CN101163880A - 旋转设备 - Google Patents

Abstract

在这里披露了具有为可旋转元件提供磁性驱动装置和磁性轴承装置的定子和转子的设备。定子和转子能够协同操作以提供用来使与转子相连的可旋转元件绕着轴线转动并且控制可旋转元件围绕着轴线的径向、轴向和倾斜位置的磁力。这些转子和定子组件构成有互补的表面形状以产生可成形磁性驱动力和可成形磁性承载力，以便驱动相关的可旋转元件并且控制其轴向、径向和倾斜位置。

Description

旋转设备

相关申请

本申请要求了2005年1月28日提交的题为“Rim-Driven FluidPump System”的美国临时申请No.60/593608和2005年12月5日提交的题为“Rotational Apparatus”的美国专利申请No.11/293982的优先权，这些文献的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种可旋转元件，更具体地说，涉及一种具有磁性轴承装置和驱动装置的非轴驱动设备。

背景技术

驱动可旋转元件(例如旋转设备的推进器)的一种普通技术是通过使用推进器驱动轴。推进器驱动轴通常穿过外壳和被驱动流体而与推进器的中央轴毂连接。这种结构使得推进器驱动轴穿过泵外壳和被驱动流体，因此需要流体密封件或轴外壳等部件以在轴穿过外壳时密封轴，从而防止被驱动流体离开外壳或穿过轴进入的位置。

在旋转设备技术方面的最新发展已经无需驱动轴来驱动旋转设备的推进器，因此已经无需驱动轴密封件和驱动轴外壳。一个进步在于结合了磁体或电磁体代替驱动轴作为推进器驱动组件。但是，磁性或电磁驱动组件单独仍然需要固定到其上安装有推进器的主轴或轴上的机械轴承。该布置结构的一个缺点在于机械轴承容易随着时间磨损，从而需要维护、停机并且在有些时候需要更换。另外，机械轴承仍然需要一个或多个密封件来防止轴承、被驱动流体或者两者被污染，而密封件容易随着时间而泄漏。

在旋转设备技术方面的其它最近发展包括与磁性驱动组件分开的磁性轴承组件，以代替机械轴承。然而，由于用于容纳磁性轴承组件或以其它方式容纳位于旋转设备中央的轴承组件的推进器中央部分的尺寸增大，位于推进器组件的中央部分处的磁性轴承组件容易妨碍流体运动穿过旋转设备。另外，相对于磁性驱动组件设置磁性轴承组件比较关键以便避免在磁性轴承组件和磁性驱动组件之间出现磁性干涉，因为每个磁性组件产生出独特专有的磁场。另外，单独磁性轴承组件和单独磁性驱动组件往往需要复杂的控制系统来在旋转设备的操作例如启动、断开、加速或减速期间补偿磁场强度变化。而且，推进器组件绕着其转动的位于流体运动设备中央的磁性轴承组件往往需要一个或多个密封件来防止轴承、被驱动流体或两者受到污染。

因此，需要这样一种具有磁性驱动组件和磁性轴承组件的设备，该设备能够避免妨碍被驱动流体流动，避免设置和控制磁性驱动组件和磁性轴承组件的复杂性，并且避免需要密封件来防止轴承、被驱动流体或两者受到污染。

发明内容

本发明解决了与具有可旋转元件、磁性驱动组件和磁性轴承组件的设备相关的上述局限之处。本发明提供了一种驱动和支撑具有成型定子组件和成型转子组件的设备的可旋转元件的方案。定子组件被构造成沿着定子组件的内壁周边产生出可成形磁场以利用磁力绕着旋转轴线驱动可旋转元件并且利用磁力控制可旋转元件绕着旋转轴线的径向、轴向和倾斜位置。定子组件可被构造成包括一个或多个电磁体、一个或多个磁体或磁体和电磁体的任意组合。转子组件可被构造成形成可旋转元件的远端部分，可被构造成紧固在可旋转元件的远端部分上，或者可被构造成紧固在可旋转元件的外表面上。另外，转子组件可以在可旋转元件的制造期间形成。

在本发明的一种实施方式中，披露了一种旋转设备。该旋转设备包括具有圆形横截面的可旋转元件和具有定子的磁性组件。定子被构造成沿着内壁部分的周边产生出可成形磁场以驱动可旋转元件绕着旋转轴线进行轴向转动，并且控制可旋转元件相对于旋转轴线的径向位置和轴向位置。

定子可被构造成包括圆形横截面、内部通道、外壁和成型内壁。在本发明的一个方面中，定子的外壁具有凸形形状。在本发明的一个方面中，定子的内壁具有凹形形状。在本发明的其它方面中，定子的成型内壁具有以下形状之一，多边形形状或凸形形状。

磁性组件可以包括转子。转子可被构造成具有成型外壁和可以安装在可旋转元件上的内壁。转子外壁的形状与定子的成型内壁的形状互补。

磁性组件被构造成使得由定子产生出的可成形磁场的幅度变化以基本上相同的比例改变可旋转元件的驱动以及可旋转元件的径向和轴向位置的控制。由定子产生出的可成形磁场能够控制可旋转元件相对于旋转轴线的倾斜位置。

