CN101636894A - 磁通脉冲电机 - Google Patents

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CN101636894A CN200780035185A CN200780035185A CN101636894A CN 101636894 A CN101636894 A CN 101636894A CN 200780035185 A CN200780035185 A CN 200780035185A CN 200780035185 A CN200780035185 A CN 200780035185A CN 101636894 A CN101636894 A CN 101636894A
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Abstract

一种电机(1)，包括：定子(2)；被安装成在定子(2)中围绕转子轴线(50)旋转的转子(10)；定子(2)的极片(11)；位于定子极片(11)上的绕组；以及转子(10)的至少一对凸极极片(10a－10d)。转子(10)被磁化以使得所述转子极片(10a－10d)被反向磁化。电机(1)进一步包括电路，其设置有控制装置，以在定子(2)的极片(11)中产生交变磁场，从而在转子接近该极片(11)时吸引转子(10)的各极片(10a－10d)，而在转子移动离开该极片(11)时排斥转子(10)的各极片(10a－10d)，转子(10)旋转一周期间所述磁场交变的次数等于转子(10)的极片的数目。转子(10)的各极片(10a－10d)被所述极片(10a－10d)承载的永磁体(72)磁化，其中，磁体(72)具有磁化磁体轴线(80)，该磁体轴线(80)相对于所述转子轴线(50)的径向方向(82)而倾斜。

Description

磁通脉冲电机
相关申请的交叉引用
本发明是WO-A-02/101907中披露的发明的变型，其整体内容通过引用方式结合于此。
技术领域
本发明涉及无刷式电机。
背景技术
Deodhar R.P.等人的论文“The Flux-Reversal Machine：A NewBrushless Doubly-salient Permanent Magnet Machine”IEEE 1996，(“Deodhar”)中披露了一种机器，包括：
定子；
转子，被安装用于在定子中旋转；
定子的第一和第二极片(pole)；
绕组，其位于定子极片的至少一个上；
转子的至少一对凸极极片；
外护铁，其磁性地结合所述定子极片；以及
内护铁，从所述定子极片中的至少一个开始围绕转子延伸，从而使得在转子旋转过程的一部分期间，转子中的位于转子的相邻极片之间的磁场至少部分地被所述内护铁短路。
永磁体设置在彼此相同的定子极片上。如果该机器被设置成多相构造，则其可仅用作电机。当情况如此时，该机器作为标准磁阻电机来工作。
根据WO-A-02/101907的发明，提供了Deodhar所述类型的电机，其特征在于：
电路，用于为绕组供电以通过驱动使转子旋转；
定子的第一极片，其为整流极并且不使得转子短路；
所述定子的第二极片，其为磁场连接极片(field connectingpole)(12)并且具有所述内护铁；
转子，其被磁化，使得所述转子极片被相反地磁化，所述电路设置有控制装置，用于在定子的整流极中产生交变磁场，以便在转子接近整流极时吸引转子的各极片，而在转子离开整流极时排斥转子的各极片，由于存在多个转子极片，因而在转子每旋转一周期间所述磁场交变的次数等于转子极片的数目；由此
由转子与整流极之间的相互作用所形成的电磁转矩和转子与磁场连接极之间的相互作用所形成的磁阻转矩的组合来驱动转子。
内护铁使得通过转子的磁场发生短路，这提供了低磁阻路径，该路径对施加于转子的转矩具有正面冲击和负面冲击。当开始短路并且转矩施加于该转子时，在经历降低的磁阻时，效果是正面的，但是，当短路停止且施加有等效负转矩时，效果是负面的。这对于整体转矩曲线具有平滑效果，其原因是，负面效果能够被设置成与电机的主驱动“脉冲”相一致。这降低了驱动脉冲的大小，也可将此看成被“转换成”短路磁场的正面效果。
定子极片优选是凸出的。整流绕组可以位于定子的整流极周围。磁场绕组可以设置在磁场连接极的周围。而且，整流绕组和磁场绕组可以是串联的。事实上，磁场绕组可以形成比整流绕组更大的磁场。
优选地，转子的相邻极片的角度范围与内护铁的角度范围基本相同，该角度范围是大约(270/n)°，其中，n是转子极片对的数目。“角度范围”表示一个圆中包括转子的两个所述极片的扇形的角度，或者在内护铁的情形下，是包括内护铁的扇形的角度。
优选地，转子的一个所述极片的角度范围与整流极的角度范围基本相同，并且优选地是大约(90/n)°，其中，n是转子极片对的数目。优选地，转子的所述极片沿其角度范围具有变化的半径，从而所述极片在基本等于(90/n)°的角度α范围上被短路，其中n是转子极片对的数目。当仅存在一对所述极片对时，则所述角度α是大约45°。
