磁定子总成的制作方法
【专利摘要】一种电气装置包括：定子总成；和致动器，其包括具有轴的线圈，其中所述定子总成包括：沿着线性轴配置的定子芯，所述定子芯由多个磁铁组成，每个磁铁的特性在于磁矩，所述多个磁铁沿着所述线性轴配置成堆叠，所述多个磁铁的所述磁矩平行于所述线性轴共线对齐，其中所述多个磁铁包括第一磁铁和第二磁铁，所述第一磁铁和所述第二磁铁在所述堆叠中定位成彼此相邻并由间隙分隔，且其磁矩彼此相反，且其中所述致动器配置在所述定子芯上，所述致动器的所述线圈包围所述线性轴，所述线圈的所述轴平行于所述线性轴。
【专利说明】磁定子总成
[0001]本申请要求2011年7月I日提交的美国实用专利申请第13/175，240号的优先权，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文。
【技术领域】
[0002]本发明大致涉及洛伦兹式致动器发动机/发电机以及在这类装置中使用的磁定子总成。
[0003]发明背景
[0004]1900年以前,Henry Ford和Thomas Edison相互合作以引进电车。但是不久之后汽油发动机比电机更加盛行并且变成庞大汽车行业的基础。与电池供电车辆相比，汽油燃料更便宜，更易于配送，每千克含能量更多，并且能够大量供应。但是电车没有被遗忘。在整个二十世纪，时而试图引进电车。这些试图尤其在预测到能量短缺以及受到高燃料价格威胁而寻求替代品的时期中易于发生。直到最近，那些努力都没有制造出切实可行的商用车。然而，现今对电车的兴趣经历了前所未有的复苏，最近燃料燃烧无疑关系到全球变暖并且人们开始畏惧汽油的高成本。现在有成百上千的大大小小的公司正在设计和建造电车，其中一些公司已经打入商业大众市场。
[0005]许多当前发动机设计是建立在旋转式电机的基础上，其中至少有三种常规类型:直流电机、同步交流电机和感应电机。直流电机包括定子中的固定永久磁铁和呈定子上的线圈形式的旋转电磁铁。电流通过整流环和通过永久性磁铁与流过线圈的电流相互作用产生的磁场而施加在转子上的电磁铁上以在转子上产生扭转力。交流感应电机通常包括固定电磁定子和旋转电磁转子。由定子产生的旋转磁场分布在转子上的电磁线圈中引起电流。转子线圈中引起的电流继而与定子的旋转磁场相互作用而导致转子的旋转运动。相比之下，交流同步电机具有永久磁铁转子和呈缠绕在定子上的线圈形式的电磁铁。旋转磁场通过驱动具有随时间变化的驱动电流的定子线圈而产生。由定子产生的旋转磁场致使转子以磁场的旋转速率转动。
[0006]最近新兴的设计是以洛伦兹式致动器电机或线性电机为基础。不同于通过电机的转子轴直接产生扭转力的其它上述电机，线性电机使致动器线圈产生线性来回移动。该线性来回移动接着通过与凸轮相互作用而转换成旋转运动。一种这样的设计的详情在2009年11月9日提交且以引用的方式并入本文中的U.S.S.N.12/590,495中提出。
[0007]本申请描述了 一种这类线性电机中的定子总成的改进设计。
发明概要
[0008]—般来说，在一个方面，本发明的特征在于一种电气装置，其包括:定子总成；和致动器，其包括具有轴的线圈。定子总成包括定子芯，所述定子芯包括沿着线性轴配置成堆叠的多个磁铁，所述磁铁的每个的特性在于磁矩，堆叠中的多个磁铁具有其平行于线性轴共线对齐的磁矩，所述多个磁铁包括第一磁铁和第二磁铁，所述第一磁铁和所述第二磁铁在堆叠中定位成彼此相邻并由间隙分隔，且其磁矩彼此相反，且其中所述致动器配置在定子芯上，致动器的线圈包围线性轴，线圈的轴平行于线性轴。
[0009]其它实施方案可以包括一个或多个下列特征。致动器被定位在定子芯上且相邻于第一磁铁与第二磁铁之间的间隙。电气装置还包括外包封结构，所述外包封结构具有第一壁和第二壁，其中定子芯和致动器在外包封结构内部，外包封结构包括形成外包封结构的第一侧壁和第二侧壁的至少一个的至少一部分的多个第二磁铁。多个第二磁铁的磁铁每个的特性在于磁矩且多个第二磁铁的磁矩被定向为基本上垂直于定子芯的线性轴。外包封结构包括由磁导率明显高于空气的材料制成的外壳，所述外壳具有第一壁和第二壁且其中多个第二磁铁是在外壳的第一壁和第二壁的至少一个上。外壳由钢制成。外壳的第二壁与外壳的第一壁相对。多个第二磁铁在外壳的第一壁和第二壁两者上。外壳还包括顶壁和底壁，顶壁在第一侧壁顶端与第二侧壁顶端之间架桥，底壁在第一侧壁的底端与第二侧壁的底端之间架桥。
[0010]另外的其它实施方案可以包括一个或多个下列特征。定子芯中的多个磁铁的磁矩在多个磁铁的相邻磁铁之间的首先提及的间隙和第二间隙处沿着线性轴反向。电气装置还包括第二致动器，所述第二致动器包括第二线圈且配置在定子芯上，致动器的线圈包围线性轴，线圈的轴平行于线性轴。首先提及的致动器被定位在定子芯上且相邻于第一磁铁与第二磁铁之间的首先提及的间隙，且第二致动器被定位在定子芯上且相邻于第二间隙。定子芯中的多个磁铁是稀土磁铁，例如钕铁硼磁铁。第一线圈和第二线圈在相同方向上缠绕定子芯。
