CN107112880B - 包含定子和动子的磁性装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包含定子和动子的磁性装置，具体包括至少一个定子和两个动子，其中每个定子具有至少一个包含极端的磁体；每个动子具有至少一个包含极端的磁体；动子以能相对所述定子运动的方式受支承，从而使得动子在运动方向上能平行于运动轴做线性运动。动子可以具有扇环的形状并且定子可以包括两个相互平行地沿运动轴取向的磁体；并且定子的每个极端与动子的极端对置，其中定子可以构建为圆柱体而动子可以构建为环体，并且定子可以由两个同中心的空心圆柱体形成。

Description

包含定子和动子的磁性装置
技术领域
本发明涉及一种磁性装置，包括至少一个定子和动子，其中所述定子和所述动子分别包括至少一个磁体，所述磁体包含极端和所述磁体的作用线，并且所述动子可在运动方向上沿运动轴做线性运动且/或绕运动轴做旋转运动。
背景技术
根据通用的技术原理，本发明的磁性装置可以通过定子与动子之间的相对运动形成一种力的状态，动子将这种力的状态传递到在本发明的揭示范围内未被提及的其他元件上。这种力的状态能够在固定安装的定子与活动安装的动子之间引发线性或旋转性的相对运动，以便动子能驱动其他元件。
本发明的磁性装置可用作驱动器或发电机。
现有技术中的磁力驱动器包括至少一个定子和动子，其中磁体的相互作用取决于磁体的相邻对应表面之间的磁通。根据WO2013034339所提出的技术原理，磁体间的相互作用覆盖所有表面。
基于从WO2013034339所获得的认识，本领域技术人员的任务是将并非产生于相邻对应表面之间的磁通集束以提高磁性装置的效率。
发明内容
对此，本发明提出的解决方案如下：定子的定子作用线或定子作用线的定子延长线和动子的动子作用线或动子作用线的动子延长线具有交点，定子延长线作为定子作用线的几何切线以几何束的形式背离定子的极端且背离定子延伸，动子延长线作为动子作用线的几何切线以几何束的形式背离动子的极端且背离动子延伸，由此，定子作用线、视情况的定子延长线、动子作用线和视情况的动子延长线形成闭合几何形状，从而使定子与动子之间的磁通集束，其中作用线和延长线在穿过磁性装置的、包含运动轴的剖切平面内延伸。
如果定子和动子在一个点上借助接头以相对可动的方式彼此相连，则闭合几何形状可由一条定子作用线、视情况由一条定子延长线、一条动子作用线和视情况的一条动子延长线形成。
在实际操作中，闭合几何形状由若干定子作用线、视情况由若干定子延长线、一条动子作用线和视情况的若干动子延长线形成。
上述解决方案包含以下意思：闭合几何形状视情况例如由定子延长线形成。这就将以下情况考虑在内，即，定子作用线和动子延长线具有交点，因此，闭合几何形状正好仅由定子作用线、动子延长线和动子作用线形成。
类似地，动子延长线可以不是闭合几何形状的一部分。
根据通用的技术原理，磁体的作用线在这个磁体中的磁体极端之间延伸。
包含运动轴的剖切平面穿过磁性装置。
本发明的磁性装置可在一个平面内延伸。在一个平面内延伸的磁性装置例如可以是二维磁性装置。在上述第一种情况下，穿过磁性装置的剖切平面在本发明的磁性装置的平面内延伸。
本发明的磁性装置也可以是三维体。在这第二种情况下，剖切平面在运动轴中截切磁性装置且相对于运动轴具有任意定向。运动轴可构成磁性装置的对称轴。
磁体可呈多边形，磁体的极形成于该多边形的末端上。作用线在极之间延伸，其中作用线在极上的方向由切线定义。在本发明范围内，几何延长线被定义为与切线相平行的束，该束背离磁体延伸。
