相关申请的交叉引用
本申请根据35u.s.c.§119要求2017年9月20日提交的美国专利申请15/710,045号的优先权利益，并根据35u.s.c.§119要求2017年5月27日提交的国际申请pct/cn2017/086314号的优先权利益，它们的全部内容都被合并至本文中。
背景
本申请总体上涉及无刷电机领域，更具体地，涉及将控制器设置在电机壳体内的电机。
电动工具（例如手持式工具、草坪园艺工具等）通常由永磁直流（“pmdc”）电机提供动力。pmdc电机中的电刷与换向器物理接合，从而在电刷和换向器之间产生摩擦。这种摩擦会导致工作噪音、电刷磨损以及工作温度升高，从而限制了pmdc电机的使用寿命。
概述
一个实施方式涉及一种无刷直流电机组件，其包括具有第一端和第二端的壳体以及设置在该壳体中的定子。该组件还包括布置在定子中的转子子组件，该转子子组件具有轴，该轴具有靠近壳体的第一端的第一端和靠近壳体的第二端的第二端。该组件还包括布置在壳体中的控制器，该控制器被构造成控制轴的旋转。轴的第一端被构造成提供旋转输出。
另一个实施方式涉及一种电气设备，其包括从动构件和无刷直流电机组件。该组件包括具有第一端和第二端的壳体以及设置在壳体中的定子。该组件还包括布置在定子中的转子子组件，该转子子组件具有轴，该轴具有靠近壳体的第一端的第一端和靠近壳体的第二端的第二端。该组件还包括布置在壳体中的控制器，该控制器被构造成控制轴的旋转。轴的第一端联接至从动构件，并且轴被构造成使从动构件旋转。
附图简述
图1是根据示例性实施方式的电机的爆炸图。
图2是图1的电机的截面图。
图3是图1的电机除去盖子后的后透视图。
详细描述
各种实施方式在下文描述。应当注意，特定实施例不旨在作为详尽的描述或作为对本文所讨论的更广泛方面的限制。结合特定实施例描述的一个方面不必限于该实施例，并且可以实施于任何其他实施例。
在描述特征的上下文中（特别是在以下权利要求的上下文中），术语“一”和“该”以及类似指代应被解释为涵盖单数和复数，除非另外指出或与上下文明显矛盾。除非在此另外指出，否则本文中数值范围仅旨在用作分别指代落入该范围内的每个单独值的简写方法，并且每个单独值都被并入说明书中，就好像它在本文中被单独叙述一样。除非本文另外指出或与上下文明显矛盾，否则本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。除非另有说明，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言（例如“例如”）的使用仅旨在更好地阐明实施例，并且不对权利要求的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应解释为表明任何未要求保护的特征为必要特征。
为了减少电机中的摩擦，可以使用无刷直流（bldc）电机代替pmdc电机。在bldc电机中，电流流过定子中的绕组，形成磁场以与转子上的永磁体相互作用。转子和定子在物理上是分开的，因此bldc无需任何电刷即可运行，从而相对于pmdc电机来说减少了bldc电机的摩擦。但是，与pmdc电机相反，bldc电机需要控制器才能运行。在传统的bldc电机中，控制器位于电机外部（例如，在工具的手柄或踏板中）。
如可清楚地从下文看出的，提供一种具有布置在电机壳体内的控制器的bldc电机可能是有利的。例如，通过将控制器定位在壳体内，可以在将电机安装在电气设备（例如，电动工具等）中之前完全组装电机，从而降低了将电机安装在电气设备中以使从动构件旋转的成本和复杂性。对于电动工具，电机可以作为从动构件联接至卡盘（例如，用于钻头、车床等）。类似地，电机可以驱动承槽（socket）从而将凸耳（lug）安装在汽车或卡车上。此外，壳体中的结构可以帮助冷却控制器。例如，壳体可以包括风扇和其他结构作为散热器。
