CN101842965B - 具有独立的可去除线圈、模块部件和自保持被动磁轴承的电磁机 - Google Patents

Abstract

一种旋转电磁机，它具有管形轴、安装环、公共环、线圈输入环和至少一个轴承装置安装在它的上面。装配件被固定在管形轴的远端上，及整流器被固定在近端上。壳体通过适配器安装在轴承装置上。连接棒在轴内沿着轴向延伸，而一些横向杆在它们的远端处接合到连接棒，这些棒在整流器电磁线圈的段之间进行切换。若干电磁线圈被固定到线圈输入环上。这些线圈由单个平带导电材料的螺旋圈形成。若干外围的扇形磁体安装成邻近在线圈和磁体之间进行相对运动时具有电磁相互作用的电磁线圈。

Description

具有独立的可去除线圈、模块部件和自保持被动磁轴承的电磁机

技术领域

本发明整体上涉及电马达和发电机，并且尤其涉及具有新型结构和操作的电磁机。 

背景技术

Tu等的US 2004/0135452公开了一种平旋转发电机，该发电机包括用来切割磁力线以感应电流的至少一个环形线圈结构和至少一个盘形磁极结构，该磁极结构定向成平行于螺旋形线圈结构。如果包括多个环形线圈结构和盘形磁线圈结构，那么环形线圈结构和盘形磁线圈结构以交替的方式进行布置。环形线圈结构和盘形磁极结构没有设置可渗透的材料。在环形线圈结构或者该至少一个盘形磁极结构借助外力来旋转时，环形线圈结构切割通过其中的磁力线，从而产生感应电流。 

Neal的US 2002/0135263公开了若干定子弧段，这些定子弧段形成了定子组件的环形芯，用来制造马达。在优选实施例中，在电流通过缠绕在环形芯上的电极上的导线时，产生了若干磁场。相位改变材料的单体基本上密封了导体并且使定子弧段相互在环形芯内保持接触。使用马达的硬盘驱动和构造马达和硬盘驱动的方法也被公开了。 

Rose的US 6803691公开了电动机器，该电动机器包括能透过磁的环形芯，该芯在旋转轴线上被定中心，并且具有两个轴向相对的侧部。绕着该芯环形地缠绕线圈，并且沿着圆周方向顺序地设置这些线圈。每个线圈包括两个侧支腿，该侧支腿沿着该芯的各自侧部径向地延伸。在邻近的侧支腿之间具有无线圈的空间。托架具有第一和第二侧法兰，这些法兰借助桥接结构来连接并且分别邻接线圈的第一和第二侧部。 

Mohler的US 6507257公开了双向闭锁致动器，该致动器由输出轴和固定地安装于其上的一个或者多个转子构成。轴和转子被安装成在磁传导壳体内旋转，该壳体具有安装于其中的圆柱形线圈，并且借助传导端盖来封 闭。该端盖具有安装于其上的定子极件。在一个实施例中，转子具有至少两个相对的磁化永磁体，这些永磁体非对称地安装，即它们在一侧处邻近并且借助另一侧上的非磁性空间来分开。定子极件具有非对称的通量传导率(flux conductivity)并且在一个实施例中沿着轴向厚于极件的剩余部分。邻接防止了转子摆动到中间位置(在该位置上，转子磁体沿着轴向对准极件的更高传导率部分)。因此，转子通过磁作用被闭锁在两个位置中的一个上，从而被拉向中间位置。给线圈通以相反极性电流的电，使得转子向着它的相对闭锁位置进行旋转，因此，通过磁力被闭锁在那个位置上。 

Mohler的US 5337030公开了永磁体无电刷扭矩致动器，该致动器由电磁芯构成，在通电时该电磁芯可以产生细长的环形磁场。在大致圆柱形的线圈外部是在每端上具有上端板和下端板的外壳体。定子极件安装到端板上并且朝着彼此延伸，该定子极件与它的相对极件借助气隙来分开。永磁体转子设置在气隙内并且安装在轴上，该轴依次可旋转地安装在端板中的每一个上。永磁体转子包括至少两个永磁体，每个永磁体盖住了转子的弓形部分并且具有相对的极性。沿着一个方向给线圈通电流，可以磁化极件，以致两个极件中的每一个吸引转子的磁体中的一个，并且排斥转子的其它磁体，从而借助输出轴来产生扭矩。电流反向可以导致扭矩反向和转子在相反方向上的旋转。所公开的优选实施例具有多个单元，即若干定子转子定子组件和/或这样的单元，即在该单元中，在每个定子极平面上具有若干极件。 