在本发明的磁性装置中，作用线按如下方式配置，即，作用线与延长线形成闭合形状。
如果磁性装置包含有可做线性或旋转运动的动子，那么，通过相互作用力F和这些力与运动轴之间的距离所产生的转矩的总和可为零。
动子可具有线形或多边形的运动轴。通过相互作用力F和这些力与运动轴之间的距离所产生的转矩的总和可为零。
本发明的上述揭示内容不排除以下情况：具体应用时，转矩总和可以不等于零。
作为上述磁通集束措施的补充，本发明的磁性装置可包括磁屏蔽元件，所述磁屏蔽元件邻近形成于磁体之间的间隙布置。
磁屏蔽元件属于已知的现有技术。磁屏蔽元件例如可由铁磁材料构成。
对于磁性装置的一些分区而言，运动轴可以是磁性装置的对称轴。二维磁性装置的运动轴可以是镜像轴，三维磁性装置的运动轴可以是旋转轴。
附图说明
图1示出本发明包含有一个定子和一个动子的二维磁性装置的可行的第一实施方式。
图2示出本发明包含有一个定子和两个动子的二维磁性装置的可行的第二实施方式。
图3示出本发明包含有两个动子和一个定子的二维磁性装置的可行的第三实施方式。
图4和图5示出本发明包含有两个动子和一个定子的三维磁性装置的可行实施方式。
图6和图7示出本发明的三维磁性装置的另一可行实施方式。
图8和图9示出关于图6的FEM模拟。
在附图中，以下附图标记对应下列元件：
r 定子与动子之间的距离
F 相互作用力
+/- 极性
1 定子
2 动子
3 运动轴
4 运动方向
15 定子作用线
25 动子作用线
16 几何定子延长线
26 几何动子延长线
7 磁屏蔽元件
8 间隙
9 磁体
10 交点
11 绕组
12 剖切平面
13 中心
17 内侧定子极端
18 外侧定子极端
19 内侧动子极端
20 外侧动子极端
附图仅用于说明本案所揭示的发明。附图不应被理解成对本发明的主题进行限制。
具体实施方式
图1示出本发明的磁性装置的可行的第一实施方式。磁性装置包括呈面状的定子1和呈面状的动子2，其中定子1和动子2分别包括磁体9，该磁体包含极端和该磁体的作用线。因此，图1示出二维磁性装置，其中剖切平面12位于图1的观察平面内。
图1中未绘示动子2相对于定子1的运动，因为动子2相对于定子1的运动对本发明的主题，即在磁体9之间形成集束磁通，没有影响。动子2可平行于运动轴做线性运动且/或绕运动轴3做旋转运动。
图1中绘示了磁体9按照通用技术原理选择的+/-极性，因此，借助相互作用力F能够引发动子2相对于定子1的运动。为能实现动子1在图1中所绘示的运动方向4以及与此相反的运动方向(图1中未示出)上的运动，本领域技术人员将磁体9实施为电磁体。电磁体的极性可转换。
在图1所示的实施方式中，磁体9呈多边形段的形状。磁体9大体呈弧段形状。弧段的中心13相互邻近布置。弧段的中心13位于运动轴3上，运动轴3亦构成磁性装置的对称轴。
根据通用的技术原理，磁体9的作用线呈弧段形状。因此，定子作用线15和动子作用线25呈弧段形状。图1以叠合线示出磁体9的弧段形状和作用线的圆弓段形状。
几何延长线是作为磁性作用线的延长线从磁体9的极端延伸出去的几何束。定子作用线15的定子延长线16是作为定子作用线15的几何切线背离定子1的极端延伸的几何束。同样地，动子作用线25的动子延长线26是作为动子作用线25的几何切线从动子2的极端延伸出去的几何束。
几何定子延长部16和几何动子延长部26相交于包含交点10的交线。在图1所示的实施方式中，几何定子延长部16和几何动子延长部26相互平行且叠合，因此，在图1所示的实施方式中存在有包含交点10的交线。
