專利名稱：微型電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種如權利要求I的前序部分所述的外徑小于/等于6mm的微型電機，其包括具有定子繞組的空心圓柱體形定子和磁轉子，所述磁轉子安置在定子中并能夠借助于轉子軸圍繞旋轉軸旋轉，其中對于用于產生磁旋轉場的定子繞組可以根據磁轉子的旋轉位置來進行控制。
背景技術：
這些微型電機系無刷直流電機，通常被簡稱成BLDC電機(BLDC = brushlessdirect current)。由于其結構尺寸極小,外徑最大僅為6mm,對轉子旋轉位置的探測(轉子的旋轉位置是進行轉向控制所必需的)通常不用傳感器來實現，確切地說，通過對電動勢(EMK)，亦即對旋轉之時在定子繞組中感應得到的電壓進行測量和分析就能測得轉子的旋轉位置。因此對于這類微型電機而言，要實現小轉速控制或者旋轉位置調節(jié)是不可能的。相反地，對于直徑超過6_的較大電機來說，是可以采用傳感器，特別是數字式霍耳傳感器(Hall-Sensoren)的，因為電機結構型式較大，允許配置傳感器。例如，各傳感器可以以偏離中心并且彼此間隔一定的圓周角度的方式分布在圓周上，但是在此種情況下需要對每個傳感器的位置進行精確調整。EP 0920113B1描述了一種無刷直流電機，該種電機具有一以偏離中心且徑向位于轉子附近的方式安置的傳感器，而且轉子具有一特別的、具有永磁性的測量磁化區(qū)。DE 102007000440A1也公開了一種以偏離中心且徑向在轉子附近定位的旋轉角探
測裝置。依據EP 0510336B1，使用了電機磁體的雜散磁場，但其僅探測旋轉方向，而不探測
角位置。US 2010/0090633A1描述了霍耳傳感器的應用，但是該傳感器探測的是一附加的、兩極磁化的發(fā)送磁體(該發(fā)送磁體通過電動機軸與所述轉子一同旋轉)的磁場。如EP 2117103B1所述電機控制裝置也采用了類似的設計。最后，在EP 1456935B1中也是采用若干傳感器來探測轉子磁場的。所有的這些公知的實施方案均不適用于本文所涉類型的微型電機，因為此類微型電機結構形式特別小，其外徑肯定小于/等于6mm。

發(fā)明內容
本發(fā)明的基本目的在于創(chuàng)造一種前文所述類型的微型電機，并且，能夠在保留電機微小、緊湊的結構形式的情況下實現更好的控制，特別是在旋轉位置調節(jié)和/或小轉速控制方面。依據本發(fā)明，上述目的是通過獨立權利要求I所述特征得以實現的。本發(fā)明的其他有利設計方案包含在各從屬權利要求以及下面的說明中。相應地，依據本發(fā)明是這樣設計的，S卩，為探測磁轉子的旋轉位置，在垂直于旋轉軸的平面內的與磁轉子端面軸向毗鄰的區(qū)域中安置一包含至少一個磁場傳感器的傳感器芯片，以便令磁轉子的磁場能夠作用于磁場傳感器，從而能夠對磁場進行分析以便確定轉子的旋轉位置。因此，本發(fā)明的有利之處在于，無需額外的發(fā)送元件就能直接探測磁轉子的磁場，也就是雜散磁場，并能夠對其實施分析從而確定磁轉子的旋轉位置。傳感器芯片優(yōu)選包括多個，特別是至少三個，但優(yōu)選四個整合在一構件中的獨立磁場傳感器，特別是霍耳傳感器。因此，在極小的電機之內也可以使磁場傳感器相對于磁轉子進行精確地定位及定向；這里只需用機械的方式將單片式的傳感器芯片相對于磁轉子安置在定子上。傳感器芯片可具有非常扁平的結構形式，并尤其可被構造為單芯片編碼器，作為IC組件，該單芯片編碼器除了磁場傳感器外還包括能夠直接將絕對旋轉位置信號和/或增量旋轉位置信號傳送給外部控制電子電路(steuerelektixmik)的信號分析器。因此，控制電子電路除了被設計用于實際換向之外，還能用于精確調節(jié)轉子位置和/或調整微小轉子 轉速。