本申請(qǐng)要求于2014年3月26日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No.61/970,719的權(quán)益，出于各種目的將其內(nèi)容通過(guò)引用的方式整體并入。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開(kāi)內(nèi)容大體涉及電機(jī)的領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前存在針對(duì)電機(jī)的許多不同的設(shè)計(jì)。電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的電動(dòng)機(jī)器。為了達(dá)到這一點(diǎn)，大多數(shù)電機(jī)使用若干螺線管來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。鐵磁芯常常被用于聚集并引導(dǎo)由螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)。當(dāng)芯經(jīng)受變化的磁場(chǎng)時(shí)，芯的磁化隨著變化的磁場(chǎng)而變化。磁化的變化導(dǎo)致鐵磁粒子連續(xù)地重新對(duì)齊，從而產(chǎn)生余熱并浪費(fèi)能夠被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的潛在的能量。該過(guò)程被稱為芯損耗并且顯著地降低電機(jī)的效率。因此，存在對(duì)具有由減少的芯損耗得到的增大的效率的電機(jī)的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

描述了一種電機(jī)裝置，其利用海爾貝克(Halbach)陣列和鐵磁流體芯。電機(jī)包括轉(zhuǎn)子組件和定子組件。轉(zhuǎn)子組件還包括被布置為形成海爾貝克陣列的多個(gè)磁體。定子組件還包括也被布置為形成海爾貝克陣列的多個(gè)螺線管。定子組件維持螺線管處于相對(duì)于轉(zhuǎn)子組件的固定位置中，同時(shí)轉(zhuǎn)子組件使磁體的海爾貝克陣列繞該固定位置旋轉(zhuǎn)。代替使用傳統(tǒng)黑色金屬芯，定子中的螺線管利用鐵磁流體芯。鐵磁流體不易于受過(guò)熱影響并且輔助將任何產(chǎn)生的熱耗散到周圍結(jié)構(gòu)。對(duì)鐵磁流體芯的使用得到不易于受芯損耗影響并且以增大的效率進(jìn)行操作的電機(jī)。

在一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)裝置包括用于使多個(gè)磁體旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子部件和用于維持多個(gè)螺線管處于相對(duì)于轉(zhuǎn)子部件的固定位置中的定子部件。除了具有內(nèi)圓周和外圓周的多個(gè)磁體之外，轉(zhuǎn)子部件具有外圓周。多個(gè)磁體被布置為使得它們的外圓周與轉(zhuǎn)子部件的外圓周一致且同心。該布置產(chǎn)生在它們的外圓周之外的通過(guò)抵消到接近于零的減弱的磁場(chǎng)，并且產(chǎn)生在它們的內(nèi)圓周之內(nèi)的增強(qiáng)的磁場(chǎng)。定子部件具有大于轉(zhuǎn)子部件的外圓周的內(nèi)圓周，從而導(dǎo)致定子部件包圍轉(zhuǎn)子部件。定子部件還包括多個(gè)螺線管和控制多個(gè)螺線管的換相電路。每個(gè)螺線管具有內(nèi)圓周和外圓周，并且所有螺線管被布置為使得它們的內(nèi)圓周與轉(zhuǎn)子部件的內(nèi)圓周一致且同心。該裝置產(chǎn)生在多個(gè)螺線管的外圓周之外的抵消到接近于零的減弱的磁場(chǎng)，并且產(chǎn)生在螺線管的內(nèi)圓周之內(nèi)的增強(qiáng)的磁場(chǎng)。

附圖說(shuō)明

所公開(kāi)的實(shí)施例具有將從詳細(xì)描述、隨附權(quán)利要求以及附圖(或圖)中變得顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)和特征。下面是對(duì)附圖的簡(jiǎn)單介紹。

圖1A圖示了電機(jī)的三維示意圖。

圖1B圖示了電機(jī)的部分分解三維示意圖。

圖1C圖示了電機(jī)的三維示意圖。

圖2圖示了電機(jī)殼體的三維示意圖。

圖3圖示了固定器蓋的三維示意圖。

圖4A圖示了框架的三維示意圖。

圖4B圖示了具有切向螺線管的框架的三維示意圖。

圖4C圖示了具有切向螺線管的框架的部分橫截面示意圖。

圖4D圖示了具有徑向螺線管的框架的示意圖。

圖4E圖示了具有徑向螺線管的框架的部分橫截面示意圖。

圖4F圖示了具有徑向螺線管和切向螺線管兩者的框架的部分橫截面示意圖。

圖4G圖示了具有徑向螺線管和切向螺線管兩者的框架的部分橫截面示意圖。

圖5A圖示了切向螺線管的布線圖。

圖5B圖示了徑向螺線管的布線圖。

圖5C圖示了切向螺線管和徑向螺線管兩者的布線圖。

圖6A-6D圖示了針對(duì)電機(jī)換相相位中的相位一到相位四的布線圖。

圖7圖示了軸承固定器的三維示意圖。

圖8圖示了軸緩沖器的三維示意圖。

圖9圖示了磁體的三維示意圖。

圖10圖示了固定環(huán)的三維示意圖。

圖11圖示了換相電路的布線圖。

具體實(shí)施方式

各圖(圖)和下面的描述涉及僅僅通過(guò)說(shuō)明的方式的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)指出，根據(jù)下面的討論，本文中公開(kāi)的結(jié)構(gòu)和方法的備選實(shí)施例將容易被認(rèn)識(shí)為可以在不脫離要求保護(hù)的內(nèi)容的原理的情況下采用的可行備選方案。

