專利名稱:用于電動裝置的轉(zhuǎn)子－定子結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及電動機(jī)、交流發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)等，更具體地，本發(fā)明涉及一種用于電動機(jī)的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)例如通過最大限度地減小磁通路徑的長度或者矯直通過場磁極構(gòu)件的那些磁通路徑或者采用上述兩種方式來增大每單位尺寸(或者每單位重量)的輸出轉(zhuǎn)矩。另外，該轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)可節(jié)約資源，比如，例如通過盡量減小消耗以及去除“護(hù)鐵”材料來減小制造成本。
背景技術(shù)：
在用于分馬力電動機(jī)和微型分馬力電動機(jī)的傳統(tǒng)定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，永磁體經(jīng)常被結(jié)合在轉(zhuǎn)子組件中，該轉(zhuǎn)子組件通常在與鐵磁性定子結(jié)構(gòu)相同的平面中轉(zhuǎn)動，鐵磁性定子結(jié)構(gòu)提供用于磁體的磁通量回路和產(chǎn)生電流的磁通量。也被稱為安匝(“AT”)-所產(chǎn)生的磁通量的產(chǎn)生電流的磁通量是使電流通過圍繞定子構(gòu)件結(jié)構(gòu)的磁極區(qū)域纏繞的線圈繞組而產(chǎn)生的。盡管起作用，但是如下面所討論的，這些和其它電動機(jī)的傳統(tǒng)定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有幾個缺點。
圖1示出了一種作為常用的定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的例子的傳統(tǒng)電動機(jī)。電動機(jī)100是一種由定子結(jié)構(gòu)104、磁轂106和軸102構(gòu)成的圓柱形電動機(jī)。電動機(jī)100的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)包括一個或者多個永磁體110、所有的永磁體110都通過磁轂106固定在軸102上，以便在定子結(jié)構(gòu)104內(nèi)轉(zhuǎn)動。定子結(jié)構(gòu)104典型地包括場磁極118，每一個場磁極118具有圍繞每一個場磁極118纏繞的線圈繞組112(僅示出了一個)。定子結(jié)構(gòu)104包括狹槽108，該狹槽108部分地用于在制造過程中為將繞線纏繞在定子場磁極118上而提供繞線通道。狹槽108還在相鄰的場磁極118之間提供磁分離。定子結(jié)構(gòu)104包括作為磁通量回路116的一部分的外圍磁力線穿行區(qū)段119。在許多情況下，定子結(jié)構(gòu)104由疊片114構(gòu)成，疊片114典型地由各向同性(例如，無晶粒取向)磁導(dǎo)材料制成。作為其中存在永磁體生成的磁通量和AT生成的磁通量的多個磁通量回路中的一個的磁通量回路116被顯示出在外圍磁力線穿行區(qū)段119處自然略微呈弧形，但包括進(jìn)入場磁極區(qū)域118中的比較急的轉(zhuǎn)彎。
包括電動機(jī)100的傳統(tǒng)電動機(jī)的一個缺陷是，磁通量回路116需要較長的長度來完成用于從一個轉(zhuǎn)子磁極110發(fā)出并且經(jīng)由磁通量回路116橫移到另一個轉(zhuǎn)子磁極110的磁通量的磁路。另外，磁通量回路116不是直線，而直的磁通量回路對于使磁力線穿行是優(yōu)選的。如圖所示，磁通量回路116在定子路徑中具有兩個90度的轉(zhuǎn)彎。磁通量回路116從場磁極區(qū)域118轉(zhuǎn)一次而轉(zhuǎn)向外圍磁力線穿行區(qū)段119，接著再從外圍磁力線穿行區(qū)段119轉(zhuǎn)向另一個場磁極區(qū)域118。這些轉(zhuǎn)彎對于有效地運(yùn)送磁通量是次優(yōu)的。在實施時，與在場磁極之間運(yùn)送這種磁通量所需的材料或“護(hù)鐵”相比，磁通量回路116需要更多的材料或者“護(hù)鐵”。因此，磁通量回路116為傳統(tǒng)的電動機(jī)增加重量和尺寸，從而增加了電動機(jī)形狀因數(shù)以及制造這種電動機(jī)的材料成本。
傳統(tǒng)電動機(jī)的另一個缺點是，疊片114不能有效地使用各向異性材料以優(yōu)化磁通密度并減小在運(yùn)送磁通量的磁極中的諸如通過場磁極118的磁滯損耗和在外圍磁力線穿行區(qū)段119處的定子區(qū)域。具體地，外圍磁力線穿行區(qū)段119包括非直線的磁通路徑，非直線的磁通路徑限制了這種各向異性材料在盡量減小磁滯損耗(或者“鐵耗”)方面的使用。磁滯是磁性材料保持其磁化的趨勢?！按艤p耗”是磁化和去磁構(gòu)成定子區(qū)域的磁性材料所需的能量，其中磁滯損耗隨著磁性材料量的增大而增加。當(dāng)磁通量回路116具有一個或者多個90度或者更大的轉(zhuǎn)彎角時，各向異性材料(諸如晶粒取向材料)的使用不能有效地減小磁滯損耗，這是由于在外圍磁力線穿行區(qū)段119中的磁通量回路116將橫切疊片14的方向取向。例如，如果方向120表示疊片14的晶粒取向，那么磁通量回路116的至少兩個部分橫穿晶粒的方向120，從而阻滯定子外圍磁力線穿行區(qū)段119的那些部分的磁通密度量。因此，各向異性材料通常沒有用于類似定子結(jié)構(gòu)104的結(jié)構(gòu)中，這是由于磁通路徑通常是曲線的而不是直線的，這限制了由使用這種材料所帶來的益處。
傳統(tǒng)電動機(jī)的又一個缺陷是磁通量回路116的長度較長。改變磁場(諸如那些在電動機(jī)換向頻率下產(chǎn)生的磁場)可在與感生渦流電流的磁場相對的取向上、在疊片114中產(chǎn)生渦流電流。渦流電流導(dǎo)致功率損耗，該功率損耗基本上與磁通量改變的速率的冪函數(shù)成比例以及基本上與受到影響的疊片材料的體積成比例。
常用的電動機(jī)的其它缺陷包括為減小“齒槽效應(yīng)”或者起動轉(zhuǎn)矩而實施專門的技術(shù)，這不十分適合應(yīng)用于各種類型的電動機(jī)設(shè)計。齒槽效應(yīng)是導(dǎo)致“急動”運(yùn)動而不是平滑轉(zhuǎn)動的非均勻角轉(zhuǎn)矩。該效應(yīng)通常在低速時特別明顯并且當(dāng)場磁極118相對于磁極處于不同的角位置時在載荷上施加正性和減性轉(zhuǎn)矩。另外，固有的轉(zhuǎn)動加速度和減速度會導(dǎo)致可聽得到的震動。
在另一種電動機(jī)中，磁極位于圍繞轉(zhuǎn)子軸有較大直徑的地方(或者相距較大徑向距離的地方)。這些磁極以及產(chǎn)生這些磁極的永磁體典型地圍繞軸同軸線地布置，并且相鄰的磁極的極性是交替的。銜鐵盤通常在垂直于轉(zhuǎn)子軸的平面中支撐采取單獨的非單片磁體形式的永磁體。諸如這樣的結(jié)構(gòu)是基于電動機(jī)設(shè)計的某些原則而設(shè)計出的。根據(jù)該原則，通過增大磁極和轉(zhuǎn)子軸之間的徑向距離來實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩的增大。因此，這種類型的電動機(jī)的磁極愈發(fā)被設(shè)置在與轉(zhuǎn)子軸相距較大距離的地方，以增加從轉(zhuǎn)動軸到氣隙的轉(zhuǎn)矩臂距離。這種方案的缺陷在于，在形成較大的電動機(jī)結(jié)構(gòu)時要消耗附加的材料以適應(yīng)較大的轉(zhuǎn)矩臂距離，諸如用于形成磁通量回路的那些結(jié)構(gòu)。通常利用“護(hù)鐵”形成這些磁通量回路以完成較大的磁通路徑，該磁通路徑自然通常是曲折的。通過增加護(hù)鐵來完成磁路，磁通量通過其中的磁性材料體積將增大，這有害地趨于增大磁滯損耗和渦流電流損耗，這兩種損耗可被統(tǒng)稱為“鐵心損耗”。另外，通過增加護(hù)鐵來完成磁路會增大磁通路徑的長度，從而加重鐵心損耗。這種類型的電動機(jī)的另一個缺陷是，當(dāng)磁極的位置離軸較遠(yuǎn)時，電動機(jī)體積增大，這又限制了這種類型的電動機(jī)的實際應(yīng)用和使用。
術(shù)語“護(hù)鐵”通常用于描述這樣一種物理結(jié)構(gòu)(以及形成這種物理結(jié)構(gòu)的材料)，即，該結(jié)構(gòu)通常用于完成一種將是開放的磁路。護(hù)鐵結(jié)構(gòu)通常僅用于將磁通量從一個磁路元件轉(zhuǎn)移到另一個，諸如從一個可導(dǎo)磁的場磁極轉(zhuǎn)移到另一個，或者從一個永磁體的磁極轉(zhuǎn)移到另一個永磁體的磁極，或者上述兩種情況都存在。另外，所形成的“護(hù)鐵”結(jié)構(gòu)通常不能接受相關(guān)的安匝形成元件，諸如一個或者多個線圈。
綜上所述，希望提供一種極大地減小電動機(jī)和發(fā)電機(jī)中的上述缺陷并且增大每單位尺寸或者每單位重量或者每單位尺寸和每單位重量的輸出轉(zhuǎn)矩和效率以及在制造和/或操作過程中節(jié)約資源的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明披露了一種用于實現(xiàn)電動裝置(諸如電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、交流發(fā)電機(jī)等)中所用的示例性轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)、設(shè)備和方法。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種用于電動裝置的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)包括具有在轉(zhuǎn)動軸線上沿軸向布置的圓錐形表面、從而使圓錐形表面彼此相互面對的圓錐形磁體。圓錐形磁體包括至少兩個圓錐形磁體，所述至少兩個圓錐形磁體是這樣設(shè)置的，即，使得兩個圓錐形磁體的極化方向為基本上相反的方向。另外，該轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)也可包括相對于所述軸線同軸布置的場磁極構(gòu)件。該場磁極構(gòu)件具有形成在場磁極構(gòu)件的端部處的磁通量相互作用表面，所述磁通量相互作用表面與圓錐形表面的面對所述磁通量相互作用表面的部分相鄰。所述磁通量相互作用表面與圓錐形表面的該部分形成了氣隙，并且所述磁通量相互作用表面被構(gòu)造成使場磁極構(gòu)件與圓錐形磁體磁耦合。在一些情況下，轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)包括一軸，所述圓錐形磁體就安裝在所述軸上，所述軸限定了所述轉(zhuǎn)動軸線。每一個圓錐形表面可相對于轉(zhuǎn)動軸線具有大約為10度至80度的傾斜角。在一個實施例中，每一個場磁極構(gòu)件還包括從每一個場磁極構(gòu)件的一端到另一端連續(xù)的可導(dǎo)磁的材料，其中每一個場磁極構(gòu)件的至少一部分被構(gòu)造成可接收用于產(chǎn)生安匝(“AT”)磁通量的元件，諸如一個或者多個線圈。在一個可選擇的實施例中，定子-轉(zhuǎn)子還包括一個或者多個線圈，其中至少一個線圈圍繞每一個場磁極構(gòu)件纏繞以形成主動場磁極構(gòu)件。在一些情況下，轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)不包括護(hù)鐵，從而減小了磁滯損耗以及用于制造電動裝置的材料。在另一個實施例中，轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的至少一個場磁極構(gòu)件基本上是直的?；旧鲜侵钡膱龃艠O構(gòu)件可在磁體之間提供較短的磁通路徑，這與在一些傳統(tǒng)的定子結(jié)構(gòu)中使用護(hù)鐵相比，可帶來磁導(dǎo)材料的體積的減小。減小通過其引導(dǎo)磁通量的磁導(dǎo)材料的體積，可減小磁滯損耗。
