CN110249398A - 极性切换磁二极管 - Google Patents

Abstract

一种极性切换磁二极管提供了一种控制或“整流”磁通元件的闭合磁通回路内包含的北极化和南极化的磁通的方法。缝隙将对置的磁极隔开，并且，设置有战略性地放置的控制线圈，以在电激活装置时，在至少两个位置破坏磁路，形成对置极性的高密度磁通区。切换控制线圈的磁通流允许高密度磁通区使北极性和南极性交替。

Description

极性切换磁二极管

本申请主张2017年12月27日提交的美国专利申请US15/391,106和2017年1月4日提交的美国专利申请US15/398,520的优先权权益，这些申请的全部内容通过引用而结合到本文中

技术领域

本发明的领域是电磁装置，即极性切换电磁体和包含该极性切换电磁体的马达。

背景技术

背景说明包括可能用于理解本发明的信息。本文中提供的任何信息并不被认为是现有技术或与当前主张的发明相关，或者被明确或隐含地引用的任何出版物并不被认为是现有技术。

以明确且单独地表明各个出版物或专利申请通过引用而结合的程度，通过引用而结合本文中的全部出版物。如果所结合的参考文献中的术语的定义或使用与本文中提供的术语的定义不一致或相反，那么，本文中提供的术语的定义适用，参考文献中的术语的定义不适用。

磁场和电磁电路能够用于将电能转化为机械能，反之亦然。最通用的磁性马达以各种方式激活和关闭磁场。

授予弗林的美国专利US6,342,746教授了与磁极片磁性地耦合以提供多个平行的磁通路径的各种永磁装置。控制线圈沿着磁通路径而安置，并提供各种开/关程序对控制线圈供能，从而通过操控磁极片内的磁通路径而获得理想的动态装置和静态装置。然而，弗林的系统仅激活和关闭部分磁极片中的磁通路径，这在关闭磁通路径时阻止了充分地利用弗林的磁极片。

授予荻野的美国专利US6,518,681教授了一种马达，该马达通过将永磁元件经由接触表面布置在电磁元件的两侧，使得工作表面和接触表面隔着永磁元件而被保持彼此对置，从而改进了能量效率。这种构造允许电磁元件将工作表面从第一状态转变为第二状态，在第一状态，永磁体的磁力线沿着电磁元件的闭合磁路环绕，在第二状态，永磁体的磁力线被释放至空气中，允许磁通力从远程影响引力部件。然而，荻野的马达，仅在一个状态影响引力部件，有效地将其转变为“开关”装置，这在马达处于“关闭”状态时，无法利用永磁体的引力。

授予伊尔登布朗的美国专利US7,453,341教授了一种包括永磁体和电磁体的阀，其中，该电磁体包括孔和线圈。伊尔登布朗的阀将永磁体和电磁体的磁极对齐，从而在对电磁体通电时，在载荷上产生联合磁场，并且，在对电磁体断电时，磁场返回其原始的磁通路径，远离载荷并穿过电磁体的孔。虽然伊尔登布朗将永磁体和电磁体的磁场结合成单个力，但是，伊尔登布朗的有效磁极仅在对电磁体通电时能够作用于载荷，这在用于电磁转子时，通常将仅为50％的时间。

因此，仍然需要在全部状态充分地利用来自永磁体和电磁装置的磁通能量的系统和方法。

发明内容

本发明主题提供了一种装置，其中，极性切换磁二极管包括第一北极磁通施主和第一南极磁通施主，其均磁性地耦合至磁通元件。磁通元件包括第一有效磁极、第二有效磁极以及第一缝隙。控制线圈绕着磁通元件的一部分，并优选至少部分地绕着缝隙缠绕。在本文中使用时，“磁通元件”包括对于磁通而言具有比空气更低的磁阻的磁性材料或可磁化的材料。

控制线圈具有第一磁性激活状态和第二磁性激活状态。在第一磁性激活状态，控制线圈将北极磁通从第一北极磁通施主沿着磁通元件引导至第一有效磁极，并且，将南极磁通从第一南极磁通施主沿着磁通元件引导至第二有效磁极。在第二磁性激活状态，控制线圈将北极磁通从第一北极磁通施主沿着磁通元件引导至第二有效磁极，并且，将南极磁通从第一南极磁通施主沿着磁通元件引导至第一有效磁极。北极磁通施主和南极磁通施主(例如，永磁体)向第一有效磁极和第二有效磁极施加磁通，将磁场强度增大至比能够单独从控制线圈的安匝(amp turn)获得的强度更大的强度。应当理解，将控制线圈在第一磁性激活状态和第二磁性激活状态之间切换，将第一有效磁极和第二有效磁极的极性反向。需要由控制线圈产生以完全地控制由一个或多个永磁体磁通施主提供的磁通的磁通量通常等于由磁通施主自身提供的磁通。

在本文中使用时，“控制线圈”包括绕着磁通元件缠绕的导电材料，缠绕的方式为当电流流过导电材料时，在磁通元件内产生电磁磁通。控制线圈可以包括绕着磁通元件的一个或多个部分缠绕的单根导电材料线、绕着磁通元件的耦合至公用电源的一个或多个部分缠绕的两根或更多根导电材料线或者绕着磁通元件的耦合至若干电源的一个或多个部分缠绕的两根或更多根导电材料线，该若干电源彼此同步。

