CN103038982B - 基于电永磁体的马达 - Google Patents

Abstract

一种基于电永磁体的马达，其包括：定子，该定子具有至少一个电永磁体和围绕电永磁体缠绕并被构造成使影响磁体的磁化的电流脉冲通过的至少一个线圈；和转子，该转子可响应于电永磁体的磁化的变化相对于定子运动。一种晃动马达，其包括定子和转子，定子包括居中设置的定子芯以及在每个定子臂上设置的线圈和电永磁体，定子臂从定子芯向外伸出，转子设置在定子的外部，从而转子可围绕定子臂旋转。一种旋转马达，其包括居中设置的转子和设置在转子外部的定子，转子围绕它的轴线旋转，从而转子可在定子臂内部旋转，定子包括先前设置的定子芯以及在每个定子臂上设置的线圈和电永磁体，定子臂从定子芯向内朝向转子伸出。

Description

基于电永磁体的马达

相关申请

本申请要求享有2009年1月27日提交的序列号为No.61/147,508的美国临时申请的优先权，该临时申请的全部内容通过引用被包含到本申请中。

关于联邦资助研究或开发的声明

本发明是在由国防高级研究项目署(DARPA)授予的、授权号为W911NF-08-1-0254的美国政府资助项目下进行的。政府享有本发明中的某些权利。

技术领域

本发明涉及马达，特别涉及应用电永磁体的马达和致动器。

背景技术

微型机器人学领域寻求建造能够感测、运动通过并操作它们环境的尺度在毫米或更小量级的移动机器人。已经建造了滚动、步行、游泳以及飞行的微型机器人。微型机器人特别有用，因为它们能够去其它机器人不能去的地方，例如进入灾难点的瓦砾中，进入机器中去修理它，或者在微创伤手术中进入体内。在微型机器人设计中的主要问题是为长时间操作提供足够的动力。因此，在微型机器人学和可编程体领域，需要具有能够以高扭矩和低速进行机电能量转换并能够缩放比例到小尺寸而没有效率损失的致动器。

可编程体的新兴领域寻求建造具有数以千计可驱动的自由度的可见物体，使得它们的形状和功能可在软件的控制下被改变。像微型机器人一样，可编程体也将需要高效的小尺寸致动器。

已经建造了多种多样的最大尺寸经测量在毫米量级的微型马达和微型致动器。这些致动器已经使用了各种不同的工作原理，包括磁性、静电、压电以及电热。因为建造微尺度下的高效的减速动力传输很难而且很昂贵，所以机器人和可编程体希望具有在低速下高效地直接产生高扭矩的致动器。即使具有减速(或加速)动力传输，这样的致动器也将被优先应用，但是该传输可能不需要这么多级、不需要大速率或者本来这样大的最大速度。

磁性马达主导了宏观尺度从电能到机械能的能量转换，为从工业机器工具到家用电器到儿童玩具的广大范围的装置提供动力。根据应用的需求，这些马达在广大范围的类别(例如感应、伺服、步进)和结构(例如旋转、线性)中是可用的。磁性马达具有两个部件，转子和定子。从外部源提供的电能被用于在转子和定子的交界面产生变化的磁场，这将推动转子并产生有用的机械功。

自从1821年迈克尔·法拉第建造了第一台电动马达(电机)以来，永磁体就被用于马达的建造。为了提高效率和扭矩并且为了简化建造和驱动，在小型电动马达(小于1个马力的容量)中，通常使用永磁体以增加效率和扭矩，并简化构造和驱动。例如，在刷式整流永磁体DC马达中，流经转子上的线圈的周期性反向的电流与定子上的永磁体的磁场相互感应以产生扭矩。对于几乎所有的永磁体马达来说，一条关键的设计准则是永磁体内部的退磁场必须不超过一个退磁阈值。否则，磁体的磁场将由于工作而减弱，马达也将不能工作。传统的永磁体马达被小心地设计以避免它们永磁体的退磁。

值得注意的例外是磁滞马达(例如被公开在美国专利No.3,610,978中)，其通过磁性材料片围绕它的磁滞回路连续循环，并在改变材料的磁化的同时由于磁场和磁通之间的时滞而产生连续的扭矩而工作。因为能产生独立于速度的恒定的扭矩的能力，所以该磁滞马达是特别的和有用的。然而，该磁滞马达需要电能的连续输入以产生连续的扭矩，即使在零速度下也是如此，因此具有在低速度下的低效率。

电动马达遭受了用于减小其功率效率的大量机械损耗。在高速下，机械损耗是由于摩擦，而磁损耗是由于主要承载磁通的构件的周期性的磁化和退磁。因此。磁性马达的承载磁通的材料(例如铁)典型地选择为具有最可能低的矫顽力，因此具有最可能低的磁损耗。在低速下，损耗是由于主要线圈的电阻发热，在零速度的限制下，当马达被停转时，100％的电能输入用于线圈的电阻发热，并且马达在百分之零的效率下工作。

