专利名称：电动旋转机械及电磁装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁极结构，该结构用于改善利用磁体的电动旋转机械和移动机械中的电动机和发电机的性能与效率。
背景技术：
迄今为止，在利用磁体的电动旋转机械中的电动机及发电机中，转子磁体沿径向或环状布置以供使用，但这些磁体本身的磁力在气隙中没有被磁场完全利用。电动机及发电机所产生的输出量与效率是固有确定的。在对资源与能源进行保护的时代，也毫无例外地希望能开发出具有更高效率与更强资源保护的电动机及发电机，但足够令人满意的设备尚未被开发出来。
作为涉及这种改善的技术示例， 日本未审专利公开(Kokai)No.2000-154947记载了多种磁电机和发电机。在该专利中，电动机及发电机中的磁体是以沿径向方式进行排列的。而且，为了增强性能，相对于具有绕组的定子的轴向长度而言，沿轴向方向插入磁体的转子的轴向上的长度更大，从而可增加定子与转子之间的气隙内的磁通量。
日本未审专利申请公开(Kokai)No.2002-238193记载了电动机的另一实例。在该专利所述的电动机中，磁体是以环状方式进行排列的。在转子组件的内部设置了多个永磁体部分，并且在该转子的外周设置有凹部，此凹部所在的位置邻接于永磁体部分的端部。就定子的内周与转子的外周之间的气隙而言，此气隙在邻接于永磁体的部分是被加大的。换句话说，由于磁阻会在该气隙中增加，定子的内周与转子的外周之间的磁通量分布接近于正弦波形，并且齿槽效应扭矩(cogging torque)可被减少。
发明内容
本发明的目的在于解决在传统旋转力中产生额外驱动力时可能面临的问题，借助的手段是认识到电动机与发电机中的转子与定子的气隙中的磁通量密度的增加，旋转磁场与磁体的排列、特别是同步马达与性能增加有直接的关系。
在本发明中，解决问题以达到上述目的的方法按顺序说明如下。本发明的目的是提供一种利用磁体的电动旋转机械，该电动旋转机械包括转子组件与定子组件，该转子组件以面对定子组件的方式提供旋转驱动力，该转子组件包括对应于每一转子磁极结构的后缘部分，所述后缘部分在与面对所述转子磁极结构的后缘部分的定子的相同和相反磁极相关联地同步旋转期间、适于产生强磁场并且产生额外的旋转驱动力。
本发明的第一实施例中，设置有一种利用转子、定子与磁体的电动旋转机械，其中包括转子组件，该组件具有以径向或环状方式插入的磁体，其中，该转子的各磁极结构的宽度朝向沿着所述旋转表面的定子的磁极结构较宽(定子磁极宽度可以较小)，并且具有后缘部分，该后缘部分在同步转动过程中不断地保持与定子磁极结构的相对位置，并且借助该定子磁极结构相对围绕转子磁极后缘部分从而正常地产生吸引与排斥作用，由此额外地增加旋转驱动力。
本发明的第一实施例提供了一种利用转子、定子与多个磁体的电动旋转机械，径向或环状磁体设置于转子中的磁体插入位置，其中，具有所述转子的磁极结构沿旋转表面朝向所述定子磁极结构的方向具有较大宽度(定子磁极的宽度可以制作的较小)，每个转子磁极结构具有后缘部分，其用于在同步旋转过程中在转子转动方向上保持相对于定子磁极结构的固定位置，通过转动过程中前定子磁极结构相对围绕转子磁极结构的后缘部分从而定子磁极结构常态地产生吸引力，而通过后定子磁极结构产生排斥力，藉此旋转驱动力额外的增加。产生的结果是迅速提高电动旋转机械的性能和效率。
