一种可重构的感应以同步的马达的制作方法

专利名称：一种可重构的感应以同步的马达的制作方法
技术领域：
本申请是2009年10月30日申请的美国专利申请序列号12/610，184以及2009 年10月30日申请的美国专利申请序列号12/610，271的部分延续申请，所述两个美国专利 申请通过参引整体结合入本申请中。
背景技术：
本发明涉及一种电动马达，具体涉及转子中的可移动永磁体和/或不导磁分路 块，从而将马达从启动时的异步感应马达重构为有效操作的同步马达。所述电动马达的优选形式是无电刷交流感应马达。所述感应马达的转子包括在定 子内转动的笼(或效仿“仓鼠轮”的鼠笼)。所述笼包括在转子外圆周上角度间隔开的轴向 延伸的棒。提供给定子的交流电在定子中引入了转动定子磁场，而所述转动场感应地在所 述棒中感应出电流。在棒中感应出的电流然后与同一定子磁场协作来产生转矩并由此导致 马达的转动。将电流引入棒中要求所述棒不与转动定子磁场同步移动(或转动)，因为电磁感 应需要场中的磁场与导体之间的相对运动。结果，转子必须相对于转动定子磁场滑动以在 棒中感应出电流并由此产生转矩，因此，感应马达是异步马达。遗憾的是，低功率感应马达效率不高，并且在降低的载荷下损失效率，因为由定子 消耗的功率的量在低负载下仍不变。一种改进感应马达效率的方法是在转子中加入永磁体。所述马达起初以与通常的 感应马达相同的方式启动，但当马达达到其操作速度时，定子磁场与永磁体协作以进入同 步操作。遗憾的是，永磁体的尺寸受到了限制，因为如果永磁体过大，那么它们就会阻止马 达启动。这种尺寸限制会限制从加入永磁体中获得的益处。

发明内容
本发明通过提供一种可重构电动马达来解决上述及其他需要，所述可重构电动马 达包括容纳有可转动永磁体或不导磁分路块的转子。所述磁体和/或分路块具有在启动 时产生弱磁场用于异步感应马达操作的的第一位置，以及产生强磁场用于有效同步操作的 第二位置。马达包括在启动时用于感应马达操作的鼠笼式结构，其中永磁体和/或分路块 定位成产生弱磁场从而不干扰启动。当马达接近或达到同步每分钟转数时，永磁体和/或 分路块转动以产生强磁场用于高效同步操作。磁体和/或分路块的位置可以由离心机构控 制，或者粘滞阻尼装置可以延迟磁体和/或分路块的转动，或者电气控制的装置可以控制 磁体和/或分路块的位置。根据本发明的一方面，提供了一种以异步模式启动并在启动后转换至更有效的同 步模式的可重构无电刷交流电动马达。所述马达包括定子，所述定子接收交流电源信号并 产生转动定子磁场，以及与所述转动定子磁场协作的转子。所述转子包括棒，所述棒形成鼠 笼式结构，用于与所述转动定子磁场感应协作，提供操作的所述异步模式用于马达启动，以及至少一个可转动永磁体用于有效的同步操作。所述永磁体位于所述转子内并与所述极块 磁协作。所述永磁体具有产生弱磁场以允许感应马达启动的第一位置，并能够转动至产生 强磁场以与所述转动定子磁场协作用于有效同步操作的第二位置。根据本发明的另一方面，提供了一种能够从异步重构至同步的电动马达，所述马 达具有包括多个可转动圆柱形磁体或者可转动的单个可转动中空圆柱形磁体的磁路。所 述磁体具有产生弱磁场用于异步操作的第一位置，以及产生强磁场用于同步操作的第二位 置。根据本发明的又一方面，提供了一种能够从异步重构至同步的电动马达，所述马 达具有包括多个可转动不导磁分路块或单个可转动中空圆柱形不导磁分路块的磁路。所述 不导磁分路块具有干扰磁路以产生弱磁场的第一位置，以及可以忽略地干扰磁路以产生强 磁场的第二位置。根据本发明的再一方面，提供了离心闭锁机构，所述离心闭锁机构将永磁体保留 在弱磁场位置用于启动，直到达到足够用于转换到同步操作的每分钟转数。示例性的离心 闭锁机构包括弹簧和配重，弹簧保持于可转动永磁体接合的销，所述配重在足够的每分钟 转数下克服弹簧以释放磁体。根据本发明的再者一方面，提供了一种或者包围可转动永磁体以抵抗永磁体转 动、或者在封装有附连于可转动磁体的桨的室内以抵抗永磁体转动的例如硅树脂的粘滞阻 尼材料，以保持弱磁场用于异步启动。短时间后，磁体转动以提供强磁场用于有效同步操 作。根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制磁体和/或不导磁分路块的位置的 机电装置。机电装置可以由处理器控制以为电动马达的当前状态提供优化磁场。例如，在 由于马达上的负载而使得马达到达同步速度比较缓慢，或由于负载增加而降低了马达的每 分钟转数时，机电装置可以减弱磁场以帮助马达达到或返回同步操作。这种机电装置通常 可应用于大型和/或昂贵的马达。根据本发明的又一方面，提供了一种调整马达和/或发电机内的磁场以在更宽的 每分钟转数范围内提供更有效的操作的方法。