发明内容

根据本发明的马达和致动器具有彼此相对运动的至少两个部件(例如转子和定子)。这些部件的至少一个包括一个或多个电永磁体。使电流流过这些电永磁体(其线圈)改变材料内部的磁化，在磁性材料内部储存能量，改变它们施加在另一构件上的力，并且产生相对运动。在电流被去除以后，马达继续施加力并工作一段时间，这是因为储存在磁体中的磁性能量被转换为机械能工作。向多个电永磁体施加时序电流脉冲导致连续的运动。并且，感测部件的相对位置并控制所应用的脉冲的定时、幅度或形状允许准确控制位置或速度。部件的相对位置可通过外部手段感测，或者也可通过测量线圈中的电压或电流而被感测。根据本发明的马达，当低速工作时可有效地产生扭矩，或者等效地，当马达被建造为小尺寸时，大的旋转速度(每分钟转数)仍将在转子和定子之间产生低的线性速度。根据本发明的马达在停转时不需要电能，因此在速度接近于零时它能以大于零的效率工作。

在一个方面中，本发明是一种基于电永磁体的马达，其包括定子和转子，该定子具有至少一个电永磁体和至少一个线圈，所述至少一个线圈围绕每一个电永磁体缠绕，并构造成使影响磁体的磁化的电流脉冲流过，该转子可响应于电永磁体的磁化的变化相对于定子运动。在优选的实施例中，电永磁体的每一个包括由不同的可磁化材料制成的两个独立可控的磁体。

在一个方面中，本发明是一种具有晃动型结构的基于电永磁体的马达，其包括定子和转子，定子包括居中设置的定子芯、与每个定子臂成一体的电永磁体和围绕每个定子臂上的电永磁体设置的线圈，定子臂从定子芯向外伸出，转子以可围绕定子臂旋转的方式设置在定子的外部。在一些实施例中，定子芯和定子臂可由单片材料制成，例如但不限于铁。在优选实施例中，具有附着到每一个定子臂上的两个独立可控的磁体，每一个磁体由具有不同矫顽力的材料制成。在一个优选实施例中，一个磁体具有非常高的矫顽力，一个磁体具有大体上较低的矫顽力，但是仍然大体上高于磁通导向构件的矫顽力。每一个定子臂的端部和转子的内部可具有设计为相互啮合的一体的齿轮齿。可选地，或者除此之外，转子和/或定子的表面可具有高摩擦涂层。一个实施例包括具有设置在被定子占据的平面的上面和下面的齿轮齿的同轴双齿轮，并且该转子为插入到两个转子齿轮之间的环，所述转子齿轮具有设计为与定子齿轮的齿轮齿相匹配的转子齿。

在另一个方面中，本发明是一种具有旋转型结构的基于电永磁体的马达，包括居中设置的转子和设置在转子外部的定子，转子围绕它的轴线旋转，可选地为围绕一轴旋转，该转子可以以该转子能够在定子臂内部旋转的方式被设置在定子内部，该定子包括先前设置的定子芯、一体到每个定子臂的电永磁体以及线圈，定子臂从该定子芯朝着转子向内延伸，线圈围绕每一个定子臂上的电永磁体设置。在一些实施例中，定子芯和定子臂可由单片材料制成，例如但不限于铁。在优选实施例中，具有附着到每一个定子臂上的两个独立可控的磁体，每一个磁体由具有不同矫顽力的材料制成。在优选实施例中，一个磁体具有非常高的矫顽力，一个磁体具有大体上较低的矫顽力，但是仍然大体上高于磁通导向构件的矫顽力。每一个定子臂的端部和转子的外部可具有被设计为相互啮合的一体齿轮。可选地，或者除此之外，转子和/或定子的表面可具有高摩擦涂层。

本发明有利地在马达和致动器中应用电永磁体。使用电永磁体的马达和致动器对马达设计和构造中的现有技术很有用，这是因为当在低速运转时和/或当构造为小尺寸时，它们能实现高效率。因为电流流经线圈仅一小部分时间，在该小部分时间里马达产生扭矩，并且当马达变得更慢时该部分更小，因此，当马达以低速运行时由于线圈的电阻发热而产生的损耗被显著地减小。与由于电阻能量损失而使能量持续消耗的传统永磁体马达相比较，即使马达停转了，使用根据本发明所构造的马达，每公转具有独立于速度的相对恒定的电阻和磁滞能量损耗。本发明的技术特别适合用于微型机器人学和可编程体领域的微型马达和微型致动器。

附图说明

结合附图通过以下的本发明的详细的描述，将更明白本发明的其它方面、优点以及新的特征，其中：

图1A和图1B描绘了根据本发明的一个方面的分别在安装线圈之前和之后的晃动型结构的电永磁体步进马达的一个示例性实施例；

图2A和图2B描绘了根据本发明的一个方面的分别在安装线圈之前和之后的晃动型结构的电永磁体步进马达的一个示例性实施例的平面视图；

图3描绘了根据本发明的一个方面的晃动型结构的电永磁体步进马达的一个示例性实施例的驱动波形；

图4描绘了根据本发明的一个方面的具有相关的驱动电路和按比例显示的两角五分的硬币的晃动型结构的电永磁体步进马达的原型实施例；

图5描绘了根据本发明的一个方面的示例性步进马达内部的磁场分布图的图解，其中示出了穿过大回路中的两个活动臂的磁通流和非活动臂中的磁通循环；

图6A-6C描绘了根据本发明的一个方面的具有单片铁定子磁通导向件的晃动型结构的示例性实施例的永磁体步进马达，图6A是在安装转子和线圈之前的，图6B是在安装了转子之后的，图6C是安装了转子和线圈之后的；

