专利名称：具有用于各个定子电磁铁的分离控制组件的旋转电动马达的制作方法
技术领域：
本发明涉及旋转电动马达，尤其涉及一种马达，其中，定子由单个的组件形成，每个组件包括磁芯和绕组结构，电动控制和驱动元件，以及集成在其中的电源。
背景技术：
电子系统的进步性的改进，如基于用于马达控制的应用的微控制器和微处理器，还有改良的便携式电源的实用性，已经促进了用于车辆的有效电动马达驱动的发展，作为内燃引擎的可行的选择，成为引人注目的挑战。马达绕组的电控制脉冲激励提供了马达特性的更灵活管理的前景。通过对适当的定子绕组控制脉冲宽度、占空因数和电池开关应用，可获得事实上区别于交流电同步马达运转的多功能性。与这样的绕组结合的永久磁铁的应用有利于限制电流损耗。
以上标识的未授权的Maslov等人的相关美国专利申请09/826,422标识和解决了服从简化制造及能高效灵活运转的特性的改进马达的需求。在车辆驱动环境中，非常期望在宽速度范围上获得平滑的运转，而在最小功率消耗下维持高扭矩输出能力。这样的车辆马达驱动应该在最小不便条件下有利地提供用于替换零件的不同结构组件的可操作性。未授权的相关美国申请使电磁铁极合并作为配置在环孔中的绝缘磁性可渗透结构，其在径向中相对较薄，来提供有利的效果。利用这种安排，与现有技术实施例比较，电磁通量可以事实上无损耗或在电磁铁芯中以不损害变压器干涉效应的方式被集中。虽然在扭矩特性上的改进和功效可以从已确认的未授权的申请的结构来获得，但是仍期望更一进步的改进。
为了这个结果，上述确认的Maslov等人的未授权的相关美国专利申请09/826,423寻求最优化转子参数，如磁铁的段(grade)、能量密度，以及该磁铁段的全部磁特性，当磁铁是转子的一部分时，该磁铁的大小和尺寸可调整磁铁的永磁性和整个运转条件，磁铁的温度稳定性，对于预期申请的磁铁的制造所采取的精加工、涂层和后加工处理步骤，在磁铁的曲线表面上的磁化稳定性，磁铁径向极化的均匀性，两分离磁铁之间的邻近间隙，磁铁边缘的机械特性和磁铁的返回磁通路线，以上这些通过一后铁环部分提供。
在这种环境下，轻便和尺寸是重要的因素，对于驱动马达存在一需求，在未牺牲复杂控制功能的条件下，可有宽范围的运转特性。无刷马达系统应该具有控制每一复杂电开关来给单独的定子绕组提供精确的交换先后顺序和恰当的电源应用的能力。上述确认的Maslov等人(代理案号57357-016)的未授权的相关美国专利申请描述了马达结构上的构造，在该结构上可能是复杂和不同的控制元件包含在定子的界线内。定子磁通量产生结构，相对薄环结构成流线型来适应其中元件的布置，仍然能产生恰当的磁通量输出，在低运转速度条件下提供高的扭矩。
多个单独分开的定子磁性通道与定子主体中单独的普通通路相比的多种优势，在上面已经陈述了。定子内部的易操作性和其中的结构及电子元件提供了另外改进运转的机会。
发明内容
本发明实现了以上描述的需求，同时提供了在已确认的Maslov等人申请中公开的分离的单独极对安置的其他好处。该定子组成多个单独的电源组件和相应的磁芯段(segment)，每个组件包括由包含在定子内的电源提供的电子控制和驱动元件。这样的平行结构为每一组件提供相对独立的控制功能。每个组件的性能可在原位置正常运转期间测量或者通过执行更广泛的控制软件的诊断程序来测量。基于测试结果，该组件可自动再校准，断开或做出用于修理或替换的标记。全部的马达性能(其通过组合单独的组件的特性来决定的)可比较原来的基准来分析用于设计最小必需动作的不同的修理选项。
在不干扰其它单元的情况下，每个组件和定子芯段可被分别地安装和拆除。如果具体的组件或定子芯段故障，可在不对剩余的定子组件的全部性能产生显著影响的条件下被停用。其后，有故障的元件可很容易地拆除和测试，而允许马达与剩余的组件一起运转。然后有故障的元件被鉴别，修理或替换。在方便的时候，已修理过的单元或替换单元可很容易地再次安装在定子的隔室内。