参照图1和图2，其示出了根据说明性实施例的bldc电机组件10。组件10包括定子12，该定子具有第一（例如，前）端14和相对的第二（例如，后）端16。电磁线绕定子12形成多个绕组18。绕组18被配置为接收电流（例如直流电）从中流过，产生磁场。定子12限定出从第一端部14延伸到第二端部16的定子孔20，并且该定子孔20被构造成容纳设置在其中的转子子组件22。
转子子组件22包括具有第一（例如，前）端26和相对的第二（例如，后）端28的磁环24。磁环24限定出从第一端26延伸到第二端的磁环孔30。磁环24由永磁体形成，该永磁体被构造成与绕组18产生的磁场发生磁性相互作用。传感器磁体（sensormagnet）32布置在磁体环24的第二端28附近，并限定出延伸通过其中的传感器磁体孔34。传感器磁体32包括至少两对北极和南极。例如，第一南北极对定义出第一磁轴（例如，与传感器磁体32共面），第二南北极对定义出与第一磁轴交叉（例如，垂直、正交）的第二磁轴（例如，与传感器磁体32共面）。根据其他说明性实施例，传感器磁体32可以限定出更多或更少的南北极对。如图2所示，传感器磁体32被布置成靠近控制器78，使得传感器磁体32中的磁极与控制器78上的霍尔传感器磁性相互作用。霍尔传感器基于磁极的取向在接通位置和断开位置之间触发，从而测量出转子子组件22的旋转速度。图1和图2示出了与磁体环分开形成的传感器磁体32，根据其他说明性实施例，磁体环24的第二端28可以被磁化为具有期望的磁极结构以与霍尔传感器磁相互作用。
转子子组件22还包括布置在磁环孔30和传感器磁体孔34中的轴38（例如，转子）。轴38具有大致环形（例如，圆柱形）的形状并限定出第一（例如，前、输出）端40和第二（例如，后）端42。轴38的第一端40被构造成提供来自组件10的旋转输出。轴38具有在第一端和第二端40、42之间延伸的轴长l1，l1显著大于在定子12的第一端和第二端14、16之间延伸的定子长度l2。在这种配置中，当转子子组件22设置在定子12中时，轴38的端40、42中的至少一个从定子12轴向向外延伸。如图2所示，端40、42都可从定子12轴向向外延伸。此外，传感器磁体32和间隔件36被布置成靠近定子12的第二端16并从定子12的第二端16轴向向外。
仍然参考图1和图2，可以在磁体环24和传感器磁体32之间布置间隔件36，以使传感器磁体32与磁体环24间隔开。轴38联接到传感器磁体32并且相对于传感器磁体32旋转性固定，使得当磁体环24使传感器磁体32旋转时，轴38以与磁体环24和传感器磁体32中的每一个基本相同的角速度旋转。如图2所示，套筒44设置在传感器磁体32和轴38之间，直接在第二端42附近的轴38上，并构造成保持传感器磁体32和轴38之间的固定旋转方向。例如，套筒44可以由可压缩材料形成，该可压缩材料被构造成与轴38摩擦接合。例如，套筒44可以是被压配合到轴38上的黄铜环，使得套筒44相对于轴38旋转固定。传感器磁体孔34可以限定出与套筒44的互补特征，或者可以与套筒摩擦地接合（例如，通过被压配合在套筒44上或包覆模制（over-molded）到套筒44上），使得传感器磁体32相对套筒44旋转固定。根据另一示例性实施例，轴38或套筒44中的一个限定出狭槽，而轴38或套筒44中的另一个限定出被构造成容纳在该狭槽中的键（key）。传感器磁体32也可以其他方式旋转地固定至轴38。
仍然参考图1和图2，转子子组件22还包括风扇46。风扇46包括：毂部48，其限定了从中延伸的风扇孔50；以及多个叶片52，其从毂部48径向向外延伸。风扇46被布置在磁体环24的第一端26附近或在磁体环的第一端26上，并且风扇孔50被构造成容纳延伸穿过其中的轴38。风扇46联接至磁环24或轴38中的至少一个，使得风扇46相对于轴38旋转地固定。当轴38的旋转速度在定子12中增大时，风扇46的旋转速度也增加，从而增加了组件10中的气流以冷却组件10。
