專利名稱：單場轉(zhuǎn)子電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單場轉(zhuǎn)子電機(jī)，其中在電機(jī)的總磁通回路中創(chuàng)建產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩的最小交變磁通場。結(jié)果是，在定子的主要部分和轉(zhuǎn)子部件中產(chǎn)生不可反轉(zhuǎn)磁通場，在整個電機(jī)操作中造成較小損失，并且產(chǎn)生較大效率。
背景技術(shù)：
在典型的電動機(jī)構(gòu)造和理論中，產(chǎn)生交變磁通場，并且利用各種系統(tǒng)使這些磁通場不平衡，從而出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。反轉(zhuǎn)磁通場產(chǎn)生在傳統(tǒng)電動機(jī)裝置中，并且因為需要克服無功磁通場，電機(jī)的效率受到不利影響。在過去幾年，在電動機(jī)技術(shù)方面已經(jīng)產(chǎn)生了各種結(jié)構(gòu)和理論體系以克服這樣的傳統(tǒng)低效率，但至今，電動機(jī)效率還不高，特別是在分馬力電機(jī)中，通常最好沒有達(dá)到好于50％，并且已知電動機(jī)在把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能方面效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
已知如果其中在電機(jī)定子中使用交變磁通的電動機(jī)內(nèi)的區(qū)域保持較小，則能夠增大效率，因為在交變磁通區(qū)域中包括較小金屬質(zhì)量，并且正在交變的磁通路徑較短，并因此，比在其中總磁通轉(zhuǎn)矩回路的較大區(qū)域被交變的電機(jī)中出現(xiàn)較小鐵心損失。
為了實現(xiàn)這些目的，必要的是，使用與通常轉(zhuǎn)矩構(gòu)造以及在定子和轉(zhuǎn)子部分中建立和操縱磁通的方式完全不同的電機(jī)構(gòu)造，以便產(chǎn)生沒有變化極性的旋轉(zhuǎn)磁場。
這里描述的電機(jī)，稱作單場電機(jī)轉(zhuǎn)子，具有以上描述的構(gòu)造。如下面敘述的那樣，將認(rèn)識到本發(fā)明的電機(jī)的獨特構(gòu)造、以及用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)子和定子飽和及產(chǎn)生初級轉(zhuǎn)矩動力的非交變場的獨特構(gòu)造，并且實現(xiàn)實際上必須交變的這個總轉(zhuǎn)矩路徑中的最小區(qū)域和質(zhì)量，以在電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩區(qū)域中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)這個非交變轉(zhuǎn)矩場的諸場的獨特相互作用。
本發(fā)明的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)的非交變磁通的構(gòu)造與傳統(tǒng)電動機(jī)相差很大。首先，用來在電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩區(qū)域中產(chǎn)生初級轉(zhuǎn)矩的磁通，不是由在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩區(qū)域中的定子磁極之間的交叉-場布置，或由定向成其路徑在定子鐵心中徑向延伸并且在這個同一轉(zhuǎn)矩區(qū)域中通過各個極面表明其相反極性的場產(chǎn)生。而是，在本發(fā)明的電機(jī)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的初級磁通從電機(jī)的端框或端部區(qū)軸向建立，該端框或端部區(qū)由實心鐵磁性電機(jī)鋼或等效磁通傳導(dǎo)材料制成，并且是定子磁通路徑的部分，并且該初級磁通穿過在各端框的內(nèi)側(cè)表面到層疊的凸極轉(zhuǎn)子的兩側(cè)表面之間的小氣隙，該轉(zhuǎn)子更像用在可變磁阻電機(jī)中的那些轉(zhuǎn)子。來自兩個相對的內(nèi)部端框表面的磁通關(guān)于電機(jī)的軸線具有相反極性，這意味著存在于每個端框的內(nèi)部的和進(jìn)入層疊轉(zhuǎn)子的磁通或者都是N磁通或者都是S磁通，并因此沿軸線彼此異相180°。