CN1977441A - 电机和磁场更改组件 - Google Patents

Abstract

所提供的是用于电机(18)的磁场更改组件(10)，它具有安排成产生主磁场的定子(24)，以及安排成与定子所产生的主磁场交互并可相对定子移动的转子(30)。该组件包括辅助磁场生成磁铁(14)，它被安排成可相对于定子可调地放置以产生更改主磁场的辅助磁场，从而使电枢元件与所更改的磁场交互，以在目标输出特性下工作。

Description

电机和磁场更改组件

技术领域

本发明涉及具有用于更改其磁场强度的磁场更改组件的电机。

本发明还涉及用于改进电机的磁场更改组件。

背景技术

电机通常用于在作为电动机工作时将电能转变为机械能，并在作为发电机工作时将机械能转变为电能。这些机器通常具有设置有载流导体的电枢元件，以及安排为施加磁场以与电枢元件相互作用的磁场生成元件。电枢元件可相对于磁场生成元件移动。其电枢被配置成相对于磁场生成元件线性地移动的电机被称为线性电机，而其电枢被配置成相对于磁场生成元件旋转地移动的电机被称为旋转电机。磁场生成元件可由至少一个永久磁铁和/或至少一个电磁铁构成。在本文使用时，对电机的引用旨在包括作为发电机或电动机工作的线性和旋转电机。

一般而言，发电机的输出通过其输出电压和/或电功率测量，且该输出可随着可移动元件的速度而变化。因而，该发电机必须耦合到驱动装置，该驱动装置使其可移动元件以产生期望输出的速度移动。驱动装置可以是诸如电动机的电气设备，或者是诸如内燃机的机械设备。为了从发电机提供可变输出，该驱动装置的速度必须是可调的。这种驱动装置的购买和维护是昂贵的。

电动机的输出性能通过其速度和/或扭矩测量，该速度和/或扭矩通常通过更改施加于电枢元件的导体的电流和/或电压、或通过更改来自磁场生成元件的磁场而改变。电动或电气开关、和/或转换器通常用于更改施加在电枢元件上的电流和/或电压。当磁场生成元件由至少一个电磁铁构成时，磁场可通过更改施加其上的电流和/或电压来改变。这些开关和转换器将向电动机制造增加巨大成本，并且这些电动机需要频繁的维护。

当磁场生成元件由至少一个永久磁铁构成时，永久磁铁的磁性保持趋于随时间退化，并且需要替代永久磁铁来保持所需的机器性能。永久磁铁的替换是昂贵的主要操作，并且需要机器停止动作相当长时间。

用于电机的材料的磁性和电气属性可能会不一致。因此，发生与制造公差的偏离和/或与给定机器的材料规格的偏离会产生相当比例的不符合设计规格的电机。有时，所制造的不符合设计规格的机器将需要召回和替换，并且这些动作对制造商和用户而言都是昂贵的。

发明目的

本发明的一个目的是提供一种磁场更改组件，该磁场更改组件被安排成将现有技术的一个或多个缺点减轻或至少降低到一定程度。

本发明的另一个目的是提供一种具有磁场更改组件的电机，该磁场更改组件被安排成将现有技术的一个或多个缺点减轻或至少降低到一定程度。

发明内容

因此，在一方面中本发明驻留于一种电机，包括：磁场生成元件，它被安排成生成主磁场；电枢元件，它被安排成与主磁场相互作用并可相对于主磁场生成元件移动；以及磁场更改组件，使辅助磁场生成装置安排成可相对于磁场生成元件放置，以生成更改主磁场的辅助磁场，从而使与经更改磁场相互作用的电枢元件以目标输出特性工作。

因此，在本发明的另一方面中本发明驻留于一种用于电机的磁场更改组件，具有：被安排成生成主磁场的主磁场生成元件；以及电枢元件，它被安排成于所述主磁场相互作用、并可相对于所述主磁场生成元件移动；该组件包括辅助磁场生成装置，它被安排成可相对所述磁场生成元件放置，以生成更改所述主磁场的辅助磁场，从而使所述电枢元件与所述经更改磁场相互作用以在目标输出特性下工作。

电枢可被安排成可旋转、往复、或线性地移动。

在一种形式中，电机是电动机而输出特性是电枢元件的目标移动速度或扭矩。在另一种形式中，电机是发电机或交流发电机，并且输出特性是来自电枢元件的目标输出电压或功率。在又一种形式中，电机包括：具有所述主磁场生成元件和所述电枢元件的电动机，以及耦合所述电枢以驱动之的发电机/交流发电机。该电动机可以是直流(DC)或交流(AC)电动机，或DC或AC螺线管致动器。

主磁场生成元件可由至少一个电磁铁和/或至少一个永久磁铁构成。

在一种形式中，电机是一螺线管致动器，其中主磁场生成元件构成为磁心上的线圈，可移动电枢元件构成为可相对磁心移动的棒或杆。该杆可在直线方向上或以钟摆方式移动。

磁场更改组件可配置有用于容纳所述主磁场生成元件或所述电枢元件的腔室。或者，所述主磁场生成元件或所述电枢元件可构成为具有用于容纳所述磁场更改组件的凹槽。较佳地是，辅助磁场生成装置被安排成朝腔室/凹槽生成基本径向的所述辅助磁场。

