CN116114144A - 励磁元件及具有励磁元件的电动机 - Google Patents
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Abstract
一种励磁元件,其特征在于,具有:多个主磁极永磁铁(41、51),它们在与后轭(5)的主面(5a)正交的方向被磁化,以磁化方向成为交替的方式排列;多个副磁极永磁铁(61、71),它们在与主磁极永磁铁(41、51)的磁化方向不同的方向进行磁化,以磁化方向成为交替的方式排列,并且在与主磁极永磁铁(41、51)的排列方向相同的方向与主磁极永磁铁(41、51)彼此差异地设置;以及非磁性层(6),其是非磁性的区域,副磁极永磁铁(61、71)的至少一部分在与主面(5a)正交的方向隔着非磁性层(6)而与主面(5a)相对,副磁极永磁铁(61、71)的与主面(5a)相对的面的位置是与从主面(5a)最远离的主磁极永磁铁(41、51)的面的位置相同的位置,副磁极永磁铁(61、71)的长度是比非磁性层(6)的长度长或相同的长度。
Description
技术领域
本发明涉及由永磁铁构成的励磁元件及具有励磁元件的电动机。
背景技术
作为具有永磁铁的电动机的励磁构造,以往哈尔巴赫磁铁排列构造使用了以使磁铁磁通集中为目的的永磁铁。作为哈尔巴赫磁铁排列,具有将在产生磁场方向进行了磁化的多个主磁极永磁铁和配置于主磁极永磁铁之间的副磁极永磁铁在后轭固定为一列这种排列。
上述这种的排列能够增大产生磁场,另一方面,能够产生的磁场有限。与此相对,存在下述结构,具有:后轭;主磁极永磁铁;配置于主磁极永磁铁的磁场产生侧的软磁性材料;以及具有与主磁极永磁铁和软磁性材料各自相同厚度的2种宽度的副磁极永磁铁。而且提出了与软磁性材料的产生磁场侧的长度相比将主磁极永磁铁的后轭侧的长度形成得更大的排列(例如专利文献1)。
专利文献1:日本特开2011-24379号公报
发明内容
专利文献1所记载的排列使产生磁场侧的面变窄,因此存在下述课题,即,虽然与主磁极永磁铁和配置于主磁极永磁铁之间的副磁极永磁铁在后轭固定为一列那样的排列相比能够增大产生磁场,但无法有效地使用磁铁原本所具有的磁通。
本发明就是为了解决上述课题而提出的,其目的在于提供通过有效使用原本的永磁铁所具有的磁通的结构,从而能够使推力提高的励磁元件及具有励磁元件的电动机。
本发明所涉及的励磁元件的特征在于,具有:多个主磁极永磁铁,它们在与后轭的主面正交的方向进行磁化,以磁化方向成为交替的方式在主面排列;多个副磁极永磁铁,它们在与主磁极永磁铁的磁化方向不同的方向进行磁化,以磁化方向成为交替的方式排列,并且在与主磁极永磁铁的排列方向相同的方向与主磁极永磁铁彼此差异地设置;以及非磁性层,其设置于主磁极永磁铁和相邻的其他主磁极永磁铁之间,是非磁性的区域,副磁极永磁铁配置为至少一部分在与主面正交的方向隔着非磁性层而与主面相对,副磁极永磁铁的与主面相对的面的位置,是在与主面正交的方向上与在与主面正交的方向从主面最远离的主磁极永磁铁的面的位置相同的位置或者与主磁极永磁铁的面的位置相比从主面远离的位置,副磁极永磁铁中的排列方向的长度与非磁性层的排列方向的长度相同或比非磁性层的排列方向的长度长。
发明的效果
根据本发明的励磁元件及具有励磁元件的电动机,能够有效使用永磁铁的磁通,使推力提高。
附图说明
图1是具有本发明的实施方式1所涉及的励磁元件的电动机的横剖视图。
图2是具有本发明的实施方式1所涉及的励磁元件的电动机的纵剖视图。
图3是具有本发明的实施方式1所涉及的励磁元件的励磁元件的纵剖视图。
图4是表示本发明的实施方式1所涉及的副磁极永磁铁的长度相对于励磁元件中的非磁性层的长度之比和感应电压的增减率之间的关系的图。
图5是对本发明的实施方式1所涉及的励磁元件进行说明的纵剖视图和空气间隙面处的磁通密度波形的示意图。
图6是对本发明的实施方式1所涉及的励磁元件的结构进行说明的纵剖视图。
图7是对本发明的实施方式2所涉及的励磁元件的结构进行说明的纵剖视图。
图8是表示作用于本发明的实施方式2所涉及的励磁元件的磁性力的图。
图9是对作用于本发明的实施方式2所涉及的励磁元件的磁性力进行说明的励磁元件的要部纵剖视图。
图10是对本发明的实施方式2所涉及的励磁元件的结构进行说明的纵剖视图。
图11是对本发明的实施方式2所涉及的励磁元件的结构进行说明的纵剖视图。
图12是对本发明的实施方式3所涉及的励磁元件的结构进行说明的纵剖视图。
图13是对本发明的实施方式4所涉及的励磁元件的结构进行说明的纵剖视图。
图14是对本发明的实施方式5所涉及的励磁元件的结构进行说明的轴向剖视图。
图15是对本发明的实施方式5所涉及的励磁元件的结构进行说明的轴向剖视图。
具体实施方式
下面,参照附图对实施方式进行说明。此外,附图是概略地示出的,为了便于说明而省略结构或者简化结构。另外,在不同的附图分别示出的结构等的大小和位置的相互关系并不一定是准确地记载的,能够适当地变更。另外,在以下所示的说明中,对相同的结构要素标注相同标号而进行图示,它们的名称和功能也相同。因此,有时为了避免重复而省略针对这些结构要素的详细的说明。
实施方式1
图1是表示具有本发明的实施方式1所涉及的励磁元件的电动机的横剖视图,图2是表示具有本发明的实施方式1所涉及的励磁元件的电动机的纵剖视图。此外,横剖视图是与后面记述的永磁铁的排列方向正交的平面处的剖视图,纵剖视图是与后面记述的后轭的主面正交,且与永磁铁的排列方向平行的平面处的剖视图。
另外,在本发明的实施方式1中,作为电动机,以线性电动机为例进行说明,但并不限定于此。
