CN115335928A - 具有可变节距印刷线圈的多层印刷线圈布置 - Google Patents

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Abstract

一种印刷线圈组件，包括柔性介电材料、形成在柔性介电材料的顶表面上的图案化的顶部导电层，以及形成在柔性介电材料的底表面上的图案化的底部导电层。图案化的顶部导电层和图案化的底部导电层形成多个印刷线圈，所述印刷线圈布置在同心布置成圆柱形形状的多个印刷线圈辊中。所述多个印刷线圈中的每个印刷线圈包括部署在图案化的顶部导电层内的顶层印刷线圈和部署在图案化的底部导电层内的底层印刷线圈。选择每个辊内的线圈的线圈节距，使得相邻辊中的所述多个印刷线圈中的对应印刷线圈相对于圆柱形形状的中心轴向对准。

Description

具有可变节距印刷线圈的多层印刷线圈布置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年2月7日提交的标题为ACTUATOR SYSTEM INCLUDINGVARIABLE-PITCH PRINTED COILS的美国临时专利申请No.62/971,848的优先权和权益，其公开内容通过引用整体并入本文以用于所有目的。
技术领域
本公开一般而言涉及电磁致动器，并且更具体地涉及用于这种致动器的线圈。
背景技术
移动线圈技术在旋转马达致动器和线性马达致动器中都起作用。在移动线圈致动器内，永磁体生成磁场。移动线圈驻留在该场中。使电流通过线圈生成线圈的横向运动以及线圈耦合到的输出轴或输出梭的横向运动。这个输出的力与线圈匝数和致动器内的磁通量以及电流成比例。因此通过线圈提供更多电流增加了输出力。
高强度钕磁体的引入极大地扩展了移动线圈致动器在运动应用中的适用性，因为具有这些磁体的致动器能够输出高的力(或扭矩)。其线圈的轻的移动质量使致动器在许多工业应用中表现出色，因为这允许例如高循环率——高达气动致动器或滚珠螺旋致动器的两倍。此外，移动线圈致动器具有长的循环寿命(高达气动致动器或滚珠螺旋线性致动器的寿命的10倍)，并且每个循环的重复性高。
但是，相对于使用气缸的致动器或结合了基于步进马达的滚珠螺旋技术的致动器，它们的高成本限制了移动线圈致动器的更广泛实施方式。
发明内容
在一个方面，本公开针对一种印刷线圈组件，其包括柔性介电材料、形成在柔性介电材料的顶表面上的图案化的顶部导电层，以及形成在柔性介电材料的底表面上的图案化的底部导电层。图案化的顶部导电层和图案化的底部导电层形成多个印刷线圈，这些印刷线圈布置在多个印刷线圈辊中，印刷线圈辊部署成同心布置成圆柱形形状。多个印刷线圈中的每一个包括部署在图案化的顶部导电层内的顶层印刷线圈和部署在图案化的底部导电层内的底层印刷线圈。印刷线圈辊中的第一辊内的多个印刷线圈的第一集合的第一线圈节距小于多个辊中的第二辊内的多个印刷线圈的第二集合的第二线圈节距，使得第一辊和第二辊中的多个印刷线圈中的对应印刷线圈相对于圆柱形形状的中心轴向对准。
本公开还涉及一种印刷线圈布置，其包括卷成同心印刷线圈辊的柔性电路材料。多个同心印刷线圈辊中的每一个包括多个印刷线圈。多个印刷线圈辊中的每一个内的多个印刷线圈的节距不同于多个印刷线圈辊中的任何其它印刷线圈辊内的多个印刷线圈的节距。多个线圈辊中的每一个内的印刷线圈的节距被选择为使得多个印刷线圈辊中的每一个中的多个印刷线圈中的对应印刷线圈相对于柔性电路材料卷成的圆柱形形状的中心轴向对准。印刷线圈布置还包括线筒和粘合剂层。粘合剂层附接到线筒的外表面和多个同心印刷线圈辊中的最里面的一个的底表面。
在另一方面，本公开涉及一种制造印刷线圈布置的方法。该方法包括向柔性电路材料的顶部导电层和柔性电路材料的底部导电层施加限定期望的印刷线圈电路图案的一个或多个掩模，其中期望的印刷线圈电路图案包括具有可变节距的印刷线圈的多个辊。柔性电路材料还包括夹在顶部导电层和底部导电层之间的柔性介电层。该方法还包括将柔性电路材料的顶部导电层和柔性电路材料的底部导电层的未掩蔽部分暴露于酸并且去除顶部导电层和底部导电层的未掩蔽部分。将附加掩模施加到顶部导电层和底部导电层的未掩蔽部分。该方法还包括将附加的导电材料镀到期望的印刷线圈图案上以及用印刷丝网覆盖由电镀产生的导电迹线。然后将金和不同导电材料中的一种镀到导电迹线的附加导电材料上。
本公开还涉及一种制造印刷线圈布置的方法。该方法包括将柔性电路材料蚀刻到多个线圈辊中，其中多个线圈辊中的每一个包括多个印刷线圈，并且其中多个印刷线圈辊中的每一个内的多个印刷线圈的节距不同于多个印刷线圈辊中的任何其它印刷线圈辊内的多个印刷线圈的节距。多个线圈辊中的每一个内的印刷线圈的节距被选择为使得多个印刷线圈辊中的每一个中的多个印刷线圈中的对应印刷线圈相对于柔性电路材料卷成的圆柱形形状的中心轴向对准。该方法还包括将粘合剂材料施加到柔性电路材料的底表面。多个印刷线圈辊中的第一线圈辊位于线筒的外表面上，并且第一线圈辊使用粘合剂材料接合到外表面。然后将多个印刷线圈辊的剩余辊卷到第一线圈辊上。多个印刷线圈辊的相邻印刷线圈辊使用粘合剂材料彼此接合，从而产生卷绕和接合的印刷线圈电路。该方法还包括在烘箱中固化卷绕和接合的印刷线圈电路。
在另一方面，本公开针对一种直接驱动无刷马达，其包括多个旋转部件，旋转部件具有由多个线圈限定的中心旋转轴和被构造为支撑多个线圈的线圈端板。多个线圈包括布置在绕线筒缠绕的多个线圈辊中的多个印刷线圈，其中包括在多个线圈辊中的第一个内的多个印刷线圈的第一集合的第一节距不同于包括在多个线圈辊中的第二个内的多个线圈辊的第二集合的第二节距。多个非旋转部件包括多个内磁体和多个外磁体，其中多个外磁体绕多个线圈定位。柔性电缆具有一根或多根引线，用于在不使用电刷的情况下向多个线圈中的一个或多个线圈提供电流。
本公开还涉及一种直接驱动无刷马达，其包括布置为第一海尔贝克(Halbach)圆柱体的多个外磁体。线圈组件包括由多个外磁体包围的多个线圈，其中多个线圈在不使用电刷的情况下连接到外部电流源。线圈组件被部署成相对于多个外磁体旋转。多个线圈包括布置在多个线圈辊中的多个印刷线圈，其中包括在多个线圈辊中的第一个内的多个印刷线圈的第一集合的第一节距不同于包括在多个线圈辊中的第二个内的多个线圈辊的第二集合的第二节距。多个内磁体被布置为第二Halbach圆柱体并且被多个线圈包围。马达还包括由多个内磁体包围的芯元件和定位在由芯元件限定的内部空间内的中心旋转轴。
在又一方面，本公开针对一种与无刷马达一起使用的装置。该装置包括具有多个印刷线圈的线圈组件，该多个印刷线圈包括在以多层圆柱形线圈布置的多个线圈辊内，其中包括在多个线圈辊中的第一辊内的多个印刷线圈的第一集合的第一节距不同于包括在多个线圈辊中的第二辊内的多个线圈辊的第二集合的第二节距。第一辊形成多层圆柱形线圈布置的第一层，并且第二辊形成多层圆柱形线圈布置的第二层。该装置还包括具有多个外磁体的转子以及耦合到多个外磁体的外磁体壳体，其中该外磁体被配置为包围线圈组件的第一Halbach圆柱体，外磁体壳体包围多个外磁体。转子还包括布置为第二Halbach圆柱体的多个内磁体，其中线圈组件***在多个内磁体和多个外磁体之间。转子的内磁体壳体耦合到多个内磁体。转子还包括被内磁体壳体包围的输出轴。
本文还公开了一种印刷线圈，其包括柔性介电材料和形成在柔性介电材料的顶表面上的图案化的顶部导电层。图案化的底部导电层形成在柔性介电材料的底表面上。多个印刷线圈布置在多个印刷线圈辊中，印刷线圈辊部署为同心地布置为圆柱形形状。多个印刷线圈中的每一个包括部署在图案化的顶部导电层内的顶层印刷线圈和部署在图案化的底部导电层内的底层印刷线圈。印刷线圈辊中的第一辊内的多个印刷线圈的第一集合的第一线圈节距小于多个辊中的第二辊内的多个印刷线圈的第二集合的第二线圈节距，使得第一辊和第二辊中的多个印刷线圈中的对应印刷线圈相对于圆柱形形状的中心轴向对准。