优选地，存在以相等数目交替布置在定子周围的整流极和磁场连接极，且转子极片的数目是磁场连接极的数目的两倍。事实上，可以存在两个磁场连接极、两个整流极、和具有两个极片对的十字形转子。在这种情况下，角度α是大约22°。
当转子是具有两个极片对的十字形时，这些极片被交替地磁化。从转矩的观点看，这样的配置是优选的，但是需要具有至少两个开关的电路，以便改变整流极的磁化方向(每旋转一周所改变的次数等于转子极片的数目)。
发明内容
具体地，本发明涉及上述电机的设计中的改进，但是在其他电机中可以具有更广泛的应用。
本发明的目的在于，提供一种电机，在该电机中，转子被永久地磁化，其中，磁体以易于接近的方式定位。
因此，根据本发明提供了一种电机，该电机包括：
定子；
转子，其被安装成在定子中围绕转子轴线而旋转；
定子极片；
位于定子极片上的绕组；
至少一对转子凸极极片，所述转子被磁化以使得转子极片被反向地磁化；
电路，其设置有控制装置，以在定子极片中产生交变磁场，从而在转子接近该极片时吸引转子的各极片，而在转子移动离开该极片时排斥转子的各极片，在转子每旋转一周期间所述磁场交变的次数等于转子极片的数目；并且
转子的各极片被各极片自身所承载的永磁体磁化；其中，
所述磁体布置在各极片中的横向槽中。
通过将磁体定位在横向槽中，而无需其他形式的定位。该槽能够被构造成，以紧密滑动配合方式容纳磁体，从而一旦安装好，则无需其他形式的固定。
优选地，所述转子包括连接在一起的叠置的层压结构。在该情况下，优选地，在垂直于所述转子轴线的转子截面中，所述槽是封闭的。因此，通过沿相对于转子轴线的轴向方向将磁体滑入该槽中而将磁体引入到该槽中。由于在槽的任意端部处的联接部分围绕横跨转子的大部分宽度的槽将转子的基部(root)连接至远端的转子尖端，所以转子结构沿径向方向是坚固的。但是，如果联接部分过厚，则磁体的磁通可能发生过度短路，减小了磁体的有效磁化强度。该效果可以通过如下方式被抵消：将联接部分的厚度最小化至与基部和尖端之间的连接强度要求相一致；以及将转子基部加宽，以使得能够使用较长(较宽)的磁体，且使得剩余磁通(在联接部分已经被短路磁通饱和后剩余的)相当于在没有联接部分使得磁体短路时为了电机的目的而在足够强度的磁体中可获得的磁通。
但是，更优选地，在垂直于所述转子轴线的平面内的截面中，所述磁体相对于以转子轴线为中心的圆的切线而倾斜，该切线垂直于穿过极片中心的半径，所述倾斜角度处于5°至40°之间。这样的配置具有两个效果。
首先，可以使用较长(较宽)的磁体，从而可以在无需加宽转子极片的基部的情况下具有上述的益处(在四个极片转子中有时可能难以实现)。其次，这样的配置所具有的效果是，偏置转子中的磁通密度，从而在以任何给定开始位置启动电机时，更容易确保转子的旋转方向处于期望的方向上。
事实上，在另一方面，本发明的另一目的在于，提供一种电机，在该电机中，通常能够更容易地确保电机启动时电机的旋转方向。
因此，根据本发明，提供了一种电机，该电机包括：
定子；
转子，其被安装成在定子中围绕转子轴线旋转；
定子极片；
位于定子极片上的绕组；
转子的至少一对凸极极片，所述转子被磁化，以使所述转子极片被反向磁化；
电路，所述电路设置有控制装置，以在定子极片中产生交变磁场，从而在转子接近极片时吸引转子的各极片，而在转子移动离开极片时排斥转子的各极片，转子旋转一周期间所述磁场交变的次数等于转子极片的数目；以及
转子的各极片被各极片自身所承载的永磁体磁化；其中，
在垂直于所述转子轴线的平面内的截面中，所述磁体相对于以转子轴线为中心的圆的切线而倾斜，该切线垂直于穿过极片中心的半径，所述倾斜角度处于10°至40°之间。
优选地，所述磁体平行于所述转子轴线。优选地，所述倾斜角度处于10°至30°之间，优选处于15°至25°之间。
如本发明任意前述方面所限定的电机，在垂直于所述转子轴线的转子截面中，所述转子极片具有的宽度可横跨转子的穿过极片中心的半径，并且所述磁体可以在所述宽度的大部分上延伸。
事实上，当根据两个方面或仅根据第一方面，并且其中各转子层压结构的联接部分限定槽的各端部，所述联接部分足以相对于各层压结构的近端基部支撑各层压结构的远端极片尖端部分并将磁体保持在槽中，同时将由所述联接部分引起的磁体的磁通短路降至最小。
优选地，所述转子具有沿转子旋转方向限定转子前角和后角的端面以及侧部。
优选地，所述磁体的一个端部邻近所述后角，由此，磁体的磁化在所述后角区域中使转子磁性饱和，而所述磁体的另一端部与没有磁性饱和的前角隔开。
优选地，所述电机是WO-A-02/101907中所述的电机。
通过如上所限定地那样倾斜磁体，转子的磁形状(magneticshape)得以改变，优选地转子被偏置成沿倾斜方向旋转。在这一方面，倾斜方向是从磁体相对于转子轴线的径向最远端朝向磁体相对于转子轴线的径向最近端的方向。