當(dāng)來自端框的這種異相磁通在電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩區(qū)域中(在層疊轉(zhuǎn)子的鐵心中)相會時，由磁通本身產(chǎn)生的自然效果是使這種磁通在與電機(jī)的軸線相垂直的平面中徑向彌散(spray)。轉(zhuǎn)子疊層的軸向間隔定位也促進(jìn)同一效果，磁通由轉(zhuǎn)子的每個疊層向外轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子的徑向邊緣，其中凸極由疊層的外形形成。這使所有轉(zhuǎn)子磁極，不管它們的數(shù)量如何，都具有相同的極化場，或者都為N或者都為S，在它們的徑向表面處離開。這在每個轉(zhuǎn)子磁極的徑向表面上給出相同的磁通場極性，同時它與任意其它轉(zhuǎn)子磁極相比還在每個轉(zhuǎn)子磁極中產(chǎn)生非常平衡的磁通密度。這種構(gòu)造由于在用于進(jìn)入磁通的轉(zhuǎn)子側(cè)上的兩個大表面也產(chǎn)生優(yōu)良的磁通集中或會聚度，并且在本發(fā)明的原型中，這兩個表面的面積與其中做功的轉(zhuǎn)子極面的表面的總面積之比近似是3∶1。這允許優(yōu)良的飽和特征，并且由于在電機(jī)正在運行時，轉(zhuǎn)子絕不改變極性，所以這種飽和在轉(zhuǎn)子和其磁極中一直都保持在峰值處。
當(dāng)磁通離開轉(zhuǎn)子磁極的徑向表面時，它穿過在這些表面與層疊定子磁極的表面之間的小間隙。這些層疊定子磁極始終是轉(zhuǎn)子磁極的數(shù)量的兩倍，因為轉(zhuǎn)子所有極面等于轉(zhuǎn)子的總外徑的約50％，且凸極之間的間隔相等，總共等于該同一外徑的約50％。定子的這個層疊截面是在其配合到實心構(gòu)造的鐵磁性或等效殼體中的外圓周上，該殼體接合到鐵磁性端框上，或者實際上形成端框本身，從而它們在電機(jī)的中心中相會并且接合，形成殼體和端框。
用于磁通的實際源是磁體，即環(huán)形磁體，該環(huán)形磁體穿過其厚度被磁化，并在中心具有用于穿過轉(zhuǎn)子軸的孔，該磁體安裝到端框的內(nèi)部并且成為端框/定子的部分，并且磁體的內(nèi)表面幾乎等于轉(zhuǎn)子側(cè)面減去其凸極的面積。來自端框的轉(zhuǎn)矩磁通然后實際上從與轉(zhuǎn)子側(cè)鄰近的磁體面的表面穿過氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子的側(cè)面中。用來產(chǎn)生磁通的其它選擇是使每個端框具有在其內(nèi)表面上形成的單磁極，該內(nèi)表面等于轉(zhuǎn)子側(cè)之一的面積，該轉(zhuǎn)子側(cè)具有用于讓轉(zhuǎn)子軸穿過的環(huán)狀中心孔并且具有纏繞在每個端框的磁極上的直流(DC)定子線圈，從而它們?nèi)缫陨厦枋龅哪菢赢a(chǎn)生相同的磁通方位。
盡管最初顯得額外氣隙(在端框與轉(zhuǎn)子側(cè)之間)被添加到轉(zhuǎn)矩磁通回路中，但情況不是這樣。因為這種磁通方位不像傳統(tǒng)電機(jī)那樣，在磁通回路中包括兩個定子磁極/轉(zhuǎn)子磁極氣隙，而是僅包括一個，在磁通回路中的氣隙數(shù)量完全相同。對于這種構(gòu)造有兩個其它優(yōu)點，因為它涉及這種氣隙設(shè)計。首先實際上所描述的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)構(gòu)造中的氣隙之一(在端框與轉(zhuǎn)子側(cè)之間的氣隙)具有比在轉(zhuǎn)子和定子磁極的表面上適用表面多三倍的適用于讓磁通穿過氣隙的表面。該好處是，在這一個氣隙中的增大表面意味著在磁通轉(zhuǎn)矩回路中損失較少能量。第二個好處是事實上在端框與轉(zhuǎn)子側(cè)之間的氣隙絕不如轉(zhuǎn)子磁極和定子磁極之間的氣隙那樣地變化(絕不交變地增加和減小)。這意味著，在磁通轉(zhuǎn)矩回路中的兩個氣隙之一始終為最小，因而造成較大的磁通回路效率。這也意味著，當(dāng)相位線圈首先反轉(zhuǎn)定子磁極的極性，并且轉(zhuǎn)子磁極大都不與同相定子磁極對準(zhǔn)時，在轉(zhuǎn)矩回路中存在有近似在其中磁通回路被導(dǎo)向通過兩個轉(zhuǎn)子/定子氣隙的設(shè)計中的一半氣隙。這增加在轉(zhuǎn)矩循環(huán)中這個臨界點處的磁通回路的效率，這意味著有更多磁通因而更多轉(zhuǎn)矩每瓦特作用在轉(zhuǎn)子上。并且由于這種設(shè)計也允許在轉(zhuǎn)子和定子中的所有磁極都有助于在每個半相的全體中的轉(zhuǎn)矩，在實現(xiàn)這種好處時沒有轉(zhuǎn)矩表面的損失。事實上與大多數(shù)切換磁阻電機(jī)和其它凸極電機(jī)設(shè)計相比，有轉(zhuǎn)矩表面的增大。
