专利名称：定位力减小的铁心直线无刷直流电机的制作方法
技术领域：
本申请一般涉及直线无刷直流电机，尤其涉及定位力(detentforce)减小的铁心直线无刷直流电机。
背景技术：
矩形结构的典型直线无刷电机主要包括两个部件电枢组件和场组件，它们彼此通过较小的气隙隔开。
电枢组件又包括由叠片组成的叠层组件10，该叠层组件10的狭槽12中设有三相绕组。这种叠层组件10在
图1中示出。场组件是矩形软磁板，交变极性的矩形磁体朝向气隙。
电枢组件的狭槽开口14通常选择得尽可能小，从而使定位力(cogging force)最小。图2示出了典型的狭槽开口14。然而，小的狭槽开口限制了可用于绕组的电线的尺寸。此外，狭槽开口14变得越小，则任何机器绕组工艺也都将变得越困难。
另外，为了将电枢组件连接到一机械结构，叠层组件10的顶面16应当具有被钻出的且带有螺纹的孔。由于叠片结构不适合于这样的孔，所以设置了带有安装孔的锁闭楔18，如图1所示。一旦为这些锁闭楔18在叠片结构上冲压出槽20，那么锁闭楔18之间的距离就被固定，而且如果不更换用于该叠片结构的冲压机，就不能改变锁闭楔18之间的距离。
2002年4月3日提交的并转让给本申请的受让人的美国专利申请No.10/116495通过提供一种电枢组件设计而解决了现有电枢组件设计的这些缺陷，这种设计便于线圈的缠绕，同时也使定位力最小，其中也公开了一安装架结构，通过该安装架使得电枢组件到机械结构的连接变得简单而灵活。
然而仍然需要有一种电枢设计，其能提供减小的定位力，该定位力是由磁阻变化而引起的，而磁阻的变化又是由叠层组件的有限长度引起的。
发明概述本发明的叠层组件结构以及包括有这种叠层组件结构的直线无刷直流电机提供了上述和其它所希望的特征，通过叠层组件的端齿的成形，能充分减小定位力，在这里该端齿优选成形为楔形。
在一个实施例中提供了一种叠层组件设计，这种叠层组件应用于包括多个绕组的电枢组件中，其中该叠层组件包括基部以及从基部延伸的多个齿，所述绕组能够围绕所述多个齿定位；其中所述多个齿彼此间以预定齿距tt间隔开，并包括第一端齿和第二端齿，第一端齿沿运动方向位于叠层组件的一端，第二端齿沿运动方向位于叠层组件的另一端；其中第一端齿和第二端齿为楔形；而且，其中叠层组件沿运动方向具有相同的长度，该长度大约等于电枢下面的磁极数量的非整数倍，例如该长度为(Np+1/2)×tp，其中Np为叠层组件下面的磁极数量，tp为场组件中极性相反的两相邻磁体的中心距。优选地，tt稍微小于tp，例如tt与tp之比为7∶8。
在本发明的一实施例中，端齿在沿运动方向且平行于基部的平面内具有直角三角形截面，其宽度在该三角形的顶点基本为零，而沿该三角形的底边具有最大宽度Wmax。
在本发明的优选实施例中，Wmax大约等于tp。而且，端齿的直角三角形截面的面积大约等于叠层组件的内齿的截面面积。
根据详细的描述和附图，本发明的这些和其它特点和优点将更加易于理解。
附图的简要说明图1是现有技术的典型叠层组件的图示。
图2是现有技术的典型叠层组件的部分图示。
图3是一种叠层组件结构的部分图示，这种叠层组件便于线圈缠绕同时还减小了定位力。
图4是一种叠层组件的部分图示，其中图3所示的狭槽开口已经按照一种结构被塞住，该结构便于线圈缠绕同时还减小了定位力。
图5A和图5B示出了根据一种结构的包括安装架的叠层组件的部分图示，这种结构提供了的简单且灵活的连接结构，同时还示出了图4实施例中的楔。
图6是一种结构中的叠层组件中的齿和楔的一部分的放大图，该结构便于线圈缠绕同时还减小了定位力。
图7是根据本发明的实施例的叠层组件的透视图。
图8是图7所示的叠层组件的平面图。
图9是应用图7所示的叠层组件的电枢组件的透视图。
