CN102629804B - 微型电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外径(DA)小于/等于6mm的微型电机(1)，该微型电机包括具有定子绕组(8)的空心圆柱体状的定子(2)以及在定子(2)中借助于转子轴(10)以能够围绕旋转轴(16)旋转的方式设置的磁转子(4)。所述定子绕组(8)可根据磁转子(4)的旋转位置进行控制，以便产生磁旋转场。为探测磁转子(4)的旋转位置，在垂直于旋转轴(16)的平面内的那一与所述磁转子(4)的端面轴向毗邻的区域中安置一包含至少一个磁场传感器(22)的传感器芯片(20)，以便令所述磁转子(4)的磁场能够作用到所述磁场传感器(22)上，从而能够对磁场进行分析以确定转子的旋转位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种外径小于/等于6mm的微型电机，其包括具有定子绕组的空心圆柱体形定子和磁转子，所述磁转子安置在定子中并能够借助于转子轴围绕旋转轴旋转，其中对于用于产生磁旋转场的定子绕组可以根据磁转子的旋转位置来进行控制。
背景技术
这些微型电机系无刷直流电机，通常被简称成BLDC电机(BLDC＝brushlessdirectcurrent)。由于其结构尺寸极小，外径最大仅为6mm，对转子旋转位置的探测(转子的旋转位置是进行转向控制所必需的)通常不用传感器来实现，确切地说，通过对电动势(EMK)，亦即对旋转之时在定子绕组中感应得到的电压进行测量和分析就能测得转子的旋转位置。因此对于这类微型电机而言，要实现小转速控制或者旋转位置调节是不可能的。
相反地，对于直径超过6mm的较大电机来说，是可以采用传感器，特别是数字式霍耳传感器(Hall-Sensoren)的，因为电机结构型式较大，允许配置传感器。例如，各传感器可以以偏离中心并且彼此间隔一定的圆周角度的方式分布在圆周上，但是在此种情况下需要对每个传感器的位置进行精确调整。
EP0920113B1描述了一种无刷直流电机，该种电机具有一以偏离中心且径向位于转子附近的方式安置的传感器，而且转子具有一特别的、具有永磁性的测量磁化区。
DE102007000440A1也公开了一种以偏离中心且径向在转子附近定位的旋转角探测装置。
依据EP0510336B1，使用了电机磁体的杂散磁场，但其仅探测旋转方向，而不探测角位置。
US2010/0090633A1描述了霍耳传感器的应用，但是该传感器探测的是一附加的、两极磁化的发送磁体(该发送磁体通过电动机轴与所述转子一同旋转)的磁场。
如EP2117103B1所述电机控制装置也采用了类似的设计。
最后，在EP1456935B1中也是采用若干传感器来探测转子磁场的。
所有的这些公知的实施方案均不适用于本文所涉类型的微型电机，因为此类微型电机结构形式特别小，其外径肯定小于/等于6mm。
发明内容
本发明的基本目的在于创造一种前文所述类型的微型电机，并且，能够在保留电机微小、紧凑的结构形式的情况下实现更好的控制，特别是在旋转位置调节和/或小转速控制方面。
依据本发明，上述目的是通过下述方案得以实现的。本发明的其他有利设计方案包含在各从属权利要求以及下面的说明中。
相应地，依据本发明是这样设计的，即，为探测磁转子的旋转位置，在垂直于旋转轴的平面内的与磁转子端面轴向毗邻的区域中安置一包含至少一个磁场传感器的传感器芯片，以便令磁转子的磁场能够作用于磁场传感器，从而能够对磁场进行分析以便确定转子的旋转位置。因此，本发明的有利之处在于，无需额外的发送元件就能直接探测磁转子的磁场，也就是杂散磁场，并能够对其实施分析从而确定磁转子的旋转位置。传感器芯片优选包括多个，特别是至少三个，但优选四个整合在一构件中的独立磁场传感器，特别是霍耳传感器。因此，在极小的电机之内也可以使磁场传感器相对于磁转子进行精确地定位及定向；这里只需用机械的方式将单片式的传感器芯片相对于磁转子安置在定子上。