[0011]另外的其它实施方案也可以包括一个或多个以下特征。电气装置还包括:凸轮总成，其包括可旋转凸轮；和多个凸轮随动件，其与凸轮建立连接，其中第一制动器和第二致动器的每个被耦接到所述多个凸轮随动件，凸轮随动件以物理方式被配置为在电气装置操作期间安置在凸轮上以将第一制动器和第二致动器的线性运动转换为凸轮的旋转。
[0012]一般来说，在另一方面，本发明的特征在于一种电气装置，其包括:定子总成;第一致动器，其包括第一线圈；第二致动器，其包括第二线圈；凸轮总成，其包括可旋转凸轮；和多个凸轮随动件，其与凸轮建立连接。定子总成包括沿着线性轴配置的定子芯，定子芯包括多个磁铁，每个磁铁的特征在于磁矩，所述多个磁铁沿着线性轴配置成堆叠，多个磁铁的磁矩平行于线性轴共线对齐，其中多个磁铁的磁矩在定子芯中的第一间隙和定子芯中的第二间隙处沿着线性轴反向，其中所述第一致动器配置在定子芯上且相邻于第一间隙，致动器的第一线圈包围线性轴，第一线圈的轴平行于线性轴，且其中第二致动器配置在定子芯上且相邻于第二间隙，致动器的第二线圈包围线性轴，第二线圈的轴平行于线性轴，且其中第一制动器和第二致动器中的每个被耦接到多个凸轮随动件，所述凸轮随动件以物理方式被配置为在电气装置操作期间安置在凸轮上以将第一制动器和第二致动器的线性运动转换为凸轮的旋转。
[0013]在下文附图和描述中陈述本发明的一个或多个实施方案的细节。本发明的其它特征、目标和优点将通过描述和图以及权利要求书变得显而易见。
[0014]附图简述
[0015]图1A到图1B示出车轮中的旋转装置。
[0016]图1C示出磁定子总成。
[0017]图2A到图2C示出图1A的旋转装置的横截面图。[0018]图3A到图3C示出旋转装置运转时的组件。
[0019]图3D示出凸轮的另一可行形状。
[0020]图4A到图4B示出具有附加凸轮和磁定子组件的示例性旋转装置。
[0021]图5A示出被附接到旋转装置的磁定子总成的座架。
[0022]图5B是附接到车辆的底盘的旋转装置的横截面图。
[0023]图6A到图6B示出电磁致动器的线圈的构造。
[0024]图7A到图7C示出电磁致动器的线圈的构造。
[0025]图8示出线圈总成。
[0026]图9A到图9C示出处于各个操作阶段的线性洛伦兹式致动器发动机。
[0027]图1OA到图1OB呈现图9A到图9C的发动机的外壳部分的两个视图。
[0028]图1lA到图1lB呈现图9A到图9C的洛伦兹力发动机内的磁铁外壳和配置的两个视图。
[0029]图12示出图9A到图9C的线性洛伦兹式致动器发动机中的磁铁配置。
[0030]图13是暴露冷却剂分布通道的线性洛伦兹式致动器发动机的横截面视图。
[0031]图14是暴露校正杆的线性洛伦兹式致动器发动机的横截面视图。
【具体实施方式】
[0032]本文描述的实施方案是对U.S.S.N.12/590，495 (其内容以引用的方式并入本文)中描述的线性洛伦兹式致动器发动机内的磁定子的设计的改进。在描述新磁定子的细节之前，将首先展现对现有设计和其应用的显著特征的描述以提供背景。
[0033]线性洛伦兹式致动器电机
[0034]线性洛伦兹式致动器发动机是安装在车辆车轮内的旋转装置100，如图1A所示。旋转装置100包括磁定子总成120 ;相对的电磁致动器IlOaUlOb ;和线性到旋转转换器(例如，椭圆形凸轮)105。旋转装置100于例如车轮远侧上的一个点(未示出)处被附接到车辆底盘。旋转装置100使用例如圆形支撑板经由凸轮105附接到车轮，圆形支撑板已经被移除以示出车轮内部。这个板使用紧固件(诸如螺栓)被附接到车轮轮辋和凸轮105。车轮和凸轮支撑板相对于毂145绕轴承150旋转。
[0035]图1B示出自车轮140侧的旋转装置100，其中轮胎和一些其它组件已移除。旋转装置100的芯包括凸轮105 ;两个相对的电磁致动器IlOaUlOb ;和磁定子总成120。电磁致动器IlOaUlOb每个容置线圈115a、115b,线圈115a、115b被配置来相对于磁定子总成120往复运动。一个电磁致动器IlOa被不为具有包围其线圈115a的外壳155a且另一电磁致动器IlOb被示为其外壳已移除以示出其线圈115b。
[0036]图1B中描述的磁定子总成120被垂直定向且包括多个磁定子125a、125b,每个磁定子包括多个个别永久磁铁。当电流被施加到电磁致动器110a、IlOb的线圈115a、115b (例如，交流电流)时，由于所产生的电磁力(即，洛伦兹力)，致动器110a、IIOb被迫沿着磁定子总成120垂直移动。如众所周知，当承载电流的线圈被放置在磁场中时，该电流的每个移动电荷经历被称为洛伦兹力的力，并且其一起在线圈上产生净力。
