CN1520632A - 无刷直流电动机 - Google Patents

Abstract

一种无刷直流电动机(图1A和3)，包括一磁性转子(5)和一定子(1)。定子(1)具有至少一个电路板(3)，其上排列有蚀刻于电路板金属层的线圈绕组(2)。

Description

无刷直流电动机

相关申请

此申请是2001年6月26日颁布的美国临时专利申请SN.60/301,229的部分内容的延续。

技术领域

本项发明与电机工程，尤其是电磁机械相关，可用于多种用途的电子设备生产，例如：通风设备，压缩机，机泵，电动汽车的方向盘等等。

背景技术

端面上转子定子交互模式的机械是众所周知的，在这种模式中，转子是一个圆盘，交变磁性的永磁铁的底面位于圆周上；定子被做成盘(环)形，与转子同轴安装，电磁定子卷被安装在定子的端面上。举例来说，美国专利第5440185号，IPC 6 H02K 21/12描述的直流无刷电动机(电动)就属于这种机械。已知的这种装置至少包括一个安装在轴上的转子，该转子是一个多极电磁盘，其圆周上分成若干区域，这些区域可以交互变换极性。该装置还包括至少一个盘形定子元件以决定转子的位置，一个将转子和定子固定在某一轮轴的装置，一个根据定子元件定位多极电磁盘的传感器，和一个识别定子元件中电磁域的装置。定子元件上缠绕着两组线圈，直流电输入其中一组，决定定子的极性。这种已知的装置制造起来并非易事，最大的难题在于制造带有可变极性电磁极的盘形转子。

这种电子设备的转子由安装在一根轴上的两个圆盘组成，磁极分布在圆周外缘上，两盘之间有一个圆柱形的磁铁，以轴向发生磁化，通过这种方式，一张盘上的电极是一种极性，相对的，另一张盘上的电极是另一种极性。由线圈组成的定子散布在圆周上，与发明相一致，转子的磁极由圆盘外缘上的齿状物组成，面内垂直于设备轴线，定子线圈这样排列是为了使其端面与转子磁极相接触。这种设备的转子已在美国申请专利第09/621,104号，同种类型的产品没有这种爪状的磁极角(磁极)。转子磁极由位于圆盘外缘的齿状物组成，其作用同磁路。这保证了转子的流水线生产和其结构的稳定性。转子磁极位于两盘的外圆周，与设备的轴线面内垂直，定子线圈这样排列是为了使其端面与转子磁极相接触。这里存在一个可能，如果缩小设备半径，定子磁极就可以放到前面提及的圆盘转子磁极之间。这样就有可能提高驱动功率，因为转子磁极间的电磁区域达到最大密度。原先的组合电动通风机体积很大，因为它有两个分开的部分——电动机和叶轮。现在的发明利用了连接电磁叶轮的两个定子电路，节省了空间。最终这项发明将会有更简单的结构和安装过程，大大节约生产成本。

发明内容

此项发明的目标，是研制一种新型无刷直流电动机，并根据这项设计，可能开发出组合无刷直流电动机/吹气机或者电动机/气泵。这种组合了吹气机或气泵叶轮的电动机的体积有可能大大缩小。

为了达到这个目标，这种研发中的电动机由包含电路板的定子、转子或转子/叶轮、机架和一个控制设备组成。

附图说明

图1A，1B分别是定子板一侧线圈的平面图，和另一侧透视平面图；

图2A，2B分别是定子板1A和1B上线圈的截面图；

图3是电动机的截面图；

图4是图3中电动机A点的截面图；

图5是图3中电动机加上铁金属板的截面图；

图6是图5中电动机C点的截面图；

图7是图3中电动机只带有一个定子板时的截面图；

图8是联合电动机/吹气机的截面图；

图9是图8中联合电动机/吹气机中A点的截面图。

具体实施方式

下面要说明的是一种使用印刷电路板的定子线圈的新型无刷直流电动机。以下我们的说明中，将把这种印刷电路板称为定子板或电路板。磁性转子由永久磁性物质制成，可能是一个整体的部分，或者是一系列拥有相同磁极的机组。以下将把这个整体或机组称为转子轮盘或转子/叶轮。下面的简单说明分为六个部分：定子板，转子，电动机说明，联合电动机/吹气机，电动机控制器和操作说明。