北极磁通施主和南极磁通施主的构造能够以多个方式变化。在一个实施方式中，永磁体包括第一北极磁通施主和第一南极磁通施主。在另一实施方式中，第一永磁体包括第一北极磁通施主，第二永磁体包括第一南极磁通施主。当在极性切换磁二极管中采用两个或更多永磁体时，第一永磁体的磁轴优选大致平行于第二永磁体的磁轴。在该实施方式中，第一永磁体和第二永磁体的磁轴可以或者不可以穿过控制线圈的孔。

在本发明主题的另一示范性方面，第二北极磁通施主磁性地耦合至磁通元件，第二南极磁通施主磁性地耦合至磁通元件。所考虑的磁通元件大致笔直或大致弯曲。第一磁性激活状态还将北极磁通从第二北极磁通施主引导至第一有效磁极，并且，将南极磁通从第二南极磁通施主引导至第二有效磁极。因此，在第一磁性激活状态，来自第一北极磁通施主和第二北极磁通施主的磁通被引导至第一有效磁极，并且，来自第一南极磁通施主和第二南极磁通施主的磁通被引导至第二有效磁极。

磁通元件能够还包括由缝隙隔开的多个平行层。其中一个或多个缝隙能够包括永磁体，该永磁体根据控制线圈是否处于第一有效磁性状态或第二有效磁性状态，向第一有效磁极和第二有效磁极施加北极磁通和南极磁通。有利的是，各个磁通施主(例如，各个永磁体)向处于第一磁性激活状态和第二磁性激活状态的第一有效磁极或第二有效磁极施加磁通。换言之，来自北极磁通施主的北极磁通被引导至第一有效磁极，并且，当极性被切换时，来自北极磁通施主的北极磁通被引导至第二有效磁极。

多个永磁体能够提供多个北极磁通施主和南极磁通施主。例如，第一永磁体包括第一北极磁通施主和第一南极磁通施主，第二永磁体包括第二北极磁通施主和第二南极磁通施主。第一永磁体的磁轴大致平行于第二永磁体的磁轴，并且，第一永磁体和第二永磁体的磁轴穿过控制线圈的孔。磁通元件优选包括至少部分地延伸至控制线圈中的第二缝隙。当没有电流流过控制线圈时，第一缝隙和第二缝隙确保北极磁通和南极磁通在控制线圈的孔内形成磁路。当电流流过控制线圈时，该构造导致完全地整流北极磁通和南极磁通，因此，在两个有效磁极面选择性地表现北极性或南极性。

在一些实施方式中，控制线圈被安置在第一有效磁极和第二有效磁极中的至少一个的附近。在本文中使用时，术语有效磁极的“附近”意味着有效磁极的1cm内。优选地，缝隙的至少一部分延伸至控制线圈的至少一部分中。另外或者备选地，控制线圈沿着第一北极磁通施主与第一有效磁极和第二有效磁极中的至少一个之间的磁通路径绕着磁通元件缠绕。

可以使用任意已知的切换方法实现极性切换，这些切换方法例如用于电子应用或马达应用，以实现流过控制线圈的电流的反向，从而将控制线圈从第一磁性激活状态切换至第二磁性激活状态。

极性切换磁二极管能够被结合至马达中，在马达中，北极磁通施主磁性地耦合至磁通元件，南极磁通施主磁性地耦合至磁通元件。磁通元件通常至少包括当电流流过控制线圈时进行切换的第一有效磁极和第二有效磁极，但是，也能够使用更多的有效磁极，例如4个、6个或者甚至8个。

在具有四个有效磁极(第一、第二、第三以及第四)的实施方式中，绕着磁通元件的一部分缠绕的控制线圈能够具有将磁通从磁通施主引导至不同的有效磁极的第一磁性激活状态和第二磁性激活状态。例如，第一磁性激活状态能够将北极磁通从北极磁通施主沿着磁通元件引导至第二有效磁极，并且，将南极磁通从南极磁通施主沿着磁通元件引导至第三有效磁极。第二磁性激活状态将北极磁通从北极磁通施主沿着磁通元件引导至第一有效磁极，并且，将南极磁通从磁通元件沿着双向的磁通路径引导至第二有效磁极。

本发明主题的各种目的、特征、方面以及优势将通过以下结合附图详细地描述优选的实施方式而变得更清楚，在附图中，相似的标号代表相似的部件。

附图说明

图1A是磁通元件的示意图，其中，第一北极磁通施主和第一南极磁通施主位于磁通元件内的缝隙中。

图1B示出了具有图1A的元件和处于第一磁性激活状态的控制线圈的极性切换磁二极管。

图1C示出了图1B的极性切换磁二极管的侧视图。

图2A是具有缝隙的磁通元件的示意图，其中，磁通元件被夹在第一北极磁通施主和第一南极磁通施主之间。

图2B示出了具有图2A的元件和处于第一磁性激活状态中的控制线圈的极性切换磁二极管。

图2C示出了图2B的极性切换磁二极管的侧视图。

图3A是磁通元件的示意图，其中，第一北极磁通施主和第一南极磁通施主位于磁通元件内的缝隙中，磁通元件被夹在第二北极磁通施主和第二南极磁通施主之间。

图3B示出了具有图3A的元件和处于第一磁性激活状态的控制线圈的极性切换磁二极管。

图3C示出了图3B的极性切换磁二极管的侧视图。

图4A是磁通元件的示意图，其中，第一北极磁通施主和第一南极磁通施主位于磁通元件内的缝隙中，第二北极磁通施主和第二南极磁通施主位于磁通元件内的另一缝隙中，第三北极磁通施主和第三南极磁通施主位于磁通元件内的又一缝隙中。