图10是根据本发明优选实施例，叠层组件和场组件的磁体的尺寸之间的优选关系的图示。
图11A、11B及11C是根据本发明优选实施例的叠层组件相对于场组件的三个位置的图示。
所公开实施例的详细说明2002年4月3日递交的并转让给本申请受让人的美国专利申请No.10/116495在这里引入作为参考。
现在参考图3，示出了一种结构的叠层组件100的一部分，这种结构便于线圈缠绕同时减小了定位力。如图所示，叠层组件的齿102从基部106向外延伸。用来分隔齿102的狭槽104的宽度从底部(基部106处)到顶部108(齿的自由端)是基本上相同的。这与现有的叠层组件的齿结构不同，例如在图2中齿的顶端向外扩张以使齿之间的狭槽开口14变窄。
根据本实施例，每个齿102的顶部108具有两个额外的凹口110，如图3所示；凹口110用来容纳磁性楔112，如图4所示。这些磁性楔112的目的在于使沿着齿102的中心线114和狭槽104的中心线116的气隙磁阻的差值最小。该差值越小，定位力就越小。
根据在图5A和5B中示出的本发明又一实施例，组合电枢组件包括带有绕组(未示出)的叠层组件100；位于狭槽104中的磁性楔112；以及由软磁材料制成的安装架120。优选地，安装架120在沿着叠层组件100的纵轴方向的尺寸大于叠层组件100的尺寸，其厚度优选为大于叠层组件100的基部106的厚度。如图5A所示，横向于叠层组件100的纵轴的宽度尺寸也优选地大于叠层组件的宽度尺寸。优选采用楔形榫结构来提供叠层组件100和安装架120之间的精确装配。
这种优选的楔形榫结构在图5B中进一步示出。在叠层组件100的末端可以看到，基部106有一个表面朝着基部106的外表面的方向向外倾斜。还可以看到，安装架120的末端具有在齿102的方向上向下延伸的部分122和124，其内表面具有与基部106的末端相配合的形状。特别地，部分122和124的内表面向内扩张，使得部分122和124锁定基部106向外扩张的末端。虽然已经公开了楔形榫结构作为优选结构，但是应当理解，在所公开实施例的精神之内，也可用其它结构将安装架120定位在叠层组件100的基部106上。
在图5A和图5B示出的实施例中，由于不是护铁(基部106和安装架120)的所有部分都是分层的，因此护铁的实心部分(安装架120)将会有额外的涡电流损失。然而，由于护铁的实心部分的横截面大于分层部分的横截面(图5B)，所以护铁的实心部分中的通量密度相对较低。因此，与(通量密度)2成比例的额外涡电流损失也会比较低。
在所公开实施例的安装架的结构下，不需要为了适应安装孔之间距离的改变而更换叠片冲压机，并且，能够通过更换单个安装架来改变安装孔的构造，而不像现有技术那样需要更换多个楔。
图6是实心或层状磁性楔112和凹口110之间的关系的展开图，它们形成在该公开实施例的电枢叠层组件100的齿102的顶部108上。优选采用楔形榫结构以使齿102和楔112之间精确配合。如图6所示，楔112具有梯形的横截面，向里朝向绕组(未示出)的楔表面126的长度大于远离绕组朝外的表面的长度。在每个齿102的顶部108切出凹口110，其形状与楔112的尺寸相配合，以便在凹口110和楔112之间实现楔形榫配合。应当注意，对于图6中的实施例而言，当将楔112安置在凹口110中时，楔112的大小使其远离绕组朝外的表面与齿102的朝外表面基本上齐平。
虽然已经公开了作为优选结构的楔形榫结构，应当理解，在该公开实施例的精神之内，也可用其它结构在邻近的齿102之间定位楔112。
虽然上面的实施例具有改进的性能，但仍然需要减小由磁阻变化所引起的定位力，这种磁阻变化是由叠层组件的有限长度引起的。