多个印刷线圈中的每一个内的顶层印刷线圈和底层印刷线圈通过延伸穿过由介电层限定的通孔的顶层导体电连接。
应该理解的是，前面的一般描述和以下详细描述都是示例性的并且仅旨在提供对主题的进一步解释。
附图说明
本发明的各种目的和优点以及对本发明的实施例的更完整理解通过结合附图参考以下具体实施方式和所附权利要求而清楚且更容易理解，其中：
图1A图示了根据本公开的适于包括多层可变节距印刷线圈布置的直接驱动无刷马达的透视图。
图1B图示了根据本公开的配备有用于提供位置反馈的线性编码器的直接驱动无刷马达的透视图。
图2A提供了配备有线性编码器的直接驱动无刷马达的端视图。
图2B提供了图2A的直接驱动无刷马达的侧视图。
图2C提供了图2A的直接驱动无刷马达的截面视图。
图3提供了根据本公开的直接驱动无刷马达的旋转部件和非旋转部件的部分分解视图。
图4A是直接驱动无刷马达和相关联控制器的示例性布置的框图。
图4B提供了马达控制装置的功能框图。
图5A提供了直接驱动无刷马达的部分分解视图，该马达包括旋转限制元件，该旋转限制元件被配置为将马达的旋转部件的旋转限制在期望的范围内。
图5B提供了图5A的直接驱动无刷马达的组装视图。
图6提供了结合Halbach磁体布置的直接驱动无刷马达的部件的截面视图。
图7是多层可变节距柔性印刷线圈电路组件的透视图，该组件被配置为缠绕在圆柱形线筒上。
图8示出了在绕线筒缠绕线圈电路组件之前线圈电路组件的俯视图。
图9示出了图8的线圈电路组件的截面视图，该线圈电路组件以多层(即，辊)缠绕在线筒上。
图10是根据本公开的用于制造多层可变节距柔性印刷电路的过程的流程图。
图11图示了施加到所有辊的底层的粘合剂转移带，以便在相邻的线圈辊围绕绕线筒缠绕时能够将它们彼此接合并且能够将第一线圈辊接合到线筒。
图12是图示根据本公开的线圈卷绕和接合规程的流程图。
图13图示了根据本公开的用于多层可变节距柔性印刷线圈电路的示例性线圈连接路径。
图14A是图示柔性印刷线圈电路的线圈可以串联连接的示例性方式的线圈电路绕组图。
图14B图示了用于6极对实施方式的示例性绕组布置。
图15图示了根据本公开的结合了多层可变节距柔性印刷线圈的高扭矩低电流无刷马达的透视图和部分透明视图。
图16A、图16B和图16C分别提供了图15的马达的顶端、侧向和后端视图。
图17提供了图15的马达的顶部的侧截面视图。
图18是图15的马达横向于纵轴A的截面视图。
图19是马达控制装置的功能框图，该马达控制装置可以结合在高扭矩低电流无刷马达的实施例的控制器内。
图20是根据实施例的用于无刷电动马达的双转子磁体装置的横截面视图。
图21A-21E是包括双磁性转子的无刷电动马达的替代实施例的各种视图。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的参考标记。另外，可以通过在参考标记后加上破折号和区分相似部件的第二标签来区分相同类型的各种部件。如果在说明书中仅使用第一参考标记，那么描述适用于具有相同第一参考标记的任何类似部件，而与第二参考标记无关。
具体实施方式
现在将详细参考可以用于例如电磁致动器和无刷马达的多层可变节距印刷线圈布置的实施例。适用于各种致动器设计和无刷马达的多层可变节距印刷线圈布置的描述之后是对其中可以结合这种多层可变节距印刷线圈布置的特定无刷马达设计的描述。
本文公开的多层可变节距印刷线圈布置可以被用在移动线圈电磁致动器中，并且与使用线筒的常规线圈结构相比质量更轻。这种较小的质量使得电磁致动器可以用能够有相对较大加速度的活塞结构实现。而且，本文描述的多层印刷线圈的制造精度使得致动器和无刷马达设计能够具有减小的容差，并且使得这种线圈与致动器磁体能够相应更靠近地放置，从而促进相对更大的力产生。最后，本文公开的多层可变节距印刷线圈布置可以比现有致动器线圈以显著更低的成本制造。
在一个实施例中，所公开的多层线圈的每一层通过以线圈图案印刷或以其它方式沉积碳纳米管来产生。
虽然所公开的多层可变节距印刷线圈布置可以用在各种致动器和无刷马达设计中，但图1-6图示了能够适应这种多层可变节距印刷线圈布置的特定无刷马达设计。图7-14图示了根据本公开的多层可变节距印刷线圈布置的特定实施例。图15-21图示了特定的高扭矩低电流无刷马达，其被配置为结合本文公开的多层可变节距印刷线圈布置。
用于圆柱形线筒的多层可变节距印刷线圈
现在关注图7，它是多层可变节距柔性印刷线圈电路组件700的透视图，该组件被配置为绕圆柱形线筒(未示出)缠绕。印刷线圈电路组件700包括在印刷线圈电路组件700的第一侧714上的印刷线圈的第一集合710和在印刷线圈电路组件700的第二侧724上的印刷线圈的第二集合720。印刷线圈的第一集合710中的每一个由线圈绕组线的图案限定，并且印刷线圈的第二集合720中的每一个由线圈绕组线的图案限定。一旦以下述方式制造了印刷线圈电路组件700，它就以多层(或“辊”)围绕线筒缠绕，使得多个印刷线圈710和720包括在每个辊内。
在一个实施例中，给定辊的印刷线圈之间的间距(即，线圈节距)不同于印刷线圈电路组件700的其它辊的线圈节距。在组件700的各个辊之间改变线圈节距的一个目的是确保一旦印刷线圈电路组件700已经绕线筒缠绕，就在不同辊中的线圈之间维持轴向对准。因为印刷线圈电路的每个后续缠绕层(或“辊”)的直径大于前一个辊，所以在每个相继的辊内线圈之间的节距增加，使得每个辊内的对应线圈保持沿着与线筒的中心相交的线性轴对准。
现在转向图8和图9，示出了多层可变节距柔性印刷线圈电路组件800，该组件被配置为绕圆柱形线筒804缠绕。图8示出了在将线圈电路组件800绕线筒804缠绕之前线圈电路组件800的俯视图。图9示出了线圈电路组件800的截面视图，该线圈电路组件800以多层(即，辊)绕线筒804缠绕。
如图8中所示，印刷线圈电路组件800包括第一线圈辊812、第二线圈辊822和第三线圈辊832。在图8的实施例中，第一线圈辊812的线圈810之间的间距可以小于第二线圈辊822的线圈820之间的间距。类似地，第二线圈辊822的线圈820之间的间距可以小于第三线圈辊832的线圈830之间的间距，依此类推。因此，第一线圈辊812的长度将小于第二线圈辊822的长度，并且第二线圈辊822的长度将小于第三线圈辊832的长度。因此，第一线圈辊812在绕线筒804缠绕时的直径将略小于第二线圈辊822在绕线筒804缠绕时的直径。以这种方式使第一线圈辊812的长度略小于第二线圈辊822的长度确保第一线圈辊812和第二线圈辊822中的对应线圈810和820相对于线筒804处于基本相同的角位置。
在每个线圈辊包括9个线圈的实施例中，每个线圈辊的径向长度(Lm)等于9*线圈节距，其中第m个辊中的线圈节距由2π(R+Tm/2)/9给出，其中R是在其上缠绕印刷线圈的线筒的半径，并且Tm是线筒上第m个辊处的印刷线圈的厚度。
这种轴向对准由图9图示(未按比例)，该图描绘了以相同角位置θ为中心的对应线圈810'、820'和830'(为了清楚起见，每个辊812、822、832中只描绘了一个线圈)。如图9中所示，始于圆柱形线筒804的中心并以角度θ定向的轴向线L平分对应的线圈810'、820'和830'。
现在转向图10，提供了用于制造根据本公开的多层可变节距柔性印刷电路的过程1000的流程图。该过程通过选择具有在两面都带有铜的电介质包层的柔性电路材料(阶段1004)开始。例如，这种材料可以包括DuPontTM
