电动马达冷却系统的制作方法

本发明涉及电动马达尤其是电动马达的冷却。

背景技术：

马达运行时易于发热，因此在马达内加上散热片和/或风扇。

但是，在用于电子游戏的高端转向轮(steering wheels)中用于产生力回复效应(force return effects)，也被称为“力反馈”效应的马达显著地变热，尤其是当转向轮的使用者对抗马达产生的力时，例如当马达接收到来自马达轴的静止指示时(马达轴静止并因此转向轮的轮子静止)，并且同时使用者坚持旋转转向轮的轮子，因此这些力机械地传递到马达。最近，在电子游戏的高端转向轮中用于产生反馈力的马达是无刷型马达。为了防止热潜伏期(即，将内部热量传递到外部的时间)引起的问题，并且为了防止温度使马达的性能降低，使用者阻碍力反馈实现的力不对抗或者很少地对抗。为了保护产品的寿命周期，低度地使用马达的功率。如果马达具有移动线圈，从而距离马达的外表面更远，这显得更加重要。因此，热传递的进行受到进一步的延迟。

现在，有两个单独的方案用于克服这个问题：

-第一个是使用若干马达一起运行来替代单一马达；

-第二个是存在大体上靠近单一马达设置的外部风扇并使散热片通风。

已知在无刷电动马达内部的转子上整合一组叶片。但是这组叶片进而固定在电动马达轴上。并且，当马达受阻时，引起与线圈变热有关的大多数问题时，这些叶片是不起作用的。当马达轴静止时，由于叶片不能旋转，这些叶片不能冷却马达。

使用若干马达实施起来是昂贵的和复杂的。

用外部风扇冷却马达不是始终足够的，更确切地说，冷却马达的某些内部区域不是始终足够的。于是马达的寿命周期缩短。因此为了部分弥补风扇的低有效性而不引起过度的噪音必须强行利用风扇。因此转向轮的壳体是不紧凑的。这些通过外部对流(风扇)或者通过传导(散热器)进行冷却的方案没有处理热源即线圈，且不能使每个线圈均匀地散热。另一方面，一些最近的转向轮具有无刷型马达，马达的壳体是光滑的且以不带散热片的最初状态供应。在这个壳体上套上含有径向延伸的散热片的管状零件。然后在距马达一段距离处垂直地设置风扇，这样使气流在这些散热片上方循环。最早的转向轮具有有刷型马达，有刷型马达的壳体是光滑的，但是壳体上固定着径向延伸的散热器。在距马达一定的距离处设置垂直的或水平的风扇，这样使气流在这个散热器上循环。

包括一组固定在电动马达轴上的叶片的无刷型马达，具有的缺点是叶片的旋转与马达轴的旋转是一致的(叶片不能比轴旋转得更快，或者不能在相反的方向旋转)。叶片使转子的旋转变慢并因此增加了马达的损耗。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种简单、可靠和廉价的方案，甚至当马达受阻时和发热时也能够实现有效的冷却。

根据本发明的冷却包括转子和壳体的电动马达的方法，其特征在于包括通过与转子在运动学上分离的风扇实现自壳体外部至所述壳体内部的强制空气流通。同样地，在马达的端部回收外部冷空气以便将其直接吹过构成热源的线圈并迫使其到马达的另一端部。因此存在从线圈中均匀提取的热量。由于风扇在运动学上与转子分离，因此冷却系统独立于马达主轴的转速运行。风扇也独立于马达轴的旋转方向(顺时针或逆时针)运行。

有利地，传感器测量马达内部温度，该温度决定风扇的转速。根据检测到的温度，风扇将调整其转速。风扇可以永久地旋转或者其可以根据在马达线圈(绕组)上由热敏电阻中间物(NTC负温度系数或者PTC正温度系数)测得的温度而改变转速。