如图1所示,电动机10具有:台架100;一对导轨102,它们延伸设置于台架100;工作台101,其被导轨102引导而能够移动;电枢2;以及励磁元件3。
在台架100上设置产生周期磁场的励磁元件3。在这里的周期磁场是N磁极和S磁极交替地产生的周期性的磁场。另外,在工作台101,在与励磁元件3之间确保规定的间隙即空气间隙而对电枢2进行支撑。
通过该结构,支撑于工作台101的电枢2被导轨102引导,以与励磁元件3相对的状态可自由移动。电枢2一边在与从励磁元件3产生的周期磁场之间产生吸引力和回弹力一边可动。即,在本发明的方式中,构成为励磁元件3成为电动机10中的固定件,电枢2成为电动机10中的可动件。
此外,当然也可以将励磁元件3设为可动件,将电枢2设为固定件。另外,台架100、工作台101、导轨102的结构并不限定于此,只要是能够对励磁元件3或者电枢2中的任一者进行固定,使另一者可动的结构即可。下面,对各结构进一步进行说明,但关于各结构之中的台架100、工作台101、导轨102的结构,由于是公知技术,因此省略详细的说明。
如图2所示,电枢2具有:铁芯20,其是使用作为软磁性材料的电磁钢板进行制作而成的;以及线圈21,其卷绕于铁芯20的齿22部分。电枢2将齿22的前端朝向励磁元件3侧,与工作台101的面平行地安装。通过该结构,电枢2将齿22和励磁元件3之间的间隙确保为恒定,并且在构成后面记述的励磁元件3的永磁铁的排列方向上能够移动。电枢2的铁芯20是使用贯穿螺栓和螺母将电磁钢板的层叠体紧固一体化而制作出的。
在这里,将电枢2的行进方向定义为x方向,将横穿电枢2和励磁元件3之间的空气间隙的方向定义为y方向,将与x方向和y方向各自直角的方向定义为z方向。另外,为了便于说明,将纸面的附图中的右方向定义为x的正方向(+x方向),将纸面的上方向定义为y的正方向(+y方向),将纸面的近端方向定义为z的正方向(+z方向)。本定义还应用于其他实施方式。
励磁元件3由通过磁性材料的块制作出的后轭5和永磁铁构成。
后轭5构成为板状而在x方向延伸设置,配置为后轭5的主面5a成为与y方向正交的面。后轭5的主面5a是与y方向正交的面之中的电枢2侧的面。
永磁铁包含:主磁极永磁铁41、51,它们在成为产生磁场的方向的y方向进行了磁化;以及副磁极永磁铁61、71,它们以与主磁极永磁铁41、51的磁极的朝向不同的方式进行了磁化。而且,主磁极永磁铁41、51和副磁极永磁铁61、71以在后轭5的主面5a上向特定方向的磁场强度变大的方式,通过哈尔巴赫排列进行排列。在下面的说明中,有时在将主磁极永磁铁41、51和副磁极永磁铁61、71汇总而进行说明时使用“永磁铁”进行说明。
主磁极永磁铁41、51使用例如将Nd-Fe-B类烧结磁铁制作为长方体的结构。另外,主磁极永磁铁41、51在横穿电枢2和励磁元件3之间的空气间隙的方向即y方向进行了磁化。
如图2中箭头所示,具体地说,主磁极永磁铁41朝向与后轭5的主面5a正交的+y方向进行磁化,主磁极永磁铁51朝向-y方向进行磁化。而且,主磁极永磁铁41和主磁极永磁铁51在后轭5的主面5a上具有间隔而在x方向交替地排列。即,各主磁极永磁铁41、51在x方向上,以磁化方向与相邻的其他主磁极永磁铁41、51彼此相反朝向(交替)的方式排列为直线状。另外,在y方向上,主磁极永磁铁41、51以与后轭5相比位于+y方向的方式设置。
副磁极永磁铁61、71与主磁极永磁铁41、51同样地,使用将Nd-Fe-B类烧结磁铁制作为长方体的结构。另外,副磁极永磁铁61、71在电枢2的可动方向即x方向进行磁化。
具体地说,副磁极永磁铁61朝向+x方向进行了磁化,副磁极永磁铁71朝向-x方向进行了磁化。而且,副磁极永磁铁61和副磁极永磁铁71具有间隔而在与主磁极永磁铁41、51的排列方向相同的方向交替地排列。即,各副磁极永磁铁61、71在x方向上,以磁化方向与相邻的其他副磁极永磁铁61、71彼此相反朝向(交替)的方式排列为直线状。另外,副磁极永磁铁61、71在y方向上,与主磁极永磁铁41、51相比设置于+y方向侧。
主磁极永磁铁41和主磁极永磁铁51的x方向上的各自之间成为空隙。该空隙成为非磁性的区域,下面,设为非磁性层6而进行说明。另外,在副磁极永磁铁61和副磁极永磁铁71的x方向上的各间隔对磁体4进行配置。因此,形成按照主磁极永磁铁41、非磁性层6、主磁极永磁铁51、非磁性层6···的顺序重复的x方向的直线状的排列。另外,形成按照副磁极永磁铁61、磁体4、副磁极永磁铁71、磁体4···的顺序重复的x方向的直线状的排列。磁体4使用例如将Fe-Co-V类的软磁性材料在z方向层叠而构成的结构。
在这里,对主磁极永磁铁41、51和副磁极永磁铁61、71之间的配置关系进行说明。
主磁极永磁铁41、51和副磁极永磁铁61、71在x方向上,以彼此差异的方式排列。具体地说,以在处于主磁极永磁铁41和主磁极永磁铁51之间的非磁性层6的+y方向侧对副磁极永磁铁61、71的任意者进行配置的方式排列。换言之,副磁极永磁铁61、71的至少一部分在-y方向上隔着非磁性层6与后轭5的主面5a相对而配置。y方向是与后轭5的主面5a正交的方向,-y方向是从非磁性层6朝向后轭5的方向。此时,副磁极永磁铁61、71的面之中的与主面5a相对的面的y方向上的位置成为与主磁极永磁铁41、51的面之中的从主面5a最远离的面相同的位置。或者,成为与主磁极永磁铁41、51的面之中的从主面5a最远离的面相比进一步向+y方向从主面5a远离的位置。但是,在成为远离的位置的情况下,其距离很小,成为大致同等的位置。从主面5a最远离的主磁极永磁铁41、51的面是与y方向正交的面之中的+y方向侧的面。
