電機及製造方法

2023-05-08 16:45:51 1

專利名稱：電機及製造方法
技術領域：
本發明涉及電機，如電動機、發電機以及同時具有電動機和發電 機功能的電才幾。本發明還教導了製造和裝配這些電機的方法。
背景技術：
存在各種類型的傳統電機，其中包括電動機、發電機以及同時具 有電動才幾和發電機功能的電機。採用各種公知的工程和控制原理對這 些傳統電機進行設計和控制。傳統電動機包括由交流電(AC)激勵的 電動^/L和由直流電(DC)激勵的電動^/L。 一些示例性的現有淨支術的電 才幾包括交流感應電動才幾、》茲阻電動才幾、直流電刷電動衝幾和無刷交流永 磁同步電動機。通常，對傳統電機進行適當的電機控制，即可使其既 可作為電動機運轉，也可作為發電機運轉。
傳統電^幾典型地包括活動部分(通常稱為轉子)和固定部分(通 常稱為定子)。傳統轉子可採用本領域的公知技術形成。兩種傳統轉子 設計包括導線鼠籠式轉子(如交流感應電動機的轉子)和多個永磁體 形成的轉子(如無刷交流永磁同步電動機的轉子)。傳統定子包括多個 通常被稱為極的元件。傳統定子可採用本領域的公知技術形成。定子 極的端部常常被稱為極面。相鄰極的極面通過空氣隙彼此隔開。成形 為金屬線(通常被稱為線圈)的導電材料纏繞於各個極上。線圏具有 外部絕緣材料，其使得電流流過線圈而不會在通過線圈時發生短路。
傳統電機由電機控制器操作。傳統的控制器採用本領域公知的工 程和控制原理進行設計和操作。傳統上，電機線圈通過公知的設計和
技術與控制器電連接。控制器也電連接至電源和用戶輸入。控制器允 許線圈可選擇地由來自電源的電流激勵。電流以受控制的方向和大小 從電源流向線圈。按照公知的工程原理，當電流繞定子極的線圈流動 時，會產生電；茲場。在定子的極面上會產生臨時的電；茲場。；茲場強度 取決於定子的材料、線圈的數量和性質以及電流的大小。如果流向線 圏的電流的方向顛倒，則磁場的磁極方向也將顛倒(如，從北極變為 南極)。如果從線圏中去除電流，則電磁場終止。因此定子極/磁場是臨 時的，並且常糹皮稱為電》茲體或軟石茲體。
改進的控制、電子硬體、數位訊號處理器(計算機)和軟體已允 許電機更有效地操作，例如，通過使用電子控制的脈衝激勵線圈。這 些傳統技術允許靈活地控制和高效地操縱電機。典型的控制技術包括 控制來自於電源的電流的大小。此外， 一些傳統的控制方法操縱電流 的以下特性中的一個或多個流向、形態、幅度、脈沖寬度、佔空因 數等。通過將這種先進的電流控制技術應用於電機上，可提高電機的 性能和效率。然而，現有技術中不能滿足具有改進的結構配置、設計、 製造和裝配方法的電機的需要。

發明內容
本申請中描述的發明通過教導一種改進的電機設計、電機結構及 裝配或製造方法，克服了現有技術中的上述缺陷。本發明的優點，至 少部分是通過開發用於將機器保持在框架上(例如將定子保持於自行 車上)的輪轂來實現的。在電機的一個發明實施方案中，電機包括由 空氣隙隔開的轉子和定子。轉子示例性地包括多個被稱作永磁體或硬 石茲體的^茲才及。所述;茲體以4及性交替的方式布置，並且與相對的定子之 間存在空氣隙。定子包括纏繞有導體線圏的多個極，其被稱作電磁體 或軟磁體。控制器與線圏電連接。控制器控制電流流入定子線圈。轉 子和定子通過電磁力相互作用。轉子、定子和控制器位於具有中心孔 的同一殼體內。控制器與電源電連接。輪轂固定於定子上，並至少部 分地位於殼體內部。
對本領域:汰術人員而言，從本發明的詳細描述和附圖中，本文描
述的本發明其它優點將非常明顯。僅僅示出和描述了本發明示例性的 實施方案，這些方案說明了發明人預期的實施本發明的最佳模式。本 領域技術人員應當理解，本發明可有一個或多個其它的實施方案。另 外，在本發明的範圍內，本文描述的一個或多個元件可以變更。描述 和附圖應認為是說明最佳模式，而不是不必要地限制本發明的範圍。


結合

本發明的示例性實施方案。說明是示例性的，並且 是用來教導本發明的。除非特別指出，典型的實施方案不是用來限制 本發明的範圍。附圖中標註了標號，以指明本發明的各種元件，並協 助讀者理解本發明。
