專利名稱：自起動(dòng)無(wú)刷電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自起動(dòng)無(wú)刷電機(jī)，在它的磁極系統(tǒng)中包括設(shè)在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)部件中至少一個(gè)上面的阻抗磁極(鐵磁凸極)以及一或多個(gè)永磁體。
具體地說(shuō)，本發(fā)明所涉及的自起動(dòng)無(wú)刷電機(jī)包括第一電機(jī)部件，它具有按照一定間隔布置在第一磁極行列中的多個(gè)磁極單元，第二電機(jī)部件，它具有按照一定間隔布置在第二磁極行列中的多個(gè)磁極，用來(lái)支撐著第一電機(jī)部件和第二電機(jī)部件的軸承裝置，讓第一磁極行列跨過(guò)一個(gè)氣隙面對(duì)著第二磁極行列做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)磁極系統(tǒng)的第一和第二磁極行列包括第一和第二型的磁極，第一型磁極是阻抗磁極，而第二型磁極是永磁體磁極，它們的極性與氣隙交叉，以及裝在第一電機(jī)部件上的一個(gè)繞組系統(tǒng)，它包括配合著每個(gè)磁極單元的繞組線圈，用來(lái)在對(duì)線圈勵(lì)磁時(shí)通過(guò)磁極單元產(chǎn)生一個(gè)鏈接第一和第二磁極行列中的磁極的磁場(chǎng)，第一和第二磁極行列中至少有一個(gè)具有不對(duì)稱的磁性，用來(lái)在對(duì)繞組系統(tǒng)勵(lì)磁時(shí)產(chǎn)生電機(jī)部件的優(yōu)先的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向。
在WO90/02437和WO92/12567中公開(kāi)了這種類型的電機(jī)。其中最重要的特征在于電機(jī)部件(定子和轉(zhuǎn)子)的單方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由磁極的磁性不對(duì)稱和轉(zhuǎn)矩隨著電機(jī)尺寸而增大造成的。
在WO92/12567所述的一個(gè)具體實(shí)施例中，第一電機(jī)部件是一個(gè)裝有單相繞組的定子，而第二電機(jī)部件是一個(gè)圓筒形轉(zhuǎn)子。定子上具有包括四個(gè)相同的鐵磁性凸極即阻抗凸極，它是在圓周上均勻分布的，以及兩個(gè)相對(duì)不對(duì)稱的永磁體磁極的一個(gè)單一磁極行列。
繞組包括了兩個(gè)繞組線圈，每個(gè)線圈被布置在由一個(gè)永磁體磁極和處在永磁體磁極兩側(cè)的兩個(gè)鐵磁性磁極構(gòu)成的一個(gè)磁極單元周?chē)?。這樣的定子具有兩個(gè)彼此相對(duì)不對(duì)稱的磁極單元以及各自的線圈。
在轉(zhuǎn)子上有一個(gè)磁極行列，它是由均勻分布在圓周上的四個(gè)相同的鐵磁性凸極構(gòu)成的。每個(gè)這種磁極包括一個(gè)主磁極體和一個(gè)輔助磁極部件，它從主磁極體的圓周上突出，并且延伸到僅僅蓋住主磁極體的一部分軸向?qū)挾取Ｒ虼?，在轉(zhuǎn)子上有四個(gè)磁極單元，各自是由在圓周方向上磁性不對(duì)稱的一個(gè)磁極構(gòu)成的。配合著永磁體，單方向的磁性不對(duì)稱可以在一個(gè)給定的旋轉(zhuǎn)方向上自動(dòng)地起動(dòng)電機(jī)，因而不可能通過(guò)使提供給繞組的電流反向而改變旋轉(zhuǎn)的起動(dòng)方向。
在電機(jī)的工作過(guò)程中，繞組被交替地通電和斷電。在繞組的通電周期中，定子磁極通過(guò)施加在轉(zhuǎn)子磁極上的磁力使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一整圈的幾分之一位置，以下稱為牽引或是吸引位置，轉(zhuǎn)子磁極在該位置上和定子上各自的磁化的鐵磁性磁極的主磁極體在磁性上配合。
在繞組被斷電時(shí)，由鐵磁性定子磁極施加到轉(zhuǎn)子磁極上的磁力消失了，這樣，永磁體就能通過(guò)施加在相鄰的輔助磁極部件上的磁力使轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)一整圈的幾分之一，到達(dá)一個(gè)鐵磁性轉(zhuǎn)子磁極在角度上偏離牽引或是吸引位置的位置。在繞組的下一個(gè)通電周期中，定子的阻抗磁極會(huì)使轉(zhuǎn)子從這一作為起動(dòng)位置的偏離位置上再一次轉(zhuǎn)過(guò)一整圈的幾分之一，到達(dá)一個(gè)新的牽引或是吸引位置。
在公知電機(jī)的另一個(gè)實(shí)施例中，定子和/或轉(zhuǎn)子的磁極單元與上述實(shí)施例中的磁極單元是不同的。例如在WO92/12567所述的另一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子的磁極行列包括許多極性交替并且極性與氣隙交叉的永磁體磁極，每個(gè)永磁體磁極構(gòu)成一個(gè)磁極單元。在現(xiàn)有技術(shù)的公知電機(jī)的上述和其他實(shí)施例中，定子的所有磁極單元都是同一種磁極類型，一般都是阻抗磁極或是永磁體磁極。轉(zhuǎn)子的磁極單元也是這樣的。
本發(fā)明的主要目的是對(duì)上述類型的電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。更具體的目的是提供一種上述類型的電機(jī)，它可以比現(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)提供更加均勻的轉(zhuǎn)矩，并且能夠在低速下平滑地運(yùn)行，并且用來(lái)驅(qū)動(dòng)需要高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。
通過(guò)以下的說(shuō)明，可以用按照權(quán)利要求書(shū)構(gòu)成的電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述和其他的具體目的。
為了便于說(shuō)明，本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)僅限于旋轉(zhuǎn)的機(jī)器，在其中攜帶繞組系統(tǒng)的電機(jī)部件是靜止的，并且被作為定子，而另一個(gè)電機(jī)部件被作為轉(zhuǎn)子安裝在定子內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)。定子和轉(zhuǎn)子的磁板都被布置成環(huán)形、同心的磁極行列，并且被一個(gè)圓筒形的氣隙隔開(kāi)。然而，根據(jù)一般的常識(shí)，電機(jī)部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不僅僅是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，還可以是直線或是曲線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在本發(fā)明的范圍內(nèi)還包括旋轉(zhuǎn)和直線相對(duì)運(yùn)動(dòng)的組合。另外，攜帶繞組的電機(jī)部件也就是定子還可以裝在另一部件也就是轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)，并且氣隙不一定是圓筒形的，例如可以是截面為弧形的或是錐形的。