[0037]旋转装置100还包括耦接到轴承支撑结构165的多个轴130a、130b。电磁致动器IlOaUlOb使用例如线性轴承沿着轴滑动。一对随动件135a-d附接到每个电磁致动器llOaUlOb,随动件135a-d与凸轮105建立连接以将其线性运动转换为凸轮的旋转运动。为了减小摩擦，随动件135a-d自由旋转以在操作循环期间在凸轮105的表面上滚动。随动件135a-d经由例如致动器的外壳被附接到电磁致动器110a、110b。随着电磁致动器110a、IlOb往复运动，由凸轮105上的随动件135a-d施加的力驱动凸轮105使其进行旋转运动。
[0038]图1C示出具有两个磁定子125a、125b的磁定子总成120。磁定子125a、125b每个包括多个磁铁。例如，磁定子125a在一个端面部分上包括八个磁铁160a-h。全部磁铁160具有垂直于其安装表面定向且在相同方向上的磁矩。
[0039]图2A到图2C通过横截面视图示出旋转装置如何操作。图2A的旋转装置是在车辆的车轮140内且包括耦接到具有两个磁定子125a、125b的磁定子总成120的毂(或座架)145。还示出两个电磁致动器(包括线圈)110a、110b，其沿着轴130a、130b (如虚线所示)相对于磁定子总成120往复运动。轴130a、130b被耦接到轴承支撑结构165，使装置的组件保持垂直对齐，且防止车轮140从旋转装置掉落。耦接到车轮140的凸轮板170通过轴承150被旋转地耦接到轴承支撑件165。用来驱动凸轮板170且因此车轮140处于旋转运动的凸轮105附贴到凸轮板170。凸轮105通过使用耦接到电磁致动器IlOaUlOb且与凸轮105建立连接的随动件135a-d由电磁致动器IlOaUlOb的往复运动驱动。同样包括在示例性装置中的是耦接轴承支撑件165和座架145的减振器175a。减振器175a将座架145悬挂在地面上方且可以根据减振器的阻力大小而允许在轴承支撑件165与座架145之间进行一些移动。例如，如果减振器是气动减振器，那么减振器的腔室内部的较高气体压力相较于较低空气压力允许更少的移动。
[0040]图2B示出在不具有减振器175a的情况下，由电磁致动器IlOaUlOb和磁定子125a、125b引起的电磁力可以将座架145悬挂在地面上方。然而，如果从电磁致动器110a、IlOb移除电流，那么相关的电磁力也将被移除且座架145将连同磁定子总成120和车辆底盘一起朝地面下降，如图2C所示。
[0041]图3A到图3C示出旋转装置100在运转时的组件，包括旋转装置的电磁致动器110a、IlOb (具有相关的线圈115a、115b和随动件135a_d)和相对于磁定子总成120 (包括相关的磁定子125a、125b)移动的凸轮105。这些图中没有示出外壳，随动件通过外壳附接到线圈。如由图3A到图3C所示，相对的线圈115a、115b的往复移动驱动凸轮105旋转，其继而可导致附接到凸轮105的车轮旋转。线圈115a、115b在图3A中被示为处于几乎分开最远距离处。图3B示出随着线圈115a、115b彼此靠近移动，线圈115a、115b驱动凸轮105以顺时针方向旋转，从而导致任意附接的车轮也进行顺时针旋转。在示例性装置中，施加在凸轮105上的力由挤在凸轮105上的外随动件135a、135c引起。图3C示出线圈115a、115b甚至一起靠得更近，从而导致凸轮105进一步做顺时针移动。
[0042]在线圈115a、115b已经到达其彼此的最近距离且凸轮105在这种情况下已经旋转了 90度之后，线圈115a、115b开始远离彼此移动且驱动凸轮105继续顺时针旋转。随着线圈115a、115b远离彼此移动，内部随动件135b、135d通过在凸轮105上向外推动而将力施加在凸轮105上。
[0043]应注意凸轮105在图中被示为椭圆形，但是其可以具有更加复杂的形状，举例来说，诸如具有偶数个叶片的形状，如图2D中所示。每个叶片的边的形状可以呈例如正弦波、阿基米德螺旋线的部分或某其它曲线的形式。叶片的数量决定线圈必须完成多少个循环以致使凸轮旋转完整的一圈。具有两个叶片的凸轮将在两个线圈循环时旋转完整的一圈。具有四个叶片的凸轮将在四个线圈循环时旋转完整的一圈。此外，凸轮中的更多叶片导致更大的扭转力。