一種示例性轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的場磁極構(gòu)件和圓錐形磁體可被布置成使得在磁通路徑的與從第一圓錐形磁體的一個表面部分延伸到第二圓錐形磁體的一個表面部分的基本上筆直的直線相符的一個路徑部分中的線性偏差達(dá)到最小，所述路徑部分終止于所述表面部分。在一個具體實施例中，將轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)構(gòu)造成產(chǎn)生主要包括第一圓錐形磁體、第二圓錐形磁體、至少一個場磁極構(gòu)件以及兩個或者多個氣隙的磁通路徑。在一些情況下，場磁極構(gòu)件可包括疊片以使得渦流電流最小化，從而減小功率損耗。疊片可用由磁導(dǎo)材料構(gòu)成的基片以一種減小磁導(dǎo)材料的消耗的方式制成。注意的是，在某些情況下，至少一個疊片是各向異性的，它可包括晶粒取向材料。在一個實施例中，轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)還包括纏繞在至少一個場磁極構(gòu)件上的線圈以形成至少一個主動場磁極構(gòu)件，其中將至少一個場磁極構(gòu)件的形狀制成以無需經(jīng)由狹槽纏繞線圈的方式極大地減小與將線圈纏繞在傳統(tǒng)場磁極上相關(guān)聯(lián)的制造復(fù)雜性。在又一個實施例中，每一個磁通量相互作用表面還包括歪斜的磁通量相互作用表面，以減小在相鄰的場磁極構(gòu)件之間的場磁極間隙，由此使得起動轉(zhuǎn)矩最小化。也可通過使兩個圓錐形磁體的極化方向偏置大約150至180度來減小起動轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的至少一個示例中，場磁極構(gòu)件是靜止的，圓錐形磁體可相對于場磁極構(gòu)件轉(zhuǎn)動；而在其它示例中，圓錐形磁體保持靜止，場磁極構(gòu)件相對于圓錐形磁體轉(zhuǎn)動。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，一種用于具有一軸線的電動裝置的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)包括具有至少兩個圍繞所述軸線沿軸向布置的磁體的轉(zhuǎn)子。這兩個磁體可相互分隔開并且可具有預(yù)定的磁極化區(qū)域。每一個磁體可具有主尺寸與軸線基本上成一銳角的相對的磁表面。該相對的磁表面通常彼此相互面對，并且沿基本上相反的方向進(jìn)行磁極化。磁極化可被描述為位于通過磁體表面且同時基本上垂直于軸線的平面內(nèi)。在一個實施例中，磁體基本上為圓錐形磁體并且磁表面是圓錐形磁表面。轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)也可包括與所述軸線同軸線布置并且具有在場磁極構(gòu)件的端部處形成的磁通量相互作用表面的場磁極。磁通量相互作用表面典型地與基本上與其主尺寸共同延伸的相對的磁表面相鄰的設(shè)置，并且與之限定功能性氣隙。每一個場磁極構(gòu)件是可導(dǎo)磁的，其中磁通量相互作用表面被構(gòu)造成使場磁極構(gòu)件與圓錐形磁體磁耦合。在至少一種情況下，一個或者多個場磁極構(gòu)件的每一個還包括圍繞所述一個或者多個場磁極構(gòu)件的一個線圈，由此形成一個或者多個主動場磁極構(gòu)件。在一個實施例中，將轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)構(gòu)造成限制磁通路徑僅橫穿過兩個圓錐形磁體、場磁極構(gòu)件、磁通量相互作用表面和氣隙。因此，不包括護(hù)鐵。在一個具體實施例中，場磁極構(gòu)件包括硅鐵合金、鎳鐵合金、鈷鎳合金、磁性粉末合金和軟磁復(fù)合材料中的一種或更多，而圓錐形磁體可是永磁體，所述永磁體由回復(fù)磁導(dǎo)率小于1.3個單位(以厘米、克和秒為單位表示(“CCS”))的磁體材料構(gòu)成。作為一個示例，圓錐形磁體可全部或者部分由釹鐵(“NdFe”)構(gòu)成。作為其它的示例，磁體可由陶瓷、釤鈷(“SmCo”)或者其它稀土磁體材料構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例，一種用于電動裝置的示例性轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)包括限定了一轉(zhuǎn)動軸線并且具有第一端部、中央部分和第二端部的軸。該轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)至少包括第一磁體，所述第一磁體具有輪廓為圓錐的至少一部分以形成第一圓錐形表面的表面，所述第一磁體具有第一極化方向并且在第一端部處沿軸向設(shè)置在所述軸上。另外，該轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)可包括第二磁體，所述第二磁體具有輪廓為圓錐的至少一部分以形成第二圓錐形表面的表面，所述第二磁體具有第二極化方向并且在第二端部處沿軸向設(shè)置在所述軸上，從而使第一極化方向基本上與第二極化方向相反。通常，第二圓錐形表面面對或者面向第一圓錐形表面。該轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)還包括與所述軸基本上同軸線布置的多個場磁極構(gòu)件。每一個場磁極構(gòu)件包括多個基本上為直的疊片，至少一個疊片由各向異性材料構(gòu)成并且以與其它疊片平行且與轉(zhuǎn)動軸線平行的方式布置。每一個場磁極構(gòu)件具有在其第一場磁極構(gòu)件端部處的第一極靴和在第二場磁極構(gòu)件端部處的第二極靴，第一極靴的位置與第一圓錐形表面的一部分相鄰，以形成第一磁通量相互作用區(qū)域，而第二極靴的位置與第二圓錐形表面的一部分相鄰，以形成第二磁通量相互作用區(qū)域。另外，該轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)包括纏繞在多個場磁極構(gòu)件中的至少一個上的至少一個線圈，以形成主動場磁極構(gòu)件。因此，至少在一些情況下，將轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)構(gòu)造成產(chǎn)生至少一個如下所述的磁通路徑，即，該磁通路徑被限制成僅橫穿過第一磁體、第二磁體、主動場磁極構(gòu)件以及第一和第二磁通量相互作用區(qū)域。在一個具體實施例中，所述至少一個線圈沿軸向基本上延伸所述主動場磁極構(gòu)件的長度，以減少從所述主動場磁極構(gòu)件的周邊發(fā)生的磁漏。
在一個可選擇的實施例中，第一極靴和第二極靴還分別包括第一極面和第二極面，其中使第一極面的至少一部分的輪廓形成第一氣隙，所述第一氣隙具有主要由在第一圓錐形表面的所述部分和第一極面之間的距離限定的間隙厚度，并且將第二極面的至少一部分的輪廓形成第二氣隙，所述第二氣隙具有主要由在第二圓錐形表面的所述部分和第二極面之間的距離限定的間隙厚度。所述間隙厚度一般不大于第一磁體或者第二磁體的平均直徑的40％。在另一個實施例中，第一磁體和第二磁體都是以使它們的極化相差在150至180度之間的一個角的方式取向的雙極磁體，其中每一個雙極磁體是單片的。在一些實施例中，第一磁體和第二磁體都是多極磁體。一種示例性的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)包括三個或者四個場磁極和雙極磁體。另一種構(gòu)造包括被構(gòu)造成與四極圓錐形磁體一起操作的六個或者八個場磁極。在一些情況下，該轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)可被構(gòu)造成接收作為進(jìn)入至少一個線圈中的電流的電能，以用于實現(xiàn)電動機(jī)。在其它情況下，該轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)可被構(gòu)造成接收作為圍繞所述軸的轉(zhuǎn)動運(yùn)動的機(jī)械能，以用于實現(xiàn)發(fā)電機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例，一種用于電動裝置的示例性轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)包括限定了轉(zhuǎn)動軸線的軸；至少兩個永磁體，每一個永磁體具有至少一個圓錐形表面和外表面，至少兩個永磁體中的每一個同軸線地安裝在所述軸上，從而使至少一個圓錐形表面中的一個面對另一個；多組線圈；以及多個鐵磁性場磁極構(gòu)件。多個鐵磁性場磁極構(gòu)件基本上平行于軸線地設(shè)置，每一個鐵磁性場磁極構(gòu)件具有沿著軸向的長度，該長度基本上至少在至少兩個永磁體的至少一個圓錐形表面中的兩個之間延伸。每一個鐵磁性場磁極構(gòu)件還具有至少一個中央部分，多組線圈中的一組線圈纏繞在所述中央部分上。每一個鐵磁性場磁極構(gòu)件具有一極靴，所述極靴具有在鐵磁性場磁極構(gòu)件的每一個端部處形成的至少一個極面。每一個極面一般被構(gòu)造成與或者經(jīng)由至少兩個永磁體的任意一個的至少一個圓錐形表面的一部分形成磁通量相互作用區(qū)域。
根據(jù)至少一個實施例，一種示例性轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)可設(shè)置在電動機(jī)內(nèi)以相對于常規(guī)的具有相同尺寸和/或重量的電動機(jī)提供更大的由這樣一種電動機(jī)所能夠輸送的輸出轉(zhuǎn)矩。在一個實施例中，一種轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)提供較短的且較直的磁通路以及與傳統(tǒng)的用于電動裝置的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)相比可更有效的材料使用。在使用各向異性(例如，晶粒取向材料)的磁導(dǎo)材料來形成本發(fā)明的具體實施例的場磁極構(gòu)件的情況下，這種材料的固有的磁特性有助于增大在磁通量穿行區(qū)域中的磁通量密度。應(yīng)該注意的是，可以或不可將這些材料用于形成疊片。因此，取消或者至少減小外部回路，諸如通常那些在實施種通常使用護(hù)鐵的回路，能夠減輕應(yīng)用本發(fā)明的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的各個實施例的電動裝置的重量并減小整體尺寸。在另一個實施例中，轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)可提供比具有相同輸出轉(zhuǎn)矩的類似尺寸的傳統(tǒng)電動機(jī)更大的電動機(jī)效率。該效率增大至少部分由于更低的繞線電阻，其轉(zhuǎn)換成更小的電流-平方-乘以-電阻(即，I2*R)功率損耗，同時產(chǎn)生與在傳統(tǒng)電動機(jī)的類似尺寸的外殼或者電動機(jī)殼體中產(chǎn)生的相同的產(chǎn)生安匝的磁通量。另外，本發(fā)明的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的電動機(jī)相比，制造的復(fù)雜性降低(例如，在線圈纏繞過程中)以及成本較低(例如由于節(jié)約材料)。
從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說明可對本發(fā)明有更詳細(xì)的理解，在附圖中圖1示出了傳統(tǒng)電動機(jī)中的常用定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示例性轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的分解圖，其中磁體為圓錐形；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圖2的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的端部視圖，沒有磁體以示出被構(gòu)造成通過氣隙與圓錐形磁體的面對磁表面相互作用的極面的取向；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圖2的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的另一個端部視圖，示出了定位成與極面相鄰的圓錐形磁體；圖5A和5B示出了根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施例的示例性磁通量路徑的剖視圖；圖5C示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的離開產(chǎn)生安匝磁通量的定子元件的極面的第二通量路徑的一個示例；