本发明的上述和其他方面、特征和优势通过参照附图对其进行如下具体描述将更 为显而易见，其中图IA是根据本发明的可重构电动马达的侧视图。图IB是所述可重构电动马达的端视图。图2是沿图IA中线2-2线所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图。图2A示出了根据本发明的典型双极永磁体。图3是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示出 了在径向对齐转子构造中具有单个双极永磁体的本发明的实施方式。图4是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示出 了在径向对齐转子构造中具有单个四极永磁体的本发明的实施方式。图5是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示出了在径向对齐转子构造中具有单个四极中空永磁体的本发明的实施方式。图6是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示出 了在径向对齐转子构造中具有四个永磁体的本发明的实施方式。图7是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示出 了在径向对齐转子构造中具有四对永磁体的本发明的实施方式。图8是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示出 了在磁通挤压转子构造中具有四个永磁体的本发明的实施方式。图9A是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示出 了在径向对齐转子构造中单个永磁体转动成提供最小磁场的本发明的实施方式。图9B是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示出 了在径向对齐转子构造中单个永磁体转动成提供最大磁场的本发明的实施方式。图IOA是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示 出了在径向对齐转子构造中单个四极永磁体转动成提供最小磁场的本发明的实施方式。图IOB是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示 出了在径向对齐转子构造中单个四极永磁体转动成提供最大磁场的本发明的实施方式。图IlA是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示 出了在径向对齐转子构造中单个中空四极永磁体转动成提供最小磁场的本发明的实施方 式。图IlB是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示 出了在径向对齐转子构造中单个中空四极永磁体转动成提供最大磁场的本发明的实施方 式。图12A是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示 出了在径向对齐转子构造中四个永磁体转动成提供最小磁场的本发明的实施方式。图12B是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示 出了在径向对齐转子构造中四个永磁体转动成提供最大磁场的本发明的实施方式。图13A是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示 出了在径向对齐转子构造中四对永磁体转动成提供最小磁场的本发明的实施方式。图1 是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示 出了在径向对齐转子构造中四对永磁体转动成提供最大磁场的本发明的实施方式。图14A是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示 出了在磁通挤压转子中四个永磁体转动成提供最小磁场的本发明的实施方式。图14B是沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达的横截面图，其示 出了在磁通挤压转子中四个永磁体转动成提供最大磁场的本发明的实施方式。图15A是根据本发明的可重构电动马达的侧视截面图，其中离心闭锁机构将单个 永磁体保持在最小磁场位置。图15B是根据本发明的可重构电动马达的端视图，其中离心闭锁机构将单个永磁 体保持在最小磁场位置。图16A是根据本发明的可重构电动马达的侧视截面图，其中离心闭锁机构将单个 永磁体释放至最大磁场位置。
