CN111293848A - 无槽无刷直流马达/致动器 - Google Patents

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Abstract

一种转矩传递装置，包括：具有多边形横截面的定子本体，定子本体具有在相反的轴向端面之间延伸的成偶数个的多个外侧面，定子包括在相反的轴端之间延伸且以定子本体的中心轴线为中心的筒形孔；具有筒形横截面的转子组件，转子组件的尺寸设定成用于在筒形孔内绕中心轴线旋转并且转子组件具有至少一个永磁体以及联接至磁体以旋转的轴；以及多个螺线管线圈，每个线圈均具有多个绕组并且布线成具有沿着所述多个外侧面中的相反的外侧面平行地延伸的部段；其中，所述多个线圈中的每个线圈均构造成选择性地接收电流并且在定子中产生磁场，该磁场被施加至转子磁体，转子在筒形孔内经受磁转矩以使永磁体的磁场旋转并与所产生的磁场对准。

Description

无槽无刷直流马达/致动器
本申请是申请日为2015年10月22日、申请号为201580070894.4(PCT/IB2015/058141)、发明名称为“无槽无刷直流马达/致动器”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开总体上涉及直流马达/致动器，并且更具体地涉及具有沿着接纳有转子的定子的相反侧部缠绕在定子的外侧部的线圈的无槽无刷直流马达/致动器。
背景技术
无刷直流(“BLDC”)马达是已知的。除其他物件以外，无刷直流马达还包括定子和转子。定子通常由层压的钢冲压件制成，所述钢冲压件堆叠以形成具有用于接纳转子的中央开口的筒形形状。定子中的钢层压件可以是带槽的或无槽的。无槽定子具有较低的电感，并且因此可以以非常高的速度运转。形成槽的“齿”的不存在允许减少对齿槽转矩的要求，由此使无槽无刷直流马达也适用于低速用途。然而，无槽无刷直流马达可能比带槽无刷直流马达昂贵，原因在于可能需要更多的绕组来补偿转子与定子之间的较大的气隙。
更具体地，许多现有的无槽马达设计包括外部壳或壳体、定子、转子和绕组，转子以某种方式组装有永磁体并且相对于壳和定子轴向地固定成能够在定子的中央开口或孔内旋转，绕组设置有定子并且对定子进行激励和磁化以向附至转子或者包括转子的永磁体构件施加转矩。定子可以由中空的钢柱状件构成，该钢柱状件由实心铁芯、被堆叠以形成柱状件(如上所指出的)的具有圆形截面的钢层压件、或通过轧制或连续成层而组装的非晶铁合金带构成的同心环构成。随后，负责用于定子的驱动和磁化的绕组通常以两种方式中的一种方式缠绕到定子上。在第一种方法中，定子构造成具有用作臂部的外突出部，线圈可以绕外突出部缠绕并且布置在围绕定子的外部的指定系列的角位置处。在另一种方法中，定子是普通的柱状件，而不具有超出用于使定子与其他部件互相作用所需的特征以外的外部特征或内部特征。绕组使用线筒或粘合剂而被直接附接至定子的内孔。
这种无槽马达消除了普通带槽电枢缠绕马达中存在的优选磁路以及通常存在于基于永磁转子的马达中的齿槽转矩和槽损耗。理论上，与典型的带槽定子马达设计相比，无槽马达应该能够在更大范围的操作条件下实现更高的效率。此外，简化的定子使得马达的制造更简单并且因此成本更低。磁场线圈缠绕过程的简化也提高了可制造性。
尽管无槽马达具有前述优势，但传统设计仍然需要改进。外突出部设计是有效的，但是通过柱状件的直径产生一些优选的磁化方向，这产生一些“槽损耗”和齿槽转矩。这些设计还因将一种电枢回加到制造和组装过程中而使制造难度增大，从而使无槽马达的许多制造优势失效。
然而，这种设计确实具有允许在孔内的非常紧密公差的优势，从而使定子与转子之间的气隙最小化，使无槽马达设计的效率最大化并且相对于尺寸而言给予这种马达较大量的转矩。
内部线圈绕组无槽马达设计具有一组相反的问题——定子与传统的带槽定子或外电枢无槽定子相比极容易设计和制造，并且线圈更容易缠绕。然而，将线圈包括在定子的内部需要定子与转子之间存在大的气隙，从而通过增大形成在存在于转子和定子材料中的磁性元件之间的磁路的磁阻而使该无槽设计的效率和可用电力相比于传统的带槽马达大大降低。当考虑到简单地粘附至定子的壁的线圈距离快速旋转的转子仅几毫米时，也存在明显的可靠性和加热问题。存在替代性的附接方法；然而，由于气隙的增大，以上效率降低并没有消除。