现在参考图7、8、9、10、11A、11B和11C，公开了本发明的一实施例，该实施例提供了一种可减小定位力的铁心直线无刷直流电机。特别地，该实施例具有这样一特征，即通过将叠层组件150的端齿152和154成形为楔形从而充分减小直线电机的定位力。在该实施例的优选结构中，端齿在平行于安装架156的平面内可具有直角三角形截面，该截面的斜边从叠层组件150的端部向外朝向。楔形端齿152和154沿运动方向的最大宽度Wmax大约等于磁体164(图10)间的中心距tp。而且，楔形端齿152和154的沿运动方向的最小宽度Wmin基本为零(图8)。也需要注意到，每个楔形端齿152和154在最大宽度这一点上向外延伸超过安装架156例如大约Wmax/3。
图7、8、9、10、11A、11B和11C所示的实施例的另一个特征在于，楔形端齿152和154的外表面并没有像内齿158的表面那样延伸至整个深度。从图7中可以看出，具有厚度为x的台阶160位于安装架和楔形端齿152和154的外表面之间。
图9示出了一种电枢组件，其包括图7和8所示的叠层组件150。其示出每隔一个内齿158都环绕有绕组153。还示出端架155和157被固定到了安装架156的端部，分别位于楔形端齿152和154的下面。可以看到安装架156在其端部和内部具有楔形榫式连接结构。安装架156端部处的楔形榫式结构的斜面在图7中可以看的更为详细。
如图10所示，优选地，叠层组件150沿运动方向的总长度保持恒定，并可等于(Np+1/2)×tp。在这个关系式中，Np为叠层组件150下面的磁极数量(例如8、10、12等等)，tp为极距，其中在与叠层组件150一起使用的场组件162中，极性相反的两个相邻磁体164的中心距即为极距。例如，图10中所公开的是用于定位力减小的铁心直线无刷直流电机的叠层组件150以及场组件162的磁体164的间隔，其中极距tp为16mm，叠层组件下面的磁极数量Np为11。在这种结构中，叠层组件150的长度为16×(11+1/2)＝184mm。利用这种方法，叠层组件150可覆盖大约相同数量的磁体(在该情况下为11.5)，而不必考虑叠层组件相对于场(磁体)组件的位置。
在前述实施例中，叠层组件150的内齿158的宽度大约为8.2mm，内齿158之间的中心距tt大约为14mm。而且，场组件的磁体沿运动方向的宽度大约为14.4mm。也应该注意到，由于端齿152和154的锥形，叠层组件150在横向于运动方向的任何一点都具有相同的“长度”(沿运动方向)。这在图10所示的顶部有图示，其中沿叠层组件150的上部、中部或底部都具有相同的尺寸11.5×tp。
所公开的这种叠层组件150相对于场组件162的结构的主要特征是叠层组件表面“覆盖”了相同(平均起来)数量的磁体，磁阻作为叠层组件位置的函数基本上不会变化。在该实施例中，每个磁极对应的狭槽(齿)的数量接近1(12个狭槽对11个磁极)。这意味着极距tp几乎等于齿距tt。在传统的叠层组件结构中，带有全部为直齿的叠片的叠层组件结构会覆盖整数个极距(在这种情况下为11)。相反，该公开实施例的结构覆盖分数个极距(在这种情况下为11.5)。根据图10所示的实施例，叠层组件的任何纵向截面的长度都等于11.5个极距。对于该实施例中与磁极数相对的齿数，可以看出，包括端齿在内的叠层组件的齿数等于Np+1。