当电机是螺线管致动器时，磁场更改元件可接近线圈或磁心放置。较佳的是该更改元件可相对于线圈或磁心选择性地放置。

还较佳的是磁场更改组件或所述电机能可调节地放置，用于可控制地更改所述经更改磁场的强度。

较佳地，磁场更改组件包括被配置成支持所述辅助磁场生成装置的主体元件。所述辅助磁场生成装置可包括一个或多个辅助永久磁铁，它们被安排成提供所述辅助磁场用于更改主要磁场的强度。

主体元件可被安排成可调节地放置成辅助磁场生成装置相对于主要磁场生成元件的位置是可调的。在一较佳形式中，主体元件由各自支持至少一个辅助磁场生成元件的多个部分构成，并且这些部分能可伸缩地放置。

组件可使开关元件排列成：当电枢元件在接近于主磁场生成元件的限定区域内时，提供电源与所述主磁场生成元件之间的电流路径。

电枢元件可使一个或多个其它永久磁铁排列成可移入所述区域，以使该主磁场生成元件产生电流用于将所述开关元件切换成提供所述电流路径，从而该主磁场生成元件产生一主磁场。或者，辅助磁场生成装置可使一个或多个永久磁铁固定于电枢元件的至少一端，并被安排成对一个或多个永久磁铁的冲击力使主磁场生成元件产生所述主磁场，用于使所述电枢振动。

较佳的是所述辅助磁场生成装置使至少一对辅助元件磁铁排列成阵列。更佳地，在该阵列中，该对或各对辅助永久磁铁被排列成其相反极相面对。该阵列可使一层或多层所述成对辅助永久磁铁排列成类似相对极的组，从而使一个组的北极面对另一个组的南极。

主体元件可使所述腔室配置其中，并且主磁场生成元件和/或电枢元件在该腔室中得到支承。较佳地，该组件具有用于支承主磁场生成元件和/或电枢元件的支承元件，并且该支承元件可相对主体元件放置，以更改主磁场。

附图说明

为了便于理解本发明并将其付诸实践，下文中将参照示出本发明非限制实施例的附图进行描述，且附图中：

图1是公知DC电动机的电路图；

图2是公知螺线管的示意图；

图3是根据本发明的一磁场更改组件实施例的示意性前视图，其中在该组件中将要放置电动机；

图4是图3中沿X-X示出的组件的横截面视图；

图5示出图3所示组件，其中电动机置于该组件中；

图6是图5中沿Y-Y示出的组件的横截面视图；

图7是根据本发明的另一磁场更改组件实施例的示意性前视图，其中发电机将要耦合到置于该组件中的电动机；

图8是图7所示组件的俯视图；

图9是根据本发明的又一磁场更改组件实施例的示意性前视图，其中发电机将要耦合到置于该组件中的电动机；

图10是图7和9所示的发电机的前视图，以及沿Z-Z的各个横截面视图；

图11是示出根据本发明的一磁场更改组件实施例的输出特性的视图，其中发电机耦合到处于相对于该组件不同位置上的电动机；

图12示出辅助磁铁和定子磁铁的相对位置，其中图中标号“1”的度量与图9的相同；

图13是示出应用到处于相对组件的不同位置上的电动机的根据本发明的一磁场更改组件实施例的输出特性的示图；

图14-19示出在电动机相对于磁场更改组件的各个位置上的经更改磁场，以及该输出信号在所述位置上的示图；

图20和21是示出具有和不具有根据本发明的磁场更改组件实施例的特定电动机的输出性能系数的可比示图；

图22和23示出在主体元件的0°和180°上的相应更改通量密度；

图24是示出在电枢的各个位置上的经更改电枢电阻的表格；

图25示出具有单个辅助永久磁铁的组件的一个实施例；

图26示出具有等间距地围绕主体元件放置的三个辅助永久磁铁的组件的一个实施例；

图27示出具有等间距地沿着主体元件的一个扇形放置的三个辅助永久磁铁的组件的一个实施例；

图28-30示出根据本发明的用于具有可线性移动电枢杆的螺线管致动器的一种组件形式；

图31示出根据本发明的用于具有可旋转移动电枢杆的螺线管致动器的一种组件形式；

图32示出具有用于向螺线管线圈供电的开关电路的现有技术螺线管致动器；

图33-35是体现为根据本发明的磁场更改组件的振动螺线管形式；

图36-38是示出振动螺线管中的经更改磁场。

具体实施方式

为有助于理解本发明的电机，提供有关简单的DC永久磁铁电动机100(其电路如图1所示)的一些信息被视为是有用的。该电动机具有带有永久磁铁的定子，以及带有线圈的电枢。换向器102被安排成连接线圈的端部，并且电刷104与DC电源相连。V_applied被安排成接触换向器的间隔段。当电动机旋转时，换向器段将转动。因此，线圈中的电流方向周期性倒转。因此，永久磁场与线圈中电流之间的相互作用使该电枢继续旋转。

DC电动机速度通常取决于在电动机线圈内流动的电压和电流的组合、以及电动机负载或制动扭矩。该速度通常通过使用电动机线圈的接头或通过具有可变电压电源改变电压或电流来控制。因为该类电动机可在低速上形成相当高的扭矩时，所以它常常用于牵引应用。

典型DC机器的定子磁场包括由在绕组中流动的直流电所激励的偶数数量的磁极、和/或永久磁铁定子磁场。电枢转子由载有嵌入槽内并与转换器分段相连的圆柱形铁心的有效导体组成。直流电由驻留在转换器的定子电刷从电枢往返传送。当电枢旋转时，转换器切换在导体内流动的电流的方向。定子和电枢磁场彼此靠近。