現(xiàn)在將詳細(xì)對(duì)若干實(shí)施例進(jìn)行引用，其中的示例被圖示在附圖中。要指出，只要可行，相似的或類似的附圖標(biāo)記可以被使用在各圖中并且可以指示相似的或類似的功能。附圖僅僅出于說(shuō)明的目的描繪了所公開(kāi)的系統(tǒng)(或方法)的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到，根據(jù)下面的描述，本文中說(shuō)明的結(jié)構(gòu)和方法的備選實(shí)施例可以在不脫離本文中描述的原理的情況下來(lái)采用。

示例電機(jī)配置

現(xiàn)在參考圖1到圖10，圖示了利用海爾貝克陣列和鐵磁流體芯的電機(jī)裝置的部件和組件。要指出，電機(jī)能夠?yàn)殡妱?dòng)機(jī)。

圖1A圖示了電機(jī)101的示例實(shí)施例的三維示意圖。電機(jī)包括轉(zhuǎn)子組件105、轉(zhuǎn)子組件外圓周106、軸110、軸承115、軸承固定器120、定子組件135以及定子組件內(nèi)圓周136。在該示例實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子組件105在形狀上是大致圓柱形的并且包括軸110。在一些實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子組件105可以具有在中心截面中鉆孔的孔以輔助通氣和熱耗散，并且以減少質(zhì)量。在該示例實(shí)施例中，定子組件135在形狀上是大致圓柱形的，并且在一些實(shí)施例中，定子組件135還可以具有圍繞其圓周鉆孔的孔以輔助通氣和熱耗散，并且以減少總體質(zhì)量。

轉(zhuǎn)子組件被定位為與定子組件135同心。轉(zhuǎn)子組件外圓周106稍微小于定子組件內(nèi)圓周136，由此允許轉(zhuǎn)子組件105適配在定子組件135內(nèi)。轉(zhuǎn)子組件105包括在轉(zhuǎn)子組件105的任一側(cè)上延伸的軸110。軸110由兩個(gè)軸承115支撐，其繼而均由軸承固定器120支撐。每個(gè)軸承固定器120被固定為與定子組件135同心。由于轉(zhuǎn)子組件105由軸承115支撐，所以轉(zhuǎn)子組件105能夠自由地在定子組件135內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

圖1B圖示了圖1A中示出的電機(jī)101的部分分解三維示意圖。電機(jī)101組件包括轉(zhuǎn)子組件105和定子組件135。轉(zhuǎn)子組件105包括軸緩沖器107、軸110、多個(gè)磁體125和固定環(huán)130。軸緩沖器107在形狀上是圓柱形的，并且還包括外圓周108。在該示例實(shí)施例中，多個(gè)磁體125中的每個(gè)是楔形的使得磁體能夠以環(huán)形來(lái)組裝。多個(gè)磁體125還包括內(nèi)圓周126和外圓周127。定子組件135包括軸承115、軸承固定器120、電機(jī)殼體140、框架145、固定器蓋150以及多個(gè)螺線管155。在圖2中描繪的實(shí)施例中，電機(jī)殼體140是具有唇部210和內(nèi)壁215的圓柱形殼。在一些實(shí)施例中，電機(jī)殼體140可以具有多個(gè)通氣孔205以輔助熱耗散。圖4A中描繪的框架145的實(shí)施例包括內(nèi)環(huán)415。圖3中示出的固定器蓋150的實(shí)施例是具有多個(gè)安裝接片305和擠壓件310的扁平圓柱形殼。多個(gè)螺線管155包括圖4E中描繪的多個(gè)切向螺線管430和多個(gè)徑向螺線管435。多個(gè)螺線管155還包括內(nèi)圓周156和外圓周157。

參考回到1B，軸110在軸緩沖器的中心被連接到軸緩沖器107。軸110在軸緩沖器107的兩側(cè)上延伸，并且軸110中的每個(gè)端部適配在軸承115之內(nèi)。兩個(gè)或多個(gè)磁體125以圍繞軸緩沖器107的環(huán)形來(lái)布置。多個(gè)磁體的外圓周127與轉(zhuǎn)子組件外圓周106一致且同心。多個(gè)磁體的內(nèi)圓周126與軸緩沖器的外圓周108一致且同心。多個(gè)磁體125由固定環(huán)130緊固到軸緩沖器107。

軸承115由軸承固定器120支撐。在一些實(shí)施例中，軸承115的外直徑可以稍微大于軸承固定器120中的下凹孔的內(nèi)直徑，從而導(dǎo)致在軸承與軸承固定器之間的過(guò)盈配合(interference fit)。在一個(gè)示例實(shí)施例中，軸承固定器120被固定到電機(jī)殼體140，如圖1A所示。在一些實(shí)施例中，軸承固定器120可以通過(guò)使用螺紋桿被緊固到電機(jī)殼體140。在其他實(shí)施例中，軸承固定器120可以通過(guò)使用螺栓、螺釘、粘合劑、或其他固定方法被緊固到電機(jī)殼體140。框架145同心地保持在由電機(jī)殼體140的內(nèi)壁215和唇部210形成的電機(jī)殼體140的腔之內(nèi)。框架145的內(nèi)環(huán)415緊密地抵著唇部210的內(nèi)直徑適配。固定器蓋150緊密地抵著電機(jī)殼體140和內(nèi)環(huán)415適配，并且通過(guò)多個(gè)接片305緊固到電機(jī)殼體140。在一些實(shí)施例中，多個(gè)接片305具有孔306，并且螺釘被用于將固定器蓋150緊固到電機(jī)殼體140。固定器蓋的凸起310位于與電機(jī)殼體的內(nèi)壁215和框架145的內(nèi)環(huán)415齊平。多個(gè)螺線管155通過(guò)圍繞框架145纏繞線來(lái)形成。多個(gè)螺線管155被定位為使得螺線管的內(nèi)圓周156與定子組件135的內(nèi)圓周136一致且同心。

