电动马达的制作方法

关联申请的交叉引用

本申请要求于2017年12月28日提交的gb1722054.2的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

本发明涉及电动马达的领域。

背景技术：

旋转类型的电动马达是众所周知的，并且已经被广泛使用多年以将电能转换为机械能。典型的电动马达可具有转子和定子。

马达的运动部分通常被称为转子，并且可以包括用于将旋转传递给负载的转动轴或类似机构。马达的固定部分通常被称为定子，定子通常包括导体和/或永磁体的绕组。在某些马达中，可在定子的芯中布置薄金属片(有时称为“层叠件”)，这可以减少如果使用实心芯会因此导致的能量损失。

在大多数情况下，导体将被布置在转子上或转子内，用于承载用于与定子的磁场相互作用的电流(例如，在定子包括一个或多个永磁体的情况下)。转子和定子之间的电磁相互作用提供了使轴旋转并在负载上运行的力。在另一种替代方案中，转子可以包括永磁体，而定子包括载流导体。在任一种配置中，也可以以相反的功能方式使用如以上总体描述的电动马达，以将机械能转换成电能(即，作为发电机)。

某些非典型的无刷dc马达结构在本领域中是已知的。例如，wo2013/140400教导了一种无刷dc马达的非典型结构，其可以包括多个永磁体和多个螺线管，所述多个永磁体沿着圆环状的转子结构等角度地间隔和/或等半径地(equi-radially)布置，并且所述多个螺线管在静态位置等角度地间隔且等半径地布置。每个螺线管壳体包括腔部分，用于多个磁体随着具有多个磁体的环状转子绕其轴线旋转而通过。wo2013/140400还教导了转子的旋转是由dc电流向螺线管的可变且受控的供应引起的，其中电流的方向基于永磁体相对于螺线管的相对位置而适时地反向。

如在wo2013/140400中所公开的，磁体相对于螺线管的运动可以是准线性的。另外，wo2013/140400教导了高磁导率材料(例如铁)的间隔件可以位于每两个相邻的永磁体之间，从而增加在每对相邻的永磁体之间的区域中的磁场的密度(该结构在本文中将被称为磁体-间隔件结构)。wo2013/140400的马达还可包括一个或多个传感器，用于在转子旋转期间确定永磁体相对于螺线管的位置，以及包括用于控制向螺线管供应电流的控制器。在wo2013/140400的一个实施例中，转子可以机械地连接至动力传递装置，例如带齿元件。

尽管具有某些益处，但是在wo2013/140400中公开的马达具有各种缺点和不利。例如，wo2013/140400的马达失去了在转子上的多个永磁体基本对准在其各自螺线管的中线处的情况下启动的能力(所谓的“死方位(deadorientation)”)。为了解决这种对准，可能有必要包括一种用于在这种死方位中启动时开启马达的旋转的机构。因此，本发明的一个目的是教导用于在设置在一个或者多个死方位中时启动马达的各种机构。

在wo2013/140400中公开的马达的另一个缺点是，定位在所公开的磁体-间隔件结构下方的带齿环会使得其中公开的环状结构相对笨重和大。例如，wo2013/140400教导了带齿环必须穿过螺线管的腔，从而要求螺线管中的腔大于单独的永磁体。这样的布置必然导致总重量的不希望的增加(由于较大的螺线管和相对较重的带齿环)，以及总的马达体积的不希望的增加(由于需要增加腔尺寸所导致)。因此，本发明的一个目的是提供用于减小无刷dc马达(通常包括wo2013/140400所教导的马达)的总体积和重量的解决方案。

wo2013/140400中公开的马达的另一个典型缺点是其不能针对任何节能功能进行优化。例如，wo2013/140400没有教导用于对电池充电和/或存储可能由马达产生的额外电能的机构。因此，本发明的一个目的是教导用于管理马达(例如，wo2013/140400中的马达)中的能量的机构和/或方法，并提供使用来自马达的未使用能量对电池进行充电。

本发明的又一个目的是提供一种电动马达，其中任何两个相邻的永磁体之间的区域中的磁场密度可以高于在其它马达(例如，在wo2013/140400中公开的马达)中的相似区域中的磁密度，特别是那些缺少任何磁体-间隔件结构的马达。随着描述的进行，本发明的其它目的和优点将变得显而易见。