通常有三种控制DC电动机的速度的方法。它们是励磁电流控制、电枢电阻控制、以及电枢电压控制。

电动机的速度通过以下电动机方程和变换函数给出：

V_a＝所施加的电压        V_b＝所感生的反向电动势电压

I_a＝电动机电流          T＝电动机输出扭矩

L＝电枢线圈电感器        ω＝电动机输出速度

R＝电枢电阻

这些变量之间的电关系由以下给出

             F₂(f)＝F₁(f)F_S(t)(1.2.1)

其中内部生成电压V_b与电动机速度ω成比例，并由以下给出

$F_{S_{\mathrm{\τ}}}\left(\mathrm{\ω}\right)=t_0\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{\ω}{t}_0}{2}\right)}{\frac{\mathrm{\ω}{t}_0}{2}}---\left(\mathrm{1.2.2}\right)$

电动机反向电动势常数K_b是当转子转动时所产生的每个单位速度的电压的度量。K_b的大小和极性分别是枢轴角速度ω、以及旋转方向的函数。组合以上方程产生

$V_a=L\frac{d{I}_a}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{RI}}_a+K_b\mathrm{\ω}---\left(\mathrm{1.2.3}\right)$

这被称为DC电动机的电方程。

电动机的动态方程由以下给出

$F_S\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{T}{t}_0\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{n\π}{t}_0}{T}\right)}{\frac{\mathrm{n\π}{t}_0}{T}}\mathrm{\δ}(\mathrm{\ω}-\frac{2\mathrm{\πn}}{T})---\left(\mathrm{1.2.4}\right)$

其中K_t是作为由电动机产生的每个单位电流扭矩的度量的电动机扭矩常数。在永久磁铁DC电动机中，扭矩是电动机电流的线性函数。

以下术语确定该电动机的机械属性(在该讨论中略去电动机的负载)：

·J_o：[电动机的转动惯量]

·T_f：[电动机中不变摩擦扭矩；极性的函数]

·D：[电动机的粘滞摩擦(阻尼)；电动机的速度和极性的函数]

电动机所看到的反向扭矩由以下给出：

            T_opp＝T_fsgn(ω)+Dω(1.2.5)

当电动机耦合到负载时，负载的转动惯量由J_L表示而反向负载扭矩由T_L给出。描述电动机的机械属性的方程变成：

$F_S\left(f\right)=\frac{t_0}{T}\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{n\π}{t}_0}{T}\right)}{\frac{\mathrm{n\π}{t}_0}{T}}\mathrm{\δ}(f-\frac{n}{T})---\left(\mathrm{1.2.6}\right)$

该方程假设负载本身不是动态的，并且电动机的速度与负载的速度相同。

从电动机方程中略去所有负载项。扭矩摩擦T_f是非线性项，以便于形成线性电动机转移函数。

为了导出描述从所施加电压到电动机速度的关系的电动机转移函数，拉普拉斯变换被应用于如下三个电动机方程：

           V_a(s)＝(sL+R)I(s)+K_bω(s)(1.2.7)

           T_m(s)＝K_tI(s)(1.2.8)

           T_m(s)＝(J₀)s·ω(s)+Dω(s)(1.2.9)

组合(1.2.8)和(1.2.9)，以获得电流的表达式：

$I_a\left(s\right)=\frac{1}{K_t}(s{J}_0+D)\mathrm{\ω}\left(s\right)---\left(\mathrm{1.2.10}\right)$

接着，组合(1.2.10)和(1.2.7)以形成

$V_a\left(s\right)=\frac{1}{K_t}\left[(\mathrm{sL}+R)(s{J}_0+D)\mathrm{\ω}\left(s\right)\right]+K_b\mathrm{\ω}\left(s\right)---\left(\mathrm{1.2.11}\right)$

并且对应的转移函数为

$G_m=\frac{\mathrm{\ω}\left(s\right)}{V_a\left(s\right)}=\frac{K_t}{[(\mathrm{sL}+R)(s{J}_0+D)+K_b{K}_t]}---\left(\mathrm{1.2.12}\right)$

铁心永久磁铁DC电动机的转移函数具有可通过估算特征方程的根来确定的两个实数负极值

          s²LJ₀+s(LD+RJ₀)+RD+K_bK_t＝0(1.2.13)

该电动机转移函数可使用τ₁和τ₂来写成时间常数形式：

$G_m\left(s\right)=\frac{\frac{1}{K_b}}{(s{\mathrm{\τ}}_1+1)(s{\mathrm{\τ}}_2+1)}---\left(\mathrm{1.2.14}\right)$

其中时间常数与(1.2.13)的极值相关为

${\mathrm{\τ}}_1=\frac{-1}{p_1},{\mathrm{\τ}}_2=\frac{-1}{p_2}---\left(\mathrm{1.2.15}\right)$

可对(1.2.13)的极值作一些观察，以便于标识电动机参数。对于大多数永久磁铁DC电动机，感应系数L较小而粘滞阻尼可略去。如果这两项都取为0，则转移函数可建模为具有一个时间常数τ₁的一阶系统。作出这些简化假设的适当性将变得清楚。但是现在，电动机转移函数将保持二阶。

(1.2.13)的极值根据以下计算

$p_{1,2}=\frac{-\mathrm{LD}+{\mathrm{RJ}}_0}{2{\mathrm{LJ}}_0}\±\frac{1}{{2\mathrm{LJ}}_0}\sqrt{4{\mathrm{LJ}}_0(\mathrm{RD}+K_b{K}_t)}---\left(\mathrm{1.2.16}\right)$