图7A和图7B描绘了根据本发明的一个方面的在转子和定子上具有一体的齿轮齿的晃动型结构的电永磁体步进马达的示例性实施例；

图8A-8D描绘了根据本发明的一个方面的具有同轴齿轮的晃动型结构的电永磁体步进马达的示例性实施例；

图9A和图9B描绘了根据本发明的一个方面的分别在安装线圈之前和之后的旋转型结构的电永磁体步进马达的示例性实施例；

图10描绘了根据本发明的一个方面的分别在安装线圈之前的旋转型结构的电永磁体步进马达的示例性实施例的平面视图；

图11A和图11B描绘了根据本发明的一个方面的电永磁体线性致动器的示例性实施例；和

图12描绘了根据本发明的一个方面的电永磁体蠕动马达的示例性实施例。

具体实施方式

本发明在马达和致动器中应用了电永磁体。根据本发明的马达/致动器具有至少两个部件，即彼此相对运动的转子和定子。这些部件的至少一个包括一个或多个电永磁体。通过使电流流过电永磁体的线圈改变材料内部的磁化，改变它们施加到另一构件上的力，从而产生相对的运动。向多个电永磁体施加时序电流脉冲导致连续的运动。并且，感测部件的相对位置并控制所应用的脉冲的定时、幅度或形状而允许准确控制位置或速度。部件的相对位置可通过外部手段感测，或者也可通过测量线圈中的电压或电流而被感测。

正如这里所用到的，下面所表达的术语包括但不限于：

“电永磁体”是指可通过电脉冲实质上改变其矫顽力的磁性组件。电永磁体是在电流脉冲的激励下其磁化发生了实质性变化的一种装置。在电流返回到零或者低量级时，该磁化保持了实质性的变化。电永磁体能够在短的电流脉冲中接收能量，并在该电流脉冲完成之后，继续通过气隙向另一个构件施加比电流脉冲长很多时间的磁力。例如在美国专利Nos.4,075,589、6,002,317和6,229,422中进一步公开了电永磁体。

“转子”是指电机或电动装置的转动构件，例如马达或发电机的转动电枢。

“定子”是指包括磁性电路的固定部件的转动机械的部分，并且有时包括它们的相关绕组。

因为即使在大距离下电永磁体也推送了相当大的力并且在小尺寸下消耗低功率，应用了根据本发明的电永磁体的马达和致动器非常有效率，在小尺寸和低速度下消耗低功率。设计和实施了大量不同的实施例，包括具有晃动型结构的电永磁体步进马达、具有旋转型结构的电永磁体步进马达、具有单片定子芯的电永磁体马达、具有一体的齿轮齿的电永磁体马达、具有同轴接触轮的电永磁体马达和电永磁体线性致动器。在一个实施例中，电永磁体步进马达被用于使可编程体系统的旋转接头致动。

具有晃动型结构的电永磁体步进马达。在一个示例性实施例中，被称作“电永磁体晃动步进马达”，其具有两个部件，转子和定子。定子在中央，转子围绕定子旋转。在一个优选实施例中，转子和定子的主要部分由铁制成，这是因为铁的低矫顽力和高饱和磁通密度而选择的。转子的外轮廓形状为具有给定直径的大体上的圆形，并且转子的内轮廓形状为圆形，但具有稍小的直径。转子的每一个臂都包括电永磁体。这些电永磁体由两个并排设置的永磁材料组成。在优选的实施例中，一种材料为Nd-Fe-B(钕-铁-硼)永磁合金，另一种材料为铝镍钴5合金(铝-铁-镍-钴-铜)。围绕着定子的每一个臂缠绕铜线线圈。相对臂上的线圈被连接在一起，形成了具有两个电相位的四线装置。

图1A和图1B描绘了根据本发明的一个方面的分别在安装线圈之前和之后的晃动型结构的电永磁体步进马达的示例性实施例。在图1A和图1B的示例性实施例中，转子105在定子110的外侧，定子包括定子芯115、可选的定子安装孔120、线圈125和包括铝镍钴磁体135、Nd-Fe-B磁体140以及定子臂端部145的定子臂130。图2A和图2B分别描绘了图1A和图1B的示例性实施例的平面视图。

根据本发明的电永磁体晃动步进马达工作如下：在起始状态，两个相邻的磁体启动而其它两个磁体关断。这导致转子在磁体启动的两个定子臂的端部被附着到定子。电流脉冲以合适的方向通过一个电相位，同时关断其臂中的一个臂上面的磁体并启动其相对臂上的磁体。现在转子绕着垂直臂上的磁体枢转，这持续地保持着远离所断开的磁体而朝着接通的磁体运动。这导致转子相对于定子的旋转和平移。如图所示，通过激励电相位，旋转可在任一方向上进行。

在实验室中构造了具有该结构的电永磁体步进马达的原型实施例。转子和定子的铁制部分由1/4英寸厚的、ASTM-A848级的、购自Scientific Alloys，Inc.(Westerly，RI)的铁板制成。该永磁体的直径为1/8”，长度为1/8”。Nd-Fe-B磁体购自Amazing Magnets，Inc.(Irvine，CA)，零件号为R125A。铝镍钴磁体购自McMaster-Carr Industrial Supply Co.(Robinsville，NJ)，零件号为5852K11。如所购买到的，该铝镍钴磁体长于所需要的长度。使用购自MTI Corporation(Richmond，CA)的型号为EC400的金刚石锯切割磁体的长度。应用垂直磨削机(HAAS Super Mini-Mill，HASS Automation，Inc.，Oxnard，CA)将铁板的一部分切掉，并表面平坦化且并行至1/4”。接着，磨料水射流切割机(OMAX JetMachining Center，型号2652，OMAX公司，Kent，WA)被用于切割定子中心的连线。使用穿过中央孔的螺栓以及蜡胶粘(wax-gluing)使定子被固定在磨削机中。该垂直磨削机接着被用于对四个磁体的匹配端部进行表面处理，使它们平坦、光滑并成方形。定子的中央被去除并在加热的异丙醇中清洗，加热到50℃，直到看不见蜡为止。