如果不都是在定子结构范围内的相对复杂的电子控制系统，那么定子电磁铁芯元件的薄环形结构提供充足的间隔来分配定位实际部分。在定子磁通量产生结构内部的屏蔽空间内的电子控制元件的集成提供了如下几项优点。获得了集成简化，而避免了马达与外部环境之间的电磁铁干扰，也避免了控制电路和开关定子绕组之间的电磁铁干扰。例如，当应用在具体的如车辆驱动的应用中时，马达结构和电子控制系统合并在车轮内可减少单元重量，同时也减少声音和机械噪音。例如，来自用户的观点的运转可被简化以模拟常规的汽车运转。
上述的优点在本发明的机构特征中至少部分是显然的，其中，该马达包括转子和每一布置在环形结构内的彼此通过环形气隙隔开的定子。该定子包括多个其上缠绕线圈的磁性可渗透性芯段，该芯段从直接接触中分离，沿着径向气隙布置。所以芯段是单独的电磁铁。定子的内部径向圆周限定了基本无磁通量穿过的空间。多个分离的组件包含在定子空间内，每个组件与各自的用于提供激励电流的定子电磁铁对应。将该马达安装在隔离罩内从而避免外部电磁铁干扰。
每个组件可包括驱动电路和连接电源与各自的电磁铁的电子开关，该开关响应驱动电路，用于从电源向电磁铁的绕组引导电流脉冲。该内部定子空间可包含电源，如电池或电池组。转子位置传感器(大致地安装在定子中)输出转子位置信号到控制器。该控制器、开关驱动电路和开关都可安在电路板上。这样，每个电磁铁和其各自的组件包括可单独运转的独立单元。当然，定子单元相对于高效马达运转起作用。随着每一单元内的元件的反复，任何具体单元的失效将不阻止其余单元的独立运转。
在替换的优选实施例中，可在用于调整单元运转的定子范围内提供一主控制器。该主控制器可包括从一个或更多转子位置传感器接收转子位置信号的处理器并响应，在每个多个定子组件中提供时间信号给驱动电路。
如本发明的有益特征，每个定子组件可包含分离的电源，从而最小化电池内部阻抗的影响。在马达运转期间，如果不是全部，驱动元件控制绕组相位的激励，以使多个绕组在一具体时间重迭。重量轻，低电压电池不是理想的电流源。由于电源的内部阻抗，单一电源的总电流发生显著的电压下降。从而限制每一绕组的激励电流，尤其当单一电源必需同时给多个绕组提供激励电流时。相反，随着为每个组件绕组提供分离的能源，这个绕组的供应不受其它绕组是否被激励为将只用于一个绕组的电流的影响。作为另一优点，来自于各自开关相位激励中的相位之间的干扰被最小化。
多个组件的电源可包括一个或多个可替换的用户易于接近的电池。当从定子除去电池时，其能够内部充电或从外部电源充电。所以，电池可安装在用户易于接近的区域，其分布在各自的单元内或在中心布置。该电池也可在马达运转期间再生充电。
从以下的描述中本发明的其它优点对于本领域的技术人员将变得明白，其中仅示出和描述了本发明的优选实施例。简单地示出了实施本发明的最佳预期方式。正如所了解的，本发明能够有其它不同的实施例，在未背离本发明的前提下，在不同的明显方面上，这些细节能够修改。因此，附图和说明实际上作为示例性的，而不作为限制性的。
本发明经由相应附图的图形例子来示出，不作为对本发明的限制，在附图中，相同的参考标记指的是相同的元件，其中图1是根据本发明的马达的三维透视图。
图2是图1马达的结构组件的分解图，示出了不同元件之间的位置关系。
图3是图1和图2的马达的外视图。
图4是在适合用于图1-3的马达中的控制系统的结构图。
图5是图4系统的绕组开关电路的局部结构图。
图6是根据本发明的图1所示的马达结构安排的变化的局部三维透视图。
图7a-7c示出了根据本发明的替换的定子结构。
具体实施例方式
本发明的马达适合应用于驱动汽车，摩托车，自行车，或类似车辆的车轮。附图示例描述了可安装在车轮内的马达结构，该定子刚性地安装在固定轴上，被用于驱动车轮的转子环绕。但是，应该理解为，上下文范围内的车辆仅是多个可采用本发明的马达的具体应用的示范。
图1是马达结构的剖视图，在图2的分解图中更详细地示出了元件。马达10包括环形永磁铁转子20和由径向气隙分离的环形定子结构30。该转子和定子被同轴配置在转动轴上，以固定轴36为中心。该定子包括多个铁磁性绝缘元件，或定子组。芯段32(其由从彼此直接接触中分离的磁力可渗透性材料制成)具有在每一极上形成的各自的绕组部分34。图中示出了7个定子组，每一组包括两个凸出的沿气隙周围分布的电磁铁极。该转子包括多个永磁铁22，其周围地分布在气隙周围，并附加在无磁环形支承板24上，该支承板可由铝或者其它无磁可渗透性材料形成。该支承板是附在侧壁26上的马达罩的一部分。