為了便于理解說(shuō)明書(shū)，在對(duì)具體的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明之前需要對(duì)本文中使用的一些概念和術(shù)語(yǔ)加以通俗的解釋和說(shuō)明。
按照本發(fā)明的電機(jī)包括裝在定子或是轉(zhuǎn)子或是雙方上的阻抗磁極。此處所用的術(shù)語(yǔ)阻抗磁極和鐵磁性凸極是同一個(gè)意思。
裝在定子上的阻抗磁極不一定具有交叉磁化的永磁體磁極，也就是內(nèi)部的磁場(chǎng)線基本上與氣隙交叉的永磁體。
另外，按照本發(fā)明的電機(jī)的定子或是轉(zhuǎn)子或是雙方包括交叉磁化的永磁體磁極。在某些最佳實(shí)施例中，在定子上裝有永磁體磁極和阻抗磁極，而轉(zhuǎn)子上僅僅裝有一種永磁體磁極或是阻抗磁極。然而還需要注意，在本發(fā)明的范圍內(nèi)也包括在轉(zhuǎn)子上同時(shí)安裝阻抗磁極和永磁體磁極的實(shí)施例。
定子上的每個(gè)磁極構(gòu)成了本文中所稱的一個(gè)磁極單元的一部分。定子包括多個(gè)分開(kāi)的磁極單元，每個(gè)單元中包括一個(gè)磁極或是多個(gè)相同或是不同的磁極。然而，無(wú)論磁極單元的構(gòu)成或是組合如何，定子上的所有磁極單元都是阻抗磁極或是永磁體磁極當(dāng)中的一種類型的磁極。
定子上的每個(gè)磁極單元對(duì)應(yīng)著多相繞組系統(tǒng)中一相繞組的一個(gè)獨(dú)立線圈。每個(gè)線圈包圍或是連接到與其有關(guān)的磁極單元上，當(dāng)繞組被通電時(shí)在磁極單元的磁極中產(chǎn)生跨過(guò)氣隙用磁路鏈接定子和轉(zhuǎn)子的磁通量。如果磁極單元中包括一個(gè)永磁體磁極，這種電磁通量量可能和永磁體磁通量相反或是疊加在其上，這取決于磁通量的方向。
構(gòu)成同一相繞組一部分的不同的線圈或是不同的線圈組可以相互電連接成一個(gè)電路?；蛘呤菢?gòu)成同一相繞組一部分的線圈可以用不同但是同步的電子電源組件來(lái)通電。用交變極性的電流通電的線圈可以被一種分流線圈代替，用單極性電流脈沖對(duì)具有相反磁路排列的各個(gè)線圈部分通電。
每個(gè)磁極單元的操作可以被認(rèn)為是包括在轉(zhuǎn)子的每一轉(zhuǎn)中反復(fù)執(zhí)行給定次數(shù)的操作周期。如果轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度很慢，例如在從停止位置開(kāi)始起動(dòng)的過(guò)程中，一個(gè)磁極單元的操作周期包括在有關(guān)的線圈中有電流的一個(gè)階段和線圈中沒(méi)有電流的一個(gè)階段。
從現(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)中還可以知道，按照本發(fā)明的磁極行列在定子和轉(zhuǎn)子之一或是雙方的至少一個(gè)或是多個(gè)磁極單元內(nèi)部具有磁路的不對(duì)稱性。
在永磁體磁極的共同作用下，即使是只有一相繞組通電，這種不對(duì)稱仍可以使本發(fā)明的電機(jī)在單方向上自發(fā)起動(dòng)。
不對(duì)稱的磁極單元所具有的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)在于它擴(kuò)展了永磁體磁極或是通電的一相繞組施加在轉(zhuǎn)子上的正轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子角度距離范圍，從而增加或是延長(zhǎng)了不同相的轉(zhuǎn)矩曲線之間的重疊距離，與沒(méi)有不對(duì)稱磁極單元的電機(jī)(也就是不需要自起動(dòng)的電機(jī))相比，可以獲得極為平滑的轉(zhuǎn)矩。
在本發(fā)明和權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)可以用多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)磁性的不對(duì)稱，以下要對(duì)此加以說(shuō)明。
象現(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)一樣，磁性不對(duì)稱可以在電機(jī)中形成優(yōu)先的起動(dòng)方向，但是本發(fā)明的電機(jī)中的磁性不對(duì)稱還有其他的作用。
在本發(fā)明中利用磁性不對(duì)稱獲得的其他作用主要是擴(kuò)展所謂的牽引距離。也就是一個(gè)電機(jī)部件上的一個(gè)磁極，一個(gè)永磁體磁極，或是一個(gè)磁化的阻抗磁極能夠吸引另一個(gè)電機(jī)部件上的一個(gè)磁極，使兩個(gè)磁極從作為吸引位置的第一穩(wěn)定位置上彼此吸引，使其到達(dá)下一個(gè)穩(wěn)定位置即起動(dòng)位置的有效距離，它們的磁性在這一距離范圍內(nèi)是相互對(duì)準(zhǔn)的，因此，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向上不會(huì)在磁極之間出現(xiàn)磁性的引力(在橫跨該方向的方向上只有一個(gè)磁性引力)。
在這種牽引運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，當(dāng)磁極的磁性對(duì)準(zhǔn)時(shí)，兩個(gè)磁極之間的磁導(dǎo)或者說(shuō)是通過(guò)兩個(gè)磁極之間的磁通量(假設(shè)磁勢(shì)是恒定的)應(yīng)該穩(wěn)定地增加到最大值。因此，延長(zhǎng)牽引距離就意味著降低了磁通量變化率在牽引距離上的平均值。
采用磁性不對(duì)稱的方式就可以獲得這種效果，例如在至少一個(gè)磁極上提供一個(gè)在相對(duì)的優(yōu)先起動(dòng)方向上延伸的輔助磁極部分，這樣的磁極具有一個(gè)主磁極部分和一個(gè)用來(lái)確定優(yōu)先起動(dòng)方向的輔助磁極部分。
在起動(dòng)位置和牽引位置上，輔助磁極部分至少延伸到另一個(gè)電機(jī)部件上的下一個(gè)磁極(從相對(duì)的優(yōu)先起動(dòng)方向上)附近的一點(diǎn)，并且可以和那個(gè)磁極稍有重疊。然而，輔助磁極部分的重疊部位的每單位重疊長(zhǎng)度上(從圓周上測(cè)量)一定不能象主磁極部分的重疊部位輸送一樣多的磁通量。
假設(shè)在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)中利用定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極雙方在軸向上延伸的前端和尾端來(lái)選擇的磁性不對(duì)稱的定子磁極在多數(shù)情況下可能會(huì)出現(xiàn)以下的現(xiàn)象。可以用和轉(zhuǎn)子直徑相同的一個(gè)單一鐵磁性圓筒來(lái)代替電機(jī)的轉(zhuǎn)子，并且在轉(zhuǎn)動(dòng)圓筒的過(guò)程中沿著圓筒表面上的一條軸向延伸線測(cè)量氣隙中的磁通量密度，讓延伸線朝著轉(zhuǎn)過(guò)磁極的優(yōu)先方向移動(dòng)。用來(lái)表示測(cè)得的磁通量密度(在線的長(zhǎng)度上的平均值)與線相對(duì)于磁極的角度位置關(guān)系的曲線將會(huì)或多或少地穩(wěn)定上升或是或多或少地從不同于磁極前端接近零的一點(diǎn)到達(dá)主磁極部分下面的一個(gè)大致恒定的值，然后在尾端陡峭地傾斜。如果改成磁性對(duì)稱的磁極，曲線也會(huì)變成對(duì)稱的，類似高斯曲線。