传感器芯片可具有非常扁平的结构形式，并尤其可被构造为单芯片编码器，作为IC组件，该单芯片编码器除了磁场传感器外还包括能够直接将绝对旋转位置信号和/或增量旋转位置信号传送给外部电子控制系统(Steuerelektronik)的信号分析器。因此，电子控制系统除了被设计用于实际换向之外，还能用于精确调节转子位置和/或调整微小转子转速。在此种情况下，对于电机从静止状态开始的整个转速区域，控制装置均能够实现最佳换向，这是通过同步控制装置或者在应用不带传感器的控制装置并利用定子绕组中感应(rückinduziert)产生的电动势电压所不能实现的。电机控制装置由于可以使用单芯片编码器(优选)的输出信号，因而甚至可以实现正弦换向，这一点迄今为止尚未在此类的微型电机上实现过。
此外，有利的是，将集成在传感器芯片中的磁场传感器布置在磁转子轴向投影所覆盖的区域中，并以周向分布的方式安置在围绕旋转轴延长线的节圆上，其中，所述节圆的直径大小落在转子轴直径(相当于磁转子内径)与磁转子外径之间的范围内。特别优选的是，节圆(磁场传感器安置于其上)的直径落在磁转子环形截面的外半部分之内。此外，传感器芯片可以安置得非常接近磁转子。例如，传感器芯片与磁转子的相邻端面可以在轴向上相互间隔开一间距，该间距最大相当于磁场传感器节圆直径的1至1.5倍。事实表明，利用上述设计方案以及传感器芯片的布置方式，只需凭借转子磁场就能可靠地探测转子旋转位置，因此可以无需附加发送元件，特别是单独的发送磁体。
附图说明
下面参考一个在附图中示出的优选实施例，对本发明及其设计方案作更加详细的说明。在附图中：
图1为依据本发明的配置有传感器芯片的微型电机的高度放大的轴向剖面图；
图2是优选为传感器芯片所装配的柔性导体薄膜的平面图；
图3为导体薄膜沿图2所示箭头III看去的侧视图；
图4是与图1相应的轴向剖面图，图中单独示出了进一步放大的轴承座；
图5是与图1相应的放大的剖视图，图中单独示出了用于容纳并安置传感器芯片的容纳件；
图6是容纳件沿图5所示箭头方向VI看去的视图；
图7为沿图5所示箭头VII看去的容纳件的另一面的视图；以及
图8是依据本发明的微型电机经高度放大的原理性轴向视图，用于说明传感器芯片相对于磁转子的布置与安排方式。
在不同附图中，相同的部件皆配以同样的附图标记。
具体实施方式
对于接下来的说明需特别强调的是，本发明并不仅限于该实施例，因此也并不限于所描述特征组合中的所有或多个特征，更确切地说，该实施例中的每一子特征在与所有其他与之关联的子特征相分离的情况下仍然具有创新意义。
首先如图1所示，依据本发明的微型电机1包括空心圆柱体状的定子2以及永磁转子4。微型电机1或者说其定子2的外径DA小于/等于6mm，甚至尤其可以小于/等于5mm。定子2具有一由软磁体材料制成的空心圆柱体状的外部接地元件6，即所谓的轭铁(Eisen-Rückschluss)，并且定子绕组8设置在该接地元件6内部。圆柱体状的磁转子4位于转子轴10上，而该转子轴本身则可旋转地安置在旋转轴承12、14上，因此通过所述转子轴10，使得磁转子4以能够围绕旋转轴16旋转的方式安置在定子2内部。
微型电机1借助于一优选外置的、位于电机外部的电子控制系统(未示出)来控制，而且，该电子控制系统被设计成这样，即其能够根据磁转子4的旋转位置，以无刷的方式对定子绕组8实施电子换向而产生旋转磁场。
依据本发明，微型电机1具有一单片式的传感器芯片20以用于探测转子旋转位置，作为具有非常扁平、纤薄的结构形式的IC组件，该传感器芯片以与旋转轴16共中心的方式安置在一垂直于旋转轴16的平面内的与磁转子4的端面轴向毗邻的区域中。
