CN102138273B - 具有图案化磁体阵列的直线电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于直线电机的电枢，其具有形成交替磁极(542，546)的以类似Halbach的方式设置的永磁体。形成一极(542或者546)的相邻磁体(502a1-502a4或者502b1-502b4)的磁化方向相差第一角度；代表两个相邻磁极(542，546)之间的边界的那两个相邻磁体(542a4，502b1)的磁化方向相差与第一角度不同的第二角度。

Description

具有图案化磁体阵列的直线电机
技术领域
本说明书涉及电机并且具体地涉及直线电机。
背景技术
常规直线电机包括产生磁场的磁体阵列。线圈阵列被定位成与磁场配合。磁体阵列或者线圈阵列可以是直线电机的静止或者移动部分。通过线圈阵列驱动的电流在磁体阵列上生成力，从而使磁体阵列相对于线圈阵列移动。
发明内容
一般而言，在一个方面中，本发明的特征在于一种用于直线电机的电枢，该电枢包括：一对磁结构中的第一磁结构，包括第一多个小磁体(magelette)，各小磁体具有磁极性矢量；在第一多个小磁体中的两个相邻磁极性矢量之间的角度具有第一量值；以及该对磁结构中的第二磁结构，包括第二多个小磁体，各小磁体具有磁极性矢量；在第二多个小磁体中的两个相邻磁极性矢量之间的角度具有第二量值，第一多个小磁体包括与第二多个小磁体的第二外小磁体相邻的第一外小磁体，在第一与第二外小磁体的磁极性矢量之间的角度具有与第一和第二量值中的至少一个量值不同的第三量值。
本发明的实现方式可以包括以下特征中的一个或者多个特征。电枢的第一和第二量值基本上相同。该电枢还包括与第二磁结构基本上相邻的第三磁结构，第三磁结构包括各自具有磁极性矢量的第三多个小磁体，并且在第二多个小磁体中的两个相邻磁极性矢量之间的角度具有第四量值。该电枢还包括与第三磁结构基本上相邻的第四磁结构，第三和第四磁结构包括一对磁结构。电枢的第一和第二磁结构包括电枢的第一面。该电枢还包括多个分立的面，多个分立的面中的每一个包括至少一对磁结构。该电枢在形状上基本上为圆柱形，并且第一和第二磁结构中的各磁结构基本上为盘形或者环形中之一。电枢在第一和第二磁结构中的至少两个小磁体在尺度上不同。第一和第二多个小磁体中的至少一个小磁体包括两个外小磁体和两个内小磁体，外小磁体的磁极性矢量相对于与电枢的运动方向垂直的方向而言的角度量值基本上为45度，而内小磁体的磁极性矢量相对于与电枢的运动方向垂直的方向而言的角度量值基本上为15度。第一和第二多个小磁体中的至少一个小磁体包括两个外小磁体和两个内小磁体，外小磁体的磁极性矢量相对于与电枢的运动方向垂直的方向而言的角度量值基本上为45度，而内小磁体的磁极性矢量相对于与电枢的运动方向垂直的方向而言的角度量值基本上为零度。电枢的第一和第二多个小磁体中的各个小磁体包括三个小磁体。电枢的第一和第二多个小磁体中的至少一个小磁体包括两个外小磁体和一个内小磁体，外小磁体的磁极性矢量相对于与电枢的运动方向垂直的方向而言的角度量值基本上为45度，而内小磁体的磁极性矢量相对于与电枢的运动方向垂直的方向而言的角度量值基本上为零度。电枢的该对磁结构中的第一磁结构形成具有第一磁极性的第一磁场，该对磁结构中的第二磁结构形成具有第二磁极性的第二磁场，第一磁极性与第二磁极性基本上相反。电枢的该对磁结构中的至少一个磁结构被作为一个整体磁化。
一般而言，在另一方面中，本发明的特征在于一种用于直线电机的电枢，该电枢包括至少两个分立的面，至少两个分立的面中的每一个包括：一对磁结构中的第一磁结构，包括各自具有磁极性矢量的第一多个小磁体，在第一多个小磁体中的两个相邻磁极性矢量之间的角度具有第一量值；以及该对磁结构中的第二磁结构，包括各自具有磁极性矢量的第二多个小磁体，在第二多个小磁体中的两个相邻磁极性矢量之间的角度具有第二量值，第一多个小磁体包括与第二多个小磁体中的第二外小磁体相邻的第一外小磁体，在第一与第二外小磁体的磁极性矢量之间的角度具有与第一量值和第二量值均相等的第三量值。
本发明的实现方式可以包括以下特征中的一个或者多个特征。电枢的各分立的面还包括与第二磁结构基本上相邻的第三磁结构，第三磁结构包括各自具有磁极性矢量的第三多个小磁体，在第二多个小磁体中的两个相邻磁极性矢量之间的角度具有第一量值。该电枢还包括与第三磁结构基本上相邻的第四磁结构，第三和第四磁结构包括一对磁结构。电枢的该对磁结构中的第一磁结构形成具有第一磁极性的第一磁场，该对磁结构中的第二磁结构形成具有第二磁极性的第二磁场，第一磁极性与第二磁极性基本上相反。电枢的第一和第二多个小磁体中的至少一个小磁体包括四个小磁体，这些小磁体的第一量值、第二量值和第三量值都基本上等于45度。电枢的第一和第二多个小磁体中的至少一个小磁体包括八个小磁体，这些小磁体的第一量值、第二量值和第三量值都基本上等于22.5度。在电枢的第一和第二磁结构中的至少两个小磁体在尺度上不同。该电枢在形状上基本上为圆柱形，并且第一和第二磁结构中的各磁结构基本上为盘形或者环形中之一。