電機(jī)殼體140的唇部210、電機(jī)殼體140的內(nèi)壁215、框架145的內(nèi)環(huán)415以及固定器蓋150適配在一起以形成密封的隔室。在一些實(shí)施例中，密封的腔被填充有鐵磁流體。多個(gè)螺線管155駐存在密封的隔室內(nèi)并且因此被浸入鐵磁流體中。下面進(jìn)一步討論使用鐵磁流體的優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，在唇部210、內(nèi)壁215、內(nèi)環(huán)415以及固定器蓋150之間的接觸表面被加工以密封來(lái)容納鐵磁流體。在其他實(shí)施例中，諸如O形橡膠圈的密封圈被用于確保鐵磁流體被密封在隔室內(nèi)。

圖1C圖示了圖1A中示出的電機(jī)101的三維示意圖。多根電引線160通過(guò)固定器蓋150中的多個(gè)孔進(jìn)入電機(jī)101。多根電引線160被連接到多個(gè)螺線管155。

再次參考圖2，其圖示了電機(jī)殼體140的三維示意圖。電機(jī)殼體140包括多個(gè)通氣孔205、唇部210和內(nèi)壁215。電機(jī)殼體140是外加唇部210的圓柱形殼。唇部210是從內(nèi)壁215朝向電機(jī)殼體410的中心突出的薄表面。多個(gè)通氣孔輔助增加通過(guò)電機(jī)殼體140的氣流以便將熱從電機(jī)殼體140耗散出。在一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)殼體140由鋁制成。在其他實(shí)施例中，電機(jī)殼體140可以由各種不同的材料制成。

再次參考圖3，其圖示了固定器蓋150的三維示意圖。固定器蓋150是扁平圓柱形殼并且包括多個(gè)安裝接片305和凸起310。多個(gè)安裝接片305從固定器蓋150的中心朝外延伸。在一些實(shí)施例中，多個(gè)安裝接片305中的每個(gè)可以具有孔306，該孔306被用于將固定器蓋150安裝到電機(jī)殼體140。固定器蓋150的該示例實(shí)施例具有四個(gè)安裝接片305。凸起310包括固定器蓋150的部分，該固定器蓋150的部分比固定器蓋外圓周320稍厚并且具有比固定器蓋外圓周320小的外圓周315。在一個(gè)實(shí)施例中，固定器蓋150由鋁制成。在其他實(shí)施例中，固定器蓋150可以由各種不同的材料制成。

再次參考圖4A，其圖示了框架145的三維示意圖。框架145包括多個(gè)外翅片405、多個(gè)內(nèi)翅片406、多個(gè)桿件410、內(nèi)環(huán)415、中環(huán)420和外環(huán)425。多個(gè)外翅片405從外環(huán)425徑向地延伸并且多個(gè)外翅片405中的每個(gè)與外環(huán)425的圓周垂直。多個(gè)桿件410從中環(huán)420徑向地延伸到外環(huán)425并且在形狀上是圓柱形的。多個(gè)桿件410中的每個(gè)垂直于中環(huán)420。多個(gè)內(nèi)翅片406從內(nèi)環(huán)415徑向地延伸到中環(huán)420。多個(gè)內(nèi)翅片406中的每個(gè)與內(nèi)環(huán)415的圓周垂直。在一個(gè)實(shí)施例中，框架145由三維印刷塑料形成。在其他實(shí)施例中，框架145可以由各種非鐵材料制成。

圖4B圖示了圖4A中描繪的框架145外加圍繞框架纏繞的線以創(chuàng)建多個(gè)切向螺線管430的三維示意圖。針對(duì)多個(gè)切向螺線管430的線圍繞中環(huán)420和外環(huán)425纏繞。多個(gè)外翅片405和多個(gè)內(nèi)翅片406防止多個(gè)切向螺線管430圍繞框架145以圓周方式移動(dòng)。在該示例實(shí)施例中，多個(gè)切向螺線管中的每個(gè)與多個(gè)外翅片405中的四個(gè)和多個(gè)內(nèi)翅片406中的兩個(gè)相接觸。

圖4C圖示了圖4B中描繪的框架145和多個(gè)切向螺線管430的橫截面視圖。桿件410處于中環(huán)420與外環(huán)425之間可見(jiàn)。多個(gè)切向螺線管430中的一個(gè)的橫截面是可見(jiàn)的。

圖4D圖示了圖4A中描繪的框架145外加圍繞框架纏繞的線以創(chuàng)建多個(gè)徑向螺線管435的示意圖。針對(duì)多個(gè)徑向螺線管435的線圍繞多個(gè)桿件410纏繞在中環(huán)420與外環(huán)425之間。在該示例實(shí)施例中，多個(gè)徑向螺線管435中的每個(gè)圍繞多個(gè)桿件410中的兩個(gè)纏繞。