由附圖的圖1和2可進(jìn)一步理解本發(fā)明的電機(jī)的磁通構(gòu)造。圖1表明在單場轉(zhuǎn)子電機(jī)中由定子的磁體或DC線圈和鐵心產(chǎn)生的初級轉(zhuǎn)矩磁通的構(gòu)造。圖2是在圖1中表明的磁通回路的端部和軸向視圖，目的在于表明磁通回路的360°構(gòu)造，盡管為了清楚起見具有僅每個90°顯示磁通路徑的箭頭。
關(guān)于本發(fā)明概念的初步理解，用于初級轉(zhuǎn)矩磁通的磁通構(gòu)造表明在圖1和2中。圖1表示沿電機(jī)軸線的平面看到的磁通，并且圖2是沿電機(jī)軸線的平面和向下看到的立體圖，表明在所有時間存在的該通量分布圖是360°環(huán)繞軸線平面(盡管為了清楚起見它僅表示成指示每個90°的通量分布圖)。圖3類似于圖1，另外還表明如果使用磁體則是磁通路徑的部分的電機(jī)部分，并且圖4與圖3相同，不同之處在于顯示DC線圈來代替在定子上的磁體。
圖1的區(qū)域101指示其中磁通由永磁體或DC線圈在系統(tǒng)中產(chǎn)生的區(qū)域。標(biāo)記102的區(qū)域是電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩區(qū)域，并且標(biāo)記103的區(qū)域是定子的層疊磁極區(qū)域，并且是其中作用于磁通以產(chǎn)生電機(jī)動作的唯一區(qū)域。磁通回路104的所有其它區(qū)域是定子的實心電機(jī)鋼部分，如殼體和端框。
利用上述磁通構(gòu)造產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方法借助于在層疊定子磁極上的相位線圈。如以前指示的那樣，定子磁極始終是轉(zhuǎn)子磁極數(shù)量的兩倍。并且，當(dāng)從磁體的表面、或DC線圈磁極表面跳出的來自磁體或DC線圈的所有磁通跨過軸向氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子側(cè)中，并且使用轉(zhuǎn)子磁極通過跳過徑向氣隙回到定子并穿過定子的層疊磁極和然后穿過實心定子殼體和端框以完成磁回路時，有可能通過交替地使一組每隔一個定子磁極與轉(zhuǎn)矩磁通同相、并且使另一組每隔一個定子磁極與轉(zhuǎn)矩磁通異相而引起轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。這使磁通恒定地尋找同相磁極以保持其非交變磁通回路完整，并因而產(chǎn)生在轉(zhuǎn)子上的恒定轉(zhuǎn)矩，而同時，轉(zhuǎn)子磁極排斥異相組的定子磁極，因為它們具有不變的極性。
本發(fā)明的電機(jī)的另一種獨特特征是，層疊、凸極轉(zhuǎn)子被極化為類似徑向磁體，使其外圓周上具有相同極性的磁場。這意味著，當(dāng)在定子的層疊部分上的相位線圈相對于轉(zhuǎn)子磁化的極性從同相反轉(zhuǎn)到異相時，它實際上在轉(zhuǎn)子磁極上產(chǎn)生排斥力。這意味著，在正和負(fù)電相位中在定子上的所有磁極和在轉(zhuǎn)子上的所有磁極都有助于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩。這與主要通過磁吸引力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的其它層疊、凸極轉(zhuǎn)子電機(jī)相差很大。并且對于使用這類層疊、凸極轉(zhuǎn)子的大多數(shù)電機(jī)，轉(zhuǎn)子僅僅起到類似在定子磁極的磁性同相表面之間的旋轉(zhuǎn)分路的作用，因為轉(zhuǎn)子沒有其自己的極性組。
顯然，也明顯的是，在單場轉(zhuǎn)子電機(jī)中的轉(zhuǎn)子的極化絕不改變，因而，保持由磁體或DC線圈施加到它的場。這與使用層疊、凸極轉(zhuǎn)子的其它電機(jī)不同，因為當(dāng)這些電機(jī)的轉(zhuǎn)子作為在同相定子磁極表面之間的一種旋轉(zhuǎn)分路起作用時，轉(zhuǎn)子磁極和轉(zhuǎn)子質(zhì)量需要被磁性地恒定重新取向。
按照本發(fā)明建造的電機(jī)中的效率高達(dá)90％，并且容易經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)小到1/4HP電機(jī)尺寸和以下。高于90％的效率將在大于1/4HP樣式中實現(xiàn)，所有都作為單相電機(jī)。
用于單場電機(jī)轉(zhuǎn)子的定子相位線圈構(gòu)造的一般描述單場轉(zhuǎn)子電機(jī)的相位線圈部分可纏繞三種不同方式。所有方法都簡單，并且給出大都相同的性能特性，但每種更適于不同的生產(chǎn)需要和回路要求。更傳統(tǒng)的方法是把線圈纏繞在每個層疊定子磁極上，從而每個線圈相對于在它任一側(cè)上的任何相位線圈沿定子的內(nèi)圓周反向纏繞。這是一種簡單交替順時針、逆時針纏繞圖案(pattern)。通常，線圈電氣串聯(lián)連接，從而它們可都由控制回路一起激勵，如圖13和14中所示。這意味著，每隔一個磁極將在其表面上具有N磁性極性，并且居間磁極將每個在其表面上具有S磁性極性。借助于供給正半相和負(fù)半相的單相控制回路，按希望的那樣交替兩組磁極的極性。