图16B是根据本发明的可重构电动马达的端视图，其中离心闭锁机构将单个永磁 体释放至最大磁场位置。图17A是根据本发明的可重构电动马达的侧视截面图，其中离心闭锁机构将四个 永磁体保持在最小磁场位置。图17B是根据本发明的可重构电动马达的端视图，其中离心闭锁机构将四个永磁 体保持在最小磁场位置。图18A是根据本发明的可重构电动马达的侧视截面图，其中离心闭锁机构将四个 永磁体释放至最大磁场位置。图18B是根据本发明的可重构电动马达的端视图，其中离心闭锁机构将四个永磁 体释放至最大磁场位置。图19A是根据本发明的可重构电动马达的端视图，其中离心闭锁机构使四极永磁 体转动到最小磁场位置。图19B是根据本发明的可重构电动马达的端视图，其中离心闭锁机构使四极永磁 体转动到最大磁场位置。图20A示出了根据本发明的可重构电动马达的侧视截面图，其中端对端半长磁体 不对齐以提供弱磁场。图20B示出了沿图20A中线20B-20B所取的根据本发明的可重构电动马达的横截 面图，其中端对端半长磁体不对齐以提供弱磁场。图21A示出了根据本发明的可重构电动马达的侧视截面图，其中端对端半长磁体 对齐以提供强磁场。图21B示出了沿图21A中线21B-21B所取的根据本发明的可重构电动马达的横截 面图，其中端对端半长磁体对齐以提供强磁场。图22A是根据本发明的磁分路转子的侧视截面图，其具有固定磁体及磁分路以重 构转子。图22B是沿图22A中线22B-22B所取的磁分路转子的横截面图。图23A示出了磁分路转子，其中在所述转子内由永磁体产生的磁场分路成最小有 效磁场。图2 示出了磁分路转子，其中所述转子内由永磁体产生的不分路磁场用于最大 有效磁场。图24A示出了具有最小有效磁场的磁分路转子。图24B示出了具有最大有效磁场的磁分路转子。图25A是示出桨型阻尼结构的磁分路转子的侧视截面图。图25B是沿图25A的线25B-25B所取的示出桨型阻尼结构的磁分路转子的横截面 图。图沈示出了根据本发明的致动机构的第一实施方式的侧视图，具有无电刷致动 器马达，来控制大型马达的转子的永磁体的位置。图27示出了沿图沈中的线27-27所取的无电刷致动器马达的第一实施方式的横 截面图。图28A示出了通过致动机构第一实施方式不对齐以产生弱磁场的马达的磁体。
图28B示出了通过致动机构第一实施方式对齐以产生强磁场的马达的磁体。图四示出了根据本发明的致动机构的第二实施方式的侧视图，具有无电刷致动 器马达，来控制大型马达的转子的永磁体的位置。图30示出了沿图四的线30-30所取的无电刷致动器马达的第二实施方式的横截 面图。图31A示出了通过致动机构第二实施方式不对齐以产生弱磁场的马达的磁体。图31B示出了通过致动机构第二实施方式对齐以产生弱磁场的马达的磁体。相应的附图标记在附图的所有若干视图中指示相应的部件。
具体实施例方式下文的描述是当前构想用于实现本发明的最佳实施方式。该描述并非出于限制的 意义，而仅出于描述本发明的一个或多个优选实施方式的目的。本发明的范围应参照权利 要求确定。图IA示出了根据本发明的可重构电动马达10的侧视图，图IB示出了所述可重构 电动马达10的端视图，图2示出了可重构电动马达10的沿图IA中线2-2所取的横截面 图。所述马达10包括定子绕组14以及居于可转动马达轴11上并位于定子绕组14内的转 子12。马达10为无电刷交流电感应马达，其包括在转子12中的至少一个永磁体16(见图 3-7)，所述永磁体16可以调整成为在初始异步操作的启动时提供弱磁场，并在有效同步操 作的启动之后提供强磁场。沿图2中线3-3所取的可重构电动马达10的横截面图在图3中示出了所述马达 10的第一实施方式，该马达10包括两极马达30a，其中在转子12a中的单个两极可转动内 部永磁体(IPM) 16为处于与马达轴11同轴。磁体16示出为在磁体16各侧上具有空气间 隙21，该空气间隙21将磁体16的北极(N)与南极⑶以轴向对齐的构造分开。用于感应 操作的鼠笼式元件的棒32围绕转子12的外半径、在角度上间隔开并且在转子12的长度上 延伸。所述棒可以是直的或可以是弯的以获得降噪等益处。磁体16与杆32由转子极块20 承载，所述极块20由空气间隙21分隔开。极块20优选地由例如铁或钢的单独绝缘导磁材 料的叠层构成。沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达10的横截面图在图4中示出 了马达10的第二实施方式，该马达10包括四极马达30b，其中单个四极可转动永磁体16a 在径向对齐转子12b构造中与马达轴11同轴。