圖4E圖示了圖4F中描繪的框架145和多個(gè)徑向螺線管435的橫截面視圖。內(nèi)環(huán)415由多個(gè)內(nèi)翅片406連接到中環(huán)420，并且中環(huán)420由多個(gè)桿件410連接到外環(huán)425。多個(gè)徑向螺線管435中的一個(gè)的橫截面是可見(jiàn)的。

圖4F圖示了圖4A中描繪的框架145外加圍繞框架纏繞的線以創(chuàng)建多個(gè)切向螺線管430和多個(gè)徑向螺線管435的部分橫截面視圖。多個(gè)徑向螺線管435中的每個(gè)被定位在對(duì)應(yīng)的切向螺線管430之內(nèi)。

圖4G圖示了圖4A中描繪的框架145外加圍繞框架纏繞的線以創(chuàng)建多個(gè)切向螺線管430和多個(gè)徑向螺線管435的部分橫截面視圖。多個(gè)切向螺線管430中的一個(gè)的橫截面、多個(gè)徑向螺線管435中的一個(gè)的橫截面以及多個(gè)桿件410中的一個(gè)是可見(jiàn)的。多個(gè)徑向螺線管435中的每個(gè)被定位在對(duì)應(yīng)的切向螺線管430之內(nèi)。

電機(jī)的操作

在描述了結(jié)構(gòu)配置的情況下，描述示例操作配置。所描述的電機(jī)101通過(guò)以下面描述的具體方式來(lái)激活多個(gè)切向螺線管430和多個(gè)徑向螺線管435來(lái)操作。

螺線管是圍繞軸纏繞成緊密封裝的螺旋形的線的線圈。通過(guò)線的電流產(chǎn)生與線同心的磁場(chǎng)，并且磁場(chǎng)由畢奧—薩伐爾定律預(yù)測(cè)：

在以上的等式中，B是磁場(chǎng)，μ₀是磁性常數(shù)，I是通過(guò)線的電流，dl是與I相同的方向上的矢量線元素，r是在線與計(jì)算在其處的磁場(chǎng)的點(diǎn)之間的距離，并且r是在r的方向上的單位矢量。由螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)線的方向與螺線管的軸平行。

多個(gè)切向螺線管430中的每個(gè)產(chǎn)生與框架的圓周相切的磁場(chǎng)線，并且多個(gè)徑向螺線管435中的每個(gè)產(chǎn)生從框架的中心徑向的磁場(chǎng)線。多個(gè)切向螺線管430中的每個(gè)和多個(gè)徑向螺線管435中的每個(gè)能夠以以下方式來(lái)激活，該方式使得多個(gè)螺線管155形成海爾貝克陣列的。在一個(gè)實(shí)施例中，定子組件具有16個(gè)切向螺線管和16個(gè)徑向螺線管，其能夠被激活使得多個(gè)螺線管形成8極(“oct-pole”)海爾貝克陣列。在一些實(shí)施例中，線用于切向和/或徑向螺線管利茲線(litz wires)。在一些實(shí)施例中，利茲線中的每根由10個(gè)線束組成，其中每個(gè)束為32美國(guó)線規(guī)(AWG)絕緣磁體線。通常用于承載交流電流的利茲線的益處在于減少在采用例如高達(dá)大約MHz范圍的較高電流頻率的導(dǎo)體中發(fā)生的線的外皮和鄰近效應(yīng)損耗。在一些實(shí)施例中，利茲線包括多個(gè)細(xì)線束，多個(gè)細(xì)線束是單獨(dú)絕緣的并且根據(jù)特定卷繞模式被交織在一起。在一些實(shí)施例中，利茲線具有多層卷繞模式，其中每層是卷繞的線的單獨(dú)的組。

圖5A圖示了圖4H中描繪的定子組件135的示例實(shí)施例的布線圖，僅僅示出了多個(gè)切向螺線管430。定子組件135包括多個(gè)切向螺線管430、多個(gè)線連接505、圖1C中描繪的多個(gè)電引線160以及電路環(huán)511、516、521和526。多個(gè)電引線160還包括單獨(dú)的引線510、515、520和525。每個(gè)單獨(dú)引線被連接到對(duì)應(yīng)的電路環(huán)。單獨(dú)引線510被連接到電路環(huán)511，單獨(dú)引線515被連接到電路環(huán)516，單獨(dú)引線520被連接到電路環(huán)521，并且單獨(dú)引線525被連接到電路環(huán)526。多個(gè)線連接505將每個(gè)切向螺線管430連接到任一電路環(huán)511和516或電路環(huán)521和526。

圖5B圖示了圖5A中描繪的定子組件135的示例實(shí)施例的布線圖，僅僅示出了多個(gè)徑向螺線管435。多個(gè)線連接505將每個(gè)徑向螺線管435連接到任一電路環(huán)511和516或電路環(huán)521和526。

圖5C圖示了圖5B中描繪的定子組件135的示例實(shí)施例的布線圖，外加圖5A中描繪的多個(gè)切向螺線管430。如圖4F所示，多個(gè)徑向螺線管435中的每個(gè)被定位在多個(gè)切向螺線管430中的每個(gè)之內(nèi)。因此，存在等同數(shù)量的切向螺線管430和徑向螺線管435。多個(gè)線連接505將每個(gè)切向螺線管430和每個(gè)徑向螺線管435連接到任一電路環(huán)511和516或電路環(huán)521和526。