旋转设备的定子形成磁性轴承装置和磁性驱动装置的一部分。旋转设备的定子可以为磁体、电磁体或两者。

在本发明的另一种实施方式中，披露了一种流体运动设备。该流体运动设备包括外壳、推进器和推进器驱动组件。外壳具有圆形横截面、具有纵向轴线的内部通道、用作接收流体的入口的第一部分和用作为流体提供出路的出口的第二部分。推进器设置在内部通道中，并且具有多个从推进器中央部分径向延伸的推进器。推进器驱动组件包括定子，它被构造成产生出可成形磁场以便驱动推进器绕着外壳的纵向轴线进行轴向转动并且控制推进器在外壳内部通道中的径向位置和轴向位置。定子具有圆形横截面、内部通道、外壁和成型内壁。在本发明的一种实施方式中，定子的外壁具有凸形形状。在本发明的一种实施方式中，定子的成型内壁具有凹形形状。在本发明的其它实施方式中，定子的成型内壁具有以下形状之一，多边形形状或凸形形状。

该流体运动设备还可以包括转子。该转子具有圆形横截面、成型外壁和内壁。转子外壁的形状与定子的成型内壁的形状互补。转子的内壁可以包括围绕着纵向轴线轴向延伸的孔。转子的内壁可以被构造成邻接推进器的一个或多个叶片的远端部分。

该流体运动设备具有这样一种结构，该结构允许改变磁场的幅度以便以基本上相同的比例改变对推进器的驱动以及对推进器的径向和轴向位置的控制。

本发明的一种实施方式中，定子包括磁体。在本发明的另一种实施方式中，定子包括电磁体。

在本发明的一种实施方式中，由定子产生出的磁场控制推进器在内部通道中的倾斜位置。

该流体运动设备的定子形成磁性轴承和磁性驱动装置。

附图说明

从以下说明书和附图中将清楚了解本发明的上述和其它目的、特征和优点，在这些附图中相同的附图标记在不同附图中指代相同的部分。这些附图说明了本发明的原理，但是没有按照比例显示出相关尺寸。

图1显示出根据本发明教导的示例性流体运动设备的端视图。

图1A显示出根据本发明教导的示例性流体运动设备的另一个端视图。

图2显示出根据本发明教导的示例性流体运动设备的另一个端视图。

图3显示出根据本发明教导的示例性流体运动设备的局部剖视图。

图4显示出根据本发明教导的示例性流体运动设备的另一个局部剖视图。

图5显示出根据本发明教导的示例性流体运动设备的局部剖视图。

图6显示出根据本发明教导的具有轴构件的示例性旋转设备的局部剖视图。

图7显示出根据本发明教导的具有可旋转构件的示例性旋转设备的局部剖视图。

图8显示出根据本发明教导的示例性定子组件和示例性转子组件的局部剖视图。

图8 A显示出根据本发明教导的示例性定子组件和示例性转子组件的另一个局部剖视图。

图9显示出根据本发明教导的示例性定子组件和示例性转子组件的局部剖视图。

图9A显示出根据本发明教导的示例性定子组件和示例性转子组件的局部剖视图。

图9B显示出根据本发明教导的示例性定子组件和示例性转子组件的局部剖视图。

图10显示出根据本发明教导的示例性定子组件和示例性转子组件的另一个局部剖视图。

图11显示出根据本发明教导的示例性定子组件和示例性转子组件的另一个局部剖视图。

图12显示出根据本发明教导的示例性定子组件和示例性转子组件的局部剖视图。

图13显示出根据本发明教导的示例性定子组件和示例性转子组件的局部剖视图。

图14显示出根据本发明教导的示例性定子组件和示例性转子组件的分解视图。

图15显示出根据本发明教导的示例性定子组件和示例性定子组件的另一个分解视图。

图16A显示出根据本发明教导的具有互补形状的示例性定子组件和示例性转子组件的另一个局部剖视图。

图16B显示出根据本发明教导的具有互补形状的示例性定子组件和示例性转子组件的另一个局部剖视图。

图16C显示出根据本发明教导的具有互补形状的示例性定子组件和示例性转子组件的另一个局部剖视图。

图16D显示出根据本发明教导的具有互补形状的示例性定子组件和示例性转子组件的另一个局部剖视图。

具体实施方式

本发明披露了一种定子组件，它沿着定子组件的内壁部分的周边部分产生出可成形磁场。由定子组件产生出的可成形磁场具有用来驱动可旋转元件绕着旋转轴线运动并且控制可旋转元件绕着旋转轴线的径向、轴向和倾斜位置的磁力。本发明的定子组件可以具有多种物理形状，它们包括但不限于基本上圆形横截面和凹形内壁以沿着凹形内壁的周边产生出可成形磁场，从而提供磁动力以驱动可旋转元件绕着旋转轴线运动并且控制可旋转元件绕着旋转轴线的径向、轴向和倾斜位置。定子组件的物理形状按照与转子组件的磁场互动的方式投射可成形磁场以产生出用来驱动转子组件绕着旋转轴线转动的磁矩并且在存在可成形磁场的情况下产生出用来控制转子组件相对于旋转轴线的轴向位置、径向位置和倾斜位置的磁力。下面将对定子组件的其它物理形状进行更详细说明。

本发明的定子组件可以包括一个或多个磁体，从而提供用来驱动可旋转元件转动的磁性驱动装置，并且提供用来支撑可旋转元件并且控制可旋转元件相对于旋转轴线的位置的磁性轴承装置。另外，本发明的定子组件可以包括一个或多个电磁体，用来产生出磁性力以驱动、支撑可旋转元件并且控制其轴向、径向和倾斜位置。

本发明的定子组件无需磁性轴承或机械轴承沿着可旋转元件绕着其转动的设备中央纵向轴线对中，并且也无需使磁性驱动和磁性轴承组件分开.因此，在其它物理和结构特征之中，根据本发明教导的定子组件通过减小流体运动设备的涡流并且提高水头压力从而改善了穿过流体运动设备的流体运动.另外，根据本发明教导的定子组件很好地避免了在单独磁性驱动装置和磁性轴承装置之间出现磁性干涉，并且很好地提供这样一种单独定子组件，它产生出磁力以驱动可旋转元件转动并且控制可旋转元件相对于旋转轴线的位置.