通過(guò)適當(dāng)?shù)男薷囊部梢詫⑸鲜鲈碛糜谄渌麍?chǎng)合，例如在保持轉(zhuǎn)子磁極的磁性不對(duì)稱或是磁極的前端和尾端不是軸向延伸的情況下。例如，磁極的端部是不對(duì)稱的，讓它們沿著一條螺線延伸，可以通過(guò)沿著一條對(duì)應(yīng)的螺線測(cè)量磁通量密度來(lái)進(jìn)行檢查。
如果永磁體磁極具有一致的徑向尺寸和徑向或是橫跨氣隙的一致的磁化極性，就能利用磁極的形狀獲得磁性不對(duì)稱的磁極。例如，磁極的前端和尾端在電機(jī)的軸向上可以具有不同的長(zhǎng)度。如果在均勻厚度的一個(gè)永磁體材料的環(huán)中采用具有相應(yīng)形狀的磁化的印刷磁極，也可以獲得類似的效果。在這種情況下，永磁體環(huán)的形狀對(duì)磁場(chǎng)圖形或是“磁場(chǎng)形狀”沒(méi)有影響。
如果采用在前端和尾端分別具有不同徑向尺寸的永磁體磁極(也就是在電機(jī)部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向上改變磁極上的氣隙寬度)，但是在磁極的整體上保持均勻的磁化強(qiáng)度，也可以獲得磁性不對(duì)稱的磁極。
為了獲得磁性不對(duì)稱的永磁體磁極，當(dāng)然也可以同時(shí)采用多種方法。
可以用多種途徑來(lái)獲得磁性不對(duì)稱的鐵磁性凸極即阻抗磁極。一種方法是讓一個(gè)磁極上面對(duì)著氣隙的表面在電機(jī)軸向方向的尺寸(寬度)上不對(duì)稱，在這種情況下，整個(gè)磁極面到旋轉(zhuǎn)軸線的徑向距離可能是相同的。
另一種方法是讓阻抗磁極的突出面(面對(duì)著氣隙的面)對(duì)稱，但是改變其到旋轉(zhuǎn)軸線的徑向距離，也就是隨著另一個(gè)電機(jī)部件上的設(shè)想的(圓筒形)表面沿著磁極面逐步或是連續(xù)地改變氣隙的寬度。
第三種方法是沿著磁極面改變磁飽和磁通量密度。這種方法可以采用不同的磁性材料制作凸極的不同部件，或是可以改變層疊的鐵磁性磁極的填充系數(shù)，或是利用穿孔的槽來(lái)縮小實(shí)際的磁極面(以便使實(shí)際的磁極面看起來(lái)是均勻的)，或是可以改變輔助磁極部件的徑向尺寸，使其從旋轉(zhuǎn)軸線的方向上看具有類似于鳥(niǎo)嘴的曲線輪廓的形狀。
當(dāng)然也可以同時(shí)采用多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱的磁性。如何實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱的方式通常取決于電機(jī)的制造成本和電子設(shè)備成本之間的平衡，因?yàn)椴粚?duì)稱形式的選擇會(huì)影響到電子設(shè)備中包括的功率電子開(kāi)關(guān)器件的大小。
如下文所述，在體現(xiàn)本發(fā)明的電機(jī)中，磁性的不對(duì)稱特征不僅涉及到和一個(gè)公共繞組線圈有關(guān)的磁極單元中的單個(gè)磁極，而是磁極單元中的所有磁極都處在對(duì)線圈通電所產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下。另一個(gè)特征是磁極單元不僅采用了磁性不對(duì)稱的一或多個(gè)獨(dú)立的磁極，同時(shí)還利用了定子或是轉(zhuǎn)子上的一個(gè)磁極單元內(nèi)部的一個(gè)獨(dú)立磁極的不對(duì)稱位置。
如果一個(gè)轉(zhuǎn)子磁極從其磁路上對(duì)準(zhǔn)定子磁極的一個(gè)位置到轉(zhuǎn)子上的某一個(gè)磁極在磁路上對(duì)準(zhǔn)一個(gè)不同類型磁極的定子磁極的下一個(gè)相鄰位置之間的移動(dòng)距離大于或是小于半個(gè)轉(zhuǎn)子磁極的間距，或者是定子上僅有一個(gè)不同極性的永磁體磁極，定子上的磁極單元中的一個(gè)磁極就是不對(duì)稱定位的。
換句話說(shuō)，如果轉(zhuǎn)子磁極在磁路上對(duì)準(zhǔn)永磁體磁極的起動(dòng)位置到任何一個(gè)轉(zhuǎn)子受到牽引的下一個(gè)或是前一個(gè)位置之間的轉(zhuǎn)子磁極跨越距離大于或是小于半個(gè)轉(zhuǎn)子磁極的間距，定子上的一個(gè)永磁體磁極相對(duì)于同一個(gè)或是不同磁極單元中的一個(gè)阻抗磁極就是不對(duì)稱定位的。
按照一種對(duì)應(yīng)的方式，在轉(zhuǎn)子中也會(huì)出現(xiàn)由于磁極的不對(duì)稱定位而形成的磁性不對(duì)稱。例如，在交替極性的永磁體磁極構(gòu)成的一個(gè)轉(zhuǎn)子的磁極行列中，北極的永磁體磁極可能在南極永磁體磁極之間從一個(gè)中間位置朝任一方向移動(dòng)，而所有相同磁極的間隔基本上都是相等的。
在本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)中所說(shuō)的一個(gè)磁極單元(磁極組)可以是一個(gè)磁極，或者是和一個(gè)勵(lì)磁線圈有關(guān)的多個(gè)磁極。
以下要參照附圖詳細(xì)地解釋本發(fā)明，在附圖中示意性地表示了多種具體實(shí)施例。


圖1A是一個(gè)截面圖，表示按照本發(fā)明第一實(shí)施例的電機(jī)；圖1B是一個(gè)展開(kāi)圖，示意性地表示了定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極的相對(duì)位置，所有磁極都是從定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)部看到的磁極；圖1C是對(duì)應(yīng)著圖1A的一個(gè)截面圖，并且在圖中表示了磁力線的圖形；圖1D是從圖1的1D-1D線方向看到的一個(gè)電機(jī)的簡(jiǎn)化的軸向截面圖；圖1E是用于圖1所示電機(jī)的一個(gè)電子電源的電路圖；圖1F-1G分別表示圖1的電機(jī)和一個(gè)對(duì)應(yīng)的現(xiàn)有技術(shù)電機(jī)的特性曲線；圖2A和2B是對(duì)應(yīng)著圖1A和1B的視圖，表示按照本發(fā)明第二實(shí)施例的一個(gè)電機(jī)；
圖3A和3B是對(duì)應(yīng)著圖1A和1B的視圖，表示按照本發(fā)明第三實(shí)施例的一個(gè)電機(jī)；圖4A和4B是對(duì)應(yīng)著圖1A和1B的視圖，表示按照本發(fā)明第四實(shí)施例的一個(gè)電機(jī)；圖5A和5B是對(duì)應(yīng)著圖1A和1B的視圖，表示按照本發(fā)明第五實(shí)施例的一個(gè)電機(jī)；圖6A和6B是對(duì)應(yīng)著圖1A和1B的視圖，表示按照本發(fā)明第六實(shí)施例的一個(gè)電機(jī)；圖7A和7B是一些分解圖，表示在圖1A-1D所示的電機(jī)中對(duì)定子阻抗磁極的改動(dòng)形式。