另外,以在位于副磁极永磁铁61和副磁极永磁铁71之间的磁体4的-y方向侧配置主磁极永磁铁41、51的任意者的方式排列。此时,以磁体4的x方向上的中心和配置于磁体4的-y方向侧的任意的主磁极永磁铁41、51的x方向上的中心一致的方式排列。
如果更具体地进行说明,则永磁铁朝向+x方向,按照副磁极永磁铁61、主磁极永磁铁41、副磁极永磁铁71、主磁极永磁铁51、副磁极永磁铁61···的顺序重复地排列。即,在+y方向进行了磁化的主磁极永磁铁41在其-x方向侧对朝向+x方向进行了磁化的副磁极永磁铁61进行配置,朝向-x方向进行了磁化的副磁极永磁铁71位于其+x方向侧。另外,相反地,朝向-y方向进行了磁化的主磁极永磁铁51在其-x方向侧对朝向-x方向进行了磁化的副磁极永磁铁71进行配置,朝向+x方向进行了磁化的副磁极永磁铁61位于其+x方向侧。通过该配置,能够使主磁极永磁铁41、51的磁场和副磁极永磁铁61、71的磁场叠加。此外,排列的两端配置有电磁钢板。
接下来对各结构间的保持进行说明。各结构间通过面和面的粘接进行保持。具体地说,在磁体4和主磁极永磁铁41、51的y方向之间、主磁极永磁铁41、51和后轭5的y方向之间、副磁极永磁铁61、71和磁体4的x方向之间各自涂敷粘接剂,将面彼此紧贴而安装。在主磁极永磁铁41、51和副磁极永磁铁61、71的y方向之间存在相对的面的情况下,与其他结构同样地涂敷粘接剂而将面彼此紧贴而安装。
接下来,使用图3对各结构的y方向上的宽度之间的关系进行说明。图3是本发明的实施方式1所涉及的励磁元件的纵剖视图。
将与后轭5的主面5a正交的方向即y方向上的主磁极永磁铁41、51的宽度设为Tm,将非磁性层6的宽度设为Ta,将副磁极永磁铁61、71的宽度设为Ts,将磁体的宽度设为Td。
此时,主磁极永磁铁41、51的宽度Tm和非磁性层6的宽度Ta是同等的宽度。
另外,副磁极永磁铁61、71的宽度Ts和磁体4的宽度Td相同。而且,后轭5如上所述配置为主面5a成为与y方向正交的面。因此,在后轭5的主面5a的+y方向侧配置的主磁极永磁铁41、主磁极永磁铁51及非磁性层6的+y方向侧各自的面相对于y方向正交。并且,在它们的+y方向侧配置的磁体4和副磁极永磁铁61、71的面也相对于y方向正交。即,磁体4的与空气间隙相对的面的位置和副磁极永磁铁61、71的与空气间隙相对的面的位置在y方向上一致。
接下来,对各结构的x方向(永磁铁的排列方向)上的长度之间的关系进行说明。
将主磁极永磁铁41、51的长度设为Lm,将非磁性层6的长度设为La,将副磁极永磁铁61、71的长度设为Ls,将磁体4的长度设为Ld。
磁体4的长度Ld构成为比主磁极永磁铁41、51的长度Lm短,比副磁极永磁铁61、71的长度Ls及非磁性层6的长度La长。副磁极永磁铁61、71的长度Ls构成为与非磁性层6的长度La相同或者比非磁性层6的长度La长。主磁极永磁铁41、51的长度Lm构成为比1极对应量的长度即极间距Lp短,比非磁性层6的长度La长。在图3中,图示出副磁极永磁铁61、71的长度Ls比非磁性层6的长度La长的结构。
在这里,使用图4对将副磁极永磁铁61、71的长度Ls变更而解析后的结果进行说明。副磁极永磁铁61、71的长度Ls以从与非磁性层6的长度La相同长度变长的方式进行变更。图4是表示副磁极永磁铁61、71的长度Ls相对于非磁性层6的长度La的比Ls/La与感应电压的增减率之间的关系的图。图4所示的曲线图的横轴示出了比Ls/La的值,纵轴示出了以副磁极永磁铁61、71的长度Ls和非磁性层6的长度La相等时(比Ls/La为1)为基准的感应电压的比率的增减率。一般来说,感应电压与推力成正比,因此以下主要对感应电压的增减详细地进行说明。
如图4所示,增减率成为下述凸形状,即,朝向比Ls/La从1增加的方向,感应电压的增减率的值变大,在迎来峰值后,再次减小。即,可知副磁极永磁铁61、71的长度Ls比非磁性层6的长度La长,在具有在y方向上与主磁极永磁铁41、51的面重叠的面部分时的长度处感应电压成为最大。更具体地说,可知在比Ls/La为1~2.8的情况下,与设为基准的感应电压相比感应电压变大。
使用图5,对将副磁极永磁铁61、71的长度Ls变更时的磁通密度波形的变化进行说明。图5的A示意地示出了空气间隙面g1处的磁通密度波形。实线的矩形波H1示出了一般性的磁铁排列的情况下的磁通密度波形,虚线的与矩形波接近的形状的波H2示出了使主磁极永磁铁41、51和副磁极永磁铁61、71的空气间隙面一致的哈尔巴赫排列的情况下的磁通密度波形。另外,虚线的与正弦波接近的波A1示出了后面记述的图5的A1所示的副磁极永磁铁61、71的长度Ls和非磁性层6的长度La相等的情况下的磁通密度波形。实线的与正弦波接近的波A2示出了后面记述的图5的A2的副磁极永磁铁61、71的长度Ls比非磁性层6的长度La长的情况下的磁通密度波形。并且,点划线的波A3示出了副磁极永磁铁61、71的长度Ls没有被适当地设定的情况下的磁通密度波形。副磁极永磁铁61、71的长度Ls没有被适当地设定的情况,是例如相对于非磁性层6的长度La过长的情况。
