专利名称：电磁感应驱动方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电磁感应驱动方法和装置，其中靠使用一个交流电源的电磁感应来产生一个驱动力。
作为电磁感应驱动装置的例子可以给出三相感应电动机和单相感应电动机。这些电动机包括一个固定的外定子和一个笼形转子，该定子设有数量上等于相数乘以极数的线圈。相位上彼此错开的交变电流施加于那些励磁线圈以便建立一个旋转磁场或移动磁场。在单相感应电动机的场合，一个电容器连接于该线圈以便移动交流电流的相位。由于旋转磁场与转子之间相对运动速度的差异，在笼形转子中产生一个感生电流，而在该感生电流与旋转磁场之间沿着由弗莱明左手定则确定的方向产生一个电磁力以驱动性地使转子旋转。
已经知道这些感应电动机有以下问题。
具有规定匝数的而且在数量上等于相数乘以极数的励磁线圈布置在形成于定子的铁心内表面的槽中，致使诸线圈的准备需要很大的工作量。此外，库存中需要准备多种电动机，相当于想要的转速和电源频率或电源电压上的差异的组合数，电源频率或电源电压是随地区而异的。
旋转驱动力包含电源频率两倍的振动分量，致使当以低速驱动时，电动机会产生噪声。
转子的旋转通过皮带、皮带轮、齿轮之类传递到其他装置。这必然伴有受损的传动效率、功率损失和产生噪声。
此外对于三相感应电动机，产生旋转磁场的方向可通过把电源的三相中的两相彼此对掉而反向，这使驱动轴很容易反向旋转，而单相感应电动机的驱动轴的旋转不能反向。因此，当由该电动机可得到的转矩需要反向时，必须采用传动装置之类装置使驱动轴的旋转反向。这使得该装置变得尺寸大而且复杂。
本发明提供一种电磁感应驱动装置，其中该驱动件可根据与常规的三相或单相感应电动机的原理不同的原理旋转或直线运动。
本发明的装置包括一个由导电的非磁性材料制成的并且可旋转或可直线运动地支撑的驱动件4，和分别布置在该驱动件的外侧和内侧的一个外磁性件2和一个内磁性件3，这些磁性件与其运动方向垂直。
为磁通穿过而形成闭合磁路，以便在外磁性件与内磁性件2、3之间的至少三个部位穿透驱动件4。驱动件4在其与运动方向垂直的对置侧部设置不对着磁极22、23的、即不被磁通穿过的边缘部41、42。穿过各自的磁路的诸磁通在相位上是不同的。磁通的相位差异使驱动件4相对于外磁性件和内磁性件2、3中的一个或两个运动。
本发明的装置有闭合磁路，因为由外磁性件2发出的磁通穿过驱动件4然后穿过内磁性件3，再次穿透驱动件4并返回到外磁性件2，而包括一个定子和一个转子的常规感应电动机与本发明的不之处在于，没有闭合磁路通过笼形转子的导电部延伸。
根据本发明，驱动件4设在由外磁性件2和与之相对的内磁性件3所界定的闭合磁路的空隙中，而且穿透驱动件4的至少三个磁通在相位上彼此不同。如图2d中所示，穿透该驱动件的诸磁通在驱动件4的平面中感生各自的电流。例如，磁通2产生一个感生电流I32，该感生电流在一个边缘部41中沿驱动件4的运动方向流过，然后横跨穿透驱动件4的相邻磁路的磁通1，在另一个边缘部41中朝相反方向流过，然后横跨穿透驱动件4的另一个磁路的磁通3流过，于是电流I32沿一个完整路径流过以便在驱动件4上、在磁通1、3与感生电流I32之间产生电磁力F21、F23，借此驱动件4旋转或直线运动。
本发明的一个目的在于提供一种方法和一种装置，其中一个内磁性件3和一个驱动件4各制成圆筒形并连接在一起，而一些磁极22在一个外磁性件2上形成，以便使内磁性件3和驱动件4旋转(图5a和5b)。
本发明的另一个目的在于提供一种方法和一种装置，其中一个外磁性件2和一个驱动件4各制成圆筒形并连接在一起，而一些磁极32在一个内磁性件3上形成，外磁性件2和驱动件4是可旋转的(图6a和6b)。