本发明的定子和转子组件适用于用作具有可旋转元件的流体运动设备、马达、发电机或其它设备。

在继续下面说明之前，首先限定在这里所使用的几个术语是有帮助的。

术语“流体”指的是准备流向或适应其容器或流动通道的轮廓的物质例如液体或气体。

术语“可旋转元件”指的是可以绕着轴线或中央转动的机械元件。

图1显示出根据本发明教导的流体运动设备10的端视图。流体运动设备10为根据本发明教导的一个示例性旋转设备。下面将对根据本发明教导的其它示例性旋转设备进行更详细说明。另外，根据本发明教导的定子组件和转子组件可以具有多种不同的物理形状，具有多种不同的结构，并且具有多种不同的磁性性能，如将在下面更详细描述的一样。

流体运动设备10包括定子组件12和可旋转元件例如推进器组件14。推进器组件14包括多个从中点18径向延伸的推进器叶片16A-16D。中点18表示推进器组件14转动所围绕的点，并且不表示推进器组件14绕着其转动的具有机械轴承或磁性轴承的主轴或轴。因此，推进器组件14减小了位于流体运动设备10内中央的任意流动障碍或流动阻碍，这又减少了从中流过的涡流。本领域普通技术人员应当理解的是，仅为了举例说明示出的推进器组件14具有四个推进器叶片，并且根据流体运动设备10的用途和使用可以包括多于四个或少于四个的推进器叶片。另外，本领域技术人员应当理解的是，推进器组件14的推进器叶片可以具有弯曲形状，并且根据所处理的流体材料和流体运动设备10所工作的用途而扭转。

图1A显示出流体运动设备10的端视图，它被构造成包括便于流体运动穿过流体运动设备10的孔道19。该孔道19减小了在流体运动设备10中的流体气穴现象。

图2显示出流体运动设备10的另一个示例性端视图。定子组件12可以形成为磁场产生元件12A-12H的阵列。磁场产生元件12A-12H可以包括磁体阵列、电磁体阵列或磁体和电磁体组合的阵列。磁场产生元件12A-12H的阵列可以形成为相互邻接，或者可以使一些磁场产生元件12A-12H邻接或者使这些元件不邻接。

使用多个磁体、电磁体或磁体和电磁体的组合来形成用于定子组件12的磁场产生元件阵列，允许改变材料性能和磁体类型。这样，该定子组件12可以被构造成改变或设定在定子组件12的各个位置处产生出的磁场强度，以适应增大或减小与绕着旋转轴线驱动推进器组件14相关的磁力、增大或减小与控制推进器组件的径向位置相关的磁力、增大或减小与控制推进器组件14的轴向位置相关的磁力或者增大或减小与控制推进器组件14的倾斜位置相关的磁力的需要。因此，定子组件12的某些段或区域能够具有更多数量的磁极或者具有其磁性性能与定子组件12的其它部分不同的磁性材料以提供产生出磁性力以用作推进器组件14的磁性驱动装置和磁性轴承装置所需的场强。下面将参照图6-13对本发明的这些特征进行更详细说明。

图3显示出根据本发明教导的流体运动设备10的局部剖视图。该流体运动设备10包括转子组件22和外壳40。转子组件22包括具有不同磁极的不同部分，例如具有北极的第一部分和具有南极的第二部分。外壳40具有圆形横截面、推进器组件14绕着其转动的纵向轴线20、用作流体传输的入口的第一部分42以及用作流体传输出口的第二部分44。定子组件12包括成型内部定子壁26，例如凹形形状或多边形形状以及例如能够成型为凸形形状或多边形形状的外部定子壁28。转子组件22包括成型外部转子壁30。外部转子壁30的形状可以构成或形成为多种形状，只要外部转子壁30的形状与成型内部定子壁26的形状互补。例如，成型外部转子壁30可以具有凸形形状或多边形形状。转子组件22可以安装在一个或多个推进器叶片16A-16D的远端部分上，并且可以包括与一个或多个推进器叶片16A-16D的远端部分对准的内壁32。本领域技术人员将理解的是，转子组件22在形成为部分推进器叶片或任意其它可旋转元件时可以具有内壁32或者可以不具有内壁32。转子组件22也可以包括孔道36。在定子组件12和转子组件22之间存在气隙24。本领域技术人员应当理解的是，在图1-15中所描述的定子组件和转子组件的物理形状、结构和磁性特性主要是举例说明，并且是为了便于说明本发明的教导。

在气隙24中所示的箭头表示由定子组件12产生出的可成形磁场。由定子组件12产生出的可成形磁场与由转子组件22产生出的磁场相互作用，以驱动与转子组件22相联的可旋转元件绕着轴线转动并且控制可旋转元件的轴向、径向和倾斜位置。这样，定子组件12和转子组件22提供了用于与转子组件22相连的可旋转元件的磁性驱动装置和磁性轴承装置。