一般而言，在另一方面中，本发明的特征在于一种包括电枢的直线电机，该电枢包括：一对磁结构中的第一磁结构，包括各自具有磁极性矢量的第一多个小磁体，在第一多个小磁体中的两个相邻磁极性矢量之间的角度具有第一量值；以及该对磁结构中的第二磁结构，包括各自具有磁极性矢量的第二多个小磁体，在第二多个小磁体中的两个相邻磁极性矢量之间的角度具有第二量值，第一多个小磁体包括与第二多个小磁体中的第二外小磁体相邻的第一外小磁体，在第一与第二外小磁体的磁极性矢量之间的角度具有与第一和第二量值中的至少一个量值不同的第三量值；以及定子，与电枢邻近定位。
附图说明
在具体描述中详细描述本发明。可以通过结合附图参照下文描述来更好地理解本发明的上述优点和更多优点，在这些附图中，相似标号表示各图中的相似结构单元和特征。附图未必按比例绘制、代之以着重于举例说明本发明的原理。
图1图示了常规4步Halbach磁体阵列。
图2图示了根据一个实施例的8步磁体阵列。
图3图示了根据一个实施例的16步磁体阵列。
图4是根据一个实施例的磁体阵列的透视图。
图5图示了根据一个实施例的8步磁体阵列。
图6图示了根据一个实施例的8步磁体阵列。
图7是根据一个实施例的磁体阵列的透视图。
图8图示了根据一个实施例的圆柱形8步磁体阵列。
图9图示了根据一个实施例的直线电机。
图10用图形图示了各种示例磁体阵列与传统北-南阵列和图1的4步Halbach阵列相比的生产力。
图11图示了与图10中的生产力比较相关的各种磁体阵列。
具体实施方式
图1图示了常规4步Halbach磁体阵列100。Halbach磁体阵列的原理由Klaus Halbach提出。Halbach阵列以如下方式对永磁体元件进行定位，该方式使得磁场在某些区域中相互相消地干涉而在其它区域中相互加强。Halbach磁体阵列100包括一行(102)永磁体102a-102j。在本说明书中也称为小磁体的永磁体102a-102j被定向成具有如在各永磁体102a-102j中的箭头所示的交替正交磁极性。4步Halbach磁体阵列100具有与四个磁体102a-102d的宽度等值的空间周期106。空间周期106等值于为了将磁体的磁极性矢量旋转360度而需要的在阵列中的连续磁体的总数的长度。Halbach阵列100通过磁体102a-102j生成磁通量110而无需铁或者其它磁材料来完成通量回路。磁通量110在阵列100的强顶面112上比在弱底面114上明显更大。直线移动磁体电机可以被配置成使Halbach阵列100的强面112与线圈相邻定向。来自Halbach阵列100的强面112的磁通量提供与常规交变北-南磁体阵列相比增强的与线圈的相互作用。
图2图示了根据一个实施例的8步磁体阵列200。8步磁体阵列200包括两行(202、204)磁结构202a-202f、204a-204f。各磁结构202a-202f、204a-204f包括接合在一起以形成具有磁极性的磁场的多个小磁体。在该例中，磁结构202a形成具有磁极性232的磁场，磁结构202b形成具有磁极性234的磁场。在该例中，磁极性234与磁极性232基本上相反。在所示实施例中，各磁结构包括四个小磁体202a1-202a4、202b1-202b4、202c1-202c4、202d1-202d4、202e1-202e4、202f1-202f4和204a1-204a4、204b1-204b4、204c1-204c4、204d1-204d4、204e1-204e4、204f1-204f4，并且一对磁结构包括与沿着运动方向的各行中的8步对应的八个小磁体。小磁体被定向成具有如在各小磁体202a1-202a4、202b1-202b4、202c1-202c4、202d1-202d4、202e1-202e4、202f1-202f4和204a1-204a4、204b1-204b4、204c1-204c4、204d1-204d4、204e1-204e4、204f1-204f4中的箭头所示的不同磁极性。代表各小磁体磁化方向的小磁体的磁极性矢量参照轴(比如与运动方向垂直的轴)来定义。各小磁体的磁极性矢量可以具有不同符号(+或者-)的不同值的角度。在磁结构(例如202a)中的小磁体(例如202a1-202a4)生成的磁场形成磁结构的磁场。磁结构202a的磁场极性表示为矢量232。类似地，它的相邻磁结构202b的磁场的极性表示为矢量234。极性232和234彼此基本上相反。相邻磁结构因此形成一对磁结构。