在圖中所示的本發(fā)明的所有實(shí)施例的電機(jī)都是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中的第一電機(jī)部件也就是具有繞組系統(tǒng)的電機(jī)部件是一個(gè)定子，在定子內(nèi)部的第二電機(jī)部件即轉(zhuǎn)子被安裝在定子和另一個(gè)靜止部件上的軸承支撐著做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。顯而易見(jiàn)，本發(fā)明還可以用于第一電機(jī)部件被裝在第二電機(jī)部件內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，以及第一和第二電機(jī)部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是線性運(yùn)動(dòng)的電機(jī)，或是旋轉(zhuǎn)和線性運(yùn)動(dòng)的電機(jī)(第一和第二電機(jī)部件的磁極是沿著螺旋的磁極行列布置的)。對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，第一和第二電機(jī)部件的磁極的磁極面可以布置在圓筒或是同心的面上，而對(duì)于軸流電機(jī)來(lái)說(shuō)，則可以布置在交叉平面中的環(huán)形面上。另外，第一電機(jī)部件可以僅僅延伸到覆蓋第二電機(jī)部件圓周上的一部分，參見(jiàn)WO92/12567的圖4。
在所有附圖中，基本上徑向磁化的永磁體磁極的橫向極性是用指向磁體北極的一個(gè)箭頭來(lái)表示的。
另外，在圖示的所有實(shí)施例中，不對(duì)稱的定子和/或轉(zhuǎn)子磁極是有方向的，轉(zhuǎn)子的優(yōu)先起動(dòng)方向是逆時(shí)針的。
參見(jiàn)圖1A-1D，電機(jī)中用鐵磁體層疊的定子11具有四個(gè)相同的磁極單元12U,12V，它們是沿著一個(gè)環(huán)形的磁極行列S(圖1B)均勻分布的，因此有兩個(gè)徑向相對(duì)的磁極單元12U和兩個(gè)徑向相對(duì)的磁極單元12V。每個(gè)磁極單元12U,12V包括一對(duì)沿著磁極行列分布的鐵磁性凸極，也被稱為阻抗磁極13，還有一個(gè)位于阻抗磁極之間的永磁體磁極14。磁極單元12U,12V相對(duì)于磁極行列S的圓周中心線和垂直于中心線S的一條中心線L是幾何對(duì)稱的，并且與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線C平行，參見(jiàn)圖1B。在上述的情況下，磁極13和14的磁性也是對(duì)稱的。
定子上的一個(gè)兩相繞組系統(tǒng)包括兩對(duì)交替通電的繞組線圈15U和15V。一對(duì)繞組線圈15U被裝在磁極單元12U周?chē)?，并且?gòu)成了第一相繞組的一部分。同樣，另一對(duì)繞組線圈15V被裝在磁極單元12V周?chē)?，并且?gòu)成了第二相繞組的一部分。向繞組系統(tǒng)的兩相提供相位相反的脈沖直流電流。
鐵磁體層疊的轉(zhuǎn)子16包括一個(gè)轉(zhuǎn)子軸17和一個(gè)鐵磁性轉(zhuǎn)子體18。各自包括一個(gè)鐵磁性凸極也就是阻抗磁極19的相同的磁極單元被均勻地分布在一個(gè)環(huán)形磁極行列R中(圖1B)。轉(zhuǎn)子16的磁極行列R和定子11的磁極行列S位于同一個(gè)橫截平面中，在轉(zhuǎn)子16的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，每個(gè)轉(zhuǎn)子磁極19都會(huì)按順序?qū)?zhǔn)并且面對(duì)定子11上的所有磁極13,14。
每個(gè)阻抗磁極19包括一個(gè)主磁極體或是部分19A，其軸向尺寸大體上與定子的磁極13,14相同，以及一個(gè)軸向尺寸較小的輔助磁極部分或是鼻子19B，為了便于說(shuō)明，從圖1B中可見(jiàn)，定子磁極行列S和轉(zhuǎn)子磁極行列R(兩個(gè)磁極行列都是從氣隙內(nèi)部來(lái)看的)的直線部分被表示成了軸向分布的狀態(tài)。
從圖1A中可見(jiàn)，在上述的情況下，從各自的主磁極部分19A的逆時(shí)針一側(cè)伸出的輔助磁極部分19B形成了磁性不對(duì)稱的磁極19，因此，電機(jī)有一個(gè)優(yōu)先的起動(dòng)方向，并且是在逆時(shí)針的方向上起動(dòng)。
轉(zhuǎn)子磁極19的磁極面被共同包含在一個(gè)虛構(gòu)的圓筒面上，其軸線與轉(zhuǎn)子16的旋轉(zhuǎn)軸線C相吻合。同樣，定子磁極13,14的磁極面被共同包含在一個(gè)虛構(gòu)的圓柱面上，它是和上述的圓筒面同心并且稍稍分離的，從而用一個(gè)狹窄的圓筒形氣隙20將轉(zhuǎn)子磁極19與定子磁極13,14隔開(kāi)。
如圖1A所示，定子11的每個(gè)磁極單元12U,12V的阻抗磁極13的角度間隔和轉(zhuǎn)子16上相鄰磁極19的角度間隔是相同的。如果轉(zhuǎn)子磁極19的數(shù)量是十個(gè)，相鄰轉(zhuǎn)子磁極的角度間隔或是間距以及相應(yīng)的每個(gè)定子磁極單元12U,12V的阻抗磁極13的角度間隔就是36度。
另外，定子11的磁極單元12U,12V的角度間隔是90度，如圖1A-1C中的上、下定子磁極單元12U所示，每次僅有四個(gè)轉(zhuǎn)子磁極19能夠在磁路上對(duì)準(zhǔn)阻抗磁極13。一般來(lái)說(shuō)，將轉(zhuǎn)子磁極19和定子的阻抗磁極13的這種相對(duì)位置稱為“吸引位置”，這是因?yàn)?，如果用電機(jī)的工作電流對(duì)涉及到定子磁極單元12U的繞組線圈15U通電，轉(zhuǎn)子磁極就會(huì)在定子的阻抗磁極13的強(qiáng)力吸引下移向這一位置，也就是受到了轉(zhuǎn)子磁極和定子磁極單元12U的阻抗磁極之間的磁力的正切分量(產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量)的作用。因此，這種“吸引位置”反映了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡，如果在繞組線圈12U帶電期間使轉(zhuǎn)子偏離這一位置，在轉(zhuǎn)子上就會(huì)重新產(chǎn)生磁轉(zhuǎn)矩。如果在“吸引位置”上的正切磁力是零，磁力的徑向分量就達(dá)到了最大值。換句話說(shuō)，吸引位置就是轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于磁化的定子磁極具有最小阻抗的位置。
在圖1A-1C所示的相對(duì)位置上，除了這四個(gè)轉(zhuǎn)子磁極19之外，所有其他轉(zhuǎn)子磁極19在角度上都是偏離定子的阻抗磁極13的。這一偏離位置被稱為“非吸引位置”，因?yàn)槎ㄗ拥拇呕淖杩勾艠O在這一位置上可以在優(yōu)先方向上對(duì)這些轉(zhuǎn)子磁極施加一個(gè)凈正切力，將轉(zhuǎn)子向吸引位置牽引。
然而，在圖1A所示的相對(duì)位置上，相對(duì)于定子磁極單元12V的阻抗磁極13處在非吸引位置的那兩個(gè)轉(zhuǎn)子磁極19在磁路上對(duì)準(zhǔn)了這些定子磁極單元12V的永磁體磁極。這兩個(gè)轉(zhuǎn)子磁極會(huì)受到永磁體磁極的吸引，只要是繞組線圈15V不通電，就能將它們保持在對(duì)準(zhǔn)的位置，使有關(guān)的阻抗磁極13不會(huì)被磁化。
圖1A所示的狀態(tài)是一個(gè)穩(wěn)定或是牽引位置，在第一相繞組線圈15U被通電，而第二相繞組線圈15V因斷電而沒(méi)有電流時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種情況。