圖6A圖示了圖5C中描繪的定子組件135的示例實(shí)施例的布線圖。在該示例實(shí)施例中，圖6A描繪了電機(jī)換相相位中的相位一。單獨(dú)引線510和515是不激活的，意味著不存在被施加到引線的電壓。單獨(dú)引線520和525是激活的，其中負(fù)電壓被施加到引線520，并且正電壓被施加到引線525。該施加的電壓導(dǎo)致每個(gè)激活的螺線管產(chǎn)生磁場(chǎng)。由每個(gè)激活的螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向由多個(gè)螺線管箭頭605表示。由每個(gè)單獨(dú)激活的螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)得到由多個(gè)磁場(chǎng)箭頭610表示的在定子組件135的中心區(qū)域中產(chǎn)生的磁場(chǎng)。多個(gè)磁場(chǎng)箭頭610中的每個(gè)在徑向螺線管435中的一個(gè)處開(kāi)始，該徑向螺線管435中的一個(gè)產(chǎn)生在朝向定子組件135的中心的方向上的磁場(chǎng)，并且在徑向螺線管435中的一個(gè)處結(jié)束，其產(chǎn)生在遠(yuǎn)離定子組件135的中心的方向上的磁場(chǎng)。在該示例實(shí)施例中，多個(gè)磁場(chǎng)箭頭610描繪由針對(duì)海爾貝克陣列的oct-pole場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

在圖6A的布線圖中，使用下面的布線慣例。針對(duì)切向螺線管430，由切向螺線管430產(chǎn)生的磁場(chǎng)指向正極電壓被施加到其的螺線管的一側(cè)的方向。例如，針對(duì)最上面的切向螺線管615，切向螺線管的左側(cè)被連接到外部引線525，其具有被施加到其的正電壓。因此，由最上面的切向螺線管615產(chǎn)生的磁場(chǎng)指向左邊。針對(duì)徑向螺線管435，由徑向螺線管435產(chǎn)生的磁場(chǎng)指向負(fù)電壓被施加到其的螺線管的一側(cè)的方向。例如，徑向螺線管620的外側(cè)被連接到外部引線520，其具有被施加到其的負(fù)電壓。因此，由徑向螺線管620產(chǎn)生的磁場(chǎng)指向從多個(gè)螺線管的中心離開(kāi)。以上描述的相同的布線慣例被用于圖6B、6C和6D。

圖6B圖示了圖6A中描繪的定子組件135的示例實(shí)施例的布線圖。在該示例實(shí)施例中，圖6B描繪了電機(jī)換相相位中的相位二。單獨(dú)引線520和525是不激活的，意味著不存在被施加到引線的電壓。單獨(dú)引線510和515是激活的，其中負(fù)電壓被施加到引線510，并且正電壓被施加到引線515。由多個(gè)螺線管155產(chǎn)生的磁場(chǎng)與圖6A中描繪的磁場(chǎng)相同，除了螺線管箭頭605和磁場(chǎng)箭頭610已經(jīng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了22.5度。

圖6C圖示了圖6A中描繪的定子組件135的示例實(shí)施例的布線圖。在該示例實(shí)施例中，圖6C描繪了電機(jī)換相相位中的相位三。單獨(dú)引線510和515是不激活的，意味著不存在被施加到引線的電壓。單獨(dú)引線520和525是激活的，其中負(fù)電壓被施加到引線520，并且正電壓被施加到引線525。由多個(gè)螺線管155產(chǎn)生的磁場(chǎng)從圖6B中描繪的磁場(chǎng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了22.5度。

圖6D圖示了圖6A中描繪的定子組件135的示例實(shí)施例的布線圖。在該示例實(shí)施例中，圖6D描繪了電機(jī)換相相位中的相位四。單獨(dú)引線520和525是不激活的，意味著不存在被施加到引線的電壓。單獨(dú)引線510和515是激活的，其中負(fù)電壓被施加到引線515，并且正電壓被施加到引線510。由多個(gè)螺線管155產(chǎn)生的磁場(chǎng)從圖6C中描繪的磁場(chǎng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了22.5度。一旦電機(jī)換相相位中的相位四完成，則相位重置到相位1并且進(jìn)行重復(fù)。

在一些示例實(shí)施例中，需要換相電路以通過(guò)圖6A到圖6D中描繪的四個(gè)電機(jī)相位來(lái)對(duì)電機(jī)101進(jìn)行換相。當(dāng)電機(jī)從相位1轉(zhuǎn)變到相位4時(shí)，由磁場(chǎng)箭頭610描繪的磁場(chǎng)相對(duì)于定子組件135順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度。該示例實(shí)施例形成針對(duì)海爾貝克陣列的oct-pole場(chǎng)，并且關(guān)于八分區(qū)是徑向?qū)ΨQ的。因此，將電機(jī)101從相位四換相到相位一得到由磁場(chǎng)箭頭610描繪的磁場(chǎng)相對(duì)于定子組件135的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

