CN107112832B - 具有经覆盖的定子模块和转子模块的致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明根据其最普遍的认识涉及由多相无刷马达和第一电连接组件构成的电子致动器，该多相无刷马达包括转子和定子，该转子设置有永磁体并固定至输出轴，该定子支承线圈并提供转子的磁性驱动，并且第一电连接组件为线圈供电，所述定子内置于定子模块中，该定子模块(9)由覆盖经缠绕的定子以及所述第一电连接器组件的材料制成。此外，转子内置于转子模块(18)中，该转子模块由覆盖对转子的轴进行导引的轴承的凸缘构成，并且本发明的特征在于，定子模块(9)和转子模块(18)具有用于指引以及用于相对于彼此附件的元件。

Description

具有经覆盖的定子模块和转子模块的致动器
技术领域
本发明涉及无刷型多相电动马达的领域，所述无刷型多相电动马达具有与支承电线圈的软铁磁定子相互作用的一系列永磁体。通过由电子电路提供的电子开关向线圈提供多相交流电流。
更具体地，本发明提出了由马达和电子组件构成的致动器，该马达和该电子组件以紧凑且简单的方式以单独的经覆盖的模块(例如通过将塑料、聚合物或甚至金属材料包覆成型)集成，并随后被组装。
在本文的其余部分中，术语“马达”应当理解为是指能够产生磁力的磁路的所有元件(线圈、软铁磁定子、永磁体和可能的软铁磁轭)，并且“致动器”是指在致动器的最终形态中与位置传感元件以及发动机的供电元件相关联的整个发动机。
背景技术
在本发明的背景技术中存在许多永磁体无刷多相电动马达，比如在申请人的两个专利EP0949747或EP2002531中描述的马达。这种类型的马达由经缠绕的定子组件以及包括多个磁体的转子组件构成。为了确保这些马达的不同相的电切换，通常选择的解决方案包括使用与多个磁体相对放置的至少一个霍尔探头或者使用专用于这种切换的辅助性磁化组件。
为了实现致动器，霍尔传感器、控制霍尔传感器的电子电路以及马达各个相的电连接器组件必须被组装在集成式产品中，该集成式产品可以放置并使用在任何应用中(例如，用于在内燃发动机机中移动不同的阀、翼片或轴)。
在现有技术的解决方案中存在各种形式的实施方式。例如，一些解决方案包括将马达部分地包覆成型，最常见的是仅定子被包覆成型。PCT专利申请WO/2009/055625涉及定子组件以及用于生产定子组件的方法。定子组件以导热且电绝缘的聚合物组合物包覆成型。定子组件的定子芯覆盖有粘合剂组分，以允许向定子芯与经包覆成型的线圈的交界面更好地热传递。
专利申请EP1677404也公开了一种用于电动转向装置的马达，在本专利申请中，可以在节省空间的同时容易地实现线圈的连接，本专利申请还公开了一种制造发动机的方法。定子线圈被组装在定子芯中并通过连接环连接每个相。
专利申请EP2781758、US2010/301691、WO2011159674或US2008/023028描述了现有技术的其它示例性实施方式。
现有技术解决方案的缺点
现有技术的解决方案具有的缺点在于复杂的组装，需要定子部件在凹部中的和/或相对于转子的精确机械定位。在组装期间，有必要进行多种机械连接及电连接以确保利用电子电路、电连接器以及在必要时的印刷电路实现线圈至线束、或者连接元件的连接。这些不同的操作需要高精度并且会导致装置具有脆弱性。
现有技术中已知的包覆成型的解决方案使得难以确保对定子结构的所有部件进行覆盖，并且仅部分地避免了组装和电连接的问题。
具体地，在专利申请EP1677404中提出的解决方案中，经缠绕的定子和连接器不形成封装组件，这会导致机械性能方面的缺点。
发明内容