[0044]在一些装置中，由线圈115a、115b产生的热量通过在线圈115a、115b上喷洒液体冷却剂(举例来说，诸如水或矿物油或另一种已知的可以充当良好液体冷却剂的材料)而分散。在所示实例中，这是通过喷洒液体使其通过磁定子125a、125b的磁铁中的通道146并且在线圈115a、115b经过通道146时喷洒到线圈115a、115b上来实现。液体冷却剂通过磁定子总成120中的通路而被输送到通道146。喷洒的液体接着被收集或回流以重新使用或替代地，在液体是水的情况下，可允许其以蒸汽从旋转装置排出。
[0045]图4A示出类似于图3A到图3C装置的旋转装置，除在磁定子总成120的另一侧上具有附加凸轮106以外。第二凸轮106例如使用另一圆形板被附接到车轮的另一侧。线圈115a、115b的往复运动也用于驱动第二凸轮106使其进行旋转运动。同样在本实例中，磁定子总成120具有由磁导材料制成的长延展盒状芯，在任一端部上具有磁定子125a、125b。在该情况下，每个磁定子125a、125b包括位于磁定子总成120的全部四个侧面上的磁铁。盒状芯(在本装置中其上附贴磁定子125a、125b)充当磁定子125a、125b的磁场的返回路径。还在图3A中示出，电磁致动器的线圈115a、115b具有矩形横截面且被配置来包围磁定子125a、125b。这种配置允许有效利用线圈115a、115b与磁定子125a、125b之间的电磁力。
[0046]图4B示出图4A的旋转装置，除线圈115a、115b的外部配置附加磁铁325a、325b以外。在本装置中，磁定子总成120的每一端包括附加的四个磁铁阵列，矩形横截面线圈315a、315b的每一侧上具有一个磁铁阵列。附加磁铁325a、325b使得能够产生更大的电磁力。图4B中还示出附加磁铁325a、325b的附加磁铁返回路径320。
[0047]图5A示出座架145，磁定子总成120 (包括磁铁和返回路径)附接到座架145。座架是例如车辆底盘(未示出)的部分或进一步附接到所述车辆底盘。特定地说，座架145包括外毂板445a和内毂板445b，后者用螺栓固定到车辆底盘。电流到线圈115a、115b的传输通过从座架145延伸到线圈115a、115b的导电电线(图5A中未示出)实现。电线允许电流传输到线圈115a、115b，即使当线圈沿着磁定子总成120往复运动时也是如此。电线经由电路电连接到电源(图5A中未示出)，所述电源将受控电流传输到线圈115a、115b。
[0048]图5B示出附接到车辆405的底盘的旋转装置的横截面图。图4B类似于图2A到图2C所示内容，除为了明了起见移除了一些组件以外。该图示出耦接到车辆405底盘的座架145和磁定子总成120。还示出凸轮105、凸轮板170、车轮140、轴承150和电磁致动器IlOaUlOb0电力单元410耦接到座架145，电力单元410用来通过一对电线415a、415b将驱动电流输送到电磁致动器110a、110b。电池420也耦接到座架145以存储用来驱动装置的电力。虽然电力单元410和电池420被示为耦接到座架145，但是电力单元410、电池420或两者可以替代地耦接到支撑结构165 (参见图2A)。
[0049]电力单元410通过在车辆405底盘上的控制器430以及通过在控制器430和电力单元410之间延伸的光纤电缆435控制。旋转装置还包括连接电力单元410和电池420的双向电力线440。在作为电机操作期间，电力从电池420流到电力单元410并且流到电磁致动器IlOaUlOb上。在作为发电机操作期间，电力从电磁致动器IlOaUlOb流到电力单元410并流到电池420上。车辆还包括用于使用外部电源(未示出)(诸如在混合驱动车辆情况下的电插座或汽油发动机)来对电池420进行充电的充电器425。在进行这类充电期间，电力从外部电源流到充电器425且通过线427、电力单元410和双向电力线440流到电池420。因此，电池420可以通过外部电源或通过充当发电机的旋转装置而进行充电。
[0050]通过将电力传输到电磁致动器110a、110b，电力单元410控制线圈的往复运动。例如，当高速运转时，电力单元410控制线圈进行恒定的往复运动。在车辆实施方案中，控制器430由车辆的驱动器(未示出)操作且响应于驱动器发出的动作，控制器430发送命令给电力单元410以致使旋转装置例如加速、减速或改变方向。此外，电力单元410可以被配置来提供驱动电流给电磁致动器IlOaUlOb以在相同方向上驱动其线圈，从而使车轮140产生垂直平动。由旋转装置致使的车轮140的任何平动可被电力单元410感测到。在一些配置中，电力单元410被配置来通过致使电磁致动器IlOaUlOb充当电力发电机和减振器而从车轮的平动吸收能量。这种能量可以被转移到电池420进行存储。