在本发明的一种实施方式中，转子组件22固定在推进器组件14的一个或多个推进器叶片16A-16D的远端部分上。在本发明的另-种实施方式中，转子组件22形成为推进器组件14的一部分，例如每个推进器叶片16A-16D的远端部分。用于将转子组件22形成为推进器组件的一部分的一种合适方法是通过注塑成形。在该替代方式中，转子组件22可以安装在推进器组件14的一个或多个推进器叶片16A-16D的远端部分上。转子组件22由具有磁性的材料形成。形成转子22的磁性材料的强度或密度可以横越转子22的平面改变。转子组件22的磁性与定子组件12的磁场相互作用以驱动推进器组件14并且控制推进器组件在启动、断开、加速、减速期间以及在绕着纵向轴线20进行稳态操作时的轴向位置、径向位置、摆动和倾斜。转子组件22的磁性可以改变，以与定子组件12产生出的可成形磁场互补或抵消以帮助支撑推进器组件14、驱动推进器组件14并且控制推进器组件14的径向位置、轴向位置和倾斜位置。

成型内部定子壁26和成型外部转子壁30使得定子组件12能够产生出可成形磁场并且沿着多个方向投射成型磁场以与转子组件的磁场相互作用，从而提供了用于驱动推进器组件14的磁性驱动装置以及用于支撑推进器组件14和控制其径向、轴向和倾斜位置的磁性轴承装置。在存在由定子组件12产生出的可成形磁场的情况下的磁力作用在转子组件22上，以将转子组件22设置在定子组件12的内圆周内的所期望位置中。在存在由定子组件12产生出的可成形磁场的情况下的磁力和成型内部定子壁26的形状共同控制转子组件22的位置和转动，并且还控制着推进器组件14的转动、轴向位置、径向位置和倾斜。成型内部定子壁26和成型外部定子壁30使得定子组件12能够按比例增大或减小驱动推进器组件14绕着纵向轴线20转动并且控制推进器组件14在气隙24内的轴向、径向和倾斜位置的磁驱动。

该流体运动设备10可以包括一个或多个用于感测成型外部转子壁30相对于成型内壁定子壁26的位置的传感器34A-34D，以便控制由定子组件12产生出的磁力大小，从而在定子组件12的内部通道内驱动并且定位推进器组件14。供该流体运动设备10使用的一种合适的位置传感器为霍耳效应传感器，它对磁场密度变化敏感。流体运动设备10可以包括磁浮轴承38，用来在流体运动设备10没有使用时支撑推进器组件14。

图4显示出适用于该流体运动设备10的另一个示例性外壳48。该外壳48包括圆形横截面、纵向轴线20、用作流体传输入口的第一部分42和用作流体传输出口的第二部分44。外壳48具有包围着定子组件12的结构。包围着定子组件12的那部分外壳48可以固定或可拆卸以能够通向流体运动设备10的各个组成部件。

图5显示出该流体运动设备10的实施方式，它被构造成包括用于产生出可成形磁场以驱动推进器组件14绕着纵向轴线20转动的第一线圈组件46A和第二线圈组件46B，并且提供了用于控制推进器组件14绕着纵向轴线20的轴向、径向和倾斜位置的磁性轴承装置。第一线圈组件46A和第二线圈组件46B的圆形尺寸与定子组件12的圆形尺寸类似。可以单独或共同控制流经第一线圈组件46A的电流和流经第二线圈组件46B的电流以影响由定子组件12产生出的磁场形状，从而控制用于驱动推进器组件14并且控制其倾斜、轴向和径向位置的磁力。

本领域技术人员应当理解的是，第一线圈组件46A和第二线圈组件46B的位置主要是举例说明，并且可以将这些线圈中的一个或多个设置在沿着外部定子壁28的周边的其它位置处。另外，本领域技术人员将知道，可以将这些线圈中的一个或多个设置在沿着外部定子壁28的通道或沟槽中，嵌入在定子组件12中，或者其任意组合。另外，本领域技术人员将理解的是，该流体运动设备10可以包括两个以上的线圈组件，例如具有圆形横截面的第三线圈组件48A，它构成用来与第一线圈组件46A和第二线圈组件46B协同操作以使得定子组件12产生出用来驱动推进器组件14并且控制推进器组件14在定子组件12内的位置的磁力。而且，本领域技术人员应当理解的是，该流体运动设备10可以包括一个线圈组件，例如可以缠绕在定子组件12的外部定子壁28外周上的线圈组件48A。还有，本领域技术人员应当理解的是，这些线圈46A、46B或48A中的一个或多个的性能和特性可以被构造成获得由定子组件12产生出的所期望的磁力。

图6显示出根据本发明教导的具有可旋转元件的示例性旋转设备。旋转设备60包括定子组件12和转子组件22。另外，旋转设备60包括与转子组件22连接的轴构件65。这样，旋转组件60使得定子组件12和转子组件22能够结合操作以使轴65绕着纵向轴线20转动并且控制轴65的轴向、径向和倾斜位置。旋转设备60适用于用作用来驱动中空或实心轴转动的电动机或其它装置。本领域技术人员应当理解的是，轴的一个或多个端部可以与其它组件连接，以驱动该轴或将该轴的力矩、力或惯量传递给所安装的组件。旋转设备60可以包括上面所述的其它部件，例如一个或多个传感器34A-34D、磁浮轴承38等。为了帮助控制本发明所使用的任意可旋转元件的轴向位置、径向位置和倾斜位置，可以利用一种或多种平衡技术来平衡可旋转元件。例如，可以从一部分可旋转元件中增加或去除配重以平衡该可旋转元件。

图7显示出根据本发明教导的另一个示例性旋转设备。该旋转设备70包括定子组件12、转子组件22和可旋转元件75。可旋转元件75按照适当的方式与转子组件22连接以使得定子组件12与转子组件22能够合作用来磁性驱动可旋转元件75绕着纵向轴线20转动，并且控制可旋转元件75在定子组件12的内径内的轴向、径向和倾斜位置。可旋转元件75可以包括多个用作分拣颗粒的筛子的孔道76A-76D，或者可以具有一个或多个凸起边缘78A-78G，用来在旋转的同时切割或研磨暴露于可旋转元件75表面的材料。定子组件12和转子组件22如上面参照图1-5所述一样协作，以驱动可旋转元件75绕着纵向轴线20转动并且控制可旋转元件75相对于纵向轴线的径向、轴向和倾斜位置。旋转设备70可以包括上面参照图1-5所述的其它部件，包括传感器34A-34D中的一个或多个和磁浮轴承38，或者其它用来在没有操作时支撑转子组件22的适当元件。