圖5D示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的進(jìn)入初始產(chǎn)生圖5C的安匝磁通量的主動場磁極構(gòu)件的極面的第二通量路徑的一個示例；圖6A和6B示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的另一種示例性轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的端部視圖；圖6C示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的圖6A和圖6B的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的部分剖視圖；圖7A和7B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種示例性場磁極構(gòu)件；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例的具有偏斜極面的另一種示例性場磁極構(gòu)件；圖9A至9M示出了根據(jù)本發(fā)明的各個實施例的可用于示例性轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)中的其它形狀的永磁體的示例；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的多磁極磁體；以及圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的一個可選擇的實施例的另一種轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的一個示例的端部視圖。
在所有的幾幅附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相應(yīng)的部件。注意的是，大部分附圖標(biāo)記包括一般表示最先引入該附圖標(biāo)記的附圖的一個或者兩個最靠左的數(shù)字。
具體實施方式定義下列定義用于參照本發(fā)明的一些實施例描述的一些元件。這些定義可基于這里所述的內(nèi)容擴(kuò)展。
這里所用的術(shù)語“氣隙”指的是，在磁體表面和面對的極面之間的空間或者間隙。這樣一個空間可具體地被描述為，至少由磁體表面和極面區(qū)域所限定的體積。氣隙用于使得轉(zhuǎn)子和定子之間進(jìn)行相對轉(zhuǎn)動，并且限定磁通量相互作用區(qū)域。盡管氣隙通常充滿空氣，但無需被這樣限定。
這里所用的術(shù)語“護(hù)鐵”通常指的是，常用于完成一種開放式磁回路的物理結(jié)構(gòu)(以及形成該物理結(jié)構(gòu)的材料)。特別是，護(hù)鐵結(jié)構(gòu)通常僅用于將磁通量從一個磁回路元件轉(zhuǎn)移到另一個，諸如從一個可導(dǎo)磁的場磁極到另一個，或者從第一磁體的磁極到第二磁體的磁極，或者二者兼有在場磁極構(gòu)件或者磁極之間沒有安匝形成元件，諸如線圈。另外，所形成的護(hù)鐵結(jié)構(gòu)通常不能接受相關(guān)的安匝形成元件，諸如一個或者多個線圈。
這里所用的術(shù)語“線圈”指的是，被設(shè)置成用于感應(yīng)地耦合于磁導(dǎo)材料以產(chǎn)生磁通量的導(dǎo)體連續(xù)卷繞的組件。在一些實施例中，術(shù)語“線圈”可被描述為“繞組”或者“線圈繞組”。
這里所用的術(shù)語“線圈區(qū)域”通常指的是線圈圍繞其卷繞的場磁極構(gòu)件的部分。
這里所用的術(shù)語“磁芯”指的是，場磁極構(gòu)件的這樣一個部分，在該部分處線圈通常設(shè)置在極靴之間并且通常由磁導(dǎo)材料構(gòu)成以提供部分磁通量路徑。
這里所用的術(shù)語“場磁極構(gòu)件”通常指的是，由磁導(dǎo)材料構(gòu)成并且被構(gòu)造成提供可使線圈圍繞其卷繞的結(jié)構(gòu)的構(gòu)件(即，該構(gòu)件被構(gòu)造成接收用于產(chǎn)生磁通量的線圈)。在一些實施例中，場磁極構(gòu)件包括磁芯(即，磁芯區(qū)域)和至少兩個極靴，每一個極靴通常位于磁芯的相應(yīng)端部處或者附近。但應(yīng)該注意的是，在其它實施例中，場磁極構(gòu)件包括一個磁芯和僅一個極靴。當(dāng)然，一個場磁極構(gòu)件不能產(chǎn)生安匝磁通量。在一些實施例中，術(shù)語“場磁極構(gòu)件”通?？杀幻枋鰹椤岸ㄗ?磁芯”。在一些實施例中，場磁極構(gòu)件通常具有細(xì)長的形狀，以使場磁極構(gòu)件的長度(例如，場磁極構(gòu)件的端部之間的距離)通常大于其寬度(例如，磁芯的寬度)。
這里所用的術(shù)語“主動場磁極構(gòu)件”指的是，一個磁芯、一個或者多個線圈和至少一個極靴的組件。特別是，主動場磁極構(gòu)件可被描述為用于選擇性地產(chǎn)生安匝磁通量的裝有一個或者多個線圈的場磁極構(gòu)件。在一些實施例中，術(shù)語“主動場磁極構(gòu)件”通?？杀幻枋鰹椤岸ㄗ?磁芯構(gòu)件”。
這里所用的術(shù)語“鐵磁性材料”指的是，一般表現(xiàn)磁滯現(xiàn)象并且其導(dǎo)磁性取決于磁化力的材料。另外，術(shù)語“鐵磁性材料”也可指的是相對導(dǎo)磁率大于1并且取決于磁化力的磁導(dǎo)材料。
這里所用的術(shù)語“場相互作用區(qū)域”指的是，其中由兩個或者多個源發(fā)出的磁通量以可相對于它們的源產(chǎn)生機(jī)械力和/或轉(zhuǎn)矩的方式矢量地相互作用的區(qū)域。通常，術(shù)語“磁通量相互作用區(qū)域”可與術(shù)語“場相互作用區(qū)域”互換使用。這樣的源的示例包括場磁極構(gòu)件、主動場磁極構(gòu)件和/或磁體或者其部分。盡管場相互作用區(qū)域通常在轉(zhuǎn)動機(jī)械說法中被稱為“氣隙”，但場相互作用區(qū)域是一個較寬的術(shù)語，它描述了這樣一個區(qū)域，其中來自于兩個或者多個源的磁通量矢量地相互作用以相對于這些源產(chǎn)生機(jī)械力和/或轉(zhuǎn)矩，因此不限于氣隙的定義(即，不被限制在由磁體表面和極面的區(qū)域和從在兩個區(qū)域之間的外圍延伸的平面限定的體積)。例如，場相互作用區(qū)域(或者其至少一部分)可位于磁體的內(nèi)部。
這里所用的術(shù)語“發(fā)電機(jī)”通常指的是，被構(gòu)造成將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾妱友b置，而例如與其輸出電壓波形無關(guān)?！敖涣靼l(fā)電機(jī)”的定義也是類似的，術(shù)語發(fā)電機(jī)的定義包括交流發(fā)電機(jī)。
這里所用的術(shù)語“磁體”指的是，在其自身外部產(chǎn)生磁場的物體。同樣，術(shù)語磁體包括永磁體、電磁體等。
這里所用的術(shù)語“電動機(jī)”通常指的是，被構(gòu)造成將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的電動裝置。
這里所用的術(shù)語“導(dǎo)磁”是描述性術(shù)語，其通常指的是，在磁通量密度(“B”)和所施加的磁場(“H”)之間具有可磁限定關(guān)系的材料。另外，“導(dǎo)磁”是一個廣義術(shù)語，包括但不限于鐵磁性材料、軟磁復(fù)合材料(“SMCs”)等。
這里所用的術(shù)語“極面”指的是，面對磁通量相互作用區(qū)域(以及氣隙)的至少一部分的極靴表面，由此形成磁通量相互作用區(qū)域(以及氣隙)的邊界。在一些實施例中，術(shù)語“極面”通常被稱為“定子表面”。
這里所用的術(shù)語“極靴”指的是，場磁極構(gòu)件中有助于使得極面以使其面對轉(zhuǎn)子(或者其一部分)定位的部分，由此用于形成氣隙和控制其磁阻。場磁極構(gòu)件的磁靴通常位于磁芯的每一端附近，該磁芯開始于線圈區(qū)域或線圈區(qū)域附近并且終止于極面。在一些實施例中，術(shù)語“極靴”通常被稱為“定子區(qū)域”或者“磁通量相互作用表面”的至少一部分，或者兩者。
這里所用的術(shù)語“軟磁復(fù)合材料(“SMCs”)”指的是，部分由絕緣磁體顆粒構(gòu)成的那些材料，所述絕緣顆粒諸如可被模制以形成本發(fā)明的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的一個元件的涂有絕緣層的鐵粉末金屬材料。
描述圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例的一種示例性轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的分解圖。在該示例中，轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)200被構(gòu)造成通過至少使磁通路徑通過場磁極構(gòu)件的長度最小化來增大用于電動機(jī)實施的每單位尺寸(或者每單位重量)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。在一些實施例中，場磁極構(gòu)件204提供直的或者基本上直的磁通量路徑(或者其區(qū)段)以使磁通量的線性偏差最小化。通常，路徑區(qū)段通常平行于轉(zhuǎn)動軸線。因此，與需要磁通量諸如在場磁極區(qū)域之間具有90度(或大約90度)角度繞其外圍急劇返回的傳統(tǒng)磁通回路設(shè)計相比較，通過采用直的或者基本上直的磁通量路徑，那些場磁極構(gòu)件的每個都提供了較低磁阻磁通量路徑。因此，本發(fā)明各實施例的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)可使用直的或者基本上直的磁通量路徑，以使得電動裝置在減小的磁損耗和增加的效率下操作。以下描述可應(yīng)用于具有除圓錐形磁體形狀以外或等同于圓錐形磁體形狀的其它形狀的磁體。
在該示例中，轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)200包括轉(zhuǎn)子組件202和多個主動場磁極構(gòu)件204(即，主動場磁極構(gòu)件204a、204b和204c)，由此主動場磁極構(gòu)件204被構(gòu)造成磁力連接于轉(zhuǎn)子組件202的磁體上并驅(qū)動轉(zhuǎn)子組件202的磁體。轉(zhuǎn)子組件202包括安裝在軸222上或固定在軸222上的兩個圓錐形磁體220(即，圓錐形磁體220a和220b)，從而圓錐形磁體220a上的圓錐形磁體表面221a的至少一部分面對圓錐形磁體220b上的圓錐形磁體表面221b的至少一部分。具體地，圓錐形磁體220的較小直徑端部(即，最靠近圓錐的頂點(如果存在頂點的話)，或者最靠近于圓錐的概念上的頂點(如果例如由于圓錐截頭而導(dǎo)致不存在頂點的話))相互面對。而且，每個圓錐形磁體220被布置得鄰近于主動場磁極構(gòu)件204的一組端部。在本發(fā)明的各個實施例中，每個圓錐形磁體表面221和221b相對于轉(zhuǎn)動軸線都具有傾斜角，其中所述角為大約5度到大約85度。在一個具體實施例中，所述傾斜角為大約10度到大約80度。在至少一個實施例中，例如當(dāng)圓錐形磁體220是由較高性能的磁體材料(例如，如下所述的具有最大能量乘積和“Br”的較高值以及高矯頑磁性的磁體)構(gòu)成時，傾斜角相對于轉(zhuǎn)動軸線大約為30度。在各實施例中，軸222可由磁導(dǎo)材料構(gòu)成，而在其它實施例中，軸222可由非磁性和/或非導(dǎo)電材料制成。因此，轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)200不需軸222形成磁通量路徑。主動場磁極構(gòu)件204和圓錐形磁體220a和220b足以形成根據(jù)本發(fā)明至少一個實施例的磁通量路徑。