在如图1A-B和图2A-B所示的结构中，使用氰基丙烯酸酯粘合剂(Loctite 409胶质粘合剂，Henkel公司，杜塞尔多夫，德国)将磁体粘合到定子的中央。定子的每个臂都具有两个Nd-Fe-B磁体和两个铝镍钴磁体。在每个臂上的两个Nd-Fe-B磁体都具有相同的极性。相邻面上的Nd-Fe-B磁体具有相反的极性。例如，如果一个臂上的磁体被安装为朝北伸出，那么相邻臂上的磁体应该为朝北伸入。在构造期间，铝镍钴磁体的极性的安装不重要，这是因为在工作期间它们的磁化将发生变化，但是如果它们被安装为与它们所在臂上的Nd-Fe-B磁体具有相反的极性，那么装配装置将更容易。

定子臂的端部在磨料水射流切割机上被切割并借助于翼片连接在一起，并且磁体配对侧在垂直磨削机上被抛光。将残片保持在一起的翼片用钢锯被切割，并且翼片的残留物用金属锉被锉平。定子的端部在50℃的加热的异丙醇中被清洗。接着，该定子的端部使用Loctite 409粘合剂被粘合到磁体上，并且为了使粘合完全地固定，允许经过24小时。定子被紧固以在垂直磨削机上进行加工，再一次地使用螺栓和蜡胶粘的方法以进行安装。使用端铣刀进行大量的平缓操作，在定子的外部切割圆形轮廓。

接着，80匝的33AWG可粘结的磁线(MWS Wire industry，Westlake Village，CA)围绕着每个臂缠绕。相对的磁体被电连接并以相同的方向缠绕(例如逆时针)，因此该装置具有四个引线和两个电相位。使用几滴氰基丙烯酸酯粘合剂将线固定在定子的四个角的位置。接着，定子被加工。由1/4”的铁板切割出定子的外形，保证内圆稍微地比一般尺寸小，使用13/16”的绞床完成该内圆。

为了驱动马达，使用两个开源马达控制器板(Robot Power Inc，S.Roy WA)，为每个电相位提供一个控制器板，两个控制器板都由单个的ATMELAVR微控制器(AtmelCorporation，San Jose，CA)所控制。该微控制器被编程以用图3所示的时序脉冲(使用100微秒长的脉冲，并且将该脉冲以10毫秒间隔开)驱动两个相位。电源电压为24V。在电源导轨上的两个1000uF的并联的去耦电容器提供了所需的电荷，以供给所需的5-10A的瞬时电流来驱动该马达。

图4描绘了根据本发明的一个方面的晃动型结构的电永磁体步进马达的另一原型实施例。如图4所示的步进马达410包括转子420、定子芯430、线圈440、相关的驱动电路450以及按比例显示的两角五分的硬币460。

图5为根据本发明的一个方面的示例性步进马达内部的磁场分布图，示出了在静止臂中的圆形磁通(在小回路中，在臂中的两个磁体之间)和通过两个活动臂的磁通流(在大回路中，穿过两个臂)。图示的步进器的测试结果为50克-毫米的扭矩和1.2焦耳/公转的能耗。

本领域技术人员将清楚，可能有多个绕线和驱动变型。例如，来自于马达的每一个电相的一个导线可被连接在一起以形成公用的引线，那么马达将变为三线装置。这可能是有优势的，因为这将减少使该装置连接到驱动电路的导线的数量，并且降低驱动电路所需的开关(例如晶体管)的数量，同时还允许图中所示的驱动波形。在具有多于两个电相位的马达中，相似的引线的共用连接将是可能的。可选择地，在另一个绕线变型中，马达的每个线圈的每一侧可以被独立地连接，使得具有四个臂的马达成为八线装置。在另一个可选变型中，每个线圈的一个引线可被连接到公用体，并且接着来自每个线圈的另一导线可被连接到公用体，使得该四臂马达成为五线装置。这些绕线布置将允许相对线圈被独立地激活，这将是有优势的，因为使稍微及时地启动和关断相对线圈的脉冲产生改变将会节省能量。

本领域技术人员还将清楚不同数量的定子臂也是可能的。在不同的结构中，对定子臂的数量具有限制。例如，使用Nd-Fe-B/铝镍钴永磁电磁体仅被设计为来改变或关断一个极性，并设计以保持铁内部的磁通量尽可能的多，这需要磁体的极性围绕着外部交替，这将臂的数量限制成偶数。然而，以下这些电永磁体的使用都是可能的，并且在特定应用中可能是有优势的，所述电永磁体能被变换到任一极性、或者在不需要持续转动的系统中、或者使用电永磁体和电磁体的组合、或者具有多个其它的设计变化和奇数个数量的极点。

本领域技术人员还将清楚，转子和定子的功能可以被改变。例如，被称为转子的部件可以是静止的，而被称为定子的部件可以转动。在所述的实施例中，线圈设置在静止部件上以易于绕线，使得这些实施例为无刷马达。然而，可构造本设计的变型，使用机械变换以形成脉冲的时序，然后对于包括运动线圈的马达的部分来说将是有优势的。相似地，如果驱动电路在转动部件上，那么对于线圈要被放在转动部件上将是有优势的。