圖1是按照本發明的電機的示例性實施方案的透視圖2是圖1的立體分解圖3是示例性的殼體的透視圖4是與圖3相反的透視圖5是示例性的磁體的透視圖6是示例性的背鐵的透視圖7是示例性的磁體保持設備的透視圖8是隔離器的透視圖9是圖8的側視圖IO是示例性的殼體蓋的透視圖11是圖10的側^L圖12示出了按照本發明形成的示例性的定子疊片；
圖13示出了按照本發明形成的示例性的定子；
圖14是圖13的側—見圖15是示例性的定子繞線架的透視圖16是與圖15相反的透視圖17是按照本發明纏繞有線圈的示例性的定子極；
圖18是按照本發明的示例性的定子輪穀的透視圖19是與圖18相反的透視圖20是沿圖19的20-20線的剖視圖21是按照本發明的固定於輪轂上的定子的透視圖，輪轂上具有
電機控制器；
圖22是圖21的電機控制器的相反側的透視圖23是按照本發明的示例性的位置傳感器防護裝置的透視圖24是按照本發明的示例性的電子裝配保持裝置的透視圖25是按照本發明的示例性的磁體指示器環的透視圖26是按照本發明的示例性的電機安裝設備的透視圖27是按照本發明的電機的使用示例平面圖28是按照本發明的電機的另 一種使用示例的平面圖29是按照本發明用於將電機固定於車輪上的示例性設備的透
視圖30是圖29的設備的示例性的可拆卸部分的透視圖31是按照本發明的圖29的設備的開口側的示例性蓋體的透視
圖32是圖31所示蓋體的側視圖33是按照本發明的電機的示例性控制器配置的方框設計圖； 圖34是示例性電連接的透視圖。
具體實施例方式
圖1是在本申請中描述的按照本發明的電機100的透視圖，圖2 是圖l的分解圖。電機100示例性地包括三個說明性的部分轉子10 (可由包括電機殼體在內的多個元件構成)，定子60、電機控制器80、 4侖轂110和蓋體18。可以理解，每個說明性的部分可包括一個以上的 零件或元件。示例性的輪轂ll(H皮示出固定於定子60上。圖3-26更 詳細地示出了用於形成電才幾100的單個元件。為了簡化"i兌明，對理解 本發明不是必須的元件(如螺釘、緊固件、重複的元件等)並未示出。
轉子IO是電機IOO的轉動部分。本文使用的術語"轉子"通常是 指所有轉動的電機元件，包括下述可選的殼體。定子60是電機的固定 部分，不會相對於轉子IO轉動。本文使用的術語"定子"通常是指相
對於轉子固定的所有電才幾元件。電^L 100示例性地固定於才幾架(如電
動車輛，參見圖27-28 )或固定設備(如洗衣機(未示出)或其它工業 機器上(未示出))上。
除非明確地說明，本文使用並貫穿說明書和權利要求書全文以描 述本發明的術語"電才幾100"，不應當理解為以任何方式限制本發明， 術語"電機"是指採用本領域公知的電動機控制技術的可作為電動機、 發電才幾或既作為電動4幾，又作為發電4幾運轉的積4成i殳備。作為電動才幾， 電機100將電能轉化為機械能，例如，將來自電池的電流傳輸至電機 控制器、再傳輸至定子，以通過電磁力使轉子IO轉動。作為發電機， 電機100通過電；茲力將機械能轉化為電能，例如，通過轉動的轉子， 在定子中產生電流，通過電機控制器向與電機電連接的電池充電。理 想地，採用公知的電機控制器80和工程技術，電機100可以在某些情 況作為電動機，而在另一些情況下作為發電機。
在第一示例性的使用實施方案中，採用本領域公知的技術，將電 機100作為電動機操作。電機轉子10固定於輪子240上(圖27-28)。 輪子240固定於車輛200、 300或車架上。電機100將來自電池的電能 轉化為機械能，以使轉子10轉動。轉子IO將轉動的機械能傳遞至輪 子，從而採用本領域公知的技術驅動車輛。
在第二示例性的使用實施方案中，採用本領域公知的技術，將同 一電機IOO作為發電機操作。電機轉子10固定於輪子上。輪子固定於 車輛或車架上。電機IOO將來自輪子的轉動能轉化為電能。在一個示 例性的方法中，操作者向電機控制器80發出信號，以通過產生例如操 作或操縱機械式摩擦制動器的信號而發電。當操作者應用摩擦制動器 時，電機控制器80調節電機的運轉，以便以電磁方式阻止輪子的轉動， 從而採用本領域/>知的^支術產生電流。電流通常供應給電池或其它合 適的設備。這種由電磁力產生電的方式通常被稱作"再生"。在另一種 示例性的方法中，當電動自行車或小型摩託車的操作者釋放電機的節 流閥(throttle)時可以進4亍再生。由轉動的轉子10和固定的定子60 之間的電^茲相互作用產生的後電磁力("EMF")可採用本領域公知的 技術通過電機控制器80轉化為電能。