极块20分为四个1/4部，相邻部之间有空 气间隙21。除此之外，马达30b类似于马达30a。沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构电动马达10的横截面图在图5中示 出了马达10的第三实施方式，该马达10包括四极马达30c，马达30c带有转子12c，该转子 12c具有在径向对齐转子构造中与马达轴11同轴的单个中空四极可转动永磁体16b。钢轴 23穿过中空磁体16b的中心。除此之外，马达30c类似于马达30b。图2A中示出了适于与本发明一起使用的圆柱形两极永磁体16的立体图。磁体16 具有磁体轴线11a。尽管根据本发明，圆柱形磁体是用于转动磁体的优选形状，但是其他形 状也可以适于能够移动，从而获得本发明的益处，并且具有任何形状且构造成对于异步操 作将转子磁场调整为弱磁场、并且对于同步操作将转子磁场调整为强磁场的可移动磁体的电动马达也意于在本发明的范围内。沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构四极电动马达10的横截面图在图6中 示出了马达10的第四实施方式，其包括四极马达30d，马达30d带有四个角度间隔开的两极 可转动永磁体16，永磁体16的磁体轴线在径向对齐转子12d构造中与马达轴11平行。极 块包括4个外极块20a和单个中空中心极块20b。磁体16在径向上夹在中心极块20b与外 极块20a之间，空气间隙21将各外极块20a与相邻外极块20a分隔开，并将中心极块20b与 外极块20a分隔开。用于感应操作的鼠笼式元件的棒32围绕转子12外半径在角度上间隔 开并且在转子12的长度上延伸。所述棒可以是直的或可以是弯的以获得降噪等益处。极 块20a和20b优选地由例如铁或钢的绝缘导磁材料的叠层构成。沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构四极电动马达10的横截面在图7中 示出了马达10的第五实施方式，其包括四极马达30e，马达30e带有转子12e，该转子1 具有在角度上间隔开且磁体轴线在径向对齐转子构造中与马达轴11平行的四对两极可转 动永磁体16。其他类似实施方式可包括具有四组由3个或更多个磁体组成的多组磁体。除 此之外，马达30e与马达30d相似。沿图2中线3-3所取的根据本发明的可重构四极电动马达10的横截面在图8中 示出了马达10的第六实施方式，该马达10包括四极马达30f，马达30f带有转子12f，该转 子12f具有在角度上间隔开且磁体轴线为在磁通挤压转子构造中与马达轴11平行的4个 双极可转动永磁体16。四个磁体16在角度上处于四个在角度上间隔开的极块20c之间。 除此之外，马达30f与马达30d类似。图9A中示出了沿图2中线3-3所取的马达30a (见图3)的横截面图，其中转动单 个两极永磁体16以提供最小(或弱)磁场Ma。弱磁场2 不干扰以感应模式启动马达 30a用于初始异步操作。图9B中示出了沿图2中线3-3所取的马达30a的横截面图，其中转动单个两极永 磁体16以提供最大(或强)磁场Mb。强磁场24b将干扰启动马达30a，但在启动马达30a 后以同步模式提供更有效的操作。图IOA中示出了沿图2中线3-3所取的马达30b (见图4)的横截面图，其中转动 单个四极永磁体16a以提供最小(或弱)磁场Ma。弱磁场2 不干扰以感应模式启动马 达用于初始异步操作。图IOB中示出了沿图2中线3-3所取的马达30b的横截面图，其中转动单个四极 永磁体16a以提供最大(或强)磁场。强磁场24b将干扰启动马达30b，但在启动马达30b 后以同步模式提供更有效的操作。图IlA中示出了沿图2中线3-3所取的马达30c (见图5)的横截面图，其中转动 单个中空四极永磁体16b以提供最小(或弱)磁场Ma。弱磁场2 不干扰以感应模式启 动马达用于初始异步操作。图IlB中示出了沿图2中线3-3所取的马达30c的横截面图，其中转动单个中空 四极永磁体16b以提供最大(或强)磁场。强磁场24b将干扰启动马达30c，但在启动马达 30c后以同步模式提供更有效的操作。图12A中示出了沿图2中线3-3所取的马达30d(见图6)的横截面图，其中转动 四个两极永磁体16以提供最小(或弱)磁场Ma。弱磁场2 不干扰以感应模式启动马达30d用于初始异步操作。图12B中示出了沿图2中线3-3所取的马达30d的横截面图，其中转动四个两极 永磁体16以提供最大(或强)磁场。强磁场24b将干扰启动马达30d，但在启动马达30d 后以同步模式提供更有效的操作。