在大多数DC电动机中，感应系数L和粘滞阻尼D值相对(1.2.16)中的其它项较小。其结果L_D≈0总是在大于零的根下产生一项，因为极值是负实数。假设L_D≈0允许(1.2.16)的极值减为

$p_1=\frac{[-{\mathrm{RJ}}_0+{\mathrm{RJ}}_0(1-\frac{2L{K}_b{K}_t}{R^2{J}_0})]}{{2\mathrm{LJ}}_0}$

$p_1=\frac{-K_b{k}_t}{{\mathrm{RJ}}_0}---\left(\mathrm{1.2.17}\right)$

并且

$p_2=\frac{[-{\mathrm{RJ}}_0-{\mathrm{RJ}}_0(1-\frac{2{\mathrm{LK}}_b{K}_t}{R^2{J}_0})]}{{2\mathrm{LJ}}_0}\≈\frac{-2{\mathrm{RJ}}_0}{{2\mathrm{LJ}}_0}$

或者

$p_2=\frac{-R}{L}---\left(\mathrm{1.2.18}\right)$

通过使用方程(1.2.15)，机械和电时间常数可用电动机参数表示。

${\mathrm{\τ}}_1={\mathrm{\τ}}_m=\frac{{\mathrm{RJ}}_0}{K_b{K}_t}$ (机械时间常数)(1.2.19)

${\mathrm{\τ}}_2={\mathrm{\τ}}_e=\frac{L}{R}$ (电时间常数)(1.2.20)

该电动机系统将τ_m和τ_e标识为组成时间常数的项。粘滞阻尼(D)和非线性摩擦(T_f)项需要通过(1.2.19)标识，并且仅当τ_m＞10τ_e时才可应用(1.2.20)，并且电动机感应系数L是相对较小的数。

从通量随励磁电流线性增大的假设中，速度可与电枢电压成正比而与建立电流成反比。

在感应励磁电流控制的情形中，DC励磁电流可使用具有可调串联电阻或脉宽调制的固定电源电压来控制。

DC电动机的电枢电阻控制降低了电枢电压，并因此降低了速度。该方法的严重缺点是电阻中的电损失。效率因此受限，并且在X％的额定速度上运行的电动机导致低于X％的效率。

电枢电压控制是DC电动机速度控制的最通用形式。这可使用DC电源的连续变化来实现，并且该速度近似与DC电压成比例。脉宽调制可用于电枢电压控制，并且DC电动机的扭矩控制可通过控制电枢电流来实现。

典型的线性电机是由电感器构成的螺线管106，该电感器具有围绕可磁穿透的圆柱心或圆环柱心(未示出)的电线的螺旋绕组108。当电流流过导线时，强化电磁场110在磁心内创建并从其极点向外发散，如图2所示。

用于动力输出的螺线管机械转换通常通过将铁磁棒112部分地置入绕组的磁心内、并使铁磁心或棒在上述绕组通电时移动来提供。由此该棒将通过线性移动的结果电磁场来进一步插入螺线管、或抽出螺线管。该螺线管可用于施加动力，以便驱动可在远处产生较大机械动作的杠杆或力矩臂。

用于获得螺线管致动器的定义为螺线管电枢的力、速度和方向的期望可控输出特性的方法受典型设计限制，籍此这种控制矢量相关于由通电螺线管产生的电磁场强度的值，并且该磁场强度由以下方程给出：

                          B＝u₀nI

其中B是磁场强度，u₀是自由空间的可穿透性，n是每单位长度电线的匝数，而I是流经电线的电流。

对于半径a的有限长度圆柱形螺线管，磁场通过本方程以c.g.s为单位给出：

$B=\frac{4\mathrm{\πIN}}{c}\hat{z};$

其中c是光速，且z是沿螺线管轴的单位矢量，而磁通量为

${\mathrm{\Φ}}_B=N{\∫}_{S}B\·\mathrm{da}=\mathrm{NB}{\mathrm{\π\α}}^2=\frac{4{\mathrm{\π}}^{2}I{N}^2{\mathrm{\α}}^2}{c};$

另外螺线管的磁场值给出为：

              Φ_B＝N∫_S B·da＝NBπα²＝μ₀IN²πα²

B＝u₀nI的等式和导数表示当安培I增大时磁场强度B增大。然而，该过程将需要螺线管上电压的增大，从而将导致产生更多热量，并因绕组电线的固有电阻引起能量浪费。

另一种增大B的方法是增大n。但对于特定尺寸的螺线管，该增大仅可通过使用相对较小直径的电线以在磁心上更紧密地缠绕绕组来实现。由此，它还导致给定电流所需的电阻的增大以及电压的增大，以及因电线的电阻所产生的热量的增大。

另一种增大n的方法是缠绕若干层电线。这还增大电线的电阻，增加绝缘问题，并减小螺线管的长度与直径之比。

为了减弱B磁场以便更改螺线管电枢的速度和力矢量的大小来影响其输出特性，反向取得所有上述参数。

由典型螺线管生成的磁力通过诸如电子的带电粒子移动来产生。移动电荷在出现磁场时将加快或加速，使该电荷改变穿行的速度或速率以及方向。

现在参看图3所示的磁场更改组件10的实施例，组件10使主体元件12排列成支承由分隔板15分开的两层永久磁铁14的阵列。如可在图4和6中更清楚地可见，层1和2中的磁铁14被排列成围绕插入电动机18的腔室16间隔排列。磁铁是其相反极彼此面对地成对的，并且相对极靠近腔室16放置。在所示实施例中，北极面对的磁铁14在一个组内，而南极面对的其它磁铁14在第二个组内。磁铁14在腔室16内生成一辅助磁场。为了提供稳定性，主体元件12具有相对较大的基座29。