组件10还包括限定出第一（例如，前）端56和第二（例如，后）端58的壳体54（例如，罩、壳等）。壳体54基本上是环形的（例如，圆柱形），其限定出比定子外径d2大的壳体内径d1（例如，在大约30mm至70mm），使得定子12被配置为容纳在壳体54内。类似地，风扇的外径d3小于壳体的内径d1，使得风扇46以及转子子组件22更普遍地被配置为容纳在壳体54内。在壳体54中靠近第一端56处具有多个第一（例如，进气）开口60，并且在壳体54中靠近第二端58处具有多个第二（例如，排气）开口62。叶片52被布置成靠近第一开口60，并且被构造成在组件10的操作期间将空气通过第一开口60并朝向第二开口62吸入壳体54的内部，以冷却壳体54内的部件。根据其他说明性实施例，第一开口60和/或第二开口62可被构造成提供用于布线延伸进入壳体54的通道。
第一保持器15被构造成接合定子12的第一端14，第二保持器17被构造成接合定子12的第二端16。第一保持器15和第二保持器17布置在定子12和壳体54之间并与它们接合，从而定子12不直接与壳体54接合。第一和第二保持器15、17由大体上不导电的材料形成，并且被构造成使定子12与壳体54电绝缘。
第一（例如，前）盖64设置在壳体54的第一端56上，并且限定出第一盖孔66，该第一盖孔66被构造成接收穿过其中的轴38的第一端40。类似地，第二（例如，后）盖68设置在壳体54的第二端58上，并限定出第二盖孔70，该第二盖孔70被构造成接收穿过其中的轴38的第二端42。根据另一个说明性实施例，第一和第二盖64、68中的一个可以是基本上实心的（例如，没有用于容纳轴38的孔66、70）。第一滚珠轴承72围绕轴38环形地布置在第一端40附近，并与第一盖64的孔66接合，使得轴38由第一盖64支撑。类似地，第二滚珠轴承74绕轴38环形地布置在第二端42附近，并与第二盖68的孔70接合，使得轴38也由第二盖68支撑。如图1和图2所示，至少一个垫圈76（例如，间隔件、垫片等）可以设置在转子子组件22与第一滚珠轴承72之间和/或在转子子组件22与第二滚珠轴承74之间。在各种说明性实施例中，第一和第二盖64、68可以被紧固（例如，通过铆钉、螺钉、螺栓等）至壳体54，或者可以以其他方式被连接（例如，焊接）至壳体54。
现在总体上参考图1至3，其示出了根据说明性实施例的控制器78。控制器78可以利用从定子向控制器78延伸的螺钉和/或塑料夹连接到定子。控制器78被配置为通过控制流过绕组18的电流来控制组件10的操作，继而控制定子12中转子子组件22的旋转速度。例如，控制器78被配置为控制轴38的旋转，并因此控制轴38来自组件10的旋转输出。控制器78设置在壳体54内部，靠近第二端58，在定子12的第二端16和第二盖68之间。例如，控制器78是基本上圆形的（例如，环形、盘形），限定出控制器外径d4，该外径d4小于壳体内径d1，使得控制器78可以完全封闭在壳体54内，而不位于壳体54的外部。控制器外径d4或壳体内径d1中的至少一个可以在大约30mm至70mm之间。常规控制器的尺寸没有小到足以安装在小于或等于70毫米的外壳内径d1内，同时仍能容纳操作组件10所需的所有组件。
控制器78限定出控制器孔80，并且被配置成接收穿过其中的轴38的第二端42。控制器孔80使控制器78能够设置在壳体54内，而不会干扰轴38的放置和移动。图1和图3示出了控制器78是基本上圆形的，根据其他说明性实施例，控制器78可以包括其他形状和尺寸，使得控制器78可以被完全封闭在组件10内，而轴38的第二端42延伸通过控制器孔80。