本发明的再一目的在于，提供WO-A-02/101907中所述类型且在旋转期间具有降低的转矩波动(torque ripple)的电机。
根据本发明的这一方面，提供电机，该电机包括：
定子；
转子，其被安装成在定子中围绕转子轴线旋转；
定子的第一极片和第二极片；
位于至少一个定子极片上的绕组；
转子的至少一对凸极极片，所述转子被磁化，以使所述转子极片被反向磁化；
外护铁，其磁性地结合所述定子极片；
内护铁，其从所述定子极片中的至少一个开始围绕转子延伸，从而在转子旋转过程的一部分期间，转子中的位于转子的相邻极片之间的磁场被所述内护铁基本短路；以及
电路，用于为绕组供电以通过驱动使转子旋转；其中，
定子的所述第一极片为整流极并且不使得转子短路；
定子的所述第二极片为磁场连接极(field connecting pole)(12)并且具有所述内护铁；
所述电路设置有控制装置，用于在定子的整流极中产生交变磁场，以便在转子接近整流极时吸引转子的各极片，而在转子离开整流极时排斥转子的各极片，在转子每旋转一周期间所述磁场交变的次数等于转子极片的数目；由此
由转子与整流极之间的相互作用所形成的电磁转矩和转子与磁场连接极之间的相互作用所形成的磁阻转矩的组合来驱动转子，
其特征在于，
该内护铁是相对于转子轴线的基本圆周形状的，并且具有邻近其端部的端部区段(扇形区，sector)以及处于所述端部区段之间的中间区段，相比于所述端部区段，该中间区段与所述转子轴线隔开得更远。
优选地，所述中间区段的大部分处于所述内护铁的相对于转子旋转方向而言的前部分中。
优选地，所述端部区段是相对于转子旋转方向而言的前端部区段和后端部区段，而所述中间区段具有与所述后区段接合的后接合点，该后接合点位于所述转子轴线的穿过所述磁场连接极的半径上，该半径优选穿过所述磁场连接极的中心。
优选地，中间区段具有与前端部区段接合的前接合点，该前接合点被定位成使得中间区段的周向范围介于前端部区段的周向范围的70％至130％之间，优选在90％至110％之间。
转子具有这样的端面，该端面具有从转子的相对于转子旋转方向而言的前边缘延伸的前部分以及从转子的相对于转子旋转方向而言的后边缘延伸的后部分。
优选地，前端部区段和中间区段的范围与各转子极片的端面的周向范围是相同的。
优选地，相比于后部分，前部分与转子轴线隔开得较近。优选地，该端面是以平行于所述转子轴线且与所述转子轴线隔开的轴线为中心的圆弧。优选地，所述后部分的半径比所述前部分的半径大2％至10％，优选大3％至6％。
优选地，所述后边缘在转子与内护铁之间限定了最小气隙，当所述后边缘邻近任意端部区段时，该气隙为当所述后边缘邻近所述中间区段时的气隙的20％至70％，优选为40％至60％。换言之，优选地，中间区段的半径优选比所述端部区段的半径大1％至3％。
由所述中间区段呈现的所述增大的气隙具有的效果是，增加其磁阻，并且所述增大的气隙被设置成，当转子的所述前边缘经过所述前接合点时使得转子减速，当所述前边缘经过所述后接合点时使得所述转子加速，所述减速被设置成在由整流极与转子之间的相互作用产生的最高电磁转矩期间产生，而所述加速被设置成在由整流4极与转子之间的相互作用产生的最低电磁转矩期间产生，由此，电机的转矩波动被最小化。
附图说明
下面参照附图，通过示例方式进一步描述本发明，附图中：
图A至图D是公知电机的示意图，这些附图不构成本发明的一部分；
图1a至1d是具有两极转子的电机的示意图，在各附图中，转子处于不同的角度位置；
图2a至2d与图1a至1d相同，不同之处在于，此处具有的是根据发明WO-A-02/101907的电机，并且其中转子被永久磁化；
图3a至3c是发明WO-A-02/101907的进一步实施例的相似视图，并且其中采用了四极转子，该转子的各极片被交变地永久磁化；
图4是与图3c相似的视图，不同之处在于，类似于图1a至1d，该转子没有被磁化，在定子中结合永久磁化；
图5是较简单电机的、类似于图4的视图；
图6a和6b分别是图5和图3的电机的转矩曲线；
图7a和7b是用于为图2和3的电机供电的不同电路配置；
图8是用于为图1、4、5的电机供电的电路配置；
图9a至9c示出了当南极形成在整流极处时图5的电机的磁通分布；
图10示出了当北极形成在整流极处时图5的电机的磁通分布；
图11a和11b是根据本发明的电机的截面，其分别处于50°和90°的两个不同转子位置。
具体实施方式
图A示出了公知两极磁通脉冲电机a的基本配置，该电机包括两极转子b、由两个整流极c和d组成的定子、以及两个场磁极e和f。可以通过一种可能的配置(如所示)永久地磁化场磁极，或者(在场磁极周围)存在磁场绕组，dc电流流经该磁场绕组以产生所示的磁化。线圈(未示出)缠绕在整流极周围，以形成被称为整流绕组的绕组。转子极片g在极片末端处可以不具有恒定半径的弧，取而代之，极片设置有锥形弯曲前边缘h，从而转子极片与任何定子极片之间形成的径向气隙i在旋转过程中进行变化。为了加强两个转子极片的不对称性，转子极片还可具有其他特征。例如，代替图A至D所示的(优选)无限变化的间隙i，可以在极片尖端处形成台阶或肩部。