本发明的第二实施例提供了利用转子、定子与多个磁体的电动旋转机械，其中，包括有磁体的各磁极结构并不具有等角定位，而是包括变化角节距宽度，其中，转子磁极结构分别包括径向或环状磁体与后缘部分，这些径向或这些环状磁体是设置于转子中的这些磁体的插入位置上，并且后缘部分包括气隙或非磁元件部，气隙或非磁元件部位于这些磁体的周围，如此使得转子的这些环状磁体的磁通量不会直接返回至这些转子磁体且快速增加气隙中的磁通量，并且在不需要经由朝向具有电磁耦合的定子磁极相对偏转各角位置提供偏移的情况下，消除齿槽扭矩现象。在同步转动过程中，转子磁极结构的每一个后缘部分相对于定子磁极结构不断地保持在相对位置上，并且利用定子磁极结构相对于转子磁极结构的后缘部分从而正常地产生吸引与排斥现象，藉此以额外地增加旋转驱动力。
本发明的第二实施例是提供了一种电动旋转机械，此电动旋转机械包括转子、定子与磁体，其中，包括有磁体的各磁极结构并不具有等角定位，而是包括变化角节距宽度，在不需要经由朝向具有电磁耦合的定子磁极相对偏转各角位置提供偏移的情况下，消除齿槽扭矩现象，并且防止气隙中的磁通量减少。转子磁极结构分别包括径向或环状磁体，这些径向或这些环状磁体设置于转子中的这些磁体的插入位置上，其中，在转子的磁极结构的后缘部分位置上包括气隙或非磁元件部，如此使得转子的这些环状磁体的磁通量不会直接返回至转子磁体。在同步转动过程中，转子磁极结构相对于定子磁极结构是不断地保持在相对的位置上，利用定子磁极结构前部相对围绕转子磁极结构的后缘部分的前后部从而正常地产生吸引力，以及通过定子磁极结构后部产生排斥力，藉此将额外增加旋转驱动力，并且所达到的最终效果是可快速地增加电动旋转机械的性能。
本发明的第三实施例提供了一种利用转子、定子与磁体的电动旋转机械，其中，每个转子磁极结构设置有径向和环状磁体，位于所述转子的磁体插入位置，所述转子通过在所述转子的轴方向切割成环状片从而次分成多个行列，行列的一部分包括转子结构，其通过在一定速度下操作而独立地被强化用作转子磁极结构的后缘部分，在同步旋转过程中相对于定子磁极结构不断地维持相对位置，通过定子磁极相对于转子磁极结构的后缘部分的前后部从而产生吸引和排斥现象，藉此以额外地增加旋转驱动力。
本发明的第三实施例是提供了一种利用转子、定子与磁体的电动旋转机械，其中，每个转子磁极结构设置有径向和环状磁体，位于所述转子的磁体插入位置，所述转子通过在诸如所述转子的轴方向切割成环状片从而次分成多样化结构，其中次分的行列的一部分独立强化用作转子磁极结构的后缘部分，在同步旋转操作中，在独立强化的转子磁极结构的后缘部分与定子磁极结构之间不断地保持相对位置，通过定子磁极结构相对于转子磁极结构的后缘部分的前后部从而产生吸引和排斥现象，最终结果是额外地增加旋转驱动力。
本发明的第四实施例提供了一种利用转子、定子与磁体的电动旋转机械，其中，与径向和环状磁体相对的内侧在包括部分磁体的转子的突出部分具有相同的磁极，其长度在电磁耦会的情况下大于包括铁心的定子的轴线方向的长度，与径向和环状磁体相对的内侧在包括部分磁体的转子的非突出部分具有相反的磁极，其长度在电磁耦合的情况下小于包括铁心的定子的轴线方向的长度。在转子的铁心端部的转子磁极结构的后缘部分位置的气隙内的磁通量迅速增加。转子磁极结构的后缘部分在同步旋转过程中不断地保持与定子磁极结相对的位置，通过定子磁极结构相对于转子磁极结构的后缘部分的前后部从而正常地产生非常强的吸引和排斥作用，藉此尽可能额外地增加旋转驱动力。
本发明的第四实施例提供了一种利用转子、定子与多个磁体的电动旋转机械，其中，定子的结构构造成在将磁体插入包括磁体的转子时，使得与径向和环状磁体相对的内侧在包括部分磁体的转子的突出部分中具有相同的磁极，其长度在电磁耦合的情况下大于在包括铁心的定子的轴线方向的长度，与径向和环状磁体相对的内侧在包括部分磁体的转子的非突出部分中具有相反的磁极，其长度在电磁耦合的情况下小于在包括铁心的定子的轴线方向的长度。转子和定子的气隙中的磁通量可具有大的增加量，并且所达到的最终效果是快速地改善电动旋转机械的性能和效率。
