TWI446689B - 具有獨立可移除線圈、模組部分與自持被動磁性軸承的電磁機 - Google Patents

Description

具有獨立可移除線圈、模組部分與自持被動磁性軸承的電磁機

本發明大體上係關於電動馬達和發電機，且尤係關於具有新穎結構和操作之電磁機。

Tu等人之美國專利申請案第2004/0135452號揭示一種扁平旋轉發電機，該發電機包含至少一個螺旋管形線圈結構(toroidal coil structure)用來切割磁力線以感應電流，和至少一個圓盤形磁極結構平行朝向螺旋狀線圈結構。若包含了多個螺旋管形線圈結構和圓盤形磁極結構，則該螺旋管形線圈結構和圓盤形磁極結構係以交替方式配置。螺旋管形線圈結構和圓盤形磁極結構不以可滲透性的材料來設置。當螺旋管形線圈結構或至少一個圓盤形磁極結構其中任一者藉由外力而旋轉時，螺旋管形線圈結構切割穿經其之磁力線以產生感應電流。

Neal之美國專利申請案第2002/0135263號揭示複數個定子弧形段(stator arc segment)，該等定子弧形段形成螺旋管形核心用於製造馬達之定子組合件。於較佳實施例中，當電流傳導流經捲繞於螺旋管形核心電極之導線時，產生複數個磁場。單體之相位改變材料實質包覆導體，並保持定子弧形段在螺旋管形核心中彼此接觸。亦揭示了使用馬達之硬碟機，和構造此馬達和硬碟機之方法。

Rose之美國專利案第6803691號揭示一種電機(electrical machine)，該電機包括磁性可滲透環形核心，該核心位在旋轉軸之中心並具有二個軸向相對側。線圈以螺旋管形方式捲繞核心並依序沿著周圍方向配置。各線圈包含二個側腳(side leg)沿著核心之各側而徑向延伸。在鄰接側腳之間存在無線圈空間。托座(bracket)具有第一和第二側凸緣由橋接結構所連接並分別緊靠著線圈之第一和第二側。

Mohler之美國專利案第6507257號揭示一種雙向閂鎖致動器(bi-directional latching actuator)，該致動器包括具有一個或多個固定安裝在其上之轉子(rotor)之輸出軸。該軸和轉子係被安裝用來在具有圓柱狀線圈安裝在其中之導磁外殼中旋轉，該軸和轉子並由傳導之端蓋所封閉。端蓋具有安裝在其上之定子極件(stator pole piece)。於一個實施例中，轉子具有至少二個以非對稱方式設置之相對磁化永久磁鐵，亦即，他們於一側鄰接並於另一側由非磁性空隙分隔。定子極件具有非對稱通量傳導率(flux conductivity)，且於一個實施例中為軸向較極件之剩餘部分為厚。鄰靠防止轉子擺動至中間位置(馬達磁鐵係軸向對準極件之較高傳導率部分)。於是，轉子被磁性地栓鎖於被拉向中立之二個位置之其中一個位置。用相反極性電流之充能線圈會導致轉子旋轉朝向其相對栓鎖位置，據此該轉子磁性地栓鎖於該位置。

Mohler之美國專利案第5337030號揭示一種永久磁鐵無刷轉矩致動器，該無刷轉矩致動器包括電磁核心，當充能時能夠產生伸長之螺旋管形形狀之磁通量場。大致為圓柱狀之線圈外側是於各端具有上和下端板之外部外殼。安裝於端板並朝彼此延伸的是定子極件，該定子極件係由空氣隙(air gap)而與其相對極件分隔。永久磁鐵馬達設置於空氣隙中，並安裝在軸上，該軸依次以可旋轉之方式安裝在各端板中。永久磁鐵馬達包括至少二個永久磁鐵，各永久磁鐵覆蓋馬達之拱形部分並具有相反極性。用電流朝一個方向充能線圈會磁化極件而使得二個極件之每一個吸引轉子之磁極之其中一個，並推斥轉子之另一個磁極，造成由輸出軸產生轉矩。電流之反轉造成轉矩之反轉和轉子朝相反方向之旋轉。較佳實施例揭示具有多個單元(cell)，亦即複數個定子轉子定子組合，和/或於各定子極平面有複數個極件之單元。