效果是，每隔一個定子磁極與由定子磁體或DC線圈產(chǎn)生的初級轉(zhuǎn)矩磁通同相或者異相。這引起轉(zhuǎn)子磁極，該轉(zhuǎn)子磁極是定子磁極的數(shù)量的一半并且隔開，從而它們在任何位置處只能與每隔一個定子磁極對準(zhǔn)，該任何位置允許定子和轉(zhuǎn)子磁極的對準(zhǔn)位置被一組定子磁極排斥，因為它們與來自定子磁體或DC線圈的初級轉(zhuǎn)矩磁通的回路路徑異相；并且被另一組定子磁極吸引，因為它們與來自同一源的初級轉(zhuǎn)矩磁通同相。通過利用主要控制這種交變計時的回路簡單地在正與負(fù)之間交變相位線圈，創(chuàng)建在定子磁極的內(nèi)部表面上的旋轉(zhuǎn)同相區(qū)域，該旋轉(zhuǎn)同相區(qū)域始終為可用定子極面表面的50％，這與每隔一個定子極面相對應(yīng)。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子恒定地“追逐”這些連續(xù)轉(zhuǎn)動的同相區(qū)域并且恒定地排斥轉(zhuǎn)動的異相區(qū)域，該異相區(qū)域也是可用定子磁極表面的50％，并且與另一組每隔一個定子極面相對應(yīng)。
纏繞相位線圈的可選擇方式之一是使用可以叫做“Z”線圈繞組的的繞組方式。“Z”線圈繞組對于偶數(shù)個磁極使用，并且簡單地使纏繞導(dǎo)線以之字方式穿過定子的凹槽，繞定子環(huán)繞，直到在每個凹槽中得到希望的匝數(shù)。這當(dāng)然意味著，實際上只有一個在凹槽之間來回編織的線圈，因為它繞定子的內(nèi)部的圓周放置。因為這個線圈相對于定子的每隔一個凹槽反轉(zhuǎn)其方向，所以它在定子極面上產(chǎn)生相同的交變通量分布圖。因為“Z”線圈繞組僅環(huán)繞每個磁極的一側(cè)，所以它有效地縮短總串聯(lián)相位繞組的整個長度并因而減小整個電阻。這種繞組對于這種電機(jī)的某些類型的生產(chǎn)應(yīng)用也非常簡單，因為要求匝數(shù)的單線圈以允許它以“Z”方式滑入定子凹槽中的直徑進(jìn)行纏繞。
纏繞相位線圈的第二可選擇方法是使用兩個纏繞在相同凹槽中但彼此180°相對的“Z”線圈，從而一個“Z”線圈的側(cè)環(huán)路環(huán)繞每隔一個定子磁極的一側(cè)(它環(huán)繞的側(cè)與每個磁極交替)，同時第二“Z”線圈環(huán)繞每隔一個磁極的與第一“Z”線圈相對的側(cè)纏繞。它們?nèi)缓罂蓪τ谝粋€電壓，即115伏特，并聯(lián)地連接，并且對于第二電壓，即230伏特，串聯(lián)地連接。而且，借助于這種纏繞相位線圈的雙“Z”線圈方法，容易使用雙線型電機(jī)回路，其中兩個分離線圈組作為DC回路被供給動力，使相對于彼此一個為正并且另一個為負(fù)。這允許本發(fā)明的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)使用與H-橋型控制回路相比便宜的非常經(jīng)濟(jì)的電機(jī)控制回路，而同時提供在電機(jī)的最慢與最快旋轉(zhuǎn)之間連續(xù)可變的各種簡單速度控制方法。
纏繞相位線圈的單“Z”線圈方法表示在附圖的圖9中，而纏繞的雙“Z”線圈方法表示在附圖10中。
在定子上纏繞相位線圈的所有三種方法給出大體上相同的性能，并且可根據(jù)生產(chǎn)或回路需要而使用。


本發(fā)明的上述目的和操作將從如下描述和附圖理解，在附圖中圖1表明按照本發(fā)明的一種單場轉(zhuǎn)子電機(jī)的典型磁通構(gòu)造，圖2是沿圖1的磁通構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)軸線的平面的透視圖，圖3類似于圖1，并且表明如果使用磁體則是磁通路徑的部分的電機(jī)部分，
圖4類似于圖3，不同之處在于顯示直流(D.C.)線圈代替在定子上的磁體，圖5表明使用永磁體的本發(fā)明的單場電機(jī)轉(zhuǎn)子的實施例，圖6是圖5中所示的相同電機(jī)，不同之處在于永磁體已經(jīng)由線圈鐵心代替，圖7是利用本發(fā)明的概念的典型單場轉(zhuǎn)子電機(jī)的端視圖，圖8A-8D表明在本發(fā)明的單場電機(jī)轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)矩應(yīng)用的方法，圖9表明在定子的層疊部分的凹槽中的相位線圈的可選擇纏繞，圖10類似于圖9，其中發(fā)生有在相反方向上的第二纏繞，圖11是在圖6中表明的電機(jī)的分解視圖，圖12是在圖5中表明的永磁體電機(jī)的分解視圖，圖13表明與本發(fā)明的磁體樣式一起使用的回路，圖14公開與圖13類似的回路，該回路可以與本發(fā)明的DC線圈樣式一起使用，及圖15A-15B表示可以與雙線型驅(qū)動的本發(fā)明的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)一起使用的回路。