Figure BDA0003848408520000091
AP柔性电路材料，它是双面覆铜层压板和接合到铜箔上的聚酰亚胺箔的全聚酰亚胺复合材料。在一个实施例中，AP9111R
Figure BDA0003848408520000092
被用作柔性电路材料，以提供每一个铜层1oz铜厚度(顶部/底部)和1mil(0.025mm)电介质厚度。当然，柔性电路材料的选择取决于印刷线圈设计所需的铜线的规格。然后通过向柔性电路材料的每一侧施加掩模来执行铜蚀刻过程，该掩模限定了期望的印刷线圈电路图案，该印刷线圈电路图案由具有可变节距的线圈的多个辊组成。然后将柔性电路材料的未掩蔽铜部分暴露于酸并被去除(阶段1008)。在一个实施例中，这个蚀刻过程限定了0.897mm(每层0.035mm铜蚀刻)的线圈电路轨道宽度以及轨道之间5mil(0.127mm)的间隙。同样，轨道宽度和厚度将取决于正在制造的印刷线圈电路所需的铜线规格。然后将附加的掩模施加到柔性电路材料顶部/底部的铜包层已被去除的区域(阶段1012)。然后将附加的1oz铜镀到电路材料顶部/底部的期望印刷线圈电路图案上(阶段1016)。在一个实施例中，这在铜轨道之间产生5mil的间隙(最终线圈电路具有2oz的铜厚度)。在其它实施例中，可以使用更多的铜来产生更大规格的导线的轨道，而可以使用较少的铜来产生更小规格的导线(较小的铜线直径)。然后用印刷丝网覆盖由镀铜产生的铜轨道(阶段1020)。然后将金镀到铜轨道的顶部铜层上(阶段1024)。然后将覆盖层(例如，LF0210)施加到最后一个辊的顶层(即，当绕线筒缠绕时，印刷线圈电路的最顶层)(阶段1028)。覆盖层的一个目的是保护否则会暴露在空气和湿气的铜材料，从而防止腐蚀。如图11中所示，然后将粘性转移胶带(例如，3M 9461)施加到所有卷筒的底层，以便在线圈卷筒绕线筒缠绕时能够将相邻的线圈卷筒彼此接合并且实现第一线圈卷筒到线筒的接合(阶段1032)。参考图12更详细地描述这种线圈卷绕和接合过程。
现在关注图12，该图是图示根据本公开的线圈卷绕和接合规程1200的流程图。如图所示，通过向柔性电路材料的底层表面施加示例性厚度为1mil(例如，3M 9461)的粘合剂材料来开始规程1200(阶段1204)。然后将蚀刻和电镀的印刷电路材料的第一辊定位在线筒的外直径上，然后使用粘合剂材料将其接合到线筒(阶段1208)。然后将蚀刻和电镀的印刷电路材料的第二辊卷在第一辊的顶部并使用粘合剂材料将其粘性接合到第一辊(阶段1212)。然后重复所有后续辊到相邻辊的类似卷绕和接合，直到最后一个辊已经接合到倒数第二个辊(阶段1216)。然后将结果所得的卷绕和接合的印刷线圈电路在烘箱中以大约110摄氏度固化大约15分钟(阶段1220)。
现在关注图13，该图图示了根据本公开的用于多层可变节距柔性印刷线圈电路2400的示例性线圈连接路径。在一个实施例中，印刷线圈电路1300包括电路1300的第一辊(R1)的多个线圈C1R1-C9R1。每个线圈C1R1-C9R1由部署在柔性印刷线圈电路1300的顶层中的顶层线圈和部署在电路1300相对侧的底层中的对应的底层线圈组成。具体而言，第一线圈C1R1包括第一顶层线圈(C1T)1302，第二线圈C2R1包括第二顶层线圈(C2T)1312，并且第三线圈C3R1包括第三顶层线圈(C3T)1322。线圈(C1T)1302、(C2T)1312、(C3T)1322包括在电路1300的第一辊的顶层内。类似地，第一线圈C1R1包括第一底层线圈(C1B)1304，第二线圈C2R2包括第二底层线圈(C2B)1314，并且第三线圈C3R1包括包含在第一辊中的第三底层线圈(C3B)1324。
如图13中所示，三个线圈端子U、V和W与第一底层线圈(C1B)1304、第二底层线圈(C2B)1314和第三底层线圈(C3B)的起始线对应。在实施例中，第一底层线圈(C1B)1304通过第一顶层连接1330串联连接到第一顶层线圈(C1T)1302，第一顶层连接1330延伸穿过由印刷线圈电路1300的顶层和底层之间的介电材料限定的通孔。以类似的方式，第二底层线圈(C2B)1314通过第二顶层连接器1332连接到第二顶层线圈(C2T)1312，并且两者都由线圈端子V的起始线供电。第三底层线圈(C3B)1324通过第三顶层连接器1334连接到第三顶层线圈(C3T)1322，并且两者都由线圈端子W的起始线通电。
从图13中所示的线圈连接路径可以认识到的是，线圈端子U连接到第一底层线圈(C1B)1304的起始线，并且这个起始线通过第一顶层连接1330连接到第一线圈C1R1的第一顶层线圈(C1T)1302的完成线1340(C1F)。第一辊的第四线圈C4R1与第一线圈C1R1的布线基本完全相同，并且由第一顶层线圈(C1T)1302的完成线1340以与第一线圈C1R1由线圈端子U的起始线通电的相同方式通电。对线圈端子“V”和“W”重复相同的过程。同样地，图13的线圈连接布置的主要目的是以所示方式串联连接印刷线圈电路2400的线圈，使得通过以本文所述方式适当地改变线圈节距来堆叠和对准的相邻辊中的线圈可以被激励以产生建设性干扰场。
现在转向图14A，提供了图示其中柔性印刷线圈电路1300的线圈可以串联连接的示例性方式的线圈电路绕组图1400。如从图14可以认识到的，柔性印刷线圈电路可以被配置为三相线圈电路，其中相位由施加到端子U、V、W的电信号控制。如由绕组图1400所指示的，第一线圈C1R1串联连接到第一辊的第四线圈C4R1，并且第四线圈C4R1进而串联连接到第一辊的第七线圈C7R1。在一个实施例中，第一线圈C1R1的第一顶层线圈(C1T)1302的完成线1340(C1F)通过线圈间连接器1348(C1-4)延伸到第四底层线圈(C4B)。第四底层线圈(C4B)通过第四顶层连接器1350连接到第四顶层线圈(C4T)。因此，由第一顶层线圈(C1T)1302的完成线在第一线圈C1和第四线圈C4R1之间建立的串联连接有效地给第四顶层线圈(C4T)和第四底层线圈(C4B)通电。以类似的方式，第四顶层线圈(C4T)的完成线可以连接到第一辊的第七线圈的底层。以这种方式在端子U与柔性印刷线圈电路1300的第一辊的第一(C1R1)、第四(C4R1)和第七(C7R1)线圈之间建立了串联连接。以基本完全相同的方式，可以在端子V与第一辊的第二(C2R1)、第五(C5R1)和第八(C8R1)线圈之间以及端子W与第一辊的第三(C3R1)、第六(C6R1)和第九(C9R1)线圈之间建立串联连接。
还可以认识到的是，印刷线圈电路1300的第二辊的前三个线圈(即，C1R2、C2R2和C2R3)可以类似地串联连接到第一辊的线圈C7R1、C8R1和C9R1。因此，印刷线圈电路1300的第二辊和第三辊的线圈可以通过以与连接第一辊的线圈基本相同的方式串联连接第二辊和第三辊的线圈而由端子U、V和W通电。同样地，因为每个辊内的线圈之间的节距在各个辊之间变化(即，辊R2中的线圈节距相对于辊R1内的线圈节距增加，并且辊R3中的线圈节距相对于辊R2内的线圈节距增加)，每个串联连接的辊内的对应线圈在绕线筒缠绕时轴向对准。这有利地使它们各自的电磁场能够相长干涉。
图14B图示了用于6极对实施方式的示例性绕组布置。
可以认识到的是，在其它实施例中，每个辊的印刷线圈可以仅在柔性电路材料的单侧而不是如本文所述的两侧上被图案化。
结合多层可变节距印刷线圈的无刷马达
现在转向图1-6，图示了适于包括参考图7-14描述的类型的多层可变节距印刷线圈布置的直接驱动无刷马达。为了清楚起见，在下面参考图1-6描述的直接驱动无刷马达的图示中省略参考图7-14讨论的多层可变节距印刷线圈的各种细节。