定子板

这里要说明的定子板如此构造是为了供一个H桥形控制器使用。图1A是定子板1的前侧面，包括在电路板基片3上，位于定子板圆周的线圈2，由金属，通常是铜蚀刻而成。图1B是定子板1的后侧面(透视)，包括在电路板基片3上，位于定子板圆周的线圈2a，由金属，通常是铜蚀刻而成。图1A中，线圈10是断开的(中断)，用以提供动力，使11和12到达控制设备13。这两条分别引自两个定子板的线圈可以串联或并联。

图2A，图2B中分别是图1A，1B中定子板前侧面，后侧面(透视)的一个部分。定子板的各侧面上都有两层线圈2和2a。这两层都各由数对线圈组成，每一对形成一个螺旋。图2a中，螺旋从起始线圈6的中心5延伸至终结线圈8的中心9，按照中心5和9的绕向旋绕。线圈层2和2a在透视图中完全一样，并以一定角度加以移动，使得定子板一侧起始线圈的中心5，通过电路板内部的镀铜孔7，与定子板另一侧中心5a电流相通。线圈6a在定子板前侧面上与线圈6以相同的方式连接。定子板上环绕的所有线圈2和2a都以这种方式连接，形成连续的线圈串联。这些线圈可以镀镍以保持转子拥有永久磁性，可以正常启动。(镍在开氏温度627度以下具有磁性。)

转子

图3中的转子5，可由磁性塑料，或别的磁性材料制成，也可以采用无磁性材料，但是要嵌入或附加上永久性磁铁12。它由平行于定子板13，垂直于旋转轴7的圆盘5组成，被安装在定子板的中心，被9，10两道间隔分开。甚至数块磁铁12也附着排列在圆周上，最好是圆盘5的外缘上，每相邻的两块磁铁间距离相等。每块磁铁的磁极2，3都依轴向定位，在转子轮盘一侧保持相同磁极。图4是图3中电动机A点的截面图。电路板13上的线圈4每隔一个依照圆盘5上的每块磁铁排列。圆盘一侧的相邻磁极具有相同的极性。

单极转子5拥有的最大磁化圆盘磁极数，是一个定子电路板13上定子线圈4数目的一半，如图4所示。

这种转子轮盘磁极的结构能使转子5和定子13间最大程度的发生磁性相互作用。

电动机说明

图3表示的是一台包括一个磁转子5，定子13和机架11的无刷直流电动机。磁转子包括一个垂直于其旋转轴7的转子轮盘5，轮盘圆周上还排列着磁极2和3。转子轮盘5两侧的磁极2和3具有相反磁性。

定子包括两块平行的电路板13，每一块圆周上都排列着线圈绕组1和4。两块电路板上各有一个线圈绕组共用一根平行于轴7的轴15。而两块电路板上相对的定子线圈绕组，则对应的具有相反磁性。

图4所示是图3中电动机A点的截面图。线圈绕组4环绕轴7径向排列，并依转子轮盘磁铁11做至少部分的径向排列。这种排列方式使得转子磁极2、3和定子线圈绕组1、4之间分别发生磁互作用。

图3中，电动机架11也包括定子板13和轴承支架14。电动机架11保证了转子轮盘5和定子板13之间的排列，与轴承支架14相连。轴承支架14支撑起轴承6，使得转子轮盘5和轴7可以自由旋转。转子轮盘5通过垫片8保证定子电路板的排列。