具體實施例方式
圖1示意性地表明在按照本發(fā)明的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)中的初級轉(zhuǎn)矩磁通的構(gòu)造和路徑，而不管磁通由定子的永磁體還是DC線圈和鐵心產(chǎn)生。由虛線101表明和包圍的區(qū)域是其中磁通起始于磁體或DC線圈鐵心中的區(qū)域。在虛線框102中的區(qū)域是其中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩區(qū)域，并且表明從相對側(cè)進(jìn)入轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩區(qū)域的磁通的相反極性如何使它與電機(jī)軸線相垂直地彌散。轉(zhuǎn)子的疊層也與軸線相垂直地取向，這進(jìn)一步促進(jìn)這種效果，并且轉(zhuǎn)子的疊層成為用于使磁通行進(jìn)到形成有轉(zhuǎn)子磁極的轉(zhuǎn)子圓周的鐵氧體路徑。區(qū)域103代表定子的區(qū)域，該定子層疊有磁極和纏繞有相位線圈，并且表明磁通如何使用定子的這個部分通入定子的實心即非層疊部分，其中箭頭104表明磁通借助于定子的非層疊部分返回到它最初存在的磁體或DC線圈鐵心的相對側(cè)，因而完成磁通回路。軸105表示在圖1中，以便給觀察者透視關(guān)系。
圖2是在圖1中表明的磁通回路的兼顧端部和軸向視圖，并且表明磁通回路的360°構(gòu)造，盡管有為了清楚起見僅具有表示每個90°的磁通路徑的箭頭。磁通104和軸105被指示，以便給出相對于圖1的透視關(guān)系。
參照圖3，圖3表明按照本發(fā)明的典型單場轉(zhuǎn)子電機(jī)，并且在操作方面與圖1的描述類似，及指示電機(jī)的各種部分，永磁體109取向成，在向著轉(zhuǎn)子107的兩個內(nèi)表面上有N場，該轉(zhuǎn)子107層疊成，磁通向其中形成有轉(zhuǎn)子磁極的其圓周行進(jìn)。來自磁體109的磁通穿過在它們的內(nèi)表面與安裝在軸105上的轉(zhuǎn)子107的側(cè)面之間的不變最小氣隙，并且進(jìn)入轉(zhuǎn)子疊層，然后轉(zhuǎn)向成與電機(jī)的軸線相垂直，及沿轉(zhuǎn)子疊層行進(jìn)到轉(zhuǎn)子圓周的所有360°。它然后集中在轉(zhuǎn)子磁極中，因為它們延伸到在定子疊層108的定子極面的幾千分之一英寸內(nèi)。磁通然后穿過在轉(zhuǎn)子的外圓周上的轉(zhuǎn)子極面與定子的層疊部分的磁極內(nèi)表面之間的氣隙，該層疊部分由部分108指示，該部分108具有它所有的凹槽中纏繞有相位線圈110在。磁通穿過108的疊層到其外圓周。108的外圓周壓配合到定子殼體106的內(nèi)圓周中，該定子殼體106是定子和端框的實心和非層疊鐵磁性或等效部分。磁通使用實心定子殼體106返回到磁體109的S表面，完成磁通回路。
圖4表明利用圖3的回路的電機(jī)，其中標(biāo)記參考編號指示以前描述的部分。定子的磁體被DC線圈111和這些線圈的鐵心代替，該鐵心形成實心定子殼體106的部分。
圖5表明利用永磁體的本發(fā)明的單場電機(jī)轉(zhuǎn)子的實施例。實心定子殼體106和相關(guān)聯(lián)的端框114具有結(jié)合到它們的內(nèi)表面上的磁體109，從而適當(dāng)?shù)匾宰钚庀栋汛朋w的內(nèi)表面定位成與轉(zhuǎn)子107的側(cè)面鄰近。左實心定子殼體/端框114具有定子疊層108，使相位線圈110壓配合在疊層中以便繞轉(zhuǎn)子適當(dāng)?shù)囟ㄎ欢ㄗ訕O面，從而轉(zhuǎn)子磁極可從定子磁極的內(nèi)表面轉(zhuǎn)動幾千分之一英寸，并且交替地與每隔一個定子磁極對準(zhǔn)。轉(zhuǎn)子107安裝在軸105上，并且由配合到106和114的實心定子殼體/端框的軸承殼體中的軸承112固定到位。
圖6是圖5中所示的相同電機(jī)，不同之處在于永磁體109已經(jīng)由諸如從在121上指示的113處的實心定子殼體/端框120和121延伸的線圈鐵心代替。DC線圈111然后纏繞在這些鐵心上，以代替圖5的實施例的永磁體109產(chǎn)生用于電機(jī)的初級轉(zhuǎn)矩磁通。
