微加工的磁阻馬達的製作方法

2024-02-11 09:00:15 1

專利名稱：微加工的磁阻馬達的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及磁阻馬達，且更特定地涉及具有使用MEMS制 造技術形成的至少部分的小型化磁阻馬達。
背景技術：
磁阻馬達是電動馬達，其中轉矩通過馬達的可移動零件向激勵的 馬達繞組的感應最大化的位置移動的趨勢而產生。磁阻馬達的一個特 徵是馬達的可移動零件(例如轉子)不需要永磁體。作為替代，轉子 可以由磁性材料製成且構造為具有帶輪齒的形狀，其中輪齒限定了轉 子的極。馬達的定子(即馬達的靜止零件的電磁活性部分)也具有極， 該極與位於圍繞包含轉子的腔的線圈繞組相關。取決於構造，每個馬 達繞組可以限定一個、兩個或甚至超過兩個定子極。
當電流通過繞組時，每個相應的定子極變得被激勵且吸引最近的 轉子極。其結果是轉子極向激勵的定子極移動，因此使得轉子旋轉。 如果定子極以特定的次序被激勵，例如通過施加到繞組上的適當地成 形的驅動脈衝激勵，則可以實現平滑和連續的轉子旋轉。關於磁阻馬 達的運行和控制的原理的更多細節例如可參考T丄E Miller的書籍
"Switched Reluctance Motors and Their Control", Clarendon Press, Oxford, 1993, pp. 1-70,其教示在此通過參考合併。
許多重要的應用，例如小型磁碟驅動器、流體泵和陀螺儀，要求 小型馬達。基於MEMS的馬達對於這些應用特別地具有吸引力，因為 這樣的馬達的製造與微電子電路的製造兼容。作為結果，基於MEMS 的馬達和相關的控制電子器件可以有利地作為單一的整體式設備生 產，與非整體式的類似設備相比，整體式設備一般地更可靠且較不昂 貴。然而，與現有技術的基於MEMS的馬達相關的一個問題是它們的 相對地小的尺寸使得這樣的馬達的潤滑無法實施，這導致相對地高的 摩擦和短的使用壽命
發明內容
現有技術中的問題通過具有不需要在馬達的靜止零件中的固定的 安裝軸的轉子的磁阻馬達的多種實施例解決。
在一個實施例中，本發明的馬達具有限定了圓柱形腔的靜止零件， 轉子插入到該圓柱形腔內，其中腔的內壁由非磁性襯裡覆蓋。靜止零 件具有多個定子極，每個定子極通過具有磁芯的電線圏限定。轉子具 有間隔器和多個軸承，其中每個軸承至少部分地限定在間隔器和襯裡 之間。轉子適合於響應於定子極的一個或多個的激勵而在腔內旋轉，
使得軸承在襯裡和間隔器之間滾動。馬達可以實施為MEMS設備，其 中馬達的定子大體上是使用單一的基片形成的單件結構，該結構具有1 mm量級的尺寸。
有利地，與現有技術的可比較的馬達相比，本發明的馬達具有較 低的摩擦，因為在本發明的馬達中，軸承靠著襯裡滾動，而在現有技 術的馬達中，轉子靠著軸滑動摩擦。因為滾動摩擦一般地大體上低於 滑動摩擦，與現有技術的馬達相比，在本發明的馬達內的摩擦可以顯 著地降4氐。
根據一個實施例，本發明是電動馬達，包括包括襯裡和多個極 的靜止零件，和包括間隔器和多個軸承的可移動零件，其中襯裡定 位在極和可移動零件之間；每個軸承至少部分地限制在間隔器和襯裡 之間；可移動零件適合於響應於極的一個或多個的激勵而相對於靜止 零件移動；且軸承適合於當可移動零件相對於靜止零件移動時在襯裡 和間隔器之間滾動。
根據另一個實施例，本發明是製造電動馬達的方法，包括使用 單一的基片形成馬達的靜止零件，其中所述的靜止零件是大體上單件 的結構；且將馬達的可移動零件插入到由靜止零件限定的腔內，其中 靜止零件包括襯裡和多個極；可移動零件包括間隔器和多個軸承；襯 裡位於極和可移動零件之間；每個軸承至少部分地限制在間隔器和襯 裡之間；可移動零件適合於響應於極的一個或多個的激勵而相對於靜 止零件移動；且軸承適合於如果可移動零件相對於靜止零件移動則在