本发明旨在通过提出一种包括经覆盖的定子模块的装置来克服这些缺点，该经覆盖的定子模块能够插入到马达或致动器的壳体中以便与转子以电磁的方式相互作用并且与转子模块相配合操作。
从最广泛意义上来说，本发明涉及由多相无刷马达和第一电连接器组件制成的电子致动器，该多相无刷马达包括：转子，该转子设置有永磁体并固定至输出轴；以及定子，该定子支承线圈并提供转子的磁性驱动，并且所述第一电连接器组件为线圈供电，所述定子内置于定子模块中，该定子模块由覆盖经缠绕的定子以及第一电连接器组件的材料制成。本发明的特征在于，转子内置于转子模块中，转子模块由覆盖对转子的轴进行导引的轴承的凸缘构成，并且本发明的特征在于，定子模块和转子模块具有用于指引(indexing)以及用于相对于彼此附接的元件。
因此，转子模块形成第一部件，该第一部件集成有：
-由气缸盖构成的转子，在该气缸盖上安装有永磁体和输出轴，
-导引元件；
-确保对上述组件进行覆盖的凸缘。
定子模块形成第二部件，该第二部件集成有：
-经缠绕的定子；
-第一电连接器组件；
-这些元件被同样地覆盖。
因此，马达由既不需要电连接件也不需要紧固固件的两个互补部件构成。连接是由两个经覆盖的部件的互补构型提供的，每个经覆盖的部件具有带指引的互补组装交界面以保证这两个部件的精确的相对定位。
该经覆盖的模块化实施方式的显著优点是，更好地管控了电连接组件的温度以及连接电连接组件的印刷电路的温度。实际上，当致动器在高温下操作时，热量被限制在容易地支持这种热负荷的定子的水平面上，并且热量仅在致动器的背面处朝向电气连接元件和电子连接元件微弱地扩散。因此，本发明相对于现有技术的实施方式的形式可以显著地限制印刷电路的发热。
当与现有技术的实施方式的形式相比时，本发明及其模块化的实施方式的主要优点是显著减少了致动器的实施方式所需的部件的数量。
可选地，定子模块还包括电子电路，该电子电路被同样地覆盖以形成第二智能部件。
优选地但非穷尽地，致动器包括第二电连接器组件，该第二电连接器组件对马达的各个相的切换所需的传感元件的供电和信号进行管控，并且定子模块覆盖第一电连接器组件和第二电连接器组件。因此，当任何人希望通过集成在发动机中的编码器组件来控制发动机时，该第二组件是必要的。如果马达在无传感器模式下被驱动，则第二组件不是必须的。
优选地，定子组件具有适于接纳所述转子模块的腔。
在实施方式的一个方面中，第一电连接组件和第二电连接组件形成所述定子模块的沿径向覆盖的延伸部。
在实施方式的一个方面中，第一电连接组件和第二电连接组件形成所述定子模块的沿轴向覆盖的延伸部。
优选地，凸缘具有与定子模块的接纳区域互补的外部形状，以便易于组装。
例如，转子模块的所述凸缘具有定心销，该定心销适于接合在形成于定子模块上的互补凹部中。
在一个具体形式的实施方式中，定子模块包括具有多个齿的一组层叠叠片，该层叠叠片的至少一部分对电线圈进行支承，所述电线圈中的每个电线圈具有沿轴向延伸的连接凸耳，所述定子模块还包括用于连接互补连接器的多个齿，包括有所述经缠绕的片材组件、所述线圈连接凸耳以及用于连接连接器的所述连接器凸耳的所有部件均覆盖有绝缘塑料材料以形成围封所述层叠片材的外表面的整体块。
定子板的所述齿的内表面可以被制成与所述整体块的内表面齐平，并且所述腔形成为柱状并在其后部处由模制的底部封闭。在这种情况下，所述模制的底部可以包括用于对转子的旋转轴进行导引的环。
根据一个变型，定子板的所述齿的内表面被包括在所述整体块中，封装的塑料材料的厚度小于转子的柱状外表面与由定子齿的表面所限定的柱状包封部之间的空气间隙。