现在关注图1A，其图示了根据本公开的适于包括多层可变节距印刷线圈布置的直接驱动无刷马达100A的透视图。如图1A中所示，直接驱动无刷马达100A可以包括线筒104和中心旋转轴108。马达100A还包括包围多个外磁体116的马达壳体112。在驱动马达100A的操作期间，包括多个多层可变节距印刷线圈120的双磁路(如下所述)导致包括线筒104和中心旋转轴108的多个旋转部件绕纵轴A旋转。马达壳体112、多个外磁体116和背板支撑件114在驱动马达100A的操作期间不旋转。
图1B图示了根据本公开的配备有用于提供位置反馈的线性编码器的直接驱动无刷马达100B的透视图。在一个实施例中，直接驱动无刷马达100B与直接驱动无刷马达100A基本完全相同，但还包括线性编码器组件150，该线性编码器组件150具有线性编码器反馈标尺154和线性反馈标尺读取头158。线性编码器反馈标尺154由线性标尺支撑件162支撑。如以下进一步讨论的，读取头158向外部计算元件或设备(未示出)提供与直接驱动无刷马达100B的多个旋转部件的旋转相关的位置反馈信息。
图2A、图2B和图2C分别提供了图1B的直接驱动无刷马达100B的端视图、侧视图和截面视图。
现在关注图3，该图提供了根据本公开的包括用于提供位置反馈信息的线性编码器组件的直接驱动无刷马达300的部分分解视图。特别地，直接驱动无刷马达300包括多个旋转部件304和多个非旋转部件308。在特定实施方式中，多个旋转部件304包括布置为形成环形结构的一组9个多层印刷线圈312的集合。在其它实施方式中，可以使用不同数量的多层印刷线圈312(例如，6、12或18个线圈)。这些多层印刷线圈312可以像无刷DC线圈一样操作。注意，也可以使用其它数量，诸如串联9线圈或并联3线圈。线圈312附接到端板316。
如图3中所示，多个非旋转部件包括多个内磁体328和钢芯332。圆柱形套筒340的尺寸被设计为限定被钢芯332包围的中心旋转轴108。在一个实施例中，多个非旋转部件308包括配置有多个圆形通道的背板350，用于适当地引导非旋转部件308的其余部分并使之居中。如图所示，背板350的圆形通道370接纳线圈312形成的环形结构。
在直接驱动无刷马达300的操作期间，通过多层印刷线圈312引入电流，从而产生方向取决于电流流过线圈312的方向的磁场。磁场的幅度与和每个线圈相关联的匝数以及通过导电材料传导的安培数对应。应当理解的是，可以使用具有不同规格的任何类型的导电材料。还应当理解的是，多层印刷线圈312可以电连接到电源和/或以电气和机械领域中已知的任何方式连接在一起，诸如通过使用例如柔性电缆(“flex电缆”)。
外磁体116可以是例如具有如图3中所示的弯曲横截面的大致矩形，并且可以耦合到马达壳体112的内壁。例如，外磁体116可以在制造期间用各种粘合剂和/或螺钉耦合到马达壳体112。当磁场存在于线圈312中时，外磁体116可以适于与旋转部件304磁性接口连接。因此，通过反复交替电流流经线圈312的方向，旋转力可以反复施加在旋转部件304上，从而使部件304绕纵轴A旋转。
如上所述，线性编码器组件150包括线性编码器反馈标尺154和线性反馈标尺读取头158。线性编码器反馈标尺154由线性标尺支撑件162支撑。线性编码器组件150还可以包括反馈电路***(未示出)以及线性编码器反馈标尺154，用于向例如控制器(诸如远程计算机)指示线性位置反馈。线性反馈标尺读取头158(例如，传感器、换能器等)可以与可对位置进行编码的线性编码器反馈标尺154配对。线性反馈标尺读取头158可以读取线性编码器反馈标尺154并将编码的位置转换成模拟或数字信号。然后可以进而通过数字读出器(DRO)或运动控制器(图1-3中未示出)将其解码为位置数据。线性编码器组件150可以以增量或绝对模式工作。例如，运动可以通过位置随时间的改变来确定。线性编码器技术可以包括例如光学、磁性、电感、电容和涡流。光学线性编码器在高分辨率市场(例如，半导体行业市场和/或生物技术行业市场)中是常见的，并且可以采用快门/莫尔、衍射或全息原理。典型的增量标尺周期可以从数百微米到亚微米变化，并且随后的插值可以提供精细至1nm的分辨率。线性编码器组件150可以具有例如5微米至50nm范围内的分辨率。在其它实施例中，还可以结合更精细的分辨率编码器，从而提供高达例如1nm的分辨率。
线性编码器反馈标尺154可以包括沿着线性编码器反馈标尺154的长度延伸的一系列条纹或标记。在直接驱动无刷马达100B/300的操作期间，线性反馈标尺读取头158(例如，光学读取器)可以对读取的条纹或标记的数量进行计数，以便确定旋转部件304相对于非旋转部件308的当前位置。在一些情况下，可以将记录的位置数据传输到远程设备以进行监视。在一些情况下，用户可以向远程设备(诸如连接的计算机)输入一个或多个值，以便指定特定任务所期望的旋转量。然后可以将这些值传输到与线性编码器组件150电通信的控制器(图1-3中未示出)，使得可以根据指定的值调整多个旋转部件304的相对旋转。直接驱动无刷马达100/300可以包括任何数量的电连接并且可以包括任何数量的电子控制序列。此外，在其它实施例中，直接驱动无刷马达100/300可以包括电气领域中已知的任何数量的板载数字控件和/或模拟电路***。
再次参考图3，直接驱动无刷马达的实施例可以利用双磁路以便获得更高的扭矩。具体而言，外磁体320、马达的钢壳体324和线圈312形成第一电路380。线圈312、内磁体328和中心旋转轴108形成第二电路384。与仅采用单个“外”电路的标准无刷马达能够提供的扭矩相比，这种布置被认为提供了大得多的扭矩。
如以下参考图5所讨论的，直接驱动无刷马达的实施例可以包括各种旋转限制元件，这些旋转限制元件部署成将旋转部件304的旋转限制到绕旋转轴A(图1A)的期望程度(例如，+/-90度)。
图4A示出了直接驱动无刷马达300和相关联的控制器410的示例性布置400的框图。在马达300的操作期间，线性编码器的读取头158提供反馈信号，该反馈信号包含与线筒104和/或中心旋转轴108的位置或角度朝向相关的信息。控制器410处理反馈信号并向马达300提供控制信号以调整线筒104和/或中心旋转轴108的旋转，以便适当地移动机械元件420。
在一个实施例中，马达300将测量结果从其线性编码器发送到控制器410，以指示绕轴A的精确旋转位置。在一些配置中，控制器410可以是例如具有内置的放大器和16位模拟输出的Galil DMC31012控制器。
如已知的，控制器410(诸如伺服控制器)可以生成操作马达300的控制信号。例如，根据通常以软件形式的编程指令，控制器410可以生成控制信号并将此类控制信号输出到马达300以引起机械构件或元件的移动。在一个实施例中，控制器410被编程为根据用作手指300的特定应用来控制马达300。通常，计算机(未示出)耦合到控制器410以生成以编程语言生成的软件(表示要执行的指令集的代码)并将其传输到控制器410以用于特定应用。这种软件一旦在控制器410上运行，就将指示马达300以特定于特定应用或任务的方式移动机械元件420。
转向图4B，提供了马达控制装置450的功能框图，该马达控制装置450可以结合在控制器410内，或者可替代地结合在直接驱动马达300内。在图4B的实施例中，马达控制装置450操作以使用直轴-交轴(d-q)控制过程通过正弦换向来驱动马达300的线圈312。即，每个线圈相由连续的正弦电流激励，以恒定扭矩产生运动。