图4B示出了具有图4A的元件和处于第一磁性激活状态的控制线圈的极性切换磁二极管。

图4C示出了图4B的极性切换磁二极管的侧视图。

图5A是弯曲的磁通元件的示意图，其中，第一北极磁通施主和第一南极磁通施主位于磁通元件内的缝隙中，磁通元件被夹在第二北极磁通施主和第二南极磁通施主之间。

图5B示出了具有图5A的元件和处于第一磁性激活状态的控制线圈的极性切换磁二极管。

图5C示出了图5B的极性切换磁二极管的侧视图。

图6A是弯曲的磁通元件的示意图，其中，第一北极磁通施主和第一南极磁通施主位于磁通元件内的缝隙中。

图6B示出了具有图6A的元件和处于第一磁性激活状态的控制线圈的极性切换磁二极管。

图6C示出了图6B的极性切换磁二极管的侧视图。

图7是马达的示意图，其中，定子包括图6B和图6C的极性切换磁二极管。

图8是具有定子的外转式马达的示意图，该定子是极性切换磁二极管。

图9示出了具有备选的极性切换磁二极管定子的另一外转式马达。

图10A和图10B示出了具有备选的定子的另一外转式马达，该备选的定子是极性切换磁二极管。

图11是具有定子的轴向马达的示意图，该定子是极性切换磁二极管。

图12示出了具有备选的极性切换磁二极管定子的另一马达。

图13示出了具有备选的定子的另一马达，该备选的定子是极性切换磁二极管。

图14示出了具有定子的马达的另一构造，该定子带有极性切换磁二极管。

图15示出了具有定子的马达的另一构造，该定子是根据本发明主题的极性切换磁二极管。

图16示出了具有定子的马达的另一构造，该定子是极性切换磁二极管。

图17示出了图14至16的实施方式的侧视图。

具体实施方式

以下讨论提供了本发明主题的许多示范性实施方式。虽然各个实施方式代表了发明要素的单个组合，但是，本发明主题被认为包括所公开的要素的全部可能的组合。因此，如果一个实施方式包括要素A、B、C，并且，第二实施方式包括要素B、D，那么，即使没有被明确地公开，本发明主题也被认为包括A、B、C或D的其余组合。

本文中的数值范围的记载仅仅旨在用作单独地提及落入该范围的各个独立的数值的简略方法。除非本文中另行说明，否则，各个独立的数值被结合到说明书中，如同其在本文中被单独地记载。能够以任意合适的顺序实施本文中描述的全部方法，除非本文中另行说明或者反而与上下文明显矛盾。任意示例和全部示例的使用，或者关于本文中的某些实施方式而提供的示范性语言(例如，“诸如”)仅仅旨在更好地阐明本发明，并不对另行主张的本发明的范围造成限制。说明书中语言不可被解读为表明实施本发明所必需的任何未主张的要素。

除非上下文相反地说明，本文中阐述的全部范围应当被解释为包括其端点，并且，开放式范围应当被解释为仅包括商业上实用的数值。类似地，全部的数值清单应当被视为包括中间数值，除非上下文相反地说明。

如在本文的描述以及所附的整个权利要求中使用地，“一”、“一个”以及“该”的含义包括复数形式的引用，除非上下文明确地另行规定。另外，如在本文的描述中使用地，“之中”的含义包括“之中”和“之上”，除非上下文明确地另行规定。

本文中公开的本发明的备选要素或实施方式的分组不被解读为限制。各个组员能够被独立地提及或主张，或者与本文中公开的该组的其他组员或其他要素结合。出于方便和/或可专利性的原因，一个组的一个或多个组员能够被包括在该组中或者从该组删除。当任何这种包括或删除发生时，说明书在本文中被视为包括该修改后的组。

如在本文中使用地，并且，除非上下文另行规定，术语“耦合至”旨在包括直接耦合(彼此耦合的两个要素彼此接触)和间接耦合(至少一个附加的要素位于该两个要素之间)。因此，术语“耦合至”和“与……耦合”同义地使用。

图1A至1C中示出了极性切换磁二极管10。图1A示出了磁通元件100和永磁体120，未示出控制线圈。磁通元件100具有第一有效磁极111、第二有效磁极112以及缝隙110。永磁体120具有第一北极磁通施主120N和第一南极磁通施主120S。第一北极磁通施主120N和第一南极磁通施主120S在缝隙110的两个内表面内磁性地耦合至磁通元件100。

磁通元件100能够包括传导磁通的任何合适的基础设施，例如单体的磁通元件和层压的磁通元件。示范性的多层在图1C中可见。在层压的磁通元件的实施方式中，该多层的取向优选平行于缝隙的平面。由于各层之间的磁阻和缝隙的磁阻大于各层内的材料的磁阻，磁通通常在各层内从北极磁通施主和南极磁通施主流向第一有效磁极和第二有效磁极，形成磁路(magnetic circuit)。图1A中的箭头示意了这种无控制线圈的磁路中的磁通。

磁通元件能够由任何合适的材料制成，尤其是铁质材料，包括铁和铁合金(例如，钢、磁铁以及包括铁、镍、钴及/或钕的合金)。在一些应用中，可以优选使用非铁质的、可磁化的材料，例如钴、镍、锰-铋合金、锰-锑合金以及钐-钴合金。在电磁电梯、马达以及牵引型机器中，磁通元件优选包括软铁、高性能铁钴合金或取向性硅钢片。