为了使上述本发明更加有效并且在同步电动机操作期间呈现出100％的性能与效率，在控制器与主移动器的操作过程中，控制器与主移动器是以相互分离的方式进行驱动，如此可以达到更佳的效果。而且，通过将定子磁体改变为绕组或者将定子绕组改变为磁体，也可获得本发明的效果，并且通过分离的主移动器作用于旋转磁场。
为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文配合所附图详细说明如下，其中图1示出本发明的第一实施例的电动旋转机械。
图2示出本发明的第一实施例的转子21的示意图。
图3示出传统转子的示意图。
图4示出本发明的第二实施例的转子22的视图。
图5是另一传统转子的示意图。
图6A是本发明的第三实施例的转子23的示意图。
图6B是本发明的第三实施例的转子23的示意图。
图7示出本发明的第四实施例中的转子24a、24b的磁通量与定子3的磁通量。
图8是本发明的第四实施例中的转子24a的示意图。
具体实施例方式
本发明的若干实施例将在下文参照附图进行说明。
第一实施例图1示出本发明的第一、二、三、四实施例的电动旋转机械1。附图标记21、22、23、24表示转子；附图标记3表示定子；附图标记15表示旋转轴；附图标记16表示绕组。
图2示出本发明的第一实施例。附图标记21表示转子；附图标记41表示铁心磁极，此铁心磁极包括转子21的电磁钢板；附图标记5表示转子21的磁体。在磁极41的结构中，磁体5是沿径向方式进行排列。附图标记6表示沟槽；附图标记7表示连接孔。
作为参考，图3示出具有径向排列的磁体的传统转子结构的一项实例。
在转子21的磁极41中，磁体5采用径向方式进行排列，并且在转子21的磁极41的结构中的一部分8具有的非对称的“凸出结构”。该区域被称为各转子磁极结构的后缘部分，根据本发明，其适于在与定子磁极结构关联地同步旋转期间产生强大的磁场和额外的旋转驱动力。如图3所示，传统的转子结构是对称的。此外，通过转子21的连接孔7藉由逆向旋转可层叠转子21。因此，转子21的磁极41的角度基本上被增大。因此，朝向定子3的磁极的扩展不仅相对地与相同磁极(或相反磁极)有关，而且延伸至与相反磁极(或相同磁极)有关的位置。
在具有电动旋转机械1的发电机或电动机的操作过程中，当定子3与转子21处于主要地具有相同磁极(或相反磁极)的位置上时，则便会产生排斥(分离)作用；同时，相邻的定子3与转子21在相反磁极中的一部分的一位置上经受排斥(分离)作用；借助定子3和转子21的相对动作的耦合得以改善。当在这一状态下进行同步旋转时，在转子磁极结构的后缘部分8、磁极41与相反的定子磁极之间通常会产生吸引作用(suction)；而且，排斥作用一般也可通过后部定子磁极产生；电动旋转机械1的驱动力被额外地产生从而得到性能的改善；齿槽扭矩现象被减少；最终效果是使振动得以抑制。
第二实施例图4示出本发明的第二实施例。附图标记22示出转子；附图标记42示出铁心磁极，此铁心磁极包括转子22的电磁钢板；附图标记5示出转子22的磁体。而且，在磁极42中，磁体5采用径向结构进行排列，同时，磁体9采用环状结构进行排列，而且沟槽10、11设置于磁极42中。作为参考，图5示出传统的转子，该传统转子结构中的磁体以环状方式进行排列。
气隙或非磁性元件部分沿着磁体9的周围设置于沟槽10、11中，从而使得转子22的环状磁体9的磁通量不会直接返回至转子22的磁体9。在上述结构的作用下，转子22与定子3的气隙中的磁通量可被大幅度地提升。