在此種情況下，對于電機從靜止狀態(tài)開始的整個轉速區(qū)域，控制裝置均能夠實現最佳換向，這是通過同步控制裝置或者在應用不帶傳感器的控制裝置并利用定子繞組中感應(ruckinduziert)產生的電動勢電壓所不能實現的。電機控制裝置由于可以使用單芯片編碼器(優(yōu)選)的輸出信號，因而甚至可以實現正弦換向，這一點迄今為止尚未在此類的微型電機上實現過。此外，有利的是，將集成在傳感器芯片中的磁場傳感器布置在磁轉子軸向投影所覆蓋的區(qū)域中，并以周向分布的方式安置在圍繞旋轉軸延長線的節(jié)圓上，其中，所述節(jié)圓的直徑大小落在轉子軸直徑(相當于磁轉子內徑)與磁轉子外徑之間的范圍內。特別優(yōu)選的是，節(jié)圓(磁場傳感器安置于其上)的直徑落在磁轉子環(huán)形截面的外半部分之內。此外，傳感器芯片可以安置得非常接近磁轉子。例如，傳感器芯片與磁轉子的相鄰端面可以在軸向上相互間隔開一間距，該間距最大相當于磁場傳感器節(jié)圓直徑的I至I. 5倍。事實表明，利用上述設計方案以及傳感器芯片的布置方式，只需憑借轉子磁場就能可靠地探測轉子旋轉位置，因此可以無需附加發(fā)送元件，特別是單獨的發(fā)送磁體。


下面參考一個在附圖中示出的優(yōu)選實施例，對本發(fā)明及其設計方案作更加詳細的說明。在附圖中圖I為依據本發(fā)明的配置有傳感器芯片的微型電機的高度放大的軸向剖面圖；圖2是優(yōu)選為傳感器芯片所裝配的柔性導體薄膜的平面圖；圖3為導體薄膜沿圖2所示箭頭III看去的側視圖；圖4是與圖I相應的軸向剖面圖，圖中單獨示出了進一步放大的軸承座；圖5是與圖I相應的放大的剖視圖，圖中單獨示出了用于容納并安置傳感器芯片的容納件；圖6是容納件沿圖5所示箭頭方向VI看去的視圖；圖7為沿圖5所不箭頭VII看去的容納件的另一面的視圖；以及圖8是依據本發(fā)明的微型電機經高度放大的原理性軸向視圖，用于說明傳感器芯片相對于磁轉子的布置與安排方式。在不同附圖中，相同的部件皆配以同樣的附圖標記。
具體實施例方式對于接下來的說明需特別強調的是，本發(fā)明并不僅限于該實施例，因此也并不限于所描述特征組合中的所有或多個特征，更確切地說，該實施例中的每一子特征在與所有其他與之關聯的子特征相分離的情況下仍然具有創(chuàng)新意義。首先如圖I所示，依據本發(fā)明的微型電機I包括空心圓柱體狀的定子2以及永磁轉子4。微型電機I或者說其定子2的外徑Da小于/等于6mm，甚至尤其可以小于/等于5mm。定子2具有一由軟磁體材料制成的空心圓柱體狀的外部接地元件6，即所謂的軛鐵(Eisen-Ruckschluss),并且定子繞組8設置在該接地元件6內部。圓柱體狀的磁轉子4位于轉子軸10上，而該轉子軸本身則可旋轉地安置在旋轉軸承12、14上，因此通過所述轉子軸10，使得磁轉子4以能夠圍繞旋轉軸16旋轉的方式安置在定子2內部。微型電機I借助于一優(yōu)選外置的、位于電機外部的控制電子電路(未示出)來控制，而且，該控制電子電路被設計成這樣，即其能夠根據磁轉子4的旋轉位置，以無刷的方式對定子繞組8實施電子換向而產生旋轉磁場。依據本發(fā)明，微型電機I具有一單片式的傳感器芯片20以用于探測轉子旋轉位置，作為具有非常扁平、纖薄的結構形式的IC組件，該傳感器芯片以與旋轉軸16共中心的方式安置在一垂直于旋轉軸16的平面內的與磁轉子4的端面軸向毗鄰的區(qū)域中。從圖8中尤其可以看出，傳感器芯片20優(yōu)選具有四個集成的磁場傳感器22，這些傳感器尤其可以是霍耳傳感器。此外，圖8所示，全部磁場傳感器22被設置在磁轉子4的軸向投影所覆蓋的區(qū)域中，并以一定的，特別是徑向對稱地、周向分布在圍繞旋轉軸16延長線或者說轉子軸10的節(jié)圓24上。