具有两个同轴线转子的电磁电动机的制作方法

专利名称：具有两个同轴线转子的电磁电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁电动机，该电动机包括两个可以彼此独立地沿两个可能的旋转方向旋转的同轴线转子，特别是可用来不经过齿轮传动链而直接驱动两个同轴线的可动机械部件，诸如一个钟表或一个计数器的两个指针。
许多钟表都包括至少一对可相互独立运动的同轴线表针。在这些钟表中以计时钟表为例，显示测量时间的秒针与显示当前时刻的时针和分针具有相同的轴线，该轴线位于表盘的中心。同样还可有这样的钟表，其中用于指示当前时刻的小时和分钟的同轴线指针也是彼此独立运动的，以指示其它的信息，如日期、告警时间或测量的时间。
在这样的钟表中，两个同轴线指针的独立运动通常由与每个指针连接的两个独立的电动机通过齿轮传动链来确保。
此外，有这样一种多极电动机，当普通的双极电动机的转子以180按步进旋转时，它的转子以几度按步进旋转。在一个钟表中，这样的电动机的优点是电动机要驱动的指针可以直接安装在它的轴上。这样一来将双极电动机与它所驱动的指针进行连接所必须使用的齿轮传动链就不再需要了，这简化了钟表的设计并减少了成本。
欧洲专利EP-A-0312946公开了一种由两个重叠的多极电动机构成的部件。其中的一个电动机的轴是中空的并让另外一个电动机的轴穿过去，以使两个指针直接安装在电动机的轴上并彼此独立地驱动。
这种部件的厚度是非常显著的，由于两个电动机之间必须留有一个不能被忽视的间隔以免其中一个对另一个产生磁作用而尤其明显。这种电动机部件因而具有一个缺点，当它被用在一个钟表上时要求后者具有一个显著的厚度，这一般是不希望的。
因此本发明的一个目的就是提出一个电动机，可用来直接驱动同轴线的机械元件，例如一个钟表上相互独立的两个指针，但该电动机与前述文件所提到的双电动机部件相比具有一个明显更小的厚度，以使得它可用在钟表中并且不使后者的厚度太显著。
日本专利申请书JP-A-5077811公开了一种电动机包含一组可以被分别独立作用的转子，但这些转子并不同轴线。另一方面，为分别独立作用于这些转子必须为转子施加不同形状的信号。
产生这些不同形状的信号使得该产品复杂化，因而增加了这个电动机的电子控制电路的成本。此外，这些信号的形状使得该电动机的运转不可靠并且具有低的能效。
因而本发明的另一个目的就是提出一个包含有两个转子的电动机，其中2个转子通过对由一个简单且便宜的电子电路所产生的具有脉冲形状的信号的响应而能够以一种可靠的方式被相互独立地控制，同时该电动机具有较高的能效。
这些目的可以通过附加在本说明书后的权利要求书所定义的电磁电动机的特征来实现。
由于具有权利要求1所述的电动机的特征，这种电动机所要求的间隔要小于前述的欧洲EP-A-0312946所公开的双电动机部件。特别是，第一和第二定子部分之间的第三定子部分的存在保证了第一和第二定子理想的磁去耦合。如欧洲专利EP-A-0312946所公开的部件中用来隔开两个电动机的间隔在根据本发明的电动机中是不必要的，因而其厚度比所述双电动机部件的厚度明显更小。
再者，同样由于具有前面所列举的特征，根据本发明的电动机可以用简单形状，就象用在控制常规的双极步进电动机的人们熟知的脉冲形状的脉冲来控制。所以，就日本专利JP-A-5077811所公开的电动机来说，根据本发明的电动机可以由更简单，并且因此更经济的电子电路来控制，它的运转也更可靠而且具有更高的能效。
本领域的技术人员还可以容易地了解第三定子部分还保证了根据本发明的电动机对外界磁场的屏蔽功能，这进一步增加了这种电动机的可靠性。
本发明的其他特征和优点将通过下面的描述并借助附图以未加限定的实例得以展现，同时下列附图为—

图1是一个相据本发明的电动机的总体视图；—图2和图3是图1所示的电动机分别沿图1的轴线II-II和III-III所取的截面图；—图4是图1所示的电动机的一个元件；—图5至图8所示为图1所示电动机的一些组件的细节部分；
—图9至图14是图1所示的电动机的图解截面图，其用来帮助理解这样的一个电动机的运转。
图1至图8图解展示了根据本发明的由标记1标示的电动机一个实施例。
电动机1包括独立设置的两个转子2和3，以便两个转子能够各自绕公共的轴线A旋转。该转子2和转子3并未在图1中指示以避免使图纸不必要的复杂化。
转子2和转子3各自包括一个圆盘形并以公共旋转轴线A为中心放置的永久磁铁4和5，它包括一组以规则方式排列在其圆周的磁偶极子6。所有的磁偶极都具有一个和旋转轴线A平行的磁轴，并且每一磁偶极子的磁化方向均与该与之相邻的两个磁偶极子的磁化方向相反。换句话说，磁铁4和5是具有轴向磁化的多极永久磁铁。
在下文的描述中，磁铁4和5包含的磁偶极子6的数目将用N1和N2表示。同样的，穿过磁偶极子6的中部的径向线将被称作几何轴线。再者，磁铁4上的相邻的两个磁偶极子6的几何轴线在中心形成的夹角和磁铁5上的相邻的两个磁偶极子6的几何轴线在中心形成的夹角将分别用1和2表示。该角度1和2显然分别等于360/N1和360/N2。