从图8中尤其可以看出，传感器芯片20优选具有四个集成的磁场传感器22，这些传感器尤其可以是霍耳传感器。此外，图8所示，全部磁场传感器22被设置在磁转子4的轴向投影所覆盖的区域中，并以一定的，特别是径向对称地、周向分布在围绕旋转轴16延长线或者说转子轴10的节圆24上。节圆24的直径DT落在转子轴10的直径DW与磁转子4的外径DR之间的范围内，而所述转子轴的直径DW与空心圆柱体状的磁转子4的内径相等。在图8所示出的这个优选实施方案中，节圆24的直径DT落在磁转子4的环状横截面的外半部分中。由于优选采用四个磁场传感器22，且此四个传感器优选以径向对称的方式分布在周向上，因此它们在周向上彼此间隔90°。传感器芯片20由于结构尺寸极小，因而位于被接地元件6所包围的截面之内。
利用上述优选组织、布置方式，传感器芯片20借助于其磁场传感器22可直接探测并分析磁转子4的磁场，亦即杂散磁场，因而其有利之处在于可以省却额外的发送元件(Geberelement)，特别是特殊的发送磁体(Gebermagnet)。
在这种情况下，具有磁场传感器22的传感器芯片20与相邻的磁转子4的端面以轴向间距A间隔开是有利的，所述轴向间距最大相当于磁场传感器22的节圆24的直径DT的1至1.5倍；此处还可参见图1。
在另一优选设计方案中，所述传感器芯片20被构造成单芯片编码器，其作为IC，除了集成的磁场传感器22之外，还包含集成的信号分析器，该信号分析器被构造成能够直接探测磁转子4的实时(aktuell)旋转角位并且为电子控制系统提供绝对旋转位置信号和/或增量旋转位置信号。为此，单芯片编码器所集成的信号分析器包括在附图中没有单独示出的电子系统。
另外，由于依据本发明的微型电机1具有非常小的结构尺寸，因此有利于应用公知的倒装芯片技术来制作传感器芯片20。这就意味着，集成电路是翻转过来固定在支座的上部面上的，也就是说，没有额外的壳体。这里，合乎目的的是将传感器芯片20安置在柔性的，被称作挠性板(Flexboard)的导体薄膜26上并通过导体电路实现导电连接。如图1所示，在导体薄膜26的那一与传感器芯片20相反的面上可以布置若干、尤其是惰性的组件18以用于稳定电压上。
传感器芯片20对于定子2和磁转子4是以机械方式精确定位的，通过这种定位方式，将直接使所有集成的磁场传感器22也能够理想地定位；参见图8。为了以机械方式定位传感器芯片20，定子2的一端与呈凸缘状的容纳件28连接(对此可参看图5至图7中的单独示图)。根据图1，容纳件28与定子2的接地元件6以轴向上齐平的方式直接或(如图所示)间接相连。容纳件28具有一垂直于旋转轴16并带有容纳开口32的隔板30，其中所述容纳开口32的开口形状与传感器芯片20的轮廓相适配，从而使传感器芯片20能够形状适配地插入到容纳开口32并因此无间隙地定位于其中。传感器芯片20以及其所属的容纳开口32具有不同于圆形的轮廓，因此传感器芯片20的旋转方向能够被精确调整。在图中示出的优选实施方案中，传感器芯片20以及容纳开口32分别具有矩形的轮廓。
在图2及图3中单独示出了承载传感器芯片20的柔性导体薄膜26。如这些附图所示的那样，导体薄膜26具有与传感器芯片20相连接的芯片承载段34以及与定子绕组8导电连接的定子段36。在如图1所示的已装配完毕的状态下，芯片承载段34与定子段36分别被设置于两个在轴向上平行地错开的平面上并且通过一翻折(umgefaltet)180°的连接段38相互连接。与芯片承载段34相比，定子段36更靠近定子2以及磁转子4。
如图1以及图4中的放大示图进一步所示的那样，导体薄膜26的定子段36被固定在定子2的轴承座40上。轴承座40容纳旋转轴承12，而且所述轴承座40是这样置于定子2与芯片容纳件28之间的，即，使得定子2及其接地元件6的外部轮廓齐平地越过轴承座40而转化到容纳件28。轴承座40与导体薄膜26的定子段36之间的机械连接优选通过轴承座40的铆钉式保持件42实现，该保持件穿过导体薄膜26的定子段36中的通孔并堵住该通孔，特别是利用加热变形的方式堵住(warmverstemmt)该通孔。由于轴承座40与定子2的这种机械连接，因而定子绕组8可通过绕组抽头44(见图1)与导体薄膜26的定子段36建立导电连接。为此，绕组抽头44，也就是定子绕组8的导线端部敷设在导体薄膜26的边缘凹槽46中并被焊接在接触区48(见图2)上。
