具有远程霍尔感应的无刷直流电动机及其制造方法

专利名称：具有远程霍尔感应的无刷直流电动机及其制造方法
专利说明具有远程霍尔感应的无刷直流电动机及其制造方法
背景技术：
无刷直流(DC)电动机在多种工业中具有多种应用。例如，宇宙空间工业常常使用无刷直流电动机用于伺服和远程控制任务，比如控制航空器控制表面，以及伺服阀或燃料阀操作。
一种传统的无刷直流电动机包括转子、定子和电动机控制器。转子典型包括轴和安装至该轴的一组永磁体。定子典型包括电动机外壳和线圈，该线圈典型地缠绕于电动机外壳的内部的狭槽中。转子轴耦合至电动机外壳，以使转子能够相对于外壳旋转，并使定子线圈围绕安装至轴的该组永磁体。
电动机控制器典型地包括霍尔效应传感器和控制电路。霍尔效应传感器与固定至电动机定子的电动机线圈邻近设置，并紧密邻接电动机磁体，以允许霍尔效应传感器通过转子的永磁体充分地感应磁场。控制电路电连接至霍尔效应传感器和定子线圈。
在该磁场感应操作过程中，霍尔效应传感器提供电信号至控制电路，其允许控制电路确定定子中转子的角位置。控制电路能够进而控制电动机通信过程，并以相对于定子控制转子的位置的方式输出电流至定子线圈。定子线圈中的电流产生磁场，这样通过与推动转子的转子轴上的永磁体相互作用而产生扭矩，以绕转子轴旋转至新的位置。这种操作允许无刷直流电动机远程执行任务，例如进行伺服阀调节，以修改翼瓣的位置，并改变燃料阀的计量位置等。


发明内容
遗憾的是，对于具有邻近电动机外壳中的线圈设置的霍尔效应传感器的上面所述的传统无刷直流电动机存在不足。例如，在多种宇宙空间伺服阀应用中，通过定子线圈的电流产生大量的热，并且该热对于霍尔效应传感器具有有害的影响。特别是，这种电动机中定子线圈的温度可以容易地超过150摄氏度，同时多个霍尔效应传感器具有小于150摄氏度的最大操作温度，并且当暴露至超过150摄氏度的温度时，这种传感器典型地不能合适的起作用。因此，在上面所述的传统无刷直流电动机中，霍尔效应传感器能够不会出现故障地承受的最大操作温度提供了对无刷直流电动机可以经受的工作循环的严格的限制。结果，在电动机冷却之外，较大的电动机或强加工作循环需要避免霍尔效应传感器过热。进一步的结果，伺服阀制造商典型使用具有更高端和更昂贵的传感器的无刷直流电动机，该传感器能够承受这些更高的操作温度。
此外，当电动机操作时，电动机外壳中的环境典型地看到缘于磁通变化的大量电磁干扰(EMI)。该EMI可以潜在地干扰导致信号失真和/或失败操作的霍尔效应传感器的操作。因此，电动机外壳中强EMI的存在使电动机外壳中的环境对霍尔效应传感器信号更不利。
相比于包括邻近定子线圈的霍尔效应传感器的上述传统无刷直流电动机，本发明的实施例涉及无刷直流电动机结构，该电动机结构采用位置感器，该位置传感器具有(i)远离电动机绕组设置的霍尔效应传感器，以及(ii)具有紧接转子磁体并邻近绕组的第一端和邻近霍尔效应传感器的第二端的磁路部件。这种结构允许在较少不利的环境(例如，在具有较小EMI的更冷位置中)中远离绕组地安装霍尔效应传感器，仍允许霍尔效应传感器强力(robutly)而可靠的执行感应操作，以便合适地确定转子位置。
一个实施例涉及无刷直流电动机设备。该设备包括外壳和结合至外壳的定子组件。该定子组件具有支撑件和耦合至支撑件的绕组。该设备进一步包括可旋转地结合至外壳的磁转子组件。磁转子组件被构造成响应于通过绕组的电流在外壳中旋转。该设备进一步包括位置传感器，其被构造成提供识别磁转子组件相对于定子组件的角位置的位置信号，每一位置传感器包括(i)远离绕组设置的霍尔效应传感器，以及(ii)邻近绕组和紧接永磁体的第一端部和邻近霍尔效应传感器的第二端部的磁路部件。相比于邻近电动机外壳中的定子线圈定位霍尔效应传感器的传统无刷直流电动机，这种磁路部件的使用允许霍尔效应传感器远离绕组(例如外壳之外)更大距离进行设置。



