子板的各側(cè)面上都有兩層線圈2和2a。這兩層都各由數(shù)對(duì)線圈組成，每一對(duì)形成一個(gè)螺旋。圖2a中，螺旋從起始線圈6的中心5延伸至終結(jié)線圈8的中心9，按照中心5和9的繞向旋繞。線圈層2和2a在透視圖中完全一樣，并以一定角度加以移動(dòng)，使得定子板一側(cè)起始線圈的中心5，通過電路板內(nèi)部的鍍銅孔7，與定子板另一側(cè)中心5a電流相通。線圈6a在定子板前側(cè)面上與線圈6以相同的方式連接。定子板上環(huán)繞的所有線圈2和2a都以這種方式連接，形成連續(xù)的線圈串聯(lián)。這些線圈可以鍍鎳以保持轉(zhuǎn)子擁有永久磁性，可以正常啟動(dòng)。(鎳在開氏溫度627度以下具有磁性。)轉(zhuǎn)子圖3中的轉(zhuǎn)子5，可由磁性塑料，或別的磁性材料制成，也可以采用無磁性材料，但是要嵌入或附加上永久性磁鐵12。它由平行于定子板13，垂直于旋轉(zhuǎn)軸7的圓盤5組成，被安裝在定子板的中心，被9，10兩道間隔分開。甚至數(shù)塊磁鐵12也附著排列在圓周上，最好是圓盤5的外緣上，每相鄰的兩塊磁鐵間距離相等。每塊磁鐵的磁極2，3都依軸向定位，在轉(zhuǎn)子輪盤一側(cè)保持相同磁極。圖4是圖3中電動(dòng)機(jī)A點(diǎn)的截面圖。電路板13上的線圈4每隔一個(gè)依照?qǐng)A盤5上的每塊磁鐵排列。圓盤一側(cè)的相鄰磁極具有相同的極性。
單極轉(zhuǎn)子5擁有的最大磁化圓盤磁極數(shù)，是一個(gè)定子電路板13上定子線圈4數(shù)目的一半，如圖4所示。
這種轉(zhuǎn)子輪盤磁極的結(jié)構(gòu)能使轉(zhuǎn)子5和定子13間最大程度的發(fā)生磁性相互作用。
電動(dòng)機(jī)說明圖3表示的是一臺(tái)包括一個(gè)磁轉(zhuǎn)子5，定子13和機(jī)架11的無刷直流電動(dòng)機(jī)。磁轉(zhuǎn)子包括一個(gè)垂直于其旋轉(zhuǎn)軸7的轉(zhuǎn)子輪盤5，輪盤圓周上還排列著磁極2和3。轉(zhuǎn)子輪盤5兩側(cè)的磁極2和3具有相反磁性。
定子包括兩塊平行的電路板13，每一塊圓周上都排列著線圈繞組1和4。兩塊電路板上各有一個(gè)線圈繞組共用一根平行于軸7的軸15。而兩塊電路板上相對(duì)的定子線圈繞組，則對(duì)應(yīng)的具有相反磁性。
圖4所示是圖3中電動(dòng)機(jī)A點(diǎn)的截面圖。線圈繞組4環(huán)繞軸7徑向排列，并依轉(zhuǎn)子輪盤磁鐵11做至少部分的徑向排列。這種排列方式使得轉(zhuǎn)子磁極2、3和定子線圈繞組1、4之間分別發(fā)生磁互作用。
圖3中，電動(dòng)機(jī)架11也包括定子板13和軸承支架14。電動(dòng)機(jī)架11保證了轉(zhuǎn)子輪盤5和定子板13之間的排列，與軸承支架14相連。軸承支架14支撐起軸承6，使得轉(zhuǎn)子輪盤5和軸7可以自由旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子輪盤5通過墊片8保證定子電路板的排列。
圖5所示是圖3中電動(dòng)機(jī)的另一個(gè)版本。完全相同的電動(dòng)機(jī)，添加了與每塊定子電路板13外側(cè)軸7穩(wěn)固相連的鐵金屬板16。帶有徑向齒狀物17的金屬板16與轉(zhuǎn)子輪盤5同步旋轉(zhuǎn)，縮短了，從而也集中了轉(zhuǎn)子磁極2、3分別通過線圈繞組1、4到達(dá)個(gè)相鄰輪盤齒狀物17的磁路，這種設(shè)計(jì)使電動(dòng)機(jī)效率更高。
圖6所示是圖5中電動(dòng)機(jī)中的C點(diǎn)。線圈繞組1環(huán)繞軸7做徑向排列，并依輪盤齒狀物17做至少部分的徑向排列。這種排列方式使得轉(zhuǎn)子磁極2、3和定子線圈繞組1、4之間分別發(fā)生磁互作用。
圖7所示是圖3中電動(dòng)機(jī)一個(gè)定子板的截面圖。這種電動(dòng)機(jī)只有一塊定子板13，否則就與圖3所示的電動(dòng)機(jī)完全一樣。
聯(lián)合電動(dòng)機(jī)/吹風(fēng)機(jī)這種電動(dòng)機(jī)的獨(dú)特設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使其非常適合用于制造電動(dòng)機(jī)/吹風(fēng)機(jī)的聯(lián)合體。轉(zhuǎn)子/葉輪既可用作電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，也可用作流動(dòng)流體的吹風(fēng)機(jī)葉輪。除了以下一些特別之處，這種聯(lián)合電動(dòng)機(jī)/吹風(fēng)機(jī)的操作與圖3中說明的電動(dòng)機(jī)完全一致1.轉(zhuǎn)子應(yīng)根據(jù)設(shè)備的特殊要求，被做成葉輪的形狀。(例如錯(cuò)流通風(fēng)機(jī)，離心鼓風(fēng)機(jī)或包括未蓋印的、防爆炸類型在內(nèi)的液泵。)注意既然轉(zhuǎn)子將作為磁化設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備，有必要特別考慮優(yōu)化這兩項(xiàng)功能。