本领域技术人员还将清楚，具有线圈的部件可以在外面，另一部件可以在里面(例如围绕着被磁体包围的轴旋转)。后面将讨论具有该结构的实施例。虽然在优选的实施例中为了其所增加的扭矩采用外面的转子，但是机械结构需要、可制造性或者各种不同的方案可使得外面磁体结构是优选的。

相似地，本领域技术人员将清楚，除了所披露的实施例中所使用的铁、Nd-Fe-B合金，铝镍钴5合金和铜之外，在本发明中也可优选使用其它的材料。选择铁是因为其具有高磁导率、低矫顽力和高饱和磁通密度。选择Nd-Fe-B合金是因为其具有高剩余磁通密度和高矫顽力。选择铝镍钴5合金是因为其具有与Nd-Fe-B合金相似的剩余磁通密度以及其具有在铁和Nd-Fe-B合金之间的矫顽力。

除此之外，本领域技术人员还会清楚，使用多种失准耦合技术，例如但不限于套柱销联轴器、万向联轴器、滑块联轴器、波纹管联轴器、星形联轴器、汤普森联轴器、弹性联轴器或圆盘联轴器，上述的具有其偏心的旋转模式的马达以或多或少的纯转动可被耦合至轴(例如由轴承固定的轴)。本领域技术人员还会清楚，利用联轴器可将多个这些马达连接到轴，至少一些马达相互异相，以实现马达领域中所公知的多层叠层步进马达。

除此之外，本领域技术人员将清楚，用于基本结构功能的转子和定子的一些部件可用非磁性材料制成，而不是由例如铁的磁性材料制成。这可优选以减小重量或增加机械强度。转子和定子可由散布有非导电材料层的磁性材料层的叠层体而制成，以减小涡流损失。

在本发明的另一变型中，臂上的电永磁体可使用两个相同或类似材料的平行的棒，每一个棒都被单独的线圈所围绕。该磁体接着可被设置为任意极性或者无极性。因为这将允许马达具有奇数个、例如三个臂，因此是期望的。在另一个可替代的变型中，臂上的电永磁体可以为一种材料的单块，缠绕有线圈。在这个变型中，磁体可通过大能量脉冲启动，接着通过使具有减小的能量的相反极性的脉冲的时序交替被关断。因为其引入更少数量的材料，所以将是期望的。

在本发明的另一个变型中，一个或多个磁体被部分地驱动，不是一直磁性饱和。这可以实现例如通过在一个方向上的高能磁化电流脉冲，其紧随着在另一方向上的更短、更低能量的退磁脉冲。这将允许微型步进，允许比可能使用的离散步进更细小的位置控制。在本发明的另一个变型中，在电流脉冲之前或期间使用加热器加热一种或多种永磁体材料，从而减小了改变其磁化所需的脉冲能量。

在本发明的另一个变型中，不是在磁性电路中平行地使用两个具有不同矫顽力的硬磁材料，而是可将相同材料的厚片和薄片平行地放置在磁性电路中。在这一变型中，该厚度将被选择为使得从电流脉冲通过线圈的磁通势将足以推送薄片材料中的磁化，但是在厚片中不行。

在本发明的一个实施例中，通过将现有的定子插入在两个稍微大直径的板之间而使机械界面与磁性界面隔离，因此利用板而不是用磁性组件形成机械接触。因为该接触元件可用例如但不限于不锈钢的硬的、耐磨的、非腐蚀性的、非磁性材料制成，因为简化了制造和装配，因此是优选的。

在此所描述的任何马达的含磁的臂都可用单片磁通导向件(monolithic flux-guiding)结构来构造。图6A-C描绘了与图1A-B和图2A-B的实施例相似的电永磁体晃动步进马达的示例性实施例，但是定子的磁通导向件部分用单片材料制成。在图6A-6C的实施例中，单片铁定子磁通导向件610由单个铁片制成，与定子芯和定子臂尖端成一体。铝镍钴磁体620和Nd-Fe-B磁体630被插入到定子芯610中。如图所示，定子芯610也具有可选的安装孔640。转子650围绕着定子芯610转动。为了允许每个臂上的电永磁体的磁化的转换，线圈660围绕着定子芯610的臂缠绕或者插入到定子芯610的臂上面。注意，在插入了磁体620和630之后，薄金属系链670从定子芯610转向每个臂的尖端。本领域技术人员将清楚，这一图示的实施例仅仅是示例性的，结合图1A-B和图2A-B的实施例所描述的任何变型也将适用于具有单片定子的实施例。

应用这一设计，简化了定子的制造和马达的组装，这是因为磁通导向件部分可使用低成本的二维制造工艺从单片材料(例如但不限于铁)切割而成，接着磁体和线圈被装配到该片上。在图6A-C所示的设计中，在将定子臂连接到定子芯的薄铁系链670中存在漏磁通，这是因为该薄金属臂向后传导了一些磁通量，并且该漏磁通倾向于降低马达的性能。然而，在一些应用中该设计仍然被优选，特别是因为其在可制造性上的优点。

具有一体的齿轮齿的电永磁体步进马达。在本发明的另一个实施例中，转子和定子具有突出的齿轮齿。优选地，这些齿的节距被设定为使得马达每一步前进整数数量的齿。因为这使得马达能在不滑动的条件下抵抗更大的反向扭矩，所以是优选的。在转子/定子的界面处齿轮齿的增加减少了依赖摩擦力而工作，提高了扭矩和可靠性。

