專利名稱：印刷電路板電機(jī)和控制方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及組合了永磁體的電機(jī)，尤其涉及一種具有帶有多個(gè)永磁體的轉(zhuǎn)子和配置為印刷電路板的定子的電機(jī)。
背景技術(shù)：
包括永磁體的電機(jī)類型已經(jīng)普遍存在并成為了生活的一部分。這種電機(jī)有多種用途，包括以精確控制的方式來(lái)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的小或輕重量部件。這些年來(lái)這種類型的電機(jī)的基本電子設(shè)計(jì)并沒(méi)有顯著改變。代表性的，電流切換到一系列導(dǎo)體線圈以生成旋轉(zhuǎn)場(chǎng)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。電機(jī)中的磁體被所述旋轉(zhuǎn)場(chǎng)影響，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。永磁體電機(jī)典型地使用具有有限壽命的電池以生成所需電流提供給導(dǎo)體。
期望在許多應(yīng)用中包含便宜的電磁電機(jī)。這種電機(jī)成本的主要部分在于其金屬線圈。使用兩相位無(wú)刷(two phase brushless)系統(tǒng)是有益的，因?yàn)樗膫鹘y(tǒng)兩相位永磁體電機(jī)的一半能量，從而保持并延長(zhǎng)了電池壽命。最后，能夠非常精確控制的永磁體電機(jī)也是有益的。
同樣，也需要一種電機(jī)，其速度獨(dú)立于施加到電機(jī)的電流或電壓水平。具有允許可變轉(zhuǎn)矩和電機(jī)電流的永磁體電機(jī)也是有益的，這樣在速度變化期間可以施加額外轉(zhuǎn)矩和電流，而在恒定的穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)期間可以減少電流消耗。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開(kāi)了一種印刷電路板電機(jī)。該電機(jī)包括轉(zhuǎn)子，其包括嵌入磁體的通常為圓形的板，所述磁體擴(kuò)展到該轉(zhuǎn)子板的前表面的外緣；耦合到轉(zhuǎn)子板背面的輪軸；以及在印刷電路板的前表面上印制的定子，所述前表面鄰近并且平行于轉(zhuǎn)子板的前表面。印刷電路板包括印刷在印刷電路板的同一表面或相反表面上的兩個(gè)導(dǎo)體。所述導(dǎo)體彼此相位偏離90°。兩個(gè)導(dǎo)體生成交替“方波”圖案。印刷電路板線路使得電流方向在指定間隔倒轉(zhuǎn)。嵌入轉(zhuǎn)子板的磁體提供穿過(guò)印刷電路板的磁場(chǎng)。圍繞轉(zhuǎn)子板的邊緣的磁體交替北極和南極。轉(zhuǎn)子響應(yīng)定子中的電流轉(zhuǎn)動(dòng)。該轉(zhuǎn)動(dòng)速率可以被精確地控制?？梢酝ㄟ^(guò)使用相對(duì)高頻調(diào)制來(lái)斬波(chopping)輸入電流而控制轉(zhuǎn)矩和平均電流消耗，所述高頻調(diào)制的占空因數(shù)與所述轉(zhuǎn)矩和平均電流消耗成比例。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種便宜的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其能夠提供精確的轉(zhuǎn)動(dòng)速率控制，并允許可變的轉(zhuǎn)矩和電機(jī)電流，這樣在速度改變期間，可以施加附加轉(zhuǎn)矩和電流，但是在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)期間，可以減少電流消耗，從而延長(zhǎng)電池壽命。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是通過(guò)減少電機(jī)電流到維持希望的轉(zhuǎn)動(dòng)速率所需要的數(shù)量來(lái)增加電池壽命，從而延長(zhǎng)電機(jī)的電池壽命。
本發(fā)明的另一個(gè)目的將在這里具體的發(fā)明描述說(shuō)明中變得顯而易見(jiàn)。
當(dāng)結(jié)合以下附圖閱讀時(shí)，本發(fā)明具體實(shí)施例的以下詳細(xì)描述將更加容易理解。