转子2和3分别包括一根以旋转轴线A为同一轴线的转轴7和8，所述轴的一端分别和磁铁4和5相连。
转子2的转轴7是中空的，并且它围绕着一和旋转轴线A在同一轴线上的导管9设置。转轴7围绕着导管9设置以便能够绕着旋转轴线A自由旋转但却不能相对后者平动。
转子3的转轴8安装在导管9的里面，同样是为了能够绕着旋转轴线A自由旋转但却不能相对后者平动。
导管9将因下文介绍的一种方式使得它既不能转动也不能平动。
使得转轴7和8不能相对旋转轴线A平动但能够绕着后者自由旋转对于本领域的技术人员是公知的并且没有在图2中示出以免该图不必要的复杂。同样，磁铁4和5安装在轴7和9的方式也未在图2示出，转子2和3仅由磁铁4和5以及转轴7和8代表。
在本实例中磁铁4和5具有圆盘形，并且由于通过下文描述将十分明显的原因，转轴7和8以及导管9由一种非磁性材料例如黄铜制成。
在电动机1的另一个未示出的实施例中，磁铁4和/或5具有一个圆环形状并以旋转轴线A为中心固定在一个圆盘上。如果所述圆盘由一种非磁性材料例如黄铜制成，那么转轴7和8以及导管9由一种磁性材料例如钢制成。
由电动机1驱动的未示出的两个同轴线的机械元件最好分别与从导管9伸出来的转轴7的自由端和转轴8的自由端相连。这些机械元件与转轴7和8的连接方式并未示出，这是因为存在着许多种方法并且无论如何对本领域的技术人员是公知的。
电动机1还包括一个分别由标记11和12标示的一个第一定子部分和一个第二定子部分。该定子部分11和12被分别布置在一个第三定子部分的两侧。
这三个定子部分11、12和13是由具有高导磁性的材料制成的，例如用来制造目前被大量生产的钟表中驱动指针的步进电动机的定子的一种众所周知的材料。
在本实例中，定子部分11、12和13呈平板形，彼此互相平行并且与旋转轴线A垂直。
此外，转子2和3上的永久磁铁4和5坐落在定子部分13的两侧并且分别位于后者与定子部分11之间以及与定子部分12之间。
定子部分11具有一个由以旋转轴线A为圆心的圆弧划分的开孔14，其具有与转子2的磁铁4大约相同的直径。这个开孔14把定子部分11分成两部分。在下文中将会看到这两部分构成由标记15和16标示的两个定子磁极。
定子部分11的形状和尺寸是经选择的以使得定子磁极15和16仅仅由窄带或窄颈部17和18相连，其具有足够小的横截面使得它们的磁阻很高。
定子磁极15和16分别包括一组分别由标记19和20标示的齿，它们是由开孔14的边缘沿半径方向朝旋转轴线A延伸而成。这些齿19和20彼此分开形成一定的间隔，他们确切的排列将在下文描述。这里将仅提及最靠近窄颈部17的齿被分别标示为19a和20a的齿19和齿20。
在图1中不可见但在图2和8中可以部分看到的定子部分12同样也包括一个由标记21标示的开孔。这个开孔21同样是以旋转轴线A为圆心的圆弧划分的，其具有与转子3的磁铁大约相同的直径。开孔21把定子部分12分成两部分。在下文中将会看到这两部分构成由标记22和23标示的两个定子磁极。定子部分12的形状和尺寸是经选择的以使得定子磁极22和23仅仅由窄颈部24和25相连，其具有足够小的横截面使得它们的磁阻很高。
定子磁极22和23同样分别包括一组分别由标记26和27标示的齿，它们是由开孔21的边缘沿半径方向朝旋转轴线A延伸而成。这些齿26和27同样彼此分开形成一定的间隔，他们确切的排列也将在下文描述。这里将仅提及最靠近窄颈部24的齿被分别标示为26a和27a的齿26和齿27。
值得注意的是齿19和26并未在图2中示出以避免该图不必要的复杂。
由于一个在下文中将会变得十分明显的原因，由图6中的1所标示的相邻的两个齿19的轴线在圆心形成的夹角和相邻的两个齿20的轴线在圆心形成的夹角彼此相等并且等于前面所定义的角度1的二倍。
此外，在本实例中由齿19或齿20的两侧边在圆心所形成的角度实质上等于两个相邻的齿19或20的划分两个齿之间的间隔的两条侧边在圆心所形成的角度。这些角度实质上都等于角度1。
相反的，由齿19a和齿20a的轴线在圆心所形成的由图6中1所标示的角度并不等于角α1或角β1的整数倍，而是等于(k1·β1+β1/3)，其中k1是一个整数。
既然齿19和齿20如前文所述的，围绕开孔14以一种规则的方式排列，它们因而具有可以被称为角度周期性，这在下面的描述中会被提及，在负三角方向上，齿20相对于齿19是不同相的或者说有一个角度为β1/3亦即2α1/3的相移。这个角度被称作齿20相对于齿19的相移或相位差角。
同样的，由图8中的β2所标示的相邻的两个齿26的轴线在圆心形成的夹角和相邻的两个齿27的轴线在圆心形成的夹角彼此相等并且等于前面所定义的角度α2的二倍。
此外，还是在本实例中，由齿26或齿27的两侧边在圆心所形成的角度实质上等于两个相邻的齿26或27的两条侧边在圆心所形成的角度，这两条侧边限定了分隔这两个齿的间隔。这些角度实质上都等于角度α2。