本发明还涉及一种由经覆盖的套筒形成的磁化转子模块，该经覆盖的套筒包括用于对转子进行导引的轴承，其中，该套筒被能够通过焊接或螺纹连接或铆接固定至定子结构的套环包围。
在一个变型实施方式中，腔是敞开的并且致动器具有第三模块，该第三模块包括印刷电路并且在后部封闭致动器。
本发明还涉及一种用于制造磁化转子模块的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-包覆成型前轴承以形成具有定位和指引销的凸缘，
-将层叠叠片组装在转子轴上，
-使马达的磁体(多个磁体)结合在所述层叠叠片上，
-将后轴承组装在包括一堆叠片的轴上。
示例实施方式的详细非限制性说明
附图说明
本发明将通过参照附图阅读以下说明被更好地理解，所述附图对应于非穷举的实施方式，在附图中：
-图1和图2示出了缠绕有马达和传感组件的电连接的定子模块，
-图3示出了经覆盖的定子模块，
-图4和图5分别示出了形成在经覆盖的定子中的腔在插入电子电路之前和在插入电子电路之后的视图，
-图6和图7分别以四分之三侧视图和纵向截面示出了转子模块的视图，
-图8和图9分别示出了在被称为“盘”模式的第一形式的实施方式中经覆盖的定子与转子模块的组件在组装之前和组装之后的视图，
-图10至图12分别示出了在被称为“管状”模式的第二形式的实施方式中经覆盖的定子与转子模块的组件在组装之前的视图(图10)、在组装之前的剖视图(图11)以及在组装之后的视图(图12)，
-图13和图14分别示出了在转子模块围绕定子模块布置的第三形式的实施方式中在模块组装之前和模块组装之后的视图，
-图15示出了图13和图14中描述的模式的截面图，
-图16和图17分别示出了替代性管状实施方式的转子模块和定子模块的截面图，
-图18是由图16和图17中描述的模块组装的发动机的截面图，
-图19示出了本发明的变型实施方式。
所描述的发明涉及一种通过组装转子模块和定子模块而形成的旋转马达。这些模块的部件均以机械的方式连接以便被永久地固定。
转子模块被永久地组装。类似地，定子模块被嵌入绝缘塑料材料中，仅允许电连接器元件突出。这两个模块通过将转子模块插入到在定子模块中为此目的设置的壳体中而被组装，并且这两个模块通过螺纹连接、焊接或胶合而接合在一起。当定子模块具有腔开口时，第三模块可以可选地封闭致动器。
具体实施方式
在第一形式的实施方式中，根据本发明的致动器通常包括具有定子1的马达，定子1具有沿径向延伸的齿并配备有电线圈2，电线圈2由线圈本体3承载，如图1所示。
在所描述的这个示例中，马达是如申请EP2002531中所描述的三相马达，但本发明决不局限于这种特定的技术。
在定子1的端面上定位有第一连接器组件6，以确保线圈2的电连接。然后，第二连接器组件7根据第一连接器组件6的外表面上的状态的指导被定位成对无刷马达的操作所需的传感元件(通常是霍尔效应探针)进行管控(供应和输出)，如图2所示。
第一连接器组件6借助于设置在线圈本体3中用于精确定位的导引腔4被指引在定子1上。通过例如绝缘移位触点(IDC)将第一连接器组件6的线路端子插入线圈本体3的凹口5中来确保电连接。
在这个示例中有三个电相，所述三个电相由三个独立的轨道6a、6b、6c供电。轨道6a、6b、6c沿径向延伸并然后相对于定子侧向延伸，并且轨道6a、6b、6c呈具有矩形截面的轨道形式。
所述轨道终止于用于由IDC触点连接电相的叉形连接突出部(未示出)中。
该组件通过切割和折叠金属箔例如青铜或CuZn30型铜合金来生产，并且然后用绝缘树脂8包覆成型，如图2所示。