图8显示出根据本发明教导的旋转设备的局部剖视图。旋转设备80包括定子组件12、转子组件22和可旋转元件84。转子组件22和可旋转元件84按照合适的方式连接。本发明的定子组件12可以构成或形成为包括具有第一磁性性能的第一部分82A和具有第二磁性性能的第二部分82B。这样，定子组件12可以构成或形成为包括具有不同磁性性能的不同部分以便于设定由定子组件12产生出的磁场。由定子组件12产生出的磁场形状能够很好地增大或减小沿着成型内部定子壁26的周边的磁力以改变提供给可旋转元件84的驱动力，并且改变用来控制可旋转元件84相对于旋转轴线的轴向、径向和倾斜位置的力。

例如，定子组件12的第二部分82B与第一部分82A相比可以具有更多的磁极对，从而定子组件12产生出沿着成型内部定子壁26的周边变化的磁场。与对应于定子组件部分82A的在气隙24中沿着成型内壁26周边的磁场箭头数量相比，该变化或成型的磁场由更多与定子组件部分82B相对应的在气隙24中沿着成型内壁26周边的磁场箭头表示。采用这种结构，变化的磁场与成型内部定子壁26协作增大了用来驱动可旋转元件84转动的磁力，并且不会增大用来控制可旋转元件相对于旋转轴线的轴向、径向和倾斜位置的力。

同样，图8A显示出，定子组件12的第一部分82A与第二部分82B相比具有更多磁极对，从而该定子组件12沿着成型内部定子壁26周边产生出变化或成型的磁场。采用这种结构，成型磁场与成型内部定子壁26共同增大了用来控制可旋转元件相对于旋转轴线的轴向、径向和倾斜位置的磁力，且不会增大可旋转元件84的旋转驱动。与对应于定子组件部分82A的在气隙24中沿着成型内部定子壁26周边的磁场箭头数量相比，该磁力增大由更多与定子组件部分82B相对应的在气隙24中沿着成型内壁26周边的磁场箭头表示。本领域技术人员应当理解的是，由第一部分82A和第二部分82B沿着成型内部定子壁26周边产生出的磁场变化可以通过增加或减少与每个部分相关的磁极数量或者通过对于第一部分82A采用具有与用来形成第二部分82B的第二材料不同的磁性性能的第一材料类型或者材料类型和磁极对的任意组合来实现。

图9显示出根据本发明教导的示例性旋转设备的另一个局部剖视图。该旋转设备90包括定子组件12、转子组件22和可旋转元件95。该旋转设备90的转子组件22包括具有第一磁性性能的第一部分92A和具有第二磁性性能的第二部分92B。这样，该转子组件12沿着成型外部转子壁30的周边产生出变化或成型的磁场以与由定子组件12产生出的磁场相互作用，从而提供了用来控制用于使可旋转元件95转动的磁性驱动力并且控制用来控制可旋转元件95绕着旋转轴线的径向位置、轴向位置和倾斜位置的磁性承载力的附加控制手段。

第一部分92A可以由与第二部分92B的第二材料类型不同的第一材料类型构成或形成。这样，与第一部分92A相关的磁力可以被构造成与第二部分92B所带来的磁力不同。因此，横越成型外部转子壁30的周边改变或设定磁力可以有助于驱动可旋转元件95转动，并且有助于控制可旋转元件95相对于旋转轴线的轴向、径向和倾斜位置。另外，除了用来在成型外部转子壁30的周边上产生出变化磁场的不同材料类型之外或与之结合，第一部分92A可以具有与第二部分92B的磁极对数量不同的多个磁极对。本领域技术人员应当理解的是，与具有磁性性能不同的部分的转子组件22一致，定子组件12也可以具有其磁性性能不同的部分，以便构成根据本发明教导的旋转设备，从而实现所期望的在驱动和控制可旋转元件的径向位置、轴向位置和倾斜位置之间的平衡。与对应于转子组件部分92A的在气隙24中沿着成型外部转子壁30周边的磁场箭头数量相比，由转子组件12通过部分92B产生出的磁力增大由更多对应于转子组件部分92B的在气隙24中沿着成型外部转子壁30周边的磁场箭头表示。

同样，图9A显示出，转子组件22的第一部分92A可以被构造成产生出比由第二部分92B所产生出的磁力更大的磁力。与对应于定子组件部分92B的在气隙24中沿着成型外部转子壁30周边的磁场箭头数量相比，由第一部分92A产生出的更大磁力由更多对应于转子组件部分92A的在气隙24中沿着成型外部转子壁30周边的磁场箭头表示。本领域技术人员应当理解的是，由第一部分92A和第二部分92B沿着成型外部转子壁30周边产生出的磁场变化可以通过增加或减少与每个部分相关的磁极数量或者通过对于第一部分92A采用具有与用来形成第二部分92B的第二材料不同的磁性性能的第一材料类型或者材料类型和磁极对的任意组合来实现。