图7A和图7B描绘了在转子和定子上具有一体的齿轮齿的晃动型结构的电永磁体步进马达的示例性实施例。在图7A和图7B的示例性实施例中，单铁片定子710在每一个臂的端部上具有一体的定子齿轮齿720。定子710的每一个臂还具有插入到定子磁通导向件710的槽中的Nd-Fe-B磁体730和铝镍钴磁体740，定子710具有可选的安装孔750。本实施例中的线圈在图7A和图7B中没有示出，因此磁体730和740是可见的，但是如在图1A-B和图2A-B的示例性实施例中是那样设置的。在原型实施例中由铁所制造的转子760与定子710在转子齿轮齿770上相啮合。定子710和转子760的齿轮齿720和770优选在它们的接触表面上制造。

当测量图6A-C的实施例的原型的性能时，发现马达的扭矩主要由转子和定子之间的滑动所制约。减少滑动的一条途径是在转子或定子的表面上使用例如硅胶或沙子的高摩擦涂层，另一条途径是在转子和定子上制作齿轮齿，如图7A-B的实施例一样。通过增加转子和定子之间的压力角，齿轮齿增加了使马达滑动所需的扭矩。本领域技术人员将清楚，在特定的应用中，结合了这两条途径的具有高摩擦涂层的齿轮齿也是可以的，并且可以是优先采用的。为了允许它们相啮合，应当将齿构造成使得转子和定子的齿轮齿具有相同的模数。为了增加推动扭矩，齿轮齿在晃动马达上的使用在以下进行了描述，例如Suzumori，K.Hori，K.，的“具有齿电极的微静电晃动马达”(Micro electrostatic wobble motorwith toothed electrodes)，Micro Electro Mechanical Systems，1997.MEMS’97，Proceedings，IEEE.，Tenth Annual International Workshop on，pp.227-232，Nagoya，Japan。

具有同轴齿轮的电永磁体晃动马达。在具有一体式齿轮齿的马达的设计中，因为齿的尖端同时起到机械和磁性的作用，所以存在材料的选择和齿轮齿形状设计的平衡(trade-off)；从磁性观点方面优选了一个设计或者选择，从机械观点方面可以优选另一个设计或选择。例如，从机械性方面考虑，可能优选由硬的、耐用的并且非腐蚀性材料构造齿轮齿，例如但不限于蓝宝石镀层的不锈钢，与例如退火纯铁、铁硅合金以及铁-钴-钒合金(它们依次具有低劣的机械特性)的特殊的磁性材料相比，这些材料具有非常低劣的磁性能。从齿轮齿的有限元学分布图形中，发现磁场的方向受齿形状的影响。因此，齿尖端的最佳磁性形状可能与其最佳的机械形状不同。

为了处理以上所有的问题，可构造具有同轴接触轮的电永磁体晃动马达，例如在定子的上面或下面附着有带齿的齿轮。这些轮可带有齿轮齿以传送扭矩，如图8A-D所示，或者也可简化为圆形辊轮。该接触轮被设计为比磁性元件更为突出，因此当磁性元件以不接触的方式相互起作用时，该接触轮与另一个接触轮接触。因此，接触轮将提供机械功能，该磁性元件将提供磁性功能，然后每一个的设计能被各自地优化以达到最好的性能。例如，接触轮可用不锈钢制成，臂尖端可由退火的磁性级铁构成。

图8A-D描绘了具有双同轴齿轮的晃动型构造的电永磁体步进马达的示例性实施例。图8A示出了定子组件和下齿轮，为清楚起见，去除了上齿轮。图8B描绘了相应的转子。图8C描绘了安装转子之前的定子和齿轮组件，而图8D描绘了完整的组装(转子、定子和所有的同轴齿轮)。在图8A-D的示例性实施例中，定子805具有四个铝镍钴磁体810、四个Nd-Fe-B磁体815、具有半圆柱面的单片定子磁通导向件组件820以及可选的安装孔825。线圈830为将被转变的电永磁体810、815提供磁化。磁性组件插入到两个不锈钢定子齿轮840、845之间，在每一个齿轮的表面上具有复合的齿制渐开线/弧线齿轮齿850、855。还示出了可选的定位销孔860，优选使用它以简化上齿轮840和下齿轮845之间的对准。转子865包括插入到两个转子齿轮875、880之间的铁环870，转子齿轮875、880具有设计为与定子齿轮840的齿850和定子齿轮845的齿885啮合。为了允许啮合[Suzumori，K.Hori，K..“Micro electrostaticwobble motor with toothed electrodes”，Micro Electro Mechanical Systems，1997.MEMS’97，Proceedings，IEEE.，Tenth Annual International Workshop on，pp.227-232，Nagoya，Japan.]，该啮合齿轮具有相同的模数(齿轮数与直径的比率)。在所示的实施例中，转子齿轮875、880的每一个比定子齿轮多一个或多个齿，因此以与前述的图1A-B和图2A-B的示例性实施例所描述的工作模式相似的方式，定子每次小量转动就改变了定子臂的磁化。