图13A中示出了沿图2中线3-3所取的马达30e (见图7)的横截面图，其中转动 四对两极永磁体16以提供最小(或弱)磁场Ma。弱磁场2 不干扰以感应模式启动马达 30e用于初始异步操作。图13B中示出了沿图2中线3-3所取的马达30e的横截面图，其中转动四对两极 永磁体16以提供最大(或强)磁场。强磁场24b将干扰启动马达30e，但在启动马达30e 后以同步模式提供更有效的操作。图14A中示出了沿图2中线3-3所取的马达30f (见图8)的横截面图，其中转动 四个两极永磁体16以在磁通挤压转子构造中提供最小(或弱)磁场Ma。弱磁场2 不干 扰以感应模式启动马达30f用于初始异步操作。图14B中示出了沿图2中线3-3所取的马达30f的横截面图，其中转动四个两极 永磁体16以在磁通挤压转子构造中提供最大(或强)磁场。强磁场24b将干扰启动马达 30f，但在启动马达30f后以同步模式提供更有效的操作。图15A中示出了其中离心闭锁机构40将单个永磁体16保持在最小磁场位置(见 图9A)的马达30a(见图3)的侧视截面图，图15B中示出了其中离心闭锁机构将单个永磁 体保持于最小磁场位置(见图9A)的马达30a的相应端视图。图16A中示出了其中离心 闭锁机构40已经将单个永磁体16释放至最大磁场位置的马达30a的第二侧视截面图，图 16B中示出了其中离心闭锁机构已经将单个永磁体释放至最大磁场位置的马达30a的相应 端视图。偏心闭锁机构40包括配重44、转动板50、弹簧盘48、滑动板46、销42及销座52。 所述配重44和弹簧盘48选择成使得配重44在适当的每分钟转数下向外移动，使弹簧盘48 从图15A所示的第一延伸位置卡合至图16A所示的折返位置，从而使销42从座52中缩回 以释放磁体16。当马达30a静止时，磁体16被磁性地推动至弱磁场位置，并且当马达30a静止时， 离心闭锁机构40也将销42推动至销座52中。结果，无论何时马达30a停止，马达30a都 返回至弱磁场模式，允许马达作为异步感应马达启动。当马达30a达到足够的每分钟转数 时，离心闭锁机构40将销42从销座52中拉出，释放磁体16。在足够的每分钟转数下，马达 30a内的磁场推动永磁体16转动90度至强磁位置，由此提供有效的同步操作。适当的离心闭锁机构的示例是由俄亥俄州贝德福德的TORQ公司制造的 Synchrosnap 离心机构。为用于本发明，Synchrosnap 离心机构只是稍作修改 以致动销42，而不是提供电气开关功能。图17A(侧视图弱磁场)、图17B(端视图弱磁场)、图18A(侧视图强磁场)和图 18B (端视图强磁场)中示出了应用于马达30f (见图8)的用于在弱磁场与强磁场24b之间 转换的装置的第二示例。马达30f的四个磁体16分别附连于小齿轮60，所述小齿轮全部接 合较大的齿轮62，由此所有磁体16保持转动地对齐。当马达30f静止时，销42接合大齿 轮62中的销座52，当马达30f达到足够的每分钟转数时，离心闭锁机构40将销42从销座 52中拉出，释放磁体16。如马达30a —样，当马达30f停止时，马达30f的永磁体16被磁性地推动至弱磁场位置(见图14A)，在足以进行同步操作的每分钟转数时被磁性地推动至 强磁场位置(见图14B)。图19A示出了根据本发明的可重构电动马达转子12g的端视图，其中离心机构将 中空圆柱形分段四极永磁体16c (类似于图5中示出的中空四极永磁体16b)保持在最小磁 场位置，图19B示出了转子12g的端视图，其中离心机构使四极永磁体转动至最大磁场位 置。四个配重后的小齿轮60a包括质量失衡，在转子转动时产生转矩，以转动各齿轮60a。 齿轮60a与中心的大齿轮62协作以转动齿轮62，并且磁体16c随齿轮62转动。当转子12g 停止时，磁体16c偏置从而处于使得磁体间隙16c’居于极块间隙20’之间，并且产生最小 磁场。当转子12g转动时，齿轮60a中的质量失衡使齿轮60a转动，也使齿轮62和磁体16c 转动。到转子12g达到同步操作速度时，磁体间隙16c’与极块间隙20’对齐，以提供最大 磁场用于有效同步操作。图20A示出了根据本发明的可重构电动马达转子12h的侧视图，其中端对端半长 中空圆柱形分段四极永磁体16c的极不对齐以提供弱磁场，图20B示出了沿图20A中线 20B-20B所取的可重构转子12h的横截面图，其中端对端半长磁体16c不对齐以提供弱磁 场。在此实施方式中，可移动的第一磁体16c(即最靠近离心闭锁机构40的磁体)能够转 动从而使第一磁体16c的N-S极与固定的第二磁体16c的N-S极错开以产生弱磁场。此弱 磁场允许包括转子12h的马达以异步模式启动。