在整流绕组中不存在电流时，转子处于图A所示的静止位置(position of rest)处。如果对整流绕组施加dc电流，则在整流极上形成磁场，其中北极处于极片c处，南极处于极片d处(见附图B。由于磁场的原因，转子b从静止位置旋转到图B所示的另一平衡位置。如果整流绕组中的电流大小增加，则转子进一步旋转到另一平衡位置，例如如图C所示。如果现在切断整流绕组中的电流(并且转子在顺时针方向上不具有任何转动惯量)，则转子可以逆时针旋转并且停留在图A所示的初始平衡位置。
这显示了这种类型的电机可能具有的启动问题。为了确保电机能够从静止状态启动并且进行加速，在整流极处产生的磁场的大小必须显著大于由场磁极产生的永久磁场的大小。为了确保连续旋转，整流极必须将转子带到图D所示的位置。在此位置处，一旦释放整流绕组中的电流，则场磁极将把转子顺时针地带到图A所示的位置(完成180度的旋转)。
清楚的是，需要大脉冲的电流来启动电机，或者需要永久磁场的大小较弱且至少避免过电流。一旦转子以一定速度旋转，则在整流极处产生的大脉冲的磁通就将转子带离场排列磁通(fieldalignment flux)。转子的惯性(以及由场排列磁通产生的一些转矩)将转子携带到下一个整流位置。因此，整流绕组中的电流是不连续的，并且具有通常大约50％的占空比。
为了缓和启动和运行问题，有利的是，在某些时刻切断磁场。但是，这意味着可能不使用永久磁体来产生磁场磁通，并且除了整流绕组电流之外还必须存在被适时整流的磁场绕组电流。这为电机和功率电子器件的设计增加了额外的复杂性。
转向参照附图中的图1，电机1包括定子2和转子10，该转子被安装成在定子2中进行旋转。
定子2具有整流极11和磁场极12。整流极11和磁场极12的根部或基部通过外护铁13a、13b而结合。整流极11具有整流绕组7，该整流绕组与磁场极12上的磁场绕组8串联(或并联)。但是，在将整流极线圈7保持成与磁场连接极线圈8隔开方面，可能具有一些优点。
整流极11的角度范围x是大约90°。转子10具有两个凸极极片10a、10b，凸极极片的角度范围同样地是大约90°。每个极片设置有肩部，以便在转子的前边缘上提供扩大的气隙9a并且在转子的后边缘上提供窄气隙9b。该扩大的气隙9a确保转子10沿箭头A的方向旋转。这意味着，转子之间的磁通连接仅发生在转子角度范围的大约一半的范围上，即大约45°。虽然被示出为台阶，但是优选的是，采用类似于图A至D所示的配置，其在磁通连接与隔绝之间提供较平滑的过渡。但是为了方便起见，这里示出了台阶形的肩部，并且在以下的图3至5、9、10中完全没有示出。
磁场极12设置有两个磁芯12a、12b，该两个磁芯在其间限定了内护铁14。内护铁的角度范围是大约270°。如上所述，转子的极片10a、10b(即，呈现出定子极片具有最小气隙9b的那些部分)分别对应大约45°的角度。因此，如在图1c、1d中可以看到的，转子10的旋转角度α是大约45°，在该角度上，转子的两个极片10a、10b都位于护铁14附近(即被护铁短路)。
在操作中，转子10沿图1a中的箭头A的方向旋转。该附图示出了处于零角度位置的转子10。在该位置处，存在整流线圈7的激励并且北极呈现在整流极11处。还参照图6a中的转矩曲线，可以看到，在零位置处，存在小的正转矩。这是因为还未到达最小磁阻位置，而最小磁阻位置发生在大约15°处，在该位置，断开绕组7、8的供电。接着，利用由护铁14的磁芯12b的磁化所施加的高转矩而拖动转子。施加该转矩直到在大约100°处实现转子10的最小磁阻位置(处于护体14的边界内)，如图1c所示。
但是，在大约90°处，即，在达到最小磁阻位置之前，再次激励绕组7、8，并且当通过由整流极线圈和磁场线圈7、8产生的强磁场吸引极片10b时施加正转矩。因此，转矩继续施加于转子，直到超出180°的位置，该位置相当于图1a的零位置。之后该周期以每180°机械角度(mechanical degree)而重复。
但是，在大约135°与180°之间，由整流线圈和磁场连接线圈7、8的激励造成的磁场的形成中的磁通(见图1d中的虚线箭头)与由内护铁的磁化造成的闭合回路磁通环(实线箭头)相互作用。参见护铁14的磁芯12c的磁通线的相反方向。因此，当存在闭环时，其使由整流磁通所产生的转矩减小。因此，在图6a中，在大约160°处看到转矩下降。不过仍然具有双重效果。一方面，极片10b逐渐地“夹断”闭环磁通所穿过的气隙，从而降低了闭环的负面效果。另一方面，极片10b逐渐与整流极11连接，从而离开极片10a的且与磁芯12c中的闭环磁通相反的整流磁通增加。