示例性的電才幾100可固定至<壬<可適當的電源(未示出)，例如一個 或多個電池或固定的插座(例如普通的工業或住宅插座)。在典型的車 輛應用中，電源為多個電池，例如，由下列一種或多種化學物質製成 的電池鋰離子、鋰聚合物、鎳金屬氬化物或鉛酸電池。在其它的應 用中，電源可以是電池和一個或多個發電機的組合。當發電機由內燃 機驅動時，其通常被稱為"混合"結構，因為這種電機的電源既可以 來自電池，也可以來自發電機。無論是什麼電源，應當理解，採用本 領域公知技術，將機械能/電能轉化成適當的形式，如從直流電轉化為 交流電都是可能的，反之亦然。
在下面的描述中，術語"轉子"是指多個相互固定或支撐並在電
機操作過程中轉動的元件，包括殼體20、蓋體18、背鐵(backiron) 30、 ^茲體37和轉子隔離器50。圖3和4示出了示例性的殼體20。圖 中示出了殼體20和具有中心孔16的示例性的部分封閉的側面14。示 例性的輪緣23被示出固定於環繞中心孔16的殼體20上。應當理解， 輪緣23也可包括一個或多個公知的支撐結構。多個示例性的蓋體保持 元件22被示出位於殼體20的周邊。所述保持元件保持轉子隔離器50 和蓋體18,以封住位於周邊12暴露端的殼體的開口側。多個示例性 的電才幾安裝結構24 (示出為孔) 一皮示出位於殼體20的部分封閉側面 14的外部邊界。多個示例性的強度元件26被示出沿著殼體20的封閉 表面設置。這些元件26增加了殼體20的強度，並.且也有助於電機運 轉過程中的散熱。在示例性的實施方案中，強度元件26從殼體20的 表面伸出，以增加與周圍空氣的接觸。
應當理解，可採用公知技術在殼體20上形成任何合適的保持元件 22、安裝結構24或強度元件26。在示例性的實施方案中，殼體由重 量輕但堅硬的金屬(如鋁)形成，但任何合適的材料均可採用。在示 例性的製造方法中，殼體20由公知的衝壓或鑄造工藝成形。在另一種 示例性的方法中，輪緣23作為獨立的零件鑄造或衝壓，並採用本領域 公知的技術固定於表面14上。在另一種示例性的方法中，轉動支撐設 備固定於輪緣23。
圖5示出了示例性的；茲體37，其通常^^稱為永,茲體。示例性的》茲 體包括NdFeB石茲體或其它合適的磁性材料。所述石茲體具有第一側38 和第二側39。磁體37具有在徑向從一側38指向另一側39的磁極性。 圖6示出了示例性的背鐵架30 (通常稱之為背鐵)。磁體37採用本領 域公知的技術，沿內周邊34以北極或南極磁極性交替的方式固定於背 鐵30上。背鐵30集中或增強磁體37的磁場。在示例性的方法中，磁 體37沿背鐵架30的內側定位，各磁體37之間存在物理間隔。背鐵架 30示例性地包括4交正和間隔導槽36，以Y更於放置》茲體37。此外，還 示出了沿背鐵架30外周邊的一個或多個示例性的保持輔助器件或結 構部件32。通常，轉子可僅包括磁體37和背鐵30。轉子IO進一步形 成這樣的尺寸磁體37與定子60由空氣隙隔開。保持緊密的空氣隙 公差對最佳的電機操作來說是非常重要的。圖中示出了 20個磁極。在 示例性的實施方案中，磁極數等於10n，其中n是大於0的任意整數， 例如，10、 20、 30、 40個;茲極等。
圖7示出了具有中心孔41的示例性的》茲體護圈40。護圈40位於 磁體37的內周邊上，並使磁體37保持頂靠背鐵30。示例性的保持元 件42或輪緣或凸緣被示出與殼體20或背鐵30對準。應當理解，背鐵 30、；茲體37、護圈40可具有多種幾何形狀、》茲場性質，並且為了工 程、便於製造、生產成本和電機性能而可以採用公知技術對其進行改 變。
圖8和9示出了示例性的電動機殼體隔離器50。隔離器50可由 任何合適的材料製造，如鋁或塑料。可通過壓鑄方法，採用本領域公 知的技術，以示例性的整片或多片方式製造隔離器50。示出了示例性 的引導銷56，還示出了示例性的缺口 54和局部開口 52。隔離器50 允許電機蓋18示例性地固定於電機殼體20上而不破壞轉子IO或定子 60。應當理解，隔離器50可配置成多種方案，甚至對於某些取決於轉 子和殼體設計的電機實施方案來說可能並不需要隔離器50。也應當理 解，殼體隔離器50可僅位於殼體20的一側。本領域技術人員應當理 解，理想狀態下隔離器50僅相對於電機殼體20移動。