有利地，电流传感器测量马达消耗的电流，该测得的电流决定风扇的转速。风扇的转速根据马达消耗的电流调整。如果消耗的电流增大，风扇可以旋转得更快；或者相反，如果消耗的电流减小，风扇可以旋转得更慢。电流的测量可以通过在马达电源上插入串联电阻(通过测量电阻端的电压或者通过测量电阻的温度)或者通过在马达电源线中的一根附近设置的霍尔效应传感器中间物来获得。通过霍尔效应传感器的测量结果更准确、可靠。

有利地，由位置传感器确定转子的转速，该速度决定风扇的转速。转向轮的角度检测通过测量转向轮角位置的分压计、光学传感器或者霍尔效应传感器的中间物执行。该测量可以直接在转向轮的轴上进行或者在与转向轮的旋转(中间轮或马达轴的比率)相关的中间级上进行。由于霍尔效应传感器提供了非常高的精确度，直接在马达轴上进行的测量能够进一步调整马达的相位。直通轴(passthrough shaft)能够在轴的一端上、在小齿轮的相对端设置霍尔效应检测单元的元件(轴上磁铁)，该元件与固定在马达壳体的PCB(印刷电路板)上的霍尔效应传感器关联。磁铁可以包含入小齿轮中；但是这个方案使安装变得复杂(由于与小齿轮配合的传动带，还由于印刷电路板)，由于安装子装配体更容易，即，轴上带有磁铁的马达和在马达壳体上固定有印刷电路板的马达。

本发明还涉及电动马达，其包括定子和相对于轴线xx’旋转运动的转子、壳体和至少一个相对于轴线yy’旋转运动的风扇，其特征在于，所述至少一个风扇与壳体内部相通，且所述至少一个风扇与转子在运动学上分离。转子的旋转和风扇的旋转因此可以独立地进行。同样地，可以有穿过壳体的轴，允许轴的一端与抓紧构件(例如转向轮的轮子)直接或间接联络(liaison)(例如通过小齿轮和传动带系统)。轴的另一端可以具有轴位置传感器。

马达壳体内的纵向内部马达空间或者与纵向内部空间相通的径向马达空间，包含所述至少一个相对于轴线yy’旋转运动的风扇。马达壳体的纵向内部马达空间是大体上在马达壳体内沿轴线xx’纵向延伸的圆柱形空间。纵向内部马达空间尤其包含马达线圈和马达轴的一部分(由于轴穿过壳体，其它的部分在马达外部延伸)。

根据第一个实施例，包括风扇转子和风扇定子的风扇，引导气流大体上径向于轴线xx’。壳体具有面向风扇的开口。风扇抽取外部冷空气，迫使冷空气穿过面向由风扇导向的气流的开口。被吹过开口的气流的方向与风扇的旋转轴线yy’或者大体上垂直(垂直不意味着物体一直相交)或者大体上平行。然而，被吹过开口的气流方向大体上径向于马达旋转轴线xx’。

风扇转子和风扇定子可以被设置为大体上径向于轴线xx’(在轴流式风扇的情况下，即在气流大体上平行于风扇的轴线yy’的情况下)并且壳体具有面向风扇的开口。风扇转子和定子可以被不同地设置，例如大体上平行于轴线xx’(在气流大体上垂直于风扇轴线yy’的情况下)。

开口面向风扇使风扇将冷空气通过开口吹入马达壳体。

风扇与马达轴在运动学上分离。风扇设置在与马达不同的方向上且被设置在壳体外部。空气通常通过马达线圈循环。马达壳体包括面向风扇设置的开口，冷空气通过该开口吸入。风扇的线圈独立于马达的线圈。

风扇转子和风扇定子设置在本身与壳体连接的箱体内。风扇线圈设置在箱体内。

有利地，马达定子包括带有引出线的绕组，箱体的开口设置在引出线附近。为了更好地冷却马达，空气从马达的一端进入由绕组端部或者由引出线组成的热源表面附近，以便从另一轴向端部离开。