村裡和間隔器之間滾動。
根據再另一個實施例，本發明是電動馬達，包括包括多個極的 靜止零件，和適合於響應於極的一個或多個的激勵而相對於靜止零件 旋轉的轉子，其中靜止零件不具有用於安裝轉子的固定的軸，使得轉子將能繞所述的軸旋轉。


圖1至圖2示出了兩個現有技術的磁阻馬達的截面視圖； 圖3示出了根據本發明的一個實施例的馬達的頂^L圖； 圖4示出了根據本發明的另一個實施例的馬達的頂視圖； 圖5示出了根據本發明的再另 一個實施例的馬達的頂視圖 圖6示出了根據本發明的又另一個實施例的馬達的頂視圖 圖7示出了根據本發明的一個實施例的線性馬達的頂視圖；和 圖8A至圖81示出了可用於生產根據本發明的再另一個實施例的 馬達的各製造過程。
具體實施方式
圖l-2分別示出了現有技術的i茲阻馬達100和200的截面一見圖。更 具體的，馬達100是四相8/6》茲阻馬達，即，馬達具有四個獨立的繞組 (相)，八個定子41和六個轉子^1。類似的，馬達200是三項12/10》茲 阻馬達。參考圖1,馬達100具有四個獨立的定子繞組(相)，標記為A至 D。每相具有串耳關地連接的且位於馬達內腔的相對側上的兩個線圈。例 如，相A具有線圈102和104,線圏102和104定位為使得線圈102 的北^L和線圈104的南^l面向內腔。線圏102的北才及和線圈104的南 極是馬達100的兩個定子極。因為相B至相D的每相具有兩個類似於 線圈102和104的線圏，所以馬達100具有總共八個定子才及。馬達IOO 內的線圈的每個具有鐵磁性芯，其中不同的線圈的鐵磁性芯以尖端-輪的模式連接到圓形鐵磁性元件110上。馬達100的轉子120是帶輪齒的盤，它由鐵磁性材料製成且可旋 轉地安裝在位於馬達的內腔的軸向中心處的固定軸130上。轉子120 在中心內具有軸向孔，且轉子120安裝在其上的軸130通過軸向孔。 轉子120也具有六個輪齒，如在圖1中標識為1至6。這些輪齒1至6 限定了馬達的六個轉子極。因為馬達100具有六個轉子極和八個定子 極，所以轉子極的至少一些總是與轉子和定子的相對定向無關地與定 子極不對齊。如在下文中進一步解釋，此總是存在的不對齊用於產生轉子120繞軸130的旋轉。線圏的鐵磁性芯、鐵磁性元件110和轉子120能為相A至D的每 相提供大體上連續的磁通路徑。特別地，鐵磁性元件110提供了圍繞 馬達100的外周的磁通路徑的部分，而轉子120如果適當地相對於特 定的相定位則為此相提供了通過馬達的內腔的磁通路徑的部分。例如， 當轉子120的輪齒1和4與線圏102和104的磁性芯對齊時，轉子橋 接了在這些芯之間的氣隙且造成了在圖1中由磁通線140指示的磁通 路徑。此轉子定向大體上最大化了相A的感應。同時，轉子120的輪 齒2至3和5至6與相B至D的磁性芯不對齊，這造成了在對應於這 些相的》茲通路徑內的相對地寬的氣隙，且導致它們具有相對地^f氐的感 應。轉子120在馬達100內的旋轉例如可以如下地產生。當相A受到 激勵時，作為結果的電磁力將轉子120的輪齒1和輪齒4拉入與線圈 102和104的》茲性芯的對齊，如在圖1中示出。然後，相A關閉且相B 激勵，這將輪齒2和輪齒5拉入與相B的磁性芯的對齊，以最大化相 B的感應。此後，相B關閉且相C激勵，這將輪齒3和6拉入與相C 的》茲性芯的對齊，以最大化相C的感應。然後，相C關閉且相D激勵， 這將輪齒1和4 4立入與相D的磁性芯的對齊，以最大4匕相D的感應， 等等。此A-B-C-D的激勵次序重複以使得轉子120順時針旋轉。當然， 改變激勵次序為A-D-C-B將產生轉子120的逆時針旋轉。每次當馬達 IOO的下一個相激勵時，轉子120旋轉15度。