2.電動(dòng)機(jī)/吹風(fēng)機(jī)機(jī)架應(yīng)按要求建構(gòu)，以限制并導(dǎo)向流體流動(dòng)路徑。
圖8所示是包括一個(gè)磁性轉(zhuǎn)子/葉輪5，定子13和機(jī)架11在內(nèi)的聯(lián)合電動(dòng)機(jī)/吹風(fēng)機(jī)的截面圖。
轉(zhuǎn)子/葉輪包括垂直安裝在固定軸7上的轉(zhuǎn)盤，圓周排列的葉輪片以及葉輪片2和3形狀的磁極。轉(zhuǎn)子/葉輪5兩面的磁性輪葉棒2和3具有相反的磁極。
定子是由2塊并聯(lián)電路板組成的，每塊電路板都有圓周排列的線圈繞組1和4。2塊電路板的每個(gè)線圈繞組共用一個(gè)與轉(zhuǎn)子/葉輪固定軸7平行的公共軸線15。2塊電路板上的對(duì)立的定子線圈繞組，彼此之間磁極相反。
圖9是從B觀察點(diǎn)看圖8中的電動(dòng)機(jī)的截面圖。線圈繞組4位于轉(zhuǎn)軸7旁的徑向上，并且其中至少部分和轉(zhuǎn)子/葉輪的磁體一同位于徑向上。這種定線主要是考慮到轉(zhuǎn)子/葉輪的磁極2、3和相對(duì)應(yīng)的定子線圈繞組1、4之間分別存在磁性的相互影響。
如圖8所示，電動(dòng)機(jī)罩11還包括定子板13，其目的是為了約束和控制流體。電動(dòng)機(jī)罩11保持了轉(zhuǎn)子/葉輪5和定子板13之間的定線，從而為轉(zhuǎn)子/葉輪轉(zhuǎn)軸機(jī)座插腳14提供連接。轉(zhuǎn)軸機(jī)座插腳14把固定軸7固定到定子板13上。軸承6的外座圈固定在轉(zhuǎn)子/葉輪5上，轉(zhuǎn)子5可以在固定軸7上自由旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子/葉輪5通過固定軸7和墊片8保持定子電路板13之間的間隙9和10。
電機(jī)控制器用于控制電力驅(qū)動(dòng)整流的傳感器是一個(gè)霍爾轉(zhuǎn)換器或霍爾元件。也可以使用光學(xué)設(shè)備，但是環(huán)境光源的干涉使其在使用上有一些限制?；魻栄b置位于轉(zhuǎn)子附近，它所在的位置要使線圈在電力驅(qū)動(dòng)下能獲取適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)方向和最佳的性能。這個(gè)電子裝置可以是一個(gè)H-橋驅(qū)動(dòng)或者一個(gè)二相-單端驅(qū)動(dòng)。單端驅(qū)動(dòng)定子需要一個(gè)結(jié)構(gòu)不同的電路板。這個(gè)電路板要求兩個(gè)線圈組在相同的方向收卷，并具備相同的磁極。一個(gè)組的獨(dú)立線圈是串聯(lián)的，并同另外一組的線圈有間隔的交界。每個(gè)線圈組的一頭都是聯(lián)在一塊的，并接到發(fā)動(dòng)機(jī)電力裝置的陽極或陰極的導(dǎo)線上。(如果單端驅(qū)動(dòng)器是個(gè)低端驅(qū)動(dòng)器，那么線圈連線就接在陽極裝置上；如果是個(gè)高端驅(qū)動(dòng)器，那就接在陰極或地線裝置上。)這兩個(gè)線圈組的另一端都接在單端驅(qū)動(dòng)器上。每次只有一個(gè)線圈組是通電的。有許多單端驅(qū)動(dòng)器版本，它們使用不同的保護(hù)方案，但本質(zhì)上它們的控制功能是相同的。在下面的對(duì)照表中，可以看出相比單端驅(qū)動(dòng)，H-橋驅(qū)動(dòng)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

運(yùn)行描述對(duì)電力驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的簡要描述將首先從轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來看一下霍爾裝置?；魻栄b置使得用來運(yùn)行H-橋控制器的電力狀態(tài)或電力水平發(fā)生了變化。這些電力狀態(tài)或電力水平的變化關(guān)系到轉(zhuǎn)盤的磁極和缺口。如果霍爾裝置不能感覺到其中一個(gè)磁極，它就會(huì)向橋式驅(qū)動(dòng)器提供輸出信號(hào)用來給線圈通電。通電線圈移動(dòng)磁極，使其接近定子上具有引力的線圈繞組的直線方向。