从下面对本发明的具体实施例的描述中，本发明的前述和其它目的、特征和优点将显而易见，如附图中所述的，附图中，类似的参考符号贯穿全文不同附图涉及相同的部件。该附图不必是成比例的，相反强调的是可以基于描述本发明的原理而进行设置。
图1是适用于本发明的实施例的无刷直流电动机系统的一般示意图； 图2是图1所示的无刷直流电动机系统的一对磁路部件的透视图； 图3是图1所述的无刷直流电动机系统的无刷直流电动机装置的横截面图； 图4是用于制造图3所述的无刷直流电动机设备的程序流程；
具体实施例方式 本发明的实施例涉及无刷直流电动机结构，其采用位置传感器，该位置传感器具有(i)远离电动机绕组设置的霍尔效应传感器，以及(ii)具有邻近绕组的第一端和邻近霍尔效应传感器的第二端的磁路部件。这种结构允许在较小不利的环境(例如在具有较小电磁干扰的冷却器更冷却位置中)中远离绕组安装霍尔效应传感器，同时仍允许霍尔效应传感器为了转子位置的加强和可靠识别而执行感应操作。
图1示出了适用于本发明的实施例的应用的无刷直流电动机系统20。该无刷直流电动机系统20包括无刷直流电动机设备22、控制器24和接口26。在操作过程中，控制器24通过接口269(例如控制来自使用者输入装置的信号)接收命令28，并基于命令28控制电动机设备22的操作(例如定位或扭矩)。
如图1中所示，电动机设备22包括外壳或盒29、定子装置30、磁转子装置32和位置传感器34。定子装置30包括绕组支撑件36(例如铁心，铁叠层，一个或者多个其他或类似类型的有槽芯等)和连接至绕组支撑件36的绕组38，该绕组支撑件36在位置40处连接至外壳29。磁转子装置32包括轴42和永磁体44，它们交替的面对北极/南极定向，设置在轴42上(例如固定至轴42，集成在轴的部分中等)。转子装置32在位置46(例如利用合适的套管或轴承)处耦合至外壳29，并能够通过绕组38响应于电流50在如箭头48(也就是围绕轴42的长轴)所示的任一个方向上相对于定子装置30旋转，这种旋转通过控制器24提供。
如图1中进一步所示地，每一位置传感器34耦合至外壳29，并包括(i)远离绕组38设置的霍尔效应传感器52，以及(ii)邻近绕组38并紧接永磁体44的第一端部56和邻近霍尔效应传感器52的第二端部58的磁路部件54。
可以理解，仅通过例子示出霍尔效应传感器52，在位置60处，对于增加的温度和EMI的去载，该位置在外壳29之外。特别是，外壳29保护霍尔效应传感器52不受通过绕组38而产生的热和因为电动机设备22操作而通过磁通变化而产生的EMI的影响。此外将霍尔效应传感器52定位在外壳29外部或者之外能够方便通风，以便改进霍尔效应传感器52的冷却。尽管如此，在其他布置中，霍尔效应传感器52居于外壳29中，但距离绕组38一定距离，该距离足够大，以减小从绕组38的热传递，并因此允许霍尔效应传感器52在基本上低于邻近绕组38的温度(例如高于150摄氏度)的温度(例如低于150摄氏度)下操作。
在无刷直流电动机系统20的操作过程中，接口26传输命令28至控制器24。例如，假设使用者想要相对于定子装置30从初始位置移动磁转子装置32至参考(或零)位置。这样，使用者通过接口26提供命令28至控制器24。响应于该命令28，控制器24基于来自霍尔效应传感器52的信号62确定相对于定子装置30的转子装置32的当前位置。并然后以正确的换向(commutated)次序提供电流50至绕组38。结果，绕组38产生磁场，以使绕组38与转子轴42上的永磁体44一起在转子装置32上产生扭矩，因此旋转定子装置30中的转子装置32。可以理解，这种系列操作可以以用于相对于定子装置30准确而精密地定位转子装置32的反馈回路控制系统的方式同步发生，并且与必需的绕组换向同步地发生。