因此，确实需要如易于作为内部线圈设计但保持外部线圈设计的紧密公差和较高效率的无槽无刷直流马达/致动器设计。
发明内容
第一方面，本发明提供了一种在较一般术语的转矩传递装置，且特别地提供了一种无槽无刷直流型马达或旋转致动器，其包括：定子，定子具有铁磁本体，铁磁本体具有在第一轴向端部与第二轴向端部之间形成多边形横截面的成偶数个的多个外(平坦)侧部，定子本体包括筒形孔，筒形孔在第一轴向端部与第二轴向端部之间延伸并且以定子的中心轴线为中心；具有筒形横截面的转子组件，转子组件的尺寸设定成使转子组件在筒形孔内以较小的间隙绕中心轴线旋转，并且转子组件包括轴和至少一个磁体，轴联接至磁体以与磁体一起绕中心轴线旋转；以及多个螺线管线圈，所述螺线管线圈的数目是定子的成偶数个的外侧部的数目的一半，每个线圈均包括沿着所述多个外侧部中的相反的外侧部绕定子延伸的多个绕组，所述多个线圈中的每个线圈均构造成选择性地接收电流——该电流在定子中产生磁场，磁场被施加至转子的磁体——使得转子的磁体经受磁转矩以使筒形孔内的转子旋转并且与由线圈产生的磁场对准。
在以上马达/致动器的优选实施方式中，转子包括轴以及一个或更多个直径上极化的筒形永磁体，所述一个或更多个直径上极化的筒形永磁体优选地由稀土类型材料、比如NdFeB或SMCo制成。优选地，磁体包括键接合的中央开口，中央开口构造成接纳联接至穿过磁体的轴的键，以使轴随着磁体的旋转而旋转，从而将从马达/致动器输出的转矩提供至在定子外部机械联接至轴的设备。
优选地，所述多个线圈构造成(由控制器或通过其他方式)按顺序被激励，以使转子在定子内进行连续的旋转运动。因此，无刷直流伺服马达可以实现为使得可以用于将调节后的连续转矩传递至连接至轴的设备。此外，控制器还可以配置成由控制器(利用向后的电流或向前的电流)选择性地激励及完全去除激励，以将转子嵌合(cog)到有限数目的位置中并且因此提供步进马达。此外，可以采用更精细化的驱动器(控制器)来成比例地控制至线圈的电力，从而允许转子定位在齿槽点之间并且由此非常平顺地旋转。本领域技术人员将领会的是，本发明的马达/旋转致动器实施方式可以用于从小尺寸步进马达应用到具有单相或多相线圈绕组和用于电动车辆应用的精确速度控制的较大电子换向直流马达的广泛应用领域中。
有利地，马达/致动器还包括第一端罩和第二端罩，第一端罩联接至定子的第一端部，第二端罩联接至定子的第二端部，第一端罩和第二端罩中的每一者均具有与定子本体的横截面相等或类似的多边形覆盖区并且均包括具有凹口的带凹口多边形壁，凹口设置成在所述多个线圈绕端罩缠绕时接纳所述多个线圈并对所述多个线圈进行定位。这种端罩可以由合适的非铁磁性原材料、比如铝容易地加工或者精细地铸造，并且这种端罩用以确保线圈在定子上的位置而不需要单独的线筒。
通过参照本发明的参照附图提供的优选实施方式的以下描述，本发明的上述及其他特征和优点以及实施本发明的方式将变得更加明显并且本发明本身将被更好地理解。
附图说明
图1是本发明的马达/致动器实施方式的立体图；
图2是图1的马达/致动器的侧视图；
图3是图1的马达/致动器的俯视图；
图4是根据一个实施方式的用于图1的马达/致动器中的定子和磁体的立体图；
图5是图1的马达/致动器的分解立体图；以及
图6是图1的马达/致动器的沿着图3的线A-A截取的截面图。
具体实施方式
贯穿若干附图，相应的附图标记指示相应的部件。本文中所阐述的例证说明本发明的示例性实施方式并且这些例证不应被解释为限制本发明的范围。
现在参照图1至图3，根据本发明的一个实施方式的马达/致动器10总体上包括定子本体12、转子组件14(图4和图5)、第一端罩18、第二端罩20以及三个螺线管线圈22，转子组件14包括轴16和永磁体36。
定子12形成为具有偶数阶的正多边形横截面的六棱柱。定子本体12可以由多种材料制成，包括由电工钢或类似材料构成的堆叠的叠片、由适当的非晶铁磁合金构成的同心多边形壳体(shell)，或者定子本体12可以由适当的铁磁原料机加工而成。