在定子和轉(zhuǎn)子的這種相對(duì)位置上，如果對(duì)第一相繞組線圈15U斷電，并且對(duì)第二相繞組線圈15V通電，上、下定子磁極單元12U的各個(gè)永磁體磁極14就會(huì)在輔助磁極19B朝向永磁體磁極的那個(gè)相鄰轉(zhuǎn)子磁極19上施加很強(qiáng)的吸引力，這一吸引力比對(duì)輔助磁極部分19B背離永磁體磁極的那些其他相鄰轉(zhuǎn)子磁極19的吸引力要強(qiáng)。因此，定子磁極單元12U的永磁體磁極14就會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子16施加一個(gè)逆時(shí)針的轉(zhuǎn)矩。
圖1C表示和圖1A相同的相對(duì)位置，并且還表示了通電的繞組系統(tǒng)已經(jīng)從第一相繞組線圈15U變成了第二相繞組線圈15V時(shí)產(chǎn)生的磁通量圖形。此時(shí)，左、右定子磁極單元12V的被磁化的阻抗磁極13也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子16施加一個(gè)逆時(shí)針的轉(zhuǎn)矩，因?yàn)檫@些阻抗磁極會(huì)吸引最近的輔助磁極部分19B。
在這一轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子16會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)相當(dāng)于一半轉(zhuǎn)子磁極間距的角度，直到四個(gè)轉(zhuǎn)子磁極19再次到達(dá)吸引位置，這一時(shí)間相當(dāng)于左、右定子磁極單元12V的阻抗磁極13和所有其他轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于定子阻抗磁極處在非吸引位置的情況。
當(dāng)提供給定子11的繞組系統(tǒng)的電流被切斷時(shí)，上、下(第一相)定子磁極單元12U或是左、右(第二相)定子磁極單元12V的永磁體磁極14就會(huì)使轉(zhuǎn)子16停止并且保持在當(dāng)前的位置或是圖1A所示的位置(“頂峰”或是停止位置)，徑向相對(duì)的一對(duì)轉(zhuǎn)子磁極19在該位置上相對(duì)于一對(duì)徑向相對(duì)的永磁體磁極14處在一個(gè)被吸引的穩(wěn)定位置。當(dāng)然，作用在轉(zhuǎn)子上的摩擦或是其他外力以及定子和轉(zhuǎn)子之間占優(yōu)勢(shì)的磁引力可能使轉(zhuǎn)子停止并且保持在一個(gè)不確定和不穩(wěn)定的位置。然而，無(wú)論轉(zhuǎn)子停止在什么位置，在繞線系統(tǒng)被重新通電時(shí)都可以在優(yōu)先方向上起動(dòng)。
圖1E表示一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，用來(lái)從一個(gè)三相電源向圖1A-1D的電機(jī)以及按照本發(fā)明的用脈沖直流電流供電的其他兩相電機(jī)供電。該電路包括一個(gè)整流橋21，它通過(guò)一個(gè)平滑電感器24和一個(gè)所謂的DC連接電容器25連接到一對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋式電路22和23。開(kāi)關(guān)橋式電路是由一個(gè)控制裝置(未示出)來(lái)控制的，用來(lái)交替地向繞組線圈15U和15V供電。
圖1F中的深線A代表DC連接負(fù)載電流(ID)與圖1A-1D所示電機(jī)中用電角度(E°)表示的轉(zhuǎn)子角位置(α)的關(guān)系，而淺線B代表一個(gè)用來(lái)比較的按照WO92/12567的具有單相繞組系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)電機(jī)的DC連接負(fù)載電流。從圖中可以明顯地看出，圖1A-1D所示電機(jī)的DC連接負(fù)載電流的脈動(dòng)比現(xiàn)有技術(shù)電機(jī)的脈動(dòng)明顯地降低了，并且出現(xiàn)的重復(fù)頻率達(dá)到了兩倍。這就意味著圖1A-1D所示電機(jī)中的DC連接負(fù)載電流波動(dòng)對(duì)電源的影響比較小，或者是容易降低到一個(gè)理想的水平。
毫無(wú)疑問(wèn)，如果采用圖1A-1D的電機(jī)來(lái)降低對(duì)電源的不利影響，就可以用兩個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)橋式電路來(lái)代替現(xiàn)有技術(shù)電機(jī)所需的單個(gè)開(kāi)關(guān)橋式電路。然而，在大多數(shù)情況下，這樣做不但沒(méi)有缺點(diǎn)反而實(shí)際上是有益的，這是因?yàn)樵陔姍C(jī)的輸出功率相同的條件下為圖1A-1D的電機(jī)提供兩個(gè)開(kāi)關(guān)橋式電路比為現(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)提供一個(gè)開(kāi)關(guān)橋式電路更便宜。前一種情況下使用的半導(dǎo)體元件的額定功率可以比第二種情況下更低。實(shí)際上，為每個(gè)繞組線圈提供獨(dú)立的開(kāi)關(guān)橋式電路甚至?xí)阋恕?br> 在圖1G中，深線H代表按照?qǐng)D1A-1D的電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(Ts)與用電角度表示的轉(zhuǎn)子角位置(α)的關(guān)系，而淺線K代表用來(lái)比較的按照WO92/12567的電機(jī)中對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩曲線(兩個(gè)電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩相同)。這些曲線還粗略地反映出兩種電機(jī)之間在起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子角位置關(guān)系上的差別。
顯而易見(jiàn)，用圖1A-1D代表的本發(fā)明的電機(jī)在運(yùn)行速度下產(chǎn)生的氣隙轉(zhuǎn)矩比現(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)更加平滑。另外，在圖1A-1D的電機(jī)中，在最不理想的轉(zhuǎn)子位置上產(chǎn)生的最低有效氣隙轉(zhuǎn)矩也就是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩被明顯地提高了。
圖2A和2B所示的電機(jī)與圖1A-1D的電機(jī)的實(shí)質(zhì)區(qū)別僅僅是在定子211上設(shè)有三對(duì)相同和均勻分布的磁極單元212T,212U和212V，三相繞組系統(tǒng)的繞組線圈215T,215U和215V分別繞在這些磁極單元上面。轉(zhuǎn)子216具有各自由一個(gè)磁性不對(duì)稱的阻抗磁極219構(gòu)成的十四個(gè)磁極單元。定子和轉(zhuǎn)子的磁極單元和圖1A-1D的電機(jī)都是相似的。
在圖2A和2B所示的定子211和轉(zhuǎn)子216的相對(duì)位置上，有四個(gè)轉(zhuǎn)子磁極219相對(duì)于每個(gè)定子磁極單元212U的阻抗磁極213處在牽引的吸引位置上，對(duì)相應(yīng)的繞組線圈215U通電，而所有其他的轉(zhuǎn)子磁極219在圓周上偏離了定子磁極單元212T和212V的阻抗磁極213，因此相對(duì)于這些阻抗磁極處在非吸引位置。