在操作期间，马达控制装置450用于控制流过线圈312的电流。为此，第一电流传感器454检测流过其中一个线圈312的第一电流Ia，第二电流传感器458检测流过另一个线圈312的第二电流Ib。如图所示，来自编码器读取头158(或可操作以检测马达300的旋转部件的角位置的其它位置传感器)的电流Ia，Ib和实际位置信号(θ)的测量结果被供应到d-q变换模块458，该模块被配置为实现d-q变换(也称为派克(Park)变换)。如已知的，d-q变换可以用于有效地将三相***变换到或以其它方式投影到二维控制空间。虽然在一般情况下，d-q变换的实施方式除了Ia，Ib和θ之外还需要Ic，但在本实施例中，马达300的三相线圈是平衡的，因此可以根据Ia和Ib重现Ic。
Park变换的实施方式使模块458能够将线圈312上存在的三个正弦电流的集合表达为直轴电流Id和交轴电流Iq。由于Park变换电流Id，Iq基本上是恒定的，因此能够通过使用恒定电流Id，Iq而不是实际供给马达300的正弦信号来控制马达300。
如图4B中所示，控制装置450包括位置控制模块462，其从编码器读取头158接收指示参考角度(θref)的信号以及实际位置信号θ。基于这些值，位置控制模块462向电流控制器和反d-q变换模块466提供交轴参考电流Iq,ref。模块466内的电流控制器确定Park变换的电流Id，Iq与参考电流Iq,ref，Id,ref之间的差，并基于结果执行反d-q变换。这些操作产生命令值VA、VB和VC，然后通过开关逻辑470将它们映射到逆变器开关信号SA+，SA-，SB+，SB-，SC+，SC-。然后在这些开关信号的控制下，三相电压源逆变器474生成递送到线圈312的电流Ia，Ib，Ic。
现在关注图5A，该图提供了直接驱动无刷马达500的部分分解视图，该马达包括旋转限制元件，该旋转限制元件被配置为将马达500的旋转部件的旋转限制在期望范围(例如，90度)内。图5B提供了直接驱动无刷马达500的组装视图。如图5A中所示，直接驱动无刷马达500包括9个旋转的多层印刷线圈512的集合，其被布置为形成环形结构。在其它实施方式中，可以使用不同数量的线圈512(例如，6、12或18个线圈)。这些线圈512可以像无刷DC线圈一样操作。注意，也可以使用其它数量，诸如串联9线圈或并联3线圈。线圈可以是Y形接线和串联。多层印刷线圈512附接到端板516。
如图5A中所示，直接驱动无刷马达500可以包括线筒504和中心旋转轴508。马达500还包括包围多个外磁体516的马达壳体510。在驱动马达500的操作期间，包括多个多层印刷线圈512的双磁路(如下所述)导致马达500的旋转部件(其包括线筒504和中心旋转轴508)绕马达的纵向轴线旋转，该纵向轴线与轴508对准。这些部件的旋转可以通过马达壳体510的旋转限制表面536与旋转止动元件538协作而被限制在期望的范围内。在马达500的操作期间，马达壳体510、多个外磁体516和背板540不旋转。
直接驱动无刷马达500还可以包括多个非旋转内磁体528。背板540支撑由非旋转内磁体528限定的中心磁极结构544。马达500还包括前滚珠轴承560和后滚珠轴承564。线性编码器组件包括线性编码器反馈标尺554和线性反馈标尺读取头558。线性编码器反馈标尺554由马达轮毂562支撑。读取头558向外部计算元件或设备(未示出)提供与直接驱动无刷马达500的旋转部件的旋转相关的位置反馈信息。
直接驱动无刷马达500的实施例可以利用双磁路以便获得更高的扭矩。具体而言，外磁体516、中心磁极544和线圈512形成第一电路。多层印刷线圈512、内磁体528和中心旋转轴508形成第二电路。与仅采用单个“外”电路的标准无刷马达能够提供的扭矩相比，这种布置被认为提供了大得多的扭矩。
现在转向图6，提供了结合有Halbach磁体布置的直接驱动无刷马达600的部件的截面视图。如图所示，在图6的实施例中，布置多个内磁体608以形成内Halbach圆柱体，并且布置多个外磁体612以形成外Halbach圆柱体。多个多层印刷线圈614被布置为圆柱形形状并且***在多个内磁体608和多个外磁体612之间。多个内磁体608和多个外磁体612被包括在双磁路中，它们协作以增加它们之间的磁场的通量密度。具体而言，内磁体608和外磁体612增加了其中部署有多个多层印刷线圈614的体积中的磁场。相对于仅采用单个“外”磁路的传统设计，这种增加的磁通密度导致给定电流水平的更高输出扭矩。直接驱动无刷马达600的其余部件与参考图1-5所描述的部件基本相似或相同，并且为了清楚起见已经从图6中省略。
参考图1-6描述的直接驱动无刷马达的实施例可以与例如设计为模仿人类手指的运动范围的机器人手指结合使用。在一个实施例中，马达的设计考虑到马达不需要运行完整的360度来模拟人手指的行为；更确切地说，90或30度的转动可以就足够了。因而，在一个实施例中，马达包括部分移动线圈旋转马达。部分旋转马达可以有利地被构造成具有轻的移动质量，从而促进快速响应和低电流汲取。
具有多层可变节距印刷线圈的高扭矩低电流无刷马达
图15-21图示了一种高扭矩低电流无刷马达，其适用于包括参考图7-14所述类型的多层可变节距印刷线圈布置。为清楚起见，在下文参考图15-21描述的高扭矩低电流无刷马达的图示中省略参考图7-14讨论的所示的多层可变节距印刷线圈的各种细节。
现在转向图15，示出了根据本公开的结合了多层可变节距柔性印刷线圈布置的高扭矩低电流无刷马达1500的透视图和部分透明视图。如图15中所示，无刷马达1500可以包括马达输出轴1508和包围双磁性圆柱体(未示出)的马达壳体1510。马达1500还包括控制器壳体1512，其在图15中部分透明地描绘。控制器壳体1512包围控制器1506并且包括端板1507，伺服连接器接口1509通过端板1507突出。在马达1500的操作期间，双磁性圆柱体和马达输出轴1508绕纵向轴线A旋转。马达壳体1510、控制器壳体1512、端板1507和顶板1515在马达的操作期间不旋转。
虽然控制器1506被示为在邻接马达壳体1510的控制器壳体1512内，但在其它实施例中，用于电动马达的控制器基本上可以位于任何位置。例如，控制器可以位于远离马达的位置(例如，在与马达进行网络通信的远程计算机中)。
图16A、16B和16C分别提供了图15的马达1500的顶端视图、侧视图和后端视图。
现在关注图17，该图提供了包括马达壳体1510的马达1500的顶部的侧截面视图。马达1500的其余部分(包括控制器壳体1512)没有在图17的截面中示出。在一个实施例中，马达1500包括包含马达输出轴1508的多个旋转部件、被布置为限定纵向轴线A的圆柱体形状的多个内磁体1708，以及也圆柱形地布置为限定纵向轴线A的多个外磁体1712。多个内磁体1708耦合到铁芯构件1709。第一和第二径向轴承1709、1711限定输出轴1508。编码器反馈读取头1720被定位成读取编码器反馈标尺，该编码器反馈标尺定位在例如输出轴1508上或耦合到输出轴的旋转表面上。
马达1500还包括多个非旋转部件，其包括被布置为形成***多个内磁体1708和多个外磁体1712之间的圆柱形结构的12个多层可变节距线圈1714的集合。在其它实施方式中，可以使用不同数量的线圈1712(例如，6、9或18个线圈)。线圈1714可以像无刷DC线圈一样操作。线圈1712可以附接到马达壳体1510或进而耦合到马达壳体1510的模制结构。
现在转到图18，提供了马达1500的截面视图，该视图横向于纵向轴线A。如图所示，在图17的实施例中，多个内磁体1708被布置为形成内Halbach圆柱体并且多个外磁体1712被布置为形成外Halbach圆柱体。多个多层可变节距线圈1714被布置为圆柱形形状，并且***在多个内磁体1708和多个外磁体1712之间。多个内磁体1708和多个外磁体1712被包括在双磁路中，它们协作以增加它们之间的磁场的通量密度。具体而言，内磁体1708和外磁体1712增加了其中部署有多个线圈1712的体积中的磁场。相对于仅采用单个“外”磁路的常规设计，这种增加的磁通密度导致给定电流水平的更高输出扭矩。