该设计的另一个优点是可以将轮设计成使得在内部和外部接触轮之间存在连续运动的单接触线(例如根据在Suzumori，K.Hori，K.，“Micro electrostatic wobble motorwith toothed electrodes”，Micro Electro Mechanical Systems，1997.MEMS’97，Proceedings，IEEE.，Tenth Annual Intemational Workshop on，pp.227-232，Nagoya，Japan.中的方法)。这简化了马达的动力分析。为了平衡和稳定性，通常优选具有两个接触轮，一个在磁性元件的顶部，一个在磁性元件的底部，但是这不应该被视为对本发明范围的限制，并且在特定的应用中也可优选其它的结构。

具有旋转结构的电永磁体步进马达。在本发明的另一个优选实施例中，具有内部转子和外部定子。转子和定子是同心的。转子用轴承被固定以使得其相对于定子自由转动，但是不在其他方向上实质性地运动。在一个优选实施例中，转子和定子都基本上由铁制成，并且定子具有六个臂。每个臂包括电永磁体。该电永磁体由平行的Nd-Fe-B磁体和铝镍钴磁体构成。每个臂具有围绕其的铜线线圈。相对的线圈连接在一起形成三电相，得到六线装置。转子和定子都具有以相同节距设置的凸起的齿。以标准的带齿的步进马达的方式，定子的每一对相对臂上的齿相互异相。相对臂上的磁体的极性设置成，当启动相对磁体时，磁通量可流过两个相对的磁体。

图9A和9B描绘了分别在安装线圈之前和之后的旋转型结构的电永磁体步进马达的示例性实施例，图10为根据本发明的这个方面的在安装线圈之后的旋转型结构的电永磁体步进马达的示例性实施例的平面视图。在图9A-B和10所描绘的实施例中，定子910在转子920的外面，并包括铝镍钴磁体930、NdFeB磁体940、定子臂端部950、可选的定子安装孔960以及线圈970。转子920扭开轴980。转子920和定子臂端部950可分别具有可选的齿990和995。

根据本实施例的马达的操作如下：以关断所有的磁体而启动，转子空转。以适当的方向通过一个电相的电流脉冲启动两个相对的磁体。转子转动以使该转子的极性和那些相对的定子臂的极性在气隙磁阻最小的位置对齐。马达将在无需进一步地输入动力的条件下输出扭矩，以使转子保持在这个位置。当希望下一个步骤时，相反的电流脉冲脱离第一臂，并且通过第二电相的电流脉冲激活第二臂，推动转子进入下一个位置。

在可选实施例中，一次启动连接到多于一个电相的磁体使得转子在中间的位置进入休息，即作为微型步进的马达领域所公知的行为。在另一个变型实施例中，启动连接到具有不同磁场强度的一个或多个电相的磁体，例如通过施加大的前向的电流脉冲，接着施加较小的反向电流脉冲，使得马达施加可调的扭矩量，并且也使得马达被设定成在步与步之间的任意中间位置进入休息。本领域技术人员还将清楚，图示的实施例仅仅是示例性的，而结合图1A-B和图2A-B的实施例的所述的许多变型也适用于根据本发明的旋转结构的实施例。

电永磁体线性致动器。在本发明的一个优选应用中，电永磁体被用于线性致动器。在这一实施例中，通过线性轴承限定了一个构件，压力器，以在线性的方向上自由地移动而不在任何其它的方向上实质性运动。弹簧将该压力器连接到定子。当磁体启动时，电永磁体施加力，以推动压力器到达一个位置，当磁体关断时到达另一个位置。

图11A和11B描绘了根据本发明的一个方面的电永磁体线性致动器的示例性实施例。如图11A和11B所描绘，具有压力器1105、弹簧1110、定子1115和1118、致动轴1120、线性轴承1125、铝镍钴磁体1130、钕磁体1140、磁场气隙1150，1155，1160，1165以及线圈1170和1175。

该致动器的一个应用是流体阀(例如但不限于转换气体或水的流动)。某一方向上的电流脉冲打开该阀。其它方向上的电流脉冲关闭该阀。使阀保持在相同的状态不需电能。其它的应用，例如自动锁定继电器或者通常由线性致动器驱动的任何应用都是可能的。

对于机械设计领域的技术人员将清楚，弹簧不需要成为分离元件，但是可选地成为一个挠性件，使得压力器和定子成为一个机械部件，但是被设计为在一个方向上具有低的刚性，以使得电永磁体可以相对于另一个电永磁体使它们运动。在可选的实施例中，没有弹簧或挠性件，并使用两个电永磁体。在一个位置上，其中一个启动，另一个关断。在其它的位置上，电磁体的激活是相反的。在另一可选实施例中，使用多个磁体，并且一个或多个磁铁被启动以通过施加不同大小的力而使压力器运动到不同的位置。本领域技术人员还将更明白，这些实施例仅仅是示例性的，结合图1A-B和图2A-B的马达所讨论的许多变型也适用于根据本发明的电永磁体线性致动器。

在一个可选的实施例中，用一个可控等级的力激活电永磁体或磁体以使该致动器运动到准确的位置。这可被用于制作例如成比例的流速值。在另一个可选实施例中，多于一个轴的运动是允许的，并且可利用多个电永磁体控制。例如，可用六个力是可控的电永磁体使定位台用六角(hexapod)六自由度弯曲，以允许使用六个自由度定位一个台。这可能是有用的，例如作为微型机械工具的部件，或作为显微镜的平台。