此外，磁体5的位置使得相同的磁极朝向与其相关的邻近磁体彼此相对。在磁极6的情况下，转子21的磁极5并不具有例如60度的等角排列，5个磁极中的每一磁极具有60°×(180～186)/180的角节距。所剩余的一磁极是具有180°-5×(180～186)/180的角节距。另一方面，定子3的磁极相对于6个磁极而采用60°的方式进行均分。因此，从电磁耦合件朝向定子3的磁极所存在位置的相对偏转，因而使得转子磁极的宽度变大。
通过采用这种结构，当这种条件下以同步速度进行旋转时，在转子后缘部分磁极部分8、磁极41与相反的定子磁极之间通常会产生吸引作用；此外，排斥作用一般也可通过后部定子磁极产生；电动旋转机械1的驱动力被额外地产生从而得到性能的改善；齿槽扭矩现象被减少；最终效果是使振动得以抑制。
另外，在具有铁心磁极的各个磁极42中形成有用于插入磁体5的径向槽结构，从而使得磁体5可在径向上调整长度。由于磁体5的长度可以沿径向进行调整，而且这些径向槽结构用作磁体5的插入，尤其，当磁通量被增强时，使用强磁体和完全填充入槽结构中的磁体。而且，通过采用磁体5、9被自由地插入和移出的结构，可容易地对电动机与发电机的属性进行改变或调整。
第三实施例图6A、6B示出本发明的第三实施例。附图标记23表示磁极4的转子；附图标记43示出铁心磁极，该铁心磁极包括转子23的电磁钢板。
如图6A所示，转子23的磁极43中的磁体17是以径向方式进行排列；磁体组19是以环形进行排列；气隙或非磁性元部件以围绕磁体19的方式设置于空间11中。
该结构为仅利用磁极43构成磁体的例子。该磁极43结构的宽度大于定子磁极的宽度，同时磁极43可直接与在后缘部分上形成强磁场的磁体发生作用，因此，在转子2和定子3中的气隙中的磁通量会出现大量的增加，此外，该结构使转子23与定子3的磁极之间的耦合产生偏转，同时也会局部影响层结构(layering)。
由此可知，当与此结合的定子磁极宽度形成得较小时，这更加有效。
通过采用这种结构，当在这种条件下以同步速度进行旋转时，在转子后缘部分磁极部分8、磁极41与相反的定子磁极之间通常会产生吸引作用；此外，排斥作用一般也可通过后部定子磁极产生；电动旋转机械1的驱动力被额外地并且快速地产生；其性能得到很大的改善；齿槽扭矩现象被减少；最终效果是使振动得以抑制。
在图6B中，为了对由图6A中的磁体17所形成的转子磁极44的后缘部分8的磁场强度进行强化，该结构构成包括铁心23的小磁体17，该铁心是独立的并且专用于强化[磁场]。通过沿轴向方向结合图6A的铁心23形成各种结构，额外的驱动力在同步旋转时被调节；可实现快速的改善。
第四实施例图7、8示出本发明的第四实施例。附图标记1示出电动旋转机械；附图标记24、24a、24b示出转子；附图标记3示出定子；附图标记45示出铁心磁极，该铁心磁极包括转子24a、24b中的电磁钢板。在电动旋转机械1的结构中，在包括磁体5、9的转子24内插入磁体5、9的情况下，与径向磁体5和环状磁体9相对的内侧具有与包含部分磁体5、9的转子24的“突出部分”24a相同的极性，其长度在绕组16的电磁耦合的情况下长于包括铁心的定子3的轴向方向长度；与径向磁体5和环状磁体9相对的内侧具有与包含部分磁体5、9的转子24的“非突出部分”24b相反的极性，其长度在电磁耦合的情况下短于包括铁心的定子3的轴向方向长度。在上述结构的作用下，转子24的“突出部分”24a的磁通量沿箭头的方向；转子24的“非突出部分”24b的磁通量沿着箭头的方向。因此，转子24的“突出部分”24a的磁通量与转子24的“非突出部分”24b的磁通量之间彼此相互强化。由于采用这种结构，转子24与定子3的气隙中的磁通量可产生磁通量的大量增加，并且基本上与“突出部分”24a的长度成正比，在电动旋转机械1的性能上达到更大的明显地增加，减少齿槽扭矩现象，抑止振动并且实现更好的效果。在上述情况下，当铁心23与沿轴向相对定子的铁心部分的后缘部分之间相互耦合并且磁通量由突出部分额外地强化时，可在同步旋转时实现额外驱动力的快速改善，其中该铁心在该实施例中是独立的并且专用于强化转子磁极45的后缘部分8的磁场。