在无刷马达1500的操作期间，电流通过线圈1714引入，从而产生方向取决于电流流过线圈1714的方向的磁场。由线圈1714产生的磁场与由内磁体和外磁体1712产生的磁场相互作用，以产生作用在马达1500的旋转部件上的旋转力。由线圈1714产生的磁场的幅度与和每个线圈1714相关联的匝数以及通过导电材料传导的安培数对应。应当理解的是，可以使用具有不同规格的任何类型的导电材料。还应当理解的是，线圈1712可以电连接到电源和/或以电气和机械领域中已知的任何方式连接在一起，例如通过使用柔性电缆。
外磁体1712例如可以是如图18中所示的具有弯曲横截面的大致矩形，并且可以耦合到由马达壳体1510的内壁包围的圆柱形支撑结构1511。例如，外磁体1516可以在制造期间用各种粘合剂和/或螺钉耦合到支撑结构1511。
如上所述，编码器组件包括安装成与输出轴1508一起旋转的编码器反馈标尺和编码器反馈读取头1720。编码器组件还可以包括反馈电路***(未示出)以及编码器反馈标尺，用于向例如控制器1506或未部署在其中的控制器(诸如远程计算机)指示位置反馈。编码器反馈读取头1720(例如，传感器、换能器等)可以与可对位置进行编码的编码器反馈标尺配对。编码器反馈读取头1720可以读取编码器反馈标尺并将编码的位置转换成模拟或数字信号。然后可以通过数字读出器(DRO)或运动控制器(未显示)将其解码为位置数据。编码器组件可以以增量或绝对模式工作。例如，运动可以通过位置随时间的改变来确定。编码器技术可以包括例如光学、磁性、电感、电容和涡流。
编码器反馈标尺可以包括沿着线性编码器反馈标尺的长度延伸的一系列条纹或标记，该线性编码器反馈标尺印刷在或固定到马达输出轴1508或与其耦合的表面上。在无刷马达的操作期间，编码器反馈读取头1720(例如，光学读取器)可以对读取的条纹或标记的数量进行计数，以便确定马达1500的旋转部件相对于非旋转部件的当前位置。在一些情况下，可以将记录的位置数据传输到远程设备以进行监视。在一些情况下，用户可以向远程设备(诸如连接的计算机)输入一个或多个值，以便指定特定任务所期望的旋转量。然后可以将这些值传输到与编码器组件电通信的控制器，使得可以根据指定的值调整多个旋转部件的相对旋转。无刷马达1500可以包括任何数量的电连接并且可以包括任何数量的电子控制序列。此外，在其它实施例中，马达1500可以包括电气领域中已知的任何数量的板载数字控件和/或模拟电路。
如已知的，控制器1506(诸如伺服控制器)可以生成操作马达1500的控制信号。例如，根据通常以软件形式的编程指令，控制器1506可以生成控制信号并将这种控制信号输出到马达1500以引起轴1508的移动。在一个实施例中，控制器1506被编程为根据使用马达1500的特定应用来控制马达1500。通常，计算机(未示出)耦合到控制器1506以生成以编程语言生成的软件(表示要执行的指令集的代码)并将其传输到控制器1506以用于特定应用。这种软件一旦在控制器1506上运行，就将指示马达1500以特定于特定应用或任务的方式移动轴1508。
计算机代码的示例包括但不限于微代码或微指令、机器指令(诸如由编译器生成)、用于产生web服务的代码以及包含由计算机使用解释器执行的更高级别指令的文件。例如，可以使用命令式编程语言(例如，C、FORTRAN等)、函数式编程语言(Haskell、Erlang等)、逻辑编程语言(例如，Prolog)、面向对象的编程语言(例如，Java、C++等)或其它合适的编程语言和/或开发工具来实现实施例。计算机代码的附加示例包括但不限于控制信号、加密代码和压缩代码。
转到图19，提供了马达控制装置1950的功能框图，该马达控制装置1950可以结合在控制器1506内。在图19的实施例中，马达控制装置1950操作以使用直轴-交轴(d-q)控制过程通过正弦换向来驱动马达1500的线圈1714。即，每个线圈相由连续的正弦电流激励，以恒定扭矩产生运动。
在操作期间，马达控制装置1950用于控制流过线圈1714的电流。为此，第一电流传感器1954检测流过其中一个线圈1714的第一电流Ia，第二电流传感器1958检测流过另一个线圈1714的第二电流Ib。如图所示，来自编码器读取头1558(或可操作以检测马达1500的旋转部件的角位置的其它位置传感器)的电流Ia，Ib和实际位置信号(θ)的测量结果被供应到d-q变换模块1958，该模块被配置为实现d-q变换(也称为Park变换)。如已知的，d-q变换可以被用于有效地将三相***变换到或以其它方式投影到二维控制空间。虽然在一般情况下，d-q变换的实施方式除了Ia，Ib和θ之外还需要Ic，但在本实施例中，马达1500的三相线圈是平衡的，因此可以根据Ia和Ib重现Ic。
Park变换的实施方式使模块1958能够将线圈1714上存在的三个正弦电流的集合表达为直轴电流Id和交轴电流Iq。由于Park变换电流Id，Iq基本上是恒定的，因此能够通过使用恒定电流Id，Iq而不是实际供给马达1500的正弦信号来控制马达1500。
如图19中所示，控制装置1950包括位置控制模块1962，其从编码器读取头1558接收指示参考角度(θref)的信号以及实际位置信号θ。基于这些值，位置控制模块1962向电流控制器和反d-q变换模块1966提供交轴参考电流Iq,ref。模块1966内的电流控制器确定Park变换电流Id、Iq与参考电流Iq,ref、Id,ref之间的差，并基于结果执行反d-q变换。这些操作产生命令值VA、VB和VC，然后通过开关逻辑1970将它们映射到逆变器开关信号SA+，SA-，SB+，SB-，SC+，SC-。然后在这些开关信号的控制下的三相电压源逆变器1974生成递送到线圈1714的电流Ia，Ib，Ic。
现在关注图20，该图提供了根据实施例的用于无刷电动马达的双转子磁体装置2000的横截面视图。双转子磁体装置2000包括线圈组件，该线圈组件具有布置为圆柱体形状的多个线圈2012。双转子包括被构造为包围线圈组件的第一Halbach圆柱体的多个外磁体2014。圆柱形支撑结构2011耦合到并包围多个外磁体2014。双转子还包括布置为第二Halbach圆柱体的多个内磁体2008。如图所示，线圈组件的多个线圈2012***在多个内磁体2008和多个外磁体2014之间。在图20的实施例中，多个内磁体2008耦合到容纳内部空间或腔室2040的芯元件2009。
装置2000还包括壳体2010，壳体2010包围转子和线圈组件。耦合到转子或与转子一体的输出轴2002可以从由壳体2010限定的孔突出。径向轴承2050、2054被芯元件2009包围。
现在转向图21A-21E，提供了包括双磁性转子的无刷电动马达2100的替代实施例的各种视图。在图21A-21E的实施例中，马达2100包括具有多个旋转部件的双磁体转子组件。具体而言，多个旋转部件包括马达输出轴2102、布置为第一Halbach圆柱体形状的多个内磁体2108，以及同样以Halbach构造圆柱形地布置的多个外磁体2114。多个旋转部件还包括圆柱形内磁体壳体2118和圆柱形外磁体壳体2120。圆柱形内磁体壳体2118耦合到并支撑多个内磁体2108并且包围转子轴2102。外磁体壳体2120类似地支撑多个外磁体2114。如图21A中所示，马达输出轴2102具有限制并限定真空通轴2130的内表面。