如图1B所示，缝隙110优选至少部分地延伸至控制线圈180中。虽然一些实施方式在缝隙110不延伸至控制线圈180中的情况下也可能起作用，但是，延伸至控制线圈180中的缝隙使得更容易将北极磁通和南极磁通彼此切离。在线圈180接受/提取一个磁通极性且被该一个磁通极性强化时，两个磁通路径中的位于图1A的各侧的一个磁通路径被切离，并且，需要由控制线圈感应的磁力增大了对置的有效磁极处的磁力。控制线圈180具有第一磁性激活状态和第二磁性激活状态。图1B示意了处于第一磁性激活状态的磁场。由控制线圈180产生的磁场将来自第一北极磁通施主120N的磁通沿着磁通元件100改向至第一有效磁极111，将来自第一南极磁通施主120S的磁通沿着磁通元件100改向至第二有效磁极112。

切换电流的极性(例如，使用开关190)，将控制线圈180切换至第二磁性激活状态。第二磁性激活状态将来自第一北极磁通施主120N的北极磁通沿着磁通元件100引导至第二有效磁极112，并将来自第一南极磁通施主120S的南极磁通沿着磁通元件100引导至第一有效磁极111。有利的是，第一有效磁极和第二有效磁极能够采用北磁极性或南磁极性，并且，在两个磁性激活状态，北极磁通施主120N和南极磁通施主120S的全部磁通分别被施加至第一有效磁极111和第二有效磁极112中的至少一个。

图2A至2C示出了备选的极性切换磁二极管，在该极性切换磁二极管中，永磁体230、240分别磁性地耦合至磁通元件200的底表面和顶表面。永磁体230用作第一北极磁通施主230N，永磁体240用作第一南极磁通施主240S。当控制线圈280(图2A中未显示)断电时，磁通从第一北极磁通施主230N沿着磁通元件200绕着缝隙210流动，形成如箭头所示的位于第一南极磁通施主240S处的磁路。

图2B示意了当控制线圈280处于第二磁性激活状态时的极性切换磁二极管。该第二磁性激活状态将来自第一北极磁通施主230N的北极磁通沿着磁通元件200引导至第二有效磁极212，并将来自第一南极磁通施主240S的南极磁通沿着磁通元件200引导至第一有效磁极211。

图2C中示出了极性切换磁二极管20的侧视图。永磁体240的北磁极240N可见于控制线圈280之上，永磁体230的南磁极230S可见于控制线圈280之下。图2C还示出了层压的磁通元件200的多个层。

极性切换磁二极管30，如图3A至图3C所示，采用永磁体320、330、340。永磁体320具有第一北极磁通施主320N和第一南极磁通施主320S。永磁体330的北磁极用作第二北极磁通施主330N，该第二北极磁通施主330N磁性地耦合至磁通元件300的底部。永磁体340的南磁极用作第二南极磁通施主340S，该第二南极磁通施主340S磁性地耦合至磁通元件300的顶部。

图4A至4C中示意了又一极性切换磁二极管40。磁通元件400不仅具有如图4C中所示地从顶部延伸至底部的多个层，还具有多个水平层401、402、403、404。永磁体420、430、440设置在缝隙410a至410c中。北极磁通施主420N、430N、440N磁性地耦合至磁通元件400。南极磁通施主420S、430S、440S磁性地耦合至磁通元件400。北极磁通施主420N、430N彼此面对，被磁通元件400的层402隔开。南极磁通施主430S、440S彼此面对，被磁通元件400的层403隔开。当没有电流穿过控制线圈380时，如箭头所示地形成磁路。

图4B示出了当控制线圈480处于第二磁性激活状态时的极性切换磁二极管40。第二有效磁极412展示北磁极性，第一有效磁极411展示南磁极性。

图5A至5C示出了具有弯曲的磁通元件500的极性切换磁二极管的实施方式。图5A是磁通元件500和永磁体540的北磁面的俯视图，未示出控制线圈580。在该实施方式中，磁通元件500包括平行于缝隙510的多个层，该缝隙510延伸至控制线圈580中。如图5C所示，永磁体520设置于磁通元件500的缝隙510中。北极磁通施主510N磁性地耦合至位于缝隙510的底部的磁通元件，南极磁通施主520S磁性地耦合至位于缝隙510的顶部的磁通元件。北极磁通施主530N磁性地耦合至磁通元件500的底部，南极磁通施主540S磁性地耦合至磁通元件500的顶部。在图5B和图5C中，控制线圈580处于第二磁性激活状态，北极磁通施主520N、530N均将北极磁通施加至第二有效磁极512。南极磁通施主520S、540S将南极磁通施加至第一有效磁极511。使用开关590，切换电压的极性。

图6A示出了磁通元件600，该磁通元件600具有缝隙610和永磁体620。永磁体620设置在缝隙610中，使得北极磁通施主620N和南极磁通施主620S与磁通元件600磁性地接触。图6B示出了带有处于第一磁性激活状态的控制线圈680的极性切换磁二极管60。北极磁通被从北极磁通施主620N引导至第一有效磁极611。南极磁通被从南极磁通施主620S引导至第二有效磁极612。在图6C中，控制线圈680处于第二磁性激活状态。第一有效磁极611的面展示北磁极性，第二有效磁极612的面展示南磁极性。构成磁通元件600的多个层在图6C中可见。