如图4和图5中最佳地示出的，从第一轴向端面26沿轴向穿过定子本体12至相反的第二轴向端面28机加工有筒形孔24，筒形孔24垂直于两个端面26、28并且居中地位于定子12内。在一个实施方式中，孔24的内表面30被抛光成是平滑的并且被保持至紧密公差。在定子12的两个轴向端面26、28中机加工有围绕孔24定位的螺纹孔32或类似的紧固特征，以为端罩18、20以及可选地外壳体(未示出)提供安装点从而密封并保护定子12，如下面进一步描述的。
在所示实施方式中，定子本体12具有尺寸相同的六个平面的外侧面34A至34F，简称为侧面。如图4中最佳地示出的，侧面34A与侧面34D平行且相反，侧面34B与侧面34E平行且相反并且侧面34C与侧面34F平行且相反。虽然在本实施方式中具有六边形横截面的定子本体12具有六个侧面，但是应当理解的是，更多的(不过优选地不是更少的)侧面可以限定定子本体12的周缘，只要外侧面的总数目是偶数即可。也就是说，具有八边形或十六边形横截面的定子本体也是可以想到的。
现在参照图4和图5，转子组件14除了包括轴16以外还包括单个筒形的、直径上极化(偶极)的永磁体36，永磁体36具有外周面38、第一轴向端面40和第二轴向端面42。术语“直径上极化”用于表示半柱形N极和半柱形S极被在磁体36的相反的轴向端面40、42之间延伸的直径平面(如由图4中的磁体36的可见轴向端面上的链式线示意性地表示的)而隔开的磁体。居中的键接合孔44沿着磁体36的中心轴线46(并且因此沿着轴16和定子12)在磁体36的端面40、42之间延伸，由此允许磁体36穿过其中心机械地联接至轴16。
虽然未在本文中示出，但是磁体36还可以通过一个或更多个直径上磁化的中空筒形壳体或者通过几个独立的磁体元件形成，其中这些独立的磁体元件借助槽或一些其他直接附接的方法例如紧固件或粘附而安装到中心转子本体中。同样地，与具有单个筒形永磁材料本体36不同，可以沿着轴16按顺序安装多个独立的筒形磁体(每个筒形磁体均具有延伸通过其的键接合孔)。替代性地，磁体36可以是复合式本体，该复合式本体包括在其厚度方向上被磁化的一个(或更多个)矩形的有源永磁材料本体(或多个本体)，其中，无源铁磁材料磁极(延伸)元件附接至磁体的相反的顶端面，磁极元件成形为围绕居中定位的有源永磁材料本体(或多个本体)而形成为柱形，由此这种转子也具有在居中定位的有源磁性材料的直径上相反两侧的N极和S极。还应当理解的是，可以使用多极磁体例如四极磁体。
与本发明的教示一致，其他磁体构型可以与转子14一起使用。然而，考虑到无源铁磁磁极延伸材料给转子组件14增加自重并且降低磁效率，优选实施方式将单个永磁材料筒形本体用作最具磁效率的布置。
筒形永磁体36安装成使得轴16与中心轴线46同轴，其中，在磁体36的面向外部的柱形表面38与定子本体12的孔24的内侧柱形表面30之间存在最小气隙。在一个实施方式中，磁体36完全位于孔24内，但是足够长而使得磁体36的末端端面40、42分别非常靠近定子12的端面26、28而终止。
在一个实施方式中，磁体36的键接合孔44包括筒形开口46和一对的相对的槽48、50，槽48、50从末端40延伸到磁体36中。槽48、50的尺寸设定成接纳矩形键52，矩形键52配装在穿过轴16而形成的槽54内以保持并固定磁体36与轴16的旋转位置。在一个实施方式中，轴16由伸延穿过磁体36的中心的非磁性材料构成，或者轴16具有通过槽、紧固或粘附来保持各个磁体元件所需的特征。
轴16包括第一端部56、第二端部58和肩部60。端部56、58包括各种支承部件中的任意支承部件(未示出)，这些支承部件与被紧固在端罩18、20的孔66或外壳体(未示出)的附近的相对支承特征/部件相配合以允许轴16与磁体36一起旋转。肩部60与位于端罩18的内表面处的相对支承元件接合以限制轴16延伸穿过端罩组件18的程度。如对本领域技术人员来说将是明显的，可以使用其他构型来控制轴16的范围及其旋转。