本发明的另一个目的在于提供一种装置，其中外磁性件和内磁性件2、3中至少一个设有至少三个磁极22，诸磁极中至少一个设有一个前向和反向驱动共用的线圈51，其他诸磁极分别设有一个前向驱动线圈61和一个反向驱动线圈71，该前向和反向驱动线圈51与一个交流电源电气上串联连接，构成一个闭合电路5，该前向驱动线圈61和该反向驱动线圈71交替地与一个由一个电容器、电阻器或其组合组成的电气元件63串联连接，以构成闭合电路6、7，借此在穿透驱动件4的诸磁通量之间产生一个前向或反向相位差异，本发明还提供产生该相位差异的一种方法和一种装置(
图1a和1b)。
图1a是实施本发明的一种电磁感应驱动装置的示意图，表示一种基本结构；图1b是沿图1a中的线B-B剖切并沿平面展开的该装置的透视图；图2a至2d是示意图，表示由驱动件4和磁极22的配置产生感生电流和电磁力的原理；图3a至3c是曲线图，表示第一、第二和第三铁心231、232、233的诸磁极处的诸磁通随时间的变化及诸感生电流随时间的变化；图4a是示意图，表示该基本结构的驱动原理；图4b是其中驱动件4可直线运动的一个实施例的透视图；图5a是具有该基本结构的一种电磁感应驱动装置的纵剖视图；图5b是沿与该装置的旋转轴垂直的一个平面截取的剖视图；图6a是另一个实施例的纵剖视图；图6b是沿与图6的该装置的旋转轴垂直的一个平面截取的剖视图；图7是另一个实施例的剖视图；图8a和8b透视图，表示本发明用于各种用途的实施例；以及图9是透视图，表示驱动件4的其他实施例。
下面将对照诸附图详细描述本发明的电磁感应驱动装置。基本结构图1a表示本发明的基本结构。如下面所述，此结构可修改成各种实施例。一个外磁性件2带有第一至第三三个铁心231、232、233，这些铁心从轭铁21伸出并且各有一个扩大的内端，以提供一个带有圆弧内表面的磁极22。
第一和第二铁心231、232分别设有励磁线圈51、61，而第三铁心带有一个励磁线圈71。
第一铁心231上的线圈51靠闭合电路5连接于一个例如60Hz的交流电源并通电。
一个内磁性件3为与诸磁极22的内表面圆弧同心的圆筒形。一个由导电的非磁性材料制成的驱动件4设置在内磁性件3与诸磁极22之间的空隙中并可自由旋转。
驱动件4呈圆筒形，该圆筒有一个均匀的壁厚并有一个宽度，即与旋转方向垂直的长度，该宽度大于诸磁极22的宽度。诸磁极22布置成近似与驱动件4的宽度的中部相对。因此，驱动件4在其两对置端有不面向诸磁极22的边缘部41、41。
在第二和第三铁心232、233上的线圈61、71各在其一端连接起来。这些线圈的另一端中的一个靠一个开关64的作用，与一个由一个电容器、电阻器或其组合组成的电气元件63电气上串联连接，以形成一个闭合电路，其余一端保持不连接。在其中线圈61靠开关64连接于电气元件63的场合，一个带有线圈61的并且通过第二铁心232然后通过驱动件4延伸的磁路的磁通，穿过内磁性件3，再次穿透该驱动件，并经带有各自的线圈51、71的第一铁心231和第三铁心233返回到外磁性件2，于是形成各自的磁路。因而，在各自的磁极22处产生沿前向方向的诸磁通，这些磁通在相位上是不同的。
当线圈71靠开关64的操作连接于电气元件63时，带有在位置上与线圈61不同的线圈71的磁路在诸磁极22处产生沿反向方向的诸磁通，这些磁通在相位上是不同的。
为了便于描述，图1b把图1a的结构画成沿图1a中B-B线剖切并在一个平面上展开的配置。在图1a和1b中，相同的零件用相同的标号标出。驱动原理驱动件4按下面将要描述的原理来工作。
图2a把一个磁极22画成与导电非磁性材料的驱动件4相对。当一个交变电流通过该磁极的铁心上的线圈时，流过一个由外磁性件和内磁性件2、3组成的闭合磁路的磁通集中在磁极22上并穿透驱动件4。与磁通随时间的变化成比例的一个感生电流I3在驱动件4的一个平面内环绕磁极22流过。