圖7是按照本發(fā)明的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)的剖視端視圖，表明來自除以前描述的之外的不同截面的電機(jī)部分。轉(zhuǎn)子203表明具有凸極204，該凸極204數(shù)量為八，并且定尺寸和定位成可與層疊定子201的定子磁極202的每隔一個極面對準(zhǔn)。定子磁極202數(shù)量為十六，并且繞定子201的內(nèi)圓周成相等比例和等距隔開，在這些磁極之間有十六個凹槽。定子疊層201表示為壓到實心定子/端框205中。定子極面等于定子圓周的總內(nèi)表面僅減去凹槽開口。轉(zhuǎn)子極面等于定子的任何一個磁極的表面，并且間隔成，它們同時與每隔一個定子磁極對準(zhǔn)。
圖8A-8D表明在按照本發(fā)明的單場電機(jī)轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)矩方法。在圖8A中，轉(zhuǎn)子磁極顯示為與定子的奇數(shù)磁極對準(zhǔn)。在奇數(shù)定子磁極上的箭頭表示，相位線圈(未表示)已經(jīng)激勵成，定子的奇數(shù)磁極與在轉(zhuǎn)子磁極中的轉(zhuǎn)矩磁通磁性異相，該轉(zhuǎn)矩磁通在由箭頭所指示的所有轉(zhuǎn)子磁極的表面上都是N，并且這來自定子的磁體或DC線圈，而定子的偶數(shù)磁極被激勵成，它們與轉(zhuǎn)子磁極中的磁通磁性同相。這將使轉(zhuǎn)子磁極在磁性上被定子的奇數(shù)磁極排斥并且被吸引向定子的偶數(shù)磁極。這將導(dǎo)致，轉(zhuǎn)子磁極與偶數(shù)磁極對準(zhǔn)和在磁性上與其同相，如在圖8B中表明的那樣。然后，如在圖8C中表明的那樣，通過在定子磁極上的箭頭的方位的變化，相位線圈都反轉(zhuǎn)它們的極性，使定子的偶數(shù)定子磁極與在轉(zhuǎn)子磁極中的轉(zhuǎn)矩磁通磁性異相，該轉(zhuǎn)矩磁通來自磁體或DC線圈，而定子的奇數(shù)磁極被激勵成與在轉(zhuǎn)子磁極中的磁通磁性同相。這將使轉(zhuǎn)子磁極在磁性上被排斥離開定子的偶數(shù)定子磁極和被吸引向定子的奇數(shù)磁極。這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁極與奇數(shù)磁極對準(zhǔn)和磁性同相，如在圖8D中表明的那樣。這通過控制回路一再重復(fù)，因而引起在轉(zhuǎn)子上的連續(xù)轉(zhuǎn)矩。
圖9表明在定子的層疊部分的凹槽中纏繞相位線圈的可選擇方式。磁性纏繞導(dǎo)線端210交替地通過定子磁極凹槽穿線，從而它僅環(huán)繞每個定子磁極的一側(cè)，以便環(huán)繞每隔一個定子磁極的相對側(cè)。在凹槽中的匝數(shù)由纏繞導(dǎo)線形成通過所有凹槽的完整行程的次數(shù)確定。當(dāng)實現(xiàn)希望匝數(shù)時，纏繞導(dǎo)線用端部211結(jié)束。通過把單相電流施加到這類繞組上，所有定子磁極212將在正半相位中在它們的表面上具有交替的N和S磁極，并且在負(fù)半相位中反轉(zhuǎn)它們的圖案。
通過以相同方式僅在相反方向上纏繞第二繞組，從而該第二繞組環(huán)繞與第一繞組的定子磁極的相對側(cè)，如在圖10中表明的那樣，形成可由主要是兩個交替供電的DC電路的簡單得多的電路供電和控制的雙線相位線圈構(gòu)造，或者如果線圈與較傳統(tǒng)的H-橋型回路并聯(lián)或串聯(lián)地使用，則產(chǎn)生多電壓部分。
圖11是在圖6中最初表明的電機(jī)的擴(kuò)展視圖。120和121是實心定子/端框，該實心定子/端框具有在它們的內(nèi)表面上形成的線圈鐵心，如在113處指示的那樣。DC線圈111分別纏繞在這些鐵心上，以在電機(jī)中產(chǎn)生初級轉(zhuǎn)矩磁通。轉(zhuǎn)子107是由軟電機(jī)鋼層疊的轉(zhuǎn)子，具有隔開和均衡的凸極，這樣凸極在電機(jī)轉(zhuǎn)動時可與層疊定子108的每隔一個磁極對準(zhǔn)。定子108的層疊部分表明為具有纏繞在其磁極上的相位線圈110，該相位線圈110可以是具有繞每個磁極的單線圈的傳統(tǒng)型繞組或具有在圖9和10中表明的“Z”型繞組。
圖12是圖5的擴(kuò)展視圖，該圖是與圖6和11相同的電機(jī)，不同之處在于，磁體109用來產(chǎn)生在電機(jī)中的初級轉(zhuǎn)矩磁通，而不是DC線圈。因而，實心定子殼體/端框106和114被構(gòu)造為沒有其他樣式顯示具有的DC線圈鐵心，改為具有代替鐵心和DC線圈結(jié)合到實心定子/端框的內(nèi)表面上的磁體109。