图9B显示出根据本发明教导的旋转设备90A。该旋转设备90A包括定子组件12、转子组件22和可旋转元件95。定子组件12可以构成或形成为包括具有第一磁性性能的第一部分82A和具有第二磁性性能的第二部分82B。同样，转子组件22可以构成或形成为包括具有第一磁性性能的第一部分92A和具有第二磁性性能的第二部分92B。这样，由定子组件12产生出的磁场可以沿着成型内部定子壁26的周边形成为所期望的形状，并且由转子组件22产生出的磁场可以沿着成型外部转子壁30的周边形成，以提供所需的磁力驱动可旋转元件95绕着旋转轴线转动，并且控制可旋转元件95相对于旋转轴线的轴向、径向和倾斜位置。本领域技术人员应当理解的是，由定子组件12所产生出的磁场成型和由转子组件22产生出的磁场成型在上面参照图8～9A进行了说明，并且在下面将参照图10-13作进一步说明。

图10显示出根据本发明教导的示例性旋转设备的另一个示例性剖视图。该旋转设备100包括定子组件12、转子组件22和可旋转元件105。定子组件22和可旋转元件105按照适当的方式连接。定子组件12被构造成具有第一壁厚尺寸A和第二壁厚尺寸B。这样，定子组件12可以构成或形成为增大在一个或多个选定部分处的壁厚，以提高沿着成型内部定子壁26的相应内部的磁场强度。

定子组件12被构造成具有扩大部分(即从壁厚A到壁厚B)，从而由扩大部分产生出的磁场强度大于由定子组件12沿着具有厚度尺寸A的基本上均匀壁厚部分产生出的磁场。与对应于具有厚度尺寸A的定子组件部分的在气隙24中沿着成型内部定子壁26周边的磁场箭头数量相比，由定子组件12的扩大部分所产生出的更大磁力由更多对应于在厚度尺寸A和厚度尺寸B之间的扩大部分的在气隙24中沿着成型内部定子壁26周边的磁场箭头表示。如所示一样，定子组件12具有从第一尺寸A逐渐增大至第二尺寸B的厚度尺寸。因此，磁场强度可以沿着成型内部定子壁26的相应内周边从第一尺寸A向第二尺寸B逐渐增大。

在操作中，磁场强度沿着成型内部定子壁26的相应内周边从第一尺寸A向第二尺寸B的增大与成型内部定子壁26的物理形状结合改善了旋转设备100在不减小或削弱用来驱动可旋转元件105转动的磁场强度情况下控制可旋转元件105的径向、轴向和倾斜位置的能力。本领域技术人员应当理解的是，具有从厚度A向厚度B增大的壁厚的那部分定子组件12也可以具有更多的磁极对、磁性性能与具有壁厚A的那部分定子组件22不同的材料类型或者两者，从而增大用来控制可旋转元件105相对于旋转轴线的径向、轴向和倾斜位置的磁力。

图11显示出根据本发明教导的旋转设备的另一个示例性局部剖视图。该旋转设备110包括定子组件12、转子组件22和可旋转元件115。转子组件22和可旋转元件115按照合适的方式连接。定子组件12构成或形成为具有第一壁厚A和第二壁厚B。这样，定子组件12可以构成或者形成为增大在一个或多个选定部分处的壁厚以提高沿着成型内部定子壁26的相应内部的磁场强度。定子组件12与在图10中所示的逐渐或平缓壁厚变化不同，其具有陡峭的壁厚变化，从而实现磁场强度沿着成型内部定子壁26的相应内部周边的增大。

与增大壁厚尺寸B对应的沿着成型内部定子壁26内部周边的增大磁场强度提高了在这些区域中的磁场强度，从而在不减小或削弱用来驱动可旋转元件115转动的磁场强度的情况下改善了对可旋转元件115的轴向、径向和倾斜位置的控制。与对应于具有厚度尺寸A的定子组件部分的在气隙24中沿着成型内部定子壁26周边的磁场箭头数量相比，对应于定子组件12的增大壁厚尺寸B的沿着成型内部定子壁26的内周边产生出的增大磁场强度由更多对应于增大壁厚尺寸B的在气隙24中沿着成型内部定子壁26周边的磁场箭头表示。本领域技术人员应当理解的是，具有增大壁厚B的那部分定子组件12也可具有更多的磁极对、磁性性能与具有壁厚A的那部分定子组件22不同的材料类型或两者，从而增大了用来控制可旋转元件115相对于旋转轴线的轴向、径向和倾斜位置的驱动力。

图12显示出根据本发明教导的示例性旋转设备的局部剖视图。旋转设备120包括定子组件12、转子组件22和可旋转元件125。转子组件22和可旋转元件125按照合适的方式连接。定子组件12被构造成具有从第一尺寸A向第二尺寸B改变的壁厚。这样，定子组件12可以构成或形成为增大在一个或多个选定部分处的壁厚，以提高沿着该成型内部定子壁26的相应内部的磁场强度。旋转组件120在定子组件12的适用于增大与驱动可旋转元件125绕着旋转轴线转动相关的磁场强度的位置处具有增大的壁厚。与对应于具有厚度尺寸B的定子组件部分的在气隙24中沿着成型内部定子壁26周边的磁场箭头数量相比，对应于定子组件12的增大壁厚尺寸A的沿着成型内部定子壁26的内周边产生出的增大磁场强度由更多对应于增大壁厚尺寸A的在气隙24中沿着成型内部定子壁26周边的磁场箭头表示。

本领域技术人员应当理解的是，具有增大壁厚A的那部分定子组件12还可以具有更多磁极对、磁性性能与具有壁厚B的那部分定子组件22不同的材料类型或两者，以便增大用于驱动可旋转元件125绕着旋转轴线转动的驱动力。对应于增大壁厚尺寸A的沿着成型内部定子壁26内周边的增大磁场强度提高了在该区域中的磁场强度，从而在没有减小或削弱用来控制可旋转元件125的轴向、径向和倾斜位置的磁场强度的情况下改善了用于驱动可旋转元件125转动的磁性驱动力。