图21A示出了根据本发明的转子1 的侧视图，其中端对端半长中空圆柱形分段 四极永磁体16c的极对齐以提供强磁场，图21B示出了沿图21A中线21B-21B所取的转子 12h的横截面图，其中端对端半长磁体16c对齐以提供强磁场。离心闭锁机构40将第一磁 体保持为不对齐直至达到足够的每分钟转数从而允许配重44克服弹簧48而释放第一磁体 16c，该第一磁体16c自然地趋于与第二磁体16c对齐。在其他实施方式中，第一磁体16c的运动可由其他机电装置或通过粘滞阻尼控 制。粘滞阻尼的示例是用硅树脂围绕可移动磁体16c。图22k示出了根据本发明的磁分路转子12i的侧视截面图，其具有固定永磁体72 以及转动不导磁分路环70以重构转子，图22B示出了沿图22A中线22B-22B所取的磁分路 转子12i的横截面图。转动分路环70位于固定永磁体72外侧，将固定永磁体72与位于转 动分路环70外侧的外极块20a分开，所述极块20a包括单独绝缘的叠层以使涡流最小。内极块(或护铁、或电磁指引电枢)20b位于固定永磁体72内侧并提供磁通的返 回路径。护铁20b位于马达轴23之上，马达轴23优选地与护铁20b协作以提供足够的厚度 来与固定永磁体72和转动分路环70 —起完成磁路。护铁20b优选地包括单独绝缘叠层， 以使涡流最小，极块20和20a除护铁20b外可以是单个件。在一个实施方式中，定子、外极 块20a及护铁20b可以通过将同一件叠块冲压出各自的形状制成，由此利用几乎材料的全 部从而使废料最少从而降低成本。此制造方法在诸如空调和冰箱马达的高容量的应用中是 优选的。固定永磁体72及护铁20b可认为是一个极块，例如，在马达具有四个极电枢的情 况下，因为存在四个磁体。图23A中示出了磁分路转子12i，其中，由永磁体72产生的磁场在转子12i中分路 用于最小有效磁场，在图23B中，由永磁体72产生的磁场在转子中不分路用于最大有效磁 场。分路与不分路之间的转换通过沿弧71转动分路环70实现。在分路位置上，转动分路环70上的环间隙70a不与永磁体72上的磁体间隙7 对齐，并且不与极块20a上的极块 间隙20a’对齐。在不分路位置上，转动分路环70上的环间隙70a与永磁体72上的磁体间 隙7 对齐，并且与极块20a上的极块间隙20a’对齐。图24A示出了具有最小有效磁场M的磁分路转子12i，图22B示出了具有最大有 效磁场24b的磁分路转子12i。最小磁场允许磁分路马达作为异步感应马达启动，而最大磁 场允许磁分路马达作为同步马达有效地操作。图25A示出了磁分路转子12i的侧视截面图，其示出了用于抵抗在分路操作与不 分路操作之间快速变化的粘滞阻尼结构，图25B示出了沿图25A的线25B-25B所取的磁分 路转子12i的横截面图，其示出了桨型阻尼结构。粘滞阻尼结构连接于转动分路环70以抵 抗转动分路环70的转动。转子12i中的磁场优选地在转子12i静止时提供转动分路环70 到分路位置的自然偏置，并且在马达操作时提供到不分路位置的自然偏置。粘滞阻尼结构的示例包括在充满粘滞流体76的室内的桨74。桨74可包括例如 四个桨的多个桨。粘滞流体76可以是硅流体，而硅流体的粘性可以选择成提供转动分路环 70的期望粘滞阻尼。桨74可以包括端口 74a，该端口 7 允许粘滞流体在桨沿弧78运动 时流过桨74。桨74的数量和端口 7 的数量和尺寸均可调整，粘滞流体的粘性也可以调 整，来调整转动分路环70的阻尼。优选地，转动分路环70将被充分阻尼，以避免转动分路 环70在马达从异步操作转换至同步操作时振动。在另一实施方式中，通过围绕转动分路环70设置空隙来提供粘滞阻尼结构。空隙 由粘滞流体填充，并且阻尼程度通过选择粘滞流体的粘性来控制。硅流体是适当的粘滞流 体的示例。虽然本文将粘滞阻尼描述为用于磁分路转子，但这种粘滞阻尼也意于应用于本 文描述的可重构电动马达的任意实施方式(例如图3至8、19A、19B及20A至21B)，无论是 使用分路环或可移动永磁体都可应用。在各情况中，磁路的可移动元件可以与例如硅树脂 的粘滞材料接触，或连接至图25A和图25B中示出并描述的粘滞阻尼结构。所述接触可以 是可移动元件的整个外表面，也可以是可移动元件的外表面的一部分。此外，粘滞材料的粘 性可以为单独的应用进行选择，以在从弱磁场转换至强磁场时提供足够的延迟。一般而言，粘滞阻尼使得从启动时的弱磁场至有效同步操作时的强磁场的转换延 迟。此延迟优选为大约1至5秒，但是根据启动负载可为更长时间，并提供到接近于同步速 度的强磁场的转换的延迟。如果到强磁场的转换(例如大约20%至30%的对齐)在马达 达到同步速度之前发生地太快，则将会使启动转矩，而转换上的延迟将仅引起很短时间中 的效率降低。