此旋轉增量經常稱為馬 達的行程。在一個激勵循環或四個行程中，轉子120轉動60度，且一 個完整轉子旋轉在六個激勵循環中完成。現在參考圖2,馬達200大體上類似於馬達100，且以類似的方式 運行。然而，在馬達100和200之間的一個差異是馬達200的每相具 有四個線圈，這與馬達100中的兩個線圈不同。例如，馬達200的相A 具有線圈202、 204、 206和208，它們連接為使得(i)線圈202和206 的南才及面向馬達200的內腔，和(ii)線圏204和208的北極面向此腔。 作為結果，通過磁通線240指示的在馬達200內的相A的,茲通^各徑顯 著地短於馬達100內的相A的磁通路徑(見圖1中的A茲通線140)。具 有較短的磁通路徑是有利的，因為磁路徑損失相應地降低。在一個激 勵循環或三個行程中，馬達200的轉子220轉動36度，且一個完整轉子旋轉在十個激勵循環中完成。馬達100和200的一個問題是，當以小型形式實施時，這些馬達 可能具有不穩定的馬達行為且一般地具有相對地低的耐久性。例如， 當馬達100內的轉子120具有大約1 mm的直徑時，軸130典型地具有 大約100 nm的直徑。由於實際上的原因，在這些尺寸下，在轉子120 和軸130之間非常難於具有小於大約10 jum的間隙。因為此間隙量形 成了軸直徑的相對地大的部分，轉子120當繞軸130旋轉時經歷了相 對地大的偏心偏移。這些偏移導致了對馬達的性能有害的振動。另外， 在這些尺寸下，在軸130和轉子120之間沉積潤滑劑變得相對地難於 進行，且通常被忽略。作為結果，即使當偏心偏移相對地小時，軸130 和轉子120之間的摩擦也相對地高。偏心偏移進一步惡化了此已經高 的摩擦的不利作用。此外，軸130的相對地小的直徑導致軸具有相對 地低的結構強度，且易受例如由於轉子120上的激勵的線圏的電磁牽 引導致的變形，這導致了轉子將軸拉向此線圈。如在下文中更詳細地 解釋，這些問題的至少 一些通過提供根據本發明的原理構造的小型馬 達的多種實施例解決。圖3示出了根據本發明的一個實施例的馬達300的頂-f見圖。馬達 300具有三個標識為A至C的相。每相具有兩個串聯地連接的且共享 了馬^^形^磁性芯的線圏。例如，馬達300的相A具有線圏302和304, 線圈302和304共享了馬蹄形i茲性芯314。線圈302和304連接到接觸 片312且相互連接，使得線圈302的北極和線圈304的南極面向馬達 的內腔。因為馬達300內的相B至C的每相類似於相A,所以此馬達 具有總共六個定子極。馬達300的轉子320包括(i)插入到馬達的內腔內的帶有凹槽的 間隔器322,和(ii)插入到間隔器的凹槽內的兩個球形的球324a至 324b。間隔器322的具有球324的每個凹槽一般地是打開的形狀的， 以容納球且暴露球的位於間隔器的外周外側的至少部分以用於與內腔 的非磁性襯裡326接觸。帶有凹槽的間隔器322由非磁性材料(例如 矽)製成，且成形為與襯裡326 —起提供用於球324a至324b的合適 的物理界限。在轉子320的旋轉期間，球324a至球324b靠著襯裡326 滾動且用作用於間隔器322的軸承。球324a至球324b由磁性材料(例如不鏽鋼)製成，且這樣限定了用於轉子320的轉子極。當轉子320適當地相對於特定的相定向時， 球324a至球324b的一個大體上橋接了在該相的定子極之間的磁性材 料間隙，且與各馬蹄形磁性芯一起為此相提供了大體上連續的磁通路 徑。例如，當轉子如在圖3中所描繪地定向時，球324a大體上橋接了 在對應於線圈302和304的定子極之間的石茲性材料間隙，且與馬蹄形 磁性芯314 —起為馬達300的相A提供了大體上連續的磁通路徑。此 磁通路徑在圖3中通過磁通線340指示。