图7示出了采用极性切换磁二极管75、75'作为定子的轴向马达。各个极性切换磁二极管具有与图6A至图6C中所示的实施方式相同的构造，并且，相似的标号用于相似的元件。在优选的实施方式中，元件761、762能够为未磁化的铁质元件，极性切换磁二极管70、70'通过吸引铁质转子区，例如吸引铁质区段761、762，从而能够使转子750旋转。在这种实施方式中，图7中所示的极性仅代表当对控制线圈780、780'通电时产生于铁质区段761、762中的暂时极性。在其他实施方式中，元件761、762能够为永磁体，或者能够甚至为极性切换二极管自身，经由由761、762代表的磁路交替地进行吸引和排斥，从而使转子750旋转。第一有效磁极711、711'分别吸引南磁极761S、762S。第二有效磁极712、712'分别吸引北磁极762N、761N。

应当领悟，在铁质区段761、762是永磁体的实施方式中，短暂地切断控制线圈780、780'中的电能，防止引力停止转子750的旋转。控制线圈中的电流的反向允许同时地利用引力和斥力。

在铁质元件761、762不是永磁体的实施方式中，关闭线圈的电源，将切断与转子的连接，允许转子自由转过卡点。这种铁质元件761、762，在与其中一个有效磁极对齐并配对时，如图所示，将具有短暂感应的极性。铁质元件762显示为被极化，但是，仅在对齐并配对时，感应其极性，与此相反，永磁体在接近定子磁极时，将感应其自己的进入定子线圈的孔中的磁场。这将浪费控制线圈的绕组和铁质元件的磁极中的电和磁的反电动势的形式的有价值的能量。这对于一些应用是可行的，但并不始终优选。通过使用铁质元件或磁二极管代替永磁体，能够实现紧密缝隙的高扭矩，且在控制线圈750的绕组中不感应任何不必要的反电动势。在优选的实施方式中，铁质元件761、762自身是能够具有根据需要而彻底地反转或关闭的极性的磁二极管。

如前述实施方式所述，控制线圈780、780'可以作为单个控制线圈或多个控制线圈被连接电线。

图8示出了采用极性切换磁二极管85作为定子的外转式马达。磁通元件800具有有效磁极811、812、813、814。永磁体821、822、823、824设置在缝隙810中，并磁性地耦合至磁通元件800。控制线圈880靠近有效磁极811、812、813、814而至少部分地绕着缝隙810缠绕。当控制线圈880处于第一磁性激活状态时，北极磁通从永磁体821、824的北磁极被引导至有效磁极814，南极磁通从永磁体821、822的南磁极被引导至有效磁极811。北极磁通还从永磁体822、823的北磁极被引导至有效磁极812，南极磁通还从永磁体823、824的南磁极被引导至有效磁极813。控制有效磁极811、812、813、814的极性使转子850旋转。

理想地，转子850(或者示范性实施方式中的任何其他转子)具有8个或者一些其他4的倍数的磁极，其用于具有4个有效磁极的4二极管内定子。所示出的转子被委婉地显示代表外部转子概念。类似地，内定子上的磁极的数量能够增加至有效磁极的任意偶数数量，通常受限于定子和转子的直径。转子能够还在重要的磁极具有永磁体或二极管。内转式和外转式均能够具有共用由铁质部件形成的同一单个磁通回路的任意偶数数量的二极管和有效磁极。

图9中示出了外转式马达的另一实施方式。定子95包括具有缝隙910的磁通元件900。永磁体931、932、933、934经由其北磁极而磁性地耦合至磁通元件900。永磁体941、942、943、944经由其南磁极而磁性地耦合至磁通元件900。缝隙910至少部分地延伸至控制线圈980中。在图9中所示的磁性激活状态中，控制线圈980将北极磁通从永磁体931、932引导至有效磁极912，并从永磁体933、934引导至有效磁极914。控制线圈980还将南极磁通从永磁体941、944引导至有效磁极911，并从永磁体942、943引导至有效磁极913。来自有效磁极911-914和转子950中的磁性元件的磁通之间的互动使转子950旋转。

图10A和图10B中所示的外转式马达，包括转子1050和定子105。定子105包括具有磁通元件1000的极性切换磁二极管，该磁通元件1000带有缝隙1010。永磁体1032、1034经由作为北极磁通施主的其北磁极而磁性地耦合至磁通元件1000。永磁体1041、1043经由作为南极磁通施主的南磁极而磁性地耦合至磁通元件1000。缝隙1010至少部分地延伸至各个控制线圈1080中，该控制线圈1080引导北极磁通和南极磁通。

在图10A所示的磁性激活状态中，各个控制线圈1080分别将北极磁通从永磁体1034、1032顺时针地引导至有效磁极1011、1013。在该磁性状态中，各个控制线圈1080还分别将南极磁通从永磁体1041、1043顺时针引导至有效磁极1012、1014。当控制线圈1080中的电流如图10B所示地被切换至相反的磁性状态时，各个控制线圈1080将磁通反向地引导，这将有效磁极1011、1013切换成有效南磁极，将有效磁极1012、1014切换至有效北磁极。

图11示出了具有定子115和内转子1150的备选马达。在该实施方式中，磁通施主磁性地耦合至定子115的磁通元件1100，磁通元件1100的有效磁极根据控制线圈1180的电流而进行切换。定子1100具有多个缝隙，缝隙1110a、缝隙1110b、缝隙1110c以及缝隙1110d。各个缝隙确保低磁阻路径从各个永磁体1131、1132、1133、1134、1141、1142、1143、1144流向有效磁极。永磁体1141、1142、1143、1144均磁性地耦合至定子1100，作为北极磁通施主，并且，永磁体1131、1132、1133、1134均磁性地耦合至定子1100，作为南极磁通施主。