Kloosterhouse等的US 5191255公开了电磁马达，该电磁马达包括转子，该转子具有若干磁体，这些磁体沿着转子的周边安装。优选地，邻近磁体具有向外的相对极。一个或者多个电磁体设置成邻近转子的周边，因此，在转子旋转时，安装在转子上的磁体被承载在电磁体的极附近。电流以与转子的旋转成预定相位关系借助驱动电路被供给到电磁体，以致，对于转子的实质上所有的成角度的位置，位于电磁体和安装在转子上的磁体的极之间的磁吸引力和排斥力推动转子在理想方向上旋转。反射材料在预定角度位置上被安装在转子上。驱动电路包括光敏装置，该光敏装置产生信号，该信号的值根据该装置是否接收到由反射材料所反射的光来改变。该信号被放大以产生电磁体的驱动电流。 

Westley的4623809公开了一种安装有极结构的步进马达，其中，每个具有若干极的一对相同定子板背靠背地定位，而该极在相反方向上突出，定子板定位在一对基本上相同的定子杯之间，每个定子杯具有从后壁向内伸出的若干极，其中周边侧壁终止于向外延伸的法兰中。每个法兰的主要表面与一个定子板上的表面相接触，从而确保较小的磁路磁阻。 

Fawzy的4565938公开了一种电机械设备，该设备可以用作马达或者发电机。该设备具有壳体，它包括支撑可旋转的轴的轴承装置。提供了盘形磁体装置，并且该盘形磁体装置被极化从而具有交替的极性，并且被安装在轴上从而限定出转子。该设备包括与磁体装置相接触的至少一个第一极靴，该至少一个第一极靴具有这样的部分，即该部分径向地延伸以限定出实际上的第一极性的极室。还包括至少一个第二极靴，该至少一个第二极靴与磁体相接触，并且具有这样的部分，即该部分径向地延伸以限定出实际上的其它极性的极室。环形定子安装在壳体上并且在其上具有绕组。该定子绕着盘形磁体环状地定位，因此实际上的第一和第二极靴的极室包围在圆周上具有交变极性的交变场的所述绕组的一些部分。一些装置被设置成与定子相电接触，从而在该设备作为发电机进行工作时引出电流，或者提供电流将该设备作为马达来操作。 

Fawzy的4459501公开了一种电机械设备，该设备可以被用作马达或者发电机，它具有壳体，并且包括支撑可旋转的轴的轴承装置。一对盘形磁体被极化从而在每一个的两面上具有相对的极性。这些磁体在轴上面对面地被安装在一起，从而限定出转子。该设备包括与每个磁体的一个面相接触的至少一个第一极靴，该至少一个第一极靴具有这样的部分，即该部分径向地延伸，从而在它的优选实施例中限定出与所述一个面相同的极性的一对实际上的极室。还包括与每个磁体的另一面相接触的至少一个第二极靴，该至少一个第二极靴具有这样的部分，即该部分径向地延伸，从而在它的优选实施例中限定出一对实际上的与另一面相同的极性的极室。环形定子安装在壳体上并且在其上具有绕组。该定子绕着盘形磁体环状地定位，因此实际上的第一和第二极靴的极室包围在圆周上具有交变极性的交变场的所述绕组的一些部分。与定子相电接触的装置在该设备作为发电机工作时引出电流，或者提供电流将该设备作为马达来操作。 