尽管个别小磁体或者磁结构的磁极性定义成角度以共同轴——在这里本说明书的上下文中为与运动方向垂直的轴——为参照的矢量，这里所用的术语“内角(intra-angle)”表示各磁结构内的两个相邻小磁体的磁极性矢量的相对角度。例如，内角是在小磁体204a1与204a2的磁体极性矢量之间、在小磁体204a3与204a4的磁体极性矢量之间、在小磁体204b1与204b2的磁体极性矢量之间或者在小磁体204b3与204b4的磁体极性矢量之间的角度。应当注意，这里描述内角的量值而未考虑符号。图2中所示符号N和S仅作为参考加以图示而不应理解为限制该描述的范围。小磁体可以是为了产生磁结构202a-202f、204a-204f而接合在一起的个别磁体。例如，小磁体可以使用粘合剂来胶合在一起。小磁体也可以使用机械夹、框或者其它机械技术来接合在一起。小磁体可以包括任何磁材料，该磁材料例如包括铁素体或者稀土材料，诸如钕铁硼或者钐-钴。
8步磁体阵列200包括一对磁结构(例如202a和202b)，各磁结构具有与四个小磁体的宽度等值的磁节距206。因此，各对磁结构包括与空间周期208对应的共计八个小磁体。如这里所用，空间周期定义成为了将小磁体的磁极性矢量旋转360度而需要的连续小磁体的总数的长度。例如，小磁体202b2的磁极性矢量相对于运动方向定向于67.5度的角度。小磁体202b3的磁极性矢量相对于小磁体202b2的磁极性矢量定向于45度的角度。相邻小磁体202b4的磁极性矢量相对于小磁体202b3的磁极性矢量定向于45度的角度。下一相邻小磁体202c 1的磁极性矢量相对于小磁体202b4的磁极性矢量定向于45度的角度。下一相邻小磁体202c2的磁极性矢量相对于小磁体202c1的磁极性矢量定向于45度的角度。尽管空间周期无需从磁结构的第一小磁体开始，但是一对磁结构的小磁体的总数确实形成空间周期。空间周期等值于八个小磁体(形成一对磁结构)，因为需要八个小磁体的磁极性矢量以旋转共计360度。
这里所用的术语“间角(inter-angle)”表示在相邻磁结构之间的磁极性矢量的相对角度。例如，间角是在小磁体202a4与202b1的磁极性矢量之间、在小磁体202b4与202c 1的磁极性矢量之间或者在小磁体202c4与202d1的磁极性矢量之间的角度。应当注意，这里描述间角的量值而未考虑符号。
在图2中所示实施例中，从一个小磁体到下一相邻小磁体的各磁极性矢量的角度以恒定方式变化。这包括在磁极性矢量之间的内角和在磁极性矢量之间的间角。例如在小磁体202c3-202c4中的磁极性矢量之间的内角等值于在小磁体202c4和202d1中的磁极性矢量之间的间角。所谓恒定，是指所有内角和间角具有相同量值。在该例中，包括内角和间角的所有角度均为45度。在这一实施例中，参照行202，小磁体202a2的磁极性矢量相对于小磁体202a1的磁极性矢量定向于45度。小磁体202a3的磁极性矢量相对于小磁体202a2的磁极性矢量定向于45度。小磁体202a4的磁极性矢量相对于小磁体202a3的磁极性矢量定向于45度。小磁体202b1的磁极性矢量相对于小磁体202a4的磁极性矢量定向于45度。小磁体202b2的磁极性矢量相对于小磁体202b1的磁极性矢量定向于45度。小磁体202b3的磁极性矢量相对于小磁体202b2的磁极性矢量定向于45度。小磁体202b4的磁极性矢量相对于小磁体202b3的磁极性矢量定向于45度。小磁体202c1的磁极性矢量相对于小磁体202b4的磁极性矢量定向于45度。
在磁结构202a-202f内的小磁体202a1-202f4的磁极性矢量被定向成联合生成与磁通量路径对应的预定磁化图案209。通过如这里所述以恒定方式改变小磁体202a1-202f4中的磁极性矢量的角度来生成磁化图案209。在这一实施例中，从一个小磁体到下一相邻小磁体的磁极性矢量的角定向按45度均匀变化。
以下数学公式可以描述图2的磁体阵列200的一面所生成的磁化图案209并且具体为小磁体残留通量密度的x和y分量Br_x和Br_y：
Br_x＝cos(X/L-φ)
Br_y＝sin(X/L-φ)
其中X是沿着运动方向的小磁体质心x坐标，L是在x方向上的磁体节距的两倍，而φ是参考角度。小磁体质心位置X进一步定义成X＝(0...N-1)*2*π/N，其中N是步数。在两面阵列的情况下，下半部的通量密度的x分量是上半部的负数。来自上半部和下半部的y分量相同。对于给定的磁化图案，所有小磁体具有相同的Br量值，而磁体定向从一个小磁体到下一相邻小磁体均匀变化。因此，两个相邻小磁体之间的定向变化在x方向上是恒定的。