每個主動場磁極構(gòu)件204都包括場磁極構(gòu)件206和纏繞在相應(yīng)場磁極構(gòu)件206的絕緣線圈208。場磁極構(gòu)件206被關(guān)于轉(zhuǎn)動軸線同軸地布置，所述轉(zhuǎn)動軸線可由軸222的軸線限定。線圈208a、208b和208c通常分別被繞場磁極構(gòu)件206a、206b和206c的中央部分纏繞，以當(dāng)通過電流激勵線圈208時在場磁極構(gòu)件206中產(chǎn)生安匝-產(chǎn)生磁通量。在至少一個實施例中，一個或多個主動場磁極構(gòu)件204至少部分地構(gòu)成了定子組件(未示出)。在主動場磁極構(gòu)件204的每個端部區(qū)域處都有極面207，每個極面207都被布置成鄰近于并面對圓錐形磁體220的圓錐形磁體表面的至少一部分，由此在磁體表面(或其一部分)與極面之間限定功能性氣隙。依照本發(fā)明的一個具體實施例，極面207是波形的以模仿磁體的表面(諸如圓錐形磁體220a的表面)。例如，極面207b是具有類似圓錐形磁體220a的凸形表面的曲率的凹形表面。在本發(fā)明的一個實施例中，任意延伸端部(諸如延伸端部211b)從場磁極構(gòu)件206處縱向地延伸，以延伸到圓錐形磁體220的外表面和/或超過所述外表面。作為另一個示例，延伸的端部217b被構(gòu)成延伸過圓錐形磁體220b的外表面，以用于插入到一個槽242中，以便于構(gòu)成轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)200。應(yīng)該注意的是，在某些實施例中，延伸端部211b被省略(未示出的場磁極構(gòu)件206的其它延長端部也是一樣)，由此使得磁體的較大直徑端部延伸到或超過與場磁極構(gòu)件206的外表面相關(guān)聯(lián)的徑向距離。
由于轉(zhuǎn)子組件202或多個場磁極構(gòu)件204中的一個可被構(gòu)成得相對于另一個轉(zhuǎn)動，因此轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)200可任選地包括軸承230和前安裝板240a和后安裝板240b。在一個具體實施例中，安裝板240a和240b可由非磁性和/或非導(dǎo)電材料制成。安裝板240a和240b中的空腔244被設(shè)計成用于接收軸承230，并且溝槽242被設(shè)計成用于接收主動場磁極構(gòu)件的延伸的端部(諸如延長端部217b)的至少一部分。在某些情況下，溝槽242限制主動場磁極構(gòu)件204的運(yùn)動，以保持相對于轉(zhuǎn)子組件202的適當(dāng)位置?？商砑颖Ｗo(hù)性外殼(未示出)，以保護(hù)轉(zhuǎn)子組件202和場磁極構(gòu)件204，并且可用作一個或多個線圈208的散熱器。雖然可用于實現(xiàn)示例性轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)200，但是本發(fā)明的各個實施例不局限于包含安裝板240a和240b以及軸承230和溝槽242，尤其是當(dāng)產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明各實施例的磁通量路徑時。
應(yīng)該注意的是，盡管每個場磁極構(gòu)件206被示出成由絕緣線圈208纏繞，但是依照具體實施例，不是所有場磁極構(gòu)件206都可由絕緣線圈208纏繞。例如，可分別從主動場磁極構(gòu)件204b和204c中省略線圈208b和208c，以形成電動裝置，例如，所述電動裝置的制造成本低于如果包含線圈208b和208c的情況。在沒有線圈208b和208c的情況下，構(gòu)件204b和204c構(gòu)成場磁極構(gòu)件而不是主動場磁極構(gòu)件。還應(yīng)該注意的是，盡管場磁極構(gòu)件206a、206b和206c被示出成直線場磁極構(gòu)件，但是場磁極構(gòu)件206a、206b和206c不需要為直線的或基本為直線的。在一些實施例中，一個或多個場磁極構(gòu)件206a、206b和206c可被構(gòu)造成提供非直線場磁極構(gòu)件的形狀，以在除直線磁通量路徑以外的磁通量路徑中傳送通量。例如，場磁極構(gòu)件206a、206b和206c可被構(gòu)造成將線圈208布置得更靠近于軸222的形狀，由此減小執(zhí)行轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)200的電動裝置的體積。文中的某些實施例中的“非直線”磁通量路徑可被描述為具有兩個連續(xù)部分并處于60度和90度之間的角度的磁通量路徑。在某些實施例中，術(shù)語“基本上直線”可指的是提供直線磁通量路徑(例如，從例如場互作用區(qū)之間的直線處沒有偏離的路徑)以及包括在相同總方向上在相互間具有60度或更小角度的兩個連續(xù)磁通量路徑段的磁通量路徑的場磁極構(gòu)件。
在至少一個具體實施例中，一個或多個主動場磁極構(gòu)件204中的每個包括僅一個或多個線圈208和諸如場磁極構(gòu)件206a、206b和206c中的任意一個的場磁極構(gòu)件。在某些情況中，主動場磁極構(gòu)件204可包括沒有為纏繞場磁極構(gòu)件的線圈繞組增加堅實支撐的帶、紙和/或顏料等。通常，一個或多個線圈208的繞組被直接纏繞在場磁極構(gòu)件本身上。一個或多個線圈208的導(dǎo)體通?？砂ń^緣部分。但是在該具體實施例中，主動場磁極構(gòu)件204中的每個都不需要包括任何其它中間結(jié)構(gòu)，諸如線圈載體結(jié)構(gòu)，所述其它中間結(jié)構(gòu)在制造過程中需要額外材料成本和勞力。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的轉(zhuǎn)子-定子200的端視圖300，其中示出了極面的定向，所述極面被構(gòu)造成通過氣隙與圓錐形磁體220a的面對磁體表面相互作用。圖3中沒有示出前安裝板240a、軸承230和圓錐形磁體220a，所有這些元件都省略以示出主動場磁極構(gòu)件和線圈形狀，以及場磁極之間的場磁極間隙(“G”)的端視圖。如圖中所示的，線圈208a、208b和208c分別環(huán)繞場磁極構(gòu)件206a、206b和206c，以形成主動場磁極構(gòu)件204a、204b和204c，它們都被緊密地布置以增加執(zhí)行轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)200的電動機(jī)或發(fā)電機(jī)的組裝密度(與使用通常使用圖1的狹縫108纏繞的線圈繞組的傳統(tǒng)電動機(jī)相比較)。圖3還示出了延伸的端部311a、311b和311c的邊緣，以及各個主動場磁極構(gòu)件204a、204b和204c的極面307a、207b和207c。極面307a、207b和207c被布置成在那些極面或表面中的每個與圓錐形磁體220a的圓錐形磁體表面的至少一部分之間形成氣隙。另外，場磁極間隙由構(gòu)成主動場磁極構(gòu)件204a、204b和204c的場磁極構(gòu)件的側(cè)部(邊緣)限定。例如，間隙“G”表示任意例如由從相應(yīng)場磁極構(gòu)件206b和206c(圖2)的側(cè)部延伸的平面310和320限定的場磁極間隙。
圖4示出了本發(fā)明一個實施例所涉及的轉(zhuǎn)子-定子200和被布置成鄰近于極面307a、207b和207c的圓錐形磁體220a的另一個端視圖400。如圖中所示的，圓錐形磁體220a的外磁體表面223a是可見的，如延長端部311a、311b和311c的突出邊緣以及線圈208一樣。應(yīng)該注意的是，在該示例中，圓錐形磁體220a是具有北極(“N”)和南極(“S”)的雙極磁體(例如，永磁體)。應(yīng)該注意的是，在某些實施例中，可使用電磁體提供圓錐形磁體220a和220b。另外，圖4限定了三個剖面圖。第一剖面圖，X-X為將場磁極構(gòu)件206a和線圈208a對截的中心線，然后經(jīng)由磁體220a穿過其它場磁極構(gòu)件206b和206c之間的場磁極間隙。第二剖面圖，Y-Y將場磁極構(gòu)件206a和線圈208a對截，然后經(jīng)由磁體220a穿過場磁極構(gòu)件206b和線圈208b。與第二剖面圖Y-Y相似的第三剖面圖，Y′-Y′將場磁極構(gòu)件206a和線圈208a對截，然后經(jīng)由磁體220a穿過場磁極構(gòu)件206c和線圈208c。圖5A中示出了剖面圖X-X，而在圖5B中示出了產(chǎn)生相似圖的視圖Y-Y和Y′-Y′。
圖5A和5B示出了截面圖，所述圖示出了本發(fā)明至少一個實施例所涉及的示例性磁通量路徑。圖5A示出了轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)500的主動場磁極構(gòu)件204a的截面，所述截面示出了線圈208a和場磁極構(gòu)件206a的截面圖X-X。在該示例中，主動場磁極構(gòu)件204a包括極面307a和505b、極靴507a和507b、線圈區(qū)域506和線圈208a。在圖5A的圖X-X中，圓錐形磁體220a和220b在相反方向上沿直徑方向被磁化并且被布置成鄰近于場磁極構(gòu)件206a的相應(yīng)極靴507a和507b。相應(yīng)地，極靴507a的極面307a與磁體表面221a的至少一部分521a形成磁氣隙551a，其中部分521a面對極面307a并且示為截面。相似地，極靴507b的極面505b與磁體表面221b的至少一部分521b形成磁氣隙551b，其中部分521b面對極面505b并且示為截面。應(yīng)該注意的是，部分521a和521b無需分別延伸圓錐形磁體220a和220b的軸向長度。例如，部分521a和521b可由限制在圓錐形磁體220a和220b的最大和最小橫截面直徑之間的區(qū)域限定并且可為任何尺寸。因此，依照至少一個實施例，部分521a和521b僅需要與極面形成氣隙，其中圓錐形磁體220a和220b的其它表面部分被構(gòu)成不形成氣隙。另外，線圈208a包圍場磁極構(gòu)件206a的線圈部分506，由此線圈區(qū)域506大致由圍繞場磁極構(gòu)件206a一部分的線圈208a的軸向長度限定。圖5A中未示出一個或多個場互作用區(qū)，所述場互作用區(qū)可環(huán)繞大于氣隙(諸如氣隙551a)的空間，并且例如可延伸到圓錐形磁體220a內(nèi)。
在本發(fā)明的至少一個實施例中，分別在圓錐形磁體220a和220b上的表面的磁體部分521a和521b中的至少一個可被定義為由傾斜角(“θ”)501限定，所述傾斜角501為相對于轉(zhuǎn)動軸線的角度。在所示的示例中，轉(zhuǎn)動軸線與軸222相連。在具體實施例中，傾斜角(“θ”)501是距離軸222的30度。但是應(yīng)該注意的是，角度501可為任何角。
在反向極化作用下，圓錐形磁體220a被極化，其中其北極(“N”)指向方向502，并且圓錐形磁體220b被極化，其中其北極(“N”)指向方向504。在某些實施例中，圓錐形磁體220a和220b沿實際相反的方向(即，方向502和504之間的180度)沿直徑方向被磁化。
但是在其它實施例中，例如，為了減小起動轉(zhuǎn)矩(“齒槽效應(yīng)”)，方向502和504可偏移為除180度以外的那些方向之間的任意角度。在具體實施例中，方向502和504可偏移為大約150度到大約180度之間的任意角度。在各個實施例中，每個圓錐形磁體220a和220b(或其它類型磁體)都被極化以使其在基本垂直于轉(zhuǎn)動軸的一個或多個平面中具有極化方向，其中術(shù)語“基本垂直”在某些實施例中也稱作垂直角。
圖5B示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的主動場磁極構(gòu)件204a和主動場磁極構(gòu)件204b或主動場磁極構(gòu)件204c中任意一個的橫截面，并且示出了磁通路徑。為了便于描述，將只描述剖視圖Y-Y。圖Y-Y是線圈208a和穿過線圈208b的場磁極構(gòu)件206a和場磁極206b的剖視圖。磁通路徑560穿過場磁極構(gòu)件206a和206b以及穿過圓錐形磁體220a和220b。為了進(jìn)行描述，可將磁通路徑560(或通量路徑)描述為包含兩個磁通路徑，所述兩個磁通路徑通過疊加原理相組合。圓錐形磁體220a和220b形成第一磁通路徑(即，永磁體產(chǎn)生的通量)，而由繞組的安匝產(chǎn)生的通量形成第二磁通路徑(即，安匝產(chǎn)生的通量)。在該示例中，作為第一通量路徑的磁體通量從圓錐形磁體220a的北極(“N”)出來并且穿過氣隙551a以進(jìn)入極面307a(圖3)，所述北極與表面部分521a重合，表面部分521a面對極面307a。然后第一磁通路徑縱向地穿過場磁極構(gòu)件206a，之后從與圓錐形磁體220b相鄰的場磁極構(gòu)件206a端部處的極面505b穿出。第一通量路徑通過穿過氣隙551b而繼續(xù)并且進(jìn)入圓錐形磁體220b的南極(“S”)，南極通常與磁體表面221b的表面部分521b重合，并且面對極面505b。第一磁通路徑穿過圓錐形磁體220b到其北極，所述北極通常與磁體表面221b的表面部分561b重合，所述表面部分561b面對極面213b。接著，第一磁通路徑穿過氣隙551c并且進(jìn)入極面213b(圖2)。從那里，第一磁通路徑通過場磁極構(gòu)件206b返回到極面207b(將從中出去)、穿過氣隙551d，之后進(jìn)入圓錐形磁體220a的南極，從而完成第一磁通路徑。圓錐形磁體220a的南極通常與磁體表面221a(圖2)的表面部分561a重合，磁體表面221a的表面部分561a面對極面207b。應(yīng)該注意的是，在所述的情況中，從極面207b中出來的通量等同于從極面207c中出來的通量。應(yīng)該注意的是，不需要附加結(jié)構(gòu)或材料來形成磁通路徑560的任何部分。因此，轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)550不包括護(hù)鐵。
