CN1033883C - 带有多极永久磁铁的多相电磁转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多相电磁转换器，其转子(4)包括一个多极永久磁铁(10)，后者包括沿转子(4)的转轴方向取向的偶数个磁极对(14)。第一和第二主定子部件(22和24)分别从多极永久磁铁(10)确定的转子平面的两侧之一伸延。第一主定子部件(22)确定了至少三个主磁极(30，31和32)和次级磁极(38)，后者由叠加在多极永久磁铁(10)上的齿(40)确定。

Description

带有多极永久磁铁的多相电磁转换器

本发明涉及永久磁铁的电磁转换器。更具体地说，本发明涉及一种三相转换器，它带有具有X个极对的多极永久磁铁；X是大于二的偶数；这种三相转换器可用作可逆电磁转换器。

本发明的电磁转换器，可在多种应用中适宜于作电机使用，例如用于在信息或视听领域中驱动盘、轮或盒带。这种电磁转换器也可用于驱动诸如汽车速度计或电子手表的模拟显示器的指针。

在电子手表的情况下，通常采用以步进模式工作的双极永久磁铁的电磁马达，其转子每步转180°。若手表有秒针，且步的频率为1Hz，则在电机的转子与此指针之间需有减速比为30的减速。这样，转子每步转180°的转动需要有一齿轮系来进行减速。这样因磨擦会产生能量损失并产生较大的噪声。

通常，为了用双极永久磁铁获得准连续的步进转动，需要增加电机运行的频率，并在电机的转子与该电机驱动的装置之间提供减速装置。这难免造成额外的能耗并加大制造成本。

本发明的一个目的，是提供一种电磁转换器，它能使步进运动以转子每步很小的角位移进行。

本发明的第二个目的，是提供能以较低成本达到小型化并具有良好能量输出的这类电磁转换器。

最后，本发明的第三个目的，是提供结构紧凑的这种电磁转换器，它能保证获得相对于所述转换器的体积和有用能量而言良好的输出。

因此，本发明提供了一种电磁转换器，它包括一个定子和相对定子转动安装的转子，所述转子可绕该转子的定位轴形成的转轴旋转，并包括一多极永久磁铁，该磁铁构成了与所述转轴垂直的转子平面，并且多极永久磁铁是由围绕所述转轴环形配置的一组转子极对组成，这些转子极对为大于二的偶数，各转子极对有一磁轴，该磁轴的取向沿所述转轴的方向，且与相邻极对的转轴方向相反，且其磁铁在所述平面中与所述转轴成α角，该角的度数等于360°除以转子极对数，所述电磁转换器的特征在于它包括N个分别与N个导磁支路相联的励磁装置，N是大于二的整数，且还在于它包括第一和第二主定子部件，第一主定子部件有N个由高磁阻区相互磁绝缘的主磁极，并且它还包括第一个叠加部分，该部分相对于在所述转子平面内的凸起部分而言，是叠于所述多极永久磁铁之上的，每一个所述主磁极均包括至少一个次磁极，它相对于在所述转子平面内的凸起部分而言，它至少是部分地叠放在所述多极永久磁铁之上的，所述次磁极确定了与所述转子平面平行的第一定子平面，每一次磁极均在所述第一定子平面中与所述转轴形成一个夹角，该夹角的值基本上等于角α的值，各所述主磁极的每一个次磁极均相对于两个相邻主磁极中的每一个的各次磁极错开一个角度，并相对于所述转轴偏移一个角度，按所述角度α的模值计算，其值等于该角α的所述数值除以N，所述第二主定子部件形成了一磁返回极，它的第二叠加部分相对于在所述转子平面内的凸起部分而言，是叠放在所述多极永久磁铁之上的，该第二叠加部分限定了与所述转子平面平行的第二定子平面，所述第一和第二定子平面位于所述转子平面的各侧，各所述导磁支路均有与不同的所述主磁极相磁耦合的第一端和与所述返回极相磁耦合的第二端。