粘滞阻尼还降低或消除在马达转换至强磁场时的振动。上文描述的粘滞阻尼优选地用于小型廉价马达，它们诸如用于普通电器中并且成 本低。在大型昂贵的马达中，包括例如齿轮和/或液压、气动或电气(螺线管)的机电致动 器可用于精确控制转子的磁场以优化效率，其一些实施方式在通过参引结合入本文的美国 专利申请No. 12/610，271中公开。由于大型马达成本高昂，所以致动器反馈系统对于可重构异步至同步马达是可行 且经济的附加装置，因为这种致动器反馈系统的成本只是对大型马达进行转子翻新或采购 新的大型马达相关的成本的很小的百分比。在大型马达中，转子惯量和/或马达上的负载 可显著增加启动时间。在这种情况下，可以使用电子控制的致动机构来控制转子的磁场。例 如，当马达上的负载超过锁止马达转矩、并且每分钟转数减慢至低于同步速度的约50%时，致动机构可以使马达中的磁路元件不对齐以减小转子的磁场，从而允许马达在感应转矩下 恢复，直至马达负载减小或马达达到异步速度，此时致动机构可以使磁路元件重新对齐。图沈示出了致动机构第一实施方式的侧视图，其中无电刷致动器马达80附接于 大型马达30j的永磁体转子以及定子，图27示出了沿图沈中的线27-27所取的无电刷致 动器马达80的横截面图。致动器马达80连接于控制器(或处理器)86，所述控制器(或处 理器)86由马达电源或单独的低压电源供电。用于转动位置感测的传感器/编码器88连 接于控制器86以提供反馈和控制。致动器马达80包括固定线圈82以及附接有磁体的致 动器转子84。致动器转子84连接于转子12j的(一个或多个)可转动永磁体，或连接于转 子12的可转动分路块，以将转子12j调整为弱转子磁场用于启动，以及调整为强转子磁场 用于有效同步操作。图28A示出了马达30j的磁体16，其由致动机构的第一实施方式调整以产生弱磁 场，图28B示出了马达的磁体，其由致动机构的第一实施方式调整以产生强磁场。致动器转 子84直接附连于齿轮62，所述齿轮62转动附连于各圆柱形磁体16的齿轮60a (见图28A 和 28B)。在启动过程中，致动器马达80以与转子12j相同的速度转动，使用定位传感器/ 编码器数据来将转子磁体(或分路块)定位在弱磁场位置，当马达20j达到峰值异步速度 时，致动器马达80可以加速或减速以将转子12j的转子磁体(或分路块)转动至强磁场位 置，此时正常磁通相互作用将保持对齐，并且致动器马达可以随转子12j自由转动而没有 任何损失。图四示出了根据本发明的致动机构的第二实施方式，其中无电刷致动器马达80a 附连于大型马达30k，图30示出了沿图四线30-30所取的无电刷致动马达80的横截面图。 圆柱形永磁体16d包括在线圈82之上延伸的急转弯部，形成致动器马达80a的转子。由此， 致动器马达80能够控制磁体16d的位置。图31A示出了马达30k的磁体16d，其由致动器马达80控制，使用定位传感器/编 码器88数据以及控制器86以产生弱磁场，而图31B示出了由致动器马达80控制以产生强 磁场的磁体16d。虽然本文公开的发明通过其具体实施方式
及应用进行了描述，但是本领域普通技 术人员仍可以对其进行多种修改及变型而不脱离权利要求所述的本发明的范围。
权利要求
1.一种以异步模式和同步模式操作的可重构无电刷交流电动马达，所述马达包括定子，所述定子接收交流电源信号并产生转动定子磁场；转动马达轴；转子，所述转子随所述马达轴一起转动，所述转子包括感应元件，所述感应元件用于与所述转动定子磁场协作，提供操作的所述异步模式用 于马达启动；极块，所述极块固定于所述转子；以及至少一个可移动磁路元件，所述至少一个可移动磁路元件位于所述转子内，并与所述 极块协作，且具有产生弱磁场以允许感应马达启动的第一位置，并能够相对于所述转子移 动至产生强磁场以与所述转动定子磁场协作用于有效同步操作的第二位置。
2.如权利要求1所述的电动马达，其中，所述可移动磁路元件包括至少一个可移动永 磁体。
3.如权利要求2所述的电动马达，其中，所述至少一个可移动永磁体包括磁体轴线平 行于所述马达轴的单个永磁体。
4.如权利要求2所述的电动马达，其中，所述至少一个可移动永磁体包括与所述马达 轴同轴的单个可转动中空永磁体。
5.如权利要求2所述的电动马达，其中，所述至少一个可移动永磁体包括四个角度上 间隔开、轴线平行且为径向对齐转子构造的可转动永磁体。
6.如权利要求2所述的电动马达，其中，所述至少一个可移动永磁体包括四组间隔开、 彼此平行且为径向对齐转子构造的磁体，每组磁体具有至少两个磁体。
7.如权利要求2所述的电动马达，其中，所述至少一个永磁体包括四对间隔开、彼此平 行且为径向对齐转子构造的可转动永磁体。