如上面所指出的，转子组件14相对于端罩18、20固定成使得磁体36可以在轴向上受限制位置中在定子12的孔24内旋转。转子组件14将保持与穿过孔24的轴线46平行以防止磁体36的外表面38与孔24的内表面30之间的接触。此外，轴16被适当地锁定以防止平行于孔24移动或移动到孔24中以及从孔24移动出去，使得磁体36保持轴向地定位在孔24内。
端罩18、20在结构上相似。在不同的实施方式中，根据本领域普通技术人员可能想要将用于轴16的支承部件如何具体地实现在相应的端罩18、20处，轴16与端罩18、20之间的接合可以稍微不同。然而，考虑到外部的相似之处，在本文中仅详细地描述端罩组件18。
端罩18包括在平面图中呈六边形的基板62，基板62具有六个一体形成的城齿部(或钉状部、突起)64A至64F，城齿部64A至64F从基板62的顶端面垂直地延伸，由此类似从基板62突出地竖立的六边形的带凹口的壁，其中，在钉状部64A至64F之间设有六个相同的凹口76。如所指出的，基板62具有构造成接纳轴16的端部56的中央开口66。此外，每个突起(钉状部)64A至64F具有均从末顶端延伸到基板62中并穿过基板62的通孔68，通孔68在端罩18安装至定子12时与定子12的端面26中的相应的螺纹孔32对准。通孔68的尺寸设定成接纳紧固件70并且包括凹部72以接纳紧固件72的头部74。
如所指出的，在每对相邻的突起64A至64F之间形成有凹口(槽道)76，凹口(槽道)76在端罩18安装至定子12时相对于定子12的相应侧面34A至34F居中地定位。相对的成对突起64A至64F的凹口76对准以便于将线圈22缠绕并保持在定子本体12上，如下面进一步描述的。
在一个实施方式中，端罩基板62和突起64A至64F由非磁性材料例如铝制成并且形成为与定子本体12的横截面相匹配。基板62的中央开口66可以在基板62的任一侧包括附加的相对孔和特征以容纳上面已提及的用于转子轴16的相对支承部件。这些支承部件与被机加工在轴16的端部56上的特征相接合，从而固定磁体36的相对于定子12的轴向位置，但是允许磁体36的自由旋转，如上面所指出的。
端罩18、20的凹口76用作三个(螺线管)线圈78的组22的容置部和导引件，由此成横列的电线围绕端罩18、20进行缠绕以平行于定子本体12的成对的相反侧面34a与34d、侧面34b与34e以及侧面34c与34f延伸并且与这些侧面相接触。因此，凹口76用于在没有附加的紧固元件情况下将线圈组22固定并保持在转子本体12的外侧上。还可以指出的是，所述六个凹口76朝向每个端罩18、20的中心会聚。在该会聚位置处，线圈78的绕组被布置成为轴16的端部部分56限定环形通道，轴16的端部部分56超出中央开口66而突出端罩18、20，以与转矩接收装置或部件联接。
如图5中最佳地示出的，在本实施方式中，线圈组22包括三个单独的螺线管线圈78。如图1中最佳地示出的，每个线圈78均围绕两个端罩18、20和定子12缠绕。线圈78围绕定子12的一组平行侧面34A至34F从端罩18至端罩20重复地缠绕。线圈78被布线成穿过端罩18上的相对的凹口76，沿定子12的一个侧面34A至34F的中心线向下，穿过位于轴向上相反的端罩20上的相应的相对凹口76并且沿定子12的相反的平行侧面34A至34F的中心向上。通过这种定位，一系列的三个相似的矩形线圈78以关于定子12的中心轴线46在径向上且成角度地对称的方式围绕定子12和端罩18、20进行缠绕。虽然各个绕组可以如在常规电动马达中那样被适当地隔离，但是矩形线圈78将与定子的外部平面34A至34F接触，由此改善感应磁场(B场)与定子本体12的耦合，如下面所指出的。
为了使上述马达/致动器10操作，本领域技术人员将知道向线圈78选择性地施加电流。向线圈78中的每个线圈施加电流在由相关线圈78围封的空间内引起磁场(被指示为B场)。由于线圈78围绕整个定子12进行缠绕，因此B场还在取决于三个线圈78中的哪个线圈被激励以及在激励线圈内的电流的方向的特定方向上使定子12磁化。假定磁体36自由旋转，除了线圈78的感应B场之外，定子12的磁化还在孔24中的磁体36上产生磁性转矩，只要直径上磁化的永磁体36的永久磁场(指示为H场)的矢量不与激励线圈78的B场矢量对准即可，从而使磁体36与轴16一起围绕轴线46旋转以争取使转子14的H场矢量与定子线圈78的占优势的B场矢量对准。