從磁通線340與圖2中的磁 通線240之一的比較中顯見，球324a在磁性上與轉子220的兩個轉子 輪齒等4介。這樣，J求324a至球324b的每個為轉子320內的總共四個 轉子極限定了兩個轉子極。此事實使得馬達300是三相6/4磁阻馬達。 轉子320在馬達300內的旋轉可以例如如下地產生。當相A激勵 時，作為結果的電磁力將球324的一個，例如將球324a拉入與馬蹄形 磁性芯314的對齊，如在圖3中示出。然後，相A關閉且相B激勵， 這將球324b拉入與相B的馬蹄形磁性芯的對齊。然後，相B關閉且相 C激勵，這將球324a拉入與相C的馬蹄形磁性芯的對齊，等等。此 A-B-C的激勵次序重複以使得轉子320順時針旋轉。類似地，施加 A-C-B的激勵次序將產生轉子320的逆時針方向的旋轉。每次當馬達 300的下一相激勵時，轉子320轉動60度。在一個激勵循環或三個行 程中，轉子320轉動180度，且一個完整轉子旋轉在兩個激勵循環中 完成。
在一個實施例中，轉子320的垂直界限(即，在與圖3的平面正 交的方向上的界限)通過提供密封了轉子腔的頂板和底板實現，帶有 一些適應性以允許旋轉運動從轉子320傳遞到馬達300外側的可旋轉 結構(未示出)。替代地或補充地，位於腔下方的弱的永》茲體可以用於 將球324保持到位。如果球324的直徑小於腔的深度，則馬達300可 以構造為使球在腔內浮起。
在一個實施中，球324a至球324b的每個是商業上可得到的440 -不鏽鋼球形球，其直徑為大約0.006"(或150 jim),間隔器322的 直徑為大約350 Mm，且馬達300的定子的側向尺寸大約為1.5 mm。 本領域一般技術人員將認識到馬達300的定子可放縮，且可以實施為 具有在大約1 mm至20 mm之間的4壬何側向尺寸，且優選地在大約1 mm至5 mm之間。在馬達300內具有轉子320解決了以上對於現有技術馬達指出的 問題的至少一些，因為轉子320不需要軸用於安裝在馬達的內腔內。 有利地，在馬達300內生成的力作用在球324a至324b上，球324a至 324b在結構上是穩固的且不趨向於例如影響馬達100內的軸130(圖1 ) 的類型的變形。另外，馬達300內的轉子320具有低於例如馬達100 內的轉子120的摩擦，因為在馬達300中，起作用的元件，即球324a 至球324b靠著襯裡326滾動，而在馬達100中，起作用的元件，即轉 子120靠著軸130滑動摩擦。因為滾動摩擦一般地大體上低於滑摩/滑 動摩擦，所以馬達300的摩擦對於馬達100的摩擦。
圖4示出了根據本發明的另一個實施例的馬達400的頂視圖。馬 達400 —般地類似於圖3的馬達300。然而，馬達400和馬達300之間 的一個差異是馬達400是四相8/6馬達。因此，馬達400具有(i)標 識為A至D的四個相，和(ii)具有三個5求424和兼容地成形的間隔 器422的轉子420。與馬達300的間隔器322相比，間隔器422具有三 個新的元件，即三個彈簧426。每個彈簧426位於間隔器422的凹槽內 且構造為略微以徑向向外方向的力分量推各球424。彈簧426的組合的 作用有效地將間隔器422在馬達400的內腔內定心，且降低了在腔內 的轉子遊隙。另外，彈簧426的作用降低了間隔器422與球424的每 個之間的有效接觸面積，這相應地降^氐了J求和間隔器之間的摩糹察。馬 達400的行程為30度，且一個完整轉子旋轉在三個激勵循環內完成。
在一個構造中，馬達400作為開關馬達運行。更特定地，馬達400 提供有轉子定向反饋電路(未示出)，以將相驅動電流的開關與一定的 轉子位置同步。當意圖於此類型的運行時，馬達400的設計被優化以 提供電力到轉子420的動能的有效轉換。