参照图1和图2，组件10包括设置在控制器78和第二盖68之间的传导（例如，第一）环82。例如，传导环82的相对表面可以直接接合控制器78和第二盖68，因此，传导环82被配置为传导来自控制器78的热量并将热量传递给第二盖68。在这种配置中，第二盖68可以由铝形成并且用作散热器，以使控制器78在运行期间不会过热。控制器78和第二盖68之间的热传递还使控制器78能够被封闭在壳体54内而不会损坏控制器78。根据说明性实施例，传导环82可以由耐高压高温材料形成。说明性的耐高压高温材料包括但不限于硅树脂和其他合适的材料，该材料被配置为传导热量并且将控制器78与第二盖68直接电绝缘并且与壳体54间接电绝缘。传导环82可以进一步地是柔性的（compliant）（例如，可压缩的）并且被构造成吸收施加到壳体54上的振动而不是将振动传递到控制器78上。通过将控制器78与附加应力物理隔离，减小了控制器78上的部件松动的可能性。
参照图1和图3，组件10包括设置在控制器78和壳体54之间的绝缘（例如，第二）环84。例如，绝缘环84可以由围绕控制器78环形（例如，径向）布置的绝缘纸形成，并被构造成使控制器78与壳体54电绝缘。例如，绝缘纸可以由耐高压高温的材料形成。虽然图1-3示出了具有分开的传导环82和绝缘环84的组件10，该绝缘环被配置为将控制器78与壳体54电绝缘，但根据其他说明性实施例，环82、84可以形成为具有绝缘特性的单个环，或者组件10可以包括被配置为使控制器78电绝缘的附加环。
虽然图1至图3示出了布置在定子12与第二盖68之间的控制器78，但根据另一个说明性实施例，控制器78可以布置在定子12与第一盖64之间，使得轴38的第一端40延伸穿过控制器孔80。在这种构造中，风扇46可以设置在控制器78与第一盖64之间、在控制器78与定子12之间、或者在定子12与第二盖68之间。当风扇46被设置在第二盖68附近时，叶片52被配置为通过第二开口62将空气吸入壳体54。传导环82可以设置在控制器78与第一盖64之间，并且绝缘环84可以如上所述围绕控制器78环形地设置。此外，第一盖64可以用作散热器。
控制器78包括印刷电路板组件（“pcba”）。pcba包括mosfet、mcu和霍尔效应传感器，并配置为与dc电压系统（例如电池）、用于照明的灯（例如led）、速度控制器和/或开关通信并控制它们。例如，霍尔效应传感器与mosfet或mcu中的至少一个设置在同一pcba上，而不是设置在仅用于霍尔效应传感器的单独板上。此配置减小了作为控制器78的一部分而安装在组件10中的pcba的尺寸。尽管在说明性实施例中，将控制器78描述为具有某些组件（例如传感器），但应理解，在其他实施例中，控制器78可以具有更多或更少的组件，或者可以具有与迄今为止具体描述的组件不同的组件。控制器78可以由多于一层的层形成，使得每一层被配置为装配在壳体54内。例如，控制器78可以包括五层（尽管可以包括更多或更少的层）。设置在最靠近传感器磁体32和控制器78的层中的霍尔效应传感器与传感器磁体32间隔大约0.5mm，以确保它们之间的适当的磁性相互作用。霍尔效应传感器可以设置在控制器78的最接近传感器磁体32的层的第一侧上，而mosfet可以设置在控制器78的该层的相对的第二侧上，使得mosfet面对第二盖68，其用作mosfet的散热片。控制器78可以包括大约6至12个mosfet。例如，mosfet可以以六的倍数提供，并且被配置为将功率从电源传输到定子12或组件10的其他部分。具体地，组件10可以被配置为接收功率并在大约3.6-60v的范围内或更具体地在大约50-60v之间工作。在上述配置中，组件10可以被提供为完全集成的bldc电机单元，而无需任何额外的外部控制器来进行操作。有利地，通过将所有部件设置在壳体54内，组件10很大程度上更容易安装在各种工具或汽车中。