如图5的A所示,在副磁极永磁铁61、71的长度Ls和非磁性层6的长度La相等的情况下(A1),与不是哈尔巴赫排列的一般性的磁铁排列的情况相比,可知磁通密度波形从矩形波接近与正弦波接近的波型(以下称为“大致正弦波”)。其原因在于,由于副磁极永磁铁61、71的影响,主磁极永磁铁41、51的端部的磁通集中于主磁极永磁铁41、51的中央部附近。另外,在副磁极永磁铁61、71的长度Ls比非磁性层6的长度La长的情况下(A2),可知磁通进一步集中于主磁极永磁铁41、51的中央部附近。主磁极永磁铁41、51的端部处于原本磁通密度不那么高的范围,其原因在于,与磁通密度的降低相比,向主磁极永磁铁41、51的中央部附近的磁通集中的效果大。
另一方面,在副磁极永磁铁61、71的长度Ls没有被适当地设定的情况下,主磁极永磁铁41、51的中央部附近的磁通量降低。结果,对使感应电压降低的影响变大。因此,使副磁极永磁铁61、71的长度Ls在适当的范围比非磁性层6的长度La变长,由此能够得到提高感应电压的效果。
进一步对将副磁极永磁铁61、71的长度Ls变更时的磁通线的情形进行说明。图5的A1是示意地表示副磁极永磁铁61、71的长度Ls和非磁性层6的长度La相等的情况下的排列的一部分和此时的磁通线的图。
如图5的A1所示,来自主磁极永磁铁41的磁通在图中的+y方向行进,将空气间隙面g1横穿而侵入至位于其前端的电枢2。另一方面,副磁极永磁铁61的磁通在+x方向行进,并且逐渐地向+y方向弯曲,将空气间隙面g1横穿而侵入至电枢2。另外,同样地,副磁极永磁铁71的磁通在-x方向行进,并且逐渐地向+y方向弯曲,将空气间隙面g1横穿而侵入至电枢2。因此,与仅由作为主磁极永磁铁41、51的永磁铁构成的一般性的电枢相比,具有副磁极永磁铁61、71的线性电动机即本发明的电动机10的空气间隙面g1的主磁极永磁铁41的中央部附近的磁通密度提高。而且,空气间隙面g1处的磁通密度波形接近大致正弦波。
图5的A2是示意地表示使副磁极永磁铁的长度Ls在适当的范围比非磁性层6的长度La增大的情况下的排列的一部分和此时的磁通线的图。为了便于说明,将主磁极永磁铁41之中的在+y方向侧与副磁极永磁铁61、71重叠的部分分别设为主磁极永磁铁411、412,将其以外的部分设为主磁极永磁铁413。另外,将副磁极永磁铁61之中的在-y方向侧与主磁极永磁铁41重叠的部分设为副磁极永磁铁611。同样地,将副磁极永磁铁71之中的在-y方向侧与主磁极永磁铁41重叠的部分设为副磁极永磁铁711。与图5的A1的结构的不同点在于,在A2的副磁极永磁铁611、711部分中从磁体4置换为副磁极永磁铁61。
来自副磁极永磁铁611的磁通向+x方向行进,并且逐渐地向+y方向弯曲,将空气间隙面g1横穿而侵入至位于其前端的电枢2。来自副磁极永磁铁711的磁通也同样地,向-x方向行进,并且逐渐地向+y方向弯曲,将空气间隙面g1横穿而侵入至电枢2。与A1相比较,副磁极永磁铁61、71位于与主磁极永磁铁41的中央部更接近的位置,因此空气间隙面g1的主磁极永磁铁41的中央部附近的磁通密度提高。
来自主磁极永磁铁41的磁通也与图5的A1同样地,在+y方向行进,另一方面,其上部从磁体4向副磁极永磁铁61、71变化的主磁极永磁铁411、412的附近的磁通密度与如A1那样配置磁体4的结构相比降低。但是,主磁极永磁铁411、412附近是从磁通密度波形的峰值远离的位置,在大致正弦波波形中,是原本磁通密度值不那么高的范围。因此,适当地设定副磁极永磁铁611、711部分的范围,由此在主磁极永磁铁411、412附近的磁通密度降低的情况下也不会对感应电压造成大的影响。由此,使副磁极永磁铁61、71的长度Ls在适当的范围比非磁性层6的长度La长,由此能够得到提高感应电压的效果。
因此,在本发明的方式中,也构成为在上述排列中副磁极永磁铁的长度Ls与非磁性层6的长度La相同或者比非磁性层6的长度La长,具体地说比Ls/La成为1~2.8。在构成为使副磁极永磁铁的长度Ls比非磁性层6的长度La长时,副磁极永磁铁的与y方向正交的面之中的-y方向的面的一部分在y方向隔着主磁极永磁铁41、51而与后轭5的主面5a相对。此时的比Ls/La构成为小于或等于2.8。
对如上所述构成的电动机10的动作简单地进行说明。
将主磁极永磁铁41、51和副磁极永磁铁61、71设为上述的结构,由此能够使主磁极永磁铁41、51的磁场和副磁极永磁铁61、71的磁场叠加。通过进行叠加,从而励磁元件3的在+y方向形成的磁通密度的分布即周期磁场成为大致正弦波。在这里,如果对电枢2的线圈21通电,则电枢2由于通过通电而产生的磁场和周期磁场的吸引力及回弹力,被导轨102引导,在永磁铁的排列方向移动。在本发明的电动机10中,励磁元件3的在+y方向形成的周期磁场成为大致正弦波,因此在线圈21感应出的反电动势也成为大致正弦波。
对通过将励磁元件3设为上述的结构而产生的效果进行说明。
本发明的实施方式1中的励磁元件3包含:主磁极永磁铁41、51,它们在产生磁场的方向进行了磁化;以及副磁极永磁铁61、71,它们以与主磁极永磁铁41、51的磁极的朝向不同的方式进行了磁化。而且,主磁极永磁铁41、51和副磁极永磁铁61、71以在排列方向彼此差异的方式排列。而且,各主磁极永磁铁41、51以磁化方向与相邻的其他主磁极永磁铁41、51彼此成为相反朝向的方式排列,各副磁极永磁铁61、71以磁化方向与相邻的其他副磁极永磁铁61、71彼此成为相反朝向的方式排列。通过该结构,能够使主磁极永磁铁41、51的磁场和副磁极永磁铁61、71的磁场叠加,能够将励磁元件3的在+y方向形成的周期磁场设为大致正弦波。