由此，即使当电动旋转机械1包括小型电动机时，可额外地增加3～5％的效率；获得95～98％的高效率。而且，在具有相同输出功率的电动旋转机械1的情况下，与传统机械相比，可实现更小的体积。
可行的工业应用如上述本发明的各实施例可知，本发明的电动旋转机械具有很宽的应用范围，例如通用的工业设备、家用电动装置、汽车与车辆装置、医疗装置、风力电动装置、水力及热力等。
可以对这里所述的本发明的各实施例、这里所述的各实施例的部件或元件或者这里所述的方法的步骤顺序进行改变，只要不脱离本发明由所附的权利要求所限定的精髓和/或范围。
权利要求
1.一种利用磁体的电动旋转机械，该电动旋转机械包括转子组件与定子组件，该转子组件以面对定子组件的方式提供旋转驱动力，该转子组件包括对应于每一转子磁极结构的后缘部分，所述后缘部分在与面对所述转子磁极结构的后缘部分的定子的相同和相反磁极相关联地同步旋转期间、适于产生强磁场并且产生额外的旋转驱动力。
2.一种利用转子、定子与磁体的电动旋转机械，包括转子组件，该组件具有以径向或环状方式插入的磁体，该径向或环状磁铁设置于该转子中的磁铁的插入位置上，其中，该转子的各磁极结构的宽度朝向沿着所述旋转表面的定子的磁极结构较宽，并且具有后缘部分，该后缘部分在同步转动过程中不断地保持与定子磁极结构的相对位置，并且借助该定子磁极结构相对围绕转子磁极后缘部分从而正常地产生吸引与排斥作用，由此额外地增加旋转驱动力。
3.一种利用转子、定子与磁体的电动旋转机械，其中，具有磁体的各转子磁极结构包括变化的角节距宽度，其中，各转子磁极结构包括径向或环状磁体与后缘部分，径向或环状磁体设置于转子中的磁体的插入位置上，并且该后缘部分包括气隙或非磁元件部，该气隙或该非磁元件位于磁体的周围，如此使得所述转子的环状磁体的磁通量不会直接返回至所述转子磁体且快速增加该气隙中的磁通量，并且在不需要通过朝向具有电磁耦合的定子磁极相对地偏转各角位置提供偏移的情况下，消除齿槽扭矩现象，其中，在同步转动过程中，各转子磁极结构的后缘部分不断地保持与定子磁极结构的相对位置，并且借助定子磁极结构相对转子磁极结构后缘部分实现旋转期间的吸引与排斥作用，藉此额外地增加旋转驱动力。
4.一种利用转子、定子与磁体电动旋转机械，其中，该转子的磁极结构分别包括径向或环状磁体，径向或环状磁体设置于该转子中的磁体的插入位置上，其中所述转子次分成多样化结构，诸如在所述转子的轴方向切割成环状片，其中在转子中次分的行列的一部分独立强化用作转子磁极结构的后缘部分，在同步旋转操作中，不断地保持在独立强化的转子磁极结构的后缘部分与定子磁极结构之间的相对位置，由此借助定子磁极相对于转子磁极结构的后缘部分的前后部正常地产生吸引和排斥作用，最终效果是额外地尽可能增加旋转驱动力。
5.一种利用转子、定子与磁体的电动旋转机械，其中，该转子的结构设置成这样，在转子中插入磁体的情况下，与径向和环状磁体相对的内侧在与包含部分磁体的转子的突出部分具有相同的磁极，其长度在电磁耦合的情况下长于包括铁心的定子的轴向方向长度，与径向和环状磁体相对的内侧在包括部分磁体的转子的非突出部分具有相反的磁极，其长度在电磁耦合的情况下小于包括铁心的定子的轴线方向的长度，并且其中，在转子的铁心端部的转子磁极结构的后缘部分处的气隙内的磁通量迅速增加，并且其中转子磁极结构的后缘部分在同步旋转过程中不断保持与定子磁极结构的相对位置，通过与转子磁极结构的后缘部分的前后部相对的定子磁极结构从而正常地产生非常强的吸引和排斥作用，藉此尽可能额外地增加旋转驱动力。