根据本发明的转换器的另一特征，所述第一主定子部件的每一所述主磁极均包括至少两个次磁极，属于同一主磁极的相邻次磁极在所述第一定子平面内彼此之间并且还相对于所述转轴移开一个角度，其值大体等于所述角α的值的两倍。

根据本发明的转换器的另一个特征，第一和第二主定子部件分别包括相对于在所述平面内的凸起部分而言是不叠加在所述多极永久磁铁之上的第一和第二部分，该第一和第二不叠加部分分别位于大体相互平行的第一和第二总平面中。此外，导磁支路位于第一和第二总平面之间的区域内。

根据本发明的一个具体实施例，第一和第二主定子部件完全是平面形的。

在本发明的主实施例中属于第二主定子部件的所述转换器的返回磁极还包括一些次级，它们相对于所述转子平面内的一个凸出部分而言，至少部分地是叠加在第一主定子部件的所述次极上的，并至少部分地叠加在所述多极永久磁铁上，第二定子部件的次磁极在所述第二定子平面中相对于所述转轴呈角度分布，它与第一主定子部件的次磁极的角度分布基本相同。

根据本发明的转换器的具体实施例，第一主定子部件和/或第二主定子部件的各次磁极均由环形锯齿状物的不同的齿或由通过加强桥与同一主极中的其他齿相啮合的不同的齿，或由形成一环形段的起伏部分的顶峰构成，相对于起伏表面中部平面，顶峰位于所述多极永久磁铁的一侧。

还有，根据本发明的具体实施例，第一叠加部分和/或第二叠加部分在多极永久磁铁的方向上分别相对于定子的第一总平面和/或第二总平面至少部分地有一加厚部分，或者在多极永久磁铁的方向上分别相对于定子的第一总平面和/或第二总平面至少部分地凹入。

由于本发明的上述特征，实现了本发明的目的。

下面结合附图进行的非限定性描述，将使人们对本发明其他特征有更好的了解。

图1是根据本发明的电磁转换器的第一实施例的俯视图；

图2是沿图1中剖视线II-II的剖视图；

图3是第一实施例的第二主定子部件的俯视图；

图4显示图1中所示的、根据本发明的电磁转换器的第一实施例的一个变型；

图5是图4沿剖视线V-V的剖视图；

图6是图4所示的变形的第二主定子部件的俯视图；

图7显示了根据本发明的转换器的第二实施例的第二主定子部件；

图8是沿图7中剖视线VIII-VIII的剖视图；

图9是根据本发明的转换器的第三实施例的第二主定子部件的俯视图；

下面结合图1至3，描述本发明的电磁转换器的第一实施例。

这种电磁转换器包括定子2和可相对于定子2转动地安装的转子4。转子4包括构成转轴8的定位轴6及形成垂直于转轴8的转子平面12的多极永久磁铁10。多极永久磁铁10由一组转子极对14组成，其磁轴16平行于转子的转轴8。

应注意，转子极对的磁轴16的方向，与两个相邻转子极对的磁轴方向相反。构成多极永久磁铁10的转子极对的数目是大于二的偶数。转子极对围绕转轴8呈环形方式排列。

在本实施例中，多极永久磁铁10为环形，包括20个转子极对14，一非磁性盘18配置在该环的中心并以一种方式安装在转子4的定位轴6上，这样多极永久磁铁10就被固定在定位轴6上。

应注意，转子4的定位轴6可相对定子2转动地安装，例如特别是对于技术熟练的人员所熟知的电机可借助定位架(未显示)或其他转换器转子组装装置安装。

在图1所示的第一实施例中，各转子极对14在转子平面12内确定了相对于转子转轴8的公共角α。这样，在此第一实施例中，角α＝360°/20＝18°。可看到转子极对确定的角α可包围位于两个转子极对14之间的非磁性部分。

定子2包括第一主定子部件22和第二主定子部件24。第一主定子部件22位于第一总平面26内，而第二主定子部件24位于转换器的第二总平面28中。这两个总平面26和28位于转子平面12的各侧。