图13显示出根据本发明教导的示例性旋转设备的局部剖视图。该旋转设备130包括定子组件12、转子组件22和可旋转元件135。转子组件22和可旋转元件135按照合适的方式连接。定子组件12如此构成，从而成型内部定子壁26与成型外部转子壁30的限制部分对准。本领域技术人员应当理解的是，定子组件12可以如此构成，从而在本发明的一些实施方式中，成型内部定子壁26与转子组件22的整个成型外部转子壁30基本上对准，而在本发明的其它实施方式中，成型内部定子壁26的限制部分与转子组件22的成型外部转子壁30的限制部分对准。

在操作中，在图13中所示的成型内部定子壁26产生出沿着外部定子壁28的对准部分例如外部定子壁28的顶端集中的磁场，从而在该情况中用有限的磁场力驱动可旋转元件135绕着旋转轴线转动，从而控制可旋转元件135的轴向、径向和倾斜位置。

图14显示出根据本发明教导的示例性旋转设备的分解视图。该旋转设备140包括定子组件12、转子组件22和推进器组件14。定子组件12包括外部定子壁28、成型内部定子壁26和孔道15。转子组件22可以被构造成包括多个转子叶片构件31A-31H。每个转子叶片构件31A-31H形成为具有被构造成成型外部转子壁30的远端部分和被构造成内壁32的近端部分。成型外部转子壁30具有与成型内部定子壁26互补的形状。本领域技术人员应当理解的是，所示的转子叶片数量和所示的转子叶片的尺寸主要是举例说明，并且本发明的转子组件可以具有比所示更多的叶片，比所示更少的叶片，或者形成有如下面参照图15所述的连续成型外部转子壁30。

这些转子叶片构件31A-31H中的一些或全部与推进器组件14的推进器叶片16A-16D中的一个或多个的远端部分直接或间接连接。也就是说，转子叶片构件31A-31H中的每一个的内壁32可以安装在管状构件37的外壁33上。管状构件37包括内壁35，并且具有能够与适于供旋转设备140使用的可旋转元件一致的内部圆形横截面。合适的可旋转元件的一个实施例为推进器组件14。可选的是，如参照图3所述一样，转子叶片构件可以构成并且形成为推进器叶片16A-16D的远端部分，或者可以与推进器叶片16A-16D的每一个的远端部分直接连接。

图15显示出根据本发明教导的旋转设备的另一个分解视图。该旋转设备150包括定子组件12和转子组件22。转子组件22可以具有连续成型外部转子壁30，它围绕着纵向轴线20周向延伸形成环形的外壁表面。该转子组件22包括具有不同磁极性的不同部分，例如具有北极的第一部分和具有南极的第二部分。

图16A-16D显示出根据本发明教导的定子组件12和转子组件22的其它实施方式的局部剖视图。在图16A-16D中所示的旋转设备80包括定子组件12、转子组件22和可旋转元件84。转子组件22和可旋转元件84按照适当的方式连接。

如在上面和下面分别参照图1-15所述一样，除了每个组件可以构成或形成为具有第一磁性性能的第一部分82A和具有第二磁性性能的第二部分82B之外，本发明的定子组件12和转子组件22可以构成或形成为具有多种互补形状。这样，定子组件12和转子组件22不限于互补的凹形和凸形形状，并且在一些实施方式中具有在图16A-16D中所示的互补形状。也就是说，根据本发明教导的定子组件12和转子组件22可以构成和形成为具有任意数量的多边形或类多边形形状。这样，定子组件12和转子组件22的形状例如定子组件12的内壁的形状和转子组件22的外壁的形状与定子组件12和转子组件22的磁性性能配置结合能够将由定子组件12产生出的磁场形成为很好地增大或减小施加给可旋转元件84的驱动力，并且改变用于控制可旋转元件84相对于旋转轴线的轴向、径向和倾斜位置的力。本领域技术人员应当理解的是，上述定子组件12和转子组件22的各种磁性性能配置都同样适用于在图16A-16D中所示的定子组件12和转子组件22。

图16A显示出成型内部定子壁26的另一个合适形状和成型外部转子壁30的互补形状。旋转设备80包括具有梯形或六边形形状的定子组件12的成型内部定子壁26和具有梯形或六边形形状的转子组件22的成型外部转子壁30。图16A显示出根据本发明教导的成型内部定子壁26和成型外部转子壁30的一种合适的多边形形状。本领域技术人员应当理解的是，成型内部定子壁26和成型外部转子壁30可以具有其它合适的物理形状，并且定子组件12和转子组件22单独或组合能够具有不同的具有不同磁性性能的部分。

图16B显示出成型内部定子壁26的一种合适形状和成型外部转子壁30的互补形状。旋转设备80包括具有三角形或多边形形状的定子组件12的成型内部定子壁26和具有三角形或多边形形状的转子组件22的成型外部转子壁30。图16B显示出根据本发明教导的成型内部定子壁26和成型外部转子壁30的一种合适的多边形形状。本领域技术人员应当理解的是，成型内部定子壁26和成型外部转子壁30可以具有其它合适的物理形状，并且定子组件12和转子组件22单独或组合能够具有不同的具有不同磁性性能的部分。