相反的，由齿26a和齿27a的轴线在圆心所形成的由图8中2所标示的角度也不等于角α2或角β2的整数倍，而是等于(k2·β2+β2/3)，其中k2是一个整数。如前文所述与齿19和齿20有关的同样原因，它在下面的描述中会被提及，在负三角方向上，齿27相对于齿26有一个角度为β2/3亦即+2α2/3的相位差。这个角度将被称作齿27相对于齿26的相移角。
在下文中将会看到，电动机1的转子2和转子3以连续的步进旋转，并且这些转子2和3旋转一个周期即360°的步进步数分别等于永久磁铁4、5中包含磁偶极子6的数目N1、N2。因而转子2和3的每个步进所旋转的角度分别等于上文所定义的1和2。
这样，假设安装在转子2的转轴7上的机械元件是一个钟表的秒针，那么转子2因此必须每个周期旋转60步，磁铁4必须包含60个磁偶极子6。角α1和β1因而必须分别等于6°和12°。
此外，如上文所定义的，齿20相对于齿19的相移角等于12/3即4。
同样在本实例中，如果数字k1被选择等于2，则上文中定义的角1将等于(2·12°+12°/3)，即28°。
图1展示了这样一个实例，图5和6展示了其中的细节部分。
同样根据此实例，如果转子3的每个周期旋转20步，它的磁铁必须包括20个磁偶极子6。角α2和角β2因而分别等于18和36°，并且齿27相对于齿26的相移角等于36°/3即12。
如果数字k2等于1，则角γ2等于(36°+12°)即48。
这样一个实例由图7和8详细展示。
值得注意的是本发明显然并不被刚刚描述过的一个实例所限制，而是磁铁4和5所分别包含的磁偶极子6的数目N1和N2可以是任何数目，条件使它们都是偶数。特别是，N1和N2可以相等。
在本实例中，定子部分13包括一个环形部分，在下文中将会了解，它构成了由标记31标示的一个定子磁极。
将定子磁极31划界的两个圆弧以旋转轴线A为圆心，并且它们的直径是经过选择的以使得定子磁极31面向定子磁极15、16、22和23上分别形成的齿19、20、26和27。
由标记32所标示的定子磁极31的中心开孔被一个圆盘形的端板33所占据，该端板最好由非磁性材料例如黄铜制成。
端板33起的是对固定在其中心的导管9的支承作用。
导管9与端板33之间以及后者与定子磁极31之间的安装方式并未在图中示出以避免图纸不必要的复杂，还因为存在着许多种类并且对于本领域的技术人员是公知的。
定子部分13还包括一个连接部分34，在本实例中，它是一个T字型并且其竖直条形部分与定子磁极31相连。将要在下文中讨论的连接部分34的水平条形部分的两端由标记35和36标示。
定子部分11至13，更具体地说定子磁极15、16、22、23和31被明显地设置成可以使得转子2和转子3自由地旋转。
这样，在转子2的磁铁4与定子磁极15的齿19之间以及与定子磁极16的齿20之间分别存在着间隔或气隙41和42。同样的，在转子3的磁铁5与定子磁极22的齿26之间以及与定子磁极23的齿27之间分别存在着间隔或气隙43和44。
再者，磁铁4和定子磁极31之间存在着气隙45和46，它们分别和气隙41和42相对。最后，磁铁5和定子磁极31之间存在着气隙47和48，它们分别和气隙43和44相对。
电动机1还包括三个线圈51、52和53，它们分别具有一个铁心54、55和56。
这些线圈51、52和53并未在此被详细描述，这是因为它们和目前用在电子钟表中的常规的步进电动机公知的线圈是类似的。
线圈51的铁心54的两端分别与定子部分11的定子磁极15和定子磁极13的连接部分34的水平端35机械连接以及磁连通。
线圈52的铁心55的两端分别与定子部分11的定子磁极15和定子磁极13的连接部分34的水平端35机械连接以及磁连通。
线圈53的铁心56的两端分别与定子部分11的定子磁极16和定子磁极13的连接部分34的水平端36机械连接以及磁连通。
电动机1还包括一个撑挡或支杆61，他由一种具有高导磁性的材料制成，例如众所周知的目前用来制造步进电动机定子的诸材料中的一种。
支杆61的两端分别与定子部分11的定子磁极16和定子部分12的定子磁极23机械连接以及磁连通。这个定子磁极23因而也和线圈53磁连通。
将铁心54到56以及支杆61和定子部分11至13的机械连接和磁连通的装置存在着许多种类并且对于本领域的技术人员是公知的。这些装置并未被示出以避免图纸不必要的复杂。
图9和10图解展示了电动机的齿19、20、26和27，磁铁4和5以及定子1的磁极31，就好象这些元件被一个与旋转轴线A同转线的环形柱面切下，然后再把该柱面沿其生成线切开并展开成平面就得到图9和图10所画的内容。值得注意的是这些元件只有靠近窄颈部17和24附近的部分在图9和10中被示出。
同样根据在图9和10中的形成方式，上文中定义的各种在圆心形成的角度下面由水平的直线段表示。此外，转子2和3沿负三角方向的旋转，以及因此亦即各个磁铁4和5的旋转对应于在图9和10中以箭头R的方向来表示的磁铁4和5的平动。
磁铁4和5中的磁偶极子6的磁轴在图9和10中以常见的方式用箭头从南磁极指向北磁极来表示。