在另一個構造中，馬達400作為步進馬達運行。更特定地，馬達 400開環運行，即不帶有轉子定向反饋。當意圖於用於此類型的運行時， 馬達400的設計被優化以維持步的完整性/精確性，而非實現有效的動 力轉換。
圖5示出了根據本發明的再另一個實施例的馬達500的頂^L圖。 雖然馬達500具有大體上與馬達400的定子結構相同的定子結構，但 在優選的構造中，相應於位於馬達500內的轉子腔的相對側處的馬歸， 形磁性芯的定子線圈通過在相應的接觸片之間提供合適的電連接(在圖5中未示出)而連線到一起，以形成在圖5中標識為A和B的兩個 定子相。因此，馬達500是兩相馬達。
類似於馬達400的轉子420，馬達500的轉子520包括三個球524 和相應的帶有凹槽的間隔器522。然而，與球424不同，球524由非石茲 性材料(例如陶瓷材料)製成。這樣，球524不限定任何轉子極，而 是僅用作間隔器522的軸承。相對地，間隔器522自身由磁性材料制 成且具有帶輪齒的盤的形狀，例如類似於轉子120 (圖1 )的形狀。這 樣，間隔器522限定了六個轉子極。因為馬達500內的相A和B的每 個具有四個定子才及，所以馬達500是兩相8/6》茲阻馬達。
當馬達500的相A激勵時，作為結果的力作用在間隔器522上且 將轉子520定向，如在圖5中示出。在此定向中，間隔器522大體上 橋接了相A的定子極之間的磁性材料間隙，且造成了在圖5中通過磁 通線540指示的磁通路徑。轉子520的旋轉通過相繼地激勵馬達500 的兩個相實現。因為馬達500是雙相馬達，所以在典型的實施例中， 此馬達提供有停止機構和/或起動輔助機構(在圖5中未示出)，它們確 定了轉子旋轉方向。多種類型的這些機構在磁阻馬達的領域中是已熟 知的，且例如在以上所參考的T丄E Miller的書籍中描述。馬達500的 行程為30度，且一個完整轉子旋轉在六個激勵循環內完成。
圖6示出了根據本發明的再另一個實施例的馬達600的頂一見圖。 馬達600與以上所述的馬達300、 400和500不同處在於它是同步磁阻 馬達，而非如馬達300、 400和500的每個的開關和/或步進i茲阻馬達。 與開關磁阻馬達中對於每個定子極具有分開的線圏不同，馬達600具 有對應於馬達的不同的相的重疊的線圈，類似於典型的工業多相感應 馬達的線圈繞組。特別地，馬達600具有十二個定子才及，其中馬達的 三相(標識為A至C)的每相具有在每個定子4及處的線圏。例如，相 A具有由圖6中的粗線(導線)指示的十二個串聯地連接的線圈。相B 和相C的每相也具有十二個串聯地連接的線圈，該線圏類似於相A的 線圈，但位於移動的位置處。更特定地，相B的線圈具有以逆時針方 向相對於相A的相應的線圈的位置移動過一個定子極的位置。類似地， 相C的線圏具有以逆時針方向相對於相A的相應的線圏的位置移動過 兩個定子極的位置。
馬達600的轉子620大體上類似於馬達500的轉子520。然而，轉子620具有四個非磁性球624和匹配的磁性間隔器622,這與轉子520 內的三個非》茲性球524和匹配的間隔器522不同。
在馬達600的轉子腔內的旋轉磁場例如通過分別向馬達的相A至 相C施加三個相互之間分開120度的正弦波電流而造成。在圖6中， 磁通線640指示了當施加到相A的正弦波電流處於最大值時產生的磁 場構造。在施加到相B的正弦波電流處於最大值時，產生了類似的但 在逆時針方向上相對於在圖6中示出的磁場構造旋轉了 30度的磁場構 造。當施加到相C的正弦波電流處於最大值時，磁場構造旋轉了另外 的30度，等等。施加到馬達600的相A至相C的正弦波電流的相對相 位控制了磁場的旋轉方向，且因此控制了轉子620的旋轉方向。例如， 如杲正弦波電流的相位使得磁場以逆時針方向旋轉，則作為結果的轉 矩使間隔器622 (且因此使整個轉子620)也以逆時針方向旋轉。類似 地，如果正弦波電流的相位使得磁場以順時針方向旋轉，則轉子620 也以順時4十方向魂:轉。