圖10和圖11示出了用於殼體20的示例性的蓋體18。蓋體18具 有與殼體的中心孔16對準的中心孔17。類似於上面關於殼體20的描
述，蓋體18也可具有多個保持元件19、強度元件26和輪緣結構23。 蓋體18可採用本領域公知的技術，由各種材料，以各種幾何形狀製成。 蓋體18可通過在隔離器50中示出的局部開口 52固定於殼體20上。
也可能在某些實施方案中(未示出)，轉子10和殼體20由多個單 獨的元件或部件形成，並可組裝成電機的一個完整的被稱為轉子的子 組件。在示例性的實施方案中，轉子具有至少一個部分封閉的側面14 和至少一個部分開口的側面。如圖27-28示例性示出的那樣，人們相 信該實施方案能為輪內(in-wheel)車輛應用提供堅固的結構。在這種 配置中，可採用本領域公知的技術將蓋體18固定於轉子開口側面的上 方，從而基本覆蓋定子的兩側。示例性地示出了轉子10和蓋體18中 的中心孔16、 17。在第二種實施方案(未示出)中，轉子10可成形 為兩側都有開口的環形，並且每側都有蓋體18。定子60位於殼體20 的內部，這一點將在下面進行充分的描述。
圖12示出了用於形成圖13的定子60的示例性的方法。採用本領 域公知的技術，由電爐鋼或其它類似材料形成層狀的定子疊片61。示 例性的定子疊片61為具有中心孔65的環形。在內周邊上成形有多個 示例性的保持元件64,以附接輪轂80。輪轂80將在圖18-19中示出。 沿定子疊片61外周邊形成有單獨的槽或定子極66。定子疊片61的外 周邊包括多個極面53。極面通常比槽的主要部分寬。相鄰的極面63 由空氣隙62隔開。電機IOO被示出具有24個極。，在示例性的實施方 案中，定子極的數量等於12n,其中n為大於0的任意整數，例如， 12、 24、 36、 48個極等。
圖13示出了示例性的定子60，定子60是採用本領域公知的技術 通過將多個定子疊片61相互固定而形成的。定子疊片61的示例性材 料具有位於定子疊片61各側的電磁絕緣塗層，以便將磁場引導至各個 定子疊片61的槽面63。
圖14示出了相互固定的多個定子疊片61,從而形成厚度為N的 定子，其中N為所採用的定子疊片61的數量。圖12-14中示出的定子 60提供了 一項電機製造優點僅僅通過增加或減少用於滿足預期性能 和製造成本要求的定子疊片61的數量N,即可用同樣尺寸的定子疊片
61形成各種功率、重量或尺寸要求的電機。因此可用普通疊片61構
建各種電才幾100。應當理解，可以改變其它因素，例如定子疊片61的 直徑、槽66和極面的形狀等，以採用該項技術設計和製造出各種電機。
圖15和16示出了示例性的繞線架57,繞線架57固定於定子60 的外周邊。繞線架57使環繞定子極66的導線的纏繞更方便。繞線架 57的外表面被示出具有示例性的導線支架58。繞線架的內表面被示出 具有示例性的保持元件59。保持元件59將繞線架57與定子60固定 並與之對準。繞線架57可由任何合適的非導電材料構成，並可採用本 領域公知的技術固定於定子60和線圈上。
圖17示出了示例性的纏繞有被稱作線圈的導線68的定子極66。 線圏68上覆蓋有絕緣材料，因而電流以受控制的方向，沿著環繞極 66的圓形路徑而非短路的路徑流過線圈。為便於理解，僅示出了單個 定子66，並省略了繞線架57。線圏68通常不延伸至極面63，而是僅 在如虛線67下方的區域所示的極的主要部分上，位於極面63下方。 應當理解，極的尺寸(寬度w和高度h等)是可以改變的。此外，可 採用本領域公知的技術和工程原理改變極面63的形狀，以滿足所需的 電機性能和成本規範。
圖18-20示出了用於將電機固定於另一設備(如車輛，圖27-28) 上的示例性的輪轂110。在示例性的設計中，輪穀110由非鐵磁材料
示例性的輪轂110由具有良好導熱性的材料形成。輪轂IIO被示出具 有示例性的保持裝置116、 117，例如用於將其固定於定子60的螺釘 或螺栓孔。示出了示例性的中心軸112，其對於車輛應用來說是非常 有益的。中心軸112示例性地具有一個或多個空腔或缺口 121，以允 許容易沿中心軸112的側面固定電纜(未示出)。在第一輪轂側面，設 有兩個示例性的散熱片113。如果散熱片113位於電機100的內部， 則其被示例性地定位成可從控制器80有效地散出熱量。在第二側面， 設有各種散熱結構119。通常，可採用以任意數量組合的任何散熱結 構或技術，例如在保持期望的外徑的同時增加中心軸112的總的表面 積。所示輪轂的中心軸112在理想情況下是與殼體的孔16、定子的孔 65、蓋體的孔17和控制器的孔91對準的。還示出了中心軸112的示 意性的中空區域122。