另外,在x方向上的主磁极永磁铁41和主磁极永磁铁51之间设置非磁性层6。而且,配置为副磁极永磁铁61、71的至少一部分隔着非磁性层6而与主面5a相对。并且,副磁极永磁铁61、71的与主面5a相对的面成为与从主面5a在+y方向最远离的主磁极永磁铁41、51的面的位置相同或者更远离的位置。通过该结构,与主磁极永磁铁41、51彼此相邻的情况、主磁极永磁铁41、51和副磁极永磁铁61、71相邻的情况相比较,受到通过副磁极永磁铁61、71产生的向主磁极永磁铁41、51的逆磁场的体积减小,主磁极永磁铁41、51的减磁耐力提高。另外,能够减少由于驱动时的温度上升使导磁系数降低的主磁极永磁铁41、51的区域。由此,能够有效地使用原本永磁铁所具有的磁通,能够减小为了输出相同推力所需的磁铁体积。
因此,能够有效使用永磁铁的磁通,使推力提高。
另外,副磁极永磁铁61、71的排列方向即x方向的长度Ls构成为与非磁性层6的x方向上的长度La相同或者更长。通过该结构,能够提高主磁极永磁铁41的在+y方向,即,励磁元件3的在+y方向形成的磁通密度的分布即周期磁场的大致正弦波的峰值。另外,副磁极永磁铁61、71的排列方向即x方向的长度Ls和非磁性层6的x方向上的长度La构成为比Ls/La成为1~2.8。由此,具有能够进一步增大感应电压的效果。
另外,配置为在副磁极永磁铁61、71的排列方向即x方向的长度Ls比非磁性层6的x方向上的长度La构成得大的情况下,在主磁极永磁铁41、51的+y方向侧具有与副磁极永磁铁61、71重叠的部分。即,配置为副磁极永磁铁61、71的至少一部分在-y方向隔着非磁性层6与后轭5的主面5a相对。由此,具有下述效果,即,有效使用主磁极永磁铁41、51中的磁通密度值不比其他高的范围,能够进一步增大感应电压。并且,在后充磁的情况下位于副磁极永磁铁61、71的正下方的主磁极永磁铁41、51的充磁性提高。
另外,在x方向上的副磁极永磁铁61和副磁极永磁铁71之间设置磁体4。通过该结构,与磁体4为空气、非磁性材料的情况相比较,主磁极永磁铁41、51的+y方向侧的磁饱和被缓和,能够进一步提高产生磁场,能够实现进一步的低损耗化。并且,磁体4是将软磁性材料在z方向层叠而构成的。使磁体4由在z方向层叠的软磁性材料构成,由此具有涡流损耗减少的效果。
另外,在永磁铁的排列的两端配置有电磁钢板。例如在副磁极永磁铁61、71配置于端部的情况下,副磁极永磁铁61、71由于磁力有可能不断飞出,但通过在端部配置电磁钢板,从而能够避免。
另外,在电动机10中,构成为励磁元件3的在+y方向形成的周期磁场成为大致正弦波。由此在线圈21感应出的反电动势也能够设为大致正弦波。由此,能够减小相对于正弦波即基波的谐波成分,能够减小齿槽推力。而且,能够提高产生磁场,能够实现低损耗化。
此外,将主磁极永磁铁41的磁化方向设为朝向+y的方向,将主磁极永磁铁51的磁化方向设为朝向-y的方向,将副磁极永磁铁61的磁化方向设为朝向+x的方向,将副磁极永磁铁71的磁化方向设为朝向-x的方向。即,以分别相对于y方向正交,相对于x方向平行为前提而进行了说明,但磁化角度考虑各种各样的样式。例如,如果将+x方向设为0°,将-x方向设为180°,则也能够设为将主磁极永磁铁41的磁化方向设为45°,将主磁极永磁铁51的磁化方向设为135°的结构。在任意的情况下,只要配置为在排列方向上磁化方向成为相反朝向即可。另外,磁化方向在永磁铁内也可以不是单一方向,例如,关于主磁极永磁铁41、51,也能够使用极各向异性的磁铁。对极各向异性的磁铁进行排列,由此在排列方向上磁化方向也能够成为相反朝向。因此,在这些情况下也能够有效使用上述的永磁铁的磁通,具有能够使推力提高的效果。
另外,将主磁极永磁铁41和主磁极永磁铁51的x方向之间的空气的层设为非磁性层6,但也可以在主磁极永磁铁41和主磁极永磁铁51的x方向之间的至少一部分配置由非磁性材料构成的衬垫。在该情况下,在得到与设置有空隙的情况相同效果的基础上,在主磁极永磁铁41、51和副磁极永磁铁61、71之间产生磁性吸引力的情况下还能够通过衬垫承受力。由此,能够使永磁铁缺失的可能性减小。
另外,可以以将励磁元件3覆盖的方式将非磁体例如SUS材料的罩通过粘接剂进行安装,也可以将SUS材料通过螺栓紧固固定于后轭5。此时的紧固例如能够通过铆钉固定、焊接等进行固定。除此以外,也能够由树脂覆盖。通过这些,能够牢固地保持各个部件。
另外,励磁元件3如图6所示,可以将其整体由磁体4构成,在设置于磁体4的孔31中将主磁极永磁铁41、51从z轴方向分别插入。另外,同样地,也可以在设置于磁体4的孔32中将副磁极永磁铁61、71从z轴方向分别插入。此时也可以构成为将主磁极永磁铁41、51间的全部或者一部分通过铆接部33进行固定。磁体4能够使用粘接钢板进行固定或者例如在后轭部通过螺栓进行固定,在主磁极永磁铁41、51之间能够设置空隙。在这里的磁体4设想是电磁钢板,但也可以是铁。
另外,对电枢2的铁芯20是软磁性材料即电磁钢板的层叠体而进行了说明,但磁性材料例如也可以是SS400材料的块体的切削,也可以是无铁芯的无芯构造的电枢2。并且,电枢2的铁芯20是使用贯穿螺栓和螺母将电磁钢板的层叠体紧固一体化而制作出的,但铁芯20也可以将磁性板的层叠体压接一体化而制作。在这些结构中也具有能够有效使用上述的永磁铁的磁通,使推力提高的效果。
实施方式2
下面,使用附图对实施方式2所涉及的励磁元件进行说明。图7是对本发明的实施方式2所涉及的励磁元件的结构进行说明的纵剖视图。图8是表示作用于本发明的实施方式2所涉及的励磁元件的磁性力的图。
本发明的实施方式2如图7所示,构成为励磁元件3中的副磁极永磁铁61、71的y方向的宽度Ts小于磁体4的y方向的宽度Td。其他结构与实施方式1相同。