在所示的磁性激活状态中，各个控制线圈1180将北极磁通从永磁体1141、1144顺时针地引导至有效磁极1111，将北极磁通从永磁体1142、1143顺时针地引导至有效磁极1113，将南极磁通从永磁体1131、1132顺时针地引导至有效磁极1112，将南极磁通从永磁体1133、1134顺时针地引导至有效磁极1114。当各个控制线圈1180中的电流被切换时，有效磁极随着磁通沿着逆时针的方向行进也切换极性。

图12示出了又一备选马达的实施方式，其中定子125的磁通元件1200具有多个缝隙1210a、1210b、1210c、1210d，各个缝隙分别包括永磁体1221、1222、1223、1224，作为北极磁通施主和南极磁通施主。在所示的磁性激活状态中，永磁体1221、1222提供了被沿着顺时针的方向引导至有效磁极1212的北极磁通；永磁体1223、1224提供了被沿着顺时针的方向引导至有效磁极1214的北极磁通；永磁体1221、1224提供了被沿着顺时针的方向引导至有效磁极1211的南极磁通；永磁体1222、1223提供了被沿着顺时针的方向引导至有效磁极1213的南极磁通。当各个控制线圈1280中的电流被反向时，磁通将沿着逆时针的方向流动，切换有效磁极。

图13示出了又一备选马达的实施方式，定子135的磁通元件1300也具有与定子1100的缝隙类似的多个缝隙，然而，不是永磁体磁性地耦合至各个有效磁极1311、1312、1313、1314的任一侧，而是永磁体1331、1332、1333、1334、1341、1342、1343、1344均磁性地耦合至缝隙的两侧，以提供北极磁通和南极磁通。各个有效磁极具有控制线圈1380，该控制线圈1380在第一磁性激活状态顺时针地引导磁通，在第二磁性状态逆时针地引导磁通。

图12、13、16中的备选马达的实施方式示意了只要磁通施主磁性地耦合至定子的周边的任意部分，甚至耦合至缝隙内，就能够使用绕着低磁阻路径的一部分缠绕的控制线圈引导磁通，该低磁阻路径由定子自身的磁通元件材料形成。

图14示出了具有轴1450和转子1460的备选马达，该转子1460在两侧被定子145、145'包围，各个定子构成为极性切换二极管。磁通元件1400具有缝隙1410，该缝隙1410具有永磁体1420，该永磁体1420耦合至缝隙1410的两个内表面，以提供北极磁通和南极磁通，类似于图4的磁通元件1400。然而，在此的控制线圈1480绕着永磁体1420的两侧缠绕。在一些实施方式中，控制线圈1480仅绕着永磁体1420的一侧缠绕。在所示的激活状态中，控制线圈1480将北极磁通顺时针地引导至有效磁极1411，将南极磁通顺时针地引导至有效磁极1412。在控制线圈1480的电流反向时，磁通流也将反向。磁通元件1400'类似于磁通元件1400，具有缝隙1410'、永磁体1420'以及有效磁极1411'、1412'。

图15中所示的马达具有轴1550和转子1560，该转子1560在两侧被定子155、155'包围，各个定子构造成极性切换二极管。磁通元件1500具有缝隙1510。永磁体1530、1540耦合至磁通元件1500，以提供分别北极磁通和南极磁通。控制线圈1580在永磁体1530、1540的两侧绕着磁通元件1500和缝隙1510的至少一部分缠绕。在所示的激活状态中，控制线圈1580将北极磁通顺时针地引导至有效磁极1512，将南极磁通逆时针地引导至有效磁极1511。在控制线圈1580的电流反向时，磁通流也将反向。磁通元件1500'类似于磁通元件1500，具有缝隙1510'、永磁体1530'、1540'以及有效磁极1511'、1512'。

图16示出了具有轴1650和转子1660的备选马达，该转子1660在两侧被定子165、165'包围，各个定子构造成体现极性切换二极管的性质。磁通元件1600具有缝隙1610，该缝隙1610具有永磁体1620，该永磁体1620耦合至缝隙1610的两个内表面，以提供北极磁通和南极磁通。在所示的磁性激活状态中，控制线圈1680将北极磁通从永磁体1620引导至有效磁极1612，将南极磁通从永磁体1620引导至有效磁极1611。磁通元件1600'类似于磁通元件1600，具有缝隙1610'、永磁体1620'以及有效磁极1611'、1612'。

图16中的备选的磁通二极管构造示意了控制线圈1680不必绕着有效磁极缠绕以引导磁通，并能够通过穿过缝隙缠绕而引导磁通，而不是绕着整个磁通路径缠绕以沿着一个方向或另一个方向引导磁通。

图14至图16中所示的实施方式的侧视图如图17所示。控制线圈1780和有效磁极1712在定子175的侧视图中可见。转子1762和轴1750也可见。

应当理解，所公开的技术提供许多有益的技术效果，包括能够切换具有永磁体的电磁体的极性，该永磁体用于增强两个磁极。电磁体的磁芯中的、用于与功率控制线圈结合以在具有磁通的各个磁极增强磁通的缝隙形成永磁体。能够与极性切换磁二极管一起使用的转子构造和图14至图26中所示的定子马达很多。一个优选的实施方式将一个示范性定子与一个示范性转子配对，例如图8至图10中所示的定子和转子。在这种实施方式中，基于多内磁极二极管的转子能够经由耦合至电源的电刷被供电。