Kloosterhous等人之美國專利案第5191255號揭示一種電磁馬達，該電磁馬達包含具有複數個磁鐵沿著馬達之週邊安裝之馬達。較佳情況是，鄰接的磁鐵具有面朝外之相反極性。一個或多個電磁鐵配置鄰接於馬達之週邊，以便當馬達旋轉時，安裝在馬達上之磁鐵帶有接近該電磁鐵之極。藉由驅動電路於與馬達之旋轉的預定相位關係而供應電流給電磁鐵，而使得對於馬達之實質所有角度位置而言，在電磁鐵之各極與安裝在轉子上磁鐵之間之磁性吸力和斥力會迫使馬達朝所希望之方向旋轉。反射材料係以預定角度位置安裝於轉子上。驅動電路包含光敏裝置(photosensitive device)，產生其值依照該裝置是否接收來自反射材料之反射光而變化之訊號。該訊號被放大以產生驅動電流用於電磁鐵。

Westley之美國專利案第4623809號揭示一種內有極結構之步進馬達，於此極結構中各具有複數個極之一對相同的定子板係以背對背方式定位而以各極凸出於相對方向，該等定子板定位於一對實質相同之定子杯(stator cup)之間，各定子杯具有複數個極從背壁向內凸出，該背牆具有週邊側壁終止於向外延伸之凸緣。各凸緣之主要表面係與在該等定子板之其中一個定子板上之表面接觸，以便確保低磁阻磁性通路。

Fawzy之美國專利案第4565938號揭示一種電機裝置，該電機裝置可以用作為馬達或發電機。該裝置具有外殼，包含軸承機構以支撐可旋轉軸。碟形磁鐵機構被設置且磁極化(poled)成具有交錯之極性，且被安裝於軸上以界定轉子。該裝置包含至少一個第一極護套(pole shoe)與磁鐵機構接觸，該第一極護套具有從其徑向延伸之部分以定義第一極性之虛極室(virtual pole chamber)。亦包含有至少一個第二極護套與該磁鐵接觸，並具有從其徑向延伸之部分以定義另一極性之虛極室。螺旋管形定子安裝在外殼上並在其上具有繞組。定子以環狀方式定位於碟形磁鐵之周圍，而使得第一和第二極護套之虛極室環繞在具有交替極性之外周交替場之該繞組之部分。提供與定子電性接觸之機構，當該裝置操作為發電機時汲取電流，或提供電流以操作該裝置作為馬達。

Fawzy之美國專利案第4459501號揭示一種電機裝置，該電機裝置可以用作為馬達或發電機。該裝置具有外殼，包含軸承機構以支撐可旋轉軸。一對碟形磁鐵為磁極於各二面被磁極化成具有相反的極性。該等磁鐵一起面對面安裝於軸上以定義馬達。該裝置包含至少一個第一極護套與各磁鐵之一面接觸，於其較佳形式並具有從其徑向延伸之部分以定義一對與該一個面相同極性之虛極室。亦包含有至少一個第二極護套與各磁鐵之另一面接觸，於其較佳形式並具有從其徑向延伸之部分以定義一對與該另一個面相同極性之虛極室。螺旋管形定子安裝在外殼上並在其上具有繞組。定子以環狀方式定位於碟形磁鐵之周圍，而使得第一和第二極護套之虛極室環繞在具有交替極性之外周交替場之該繞組之部分。提供與定子電性接觸之機構，當該裝置操作為發電機時汲取電流，或提供電流以操作該裝置作為馬達。

本發明教示了結構和使用上的某些優勢，其有助於下述目的之達成。於一個實施例中，本發明作用為電子馬達，於第二實施例中，其作用為旋轉發電機，而於第三實施例中，其作用為旋轉變壓器。於另一實施例中，本發明可操作為線性機器(linear machine)而非旋轉機器。於各該等實施例中，機器可操作為交流(AC)機或直流(DC)機。該機器藉由吸引力及排斥力耦合移動電磁場至磁鐵而操作。於各實施例中，主要電磁鐵產生將第二磁鐵(該第二磁鐵可以是永久磁鐵或電磁鐵)與該主要磁鐵或該第二磁鐵其中任一者作用為機器之一部分之定子結構耦合的場，亦即，既非旋轉的亦非轉移(translating)的。於一個結構實施例中，相關於前面界定的實施例，本發明之一個重要態樣，為新穎的電磁線圈結構，其捲繞或形成為單一扁平帶狀鐵磁或非鐵磁材料之螺旋圈。本發明之另一個重要態樣為整個結構的模組性(modularity)，其藉由使用特定形狀線圈外罩鐵磁材料，而被分隔成複數個彼此磁性隔離但是相互電性連接之段，而因此將磁滯效應降至最低。本發明之另一個重要態樣為由於永久磁鐵在該永久磁鐵下方掃過鋁軸環之一部分並位於導引球軸承與電磁鐵鐵磁核心之間之部分，所產生的加入的自持被動磁性軸承(self sustained passive magnetic bearing)。本發明之另一個重要態樣為以確切角度(譬如45度)切割之永久磁鐵邊緣，或以三角形之形狀切割而允許連續磁鐵(continuous magnetic)的一個極面並避免在永久磁鐵的兩端產生交替的磁末端效應(magnetic end effect)。本發明之另一個重要態樣為有助於獲取各鐵磁段之感應渦電流，並送回於電源供應電路。