图2中示出的第二连接器组件7允许一组信号从印刷电路至相同的连接器的连接，例如，所述信号为用于感测所述马达的转子的位置的属于编码器的霍尔探针的信号。在此，使用五个轨道7a至7e来实现霍尔探针的信号的输入和估算。然后，该第二组件7被定位在第一经覆盖的组件上，如图2所示。
在申请FR 12/59035中更准确地描述了与第一连接器组件6和第二连接器组件7相关联的定子1的这个实施方式。
定子1以及第一连接器组件6和第二连接器组件7在注塑模具中被一起覆盖以形成图3中示出的封闭的整体部件。然后，经覆盖的组件构成定子模块9。
该定子模块9的形状可以根据最终应用而变化。在图1至图6的示例中，这是被称为“盘”的第一实施方式，就此而言，所生产的致动器的直径尺寸大于其高度尺寸。
在此，包覆成型的涂层覆盖了定子的所有部件，除了各个轨道7a至7e和6a至6c的端部之外，所述端部从两个开口10和11内部突出以允许电连接至外部插口或电连接至附接的外部电子电路。
在该定子模块9的内部，定子1的齿与包覆成型件齐平或者在包覆成型期间用薄蒙皮覆盖。形成定子模块9的该整体部件具有环状腔12，在图4的第一实施方式中环状腔12的底部是封闭的。定子模块9具有三个带孔的侧向突起13至15以允许致动器被固定。经包覆成型的定子模块9因此是完全密封且独立的。
腔12的底部允许第二连接器组件7的突出部16a至16e即轨道7a至7e的内端部突出。这些突出部16a至16e连接至可以容纳在腔12底部处的盘状电子电路17，如图5所示。
由于定子模块9的形状，定子模块9能够接纳图6和7中示出的转子模块18。
转子模块18包括凸缘19，凸缘19具有沿径向延伸的定心凸耳20至24并且还具有机械刚性功能。凸缘19在转子模块18的内侧上形成环25，该环25接纳对磁性转子27的轴26进行导引的导引元件28。
磁性转子27由交替极性(北/南)的永磁体29至38交替构成。
图7示出了转子模块18的截面图，以能够更好地理解凸缘19与用于导引轴26的轴承25的相对定位。可以看到，在铁磁气缸盖41上定位有具有交替的磁化极性的磁体29至38和编码器磁体40。该编码器磁体40用于与传感元件以及电子电路17一起检测转子的位置，该电子电路17位于定子模块9的非敞开腔12的底部处，当定子模块9和转子模块18被组装时腔12面向该编码器磁体40。
图8示出了通过沿轴向移位(相对于致动器的旋转轴线)的插入将转子模块18定位在定子模块9中，两个模块借助于凸耳20至24被指引，并且所述凸耳容纳在互补的凹部44至49中然后通过螺纹连接、胶合、超声波焊接或任何其他已知的组装方法被组装。
图9示出了两个已组装的模块在其最终形态中形成致动器39的视图。
图10、图11和图12示出了致动器39的第二实施方式，其中，致动器39呈所谓的“管状”形状，也就是说，致动器的高度尺寸大于其直径的尺寸。
在该变型中，致动器39驱动螺杆42。在该示例中，定子模块9局部地具有相对于致动器39的旋转轴线沿径向延伸的电连接插口43。
转子模块18包括凸缘19，该凸缘19与第一实施方式一样接纳用于导引元件28的凹部。
图11示出了另一变型实施方式的定子的剖视图。转子模块18具有由一叠盘状叠片50形成的内芯，盘状叠片50以受迫压的方式接合在轴26上并且对呈瓦片的形式的永磁体29至38进行支承。
定子1借助于申请人在欧洲专利EP2212985中描述的连接器组件来馈电。定子1接纳用于霍尔探针的定位的第二连接器组件7。
该组件被包覆成型以形成具有主体51和第二本体52的整体部件，其中，第二本体52的纵向轴线垂直于主体51的纵向轴线。
在上文示出的实施方式中，基于两个模块的形状的互补性，转子模块18被指引到在定子模块9的内部。
图13和图14示出了第三实施方式，其中，转子模块18从外部紧固至定子模块9。