图16C显示出成型内部定子壁26的一种合适形状和成型外部转子壁30的互补形状。旋转设备80包括具有凸形形状的定子组件12的成型内部定子壁26和具有凹形形状的转子组件22的成型外部转子壁30。图16C显示出根据本发明教导的成型内部定子壁26和成型外部转子壁30的一种合适形状。本领域技术人员应当理解的是，成型内部定子壁26和成型外部转子壁30可以具有其它合适的物理形状，并且定子组件12和转子组件22单独或组合能够具有不同的具有不同磁性性能的部分。

图16D显示出成型内部定子壁26的一种合适形状和成型外部转子壁30的互补形状。旋转设备80包括具有三角形或多边形形状的定子组件12的成型内部定子壁26和具有三角形或多边形形状的转子组件22的成型外部转子壁30。图16D显示出根据本发明教导的成型内部定子壁26和成型外部转子壁30的一种合适的多边形形状。本领域技术人员应当理解的是，成型内部定子壁26和成型外部转子壁30可以具有其它合适的物理形状，并且定子组件12和转子组件22单独或组合能够具有不同的具有不同磁性性能的部分。

上述流体运动设备和旋转设备的各种实施方式适用于用在各种工业例如水上运动、空气调节、石油、化学、制药、医疗、汽车、航空和其它商业、家庭和工业应用。

虽然已经参照其示例性实施方式对本发明进行了说明，但是本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明的所期望范围的情况下可以在形式和细节上作出多种变化。例如，定子组件12可以具有形状与凸形形状不同例如方形、矩形、椭圆形等的外壁。另外，定子组件12可以包括处于不同位置的磁极，以便随着提供给定子组件12的电流增大而提高在可旋转元件上的驱动力，并且不会明显增大用来控制可旋转元件围绕着旋转轴线的径向、轴向和倾斜位置的控制力(即，磁性承载力)。另外，定子组件12可以包括多个磁极，用来在不增大提供给可旋转元件的驱动力的情况下随着施加在定子组件12上的电流增大而提高产生用来控制在可旋转元件上的位置的磁力(即磁性承载力)。

Claims (26)

1.一种流体运动设备，包括：

外壳，具有圆形横截面、内部通道、用作接收流体的入口的第一部分和用作为流体提供出路的出口的第二部分，所述内部通道具有纵向轴线；

推进器，其设置在所述内部通道中，并且具有多个从推进器的中央部分径向延伸的叶片；以及

推进器驱动组件，其具有定子，所述定子能够产生出可成形磁场，以驱动所述推进器绕着外壳的纵向轴线进行轴向转动并且控制推进器在外壳内部通道中的径向位置和轴向位置。

2.如权利要求1所述的流体运动设备，其中，所述定子具有圆形横截面、内部通道、外壁和成型内壁。

3.如权利要求2所述的流体运动设备，其中，所述定子的外壁包括成型外壁。

4.如权利要求2所述的流体运动设备，其中，所述定子的成型内壁具有选自以下组的形状：多边形形状、凹形形状或凸形形状。

5.如权利要求2所述的流体运动设备，还包括转子。

6.如权利要求5所述的流体运动设备，其中，所述转子具有圆形横截面、成型外壁和内壁。

7.如权利要求6所述的流体运动设备，其中，所述转子的内壁包括围绕着纵向轴线轴向延伸的孔道。

8.如权利要求6所述的流体运动设备，其中，所述转子的内壁邻接所述多个叶片中的一个或多个的远端部分。

9.如权利要求6所述的流体运动设备，其中，所述转子的成型外壁包括与所述定子的成型内壁的形状互补的形状。

10.如权利要求1所述的流体运动设备，其中，磁场幅度的改变以基本上相同的比例改变了对推进器的驱动以及对推进器的径向位置和轴向位置的控制。

11.如权利要求1所述的流体运动设备，其中，所述定子包括磁体。

12.如权利要求1所述的流体运动设备，其中，所述定子包括电磁体。

13.如权利要求1所述的流体运动设备，其中，所述磁场控制推进器在内部通道中的倾斜位置。

14.如权利要求1所述的流体运动设备，其中，所述定子包括磁性轴承装置和磁性驱动装置。

15.一种旋转设备，包括：

具有圆形横截面的可旋转元件；以及

具有定子的磁性组件，所述定子能够产生可成形磁场，以驱动可旋转元件绕着旋转轴线进行轴向转动，并且控制可旋转元件相对于旋转轴线的径向位置和轴向位置。

16.如权利要求15所述的旋转设备，其中，所述定子具有圆形横截面、内部通道、外壁和成型内壁。

17.如权利要求16所述的旋转设备，其中，所述定子的外壁包括成型外壁。

18.如权利要求16所述的旋转设备，其中，所述成型内壁具有选自以下组的形状：多边形形状、凹形形状或凸形形状。

19.如权利要求18所述的旋转设备，其中，所述磁性组件还包括转子。

20.如权利要求19所述的旋转设备，其中，所述转子包括成型外壁和内壁。

21.如权利要求20所述的旋转设备，其中，所述转子的内壁邻接所述可旋转元件的远端部分。

22.如权利要求20所述的旋转设备，其中，所述转子的成型外壁具有与所述定子的成型内壁互补的形状。

23.如权利要求15所述的旋转设备，其中，由定子产生的磁场幅度的改变以基本上相同的比例改变了对可旋转元件的驱动以及对可旋转元件的径向位置和轴向位置的控制。

24.如权利要求15所述的旋转设备，其中，所述定子包括磁体或电磁体。

25.如权利要求15所述的旋转设备，其中，由所述定子产生的所述磁场还控制可旋转元件相对于旋转轴线的倾斜位置。

26.如权利要求15所述的旋转设备，其中，所述定子包括磁性轴承装置和磁性驱动装置。

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