在任何情况下，形成内护铁14的扩大的磁场极12的效果在于，不仅在转子于首次供电时进行启动所在的位置处作为转子的静置点(park)(在图1c或1d的位置中的任一位置处)，而且其还促进了由各源产生的磁场的组合。其效果似乎在于，迫使转子从其低磁阻位置(即图1d)偏斜的电流脉冲不需要是图A至图D所示现有技术配置中要求的或EP-A-455578示例的那么大，在EP-A-455578中，所产生的磁场是正交的。传输到转子的电力也是平稳的，这降低了对于惯性或其他平稳操作的需要。
应该强调的是，如上所述的电机虽然显示了本发明的很多方面，但是并不在本发明的范围内。
转向参照图2a至2d，示出了根据发明WO-A-02/101907的图1电机的变型，其中，电机10’被磁化，而磁场极磁芯12a、12b没有被磁化。在其他方面，该实施例与图1相同，但是驱动动机是不同的。
例如，在图2a所示的零位置之后的大约10°处，激励整流绕组7(以及磁场绕组8)，以在整流极11处形成北极。这使得沿旋转方向(箭头A)排斥转子10’。在大约45°处，由内护铁14产生的磁性短路的效果产生进一步的驱动转矩(超出如图6b中的虚构线路所示的、没有内护铁存在时的驱动转矩)。但是，当短路完成时，这种现象在大约90°处减小。另一方面，在此处，转子10’的南极10b此时被北整流极吸引，这种吸引在135°至190°之间增加。这样的增加通常还将使得由转子感受到的转矩(图6b中的虚线)增加，但在磁性短路的低磁阻效果被破坏的相位(箭头，图2d)处除外。在大约190°处，通过磁场绕组7、8的电流反向，以使得在整流极11处呈现南极。之后，该周期以反向但产生相同形状的转矩曲线的方式重复。
如可以从图6b的曲线看到的，施加于转子的转矩在某些程度上较光滑。
虽然WO-A-02/101907的发明是有效的，但是原则上，图3、4所示的具有两极转子的配置是优选的，这是因为在180°的机械旋转范围中，转矩曲线中出现的峰值和波谷的次数加至两倍。对于相同惯性质量的转子，即使所需电路是相同的，但仍将产生更平稳的旋转。
在图3a中，四极转子10”具有十字形式并且被磁化以呈现围绕该十字的交替的北极和南极10a、10b、10c、10d。如在图1和2的实施例中的，各极片是台阶形的或弯曲的(未示出)，从而呈现用于旋转方向控制的可变气隙。
当在图3a位置激励线圈时，各整流极11”对转子10”的北极片呈现北磁极。这排斥转子的两个北极片10a、10c，从而转子顺时针移动。此时，内护铁14开始在转子10”的北极片和南极片对10a、10b与10c、10d之间提供低磁阻路径。
转子旋转至最小磁阻位置，其处于沿顺时针超过图3b所示位置几度的位置处。这在定子绕组进行激励或不进行激励的情况下自然发生。当转子处于图3b所示的位置中时，定子线圈被激励(如果还未被激励的话，也就是说，如果在图3a位置与图3b位置之间断开一段时间的话)，从而在整流极11的气隙表面处呈现北极。此时，转子的南极片被吸引到整流极。在此阶段，转矩产生方法通过电磁对准转矩和磁阻转矩的组合来实现。
当转子处于如图3c所示的位置中时，尽可能快地将定子绕组中的电流反向。通过施加相反的磁场，磁场中的这种脉冲“引出(kick)”转子的南极片并进而再次推动转子顺时针旋转。该过程每旋转90度重复一次，但是每次电流方向是相反的。根据如前所述实施例，可以看到，每进行一个180°机械旋转，就发生一个电周期。整流极中的磁场的反向使得可以将该机器描述成为往复磁通脉冲电机。
图4示出了(未根据本发明的)电机的较简单的形式，其中，整流极和护铁中的磁场是单向的(即，没有反向)，并且内铁环14”具有如所示的磁化。这种配置相当于本发明的图1a至1d的实施例。这里，内铁具有四极磁化，以吸引静止时的转子的四个极片。
而且，对于四极转子，如图5所示，两极磁化也是适用的。但是，根据这种配置，内铁14”’中的永久磁场将与护铁13”’一起分享。
当电流施加于线圈8、9时，整流极将吸引转子的极片。电流的方向是重要的，因为这将增强内护铁中的永久磁场或试图对抗该永久磁场并且可在整流时影响转矩产生机构。但是，如果应用足够的安培匝数，则整流极将吸引最近的转子极片并且(普遍地)将产生磁阻转矩。由于在整流极11”’与转子极片10”’之间存在可变的气隙，所以整流极将把转子拉到类似于图3a所示位置的位置处。
一旦释放电流，则由于内护铁永久磁化的原因，转子将继续顺时针旋转。由于不存在转子10”’的永久磁化，因而整流电流可以是单向的。这也适用于图4的配置。
图7示出了用于往复磁通脉冲电机(即图2和3的实施例)的典型电驱动电路。图7a示出了利用两个晶体管开关16的配置，其使得可以分别利用用于整流的双线绕组15a、15b和磁场线圈8、9来产生双向磁场。可替换地，可以利用图7b所示的H桥配置来产生双向磁场。
为了使往复磁通脉冲电机令人满意地运行，磁通的迅速反向是重要的。这可以通过图7a中的电路来实现，其采用缓冲器配置17来可控地使得开关16上的断开电压提高到最大电压。因此，此大电压对抗绕组中的感应电流，从而迅速迫使其至零。同时接通其他开关，使得沿另一方向形成磁场。在断开第一开关期间所吸收的储存能量可以用于强迫地且迅速地增加(或“引起(kick-start)”)另一绕组中的电流，而不是简单地使得利用标准供应电压而稳定地形成电流。这是因为可以将储存能量设置成处于明显高于电源电压的电压上。