技术实现要素：

根据权利要求书提供了电动马达。一种电动马达包括转子、定子和轴承组件。定子包括一个或多个主螺线管，每个主螺线管包括腔。转子包括以环状方式布置的多个永磁体，其中，相邻磁体的相同的磁极彼此面对。转子还包括用于与轴齿轮机构对接的齿轮机构。轴承组件包括内环和外环，在它们之间设置有一个或多个轴承，其中，内环是固定的而外环相对于内环是可移动的，并且此外，其中外环包括用于与轴齿轮机构对接的齿轮机构。永磁体布置成穿过主螺线管的腔。

可选地，电动马达还包括在每对相邻磁体的端部之间的区域中的气隙，并且每个所述永磁体在其端部处以截头的棱锥或圆锥的形式变窄，以分别在每个所述区域中引起磁场的集中。

在实施例中，一个或多个轴承中的每一个轴承具有球形或圆柱形的形状。

在实施例中，一个或多个轴承包括球轴承或滚子轴承。

在实施例中，电动马达还包括一个或多个启动器螺线管。可选地，一个或多个启动器螺线管设置在每对主螺线管之间。可选地，转子的旋转在一个或多个启动器螺线管中感应出电流。可选地，一个或多个启动器螺线管可以选择性地与系统脱开，从而在一个或多个启动器螺线管中不感应出电流。可选地，一个或多个启动螺线管的物理宽度小于一个或多个主螺线管。可选地，一个或多个启动器螺线管各自相对于一个或多个主螺线管具有更多的绕组。

在实施例中，外环穿过主螺线管的腔。

附图说明

图1是在wo2013/140400中公开的现有技术的马达的透视图。

图2是图1的马达的分解图。

图3是根据本发明的一个实施例的无刷dc马达的透视图。

图4a是根据本发明的一个实施例的无刷dc马达的轴承组件结构的透视图。

图4b是在图4a中所示的无刷dc马达的轴承组件结构的剖视图。

图5a-5c表示根据本发明的一个实施例的轴承组件的各部分的透视图。图5d是在图5a-5c中所示的轴承组件的剖视图。

图6是根据本发明的一个实施例的无刷dc马达的透视图。

图7表示本发明的马达的示例性实施例的示例性通用控制方案的框图。

图8a示出了用于本发明的马达的示例性驱动单元和示例性启动器驱动单元的总体控制结构。

图8b示出了被引导到本发明的示例性实施例的主螺线管和启动器螺线管的示例性驱动信号。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明的主题的特定示例性实施例。然而，本发明的主题可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使得本发明将是透彻和完整的，并将向本领域技术人员充分传达本发明的主题的范围。在附图中，相同的标号表示相同的元件。将理解的是，当一个元件被称为“连接”或“联接”到另一个元件时，它可以直接连接或联接到另一个元件，或者可以存在中间元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

首先应理解，本文公开的所有特征可以以任何组合进行组合，除了其中至少一些这样的特征和/或步骤是互斥的组合之外。

现在参考图1，示出了现有技术中已知的典型dc无刷马达100的总体结构；具体为在wo2013/140400中公开的马达。图2示出了图1所示的马达100的示例性分解图。如图所示，现有技术的马达100包括环状转子110和多个螺线管120。螺线管120通常绕转子110的中心轴(未示出)等半径地布置和/或等角度地间隔。带齿环130沿转子110的底部放置，并配置为与齿轮135相互作用，而齿轮135又与轴138联接。马达100还包括滚子形轴承140，该滚子形轴承用于支撑转子110并通常使马达100能够平滑旋转。马达100可以定位在支撑基座上，例如基座150上。

现在参考图2，wo2013/140400中公开的现有技术的转子110包括多个永磁体115以及设置在磁体115之间的多个间隔件117。间隔件117通常由高磁导率材料制成。转子110还包括定位在永磁体115和间隔件117上方的上环112，其与轴承140接触。环112由此支撑转子110并提供转子112的平滑旋转。转子112还包括磁体支撑环180，在其上装有磁体115和间隔件117。还提供了螺线管120。