图11A、11B、11C图示了叠层组件150相对于场(磁体)组件162的三个位置，显示了叠层组件表面对于磁体164的“覆盖”在每个位置上都是相同的。这样，例如在图11A中，可以看到，叠层组件150的阴影相对于场组件162沿运动方向在任何纵向截面上都大约覆盖11.5个磁体164。在图11A的顶部，叠层组件150的阴影的左侧开始于磁体164的中心，并向右(运动方向)在十一个完整磁体上延伸。阴影的中部开始于一磁体的左侧边缘，并向右在十个磁体以及额外半个磁体上延伸。从图11A、11B、11C中可以看到，对于图示的实施例，叠层组件150的楔形端齿152和154的底边的长度大约等于极距tp。也可以看出在该图示实施例中，齿距tt小于tp但大于至少0.75tp。图11A、11B、11C中示出的另一个特征在于在直线无刷直流电机运动的范围内，对于叠层组件150相对于磁体164不同位置，至少有一个磁体被叠层组件中不多于一个的齿覆盖。
理论上，在不存在边缘通量的情况下，由叠层组件在运动方向的有限长度所导致的定位力将为零，从而可消除定位力。在实际中，定位力大大减小，几乎被抑制，并已发现运动非常平滑。
此处所采用的术语和表达仅出于说明而非限制的目的，并且，并不意图使用这些术语和表达来排除所示出的和所描述的部分或全部特征的等同物，应当认识到，在所公开实施例的范围内可能有多种变化。
权利要求
1.一种电枢组件，包括多个绕组；基部；从所述基部延伸出的多个齿，所述绕组能够围绕所述多个齿定位；其中，所述多个齿彼此间隔开，以便在相邻齿之间以及在相邻齿的端部处限定狭槽开口；所述多个齿包括第一端齿和第二端齿，第一端齿沿运动方向位于叠层组件的一端，第二端齿沿运动方向位于叠层组件的另一端；和其中，第一端齿和第二端齿被形成为具有楔形的形状。
2.根据权利要求1所述的电枢组件，其中，第一端齿和第二端齿中的每一个都有一部分沿运动方向向外延伸超过所述基部。
3.根据权利要求1所述的电枢组件，其中，所述电枢沿运动方向的长度大约等于(Np+1/2)×极距，其中Np为该电枢下面的磁极数量，极距为场组件中极性相反的两相邻磁体的中心距。
4.一种用在电枢组件中的叠层组件，该电枢组件包括多个绕组，其中，该叠层组件包括基部；从所述基部延伸出的多个齿，所述绕组能够围绕所述多个齿定位；其中，所述多个齿彼此间以预定齿距tt间隔开；所述多个齿包括第一端齿和第二端齿，第一端齿沿运动方向位于叠层组件的一端，第二端齿沿运动方向位于叠层组件的另一端；和其中，第一端齿和第二端齿被形成为楔形；而且其中，该叠层组件沿运动方向具有相同的长度，该长度大约等于(Np+1/2)×tp，其中Np为电枢下面的磁极数量，tp为场组件中极性相反的两相邻磁体的中心距。
5.根据权利要求4所述的叠层组件，其中tp大约等于tt。
6.根据权利要求4所述的叠层组件，其中tp、tt以及叠层组件长度的尺寸被确定为使得场组件中的分数个磁体被叠层组件的极距所覆盖。
7.一种直线无刷直流电机，包括场组件，其包括多个交变极性的磁体，这些磁体沿运动方向定位从而限定限定了多个磁极；和电枢组件，其包括叠层组件和多个绕组，其中该叠层组件包括基部；从所述基部延伸出的多个齿，所述绕组能够围绕所述多个齿定位；所述多个齿包括第一端齿和第二端齿，第一端齿沿运动方向位于叠层组件的一端，第二端齿沿运动方向位于叠层组件的另一端；和其中，第一端齿和第二端齿被形成为楔形；而且其中，该叠层组件沿运动方向具有相同的长度，该长度大约等于(Np+1/2)×tp，其中Np为电枢下面的磁极数量，tp为场组件中极性相反的两相邻磁体的中心距。
8.根据权利要求7所述的直线无刷直流电机，其中，所述多个齿彼此间以预定齿距tt间隔开，tt小于tp。
9.根据权利要求8所述的直线无刷直流电机，其中，tt和tp被选择成这样，即在电机的运动范围内，该叠层组件覆盖的多个磁体的面积基本上是相同的。
10.根据权利要求8所述的直线无刷直流电机，其中，tt和tp被选择成这样，即在电机运动范围内任何一个位置上，多个磁体中的至少一个磁体被所述多个齿中不多于一个的齿所覆盖。