电永磁体蠕动马达。在另一个优选的实施例中，电永磁体被用于构建蠕动马达，其能够实施沿着用铁或其它磁性材料制成的表面进行的受控的运动。蠕动马达可用于例如可编程地定位铁盘上的光学组件。对于线性的蠕动马达，使用两个电永磁体作为夹持件以将马达保持在铁台上。线性的致动器，例如但不限于前面所描述的一个，将马达的两个部件连接在一起。图12描绘了根据本发明的一个方面的电永磁体蠕动马达的示例性实施例。如图12所示，电永磁体1210和1220将电永磁体线性致动器1230夹到铁板1240上。

蠕动马达的工作：如果两个夹持件磁体(clamp magnet)都被启动，则该蠕动在铁板上的固定位置支撑着它本身。为了沿一个方向运动，一个夹持件关断，该线性致动器被压缩，夹持件打开，另一个夹持件关断，线性致动器被展开，并且另一个夹持件回到打开。该蠕动将马上运动到新的位置。

本领域技术人员将清楚，可结合超向不同方向的多个蠕动马达以获得能在多个方向上移动和转动的蠕动马达。本领域技术人员还将清楚的是，夹持件磁体可具有曲面，以使得蠕动马达在圆柱、球体或其它曲线形状的内表面或外表面上运动。本领域技术人员还将更清楚，这些实施例仅仅是示例性的，结合图1A-B和图2A-B的马达所讨论的许多变型也适用于根据本发明的电永磁体蠕动马达。

虽然本发明公开了优选的实施例，但是许多其它的实施方式也是本领域技术人员能想到的并处于本发明的范围之内。上面所述的每一个不同的实施例都可与所述的其它实施例结合以提供多种特征。此外，虽然上面描述了本发明的装置和方法的多个独立的实施例，但是在此所描述的仅仅是本发明的原理的示例性应用。本领域技术人员所做的其它的配置、方法、改变和替代也因此被认为在本发明的范围之内，本发明的范围除了下面的权利要求以外不受其它的限制。

Claims (15)

1.一种基于电永磁体的马达，包括：

定子部件，该定子部件包括：

至少一个电永磁体；和

围绕着所述电永磁体设置的至少一个线圈，该线圈被构造成用于使改变电永磁体磁化的时序电流脉冲通过，该磁化的改变在电流从所述线圈被去除之后仍然持续；和

转子部件，该转子部件能够响应于所述至少一个电永磁体的磁化的持续的变化，相对于所述定子部件而运动；

用于感测所述定子部件和转子部件的相对位置的装置；

电机驱动电路，其被配置为使得时序电流脉冲的定时、幅度或形状用于准确控制所述马达的位置或速度；该时序电流脉冲的电压和长度能够改变所述电永磁体的磁化；时序电流脉冲之间的电压回到零的水平。

2.如权利要求1所述的马达，其特征在于，所述定子部件进一步包括：

居中设置的定子芯；和

从该定子芯向外伸出的多个定子臂、被一体到每个定子臂的至少一个电永磁体和围绕每个定子臂上的所述至少一个电永磁体设置的线圈，所述定子部件以使得所述转子部件能够围绕定子臂转动的构造设置在所述转子部件内。

3.如权利要求2所述的马达，其特征在于，定子芯和定子臂由单片材料制成。

4.如权利要求1所述的马达，其特征在于，所述至少一个电永磁体包括由具有不同矫顽力的材料制成的两个独立可控的磁体。

5.如权利要求2所述的马达，其特征在于，所述至少一个电永磁体包括由具有不同矫顽力的材料制成的两个独立可控的磁体。

6.如权利要求5所述的马达，其特征在于，两个所述磁体中的一个为铝镍钴合金磁体，另一个为钕合金磁体。

7.如权利要求2所述的马达，其特征在于，每一个定子臂的端部进一步包括一体的定子齿轮齿，并且转子部件内部进一步包括一体的转子齿轮齿，所述定子齿轮齿与所述转子齿轮齿啮合。

8.如权利要求2所述的马达，其特征在于，进一步包括：

至少一个同轴齿轮或摩擦辊轮，所述同轴齿轮或摩擦辊轮包括轮齿，并被设置在由定子部件占据的平面的上面和下面；并且

转子部件进一步包括插入在两个转子齿轮之间的环，所述转子齿轮具有设计为与定子齿轮或摩擦辊轮的齿啮合的转子齿。

9.如权利要求1所述的马达，其特征在于，进一步包括在至少一个转子部件或定子部件表面上的高摩擦涂层。

10.如权利要求1所述的马达，其特征在于，所述定子部件进一步包括：

先前设置的定子芯，所述定子部件在转子部件的外面；和

从该定子芯向内伸出的多个定子臂、被一体到每个定子臂的至少一个电永磁体和围绕每个定子臂上的所述至少一个电永磁体设置的线圈，所述转子部件以使得转子部件能够在定子臂内旋转的构造在所述定子部件的内部居中设置，所述转子部件还被构造为绕着其轴线旋转。

11.如权利要求10所述的马达，其特征在于，所述定子芯和定子臂由单片材料制成。

12.如权利要求10所述的马达，其特征在于，所述至少一个电永磁体包括由具有不同矫顽力的材料制成的两个独立可控的磁体。

13.如权利要求12所述的马达，其特征在于，两个磁体中的一个为铝镍钴合金磁体，另一个为钕合金磁体。

14.如权利要求10所述的马达，其特征在于，每一个定子臂的端部进一步包括一体的定子齿轮齿，并且转子部件外部进一步包括一体的转子齿轮齿，所述定子齿轮齿与转子齿轮齿啮合。

15.如权利要求10所述的马达，其特征在于，进一步包括设置在转子轴线上的轴。