圖21中示出，輪轂110固定於定子60上，而示例性的電機控制 器80環繞中心軸112。應當理解，控制器80也可位於電才幾100的外 部(未示出該實施方案)。控制器的第一側面是可見的，其上安裝有位 置傳感器82。
圖22示出了按照本發明的用於電機100的第一示例性的控制器 80。本領域技術人員應當理解，控制器可以有多種可能的結構。控制 器被示出採用本領域公知的技術部分地形成於印刷電路板(PCB) 81 上。該板具有示例性的中心孔91，以允許其套在中心軸112上。示例 性的電子裝配元件包括MOSFETS 86、電容85和位置傳感器82。還 示出了示例性的外部電纜83。 MOSFETS是控制器80的主要的熱量產 生來源。位於輪轂110上的散熱片被設計成與控制器80的熱量產生元 件對準，以便進行有效的散熱，從而提高電機的性能。
圖23示出了示例性的位置傳感器防護裝置82。該防護裝置包括 多個腔93,腔93允許霍耳效應裝置(未示出)放入其內，以進行保 護。對無刷交流永磁體同步電動機而言，霍耳效應傳感器(由轉子的 永磁體的運動觸發)提供了與線圈的激勵同步的有效手段。可選的位 置傳感器為一種光學設備，其檢測轉子、蓋體或附接在轉子上的機械
現成可用的位置傳感器而工作。
圖24示出了用於固定控制器80的一個或多個MOSFETS 86的設 備87。設備87固定於板81上。該設備使得MOSFETS 86位於直接的 熱通道上，同時散熱片元件位於輪轂110上。
圖25示出了示例性的指示器磁環94。磁環94示例性地固定於蓋 體18上。》茲環94^皮示出具有環形形狀。/磁環94具有同等悽丈量的北核^ 96和南極97的極性區域，並且這一數量與轉子磁體的數量和位置相 等。磁環94也採用公知的技術進行調準。石茲環94是該結構的 一項優 點，因為它給磁體定位提供更好的位置信號，儘管其距離位置傳感器 82要近得多。
圖26示出了將電機100固定於框架(如輕便電動車200)上的示 例性的扭杆400。示例性的扭杆400具有至少一個保持結構410,用於 將第一端固定於框架上。第二保持結構420被配置用來將424固定於 電機上，以防止在車輛運轉過程中電機轉動。扭杆400具有擴口區域 (flared area) 422 ，以允許電機的電源線可方便地通過該扭杆插入。
圖27-28示出了示例性的輕便電動車200(如電動自行車或小型摩 託車)中的電機IOO。該電動車具有框架280、座位270、把手275、 固定於電機100上的兩個輪胎240以及電源210。該電動車具有節流 閥220和顯示器276,以控制電機100和電源210。應當理解，電機 100能夠補充像腳踏板250和鏈條260那樣的人力能源系統、乃至內 燃才幾。電機100可通過任何適當的互連結構和軸承(如自由飛4侖、齒 輪等)與車輛或機器耦合。軸可固定於轉子上也在本發明之內。
圖28示出了示例性的輕便電動車300 (如電動小型摩託車或包括 內燃機的混合電動小型摩託車)中的電機100。該電動車包括框架380、 座位330、把手340 (節流閥未示出)和兩輪胎310。電機100通過懸 臂320固定於輪胎310和電源上。該電動車具有節流閥(未示出)和 顯示器(未示出)，以控制電機100和電源。應當理解，電機100可單 獨為車輛提供動力或者補充混合配置中的內燃機。而且，該電動車可 在一個輪子或兩個輪子上具有電機100。