11.根据权利要求8所述的直线无刷直流电机，其中，第一端齿和第二端齿在平行于基部的平面内具有形状为直角三角形的横截面，该直角三角形具有平行于运动方向的底边和与该底边相对的顶点，其中该底边的长度基本等于tp。
12.根据权利要求11所述的直线无刷直流电机，其中，除了第一端齿和第二端齿之外，所述多个齿在平行于基部的平面内所具有的截面面积基本上等于第一和第二端齿的截面面积。
13.根据权利要求8所述的直线无刷直流电机，其中，叠层组件的内齿的截面宽度大约为tp的一半，所述多个磁体的截面宽度大约等于但大于tt。
14.根据权利要求7所述的直线无刷直流电机，其中，叠层组件具有Np+1个齿。
15.根据权利要求7所述的直线无刷直流电机，其中，所述多个齿包括横向于运动方向且具有预定高度的平行面，而且其中，第一端齿和第二端齿的至少一个面与运动方向成角度并且其高度小于所述平行面的预定高度。
16.根据权利要求15所述的直线无刷直流电机，还包括厚度为X的台阶，该台阶从第一端齿和第二端齿中每个端齿的底部沿运动方向延伸。
17.根据权利要求7所述的直线无刷直流电机，还包括整体式安装架，该安装架沿运动方向基本延伸了叠层组件的长度，并利用楔形榫式结构将该安装架连接到叠层组件上，而且其中该整体式安装架适于容纳用于直线无刷直流电机的安装孔。
18.根据权利要求8所述的直线无刷直流电机，其中tt与tp之比为7∶8。
19.根据权利要求1所述的电枢组件，所述多个齿彼此间以预定齿距tt间隔开，该齿距tt小于一极距，其中该极距等于场组件中极性相反的两相邻磁体的中心距。
20.根据权利要求1所述的电枢组件，其中，将tt和极距选择成使得叠层组件覆盖场组件中多个磁体的面积，该面积在一运动范围内基本上是相同的，其中该极距等于场组件中极性相反的两相邻磁体的中心距。
21.根据权利要求19所述的电枢组件，其中，将tt和极距选择成使得在电机运动范围的任何一个位置上，多个磁体中的至少一个磁体被所述多个齿中不多于一个的齿所覆盖。
22.根据权利要求19所述的电枢组件，其中，第一端齿和第二端齿在平行于基部的平面内具有形状为直角三角形的横截面，该直角三角形具有平行于运动方向的底边和与该底边相对的顶点，其中该底边的长度基本等于所述极距。
23.根据权利要求22所述的电枢组件，其中，除了第一端齿和第二端齿之外，所述多个齿在平行于基部的平面内所具有的截面面积基本上等于第一和第二端齿的截面面积。
24.根据权利要求19所述的电枢组件，其中，叠层组件的内齿的截面宽度大约为极距的一半，所述多个磁体的截面宽度大约等于但大于tt。
25.根据权利要求3所述的电枢组件，其中，叠层组件具有Np+1个齿。
26.根据权利要求1所述的电枢组件，其中，所述多个齿包括横向于运动方向且具有预定高度的平行面，而且其中，第一端齿和第二端齿的至少一个面与运动方向成角度并且其高度小于所述平行面的预定高度。
27.根据权利要求26所述的电枢组件，还包括厚度为X的台阶，该台阶从第一端齿和第二端齿中每个端齿的底部沿运动方向延伸。
28.根据权利要求1所述的电枢组件，还包括整体式安装架，该安装架沿运动方向基本延伸了叠层组件的长度，并利用楔形榫式结构将该安装架连接到叠层组件上，而且其中该整体式安装架适于容纳用于直线无刷直流电机的安装孔。
29.根据权利要求19所述的电枢组件，其中tt与极距之比为7∶8。
全文摘要
本发明公开了一种直线无刷直流电机，该电机由于叠层组件(150)而具有减小的定位力，该叠层组件(150)的特征是形成为楔形的端齿(152，154)，该叠层组件沿运动方向的长度大约等于(N
文档编号H02K41/03GK1799180SQ200480015476
公开日2006年7月5日 申请日期2004年6月2日 优先权日2003年6月6日
发明者M·戈德金 申请人:Bei 传感器及系统有限公司