与几何学原理相一致，几何定子延长部16在磁体端区与定子作用线15相同定向。可以确定的是，动子作用线25和动子延长线26同样如此。
无论动子到定子的距离r是多少，作用线15、25和几何延长部16、26都会形成闭合几何形状。定子1的磁体9与动子2的磁体9之间的磁通由此而被集束。
通过相互作用力F和这些力与运动轴3之间的距离所产生的转矩的总和为零。作用线与运动轴3间隔一定距离的相互作用力F使得运动轴3不会受到转矩负荷。
为增强磁体9之间的磁流集束效果，磁屏蔽元件7邻近形成于磁体之间的间隙8布置。
图2示出本发明二维磁性装置的可行的第二实施方式。磁性装置包括一个定子1和两个动子2。动子2可沿运动轴3在运动方向4上运动。由此，包含运动轴3的剖切平面12位于图2的观察平面内。因此，剖切平面12穿过磁性装置。
基于图2所示的原理，本领域技术人员可以推导出包含n个定子1和n+1个动子2的磁性装置，也可以推导出包含n个动子1和n+1个定子2的磁性装置。
作用线15、25以及与这些作用线相同定向的几何延长线16、26形成闭合几何形状。延长线16、26相交于包含交点10的交线；在图2所示的实施方式中，相交的延长线16、26还是叠合且相互平行。
定子1的磁体9构建为面状矩形。定子的磁体9是电磁体。图2包含绕组11的示意图。与通用的技术原理相一致，定子作用线15在定子1区域线性延伸。定子延长线16还是作为几何束背离定子1的极端延伸，所述几何束也构成定子作用线15的切线。
动子2的磁体9构建为面状弧段，其中弧段的中心13邻近定子布置，使得弧段形成相对的凹面。中心13位于运动轴3上。动子2的磁体9构建为永磁体。
根据通用的技术原理，动子作用线25在图2中被绘示成弧。动子延长线26作为几何束延伸，所述几何束在动子2的极端上形成相关的动子作用线25的切线。
定子延长线16和动子延长线26叠合且相平行地位于定子1与动子2之间的间隙8中。
定子1和动子2的磁体9之间的磁通基于这个配置而集束。
为增强集束，屏蔽元件7邻近间隙8布置。
定子的磁体9向外偏移，以使得相邻作用线15、25和/或延长线16、26不具有交点10，这是本发明磁性装置的一种较差的实施方式。
图3示出本发明二维磁性装置的可行的第三实施方式，该实施方式与图2所示的实施方式相似。磁性装置还是包括一个定子1和两个动子2。定子1和动子2呈面状，因此，图3所示的实施方式是二维磁性装置。穿过磁性装置并且也包含运动轴3的剖切平面12在图3的绘图平面内延伸。
不同于第二实施方式的是，动子2在此呈多边形。第三实施方式的效果弱于第二实施方式，因为在第三实施方式中，相互作用力F与运动方向4成一角度。
定子1构建为矩形磁体9。根据通用的技术原理，定子作用线15和定子延长线16相互平行。
动子作用线25在图3中被绘示成与动子2叠合。由于动子作用线25呈线形，动子延长线26在动子2的极端上平行于动子作用线25定向。
延长线16、26相交于交点10，因此，延长线16、26和作用线15、25形成闭合形状。相交于交点10的延长线16、26相互间成锐角14，为清楚起见，图3中在其中一处例示性地绘示了锐角14。这个闭合形状还是能产生磁通集束效果。动子2构建为永磁体。定子1构建为电磁体，其中绕组在图3中被示意性示出。
图4示出三维磁性装置的平面图；图5示出相关剖面图。
磁性装置包括一个定子1和两个设于定子1侧面的动子2。从图5中可清楚看到，定子1包括两个不同直径的空心圆柱体形式的旋转体，其旋转轴与运动轴3重合。动子2构建为环体，其旋转轴同样与运动轴3重合。动子以可沿运动轴3在运动方向4上运动的方式进行安装。