通常，如在wo2013/140400中更详细地教导的那样，马达100通过供应dc电流通过螺线管120中的导体的绕组来运行。由流经螺线管120的电流感应的磁场与磁体115的磁场相互作用。为了基本上消除或大大减少导体中的反电动势(back-emf)的感应(这将减少被驱动通过螺线管120的导体的有效电流)，马达100中的控制器会以这样的方式计时控制(time)通过导体的电流的大小和方向，使得当感应的反电动势最低时，被驱动的电流最大，反之亦然。

在磁体支撑环下方是带齿环130，该带齿环将转子110的旋转的力矩传递到齿轮135。带齿环130与齿轮135协作，以将动力从马达100总体传递到轴138。底环195设置用于支撑转子110的结构。wo2013/140400教导了上环112、磁体115和间隔件117、磁体-支撑环180、带齿环130和底环195中的每一者均刚性地连接至彼此并一起旋转，以使每者都穿过螺线管120的腔124。

现在参考图3，示出了根据本发明的各个方面的电动马达300的示例性实施例。在一些实施例中，马达300可以包括定子组件310和转子组件320。定子组件310可以包括一个或多个主螺线管312。在一些实施例中，一个或多个主螺线管312可以围绕转子组件320的中心轴(未示出)等角度地间隔和/或等半径地布置。一个或多个主螺线管中的每个螺线管可包括腔318，并且还可与主螺线管基座314联接或以其它方式关联。

在一些实施例中，转子组件320可以包括一个或多个永磁体325(具有典型的n-s极)，并且还可以包括带齿环元件328。永磁体325的数量可以(或者可选地，可以不)对应于主螺线管312的数量。在一些实施例中，一个或多个永磁体325和带齿环328穿过主螺线管312的腔318。此外，转子组件320的带齿环328可用于与齿轮330相互作用，齿轮330可以可选地刚性联接至主轴335。注意，也可以采用任何其它适用的驱动机构，包括带驱动系统或者类似机构。在一些实施例中，马达300可以由基座350支撑。

与现有技术中的某些马达(例如，在wo2013/140400中公开的马达)不同，马达300在一些实施例中可缺少设置在转子组件320上在永磁体之间的由由高磁导率材料制成的间隔件(例如，可缺少图2的间隔件117)，而是仅依靠自由空间(空的空间)。消除使用这种间隔件(例如，间隔件117)包括减少材料和减轻重量的益处，但是可能牺牲某些磁场益处，即高磁导率材料可以提供例如增加的场密度和均匀性。

为了解决由于消除了这种间隔件(例如，间隔件177)而导致的期望磁场特性的任何损失中的部分或全部，在一些实施例中，永磁体325可以在每个端部处变窄(例如，截头的端部326)，呈例如截头的锥形或棱锥形的形式(或其它所需的和/或有效的形状)，以可选地增加相邻永磁体325之间的磁场均匀性和密度中的一者或多者。更具体地，这种变窄的端部形式(例如，端部326)可以使磁体325之间的磁场更致密和更均匀，通常不必使用可能不利地增加例如马达300的总重量的高导磁率材料的间隔件。

在一些实施例中，马达300可以利用任何数量的轴承组件布置。例如，图3示出了一个示例性轴承组件360，并且参照下面的图5a-5c更详细地进行讨论。可替代地，马达300可以利用参照图4a-4b所示的示例性轴承组件460。

首先参考图4a，示出了轴承组件460的一个实施例的透视图，图4b示出了该轴承组件的截面图。轴承组件460与可选的基座350、螺线管基座314和带齿环元件328一起示出。在一些实施例中，轴承组件460可包括两个同轴环-内环462和外环464-并且一个或多个轴承466设置在其间。在一些实施例中，外环462可以是固定的，而外环464可以相对于内环462可移动(但是如果需要，可以使用相反的布置)。轴承466可以用于以最小化摩擦的方式促进外环464相对于内环462的运动(或者，反之亦然)。例如，轴承466可以是球轴承、圆柱轴承或任何其它相对低摩擦的组件(特氟隆(teflon)、涂脂的系统等)。值得注意的是，与图3所示的实施例(以及下文相对于例如图5a-5d所讨论的类似实施例)不同，图4a和图4b所示的轴承组件460可包括相对于外环464作为单独元件的带齿环元件328。