當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)這些線圈的時(shí)候，霍爾裝置感應(yīng)到磁極，并改變驅(qū)動(dòng)器的輸出，使得轉(zhuǎn)子被吸引到下一個(gè)或鄰近的線圈組。當(dāng)磁極到達(dá)這組具有引力的線圈時(shí)，霍爾裝置會(huì)感覺到磁極的損失，并改變驅(qū)動(dòng)器的輸出，使得磁極被吸引到下一組線圈中。這個(gè)過程會(huì)一直持續(xù)下去，保持著線圈上某一個(gè)方向上的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種無刷直流電動(dòng)機(jī)，包含一個(gè)磁性轉(zhuǎn)子、定子和罩子；上述的磁性轉(zhuǎn)子包含一個(gè)垂直安裝于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)盤，并具有圓周排列的磁極；上述的定子包含至少一個(gè)與上述轉(zhuǎn)盤平行的電路板；所述的電路板為罩子的一部分，并具有圓周排列的線圈繞組，用來產(chǎn)生電磁場；所述的線圈繞組在轉(zhuǎn)軸周圍，沿一徑向排列，至少與轉(zhuǎn)盤的磁極部分地軸向?qū)?zhǔn)，以在所述磁極和線圈繞組之間提供電磁相互作用從而使磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其中所述線圈繞組是在電路板金屬層中蝕刻而成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其中所述線圈繞組被電鍍上了一個(gè)鐵磁層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其中所述鐵磁層是鎳。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其中所述電路板金屬層是銅。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其中所述定子還包含一個(gè)H-橋式驅(qū)動(dòng)控制裝置，位于電路板的各個(gè)側(cè)面的一層線圈繞組，各層線圈繞組中包含幾對(duì)線圈繞組，每對(duì)線圈繞組都做成螺旋型，按照各個(gè)線圈中心螺旋的相同轉(zhuǎn)向，從一個(gè)起始線圈繞組的中心到達(dá)一個(gè)末端線圈繞組的中心，各層線圈繞組在透明圖上都是相同的，并且以一種方式轉(zhuǎn)換角度，即電路板一邊的起始線圈繞組的中心與電路板另一邊的線圈繞組電連接的。所述的單層線圈繞組的電路被中斷用來為所說的控制裝置提供電源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其中所述圓周排列的磁極就好像在磁極性中，數(shù)目等同于電路板上線圈繞組的一半。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其中所述圓周排列的磁極是在一個(gè)鐵質(zhì)材料上被磁化的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其中所述圓周排列的磁極是嵌入或附著于一個(gè)非鐵質(zhì)磁性材料上的磁體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其中所述定子還包含至少一塊鐵金屬板，與轉(zhuǎn)盤和電路板平行，該定子位于轉(zhuǎn)盤和鐵金屬板之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其中所述轉(zhuǎn)盤還包括在轉(zhuǎn)盤周圍成放射性布局的輪葉。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其中所述輪葉的設(shè)計(jì)主要是為了適應(yīng)流動(dòng)流體。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其中至少部分所述輪葉是平行于轉(zhuǎn)軸方向進(jìn)行磁化的。
全文摘要
一種無刷直流電動(dòng)機(jī)(圖1A和3)，包括一磁性轉(zhuǎn)子(5)和一定子(1)。定子(1)具有至少一個(gè)電路板(3)，其上排列有蝕刻于電路板金屬層的線圈繞組(2)。
文檔編號(hào)H02K29/00GK1520632SQ02812681
公開日2004年8月11日 申請(qǐng)日期2002年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月26日
發(fā)明者愛德華·洛帕京斯基, 愛德華 洛帕京斯基, 謝弗, 丹尼爾·謝弗, 羅森菲爾德, 沙韋伊·羅森菲爾德, 列夫·費(fèi)多謝耶夫, 費(fèi)多謝耶夫 申請(qǐng)人:先進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合公司