极性可切换的磁二极管利用永磁体的磁通进行工作，同时，该装置消耗的电能够减小至仅为将永磁体供应的磁通控制/引导至有效磁极所需的能量。与永磁体或控制线圈的任一个的磁通单独相比，该控制磁通的独特方法允许线圈感应的磁通和永磁体的磁通始终以磁极面的工作表面处的合计磁通线能够翻倍(200％)的方式共同工作。这提供了要求“永磁体式”的每安匝的高保持/提取功率的任何磁应用中的运转的卓越经济性。这种二极管能够还用于使用“开关切换”以产生相同极性或交替极性的脉冲磁场的应用，并尤其可应用于“可反向的极性切换”应用，以产生高密度磁场或交替北/南极性磁场。

对本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本文中的发明构思的情况下，已描述的修改以外的大量更多的修改是可能的。因此，除了在所附的权利要求的要旨之内，本发明主题不被限制。而且，在解释说明书和权利要求时，应当以与上下文一致的尽可能宽的方式解释全部术语。尤其是，术语“包括”和“包含”应当被解释为以非排他的方式提及要素、部件或步骤，表明所提及的要素、部件或步骤可以存在，或被利用，或与未被明确提及的其他要素、部件或步骤结合。如果说明书和权利要求提及从由A、B、C…N构成的组选出的某物中的至少一个，那么，该文本应当被解释为要求来自该组的仅一个要素，不是A和N或者B和N等。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种极性切换磁二极管，包括：

第一北极磁通施主，磁性地耦合至磁通元件；

第一南极磁通施主，磁性地耦合至所述磁通元件，其中，所述磁通元件包括第一有效磁极、第二有效磁极、第一缝隙、从所述北极磁通施主沿着所述第一缝隙至所述第一有效磁极的第一磁通路径、从所述北极磁通施主沿着所述第一缝隙至所述第二有效磁极的第二磁通路径、从所述南极磁通施主沿着所述第一缝隙至所述第一有效磁极的第三磁通路径以及从所述南极磁通施主沿着所述第一缝隙至所述第二有效磁极的第四磁通路径；以及

控制线圈，绕着所述磁通元件的一部分缠绕，使得所述第一缝隙至少部分地延伸至所述控制线圈中，其中，所述控制线圈具有第一磁性激活状态和第二磁性激活状态，

其中，所述第一磁性激活状态将北极磁通从所述第一北极磁通施主沿着所述第一磁通路径引导至所述第一有效磁极，并且，将南极磁通从所述第一南极磁通施主沿着所述第四磁通路径引导至所述第二有效磁极，

其中，所述第二磁性激活状态将北极磁通从所述第一北极磁通施主沿着所述第二磁通路径引导至所述第二有效磁极，并且，将南极磁通从所述第一南极磁通施主沿着所述第三磁通路径引导至所述第一有效磁极。

2.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，其中，永磁体包括所述第一北极磁通施主和所述第一南极磁通施主。

3.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，其中，第一永磁体包括所述第一北极磁通施主，第二永磁体包括所述第一南极磁通施主。

4.如权利要求3所述的极性切换磁二极管，其中，所述第一永磁体的磁轴大致平行于所述第二永磁体的磁轴，所述第一永磁体的北极磁通和所述第二永磁体的南极磁通寻求在所述控制线圈的孔内形成磁路。

5.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，还包括：

第二北极磁通施主，磁性地耦合至所述磁通元件；以及

第二南极磁通施主，磁性地耦合至所述磁通元件，

其中，所述第一磁性激活状态还将北极磁通从所述第二北极磁通施主引导至所述第一有效磁极，并且，将南极磁通从所述第二南极磁通施主引导至所述第二有效磁极。

6.如权利要求5所述的极性切换磁二极管，其中，所述磁通元件包括由缝隙隔开的多个平行层。

7.如权利要求5所述的极性切换磁二极管，其中，

第一永磁体包括所述第一北极磁通施主和所述第一南极磁通施主，

第二永磁体包括所述第二北极磁通施主和所述第二南极磁通施主，

所述第一永磁体的磁轴大致平行于所述第二永磁体的磁轴，

所述第一永磁体和所述第二永磁体的所述磁轴寻求在所述控制线圈的孔内形成磁路。

8.如权利要求7所述的极性切换磁二极管，其中，所述磁通元件包括至少部分地延伸至所述控制线圈中的第二缝隙，所述第一永磁体和所述第二永磁体分别设置在所述第一缝隙和所述第二缝隙中。

9.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，其中，所述磁通元件大致笔直。

10.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，其中，所述磁通元件大致弯曲。

11.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，其中，所述控制线圈被安置在所述第一有效磁极和所述第二有效磁极中的至少一个的附近。

12.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，其中，所述控制线圈沿着所述第一北极磁通施主与所述第一磁极和所述第二有效磁极中的至少一个之间的磁通路径绕着所述磁通元件缠绕。

13.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，还包括将穿过所述控制线圈的电流反向的开关，其中，所述开关将所述控制线圈从所述第一磁性激活状态切换至所述第二磁性激活状态。

14.一种极性切换磁二极管，包括：

北极磁通施主，磁性地耦合至磁通元件；

南极磁通施主，磁性地耦合至所述磁通元件，其中，所述磁通元件包括第一有效磁极、第二有效磁极、第三有效磁极、第四有效磁极、第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙、从所述北极磁通施主沿着所述第一缝隙至所述第一有效磁极的第一磁通路径、从所述北极磁通施主沿着所述第二缝隙至所述第二有效磁极的第二磁通路径、从所述南极磁通施主沿着所述第三缝隙至所述第三有效磁极的第三磁通路径以及从所述南极磁通施主沿着所述第二缝隙至所述第二有效磁极的第四磁通路径；以及