可以理解，不通过霍尔效应传感器52的最高操作温度限制绕组38的操作温度(并因此电流“i”的操作循环和一致的操作环境温度)，因为远离绕组38定位霍尔效应传感器52。此外，霍尔效应传感器52的操作基本上不被因为电动机设备22操作的磁通变化导致的EMI影响。相反地，用于霍尔效应传感器52的位置50处的环境比在位置49处更小敌对(也就是更冷或更小的EMI)。因此，甚至是具有基本上小于绕组38的最大操作温度(例如超过20摄氏度)的最大操作温度(例如小于150摄氏度)的霍尔效应传感器也很好地适用于无刷直流电动机系统20。在一个布置中，霍尔效应传感器52是标准的离支架装置，其被设置成提供对转子磁体44的位置的基本上的数字响应。在另一布置中，另一类型的离支架霍尔效应装置提供基本上模拟的响应，作为位置信号62。现在参照图2提供本发明的实施例的进一步的细节。
图2示出了用于一个位置传感器34的一对磁路部件54(A)、54(B)的透视图，并为了描述的目的，示出了它们相对于转子装置32的两个永磁体件44(A)，44(B)的关系。磁路部件54(A)，54(B)(总起来说磁路部件54)形状是伸长的，并包括具有高磁导率的铁磁材料，比如铁或钢(也就是铁磁材料部件)。因此，通过从一个位置至另一位置传导磁场，磁路部件54能够作为磁场管道进行操作。由此，磁路部件54包括收集部分70(A)、70(B)(总起来说为收集部分70，也见图1中的箭头56)和接口部分72(A)、72(B)(总起来说接口部分72，也见图1中的箭头58)。当在无刷直流电动机系统20中安装磁路部件54时(也见图1)，霍尔效应传感器52居于接口部分72之间的间隙74中(图2)。
如图2中所示，磁路部件54的部分70限定圆柱形表面76(为了便于表示和便于描述，表面76被表示成图2中的平面表面)，其被构造为面向永磁体44。优选但不必须地，接口部分72限定平面表面78，所述平面表面78被构造为面向间隙74中的霍尔效应传感器52。因此，磁路部件54有效地从邻近绕组38和永磁体44的位置56(也就是对于霍尔效应传感器52潜在不利的高温和的高EMI的环境中)向远程位置60传输并集中磁场，该远程位置60位于其中存在霍尔效应传感器52的绕组38的远端(也见图1)。
如图2中进一步示出的，被构造为对准转子装置32的表面76具有一个表面区域，该表面区域基本上大于被构造为邻近霍尔效应传感器52存在的平面表面78的面积。也就是说，磁路部件54对永磁体44提供大的表面积和对霍尔效应传感器52提供小的表面积。因此，该构造减小了损耗，并通过霍尔效应传感器52集中了磁通，以在远程位置60处有效地霍尔感应，该远程位置60另外可能是不适于远程霍尔感应的位置。由于远离电动机部件(例如绕组38)定位霍尔效应传感器52，电动机部件能够更热地运行，而不损坏霍尔效应传感器52。
可以理解，附加的几何结构和形状适用于磁路部件54。例如，如图2中所示，磁路部件54限定中间部分80处的弯曲或接头(例如有切口的分段)，以调节定子装置30的绕组38(也见图1)。也可以形成其他弯曲、形状和扭曲，也可以是例如磁路部件54的中间部分80的平面稍微弯曲或弧形，从而从通常为圆形的转子装置32向各个霍尔效应传感器52传导磁场。现在参照图3进一步提供本发明的实施例的进一步的细节。