第一转子部件22有3个主磁极30、31和32。这三个主磁极由凹槽34、35和36相互磁绝缘，这些凹槽具有高磁阻。主极30、31和32中的每一个均包括至少一个次磁极38。应注意，在本说明书中“极”总是指磁极。另外，极总是由构成它的部件的一个区域来体现的。

在第一实施例中，各主极均包括三个次磁极38。各次磁极38均由从相应主磁极的延伸部分42沿转轴8的方向伸出的齿40构成。一组齿40就构成了第一环形锯齿部分44，其突出部分由齿40组成。设置该第一环形锯齿状部分44时应使得相对在转子平面12中的凸起部分而言，这些齿40至少是部分地叠于多极永久磁铁10之上的。

一组次磁极38形成了第一定子平面46，该定子平面46与转子平面12平行。形成次磁极38的各个齿40在定子平面46相对于转轴8形成了一个角度，该角等于多极永久磁铁10的各个转子极对14确定的角α。这样，在本发明的转换器的第一实施例中，各齿在转轴8上形成了等于18°的角。

齿40所形成的每个锯齿状部分由两个斜面50与两个相邻的突出部分隔开。隔开公共主磁极30、31或32的两个齿的斜面所成的角度，构成了在第一定子平面46中相对于转轴8的一个角度，它等于由各个齿40及多极永久磁铁10的各个转子极对14形成的角度α。

另一方面，属于同一主磁极30、31或32的每一个齿38相对于属于相邻主磁极的次磁极偏移了一个角度，角度α的模值，等于角α的值除以转换器的相数，即第一实施例中的三相。角α的值的模的意思，是角α的值整除的结果。这样，在所示的第一实施例情况下，属于第一主磁极的齿40与属于相邻主磁极的齿40之间的角位移等于18°的整倍数加6°。从此结构可得出，分隔属于不同主磁极的两个齿40的斜面在第一定子平面46内相对于转轴8构成了一个角度，按角度α的模值考虑，该角度也等于6°。

三个主磁铁30、31或32中的每一个分别包括固定突耳54a、54b或54c。各固定突耳54a、54b或54c相应地可保证与导磁支路56a，56b或56c的第一端55a，55b或55c的磁接触，在这些导磁支路上相应地装有绕组58a，58b或58c。

图3表示第二主定子部件24的俯视图。第二主定子部件24形成一个单个返回磁极60。该返回磁极是由环形部分62和与第一环形锯齿状部分44基本相同的第二环形锯齿状部分64组成。第二环形锯齿状部分64包括也是形成次磁极68的齿66，还包括一组构成次磁极68的齿66它们形成了第二定子平面70。相对于转子平面12而言，第二定子平面70位于第一定子平面46的另一侧。分隔转子平面12和第二定子平面70的距离基本等于分隔转子平面12与第一定子平面46的距离。

第二环形锯齿状部分64的齿66至少部分地叠加在多极永久磁铁10上。第二环形锯齿状部分64的齿66所形成的突出部分以及分隔该突出部分的斜面显示了在第二定子平面70中相对于转轴8的角度分布与第一定子部件22的第一环形锯齿状部分44的所述角度分布相同。

为了使绕组58a、58b和58c中任一个产生的磁通量经多极永久磁铁10的转子极对14传播，坏形锯齿部分66在转子平面12的方向相对于位于该转换器的第二总平面28的第二主定子部件24的剩余部分有一个加厚部分。应注意，具有加厚部分的区域在圆孔74内被完全包括在相对于转子平面12的叠加部分，在孔74的内表面上，形成第一定子部件22的第一环形锯齿状部分44。第二主定子部件24还包括三个固定突耳78a、78b和78c，这些突耳中的每一个分别与不同导磁装置56a、56b或56c的第二端79a、79b或79c相连。

根据图1至3所示的本发明的转换器有三个主磁路，每个磁路与不同的绕组58a、58b或58c相联。另外，这些主磁路的每一个均不与其他两个主磁路耦合。每一个主磁路均由不同的主磁极30、31或32，与这些主磁极相连的导磁装置支路56a、56b或56c以及由第二主定子部件24构成的返回极所组成。应注意，根据本发明的转换器的结构，具有对外界磁场不敏感的优点。