马达2100还包括多个非旋转部件，多个非旋转部件包括马达壳体2110和由线圈线筒2116支撑的圆柱形线圈组件2112。在图21A-21E的实施例中，圆柱形线圈组件2112包括多个多层印刷线圈，这些多层印刷线圈布置为形成***多个内磁体2108和多个外磁体2114之间的圆柱形结构。即，多个外磁体2114包围线圈组件2112，并且线圈组件2112包围多个内磁体2108。马达壳体2110包围双磁体转子组件的外磁体壳体2120。输出轴2102可以从由马达壳体2110限定的孔突出。径向轴承2150、2154促进输出轴2102的旋转。编码器反馈读取头2122被定位成读取编码器反馈标尺，编码器反馈标尺定位在例如输出轴2102上或耦合到输出轴的旋转表面上。
在双转子磁体装置2100的操作期间，双磁性圆柱体和马达输出轴2102绕由真空通轴2130限定的纵向轴线旋转。马达壳体2110以及基本上垂直于该纵向轴线布置的端板2117和顶板2115在马达2100的操作期间不旋转。如图所示，端板2117限定与真空通轴2130连通的孔2134，并且顶板2115限定限制输出轴2102的孔。端板2117还可以支撑电连接器2136，该电连接器2136被配置为例如向线圈组件2112提供电流并且接收由编码器反馈读取头2122提供的位置反馈。
在一个实施例中，马达2100可以由控制器控制，该控制器部署在邻接马达壳体2110的控制器壳体(未示出)内。在其它实施例中，用于马达2100的控制器可以基本上位于任何位置。例如，控制器可以远离马达2100定位(例如，与马达进行网络通信的远程计算机)。
对本公开的各种改变和修改对于本领域技术人员来说将变得清楚。此类改变和修改将被理解为包括在本公开的范围内。本发明的各种实施例应当被理解为它们仅以示例的方式呈现，而不是以限制的方式呈现。同样，各种图可以描绘本发明的示例架构或其它配置，这样做是为了帮助理解可以包括在本发明中的特征和功能。本发明不限于图示的示例架构或配置，而是可以使用多种替代架构和配置来实现。此外，虽然本发明在上面根据各种示例性实施例和实施方式进行了描述，但应当理解的是，在一个或多个单独实施例中描述的各种特征和功能不限于特定实施例对它们的适用性描述。代替地，它们可以单独地或以某种组合应用于本发明的其它实施例中的一个或多个，无论是否描述了此类实施例，以及无论此类特征是否被呈现为所描述的实施例的一部分。因此，本发明的广度和范围不应当受到任何上述示例性实施例的限制。
除非另有明确说明，否则本文档中使用的术语和短语及其变体应当被解释为开放式而非限制性的。作为前述的示例：术语“包括”应当理解为“包括但不限于”等；术语“示例”用于提供所讨论的项的示例性实例，而不是其详尽或限制性列表；以及诸如“常规”、“传统”、“正常”、“标准”、“已知”之类的形容词以及类似含义的术语不应当被解释为将所描述的项限制到给定的时间段或限制到截至给定时间可用的项。代替地，这些术语应当被解读为涵盖可以是可用的、现在已知的或将来任何时间可用的常规、传统、正常或标准技术。同样，用连词“和”链接的一组项不应当被解读为要求那些项中的每一个都存在于该组中，而应当被解读为“和/或”，除非另有明确说明。类似地，用连词“或”链接的一组项不应当被解读为要求那个组之间的相互排他性，而应当被解读为“和/或”，除非另有明确说明。此外，虽然本发明的项、元件或部件可以以单数形式描述或要求保护，但复数被认为在其范围内，除非明确说明对单数的限制。例如，“至少一个”可以指单个或多个，并且不限于任一者。在一些情况下，诸如“一个或多个”、“至少”、“但不限于”或其它类似短语之类的扩大词和短语的存在不应被解读为意味着在没有此类扩大短语的情况下意指或要求较窄的情况。
词“示例性”在本文中用于表示“用作示例或说明”。本文描述为“示例性”的任何方面或设计不一定被解释为比其它方面或设计优选或有利。
应当理解的是，本文公开的过程中的步骤的特定次序或层次是示例性方法的示例。基于设计偏好，可以理解，可以重新布置过程中的步骤的特定次序或层次，同时保持在本公开的范围内。随附的方法权利要求以示例次序呈现各个步骤的元素，并且不意味着限于所呈现的特定次序或层次。上述技术、方框、步骤和手段的实施方式可以以各种方式完成。例如，这些技术、方框、步骤和手段可以在硬件、软件或其组合中实现。对于硬件实施方式，处理单元可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计用于执行上述功能的其它电子单元和/或它们的组合内实现。
而且，应注意，实施例可被描述为被描绘为流程图、流图、数据流图、结构图或框图的过程。虽然流程图可以将操作描述为顺序过程，但其中许多操作可以并行或同发地执行。此外，可以重新布置操作的次序。过程在其操作完成时终止，但可以具有图中未包括的附加步骤。过程可以与方法、函数、过程、子例程、子程序等对应。当过程与函数对应时，其终止与函数返回到调用函数或主函数对应。
此外，实施例可以通过硬件、软件、脚本语言、固件、中间件、微代码、硬件描述语言和/或其任何组合来实现。当以软件、固件、中间件、脚本语言和/或微代码实现时，执行必要任务的程序代码或代码片段可以存储在机器可读介质(诸如存储介质)中。代码片段或机器可执行指令可以表示过程、函数、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、脚本、类或指令、数据结构和/或程序语句的任何组合。通过传递和/或接收信息、数据、自变量、参数和/或存储器内容，代码片段可以耦合到另一个代码片段或硬件电路。信息、自变量、参数、数据等可以经由任何合适的手段被传递、转发或传输，包括存储器共享、消息传递、令牌传递、网络传输等。
总之，本发明尤其提供了减小直径的线性电磁致动器和制造该电磁致动器的成本降低的方法。本领域技术人员可以容易地认识到，可以在本发明、其用途和配置中进行许多变化和替换，以实现与本文描述的实施例所实现的基本相同的结果。因而，无意将本发明限于所公开的示例性形式。许多变化、修改和替代构造落入如权利要求所表达的本公开的范围和精神内。

Claims (26)

1.一种印刷线圈组件，包括：
柔性介电材料；
图案化的顶部导电层，形成在柔性介电材料的顶表面上；以及
图案化的底部导电层，形成在柔性介电材料的底表面上，图案化的顶部导电层和图案化的底部导电层形成多个印刷线圈，所述多个印刷线圈布置在多个印刷线圈辊中，所述多个印刷线圈辊部署为同心布置成圆柱形形状；
其中所述多个印刷线圈中的每个印刷线圈包括部署在图案化的顶部导电层内的顶层印刷线圈和部署在图案化的底部导电层内的底层印刷线圈；
其中印刷线圈辊中的第一辊内的所述多个印刷线圈的第一集合的第一线圈节距小于所述多个辊中的第二辊内的所述多个印刷线圈的第二集合的第二线圈节距，使得第一辊和第二辊中的所述多个印刷线圈中的对应印刷线圈相对于圆柱形形状的中心轴向对准。
2.如权利要求1所述的印刷线圈组件，其中所述多个印刷线圈中的每个印刷线圈内的顶层印刷线圈和底层印刷线圈通过顶层导体电连接，该顶层导体延伸穿过由柔性介电材料限定的通孔。
3.如权利要求2所述的印刷线圈组件，其中第一底层印刷线圈、第二底层印刷线圈和第三底层印刷线圈分别(i)包括在所述多个印刷线圈中的第一印刷线圈、第二印刷线圈和第三印刷线圈内，并且(ii)连接到第一端子起始线、第二端子起始线和第三端子起始线。
4.如权利要求3所述的印刷线圈组件，其中第一顶层印刷线圈、第二顶层印刷线圈和第三顶层印刷线圈分别(i)包括在所述多个印刷线圈中的第一印刷线圈、第二印刷线圈和第三印刷线圈内，并且(ii)电连接到所述多个印刷线圈中的第四印刷线圈、第五印刷线圈和第六印刷线圈。
5.如权利要求1所述的印刷线圈组件，还包括圆柱形线筒，印刷线圈辊围绕该圆柱形线筒布置。