图3示出了当设备22采用三个位置传感器34(1)、34(2)、34(3)(总而言之位置传感器34)时沿着图1中的虚线A-A的无刷直流电动机设备22的一部分的横截面图。具体地，图3示出了用于4极三相电动机的相对于永磁体44的磁路部件54的位置。交替位于北极面向和南极面向(outfacing)之间的永磁体44基本上均匀地在转子装置32的轴42的周围布置。相反，位置传感器34具有以正确确定换向(commutation)位置的方式在转子装置32的外围周围设置的成对的磁路部件54。可以理解，在图3中仅示出磁路部件54的第一端部56，并且为了简明起见，从图3有意图地省略磁路部件54的剩余部分和霍尔效应传感器52。尽管如此，可以理解，磁路部件54的中间部分80延伸并弯曲，从而使磁路部件54的接口部分78便利地面向各个霍尔效应传感器52，以为强力而远程地进行霍尔感应。
在一种布置中，无刷直流电动机设备22具有三个相，并因此包括三个位置传感器34(也就是相同数量的位置传感器34)，以充分提供合适的换向。在另一布置中，无刷直流电动机设备22具有不同数量的相，并因此包括不同数量的位置传感器34。一般地，越多的传感器需用于具有越多相的电动机，并且越少的传感器需用于具有越少相的电动机。然而，在一些布置中，使用比电动机相的数量更多的传感器，以能够使用过量的感应信号，从而提供冗余度或更大的位置精确度，或两者都具备。在另外的布置中，使用比电动机相的数量更少的传感器，并从传感器信号的组合中获得转子位置。
可以理解，仅通过例子已经在图2和3中示出永磁体44与磁路部件54对准，并且在操作过程中永磁体44将沿箭头48(图3)的任一方向移动。特别是，当磁转子装置32旋转时(见箭头48)，磁路部件54从永磁体44至霍尔效应传感器52传导磁通，并且霍尔效应传感器52测量磁通密度。已知在空气中来自偶极子的磁场的强度反比例于距离的立方。尽管如此，与邻近用于霍尔感应电动机的定子线圈的霍尔效应传感器定位的传统的无刷直流电动机相反，具有高磁导率的磁路部件54的存在有效地传导磁场至存在较少不利环境(见图1)的、远程定位的霍尔效应传感器52。因此，无刷直流电动机设备22的绕组38能够在较高的温度下进行更长的时间周期地操作，并产生更高的扭矩，也就是绕组38的最大操作温度不受如传统的无刷直流电动机中那样的感应电路的限制。现在参照图4提供本发明的实施例的进一步的细节。
图4示出了当制造无刷直流电动机设备22时能够由制造商执行的程序90的流程。可以理解，程序90用于描述的目的，并且其他程序也适用于制造无刷直流电动机设备22。在步骤92中，制造商将定子装置30结合至外壳29。在一种布置中，使用者压配合定子装置30进入外壳29。
在步骤94中，制造商安装邻近定子装置30的位置传感器34的一部分。特别是，制造商设置位置传感器34的磁路部件54，以使收集部分70临近绕组8地存在，但接口部分72远离绕组38地存在，以允许远程霍尔感应。
在步骤96中，制造商旋转将磁转子装置34结合至外壳29，以使磁转子装置32能够通过控制器24响应于通过绕组38提供的电流50而在外壳29中旋转。作为程序90的结果，在比邻近绕组38的环境(也就是在位置60，也见图1)具有更低的温度和更小的EMI的环境中能够远离绕组38定位霍尔效应传感器52。磁路部件54允许将永磁体44的磁场传导至比通过空气传导磁场可能传导的更大的距离。因此，无刷直流电动机制造商现在具有在更友善的环境中定位霍尔效应传感器52的机动性，该更友善的环境比在绕组38和永磁体44附近的环境具有基本上更低的温度和基本上更小的EMI。
如上面提到的，本发明的实施例涉及无刷直流电动机的构造，其采用位置传感器34，该位置传感器具有(i)远离电动机绕组38设置的霍尔效应传感器(或霍尔效应变送器)，以及(ii)具有邻近绕组的第一端部56和邻近霍尔效应传感器52的第二端部58的磁路部件54。这种构造允许在较小不利环境(例如在具有较小EMI的更冷位置中)中远离绕组38安装霍尔效应传感器52，但仍允许霍尔效应传感器52执行感应操作，以便强力而可靠地确定转子位置。
在参照其优选实施例已经具体示出和描述了本发明的同时，本领域的熟练技术人员可以理解可以进行形式和细节的各种改变，而不脱离如附加权利要求限定的本发明的精神和范围。