感生电流I3之所以出现的原因可以说明如下。如所周知，当经过一个匝数为n的线圈的磁通随时间t而变化时，在该线圈的两对置端产生一个由下面式1表达的感生电动势E。
E＝n·(δ/δt)式1在图2a中所示的驱动件4的平面中，它的与磁极22相对的区域A以外的区域可以看成一个匝数为1的线圈，而一个符合基尔霍夫第二定律的电流流过。更具体地说，假定区域A以外的该区域的等效电阻为r3，则磁通变化产生一个感生电流I3。I3＝-n·(δ/δt)/r3式2该感生电流的流动方向及其大小，根据磁通的方向及磁通的大小随时间的变化时刻地改变。例如，在该磁通相对于图2a的平面向上流过而且沿着朝磁通增加的方向变化的场合，根据法拉第定律，感生电流I3沿着右旋螺纹的前进方向流过。
感生电流I3的大小与感生电流I3通过驱动件4该平面的路径的等效电阻r3成反比，致使在图2a和2b中，靠近磁极22的电流I3n大，而远离磁极22的电流I3f小(I3n＞I3f)。
此外，当如图2c中所示磁极22布置成与驱动件4的边缘对齐时，感生电流不能环绕磁极22流过，因此没有感生电流。当驱动件4在宽度上大于磁极22并有其边缘部41、41时出现感生电流I3，这些边缘部不与磁极22相对，位于磁极22的两对置侧。
参见图2d，假定第一至第三铁心231、232、233的诸磁极22分别占据驱动件4上方的诸区域A1、A2、A3。假定仅第二铁心232上的线圈61通电。则在驱动件4上产生一个横跨区域A1或A3环绕区域A2流动的感生电流I32。在磁极22正下方的区域A2中，由诸相邻磁通感生的电流彼此抵销，结果在此区域中没有感生电流出现。
图2d是简化示意图，仅画出图1b的驱动件4和三个磁极22。通过两个线圈51、61的交变电流的流过使磁通1、2随时间而变化，穿透区域A1、A2。
第一铁心231经内磁性件3和外磁性件2的第二和第三铁心232、233和轭铁21连接于一个闭合磁路。因此，由第一铁心231上的线圈51所产生的磁通经磁极22穿到内磁性件3，然后在区域A1处穿过驱动件4，并且分成用于区域A2、A3的两股穿透驱动件4。然后诸磁通穿过铁心232、233在轭铁21处汇合，并返回同一第二铁心231。
同理，由第二铁心232上的线圈61所产生的磁通2经磁极22穿到内磁性件3，然后在区域A2处穿过驱动件4，并且分成用于区域A1、A3的两股穿透驱动件4。然后诸磁通穿过铁心231、233，在轭铁21处汇合，并返回同一铁心232。
与区域A3相对的磁极22的第三铁心233有线圈71，然而该线圈不通电因而不产生磁通。尽管如此，由第一和第二铁心231、232上的线圈51、61所产生的磁通1、2从内磁性件3返回外磁性件2，借此这些磁通所分出的穿过第三铁心233的部分合并成磁通3，该磁通在区域A3处穿过驱动件4穿过磁极22。
当交变电流源52连接于第一铁心231上的线圈51，而电路和磁路适当地这样调整，即靠包含在闭合电路6中的电气元件63使磁通1、2相位上差120°并使之具有相同的大小时，可用的磁通1、2表达如下1＝0·sin(ω·t)2＝0·sin(ω·t-120°)式3式中ω＝2·π·f，而f＝电源频率。
通过第三铁心233的磁通3当磁路条件适当确定时可表达如下。
3＝0·sin(ω·t-240°)式4假定环绕驱动件4的每个区域A1、A2、A3的等效电阻为r30，由磁通1、2、3所产生的感生电流I31、I32、I33如下。
如图3a至3c中所示，感生电流I3具有在相位上相对于磁通滞后90°的波形。在选定的时刻t0，有1+2+3＝0的关系。
参照图2d，穿过第二铁心232的磁通2在驱动件4中感生出环绕区域A2并穿过区域A1、A3流过的电流I32。