发明内容

本发明在结构和使用上教导了一些优点，这就产生了下面所描述的目的。在一个实施例中，本发明起着电动马达的作用，在第二实施例中，它起着旋转发电机的作用，及在第三实施例中，它起着旋转变压器的作用。在其它实施例中，本发明可以作为线性机器而不是作为旋转机器而进行工作。在这些实施例中的每一个中，该机器可以作为AC机器或者DC机器被操作。借助以吸引力和以排斥力把移动的电磁场结合到磁体，使该机器工作。在每个实施例中，主电磁体产生了这样的场，即该场结合到辅助磁体上，该辅助磁体可以是永磁体或者电磁体，其中主磁体或者辅助磁体起着该机器的定子结构的一部分的作用，即既不旋转也不移动。在一个结构性实施例中，与前面所限定的实施例相关的本发明的重要方面是新型电磁线圈结构，该线圈结构被缠绕或形成为由铁磁材料或者非铁磁材料所形成的单个平带的螺旋圈。本发明的另一个重要方面是借助利用由铁磁材料所形成的线圈特殊形状壳体的整个结构的模块性，该壳体被分成多个段，该多个段彼此磁隔离，但是相互电连续，并且因此使滞后现象最小化。本发明的另一个重要方面是，作为永磁体扫掠位于永磁体下方并且定位在导向球轴承和电磁体铁磁芯之间的铝轴环的一部分的结果的，合成一体的自保持被动磁轴承。本发明的另一个重要方面是以不同角度如以45度或者三角形形状切割出永磁体边缘，这可以实现连续的磁性的一个极面并且在永磁体的两端处避免交变磁端效果。本发明的另一个重要方面是每个铁磁段的感应涡流的有益的捕获并且返回到电源的电路中。 

本发明的主要目的是提供一种能产生现有技术中没有教导过的优点的设备和使用这种设备的方法。 

本发明的另一个目的是制造如这里所描述的具有较高电磁场密度的机器。 

本发明的另一个目的是消除对整流器的需要。 

本发明的另一个目的是使包括由滞后、热量、辐射和涡流所产生的损失在内的损失较小，而滞后、热量、辐射和涡流减小了本类型典型机器的效率。 

本发明的另一个目的是制造一种结构紧凑且模块化的旋转机器。 

本发明的另一个目的是提供一种旋转机器，其具有通到位于其旋转轴线上的其中央轴内部的开口。 

本发明的另一个目的是提供一种旋转和移动的机器，该机器具有作为其整体结构的一部分的自保持被动磁轴承(self sustained passivemagnetic bearings)。 

结合附图的下面更加详细的描述使本发明的实施例的其它特征和优点变得更加清楚，而这些附图借助例子示出了本发明的可能实施例中的至少一个的原理。 

附图说明

这些附图示出了本发明的实施例。在这些附图中： 

图1是以横剖视图所示的本发明的示意图； 

图2是具有轴承装置20、轴承固定装配件15、安装环30A、线圈互连环30C、磁轴承铝环扫掠表面10’和整流器80的所示本发明的旋转管形轴的侧视图； 

图3是电路公共环30B的透视图； 

图4是在轴承固定装配件被拆下的情况下所看到的端部透视图； 

图5是从轴承固定装配件看去的端视图并且示出了连接棒的近端； 

图6是从整流器看去的端部透视图； 

图7是连接棒中的一个的透视图； 

图8是它的透视图，它示出了从轴承固定装配件端部看去的、安装在安装环上的两个半线圈壳体； 

图9是近视的部分侧面透视图，它示出了位于线圈壳体和安装环之间的安装界面； 

图10是部分侧面透视图，它示出了安装在线圈壳体内的线圈； 

图11是线圈(它是线或者带，该线或者带被缠绕到如钢或者铝的磁或者非磁材料芯的线圈架上)和线圈壳体(它示出了线圈架安装表面)的透视图； 

图12是线圈和线圈架处于合适位置上的线圈壳体的侧视图； 

图13和14是透视图，它示出了定位在整流器之上的整流器壳体； 

图15和16是系统壳体板的透视图； 

图17是目前所描述的设备的部分侧面透视图，它示出了线圈壳体、邻近铁磁芯形状的外围角度切割磁体和系统壳体板之间的物理关系；及 

图18-20是先进的电磁线圈的概念图。 

具体实施方式

上述附图在优选实施例中的至少一个中示出了本发明，在下面描述中进一步限定了其细节。在没有脱离本发明精神实质和范围的情况下，本领域普通技术人员可以进行改变和改进本发明。因此，应该知道，所示出的实施例只是出于示例目的而提出的，并且它们不应该用来限制如在下面所定义的本发明。 

本发明是旋转电磁机，可以以本领域普通技术人员所熟知的上述许多方式来使用该电磁机。物理结构、尤其是电磁线圈和线圈壳体的结构、线圈至整流器的互连方式和该机器的大多数结构配置是新颖的。图1是以横截面示出的本发明的示意图，该图示出了这个机器的一些主要结构特征。图1示出了机器的管形轴10、轴承装置20、安装环30A、线圈壳体40、线圈壳体螺栓42、外围磁体50、扇形磁体60、系统安装板70和外围板72。在下面参照附图来详细描述这些部件，而在这些附图中所示的附图标记在文字说明中可以找到。 