例如，可以理解，仅通过例子在上面描述了无刷直流电动机设备22具有三个位置传感器34。在另外的布置中，电动机22具有不同数量的位置传感器34(例如一个、两个、四个等)。利用多于一个的多个位置传感器34，电动机设备22提供用于比如在宇宙空间中的严格应用的故障容差。
因此，可以理解，仅通过例子，示出无刷直流电动机设备22具有三个位置传感器。如早先提到的，在一种布置中，无刷直流电动机设备22具有三相，并因此包括三个位置传感器34(也就是和相相同的数量)，以充分提供合适的换向。在其它布置中，无刷直流电动机设备22具有不同数量的相，并因此包括不同数量的位置传感器34。一般地，越多的传感器需要具有越多相的电动机，并且越少的传感器需用于具有越少相的电动机。然而，在一些布置中，比电动机相的数量使用更多的传感器，以使能够使用过度的感应信号，从而提供冗余度或更大的位置精确度，或两者都提供。
此外，可以理解，上面仅通过例子将电动机设备22描述为无刷直流类型的。其他电动机结构也适用于本发明。例如在一种布置中，电动机设备22是被切换的磁阻电动机。这种修改和增进试图属于本发明的具体实施例。
权利要求
1、一种无刷直流电动机设备，包括
外壳；
结合至外壳的定子组件，所述定子组件具有支撑件和结合至支撑件的绕组；
可旋转地结合至外壳的磁转子组件，所述磁转子组件被构造成响应于通过绕组的电流在外壳内旋转；以及
位置传感器，所述位置传感器被构造成提供识别磁转子组件相对于定子组件的角位置的位置信号，每一位置传感器包括(i)远离绕组设置的霍尔效应传感器，以及(ii)具有邻近绕组和紧接转子磁体的第一端部以及邻近霍尔效应传感器的第二端部的磁路部件。
2、如权利要求1所述的无刷直流电动机设备，其中位置传感器包括
第一位置传感器、第二位置传感器以及第三位置传感器，其延伸通过外壳并以与合适的电动机换向和位置感应一致的方式设置在磁转子组件的外围。
3、如权利要求2所述的无刷直流电动机设备，其中第一、第二和第三位置传感器的霍尔效应传感器被构造成产生作为位置信号的模拟输出信号，以实施精确的角位置识别。
4、如权利要求2所述的无刷直流电动机设备，其中第一、第二和第三位置传感器的霍尔效应传感器被构造成产生作为位置信号的数字输出信号，以实施精确的角位置识别。
5、如权利要求4所述的无刷直流电动机设备，其中磁转子组件包括
可旋转地结合至外壳的轴；以及
设置于轴上的永磁体，永磁体被构造成同步(i)提供用以响应于通过绕组的电流旋转所述轴的扭矩，以及(ii)通过第一、第二和第三位置传感器的磁路部件向第一、第二和第三位置传感器的霍尔效应传感器提供磁场。
6、如权利要求1所述的无刷直流电动机设备，其中每一位置传感器的磁路部件包括
一对铁磁材料部件，每一铁磁材料部件都具有限定面向磁转子组件的表面的第一部分，以及限定充当霍尔效应传感器接口的表面的接口部分。
7、如权利要求6所述的无刷直流电动机设备，其中由每一铁磁材料部件的第一部分限定的表面具有第一表面积，其中由每一铁磁材料部件的接口部分限定的表面具有第二表面积，并且其中第一表面积基本上大于第二表面积。
8、如权利要求1所述的无刷直流电动机设备，其中所述定子组件的绕组被构造成提供大于100摄氏度的温度环境，并且其中位置传感器的霍尔效应传感器被构造成在小于150摄氏度的温度环境中进行操作。
9、如权利要求1所述的无刷直流电动机设备，其中定子组件的绕组被构造成在大于150摄氏度的最大温度下进行操作，并且其中位置传感器的霍尔效应传感器被构造成在小于150摄氏度的最大温度下进行操作。
10、一种无刷直流电动机设备，包括
外壳；
结合至外壳的定子组件，所述定子组件具有支撑件和结合至支撑件的绕组；
可旋转的结合至外壳的磁转子组件，磁转子组件被构造成响应于通过绕组的电流在外壳内旋转；以及