[0051]图6A到图6B示出电磁致动器之一的线圈的构造。取代由一件连续材料制成的是，线圈包括多个堆叠在一起且电串联耦接的平坦线圈段。图6A示出组合成一个线圈1400的四个线圈段。电磁致动器内的整个线圈可以包括多个这类线圈。图6B示出图14A的线圈的分解图1405。示例性线圈的每个段1410a-d是通过例如压印或蚀刻形成的平坦U形金属件。段1410a-d(全部相同)被组装成图6B中所示的配置以形成完整线圈。
[0052]每个段相对于线圈段堆叠中其后的线圈段旋转270度(或取决于旋转方向旋转90度)。这致使堆叠中的上线圈段1410b的起始端1425与堆叠中紧接的下线圈段1410a的结束端1420对齐。例如包括四个U形线圈段1410a-d的线圈环绕三次以在其起始的相同相对位置(诸如端1415和端1450)结束。
[0053]制造这种电线圈涉及制造所述多个平坦线圈段；将所述多个线圈段堆叠在一起，其中每个线圈段相对于其后线圈段旋转；和将线圈段紧固在一起以形成电线圈。
[0054]为了防止电流在线圈段之间短路，每个段涂有电绝缘材料层，除连接一个段到下一个段的表面以外。替代地，取代涂覆段的是，电绝缘材料层可以插在线圈段之间。当线圈段1410a-d以图14A所示的形式组装时，紧固件(诸如螺栓)插入穿过点1415、1420、1425、1430、1435、1440、1445和1450处所示的开口。除通过用紧固件预加载机械和电气连接之夕卜，或取代用紧固件预加载机械和电气连接的是，段1410a-d也可以通过焊接或铜焊而接
八
口 ο
[0055]图7A到图7C示出电磁致动器的另一线圈配置的构造。图7A示出整个线圈2000，其可以由多个较小线圈区段组成。图7B示出组合成一个线圈区段2005的四个线圈段。多个这类段可以被组合以形成图7A的较大线圈2000。如图7C所示(图7C是线圈2005的分解图2010)，示例性线圈的每个段2015、2020、2025、2030是通过例如压印或蚀刻形成的平坦金属件。段2015、2020、2025、2030以图7C中所示的配置组装以形成整个线圈。当组装时，电流2075流过线圈，例如从起点2035流到终点2070且从一个段流到下一个段，其中其于其重叠端耦接。
[0056]图8示出使用图7的线圈设计的线圈总成。其包括由多个彼此上下堆叠的线圈段组成的线圈2100，其中端板2102由堆叠的每端上的非传导聚碳酸酯材料制成。这种配置由四个螺栓2106保持在一起，每个角落一个螺栓且螺栓穿过端板和线圈段中的孔。端子2108和2110提供电连接到线圈堆叠的端部。[0057]改进的磁定子设计
[0058]下文详细描述的改进磁定子总成设计包括至少两个特征，与采用先前描述的磁定子总成的发动机相比，所述至少两个特征明显增强发动机的性能。首先，其包括由永久磁铁堆叠构造的芯，所述磁铁的磁极被定向为平行于致动器的移动方向。且其次，其包括外壳，所述外壳由磁导材料制成、形成围绕定子元件的配置的闭合路径且有效地包含并提供由那些定子元件产生的磁场的返回路径。
[0059]参考图9A，具有改进的定子设计的线性洛伦兹式致动器发动机600包括定子芯602，其中两个致动器总成604a和604b安装在定子芯602上。每个致动器总成604a和604b分别包括线圈606a和606b，所述线圈包围定子芯602，线圈的轴与定子芯603的轴608对齐。
[0060]定子芯602界定线性轨道，致动器总成604a和604b响应于被输送到致动器总成内部的线圈的驱动电流在线性轨道上来回移动。定子芯602是永久磁铁610 (I)-(13)的堆叠，其磁矩被共线配置且平行于定子芯602的轴608对齐。定子芯602被保持在由磁导率相对较高的金属制成的外壳612内。如将在下文描述中变得更加显而易见，外壳612为永久磁铁的磁场提供闭合的返回路径。
[0061]同样参考图1OA到图10B，外壳612包括组装在一起的多个组件。这些组件包括左侧壁614a、右侧壁614b、顶板614c和底板614d。顶板614c和底板614d用钢制螺栓615固定到侧壁中。
[0062]左侧壁614a和右侧壁614b中的每个包括对齐脊部616。在每组四个对齐脊部之间，存在由金属分隔件620分隔的两个磁铁618。磁铁通过磁引力紧靠侧壁保持且无需其它保持构件。每个磁铁618配置在侧壁上，其磁矩垂直于定子芯602的轴以提供最高效磁场来移动载流线圈。每个分隔件620包括若干孔口 622，在操作期间冷却剂通过所述孔口 622注入外壳以冷却绕组。(在图1lB中可以更清楚地看到孔口 622。)外壳612内的通道与分隔器620中的通道对齐且其一起提供一条路径，冷却剂通过所述路径被供应到孔口 622而喷洒到线圈上。冷却剂通过侧壁之一的侧面中的开口 624被供应到外壳内的通道。(下文将更全面地描述通道。)