随着磁体36从静止位置开始旋转，周缘上连续的线圈78至用于启动转子旋转的线圈可以按顺序被激励，因而还改变定子本体12的磁化方向。因此，当通过按给定顺序对线圈78充电来改变定子12的磁化方向时，磁体36可以被持续拉动而围绕轴线46旋转。
线圈78可以以多种方式按顺序排列(即激励)——在旋转进行中每次可以对一个线圈78进行充电，从而引起磁体36的连续运动。替代性地，可以沿相反方向对线圈78充电以增强定子12内的磁场并增大磁体36上的力。
本领域技术人员认识到激励无槽无刷直流马达中的螺线管线圈78的各种模式以及可以用于(例如，作为旋转伺服致动器、步进马达等)实现不同操作模式的控制器，并且对于更进一步的细节，本领域技术人员参考相关的标准文献。
尽管已经参照示例性设计对本发明进行了描述，但本发明可以在本公开的精神和范围内进一步修改。因此，本申请意在涵盖使用了本发明的一般原理实现的本发明的任何变型、用途或改型。此外，本申请意在涵盖落入本发明所属领域中的已知或惯用的实践内且落入所附权利要求的限制内的、相对于本公开的这种背离。

Claims (11)

1.一种转矩传递装置，包括：具有多边形横截面的定子本体，所述定子本体具有在相反的轴向端面之间延伸的成偶数个的多个外侧面，所述定子包括筒形孔，所述筒形孔在相反的所述轴向端面之间延伸并且以所述定子本体的中心轴线为中心；具有筒形横截面的转子组件，所述转子组件的尺寸设定成使所述转子组件在所述筒形孔内绕所述中心轴线旋转，并且所述转子组件包括轴和至少一个永磁体，所述轴联接至所述磁体以与所述磁体一起绕所述中心轴线旋转；以及多个螺线管线圈，每个线圈均具有多个绕组并且布线成具有沿着所述多个外侧面中的相反的外侧面平行地延伸的部段；其中，所述多个线圈中的每个线圈均构造成选择性地接收电流并且在所述定子中产生磁场，所述磁场被施加至转子的磁体，所述转子在所述筒形孔内经受磁转矩以使所述永磁体的磁场旋转并与所产生的磁场对准。
2.根据权利要求1所述的转矩传递装置，其中，所述转子包括所述轴以及一个或更多个直径上极化的筒形永磁体，所述一个或更多个直径上极化的筒形永磁体优选地由稀土类型的材料、比如NdFeB或SMCo制成。
3.根据权利要求2所述的转矩传递装置，其中，所述磁体包括键接合的中央开口，所述中央开口构造成接纳联接至所述轴的键以将所述轴联接成与所述磁体一起旋转。
4.根据权利要求1所述的转矩传递装置，还包括第一端罩和第二端罩，所述第一端罩联接至所述定子本体的所述轴向端面中的第一轴向端面，所述第二端罩联接至所述定子本体的所述轴向端面中的第二轴向端面，所述第一端罩和所述第二端罩中的每一者均具有与所述定子本体的横截面相等或类似的多边形覆盖区并且均包括具有凹口的带凹口多边形壁，所述凹口在所述多个线圈绕所述定子本体和两个端罩缠绕时接纳所述多个线圈并且对所述多个线圈进行定位。
5.根据权利要求1所述的转矩传递装置，还包括控制器，所述控制器设置成用于绕所述定子本体的外周按顺序激励所述多个线圈以使所述转子在所述定子内进行连续的旋转运动。
6.根据权利要求5所述的转矩传递装置，其中，所述控制器还配置成(通过向后的电流或向前的电流)将所述线圈中的一个或更多个线圈选择性地完全激励及完全去除激励以将所述转子嵌合到所述定子内的有限数目的旋转位置中。
7.根据权利要求5所述的转矩传递装置，其中，所述控制器还配置为成比例地控制向所述线圈的电力供应。
8.根据权利要求1所述的转矩传递装置，其中，所述定子本体由铁磁钢制成。
9.根据权利要求4所述的转矩传递装置，其中，所述端罩由非磁性材料、特别是铝制成。
10.一种无槽无刷直流型马达，包括根据权利要求1至9中的任一项所述的转矩传递装置。
11.一种旋转致动器或旋转致动器，包括根据权利要求1至9中的任一项所述的转矩传递装置。
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