在这种情况下，转子模块18的凸缘19的直径大于定子模块9的定子1的直径。
图15使得可以理解在该实施方式中发现的元件的细节。所指出的各种元件的功能与在前述模式中提到的元件的功能相同。
本发明并不限于具有带有径向齿的定子的马达。本发明还应用于下述发动机，该发动机的定子具有平行于轴线延伸的齿，该发动机具有盘状转子或线性马达。
图10、图11和图12的变型实施方式使得可以生产如上描述的所谓的“管状”形态。
可以设想一个替代性实施方式以获得更紧凑的设置。特别地，在图16至18中描述了该替代性实施方式。
这种形式的实施方式与图10中所描述的模式的不同之处在于：转子模块18包括第二导引元件28’，在将层叠叠片50安装之后将该第二导引元件28’固定至轴26。该实施方式使得可以安装较小尺寸的两个导引元件28和28’并且允许在定子模块9中更容易地组装。
转子模块18通常由以下步骤制成：
-将前导引元件28进行包覆成型以形成具有定位和指引销20的凸缘，
-将层叠叠片50组装在转子轴26上，
-将马达的磁体29结合在层叠叠片50上，
-将后导引元件28’组装在包括层叠叠片50的轴26上。
然后，在所描述的示例中，传感器磁体53通过其支承件被组装在主轴的自由端部上(例如通过迫压穿过或螺纹连接)。
在马达的磁体和就位的传感器的磁体被磁化后，轴+层叠叠片+马达磁体+后轴承+磁体传感器的这个组件在其支承件上最终被组装到由后导引元件28和凸缘19形成的经包覆成型的模块。
定子模块9具体地具有内部敞开腔12，该内部敞开腔12使得可以更容易地组装成形的转子模块18并且可以将第三模块56往后带，由此在后部上封闭致动器。
在将定子模块9和转子模块18两者组装之后，因此需要添加互补的电子模块，在该示例中，该互补的电子模块包括印刷电路17和封闭帽54，该印刷电路17接纳磁场传感器的检测探针55。该实施方式的优点在于，使得能够集成(相比图10和图11的实施方式中示出的印刷电路)更大尺寸的印刷电路，使得还能够布置直接驱动发动机的相的机载电子控制电路。
图19示出了根据本发明的致动器39的替代性实施方式，其中，定子模块9容纳有能够实现马达控制系统管理的机载电子电路。这就是所谓的“智慧型”或“智能型”马达，并且因为不需要将第二连接器组件7的电突出部从马达移除，离开马达的连接器技术装置得以简化。在该电子电路中可以找到的典型元件有：开关逻辑管理模块60、一个或更多个滤波电容器61、控制各个相的供电的一组MosFet型开关晶体管62。然后，将这些电子元件定位在经包覆成型的定子模块9上，并且可以将盖(未示出)以胶合、焊接、旋拧或铆接的方式安置到位以完成马达。

Claims (16)

1.一种电子致动器，所述电子致动器由多相无刷马达和第一电连接组件(6)构成，所述马达包括：转子(27)，所述转子(27)设置有永磁体(29-38)并固定至轴(26)；以及定子(1)，所述定子(1)支承线圈(2)并提供所述转子(27)的磁性驱动，并且所述第一电连接组件(6)为所述线圈(2)供电，所述定子(1)内置于定子模块(9)中，所述定子模块(9)由覆盖经缠绕的定子(1)以及所述第一电连接组件(6)的材料制成，所述电子致动器的特征在于，所述转子(27)内置于转子模块(18)中，所述转子模块(18)包括凸缘(19)，所述凸缘(19)覆盖导引元件(28)，所述导引元件(28)对所述转子(27)的所述轴(26)进行导引，并且，所述定子模块(9)和所述转子模块(18)中的所述凸缘(19)具有用于指引以及用于相对于彼此附接的元件，