磁通量在阵列200的强外侧区域210、212上比在弱内侧区域214、216上明显更大。直线移动磁体电机可以配置有如下电枢，该电枢包括定向于线圈之间通道中的磁体阵列200。这一电枢包括如下两面，该两面与一面配置相比可以辅助平衡轴承上的负载。来自磁体阵列200的强面210、212的磁通量提供与图1的常规Halbach阵列100相比增强的与线圈的相互作用。
在操作中，直线电机包括与磁体阵列200的两个外侧区域210、212耦合的线圈。通过向线圈施加电流来向直线电机赋能。在线圈中的电流生成与由磁体阵列200生成的磁场互作用的磁场。这一相互作用使磁体阵列200相对于线圈移动。
图3图示了根据一个实施例的16步两面磁体阵列300。16步磁体阵列300包括两行(302、304)磁结构302a-302c、304a-304c。各磁结构302a-302c、304a-304c包括多个如下小磁体，这些小磁体被定向成具有如在各小磁体中的箭头所示的不同磁极性。为求简洁，在图3中仅针对前两个磁结构302a、302b标明了小磁体极性。一对两个相邻磁结构302a和302b的磁场的极性342和344，其中极性342和344彼此基本上相反。符号N和S仅作为参考加以图示而不应理解为限制该描述的范围。
16步磁体阵列300包括一对磁结构(例如302a和302b)，各磁结构具有与八个小磁体的宽度等值的磁节距。因此，各对磁结构在沿着运动方向的各行中包括与空间周期306对应的共计十六个小磁体。空间周期306对应于为了将小磁体的磁极性矢量旋转360度而需要的相邻小磁体的总数。
来自磁结构302a-302c、304a-304c的小磁体的极性被定向成生成与磁通量路径对应的预定磁化图案308。通过以恒定方式改变每组多个小磁体中的磁极性矢量的间角和内角来生成磁化图案308。
从一个小磁体到下一相邻小磁体的磁极性矢量的角定向均匀变化。例如参照行302，小磁体302a2的磁极性矢量相对于小磁体302a1的磁极性矢量定向于22.5度。小磁体302a3的磁极性矢量相对于小磁体302a2的磁极性矢量定向于22.5度。小磁体302a4的磁极性矢量相对于小磁体302a3的磁极性矢量定向于22.5度。小磁体302a5的磁极性矢量相对于小磁体302a4的磁极性矢量定向于22.5度。小磁体302a6的磁极性矢量相对于小磁体302a5的磁极性矢量定向于22.5度。小磁体302a7的磁极性矢量相对于小磁体302a6的磁极性矢量定向于22.5度。小磁体302a8的磁极性矢量相对于小磁体302a7的磁极性矢量定向于22.5度。小磁体302b 1的磁极性矢量相对于小磁体302a8的磁极性矢量定向于22.5度。
直线移动磁体电机可以配置有如下电枢，该电枢包括定向于线圈之间通道中的磁体阵列300。线圈耦合到磁体阵列300的两个外侧区域310、312。
图4是根据一个实施例的磁体阵列400的透视图。磁体阵列400包括三个分立的面402、404、406。分立的面402、404、406被定位成使得横截面在形状上为三角形。在一个实施例中，三角形为等边三角形。各分立的面402、404、406包括一行磁结构。如在侧视图412中所示，一行磁结构410包括磁结构408a-408c，各磁结构包括多个小磁体。空间周期与为了将小磁体的磁极性矢量旋转360度而需要的在特定分立的面402、404、406中的连续小磁体的总数的长度等值。在这一实施例中，空间周期等值于与包括在运动方向上的8步对应的八个小磁体的一对磁结构(例如408a、408b)的长度。小磁体被定向成具有如在各小磁体中的箭头所示的不同磁极性。
多个磁结构408a-408c中的各磁结构彼此基本上相邻。多个小磁体中的各小磁体被定向成生成预定磁化图案。通过以恒定方式改变各磁结构中的多个小磁体中的磁极性矢量的角度来生成磁化图案。在该例中，各磁结构中的各小磁体的磁极性矢量相对于相邻小磁体定向于45度。小磁体408a1的磁极性矢量相对于运动方向定向于22.5度的角度。小磁体408a2的磁极性矢量相对于小磁体408a1的磁极性矢量定向于45度的角度。小磁体408a3的磁极性矢量相对于小磁体408a2的磁极性矢量定向于45度的角度。小磁体408a4的磁极性矢量相对于小磁体408a3的磁极性矢量定向于45度的角度。小磁体408b1的磁极性矢量相对于小磁体408a4的磁极性矢量定向于45度的角度。应当注意，这里描述磁极性矢量的角度改变的量值而未考虑符号，而参照轴(比如与运动方向垂直的轴)定义的小磁体的磁极性矢量可以具有不同符号(+或者-)的不同值的角度。