由转子磁铁产生的磁通量分布可通过装配在转子磁铁后部的磁性可渗透性元件(未示出)来提高。附图示出了16个转子磁铁。应该理解，示出的大量定子极和转子磁铁仅是示范性的，如同根据所期望的运转参数来采用不同的比率。例如，以较大距离隔开的少数电磁铁可产生不同的速度特性。定子芯段被固定在刚性轮廓结构40上，其中心地固定在轴36上。脊部件42(在数量上与定子组的数量相等)从结构40的中心向U-形板44径向向外延伸出。U-形板侧壁和定子芯段包含配合孔，通过配合孔定子芯段可安装在轮廓结构中。每一U-形板啮合一对邻近的定子芯段。
每一定子段和邻接的一对脊部件一起限定一包含电路元件的空间。刚性脊部分42具有充分的表面区域来提供必要的结构支持，以及容纳电路板46。电路板可以任何常规的方式附于每一脊部分上。每一电路板包含控制电路元件和开关，该电路元件和开关是通过恰当地连接到绕组的线圈的激励电流的应用所需的，而该绕组与附有脊部分的定子芯段绕组连接。可理解为所有控制电路元件和开关可集成在单一的电路板上来提供空间和重量的更大节约。马达电源(由电池48表示)也整装在定子空间内。电池的适当容器(未示出)可固定在脊部分42上。该容器(可以是任何常规的种类)允许容易地用于电池充电或替换的电池拆除。虽然每一定子组件示出单一电池，但示例是有代表性的能源，该能源可采用电池组、多个电池或任何已知的电压源的变化形式。也就是说，可使用任何商业上的电池类型或电池组，其具有充分地能够提供必要的马达电源的能力。这样，取决于具体的电池特性和马达驱动需求，可应用组件空间来用于其它元件的定位。
图3是图1和图2的马达系统的三维外视图。配置转子罩外环24和侧壁26来形成轮毂，轮毂上装配有轮胎(未示出)。转子轮罩经过轴承38围绕固定轴36旋转。圆柱形的转子罩结构围绕着定子圆环，该定子圆环与穿过气隙的转子共同轴向对齐。
图4是采用典型的控制系统来驱动图1-3所示的马达结构的框图。经由电子开关装置52，由电源50提供的驱动电流可对定子绕组34可切换地激励。电流脉冲的定时服从于序列控制器60的控制，其响应从位置传感器62接收到的反馈信号。序列控制器可包括微处理器或等价的数字信号处理器。虽然位置传感器62示意性地由单一的单元代表，但几个传感器可恰当地分布在沿着气隙的定子部分来探测转子磁铁旋转。该位置传感器可包括任意已知的磁性传感装置，如霍尔效应装置，巨磁阻(GMR)传感器，簧片开关，脉冲导线传感器，非晶体传感器，分解器或光学传感器。
将激励电流应用于马达绕组的控制电开关的应用在现有技术中是普通的。图5是开关装置和用于单独定子芯段绕组的驱动的局部电路图。定子绕组34被连接到四个场效应晶体管(FET)桥式电路。可理解为任何不同的已知电子开关元件(如，例如，双极晶体管)可被用于向定子绕组34以恰当的方向引导激励电流。FET 53和FET 55通过电源串联连接，如同FET54和FET56一样。将定子绕组34连接在两串联的FET电路的连接节点之间。门驱动器58响应从序列控制器60接收到的控制信号，将激活信号应用于FET的栅端子。对于在一个方向上流动的马达电流，FET53和FET56被同时激活，对于在相反方向上流动的电流，FET54和FET55被同时激活。门驱动器58可集成在序列控制器60中或者包括一分离的驱动电路。
图6是如图1所示的马达结构安排变化的局部三维透视图。代替在每一电磁铁定子极上提供绕组部分，在连接极的芯段上形成每一定子芯段的绕组34。与每一定子芯段接近的是位置传感器62，其产生输出信号指示相对于定子芯段的转子位置。该输出信号被应用于包含在电路板46上的控制电路。