对于图4中的示图仍需提及的是，在轴承座40的内部，在该轴承座与旋转轴承12之间还设置有一用于轴向支承转子轴10的启动片(Anlaufscheibe)50。此处同样参见图1。
从图1至图3中进一步可知，柔性导体薄膜26包括用于电机外部导电连接，也就是说用于与外部的电子控制系统建立导电连接的接口段(Anschlussabschnitt)52。接口段52优选是定子段36的延长部，因此处在相同的平面上。依据图2，导体薄膜26处于尚未装配的平铺状态时大致呈Y型。接口段52的一端为加厚端，该加厚端具有用于导电插接的接触元件54。
从图1中的示图及其对应的说明中可知，在优选实施方案中，磁转子4的磁场贯穿多个部件，一直到达传感器芯片20的区域。令人惊讶的是，尽管如此，该磁场仍可被足够精确地探测到，从而确保精确地确定转子的旋转位置。
在这种情况下，像图1所示的那样，磁转子4相对于定子绕组8以在轴向方向上偏置(auβermittig)并朝向传感器芯片20的方向错开的方式布置在定子2的内部是有利的。这样就可以实现提高有效信号强度的目的。
在图1所示的已安装完成的状态下，容纳件28的远离定子2的区域连同在此处选择配置的组件18还被一保护罩56所覆盖。柔性导体薄膜26主要位于电机1的外部并仅芯片承载段34及定子段36的端部穿过相应的开口伸入电机1中。而其余部分，例如连接段38与接口段52则位于电机1的外部。
在示出的并已实现的微型电机1的实施方式中，外径DA＝5mm。传感器芯片20的面积为2mm·2.8mm。磁转子4的外径DR＝2.4mm，而传感器节圆24的外径DT＝2mm。接地元件6的内径DI为4mm。如图1所示的传感器芯片20与磁转子4之间的距离A的标准尺寸为2.47mm。当然，本发明并不仅局限于这些具体尺寸。
本发明并不仅限于示出并说明的实施例，其也包括所有在发明意义上具有相同效果的实施方案。需要强调的是，所述实施例并不仅限于所有组合在一起的特征，每个独立特征本身在与其他特征相分离时仍然具有创新意义。另外，本发明迄今为止也不限制于权利要求1定义的特征组合，其也可被定义为由已全部公开的单个特征中的一定特征组合而成的任何其他组合。这意味着，原则上并在实践中，权利要求1所述的每一个单个特征都可以删去，或者说，权利要求1中所述的每一个单个特征都可以被在本申请中其他地方公开的单个特征所取代。就此而言，权利要求1只可被理解为对于一个发明的一种最初的表述尝试。
Claims (17)
1.一种外径(DA)小于/等于6mm的微型电机(1)，其包括：
具有定子绕组(8)且呈空心圆柱体状的定子(2)，
磁转子(4)，所述磁转子设置在所述定子(2)中并借助于转子轴(10)能够围绕旋转轴(16)旋转，其中，为产生磁旋转场，所述定子绕组(8)能够根据所述磁转子(4)的旋转位置来进行控制，
传感器芯片(20)，其被设置成与所述旋转轴(16)共中心，并且其具有至少四个磁场传感器(22)，为了探测所述磁转子(4)的旋转位置，所述传感器芯片被设置在垂直于旋转轴(16)的平面内的与所述磁转子(4)的端面轴向毗邻的区域中，其中所述传感器芯片(20)与所述磁转子(4)的相邻端面是以轴向间距(A)相互间隔开的，以使得所述磁转子(4)的磁场贯穿多个部件，一直到达传感器芯片(20)的区域，并且使所述磁转子(4)的磁场能够作用于所述磁场传感器(22)，从而能够对磁场进行分析以确定转子的旋转位置。
2.如权利要求1所述的微型电机，其中，所述磁场传感器是集成的磁场传感器(22)，这些磁场传感器布置在覆盖所述磁转子(4)的轴向投影的区域中，并以径向对称地、周向分布方式安置在围绕所述旋转轴(16)的节圆(24)上，其中，所述节圆(24)的直径(DT)落在所述转子轴(10)的直径(DW)与所述磁转子(4)的外径(DA)之间的范围内。
3.如权利要求2所述的微型电机，其中，所述轴向间距(A)的最大值相当于所述磁场传感器(22)的节圆(24)的直径(DT)的1至1.5倍。