多個(gè)磁體125被布置在轉(zhuǎn)子組件105上以產(chǎn)生與由磁場(chǎng)箭頭610描繪的場(chǎng)相似的磁場(chǎng)。磁體不能夠像多個(gè)螺線管155那樣被激活和停用，因此由磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子組件保持固定。然而，轉(zhuǎn)子組件105能夠自由地在定子組件135內(nèi)旋轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)換相電路通過(guò)圖6A到圖6D中描繪的四個(gè)相位來(lái)對(duì)電機(jī)101進(jìn)行換相時(shí)，轉(zhuǎn)子組件105在定子組件135內(nèi)旋轉(zhuǎn)以跟隨旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子組件105的該旋轉(zhuǎn)是電機(jī)101的期望的機(jī)械輸出，并且完成電能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)換。

鐵磁流體芯

如參考圖1B所描述的，由電機(jī)殼體140的唇部210、電機(jī)殼體140的內(nèi)壁215、框架145的內(nèi)環(huán)415以及固定器蓋150形成的密封的隔室由鐵磁流體填充，將多個(gè)螺線管155浸入到鐵磁流體中。鐵磁流體是在磁場(chǎng)的存在的情況下被強(qiáng)烈磁化的液體。鐵磁流體是由懸浮于載體流體中的納米級(jí)鐵磁粒子制成的膠狀液體。鐵磁粒子的小尺寸允許它們由于熱擾動(dòng)而保持均勻地散布于流體中。每個(gè)鐵磁粒子被涂覆有表面活性劑以防止粒子聚集在一起。

因?yàn)殍F磁流體在磁場(chǎng)的存在的情況下被強(qiáng)烈磁化，所以鐵磁流體能夠用作針對(duì)多個(gè)螺線管155的磁芯。在該示例實(shí)施例中，鐵磁流體替代傳統(tǒng)鐵芯。鐵磁流體具有高磁導(dǎo)率并且限制并引導(dǎo)由多個(gè)螺線管155產(chǎn)生的磁場(chǎng)。由于鐵磁納米粒子能夠自由地在載體流體內(nèi)移動(dòng)的事實(shí)，所以鐵磁流體不易于受在以高頻率變化的磁場(chǎng)(例如由多個(gè)螺線管155產(chǎn)生的磁場(chǎng))的存在的情況下變熱影響。不易于受變熱影響的芯形成由于減少的芯損耗的更有效的電機(jī)。還有益的是更有效地使可能仍然將被生成的任何熱耗散，因?yàn)樵龃蟮臏囟鹊玫蕉鄠€(gè)螺線管155的線中的增大的電阻。鐵磁流體還通過(guò)對(duì)流來(lái)使任何產(chǎn)生的熱耗散到周圍結(jié)構(gòu)。

額外地，一些示例實(shí)施例可以利用自我循環(huán)的鐵磁流體的優(yōu)點(diǎn)。鐵磁流體當(dāng)其溫度增大時(shí)喪失其磁性屬性。當(dāng)電機(jī)的中心區(qū)域的溫度增大時(shí)，離那些區(qū)域最近的鐵磁流體的溫度也將增大并且喪失其磁性屬性。離熱區(qū)域較遠(yuǎn)的較冷的鐵磁流體則將比離熱區(qū)域最近的鐵磁流體更具磁性。這將導(dǎo)致較冷的鐵磁流體取代離熱區(qū)域最近的鐵磁流體，從而得到連續(xù)的自循環(huán)的鐵磁流體。在一個(gè)示例實(shí)施例中，鐵磁流體包括懸浮于基于油的載體流體中的鐵納米粒子。鐵磁流體的其他示例實(shí)施例可以包括懸浮于各種不同的載體流體中的各種其他材料的納米粒子。

額外的電機(jī)部件

圖7圖示了軸承固定器120的三維示意圖。軸承固定器120的該示例實(shí)施例包括多個(gè)孔705和軸承切口710。多個(gè)孔705圍繞軸承固定器120的圓周被定位，并且能夠被用于通過(guò)參考圖1B描述的方法中的任何方法將軸承固定器120緊固到電機(jī)殼體140。軸承115被容納在軸承切口710之內(nèi)。在軸承固定器120的該示例實(shí)施例中，軸承切口710的內(nèi)直徑稍微小于軸承115的外直徑，從而得到在軸承115與軸承切口710之間的過(guò)盈配合。在其他實(shí)施例中，軸承115經(jīng)由諸如粘合劑或定位螺釘?shù)母鞣N方法被固定在軸承切口710之內(nèi)。在該示例實(shí)施例中，軸承固定器120由鋁制成。在其他示例實(shí)施例中，軸承固定器120可以由各種其他材料制成。

圖8圖示了軸緩沖器107的三維示意圖。軸緩沖器107包括外圓周108、多個(gè)孔805、一個(gè)或多個(gè)唇部810以及軸815。一個(gè)或多個(gè)唇部810稍微延伸通過(guò)軸緩沖器107的外圓周108。在一個(gè)實(shí)施例中，孔805的目的在于減少軸緩沖器107的總體質(zhì)量。在另一實(shí)施例中，孔805的目的在于增加通過(guò)軸緩沖器107的氣流以輔助對(duì)流冷卻。軸緩沖器107的外圓周108與多個(gè)磁體125的內(nèi)圓周126一致且同心。一個(gè)或多個(gè)唇部815防止多個(gè)磁體125沿軸緩沖器107的軸815移動(dòng)。軸緩沖器107的軸815是與整個(gè)轉(zhuǎn)子組件105圍繞其旋轉(zhuǎn)的軸相同的軸。在該示例實(shí)施例中，軸緩沖器107由鋁制成。在其他示例實(shí)施例中，軸緩沖器107可以由各種非鐵材料制成。

圖9圖示了磁體905的三維示意圖。磁體905是轉(zhuǎn)子組件105中的多個(gè)磁體125中的一個(gè)。磁體包括內(nèi)表面910、外表面915、左表面920和右表面925。在該示例實(shí)施例中，內(nèi)表面910和外邊緣915是彎曲的，使得當(dāng)多個(gè)磁體905以環(huán)形的形狀來(lái)布置在多個(gè)磁體125中時(shí)，多個(gè)磁體125形成圓柱形殼。在該示例實(shí)施例中，左表面920和右表面925是扁平的，使得多個(gè)磁體905能夠被布置為形成如以上所描述的圓柱形殼。圓柱形殼的內(nèi)圓周是多個(gè)磁體125的內(nèi)圓周126，并且與軸緩沖器107的外圓周108同心且一致。在其他示例實(shí)施例中，磁體905可以是仍然允許多個(gè)磁體905以環(huán)形來(lái)布置的不同的幾何形狀。在該示例實(shí)施例中，磁體905是釹鐵硼永久磁體。在其他示例實(shí)施例中，磁體905可以是各種不同種類的永久磁體。在其他示例實(shí)施例中，磁體905可以是電磁體。

圖10圖示了固定環(huán)130的三維示意圖。固定環(huán)130包括內(nèi)表面1005。內(nèi)表面1005具有與多個(gè)磁體125的外圓周127一致且同心的圓周。多個(gè)磁體125被定位在軸緩沖器107與固定環(huán)130之間。固定環(huán)將多個(gè)磁體125緊固到軸緩沖器107作為轉(zhuǎn)子組件105的部分。在該示例實(shí)施例中，固定環(huán)130由鋁制成。在其他示例實(shí)施例中，固定環(huán)130可以由各種非鐵材料制成。

在一些實(shí)施例中，需要額外的電子電路來(lái)控制電機(jī)101。在一些實(shí)施例中，額外的電子電路是用于通過(guò)圖6A-6D中描繪的換相相位來(lái)對(duì)電機(jī)101進(jìn)行換相的換相電路。圖11圖示了用于通過(guò)圖6A-6D中描繪的換相相位來(lái)對(duì)電機(jī)101進(jìn)行換相的換相電路的示例實(shí)施例。換相電路1101包括換相器1105、正引線1110、負(fù)引線1115、多個(gè)刷1120以及多個(gè)彈簧1125。換相器1105還包括多個(gè)正觸頭1106、多個(gè)負(fù)觸頭1107、多個(gè)中性觸頭1108以及外圓周1109。正觸頭1106被連接到正極引線1110，負(fù)觸頭1107被連接到負(fù)極引線1115，并且中性觸頭被斷開(kāi)連接。在該示例實(shí)施例中，換相器1105被固定到轉(zhuǎn)子組件105，使得換相器105與轉(zhuǎn)子組件105同心。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子組件105相對(duì)于定子組件135旋轉(zhuǎn)時(shí)，換相器1105也相對(duì)于定子組件135旋轉(zhuǎn)。多個(gè)刷1120和多個(gè)彈簧1125被固定到定子組件135，使得刷1120接觸換相器1105的外圓周1109。在該示例實(shí)施例中，刷1120中的每個(gè)接觸換相器1105上的不同的觸頭。在圖11中描繪的位置中，刷1120a接觸中性觸頭1108a，刷1120b接觸負(fù)觸頭1107a中的一個(gè)，刷1120c接觸中性觸頭1108b中的另一個(gè)，并且刷1120d接觸正接觸1106a中的一個(gè)。彈簧1125對(duì)每個(gè)刷1120施加力，使得每個(gè)刷1120緊固地與換相器1105的外圓周1109進(jìn)行接觸。彈簧1125a被連接到單獨(dú)引線515，彈簧1125b被連接到單獨(dú)引線520，彈簧1125c被連接到單獨(dú)引線510，并且彈簧1125d被連接到單獨(dú)引線525。

在圖11中描繪的位置中，正引線1110被電連接到正觸頭1106a，正觸頭1106a接觸并被電連接到刷1120d，刷1120d被電連接到彈簧1125d，彈簧1125d被電連接到單獨(dú)引線525。負(fù)引線1115被電連接到1107a，1107a接觸并被電連接到刷1120b，刷1120b被電連接到1125b，1125b被電連接到單獨(dú)引線520。當(dāng)正電壓被施加到正引線1110時(shí)，正電壓被傳導(dǎo)到單獨(dú)引線525。當(dāng)負(fù)電壓被施加到負(fù)引線1115時(shí)，負(fù)電壓被傳導(dǎo)到單獨(dú)引線520。沒(méi)有電壓被施加到單獨(dú)引線510和515。

現(xiàn)在參考圖6A，可以看到圖11中描繪的換相器位置形式圖6A中描繪的換相相位：正電壓被施加到單獨(dú)引線525，負(fù)電壓被施加到單獨(dú)引線520，并且沒(méi)有電壓被施加到單獨(dú)引線510和515?；氐絽⒖紙D11，當(dāng)轉(zhuǎn)子組件105順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，換相器1105也順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在該示例實(shí)施例中，一旦換相器1105已經(jīng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了22.5度，則每個(gè)刷1120與換相器1105上的不同的觸頭相接觸。一旦換相器1105已經(jīng)相對(duì)于圖11A中描繪的位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了22.5度，則換相器位置得到圖6B中描繪的換相相位。

當(dāng)換相器1105繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，刷1120將接觸換相器1105上的不同觸頭，使得合適的電壓被施加到單獨(dú)引線510、515、520和525，以激活圖6A-6D中描繪的換相相位。在該示例實(shí)施例中，換相器1105包括兩個(gè)正觸頭1106、兩個(gè)負(fù)觸頭1107以及四個(gè)中性觸頭1108。在其他實(shí)施例中，換相器1105可以包括更多或更少數(shù)量的觸頭。在備選實(shí)施例中，電機(jī)101可以由可變頻率驅(qū)動(dòng)器代替換相電路1101來(lái)驅(qū)動(dòng)。

額外的配置考慮

在本說(shuō)明書中，復(fù)數(shù)實(shí)例可以實(shí)現(xiàn)被描述為單個(gè)實(shí)例的部件、操作或結(jié)構(gòu)。盡管一個(gè)或多個(gè)方法的單獨(dú)操作被說(shuō)明并描述為獨(dú)立的操作，但是單獨(dú)操作中的一個(gè)或多個(gè)可以同時(shí)被執(zhí)行，并且不要求按所圖示的順序來(lái)執(zhí)行操作。在示例配置中被呈現(xiàn)為獨(dú)立的部件的結(jié)構(gòu)和功能可以被實(shí)現(xiàn)為組合的結(jié)構(gòu)或部件。類似地，被呈現(xiàn)為單個(gè)部件的結(jié)構(gòu)和功能可以被實(shí)現(xiàn)為獨(dú)立的部件。這些和其他變型、修改、添加和改進(jìn)落入本文中的主題的范圍內(nèi)。

如本文中所使用的，對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”或“示例實(shí)施例”的任何引用意指結(jié)合實(shí)施例描述的特定元件、特征、結(jié)構(gòu)或特性被包含于至少一個(gè)實(shí)施例中。詞語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”在說(shuō)明書中的各個(gè)地方中的出現(xiàn)不必全部指代相同實(shí)施例。

如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”、“包含(including)”、“具有(has)”、“具有(having)”或其任何其他變型旨在涵蓋非排他性包含。例如，包括元件的列表的過(guò)程、方法、產(chǎn)品或裝置不必限于僅僅那些元件而是可以包括未明確列出的或這樣的過(guò)程、方法、產(chǎn)品或裝置固有的其他元件。另外，除非明確給出相反的陳述，否則“或者”是指包含性或者并且不是指排他性或者。例如，條件A或B通過(guò)以下中的任何一個(gè)來(lái)滿足：A為真(或存在)并且B為假(或不存在)，A為假(或不存在)并且B為真(或存在)，并且A和B兩者都為真(或存在)。

另外，對(duì)“一(a)”或“一個(gè)(an)”的使用被用于描述本文中的實(shí)施例的元件和部件。這僅僅是為了方便而做出的并且給予本發(fā)明的一般意義。該描述應(yīng)當(dāng)被理解為包括一個(gè)或至少一個(gè)，并且單數(shù)還包括復(fù)數(shù)，除非明顯其意指其他情況。

以上參考圖1-10描述具體實(shí)施例。參考圖2，電機(jī)殼體140具有多個(gè)孔205?？?05可以輔助冷卻電機(jī)殼體140并且還輔助減少電機(jī)殼體140的總體質(zhì)量。參考圖8，軸緩沖器107具有多個(gè)孔805。孔805可以輔助冷卻軸緩沖器107并且還輔助減少軸緩沖器107的總體質(zhì)量。減少軸緩沖器107的質(zhì)量有利地減少整個(gè)轉(zhuǎn)子組件105的旋轉(zhuǎn)慣性。現(xiàn)在參考圖9，所描繪的楔形的磁體905有利地允許多個(gè)磁體容易地以環(huán)形來(lái)布置，如參考圖1B所描述的。

如參考圖1B和圖4A所討論的，容納鐵磁流體的密封腔包括框架145的內(nèi)環(huán)415。使用內(nèi)環(huán)415作為密封腔的密封構(gòu)件有利地允許框架145保持固定于密封腔內(nèi)同時(shí)減少需要被制造的部件的數(shù)量?，F(xiàn)在參考圖4G，框架145的配置允許每個(gè)徑向螺線管435有利地被定位在每個(gè)切向螺線管430內(nèi)，其允許更緊湊的螺線管配置。

在閱讀本公開(kāi)內(nèi)容后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將通過(guò)本文中公開(kāi)的原理認(rèn)識(shí)到針對(duì)利用海爾貝克陣列和鐵磁流體芯的電機(jī)的另外的額外的備選結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)。因此，盡管已經(jīng)說(shuō)明和描述了特定實(shí)施例和應(yīng)用，但是要理解，所公開(kāi)實(shí)施例不限于本文中公開(kāi)的精確構(gòu)造和部件?？梢栽诓幻撾x隨附權(quán)利要求中限定的精神和范圍的情況下對(duì)本文中公開(kāi)的方法和裝置的布置、操作和細(xì)節(jié)進(jìn)行對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見(jiàn)的各種修改、改變和變型。