第一环形锯齿状部分44的齿40的给定结构及第二环形锯齿状部分64的齿66的相应结构使该转换器可方便地以步进模式工作。应注意，采用20对磁极组成的多极永久磁铁，可在任何给定的方向使转子4每转实现60步。

因此，根据本发明第一实施例的转换器的三相结构，借助只具有20个转子极对14，并且其中每一个的磁轴都与转轴8同轴的多极磁铁60可实现每转60步。在转换器被用于驱动计时器的秒针的情况下，根据本发明的上述第一实施例的转换器，能通过直接驱动，来方便地以1Hz的频率驱动该指针。

应注意，根据本发明第一实施例的转换器结构紧凑，因此它占用空间最小。另外，转子放在定子中心，给多极永久磁铁10提供了最大的空间。

下面参照图4至6，描述根据本发明的电磁转换器的第一实施例的一个变型。

在前述第一实施例中详细描述过的参考文献，在对该变型的描述中将不再讨论。

首先应注意，导磁支路56a、56b和56c的结构，为圆弧形，如安装在该导磁装置中的绕组58a、58b和58c一样。

其次，在第一主定子部件22和第二主定子零件24之间设置有非磁性且最好非导电的稳定环80。如从图5可见，由于形成返回极60的次磁极68的齿66的作用，稳定环80相对于横向位移是被固定的。属于第二主定子部件24的齿66相对第二总平面28朝多极永久磁铁10凹进；第二主定子部件24就基本上位于平面28中。这种凹进造成的高度差，使得稳定环80得以插入。稳定环80是在两个主定子部件22和24之间的插入件。因而，它可保持两个主定子零件22和24的间距。

在图4中可看出，形成属于第一主定子部件22的公共主极30、31或32的次极38的齿40，彼此之间由加强桥84连接。这样，齿40构成了窗86的凸台；窗86相当于利用图1至3描述的本发明第一实施例的斜面。最好加强桥84在齿40之间较薄，以在末端形成一凹槽。

应注意，在形成窗86和第一主定子部件22的次级38时，在齿40的第一定子平面46中的角度分布，分别等于借助图1至3所述的第一实施例的突起部分和斜面的角度分布。

还应指出，最好对于转子平面12的突出部分而言，三个加强桥84不是叠加在多极永久磁铁10上。

与这里所述的变形的第一定子部件22相似。图6所示的该变型的第二定子部件24包括一个环形的加强桥88，它与形成返回极60的次级68的齿66相连接。同样，齿66构成一组窗口90的凸台，它们围绕转轴8呈环形分布。构成该变型的次级68的齿66的角度分布与图3所示的第二主定子部件的第一实施例的齿66的角度分布相同。

以下参见图7和8，描述根据本发明的电磁转换器的第二实施例。

本发明的转换器的第二实施例与第一实施例的不同之处，在于第二主定子部件24的形成及图7所示的由该第二主定子部件24构成的返回极60的次级68的构成方式。第二定子部件24的中部有一起伏的环形区域；该区域围绕在转子4的转轴8周围(在图7中未显示)以下称之为环形起伏区98。环形起伏区98为圆环形，它形成位于转轴8中心的圆孔100。

环形起伏区98是这样构成的，环形起伏区98的尖峰104相对于起伏区98表面的中部平面102，位于多极永久磁铁10(图7中没有示出)的一侧，从而构成了返回磁极60的次级68。其次，相对于在起伏区98之外，由这种第二个主定子部件24的表面108构成的平面106而言，由环形起伏区98的一组尖峰104组成的第二定子平面70位于多极永久磁铁的一侧。

同样，构成次级68的尖峰104具有与本发明第一实施例的次极38相同的角度分布。其次，相对于所述转子平面12中的凸起部分而言，尖峰104至少部分地是安放在多极磁铁之上和第一个定子部件24(图7中未示出)的次极之上的。