其中，所述转子模块(18)为集成有所述转子(27)、所述导引元件(28)和所述凸缘(19)的第一整体部件，
其中，所述定子模块(9)为集成有所述定子(1)和所述第一电连接组件(6)的第二整体部件，
并且其中，所述转子模块(18)通过沿轴向移位的插入定位在所述定子模块(9)中。
2.根据权利要求1所述的电子致动器，其特征在于，所述电子致动器包括第二电连接组件(7)，所述第二电连接组件(7)对所述马达的各个相的切换所需的传感元件的供电和信号进行管控，并且所述定子模块覆盖所述第一电连接组件(6)和所述第二电连接组件(7)。
3.根据权利要求1或2所述的电子致动器，其特征在于，所述定子模块(9)具有适于接纳所述转子模块(18)的腔(12)。
4.根据权利要求2所述的电子致动器，其特征在于，所述第一电连接组件(6)和所述第二电连接组件(7)形成所述定子模块(9)的径向覆盖的延伸部。
5.根据权利要求2所述的电子致动器，其特征在于，所述第一电连接组件(6)和所述第二电连接组件(7)形成所述定子模块(9)的轴向覆盖的延伸部。
6.根据权利要求1或2所述的电子致动器，其特征在于，所述凸缘(19)具有与所述定子模块(9)的指引区域互补的外部形状。
7.根据权利要求6所述的电子致动器，其特征在于，所述转子模块(18)的所述凸缘(19)具有定位销(20-24)，所述定位销(20-24)适于接合在形成于所述定子模块上的互补凹部(44-49)中。
8.根据权利要求1或2所述的电子致动器，其特征在于，所述定子模块包括具有多个齿的一组叠置叠片，所述叠置叠片的至少一部分支承电线圈，所述电线圈中的每个电线圈具有沿轴向延伸的线圈连接凸耳，所述定子模块还包括用于连接互补连接器的多个连接器凸耳，包括有经缠绕的所述叠置叠片、所述线圈连接凸耳以及用于连接所述互补连接器的所述连接器凸耳的所有部件均覆盖有绝缘塑料材料以形成围封所述叠置叠片的外表面的整体块。
9.根据权利要求8所述的电子致动器，其特征在于，所述叠置叠片的所述齿的内表面能够被制成与所述整体块的内表面齐平。
10.根据权利要求3所述的电子致动器，其特征在于，所述腔(12)呈柱状，并且所述腔(12)的后部由模制的底部封闭。
11.根据权利要求8所述的电子致动器，其特征在于，所述叠置叠片的所述齿的内表面被包括在所述整体块中，封装的塑料材料的厚度小于所述转子的柱状外表面与由所述叠置叠片的所述齿的内表面所限定的柱状包封部之间的空气间隙。
12.根据权利要求3所述的电子致动器，其特征在于，所述腔(12)是敞开的。
13.根据权利要求12所述的电子致动器，其特征在于，所述电子致动器具有包括电子电路(17)的第三模块，并且所述第三模块在后部上封闭所述电子致动器。
14.根据权利要求1所述的电子致动器，其特征在于，所述电子致动器是智能的，经覆盖的所述定子模块容纳用于对所述电子致动器进行控制的电子电路，并且经覆盖的所述定子模块具有开关晶体管以及用于这些开关晶体管的逻辑控制电路。
15.根据权利要求14所述的电子致动器，其特征在于，罩包围放置在所述定子模块上的所述电子电路、所述开关晶体管和所述逻辑控制电路。
16.一种制造根据权利要求1所述的电子致动器的转子模块(18)的方法，其特征在于以下步骤：
-将所述导引元件(28)进行包覆成型以形成具有定位和指引销(20)的凸缘，
-将层叠叠片(50)组装在所述轴(26)上，
-将所述马达的所述磁体(29)结合在所述层叠叠片(50)上，
-将另一导引元件(28’)组装在包括所述层叠叠片(50)的所述轴(26)上。
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