图3所示的电动机18固定于安装板22上，从而电动机18可在腔室16内得到支承。安装板可设置有索引指示器(未示出)，从而可简便地确定与主体元件12相关的期望位置。在该实施例中，安装板22被安排成可相对于主体元件12旋转以便于更改电动机18的主磁场。

再参看图4，电动机18具有：带有两个弓形永久磁铁26和28的永久磁铁定子24，以及置于在磁铁26和28之间存在的主磁场内的转子30。转子30具有线圈32，以及用于要提供给线圈32的电流的分段转换器34。当电动机18置于如图3所示的腔室16中时，从磁铁26和28发出的主磁场通过来自辅助永久磁铁14的辅助磁场的施加来更改。经更改主磁场的强度可通过改变电动机18相对于辅助磁铁14的位置而改变。在所示实施例中，这种强度变化通过旋转安装板22来执行。

参看图5，电动机18具有固定于电动机枢轴38上的适配器36。适配器36是用于将电动机18耦合到发电机40，从而电动机18可驱动发电机40产生输出电压。如图7和8所示，发电机40固定于锥形安装台42上，该锥形安装台42放置或安装在安装板22上。发电机40在定子中具有永久磁铁46和48，并且在转子41中具有线圈50，与电动机18中的相似。线圈50与分段转换器或滑动环相连，该分段转换器或滑动环排列成与连接到输出端子52和54的电刷相接触。

图9示出耦合以驱动较小版本发电机40的较小版本电动机18。两个版本的发电机40的细节如图10所示。沿Z-Z的横截面视图显露出转换器56、以及与端子52和54相连的电刷58。

腔室16内的电动机18的输出速度和/或扭矩可通过相对于磁场更改组件10旋转安装板22来更改。当电动机18耦合到发电机40时，改变电动机18的速度将改变发电机40的输出电压。图11的示图示出耦合到电动机的发电机的输出，该电动机置于组件10的腔室16中。图12示出测量标号“1”处的输入功率、输出功率和旋转速度时主体12和电动机18的位置。电动机18每步45度地在顺时钟方向逐步移动，并且标号“2”到“8”处的测量按所述步骤进行。如图所示，输出功率在电动机18处于对应于标号“4”的位置时最高为108焦耳/秒，并且输出功率在电动机18处于对应于标号“5”的位置时最低为0.3焦耳/秒。然而，当电动机18处于对应于标号“5”的位置时电动机速度最高为11532RPM。

图13中的示图示出在电动机18未耦合到发电机40时电动机18的测量速度，并且主体12和电动机18在标号“1”的相对位置如前面段落中所述。如图所示，当电动机18处于在对应于稍在标号“4”之前的标号“5”的位置时，最高速度为80600RPM。标号“6”与45度上在对应于标号“4”的位置之前的位置相对应。标号“7”和“8”与电动机18在距离相关先前位置22.5度步距的位置相对应。

图14示出DC电动机18内的磁场60。电动机18具有如上所述的永久定子磁铁26和28，以及电枢线圈32。它还具有电动机外壳62。磁场60由线条表示。某些背景电动势辐射64还穿透外壳62与磁场60相互作用。图15是一示波器图，其中通道1为源电压而通道2为电动机端电压。如图所示，所测电压读数为16.4V和13.1V RMS。如图16所示，电动机14置于根据本发明组件10的实施例的腔室16中。组件10的辅助磁场66通过施加对主磁场60起作用，从而扭曲主磁场60。结果的磁场产生26.7V RMS(参见图17)。当电动机18和主体12的相对位置处于图18所示的位置中时，所测电压如图19所示地改变。

图20中的随机曲线示出可在澳大利亚购买的特定DC永久磁铁电动机(DickSmith型号P9004)的某些工作参数。如图21所示，当它插入组件10的腔室16时工作参数有相当大的改变。

图22和23示出当主体12转动180度时结果磁场中的变化。图24示出P9004电动机自身和具有组件10的P9004电动机的静态电枢电阻。

图25示出具有固定于主体12的单个辅助永久磁铁14的组件10的一个实施例。图26是具有固定于并围绕主体12的三个等间距辅助永久磁铁14的组件10的另一个实施例。图27示出磁铁14固定于主体12的弧的另一个组件10。

图28示出磁场更改组件10的一个实施例，该磁场更改组件10被配置成有选择地改变诸如本文所示的螺线管致动器70的线性电机机器的输出特性。输出特性可以是速度、加速度和力。组件10具有带有向上翻转的U型安装元件72的主体12，该U型安装元件72上固定有保持支架74。支架74带有环状磁铁76。螺线管致动器70置于U型元件72内的空间或腔室78中。螺线管致动器70具有圆柱形元件80，它被排列成容纳其螺线管线圈86，并具有其铁磁传动杆84延伸通过的开口端。该圆筒80通过螺钉82固定于U型元件72。螺钉82用于沿螺线管致动器的轴向调节磁铁76的位置。这样，作用于传动装置70的铁磁杆84上的磁力可通过改变经由将次要磁场施加于螺线管磁场上而由通电线圈86产生的主电磁场矢量来调节，由此来最优化所制造的线性电机机器的输出特性和输出性能系数。