如本文所使用的，术语“大约”、“显著”、“很大程度上”和类似术语旨在具有广泛的含义，与本领域普通技术人员所接受的普通用法相一致。本领域技术人员应理解，这些术语旨在用于描述所所描述和要求保护的某些特征，而不将这些特征的范围限于所提供的精确数值范围。因此，这些术语应被解释为表明所描述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或变更被认为在所附权利要求书中所述的本公开的范围内。
应当注意，如本文所使用的用于描述各种实施例的术语“说明性”，旨在指示这样的实施例是可能的实施方式的可能实施例、代表和/或图示（并且该术语并非旨在表示此类实施例必定是最好的或最高级的示例）。
如本文所用，术语“联接”、“连接”等是指两个构件彼此直接或间接地连接。这种连接可以是固定的（例如，永久的）或可移动的（例如，可移除的或可释放的）。可以通过两个构件实现这种结合，或者通过这两个构件与任何另外的中间构件彼此一体地形成为单个整体实现这种结合，或者通过两个构件或两个构件以及任何另外的中间构件彼此附接而实现这种结合。
本文中对特征的位置（例如，“顶部”，“底部”，“上方”，“下方”等）的指代仅用于描述附图中各个特征的方向。应当注意，根据其他说明性实施例，各种元件的取向可以不同，并且这种变化旨在被本公开所涵盖。
应当理解，尽管已经关于本发明的优选实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员可以想到各种其他实施方式和变型，它们在本发明以及这些其他实施方式和范围的精神内，并且这些其他实施方式和变型旨在由相应的权利要求覆盖。本领域技术人员将容易理解，在不实质上脱离本文所述主题的新颖教导和优点的情况下，许多修改是可能的（例如，各种元件的尺寸、维度、结构、形状和比例的变化、安装布置、材料的使用、方向等）。例如，根据替代实施例，任何过程或方法步骤的顺序或次序都可以改变或重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以在各种说明性实施例中进行设计、操作条件和布置的其他替换、修改、改变和省略。
本文示例性地描述的实施例可以在不存在本文未具体公开的任何一个或多个元素、一个或多个限制的情况下适当地实践。因此，例如，术语“包括”、“包含”等应被广泛地理解并且没有限制。另外，本文所采用的术语和表达已被用作描述性而非限制性的术语，并且不打算使用这样的术语和表达来排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同形式，但是要认识到在要求保护的技术的范围内可以进行各种修改。另外，短语“基本上由……组成”将被理解为包括具体叙述的那些要素和不会实质性地影响所要求保护的技术的基本和新颖特征的那些附加要素。短语“由...组成”不包括未指定的任何元素。
另外，在根据马库什群组描述本公开的特征或方面的情况下，本领域技术人员将认识到，本公开也由此描述了马库什群组的任何单个成员或成员的子群组。
如本领域技术人员将理解的，出于任何目的和所有目的，特别是在提供书面描述方面，本文公开的所有范围还涵盖任何和所有可能的子范围及其子范围的组合。任何列出的范围都可以容易地识别为充分描述，并且可以将相同范围至少分解为相等的一半、三分之二、四分之一、五分之一、十分之几等。作为非限制性示例，可以容易地将本文讨论的每个范围分解为下三分之一、中三分之一和上三分之一等等。如本领域的技术人员还将理解的那样，所有语言（例如“最多”、“至少”、“大于”和“小于”等等）包括所列举的数字并指代范围，该范围随后可如上所述细分为子范围。最后，如本领域技术人员将理解的，范围包括每个单个的成员。