应注意，在根据本发明的转换器的第二实施例的一个变型(未示出)中，有一个起伏区，它与前面所述属于第一主定子部件22(见图1)的公共主极30、31或32的次磁级38所述的起伏区相似。在此变形中，提供了三个环形起伏部分，它们的每一个均属于第一主定子部件的一个公共主磁极；起伏的尖峰位于多极永久磁铁10(见图1)的一侧，形成了第一主定子部件的次级38。

以下参见图9，描述第二主定子部件24的第三简化实施例。

在此简化实施例中，第二主定子部件24形成的返回极60不再包括次级，只设置了一个嵌入的圆环部分112，其表面114位于不同于第二主定子部件24的辅助表面116的平面内。

圆环部分112的表面114构成了第二个定子平面，相对于第二主定子部件24的辅助部分的116而言，它位于多极永久磁铁(图9中未示出)的一侧。

总的看，应注意，为第一主定子部件选择的实施例，可独立于为第二主定子部件选择的实施例。其次，导磁支路56a、56b和56c的结构及它们的排列方式，可有多种变型。

还应注意，在简化实施例中，第一和第二主定子部件可完全是平的。在此情况下，可提供一结构，其中两个主定子部件之间的叠加区在多极永久磁铁区之外是很小的，以尽量降低磁通量损失。

最后，应注意，不需要进一步的发明，在此借助三相转换器描述的本发明可用于包括更多相的转换器，尤其是五相转换器。

Claims (19)

1.一种电磁转换器，它包括定子(2)和相对定子转动的转子(4)，所述转子适于绕所述转子的定位轴(6)确定的转轴(8)转动，并包括一多极永久磁铁(10)，磁铁(10)确定了与所述转轴垂直的转子平面(12)，并由围绕所述转轴呈环形排列的一组转子极对(14)构成，所述转子极对(14)的数目为大于二的偶数，每一个转子极对有一方向沿着所述转轴(8)取向的磁轴(16)，其方向与相邻极对的磁轴方向相反，并在所述转子平面内相对于所述转轴形成一个角度α，角度α的值等于360°除以转子极对的所述数目，所述电磁转换器的特征在于它包括分别与N个导磁支路(56a，56b，56c)相联的N个励磁装置(58a，58b，58c)，N为大于二的整数，且在于它包括第一和第二主定子部件(22和24)，第一主定子部件(22)形成了由高磁阻区(34，35，36)相互磁绝缘的N个主磁极(30，31，32)，并包括相对于在所述转子平面(12)中突出部分而言，是叠加在该多极永久磁铁上的第一叠加部分，每一个所述主磁极均包括至少一个次磁极(38)，后者相对于在所述转子平面中的突出部分而言，至少部分地是位于该多极永久磁铁(10)之上的，所述次磁极确定了与所述转子平面平行的第一定子平面(46)，各次磁极在所述第一定子平面中相对所述转轴确定了一角度，其值等于所述角α的值，各所述主磁极的各次极相对于两个相邻主磁极中每一个的各次极和相对于所述转轴偏移一个角度，该位移角的值，按所述角α的模值计算等于角α的所述值除以N，所述第二主定子部件(24)构成了一磁返回极(60)，相对于在所述转子平面(12)中突出部分而言，后者的第二叠加部分叠加于多极永久磁铁之上，该第二叠加部分形成了与所述转子平面平行的第二定子平面(70)，所述第一和第二定子平面位于所述转子平面的两侧，每一个所述导磁支路均有与不同的所述主磁极相磁耦合的第一端(55a，55b，55c)和与所述返回极相磁耦合的第二端(79a，79b，79c)。

2.根据权利要求1的转换器，其特征在于所述第一主定子部件(22)的各所述主磁极(30，31，32)包括至少两个次磁极(38)，属于同一个主磁极的相邻次磁极在第一定子平面(46)中彼此之间同时还相对所述转轴(8)错开了一个角度，该角的值等于所述角α的值的两倍。