位置传感器，所述位置传感器被构造成提供识别磁转子组件相对于定子组件的角位置的位置信号，每一位置传感器包括(i)远离绕组设置的霍尔效应传感器，以及(ii)用于从邻近绕组的位置向邻近霍尔效应传感器的位置传导磁场的装置。
11、一种直流电动机系统，包括
接口；
无刷直流电动机设备，其包括
外壳；
结合至外壳的定子组件，所述定子组件具有支撑件和耦合至支撑件的绕组；
可旋转地结合至外壳的磁转子组件，所述磁转子组件被构造成响应于通过绕组的电流在外壳内旋转；以及
位置传感器，所述位置传感器被构造成提供识别磁转子组件相对于定子组件的角位置的位置信号，每一位置传感器包括(i)远离绕组设置的霍尔效应传感器，以及(ii)具有邻近绕组的第一端部以及邻近霍尔效应传感器的第二端部的磁路部件；以及
耦合至接口、定子组件的绕组和位置传感器的控制器，所述控制器被构造成接收由位置传感器提供的位置信号并响应于来自接口的命令产生通过绕组的电流。
12、如权利要求11所述的直流电动机系统，其中无刷直流电动机设备的位置传感器包括
第一位置传感器、第二位置传感器以及第三位置传感器，其结合至外壳并设置于所述转子装置的外围周围。
13、如权利要求11所述的直流电动机系统，其中每一位置传感器的磁路部件包括
一对铁磁材料部件，每一铁磁材料部件具有限定面向磁转子组件的表面的第一部分、以及限定充当霍尔效应传感器接口的表面的接口部分。
14、如权利要求11所述的直流电动机系统，其中所述定子组件的绕组被构造成在大于150摄氏度的最大温度下进行操作，并且其中位置传感器的霍尔效应传感器被构造成在小于150摄氏度的最大温度环境下进行操作。
15、一种用于制造无刷直流电动机设备的方法，该方法包括
将定子组件结合至外壳，该定子组件具有支撑件和由所述支撑件支撑的绕组；
邻近定子组件安装位置传感器，所述位置传感器被构造成提供识别磁转子组件相对于定子组件的角位置的位置信号，每一位置传感器包括(i)远离绕组设置的霍尔效应传感器，以及(ii)具有邻近绕组的第一端部和邻近霍尔效应传感器的第二端部的磁路部件；以及
可旋转地将磁转子组件结合至外壳，所述磁转子组件被构造成响应于通过绕组的电流在外壳内旋转。
16、一种适用于无刷直流电动机的磁路，该磁路包括
第一磁路部件和第二磁部件，每一第一和第二磁部件都包括(i)第一端部，所述第一端部被构造成位于邻近无刷直流电动机的绕组的固定位置中，以及(ii)第二端部，所述第二端部被构造成邻近霍尔效应传感器设置，以将来自可相对于绕组旋转的磁转子组件的磁场传导至霍尔效应传感器，以使霍尔效应传感器提供识别磁转子组件相对于绕组的角位置的位置信号。
17、如权利要求16所述的磁路，其中每一次电路部件包括
铁磁材料部件，其具有限定被构造成面向磁转子组件的表面的第一部分、以及限定被构造成充当霍尔效应传感器的霍尔效应传感器接口的表面的接口部。
全文摘要
无刷直流电动机设备包括外壳和结合至外壳的定子组件。该设备进一步包括磁转子组件，该磁转子组件被构造成响应于通过定子组件的绕组的电流在外壳中旋转。该设备进一步包括位置传感器，其被构造成提供识别磁转子组件相对于定子组件的角位置的位置信号，每一位置传感器包括(i)远离绕组设置的霍尔效应传感器，以及(ii)具有邻近绕组并紧接永磁体的第一端部和邻近霍尔效应传感器的第二端部的磁路部件。相比于邻近电动机外壳中的定子线圈定位传感器的传统无刷直流电动机，这种磁路部件的使用允许霍尔效用传感器远离绕组更大距离进行设置。
文档编号H02K29/08GK1957519SQ20058001602
公开日2007年5月2日 申请日期2005年3月11日 优先权日2004年5月19日
发明者迈克尔·I·凯洛格, 罗伯特·M·莫克 申请人:Hr德克斯特隆公司