6.如权利要求1所述的印刷线圈组件，其中所述多个印刷线圈的第一集合包括第一印刷线圈、第二印刷线圈、第三印刷线圈、第四印刷线圈、第五印刷线圈和第六印刷线圈，并且其中第一印刷线圈的第一完成线电连接到第四印刷线圈，第二印刷线圈的第二完成线电连接到第五印刷线圈，并且第三印刷线圈的第三完成线电连接到第六印刷线圈。
7.如权利要求6所述的印刷线圈组件，还包括限定在介电材料内的第一线圈间连接器，第一线圈间连接器在第一完成线和第四印刷线圈之间建立电连接。
8.如权利要求1所述的印刷线圈组件，还包括施加到图案化的底部导电层的粘合剂转移带。
9.如权利要求1所述的印刷线圈组件，其中图案化的顶部导电层包括覆盖到柔性介电材料的顶表面的第一铜层和镀到第一铜层的第一金层。
10.如权利要求9所述的印刷线圈组件，其中图案化的底部导电层包括覆盖到柔性介电材料的底表面的第二铜层和镀到第二铜层的第二金层。
11.一种印刷线圈布置，包括：
柔性电路材料，卷成同心印刷线圈辊，其中所述多个同心印刷线圈辊中的每个印刷线圈辊包括多个印刷线圈，并且其中所述多个印刷线圈辊中的每个印刷线圈辊内的所述多个印刷线圈的节距不同于所述多个印刷线圈辊中的任何其它印刷线圈辊内的所述多个印刷线圈的节距，所述多个线圈辊中的每个线圈辊内的印刷线圈的节距被选择为使得所述多个印刷线圈辊中的每个印刷线圈辊中的所述多个印刷线圈中的对应印刷线圈相对于柔性电路材料卷绕成的圆柱形形状的中心轴向对准；
线筒；以及
粘合剂层，附接到线筒的外表面和所述多个同心印刷线圈辊中的最里面的一个印刷线圈辊的底表面。
12.如权利要求11所述的印刷线圈布置，其中粘合剂层还附接到所述多个同心印刷线圈辊中的每个印刷线圈辊的底表面并且接合所述多个同心印刷线圈辊中的相邻印刷线圈辊。
13.如权利要求11所述的印刷线圈布置，其中柔性电路材料包括形成在柔性介电材料的顶表面上的图案化的顶部导电层和形成在柔性介电材料的底表面上的图案化的底部导电层，图案化的顶部导电层和图案化的底部导电层形成所述多个同心印刷线圈辊中的每个印刷线圈辊的所述多个印刷线圈。
14.如权利要求13所述的印刷线圈布置，其中所述多个印刷线圈中的每个印刷线圈包括部署在图案化的顶部导电层内的顶层印刷线圈和部署在图案化的底部导电层内的底层印刷线圈。
15.如权利要求11所述的印刷线圈布置，其中印刷线圈辊中的第一辊内的所述多个印刷线圈的第一集合的第一线圈节距小于所述多个辊中的第二辊内的所述多个印刷线圈的第二集合的第二线圈节距。
16.一种制造印刷线圈装置的方法，该方法包括：
向柔性电路材料的顶部导电层并向柔性电路材料的底部导电层施加限定期望的印刷线圈电路图案的一个或多个掩模，其中期望的印刷线圈电路图案包括具有可变节距的印刷线圈的多个辊，并且其中柔性电路材料还包括夹在顶部导电层和底部导电层之间的柔性介电层；
将柔性电路材料的顶部导电层和柔性电路材料的底部导电层的未掩蔽部分暴露于酸，并且去除顶部导电层和底部导电层的未掩蔽部分；
将附加掩模施加到顶部导电层和底部导电层的未掩蔽部分；
在期望的印刷线圈图案上镀上附加的导电材料；
用印刷丝网覆盖由电镀产生的导电迹线；以及
将金和不同导电材料中的一种镀到导电迹线的附加导电材料上。
17.如权利要求16所述的方法，还包括在与所述多个辊中的最后一个辊相关联的顶部导电层的一部分上施加覆盖层。
18.如权利要求16所述的方法，还包括在镀金和不同导电材料中的一种之后将粘合剂转移带施加到底部导电层。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：
绕线筒缠绕多个辊；
在绕线筒缠绕所述多个辊时，用粘合剂转移带将相邻的辊彼此接合；
用粘合剂转移带将所述多个辊中的最里面的一个辊接合到线筒的外表面。
20.一种制造印刷线圈布置的方法，该方法包括：
将柔性电路材料蚀刻到多个线圈辊中，其中所述多个线圈辊中的每个线圈辊包括多个印刷线圈，并且其中所述多个印刷线圈辊中的每个印刷线圈辊内的所述多个印刷线圈的节距不同于所述多个印刷线圈辊中的任何其它印刷线圈辊内的所述多个印刷线圈的节距，所述多个线圈辊中的每个线圈辊内的印刷线圈的节距被选择为使得所述多个印刷线圈辊中的每个印刷线圈辊中的所述多个印刷线圈中的对应印刷线圈相对于柔性电路材料卷绕成的圆柱形形状的中心轴向对准；
将粘合剂材料施加到柔性电路材料的底表面；
将所述多个印刷线圈辊中的第一线圈辊定位在线筒的外表面上，并且使用粘合剂材料将第一线圈辊接合到外表面；
将所述多个印刷线圈辊中的剩余辊卷到第一线圈辊上；
使用粘合剂材料将所述多个印刷线圈辊中的相邻印刷线圈辊彼此接合，从而形成卷绕和接合的印刷线圈电路；以及
在烘箱中固化卷绕和接合的印刷线圈电路。
21.一种直接驱动无刷马达，包括：
多个旋转部件，包括由多个线圈限定的中心旋转轴和被构造为支撑多个线圈的线圈端板，所述多个线圈包括布置在绕线筒缠绕的多个线圈辊中的多个印刷线圈，其中包括在所述多个线圈辊中的第一个线圈辊内的所述多个印刷线圈的第一集合的第一节距不同于包括在所述多个线圈辊中的第二个线圈辊内的所述多个线圈辊的第二集合的第二节距；
多个非旋转部件，包括多个内磁体和多个外磁体，其中所述多个外磁体绕所述多个线圈定位；以及
柔性电缆，具有一根或多根引线，用于在不使用电刷的情况下向所述多个线圈中的一个或多个线圈提供电流。
22.一种直接驱动无刷马达，包括：
多个外磁体，布置为第一海尔贝克圆柱体；
线圈组件，包括被所述多个外磁体包围的多个线圈，其中所述多个线圈在不使用电刷的情况下连接到外部电流源，其中线圈组件被部署成相对于所述多个外磁体旋转，其中所述多个线圈包括布置在所述多个线圈辊中的多个印刷线圈，并且其中包括在所述多个线圈辊中的第一个线圈辊内的所述多个印刷线圈的第一集合的第一节距不同于包括在所述多个线圈辊中的第二个线圈辊内的所述多个线圈辊的第二集合的第二节距；
多个内磁体，布置为第二海尔贝克圆柱体并被所述多个线圈包围；
芯元件，被所述多个内磁体包围；以及
中心旋转轴，定位在由芯元件限定的内部空间内。
23.如权利要求22所述的直接驱动无刷马达，还包括：
马达壳体，其中所述多个外磁体固定到马达壳体的内表面；以及
双磁路，其中该双磁路包括外电路和内电路，外电路至少包括马达壳体、所述多个外磁体和所述多个线圈，并且内电路至少包括所述多个线圈和中心旋转轴。
24.如权利要求23所述的直接驱动无刷马达，还包括用于提供外部电流源的柔性电缆，其中柔性电缆的至少一部分被马达壳体封住。
25.一种与无刷马达一起使用的装置，该装置包括：
具有多个印刷线圈的线圈组件，所述多个印刷线圈包括在以多层圆柱形线圈布置的多个线圈辊内，其中包括在所述多个线圈辊中的第一辊内的所述多个印刷线圈的第一集合的第一节距不同于包括在所述多个线圈辊中的第二辊内的所述多个线圈辊的第二集合的第二节距，第一辊形成多层圆柱形线圈布置的第一层并且第二辊形成多层圆柱形线圈布置的第二层；以及
转子，包括：
多个外磁体，被构造为包围线圈组件的第一海尔贝克圆柱体；
外磁体壳体，耦合到所述多个外磁体，外磁体壳体包围所述多个外磁体；
多个内磁体，布置为第二海尔贝克圆柱体，其中线圈组件***在所述多个内磁体和所述多个外磁体之间；
内磁体壳体，耦合到所述多个内磁体；
输出轴，被内磁体壳体包围。
26.如权利要求25所述的装置，其中所述多个线圈中的每个线圈包括形成线圈组件的内圆柱形表面的一部分的内表面和形成线圈组件的外圆柱形表面的一部分的外表面；
其中线圈组件的内圆柱形表面和外圆柱形表面都被所述多个外磁体包围。
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