在具體實施例中，如此設(shè)定圓錐形磁體220的直徑，即，使得每個圓錐形磁體220中的磁通路徑的長度相對于四個氣隙551a到551d相對較大，從而建立良好磁體載荷線。應(yīng)該注意的是，這四個氣隙551a到551d中的每個都提供通量互作用區(qū)以便于(通過)極面與磁體之間的磁通量相互作用。還應(yīng)該注意的是，任意一個圓錐形磁體220a或220b中的通量路徑被示出得與磁化軸對齊(即，從南極到北極)，這可有助于低磁體制造成本并且有助于使磁體可產(chǎn)生較高的輸出扭矩/每單位體積(或尺寸)。對于具體應(yīng)用來說，通過使用適當(dāng)?shù)拇朋w材料，可優(yōu)選磁體矯頑磁性，所述磁體矯頑磁性是用于確定磁體在強(qiáng)外部磁場的影響下保持其內(nèi)通量對齊方面有多好的磁體性能。
在至少一個實施例中，轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)550(圖5B)產(chǎn)生磁通路徑560的至少一部分，所述磁通路徑560的所述至少一部分從大約第一圓錐形磁體220a的磁體表面的表面部分521a基本上線性地延伸到大約第二圓錐形磁體220b的磁體表面的表面部分521b。在一個示例中，磁通路徑的所述部分主要由第一圓錐形磁體220a的表面部分521a、第二圓錐形磁體220b的表面部分521b、場磁極構(gòu)件中的至少一個(諸如場磁極構(gòu)件206a)以及兩個或多個氣隙(諸如氣隙551a和551b)構(gòu)成。
在本發(fā)明的至少一個實施例中，圓錐形磁體220a和220b可具有以下兩種磁性特性。第一，圓錐形磁體220a和220b能夠產(chǎn)生，諸如采用CGS單位高斯按照通量密度“B”測量的磁通量。“CGS”是指按照厘米、克和秒描述的單位。第二，圓錐形磁體220a和220b的磁體材料是這樣的，即，使得磁體耐退磁。如本領(lǐng)域中公知的，具有高耐退磁能力的材料通常被描述為具有“高矯頑磁性”。退磁磁場的適當(dāng)值可用于使特定磁體材料通量密度輸出為零。因此，具有較高矯頑磁性值的磁體材料通常是指磁體材料能夠經(jīng)受大數(shù)值的反向外部磁場強(qiáng)度，而不受到退磁作用的影響。在具體實施例中，圓錐形磁體220a和220b是由在操作條件下具有較接近于1.00的回復(fù)磁導(dǎo)率值和足夠的矯頑磁性Hd的磁體材料構(gòu)成的，以使其在合理預(yù)期操作條件下是可靠的。
磁體材料的特征通常部分地在于所述材料的最大能積。另外，磁體材料的特征可在于“Br”，這是當(dāng)在閉合回路中測量時來自于磁體材料中的磁通量密度輸出，并且沒有測量到外部磁場被施加于所述磁體材料。最大通量密度值通常表示為“Br”。較高Br值表示磁體材料每極區(qū)能夠產(chǎn)生大磁通量(即，具有高通量密度)。在至少一個實施例中，在期望在較小裝置體積中具有較高扭矩的結(jié)構(gòu)中，圓錐形磁體220a和220b使用具有高通量產(chǎn)生能力(例如，具有高“Br”值)的磁體。
在各個實施例中，圓錐形磁體220a和220b(或其它磁體)使用沿軸向方向較短的高數(shù)值Br磁體并且使用例如與轉(zhuǎn)動軸成約30度的錐角。但是在某些實施例中，圓錐形磁體220a和220b(或適合于實現(xiàn)本發(fā)明的其它磁體)使用具有較低成本和較低Br值的磁體材料。在這種情況下，磁體通常具有氣隙，所述氣隙具有比與具有較高Br值的那些磁體相比較更大的面積。具體地，氣隙的增加面積是通過增加磁體的軸向長度而形成的，由此增加與相應(yīng)極面相對的磁體表面的表面面積。因此，可在相同外徑裝置中使用更小的錐角(例如，小于30度)，雖然沿軸向方向更長。盡管在許多實施例上輸出扭矩性能和Km可保持相同，即使軸向長度增加，但是在低Br值型式中制造成本可較小。
雖然本發(fā)明的各種實施例涵蓋了多個使用任何已知可用磁體材料的設(shè)計電動機(jī)和/或發(fā)電機(jī)設(shè)計，但是至少一個實施例使用在B值與反向施加場強(qiáng)度H之間具有低比例的磁體材料，所述比例，如通常在許多磁體材料數(shù)據(jù)表中規(guī)定的，是在相應(yīng)的材料Br點測得的，那些比例限定了所述材料的“在Br值的回復(fù)磁導(dǎo)率”。雖然在某些情況中磁體材料無需僅限于高矯頑磁性，但是當(dāng)受到預(yù)期的反向磁場或熱狀態(tài)時磁體材料應(yīng)顯示出可預(yù)知的輸出通量密度。因此，依照本發(fā)明的一個實施例，當(dāng)考慮使用典型的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的電動機(jī)和/或發(fā)電機(jī)設(shè)計時，“回復(fù)磁導(dǎo)率”的數(shù)值可為至少一個因素。
回復(fù)磁導(dǎo)率通常是B值與反向施加的場強(qiáng)度的數(shù)值之間關(guān)系的表達(dá)式。通常以CGS為單位(因為以CGS為單位的滲透性為1.0)評價回復(fù)磁導(dǎo)率的數(shù)值，并且可通過將接近Br或為Br值的B(例如，以高斯表示的)除以反向施加場強(qiáng)度的數(shù)值(例如以O(shè)ersted表示的接近Hc或為Hc的H值)來確定所述數(shù)值。對于某些磁體材料來說，平均回復(fù)磁導(dǎo)率值可被確定并且可用于在磁體材料的選擇。在一個實施例中，可通過由國際磁學(xué)協(xié)會(“IMA”)主張的磁性材料制造商協(xié)會(“MMPA”)標(biāo)準(zhǔn)0100-00限定各種磁體材料的回復(fù)磁導(dǎo)率。應(yīng)該注意的是，也可以MKS為單位(例如，米、千克和秒)描述回復(fù)磁導(dǎo)率。
通常，當(dāng)以CGS為單位時回復(fù)磁導(dǎo)率的數(shù)值不小于1。然而，回復(fù)磁導(dǎo)率值越接近于1.0，對于特定測量材料來說矯頑磁性就越高。在本發(fā)明的大多數(shù)實施例中，回復(fù)磁導(dǎo)率的數(shù)值通常小于1.3。典型的高矯頑磁性材料，諸如由釹-鐵(NdFe)及其變體構(gòu)成的磁體可具有大約為1.04的回復(fù)磁導(dǎo)率值(以CGS為單位)。所述變體的示例為釹-鐵-硼或“NdFeB”。普通低成本陶瓷磁體(諸如由鐵氧體陶瓷構(gòu)成的那些)可具有大約1.25的比例值，該數(shù)值允許陶瓷磁體在某些應(yīng)用中適當(dāng)?shù)夭僮?。?yīng)該注意的是，典型高性能陶瓷磁體的平均回復(fù)磁導(dǎo)率通常在大約1.06到1.2(以CGS為單位)的范圍內(nèi)。
圍繞每個場磁極構(gòu)件206纏繞的線圈208形成第二磁通路徑。在該示例中，從安匝產(chǎn)生的通量來看，除圓錐形磁體220a和220b具有與空氣的性能相近的有效性能以外，圖5B的線圈208a和208b中的安匝所產(chǎn)生的通量以與永磁體通量相似的路徑行進(jìn)。因此，場磁極構(gòu)件206a內(nèi)(例如，繞組區(qū)域506內(nèi))產(chǎn)生的安匝通量存在于與圖5A和5B的圓錐形磁體220a和220b相鄰的極面處。
在至少一個具體實施例中，線圈208可包括箔導(dǎo)體，所述箔導(dǎo)體是具有矩形橫截面的導(dǎo)體，并且所述矩形橫截面具有較大寬度和較小高度。可取代導(dǎo)線而使用層之間具有絕緣部分的箔導(dǎo)體，從而在相同的可用繞組體積中減小繞組電阻并且增加電流處理容量。箔導(dǎo)體的使用也可減小繞組的感應(yīng)系數(shù)。在一個實施例中，絕緣部分被附于所述箔的一側(cè)，從而在隨后圍繞所述芯的繞組中隔離箔導(dǎo)體。也就是說，由于一側(cè)與箔導(dǎo)體(或箔式線圈)的前一纏繞部分的非絕緣側(cè)絕緣，因此只有所述箔導(dǎo)體的一側(cè)需要被絕緣。有利的是，這減小了線圈208所需的絕緣量，從而節(jié)約資源、增加了否則由完全絕緣導(dǎo)體填充(即，所有側(cè)部上都絕緣，諸如絕緣線)的空間中的組裝密度并且增加安匝的數(shù)量(同時減少導(dǎo)體匝的數(shù)量)。由于也為了更小的彎曲半徑而提供箔導(dǎo)體，因此可減小具有更尖銳彎曲的導(dǎo)體中通常共有的繞組電阻。通過減小所述電阻，這種類型的導(dǎo)體也可在產(chǎn)生安匝通量方面保存動力，尤其是在電池供電的電動機(jī)應(yīng)用中。
圖5C描述了本發(fā)明一個實施例所涉及的從產(chǎn)生安匝磁通量的主動場磁極構(gòu)件的極面出來的第二磁通路徑的一個示例。在該圖中，安匝(“AT”)產(chǎn)生通量在主動場磁極構(gòu)件204a中被產(chǎn)生之后從圖5C的極面513a(或如圖5B中的極面505b所示的)出來，同時適當(dāng)?shù)胤殖蓛砂胍孕纬赏?70a和570b。之后，安匝通量570a進(jìn)入極面213b，而安匝通量570b進(jìn)入極面513c。之后，第二磁通路徑的各個部分沿縱向通過另一個場磁極構(gòu)件(例如，場磁極構(gòu)件206b和206c)，到達(dá)那些其它場磁極構(gòu)件的另一端以返回到主動場磁極構(gòu)件204a，所述主動場磁極構(gòu)件204a最初產(chǎn)生第二磁通路徑。
圖5D示出了本發(fā)明一個實施例所涉及的返回到產(chǎn)生安匝磁通量的主動場磁極構(gòu)件的極面的第二磁通路徑的一個示例。如圖中所示的，安匝磁通量570c和570d從相應(yīng)的極面207b和207c出來以進(jìn)入極面307a，由此完成第二磁通路徑的磁路(即，安匝磁通量路徑)。
從概念上來說，圖5D中主動場磁極構(gòu)件204a、204b和204c的每個場磁極構(gòu)件中的安匝所產(chǎn)生的磁場可看作每個端部區(qū)域或主動場磁極構(gòu)件的極靴處的每個極面處的磁勢區(qū)域。依照本發(fā)明的至少一個實施例，在圓錐形磁體的面對表面和其相鄰極面之間的氣隙中，第一磁通路徑的通量和第二磁通路徑的通量以本領(lǐng)域中所熟知的方式互相作用，而所述互相作用用于通過使用電動機(jī)的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)200產(chǎn)生扭矩。定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)200的第一和第二磁通路徑至少是部分有效的，這是因為所述通量由于穿過線圈208的電流而被包含在場磁極構(gòu)件206的磁芯區(qū)域(core region)506(圖5A)中。每個圓錐形磁體220產(chǎn)生的磁通量在通量互作用區(qū)中與來自于主動場磁極構(gòu)件204的極面的磁通量相互作用。因此，磁漏路徑(即使有的話)通常被限定于極靴570a和570b處的非常小的區(qū)域(圖5A)，極靴570a和570b兩者都包括場磁極構(gòu)件206的側(cè)面和背面。由于第一和第二磁通路徑在場磁極構(gòu)件206的磁導(dǎo)材料中幾乎是直線的，這些場磁極構(gòu)件非常適合于以有效的方式使用各向異性(例如，晶粒取向)的磁性材料。因此，場磁極構(gòu)件206可由與使用各向同性、非晶粒取向的磁性材料相比較。能夠沿磁性定向方向(諸如沿晶粒取向材料的晶粒)攜帶更高通量密度并降低磁性損耗的任何各向異性的磁性材料構(gòu)成。
為了進(jìn)行描述，假設(shè)示范性各向異性(例如，晶粒取向)的材料可具有至少20,300Gauss的磁飽和值，而典型的各向同性層壓材料，諸如“M19”層片具有19,600Gauss的磁飽和值。而且，與各向同性材料所需的460Oerstead相比較，使各向異性材料達(dá)到飽和所需施加的場僅為126Oerstead。在15,000Gauss感應(yīng)下在60Hz時，各向異性晶粒取向材料(例如，0.014英寸厚的層片)的鐵耗可大約為0.66瓦特/磅。與之相反，在相似條件下，典型的各向同性材料可具有大約為1.64瓦特/磅的鐵耗。考慮到前述情況，在形成場磁極構(gòu)件206中使用各向異性材料優(yōu)于使用各向同性材料。依照至少一個實施例，與傳統(tǒng)電動機(jī)的磁通路徑不同，場磁極構(gòu)件206的較平直形狀能夠有效地使用各向異性材料。