为了简化下面的描述，所有磁轴指向定子磁极31的磁偶极子6用6a来表示，所有磁轴指向相反方向的磁偶极子6用6b来表示。
齿19和20的存在以及它们和磁铁4之间的间隔使得对转子2产生了一个定位转矩，它倾向于维持转子2停留在或使它回到一组按特定角度决定的位置中的某一个，这些位置叫做转子2的停留位。同样的，齿26和27的存在以及它们和磁铁5之间的间隔使得对转子3产生了一个定位转矩，它倾向于维持转子3停留在或使它回到一组按特定角度决定的位置中的某一个，这些位置叫做转子3的停留位。
转子2和3的停留位置的数目毫无疑问地分别等于磁铁4和5所包括的磁偶极子6的数目N1和N2。
转子2和3沿着一个方向或者相反的方向从它们的中的任何一个停留位到下一个停留位所旋转的角度分别等于上文中定义的角1和角α2。本领域的术人员可以容易地了解，转子2和3从它们的一个停留位旋转到下一个停留位时，当它们分别旋转过大体等于1/2和α2/2的角度后，将经过一个不稳定的平衡位置。本领域的技术人员同样了解，在转子2和3到达这个不稳定的平衡位置之前，施加在它们上的定位转矩倾向于使它们回到它们的起始位置，一旦它们经过这个不稳定的平衡位置，这个定位转矩则倾向于把它们带到它们的终止位置。
明显地由于对称的原因，在转子2和3的每一个停留位置上，与前者毗邻的磁偶极子6a的其中之一和磁偶极子6b的其中之一都和齿19、20、26和27的每一个部分地相对。
更具体地说，在转子2的每一个停留位上，与任何一个齿19相对的两个磁偶极子6a和6b的几何轴线分别与该齿的轴线形成值为2α1/3和α1/3的两个角。这两个角在图9和10中分别用δ1和δ1’来表示。
在上文中可以看到，由相邻的两个齿19的轴线形成的角1等于相邻的两个磁偶极子6a和6b的几何轴线所形成的角α1的两倍。因此，存在N1一半数量的转子2的停留位置，在这些位置磁偶极子6a的几何轴线与齿19的轴线所形成的夹角总是等于上文所定义的δ1。图9指示了这样一种情况，此时转子2位于这些停留位置的其中之一，假设，这些位置可以被称作这个转子2的第一停留位。
在另外N1一半数量的转子2的停留位上，显然磁偶极子6b的几何轴线与齿19的轴线所形成的夹角总是等于δ1。图10指示了这样一种情况，此时转子2位于这些停留位置的其中之一，假设，这些位置可以被称作这个转子2的第二停留位。
磁偶极子6a和6b还具有所谓的角度周期性。可以这样说，当转子2分别位于它的第一停留位的其中之一和它的第二停留位的其中之一时，磁偶极子6a和6b相对于齿19的相移角分别为上文所定义的δ1。
本实例中，在转子2所有的停留位上，几何轴线与一个齿19的轴线形成上文所定义的角δ1的磁偶极子6a或6b在按照箭头R所定义的负三角方向上位于这个齿19的后面，这是因为齿20相对于齿19在负三角方向上相移+2α1/3。
因而可以这样说，当转子2位于它的第一停留位的其中之一或它的第二停留位的其中之一时，磁偶极子6a或磁偶极子6b分别相对于齿19的相移角δ1在负三角方向等于-2α1/3。
在上文中看到，齿20相对于齿19的相移角等于β1/3，或在负三角方向上等于+2α1/3。因此，在转子2的每一个停留位上，一个磁偶极子6a和与前面一个磁偶极子6a相邻的一个磁偶极子6b都部分地和一个齿20相对。此外，这两个磁偶极子6a和6b的几何轴线与齿20的轴线的夹角等于2α1/3和α1/3。这些角度也分别由图9和10中的标记δ1和δ1’来标示。
此外，在所有的转子2的第一停留位，也是磁偶极子6a的几何轴线与齿20的轴线形成角度δ1。所以，同样在所有的转子2的第二停留位，磁偶极子6b的几何轴线与齿20的轴线形成角度δ1。
相反的，上文所定义的齿20相对于齿19的相移或相位差具有这样的效果，在转子2所有的停留位上，几何轴线与齿20的轴线形成上文所定义的角ξ1的磁偶极子6a或6b在负三角方向上位于所对应的齿的前面。换句话说，当转子2位于它的第一停留位的其中之一或它的第二停留位的其中之一时，磁偶极子6a或磁偶极子6b分别相对于齿20的相移角δ1在负三角方向等于+2α1/3。
总之，在本实例中可看到当齿20相对于齿19的相移在负三角方向上等于+2α1/3并当转子2分别位于它的第一停留位和它的第二停留位时，磁铁4的磁偶极子6a和6b分别形成在负三角方向上的相移，相对于齿19等于-2α1/3，相对于齿20等于+21/3。
对应于上文所述的转子2，转子3同样具有第一停留位和第二停留位，在这些停留位上磁偶极子6a和6b的几何轴线与每个齿26和27的轴线分别地形成一个等于2α2/3的相移δ2。
此外，在本实例中当齿27相对于齿26的相移在负三角方向上等于+2/3并当转子3位于它的第一停留位和它的第二停留位时，磁铁5的磁偶极子6a和6b分别形成在负三角方向上的相移，相对于齿26等于-2α2/3，相对于齿27等于+2α2/3。
图9和图10同样图解阐明了转子3分别位于它的一个第一停留位和它的一个第二停留位时的情况。