磁体阵列400可以形成直线电机的电枢。具有多个线圈的定子(未示出)可以围绕磁体阵列400的一部分。
图5图示了根据一个实施例的8步两面磁体阵列500。8步磁体阵列500包括两行(502、504)磁结构502a-502f、504a-504f。各磁结构502a-502f、504a-504f包括四个小磁体502a1-502a4、502b1-502b4、502c1-502c4、502d1-502d4、502e1-502e4、502f1-502f4和504a1-504a4、504b1-504b4、504c1-504c4、504d1-504d4、504e1-504e4、504f1-504f4，这些小磁体被定向成具有如在各小磁体中的箭头所示的不同磁极性。一对磁结构(例如，502a、502b或者504a、504b)包括沿着运动方向的各行中的八个小磁体，这是为了将小磁体的磁极性矢量旋转360度而需要的相邻小磁体的数目的长度(即空间周期)。
多个磁结构502a-502f、504a-504f中的各磁结构彼此基本上相邻。多个小磁体中的各小磁体被定向成联合生成预定磁化图案508，该磁化图案表示为磁结构502a和502b的磁场的极性542和546。通过以非恒定方式改变各磁结构中的多个小磁体中的磁极性矢量的内角和/或间角来生成磁化图案508。所谓非恒定是指并非所有内角和间角都具有相同量值。相邻磁结构的磁化图案508在方向上基本上相反。
例如参照行502，小磁体502a1的磁极性矢量相对于电枢的运动方向定向于45度。小磁体502a2的磁极性矢量相对于小磁体502a1的极性矢量定向于方向30度。小磁体502a3的磁极性矢量相对于小磁体502a2的极性矢量定向于方向30度。小磁体502a4的磁极性矢量相对于小磁体502a3的极性矢量定向于方向30度。小磁体502b1的磁极性矢量相对于小磁体502a4的极性矢量定向于方向90度。应当注意，这里描述磁极性矢量相对于其相邻小磁体的极性矢量而言的角度改变的量值而未考虑符号。在这一实施例中，在各磁结构中的两个相邻小磁体的极性矢量之间的30度相对角度改变针对电枢中的多个磁结构502a-502f、504a-504f中的各磁结构而重复。也可以使用相对角度改变的其它量值。例如，在另一8步实施例中，相对角度改变在各磁结构内为15度并且针对电枢中的多个磁结构502a-502f、504a-504f中的各磁结构而重复。在其它实施例中，间角可以在约45°与90°之间变化而内角可以在约45°与30°之间变化。
在一个实施例中，由相对角度改变所规定的角度图案也可以在磁结构502a-502f、504a-504f之间变化。例如，用于磁结构502a-502f的角度图案可以不同于用于磁结构504a-504f的角度图案。
在相邻磁结构(例如502a和502b)中的小磁体(例如502a4和502b1)的磁极性矢量的内角可以在整个磁阵列500内相同。在这一实施例中，磁极性矢量的间角(例如在502a4与502b1之间的相对角度)的量值为90度。也可以根据所需磁化图案使用其它值。
虽然在图5中示出了两行磁结构502、504，但是讨论的原理可以应用于具有其它行数(比如单行或者三行)的磁结构(未示出)的阵列。单行磁结构可以形成用于直线电机的单面电枢，而三行磁结构可以形成用于直线电机的三面电枢。具有线圈的定子(未示出)可以与单面电枢相邻(比如与电枢的强面相邻)定位。
图6图示了根据一个实施例的8步两面磁体阵列600。8步磁体阵列600包括两行(602、604)磁结构602a-602e、604a-604e。各磁结构602a-602e、604a-604e包括多个小磁体602a1-602a4、602b1-602b4、602c1-602c4、602d1-602d4、602e1-602e4和604a1-604a4、604b1-604b4、604c1-604c4、604d1-604d4、604e1-604e4，这些小磁体被定向成具有如在各小磁体602a1-602a4、602b1-602b4、602c1-602c4、602d1-602d4、602e1-602e4和604a1-604a4、604b1-604b4、604c1-604c4、604d1-604d4、604e1-604e4中的箭头所示的不同磁极性。
多个磁结构602a-602e、604a-604e中的各磁结构彼此基本上相邻。多个小磁体中的各小磁体被定向成生成预定磁化图案。如图6中所示，预定磁化图案产生两个相邻磁结构602a和602b的磁场的极性矢量642和644。通过以非恒定方式改变各磁结构602a-602e、604a-604e中的多个小磁体中的磁极性矢量的内角和/或间角来生成磁化图案。换而言之，并非所有内角和间角都相同。