本实施例中的U型元件72由具有低磁穿透性的材料制成的。

图29示出组件10的第二实施例。该组件10具有安装于U型元件并可各自沿轴向调节的两个辅助永久磁铁76A和76B。图30示出第三实施例，其中组件10具有单个可调的永久磁铁76B，并且安装主体是L型元件72A。

组件10可用于更改螺线管致动器70的主磁场，螺线管致动器70被排列成使其铁磁杆84以摆动或钟摆方式往复。在图31中示出的是用于往复螺线管致动器70的组件10的第四实施例。传动装置70的圆筒80具有锥形开口端81，且杆84具有置于该开口端81的球状端部，从而形成球状回转接头。杆84的另一端带有辅助永久磁铁76C。当线圈86通电时，使杆84围绕回转接头摆动。由该线圈86生成的磁通量可通过调节辅助永久磁铁76A和76B的任一个的位置来更改。

图32示出的是Andrews的美国专利3,783,550中所述的电动机的横截面视图。该现有技术电动机具有电枢杆84，其中永久磁铁85附于其自由端。杆84的另一端通过枢轴连接于支座。杆84因而可以钟摆方式绕枢轴摆动。提供了螺旋状线圈绕在铁磁心71上的螺线管致动器70，用于通过磁铁85的磁通量与通电线圈86所产生的电场之间的相互作用加速杆84。晶体管开关Q1用于切换从DC电源87到线圈86的电流。该开关使其基极连接到线圈86的一端，其集电极连接到电源端子，且其发射极连接到线圈的接头。电源87的另一个电源端子与线圈的另一端相连。线圈有效地形成电感器L1-施加瞬时电磁脉冲的内部线圈，以及电感器L2-用来读出外部辅助永久磁场的磁通量变化、由此这种变化感生所生成的电压以与通量变化的频率成比例地瞬时导通晶体管的外部拾取线圈。循环移动的、相对于电感器线圈L1和L2附近的变化距离的永久磁铁85使晶体管循环开关向电感器L1供电，从而提供瞬时磁场脉冲以移动磁铁85。由线圈86生成的电磁场是固定的。这样，对杆85的磁作用也是不变的。当杆84和磁铁85是固定的或在磁铁85的磁场可使线圈70提供开关晶体管的足够电流的距离之外时，晶体管Q1不开关。

在此公开的是通过将永久磁铁或永久磁铁阵列限制和放置到螺线管电磁场影响的相近和可实践接近处的方法和装置，来控制现有技术专利US03783550中所述的螺线管电路的输出特性并从中获得另一能量变换的另一方法，由此固定永久磁铁施加于上述螺线管磁性电路，施加于永久磁场的上述固定辅助磁铁应当通过保持辅助磁铁的可调安装来提供对螺线管电磁场强度或极性的大小和方向的调节，所述辅助磁铁可置于指定位置附近，并相对于螺线管和磁心组件设置距离。由此在L1电感器线圈通电时生成主电磁场，从而将由固定永久磁铁生成的辅助磁场加入接近螺线管线圈处，由此随后主磁场和第二辅助磁场之间的磁反应将使永久磁铁基层分子对齐位移，并且因为辅助磁铁和电感器线圈受到机械限制以防止在空间中的物理移动，还影响通电的电感器线圈金属基层内分子对齐的位移。

关联于由螺线管线圈生成的电磁脉冲的主磁场与次要辅助磁场可进行这种集成，以偏转或扭曲彼此的磁场，并通过制造这种磁场的分子双极磁域对齐的磁感应来改变螺线管输出特性。

在图33中，是用于螺线管致动器70的组件10的第五实施例。组件10具有安装支架12，它被配置成保持辅助磁铁76A和76B使该辅助磁铁76A和76B接近螺线管70的相应端部。本实施例中的组件10更改所述螺线管的输出特性。磁场脉冲通常经由铁磁心71形成电路，并传送到附于和限于铁磁心端部的固定辅助磁铁76A和76B用于更改从中获得可选能量转变的螺线管内空间的可穿透性，以通过固定磁场将辅助磁场施加在电路上来担当转换为机械振动和电输出的功率输出工作。为了获得用于工作的有用输出，可将瞬时动力冲击施加在主体12上，从而这种冲击使瞬时压缩波穿过磁性基层分子，并瞬时地改变辅助永久磁铁和铁磁心71的磁性双极磁域对齐。从而，由分子双极磁域生成的结果永久磁场线在方向和大小上偏离，并且在移动时由电感器线圈L2检测。L2电感器中的感应电流使晶体管导通，以将电流抽吸到L1电感器线圈中，从而生成导向辅助永久磁铁76A和76B的电磁脉冲。该脉冲反馈提供分子双极磁域的进一步位移和振动，并且机械振动的谐振声频不确定地保持在固定辅助永磁铁磁心和螺线管线圈之间。只要向螺线管电路提供电势差就可保持振动，从而L1电磁脉冲线圈就可通过晶体管和电荷感应L2传感器线圈调制。

线圈可具有作为围绕管状磁心71的电线的螺旋形缠绕的若干匝松散绕组。这些松散线匝在通电后具有相应的磁力矩，并且通过极性吸引使松散线匝彼此磁性耦合，并且向彼此微观或宏观地移动。在空间通过电磁吸引向彼此移动的平行线匝的增量旋转移动的距离取决于缠绕在管状磁心周围的绕组的张力。由此在L2电感器通电、以及L2传感电感器绕组相对于固定辅助磁铁或辅助磁场移动之后，应激励晶体管并允许电流激发电感器L1和向辅助磁铁提供电磁脉冲。然后该电磁脉冲和相应的往复辅助永久磁场偏离脉冲由L2传感电感器检测。这些往复磁性脉冲反应在L2传感电感器之间发生，辅助永久磁铁和L1脉冲电感器通常通过铁磁心和空间形成电路。