当电流通过线圈51时，铁心54产生由F1标示的磁通，磁通其自身形成闭合路径先后通过定子磁极15，定子磁极15上的齿19，气隙41，转子2的磁铁4，气隙45，定子磁极31和连接部分34。
同样的，当电流通过线圈52时，铁心55产生由F2标示的磁通，磁通其自身形成闭合路径先后通过定子磁极22，定子磁极22上的齿26，气隙43，转子3的磁铁5，气隙47，定子磁极31和连接部分34。
此外，当电流通过线圈53时，铁心56产生由F3标示的磁通，磁通其自身形成两条平行的并且通过定子磁极16的闭合路径。从这个定子磁极16出发，一条路径先后通过齿20，气隙42，转子2的磁铁4，气隙46，定子磁极31和连接部分34。另一条从定子磁极16出发的路径先后通过气隙61，定子磁极23及其齿27，气隙44，转子3的磁铁5，气隙48，定子磁极31和连接部分34。
磁通F3通过两条路径的两部分分别被称作磁通F3a和F3b。
值得注意的是磁通F1、F2或F3经过上文所提到的全部或部分路径闭合以及一部分还明显地通过窄颈部17和18和/或24和25。但是由于这些窄颈部17、18、24和25的磁阻足够大因此磁通F1、F2或F3的这部分可以忽略。
还应该注意的是定子部分11和定子部分13之间以及定子部分12和定子部分13之间的磁通F1、F2、F3a和F3b都大体上和旋转轴线A平行。当它们通过磁铁4或5时，这些磁通F1、F2、F3a和F3b因而和磁偶极子6的磁轴具有相平行的方向。
这些磁通F1、F2、F3a和F3b的方向显然由产生它们的通过线圈51至53的电流来决定。
可以假定沿以下方向通过磁铁4或5的磁通F1、F2、F3a和F3b为正，从定子部分11和12出发的，或更精确地说从齿19、20、26或27出发的，指向定子部分13的，或更精确地说指向定子磁极31的磁通。在相反的情况下这些磁通F1、F2、F3a和F3b显然被称作是负的。
在下文即将描述的图11至14中，这些磁通F1、F2、F3a和F3b的组合用箭头来表征并用同一标记来标示。值得注意的是，为了使图11至图14更清晰，这些箭头与所对应的齿19、20、26或27的轴线轻微地交错开。然而事实却是，这些磁通F1、F2、F3a和F3b的组合所具有的方向和齿19、20、26或27的轴线完全重合。
电动机1的控制电路未被示出并在此将不被描述，因为本领域的技术人员可以毫不困难地根据下文即将给出的描述来进行设计。
仅仅简单提及的是这个控制电路被设计成在每次转子2或转子3旋转一步为线圈51、52和/或53提供一个驱动脉冲。
此外，控制电路被设计成在每个驱动脉冲期间这些线圈51至53中的一个和/或另一个上的电压是恒定的，或者说这些线圈51至53中的一个和/或另一个上流过的的电流是恒定的。本领域的技术人员可以容易地了解在电动机1的线圈51、52和/或53上施加无论什么样类型的脉冲，电动机1都可以运转。因而这种类型的驱动脉冲将不在下文的描述中指定。任何通过线圈51、52和/或53而产生正的或负的磁通F1、F2、F3a和/或F3b的驱动脉冲将分别地被简单称之为正的或负的。
本领域的技术人员可以容易地了解驱动脉冲的周期可以是固定的也可以是变化的。在一切情况下，这个周期被当然地确定为转子2或3可以根据此脉冲来正确地行进一步，甚至当电动机1在这样一个驱动脉冲期间所要克服的阻转矩具有最大值的情况下。
本领域的技术人员都了解，在实践中，这个周期最好被确定为当驱动脉冲中断时转子2或3至少到达一个比上文所提到的它的不稳定的平衡位置稍微靠前的一个转角位置。当转子2或3到达这个转角位置之后，它依靠它的惯性或它所驱动的机械元件的惯性来走完一步，并且在它通过它的不稳定的平衡位置之后，定位转矩将倾向于把它带到它的下一个停留位。
为了避免使下面的描述不必要的复杂，将认为电动机1的控制电路被设计为施加在线圈51、52和/或53上的驱动脉冲的所有周期都以刚被描述过的形式来确定。
图11至14与上文所描述过的图9和10相类似，然而，为了避免图11至14不必要的复杂，只有在图解说明中用到的标记才会被表示。
以下还将认为，在所描述的电动机1刚开始运转的时刻，转子2位于它的一个第一停留位上。从而磁铁4的磁偶极子6a相对于齿19具有一个角1的相移，δ1在负三角方向上等于-β1/3。图11指示了这样一种情况。
如果电动机1的控制电路在线圈51上施加一个正的驱动脉冲，后者产生如图11所示的，沿着从齿19到定子磁极31的方向穿过磁铁4的磁通F1。从而磁通F1在磁铁4中具有和磁偶极子6a的磁轴相同的方向。
磁通F1和与齿19部分相对的的磁偶极子6a和6b所产生的磁通以一种已知的方式相互作用并产生一个转矩。这个转矩趋向于使这些磁偶极子6a的磁轴与这个磁通F1一致。这个将被称作驱动转矩的转矩从而使得磁铁4亦即转子2在由箭头R标示的负三角方向上旋转。
当施加在线圈51上的正驱动脉冲结束后，如上文所描述的，转子2走一步并停在它的下一个第二停留位上。然后转子2逗留在这个第二停留位上直到电动机1的控制电路在下文将要描述的情况下对线圈51、52和/或53施加一个新的驱动脉冲。