有利地，风扇(与马达转子在运动学上分离)被设置在马达壳体下面。

有利地，面向风扇的开口和放置风扇的箱体设置在马达的底部。

有利地，在马达壳体的大体上圆柱形的部分有径向壁。这些壁大体上相对于轴线xx’径向地延伸，它们从壳体的外周延伸。径向马达空间包含在壳体的径向壁之间。径向马达空间沿着大体上垂直于轴线xx’的方向延伸且包括穿过壳体的开口，该开口使壳体外部和纵向内部马达空间相通(即冷却流体(例如空气)的通道)。

根据第二个实施例，风扇包括设置在马达壳体内的风扇转子和风扇定子。风扇在马达壳体内的纵向内部马达空间。在这个第二运行模式中，在马达端部回收冷空气以便将其吹过线圈和迫使其到达马达的另一端部。同样地，将热量从线圈上直接地、有效地、均匀地提取。这给内部风扇提供了独立性，允许马达保持对线圈均匀冷却的优点，即使马达为零转速或低转速时仍能良好冷却。风扇既不会制动也不会停止马达转子的旋转。可以考虑在马达线圈和马达壳体之间安排空间使第二冷却气流在线圈和马达壳体之间循环，第一冷却气流在线圈之间循环，这样例如可能需要来自同一个风扇的空气气流。

有利地，风扇在运动学上与马达轴分离。

风扇轴线yy’基本上与轴线xx’同轴。马达和风扇可以设置在同一个轴上，优选地设置在马达轴上，但是风扇在运动学上与马达轴分离。同样地，由于是一体式风扇，使电动马达内的空气强制流通从而调整其内部温度。电动马达的本体包括为引入冷空气设置在壳体一侧的开口和为排出热空气设置在壳体另一侧的若干通风口。内部风扇迫使空气进入马达壳体并在马达线圈之间循环。较热的空气随后经由通风口排出。风扇的线圈独立于马达的线圈。

有利地，风扇转子通过球轴承与轴线xx’连接。由于设置在壳体和马达轴之间的轴承，马达轴可以相对于马达壳体旋转运动。风扇线圈可以相对于马达壳体固定或移动。风扇的叶片组可相对于电动马达轴旋转运动。在叶片组和马达轴之间设置轴承。叶片组包括磁铁，使得当电流通过风扇线圈时叶片组可以被设置为旋转。风扇与电动马达轴同轴并以可独立于该轴旋转的方式安装在轴承上。因此，甚至当马达轴静止时，为了冷却马达，风扇可以继续旋转。风扇还可以以不同于马达轴的速度旋转或者反向旋转。风扇的线圈以与马达线圈相同的方式也被良好地冷却。

风扇定子包括相对于壳体固定的绕组，壳体包括至少一个开口，所述开口在大体上与轴线xx’垂直的平面上延伸，以便允许外部冷空气进入壳体，使外部空气在壳体内强制循环。

为了冷却马达，可以使液体或除空气之外的气体在马达内循环。

还可以在壳体上提供径向延伸的散热片。

有利地，在运动学上与马达转子分离的至少一个附加风扇设置在马达壳体下面。

有利地，包括第二风扇转子和第二风扇定子的至少一个附加风扇设置在马达壳体的底部，第二风扇定子固定在马达壳体上。附加风扇吸入该马达下面的外部冷空气，并向上吹冷空气使冷空气在马达壳体的外表面(和在散热片的表面，若有)循环。

根据第三个实施例，包括至少两个风扇来冷却马达。第一风扇设置在马达壳体内部，第二风扇设置在马达壳体的纵向内部马达空间外部。

第一风扇包括第一风扇转子和第一风扇定子。马达和第一风扇设置在同一个轴上，优选地在马达轴上，但是第一风扇与马达轴在运动学上分离。马达壳体具有面向第二风扇的开口。包括第二风扇转子和第二风扇定子的第二风扇引导和迫使气流大体上相对于轴线xx’径向地通过壳体的开口(因此外部冷空气进入并循环)。风扇可以大体上相对于轴线xx’径向设置。