圖29-30示出了用於將電機100固定於車輪上的示例性的設備 500、 510。圖中示出了電機100的安裝設備500。設備500的一側具 有凸緣504，而另一側是平坦的，並具有示例性的輪緣506。設備500 為具有中心孔502的環形。電機100在輪緣506 —側放置於安裝設備 500內部，與凸緣504相對。圖29示出了位於輪緣506 —側與凸緣504 相對的安裝設備500。圖29示出了具有凸緣514的安裝設備500的蓋 體510。電機100可容易地從車4侖組件(未示出)上拆下，以便進4亍 維修或更換。另外，採用設備500、 510可以將電機100固定於除車輪 之外的更廣範圍的設備上。示出的實施方案僅僅是示例性的。利用本 領域公知的技術，可採用輻條(未示出)或其它合適的裝置將所述安 裝設備的部件507固定於車胎的輪緣上。圖31-32示出了示例性的蓋體530，蓋體530可與圖29-30所示的 安裝設備500 —起使用。蓋體530可放置在電機和安裝設備凸緣504、 514之間，以至少部分地覆蓋中心孔502。蓋體530可用於定製所需要 的不同的顏色方案、圖案或標記532和商標的電動;f幾。蓋體530示例 性地具有中心孔，以安裝在輪轂中心軸112的一些部分上。
圖33是示出控制器80的示例性元件及其與電機100、電源和車 輛部件電連接的方框圖。在第一示例性的結構中，控制器80的所有元 件位於殼體20的內部。然而，在其它實施方案中，所述元件中的一個 或多個也可位於電機殼體的外部。下面描述各主要元件。本領域技術
人員應當理解，也可使用各種替換的電子元件，以實現基本相同的功
沐 目匕。
圖中示出，示例性的數字通訊接口 601將輸入命令608傳送至悽丈 字信號處理器(DSP )603。該通訊協議可由單個或多個協議(如RS485、 12C、 CAN、 RS232等)組成。這些在本領域內都是/>知的。
還示出了示例性的模擬多路復用器602，其用於一個或多個模擬 或數字輸入。該多路復用器可降低控制器80的成本。數字控制器由於 增加了輸入和輸出埠的數量，因而增加了成本和尺寸。作為一種選 擇，可以使用模擬多路復用器。模擬多路復用器602可用於數字或模 擬輸入、或者模擬與數字結合輸入。在示例性的結構中，模擬多路復 用器602可由一種結構中的DSP 603直接控制，從而一次向DSP 603 傳輸一個輸入(來自多個數字或模擬輸入)。
控制器的DSP 603起到電機的主要處理元件的作用。示例性的 DSP 603包4舌Texas Instruments的TMS320LF2401A、 Microchip的孩吏 控制器PIC 16F873或ON Semi的MC33033或任何其它合適的DSP。 示例性的DSP具有輸出開關模式的脈寬調製信號和/或接收許多數字 輸入和/或模擬輸入和/或數字輸出的能力。
還示出了示例性的功率處理模塊604。在某些工業參考文獻中它 也被稱為功率放大器。模塊604通常放大DSP的PWM信號，以向線 圈提供合適的電流。典型的功率處理模塊604可由例如金屬氧化物半 導體場效應電晶體(MOSFETs)的元件組成。MOSFET應以與DSP 603
的PWM輸出相同的速率切換。
儘管本說明書全文所示的電機100是作為無刷交流永i茲電動機而
進行示例性地描述的，但圖33所示的控制器80也可用於直流電刷電 動機。對無刷電動機而言，相數可以為n,其中n總是大於l， n可以 為2、 3、 4、 5、 6、 7等。無刷交流電動機的反電動勢具有正弦曲線形 狀。直流電刷電動機的反電動勢具有梯形形狀。
還示出了示例性的電機傳感器606,其典型地為溫度傳感器。傳 感器606典型地監控電機的一個或多個運轉因素，例如它的運轉溫度。 傳感器606傳遞信號至DSP 603。在示例性的結構中，傳感器測量溫 度。對於相數等於n的交流無刷永磁電動機而言，溫度傳感器的個數 K才要照下列等式確定的值^是供k = n-l。因此對於3相電動才幾而言， 應當有3-1= 2個溫度傳感器。對於相數為n的直流無刷電機而言，k 應當等於2。對直流電刷電動機而言，k應當等於l。位置或速度傳感 器607與上述傳感器類似。
還示出了用於電機的示例性的輸入命令608 。輸入命令可以是位 置命令、速度命令、或扭矩命令。事實上，該命令可以是模擬或數字 命令。示出的示例性的電源609可以是直流電源(如電池)或任何合 適電壓的交流電源。
圖34示出了電機100的電相位的示例性的導線結構。示出的結構 用於三相電動機、或者電極數等於3的整數倍的電動機。
在本發明的詳細描述中，僅僅示出和描述了本發明示例性的實施 方案和它的優點的一些例子。應當理解，本發明可用於各種組合和環 境中，並可在本文描述的本發明範圍內變換和改進。
權利要求