回顾当转子2位于它的任何一个第二停留位时，所有几何轴线与齿19所形成的角为上文所定义的角δ1的磁偶极子6都是磁偶极子6b。图12指示了这样一种情况。
如果电动机1的控制电路接着对线圈51施加一个负的脉冲，后者产生如图12所示的，沿着从定子磁极31到齿19的方向并穿过磁铁4的磁通F1。
从而磁通F1在磁铁4中具有和部分面对齿19的磁偶极子6b的磁轴相同的方向。
磁通F1和与齿19部分相对的的磁偶极子6a和6b所产生的磁通相互作用并同样产生一个施加在转子2上的电动机转矩。这个驱动转矩趋向于使这些磁偶极子6b的磁轴与这个磁通F1一致并且同样地使得转子2在负三角方向上旋转。
如上文所描述的同样方式，当施加在线圈51上的负驱动脉冲结束后，转子2走完一步并到达它的下一个停留位，并且这显然是它的一个第一停留位。
总之，响应于施加在线圈51上的极性交替且连续的驱动脉冲，可以看到转子2在负三角方向上以步进的方式旋转。
还可以看到转子3绝对不受施加在线圈51上的驱动脉冲的影响，因为这些驱动脉冲并不产生任何穿过转子3的磁铁5的磁通。
图11和12还分别展示了转子3在它的一个第一停留位时的情况和转子3在它的一个第二停留位时的情况。分别由施加在线圈52上的一个正驱动脉冲和一个负驱动脉冲所产生的磁通F2也指示在图11和12上。
可以容易地了解，由于上文给出的和转子2的情况相类似的原因，同样响应于由电动机1的控制电路施加在线圈52上的极性交替且连续的驱动脉冲，转子3在负三角方向上以连续步进的方式旋转。因此转子3这样旋转的原因在这里不再祥述。
不过值得注意的是，转子2同样不受施加在线圈52上的驱动脉冲的影响，因为这些脉冲并不产生任何穿过转子2的磁铁4的磁通。
图13展示了转子2和转子3都在它们的第一停留位的情况。
类似于上文所作的分析，并在此将不再重复，如果电动机1的控制电路在线圈53上施加一个正的驱动脉冲，则由线圈53产生的磁通F3的两部分F3a和F3b分别沿着磁铁4和5的磁偶极子6a的磁轴的方向穿过转子2的磁铁4和转子3的磁铁5。这些磁通F3a和F3b也都指示在图13中。这个施加在线圈53上的正的驱动脉冲从而产生转矩，该转矩施加在转子2和3上使得它们沿着图13中的箭头R所标示的正三角方向旋转。
如果不采取其他措施，响应于施加在线圈53上的这个正的驱动脉冲，这两个转子2和3同时在正三角方向上旋转。在这个驱动脉冲结束后，转子2和3的每一个都各自走完一步并到达各自的下一个停留位并且这个停留位当然地是各自的一个第二停留位。这种情况在图14中展示。
可以很容易地了解，如果电动机1的控制电路然后在线圈53上施加一个负的驱动脉冲，则如图14所示，磁通F3a和F3b在磁铁4和5中和磁偶极子6b的磁轴具有相同的方向。施加在转子2和3上的转矩同样使得它们沿着箭头R所标示的正三角方向旋转。
此外，如果不采取其他措施，响应于施加在线圈53上的这个负的驱动脉冲，这两个转子2和3同时在正三角方向上旋转。在这个驱动脉冲结束后，转子2和3的每一个都走完一步并到达它们的下一个停留位并且这个停留位当然地是各自的一个第一停留位。
从上文中可以看到，当转子2或3位于它们的一个第一停留位时，如果在线圈51或线圈52上相应施加一个正脉冲，则该脉冲将导致转子2或3在负三角方向上旋转，如果施加在线圈53上则在正三角方向上旋转。
因此可以避免如上文所描述的，转子2和3响应施加在线圈53上的一个驱动脉冲而同时旋转，这通常是不期望的。
为了做到这一点，电动机1的控制电路按如下设计，当它在线圈53上施加一个脉冲时，如果仅仅是要转子2旋转则控制电路在线圈52上同时施加另一个同极性的脉冲，如果仅仅是要转子3旋转则施加在线圈51上。
图13展示了这样一种情况，此时转子2响应施加在线圈53上的一个正的驱动脉冲而沿正三角方向旋转。与此同时，电动机1的控制电路在线圈52上施加另一个也为正的驱动脉冲。线圈52响应这第二个驱动脉冲所产生的磁通F2也在图13中表示。
电动机1和它的控制电路的特性被设定以使施加在转子3上的两个转矩具有相等的绝对值。由于这两个转矩具有相反的方向，它们因而彼此互相抵消。从而转子3仍旧保持不动并且只有转子2响应施加在线圈53上的正的驱动脉冲而在正三角方向上旋转一步。
图14展示的情况是，只有转子3响应施加在线圈53上的一个负的驱动脉冲而在正三角方向上从它的一个第二停留位旋转一步。
可以很容易地了解在这种情况下，电动机1的控制电路在线圈51上施加另一个也为负的驱动脉冲。同样在图14中指示的磁通F1和F3a在转子2上施加两个绝对值相等但方向相反的转矩，因此转子2停止并只有转子3响应施加在线圈53上的负的驱动脉冲并旋转一步。
在电动机1运转过程中发生的其他情况将不在此被描述，因为它们很容易根据上文给出的解释来推断。
在上文所描述的根据本发明的电动机的第一个实施例中，齿20相对于齿1 9的相移角以及齿27相对于齿26的相移角在负的三角方向上分别等于+2α1/3和+2α2/3。