参照行602，小磁体602a1的磁极性矢量相对于与电枢的运动方向610垂直的方向定向于45度。小磁体602a2的磁极性矢量相对于小磁体602a1的极性矢量定向于方向45度。小磁体602a3的磁极性矢量相对于小磁体602a2的极性矢量定向于方向零度。小磁体602a4的磁极性矢量相对于小磁体602a3的极性矢量定向于方向45度。在这一实施例中，定义为两个相邻小磁体之间相对角度改变的角度图案45°-0°-0°-45°针对电枢中的多个磁结构602a-602e、604a-604e中的各磁结构而重复。也可以使用具有不同值的其它角度图案。
在所示实施例中，各两行磁结构602a-602e、604a-604e包括共计八个小磁体。在另一实施例中，四个内侧小磁体(例如，602e2、602e3、604e2、604e3)可以替换为各磁结构602a-602e、604a-604e中的单个小磁体612。这是可能的，因为内侧小磁体602e2、602e3和604e2、604e3的磁极性矢量具有相同定向。单个小磁体612可以具有与各外小磁体602e1、602e4和604e1、604e4不同的尺度(例如，各边的长度可以为两倍大，从而产生体积为四倍的小磁体)。在其它实施例中，在各磁结构602a-602e、604a-604e中的至少两个小磁体在至少一个维度上不同。对于这里描述的实施例，应当注意可以在磁体阵列内改变小磁体的尺度。
图7是根据一个实施例的磁体阵列750的透视图。磁体阵列750包括三个分立的面702、704、706。分立的面702、704、706被定位成使得横截面在形状上为三角形。在一个实施例中，三角形为等边三角形。各分立的面702、704、706包括一行磁结构。如侧视图712中所示，一行磁结构710包括磁结构758a-758c，各磁结构包括多个小磁体。在特定分立的面702、704、706中的一对磁结构(例如758a、758b)包括与沿着运动方向的各行中的8步对应的八个小磁体，这是为了将小磁体的磁极性矢量旋转360度而需要的相邻小磁体的数目的长度(即空间周期)。小磁体被定向成具有如在各小磁体中的箭头所示的不同磁极性。
多个磁结构758a-758c中的各磁结构彼此基本上相邻。多个小磁体中的各小磁体被定向成生成预定磁化图案。通过以非恒定方式改变各磁结构中的多个小磁体中的磁极性矢量的内角和/或间角来生成磁化图案。例如参照行710，在磁结构758a中的第一小磁体758a1的磁极性矢量相对于运动方向770定向于45度。在磁结构758a中的第二相邻小磁体758a2的磁极性矢量相对于第一小磁体758a1的极性矢量定向于方向30度。第三下一相邻小磁体758a3的磁极性矢量相对于第二小磁体758a2的极性矢量定向于方向30度。下一第四相邻小磁体758a4的磁极性矢量相对于第三小磁体758a3的极性矢量定向于方向30度。应当注意，这里描述磁极性矢量的角度改变的量值而未考虑符号。在这一实施例中，在磁结构(例如，758a)内的两个相邻小磁体之间的相对角度改变为恒定15度的角度图案针对多个磁结构758a-758c中的各磁结构而重复。也可以使用具有不同值的其它角度图案。
具有三角形横截面区域的磁体阵列750可以形成直线电机的电枢。具有多个线圈的定子(未示出)可以围绕磁体阵列750的一部分。
图8是根据一个实施例的磁体阵列800的透视图。磁体阵列800在形状上基本上为圆柱形并且包括两个磁结构802、804用于图示。在实践中，圆柱形磁体阵列可以包括两个以上的磁体阵列。圆柱形磁体阵列800可以形成直线电机的电枢。圆柱形磁体阵列800可以在圆周方向上形成于单件或者多件如831-838中。多件831-738在它们接合在一起时形成环或者盘。
各磁结构802、804包括多个小磁体。例如，第一磁体结构802包括小磁体802a1-802a4而第二磁体结构804包括小磁体804a1-804a4。
如从横截面820所见，一行磁结构840包括磁结构802和804。在一个实施例中，以恒定方式(840)改变在各横截面(例如820)中的小磁体的磁极性矢量的内角和间角。在另一实施例中，以非恒定方式(850)改变在各横截面(例如820)中的小磁体的磁极性矢量的内角和间角。具有多个线圈的定子(未示出)可以围绕磁体阵列800的一部分。
图9图示了根据一个实施例的直线电机900。直线电机900包括电枢902，该电枢包括磁体阵列。直线电机900还包括定子904。定子904可以包括具有多个齿908的芯906。在一个实施例中，定子904形成有磁钢迭片。一个或者多个齿908可以包括缠绕于其上的线圈。在这一实施例中，定子904包括两面。可以在实践中使用任何适当数目的磁结构和定子线圈。