图5所示是图3中电动机的另一个版本。完全相同的电动机，添加了与每块定子电路板13外侧轴7稳固相连的铁金属板16。带有径向齿状物17的金属板16与转子轮盘5同步旋转，缩短了，从而也集中了转子磁极2、3分别通过线圈绕组1、4到达个相邻轮盘齿状物17的磁路，这种设计使电动机效率更高。

图6所示是图5中电动机中的C点。线圈绕组1环绕轴7做径向排列，并依轮盘齿状物17做至少部分的径向排列。这种排列方式使得转子磁极2、3和定子线圈绕组1、4之间分别发生磁互作用。

图7所示是图3中电动机一个定子板的截面图。这种电动机只有一块定子板13，否则就与图3所示的电动机完全一样。

联合电动机/吹风机

这种电动机的独特设计结构使其非常适合用于制造电动机/吹风机的联合体。转子/叶轮既可用作电动机的转子，也可用作流动流体的吹风机叶轮。除了以下一些特别之处，这种联合电动机/吹风机的操作与图3中说明的电动机完全一致：

1.转子应根据设备的特殊要求，被做成叶轮的形状。(例如错流通风

  机，离心鼓风机或包括未盖印的、防***类型在内的液泵。)

注意：既然转子将作为磁化设备和通风设备，有必要特别考虑优化这两项功能。

2.电动机/吹风机机架应按要求建构，以限制并导向流体流动路径。

图8所示是包括一个磁性转子/叶轮5，定子13和机架11在内的联合电动机/吹风机的截面图。

转子/叶轮包括垂直安装在固定轴7上的转盘，圆周排列的叶轮片以及叶轮片2和3形状的磁极。转子/叶轮5两面的磁性轮叶棒2和3具有相反的磁极。

定子是由2块并联电路板组成的，每块电路板都有圆周排列的线圈绕组1和4。2块电路板的每个线圈绕组共用一个与转子/叶轮固定轴7平行的公共轴线15。2块电路板上的对立的定子线圈绕组，彼此之间磁极相反。

图9是从B观察点看图8中的电动机的截面图。线圈绕组4位于转轴7旁的径向上，并且其中至少部分和转子/叶轮的磁体一同位于径向上。这种定线主要是考虑到转子/叶轮的磁极2、3和相对应的定子线圈绕组1、4之间分别存在磁性的相互影响。

如图8所示，电动机罩11还包括定子板13，其目的是为了约束和控制流体。电动机罩11保持了转子/叶轮5和定子板13之间的定线，从而为转子/叶轮转轴机座插脚14提供连接。转轴机座插脚14把固定轴7固定到定子板13上。轴承6的外座圈固定在转子/叶轮5上，转子5可以在固定轴7上自由旋转。转子/叶轮5通过固定轴7和垫片8保持定子电路板13之间的间隙9和10。

电机控制器

用于控制电力驱动整流的传感器是一个霍尔转换器或霍尔元件。也可以使用光学设备，但是环境光源的干涉使其在使用上有一些限制。霍尔装置位于转子附近，它所在的位置要使线圈在电力驱动下能获取适当的旋转方向和最佳的性能。这个电子装置可以是一个H-桥驱动或者一个二相-单端驱动。单端驱动定子需要一个结构不同的电路板。这个电路板要求两个线圈组在相同的方向收卷，并具备相同的磁极。一个组的独立线圈是串联的，并同另外一组的线圈有间隔的交界。每个线圈组的一头都是联在一块的，并接到发动机电力装置的阳极或阴极的导线上。(如果单端驱动器是个低端驱动器，那么线圈连线就接在阳极装置上；如果是个高端驱动器，那就接在阴极或地线装置上。)这两个线圈组的另一端都接在单端驱动器上。每次只有一个线圈组是通电的。有许多单端驱动器版本，它们使用不同的保护方案，但本质上它们的控制功能是相同的。在下面的对照表中，可以看出相比单端驱动，H-桥驱动具有一定的优势。