本發明之主要目的為提供一種設備和使用此種設備之方法，該設備產生先前技術未教示之優點。

本發明之另一目的為產生如此處所說明的具有高電磁場密度之機器。

本發明之又一目的為消除所需之換向器(commutator)。

本發明之又一目的為建立包含由磁滯、熱、輻射和渦電流所衍生損失之低損失，該等損失會降低本類型之一般機器之效率。

本發明之又一目的為產生具有精緻、模組結構之旋轉機器。

本發明之又一目的為提供具有開口進入在其旋轉軸上中心軸之內部之旋轉機器。

本發明之又一目的為提供具有自持被動磁性軸承作為其整體結構之一部分之旋轉和轉移機器。

由下列更詳細之說明，結合所附圖式，本發明之實施例之其他特徵和優點將變得很清楚，該等圖式以例示之方式說明本發明之至少一個可能實施例之原理。

所附圖式以至少其中一個較佳實施例顯示本發明，該實施例進一步詳細界定於下列說明中。熟悉此項技術者可以對本發明作改變和修飾而不會偏離本發明之精神和範圍。因此，必須了解到已提出說明之例示實施例僅作為舉例之目的，他們將不用來限制本發明如以下之界定者。

本發明為旋轉電磁機，其可以如上述之幾種方法來使用，如熟悉此項技術者所知曉者。尤其是電磁線圈和線圈外殼之實際構造、互連線圈至換向器之方法和此機器之多數的結構配置係新穎的。第1圖係以剖面顯示本發明之示意圖，其顯示此機器之一些主要結構特徵。第1圖顯示機器之管狀軸10、軸承組20、安裝環30A、線圈外殼40、線圈外殼螺栓42、週邊磁鐵50、扇形磁鐵60、系統外殼板70和週邊板72。這些組件將參考所附圖式而詳細說明於下，圖上所顯示的元件符號可於文中找到。

第2圖為旋轉之管狀軸10和磁性軸承鋁掃掠表面(magnetic bearing aluminum swept surface)10’之側視圖，顯示軸承組20、軸承固定配件15、換向器80、安裝環30A和線圈輸入環30C。於第1圖中，看到外殼70透過配接器(adaptor)74安裝在軸承組20上。外殼70或軸10其中任一者可作用為具有其他構件旋轉之定子。第3圖為線圈共同環30B之透視圖，該線圈共同環30B由二個塊件構成並可從軸10單獨移除，而安裝環30A為軸10之構成部分(integral part)。第4圖為固定配件15拆離時軸10之透視圖。

於第1圖中未描繪而顯示於第5圖中的是，從固定配件側看之端視圖為連接棒(connecting bar)90之最近端92，該連接棒90徑向延伸於軸10內，將會作進一步說明。第6圖為當從機器之換向器側看其透視端視圖，顯示連接棒90之末端94。第7圖為其中一個連接棒90拆離時之透視圖，顯示最近端92和末端94。於末端94結合於連接棒90之側桿96係於連接棒90和換向器80之一個段82之間換向(commute)，並由螺釘84固定，如第6圖中所示。末端94與側板98結合，該側板98用絕緣體覆蓋物99覆蓋，並用凸耳(tab)32和螺釘34，穿過軸10中凹槽12而固定於線圈輸入環30C，如第2圖中所示。螺釘36可用來固定線圈導線，如目前將說明者。包含側桿96、側板98和凸耳32之連接棒90形成機器之電磁線圈(即將說明)和換向 器80之間所需的電氣通路。於較佳實施例中，線圈110的繞線係平行於自換向器80引入經過側桿96、連接棒90、側板98至安裝於輸入環30C上之絕緣段(凸耳32)之電流。各線圈110之一端分別附接於各凸耳32於螺釘36處。各線圈110之另一端附接於共同環30B上之螺釘，該共同環30B作用為回到換向器80之接地(ground)。