3.根据权利要求2的转换器，其特征在于所述第一和第二主定子部件(22和24)分别包括相对在所述转子平面(12)中的突出部分而言，没有叠加在所述永久磁铁之上的第一和第二部分，该第一和第二未叠加部分分别大致位于彼此平行的第一和第二总平面(26和28)中，所述导磁支路(56a，56b，56c)基本上位于所述第一和第二总平面之间的区域中，各所述励磁装置(58a，58b，58c)由在不同的所述支路上的线圈构成。

4.根据权利要求2或3的转换器，其特征在于所述第一主定子部件(22)完全是平的并位于所述第一总平面(26)中。

5.根据权利要求2或3的转换器，其特征在于所述第一主定子部件(22)的所述第一叠加部分相对所述第一总平面，在所述多极永久磁铁(10)的方向上至少部分地有一加厚部分。

6.根据权利要求2或3的转换器，其特征在于所述第一主定子部件(22)的所述第一叠加部分，相对所述第一总平面(26)，在所述多极永久磁铁(10)的方向上至少部分地凹进。

7.根据权利要求2或3的转换器，其特征在于所述第一主定子部件(22)的所述次级(38)由第一环形锯齿状部分(44)的齿(40)构成。

8.根据权利要求2或3的转换器，其特征在于属于所述第一主定子部件(22)的共同主磁极(30，31，32)的次极(38)由彼此间用加强桥(84)连接的齿(40)构成从而形成了至少一个窗口(86)。

9.根据权利要求2或3的转换器，其特征在于所述第一主定子部件(22)的第一叠加部分是起伏的，第一主定子部件的各所述次磁极(38)由该起伏叠加部分的尖峰构成，相对于该起伏的第一叠加部分表面的中间平面而言，夹峰位于所述多极永久磁铁(10)的一侧，第一叠加部分构成N个起伏的环形部分，每个起伏环形部分属于不同的主磁极(30，31，32)。

10.根据权利要求2或3的转换器，其特征在于所述第二叠加部分构成了所述第二主定子部件(24)的一嵌入圆环部分(112)。

11.根据权利要求2或3所述的转换器，其特征在于所述第二主定子部件(24)的所述返回磁极(60)还包括若干个次极(68)，它们相对于所述转子平面(12)上、至少部分地是位于所述第一主定子部件(22)的所述次极(38)上及至少部分地是位于所述多极永久磁铁(10)之上的，第二主定子部件的次极(68)在所述第二定子平面(70)中相对于所述转轴(8)的角度分布与第一主定子部件的次极(38)的角度分布基本相同。

12.根据权利要求11的转换器，其特征在于所述第一和第二叠加部分相对于在所述转子平面(12)上的一突出部分而言是完全相互叠加的。

13.根据权利要求11的转换器，其特征在于所述返回磁极(60)的所述次磁极(68)由第二环形锯齿状部分(64)的齿(66)构成。

14.根据权利要求11的转换器，其特征在于所述返回磁极(60)的所述次磁极(68)由彼此间以圆形加强桥(88)连接的齿(66)组成，从而形成围绕所述转轴(8)呈圆形分布的一组窗口(90)。

15.根据权利要求10的转换器，其特征在于所述第二主定子部件(24)的所述第二叠加部分在所述多极永久磁铁(10)的方向上相对于所述第二总平面(28)至少部分地具有加厚部分。

16.根据权利要求11的转换器，其特征在于所述第二叠加部分在所述多极永久磁铁(10)的方向上，相对于所述第二总平面(28)，至少部分地凹进。

17.根据权利要求12的转换器，其特征在于所述第二叠加部分有一起伏部分(98)，所述返回极(60)的每一个所述次极(68)由该起伏部分的尖峰(104)构成，该尖峰相对于该起伏部分(98)表面的中间平面(102)而言，位于所述多极永久磁铁(10)的一侧。

18.根据权利要求1的电磁转换器，其特征在于它包括设在所述第一和第二主定子部件(22和24)之间的稳定环(80)。

19.根据前述权利要求1的转换器，其特征在于它是三相式的，N等于3。

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