圖1A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的印刷電路板電機(jī)的側(cè)視圖；圖1B是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的印刷電路板電機(jī)的俯視圖；圖1C是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的印刷電路板電機(jī)的前視圖；圖1D是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的轉(zhuǎn)子的前表面視圖，示出了嵌入磁體的位置；圖2A和2B根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了定子的印刷電路板的前和后表面，沒(méi)有印刷線圈；圖3根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了定子的印刷電路板的前表面上的一個(gè)導(dǎo)體；圖4根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了定子的印刷電路板的后表面上的第二導(dǎo)體；
圖5A和5B根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了定子的印刷電路板的前和后表面上的兩個(gè)導(dǎo)體；圖6根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了印刷電路板定子的電路圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的圖6中的印刷電路板圖的不同輸入和輸出的圖。
在以下優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述中，參考作為實(shí)施例的一部分的附圖，該參考只是以說(shuō)明的方式示出，而不是限制將實(shí)踐本發(fā)明中的具體實(shí)施例。應(yīng)該理解在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，可以利用其它的實(shí)施例，可以進(jìn)行合理的、機(jī)械的和電子的改變。
具體實(shí)施例方式
圖1A-D從幾個(gè)不同的視點(diǎn)圖解示出了印刷電路板電機(jī)10。印刷電路板電機(jī)10的轉(zhuǎn)子30包括具有前表面32和后表面33的板31。轉(zhuǎn)子30具有多個(gè)磁體40，其安裝并擴(kuò)展至轉(zhuǎn)子板31的前表面32的外緣，如圖1D所示。磁體40可以嵌入到轉(zhuǎn)子板31的前表面32中。轉(zhuǎn)子30上的多個(gè)磁體40交替其北極和南極。即，圍繞轉(zhuǎn)子30的外圍前進(jìn)，遭遇到的是其北極面向遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子30的磁體與其南極面向遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子30的磁體相交錯(cuò)。轉(zhuǎn)子板31可以配置為圓盤(pán)，但是其它幾何形狀也是可能的。轉(zhuǎn)子30附加到輪軸50。輪軸50帶著轉(zhuǎn)子30旋轉(zhuǎn)，并可附加到被電機(jī)10驅(qū)動(dòng)的任何裝置上。輪軸50可以被樞軸支撐(journaled)在合適的軸座中，其被支撐臂52所支持。
定子20包括具有前表面22和后表面23的印刷電路板21。在一個(gè)實(shí)施例中，定子20的印刷電路板21可以是較大印刷電路板的一部分，該較大印刷電路板控制整個(gè)產(chǎn)品并包括該產(chǎn)品的所有電子產(chǎn)品。在另一個(gè)實(shí)施例中，定子20的印刷電路板21僅僅控制印刷電路板電機(jī)10。定子20的前表面位于轉(zhuǎn)子30前表面的對(duì)面，并與其平行。轉(zhuǎn)子30上的多個(gè)磁體40從轉(zhuǎn)子板30延伸一定距離，該距離允許磁體40產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿過(guò)定子20的印刷電路板并阻止串?dāng)_(crosstalk)。轉(zhuǎn)子30和定子20不接觸。
在圖2A中示出了定子20的印刷電路板21的前表面20，處理器U1可以安裝于印刷電路板21的前表面22上?；舳?yīng)變換器U2和U3也安裝在印刷電路板21的前表面22上。圖2B中示出了印刷電路板21的后表面23。
印刷電路板可以由許多層組成，并利用任何已知的方法來(lái)制作。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)體的第一層印刷在印刷電路板21的前表面22上，并在圖3中示出。該第一層導(dǎo)體可以以傳導(dǎo)金屬印刷，諸如銅。導(dǎo)體的第二層印刷在印刷電路板21的背面，并在圖4中示出。該第二層包括印刷電路板21的內(nèi)部信號(hào)線。圖5A-B示出了所述導(dǎo)體，具有所述兩個(gè)導(dǎo)體的正和負(fù)部件，它們被印刷在印刷電路板21的前面22和背面23。圖5A表示印刷在印刷電路板21的前表面22上的導(dǎo)體。圖5B表示在印刷電路板21的背面23上的導(dǎo)體。所述兩個(gè)前表面和后表面導(dǎo)體彼此異相90度，并且表示凹陷和源對(duì)(sinking and souringpairs)。在另一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)前表面和后表面導(dǎo)體印刷在印刷電路板21的單個(gè)面上，并通過(guò)跳線連接。