图2是旋转管形轴10和它的磁轴承铝扫掠表面(swept surface)10’的侧视图，示出了轴承装置20、轴承固定装配件15、整流器80、安装环30A和线圈输入环30C。在图1中，可以看到，壳体70通过适配器74被安装在轴承装置20上。壳体70或者轴10中的任一个用作定子，而另一个元件旋转。图3是线圈公共环30B的透视图，该线圈公共环30B被构造成两个零件并且可从轴10独立地移除，而安装环30A是轴10的整体部分。图4是轴10的端部透视图，固定装配件15被拆下。 

在图1中没有被示出而示出在图5中的是从固定装配件看去的端视图的连接棒90的近端92，该连接棒90在轴10内轴向地延伸，如被进一步所示出的那样。图6是从该机器的整流器端所看去的端部透视图，示出了连接棒90的远端94。图7是拆下的这些连接棒90中的一个的透视图，示出了近端92和远端94。在远端94处接合到棒90上的横向杆96在棒90和整流器80的一段82之间进行切换(commutes)并且借助螺钉84来固定，如图6所示那样。近端92与横向板98相接合，而该横向板98借助绝缘套99来盖住并且使用接头片32和螺钉34通过轴10中的槽12固定到线圈输入环30C，如图2所示那样。螺钉36适合于固定线圈线，如目前所描述的那样。包括杆96、板98和接头片32的棒90形成了在该机器的电磁线圈和整流器80之间所需要的电通路(将会描述)。在优选实施例中，线圈110被布线成与从整流器80通过横向杆96、棒90、板98被引入到安装在输入环30C上的绝缘段(接头片32)上的电流相并联。线圈110中的每一个的一端在螺钉36处分别被连接到接头片32的每一个上。线圈110中的每一个的另一端在公共环30B上被连接到螺钉上，该公共环30B用作返回到整流器80的接地。

图8示出了两个线圈壳体100，该壳体100借助紧固到螺纹孔内的线圈壳体螺栓42(参见图1)安装在环30A上。图9是近视图，示出了位于线圈壳体100和安装环30A之间的新型安装界面。在这种安装中，注意到，线圈壳体100的界面表面邻接环30A并且靠近环30B和30C。图10示出了所去除的线圈壳体100的一部分，从而示出了安装在线圈壳体100内的线圈110的一部分。图11示出了从线圈壳体100拆下的线圈110，并且还示出了线圈架(coilform)120，线圈110被缠绕在该线圈架120上。在该实施例中，用公共的绝缘线112缠绕线圈110，然而，线圈110也可以用金属带来缠绕，其中，这样的金属带具有的厚度大约等于线112的直径，并且具有的宽度W等于线圈110的宽度或者铁磁壳体单元的宽度，如图11所示那样。注意，线圈110具有绕组的轴线114，在线圈被安装在线圈壳体120内时，该轴线114被定位成与该机器的电磁场的旋转方向相切。在图12中可以很好地看到，其中，示出线圈110安装在线圈壳体120内，并且示出壳体120处于环30A上的其安装位置。只有两个线圈壳体120被示出在图中，但是在完全装配好的机器中，线圈壳体120形成了环绕管形轴110的整圆。 

图13和14示出了整流器壳体85，该壳体85定位在整流器80之上。 壳体85提供了刷，该刷摩擦地接触整流器80的叶片。图15和16是系统壳体板70的视图，在图1中，该板70被示出在它们装配好的位置上。在图1的示意性图中示出，板70通过适配器74与轴承装置20的外轴承座圈相接合。图17作为侧视图示出了完工后的机器，去除了两个通常公知为“饼坯”的外围板72，以示出外围磁体50和线圈壳体100的位置。在图17中示出了旋转磁场的旋转轴线5。 