第8圖顯示藉由緊扣於螺紋孔中之線圈外殼螺栓42(第1圖)而安裝在環30A上之二個線圈外殼100。第9圖為顯示線圈外殼100和安裝環30A之間的新穎安裝介面之特寫。於此安裝中應注意，線圈外殼100之介接表面緊靠環30A並接近環30B和環30C。第10圖顯示去除線圈外殼100之部分，而在線圈110安裝在線圈外殼100內時露出線圈110之一部分。第11圖顯示從線圈外殼100拆離之線圈110，並亦顯示線圈110在其上捲繞之線圈型模(coilform)120。於此實施例中，線圈110用一般的絕緣線112捲繞，然而，線圈110亦可用金屬帶捲繞，其中此種帶會具有約等於導線112之直徑之厚度和等於線圈110之寬度W，或如第11圖中所示鐵磁外殼單元之寬度的寬度。應注意的是，線圈110具有繞組之軸114，當線圈安裝在線圈外殼120內時，該繞組位於此機器之電磁場旋轉方向的切線方向。這可以在第12圖中看的最清楚，線圈110顯示安裝在線圈外殼120內，以及外殼120顯示在環30A上在其安裝位置。在此等圖式中僅顯示了二個線圈外殼120，但是在完整組裝好的機器中，線圈外殼120形成完整圓形環繞管狀軸110。

第13和14圖顯示定位於換向器80上之換向器外殼85。外殼85提供電刷(wiper)，該電刷摩擦地接觸換向器80之換向片(blade)。第15和16圖為系統外殼板70之圖示，該系統外殼板70顯示於第1圖中於其組合的位置。板70透過於第1圖中示意表示之配接器74而與軸承組20之外軸承環嚙合。第17圖顯示完成的機器在側視時具有被移除之二個週邊板72(通常已知為“片件(biscuit)”)，以顯示週邊磁鐵50和線圈外殼100之位置。旋轉磁場之旋轉之軸5係繪示於第17圖中。

第18至20圖顯示線圈110之另一實施例。前述的線圈110係描述為由該技術領域中熟知之普通絕緣導電線112之繞組所構造成，且能以彈性絕緣導電金屬帶材料替代使用。然而，已發現到線圈110亦可以有利地由導電金屬固體塊來構造成。於第18圖中，顯示此種線圈110之示意圖，其中線110A表示導電通路，而線之間的間隔表示從導電金屬固體塊切掉之材料。此可使用放電加工(electrical discharge machining)來完成，亦稱為EDM。於此製程中，係利用EDM來切入導電材料(譬如銅、鋁或鋼，但是最佳為鐵)之固體塊，而該等切割係依照第18圖中所示而進行。當切割完成時，固體塊已減少到單一線圈，此處線圈的繞組為具有所希望寬度W之帶(第19圖)，亦即，原來固體塊之寬度。

第19圖顯示透視之切割塊，具有附接之正(＋)和負(-)電極，用來連接線圈110進入本機器之電路。第20圖顯示如第19圖相同之切割塊，但是部分地切掉以較佳顯示繞組之層。於第19圖和20圖中，未顯示有空間分隔繞組，然而，這些圖形係概念圖，鄰接繞組之間之空間寬度係較繞組其本身的寬度小相當多，並且這些空間可使用譬如電鍍之電化學處理用電絕緣體填滿。線圈外殼100亦可以有利地以如第18至20圖所示線圈之相同的方式構造成，也就是說，外殼100可以用EDM分段以建立線圈狀配置，同時維持外殼於第18至20圖所示形狀。以上述方法建立之線圈110和線圈外殼100提供顯著的優點，包含低的渦電流損失、對AC和DC電流較低的電阻、和較小的尺寸。

上述詳細說明所能作到的係視為較記錄之習知技術之新穎處，並視為對本發明之一個最佳模式實施例之至少一個態樣的關鍵操作，以及對達成上述目的之評論。此說明書中說明本實施例所用的字彙應了解為不僅領會其一般界定的意義，而且於此說明書中藉由特別的定義而包含：結構、材料、或動作，超出一般界定意義的範圍。因此，如果元件於本說明書之上下文中能夠了解為包含多於一個意義，則其使用必須理解對由本說明書及由說明此元件之字或詞所支持之所有可能為上位的意義。

此處說明發明之實施例之定義的字彙或元件和其未說明之相關實施例因此定義於此說明書中不僅包含了照字面提出說明之元件之組合，而且以實質相同的方法用於施行實質相同的功能之所有的均等結構、材料或動作，獲得實質相同的結果。以此種意義因此預期著均等替代之二個或多個元件於本發明和其各種實施例中可以製成任何其中一種元件，或者單一元件可用二個或多個元件替代。