每當(dāng)通電的繞組線圈例如成對(duì)的繞組線圈215U被斷電時(shí)，成對(duì)的繞組線圈215V就已經(jīng)通電了。轉(zhuǎn)子216受到定子磁極單元212V和另外兩對(duì)繞組線圈中沒(méi)有通電的磁極單元中的永磁體磁極的雙重作用，使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子移動(dòng)了相當(dāng)于三分之一轉(zhuǎn)子磁極間距之后，四個(gè)新的轉(zhuǎn)子磁極就會(huì)到達(dá)面對(duì)成對(duì)的定子磁極單元212V的阻抗磁極的吸引位置。
在圖3A和3B所示的電機(jī)中，定子311象圖1A-1D一樣具有兩對(duì)相同且均勻分布的磁極單元312U和312V，兩相繞組系統(tǒng)的繞組線圈315U和315V分別繞在這些磁極單元上面。
然而，與圖1A-1D電機(jī)的定子磁極單元不同，每個(gè)定子磁極單元312U或是312V僅僅包括一對(duì)阻抗磁極313，具體地說(shuō)，各自的磁性不對(duì)稱的阻抗磁極包括一個(gè)主磁極部分313A和一個(gè)從主磁極部分的順時(shí)針一側(cè)(也就是與轉(zhuǎn)子316旋轉(zhuǎn)時(shí)的起動(dòng)方向相反的方向)突出的輔助磁極部分313B。
同樣，與圖1A-1D電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極單元不同，轉(zhuǎn)子316的十八個(gè)轉(zhuǎn)子磁極單元各自是由一個(gè)磁性不對(duì)稱的永磁體磁極319構(gòu)成的，它包括一個(gè)主磁極部分319A和一個(gè)從主磁極部分的逆時(shí)針一側(cè)也就是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向上突出的輔助磁極部分319B。相鄰的永磁體磁極319的極性是相反的，并且其角度間隔或是間距只有阻抗磁極313的角度間隔的一半。
與圖1A-1D的電機(jī)相比，圖3A,3B所示的電機(jī)的另一個(gè)區(qū)別是向繞組線圈315U,315V提供交變極性的電流脈沖，從而改變各個(gè)阻抗磁極313的磁化方向。在圖3A,3B所示的電機(jī)中，轉(zhuǎn)子316的永磁體磁極319還可以將轉(zhuǎn)子保持在起動(dòng)位置，也就是說(shuō)，它還完成圖1A-1D中所示電機(jī)中定子磁極單元的永磁體磁極的那種功能。另外，在圖3A,3B中，不對(duì)稱的定子阻抗磁極還有助于形成不對(duì)稱的轉(zhuǎn)子磁極。
在圖4A和4B所示的電機(jī)中，轉(zhuǎn)子416與圖3A,3B中的轉(zhuǎn)子316相同，并且同樣包括一個(gè)環(huán)形行列，它包括按照交替的極性均勻分布的十八個(gè)磁性不對(duì)稱的永磁體磁極319。定子411同樣包括四個(gè)相同的磁極單元412U和412V以及相關(guān)的一個(gè)兩相繞組系統(tǒng)中的繞組線圈415U和415V，象圖1A-1D的電機(jī)一樣向繞組線圈提供脈動(dòng)直流電流。
然而，與圖3A,3B的定子磁極單元不同，定子磁極單元412U和412V中包括了阻抗磁極和永磁體磁極。具體地說(shuō)，每個(gè)定子磁極單元412U和412V包括一對(duì)分開(kāi)的對(duì)稱阻抗磁極413(其角度間隔是轉(zhuǎn)子磁極的角度間隔或是間距的二倍)和一個(gè)不對(duì)稱的永磁磁極414，其位置正好處在阻抗磁極的中間，并且包括一個(gè)主磁極部分414A和一個(gè)從主磁極部分的順時(shí)針一側(cè)突出的輔助磁極部分414B。徑向相對(duì)的定子磁極單元中的永磁體磁極414是極性相反的。
另外，與圖3A,3B的定子磁極單元不同，定子磁極單元412U和412V不是均勻分布的。屬于第一相繞組系統(tǒng)的帶有相關(guān)繞組線圈415U的兩個(gè)磁極單元412U在直徑U上對(duì)中，而屬于第二相繞組系統(tǒng)的帶有相關(guān)繞組線圈415V的兩個(gè)磁極單元412V同樣在直徑V上對(duì)中。如圖4A所示，直徑U和V不是正交的。每個(gè)定子磁極單元412U和412V與其相鄰的定子磁極單元的角度間隔在一側(cè)相當(dāng)于四個(gè)轉(zhuǎn)子磁極間隔(八十度)，而在另一側(cè)相當(dāng)于五個(gè)磁極間隔(一百度)。
在圖4A,4B所示的定子411和轉(zhuǎn)子416的相對(duì)位置上，轉(zhuǎn)子416上位置對(duì)著第一相磁極單元412U的阻抗磁極413的四個(gè)永磁體磁極419處在相對(duì)于這些阻抗磁極的吸引位置上。同時(shí)，轉(zhuǎn)子416上位置對(duì)著第二相磁極單元412V的永磁體磁極414的兩個(gè)永磁體磁極419處在相對(duì)于定子上的這些永磁體磁極的吸引位置上。因此，圖示的轉(zhuǎn)子位置是一個(gè)起動(dòng)位置，當(dāng)?shù)诙嗬@組通電時(shí)，電機(jī)就從該位置起動(dòng)。
在圖5A和5B所示的電機(jī)中，轉(zhuǎn)子516與圖1A-1D中是一樣的，并且同樣包括磁性不對(duì)稱的阻抗磁極519的一個(gè)環(huán)形行列。在本實(shí)施例的情況下，阻抗磁極的數(shù)量是十一。
象圖1A-1D中一樣，圖5A和5B中的定子511包括四個(gè)相同并且均勻分布的磁極單元512U和512V以及兩相繞組系統(tǒng)中相應(yīng)的繞組線圈515U和515V。然而，在這種情況下，定子磁極單元僅僅包括永磁體磁極514；每個(gè)定子磁極單元512U和512V一個(gè)行列交替極性的四個(gè)對(duì)稱的永磁體磁極514，其磁極間距是轉(zhuǎn)子磁極519的間距的一半。另外，象圖3A和3B的電機(jī)一樣向各相繞組系統(tǒng)提供交變極性的電流。
在圖6A和6B所示的電機(jī)中，磁極行列中的磁性是不對(duì)稱的，但是定子和轉(zhuǎn)子上的所有單個(gè)磁極的磁性都是對(duì)稱的。在這種電機(jī)中，本發(fā)明的目的是通過(guò)定子上的磁極單元內(nèi)部的磁性不對(duì)稱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是讓磁極單元中的一對(duì)對(duì)稱的阻抗磁極之間的一個(gè)對(duì)稱的永磁體磁極的位置不對(duì)稱。
具體地說(shuō)，圖6A,6B所示的電機(jī)包括一個(gè)定子611，其阻抗磁極類似于圖1A到1D中所示的情況。轉(zhuǎn)子616同樣類似于圖1A到1D中的轉(zhuǎn)子，其區(qū)別僅是在磁極619的前端和尾端均設(shè)有輔助磁極部分619B，并且這些輔助磁極部分的直徑比較小。
每個(gè)磁極單元612U和612V包括一個(gè)矩形的磁性對(duì)稱的永磁體磁極614，將其放置在與相鄰的兩個(gè)阻抗磁極613之一不對(duì)稱或是偏心的位置上。磁極單元612U和612V的永磁體磁極614被連接到一個(gè)共同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)620，這其中包括一個(gè)連桿621。
在電機(jī)的工作期間，永磁體磁極614在選定的偏心位置上是靜止的，但是，如果從圖6A中用實(shí)線所示的位置向下移動(dòng)連桿621，磁極單元612U和612V的永磁體磁極614就可以在圓周上從圖示的偏心位置移動(dòng)到靠近其他定子阻抗磁極613的一個(gè)對(duì)應(yīng)的偏心位置(在圖6A,6B中用虛線表示)，這樣就改變了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的優(yōu)先方向。