磁通作用在横跨区域A1的电流I32上并沿由弗莱明左手定则确定的方向施加一个电磁力F21。同理，磁通3作用在区域A3中的电流I32上并施加一个电磁力F23。该二电磁力合并成一个使驱动件4旋转或使驱动件4直线运动的力。
驱动件4实际上是个圆筒，如图1a中所示，以致对照图4a，穿透区域A1的磁通1感生出横跨区域A2、A3的磁通的电流I31。同理，穿透区域A3的磁通感生出横跨区域A1、A2的磁通的电流I33。由于由穿透各自的区域A1、A2、A3的磁通1、2、3在驱动件4的该平面中感生的电流I31、I32、I33可以叠加，故作用在驱动件4上的电磁力F1、F2、F3也可以叠加。
如上所述，穿过三个磁极22的诸磁通1、2、3在相位上相差120°并有相同的大小，同时环绕诸区域A1、A2、A3的等效电阻设定成相同数值。然而，如前所述，在驱动件4的该平面内感生电流I31、I32、I33大小相同并相对于磁通1、2、3保持滞后90°，同时随时间而变化。因此，由电磁力F1、F2、F3的叠加产生的合电磁力F由下式给出。
F＝LO·(I33-I32)·1/AO+LO·(I31-I33)·2/AO+LO·(I32-I31)·3/AO＝6ω·LO·0·sin(120°)/(r30AO)式6式中LO是磁极22或32的宽度而AO是磁极22或32的横截面面积。
该式表明，力F在大小和方向上始终是确定的，与时间t无关并且没有振动。其中驱动件4为圆筒形的场合，该力F是一个沿其圆周作用的旋转力，使驱动件4旋转运动。
外磁性件2、内磁性件3和驱动件4可以像图1b中所见平行于一个平面展开那样配置。如图4b中所示，在此场合，对置边缘部41、41从驱动部42分离，而每个边缘部41在其两对置端电气上连接于一个由电线组成的电路。驱动部42制成可沿边缘部41、41滑动。在其中驱动件为平板形的场合，电磁力直线作用使驱动件4直线运动。
磁极22的数目不限于3而可以是3的倍数，闭合电路5、6、7连接于设在各自的磁极上的诸线圈。这时作用在驱动件4上的旋转力或直线力与该倍数成对应关系地加大。
外磁性件和内磁性件2、3可以彼此替代。这时外磁性件2成为一个仅有轭铁2的圆筒，而内磁性件3设有铁心、磁极和线圈。在这种场合，驱动件4按与以上相同的原理旋转或直线运动。实施例图5a和5b表示一个具有图1a的基本结构的具体实施例。
通过在壳体1的内侧设置一叠多片，形成一个外磁性件2，该多片由一种铁型磁性材料板，诸如碳钢板或硅钢板，按件2的形状冲裁。外磁性件2有一个顺壳体1的内表面沿其圆周方向延伸的圆筒形轭铁21，从该轭铁21向内突出的并以120°的间隔分布的第一、第二和第三铁心231、232、233，以及在各自的铁心内端形成的诸圆磁极22。第一和第二铁心231、232分别设有一个前向驱动和反向驱动共用的线圈51和一个用于前向驱动的线圈61。第三铁心233有一个用于反向驱动的线圈71。
在壳体1内的适当空间设有一个电气元件63，该电气元件由一个电容器、电阻器或其组合组成。闭合电路5、6、7的诸端子(未画出)布置在该壳体的侧端面上，而一个交流电源的导体11连接于适当的端子，借此使驱动件4前向或反向旋转运动。
作为导体的驱动件4由一种具有很大磁阻的材料，即一种诸如铝、不锈钢、铜、黄铜之类的非铁磁性材料制成。
驱动件4为圆筒形，该圆筒具有均匀的壁厚并与诸磁极22的圆弧同心，而且带有超过壳体1的两对置侧部伸出的对置端部件由轴承12可旋转地支撑在壳体1的侧部上。
内磁性件3由与外磁性件相同的材料制成，并且为一个短圆筒形，该短圆筒具有与磁极22相同的宽度，所画的内磁性件3与磁极相对，在件4内侧连接于驱动件4并随件4旋转。