使用图8说明对副磁极永磁铁61、71的与y方向正交的面之中的-y方向侧的面进行固定,对副磁极永磁铁61、71的宽度Ts进行了变更时作用于副磁极永磁铁61、71的y方向的磁性力。图8的横轴示出了在使副磁极永磁铁61、71的宽度Ts比与磁体4同等的宽度小时产生的空气层的厚度。纵轴示出了作用于副磁极永磁铁61、71的y方向的磁性力。在这里的磁性力是通过永磁铁而作用的力。
如图8所示,相对于副磁极永磁铁61、71而作用的磁性力与减小副磁极永磁铁61、71的宽度Ts相应地减小,另外,与增大副磁极永磁铁61、71的宽度Ts相应地增加。即,如果对副磁极永磁铁61、71的宽度Ts进行变更,则相对于副磁极永磁铁61、71而作用的磁性力也发生变化。
关于减小副磁极永磁铁61、71的宽度Ts,由此相对于副磁极永磁铁61、71而作用的磁性力发生变化这一点,使用图9进一步详细地说明。图9为了便于说明,仅图示出永磁铁的排列的一部分,示意地示出了磁通线及磁性力。
图9的B1是磁体4的宽度Td和副磁极永磁铁71的宽度Ts相等,各自的空气间隙侧的面的位置一致的情况下的磁通线和磁性力的示意图。作用于副磁极永磁铁71的磁性力是图中所示的磁体4和副磁极永磁铁71之间的吸引力Fa、主磁极永磁铁41和副磁极永磁铁71之间的回弹力Fr1。如图8所示,+y方向的磁性力基于回弹力Fr1。
图9的B2是与磁体4的宽度Td相比副磁极永磁铁71的宽度Ts小的情况下的磁通线和磁性力的示意图。作用于副磁极永磁铁71的磁性力是磁体4和副磁极永磁铁71之间的吸引力Fa、回弹力Fr2、主磁极永磁铁41和副磁极永磁铁71之间的回弹力Fr1。吸引力Fa和回弹力Fr2与图9的B1不同。在图9的B2中,与磁体4的宽度Td相比副磁极永磁铁71的宽度Ts变小,因此相应地吸引力Fa变小。另外,在磁体4的与副磁极永磁铁71相对的面之中的、与通过减小副磁极永磁铁71的宽度Td而产生的空气层相对的部分不产生S极,而是产生N极。通过该N极和副磁极永磁铁71的N极而产生回弹力Fr2。
因此,可知成为下述结果,即,对于副磁极永磁铁71而言,通过吸引力Fa的消失量和回弹力Fr2的合力而受到-y方向的磁性力,通过与回弹力Fr1的合力而产生的+y方向的磁性力与图9的B1所示的结构中的+y方向的磁性力相比减小。
图9的B3是与磁体4的宽度Td相比副磁极永磁铁71的宽度Ts更小的情况下的磁通线和磁性力的示意图。作用于副磁极永磁铁71的磁性力与图9的B2同样地,是磁体4和副磁极永磁铁71之间的吸引力Fa、回弹力Fr2、主磁极永磁铁41和副磁极永磁铁71之间的回弹力Fr1。但是,副磁极永磁铁71的宽度Ts相对于磁体4的宽度Td更小,因此图9的B2中的吸引力Fa变得更小。另外,在磁体4的与副磁极永磁铁71相对的面中S极减少,出现不产生磁极的部分。而且,稍微地产生回弹力Fr2。其结果,对于副磁极永磁铁71而言,通过吸引力Fa的消失量和回弹力Fr2的合力使-y方向的磁性力变小,与回弹力Fr1的合力比图9的B1所示的+y方向的磁性力增加。其原因在于,图8所示的磁性力在减小后增加。
因此,优选构成为,副磁极永磁铁61、71的y方向的宽度Ts相对于磁体的y方向的宽度Td在适当的范围变小。另外,说明了如果相对于磁体4的y方向的宽度Td将副磁极永磁铁61、71的y方向的宽度Ts过度减小,则导致磁性力增加。与此相对,通过维持使主磁极永磁铁41、51的磁场和副磁极永磁铁61、71的磁场叠加的结构,并且,设为副磁极永磁铁61、71的y方向的宽度Ts相对于磁体的y方向的宽度Td变小的结构,从而不会过度变小而能够解决。
在本发明的实施方式2中,构成为主磁极永磁铁41、51的体积不变更,副磁极永磁铁61、71的y方向的宽度Ts与磁体的y方向的宽度Td相比变小。由此,能够不使空气间隙面的磁通量减少而减小磁性力。因此,与实施方式1同样地,在能够有效使用永磁铁的磁通,使推力提高的效果的基础上,还具有使安装副磁极永磁铁61、71时的作业性提高的效果。另外,还具有确保一定的粘接强度的效果。
此外,以主磁极永磁铁41和副磁极永磁铁71为例进行了说明,但主磁极永磁铁41和副磁极永磁铁61、主磁极永磁铁51和副磁极永磁铁61、主磁极永磁铁51和副磁极永磁铁71也能够是相同的说明。
另外,作为实施方式2的变形例,可以如图10的C1及C2所示,设为对副磁极永磁铁61、71的空气间隙面侧实施C倒角或者圆角的方式。在该情况下,如上所述,也能够不使空气间隙面的磁通量减少而减小磁性力。而且,与实施方式1同样地,在能够有效使用永磁铁的磁通,使推力提高的效果的基础上,还具有安装副磁极永磁铁61、71时的作业性提高和确保粘接强度的效果。
另外,如图11所示,也能够设为对在使副磁极永磁铁61、71的宽度Ts比与磁体4同等的宽度变小时产生的空气层和副磁极永磁铁61、71的空气间隙面侧的面通过非磁性材料的模塑材料8对各部件进行模塑的结构。通过进行模塑,从而具有能够将各部件牢固地固定的效果。另外,也可以还使模塑材料8流入至各部件间的间隙。在设为模塑材料8将主磁极永磁铁41、51间填充的结构的情况下,与主磁极永磁铁41、51彼此相邻的情况相比较,能够减小各主磁极永磁铁41、51的漏磁通。由此,通过有效使用永磁铁的磁通,从而能够减小所需的永磁铁的体积,其结果,也能够低价格化。
实施方式3
下面,使用图12对实施方式3所涉及的励磁元件进行说明。图12是对本发明的实施方式3所涉及的励磁元件的结构进行说明的纵剖视图。此外,为例便于说明仅示出了励磁元件的一部分。
本发明的实施方式3如图12的D1所示,是将构成为长方体的磁体4的角之中的主磁极永磁铁41、51侧的角设为C倒角的结构。其他结构与实施方式1~2相同。