與傳統(tǒng)電動機(jī)的輸出扭矩的產(chǎn)生不同，由本發(fā)明各個實施例的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)200所產(chǎn)生的輸出扭矩?zé)o需與從軸222的轉(zhuǎn)動軸線到主動氣隙551a到551d的半徑成比例(圖5B)。所有其它因素為相同的，增加極面和氣隙與軸222之間的徑向距離不會像傳統(tǒng)電動機(jī)設(shè)計公式表示的那樣改變輸出扭矩。例如，傳統(tǒng)電動機(jī)設(shè)計概念描述了攜帶安匝通量的區(qū)域應(yīng)被設(shè)計得具有低磁阻路徑，包括作為氣隙的安匝磁通路徑的部分。依照本發(fā)明的各個實施例，安匝通量路徑具有穿過永磁體(諸如圓錐形磁體220)所占據(jù)的空間的較高磁阻路徑，然而與相同尺寸或重量的大多數(shù)傳統(tǒng)電動機(jī)的峰值扭矩的產(chǎn)生(其它因素為相同的)相比較，峰值扭矩產(chǎn)生較高。在具體實施例中，構(gòu)成圓錐形磁體220的磁體材料具有與空氣相似的磁導(dǎo)率值，因此，每個圓錐形磁體220的體積對于安匝磁路來說都作為傳統(tǒng)氣隙出現(xiàn)。在至少一個實施例中，電動機(jī)械所產(chǎn)生的輸出扭矩全部或部分地與圓錐形磁體220的體積成比例。
在定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)200的操作中，線圈208被順序地激勵以使得轉(zhuǎn)子組件202轉(zhuǎn)動。被激勵的線圈在極面處產(chǎn)生磁勢。這些磁勢趨向于使得磁體(例如，圓錐形磁體220)的內(nèi)場方向被重新定向為所施加的外部場的方向。所述外部場有效地向圓錐形磁體220提供有角度定向的退磁磁場，以使當(dāng)使用電動機(jī)的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)200在處在高扭矩載荷下時，所述退磁磁場能夠達(dá)到較大的振幅。強(qiáng)的退磁磁場可不利地使得具有不足矯頑磁性的圓錐形磁體220的磁體材料再磁化。為此，本發(fā)明的至少一個實施例使用適合于高扭矩載荷的磁體材料并且具有(1)低的B對反向施加的場強(qiáng)度比以及(2)較低回復(fù)磁導(dǎo)率，例如低于1.3(以CGS為單位)。
在本發(fā)明的一個實施例中，所產(chǎn)生的扭矩通過磁體(諸如圓錐形磁體220)的自然傾斜部分，以尋求最低能量位置。因此，圓錐形磁體220(可為永磁體)的磁極易于朝向最大磁引力的區(qū)域轉(zhuǎn)動并遠(yuǎn)離磁斥力的區(qū)域，從而通過安匝所產(chǎn)生的磁場在激勵的主動場磁極構(gòu)件204的兩端處在氣隙處形成所述“磁勢”區(qū)域。由于具有較高矯頑磁性的磁體將抵制有角度地移動其內(nèi)部磁場的方向的趨勢，因此對于有角度移動的這種抵制被表示為永磁體主體上的機(jī)械扭矩，從而向所述軸傳輸扭矩。因此，磁體(例如，圓錐形磁體220)可產(chǎn)生并然后向所述軸傳輸作為施加于載荷的有用輸出扭矩的扭矩。
圖6A、6B和6C示出了本發(fā)明另一個實施例所涉及的另一個示例性定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的端視圖600。圖6A和6B示出了定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的端視圖600而圖6C示出了圖6B的局部A-A剖視圖。圖6A示出了主動場磁極構(gòu)件604，每個主動場磁極構(gòu)件604都在相應(yīng)的場磁極構(gòu)件606的端部處具有斜極面607。每個斜極面607都具有波狀表面，所述波狀表面通常沿襲相鄰磁體(諸如圓錐形磁體220a)的面對表面部分的表面特征，以形成例如具有相對恒定的氣隙厚度的氣隙。氣隙厚度通常是指極面與磁體的面對表面之間的垂直距離。斜極面607至少部分地由場磁極構(gòu)件606的表面邊緣和/或側(cè)部限定，所述場磁極構(gòu)件606的表面邊緣和/或側(cè)部相對于相鄰磁體的磁力方向(例如，極化的方向)略微成角度或傾斜。圖6A中作為第一傾斜邊緣650和第二傾斜邊緣652示出了傾斜邊緣和/或側(cè)部，它們都構(gòu)造作為場磁極構(gòu)件606的邊緣，以當(dāng)主動場磁極構(gòu)件604被布置在定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中時形成傾斜的場磁極隙660。作為示例，假定第一傾斜邊緣650c被構(gòu)成相對于磁體(未示出)的至少一個極化方向630形成角度622。還假定第二傾斜邊緣652b被構(gòu)成相對于極化方向630形成角度620。角620、622可為相同的角或者可為適合于形成場磁極隙660的任何其它角，所述場磁極隙660相對于一個或多個磁體的極化方向傾斜。應(yīng)該注意的是，圖6C是示出了被構(gòu)成使得磁極化的徑向平面631不會與場磁極邊緣650或場磁極邊緣652中任何一個對齊的傾斜邊緣的局部截面圖。具體地說，場磁極邊緣650c和場磁極邊緣652b相對于磁極化平面631都不對齊(即，傾斜)。
圖6B是示出了場磁極構(gòu)件606兩端處的傾斜極面邊緣的端視圖670。通過在定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中使用圖6A中的場磁極隙660，減小了起動轉(zhuǎn)矩(“齒槽效應(yīng)”)。在至少一個實施例中，傾斜場磁極隙660適合于與沿直徑方向被極化的永磁體(諸如圓錐形磁體220)結(jié)合使用。在這種情況中，圖6B的端視圖670是示出了被構(gòu)成具有與相鄰圓錐形磁體220a的表面輪廓相似的表面輪廓的極面607的端視圖，極面607與圖6A中所示的相似。圖6B中還示出了第一傾斜邊緣680和第二傾斜邊緣682，它們與場磁極構(gòu)件606另一端處(例如，如由虛線表示的，在相對的另一個極靴處而不是與第一傾斜邊緣650和第二傾斜邊緣652相關(guān)聯(lián)的極靴處)的極面相關(guān)聯(lián)。在這種情況中第一傾斜邊緣680和第二傾斜邊緣682具有分別與第一傾斜邊緣650和第二傾斜邊緣652相似的角度，但是面對例如與圓錐形磁體220b相關(guān)聯(lián)的磁體表面。因此，由邊緣650和652所形成的場磁極隙的角度方向與由邊緣680和682所形成的場磁極隙的角度方向相反。因此，沿直徑方向被極化的磁體通常將不與具有與那些在平面310和320(圖3)之間形成場磁極隙“G”的極面?zhèn)炔肯嗨频臉O面?zhèn)炔康膱龃艠O隙對齊，這可作為電動機(jī)中變動力矩的來源。應(yīng)該注意的是，邊緣650和652之間的距離以及邊緣680和682之間的距離可被構(gòu)成使場磁極隙的齒槽效應(yīng)最小化所需的那樣窄。
圖7A和7B示出了本發(fā)明一個實施例所涉及的示例性場磁極構(gòu)件。盡管場磁極構(gòu)件206a、206b和206c中的每個都可由單片磁導(dǎo)材料(例如，通過金屬注塑法、鍛造法、鑄造或任何其它制造方法形成的片)構(gòu)成，這些場磁極構(gòu)件也可由多片構(gòu)成，如圖7A和7B中所示。圖7A示出了作為由整體結(jié)合在一起的多個層壓部分704構(gòu)成的堆疊場磁極構(gòu)件700的一個場磁極構(gòu)件206。在該示例中，堆疊場磁極構(gòu)件700具有其外徑為具有弧的圓柱形外徑的外表面702和相對直的內(nèi)表面706，以增加線圈組裝密度同時仍為轉(zhuǎn)動軸保留空間。場磁極構(gòu)件端部區(qū)域720通常包括用于與場磁極構(gòu)件700每個端部處的永磁體的通量相互作用的極面707，而中央部分722(即，中央場磁極構(gòu)件部分)通常包括極面707之間的芯區(qū)域，諸如線圈區(qū)域506(圖5A)。線圈(未示出)可或多或少被圍繞中央部分722纏繞。圖7B是堆疊場磁極構(gòu)件700和層壓結(jié)構(gòu)704的透視圖，它們可由各向異性材料構(gòu)成。在該示例中，各向異性材料包括晶粒取向材料。
還應(yīng)該注意的是，可在例如圖7A到7B中所述的任意場磁極構(gòu)件中使用各種纏繞方式，以增強(qiáng)性能。例如，Cantered或全覆蓋繞組可在所述結(jié)構(gòu)的兩端處基本上覆蓋場磁極構(gòu)件700的所有側(cè)部和/或后部，以減小可能從一個場磁極構(gòu)件泄漏到另一個場磁極構(gòu)件的通量。因此，線圈的線無需被纏繞在垂直于場磁極構(gòu)件的長軸線的平面中，而是以斜角纏繞。在將線圈布置靠近于磁氣隙，那些線圈可例如在極靴區(qū)域中在減小磁漏方面更有效。應(yīng)該注意的是，上述纏繞方式適應(yīng)于此處所述的任何場磁極構(gòu)件。
圖8示出了本發(fā)明具體實施例所涉及的具有傾斜極面的另一個示例性場磁極構(gòu)件。如所示的，與堆疊場磁極構(gòu)件700相似，堆疊場磁極構(gòu)件800由多個層壓部分804構(gòu)成。層壓部分804被設(shè)計得提供傾斜極面807。極面807由第一傾斜邊緣850和第二傾斜邊緣852兩者限定，而另一個極靴處的另一極面807由第一傾斜邊緣880和第二傾斜邊緣882限定。應(yīng)該注意的是，邊緣850、852、880和882分別對應(yīng)于圖6B的邊緣650、652、680和682。在一些情況下，以使得制造期間的浪費最小化的方式，可以一系列與單個基片(例如，一片金屬等)或不同基片的相似或不同的形成形狀有利地形成(例如，切割出)層壓部分804(以及層壓部分704)。另外，例如，層壓部分704(圖7B)和804(圖8)不浪費通常被拋棄以在環(huán)形定子結(jié)構(gòu)中形成圓孔的材料。
在一些實施例中，層壓部分704和804可由層壓的各向異性(例如，晶粒定向的)薄片材組裝而成，其中磁性定向方向為沿縱向定向，諸如平行于轉(zhuǎn)動軸線。因此這使得可容易地從電動機(jī)的一端到軸向地傳導(dǎo)通量到另一端。所述層壓部分可彼此電絕緣，這可減小渦流損耗。在一個實施例中，層壓部分704和804是由晶粒取向的鋼材構(gòu)成并且在相對較低成本材料中提供具有高磁導(dǎo)率、低損耗和/或高飽和水平的各種場磁極構(gòu)件。適合于使用層壓部分704和804的一種類型的各向異性材料為冷軋晶粒取向鋼材，或者“CRGO層壓鋼”。為了示出使用至少一個實施例所涉及的晶粒取向?qū)訅翰糠值膬?yōu)點，在相同的條件下，與磁導(dǎo)率大約為5950的通用各向同性層壓鋼(例如，“M19”層壓件)相比，冷軋晶粒取向鋼可具有50,000的磁導(dǎo)率同時經(jīng)受10,000Gauss的外加場。應(yīng)該注意的是，如上所述的磁導(dǎo)率是直流電(“DC”)磁導(dǎo)率。依照本發(fā)明的各個實施例，場磁極構(gòu)件可由許多不同的磁導(dǎo)材料制成，諸如硅鐵合金、鋼合金、鐵合金、鎳鐵合金、鈷鎳合金、磁粉末合金、軟磁復(fù)合材料等。也稱之為“SMC材料”的軟磁復(fù)合材料由也可導(dǎo)磁的致密的電絕緣顆粒構(gòu)成。因此，當(dāng)與傳統(tǒng)SiFe層壓材料相比較時，在較高頻率下SMC材料顯示出較低渦流損耗。SMC材料的另一個明顯優(yōu)點是通過使用適當(dāng)設(shè)計的擊實模子和模具使其以三維形式形成的能力。
圖9A到9M示出了可在本發(fā)明各個實施例所涉及的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中使用的其它形狀永磁體的示例。盡管圖2中所示的磁體的形狀是圓錐形的，但是術(shù)語“圓錐形”應(yīng)被廣義地理解為包括形成一個或多個表面或其一部分的一種或多種形狀，因此當(dāng)被同軸地安裝在軸上時，相對于所述軸成一定角度，從而至少一個表面在延伸時將與轉(zhuǎn)動軸線相交。因此，術(shù)語“圓錐形磁體”旨在涵蓋任何磁體構(gòu)造，所述磁體的圓錐形或漸縮的至少一部分表面朝向與轉(zhuǎn)動軸線同軸的點或者處于轉(zhuǎn)動軸上的點。例如，至少一種類型的圓錐形磁體具有一個或多個表面，從而那些表面每處的磁體的橫截面通常(或平均)沿磁體的軸向長度逐漸增大或減小。在至少一個具體實施例中，用于描繪圓錐形磁體表面的一部分的關(guān)聯(lián)維度是表面邊界，諸如可在相對于直線的空間中定向的波形表面區(qū)域。