1.一種電機，包括轉子，其中所述轉子包括多個極性交替的磁體；定子，其中所述定子包括多個纏繞有導電線圈的極，其中所述轉子和定子由空氣隙隔開；控制器，其中所述控制器與所述定子的線圈電連接，並且其中所述控制器進一步包括控制所述電機運轉的軟體編碼。
2. 根據權利要求1所述的電機，還包括電源，其中所述控制器與 所述電源電連接。
3. 根據權利要求3所述的電機，其中所述電源是從電池、發電機 和固定電網中選擇的至少一種。
4. 根據權利要求1所述的電機，還包括輪轂，其中所述輪敎與所 述定子相互固定。
5. 根據權利要求2所述的電機，其中所述定子和所述轉子成形為 環形。
6. 根據權利要求1所述的電機，所述定子、所述轉子和所述控制 器位於殼體內。
7. 根據權利要求6所述的電機，其中所述輪穀的至少某一部分位 於所述電機的殼體內。
8. 根據權利要求1所述的電機，其中所述磁體為永磁體。
9. 根據權利要求1所述的電機，其中所述磁體是不彎曲的。
10. 根據權利要求1所述的電機，其中所述控制器可使所述電機 作為電動機和發電才幾運轉。
11. 根據權利要求1所述的電機，其中所述磁體在空氣隙一側具 有一個石茲極，而在相對的一側具有與之相對的一個;茲極，從而在徑向 形成;茲4及定<立。
12. 根據權利要求1所述的電機，其中所述定子的極具有基本垂 直於所述轉子;茲體的極面。
13. 根據權利要求12所述的電機，其中相鄰的極面由空氣隙彼此隔開。
14. 根據權利要求1所述的電機，還包括殼體，所述殼體為環形， 並且具有至少一個開口的側面。
15. 根據權利要求1所述的電機，其中所述殼體具有一個開口的 側面和 一 個部分去於閉的側面。
16. 根據權利要求15所述的電機，其中所述部分封閉的側面具有 至少一個中心孔。
17. 根據權利要求16所述的電機，其中至少一個輪緣部分地環繞 所述中心孔。
18. 根據權利要求1所述的電機，其中所述磁體至少部分地固定 於背鐵的內周邊。
19. 根據權利要求1所述的電機，其中所述背鐵具有防止相鄰的磁體相互接觸的元件。
20.(刪除首次列出的權利要求20 )20. 根據權利要求1所述的電機，還包括位於所述空氣隙和所述磁體之間的磁體保持裝置，其中所述磁體保持裝置中的至少某一部分 環繞所述磁體的某 一 軸向部分延伸。
21. 根據權利要求20所述的電機，其中所述磁體保持裝置的內徑小於所述背鐵。
22. 根據權利要求4所述的電機，其中所述輪轂具有中心軸，所 述中心軸具有中心孔。
23. 根據權利要求22所述的電機，其中所述中心軸具有用於至少 一根電纜的至少一個周邊結構。
24. 根據權利要求1所述的電機，其中所述控制器還包括多個霍 耳效應位置傳感器。
25. 根據權利要求2所述的電機，其中所述控制器形成於印刷電 路板上，其中所述印刷電路板具有中心孔，所述中心孔具有適於套在 所述輪轂的所述中心軸上的尺寸。
26. 根據權利要求24所述的電機，還包括霍耳傳感器防護裝置。
27. 根據權利要求26所述的電機，其中所述霍耳傳感器防護裝置具有用於每一所述霍耳傳感器的保護結構。
28. 根據權利要求27所述的電機，其中所述保護結構包括允許裝配者檢驗所述霍耳傳感器的定位和布置的檢驗元件。
29. 根據權利要求1所述的電機，其中所述控制器包括一個或多 個電子元件保持設備。
30. 根據權利要求29所述的電機，其中所述電子元件保持設備固 定於所述電路板上。
31. 根據權利要求30所述的電機，所述電子元件保持設備的尺寸 適於使至少一個所述電子元件保持設備固定在所述印刷電路板上。
32. 根據權利要求4所述的電機，其中所述輪轂在至少一側包括 至少一個散熱片結構。
33. 根據權利要求32所述的電機，其中所述輪轂的所述至少一個 散熱片結構的尺寸和定位使其能夠與所述控制器的至少一個電子元件 形成面接觸。
34. 根據權利要求1所述的電機，還包括至少一個操作者輸入設備。
35. 根據權利要求1所述的電機，還包括至少一個操作者顯示器。
36. 根據權利要求4所述的電機，還包括至少一個扭杆，所述扭 杆的定位和尺寸使其能夠保持所述輪轂的至少 一個側面。
37. 根據權利要求1所述的電機，其中所述殼體的輪緣還包括轉 動軸承裝置。
38. 根據權利要求1所述的電機，還包括磁體指示器，所述磁體指示器為環形的，並具有小於所述轉子的磁體的直徑。