圖7示出了根據本發明的一個實施例的線性馬達700的頂-現圖。 馬達700的運^f亍的物理原理類似於例如馬達400 (圖4)的物理原理， 不同在於馬達700適合於產生梭720的平移，而馬達400適合於產生 轉子420的旋轉。馬達700的定子具有多個相，在圖7中僅圖示地示 出了其中的五個(標識為A至E)。這些相的每個包括在位於馬達的內 腔的相對側處的兩個馬蹄形磁性芯上的四個線圏。另外的線圈可以沿 馬達內腔合適地或4姿需地放置。梭720包括非》茲性間隔器722和八個 磁性球724。
梭720的行進方向由相激勵次序確定，且梭的可獲得的行進長度 由馬達700內的線圈的個數確定。例如，將A-B-C-D的相激勵次序施 加到馬達700使得梭720相對於圖7中示出的位置向右移動，且產生 其中兩個最左側的球724與相D的線圏對齊的梭位置。在此位置中， 兩個最右側的球724已行進超過相A的線圏。類似地，將E-D-C-B的 相激勵次序施加到馬達700使得梭720相對於示出的位置向左移動。 因此，在典型的實施例中，馬達700內的定子線圈的個數、定子線圈 沿包含了梭720的腔的位置和此腔的長度選擇為使得保證梭沿腔在雙 向上的可逆4亍進。
圖8A至圖81示出了可以用於生產根據本發明的一個實施例的馬達的代表性製造過程。更特定地，圖8A至圖8H的每個示出了馬達的 一個定子線圈的初期結構的頂一見圖和兩個截面側一見圖，且圖8I示出了 最終的定子結構的頂視圖。為圖示目的，圖8的過程根據單一的定子 線圈概述，該定子線圏具有大體上矩形的磁性芯。本領域一般技術人 員將認識到，例如具有構造為帶有馬蹄形磁性芯的定子線圈的馬達可 以以類似的方式生產。
參考圖8A,製造過程以非磁性非傳導的基片810開始。在一個實 施例中，基片810包括相對地厚的(例如，大約700 Mm)的珪層812， 該矽層812覆蓋有相對地薄的(例如大約0.5 Mm)氧化矽層814。金 屬沉積和去除過程然後用於造成線圈繞組的底部部分816和通到接觸 片818的傳導軌道。如果需要，則部分816、傳導軌道和接觸片818通 過電鍍來增厚。
參考圖8B,圖8A的結構首先覆蓋以薄的(例如大約0.5 pm)氧 化物層820。層820然後形成圖案且^L蝕刻，以造成(i)到部分816 的通孔822,和(ii)到接觸片818的通孔824。
參考圖8C,金屬沉積和去除過程然後用於造成電鍍電極830。注 意到電極830的某些部分填充了通孔822。在一個實施例中，電極830 包括鈦。
參考圖8D,使用旋轉塗敷將圖8C的結構首先覆蓋以相對地厚的 (例如大約150 Mm)正性光致抗蝕劑層840。層840然後形成圖案且 被蝕刻以造成用於線圈芯的衝莫842和用於形成了線圈的垂直段(即垂 直於基片810的平面)的柱的模844。在一個實施例中，模844的高寬 比(即深度與寬度的比)為大約20。
參考圖8E,使用電鍍將模842和844填充以傳導的磁性材料，例 如Ni-Fe ( 81%-19% )合金 注意到，因為此合金是導電的，所以它 用於形成磁性芯852和線圈的垂直段854。在替代的實施例中，合適的 不同的材料可以用於分別填充模842和844。電鍍步驟後典型地是拋光 步驟，以達到大致在圖8E中示出的平面的結構。
參考圖8F,使用旋轉塗敷將圖8E的結構首先覆蓋以相對地薄的 (例如，大約1 jum)的正性光致抗蝕劑層860。層860然後形成圖案 且被蝕刻，以造成到垂直段854的頂部的通孔864。
參考圖8G,使用陰影掩模將傳導材料(例如金)沉積在圖8F的結構上方，以造成線圈繞組的頂部分876。如果需要，部分876通過電 鍍增厚。