在一些实施例中，带齿环328可以联接至可移动的外环464，使得带齿环328和转子组件320的其余部分(例如，永磁体325)可以绕着转子320的中心轴线(未示出)自由旋转。在一些实施例中，例如，如图4b所示，永磁体325可以由磁体支撑环470支撑和/或联接到磁体支撑环470。在一些实施例中，包括带齿环328、磁体支撑环470、外环464、内环462和轴承466的轴承组件460可以由非铁或非磁性材料制成。

如上所述，在wo2013/140400中公开的马达的讨论中以及关于图4a和4b的讨论中，磁体支撑环(180(图2)和470(图4b))以及带齿环(130(图1和2)和328(图4a和4b))可以是分开的元件。因此，每个主螺线管(120/312)中所需的腔(124/318)可能会出现不希望的扩大，以适应分离元件为了同时通过腔(124/318)所需的空间上的固有增加，从而在一些实施例中，通常需要不期望地增大所公开的马达的总体积和/或重量。如果需要，轴承组件可以与图3所示的各种元件一起使用，并且反之亦然。

在一个替代实施例中，并且现在参考图5a-5d，示出了首先在图3中示出的轴承组件360的更详细的展示。首先参考图5a，轴承组件360可以包括内环362和外环364，在其之间设置有轴承366。有利地，外环364也可以包括带齿环元件328，使得外环364和带齿环元件328被一体形成在单个元件中。例如，如图5b所示，外环364和一体的带齿环328可以与齿轮330互相啮合，齿轮330又可以联接至主轴335。在一些实施例中，内环362可以是固定的，并且可以联接至一个或多个安装件385。安装件385可以可选地固定到基座350。

在上文公开的各种布置中，相对于现有技术中公开的马达，外环364和一体的带齿环328可在整个马达300中需要较小的体积和/或较小的重量，并且可有利地减小一个或多个腔318的必要尺寸。在减小腔318的必要尺寸时，可以在主螺线管312中使用较小直径的绕组，从而产生各种有利的益处，包括例如相对地增加电磁力、减少材料使用、减轻总重量等。

现在参考图5c和5d，示出了转子320的附加部件。特别地，转子320的一些实施例可包括联接至外环364和一体的带齿环元件328的永磁体325。在一些实施例中，磁体325可经由例如磁体基座370联接至外环364。在运行时，定子310的力可以作用在磁体325上以在转子320中引起旋转，从而使带齿环元件328作用在齿轮330上，并将动力从马达300传递到主轴335。在一些实施例中，外环364比内环362可以相对地更高以避免摩擦等。

如上所述，与wo2013/140400中公开的那些马达相关联的一个缺点是，例如，在每个永磁体(例如，磁体325)的每个对称线与相应的主螺线管312的中间纵向线重合的情况下的“死方位”中必须能够启动马达。在这样的取向(方位)中，由定子(例如，定子310)施加到转子(例如，转子320)的净力可以基本为零。

现在参考图6，示出了可以克服上述缺点的本发明的又一个实施例。更具体地，图6示出了基本上类似于马达300的马达600的示例性实施例，但是马达600还包括可以补充主螺线管312的一个或多个附加的启动器螺线管612。在一些实施例中，启动器螺线管612的数量可以与主螺线管312的数量相同，还可以使用任何数量的启动器螺线管612。在一些实施例中，启动器螺线管612可以设置在每个主螺线管312之间。有利地，本发明不需要参考图1讨论的滚子轴承140。因此，如果需要，可以将启动器螺线管612放置在主螺线管312之间的区域中或其附近。

另外，由于启动器螺线管612通常可用于在转子(例如，转子320)中引起初始旋转，而不是用于主要地驱动旋转，因此，如果需要，启动器螺线管612可小于主螺线管312(但是，如果需要，启动器螺线管也可以与主螺线管312具有相同的尺寸或者比其更大)。