[0063]同样参考图12，定子芯602由堆叠的13个磁铁组成，其中分隔件626位于自顶部起的第4个磁铁与第5个磁铁之间，且另一分隔件626位于自顶部起的第9个磁铁与第10个磁铁之间。分隔件将芯划分成三个区段:上区段、中间区段和下区段。当组装发动机600时，分隔件626与位于外壳侧壁614a和614b上的磁铁618之间的分隔件620对齐。且如同外壳侧壁上的分隔件，这些分隔件还具有孔口 628，在操作期间冷却剂通过孔口 628注入外壳内部。在每个分隔件626的四侧的每一侧上具有两个孔口 628。凭借侧壁上以及定子芯中的分隔件中的孔口阵列，在发动机操作期间冷却剂被喷洒到线圈606a和606b的内表面和外表面上。
[0064]在所述实施方案中，磁铁610和618是钕铁硼磁铁(NdFeB)，其是普遍使用的稀土磁铁且是当前商业上可购得的最强永久磁铁之一。外壳612由低碳钢制成，诸如1018、1010或1005，其具有大于约530的相对磁导率(具有零磁场)。为了提供正在被描述的发动机尺寸的某透视图，永久磁铁长约50mm且厚约10mm。磁铁618与定子芯602之间、磁铁610 (4)与610 (5)之间以及磁铁610 (9)与610 (10)之间的间隔全部为约12mm。且致动器总成的冲程是约50mm。
[0065]图12示出磁铁的配置，出于图示目的，全部其它组件被移除。外壳的上半部分中的四个定子磁铁618具有垂直指向并朝向定子芯602的轴608的磁矩(即，磁铁的北极面向定子芯602)。外壳的下半部分上的四个磁铁具有垂直指向并且远离定子芯602的轴608的磁矩。相比之下，定子芯602内的磁铁610被配置为具有平行于定子芯602的轴608指向的磁矩。其所定向的方向在定子芯602的不同区段中不同。上区段具有彼此上下堆叠的四个磁铁，北极沿着定子芯的轴全部向上。下区段具有彼此上下堆叠的四个磁铁，同样北极沿着定子芯的轴全部向上。定子芯602的中间区段具有彼此上下配置的五个磁铁，北极沿着定子芯的轴全部向下，即与下区段(和上区段)的磁铁相对。
[0066]这种磁铁配置产生三个磁路。上磁路包括外壳上的两个顶部磁铁和定子芯的上区段中的四个磁铁。下磁路包括外壳上的两个底部磁铁和定子芯的下区段中的四个磁铁。且中间磁路包括外壳上的四个中间磁铁和定子芯中的五个磁铁。外壳的上部形成上回路中的磁场的返回路径，外壳的中间区段形成中间区段中的磁场的磁返回路径；且外壳的下部分形成下磁路的磁场的返回路径。人们能够容易了解使外壳从定子芯端部连续延伸到附贴到外壳侧壁的磁铁的价值。以此方式提供具有高磁导率的返回路径增强安装在外壳和定子芯上的磁铁之间的间隙内的磁场。具有相反磁矩的相邻磁铁迫使磁场集中在间隙附近。如同这种特别设计，线圈所见的产生的最强磁场趋于位于由分隔件形成的间隙附近，在所述实施方案中，其也是线圈操作范围的中点。
[0067]为了了解力如何作用在载流线圈上，考虑上线圈并且假定其承载的电流行进穿过如图12所示按惯例指示的线圈。即，在定子芯左侧上，电流垂直于图像平面且从所述平面出来，其意味着在右侧电流垂直于图像平面且进入所述平面。由于间隙中的磁场定向是朝向定子芯，所以其在承载电流的线圈绕组上产生的力平行于定子芯并且向上。在定子芯的另一侧，其中磁场方向是呈相反方向(即，远离定子芯)且线圈绕组中的电流进入图像的平面中，而不是从平面中出来，线圈绕组上产生的力也平行于定子芯并且在向上方向上。因此，关于如所述的驱动电流，线圈将被沿着定子芯的长度向上推动。
[0068]对于下线圈，其在与上述相反的方向上经历磁场，人们能够容易地了解在电流在与上述方向相同的方向上流动的情况下，线圈绕组上产生的力再次与定子芯平行，但方向为向下方向。因此，在电流流过如所述线圈的情况下，所述两个致动器总成将被背离彼此推动。
[0069]逆转两个线圈中的电流将导致力的方向与上述方向相反。且在那些情境下，致动器总成将被迫使朝向彼此。通过适当控制施加到线圈的电流，人们可以致使致动器朝向彼此移动且接着以振荡方式背离彼此移动。附接到致动器总成的凸轮随动件和凸轮(凸轮随动件抵靠凸轮安置)将使该来回振荡运动转化成旋转运动。
[0070]图9A、图9B和图9C中示出两个线圈606a和606b在其移动经过完整操作循环时的不同位置。图9B示出操作循环的中点。在此点，每个线圈606a和606b的中间与定子芯602的半部中的分隔件626(不可见)对齐。且先前描述的凸轮随动件位于凸轮的最陡部分上。图9A示出循环底部，线圈606a和606b彼此相距最近。在此点线圈朝向彼此的移动已经停止且其在提供驱动电流的控制器的控制下即将开始背离彼此移动。图9C示出循环顶部，线圈606a和606b彼此相距最远。在此点线圈朝向彼此的移动已经停止且其在提供驱动电流的控制器的控制下即将开始朝向彼此移动。