有利地，冷空气由第二风扇从马达外部吸入，然后经过第二风扇的线圈循环，然后通过开口，然后冷空气由第一风扇吸入通过马达线圈，随后更热的空气经由通风口排出。

第一风扇和第二风扇的线圈独立于马达的线圈。

有利地，第三个实施例是第一个实施例和第二个实施例的结合。

第一风扇转子通过球轴承与轴线xx’连接。由于设置在壳体和马达轴之间的轴承，马达轴相对于马达壳体旋转运动。第一风扇的线圈相对于马达壳体固定。第一风扇的叶片组相对于电动马达轴旋转运动。第一风扇的叶片组包括磁铁，使得当电流通过第一风扇线圈时该叶片组可以被设置为旋转。因此，甚至当马达轴静止时，为了冷却马达，第一风扇可以继续旋转。第一风扇还可以以不同于马达的速度旋转或者反向旋转。第一风扇的线圈以与马达线圈相同的方式也被良好地冷却。

第二风扇的叶片组包括磁铁，使得当电流通过第二风扇的线圈时该叶片组可以被设置为旋转。

第二风扇的转速可以与第一风扇的转速不同。第二风扇的转速可以与马达的转速不同。

第一风扇和第二风扇可被选择性地启动(例如，同时地、轮流地等任一方式)。

第一风扇的轴线yy’本质上与轴线xx’同轴。第一风扇以可独立于该轴旋转的方式安装在轴承上。轴承设置在第一风扇叶片组和马达轴之间。因此，第一风扇相对于电动马达轴同轴。

第一风扇定子包括相对于壳体的第一固定绕组，壳体包括至少一个开口，所述开口在大体上与轴线xx’垂直的平面上延伸，以便允许外部冷空气进入壳体，使外部空气在壳体内强制循环。

有利地，第二风扇设置在马达壳体下面。

第二风扇转子和第二风扇定子设置在其本身与马达壳体连接的箱体内。第二风扇的线圈设置在箱体内。

有利地，面向第二风扇的开口和放置第二风扇的箱体，设置在马达的底部。

有利地，第一风扇和第二风扇两者都抽取空气。第二风扇抽取外部冷空气(为帮助冷空气进入马达壳体)，第一风扇从马达抽取热空气(为了迫使更热的空气通过马达壳体的通风口排出)。

本发明还涉及一种电子游戏控制器，其特征在于，该控制器设置有包括至少一个前述特征的电动马达。“电子游戏”是指汽车或航空器模拟软件(用于娱乐或学习)，“电子游戏控制器”是指可以控制电子游戏中的一个或若干元件的任何设备。

冷空气通风口设置在电子游戏控制器壳体的底部。热空气通风口设置在壳体的顶部，面向马达顶部。

附图说明

本领域技术人员通过阅读下文的示例，可以发现其它的优点，下文使用作为示例提供的附图进行展示：

图1是游戏控制器的透视图，

图2是根据第一个实施例的马达的截面图，

图3是图2的分解透视图，

图4是根据第二个实施例的马达的截面图，

图5是图4的分解透视图。

具体实施方式

图1中示出的电子游戏控制器1包括转向轮10和通过一定数量的滑轮12和传动带11与转向轮10连接的旋转电动马达2。

电动马达2包括与轴线xx’的轴30集成的转子3和安装在壳体41上、带有绕组40的定子4。

在本说明书的框架中，应该认为马达的转子和定子可以转换而不脱离本发明的保护范围。同样地，在电动马达中，线圈可以相对于壳体固定，磁铁或多个磁铁可以相对于壳体移动，以及反之亦然。因此，在权利要求书中定子和转子的附图标记可以转换。

箱体41包括大体上圆柱形的内部空间，在其内部设置转子3和定子4；壳体41支撑转子3和定子4并保持它们4同轴。轴30和壳体41由轴承5连接，允许它们中的一个相对于另一个旋转。