动子2构建为永磁体，定子1构建为电磁体。图4中示意性绘示了构建为电磁体的定子1的绕组；为清楚起见，图5中未绘示这个绕组11。绕组11大体上在定子1的旋转体之间延伸。根据通用的技术原理，通过接通定子1可以引发动子2相对于定子1的运动。为清楚起见，图4中未绘示磁体9的极性；本领域技术人员根据通用的技术原理或依照图1至图3选择极性。
构建为定子1和动子2的磁体9的作用线15、25和延长线16、26形成闭合几何形状，作用线15、25在穿过磁性装置的、包含运动轴3的剖切平面11内延伸。为清楚起见，图4中未绘示交点(附图标记10)。磁体间的磁通由于磁体的这种配置和设计而集束。
由磁体9所引发的力F致使动子2沿运动轴3运动。由力F以及相关的力F到运动轴的距离所产生的转矩的总和为零。
图5示出剖切平面12，该剖切平面也被绘示于图4中。本发明磁性装置的特征在于，可以形成穿过三维磁性装置的其他剖切平面11'，其中在任意一个剖切平面11、11'内，作用线15、25及其延长线6均形成闭合形状。
图4和图5中绘示了磁体9的外径a和内径b。
与图4相似，图6示出本发明磁性装置的三维实施方式的剖面图。包含定子1以及设于定子1侧面的动子2的磁性装置由图7示出。定子1呈圆柱体形状；动子2呈环体形状。圆柱体和环体的对称轴分别与运动轴叠合。
定子1构建为电磁体，并且动子2构建为永磁体。
在图6所示的剖面图中，动子2呈镰刀形。定子1布置在设于侧面的动子2之间并且沿运动轴3在运动方向4上运动。
根据通用的技术原理，在剖面图中呈镰刀形的动子2中的动子作用线25呈弧形延伸，因而与动子2的镰刀形状相似，并且从镰刀形动子2的极端的中点延伸至镰刀形动子2的另一极端的中点。根据通用的技术原理，定子作用线15同样从定子1的极端的中点延伸至定子1的另一极端。由于定子1在剖面图中笔直延伸，因此，定子作用线15也是笔直延伸。定子延长线16与动子延长线26叠合，因此这些延长线彼此相交。
内侧定子极端17的面积与外侧定子极端18的面积一样大。为此，内侧定子极端17由于直径较小而具有大于外侧定子极端18的宽度。类似地，内侧动子极端19的面积与外侧动子极端20的面积一样大。外侧动子极端20的宽度由于外侧动子极端19的直径更大而小于内侧动子极端的宽度。这些面积和宽度关系的作用是抑制围绕运动轴3产生作用的力矩。
图8和图9示出图6和图7所示磁性装置的FEM模拟。从图中可清楚看到闭合的磁力线。

Claims (29)

1.一种磁性装置，包括：
至少一个定子(1)；和
两个动子(2)；其中：
-每个定子(1)具有至少一个包含极端的磁体；
-每个动子(2)具有至少一个包含极端的磁体；
-所述动子(2)以能相对所述定子(1)运动的方式受支承，从而使得所述动子(2)在运动方向(4)上能平行于运动轴(3)做线性运动；
-所述动子(2)具有扇环的形状；
-所述定子(1)包括两个相互平行地沿所述运动轴(3)取向的磁体；并且
-所述定子(1)的每个极端与动子(2)的极端对置，其中所述定子(1)构建为圆柱体而所述动子(2)构建为环体，所述定子(1)由两个同中心的空心圆柱体形成。
2.如权利要求1所述的磁性装置，其中，每个定子(1)构建为电磁体，而每个动子(2)构建为永磁体。
3.如权利要求1或2所述的磁性装置，其中，所述定子(1)的极端与所述动子(2)的极端的彼此对置的面具有一样的面积。
4.如权利要求1或2所述的磁性装置，其中，扇环的中心(13)形成相对的凹面。