圖9A示出了作為圓錐形磁體的示例的全錐形磁體，而圖9B示出了作為描述為“直立圓錐的截頭體”的截錐磁體的圓錐形磁體，其為通過將直立圓錐的頂部割掉形成的截頭體(例如，所述切割形成直立圓錐磁體的與下部基底平行的上部基底，或外表面)。應(yīng)該注意的是除圖9A中所示的以外的其它錐角也在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。圖9C示出了圓錐形磁體可包括被加到大直徑端(或者，在某些情況中，被加到小直徑端，如圖9I中所示)的圓柱形部分，以優(yōu)化回路中的磁通量。圖9D示出了“階梯”或分度形式的圓錐形磁體。圖9E和9F示出了適合于使用本發(fā)明實施例所涉及的磁體的可選擇的形狀的示例，其中圓錐形磁體可為半球狀的磁體。圖9G和9H是示出了各個實施例的可分別具有任何類型的凹形表面和任何類型的凸形表面圓錐形磁體的一般表示。
圖9I示出了本發(fā)明一個實施例所涉及的示例性圓錐形磁體。這里，圓錐形磁體940包括其中形成有空腔952的外表面?？涨?52是任選的并且可用于容納軸承等。在一些實施例中，空腔952在一個或多個表面954、956和958的內(nèi)部延伸。應(yīng)該注意的是，空腔952沿其軸向長度可具有不同的內(nèi)部尺寸。圓錐形磁體940包括三個表面第一圓柱形表面954、圓錐形表面956和第二圓柱形表面958。在各個實施例中，圓錐形磁體940可包括更少或更多表面、具有更大或更小直徑的圓柱形表面、圓錐形表面956的更陡或更淺的傾斜角等。圖9J和9K分別示出了本發(fā)明一個實施例所涉及的示例性圓錐形磁體的端視圖和側(cè)視圖。圓錐形磁體971是由兩個圓錐形磁體970和972構(gòu)成的。在該示例中，圓錐形磁體972被設(shè)置在(例如，被插在)圓錐形磁體970中。在一個實施例中，圓錐形磁體970是由NdFe磁性材料(或其變型)構(gòu)成，而圓錐形磁體972是由陶瓷磁性材料構(gòu)成。在一些實施例中，不存在圓錐形磁體972，從而形成由圓錐形磁體970構(gòu)成的中空錐形磁體(未示出安裝夾具)。在至少一個具體實施例中，圓錐形磁體972可由可磁導(dǎo)材料構(gòu)成，而不是由磁體材料構(gòu)成。在一個實施例中，圓錐形磁體972無需穿過圓錐形磁體970延伸，而是可從一端延伸到圓錐形磁體970內(nèi)的任何軸向長度。
圖9L和9M示出了本發(fā)明另一個實施例所涉及的另一些圓錐形磁體。圖9L示出了作為圓錐形磁體的金字塔形磁體，雖然被截去了，但是形成有任意數(shù)量的截頭三角形表面978。圖9M示出了至少一個實施例的圓錐形磁體980，其中圓錐形磁體980包含截頭金字塔形磁體990，該金字塔形磁體990包含形成在其中或其上的磁區(qū)992。磁區(qū)992包括不同于截頭金字塔形磁體990的磁體材料的磁體材料。這些磁區(qū)992中的每個都可被選擇成具有任何預(yù)定極性。在一個實施例中，截頭金字塔形磁體990是四面的并且由陶瓷材料(例如，磁體材料)構(gòu)成，并且每個磁區(qū)992(圖中隱藏了兩個磁區(qū))都是由NdFe磁體材料構(gòu)成，并且形成在截頭金字塔形磁體990上。在其它實施例中，金字塔形磁體990可具有任何數(shù)量的側(cè)面。在各個實施例中，金字塔形磁體990是磁體支座，并且無需由磁體材料構(gòu)成，而是可由可磁導(dǎo)材料構(gòu)成。在一些實施例中，磁體支座可被形成為具有圖9A到9H中所示的任何形狀，其中任何數(shù)量的磁力區(qū)域992被設(shè)置在磁體支座990上。在所述情況中，磁區(qū)992可為適合于被設(shè)置在磁體支座990的特定形狀上的任何形狀。
在本發(fā)明的一個具體實施例中，圓錐形磁體各向異性、沿直徑方向磁化，并且被形成為相對于轉(zhuǎn)動軸線具有大約30度錐角的截頭圓錐的形狀。一些實施例所涉及的圓錐形磁體在通常位于基本上垂直(包括垂直)于所述軸線的一個或多個平面中的方向上沿直徑方向磁化。這些類型磁體構(gòu)造的至少一個優(yōu)點在于，這種直徑圓錐形磁體可沿與磁體材料的初始磁定向相同的方向被磁化，這為磁體(例如，更強(qiáng)的磁體)提供更高的能量乘積。還可較為容易地制造各向異性磁體并且所述磁體每單位磁體積具有較高磁效率。直徑(即，2磁極)磁體的另一個優(yōu)點在于，在具有三個主動場磁極構(gòu)件和三個相位的電動機(jī)中，電動機(jī)的每次機(jī)械旋轉(zhuǎn)只有一次電旋轉(zhuǎn)。因此，直徑磁體全部或部分地減小電動機(jī)驅(qū)動電路中的渦流損耗、磁滯(“芯”或“鐵”)損耗和電力切換損耗。在一些實施例中，圓錐形磁體可(1)取代實心磁體材料而包括鋼芯、(2)由顯示出良好矯頑磁性的環(huán)形磁體構(gòu)成、(3)由弧形部分磁體構(gòu)成、(4)被直接模制在所述軸上、(5)被徑向極化、 (6)取代實心磁體材料而包括中空芯，或者可包括任何其它相似特征。
圖10示出了本發(fā)明一個實施例所涉及的多極磁體。在該示例中，永磁體1000是被磁定向成具有從南極(“S”)到北極(“N”)的弓形磁路1010的四極磁體。其它數(shù)量的極和磁定向也在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。另外，依照某些實施例，多極磁體(諸如永磁體1000)可為整體式磁體或非整體式磁體。當(dāng)用在此處時，當(dāng)應(yīng)用于永磁體時術(shù)語“整體式”是指永磁體由整體磁極構(gòu)成的，從而所述永磁體是非離散的并且其結(jié)構(gòu)基本是均質(zhì)的。因此，整體式永磁體在磁極之間沒有任何物理界面。因此整體式磁體是由連續(xù)磁體材料構(gòu)成的。相反，永磁體1000可為由獨立磁體構(gòu)成的非整體式磁體，其中每個獨立磁體都具有向外面對的北極或南極，從而在獨立子部分之間存在物理界面。因此，非整體式磁體可由接近但不連續(xù)的磁體材料構(gòu)成。具體地，每個獨立子部分都包含連續(xù)的磁體材料，但是物理界面導(dǎo)致作為一個整體構(gòu)成磁體的磁體材料中的不連續(xù)性。應(yīng)該注意的是，術(shù)語“整體式”也可應(yīng)用于場磁極構(gòu)件和本發(fā)明的各個轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的其它元件。應(yīng)該注意的是，在至少一個實施例中，非整體式磁體可包括其中獨立子部分被以使它們不會相互接觸的距離布置的那些磁體。
圖11示出了作為本發(fā)明可選擇的實施例的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)1100的端視圖。通常，一些三個主動場磁極構(gòu)件有效地使用通?？捎迷陔妱訖C(jī)或發(fā)電機(jī)中的圓柱形體積或空間。因此，“三個”主動場磁極構(gòu)件通常用于提供較高的組裝密度。但是為了提供更平衡的操作，可使用三個以上主動場磁極構(gòu)件。如所示的，六個主動場磁極構(gòu)件1102與轉(zhuǎn)動軸線被同軸地布置并且繞所述轉(zhuǎn)動軸線等距布置。另外，四極磁體1104鄰近于主動場磁極構(gòu)件1102的極面而布置。在這種情況中，四極磁體1104是各個磁體弧形部分的組合。轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)1100可相對于包含三個主動場磁極構(gòu)件的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)提供更多的磁平衡，這是由于相對主動場磁極構(gòu)件1102的線圈通?？赏瑫r被激勵。其它數(shù)量的主動場磁極構(gòu)件和其它偶數(shù)磁極都可被適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合以獲得本發(fā)明的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的一個實施例中，示例性轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)被設(shè)置在電動機(jī)中，以產(chǎn)生取決于磁體體積、通量交感區(qū)中相互酌的場的向量方向、通量交感區(qū)中通量密度、氣隙的面積以及極面的面積的轉(zhuǎn)矩振幅。因此，由永磁體所產(chǎn)生的通量密度越高并且由主動場磁極構(gòu)件所產(chǎn)生的通量密度越高，在場磁極構(gòu)件中達(dá)到有效飽和之前將產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就將越高。這種轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的磁體材料應(yīng)具有充足的矯頑磁性，以防止預(yù)期應(yīng)用中的部分或全部退磁。
在制造和使用文中所述的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)的實施例時，本領(lǐng)域中普通從業(yè)者不需要輔助說明，但是通過按最優(yōu)選到最低優(yōu)選的順序檢索以下參考資料無疑可找到一些有用的指導(dǎo)IEEE 100TheAuthoritative Dictionary of IEEE Standard Terms，”Institute of Electricaland Electrics Engineers(Kim Breitfelder and Don Messina，eds.，7thed.2000)，如Small Motor and Motion Association(“SMMA”)所限定的“General Motor Terminology，”以及，“Standard Specificationsfor Permanent Magnet MaterialsMagnet Materials producersAssociation(MMPA)Standard No.0100-00，”International MagneticsAssociation。
出于解釋的目的，前述描述使用特定術(shù)語以便于提供對于本發(fā)明的全面理解。然而，本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員應(yīng)該明白的是，實施本發(fā)明不需要具體細(xì)節(jié)。事實上，不應(yīng)認(rèn)為所述描述將本發(fā)明的任何特征或方面局限于任何實施例；而是一個實施例的特征或方面可容易地與其它實施例互換。例如，盡管實施例的上述描述涉及電動機(jī)，但是所述描述可應(yīng)用于所有電動機(jī)械，諸如發(fā)電機(jī)。因此，出于示例和描述的目的而出現(xiàn)本發(fā)明具體實施例的前述描述。不應(yīng)認(rèn)為它們是詳盡的或者認(rèn)為本發(fā)明局限于所披露的精確形式；顯然，考慮到上述技術(shù)，許多修正和改變都是可行的。為了更好地解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用而選擇并描述了實施例；因此所述實施例能夠使得本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員最佳地利用本發(fā)明和具有適合于預(yù)期的具體應(yīng)用的各種修改的實施例。值得注意的是，并非需要由本發(fā)明的每個實施例實現(xiàn)文中所述的每個益處；而是任何具體實施例都可提供上述一個或多個優(yōu)點。以下權(quán)利要求
及其等價物旨在限定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于電動裝置的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)，包括具有在轉(zhuǎn)動軸線上沿軸向布置的圓錐形表面、從而使所述圓錐形表面相互面對的圓錐形磁體，所述圓錐形磁體包括至少兩個如此設(shè)置的圓錐形磁體，即，使所述至少兩個圓錐形磁體的極化方向為基本上相反的方向；以及相對于所述軸線同軸線布置的場磁極構(gòu)件，該場磁極構(gòu)件具有在所述場磁極構(gòu)件的端部處形成的磁通量相互作用表面，所述磁通量相互作用表面與所述圓錐形表面的面對所述磁通量相互作用表面的部分相鄰，所述磁通量相互作用表面和所述圓錐形表面的所述部分限定氣隙，其中，將所述磁通量相互作用表面構(gòu)造成使所述場磁極構(gòu)件與所述圓錐形磁體磁耦合。
2.如權(quán)利要求
1所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述極化方向是在基本上垂直于所述轉(zhuǎn)動軸線的一個或者多個平面中，所述圓錐形磁體和所述場磁極構(gòu)件足以產(chǎn)生磁通路徑。
3.如權(quán)利要求
1所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，還包括一軸，所述圓錐形磁體安裝在所述軸上，所述軸限定了所述轉(zhuǎn)動軸線。
4.如權(quán)利要求