由熟悉此項技術者所觀察到的本發明之標的內容之改變(現在已知的或後來設計出的)係明顯地視為均等於本發明和各種實施例之範圍內。因此，對熟悉此項技術者而言為目前之明顯替代或者將來知道者係皆被界定於定義之元件之範圍內。因此了解到本發明和各種實施例包含以上特別例示和說明，其為概念上的均等、能為顯然地替代、以及亦為實質上併合本發明之基本觀念者。

雖然本發明已參照至少一個較佳實施例而作了說明，但是熟悉此項技術者應清楚了解到本發明並不限制於此實施例。

10．．．管狀軸

10’．．．磁性軸承鋁掃掠表面

12．．．凹槽

15．．．軸承固定配件

20．．．軸承組

30A．．．安裝環

30B．．．線圈共同環(電路共同環)

30C．．．線圈輸入環(線圈互連環)

32．．．凸耳

34、36．．．螺釘

40．．．線圈外殼

42．．．線圈外殼螺栓

50．．．週邊磁鐵

60．．．扇形磁鐵

70．．．系統外殼板(外殼)

72．．．週邊板

74．．．配接器

80．．．換向器

85．．．換向器外殼

90．．．連接棒

92．．．最近端

94．．．末端

96．．．側桿

98．．．側板

99．．．絕緣體覆蓋物

100．．．線圈外殼

110．．．線圈

110A．．．線

112．．．絕緣線(導線)

114．．．軸

120．．．線圈型模(線圈外殼)

所附圖式顯示本發明之實施例。於此等圖式中：

第1圖為以剖面顯示本發明之示意圖；

第2圖為本發明之旋轉管狀軸之側視圖，顯示具有軸承組20、軸承固定配件15、安裝環30A、線圈互連環30C、磁性軸承鋁環掃掠表面10’、和換向器80；

第3圖為電路共同環30B之透視圖；

第4圖為當軸承固定配件拆離時之透視圖；

第5圖為從軸承固定配件看並顯示連接棒之最近端之其透視端視圖；

第6圖為當從換向器看時之其透視端視圖；

第7圖為其中一個連接棒之透視圖；

第8圖為從軸承固定配件端看顯示二個半線圈外殼安裝在安裝環上之其透視圖；

第9圖為顯示線圈外殼和安裝環之間的安裝介面之特寫之部分側視圖；

第10圖為顯示線圈安裝在線圈外殼內時之部分側視圖；

第11圖為導線或帶之線圈捲繞於像是鋼或鋁之磁性或非磁性材料核心上時之線圈型模，以及顯示線圈型模安裝表面之線圈外殼，其透視圖；

第12圖為線圈及線圈型模位於適當位置時之線圈外殼的側視圖；

第13和14圖為顯示定位於換向器之上之換向器外殼之透視圖；

第15和16圖為其系統外殼板之透視圖；

第17圖為目前說明之設備的部分側視圖，顯示線圈外殼、鄰接鐵磁核心之形狀之周圍切角磁鐵與系統外殼板之間實際的關係；以及

第18至20圖為其先進電磁線圈之概念圖。

10．．．管狀軸

20．．．軸承組

30A．．．安裝環

40．．．線圈外殼

42．．．線圈外殼螺栓

50．．．週邊磁鐵

60．．．扇形磁鐵

70．．．系統外殼板(外殼)

72．．．週邊板

74．．．配接器

Claims (3)

1. 一種旋轉電磁機，包括：管狀軸，定義其末端和最近端，及平均地安裝在其上的一對安裝環、共同環、線圈輸入環、和至少一個軸承組；配件固定在該管狀軸之末端，以及換向器固定在該管狀軸之最近端；外殼，透過配接器安裝在該軸承組上；該共同環由二個構件構成並從該管狀軸可單獨移除；數個連接棒，在該管狀軸內軸向延伸；側向桿於其末端處結合該等連接棒，該側向桿在該等連接棒和換向器之諸段之間進行換向，該換向器的末端與側板結合；複數個電磁線圈，固定至該安裝環，該等電磁線圈是由單一扁平帶狀導電材料之螺旋圈所形成；以及複數個週邊和扇形磁鐵，安裝鄰接於該電磁線圈。
2. 如申請專利範圍第1項之旋轉電磁機，以模組結構組合，該模組結構具有分離成複數個彼此電性相連的磁性隔離段之鐵磁材料之線圈外殼，而使磁滯最小化。
3. 如申請專利範圍第1項之旋轉電磁機，其中，各該週邊和扇形磁鐵具有邊緣，該邊緣切成一形狀，該形狀能有連續的磁極面並避免在該等磁鐵的相對端處產生交替的磁末端效應，藉以使得該等鐵磁段之感應渦電流回到其電路。