在根据本发明的电动机的第二个未示出的实施例中，这两个相移角在负的三角方向上分别等于-2α1/3和-2α2/3。
本领域的技术人员可以容易地了解，在这个第二实施例中，当转子2位于它的第一和一个第二停留位中的一个位置时，磁铁4上的磁偶极子6a和6b在负三角方向上分别相对于齿19的相移角为+2α1/3，并且相对于齿20的相移角为-2α1/3。
同样的，当转子3位于它的第一和第二停留位时，磁铁5上的磁偶极子6a和6b在负三角方向上分别相对于齿26的相移角为+2α2/3，并且相对于齿27的相移角为-2α2/3。
本领域的技术人员还可以容易地了解，在这个第二实施例中，施加在线圈51和52上的交替极性的驱动脉冲分别使得转子2或转子3在正三角方向上旋转，反之这样的脉冲施加在线圈53上使得转子2和转子3在负三角方向上旋转。此外，如果在线圈51和52上分别施加的驱动脉冲与施加在线圈53上的脉冲时间相同并且极性相同，则转子2和转子3在所述负三角方向上单独旋转。
很显然上文所描述的两个实施例可以被组合，定子部分11和12的其中之一的各齿形成部分和定子部分11和12中的另外一个的各齿形成部分可以按照上文所描述的第一实施例和第二实施例来分别排列。
在上文所描述的第二实施例中，齿20相对于齿19的相移角在负的三角方向上等于-2α1/3。并且很显然这个事实还可以表达成齿19相对于齿20的相移角同样在负的三角方向上等于+2α1/3。
从而在上文所描述的两个实施例中可以看到，在定子部分11的两组齿中总是存在着第一组齿相对于其中的第二组齿的相移角在负的三角方向上等于+2α1/3。在上文所描述的第一实施例中，这个第一组齿和第二组齿分别构成了齿20和齿19，反之在上文所描述的第二实施例中，这两组齿分别构成了齿19和齿20。
利用同样的术语，在上文所描述的两个实施例中还可以了解，当转子2位于它的第一和第二停留位时，磁铁4上的磁偶极子6a和6b在负三角方向上分别相对于第一组的齿的相移角为+2 1/3，并且相对于第二组的齿的相移角为-2α1/3。
对于定子部分12的齿26和27以及转子3可以联系上文做类似地分析。从而在上文所描述的两个实施例中可以了解，定子部分12的两组齿亦即齿27和齿26中的第一组齿相对于这两组齿亦即齿27和齿26中的第二组齿的相移角在负的三角方向上等于+2 1/3。同样的，在上文所描述的两个实施例中，当转子3位于它的第一和第二停留位时，磁铁5上的磁偶极子6a和6b在负三角方向上分别相对于定子部分1 2的第一组的齿的相移角为+2 2/3，并且相对于定子部分12的第二组的齿的相移角为-2 1/3。
如上文所描述的，一组齿19的仅和线圈51磁连通，一组齿26仅和线圈52磁连通。相反的，一组齿20以及一组齿27和线圈53磁连通。另一方面，转子2的磁铁4和齿19和齿20磁耦合，反之转子3的磁铁5与齿26和齿27磁耦合。
通过比较上文所描述的电动机1的两个实施例的运转，并且利用上文所定义的术语，可以看到，在这两个实施例中，转子2和3的每一个都响应施加在线圈51、52和53的极性交替的驱动脉冲而在正三角方向和负三角方向上旋转，线圈51、52和53的每一个都和第一组齿和第二组齿磁耦合并且所述一组齿是和转子2或3的磁铁4或5磁耦合的。
如果这些驱动脉冲所施加到的线圈是一个与两组齿都有联系的线圈，例如上文的实例中的线圈53，并且如果只有转子2或3的其中一个将响应这些驱动脉冲旋转，则另一些与前述脉冲极性相同的驱动脉冲必须和前述脉冲同步地施加在线圈51或52其中之一上并且，这一线圈与这二个转子(2或3)中的另一个上的磁铁4(或5)相连接的一组齿相联系。
很显然在不离开本发明的范围的情况下可以根据本发明形成多种电动机的其他的实施例。紧接着，一部分这样的实施例将在下文中同样借助未加限定的实例来被描述，它们的组件没有被示出但是用上文所给出的同样的标记来标示。
在这些实施例中的一个，定子部分11和/或12以及定子部分13按如下方式被组成和布置，在转子1的一个例如图1所示的平面图上，线圈51和52不是重叠的而是相互交错的。这样的一种布置可以使得线圈51和52使用比图1和图2所示的实例更大的直径，并且电动机1的总厚度并不太显著。
在这些实施例的另一个中，转子2和3的磁铁4和5是完全相同的。相应的磁铁4和5中所包含的磁偶极子6的数目N1和N2是相等的，因此一方面角1和2是相等的，另一方面角1和2是相等的。此外，前面所提到的数字k1和k2也是相等的，以至于1和2也是相等的。
最后，定子部分11和12按如下方式配置，划定开孔14和21的边界的圆弧具有相等的直径，并且齿19和齿26处于相对的位置，同样齿20和齿27也是如此。
在这个实施例中，定子部分13同样具有一个以旋转轴线A为圆心的圆弧划定边界的开孔，并且这个圆弧与划定形成在定子部分11和12的开孔14和21的边界的圆弧具有相等的直径。在定子部分11合12中齿沿着半径的方向从定子部分13的开孔的边缘向旋转轴线A伸展。此外，这些齿的每一个都和定子部分11的齿19或20中的一个相对，同样的也和定子部分12的齿26或27中的一个相对。