6.一种利用磁体的电动旋转机械，包括转子，该转子包括径向或环状磁体，设置于该转子中的磁体插入位置，其中该转子磁极结构朝向定子磁极的方向宽度较大，并且在同步转动过程中不断地保持转子磁极结构后缘部分与定子磁极之间的相对位置，借助定子磁极相对于转子磁极结构的后缘部分的前后部正常地产生吸引与排斥作用，由此额外地增加旋转驱动力。
7.一种包括转子、定子与磁体的电动旋转机械，其中，该转子的磁极结构分别包括径向或环状磁体，设置于该转子中的磁体的插入位置上，其中，转子磁极结构具有变化的角节距宽度，在不需要通过朝向具有电磁耦合的定子磁极相对偏转各角位置提供偏移的情况下，消除齿槽扭矩作用，并且同时防止气隙中的磁通量的减少，其中，在围绕转子磁极结构的后缘部分位置上设置气隙或非磁元件部，如此使得转子的环状磁体的磁通量不会直接返回至转子磁体，其中在同步旋转过程中，不断地保持转子磁极结构的后缘部分与定子磁极之间的相对位置，借助与转子磁极结构的后缘部分的前后部相对的定子前后部的磁极结构从而正常地实现吸引和排斥作用，藉此将额外增加旋转驱动力。
8.一种利用转子、定子与磁体的电动旋转机械，该转子的磁极结构分别包括径向或环状磁体，设置于该转子中的磁体的插入位置上，其中，所述转子沿轴向方向次分成多样化结构，包括转子结构的行列的一部分独立的被强化用作转子磁极结构的后缘部分，其中在同步旋转过程中，不断地保持转子磁极结构的后缘部分与定子磁极之间的相对位置，借助与转子磁极结构的后缘部分的前后部相对的定子前后部的磁极结构从而正常地实现吸引和排斥作用，藉此将额外增加旋转驱动力。
9.如权利要求2、3或4所述的电动旋转机械，其中，与径向磁体和环状磁体相对的内侧在包括部分磁体的转子的突出部分中具有相同的磁极，其长度在电磁耦合的情况下长于包括铁心的定子的轴向方向长度，与径向和环状磁体相对的内侧在包括部分磁体的转子的非突出部分中具有相反的磁极，其长度在电磁耦合的情况下短于包括铁心的定子的轴向方向长度，藉此根据突出部分的量来增加气隙中的磁通量。
10.如权利要求2、3或4所述的电动旋转机械与电磁装置，在利用超导电磁线圈等代替转子磁体部件的条件下，该电动旋转机械与该电磁装置可经比率调整而适用于诸如大功率装置和线性马达的移动机械上。
11.如权利要求2或4所述的电动旋转机械与电磁装置，其中，藉由移除沿径向与环状布置的磁体部分中的一部分磁体能够实现性能的增加，并且磁体的磁力可以被调整从而调整位于该转子上的非对称排列的磁极部分的磁场。
12.如权利要求1-7任一项所述的电动旋转机械与电磁装置，其中，该定子与该转子经反转以实现定子侧的旋转从而变成转子，另一方面，通过与定子相对的磁体，定子从转子侧形成入磁极，外部电流通过滑环而供应至转子，在同步速度驱动下产生额外驱动力。
13.如权利要求1-7任一项所述的电磁装置，其中，定子磁极包括磁体，并且利用另一主移动器以同步速度下的驱动和旋转产生额外驱动力。
14.如权利要求1-9任一项所述的电动旋转机械，其中，在控制器与主移动器的本身操作过程中，控制器与主移动器以相互分离的方式进行致动，消除控制器与主移动器的操作损失从而达到最大效率。
15.如权利要求1-9任一项所述的电动旋转机械，其中，控制器和主移动器在操作过程中的致动和操作相互分离，当诸如过载的非正常情况在操作过程中发生时完全停止，并且不会被短时间内重复重启多次而校正。
全文摘要
一种永磁体转子(图2)包括转子铁心(41)与永磁体(5)。永磁体转子还包括多个沟槽(6)，用以减少磁通量的泄漏。
文档编号H02K21/12GK101019297SQ200580010187
公开日2007年8月15日 申请日期2005年1月28日 优先权日2004年1月28日
发明者木下幸雄 申请人:猪木宽至, 株式会社Intepco