磁通沿着尽可能成为最短距离的路径,因此如图12的D所示,副磁极永磁铁61、71的角部容易产生漏磁通。与此相对,通过将磁体4的角设为C倒角,从而产生空隙。由此,磁通不易经过,因此能够减少漏磁通。该漏磁通是向主磁极永磁铁41、51的逆磁场,因此能够提高主磁极永磁铁41、51的减磁耐力。
因此,关于构成为长方体的磁体4的角之中的主磁极永磁铁41、51侧的角而设为C倒角的结构,由此具有能够有效使用永磁铁的磁通,使推力进一步提高的效果。
此外,对将磁体4的角设为C倒角而进行了说明,但也可以是设为圆角的结构。另外,如图12的D2所示,可以是将副磁极永磁铁61、71的主磁极永磁铁41、51侧的角设为C倒角或者设为圆角的结构。在该情况下,也同样地,能够减少副磁极永磁铁61、71的漏磁通,能够提高永磁铁的减磁耐力。
实施方式4
下面,使用图13对实施方式4所涉及的励磁元件进行说明。图13是对本发明的实施方式4所涉及的励磁元件的结构进行说明的纵剖视图。此外,为了便于说明仅示出了励磁元件的一部分。
本发明的实施方式4如图13所示,构成为将磁体4和2个副磁极永磁铁61、71设为1极,它们的空气间隙面侧成为圆弧形状。空气间隙面侧是不与主磁极永磁铁41、51相对侧的面。其他结构与实施方式1~3相同。2个副磁极永磁铁61、71的详细内容是在+x方向进行了磁化的副磁极永磁铁61和在磁化方向与副磁极永磁铁61反方向的-x方向进行了磁化的副磁极永磁铁71。
构成为将磁体4、副磁极永磁铁61和副磁极永磁铁71设为1极而它们的空气间隙面侧成为圆弧形状,由此能够将空气间隙处的磁通密度波形设为大致正弦波,具有能够减小齿槽推力的效果。因此,具有能够有效使用永磁铁的磁通,使推力进一步提高的效果。
实施方式5
下面,使用图14及图15对实施方式5所涉及的励磁元件进行说明。图14及图15是对本发明的实施方式5所涉及的励磁元件的结构进行说明的纵剖视图。为了便于说明,省略了一部分结构。另外,在本发明的实施方式5中,作为电动机以旋转机为例进行说明,但并不限定于此。
实施方式5中的励磁元件3由形成为圆形状的励磁元件铁芯34和在励磁元件铁芯34的外周排列的永磁铁构成。在实施方式5中,电枢2或者励磁元件3的一者成为能够旋转的可动件,另一者成为固定件。即,构成了可动件可自由旋转的旋转机。在本发明中,作为一个例子示出了励磁元件3成为转子的结构,将以该转子旋转的轴为中心进行旋转的方向设为周向,将与旋转轴的轴心正交的方向设为径向。另外,将构成后面记述的励磁元件3的磁性板层叠的方向定义为轴向。
图14示出了将励磁元件3在周向等分割时的主磁极永磁铁41、51的2极量。另外,图14中的E1~E7示出了永磁铁的变更例。
图14所示励磁元件3具有励磁元件铁芯34,主磁极永磁铁41、51和副磁极永磁铁61、71通过哈尔巴赫排列而构成于励磁元件铁芯34。作为在励磁元件铁芯34排列的方法,存在下述方法:图14所示的在励磁元件铁芯34的表面粘贴磁铁的方法和在图15所示的励磁元件铁芯34内部埋入永磁铁的方法。关于在图15所示的励磁元件铁芯34内部埋入永磁铁的方法在后面记述。
图14所示的励磁元件铁芯34是将电磁钢板的磁性板在轴向层叠而一体地构成的。各磁性板是对软磁性材料即硅钢板进行冲裁而制作为期望的形状。而且,在励磁元件铁芯34对主磁极永磁铁41、51进行配置。具体地说,主磁极永磁铁41、51排列在励磁元件铁芯34的外周面。另外,在与主磁极永磁铁41、51的周向上的各间隔设置非磁性层6。
在与设置于励磁元件铁芯34的主磁极永磁铁41、51相比更靠径向外侧对副磁极永磁铁61、71进行配置。副磁极永磁铁61、71以非磁性层6的周向上的中心和副磁极永磁铁61、71的周向上的中心一致的方式排列。主磁极永磁铁41、51及副磁极永磁铁61、71例如根据需要涂敷粘接剂,通过粘接进行保持。
关于主磁极永磁铁41、51和副磁极永磁铁61、71的具体的排列顺序、充磁方向,与实施方式1~4相同,省略说明。另外,虽然未图示,但在副磁极永磁铁61、71的周向上的各间隔配置磁体4。
如上所述,励磁元件铁芯34的外周面为圆弧,以沿外周面的方式分别排列永磁铁。此时的永磁铁的形状设想出各种各样的种类。以下关于在励磁元件铁芯34中配置的永磁铁的形状,使用E1~E7进行说明。
图14的E1表示永磁铁的轴向的剖面形状为长方形的情况。E2表示是各永磁铁的在周向两端的径向延伸的2边朝向旋转中心的轴向剖面形状的情况。E3表示沿各永磁铁的周向的2边为圆弧,其2边平行的轴向剖面形状的情况。E4表示由将在E2的径向延伸的2边和沿E3的周向的2边组合的边构成的情况。E5表示各永磁铁的沿径向外侧的周向的1边为圆弧状,励磁元件3的中心侧的1边是与励磁元件铁芯34的外周相接的角度的直线,将这些边在径向连结的2边成为平行的轴向剖面形状的情况。E6是在主磁极永磁铁41、51的励磁元件3的径向外侧的1边处,与副磁极永磁铁61、71重叠的部分平坦。另外,励磁元件3的径向内侧的1边是与励磁元件铁芯34的外径相接的角度的直线,表示周向的2边成为平行那样的轴向剖面形状的情况。在E7中,表示主磁极永磁铁41、51和副磁极永磁铁61、71的形状可以是E1~E6的任意组合。
接下来,使用图15对将永磁铁埋入至励磁元件铁芯34内部的结构进行说明。在图15中,励磁元件铁芯34具有:主磁极永磁铁收纳孔410,其是对磁性板进行层叠,在用于对主磁极永磁铁41、51进行收纳的轴向相连而成的;以及副磁极永磁铁收纳孔610,其是在用于对副磁极永磁铁61、71进行收纳的轴向相连而成的。在主磁极永磁铁收纳孔410中插入而保持主磁极永磁铁41、51。另外,在副磁极永磁铁收纳孔610中插入而保持副磁极永磁铁61、71。如图15的F1~F4所示,上述的图14所示的永磁铁的形状在埋入的结构中也能够同样地采用。而且,根据需要,使用涂敷粘接剂,通过粘接进行保持的方法。