可替换地，缓冲器17中的储存能量可以刚好返回至电源，而不是在电阻中被消耗。在任何一种情形下，都认为缓冲器电路是再生的，其中，重新得到的能量没有丧失，因此比传统RCD(电阻-电容-二极管)缓冲器更有效率。
在图8中示出了用于图1、4、5的简单(单向)磁通脉冲电机的典型电路，其仅使用了单一绕组15、单一开关16、以及可以是再生类型的缓冲器电路。
在两种类型的电机中，通过合适的编码器使得驱动电路的致动(firing)与转子相对于定子的位置同步。另一方面，可以想象的是，可使用无传感器技术来实现相同的目的。
转向参照图9和10，(没有根据本发明的)单向磁通脉冲电机在定子的内护铁中具有静置磁体(parking magnet)(N)，如图9a所示。当即将进行整流时，整流极11中的磁场方向影响转子的转矩产生机制。如果静置磁体在电机气隙中呈现“北”极且线圈中的电流方向使得整流极在该气隙处是“南”极，则电机中的磁通路径是图9a中所示的。可以看到，由于磁体所形成的磁场和由于整流极所形成的磁通是一致的，并且两个转子极片上的净吸引力很大。转子被迫使移动到如图9b所示的位置。在此处，转子的另外两个相邻极片靠近静置磁体的附近。取代停止在如图9b所示的位置处的转子，磁场中发现经由此相邻极片的一条新(更低磁阻的)路径(见图9c)。电机运行转矩保持在图9c的状态下，其中，拉动转子的相邻极片，使其与穿过磁体的组合磁场相对准。
但是，如果线圈中的电流处于反向方向以使整流极对气隙(类似磁体)呈现“北”磁极，则由于磁体和定子激励所形成的磁场将是不一致的。相反，在整个电机护铁上它们将寻求独立的路径(见图10)。这种状态不能对电机有效且高效地整流并且可能导致机器停机。因此应该避免这种配置。
本发明的磁通脉冲电机通常可以典型地用作可变速度驱动器，其使用一个或两个功率晶体管以对整流绕组中的电流进行整流。可以使用多于两个的晶体管的配置，其所包括的可能性是对磁场绕组电流进行整流，但这增加了驱动器的复杂性和成本。通过改变整流绕组(以及可能的磁场绕组)中的电流的大小或持续时间(或两者)来控制机器的速度。效果在于，控制在整流极处产生磁通脉冲的转矩的大小。通过(通常以一定的高频)斩电流来改变电流的大小。但这可导致启动问题，从而电流相位角度控制是一个可替换的(如果不是优选的)选择。通过对整流绕组中的电流的接通引入可变延迟，使得相位角度控制起作用。这种延迟通常在启动时是零，并且增加以获得期望的操作速度。这通过利用某种形式的闭环反馈控制系统来实现。
现在转向本发明，图11a、11b中示出了本发明的一个实施例，该电机的基本构造和操作与参照图3a至3c所述的基本相同，并且相应地，相同附图标记用于等效部件。
因此，电机1具有定子2，定子2限定了外护铁13、整流极11、和磁场连接极12。磁场连接极具有内护铁14。转子10是十字形的(在此实施例中)，具有极片10a-10d。转子10围绕中心转子轴线50顺时针旋转，在附图中是沿箭头A的方向。
每个转子极片具有圆形的端面54，该端面以点50a为中心而该点50a偏离转子轴线50，从而相比于后部分54b，前部分54a更靠近转子轴线50。转子的前边缘56的旋转半径RL比各转子极片10a-10d的后边缘58的旋转半径RT小大约4％。虽然所示的是平滑的圆形轮廓，但是各转子极片的端面54可以是台阶形的，如图1a-1d或图3b所示。
各极片具有在基本平行的侧部62、64之间的宽度W。该宽度W是转子10的直径的大约50％。在所述宽度的大部分上，永磁体72设置在各转子极片中形成的槽70中，该永磁体在其主端面上被平行磁化。
转子10是叠置的层压结构，各层压结构是十字形的并且具有由其冲压出的槽70。在槽的各端部处的联结部分71将转子10的近端基部73和远端极片尖端75结合起来。如通过环形箭头可以清楚看到的，联结部分71将来自磁体72的端部的磁通短路并且减小其效果。因此，联接部分尽可能地窄，从而利用很小的磁通就能使它们饱和，迫使剩余的磁通主要通过端面54从转子10逸出。
槽70相对于由转子限定的圆的切线而倾斜，该切线垂直于各转子极片的径向轴线82。倾斜角度β是大约20°。
槽70形成为能够从转子极片的后侧62的后边缘58附近延伸至相邻转子极片的前侧64和后侧62的基部84附近。
磁体72的倾斜的效果在于，使得后边缘的磁通饱和，从而在接受更多的磁通方面具有高磁阻。相反地，各转子的前边缘56没有饱和，这种现象由磁通线90示出，该磁通线示出为是集中在各后边缘58的。这使得转子10偏置，从而其在启动时沿顺时针方向从转子的任何旋转位置优先旋转。这增强了转子直径沿旋转方向减小(2RT至2RL)的效果，如上所述。