一般已知用于控制直线电机900中的电流的技术。例如，在比如这里公开的多相电机中，在定子904中的线圈组件具有分组成914、912、916的各个绕组。用电流选择性地向相组914、912、916赋能以增加直线电机800的效率。通常，电枢902安放于电枢902与定子904之间机械耦合的低摩擦轴承(未示出)上。
下文描述将着重于直线电机900的一面。然而，所述原理适用于直线电机900的第二面以及具有两个以上的分立的面的其它直线电机或者具有连续圆柱形配置的直线电机。向第一组线圈914赋能从而使电枢902相对于定子904移动。例如电枢902在来自磁结构的磁通量与第一相组914所生成的磁通量相互作用时移出它的初始位置。接着，向第二相组912赋能。接下来，向第三相组916赋能。额外的相组(未示出)在理论上更高效，因为在电机中维持更均匀的施力和功率输入利用。然而，各额外相组使去往各个相组的脉冲的定时变得复杂。在平衡这些折衷时往往使用三相电机。
如先前所述，直线电机900包括三相导体绕组。图9中的三个相组(914，912，916)代表线圈的导体绕组在它们被设置于定子904中时的横截面。因而可以选择性地向三个不同相组(914，912，916)赋能以产生电枢902相对于定子904的高效移动。
在相同相组中的各线圈输送相同瞬时电流。因此对于相组914，电流在线圈914a流入图9的平面中，并且由于线圈为连续回路的形式，所以电流在线圈914b流出图9的平面。
直线电机900可以由耦合到常规电机控制模块(未示出)的换向电路和电流源(未示出)来控制，其提供用于引导直线电机900的操作的逻辑信号。在电机线圈与它们的对应换向电路和电流源之间的连接引线各自包括多个电线从而选择性地经过个别线圈相分配电流。
图10是图11中的各种示例磁体阵列的生产力的曲线图1000。线1002示出了与传统北-南阵列(图11的1110)关联的生产力。线1004示出了与4步双面Halbach阵列(图11的1120)关联的生产力。如图11中所示，内角和间角在两个相邻小磁体之间的相对角度改变是恒定的。具体而言，相对角度改变在任何两个相邻小磁体(如1120a1与1120a2)之间恒定于90度。线1006示出了与8步双面磁体阵列(图11的1130)关联的生产力。图11的磁体阵列1130是与图6相同的磁体阵列。如结合图6所述，磁体阵列1130具有非恒定角度改变图案。线1008示出了与另一8步双面磁体阵列(图11的1140)关联的生产力。图11的磁体阵列1140是与图5相同的磁体阵列。如结合图5所述，磁体阵列1140也具有与图6的角度改变图案不同的非恒定角度改变图案。线1010示出了与16步双面磁体阵列(图11的1150)关联的生产力。图11的磁体阵列1150是与图3相同的磁体阵列。如结合图3所述，磁体阵列1150具有恒定角度改变图案。具体而言，相对角度改变在任何两个相邻小磁体之间恒定于12.25度。
示例性磁体阵列200、400、500的生产力大于传统北-南和4步Halbach阵列100的生产力。对于给定的磁体体积，生产力的增加使直线电机的效率与传统北-南磁体阵列或者4步Halbach磁体阵列相比增加。
在一些实施例中，有可能在磁化与磁体阵列中的磁结构对应的小磁体之前组装小磁体。这有别于磁化小磁体并于随后组装磁结构。可能不希望在小磁体被磁化时组装磁结构，因为小磁体间的磁力可能使组装困难。
前文描述旨在于仅举例说明本发明而不应理解为使所附权利要求书限于任何特定实施例或者实施例组。因此，尽管已经参照示例性实施例描述本发明，但是也应当理解，本领域普通技术人员可以设计诸多修改和替代实施例而不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的更广和既定精神实质和范围。此外，这里包括的章节标题旨在于便于回顾而并非为了限制本发明的范围。因而说明书和附图将以示例方式来对待而并非为了限制所附权利要求书的范围。
在解释所附权利要求时应当理解：
a)词语“包括”并不排除存在除了给定的权利要求中列举的要素或者动作之外的其他要素或者动作；
b)在要素之前的词语“一个/一种”并不排除存在多个这样的要素；
c)在权利要求书中的任何参考标号并不限制它们的范围；
d)若干“装置”可以由同一项或者硬件或软件实施的结构或者功能代表；
e)除非另有具体声明，任何公开的设备或者其部分可以组合在一起或者分解成更多部分；并且
f)除非具体指明，将无需特定动作或者步骤序列。

Claims (13)

1.一种用于直线电机的电枢，所述电枢包括：
形成所述电枢的第一空间周期的第一对磁结构，包括：