39. 根據權利要求4所述的電機，其中所述磁體指示器具有大於 所述輪敎的中心軸的直徑。
40. 根據權利要求39所述的電機，其中所述磁體指示器的尺寸使 其能夠與所述位置傳感器對準。
41. 根據權利要求39所述的電機，其中所述磁體指示器固定於所 述電才幾的蓋體上。
42. 根據權利要求39所述的電機，其中所述磁體指示器具有至少 一個對準結構，以便將所述轉子的磁體的極性與所述磁體指示器的極 性對準。
43. 根據權利要求1所述的電機，其中所述磁體為線性的。
44. 根據權利要求19所述的電機，其中所述背鐵包括形狀和尺寸 與所述》茲體的形狀和尺寸相配的線性表面。
45. 根據權利要求7所述的電機，還包括固定於所述殼體的所述 開口端的隔離器。
46. 根據權利要求45所述的電機，其中所述蓋體至少部分地固定 至所述隔離器。
47. 根據權利要求45所述的電機，其中所述隔離器包括至少一個 殼體對準結構。
48. 根據權利要求6所述的電機，其中所述蓋體包括至少一個輪
49. 根據權利要求48所述的電機，其中所述蓋體的所述輪緣包括 支撐設備。
50. 根據權利要求1所述的電機，其中所述定子還包括位於其各 個側面的繞線架。
51. 根據權利要求34所述的電機，其中所述控制器與電源和所述 操作者輸入設備電連接。
52. 根據權利要求7所述的電機，其中所述殼體包括一個或多個 強度結構。
53. 根據權利要求1所述的電機，其中所述電機通過扭杆至少部 分地固定於車架上。
54. 根據權利要求1所述的電機，其中所述電機至少部分地驅動 電動車。
55. 根據權利要求1所述的電機，其中所述電機至少部分地為電 動設備提供機械動力。
56. 根據權利要求34所述的電機，其中輔助控制器基於對用戶輸
57. 根據權利要求7所述的電機，其中所述控制器具有小於所述 殼體的直徑。
58. 根據權利要求7所述的電機，其中能夠在不拆卸所述轉子和定子的情況下從所述殼體上拆下所述控制器。
59. 根據權利要求1所述的電機，其中所述電機固定至環形的保 持輪緣。
60. 根據權利要求59所述的電機，其中所述環形的保持輪緣通過 多根輻條固定於輪胎輪緣上。
61. 根據權利要求59所述的電機，其中所述保持輪緣具有大於所 述殼體外徑的直徑。
62. 根據權利要求59所述的電機，其中所述輪緣在至少一側具有 可分離的周邊。
63. 根據權利要求59所述的電機，還包括薄板，其中所述薄板具 有小於所述保持輪緣的直徑，並具有直徑大於所述輪穀的中心軸的中 心孔。
64. 根據權利要求1所述的電機，其中所述控制器包括數位訊號 處理器和操作所述電機的軟體。
65. 根據權利要求1所述的電機，其中所述電機還包括自由輪安 裝設備。
66. 根據權利要求1所述的電機，其中磁環以與所述轉子的磁體 相同的速度轉動。
67. 根據權利要求66所述的電機，其中所述磁環包括交替的極性 區域，所述交替的極性區域的排列和極性與所述轉子的永磁體相同。
68. 根據權利要求1所述的電機，其中所述電機包括12n個定子極，10n個轉子磁體，其中n為大於0的任意整數。
69. 根據權利要求1所述的電機，其中所述電機具有大於93%的繞線係數。
70. 根據權利要求1所述的電機，其中所述電機包括3n個電相位， 其中n是大於0的任意整數。
全文摘要
本發明公開了一種電機(100)。該電機(100)包括轉子部分(10)和定子部分(60)。轉子部分(60)包括多個磁體(37)。定子部分(60)包括位於其外周邊的多個電磁極(57)。導體線圈(68)纏繞於定子極(57)上。理想情況下，定子(60)是由層合基材形成的環形。轉子(10)和定子(60)位於普通的殼體(20)內。輪轂(110)將定子(60)保持在框架上。當導體線圈(57)由電流激勵時，定子磁極(57)周圍會產生臨時磁極。轉子(10)與定子(60)對應地定位，並由空氣隙隔開。轉子(10)在電磁力作用下繞定子(60)轉動。電機控制器(80)控制電機(100)的運轉。
文檔編號H02K21/12GK101208853SQ200680009572
公開日2008年6月25日 申請日期2006年3月23日 優先權日2005年3月23日
發明者安東尼·德安德烈, 拉克什·達萬, 法拉德·哈比比 申請人:波峰實驗室責任有限公司