当电路和磁路条件这样确定时，即通过对线圈51、61或71的匝数与等效电阻r1、r2及驱动件4的等效电阻r31、r32、r33、闭合磁路的等效磁阻、及电气元件63的阻抗之间的关系，运用基尔霍夫第一和第二定律造成120°的相位差时，在驱动件4中感生的电流I3和穿透件4的磁通在驱动件上沿前向或反向方向产生一个电磁力F，使驱动件4沿前向或反向方向旋转运动。
内磁性件3可以从驱动件4分离并由适当的装置固定于壳体1。这时仅驱动件4可以旋转。
用本实施例时，驱动件4的旋转方向可以仅靠改变导体11对壳体侧端面上诸端子的连接来改变，而不需要像在常规的单相感应电动机的场合用来靠一个传动装置使驱动轴的旋转反向的转换装置。
此外，当使用频率或电压不同的交流电源时，可以针对线圈的具体匝数设置诸抽头。这时仅靠把导体11连接于诸抽头中适当的一个就以把驱动件4的旋转力或转矩保持于恒定值。这样就无须为在不同的电源频率或电压下使用而准备许多种电动机。
图6a和6b表示一种内磁性件3，该内磁性件固定安装在一个固定轴13上并带有一个轭铁31，一些铁心331、332、333，一些磁极32和线圈51、61、71。一个外磁性件2与一个壳体1形成一个整体，该壳体由固定轴13支撑。一个圆筒形驱动件4从内侧连接于外磁性件2。
一些导体11经诸孔15、15延伸到该壳体内并连接到诸线圈51、61、71，这些孔在固定轴13内其对置的侧部形成。当一个电流通过诸导体11时，壳体1、外磁性件2和驱动件4一起旋转。
例如，当风扇叶片或类似构件连接于壳体1或外磁性件2的外圆周时，可以被直接驱动而不需要设置传动装置。这提供了一种紧凑的电气装置，该电气装置运行时能降低噪声并消除机械损耗。
图7表示一个实施例，其中图1a中所示的基本结构的外磁性件2具有方形的外周轮廓，用此装置时，外磁性件2的轭铁21带有两个从一处并在其中延伸的铁心231、232和一个从一处并在其中延伸的铁心233。诸铁心231、232、233分别设有线圈51、61、71。线圈51连接于一个交流电源52，形成一个闭合电路5的一部分，同时线圈61、71分别与一个电气元件63串联连接以提供闭合电路6、7。该电气元件由一个电容器、电阻器或其组合组成。诸铁心231、232、233设有一些磁极22，这些磁极的内表面在接近一个驱动件4的外圆周处形成一种圆筒形状。驱动件4是圆筒形，而一个内磁性件3带有一个连接于该驱动件4的内圆周的轭铁31。该基本结构的外磁性件2具有一种修改的形状以便用于本实施例中，而成一整块形式的内磁性件3和驱动件4按已经描述的同一工作原理旋转。外磁性件2的轮廓可以按希望修改，像在本实施例的场合一样。
图8a和8b表示本发明的一些实施例，这些实施例包括连在一起并自由旋转地支撑的一个外磁性件2和一个驱动件4、一个固定的内磁性件3、及设在外磁性件的外圆周的风扇叶片81或齿轮82。当该装置由一个交流电源通电时，风扇叶片81或齿轮82被驱动旋转。
图9表示驱动件的其他实施例。驱动件4被制成带有一些槽44，这些槽沿与件4的旋转或运动方向垂直的方向延伸并且具有近似等于或大于磁极22或32的宽度的长度。用此实施例时，驱动件4中的感生电流沿诸槽44流过，致使由诸磁通所施加的电磁力具有限定的方向，以致这些力可以高效地转换成转矩。
权利要求
1.一种电磁感应驱动方法，包括制备一个外磁性件和一个对置地布置成与该外磁性件相邻以便相对运动的可动件，其特征在于，形成一个闭合磁路，该磁路带有至少三个空隙，这些空隙由该外磁性件(2)和一个与其对置的内磁性件(3)界定，并在该闭合磁路的空隙中布置一个驱动件(4)，该驱动件由一种导电的非磁性材料制成并在其两对置侧的每一侧设有一个不与该闭合磁路相对的边缘部(41)，以致当在穿透该驱动件的诸磁通之间出现相位差时，处于穿透位置的每个磁通在该驱动件的该平面中产生一个感生电流I3，该电流在一个边缘部中沿该驱动件的运动方向流过然后横跨穿过该驱动件的相邻磁通之一，朝着相对于所述一个边缘部的相反方向流进另一边缘部，此后横跨穿透该驱动件的另一相邻磁通流过，以通过一个完整路径并在该驱动件上在该磁通与该感生电流之间产生一个电磁力F，借此该驱动件旋转或直线运动。