節(jié)圓24的直徑Dt落在轉子軸10的直徑Dw與磁轉子4的外徑Dk之間的范圍內，而所述轉子軸的直徑Dw與空心圓柱體狀的磁轉子4的內徑相等。在圖8所示出的這個優(yōu)選實施方案中，節(jié)圓24的直徑Dt落在磁轉子4的環(huán)狀橫截面的外半部分中。由于優(yōu)選采用四個磁場傳感器22，且此四個傳感器優(yōu)選以徑向對稱的方式分布在周向上，因此它們在周向上彼此間隔90°。傳感器芯片20由于結構尺寸極小，因而位于被接地元件6所包圍的截面之內。利用上述優(yōu)選組織、布置方式，傳感器芯片20借助于其磁場傳感器22可直接探測并分析磁轉子4的磁場，亦即雜散磁場，因而其有利之處在于可以省卻額外的發(fā)送元件(Geberelement),特別是特殊的發(fā)送磁體(Gebermagnet)。在這種情況下，具有磁場傳感器22的傳感器芯片20與相鄰的磁轉子4的端面以軸向間距A間隔開是有利的，所述軸向間距最大相當于磁場傳感器22的節(jié)圓24的直徑Dt的I至I. 5倍；此處還可參見圖I。在另一優(yōu)選設計方案中，所述傳感器芯片20被構造成單芯片編碼器，其作為1C，除了集成的磁場傳感器22之外，還包含集成的信號分析器，該信號分析器被構造成能夠直接探測磁轉子4的實時(aktuell)旋轉角位并且為控制電子電路提供絕對旋轉位置信號和/或增量旋轉位置信號。為此，單芯片編碼器所集成的信號分析器包括在附圖中沒有單獨示出的電子電路。 另外，由于依據本發(fā)明的微型電機I具有非常小的結構尺寸，因此有利于應用公知的倒裝芯片技術來制作傳感器芯片20。這就意味著，集成電路是翻轉過來固定在支座的上部面上的，也就是說，沒有額外的殼體。這里，合乎目的的是將傳感器芯片20安置在柔性的，被稱作撓性板(Flexboard)的導體薄膜26上并通過導體電路實現導電連接。如圖I所示，在導體薄膜26的那一與傳感器芯片20相反的面上可以布置若干、尤其是惰性的組件18以用于穩(wěn)定電壓上。傳感器芯片20對于定子2和磁轉子4是以機械方式精確定位的,通過這種定位方式，將直接使所有集成的磁場傳感器22也能夠理想地定位；參見圖8。為了以機械方式定位傳感器芯片20，定子2的一端與呈凸緣狀的容納件28連接(對此可參看圖5至圖7中的單獨示圖)。根據圖1，容納件28與定子2的接地元件6以軸向上齊平的方式直接或(如圖所示)間接相連。容納件28具有一垂直于旋轉軸16并帶有容納開口 32的隔板30，其中所述容納開口 32的開口形狀與傳感器芯片20的輪廓相適配，從而使傳感器芯片20能夠形狀適配地插入到容納開口 32并因此無間隙地定位于其中。傳感器芯片20以及其所屬的容納開口 32具有不同于圓形的輪廓，因此傳感器芯片20的旋轉方向能夠被精確調整。在圖中示出的優(yōu)選實施方案中，傳感器芯片20以及容納開口 32分別具有矩形的輪廓。在圖2及圖3中單獨示出了承載傳感器芯片20的柔性導體薄膜26。如這些附圖所示的那樣，導體薄膜26具有與傳感器芯片20相連接的芯片承載段34以及與定子繞組8導電連接的定子段36。在如圖I所示的已裝配完畢的狀態(tài)下，芯片承載段34與定子段36分別被設置于兩個在軸向上平行地錯開的平面上并且通過一翻折(umgefaltet)180°的連接段38相互連接。與芯片承載段34相比，定子段36更靠近定子2以及磁轉子4。如圖I以及圖4中的放大示圖進一步所示的那樣，導體薄膜26的定子段36被固定在定子2的軸承座40上。軸承座40容納旋轉軸承12，而且所述軸承座40是這樣置于定子2與芯片容納件28之間的，即，使得定子2及其接地元件6的外部輪廓齊平地越過軸承座40而轉化到容納件28。