4.如权利要求2或3所述的微型电机，其中，所述传感器芯片(20)恰好包含四个磁场传感器(22)，这些磁场传感器彼此错开90°地均匀分布在所述节圆(24)上。
5.如权利要求1所述的微型电机，其中，所述传感器芯片(20)被构造为单芯片编码器，其除了所述磁场传感器(22)之外还包含信号分析器，并且所述传感器芯片(20)为外部电子控制系统直接提供绝对旋转位置信号或增量旋转位置信号。
6.如权利要求1所述的微型电机，其中，所述传感器芯片(20)是通过柔性的导体薄膜(26)实现导电连接的。
7.如权利要求1所述的微型电机，其中，所述传感器芯片(20)相对于所述定子(2)和所述磁转子(4)是以机械方式精确定位的。
8.如权利要求7所述的微型电机，其中，所述定子(2)的一端与凸缘状的容纳件(28)相连接，其中，所述容纳件(28)具有垂直于所述旋转轴(16)并具有容纳开口(32)的隔板(30)，所述容纳开口用于以无缝安置的方式容纳所述传感器芯片(20)。
9.如权利要求6所述的微型电机，其中，所述柔性的导体薄膜(26)具有与所述传感器芯片(20)连接的芯片承载段(34)以及与所述定子绕组(8)导电连接的定子段(36)，其中所述芯片承载段(34)以及定子段(36)被设置在两个平行且错开的平面上并通过翻折的连接段(38)彼此连接。
10.如权利要求9所述的微型电机，其中，所述导体薄膜(26)的定子段(36)被固定在所述定子(2)的轴承座(40)上，其中所述定子绕组(8)的绕组抽头(44)是焊接的。
11.如权利要求6所述的微型电机，其中，所述柔性的导体薄膜(26)具有用于外部导电的电机连接的接口段(52)。
12.如权利要求1所述的微型电机，其中，所述磁转子(4)相对于所述定子绕组(8)以在轴向方向上偏置并朝向所述传感器芯片(20)的方向错开的方式布置在所述定子(2)的内部。
13.一种外径(DA)小于/等于6mm的微型电机(1)，其包括：
具有定子绕组(8)且呈空心圆柱体状的定子(2)，
磁转子(4)，所述磁转子设置在所述定子(2)中并借助于转子轴(10)能够围绕旋转轴(16)旋转，其中，为产生磁旋转场，所述定子绕组(8)能够根据所述磁转子(4)的旋转位置来进行控制，
包含至少一个磁场传感器(22)的传感器芯片(20)，为了探测所述磁转子(4)的旋转位置，所述传感器芯片被设置在垂直于旋转轴(16)的平面内的与所述磁转子(4)的端面轴向毗邻的区域中，并且使所述磁转子(4)的磁场能够作用于所述磁场传感器(22)，从而能够对磁场进行分析以确定转子的旋转位置，
其中，以倒装芯片技术制作的所述传感器芯片(20)是通过柔性的导体薄膜(26)实现导电连接的，
其中，所述柔性的导体薄膜(26)具有与所述传感器芯片(20)连接的芯片承载段(34)以及与所述定子绕组(8)导电连接的定子段(36)，其中所述芯片承载段(34)以及定子段(36)被设置在两个平行且错开的平面上并通过翻折的连接段(38)彼此连接。
14.如权利要求13所述的微型电机，其中，所述传感器芯片(20)包含四个磁场传感器(22)，这些磁场传感器彼此错开90°地均匀分布在围绕所述旋转轴(16)的节圆(24)上。
15.如权利要求13所述的微型电机，其中，所述导体薄膜(26)的定子段(36)被固定在所述定子(2)的轴承座(40)上，其中所述定子绕组(8)的绕组抽头(44)是焊接的。
16.如权利要求13所述的微型电机，其中，所述柔性的导体薄膜(26)具有用于外部导电的电机连接的接口段(52)。
17.如权利要求13所述的微型电机，其中，所述传感器芯片(20)被构造为单芯片编码器，其除了所述磁场传感器(22)之外还包含信号分析器，并且所述传感器芯片(20)为外部电子控制系统提供绝对旋转或增量旋转位置信号。
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