主螺线管312和启动器螺线管612中的每一个可以缠绕一匝或多匝导线。通常，主螺线管312和启动器螺线管612中的任一者或两者都可以利用任意数量的匝数。在一些实施例中，例如，启动器螺线管612可以比主螺线管312利用更多的匝数，而在其它实施例中，主螺线管312与启动器螺线管612可以具有相同数量的匝数或比其具有更多的匝数。在一些实施例中，例如，主螺线管312可以包括7-20匝，而启动器螺线管可以包括300匝或大约300匝。在一些实施例中，如下文进一步讨论的，启动器螺线管612可以利用相对大量的匝数以更好地从转子320捕获能量并将机械能转换为电能。

一旦启动了马达(例如，马达600)，通常就不再需要启动器螺线管612来启动马达，直到下次需要马达启动时。然而，在一些实施例中，启动器螺线管612可以用于启动马达之外的其它有益目的。例如，在本领域中众所周知，典型的dc马达在反向时可以用作发电机(例如，当施加在轴/转子上以产生旋转的力在定子的绕组中感应电流时)。因此，在一些实施例中，当不使用启动器螺线管612以用于其马达启动功能时，可利用启动器螺线管612来捕获马达的能量并例如为电池充电或提供一些其它的电的功能。例如，如果在车辆中使用了马达600，则在某些情况下可以使用车辆的动量来驱动转子320并在启动器螺线管612中感应出电流，该电流可用于为一个或多个电池(例如，备用电池和/或某些情况下的原电池)充电。有利地，启动器螺线管612可以可选地接合和脱离，以最大化效率并消除马达系统运行时不希望出现的阻力。以类似的方式，可以有利地采用用于可选地接合或分离启动器螺线管612的开关机构，以在马达300上施加阻力以起到制动作用。

通常，可以向马达600的主螺线管312馈入基本dc电压。在一些实施例中，dc电压的大小和/或方向由一个或多个控制器控制，使得以在例如wo2013/140400中所述的方式，当每个永磁体325的中心(即，磁体325的对称线)通过各个主螺线管312的中线下方时，电流的方向反向。在一些实施例中，控制器可以从一个或多个传感器(例如，光学传感器或霍尔效应传感器)接收某些输入，以确定转子320的角度取向，以便于控制前述dc电流的大小和方向。诸如转数/分钟和/或加速度的其它因素也可以被测量、计算和/或依赖于这种控制。

将理解的是，启动器螺线管612可与例如图6所示的实施例一起使用，并且除了图7和8a-8c之外，可用在图3、4a-4b和5a-5d中所示的实施例中。

现在参考图7，示出了示例性马达控制方案的框图。在框图中，示出了以下元件，并附带如下细节：

720：转子；

701：主螺线管的组；

702：启动器螺线管的组；

703：主驱动单元，用于基于从基本控制器709接收的计时信号将信号提供给主螺线管701；

711、712、713、714：主螺线管312处的传感器(例如，参见图6)，其用于感测转子720上的永磁体(例如，磁体325)相对于主螺线管701的角度位置(即，“角度取向”)；

709：基本控制器，除了在下文中将描述的其它一般控制功能之外，还用于分别向主驱动单元703和启动器驱动单元702提供定时和电流方向信号；

707：用于使马达运行的主电池；

708：备用电池和用于检查备用电池上的电压水平的能量调节器710，并且当发现备用电池已满时，将多余的能量从备用电池分流到主电池；

704：启动器驱动单元，用于基于从基本控制器709接收的计时信号将信号提供给启动器螺线管702；

715：电压转换器，用于将从启动器螺线管702接收的感应电压转换为dc电压，并且通过所述dc电压对备用电池708进行充电；

在一些实施例中，例如当最初需要启动所公开的马达时，基本控制器709可以基于传感器711、712、713和714中的一个或多个来确定转子的角度取向。更具体地，在一些示例中，基本控制器709可以检查永磁体是否位于“死方位”的预定范围内(该范围的长度可以是例如每个永磁体的长度的±5％)。在否的情况下，基本控制器709可以将计时信号传送到主驱动单元703，主驱动单元703又可以将驱动信号提供给主螺线管701，主螺线管701然后可以开启转子(例如，转子320)的旋转。这些信号可以是基本的脉冲宽度调制(pwm)信号，其中这种信号的计时可以取决于例如期望的旋转速度。这样的信号也可以是本领域中已知的用于驱动dc电流的任何其它信号类型。每当每个永磁体的对称线经过相应的主螺线管701的中线下方时，也可以控制此类信号以切换其电流方向。