軸承座40與導體薄膜26的定子段36之間的機械連接優(yōu)選通過軸承座40的鉚釘式保持件42實現，該保持件穿過導體薄膜26的定子段36中的通孔并堵住該通孔，特別是利用加熱變形的方式堵住(warm verstemmt)該通孔。由于軸承座40與定子2的這種機械連接，因而定子繞組8可通過繞組抽頭44(見圖I)與導體薄膜26的定子段36建立導電連接。為此，繞組抽頭44，也就是定子繞組8的導線端部敷設在導體薄膜26的邊緣凹槽46中并被焊接在接觸區(qū)48(見圖2)上。對于圖4中的示圖仍需提及的是，在軸承座40的內部，在該軸承座與旋轉軸承12之間還設置有一用于軸向支承轉子軸10的啟動片(Anlaufscheibe) 50。此處同樣參見圖
Io 從圖I至圖3中進一步可知，柔性導體薄膜26包括用于電機外部導電連接，也就是說用于與外部的控制電子電路建立導電連接的插接段(Anschlussabschnitt) 52。插接段52優(yōu)選是定子段36的延長部，因此處在相同的平面上。依據圖2，導體薄膜26處于尚未裝配的平鋪狀態(tài)時大致呈Y型。插接段52的一端為加厚端，該加厚端具有用于導電插接的接觸元件54。從圖I中的示圖及其對應的說明中可知，在優(yōu)選實施方案中，磁轉子4的磁場貫穿多個部件，一直到達傳感器芯片20的區(qū)域。令人驚訝的是，盡管如此，該磁場仍可被足夠精確地探測到，從而確保精確地確定轉子的旋轉位置。在這種情況下，像圖I所示的那樣，磁轉子4相對于定子繞組8以在軸向方向上偏置(au 0 ermittig)并朝向傳感器芯片20的方向錯開的方式布置在定子2的內部是有利的。這樣就可以實現提高有效信號強度的目的。在圖I所示的已安裝完成的狀態(tài)下，容納件28的遠離定子2的區(qū)域連同在此處選擇配置的組件18還被一保護罩56所覆蓋。柔性導體薄膜26主要位于電機I的外部并僅芯片承載段34及定子段36的端部穿過相應的開口伸入電機I中。而其余部分，例如連接段38與插接段52則位于電機I的外部。在示出的并已實現的微型電機I的實施方式中，外徑Da = 5mm。傳感器芯片20的面積為2mm 2. 8mm。磁轉子4的外徑Dk = 2. 4mm,而傳感器節(jié)圓24的外徑Dt = 2mm。接地元件6的內徑D1為4mm。如圖I所示的傳感器芯片20與磁轉子4之間的距離A的標準尺寸為2. 47mm。當然，本發(fā)明并不僅局限于這些具體尺寸。本發(fā)明并不僅限于示出并說明的實施例，其也包括所有在發(fā)明意義上具有相同效果的實施方案。需要強調的是，所述實施例并不僅限于所有組合在一起的特征，每個獨立特征本身在與其他特征相分離時仍然具有創(chuàng)新意義。另外，本發(fā)明迄今為止也不限制于權利要求I定義的特征組合，其也可被定義為由已全部公開的單個特征中的一定特征組合而成的任何其他組合。這意味著，原則上并在實踐中，權利要求I所述的每一個單個特征都可以刪去，或者說，權利要求I中 所述的每一個單個特征都可以被在本申請中其他地方公開的單個特征所取代。就此而言，權利要求I只可被理解為對于一個發(fā)明的一種最初的表述嘗試。
權利要求
1.一種外徑小于/等于6mm的微型電機(1)，其包括具有定子繞組(8)且呈空心圓柱體狀的定子(2)和磁轉子(4)，所述磁轉子設置在所述定子(2)中并借助于轉子軸(10)能夠圍繞旋轉軸(16)旋轉，其中，對于用于產生磁旋轉場的所述定子繞組(8)能夠根據所述磁轉子(4)的旋轉位置來進行控制， 其特征在于，為了探測所述磁轉子(4)的旋轉位置，在垂直于旋轉軸(16)的平面內的與所述磁轉子(4)的端面軸向毗鄰的區(qū)域中安置包含至少一個磁場傳感器(22)的傳感器芯片(20)，以便使所述磁轉子(4)的磁場能夠作用于所述磁場傳感器(22)，從而能夠對磁場進行分析以確定轉子的旋轉位置。