參考圖8H,將光致抗蝕劑層840和860暴露且蝕刻，以造成馬達 的內腔880和未覆蓋的接觸片818。注意到層840和860的剩餘材料造 成了腔880的非磁性襯裡886 (也見圖81 )。
圖8I示出了定子890的頂視圖，該定子890使用在圖8A至圖8H 中概述的製造步驟生產。如在圖8I中可見，定子890是大體上單件結 構，它使用單一的基片製造。馬達製造過程通過將轉子(未示出)放 置在定子890的腔880內完成。此轉子可以是類似於轉子320 (圖3 ) 的轉子，或類似於轉子520 (圖5)的轉子。在任一情況中，轉子具有 滾子(例如，球形的球或圓柱形軸承)，它們在轉子在腔內側旋轉時靠 著腔880的襯裡886滾動。
雖然本發明已參考圖示的實施例描述，但此描述不意圖於解釋為 具有限制性意義。本發明的某些馬達可以實施為開關馬達和步進馬達。 本發明的馬達可以設計為具有任何希望的相數、定子極數和/或轉子極 數。轉子的^f茲性元件可以如在本領域中已知的層壓。可以4f改多種表
面，例如通過金屬沉積修改而用於提高導電性，或通過離子植入修改 而提高機械強度。
多種合適的材料可以用於製造馬達零件。 一般地，磁性材料是受 到磁體吸引的材料。 一些磁性材料具有相對地高的》茲導率，例如大約 IOO或更高。這樣的磁性材料的一個例子是具有鐵、鈷、鎳、鉻、鉬和 /或其組合的鐵磁性材料。 一些材料，例如不鏽鋼可以加工為具有磁性 或不具有磁性。 一個合適的類型的磁性不鏽鋼稱為"軟磁性"不鏽鋼。 此類型的不鏽鋼最初為螺線管柱塞開發。螺線管柱塞典型地設計為當 電流接通時有^:地響應於來自周圍線圈的》茲場，^旦當電流切斷時，在 柱塞材料中感應的》茲場迅速地衰落，從而允許柱塞返回到其原始位置。 類似地，非磁性材料是不受到磁體吸引的材料。典型的非磁性材料具 有相對地低的磁導率，例如低於大約2。
可以實施不同地成形的線圏、芯、轉子、梭、間隔器、彈簧、腔、 電極、片和/或軌道而不偏離本發明的範圍和原理。雖然本發明的轉子 已在使用球形球作為轉子軸承的上下文中描述，但任何合適的滾子(例 如，圓柱形形狀的滾子)可以作為球軸承的替代使用。雖然本發明的定子已描述為具有馬蹄形磁性芯，但其他》茲性芯M茲通路徑元件的形狀 也可以使用。這樣的其他的形狀的一個例子例如通過圖1的輪和尖端 的構造提供。對於本發明所隸屬的領域的一般技術人員顯見的所述的 實施例的多種修改以及本發明的其他實施例被認為在本發明的在如下 的權利要求書中表達的原理和範圍內。
為此說明書的目的，MEMS設備是具有兩個或多個適合於相對彼 此移動的零件的設備，其中運動基於任何合適的相互作用或相互作用 的組合，例如機械、熱、電、磁性、光學和/或化學相互作用。MEMS 設備使用顯微的或較小的製造技術(包括納米製造技術)製造，這可 以包括但不必需地限制於(1 )例如使用自組裝單層，具有高的對希 望的化學物質的親和力的化學塗層，和懸掛(dangling)化學鍵的產生 和飽和的自組裝技術，和(2)例如使用光刻、化學氣相沉積、材料的 圖案形成和選擇性蝕刻和表面的處理、成形、鍍覆和織構化的晶片/材 料處理技術。在MEMS設備內的某些元件的比例/尺寸可以允許顯示量 子效應。MEMS設備的例子包括而不限制於NEMS (納米機電系統) 設備，MOEMS (微光機電系統)設備，微機器，微系統和使用微系統 技術或微系統集成生產的設備。
雖然本發明已在實施為MEMS設備的上下文中表述，但本發明可 以在理論上在任何比例上實施，包括大於顯樣支比例的比例。
除非另外明顯地陳述，每個數值和範圍應解釋為例如在值或值範 圍前的詞語"大約"或"大致"的近似含義。