在图2和图3所示的第一个实施例中，壳体41包括侧开口410，即相对于轴线xx’径向设置。该开口410优选地位于马达2的端部或者在引出线400的附近。

在旋转轴线yy’上的风扇6与壳体41径向连接且面向开口410，即，轴线yy’大体上垂直于轴线xx’。此处，风扇6设置在壳体下的箱体60内，风扇6包括叶片61。箱体60通过例如螺钉固定在壳体41上。

壳体41还具有通风口411，该通风口411相对于开口410设置在壳体的另一轴向端部、相对于轴线xx’以规则间隔径向分布。

在这个实施例中，外部空气会被风扇6抽取(箭头E)，风扇6将其送到开口410，然后送到引出线400和绕组集40，然后经由通风口411离开(箭头C)。

在图4和图5所示的第二个实施例中，风扇7包括一组叶片70和与电动马达2的壳体41集成的自身绕组71(即风扇7的线圈相对于壳体41固定)。叶片组70通过轴承72与轴30连接以便绕所述轴30自由旋转。叶片组70包括磁铁701和叶片700。此处，风扇轴线yy’与轴线xx’同轴，但是可以相对于轴线xx’有轻微的倾斜。

叶片组70的叶片700径向延伸超出磁铁701以至少部分地覆盖绕组71，以便改善对绕组71的冷却和以便获得尽可能大的叶片表面从而优化对绕组集40和71的冷却。

壳体41在其一个轴向端部处具有开口412，在其另一轴向端部处具有通风口411。开口和通风口相对于轴线xx’以规则间隔径向分布。叶片700设置在开口412和绕组71之间。

在这个实施例中，外部空气被风扇7抽取(箭头E)，进入开口412，然后被送到风扇的绕组71，在风扇的绕组71之间循环，然后在马达的绕组40之间循环，经由通风口411离开(箭头C)。

在第一个或第二个实施例中，冷却可以通过如下的方式实现：或者通过风扇6或7的永久旋转从而永久地冷却马达；和/或者通过当温度传感器(未示出)测得的马达温度到达预定值时改变风扇速度；或者通过当马达温度达到预定值时将风扇开启。

在第三个实施例中，冷却可以通过如下的方式实现：或者通过永久地旋转一个或更多个风扇从而永久地冷却马达；和/或者通过当一个或多个温度传感器(未示出)测得的马达温度达到预定值时，改变它们各自的风扇速度；或者通过当马达温度达到预定值时将风扇开启。

在三个实施例中，可以利用马达消耗的电流的测量结果来控制风扇。当然，消耗的电流越高，需要消散的热功率就越高。马达消耗的电流由电流传感器(未示出)测量。同样地，风扇(多个风扇)的转速可以根据马达消耗的电流控制。当马达消耗的电流增加时，预期马达的内部温度升高，因此提高风扇(多个风扇)的转速。电流的测量使用电流传感器(电阻或霍尔效应传感器)执行。

最终可以通过使用转向轮的角度测量结果和马达速度的计算结果来控制风扇(多个风扇)。同样地，风扇的转速可以由马达转速控制。马达旋转得越快，风扇(多个风扇)旋转得越慢；相反，马达旋转得越慢，风扇(多个风扇)旋转得越快。

可以使用任何类型的风扇。例如，可以是轴流式风扇(多个风扇)，或者是径流式风扇(多个风扇)(径流式风扇有时被称为离心式风扇)，或者是横流式风扇(多个风扇)。

对于使用径流式风扇的情况，壳体41具有相对于轴线yy’径向设置的开口，代替(纵向)开口412。这些开口径向地面向风扇叶片。

风扇可以纵向地位于轴线xx’的不同位置上，例如靠近马达的后端，即在小齿轮的相对侧(如图5所示)或者靠近马达前端(即靠近小齿轮所在侧)。风扇可以设置在相对于马达线圈的任何一侧。