图7a-7c示出了根据本发明的定子的替换结构安排。示出了15多的芯段31，每个芯段包括一对凸出极32和连接部分33。每一芯段由磁性可渗透性材料构建。每段极对平行于旋转轴线方向排列，并具有在每个极上形成的绕组34。连接部分33是相对薄段，在其外圆周表面处连接到凸出极32，并具有稍微凹入的内圆周表面。其凹入的程度与从旋转轴的芯段的径向间距相当，以便于芯段总体上沿圆周配置。连接部分33在超过凸出极的任一侧壁上的圆周方向中延伸。
定子芯段被固定在刚性轮廓结构140中，该结构被以轴36为中心固定。轮廓结构140由非磁性可渗透性材料形成，如塑料或铝。该固定于轴36的轮廓结构包括与普通的圆周部分144整体形成的脊组件142。如图7b和图7c中可更清楚地看出，部分144包括相对薄的圆柱套管145，该圆柱套管具有在其径向外圆周上的肋组件146。肋组件从套管向外延伸，并总体上平行于旋转轴。每个肋组件在其外围附近具有带突缘的部分148以和套管145形成凹槽。通过另外的肋槽部分149在套管的一末端处连接邻近的肋146。
邻近的肋和邻接的槽部分之间形成外部缝隙，其容纳定子连接部分33。所以，对于15定子芯段，通过轮廓结构设置15缝隙。正如图7b中可以看出，通过把芯段连接部分33滑入外部缝隙，定子段可很容易地插入到轮廓支持结构中。通过把芯段连接部分33滑出外部缝隙，该定子芯段可很容易地从支持结构中除去。
类似地构建带有肋的套管145的内部径向圆周来形成凹槽和内部缝隙。该内部缝隙(容纳电源组件47)径向上与外部槽对齐。在每对缝隙的相对中央部分是套管145中的剔除部分150。该电源组件包括控制和开关电路，用于控制在相对槽中的定子段上形成的定子绕组34的激励。该剔除部分允许在电源组件和定子绕组之间的电子连接。正如图7c所示，电源组件包符合内部缝隙的尺寸，并可很容易地从那里插入或除去。
可理解为示出的电子段数量仅被选做示例，取决于预期的运转标准，可提供任何具体的定子极数量。在示出的实施例中脊142之间的距离间隔三套定子芯段，并设置能源替换空间和一个或多个控制器。当然，脊的数量出于结构的考虑可改变。
在公开的部分中，仅示出和描述了发明的优选实施例和几个变化性的例子。可理解为本发明能够应用在其它不同的组合和环境中，能够在此表述的发明范围内进行改变和修改。例如，如可被理解的，本发明的马达可被利用在除了车辆驱动的较宽的应用范围中。另外，虽然由于上述描述的原因，优选为每一组件提供分离的能源供给，但是单个充足容量的电源可用来提供给多个定子段绕组。
图7a-7c的实施例应用于芯段极对的周围排列和示出的轴向排列安排是在预期之内的。所以，例如，在图1和图6中示出的定子芯段可包括连接部分，其在形状上符合定子支持结构的外部缝隙，如图7a-7c中所示。该内部缝隙可以提供电器部件的约束。
权利要求
1.一种旋转电动马达，包括一永磁性转子，其具有布置在环形结构内的多个永磁铁；一定子，其包括多个在环孔结构中的分离的、铁磁性绝缘的电磁铁，电磁铁的绕组，其沿着分离定子和转子的径向气隙，被有选择性地激励来形成极性交替的磁极；以及多个分离的电源组件，每个所述组件与用来提供激励电流的各自的定子电磁铁对应。
2.如权利要求1所述的旋转电动马达，其中，所述定子被包围在转子内。
3.如权利要求1所述的旋转电动马达，其中，每个所述电源组件包括驱动电路；以及电子开关，其连接电源和各个电磁铁，该开关响应驱动电路，用于从电源向电磁铁的绕组引导电流脉冲。
4.如权利要求3所述的旋转电动马达，其中，每个所述电源组件进一步包括电路板，在其上具有已装配的各个驱动电路和各个开关。
5.如权利要求4所述的旋转电动马达，进一步包括连接到每一组件的驱动电路的序列控制器，用于向其施加定时信号。
6.如权利要求5所述的旋转电动马达，进一步包括至少一个转子位置传感器，用于提供指示转子位置的输出信号，以及其中所述序列控制器响应所述输出信号。
7.如权利要求3所述的旋转电动马达，其中，所述电源包括多个电池，每个所述电池仅向所述组件之一提供电源。
8.如权利要求3所述的旋转电动马达，其中，每个所述电源组件进一步包括转子位置传感器，用于提供指示相对于各个电源组件的转子位置的输出信号；以及序列控制器，其连接到驱动电路和所述转子位置传感器，用于提供用于控制所述开关运转的时间信号。