在图15中,图示出在主磁极永磁铁41和主磁极永磁铁51之间由励磁元件铁芯34填满,但能够设置非磁性层6。另外,虽然未图示,但关于非磁体,也可以是设置用于收纳的非磁体收纳孔的结构,也能够是设置将主磁极永磁铁41、51和空隙或者非磁体插入的1个收纳孔的结构。
如上所述构成的电动机10除了是旋转机这一点和励磁元件的结构特别是永磁铁的形状不同这一点以外,与本发明的实施方式1~4中的励磁元件3同样地构成。因此,根据本发明的实施方式5,励磁元件铁芯34和永磁铁设置于圆弧上,因此能够应用于旋转型的工作机械、伺服电动机。在应用的旋转机中也具有能够有效使用与实施方式1~4相同的永磁铁的磁通,使推力进一步提高的效果。
另外,特别是进行图14的E7那样的组合,由此具有能够将永磁铁的制造成本抑制为最低限度而减小齿槽转矩、转矩脉动的效果。
并且,在图15的结构中,永磁铁埋入至励磁元件铁芯34,因此与永磁铁设置于励磁元件铁芯34的外周面的结构相比能够更多地利用磁阻转矩。
此外,标记为将永磁铁通过粘接剂保持,但也可以插入对永磁铁进行保持的壳体而固定,也可以将卷绕有线圈的电磁铁插入而固定。另外,在设置将主磁极永磁铁41、51和非磁性层6或者非磁体插入的1个收纳孔的情况下,构成为设置将用于对主磁极永磁铁41、51进行定位的凸起、边界板插入的槽,由此能够更准确地配置。
本发明记载了各种例示的实施方式及实施例,但在1个或者多个实施方式中记载的各种特征、方式及功能并不限定于特定的实施方式的应用,也能够单独地或者以各种组合应用于实施方式。
因此,没有例示的无数变形例在本申请说明书中公开的技术范围内被设想。例如包含将至少1个结构要素变形的情况、追加的情况或者省略的情况、以及提取至少1个结构要素而与其他实施方式的结构要素组合的情况。
标号的说明
2电枢,3励磁元件,4磁体,5后轭,6非磁性层,8模塑材料,10电动机,20铁芯,21线圈,22齿,31、32孔,33铆接部,34励磁元件铁芯,41、51、411、412主磁极永磁铁,61、71、611、711副磁极永磁铁,100台架,101工作台,102导轨,410主磁极永磁铁收纳孔,610副磁极永磁铁收纳孔。
Claims (10)
1.一种励磁元件,其特征在于,具有:
多个主磁极永磁铁,它们在与后轭的主面正交的方向被磁化,以磁化方向成为交替的方式在所述主面排列;
多个副磁极永磁铁,它们在与所述主磁极永磁铁的磁化方向不同的方向被磁化,以磁化方向成为交替的方式排列,并且在与所述主磁极永磁铁的排列方向相同的方向与所述主磁极永磁铁彼此差异地设置;以及
非磁性层,其设置于所述主磁极永磁铁和相邻的其他所述主磁极永磁铁之间,是非磁性的区域,
所述副磁极永磁铁配置为,至少一部分在与所述主面正交的方向隔着所述非磁性层而与所述主面相对,
所述副磁极永磁铁的与所述主面相对的面的位置,是在与所述主面正交的方向上与在与所述主面正交的方向从所述主面最远离的所述主磁极永磁铁的面的位置相同的位置、或者与所述主磁极永磁铁的面的位置相比从所述主面远离的位置,
所述副磁极永磁铁中的所述排列方向的长度与所述非磁性层的所述排列方向的长度相同、或比所述非磁性层的所述排列方向的长度长。
2.根据权利要求1所述的励磁元件,其特征在于,
所述副磁极永磁铁配置为一部分在与所述主面正交的方向隔着所述主磁极永磁铁而与所述后轭相对,
所述副磁极永磁铁中的所述排列方向的长度比所述非磁性层中的所述排列方向的长度长。
3.根据权利要求2所述的励磁元件,其特征在于,
所述非磁性层中的所述排列方向的长度相对于所述副磁极永磁铁中的所述排列方向的长度的比小于或等于2.8。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的励磁元件,其特征在于,
在所述副磁极永磁铁和相邻的其他所述副磁极永磁铁之间设置由软磁性材料构成的磁体。
5.根据权利要求4所述的励磁元件,其特征在于,
与所述主面正交的方向上的所述副磁极永磁铁的宽度,比与所述主面正交的方向上的所述磁体的宽度小。
6.根据权利要求4所述的励磁元件,其特征在于,
所述磁体的一部分的角是C倒角或者圆角。
7.根据权利要求4或6所述的励磁元件,其特征在于,
所述磁体的角之中的所述主磁极永磁铁侧的角是C倒角或者圆角。
8.根据权利要求4所述的励磁元件,其特征在于,
所述副磁极永磁铁的角之中的所述主磁极永磁铁侧的角是C倒角或者圆角。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的励磁元件,其特征在于,
在将磁化方向与所述磁体反方向的2个所述副磁极永磁铁设为1极时,不与所述主磁极永磁铁相对侧的面是圆弧形状。
10.一种电动机,其特征在于,具有:
权利要求1至9中任一项的励磁元件;
电枢,其在与所述励磁元件之间具有空气间隙地配置;以及
线圈,其设置于所述电枢,
所述电枢和所述励磁元件之中的任一者可自由移动,
所述励磁元件所具有的所述所述主磁极永磁铁和所述副磁极永磁铁排列为直线状或者圆弧状。
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PB01 | Publication | ||
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