圖中的轉(zhuǎn)子616的磁極619相對(duì)于磁極單元612U的阻抗磁極613處在牽引或是吸引位置。在該位置上，兩個(gè)轉(zhuǎn)子磁極尾端(假設(shè)轉(zhuǎn)子是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))上的輔助磁極619B，左上磁極，以及右下磁極緊密地靠近每個(gè)永磁體磁極614的一端，最好讓每個(gè)永磁體磁極和相鄰的一個(gè)這種轉(zhuǎn)子磁極之間稍有重疊。每個(gè)永磁體磁極614的相對(duì)一端和另一個(gè)相鄰轉(zhuǎn)子磁極的間隔是固定的。
與此相應(yīng)，在圖示的牽引轉(zhuǎn)子位置上，從轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向上看，每個(gè)永磁體磁極614和它前面的轉(zhuǎn)子磁極619之間的磁性引力很大，超過(guò)了永磁體磁極和它后面的轉(zhuǎn)子磁極之間的磁性引力。當(dāng)轉(zhuǎn)子處在這一位置時(shí)，如果切斷繞組線圈615中的電流，永磁體磁極614就會(huì)把轉(zhuǎn)子順時(shí)針推動(dòng)到起動(dòng)位置。
在起動(dòng)位置上，轉(zhuǎn)子磁極619前端的輔助磁極部分619B將會(huì)緊密地靠近它前面的兩個(gè)定子阻抗磁極613并且稍有重疊，此時(shí)如果對(duì)繞組線圈15通電，這些阻抗磁極就會(huì)在逆時(shí)針?lè)较蛏先ν苿?dòng)轉(zhuǎn)子，使其象參照?qǐng)D1A到1D所述的情況一樣脫離起動(dòng)位置。
在圖示的所有實(shí)施例中，定子和轉(zhuǎn)子都是用層疊的導(dǎo)電薄鋼板制成的，如圖1D所示(為了清楚而放大了板的厚度)。
在構(gòu)成定子阻抗磁極13的那部分板中，每個(gè)第二定子板11A被稍微縮小，讓板上面對(duì)著氣隙的曲線邊沿11B在徑向上相對(duì)于相鄰的板向外偏移，參見(jiàn)圖1A和圖1D的下部。換句話說(shuō)，僅有各個(gè)第二板11C一直延伸到氣隙，而間隔的板11A的端部離氣隙比較遠(yuǎn)。在圖2A-2B所示的電機(jī)中采用了類似的阻抗磁極結(jié)構(gòu)。
在阻抗磁極的磁極面上使層疊的板變薄可以保證在轉(zhuǎn)子的阻抗磁極越過(guò)定子阻抗磁極時(shí)在定子和轉(zhuǎn)子磁極之間的氣隙中產(chǎn)生的磁通量變化與磁極重疊面積的變化成正比。換句話說(shuō)，就是只要磁通量變化沒(méi)有受到磁路中不同區(qū)域內(nèi)的磁飽和的限制，就可以保證磁極重疊面積上的磁通量密度基本上是恒定的，因此，由磁極的相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也會(huì)是相當(dāng)均勻的。
從磁路中來(lái)看，減少或是縮短每個(gè)第二板上的阻抗磁極部分的效果是可以將跨過(guò)磁極面的飽和磁通量密度的平均值降低50％，用來(lái)在產(chǎn)生鐵心損耗的主要部分的層疊塊中減少磁感應(yīng)擺動(dòng)(magneticinduction swing)(磁通量密度在電機(jī)的一個(gè)操作周期內(nèi)變化的間隔)。
圖7A和7B表示一種使磁極面上的阻抗磁極變薄的修改方案。這種修改方案適用于在高操作頻率下運(yùn)行的電機(jī)，它不僅限于上述的多相電機(jī)，還可以普遍用于在定子和轉(zhuǎn)子雙方都具有阻抗磁極的各種電機(jī)。例如，按照這種修改方案，在WO90/02437和WO92/12567中公開(kāi)的那種電機(jī)都可以在定子和/或轉(zhuǎn)子上采用阻抗磁極。
為了提高電機(jī)的速度，就需要增加提供給電機(jī)的電流的操作頻率。然而，增加操作頻率必然會(huì)增加鐵心損耗。避免增加鐵心損耗的一種方法是采用較薄的層疊板，但是，如果降低了板的厚度，就可能很難甚至無(wú)法使用自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。另一種方式是把每三個(gè)板減少或是縮減到兩個(gè)，但是這種技術(shù)在大多數(shù)場(chǎng)合不能令人滿意。
本發(fā)明的目的是提供這樣一種阻抗磁極結(jié)構(gòu)，它可以適用于高頻操作的電機(jī)，但是不需要依靠上述這些技術(shù)方案。
按照本發(fā)明，可以用圖1A-1D和2A,2B所示的阻抗磁極在增大的操作頻率下有效地減少感應(yīng)擺動(dòng)，其做法是在一直延伸到氣隙的這些板中設(shè)置一些槽，用這些槽來(lái)限制板上面對(duì)磁極中的磁通量的截面面積，從而降低使磁極在磁極面上達(dá)到磁飽和的磁通量密度。
這些槽應(yīng)該基本上均勻地分布在板的截面上?？梢圆扇】椎男问剑簿褪遣幻嫦驓庀兜拈_(kāi)口，或者是采取通過(guò)狹窄的通道與氣隙連通的開(kāi)口形式?？椎膶挾炔徊灰诉^(guò)大，因?yàn)檫@樣會(huì)在阻抗磁極的面上產(chǎn)生渦流，并且至少會(huì)在其他電機(jī)部件的某些永磁體材料的永磁體磁極中產(chǎn)生渦流。
在圖7A和7B中表示了對(duì)圖1A-1D的電機(jī)中的定子阻抗磁極進(jìn)行的修改，也就是對(duì)上定子磁極單元12U右側(cè)的定子阻抗磁極13的修改。圖7A表示縮短一個(gè)板11A的阻抗磁極部分(它的板具有曲線的邊沿11B)，圖7B表示相鄰的板11C的阻抗磁極部分的全長(zhǎng)。在靠近氣隙20的區(qū)域內(nèi)，該部分具有三個(gè)由細(xì)長(zhǎng)開(kāi)口的封閉輪廓構(gòu)成的槽11D，這些槽沒(méi)有通到面對(duì)氣隙的曲線邊沿11E上。三個(gè)槽是沿著曲線邊沿的長(zhǎng)度均勻分布的。
在設(shè)計(jì)板的開(kāi)槽部分時(shí)可以采用以下的公式ΔB2=ΔB1(f1/f2)1/1.2在這一公式中，ΔB2和f分別代表感應(yīng)擺動(dòng)和操作頻率，下標(biāo)1和2表示兩種不同的操作狀態(tài)。從公式中可以看出，在不改變鐵心損耗的情況下增加操作頻率就可以減少感應(yīng)擺動(dòng)，使其比直接成正比地增加操作頻率時(shí)更小。例如，如果要將操作頻率提高一倍，若是鐵心損耗保持不變，需要將感應(yīng)擺動(dòng)減少到其原先數(shù)值的56％。提高操作頻率可以調(diào)整鐵心和銅的損耗，使其達(dá)到或是接近產(chǎn)生所需轉(zhuǎn)矩的要求。因此，與不改變鐵心損耗時(shí)的磁通量密度相比，可以選擇比較高的磁通量密度。
通過(guò)上述的開(kāi)槽方式來(lái)降低阻抗磁極面上的飽和磁通量密度還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是在不需要增大電機(jī)尺寸的情況下可以明顯地增加氣隙功率(air gap power)。
按照上述原理，對(duì)板上的阻抗磁極部分開(kāi)槽的方式同樣可以用于所有板上的阻抗磁極部分都延伸到氣隙的那種電機(jī)，例如圖1D和7B中所示的板11C。如果有必要，相鄰的板上的槽可以是不同的。