9.如权利要求8所述的旋转电动马达，其中，该电流流动方向和每个电流脉冲的间隔通过驱动电路选择的开关激活来决定。
10.如权利要求1所述的旋转电动马达，其中，该马达被装入隔离罩内从而避免外部电磁铁干扰。
11.如权利要求1所述的旋转电动马达，其中，多个分离的电源组件包含在径向向内的定子电磁铁的定子内。
12.一种旋转电动马达，包括一永磁铁转子，其具有布置在环形结构内的多个永磁铁；以及一定子，其与转子同轴，并通过轴向气隙与转子分离；其中，该定子包括多个独立的定子单元，每个单元包括铁磁性绝缘芯，其具有在其上形成的绕组和用于控制绕组的激励的电路。
13.一种旋转电动马达，包括一永磁铁转子，其具有布置在环形结构内的多个永磁铁；以及一定子，其与转子同轴，并通过轴向气隙与转子分离；其中，该定子包括多个独立的定子单元，每个单元包括铁磁性绝缘芯，其具有在其上形成的绕组和电源。
14.一种旋转电动马达，包括一永磁铁转子，其具有布置在环形结构内的多个永磁铁；以及一定子，其与转子同轴的，并通过轴向气隙与转子分离；其中，该定子包括多个独立的定子单元，每个单元包括铁磁性绝缘的芯，其具有在其上形成的绕组和转子位置传感器。
15.一种旋转电动马达，包括一永磁铁转子，其具有布置在环形结构内的多个永磁铁；以及一定子，其与转子同轴，并通过轴向气隙与转子分离；其中，该定子包括多个独立的定子单元，每个单元包括铁磁性绝缘芯，其具有在其上形成的绕组、用于控制绕组激励的电路、转子位置传感器及电源。
16.如权利要求15所述的旋转电动马达，其中，该转子包围定子。
17.如权利要求15所述的旋转电动马达，其中，所述电路包括电子开关，其连接到电源和各个电磁铁绕组；以及一开关驱动，其响应控制器，用于把驱动脉冲应用于开关以把来自电源的电源脉冲应用于电磁铁的绕组。
18.如权利要求16所述的旋转电动马达，其中，每个单元是结构上整套装在一起的元件。
19.一种具有外部永磁铁转子的旋转电动马达的定子，所述定子具有包围在转子内，并通过径向气隙与此分离的环形结构，并包括多个铁磁性绝缘芯段，在其上具有缠绕的各个线圈来形成定子绕组，所述芯段在气隙处具有外部径向圆周和定义了基本无磁通量穿过的内部径向圆周；以及非铁磁性支持结构，用于在彼此绝缘的铁磁绝缘体中约束所述芯段，并用于支持多个分离的电源组件，每个所述组件对应于提供绕组激励电流的各个定子电磁铁。
20.如权利要求19所述的定子，其中，所述非铁磁性支持机构包括一般的圆周套管部分；以及多个脊组件，每个整体形成在所述套管的第一末端，并适合于安装在第二末端处的固定轴上，从而使所述套管被定位在与所述轴固定的径向距离上并与之同轴。
21.如权利要求20所述的定子，其中，所述套管部分包括在其外表面上的多个总体上互相平行的肋来形成缝隙；而每个所述芯段包括一对凸出极；以及连接极的连接部分，所述连接部分被设置于与所述缝隙之一匹配；从而使所述芯段可滑动嵌入与所述缝隙啮合及可滑动从所述缝隙移出。
22.如权利要求21所述的定子，其中，所述套管部分包括在其内表面上的多个总体上互相平行的肋来形成用于可滑入容纳所述电源组件的缝隙。
23.如权利要求22所述的定子，其中，外表面肋总体上与内表面肋对齐，以及在邻近的肋组之间的套管部分包括用于允许电源组件和定子绕组之间的电连接的剔除部分。
全文摘要
一种旋转无刷电动马达在包围环形定子环的圆柱转子罩内形成。该定子由多个单独的电源组件和相应的芯段形成，每个组件包括并入定子内的电源供电的电子控制和驱动元件。这样的平行结构为每个组件提供相对独立的控制功能。在未干扰其它单元的条件下，每个组件和定子芯段可独立的安装和拆除。如果具体的组件或定子芯段失效，则其可很容易地拆除修理或替换和再次安装。
文档编号H02K11/00GK1596494SQ02823571
公开日2005年3月16日 申请日期2002年10月15日 优先权日2001年11月27日
发明者亚历山大·V·派恩蒂科夫, 博里斯·A·马斯洛夫, 马克·A·本松, 亚历山大·A·格拉德科夫, 扎雷·索戈莫尼安 申请人:波峰实验室责任有限公司