所述兩個(gè)導(dǎo)體生成周期排列的交替“方波”圖案。處理器U1使得通過(guò)導(dǎo)體的電流在間隔中倒轉(zhuǎn)，引起轉(zhuǎn)子30旋轉(zhuǎn)。處理器U1使用高頻調(diào)制控制電流。另外，可以由處理器U1控制印刷電路板電機(jī)10的轉(zhuǎn)矩和平均電流消耗。處理器U1使用相對(duì)高頻調(diào)制通過(guò)“斬波”所述電流來(lái)控制它。所述相對(duì)高頻調(diào)制具有與轉(zhuǎn)矩和平均電流消耗成比例的占空因數(shù)。轉(zhuǎn)子30響應(yīng)印刷電路板21的電流而轉(zhuǎn)動(dòng)。該轉(zhuǎn)動(dòng)速率可以通過(guò)處理器U1精確控制。由于交替兩個(gè)導(dǎo)體相位的方法，速度獨(dú)立于被施加到電機(jī)的電流或電壓。速度、轉(zhuǎn)矩和功率消耗也被獨(dú)立控制。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的印刷電路板定子的電路圖。印刷電路板21可以有任意個(gè)表面。定子A和B表示彼此異相90°并且印刷在印刷電路板21的所有表面上的兩個(gè)導(dǎo)體。也示出了兩個(gè)霍耳效應(yīng)轉(zhuǎn)換器U2和U3以及處理器U1。最大柵極-源極電壓是用于橋場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的+/-12伏特、或用于2N7002印刷電路板的+/-3.5伏特。
圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的圖6電路圖不同輸入和輸出的圖表。Q1表示處理器U1產(chǎn)生的電池電壓輸入。如所示出的，該輸入是斬波輸入，與印刷電路板電機(jī)10的期望轉(zhuǎn)動(dòng)速率所需要的切換頻率相比，其具有相對(duì)較高的頻率。所述頻率可以是例如大約8千赫茲，得到的周期例如大約125微秒。Q21和Q22表示來(lái)自被印刷在定子20的印刷電路板21前表面上的導(dǎo)體的交替正和負(fù)輸出。Q21指定正輸出，Q22指定負(fù)輸出。Q23和Q24表示來(lái)自被印刷在定子20的印刷電路板21背面23的導(dǎo)體的交替正和負(fù)輸出，其與來(lái)自被印刷在定子20的印刷電路板前表面的導(dǎo)體的正和負(fù)輸出異相90度。Q23指定正輸出，Q24指定負(fù)輸出。另外，基于速度和印刷電路板21上導(dǎo)體圖案的幾何形狀，Q24滯后于Q22，滯后量是所述期望轉(zhuǎn)動(dòng)速度的函數(shù)。該滯后例如大約可以為100毫秒。Q21、Q22、Q23和Q24表示Q1的斬波輸入電流的調(diào)制效應(yīng)。
因?yàn)槭褂脭剌斎氩ǎ枰倌芰縼?lái)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子30。即使需要電流增加來(lái)啟動(dòng)印刷電路板電機(jī)10或改變速度，一旦轉(zhuǎn)子30以恒定穩(wěn)態(tài)速度轉(zhuǎn)動(dòng)，電流消耗減少，從而降低整個(gè)能量成本。通過(guò)斬波的使用，使用一半有效電能量，從而通過(guò)雙倍平均印刷電路板電機(jī)壽命而延長(zhǎng)電池壽命，導(dǎo)致更多節(jié)省成本。
應(yīng)該注意術(shù)語(yǔ)如“優(yōu)選地”、“通?！薄ⅰ暗湫偷亍痹诖耸褂貌皇窍拗埔蟊景l(fā)明的范圍，或者暗示某些特征對(duì)要求的發(fā)明的結(jié)構(gòu)和功能是關(guān)鍵的、基本的、或更重要的。相反，這些術(shù)語(yǔ)僅僅想要重點(diǎn)指示替換的或額外的特征，其可以或不可以在本發(fā)明的特定實(shí)施例使用。
通過(guò)參考具體實(shí)施例，已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明，應(yīng)該理解在不脫離本發(fā)明所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的修改和變化都是可能的。尤其是，盡管本發(fā)明的一些方面在此以優(yōu)選地或特定優(yōu)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，本發(fā)明并不需要限制在本發(fā)明的這些優(yōu)選方面。
權(quán)利要求
1.一種印刷電路板電機(jī)，包括轉(zhuǎn)子，包括具有前表面和后表面的板，以及在所述板的所述前表面上鄰近所述轉(zhuǎn)子的板的外部邊緣安裝的多個(gè)磁體；輪軸，在所述板的中心耦合到所述板的后表面；以及定子，具有前表面和后表面，所述前表面相鄰于且平行于所述板的前表面，所述定子包括印刷電路板，具有至少兩個(gè)導(dǎo)體；處理器，用于控制施加到所述導(dǎo)體的功率。
2.權(quán)利要求1的印刷板電機(jī)，其中所述轉(zhuǎn)子的板是圓的。