自然，值得注意的是，圖1A到6A中所示的用來(lái)磁化磁極單元的線圈也可以布置成其他方式，例如象變壓器式的線圈那樣繞在磁極組之間的軛鐵(yoke)上。定子軛鐵還可以分割，以便使用預(yù)先繞制的線圈?；蛘呤菍④楄F制成環(huán)形的截面形狀，線圈可以分段地環(huán)形繞制在軛鐵上。這樣做對(duì)小型電機(jī)具有經(jīng)濟(jì)上的好處，例如，可以用具有雙倍截面面積的單個(gè)軛鐵代替用來(lái)將兩個(gè)磁極組連接到一起的兩個(gè)軛鐵，并且只有一個(gè)繞在軛鐵上的線圈。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于小磁極面的電機(jī)和DC電機(jī)來(lái)說(shuō)是公知的。
權(quán)利要求
1．一種自起動(dòng)無(wú)刷電機(jī)包括第一電機(jī)部件(11)，它具有按照一定間隔布置在第一磁極行列中的多個(gè)磁極單元，第二電機(jī)部件(16)，它具有按照一定間隔布置在第二磁極行列中的多個(gè)磁極，用來(lái)支撐著第一電機(jī)部件和第二電機(jī)部件的軸承裝置，讓第一磁極行列跨過(guò)一個(gè)氣隙面對(duì)著第二磁極行列做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)磁極系統(tǒng)的第一和第二磁極行列包括第一和第二型的磁極，第一型磁極是阻抗磁極，而第二型磁極是永磁體磁極，它們的極性與氣隙交叉，以及裝在第一電機(jī)部件上的一個(gè)繞組系統(tǒng)(15)，它包括配合著每個(gè)磁極單元的繞組線圈，用來(lái)在對(duì)線圈勵(lì)磁時(shí)通過(guò)磁極單元產(chǎn)生一個(gè)鏈接第一和第二磁極行列中的磁極的磁場(chǎng)，第一和第二磁極行列中至少有一個(gè)具有不對(duì)稱的磁性，用來(lái)在對(duì)繞組系統(tǒng)勵(lì)磁時(shí)產(chǎn)生電機(jī)部件的優(yōu)先的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向，其特征是繞組系統(tǒng)是一種至少具有兩相繞組的多相繞組系統(tǒng)，繞組線圈包括至少一個(gè)第一相線圈(15U)和至少一個(gè)附加相線圈(15V)，它們分別構(gòu)成了第一相繞組和附加相繞組的一部分，每一相繞組屬于一種磁極類型，該類型對(duì)所有相的繞組是通用的，并且被包括在每相繞組的至少一個(gè)磁極單元中，以及第一磁極行列的磁極單元的通用型磁極是分開(kāi)的，因此，在電機(jī)部件的任何相對(duì)位置上，屬于與一個(gè)給定相繞組的繞組線圈有聯(lián)系的一個(gè)磁極單元的通用型磁極相對(duì)于第二磁極行列中的一個(gè)上述類型的磁極處在吸引的位置，第二磁極行列中所有屬于上述一種磁極類型的磁極相對(duì)于一個(gè)通用型磁極，或是聯(lián)系一個(gè)繞組線圈的第一磁極行列中的磁極，或是屬于不同相繞組的線圈都處在不吸引的位置。
2．按照權(quán)利要求1的電機(jī)，其特征是第一磁極行列的每一相繞組包括至少一對(duì)相對(duì)的磁極單元。
3．按照權(quán)利要求1或2的電機(jī)，其特征是第一磁極行列中的通用型磁極是第一型磁極，第二磁極行列中的磁極是基本上均勻分開(kāi)的第一型磁極，并且第一磁極行列中的每個(gè)磁極單元包括一個(gè)第一型磁極和沿著磁極行列與第一型磁極相隔一定距離的一個(gè)第二型磁極，該距離相當(dāng)于第二磁極行列中相鄰磁極間隔的一半。
4．按照權(quán)利要求1或2的電機(jī)，其特征是第一磁極行列中的通用型磁極是第一型磁極，第二磁極行列中的通用型磁極是第二型磁極，并且第一磁極行列中的每個(gè)磁極單元包括一個(gè)第一型磁極和沿著磁極行列與第一型磁極相隔一定距離的一個(gè)第二型磁極，該距離相當(dāng)于第二磁極行列中相鄰的相同極性磁極的間隔的一半。
5．按照權(quán)利要求1或2的電機(jī)，其特征是第一磁極行列中的通用型磁極是第二型磁極，第一磁極行列中的每個(gè)磁極單元包括至少一對(duì)第二型磁極，每個(gè)磁極單元中相鄰的第二型磁極是極性相反的，并且沿著磁極行列相隔一定的距離，該距離相當(dāng)于第二磁極行列中相鄰磁極間隔的一半，并且第一磁極行列中的磁極單元僅僅包括第二型磁極。
6．按照權(quán)利要求3的電機(jī)，其特征是第二磁極行列具有第一型的磁極，其輔助磁極部件從主磁極部件上向著優(yōu)先的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向突出。
7．按照權(quán)利要求4的電機(jī)，其特征是第二磁極行列中的第二型磁極包括包括一個(gè)從主磁極部件上向著優(yōu)先的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向突出的輔助磁極部件。
8．按照權(quán)利要求6或7的電機(jī)，其特征是第一磁極行列中的磁極單元包括第一型磁極和/或第二型磁極，其輔助磁極部件從主磁極部件上向著優(yōu)先的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向突出。
9．按照權(quán)利要求1-8之一的電機(jī)，第一磁極行列中的每一相繞組包括至少一對(duì)相對(duì)的磁極單元，其特征是第一磁極行列中的磁極單元沿著磁極行列是間隔不等的，讓屬于一個(gè)給定相繞組的一對(duì)相對(duì)的磁極單元和屬于不同相繞組的交錯(cuò)的磁極單元的間隔不同。
10．按照權(quán)利要求1-9之一的電機(jī)，其特征是第一電機(jī)部件是定子，而第二電機(jī)部件是被轉(zhuǎn)動(dòng)支撐在定子內(nèi)部的一個(gè)轉(zhuǎn)子。
全文摘要
一種自起動(dòng)無(wú)刷電機(jī)包括一個(gè)第一電機(jī)部件(定子)(11)和一個(gè)第二電機(jī)部件(轉(zhuǎn)子)(16),每個(gè)電機(jī)部件具有布置在一個(gè)磁極行列中的多個(gè)磁極單元(12U,12V)。電機(jī)部件被支撐著做相對(duì)運(yùn)動(dòng),讓磁極行列跨過(guò)一個(gè)氣隙彼此面對(duì)。每個(gè)行列中的磁極包括第一型磁極(13,19)和/或第二型磁極(14),每個(gè)行列中具有至少一種類型的磁極,它是橫跨著氣隙勵(lì)磁的阻抗磁極或是永磁體磁極,在行列的所有磁極單元中都包括這種氣隙。至少有一個(gè)磁極行列包括這種第二型磁極。至少一個(gè)磁極行列中的至少一個(gè)磁極單元包括一個(gè)磁性不對(duì)稱的磁極,用來(lái)為電機(jī)部件(11,16)產(chǎn)生優(yōu)先的旋轉(zhuǎn)方向。多相繞組系統(tǒng)包括裝在第一電機(jī)部件(11)的磁極單元(12U,12V)周?chē)牡谝幌嗪偷诙嗬@組線圈(15U,15V)。第一電機(jī)部件上的磁極單元的通用型磁極(13,14)是分開(kāi)的,因此,如果對(duì)繞組線圈勵(lì)磁,當(dāng)聯(lián)系第一相繞組線圈(15U)的一個(gè)通用型磁極相對(duì)于第二電機(jī)部件(16)上的一個(gè)通用型磁極(19)處在吸引位置(磁性對(duì)準(zhǔn))時(shí),所有聯(lián)系第二相繞組線圈(15V)的通用型磁極相對(duì)于第二電機(jī)部件的所有通用型磁極都處在不吸引的位置。
文檔編號(hào)H02K29/03GK1220052SQ9719504
公開(kāi)日1999年6月16日 申請(qǐng)日期1997年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月30日
發(fā)明者維爾莫斯·托洛克, W·維斯馬奇, R·沙爾 申請(qǐng)人:維爾莫斯·托洛克