5.如权利要求4所述的磁性装置，其中，扇环的中心位于所述运动轴(3)上。
6.如权利要求1或2所述的磁性装置，其中，所述运动轴(3)与所述磁性装置的对称轴重合。
7.如权利要求1所述的磁性装置，其中，绕组(11)在所述同中心的空心圆柱体之间延伸。
8.如权利要求1或7所述的磁性装置，其中，每个动子(2)的极端由内侧环状极端和外侧环状极端形成。
9.如权利要求8所述的磁性装置，其中，内侧环状动子极端(19)的面与外侧环状动子极端(20)的面具有一样的面积。
10.如权利要求9所述的磁性装置，其中，所述动子(2)在剖面图中具有镰刀状形状。
11.如权利要求9所述的磁性装置，其中，两个空心圆柱体的直径选择成使得内侧定子极端(17)的面积与外侧定子极端(18)的面积一样大。
12.如权利要求11所述的磁性装置，其中，定子极端(17、18)的面积与动子极端的面积(19、20)一样大。
13.如权利要求1或2所述的磁性装置，其中，所述磁性装置形成驱动器或发电机的部分。
14.如权利要求13所述的磁性装置，其中，定子(1)与动子(2)之间的相对运动传递到被动子(2)驱动的元件上。
15.一种磁性装置，包括：
至少一个定子(1)；和
两个动子(2)；其中：
-每个定子(1)被构建为圆柱体且具有至少一个包含极端的磁体；
-每个动子(2)被构建为环体且具有至少一个包含极端的磁体；
-所述动子(2)以能相对所述定子(1)运动的方式受支承，从而使得所述动子(2)能绕运动轴(3)做旋转运动；
-所述动子(2)具有扇环的形状；
-所述定子(1)包括两个相互平行地沿所述运动轴(3)取向的磁体；并且
-所述定子(1)的每个极端与动子(2)的极端对置。
16.如权利要求15所述的磁性装置，其中，每个定子(1)构建为电磁体，而每个动子(2)构建为永磁体。
17.如权利要求15或16所述的磁性装置，其中，所述定子(1)的极端与所述动子(2)的极端的彼此对置的面具有一样的面积。
18.如权利要求15或16所述的磁性装置，其中，扇环的中心(13)形成相对的凹面。
19.如权利要求18所述的磁性装置，其中，扇环的中心(13)位于所述运动轴(3)上。
20.如权利要求15或16所述的磁性装置，其中，所述运动轴(3)与所述磁性装置的对称轴重合。
21.如权利要求15或16所述的磁性装置，其中，所述定子(1)由两个同中心的空心圆柱体形成。
22.如权利要求21所述的磁性装置，其中，绕组(11)在所述同中心的空心圆柱体之间延伸。
23.如权利要求15或22所述的磁性装置，其中，每个动子(2)的极端由内侧环状极端和外侧环状极端形成。
24.如权利要求23所述的磁性装置，其中，内侧环状动子极端(19)的面与外侧环状动子极端(20)的面具有一样的面积。
25.如权利要求24所述的磁性装置，其中，所述动子(2)在剖面图中具有镰刀状形状。
26.如权利要求24所述的磁性装置，其中，两个空心圆柱体的直径选择成使得内侧定子极端(17)的面积与外侧定子极端(18)的面积一样大。
27.如权利要求26所述的磁性装置，其中，定子极端(17、18)的面积与动子极端的面积(19、20)一样大。
28.如权利要求15或16所述的磁性装置，其中，所述磁性装置形成驱动器或发电机的部分。
29.如权利要求28所述的磁性装置，其中，定子(1)与动子(2)之间的相对运动传递到被动子(2)驱动的元件上。
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