3.權(quán)利要求1的印刷板電機(jī)，其中所述定子的印刷電路板進(jìn)一步包括多個(gè)霍耳效應(yīng)轉(zhuǎn)換器。
4.權(quán)利要求1的印刷電路板電機(jī)，其中所述多個(gè)磁體被放置為鄰近所述轉(zhuǎn)子的板的邊緣，這樣具有朝向外的北極的磁體與具有朝向外的南極的磁體圍繞所述板的邊緣而交替。
5.權(quán)利要求1的印刷電路板電機(jī)，其中所述多個(gè)磁體中的每一個(gè)從所述轉(zhuǎn)子的所述板的前表面的邊緣突出一定距離。
6.權(quán)利要求1的印刷電路板電機(jī)，其中所述多個(gè)磁體中的每一個(gè)提供一個(gè)穿過(guò)所述定子的所述印刷電路板的磁場(chǎng)。
7.權(quán)利要求1的印刷電路板電機(jī)，其中所述多個(gè)磁體相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子的板的前表面的邊緣被放置以防止場(chǎng)效應(yīng)串?dāng)_。
8.權(quán)利要求1的印刷電路板電機(jī)，其中所述印刷電路板具有前表面和后表面，其中所述至少兩個(gè)導(dǎo)體被印刷在所述印刷電路板的相反表面上，其中所述至少兩個(gè)導(dǎo)體之一被印刷在所述定子的所述前表面上，所述至少兩個(gè)導(dǎo)體的另一個(gè)印刷在所述定子的所述后表面上。
9.權(quán)利要求1的印刷電路板電機(jī)，其中所述至少兩個(gè)導(dǎo)體印刷在所述印刷電路板的單個(gè)表面上，其中通過(guò)跳線連接來(lái)連接所述至少兩個(gè)導(dǎo)體。
10.權(quán)利要求1的印刷電路板電機(jī)，其中所述至少兩個(gè)導(dǎo)體被定位為圍繞所述定子周圍彼此異相90°。
11.權(quán)利要求1的印刷電路板電機(jī)，其中提供給所述至少兩個(gè)導(dǎo)體之一的電流滯后于提供給所述至少兩個(gè)導(dǎo)體中另一個(gè)的電流。
12.如權(quán)利要求11的印刷電路板電機(jī)，其中所述至少兩個(gè)導(dǎo)體之間的滯后是所期望轉(zhuǎn)動(dòng)速度的函數(shù)。
13.權(quán)利要求1的印刷電路板電機(jī)，其中電流提供給所述兩個(gè)導(dǎo)體作為交替方波圖案。
14.權(quán)利要求13的印刷電路板電機(jī)，其中所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度獨(dú)立于被施加到所述印刷電路板電機(jī)的電流和電壓水平。
15.權(quán)利要求1的印刷電路板電機(jī)，其中所述處理器使得通過(guò)所述導(dǎo)體的電流方向以一定間隔倒轉(zhuǎn)，引起所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
16.權(quán)利要求1的印刷電路板電機(jī)，其中所述處理器通過(guò)使用頻率調(diào)制而控制通過(guò)所述導(dǎo)體的電流。
17.權(quán)利要求16的印刷電路板電機(jī)，其中所述頻率調(diào)制具有與轉(zhuǎn)矩和平均電流消耗成比例的占空因數(shù)。
18.權(quán)利要求17的印刷電路板電機(jī)，其中通過(guò)以相對(duì)高的頻率斬波所述電流來(lái)控制所述轉(zhuǎn)矩和平均電流消耗。
19.權(quán)利要求18的印刷電路板電機(jī)，其中一旦所述轉(zhuǎn)子以常速轉(zhuǎn)動(dòng)，所述電流消耗減少。
20.權(quán)利要求18的印刷電路板電機(jī)，其中與期望轉(zhuǎn)動(dòng)速率所需要的切換頻率相比，所述斬波電流具有相對(duì)高的頻率。
全文摘要
公開(kāi)了一種印刷電路板電機(jī)。該電機(jī)(10)包括嵌入磁體(40)的轉(zhuǎn)子板(31)、輪軸(50)和印刷電路板定子(20)。印刷電路板(20)包括印刷在印刷電路板同一表面或相反表面的兩個(gè)導(dǎo)體。兩個(gè)導(dǎo)體生成交替“方波”圖案。印刷電路板電路使得電流的方向以一定間隔倒轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子響應(yīng)定子的電流而轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢跃_控制轉(zhuǎn)動(dòng)速率?？梢酝ㄟ^(guò)使用高頻調(diào)制來(lái)斬波電流而控制轉(zhuǎn)矩和平均電流消耗，所述電流的占空因數(shù)與轉(zhuǎn)矩和平均電流消耗成比例，這將延長(zhǎng)電機(jī)的電池壽命。
文檔編號(hào)H02K3/26GK101044667SQ200580035474
公開(kāi)日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2005年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月16日
發(fā)明者詹姆斯·T·扎盧斯基 申請(qǐng)人:天寶導(dǎo)航有限公司