图18-20示出了线圈110的替换实施例。以前，线圈110被描述成由公共的绝缘电导线112的绕组来构造，这在现有技术中已熟知，而替换地，使用挠性绝缘的导电金属带原料。然而，已发现，线圈110也可以有利地由导电金属的固体块来构造。在图18中示出了这样的线圈110的示意图，其中线110A表示导电线路，并且位于线之间的空间表示这样的材料，即该材料从导电金属的固体块切割下来。这可以使用放电加工、也已知为缩写EDM，来完成。在该加工中，使用EDM来切割导电材料的固体块，该导电材料例如铜、铝或者钢、但最优选为铁，并且该切割被如图18中所示那样指向。当切割完成时，固体块被减小为单个线圈，其中，线圈的绕组是具有理想宽度W(参见图19)、即原始固体块的宽度的带。 

图19以透视图示出了切割块，该切割块带有用来把线圈110连接到本机器的线路中的正(+)和负(-)电极。图20示出了与图19相同的切割块，但是部分地被切去了从而更好地示出了绕组层。在图19和20中，没有示出空间来分开绕组，但是这些图是概念图，其中，位于邻近绕组之间的空间的宽度与绕组本身的宽度相比相当小，并且可以使用电化学处理如电镀使该空间填充有电绝缘体。线圈壳体100也可以有利地以与图18-20所示的线圈相同的方式来构造，即使用EDM来切开壳体100，以形成线圈形结构，同时使壳体保持在图8-12所示的形式中。以上述方式形成线圈110和线圈壳体100，提供了重要的优点，这些优点包括较低的涡流损失、对AC和DC电流的阻抗较小、及尺寸较小。 

上面详细所描述的实施例相对于有记录的现有技术被认为是新颖的，并且被认为对本发明的一个最好实施例的至少一个方面的操作和上述目的的实现是非常重要的。在本说明书中用来描述本实施例的术语不仅应被理解成它们通常限定的意义，而且也借助在本说明书中的特殊定义来包括超 出通常限定的意义范围的结构、材料或者作用。因此，如果元件在说明书的上下文中可以理解成包括一个以上的意义，那么它的使用一定得理解成说明书和描述元件的术语所支持的所有可能意义的总称。 

因此，这里所描述的发明的实施例和没有描述的相关实施例的术语或者要素的定义在该说明书中被限定成不仅包括按照字面意义提出的要素的结合，而且还包括以基本相同的方式执行基本上相同功能从而获得基本上相同的结果的所有等同结构、材料或者作用。因此，在这点上，可以预期，对本发明和它的各种实施例的元件中的任何一个进行两个或者更多个元件的等同取代，或者单个元件可以用两个或者更多个元件来代替。 

现在所知道的或者以后所设计的、本领域普通技术人员所看去的、所描述的主题的改变在本发明和它的各种实施例的范围内明确地被预期为等同的。因此，本领域普通技术人员现在或者以后所知道的明显替换被定义成落入所限定的元件的范围内。因此，本发明和它的各种实施例应该被理解成包括具体示出的和上面所描述的、概念上的等同的、明显可以替换的及基本上结合本发明的实质理念的内容。 

尽管参照至少一个优选实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚地知道本发明不局限于此。 

Claims (3)

1.一种旋转电磁机，包括：

管形轴，限定了其远端和近端，并且在其中间安装公共环、线圈输入环、一对安装环和至少一个轴承装置；装配件被固定在该管形轴的远端处，并且整流器被固定在该管形轴的近端处；

壳体，其通过适配器安装在该轴承装置上，该公共环被构造成两个零件并且可从轴独立地移除，

连接棒，在轴内轴向地延伸；横向杆在其远端处接合到连接棒，该横向杆在棒和整流器的段之间实现整流，而该连接棒的近端与横向板接合；

多个电磁线圈，其被固定到该安装环上，该线圈由导电材料的单个平带的螺旋圈形成；及

多个外围的扇形磁体，其安装成邻近该电磁线圈。

2.根据权利要求1所述的旋转电磁机，其特征在于，它装配有模块结构，该模块结构具有铁磁材料的线圈壳体，该线圈壳体被分成多个磁隔离的段，该多个段相互电连续，由此使磁滞现象最小化。

3.根据权利要求1所述的旋转电磁机，其特征在于，该外围的扇形磁体中的每一个具有边缘，该边缘以这样的形状被切割出，即该形状实现了连续的磁极面并且在磁体的相对端处避免了交变磁端作用，由此，所感应的铁磁段的涡流被返回到该旋转电磁机的电路。

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