在圖13中，表明標(biāo)準(zhǔn)H-橋回路，該標(biāo)準(zhǔn)H-橋回路與本發(fā)明的電機(jī)一起使用，該電機(jī)具有電路的選擇控制，或者來自閉環(huán)轉(zhuǎn)子反饋電路或者來自借助于變頻振蕩器的開環(huán)控制。閉環(huán)控制的效率稍高，但在多種用途中，開環(huán)控制給出希望的控制特性，具有僅低幾個百分點的效率。閉環(huán)控制也借助于選擇速率控制電路供給速度控制。在圖13中的這種電路與單場轉(zhuǎn)子電機(jī)的上述磁體樣式一起使用。
在圖14中，表明與圖13中表示的相同的回路，除了該回路還添加有與用來驅(qū)動在單場轉(zhuǎn)子電機(jī)樣式的定子端框上的兩個DC線圈的相位線圈相串聯(lián)的橋路，該樣式利用如上所述的形成電機(jī)端框的鐵心上纏繞的DC線圈代替定子磁體。
圖15A和15B表示可以用來驅(qū)動單場轉(zhuǎn)子電機(jī)的第三和第四種電路。這些電路是雙線電路。因而，兩根相同導(dǎo)線同時纏繞在相位線圈上。兩組生成繞組(resulting winding)連接到DC控制器上，該DC控制器具有可由閉環(huán)或開環(huán)控制交替的兩個分離DC電路。兩個分離繞組彼此180°電氣相反連接，并且交替地使用來產(chǎn)生相反半相位之一。因而，當(dāng)?shù)谝浑娐酚煽刂破鞴╇姇r，繞層疊定子磁極的內(nèi)表面產(chǎn)生以前描述的N-S圖案。當(dāng)?shù)诙娐繁还╇姇r，每個磁極被反轉(zhuǎn)并且產(chǎn)生交替圖案。這些由控制器交替，以使電機(jī)以常規(guī)方式運行。這種雙線電路對于其中應(yīng)用需要便宜電路的用途是有用的。這些電路也可提供非常便宜的速度控制。
在圖15A與圖15B之間的差別在于，圖15A用于本發(fā)明的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)的磁體樣式，并且圖15B與在定子端框上使用DC線圈而不是磁體的DC線圈樣式一起使用。如將認(rèn)識到的那樣，圖15B包括在圖15A中未表明的橋路和兩個DC線圈。
由以上說明和描述，將認(rèn)識到，產(chǎn)生獨特磁通圖案和定子力以產(chǎn)生一種轉(zhuǎn)動、電動機(jī)。要理解，本發(fā)明的發(fā)明性概念由如下權(quán)利要求書的范圍限定，并且對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然的修改和改進(jìn)認(rèn)為落在如下權(quán)利要求書的范圍和權(quán)利要求語言的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單場轉(zhuǎn)子電機(jī)，組合地包括定子殼體，其具有軸向間隔開的端部區(qū)；軸，其可轉(zhuǎn)動地延伸過所述端部區(qū)；鐵磁性層疊轉(zhuǎn)子，其安裝在在所述端部區(qū)之間延伸的所述軸上，具有與所述端部區(qū)鄰近布置的徑向側(cè)，及具有在所述轉(zhuǎn)子的周緣上限定的間隔開凸極，所述轉(zhuǎn)子磁極具有周緣寬度；磁性裝置，其在軸向極性的所述定子殼體端部區(qū)處產(chǎn)生磁場，通過軸向跨過不變空氣氣隙把磁通感應(yīng)到轉(zhuǎn)子的側(cè)面中在所有周緣轉(zhuǎn)子磁極上產(chǎn)生單極性的場，該不變氣隙在所述定子殼體中的所述磁性裝置與所述轉(zhuǎn)子側(cè)面之間恒定地最??；定子，包圍所述轉(zhuǎn)子，具有內(nèi)圓周；多個定子磁極，限定在所述定子內(nèi)圓周上，所述定子內(nèi)圓周具有具備圓周寬度的表面，定子磁極的數(shù)量是轉(zhuǎn)子磁極的兩倍，所述定子磁極的圓周寬度大體等于所述轉(zhuǎn)子磁極的圓周寬度，并且在所述轉(zhuǎn)子和定子磁極之間存在小徑向氣隙，所述定子磁極的每一個具有用來在所述定子線圈內(nèi)產(chǎn)生磁極力的線圈；及電路裝置，用來交替地改變所述定子線圈，以交替地改變給定定子磁極的極性，而交替地吸引和排斥所述轉(zhuǎn)子磁極，以產(chǎn)生所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。
2.在根據(jù)權(quán)利要求1所述的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)中，其中，在相鄰轉(zhuǎn)子磁極之間的周緣間隔是相等的。
3.在根據(jù)權(quán)利要求1所述的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)中，其中，在相鄰定子磁極之間的內(nèi)圓周間隔是相等的。
4.在根據(jù)權(quán)利要求1所述的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)中，其中，在相鄰轉(zhuǎn)子磁極之間的周緣間隔是相等的，并且在相鄰定子磁極之間的內(nèi)圓周間隔是相等的。