对比项目	H-桥驱动	二相单端驱动
			从电机控制器看定板线圈电阻	与所有单独的定子线圈的数目相同	所有单独的定子线圈数目的一半
电机磁驱动运转	推和拉	推或拉
			电机效率	更有效率	效率相对较低
定板线圈的运行负载循环	100％	50％
			各定板的电力固定点	2	3
定板构造	每个定子线圈需要1个取道	每个定子线圈需要2个取道

运行描述

对电力驱动运行的简要描述将首先从转盘的转动来看一下霍尔装置。霍尔装置使得用来运行H-桥控制器的电力状态或电力水平发生了变化。这些电力状态或电力水平的变化关系到转盘的磁极和缺口。如果霍尔装置不能感觉到其中一个磁极，它就会向桥式驱动器提供输出信号用来给线圈通电。通电线圈移动磁极，使其接近定子上具有引力的线圈绕组的直线方向。当转子到达这些线圈的时候，霍尔装置感应到磁极，并改变驱动器的输出，使得转子被吸引到下一个或邻近的线圈组。当磁极到达这组具有引力的线圈时，霍尔装置会感觉到磁极的损失，并改变驱动器的输出，使得磁极被吸引到下一组线圈中。这个过程会一直持续下去，保持着线圈上某一个方向上的稳定运动。

Claims (13)

1、一种无刷直流电动机，包含一个磁性转子、定子和罩子；上述的磁性转子包含一个垂直安装于转轴的转盘，并具有圆周排列的磁极；上述的定子包含至少一个与上述转盘平行的电路板；所述的电路板为罩子的一部分，并具有圆周排列的线圈绕组，用来产生电磁场；所述的线圈绕组在转轴周围，沿一径向排列，至少与转盘的磁极部分地轴向对准，以在所述磁极和线圈绕组之间提供电磁相互作用从而使磁性转子转动。

2、根据权利要求1所述的无刷直流电动机，其中所述线圈绕组是在电路板金属层中蚀刻而成的。

3、根据权利要求2所述的无刷直流电动机，其中所述线圈绕组被电镀上了一个铁磁层。

4、根据权利要求3所述的无刷直流电动机，其中所述铁磁层是镍。

5、根据权利要求2所述的无刷直流电动机，其中所述电路板金属层是铜。

6、根据权利要求2所述的无刷直流电动机，其中所述定子还包含一个H-桥式驱动控制装置，位于电路板的各个侧面的一层线圈绕组，各层线圈绕组中包含几对线圈绕组，每对线圈绕组都做成螺旋型，按照各个线圈中心螺旋的相同转向，从一个起始线圈绕组的中心到达一个末端线圈绕组的中心，各层线圈绕组在透明图上都是相同的，并且以一种方式转换角度，即电路板一边的起始线圈绕组的中心与电路板另一边的线圈绕组电连接的。所述的单层线圈绕组的电路被中断用来为所说的控制装置提供电源。

7、根据权利要求1所述的无刷直流电动机，其中所述圆周排列的磁极就好像在磁极性中，数目等同于电路板上线圈绕组的一半。

8、根据权利要求7所述的无刷直流电动机，其中所述圆周排列的磁极是在一个铁质材料上被磁化的。

9、根据权利要求7所述的无刷直流电动机，其中所述圆周排列的磁极是嵌入或附着于一个非铁质磁性材料上的磁体。

10、根据权利要求1所述的无刷直流电动机，其中所述定子还包含至少一块铁金属板，与转盘和电路板平行，该定子位于转盘和铁金属板之间。

11、根据权利要求1所述的无刷直流电动机，其中所述转盘还包括在转盘周围成放射性布局的轮叶。

12、根据权利要求11所述的无刷直流电动机，其中所述轮叶的设计主要是为了适应流动流体。

13、根据权利要求1所述的无刷直流电动机，其中至少部分所述轮叶是平行于转轴方向进行磁化的。

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