但是，倾斜磁体的另一个效果是，尽管由于联接部分71造成的短路使得磁体端部被解除(decommision)，但是仍能够增加磁体的长度(其表示沿转子极片的宽度W的方向上的长度)，从而穿出转子端面的磁通与磁体相对于转子轴线成切向布置时的磁通基本一样多，在磁体相对于转子轴线成切向布置时，所述磁体横跨转子极片的宽度W，但是不具有使其短路的任何联接部分。
将磁体装配在槽70中是对于磁体来说非常方便的设置，因为它们无需附加的保持或固定。事实上，即使是轴向的，一旦装配后也不容易使它们错位，这是因为它们的磁力效果将它们保持在适当位置。如果将它们紧密滑动地装配在槽70中，则即使联结部分71较薄，也仅需压入槽中即能实现充分的保持，而磁体的磁化将再次加强所述的保持。即使当磁体是切向时也能够采用这样的布置，且磁体位于切向时将是如下的情形：例如，其中双启动方向可以是优选的，且无需偏置。在这种情况下，可能需要另一装置来补偿由联接部分造成的磁力效果的损失，诸如通过加宽转子极片的基部73，从而可以插入较宽的磁体。
转向参照图11b，各内护铁14具有基部14a、前翼14b和后翼14c。内护铁14的面向转子10的内表面基本是圆的且以轴线50为中心。如上所述，对于四极转子的电机，内护铁14的角度范围(在分别穿过内护铁14的部分14b的前尖端和后尖端的半径96、98之间)是大约135°(270/n)。内护铁的半径R1尽可能地靠近半径RT，并且根据制造公差而通常将处于1或2mm内。
内护铁14的内表面被分为三个区段：前区段14L、后区段14T、和中间区段14N。前接合点LJ位于前区段14L与中间区段14N之间，而后接合点TJ位于后区段14T与中间区段14N之间。后接合点TJ基本处于基部14a的中心且在半径94上。前接合点LJ基本位于半径100上，该半径将半径94和96组成的部分一分为二。
中间区段14N的半径R2比半径R1大2％至4％，优选大约3％。
首先参照图11a，如上所述，转子顺时针旋转。因此，当转子极片10a、10c的前边缘56开始经过磁场连接极12的相应内护铁14的前接合点LJ时，转子所经历的气隙逐渐增大，从而一侧上的极片10c、10d与另一侧上的极片10a、10b之间的磁连接的磁阻通过相应的内护铁而逐渐增大。这具有使转子减速的效果。但是，在这样的减速发生的同时，由整流极11与转子极片10b、10d之间的吸引产生的电磁转矩处于其最大值。因此，效果是缓和转子的加速。
相反地，当前边缘56经过后接合点TJ时，磁阻逐渐减小，这使得转子加速通过图11b所示的位置。这种加速与当定子线圈中的电流切换时整流电机在该位置的电磁驱动转矩的损失相一致。
因此，中间区段14N的整体效果是使得由电机1产生的转矩变得平稳。

Claims (29)

1.一种电机，包括：
定子；
转子，其被安装成在所述定子中围绕转子轴线而旋转；
所述定子的极片；
位于所述定子的极片上的绕组；
所述转子的至少一对凸极极片，所述转子被磁化以使得所述转子的极片被反向地磁化；
电路，其设置有控制装置，以在所述定子的极片中产生交变磁场，从而在所述转子接近该极片时吸引所述转子的各极片，而在所述转子移动离开该极片时排斥所述转子的各极片，在所述转子每旋转一周期间所述磁场交变的次数等于所述转子的极片的数目；并且
所述转子的各极片被各极片自身所承载的永磁体磁化；其中，
所述磁体布置在各极片中的横向槽中。
2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述转子包括连接在一起的叠置的层压结构。
3.根据权利要求2所述的电机，其中，在所述转子的垂直于所述转子轴线的横截面中，所述槽是封闭的。
4.根据权利要求1、2或3所述的电机，其中，在包含所述转子轴线的平面内的截面中，所述磁体平行于所述转子轴线。
5.根据前述任何一项权利要求所述的电机，其中，在垂直于所述转子轴线的平面内的截面中，所述磁体相对于以所述转子轴线为中心的圆的切线倾斜，所述切线垂直于穿过所述极片的中心的半径，倾斜角度处于5°至40°之间。
6.一种电机，包括：
定子；
转子，其被安装成在所述定子中围绕转子轴线旋转；
所述定子的极片；
位于所述定子的极片上的绕组；
所述转子的至少一对凸极极片，所述转子被磁化，以使所述转子的极片被反向磁化；
电路，所述电路设置有控制装置，以在所述定子的极片中产生交变磁场，以便在所述转子接近该极片时吸引所述转子的各极片，而在所述转子移动离开该极片时排斥所述转子的各极片，所述转子旋转一周期间所述磁场交变的次数等于所述转子的极片的数目；并且
所述转子的各极片被各极片自身所承载的永磁体磁化；
其特征在于，
在垂直于所述转子轴线的平面内的截面中，所述磁体相对于以转子轴线为中心的圆的切线倾斜，所述切线垂直于穿过所述极片的中心的半径，倾斜角度处于10°至40°之间。
7.根据权利要求5或6所述的电机，其中，所述倾斜角度处于10°至30°之间。
8.根据权利要求7所述的电机，其中，所述倾斜角度处于15°至25°之间。
9.根据前述任何一项权利要求所述的电机，其中，在所述转子的垂直于所述转子轴线的截面中，所述转子的极片具有的宽度横跨所述转子的穿过所述极片的中心的半径，并且所述磁体在所述宽度的大部分上延伸。