2，如权利要求1中所述的电磁感应驱动方法，其中该内磁性件(3)和该驱动件(4)各成圆筒形并连接在一起，而一些磁极(32)形成在该内磁性件(3)上，以便使该外磁性件和该驱动件旋转。
3.如权利要求1中所述的电磁感应驱动方法，其中该外磁性件(2)和该驱动件(4)各成圆筒并连接在一起，而一些磁极(32)形成在该内磁性件(3)上，以便使该外磁性件和该驱动件旋转。
4.如权利要求1中所述的电磁感应驱动方法，其中该外磁性件和该内磁性件(2，3)中至少一个设有至少三个磁极，这些磁极中至少一个设有一个前向和反向驱动共用的线圈(51)，其他诸磁极分别设有一个前向驱动线圈(61)和一个反向驱动线圈(71)，该前向和反向驱动线圈与一个交流电源(52)电气上串联连接以构成一个第一闭合电路(5)，该前向驱动线圈和该反向驱动线圈交替地与一个由电容器、电阻器或其组合组成的电气元件(63)电气上串联连接，以构成第二和第三闭合电路(6、7)，借此在穿透该驱动件(4)的诸磁通之间产生至少三个前向或反向相位差。
5.如权利要求1中所述的电磁感应驱动方法，其中该外磁性件和该内磁性件(2，3)中至少一个设有至少三个磁极，这些磁极中至少一个设有一个线圈(51)，该线圈与一个交流电源(52)电气上串联连接以构成一个第一闭合电路(5)，诸磁极中至少一个设有一个线圈(61)，该线圈与一个由电容器、电阻器或其组合组成的电气元件(63)电气上串联连接，以构成一个第二闭合电路(6)，借此在穿透该驱动件(4)的诸磁通之间产生至少三个相位差。
6.如权利要求1中所述的电磁感应驱动方法，其中在该驱动件的两对置侧的诸边缘部(41、41)从该驱动件分离并且各在其两对置端电气上连接于一个电路(43)，件(4)的一个中间驱动部可相对于诸边缘部滑动，借此该驱动件旋转或直线运动。
7.一种电磁感应驱动装置，具有一个外磁性件和一个对置在布置成与该外磁性件相邻的可动件，其特征在于，彼此对置的外磁性件和内磁性件(2，3)中至少一个设有至少三个磁极，这些磁极中至少一个设有一个线圈(51)，该线圈与一个交流电源(52)电气上串联连接以构成一个第一闭合电路(5)，诸磁极中至少一个设有一个线圈(61)，该线圈与一个由电容器、电阻器或其组合组成的电气元件(63)电气上串联连接，以构成一个第二闭合电路(6)，一个驱动件(4)设置在由该外磁性件和该内磁件的界定的一个闭合磁路的空隙中，该驱动件由一种导电的非磁性材料制成并在其两对置侧的每一侧设有一个不与该闭合磁路相对的边缘部(41)。
8.如权利要求7中所述的电磁感应驱动方法，其中该驱动件(4)制成带有沿与其运动方向垂直的方向的一些槽(44)。
全文摘要
本发明装置的驱动件可根据与常规的三相或单相感应电动机的原理不同的原理旋转或直线运动，由导电的非磁性材料制成，可旋转或直线运动地支撑，并且在壁厚和宽度上均匀。一个外磁性件2和一个内磁性件3分别布置在该驱动件的外侧和内侧，它们与驱动件的运动方向垂直，至少一个带有至少三个磁极22或32以便提供从各自的磁极延伸并沿一个完整路径穿透该驱动件和诸磁性件的闭合磁路。
文档编号H02K57/00GK1153420SQ9512172
公开日1997年7月2日 申请日期1995年12月29日 优先权日1995年12月29日
发明者有本智美 申请人:福井孝夫, 福井澄子, 有本智美, 有本和子