2.如權利要求I所述的微型電機，其特征在于，所述傳感器芯片(20)被設置成與所述旋轉軸(16)共中心，并且其具有至少三個集成的磁場傳感器(22)，這些磁場傳感器布置在所述磁轉子(4)的軸向投影所覆蓋的區(qū)域中，并以一定的周向分布方式安置在圍繞所述旋轉軸(16)的節(jié)圓(24)上，其中，所述節(jié)圓(24)的直徑(Dt)落在所述轉子軸(10)的直徑(Dff)與所述磁轉子(4)的外徑(Da)之間的范圍內。
3.如權利要求2所述的微型電機，其特征在于，所述傳感器芯片(20)與相鄰的所述磁轉子(4)的端面是以軸向間距(A)相互間隔開的，所述軸向間距的最大值相當于所述磁場傳感器(22)的節(jié)圓(24)的直徑(Dt)的I至I. 5倍。
4.如權利要求I至3之一所述的微型電機，其特征在于，所述傳感器芯片(20)包含四個磁場傳感器(22)，這些磁場傳感器以彼此錯開90°的均勻分布的方式安置在所述節(jié)圓(24)上。
5.如權利要求I至4之一所述的微型電機，其特征在于，所述傳感器芯片(20)被構造為單芯片編碼器，其除了所述磁場傳感器(22)之外還包含信號分析器，所述信號分析器能夠為外部控制電子電路直接提供絕對旋轉位置信號和/或增量旋轉位置信號。
6.如權利要求I至5之一所述的微型電機，其特征在于，優(yōu)選以倒裝芯片技術制作的所述傳感器芯片(20)是通過柔性的導體薄膜(26)實現導電連接的。
7.如權利要求I至6之一所述的微型電機，其特征在于，所述傳感器芯片(20)相對于所述定子(2)和所述磁轉子(4)是以機械方式精確定位的。
8.如權利要求7所述的微型電機，其特征在于，所述定子(2)的一端與凸緣狀的容納件(28)相連接，其中，所述容納件(28)具有垂直于所述旋轉軸(16)并具有容納開口(32)的隔板(30)，所述容納開口用于以無縫安置的方式容納所述傳感器芯片(20)。
9.如權利要求6至8之一所述的微型電機，其特征在于，所述柔性的導體薄膜(26)具有與所述傳感器芯片(20)連接的芯片承載段(34)以及與所述定子繞組(8)建立導電連接的定子段(36)，其中所述芯片承載段(34)以及定子段(36)被設置在兩個在軸向上平行錯開的平面上并通過翻折的連接段(38)彼此連接。
10.如權利要求9所述的微型電機，其特征在于，所述導體薄膜(26)的定子段(36)被固定在所述定子(2)的軸承座(40)上，其中所述定子繞組(8)的繞組抽頭(44)是焊接的。
11.如權利要求6至10之一所述的微型電機，其特征在于，所述柔性的導體薄膜(26)具有用于外部導電的電機連接的插接段(52)。
12.如權利要求I至11之一所述的微型電機，其特征在于，所述磁轉子(4)相對于所述定子繞組(8)以在軸向方向上偏置并朝向所述傳感器芯片(20)的方向錯開的方式布置在所述定子(2)的內部
全文摘要
本發(fā)明涉及一種外徑(DA)小于/等于6mm的微型電機(1)，該微型電機包括具有定子繞組(8)的空心圓柱體狀的定子(2)以及在定子(2)中借助于轉子軸(10)以能夠圍繞旋轉軸(16)旋轉的方式設置的磁轉子(4)。所述定子繞組(8)可根據磁轉子(4)的旋轉位置進行控制，以便產生磁旋轉場。為探測磁轉子(4)的旋轉位置，在垂直于旋轉軸(16)的平面內的那一與所述磁轉子(4)的端面軸向毗鄰的區(qū)域中安置一包含至少一個磁場傳感器(22)的傳感器芯片(20)，以便令所述磁轉子(4)的磁場能夠作用到所述磁場傳感器(22)上，從而能夠對磁場進行分析以確定轉子的旋轉位置。
文檔編號H02K11/00GK102629804SQ20121002340
公開日2012年8月8日 申請日期2012年2月2日 優(yōu)先權日2011年2月4日
發(fā)明者赫伯特·瓦爾納 申請人:弗里茨·福爾哈貝爾博士兩合公司