然而，如果控制器709确定转子的取向在“死方位”的所述范围内，则控制器709可以将计时信号传送至启动器驱动单元704，启动器驱动单元704又可以将驱动信号提供给启动器螺线管702，用于引起转子的初始驱动，即将转子的永磁体移出“死方位”。在所述初始驱动移出死方位之后的短时间段内，控制器709可以引导计时信号，以便将其传送至主驱动单元703，以通过提供给主螺线管701的信号使例如转子正常旋转。能量调节器710可以测量一个或多个电池(例如，备用电池710)处的能量水平，并根据需要将这种能量重新分配(例如，当备用电池710充满时，重新分配给主电池707)。

因此，图7以框图形式示出了此外当处于“死方位”或不处于“死方位”时如何开启当前公开的马达。此外，在图7中所示的方案示出了如何通过在启动器螺线管内积聚能量并根据需要重新分配能量以例如对电池充电来节省能量。图7的结构可以应用于本文关于图3、4a-4b，5a-5c和6所示和公开的每个实施例。

现在参考图8a和图8b，示出了驱动单元703的示例性结构以及启动器螺线管驱动单元704。在该示例中，假定，在图8a中采用了六个(6)主螺线管(例如，图6中的312)，并且在图8b中采用了六个启动器螺线管(例如，图6中的612)。与“子控制器_1(subcontroller_1)”709a关联的示图示出了主螺线管驱动单元703的示例性结构。与“子控制器_2(subcontroller_2)”709b关联的示图示出了启动器螺线管驱动单元704的示例性结构。在一些实施例中，每对相邻的螺线管可以经由单个电路来驱动，但是可以根据需要采用任何可操作的电路。然而，利用单个电路，可以提供三个这样的电路，在图8a中用于主螺线管(即，“子控制器_1”，709a)以及在图8b中单独地用于启动器螺线管(即，“子控制器_2”，709b)。

如图8a所示，例如，每对相邻螺线管中的绕组方向彼此相反。对于主螺线管，最初，可以基于来自“子控制器_1”709a的相应信号来闭合成对的开关q1；q4，q5；q8和q9；q12，从而在每个螺线管对(例如分别为l1；l2，l3；l4和l5；l6)处产生电流的第一方向脉冲(例如，图8c中的周期a-c)。此后，并且基于例如由传感器711-714感测到的转子的取向变化，可以将所述开关断开短时间段(例如，图8c中的周期d-e)，使得每个所述对处的能量内部稳定，并且此后，开关q3；q2，q7；q6和q11；q10可以闭合，从而在每个所述螺线管的盘处产生电流的第二方向(与所述第一方向相反)脉冲(例如，图8c中的周期e-g)。此后，可以再次断开所有开关(例如，图8c的周期h-i)，以使得在每个所述对处内部能量稳定，然后可以重复相同的过程。启动器螺线管驱动单元(图8b)的操作加以必要的变更可以与主螺线管驱动单元基本相同。在此相对于图8a至图8c所说明的实施例适用于关于图3、4a-4b，5a-5c和6公开的元件。

应该注意的是，不需要在任何给定时间向定子的所有螺线管供应电流。为了节省电池能量，并且如果来自马达的负载较低，则甚至仅向单个主螺线管提供电流也可以。另一方面，如果负载很高，则当然可以及时的方式向所有主螺线管以及部分或全部启动器螺线管同时地供应电流。控制器709可以包括多种可选的操作模式，以适合各种情况。

尽管已经通过举例说明的方式描述了本发明的一些实施例，但是显然，在不脱离本发明的精神或不超出权利要求书的范围的情况下，本领域技术人员可以在本发明范围之内通过许多修改、变化和改编以及使用许多等同或替代解决方案来实践本发明。