10.根据权利要求9所述的电机，当依据权利要求3时，其中，其中，各转子层压结构的联接部分限定所述槽的各端部，所述联接部分足以相对于各层压结构的近端基部支撑各层压结构的远端极片尖端部分并将所述磁体保持在所述槽中，同时所述联接部分将所述磁体的由所述联接部分引起的磁通短路降至最小。
11.根据前述任何一项权利要求所述的电机，其中，所述转子具有沿所述转子的旋转方向限定所述转子的前角和后角的端面和侧部。
12.根据权利要求11所述的电机，其中，所述磁体的一个端部邻近所述后角，由此，所述磁体的磁化在所述后角区域中使所述转子磁性饱和，而所述磁体的另一端部与没有磁性饱和的所述前角隔开。
13.一种电机，包括：
定子；
转子，其被安装成在所述定子中围绕转子轴线旋转；
所述定子的第一极片和第二极片；
位于所述定子的至少一个极片上的绕组；
所述转子的至少一对凸极极片，所述转子被磁化，以使所述转子的极片被反向磁化；
外护铁，其磁性地结合所述定子的极片；
内护铁，其从所述定子的至少一个极片开始围绕所述转子延伸，从而在所述转子旋转过程的一部分期间，所述转子中的位于所述转子的相邻极片之间的磁场被所述内护铁基本短路；以及
电路，用于为所述绕组供电以通过驱动使所述转子旋转；其中，
所述定子的所述第一极片为整流极并且不使得所述转子短路；
所述定子的所述第二极片为磁场连接极片(12)并且具有所述内护铁；
所述电路设置有控制装置，用于在所述定子的整流极中产生交变磁场，以便在所述转子接近所述整流极时吸引所述转子的各极片，而在所述转子离开所述整流极时排斥所述转子的各极片，在所述转子每旋转一周期间所述磁场交变的次数等于所述转子的极片的数目；由此，
所述转子通过所述转子与所述整流极之间的相互作用所形成的电磁转矩和所述转子与所述磁场连接极之间的相互作用所形成的磁阻转矩的组合来驱动，
其特征在于，
所述内护铁是相对于所述转子轴线基本呈圆周的形状，并且所述内护铁具有邻近其自身端部的端部区段以及处于所述端部区段之间的中间区段，相比于所述端部区段，所述中间区段与所述转子轴线隔开得更远。
14.根据权利要求13所述的电机，其中，所述中间区段的大部分处于所述内护铁的相对于所述转子的旋转方向而言的前部分中。
15.根据权利要求13或14所述的电机，其中，所述端部区段为相对于所述转子的旋转方向而言的前端部区段和后端部区段，而所述中间区段具有与所述后区段接合的后接合点，所述后接合点位于所述转子轴线的穿过所述磁场连接极的半径上。
16.根据权利要求15所述的电机，其中，所述后接合点位于所述转子轴线的穿过所述磁场连接极的中心的半径上。
17.根据权利要求15或16所述的电机，其中，所述中间区段具有与所述前端部区段接合的前接合点，所述前接合点被定位成使得所述中间区段的周向范围在所述前端部区段的周向范围的70％至130％之间。
18.根据权利要求17所述的电机，其中，所述中间区段的周向范围在所述前端部区段的周向范围的90％至110％之间。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的电机，其中，所述转子具有这样的端面，所述端面具有从所述转子的相对于转子旋转方向而言的前边缘延伸的前部分以及从所述转子的相对于转子旋转方向而言的后边缘延伸的后部分。
20.根据权利要求19所述的电机，其中，相比于所述后部分，所述前部分与所述转子轴线隔开得较近。
21.根据权利要求19或20所述的电机，其中，所述端面是以平行于所述转子轴线且与所述转子轴线隔开的轴线为中心的圆弧。
22.根据权利要求19、20或21所述的电机，其中，所述后部分的半径比所述前部分的半径大2％至10％，优选地，大3％至6％。
23.根据权利要求22所述的电机，其中，所述后部分的半径比所述前部分的半径大3％至6％。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的电机，其中，所述后边缘在所述转子与所述内护铁之间限定了最小气隙，当所述后边缘邻近任意端部区段时，所述最小气隙为当所述后边缘邻近所述中间区段时的气隙的20％至70％，优选为40％至60％。
25.根据权利要求24所述的电机，其中，当所述后边缘邻近任意端部区段时，所述最小气隙为当所述后边缘邻近所述中间区段时的气隙的40％至60％。
26.根据权利要求13至25中任一项所述的电机，其中，所述中间区段的半径比所述端部区段的半径大1％至3％。
27.根据权利要求13至26中任一项所述的电机，还具有权利要求1至12中任一项的特征。
28.根据前述任一权利要求所述的电机，其中，所述电机是根据WO-A-02/101907的任一权利要求所述的电机。
29.一种磁通脉冲电机，其基本如参照附图中的图11a、11b、11c所描述的。
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