5.在根據(jù)權(quán)利要求1所述的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)中，在所述殼體端部區(qū)處產(chǎn)生磁場的所述磁性裝置包括永磁體。
6.在根據(jù)權(quán)利要求1所述的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)中，在所述殼體端部區(qū)處產(chǎn)生磁場的所述磁性裝置包括電氣線圈，該電氣線繞鐵氧體鐵心纏繞，并且由直流激勵，使生成磁通軸向跨過不變氣隙被感應(yīng)到轉(zhuǎn)子的側(cè)面中，該不變氣隙在定子殼體端部區(qū)域中的磁性裝置與轉(zhuǎn)子側(cè)面之間恒定地最小。
7.在根據(jù)權(quán)利要求1所述的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)中，所述磁性裝置跨過在定子殼體端部區(qū)與轉(zhuǎn)子的側(cè)面之間的氣隙在所述殼體端部區(qū)處產(chǎn)生磁場，所述氣隙始終最小并且不擴(kuò)展，并且也在氣隙的任一側(cè)提供與轉(zhuǎn)子和定子的磁極表面相比增大的相對鐵氧體表面，以便完成在電機(jī)定子殼體和轉(zhuǎn)子中的磁通回路。
8.在根據(jù)權(quán)利要求1所述的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)中，所述磁性裝置在所述殼體端部區(qū)處產(chǎn)生磁場，并且跨過在所述殼體端部區(qū)與轉(zhuǎn)子側(cè)面之間的恒定最小氣隙傳遞磁通，從而產(chǎn)生磁性極化的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子沒有轉(zhuǎn)動或接觸轉(zhuǎn)子的磁通產(chǎn)生部件。
9.在根據(jù)權(quán)利要求1所述的單場轉(zhuǎn)子電機(jī)中，所述磁性裝置在所述殼體端部區(qū)處產(chǎn)生磁場，從而在所述定子殼體和轉(zhuǎn)子中建立磁通回路，該磁通回路起始于定子殼體端部區(qū)，并且通過軸向跨過在定子端部區(qū)與轉(zhuǎn)子側(cè)面之間的氣隙把場感應(yīng)到轉(zhuǎn)子中，但場然后在轉(zhuǎn)子疊層中徑向取向，并且在轉(zhuǎn)子的磁極與定子的磁極之間徑向施加轉(zhuǎn)矩，該磁通回路使用定子殼體和定子殼體端部區(qū)軸向地完成。
10.一種在電動機(jī)內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動產(chǎn)生力的方法，該電動機(jī)具有轉(zhuǎn)動軸線；磁通傳導(dǎo)轉(zhuǎn)子，其安裝在所述軸線上，具有多個圓周間隔開的磁極，該磁極具有外表面，所述轉(zhuǎn)子安裝在磁通傳導(dǎo)定子殼體內(nèi)，該定子殼體具有與所述軸線鄰近布置的徑向端部區(qū)、和內(nèi)部周緣，所述轉(zhuǎn)子布置在相鄰所述端部區(qū)之間；定子，安裝在所述殼體內(nèi)周緣上，具有間隔開的纏繞磁極的內(nèi)部線圈，每個磁極具有內(nèi)表面，所述轉(zhuǎn)子磁極和所述定子磁極表面是徑向可對準(zhǔn)的；電路裝置，控制所述定子磁極的所述線圈的激勵；及磁性裝置，鄰近包括所述磁性裝置的所述定子殼體端部布置，所述磁性裝置在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生單極性徑向磁通，借此通過所述電路的所述定子磁極線圈的激勵在所述轉(zhuǎn)子和所述定子磁極之間產(chǎn)生磁性力，以轉(zhuǎn)動所述轉(zhuǎn)子。
11.在根據(jù)權(quán)利要求10所述的在電動機(jī)內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動產(chǎn)生力的方法中，其中，所述磁性單極化轉(zhuǎn)子沒有轉(zhuǎn)動或接觸轉(zhuǎn)子的磁通產(chǎn)生部件。
全文摘要
一種具有單場轉(zhuǎn)子的電動機(jī)，其中在轉(zhuǎn)子內(nèi)的磁通由布置在電機(jī)殼體的端部區(qū)處的磁性裝置產(chǎn)生，從而在電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的磁通保持恒定極性。
文檔編號H02K1/24GK1918773SQ200480041750
公開日2007年2月21日 申請日期2004年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月17日
發(fā)明者加里·L·德拉姆, 哈羅德·S·德拉姆 申請人:三七研究有限公司