在此參考"一個實施例"或"實施例"意味著與此實施例相關描 述的特定的特點、結構或特徵可以包括在本發明的至少一個實施例中。 措辭"在一個實施例中，，在il明書中多個位置處的出現不必然地都指 相同的實施例，分開的或替代的實施例也不相互排斥其他的實施例。
同樣適用於術語"實施"。
雖然在如下的方法權利要求中的步驟如果存在則以特定的次序以
相應的標識陳述，但除非權利要求陳述另外地暗示用於實施這些步驟 中的 一些步驟或全部步驟的特定的次序，否則這些步驟不必需地意圖 於限制於以特定的次序實施。
權利要求
1.一種電動馬達，包括包括襯裡和多個極的靜止零件；和包括間隔器和多個軸承的可移動零件，其中襯裡位於極和可移動零件之間；每個軸承至少部分地限制在間隔器和襯裡之間；可移動零件適合於響應於極的一個或多個的激勵而相對於靜止零件移動；和軸承適合於當可移動零件相對於靜止零件移動時在襯裡和間隔器之間滾動。
2. 根據權利要求1所述的本發明，其中 襯裡包括非磁性材料；軸承的至少 一 些包括使得所述的軸承能響應於激勵而相對於靜止 零件移動的磁性材料；和 間隔器包括非磁性材料。
3. 根據權利要求1所述的本發明，其中間隔器包括磁性材料且具有使得間隔器能響應於激勵而相對於靜 止零件移動的形狀；和每個軸承包括非磁性材料。
4. 根據權利要求1所述的本發明，其中 每極由具有磁性芯的電線圏限定；靜止零件包括三相，每相具有多個串聯連接的電線圈，其中每相在每極處具有線圈；和可移動零件適合於響應於三個正弦波電流而相對於靜止零件》走轉，每個正弦波電流施加到所述的三相的各一相，其中所述的電流的每個具有相對於其他兩個正弦波電流的每個的大約120度的相移。
5. 根據權利要求1所述的本發明，其中間隔器適合於相對於靜止 零件平移。
6. 根據權利要求1所述的本發明，其中 靜止零件限定了腔，其中襯裡覆蓋了腔的內壁； 可移動零件適合於相對於靜止零件在腔內旋轉；間隔器包括帶凹槽的盤；每個軸承是位於所述的盤的各凹槽內的球形的球； 間隔器進一步包括一個或多個彈簧，每個彈簧適合於將各球推向 襯裡；馬達實施為MEMS設備；和靜止零件是使用單一的基片形成的大體上的單件結構。
7. 種電動馬達，包括 包括多個極的靜止零件；和適合於響應於極的一個或多個的激勵而相對於靜止零件旋轉的轉 子，其中靜止零件不具有用於安裝轉子的固定的軸，使得轉子能繞所 述的軸旋轉。
8. 根據權利要求7所述的本發明，其中 靜止零件限定了具有壁的腔；和轉子適合於相對於靜止零件在腔內旋轉且包括間隔器和多個軸 承，其中每個軸承至少部分地限制在間隔器和壁之間；和 軸承適合於當轉子旋轉時在壁和間隔器之間滾動。
9. 據權利要求8所述的本發明，其中 壁包括鄰近的襯裡；和軸承適合於當轉子旋轉時在襯裡和間隔器之間滾動。
10. 權利要求8所述的本發明，其中 每極由具有磁性芯的電線圈限定；和 壁大體上通過磁性芯的終端部分形成。
全文摘要
一種磁阻馬達，磁阻馬達具有不需要在馬達的靜止零件內的固定的安裝軸的可移動零件。在一個實施例中，本發明的馬達具有限定了轉子插入到其內的圓柱形腔的靜止零件，其中腔的內壁由非磁性襯裡覆蓋。靜止零件具有多個定子極，每個定子極由具有磁性芯的電線圈限定。轉子具有間隔器(422)和多個軸承(424)，其中每個軸承(424)至少部分地限制在間隔器和襯裡之間。轉子適合於響應於定子極的一個或多個的激勵而在腔內旋轉，使得軸承在襯裡和間隔器之間滾動。馬達可以實施為MEMS設備，其中馬達的定子大體上是使用單一的基片形成的單件結構，該結構具有1mm量級上的尺寸。
文檔編號H02K19/10GK101322299SQ200680045799
公開日2008年12月10日 申請日期2006年12月6日 優先權日2005年12月6日
發明者D·S·格雷沃爾 申請人:盧森特技術有限公司