控制线圈，绕着所述磁通元件的一部分缠绕，

其中，所述控制线圈具有第一磁性激活状态和第二磁性激活状态，

其中，所述第一磁性激活状态将北极磁通从所述北极磁通施主沿着所述第二磁通路径引导至所述第二有效磁极，并且，将南极磁通从所述南极磁通施主沿着所述第三磁通路径引导至所述第三有效磁极，

其中，所述第二磁性激活状态将北极磁通从所述北极磁通施主沿着所述第一磁通路径引导至所述第一有效磁极，并且，将南极磁通从所述南极磁通施主沿着所述第四磁通路径引导至所述第二有效磁极。

Claims (14)

1.一种极性切换磁二极管，包括：

第一北极磁通施主，磁性地耦合至磁通元件；

第一南极磁通施主，磁性地耦合至所述磁通元件，其中，所述磁通元件包括第一有效磁极、第二有效磁极、第一缝隙、从所述北极磁通施主沿着所述第一缝隙至所述第一有效磁极的第一磁通路径、从所述北极磁通施主沿着所述第一缝隙至所述第二有效磁极的第二磁通路径、从所述南极磁通施主沿着所述第一缝隙至所述第一有效磁极的第三磁通路径以及从所述南极磁通施主沿着所述第一缝隙至所述第二有效磁极的第四磁通路径；以及

控制线圈，绕着所述磁通元件的一部分缠绕，使得所述第一缝隙至少部分地延伸至所述控制线圈中，其中，所述控制线圈具有第一磁性激活状态和第二磁性激活状态，

其中，所述第一磁性激活状态将北极磁通从所述第一北极磁通施主沿着所述第一磁通路径引导至所述第一有效磁极，并且，将南极磁通从所述第一南极磁通施主沿着所述第四磁通路径引导至所述第二有效磁极，

其中，所述第二磁性激活状态将北极磁通从所述第一北极磁通施主沿着所述第二磁通路径引导至所述第二有效磁极，并且，将南极磁通从所述第一南极磁通施主沿着所述第三磁通路径引导至所述第一有效磁极。

2.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，其中，永磁体包括所述第一北极磁通施主和所述第一南极磁通施主。

3.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，其中，第一永磁体包括所述第一北极磁通施主，第二永磁体包括所述第一南极磁通施主。

4.如权利要求3所述的极性切换磁二极管，其中，所述第一永磁体的磁轴大致平行于所述第二永磁体的磁轴，所述第一永磁体的北极磁通和所述第二永磁体的南极磁通寻求在所述控制线圈的孔内形成磁路。

5.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，还包括：

第二北极磁通施主，磁性地耦合至所述磁通元件；以及

第二南极磁通施主，磁性地耦合至所述磁通元件，

其中，所述第一磁性激活状态还将北极磁通从所述第二北极磁通施主引导至所述第一有效磁极，并且，将南极磁通从所述第二南极磁通施主引导至所述第二有效磁极。

6.如权利要求5所述的极性切换磁二极管，其中，所述磁通元件包括由缝隙隔开的多个平行层。

7.如权利要求5所述的极性切换磁二极管，其中，

第一永磁体包括所述第一北极磁通施主和所述第一南极磁通施主，

第二永磁体包括所述第二北极磁通施主和所述第二南极磁通施主，

所述第一永磁体的磁轴大致平行于所述第二永磁体的磁轴，

所述第一永磁体和所述第二永磁体的所述磁轴寻求在所述控制线圈的孔内形成磁路。

8.如权利要求7所述的极性切换磁二极管，其中，所述磁通元件包括至少部分地延伸至所述控制线圈中的第二缝隙，所述第一永磁体和所述第二永磁体分别设置在所述第一缝隙和所述第二缝隙中。

9.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，其中，所述磁通元件大致笔直。

10.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，其中，所述磁通元件大致弯曲。

11.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，其中，所述控制线圈被安置在所述第一有效磁极和所述第二有效磁极中的至少一个的附近。

12.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，其中，所述控制线圈沿着所述第一北极磁通施主与所述第一磁极和所述第二有效磁极中的至少一个之间的磁通路径绕着所述磁通元件缠绕。

13.如权利要求1所述的极性切换磁二极管，还包括将穿过所述控制线圈的电流反向的开关，其中，所述开关将所述控制线圈从所述第一磁性激活状态切换至所述第二磁性激活状态。

14.一种极性切换磁二极管，包括：

北极磁通施主，磁性地耦合至磁通元件；

南极磁通施主，磁性地耦合至所述磁通元件，其中，所述磁通元件包括第一有效磁极、第二有效磁极、第三有效磁极以及第四有效磁极；以及

控制线圈，绕着所述磁通元件的一部分缠绕，

其中，所述控制线圈具有第一磁性激活状态和第二磁性激活状态，

其中，所述第一磁性激活状态将北极磁通从所述北极磁通施主沿着所述磁通元件引导至所述第二有效磁极，并且，将南极磁通从所述南极磁通施主沿着所述磁通元件引导至所述第三有效磁极，

其中，所述第二磁性激活状态将北极磁通从所述北极磁通施主沿着所述磁通元件引导至所述第一有效磁极，并且，将南极磁通从所述南极磁通施主沿着所述磁通元件引导至所述第二有效磁极。