[0071]应注意存在应用于外壳的具竞争性的设计目标。需避免外壳中的材料过量，其将会导致发动机的重量增加以及尺寸变大。且还需返回路径中的磁导材料(即，钢和磁铁的组合)充满，因此线圈看到与不存在任何磁场情况下外壳材料本身的磁导率相比较低的有效磁导率。因此，线圈将具有较低有效电感且从而需要较低电压来产生相当的驱动电流。然而，还需存在足够的磁导材料来包含磁场且使外壳外部的磁场边缘现象最小化。
[0072]在所述实施方案中通过移除非磁返回路径部分的材料和通过逐渐缩小通量较低的外壳的厚度而追求这些具竞争性的目标。例如,在图1OA到图1OB中注意到外壳的侧壁厚度在磁铁后方的侧壁区域中逐渐减小(参见参考数字652所指示的区域)。而且，注意到端板具有圆形角落使得该区域中的通量可看到贯穿该区域的近似恒定横截面面积。角落设计部分由外壳中磁场将采取的自然路径引导且将趋于在磁场的主路径外部的材料被移除。为了加强被制成较薄的侧壁部分的强度，使用沿着侧壁外部长度终止的肋部650 (或I梁结构)。
[0073]通过在返回路径中充满外壳材料，已经确定如由线圈所见的电路的有效磁导率非常接近空气的有效磁导率。因此，线圈的感应系数低很多且驱动线圈所需的电流相应较小。换句话说，相同扭转力可以通过使用较小电流达成，其继而降低对驱动电路的要求且使得可能使用除铜以外的材料来制造线圈(例如，铝)。或替代地，通过确保外壳材料充满磁场，任何给定的驱动电流可达成的扭转力较大。对于图9的实施方案，当与图4的实施方案比较时，整合的磁场强度和力大约大3到4倍。此外，在两个方向上可达成的力更具可比性，因为由线圈产生的磁场对线圈电流所见的净磁场影响较小(即，存在较少反电动势(EMF))。
[0074]图13示出暴露侧壁中内部通道的外壳的横截面视图，所述内部通道被用来将冷却剂供应给介于安装在侧壁内部上的磁铁之间的分隔件中的孔口。用于引进冷却剂的输入端口 656被设置在侧壁之一的侧面上。这些端口 656连接到通道658a和658b，通道658a和658b在侧壁内延伸直到端板614c和614d中形成的相应通道。端板中的通道跨端板延伸且与在另一侧壁614b内部延伸到分隔件620所处的水平处的相应通道662a和662b连接。在分隔件620的位置上，侧壁中存在孔，孔将通道662a和662b连接到分隔件620中的稳压室且冷却剂从孔输送到孔口而喷洒到线圈上。
[0075]图14不出暴露两个校正杆664之一的定子总成的横截面视图,所述校正杆664用于使定子心磁铁彼此对齐、将整个磁铁堆叠保持在一起、以及将冷却剂输送到定子芯602内的分隔件626。每个杆664包括向下延伸到杆中的通道670且在通道的上部内具有内部螺纹以接收螺栓668。每个杆664通过定子芯中的每个磁铁中的相应孔。在组成定子芯的磁铁堆叠的每端上，存在由螺栓668保持在杆上的端帽666。端帽用于将磁铁一起保持在杆上且提供通路，冷却剂通过通路可以被泵抽到杆内的通道670中。每个通道670延伸到杆中足够远以达到分隔件626的水平。在杆中接近每个通道670的下端附近，存在使冷却剂能够流入分隔件626内的小稳压腔室中且连接到孔口的孔，冷却剂通过孔口向线圈注射。
[0076]根据上述原理设计的装置可以是发动机、发电机或发动机/发电机的组合。
[0077]其它实施方案在上述权利要求书的范畴内。例如，同样可行的是构造永久磁铁而非如上所述钢和磁铁组合的整个外壳。在一个这样的实施方案中，夕卜壳可能由两个形成为圆柱形形状的空心磁铁(即，具有圆形横截面)或具有矩形横截面的导管制成。在任一情况下，一个磁结构将被定位在另一磁结构上方，两个磁结构外切芯且其磁矩被定向为彼此相反。磁矩可以被定向成平行于芯轴(即，北极在容器结构的顶端且南极在容器结构的底端，即相对端)或相对于该轴径向定向。制造整个结构，尽管在物理方式上更具挑战性，但是其具有在返回路径中无钢或其它非磁性材料的优点，由芯磁铁生成的磁场必须经过返回路径。
【权利要求】
1.一种电气装置,其包括: 定子总成；和 致动器，其包括具有轴的线圈， 其中所述定子总成包括: 沿着线性轴配置的定子芯，所述定子芯包括多个磁铁，每个磁铁的特征在于磁矩，所述多个磁铁沿着所述线性轴配置成堆叠，所述多个磁铁的所述磁矩平行于所述线性轴共线对齐，其中所述多个磁铁包括第一磁铁和第二磁铁，所述第一磁铁和所述第二磁铁在所述堆叠中被定位成彼此相邻并由间隙分隔，所述第一磁铁和所述第二磁铁具有其彼此相反的磁矩，且其中所述致动器配置在所述定子芯上，所述致动器的所述线圈包围所述线性轴，所述线圈的所述轴平行于所述线性轴。
2.根据权利要求1所述的电气装置，其中所述致动器定位在所述定子芯上且相邻于所述第一磁铁与所述第二磁铁之间的所述间隙。