具有第二磁极性的第一磁结构，所述第一磁结构包括第一多个小磁体，所述第一多个小磁体包括一对外小磁体和至少两个内小磁体，其中所述第一多个小磁体中的至少两个小磁体设置为彼此相邻，所述第一多个小磁体的每一个小磁体具有与其关联的磁极性矢量，其中所述第一多个小磁体中的彼此相邻的每一对小磁体的磁极性矢量之间的角度具有约为45度和30度之间的第一角度量值；
与所述第一磁结构相邻的第二磁结构具有与所述第一磁极性不同的第二磁极性，所述第二磁结构包括第二多个小磁体，所述第二多个小磁体还包括一对外小磁体和至少两个内小磁体，其中所述第二多个小磁体中的至少两个小磁体设置为彼此相邻，所述第二多个小磁体的每一个小磁体具有与其关联的磁极性矢量，其中所述第二多个小磁体中的彼此相邻的每一对小磁体的磁极性矢量之间的角度具有约为45度和30度之间的第二角度量值；以及
所述第一多个小磁体的第一外小磁体的磁极性矢量和与所述第一外小磁体相邻的所述第二多个小磁体的第二外小磁体的磁极性矢量之间的角度具有约为45度和90度之间的第三角度量值，其中所述第三角度量值不同于所述第一和第二角度量值。
2.根据权利要求1所述的电枢，其中所述第一和所述第二角度量值基本上相同。
3.根据权利要求1所述的电枢，其中所述第一和所述第二磁结构包括所述电枢的第一面，所述电枢还包括多个分立的面，其中所述多个分立的面中的每一个包括至少一对磁结构。
4.根据权利要求1所述的电枢，其中所述电枢在形状上基本上为圆柱形，并且所述第一和所述第二磁结构中的每一个基本上为盘形或者环形中之一。
5.根据权利要求1所述的电枢，其中在所述第一磁结构中的至少两个小磁体在尺度上不同并且在所述第二磁结构中的至少两个小磁体在尺度上不同。
6.根据权利要求1所述的电枢，其中所述第一和所述第二多个小磁体中的至少一个包括两个外小磁体和两个内小磁体，所述外小磁体的磁极性矢量相对于与所述电枢的运动方向垂直的方向而言的角度量值基本上为45度，并且所述内小磁体的磁极性矢量相对于与所述电枢的运动方向垂直的方向而言的角度量值基本上为15度。
7.根据权利要求1所述的电枢，其中所述第一磁结构的第一磁极性与所述第二磁结构的第二磁极性基本上相反。
8.根据权利要求1所述的电枢，其中所述一对磁结构中的至少一个磁结构被作为整体磁化。
9.一种直线电机，包括电枢，所述电枢包括：
形成所述电枢的第一空间周期的第一对磁结构，包括：
具有第一磁极性的第一磁结构，所述第一磁结构包括第一多个小磁体，所述第一多个小磁体包括一对外小磁体和至少两个内小磁体，其中所述第一多个小磁体中的至少两个小磁体设置为彼此相邻，所述第一多个小磁体的每一个小磁体具有与其关联的磁极性矢量，其中所述第一多个小磁体中的彼此相邻的每一对小磁体的磁极性矢量之间的角度具有约为45度和30度之间的第一角度量值；
与所述第一磁结构相邻的第二磁结构具有与所述第一磁极性不同的第二磁极性，所述第二磁结构包括第二多个小磁体，所述第二多个小磁体还包括一对外小磁体和至少两个内小磁体，其中所述第二多个小磁体中的至少两个小磁体设置为彼此相邻，所述第二多个小磁体的每一个小磁体具有与其关联的磁极性矢量，其中所述第二多个小磁体中的彼此相邻的每一对小磁体的磁极性矢量之间的角度具有约为45度和30度之间的第二角度量值；以及
所述第一多个小磁体的第一外小磁体的磁极性矢量和与所述第一外小磁体相邻的所述第二多个小磁体的第二外小磁体的磁极性矢量之间的角度具有约为45度和90度之间的第三角度量值，其中所述第三角度量值不同于所述第一和第二角度量值；以及
与所述电枢邻近定位的定子。
10.根据权利要求1所述的电枢，还包括形成第二对磁结构的第三和第四磁结构，所述第二对磁结构具有等于所述第一空间周期的第二空间周期，每个磁结构具有磁极性，
所述第三和第四磁结构包括第三和第四多个小磁体，相对于所述第一对磁结构设置所述第二对磁结构，使得所述第三多个小磁体的相应小磁体与所述第一多个小磁体的相应小磁体相邻并且使得所述第四多个小磁体的相应小磁体与所述第二多个小磁体的相应小磁体相邻，其中：
所述第三磁结构的磁极性定向为与所述第一磁结构的磁极性相同的方向，并且所述第四磁结构的磁极性定向为与所述第二磁结构的磁极性相同的方向。
11.根据权利要求9所述的直线电机，其中所述第一和所述第二磁结构包括所述电枢的第一面，所述电枢还包括多个分立的面，其中所述多个分立的面中的每一个包括至少一对磁结构。
12.根据权利要求1所述的电枢，其中所述电枢在形状上基本上为圆柱形。
13.根据权利要求9所述的直线电机，其中所述电枢在形状上基本上为圆柱形。
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