在固定辅助永磁铁磁心和螺线管线圈之间发生的摆动脉冲磁反馈在由螺线管组件和磁场更改组件构成的组件体上具有机械振动的感应谐振声频。这种振动可在一般组件物理接触之后传送给刚性体，并在诸如板状结构、管或斜槽的刚性体上施加用于传送微粒子材料的高频振动，从而这种声学机械振动应减小啮合于这种刚性传送工具的表面的流体物质的摩擦阻力和粘力的系数。

能量变换还被获取为脉冲频率调制DC电功率，从而频率调制功率输出可从L1电感器脉冲线圈和L2感应传感器线圈上抽头。

DC电输入的脉冲频率调制通过由在固定辅助永磁铁磁心内出现的分子双极磁域的位移和振动所引起的摆动脉冲磁反馈来感应。这引发具有在对附于铁磁心上的辅助磁铁的初始动力撞击之后调制螺线管线圈内电流的射频谐波的谐波声频，以激励感应传感器线圈L2。L2对晶体管栅极充电以激励脉冲线圈L1，其中L1磁脉冲反馈回辅助磁铁并且还施加与自然谐振频率成比例的分子振动，该分子振动在受敲击力击打时开始在螺线管组件和磁场更改组件的整个主体上建立。此外，脉冲频率调制可通过垂直于电感器线圈长度轴放置的远程辅助磁铁的近似调节来改变，其中该远程辅助永磁磁场可用来衰减或强化与线圈感应触发辅助磁铁的主电磁场反应，上述组件还通过谐波电磁脉冲频率调制器的作用限定为适于DC电输入，以获得期望调制电压和电荷输出的增量频率调节。

电荷输出的这种增量脉冲频率调节通过置于围绕上述电机的磁场更改组件上的可移动辅助磁铁的调节来获得，由此可移动辅助磁铁可选择性地通过适当的机械限制来放置和固定，从而可从可近似调节的远程辅助磁铁获得期望输出频率调制和/或电势差。图34示出第六实施例，其中另一个辅助永久磁铁76C固定于如图33所示的组件10的主体12上。磁铁76C固定在可通过螺钉12C可调节地固定于主体12的L形元件12A上。为了提供更宽的可调节性，主体12可由图35所示的两个可伸缩调节主体部分构成。

图36-38示出用于更改螺线管致动器70的组件10的某些实施例的相应经更改通量密度。

因而，组件10提供经改进的电动机效率，并允许控制标准电动机和/或发电机的速度和功率。组件10可简便地改进现有电机以更改其主磁场，以便在该机为电动机时产生诸如其速度和/或扭矩的期望输出特性，而在该机为发电机/交流发电机时产生其输出功率或能量，其范围都比现有机器提供的更宽。

因而，组件10可用于更改或扭曲通常由靠近组件的相隔离磁场的电子激发导体所产生的对称主磁场的对称性或非对称主磁场的非对称性。这种更改可通过耦合辅助磁场来增强主磁场强度以向主磁场提供极性吸引，由此这种磁性耦合将导致由于更大通量集中的更大反应，以影响反应场和机械输出功率的运动的并发固有转换矢量。相反，它可被安排为提供极性排斥以减小通量集中。

该组件增强主磁场反应以获得对功率输出的原动力的适当转换，并且通过将辅助永磁磁场施加于主反应磁场上来实现更大的能量节约。因为是可放置的，它可通过调节极性对齐来调节和影响主磁场反应，从而使作出反应的主磁场变换成对称或非对称的以强化或弱化主磁反应场，并为了实质上改进输出性能和转换能量控制的系数，诸如电机内部的旋转运动分量的、或电磁致动器或螺线管内部的线性谐波运动的速度而改变电机的电磁属性。因而该组件可选择性地调谐电磁机器的性能，以最优效率或更大效率地承担变化的工作负载。

辅助磁场可被调节成：为了启用固定速度和额定负载上的最优性能，在电机包含于组件中或接近该组件时连续扭曲和固定偏转主磁反应场。它还可用于补偿因不一致的制造规格而与指定机器规格的任何偏离。

该组件可适合结合于和固定于电机内，或者改进成电机。由此，辅助磁影响及相关联的其发出磁场被永久地设置成产生具有典型电机的主磁影响的固定对称或非对称辅助磁场反应。由此，可获得最优输出特性，并作标准化以设置电机的效率限制。

该组件还可以适合与AC整流DC电动机或任何AC电机一起使用以增强性能，或者用作磁场控制器，以更改电磁机器的主电磁场反应。该组件可放置成减速或加速由这种电机产生的平移原动力和牵引力。它可被改进成操作电机，这些电机因由老化和热量引起的永磁磁场强度的损失而有降低的效率，或者因腐蚀或由摩擦机构产生的过量热量所引起的增大电阻而有由电子激发导体所产生的弱化通量密度。这种改进需要现有电机内装有的内部机构的有限或零分解。

尽管以上内容已通过本发明的说明性示例给出，但不背离在权利要求中阐述的广泛界限和范围的许多变体和变化对本领域技术人员是显而易见的。

Claims (25)