3.根据权利要求1所述的电气装置，其还包括外包封结构，所述外包封结构具有第一壁和第二壁，其中所述定子芯和所述致动器是在所述外包封结构内，所述外包封结构包括形成所述外包封结构的所述第一侧壁和所述第二侧壁的至少一个的至少一部分的多个第二磁铁。
4.根据权利要求3所述的电气装置，其中所述多个第二磁铁的所述磁铁每个的特性在于磁矩且其中所述多个第二磁铁的所述磁矩被定向为基本上垂直于所述定子芯的所述线性轴。
5.根据权利要求3所述的电气装置，其中所述外包封结构包括由磁导率明显高于空气的材料制成的外壳，所述外壳具有第一壁和第二壁且其中所述多个第二磁铁是在所述外壳的所述第一壁和所述第二壁的至少一`个上。
6.根据权利要求5所述的电气装置，其中所述外壳包括钢。
7.根据权利要求5所述的电气装置，其中所述外壳的所述第二壁与所述外壳的所述第一壁相对。
8.根据权利要求7所述的电气装置，其中所述多个第二磁铁是在所述外壳的所述第一壁和所述第二壁两者上。
9.根据权利要求5所述的电气装置，其中所述外壳还包括顶壁和底壁，所述顶壁在所述第一侧壁的顶端与所述第二侧壁的顶端之间架桥，所述底壁在所述第一侧壁的底端与所述第二侧壁的底端之间架桥。
10.根据权利要求9所述的电气装置，其中所述外壳的所述第一壁、所述第二壁、所述顶壁和所述底壁由磁导率明显大于空气的材料制成。
11.根据权利要求9所述的电气装置，其中所述外壳的所述第一壁、所述第二壁、所述顶壁和所述底壁由钢制成。
12.根据权利要求1所述的电气装置，其中所述多个磁铁的所述磁矩在所述多个磁铁的相邻磁铁之间的首先提及的间隙和第二间隙处沿着所述线性轴反向。
13.根据权利要求12所述的电气装置，其还包括第二致动器，所述第二致动器包括第二线圈，所述第二致动器配置在所述定子芯上，所述第二致动器的所述第二线圈包围所述线性轴，所述线圈的所述轴平行于所述线性轴。
14.根据权利要求13所述的电气装置，其中所述首先提及的致动器被定位在所述定子芯上且与所述第一磁铁与所述第二磁铁之间的所述首先提及的间隙相邻，且所述第二致动器被定位在所述定子芯上且与所述第二间隙相邻。
15.根据权利要求1所述的电气装置，其中所述定子芯中的所述多个磁铁是稀土磁铁。
16.根据权利要求15所述的电气装置，其中所述定子芯中的所述多个磁铁是钕铁硼磁铁。
17.根据权利要求13所述的电气装置，其中所述第一线圈和所述第二线圈在相同方向上缠绕所述定子芯。
18.根据权利要求13所述的电气装置，其还包括: 凸轮总成，其包括可旋转凸轮；和 多个凸轮随动件，其与所述凸轮建立连接，其中所述第一致动器和所述第二致动器的每个耦接到所述多个凸轮随动件，所述凸轮随动件以物理方式配置为在所述电气装置操作期间安置在所述凸轮上以将所述第一致动器和所述第二致动器的线性运动转换为所述凸轮的旋转。
19.一种电气装置,其包括: 定子总成； 第一致动器，其包括第一线圈； 第二致动器，其包括第二线圈；` 凸轮总成，其包括可旋转凸轮；和 多个凸轮随动件，其与所述凸轮建立连接， 其中所述定子总成包括: 定子芯，其沿着线性轴配置，所述定子芯包括多个磁铁，每个磁铁的特性在于磁矩，所述多个磁铁沿着所述线性轴配置成堆叠，所述多个磁铁的所述磁矩平行于所述线性轴共线对齐，其中所述多个磁铁的所述磁矩在所述定子芯中的第一间隙和所述定子芯中的第二间隙处沿着所述线性轴反向，其中所述第一致动器被配置在所述定子芯上且与所述第一间隙相邻，所述致动器的所述第一线圈包围所述线性轴，所述第一线圈的所述轴平行于所述线性轴，且其中所述第二致动器被配置在所述定子芯上且与所述第二间隙相邻，所述致动器的所述第二线圈包围所述线性轴，所述第二线圈的所述轴平行于所述线性轴，且 其中所述第一致动器和所述第二致动器的每个耦接到所述多个凸轮随动件，所述凸轮随动件以物理方式配置为在所述电气装置操作期间安置在所述凸轮上以将所述第一制动器和所述第二致动器的线性运动转换成所述凸轮的旋转。
20.根据权利要求19所述的电气装置，其中所述定子总成还包括: 外壳，其由磁导率明显高于空气的材料制成且具有第一侧壁和与所述第一侧壁相对的第二侧壁，其中所述定子芯连同所述第一制动器和所述第二致动器被安装在所述外壳内且在所述第一侧壁与所述第二侧壁之间；和 多个第二磁铁，其被配置在所述外壳的所述第一侧壁和所述第二侧壁上，所述多个第二磁铁的所述磁铁的每个的特性在于磁矩且其中所述磁铁被配置在所述外壳的所述第一侧壁和所述第二侧壁上，所述多个第二磁铁的所述磁矩被定向成垂直于所述定子芯的所述线性轴。
【文档编号】H02K7/09GK103828201SQ201280037820
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年6月28日 优先权日:2011年7月1日
【发明者】兰·W·亨特, 蒂莫西·A·福丰诺夫 申请人:核科学股份有限公司