本说明书中提及的所有出版物、专利申请、已发布的专利和其他文件均通过引用并入本文，就好像每个单独的出版物、专利申请、已发布的专利或其他文件均被明确地并单独地指出通过引用整体并入本文一样。如果通过引用并入的文本中包含的定义与本文的定义相左，以本文的定义为准。
在权利要求中阐述了其他实施方式。
1.一种无刷直流电机组件，包括：
具有第一端和第二端的壳体；
设置在壳体中的定子；
设置在定子中的转子子组件，该转子子组件包括轴，该轴具有靠近壳体的第一端的第一端和靠近壳体的第二端的第二端；以及
设置在壳体中的控制器，该控制器被构造成控制所述轴的旋转；
其中，所述轴的第一端被构造成提供旋转输出。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述控制器界定出控制器孔；其中，控制器孔被构造成容纳穿过其中的所述轴。
3.根据权利要求1所述的组件，其中，所述壳体限定出小于大约70mm的壳体内径；其中，所述控制器限定出小于壳体内径的控制器外径。
4.根据权利要求1所述的组件，其中所述转子子组件还包括：被压配合在所述轴的所述第二端附近的黄铜套筒；以及包覆模制在所述黄铜套筒上的传感器磁体；其中，传感器磁体相对于轴旋转固定；并且其中传感器磁体被配置为与控制器上的霍尔传感器磁性相互作用以测量转子子组件的旋转速度。
5.根据权利要求1所述的组件，所述组件还包括：第一盖，其布置在壳体的第一端上；和第二盖，其布置在壳体的第二端上；其中，壳体被第一盖和第二盖包围。
6.根据权利要求5所述的组件，其中，所述控制器设置在所述第二盖和所述定子之间。
7.根据权利要求6所述的组件，所述组件还包括布置在所述第一盖和所述定子之间的风扇，所述风扇相对于所述轴旋转地固定。
8.根据权利要求6所述的组件，所述组件还包括传导环，所述传导环设置在所述控制器和所述第二盖之间；其中，所述传导环被配置为将热量从控制器传递到第二盖；并且其中第二盖被配置为用作散热器。
9.根据权利要求8所述的组件，其中所述传导环被配置为将所述控制器与所述第二盖电绝缘。
10.根据权利要求9所述的组件，其中所述传导环由耐高压高温材料形成。
11.根据权利要求6所述的组件，所述组件还包括设置在所述控制器和所述壳体之间的绝缘环，所述绝缘环被配置为将所述控制器与所述壳体电绝缘。
12.根据权利要求11所述的组件，其中所述绝缘环由耐高压高温材料形成。
13.根据权利要求5所述的组件，其中所述控制器设置在所述第一盖和所述定子之间。
14.根据权利要求1所述的组件，其中所述控制器连接至所述定子。
15.根据权利要求5所述的组件，其中所述控制器包含多于一层。
16.根据权利要求15所述的组件，其中，所述控制器包括布置在传感器磁体附近的第一层，所述第一层限定出第一侧和相对的第二侧；其中霍尔效应传感器设置在第一层的第一侧上；其中mosfet设置在第二侧上并面对第二盖；并且其中第二盖被配置为用作散热器以从mosfet吸收热量。
17.一种电气设备，包括：
从动构件；
无刷直流电机组件，包括：
具有第一端和第二端的壳体；
设置在壳体中的定子；
设置在定子中的转子子组件，该转子子组件包括轴，该轴具有靠近壳体的第一端的第一端和靠近壳体的第二端的第二端；以及
设置在壳体中的控制器，该控制器被构造成控制轴的旋转；
其中，轴的第一端联接到从动构件；并且其中，轴被构造成使从动构件旋转。
18.根据权利要求17所述的电气设备，其中，所述从动构件是卡盘。
19.根据权利要求17所述的电气设备，其中，所述从动构件是承槽。
20.根据权利要求17所述的电气设备，其中，所述壳体限定出小于大约70mm的壳体内径；并且其中，所述控制器限定出小于壳体内径的控制器外径。
技术总结