1.一种电机，包括：被安排成产生主磁场的磁场发生元件；电枢元件，它被安排成与所述主磁场相互作用、并可相对于所述主磁场发生元件移动；以及具有辅助磁场生成装置的磁场更改组件，所述磁场更改组件被安排成可相对所述磁场生成元件放置，以生成辅助磁场来更改所述主磁场，从而使所述电枢元件与所述经更改磁场相互作用以在目标输出特性下工作。

2.一种用于电机的磁场更改组件，所述电机包括被安排成生成主磁场的主磁场生成元件以及被安排成于所述主磁场相互作用、并可相对于所述主磁场生成元件移动的电枢元件；所述组件包括辅助磁场生成装置，它被安排成可相对所述磁场生成元件放置，以生成辅助磁场来更改所述主磁场，从而使所述电枢元件与所述经更改磁场相互作用以在目标输出特性下工作。

3.如权利要求1或2所述的本发明，其特征在于，所述电枢被安排成可旋转、往复、或直线地移动。

4.如权利要求1到3的任一项所述的本发明，其特征在于，所述电机是电动机，且所述输出特性是所述电枢元件的目标移动速度或扭矩。

5.如权利要求4所述的本发明，其特征在于，所述电动机是DC或AC电动机、或者DC或AC螺线管致动器。

6.如权利要求1到3的任一项所述的本发明，其特征在于，所述电机是发电机或交流发电机，且所述输出特性是所述电枢元件的目标输出电压或功率。

7.如权利要求1到3的任一项所述的本发明，其特征在于，所述电机包括具有所述主磁场发生元件和所述电枢元件的电动机，以及耦合到所述电枢元件以得到驱动的发电机/交流发电机。

8.如权利要求1到7的任一项所述的本发明，其特征在于，所述主磁场生成元件由至少一个电磁铁和/或至少一个永久磁铁构成。

9.如权利要求1到3的任一项所述的本发明，其特征在于，所述电机是螺线管致动器，它具有形成为磁心上的线匝的主磁场生成元件、以及形成为可相对于磁心移动的棒或杆的可移动电枢元件。

10.如权利要求9所述的本发明，其特征在于，所述杆被安排成可在直线方向上或以钟摆方式移动。

11.如权利要求1到10的任一项所述的本发明，其特征在于，所述磁场更改组件配置有用于容纳所述主磁场生成元件或所述电枢元件的腔室。

12.如权利要求1到10的任一项所述的本发明，其特征在于，所述主磁场生成元件或所述电枢元件可形成有用于容纳所述磁场更改组件的凹槽。

13.如权利要求11或12所述的本发明，其特征在于，所述辅助磁场生成装置被安排成朝所述腔室/凹槽生成基本上径向的所述辅助磁场。

14.如权利要求9所述的本发明，其特征在于，所述磁场更改元件靠近所述线圈或磁心放置。

15.如权利要求14所述的本发明，其特征在于，所述更改元件被安排成可选择性地相对所述线圈或磁心放置。

16.如权利要求1到15的任一项所述的本发明，其特征在于，所述磁场更改组件和/或所述电机被安排成可调节地放置，以便可控制地更改所述经更改磁场的密度。

17.如权利要求16所述的本发明，其特征在于，所述磁场更改组件包括：主体元件，它被配置成支承所述辅助磁场生成装置，所述辅助磁场生成装置包括被安排成提供所述辅助磁场以便更改主磁场强度的一个或多个辅助永久磁铁，并且所述主体元件被安排成可调节地放置使得所述辅助磁场生成装置相对于所述主磁场生成元件的位置是可调节的。

18.如权利要求17所述的本发明，其特征在于，所述主体元件由分别支承至少一个辅助磁场生成元件的部分构成，并且各部分能够可伸缩地放置。

19.如权利要求1到18的任一项所述的本发明，其特征在于，所述组件具有开关元件，所述开关元件被安排成：当所述电枢元件在靠近所述主磁场生成元件的限定区域内时，在电源和所述主磁场生成元件之间提供电流路径。

20.如权利要求19所述的本发明，其特征在于，所述电枢元件还具有一个或多个永久磁铁，它们被安排成可移入所述区域以使所述主磁场生成元件生成电流来切换所述开关元件以提供所述电流路径，从而所述主磁场生成元件生成所述主磁场。

21.如权利要求19所述的本发明，其特征在于，所述辅助磁场生成装置具有一个或多个永久磁铁，它们固定于所述电枢元件的至少一端、并被安排成所述一个或多个永久磁铁上的冲击力使所述主磁场生成元件生成所述主磁场，用于使所述电枢振动。

22.如权利要求1到21的任一项所述的本发明，其特征在于，所述辅助磁场生成装置使至少一对辅助永久磁铁排列成阵列，并且在所述阵列中所述各对成对辅助永久磁铁以其相反极相对排列。

23.如权利要求22所述的本发明，其特征在于，所述阵列具有一层或多层所述成对辅助永久磁铁，它们被排列成类似相对极的组，从而使一个组的北极面对另一个组的南极。

24.如权利要求11所述的本发明，其特征在于，所述主体元件具有配置在其中的所述腔室，并且所述主磁场生成元件和/或所述电枢元件在所述腔室中得到支承。

25.如权利要求24所述的本发明，其特征在于，所述组件具有支承元件，用于支承所述主磁场生成元件和/或所述电枢元件，并且所述支承元件可相对于所述主体元件放置以更改所述主磁场。

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