8.如权利要求2所述的电动马达，其中，所述至少一个可移动永磁体包括四个间隔开、 彼此平行且为磁通挤压构造的可转动永磁体。
9.如权利要求2所述的电动马达，还包括离心闭锁机构，所述离心闭锁机构用于将至 少一个磁体保留在最小磁场位置，直到达到足够用于转换到同步操作的每分钟转数。
10.如权利要求1所述的电动马达，其中，所述可移动磁路元件包括由不导磁且不可磁 化材料制成的可移动分路块，所述可移动分路块与固定永磁体和极块磁性地协作，并且能 够移动以将磁场调整为弱磁场以及调整为强磁场。
11.如权利要求10所述的电动马达，其中，所述可移动分路块为可转动分路环且为圆 柱形，与所述马达轴同轴并围绕与所述马达轴同轴的轴线转动。
12.如权利要求11所述的电动马达，其中，所述可转动分路环包括具有由从前至后延 伸的第一间隙分隔开的分路部的可转动圆柱形形状，所述固定永磁体包括具有由从前至后 延伸的第二间隙分隔开的磁体部的圆柱形形状。
13.如权利要求12所述的电动马达，其中，所述可转动分路环位于所述转子的极块内 侧，所述固定永磁体位于所述可转动分路环内侧。
14.如权利要求13所述的电动马达，其中，所述极块包括与磁体部之间的所述第二间 隙对齐的极块间隙。
15.如权利要求14所述的电动马达，其中，所述可转动分路环上的所述第一间隙与所述极块间隙和所述固定磁体上的所述第二间隙能够不对齐，产生所述弱磁场以允许所述感 应马达启动，并能够转动至第二位置，使所述可转动分路环上的所述第一间隙与所述极块 间隙和所述固定永磁体上的所述第二间隙对齐，从而产生强磁场用于有效同步操作。
16.如权利要求1所述的电动马达，其中，所述可转动磁路元件的转动由粘滞阻尼结构 进行阻尼。
17.如权利要求16所述的电动马达，其中，所述粘滞阻尼结构包括在由粘滞流体填充 的室中的桨。
18.如权利要求16所述的电动马达，其中，所述粘滞阻尼结构包括与所述可转动磁路 元件直接接触的粘滞流体。
19.一种以异步模式启动并在启动后转换至更有效的同步模式的可重构无电刷交流电 动马达，所述马达包括定子，所述定子接收交流电源信号并产生转动定子磁场； 穿过所述定子的马达轴；转子，所述转子位于所述马达轴上，随所述马达轴一起转动，所述转子包括 感应元件，所述感应元件用于与所述转动定子磁场协作，提供所述异步操作模式用于 马达启动；所述转子的极块，所述极块由不可磁化导磁材料制成；以及至少一个可转动永磁体，所述至少一个可转动永磁体位于所述转子内并具有与所述 马达轴平行的磁体轴线，与所述极块磁协作，且具有产生弱磁场以允许感应马达启动的第 一位置，并能够转动至产生强磁场以与所述转动定子磁场协作用于有效同步操作的第二位 置；以及粘滞阻尼装置，所述粘滞阻尼装置延迟所述至少一个可转动永磁体从弱磁场位置至强 磁场位置的转动，直到达到足够转换为同步操作的每分钟转数。
20.一种以异步模式启动并在启动后转换至更有效的同步模式的可重构无电刷交流电 动马达，所述马达包括定子，所述定子接收交流电源信号并产生转动定子磁场； 穿过所述定子的马达轴；转子，所述转子位于所述马达轴上，随所述马达轴一起转动，所述转子包括 棒，所述棒形成鼠笼式结构，用于与所述转动定子磁场感应协作，提供操作的所述异步 模式用于马达启动；所述转子的极块，所述极块由不可磁化导磁材料制成；以及 位于所述转子内的至少一个固定永磁体；至少一个可转动分路块，所述至少一个可转动分路块由不导磁不可磁化材料制成，与 所述固定永磁体和所述极块磁协作，并能够围绕平行于所述马达轴的轴线转动，以将所述 转子的磁场调整为弱磁场用于感应启动，以及调整为强磁场用于有效同步操作；以及粘滞阻尼装置，所述粘滞阻尼装置延迟所述至少一个可转动分路块从弱磁场位置至强 磁场位置的转动，直到达到足够转换为同步操作的每分钟转数。
全文摘要
一种可重构电动马达，其包括容纳可转动永磁体或不导磁分路块的转子。所述磁体和/或分路块具有在启动时产生弱磁场用于异步感应马达操作的第一位置，以及产生强磁场用于有效同步操作的第二位置。马达包括在启动时用于感应马达操作的鼠笼式结构，其中永磁体和/或分路块定位成产生弱磁场从而不干扰启动。当马达接近或达到同步每分钟转数时，永磁体和/或分路块转动以产生强磁场用于高效同步操作。磁体和/或分路块的位置可以由离心机构控制，或者粘滞阻尼装置可以延迟磁体和/或分路块的转动，或者电气控制的装置可以控制磁体和/或分路块的位置。
文档编号H02K29/06GK102055292SQ201010532778
公开日2011年5月11日 申请日期2010年10月29日 优先权日2009年10月30日
发明者安德烈亚·富里亚, 路易斯·J·芬克尔 申请人:路易斯·J·芬克尔