1所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，每一個所述圓錐形表面具有相對于所述轉(zhuǎn)動軸線成大約10度至大約80度的角的傾斜角。
5.如權(quán)利要求
1所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，每一個所述場磁極構(gòu)件還包括從每一個場磁極構(gòu)件的一端到另一端連續(xù)的可導(dǎo)磁的材料；以及被構(gòu)造成接收用于產(chǎn)生安匝(“AT”)磁通量的元件的至少一部分。
6.如權(quán)利要求
1所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，還包括纏繞在每一個所述場磁極構(gòu)件上以形成主動場磁極構(gòu)件的線圈。
7.如權(quán)利要求
6所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)不包括護(hù)鐵，由此減小了磁滯損耗以及用于制造電動裝置的材料。
8.如權(quán)利要求
1所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述場磁極構(gòu)件中的至少一個基本上是直的。
9.如權(quán)利要求
1所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述場磁極構(gòu)件和所述圓錐形磁體被布置成使得在磁通路徑的路徑部分中的線性偏差達(dá)到最小，該磁通路徑與從第一圓錐形磁體的表面部分延伸到第二圓錐形磁體的表面部分的基本上的直線相重合，所述路徑部分終止于所述表面部分。
10.如權(quán)利要求
1所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成產(chǎn)生主要由以下構(gòu)件組成的磁通路徑，即，所述第一圓錐形磁體、所述第二圓錐形磁體、至少一個所述場磁極構(gòu)件以及兩個或者多個氣隙。
11.如權(quán)利要求
1所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述場磁極構(gòu)件包括疊片以使得渦流電流最小化，從而減小功率損耗。
12.如權(quán)利要求
11所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述疊片用磁導(dǎo)材料以一種減小所述磁導(dǎo)材料的損耗的方式構(gòu)成的基片制成。
13.如權(quán)利要求
11所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述疊片包括多個磁導(dǎo)疊片，至少一個磁導(dǎo)疊片是各向異性的。
14.如權(quán)利要求
1所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，還包括纏繞在所述場磁極構(gòu)件中的至少一個上以形成至少一個主動場磁極構(gòu)件的線圈。
15.如權(quán)利要求
14所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，將所述至少一個場磁極構(gòu)件的形狀如此設(shè)定，即，通過避免經(jīng)由狹槽纏繞所述線圈而將與把所述線圈纏繞在所述至少一個場磁極構(gòu)件上相關(guān)聯(lián)的制造復(fù)雜性降至最低。
16.如權(quán)利要求
1所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述圓錐形磁體的一個圓錐形磁體具有第一極化方向，所述圓錐形磁體的另一個圓錐形磁體具有第二極化方向，所述第一極化方向與所述第二極化方向形成極化角，從而使起動轉(zhuǎn)矩降到最小，所述極化角為從大約150度至180度的任意角度。
17.如權(quán)利要求
1所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，每一個所述磁通量相互作用表面還包括歪斜的磁通量相互作用表面，以減小在相鄰的場磁極構(gòu)件之間的場磁極間隙，從而使得起動轉(zhuǎn)矩達(dá)到最小。
18.如權(quán)利要求
17所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述歪斜的磁通量相互作用表面包括限定一場磁極間隙的第一側(cè)的第一邊緣和限定另一個場磁極間隙的第二側(cè)的第二邊緣，從而所述第一側(cè)和所述第二側(cè)都平行于第一平面，該第一平面相對于包括或者平行于通過至少一個所述圓錐形磁體的北極和南極的磁化平面的第二平面保持一角度，第一場磁極構(gòu)件的一個第一邊緣和第二場磁極構(gòu)件的一個第二邊緣形成所述場磁極間隙。
19.一種用于具有軸線的電動裝置的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)，包括其中安裝至少兩個在所述軸線上沿軸向布置的基本上為圓錐形的磁體的轉(zhuǎn)子，所述兩個圓錐形磁體彼此相互分隔開，所述圓錐形磁體具有預(yù)定的磁極化區(qū)域，而且每一個圓錐形磁體具有主尺寸與所述軸線基本上成一銳角的面對的圓錐形磁表面，所述面對的圓錐形磁表面面向彼此，并且在基本上相反的方向上進(jìn)行磁極化；以及與所述軸線同軸線布置并且具有在所述場磁極構(gòu)件的端部處形成的磁通量相互作用表面的場磁極構(gòu)件，所述磁通量相互作用表面位于與面對的磁表面相鄰的地方，所述表面基本上與其主尺寸共同延伸，并且與之限定功能性氣隙，每一個所述場磁極構(gòu)件是可導(dǎo)磁的，其中，將所述磁通量相互作用表面構(gòu)造成使所述場磁極構(gòu)件與所述圓錐形磁體磁耦合。
20.如權(quán)利要求
19所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，一個或者多個場磁極構(gòu)件每一個還包括圍繞所述一個或者多個場磁極構(gòu)件的每一個的線圈，由此形成一個或者多個主動場磁極構(gòu)件。
21.如權(quán)利要求
19所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，將所述轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)構(gòu)造成限制磁通路徑僅橫穿過兩個所述圓錐形磁體、所述場磁極構(gòu)件、所述磁通量相互作用表面和所述氣隙。
22.如權(quán)利要求
19所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述場磁極構(gòu)件包括硅鐵合金、鎳鐵合金、鈷鎳合金、磁性粉末合金和軟磁復(fù)合材料中的一種或多種，所述圓錐形磁體是包括釹鐵(“NdFe”)的永磁體。
23.如權(quán)利要求
19所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述場磁極構(gòu)件或者所述圓錐形磁體中的之一圍繞所述軸線相對于靜止的另一個轉(zhuǎn)動。
24.一種用于電動裝置的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)，包括限定轉(zhuǎn)動軸線并且具有第一端部、中央部分和第二端部的軸；第一磁體，所述第一磁體具有輪廓為圓錐的至少一部分以形成第一圓錐形表面的表面，所述第一磁體具有第一極化方向并且在所述第一端部處沿軸向設(shè)置在所述軸上；第二磁體，所述第二磁體具有輪廓為圓錐的至少一部分以形成第二圓錐形表面的表面，所述第二磁體具有第二極化方向并且在所述第二端部處沿軸向設(shè)置在所述軸上，從而使所述第一極化方向與所述第二極化方向基本上相反，所述第二圓錐形表面面對所述第一圓錐形表面；基本上與所述軸同軸線布置的多個場磁極構(gòu)件，每一個所述場磁極構(gòu)件包括多個基本上為直的疊片，至少一個疊片由各向異性材料構(gòu)成并且以與其它疊片平行且與所述轉(zhuǎn)動軸線平行的方式布置，每一個所述場磁極構(gòu)件具有在第一場磁極構(gòu)件端部處的第一極靴和在第二場磁極構(gòu)件端部處的第二極靴，所述第一極靴的位置與所述第一圓錐形表面的一部分相鄰，以形成第一磁通量相互作用區(qū)域，所述第二極靴的位置與所述第二圓錐形表面的一部分相鄰，以形成第二磁通量相互作用區(qū)域；以及纏繞在所述多個場磁極構(gòu)件中的至少一個上的至少一個線圈，以形成主動場磁極構(gòu)件。
25.如權(quán)利要求
24所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成產(chǎn)生被限制成僅橫穿過所述第一磁體、所述第二磁體、所述主動場磁極構(gòu)件以及所述第一和第二磁通量相互作用區(qū)域的至少一個磁通路徑。
26.如權(quán)利要求
24所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一極靴和所述第二極靴還分別包括第一極面和第二極面，其中，使所述第一極面的至少一部分的輪廓形成第一氣隙，所述第一氣隙具有主要由在所述第一圓錐形表面的所述部分和所述第一極面之間的距離限定的間隙厚度；以及使所述第二極面的至少一部分的輪廓形成第二氣隙，所述第二氣隙具有主要由在所述第二圓錐形表面的所述部分和所述第二極面之間的距離限定的間隙厚度，其中，所述間隙厚度不大于所述第一磁體或者所述第二磁體的平均直徑的40％。
27.如權(quán)利要求
24所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一磁體和所述第二磁體都是雙極磁體，所述第一磁體具有指向所述第一方向的北極，所述第二磁體具有指向所述第二方向的北極，所述第一方向和第二方向相差在150至180度之間的一個角，其中，每一個所述雙極磁體是單片的。
28.如權(quán)利要求
24所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，將該轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)構(gòu)造成接收為進(jìn)入至少一個線圈中的電流的形式的電能，以用于執(zhí)行電動機(jī)。
29.如權(quán)利要求
24所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一磁體和所述第二磁體都是多極磁體，所述第一磁體具有多個北極和南極，其中一個磁極指向所述第一方向，所述第二磁體具有多個北極和南極，其中一個磁極指向所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向相差在150至180度之間的一個角。
30.如權(quán)利要求
24所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，將該轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)構(gòu)造成接收為圍繞所述軸的轉(zhuǎn)動的形式的機(jī)械能，以用于執(zhí)行發(fā)電機(jī)。
31.如權(quán)利要求
24所述的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述至少一個線圈沿軸向基本上延伸所述主動場磁極構(gòu)件的長度，以減少從所述主動場磁極構(gòu)件的周邊發(fā)生的磁漏。
專利摘要
本發(fā)明披露了一種用于電動裝置的轉(zhuǎn)子－定子結(jié)構(gòu)，其中該結(jié)構(gòu)極大地減小磁通路徑長度并且省去護(hù)鐵來增大每單位尺寸(或者每單位重量)的轉(zhuǎn)矩和/或效率和減少制造成本。在一個實施例中，一種示例性轉(zhuǎn)子－定子結(jié)構(gòu)可包括限定轉(zhuǎn)動軸線的軸和其上的至少兩個基本上為圓錐形的磁體安裝在軸上的轉(zhuǎn)子。磁體包括相互面對并且面臨氣隙的圓錐形表面。在一些實施例中，基本上為直的場磁極構(gòu)件可同軸線地布置并且具有形成在這些場磁極的兩端的磁通量相互作用表面。這些表面與面對的圓錐形磁表面相鄰以限定功能性氣隙。在纏繞在場磁極上的線圈中的電流提供了與在磁通量相互作用區(qū)域中的磁通量相互作用以為軸提供轉(zhuǎn)矩的可選擇的磁場。
文檔編號H02K21/12GK1998124SQ200580001820
公開日2007年7月11日 申請日期2005年10月24日
發(fā)明者約翰·帕特里克·佩特羅, 肯·喬治·沃森 申請人:洛華托奇公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan