專利名稱：具有機械可調(diào)永磁場的電動馬達和/或發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本申請是2009年10月30日申請的美國專利申請序列號12/610，184以及2009 年10月30日申請的美國專利申請序列號12/610，271的部分延續(xù)申請，所述兩個美國專利 申請的全部內(nèi)容通過參引結合入本申請中。
背景技術：
本發(fā)明涉及一種電動馬達和發(fā)電機，具體涉及調(diào)整轉(zhuǎn)子中固定磁體和/或不導磁 分路塊的取向以獲得在各種每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)下的有效操作。無電刷直流馬達通常需要在各種每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)下操作，但只能在有限的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) 范圍上獲得有效的操作。此外，發(fā)電機和交流發(fā)電機通常需要在較寬的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)范圍上 操作。例如，汽車交流發(fā)電機在與發(fā)動機每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)成比例的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)下操作，而風力交 流發(fā)電機在與風速成比例的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)下操作。不幸的是，已知的交流發(fā)電機在與每分鐘 轉(zhuǎn)數(shù)成比例的電壓下發(fā)電。因為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)無法輕易控制，通常需要其他元件以調(diào)整輸出 電壓，這給交流發(fā)電機系統(tǒng)增加了無效率性、復雜性以及成本。曾有一些設計嘗試用“場弱化”來擴寬每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)范圍以允許馬達在很低的每分 鐘轉(zhuǎn)數(shù)下有效率，并仍然獲得有效率的更高每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的操作。這種場弱化可以應用于內(nèi) 永磁體同步馬達(IPMSM)或交流同步感應馬達，允許3至4倍的基準速度(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)) 并具有合理的效率。不幸的是，用常規(guī)方法進行場弱化會犧牲在較高每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)下的效率 并增加控制器算法和軟件的復雜性。在發(fā)電機/交流發(fā)電機的應用中，輸出電壓與磁通強度成比例，需要汽車交流發(fā) 電機內(nèi)的換流器或單獨的電磁激勵線圈，汽車交流發(fā)電機只有60%至70%的效率，因為該 交流發(fā)電機必須在很寬的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)范圍上操作。類似的問題也存在于風力發(fā)電機中，其 中遇到的風速變化導致操作的低效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供用于調(diào)節(jié)無電刷馬達和交流發(fā)電機的磁場以獲得在較寬每分鐘 轉(zhuǎn)數(shù)范圍上的有效操作的裝置和方法來解決所述及其他需要。所述馬達或交流發(fā)電機包括 圍繞承載永磁體的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的固定繞組(或定子)。永磁體大體為圓柱形并具有在磁體內(nèi) 縱向形成的北(N)極和南( 極。導磁回路由位于導磁極塊(例如非磁化材料制成的低碳 或軟鋼和/或?qū)盈B絕緣層)中的磁體形成。在極塊內(nèi)轉(zhuǎn)動永磁體或轉(zhuǎn)動不導磁分路塊，將 增強或減弱產(chǎn)生的磁場，從而調(diào)整馬達或交流發(fā)電機用于低每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)矩或用于有效的 高每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)效率。改變轉(zhuǎn)子磁場調(diào)整交流發(fā)電機的電壓輸出，允許例如風力發(fā)電機保持 固定的電壓輸出。用在轉(zhuǎn)子中的其他材料大體為例如不銹鋼的非磁性材料。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種裝置和方法以改變電動馬達中的轉(zhuǎn)子/電樞的 磁通強度，從而提供改進的啟動轉(zhuǎn)矩以及高每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的效率。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了裝置和方法以改變發(fā)電機/交流電發(fā)電機應用中的轉(zhuǎn)子/電樞的磁通強度從而獨立于每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)控制輸出電壓。許多已知的交流發(fā)電機 應用無法控制交流發(fā)電機每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，例如，必須以與發(fā)動機每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)成比例的每分鐘 轉(zhuǎn)數(shù)下操作的汽車交流發(fā)電機，和經(jīng)受風速影響的風力發(fā)電機。改變轉(zhuǎn)子/電樞的磁通強 度允許獨立于每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)來控制輸出電壓，由此消除了對換流器或單獨電磁激勵線圈的需要。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了裝置和方法以通過轉(zhuǎn)動半長圓柱形永磁體以使可 轉(zhuǎn)動磁體與固定半長永磁體對齊或不對齊來改變馬達或發(fā)電機的磁場。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了裝置和方法以通過使磁分路塊與固定永磁體協(xié)同 轉(zhuǎn)動來改變馬達或發(fā)電機的磁場。根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了裝置和方法，所述裝置和方法可適于改變適于應 用于感應馬達的馬達的磁場，從而提供弱磁場用于以異步模式啟動馬達、以及提供強磁場 用于同步模式的有效操作的馬達磁場強度的。


本發(fā)明的所述和其他方面、特征和優(yōu)勢通過參照附圖對其進行如下具體描述將更 為顯而易見，其中圖IA是根據(jù)本發(fā)明的可重構電動馬達的側(cè)視圖。圖IB是根據(jù)本發(fā)明的可重構電動馬達的端視圖。圖2是沿圖IA中線2-2所取的根據(jù)本發(fā)明的可重構電動馬達的橫截面圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的圓柱形兩極永磁體的立體圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的圓柱形四極永磁體的立體圖。圖5A是徑向?qū)R構造的根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖。圖5B是徑向?qū)R構造的根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的端視圖。圖6A是徑向?qū)R構造的根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的端視圖，其中兩極永磁 體對齊用于產(chǎn)生最大(或強)磁場。圖6B是徑向?qū)R構造的根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的端視圖，其中兩極永磁 體對齊用于產(chǎn)生中等磁場。圖6C是徑向?qū)R構造的根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的端視圖，其中兩極永磁 體對齊用于產(chǎn)生最小(或弱)磁場。圖7A示出了對應于圖6A的強磁場。圖7B示出了對應于圖6C的弱磁場。圖8是磁通擠壓構造的根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖。圖9是磁通擠壓構造的根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的端視圖。圖IOA是磁通擠壓構造的根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的端視圖，其中兩極永磁 體對齊用于產(chǎn)生最大(或強)磁場。圖IOB是磁通擠壓構造的根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的端視圖，其中兩極永磁 體對齊用于產(chǎn)生中等磁場。圖IOC是磁通擠壓構造的根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的端視圖，其中兩極永磁 體對齊用于產(chǎn)生最小(或弱)磁場。
圖IlA示出了對應于圖IOA的強磁場。圖IlB示出了對應于圖IOC的弱磁場。圖12是根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的端視圖，其中若干對圓柱形兩極永磁體 成徑向?qū)R構造。圖13是根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的端視圖，其中若干對圓柱形兩極永磁體 成磁通擠壓構造。圖14是成徑向?qū)R構造的、根據(jù)本發(fā)明的混合可調(diào)內(nèi)永磁體和固定外磁體轉(zhuǎn)子 的端視圖，其中內(nèi)磁體對齊用于產(chǎn)生最大磁通。圖15A是成徑向?qū)R構造的、根據(jù)本發(fā)明的混合可調(diào)內(nèi)永磁體和固定外磁體轉(zhuǎn)子 的端視圖，其調(diào)節(jié)成用于產(chǎn)生最大磁場。圖15B是成徑向?qū)R構造的、根據(jù)本發(fā)明的混合可調(diào)內(nèi)永磁體和固定外磁體轉(zhuǎn)子 的端視圖，其調(diào)節(jié)成用于產(chǎn)生最小磁場。圖16是磁通擠壓構造的、根據(jù)本發(fā)明的混合可調(diào)內(nèi)永磁體和固定外磁體轉(zhuǎn)子的 端視圖。圖17A是磁通擠壓構造的、根據(jù)本發(fā)明的混合可調(diào)內(nèi)永磁體和固定外磁體轉(zhuǎn)子的 端視圖，其調(diào)節(jié)成用于產(chǎn)生最大磁場。圖17B是磁通擠壓構造的、根據(jù)本發(fā)明的混合可調(diào)內(nèi)永磁體和固定外磁體轉(zhuǎn)子的 端視圖，其調(diào)節(jié)成用于產(chǎn)生最小磁場。圖18是根據(jù)本發(fā)明的用于構建層疊極塊的端視圖。圖18A是圖18的局部18A。圖19A是用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第一磁體位置的裝置的第一實施方式 的側(cè)視圖。圖19B是用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第一磁體位置的裝置的第一實施方式 的端視圖。圖20A是用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第二磁體位置的裝置的第一實施方式 的側(cè)視圖。圖20B是用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第二磁體位置的裝置的第一實施方式 的端視圖。圖21A是用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第一磁體位置的裝置的第二實施方式 的側(cè)視圖。圖21B是用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第一磁體位置的裝置的第二實施方式 的端視圖。圖22k是用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第二磁體位置的裝置的第二實施方式 的側(cè)視圖。圖22B是用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第二磁體位置的裝置的第二實施方式 的端視圖。圖23A是用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第一磁體位置的裝置的第三實施方式 的側(cè)視圖。圖2 是用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第一磁體位置的裝置的第三實施方式的端視圖。圖24A是用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第二磁體位置的裝置的第三實施方式 的側(cè)視圖。圖24B是用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第二磁體位置的裝置的第三實施方式 的端視圖。圖25A示出了一種根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)整成徑向?qū)R構造的混合可調(diào)內(nèi)永磁體 和固定外磁體轉(zhuǎn)子的圓柱形兩極內(nèi)永磁體的位置的可替代齒輪裝置。圖25B示出了一種根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)整成磁通擠壓構造的混合可調(diào)內(nèi)永磁體 和固定外磁體轉(zhuǎn)子的圓柱形兩極內(nèi)永磁體的位置的可替代的齒輪裝置。圖2隊是根據(jù)本發(fā)明的用于控制馬達的磁體位置的偏置系統(tǒng)的側(cè)視圖。圖26B是根據(jù)本發(fā)明的用于控制馬達的磁體位置的偏置系統(tǒng)的端視圖。圖27A是根據(jù)本發(fā)明的用于控制發(fā)電機的磁體位置的偏置系統(tǒng)的側(cè)視圖。圖27B是根據(jù)本發(fā)明的用于控制發(fā)電機的磁體位置的偏置系統(tǒng)的端視圖。圖28A是根據(jù)本發(fā)明的具有可轉(zhuǎn)動半長圓柱形磁體和同軸固定半長圓柱形磁體 以及用于控制磁體位置的偏置系統(tǒng)的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖。圖28B是沿圖2名k中線28B-28B所取的、根據(jù)本發(fā)明的具有可轉(zhuǎn)動半長圓柱形磁 體和同軸固定半長圓柱形磁體以及用于控制磁體位置的偏置系統(tǒng)的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的正 視圖。圖29A是具有可轉(zhuǎn)動半長圓柱形磁體和同軸固定半長圓柱形磁體以及用于控制 磁體位置的偏置系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖。圖29B是具有可轉(zhuǎn)動半長圓柱形磁體和同軸固定半長圓柱形磁體以及用于控制 磁體位置的偏置系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子的正視圖。圖30A是根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的端視圖，其中可移動磁分路塊對齊以提 供強磁場。圖30B是根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的端視圖，其中可移動磁分路塊不對齊以 提供弱磁場。圖31A是根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的端視圖，示出了通過使可移動磁分路塊 對齊而獲得的強磁場。圖31B是根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子的端部圖，示出了通過使可移動磁分路塊 不對齊而獲得的弱磁場。相應的附圖標記在附圖的所有若干視圖中指示相應的部件。
具體實施例方式下文的描述是當前構想用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式。該描述并非出于限制的意 義，而僅出于描述本發(fā)明的一個或多個優(yōu)選實施方式的目的。本發(fā)明的范圍應參照權利要 求確定。圖IA示出了根據(jù)本發(fā)明的可重構電動馬達10的側(cè)視圖，圖IB示出了可重構電動 馬達10的端視圖，圖2示出了沿圖IA中的線2-2所取的可重構電動馬達10的橫截面圖。 所述馬達10包括定子繞組14以及位于定子繞組內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)子12。所述馬達10為包括磁路的無電刷交流感應馬達，所述磁路包括在轉(zhuǎn)子12中的至少一個永磁體16(見圖3-7)或可 移動磁分路塊80 (見圖30A和30B)，所述磁體16或磁分路塊80可以進行調(diào)整以在一定范 圍的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)上控制轉(zhuǎn)子的磁場用于有效操作。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的圓柱形兩極永磁體16的立體圖，而圖4示出了根據(jù)本發(fā) 明的圓柱形四極永磁體16a的立體圖。磁體16和磁體16a的極如虛線指示的沿磁體的長 度延伸。圖5A示出了徑向?qū)R構造的根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子12a的側(cè)視圖，圖5B 示出了徑向?qū)R構造的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子12a的端視圖。轉(zhuǎn)子12包括磁體16、內(nèi)極塊18、外 極塊20和非磁性墊圈22。極塊是導磁但不可磁化的材料，所述材料傳導磁體16的磁場以 形成轉(zhuǎn)子磁場。所述墊圈22將內(nèi)極塊18與外極塊20分隔開，而空氣間隙23將外極塊20 分隔開。磁體16大體為圓柱形并且與馬達軸11軸向平行，但也可以使用其他形狀的磁體。圖6A示出了其中兩極永磁體16對齊以產(chǎn)生最大(或強)磁場Ma(見圖7A)的 可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子12a的端視圖，圖6B示出了其中兩極永磁體16對齊以產(chǎn)生中等磁場的可 調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子12a的端視圖，圖6C示出了其中兩極永磁體16對齊以產(chǎn)生最小(或弱)磁 場Mb(見圖7B)的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子1 的端視圖。在電動馬達中，提供強磁場的對齊提供 低每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)下的高轉(zhuǎn)矩，而提供弱磁場的對齊提供高每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)下的有效操作。在發(fā)電 機中，可以通過調(diào)整磁體的對齊來調(diào)整輸出電壓，從而允許在諸如汽車交流發(fā)電機和風力 發(fā)電機的具有變化每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的發(fā)電機中具有恒定的電壓。圖7A示出了對應于圖6A的強磁場24a，圖7B示出了對應于圖6C的弱磁場。圖8是磁通擠壓構造的根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子12b的側(cè)視圖，圖9示出了 所述可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子12b的端視圖。轉(zhuǎn)子12b包括磁體16、極塊21和空氣間隙23。極塊 為導磁但不可磁化的材料，其傳導磁體16的磁場以形成轉(zhuǎn)子磁場?？諝忾g隙23將極塊21 分隔開。圖IOA示出了可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子12b的端視圖，其中兩極永磁體16對齊產(chǎn)生最大 (或強)磁場Ma’ (見圖11A)，圖IOB示出了可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子12b的端視圖，其中兩極永磁 體16對齊產(chǎn)生中等磁場，圖IOC示出了可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子12b的端視圖，其中兩極永磁體16 對齊產(chǎn)生最小(或弱)磁場Mb’ (見圖11B)。在電動馬達中，提供強磁場的對齊提供低每 分鐘轉(zhuǎn)數(shù)下的高轉(zhuǎn)矩，而提供弱磁場的對齊提供高每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)下的有效操作。在發(fā)電機中， 可以通過調(diào)整磁體的對齊來調(diào)整輸出電壓，從而允許在諸如汽車交流發(fā)電機和風力發(fā)電機 的具有變化每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的發(fā)電機中具有恒定電壓。圖IlA示出了對應于圖IOA的強磁場Ma’，圖IlB示出了對應于圖IOC的弱磁場。圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子12c的端視圖，其具有若干對徑向?qū)R 構造的圓柱形兩極永磁體16，圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子12d的端視圖，其 具有若干對磁通擠壓構造的圓柱形兩極永磁體16。本發(fā)明不限于單個或成對的永磁體，任 意數(shù)量的磁體可以組成適用于應用的組。例如3、4、5或更多個磁體可以代替圖12和13中 示出的磁體對。圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的包括可調(diào)內(nèi)永磁體16和固定外磁體17的混合轉(zhuǎn)子 12a’成徑向?qū)R構造的端視圖?？烧{(diào)內(nèi)永磁體16和固定外磁體17的組合允許轉(zhuǎn)子磁場的 附加設計。圖15A示出了混合可調(diào)內(nèi)永磁體和固定外磁體轉(zhuǎn)子12a’調(diào)節(jié)為產(chǎn)生最大磁場的端視圖，圖15B示出了是混合可調(diào)內(nèi)永磁體和固定外磁體轉(zhuǎn)子12a’調(diào)節(jié)為產(chǎn)生最小磁場 的端視圖。圖16示出了根據(jù)本發(fā)明的包括可調(diào)內(nèi)永磁體16和固定外磁體17的混合轉(zhuǎn)子 12b’成磁通擠壓構造的端視圖?？烧{(diào)內(nèi)永磁體16和固定外磁體17的組合允許轉(zhuǎn)子磁場的 附加設計。圖17A示出了混合可調(diào)內(nèi)永磁體和固定外磁體轉(zhuǎn)子12b’調(diào)節(jié)為產(chǎn)生最大磁場 的端視圖，圖15B示出了混合可調(diào)內(nèi)永磁體和固定外磁體轉(zhuǎn)子12b’調(diào)節(jié)為產(chǎn)生最小磁場的 端視圖。圖18示出了用于構建層疊極塊的元件30的端視圖，而圖18A示出了圖18的局部 ISA0轉(zhuǎn)子通常通過將多個元件30層疊構成，各元件30優(yōu)選地用電絕緣層涂覆。元件30 具有半徑Rr，包括具有半徑Rm的用于圓柱形磁體16的圓形切除部32以及具有寬度Wag的 空氣間隙34。用于本發(fā)明的其他實施方式的層疊極塊類似地構建。圖19A示出了用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體16處于第一磁體位置的裝置40a的第 一實施方式的側(cè)視圖，圖19B示出了用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第一磁體位置的裝置 40a的端視圖，圖20A示出了用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體16處于第二磁體位置的裝置40a 的側(cè)視圖，圖20B示出了用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第二磁體位置的裝置40a的端視 圖。用于調(diào)整的裝置40a包括優(yōu)選為步進馬達的線性馬達42、由所述線性馬達42軸向致動 的軸48、由軸48軸向致動的環(huán)46、以及由環(huán)46致動并連接至六個齒條52之一的(一個或 多個)臂44。齒條52接合附連于磁體16的齒輪50以轉(zhuǎn)動磁體16。將軸48向右致動將 齒條52徑向拉入，將軸48向左致動將齒條52徑向推出，從而通過直接接合齒條52的齒輪 50來直接轉(zhuǎn)動磁體，其余的磁體16通過在相鄰齒輪50之間的齒條耦聯(lián)于致動裝置。圖21A示出了用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體16處于第一磁體位置的裝置40b的第 二實施方式的側(cè)視圖，圖21B示出了用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體的裝置40b處于第一磁體 位置的端視圖，圖22A示出了用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體16處于第二磁體位置的裝置40b 的側(cè)視圖，圖22B示出了調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第二磁體位置的裝置40b的端視圖。用 于調(diào)整的裝置40b包括優(yōu)選為步進馬達的線性馬達42、由所述線性馬達42軸向致動的軸 48、由所述軸48軸向致動的環(huán)46以及由所述環(huán)46致動并連接至六個齒條52之一的彎曲 肘狀件45。彎曲肘狀件45偏置至例如具有90°彎曲的彎曲位置。當環(huán)46向右移動以釋 放彎曲臂45時，彎曲臂45放松至彎曲位置并將齒條52徑向拉入。當環(huán)46向左移動以在 彎曲臂45上施加力時，彎曲臂45伸直并將齒條52徑向推出。齒條52接合附連于磁體16 的齒輪50以轉(zhuǎn)動磁體16。線性馬達42向右致動因而將齒條52徑向拉入，線性馬達42向 左致動將齒條52徑向推出，從而通過直接接合齒條52的齒輪50直接轉(zhuǎn)動磁體16，其余的 磁體16通過在相鄰齒輪50之間的齒條52耦聯(lián)于致動裝置。圖23A示出了用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體16處于第一磁體位置的裝置40c的第 三實施方式的側(cè)視圖，圖2 示出了用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第一磁體位置的裝置 40c的端視圖，圖24A示出了用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體16處于第二磁體位置的裝置40c 的側(cè)視圖，圖24B示出了用于調(diào)整圓柱形兩極永磁體處于第二磁體位置的裝置40c的端視 圖。用于調(diào)整的裝置40c包括優(yōu)選為步進馬達的線性馬達42、由所述線性馬達42軸向致動 的軸48、連接于所述軸48的第一活塞47以及與所述活塞47流體連通并連接至六個齒條 52之一的第二活塞49。當活塞47向右移動時，第二活塞49被徑向收入，齒條52被徑向拉入。當環(huán)46向左移動時，活塞47向左移動，活塞49徑向移出，并將齒條52徑向推出。齒 條52接合附連于磁體16的齒輪50以轉(zhuǎn)動磁體16。線性馬達42向右致動因而將齒條52 徑向拉入，線性馬達42向左致動將齒條52徑向推出，從而通過直接接合齒條52的齒輪50 直接轉(zhuǎn)動磁體16，其余磁體16通過在相鄰齒輪50之間的齒條52耦聯(lián)于致動裝置。圖25A示出了一種根據(jù)本發(fā)明的另一齒輪裝置，用于調(diào)整成徑向?qū)R構造的混合 可調(diào)內(nèi)永磁體和固定外磁體轉(zhuǎn)子的圓柱形兩極內(nèi)永磁體16的位置。小磁體齒輪50固定于 各磁體16的一端。大中心齒輪51接合各小磁體齒輪50，并使各磁體16保持近似(只要磁 體緊密對齊，可存在一定的齒輪游隙)相同的對齊，并可調(diào)節(jié)以調(diào)整磁體16從弱磁場至強 磁場的對齊。圖25B示出了另一齒輪裝置，用于調(diào)整成磁通擠壓構造的混合可調(diào)內(nèi)永磁體和固 定外磁體轉(zhuǎn)子的圓柱形兩極內(nèi)永磁體的位置。小中心齒輪50僅接合小磁體齒輪50中交替 的幾個，小齒輪50接合各相鄰齒輪50，從而使各磁體16保持近似(只要磁體緊密對齊，可 存在一定的齒輪游隙)相同的對齊，并可調(diào)節(jié)以調(diào)整磁體16從弱磁場至強磁場的對齊。圖^^示出了根據(jù)本發(fā)明的用于控制馬達的磁體位置的偏置系統(tǒng)的側(cè)視圖，圖 26B示出了用于通過金屬線70控制馬達磁體位置的偏置系統(tǒng)的端視圖?？刂破?4將來自 于電源68的單向直流電壓變換成用于三相馬達的三相梯形或正弦波形。使用一個至磁場 線圈60的直流輸入線產(chǎn)生與馬達上的負載成比例的電磁場。磁場線圈60的電阻很低并且 不會降低到馬達的輸入電壓或略微增加電阻。磁場作用在盤62上并抵靠彎曲肘狀件45向 左推動盤以轉(zhuǎn)動磁體16。當馬達負載增加時，電磁場與負載成比例地增加，校準負載只稍小于克服磁體16 的轉(zhuǎn)動所需的負載，傾卸回路(tipping circuit)66為分路控制器，提供加至偏置電樞62 的電磁力的小電流，從而提供最終力，該最終力對控制轉(zhuǎn)子磁場的磁體16的轉(zhuǎn)動進行控 制?？刂破?4優(yōu)選為換流器型，其將單向直流電變換為給定子磁場供能以轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的三相 波形。偏置致動器包括超低電阻線圈60及電樞62，所述電樞62產(chǎn)生與負載電流成比例 的力，所述負載電流抵抗磁體16的固有性質(zhì)施力以保持在弱磁場位置。傾卸回路66是低 力觸發(fā)器控制器，其將額外的電流提供給偏置致動器，所述偏置致動器可以利用非常小的 電能轉(zhuǎn)動磁體16以將磁場調(diào)整到強的位置或弱的位置。圖27A示出了根據(jù)本發(fā)明的用于控制發(fā)電機的磁體16的位置的偏置系統(tǒng)的側(cè)視 圖，圖27B示出了用于控制發(fā)電機的磁體16的位置的偏置系統(tǒng)的端視圖。發(fā)電機可以被驅(qū) 動作為發(fā)電機/交流發(fā)電機以產(chǎn)生所述相或任何相的電能。發(fā)電機/交流發(fā)電機的相電能輸出一般經(jīng)過將多相電流變換為單相直流電的 六二極管陣列72。輸出直流電線之一的輸出轉(zhuǎn)移至低電阻偏置線圈60和電樞62，所述低 電阻偏置線圈60和電樞62產(chǎn)生抵靠磁體16自然轉(zhuǎn)動至弱磁場位置的反力。以與圖26A 和26B中的馬達構造相同的方式，傾卸控制器為線圈60和電樞62提供小的額外電流，以克 服磁力從而控制磁體的轉(zhuǎn)動位置和磁場。傾卸回路控制器是電子晶體管型開關，其可以提 供將要加至線圈60和電樞62的偏置力的變化量的電能。圖28A示出了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子1 的側(cè)視圖，該可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子1 具有對齊取向的可轉(zhuǎn)動半長圓柱形磁體16c、同軸的固定半長圓柱形磁體16d以及用于控制磁體位置的調(diào)整系統(tǒng)，圖28B示出了沿圖^A中線28B-28B所取的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子1 的橫截面圖。圖29A示出了其中可轉(zhuǎn)動半長圓柱形磁體16c與同軸的固定半長圓柱形磁體 16d不對齊的轉(zhuǎn)子1 的第二側(cè)視圖，圖29B示出了沿圖29A中線29B-29B所取的可調(diào)永磁 體轉(zhuǎn)子12e的橫截面圖。當磁體16c與16d對齊(即磁體16c和16d的極對齊)時，產(chǎn)生 了強磁場，而當磁體16c轉(zhuǎn)動180°并且磁體16c與16d的極不對齊時，則產(chǎn)生弱磁場。調(diào)整系統(tǒng)包括附連于磁體16c的小齒輪52、與小齒輪50和第二小齒輪M協(xié)作的 徑向滑動齒條傳動機構52、以及與第二小齒輪M協(xié)作的軸向滑動齒條傳動機構56。軸向 滑動齒條傳動機構56可以使用螺線管電氣地、液壓地(見圖23A-MB)、通過線性馬達、通 過線性步進馬達、通過桿或通過任何裝置進行致動，從而使軸向滑動齒條傳動機構56在軸 向上移動。軸向滑動齒條傳動機構56的軸向平移耦聯(lián)至第二小齒輪M以轉(zhuǎn)動第二小齒輪 M。第二小齒輪M的轉(zhuǎn)動耦聯(lián)至徑向滑動動齒條傳動機構52從而使徑向滑動齒條傳動機 構52徑向移動。徑向滑動齒條傳動機構52的徑向移動耦聯(lián)至第一小齒輪50，以轉(zhuǎn)動第一 小齒輪50，從而轉(zhuǎn)動磁體16c，以使磁體16c與磁體16d對齊和不對齊，進而選擇性地產(chǎn)生 強磁場和弱磁場。圖30A示出了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子12f的端視圖，其中可移動磁分路塊 80與固定外永磁體17和固定內(nèi)永磁體16e對齊以提供強磁場，圖30B示出了可調(diào)永磁體轉(zhuǎn) 子12f的端視圖，其中可移動磁分路塊80轉(zhuǎn)動并與固定永磁體17及16e不對其以提供弱 磁場?？梢苿哟欧致穳K80優(yōu)選為圓柱形并由導磁、不可磁化材料制成，并包括穿過可移動 磁分路塊80的中心將可移動磁分路塊80分為兩部分的棒80a。棒80a由不導磁材料制成 并優(yōu)選由非鐵非磁材料制成?？梢苿哟欧致穳K80可以使用任何所描述的用于如本文描述 移動磁體的調(diào)整系統(tǒng)來移動(或調(diào)整)，任何使用可移動分路塊將磁場從強磁場改變?yōu)槿?磁場的馬達或發(fā)電機均擬在本發(fā)明的范圍內(nèi)。圖31A示出了可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子12f的端視圖，示出了通過使可移動磁分路塊與磁 體16e對齊而獲得的強磁場2 ”，圖31A示出了可調(diào)永磁體轉(zhuǎn)子12f的端視圖，示出了通過 使可移動磁分路塊與磁體16e不對齊而獲得的弱磁場24b”。包括具有可移動磁分路塊的導 磁回路的轉(zhuǎn)子的各種其他實施方式對于本領域的普通技術人員將會顯而易見，例如位于磁 體外側(cè)、具有角度相互交替的導磁段和不導磁段的圓柱形殼，并且在具有這種與磁體協(xié)作 的(一個或多個)可移動磁分路塊以選擇性地產(chǎn)生強磁場和弱磁場的馬達或發(fā)電機中使用 的任何轉(zhuǎn)子也意于在本發(fā)明的范圍內(nèi)。雖然本文公開的發(fā)明通過其具體實施方式
及應用進行了描述，但是本領域普通技 術人員仍可以對其進行多種修改及變型而不脫離權利要求所述的本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種用于在電能與機械能之間轉(zhuǎn)換的電動馬達或發(fā)電機中使用的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括固定極塊，所述固定極塊由導磁的不可磁化材料制成；以及導磁回路，所述導磁回路包括所述極塊以及可移動元件，所述可移動元件能夠移動以 選擇性地產(chǎn)生強轉(zhuǎn)子磁場和弱轉(zhuǎn)子磁場。
2.如權利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述可移動元件包括至少一個可移動磁分路塊，所 述至少一個可移動磁分路塊包括不導磁材料。
3.如權利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述極塊為徑向?qū)R構造。
4.如權利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述極塊為磁通擠壓構造。
5.如權利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述可移動元件包括與所述極塊磁協(xié)作的至少一 個可移動永磁體，所述至少一個永磁體能夠移動從而將轉(zhuǎn)子磁場調(diào)整為強磁場以及調(diào)整為 弱磁場。
6.如權利要求5所述的轉(zhuǎn)子，還包括磁體齒輪，所述磁體齒輪附連于各所述可轉(zhuǎn)動永 磁體的端部，以調(diào)整各所述可轉(zhuǎn)動永磁體的對齊。
7.如權利要求6所述的轉(zhuǎn)子，其中，滑動齒條與所述磁體齒輪中的相應磁體齒輪協(xié)作， 以調(diào)整各所述可轉(zhuǎn)動永磁體的對齊。
8.如權利要求7所述的轉(zhuǎn)子，其中，直桿連接至至少其中一個所述齒條，并且所述桿被 致動以使所述齒條徑向滑動，從而調(diào)整各所述可轉(zhuǎn)動永磁體的對齊。
9.如權利要求8所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述直桿由線性致動器致動從而使所述齒條徑向 滑動，以調(diào)整各所述可轉(zhuǎn)動永磁體的對齊。
10.如權利要求9所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述線性致動器是步進馬達。
11.如權利要求7所述的轉(zhuǎn)子，其中，分裂式桿連接至至少其中一個所述齒條，并且所 述分裂式桿被致動以使所述齒條徑向滑動，從而調(diào)整各所述可轉(zhuǎn)動永磁體的對齊。
12.如權利要求7所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述分裂式桿的頂點抵靠滑動件，并且所述滑動 件朝向所述分裂式桿的軸向平移使所述分裂式桿展開，從而調(diào)整各所述可轉(zhuǎn)動永磁體的對 齊。
13.如權利要求12所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述分裂式桿由線性致動器致動，以使所述齒條 徑向滑動，從而調(diào)整各所述可轉(zhuǎn)動永磁體的對齊。
14.如權利要求7所述的轉(zhuǎn)子，其中，致動液壓活塞以使所述齒條徑向滑動，從而調(diào)整 各所述可轉(zhuǎn)動永磁體的對齊。
15.如權利要求14所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述液壓活塞與第二液壓活塞流體連通，并且所 述第二液壓活塞的致動致使所述液壓活塞的平移并致使所述齒條調(diào)整各所述可轉(zhuǎn)動永磁 體的對齊。
16.如權利要求15所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述第二液壓活塞由線性致動器致動。
17.如權利要求6所述的轉(zhuǎn)子，其中，單個中心齒輪與各所述磁體齒輪協(xié)作，以近似地 保持各所述可轉(zhuǎn)動永磁體的相同的對齊。
18.如權利要求1所述的轉(zhuǎn)子，還包括附連于所述轉(zhuǎn)子的外側(cè)的固定外部轉(zhuǎn)子磁體。
19.一種電動馬達，包括定子，所述定子具有電氣定子繞組；轉(zhuǎn)動定子磁場，所述轉(zhuǎn)動定子磁場由流過所述定子繞組的電流產(chǎn)生； 轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子位于所述定子繞組內(nèi)，所述轉(zhuǎn)子包括 固定極塊，所述固定極塊由導磁的不可磁化材料制成；以及與所述極塊磁協(xié)作的至少一個轉(zhuǎn)子內(nèi)永磁體，所述至少一個轉(zhuǎn)子內(nèi)永磁體能夠轉(zhuǎn)動以 將轉(zhuǎn)子磁場調(diào)整為強磁場以及調(diào)整為弱磁場。
20. 一種電氣發(fā)電機，包括 定子，所述定子具有電氣定子繞組；可轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，所述可轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子位于所述定子繞組內(nèi)，所述轉(zhuǎn)子包括 固定極塊，所述固定極塊由導磁的不可磁化材料制成； 至少一個固定磁體；以及至少一個可移動磁分路塊，所述至少一個可移動磁分路塊包括與所述至少一個固定磁 體以及所述極塊磁協(xié)作的不導磁材料，所述至少一個可移動磁分路塊能夠轉(zhuǎn)動以將轉(zhuǎn)子磁 場調(diào)整為強磁場以及調(diào)整為弱磁場。
全文摘要
公開了用于調(diào)節(jié)無電刷馬達和交流發(fā)電機的磁場以在較寬的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)范圍內(nèi)獲得有效操作的裝置和方法。所述馬達或交流發(fā)電機包括圍繞承載永磁體的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的固定繞組(或定子)。永磁體大體為圓柱形并具有在磁體中縱向形成的北極和南極。導磁回路由位于導磁極塊(例如非磁化材料制成的低碳或軟鋼和/或?qū)盈B絕緣層)中的磁體形成。在極塊內(nèi)轉(zhuǎn)動永磁體或轉(zhuǎn)動不導磁分路塊，將增強或減弱產(chǎn)生的磁場，從而調(diào)整馬達或交流發(fā)電機用于低每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)矩或用于有效的高每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)效率。改變轉(zhuǎn)子磁場調(diào)整交流發(fā)電機的電壓輸出，允許例如風力發(fā)電機保持固定的電壓輸出。
文檔編號H02K1/22GK102055257SQ20101053343
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權日2009年10月30日
發(fā)明者安德烈亞·富里亞, 路易斯·J·芬克爾 申請人:路易斯·J·芬克爾