这些定子部分13的齿通过环绕着它们的定子部分13的其他部分互相磁耦合，并且它们和这部分形成一个定子磁极。这个定子部分13的定子磁极同样和线圈51至53的铁心54至56磁耦合，该耦合借助于一个和上文所描述的连接部分34类似的连接部分。根据这种方式形成的一个定子部分13使磁通F1、F2、F3a和F3b能更好地引向气隙41至48并因此提高了电动机1的效率。
在根据本发明的电动机的另一个实施例中，定子磁极16和23以及线圈53的铁心56之间的机械连接和磁耦合是以下列事实为结果的，定子部分11和/或12是弯曲的以使得定子磁极16和23在一个远离开孔14和齿20以及远离开孔21和齿27的区域内相互接触。此外，这些定子磁极16和23在这个相同的区域内相互固定，还是在这个相同的区域内它们中的一个与线圈53的铁心56的一端相固定。
在这个实施例的一个可选择的方案中，定子磁极16和23并不是在上述区域内直接相接触，而是各自与铁心56的每一端相接触，因此铁心56在其间被夹住。
在这个后面的实施例中，在图1和3所示的实例中用来保证定子磁极16和23的机械连接和磁耦合的支杆61因此不再存在。
在上文所描述过的实施例中，由每个齿19的两条侧边在圆心所形成的角和由每个齿20的侧边所形成的角是彼此相等的，并且等于两个相邻的齿19的侧边在圆心所形成的角以及两个相邻的齿20的侧边所形成的角。所有这些在圆心形成的角等于角1，并因此等于角β1的一半。换句话说，如果每个齿19的两条侧边在圆心所形成的角和每个齿20的侧边所形成的角由d1和d2来表示的话，则d1＝d2＝α1＝0.5β1。
本领域的技术人员可以容易地理解到，施加在转子2上的定位转矩是由两个相反的转矩代数相加得到的，这两个相反的转矩分别归因于齿19的存在和齿20的存在。此外，本领域的技术人员可以容易地看到，这两个转矩的幅值分别是由刚刚定义过的角d1和d2分别相对于角β1的比值决定的。
由此得出如果角d1和d2选择相等的值，则转子2的停留位总是上文实例中所定义的那种，即磁偶极子6相对于齿19和齿20的相移角总是相等的，并在绝对值上等与2α1/3。在这样一种情况下，相反地，施加在转子2上的定位转矩的幅值将根据角d1和d2大于或小于0.5β1而减小或增大。实际上，角d1和d2的值最好取在0.3β1至0.7β1之间。由此还可以得出的是，如果角d1和d2取不同的值，则磁偶极子6相对于齿19和齿20的相移角将互不相等。因此，假设角d1大于角d2，则由于齿19的存在而产生的转矩的幅值大于由于齿20的存在而产生的转矩。可见在这种情况下，在转子2所有的停留位上，磁偶极子6相对于齿19的相移角的绝对值大于磁偶极子6相对于齿20的相移角的绝对值。
如果角d1小于角d2则上面提到的关系当然要反过来。
实际上，磁偶极子6相对于齿19或齿20的相移角的值可以分别在α1/2和2.5α1/2之间选取。其他的这些相移角的值可以由这样一个因素来确定,即这两个角的和总是明显地等于4α1/3。
不幸的是不可能建立角d1和d2与刚刚所提到的相移角之间的简单的关系式来确定取什么值。
实际上，角d1和d2的取值可以通过试验和/或借助于计算机仿真来得到。
刚刚对转子2和齿19和20所作的分析显然对于转子3以及齿26和27也是适用的。在此就不再重复。
在此简单提及的是，施加在转子3上的定位转矩的幅值可以通过指定角d3和d4(不等于0.5β2)的值来改变，其中角d3和d4分别指的是齿26和27的侧边在圆心所形成的夹角，角d3和d4的值最好在0.3β2至0.7β2之间。此外，这些角d3和d4的值可以通过试验和/或借助于计算机仿真来得到，于是磁铁5的磁偶极子6相对于齿26和齿27的相移角的值可以分别为在α2/2和2.5α2/3之间且不等于2α2/3的值，其他的这些相移角具有这样的值，即这两个角的和等于4α2/3。
权利要求
1.电磁电动机包括-一能够围绕一根公共旋转轴线(A)独自旋转的一个第一转子(2)和一个第二转子(3)，这两个转子各自包括一个第一永久磁铁(4)和一个第二永久磁铁(5)，所述第一(4)和第二(5)永久磁铁分别具有第一组和第二组磁偶极子(6)，该磁偶极子围绕着所述旋转轴线(A)以一种环形的方式规则地排列，其取向分别交替地为与轴线(A)平行的第一方向和相反的第二方向，每个磁偶极子还具有一根径向的几何轴线，所述的第一磁铁的两个相邻的磁偶极子(6)的几何轴线在圆心形成一个值为1＝360/N1的第一角度，其中N1是所述第一磁铁(4)的磁偶极子(6)的数量，同样，所述的第二磁铁(5)的两个相邻的磁偶极子(6)的几何轴线在在圆心形成一个值为2＝360/N2的第二角度，其中N2是所述第二磁铁(5)的磁偶极子(6)的数量；—一个第一定子部分(11)，包括由一个第一定子开孔(14)分开的一个第一定子磁极(15)和一个第二定子磁极(16)，所述定子磁极分别包括一个第一组齿(19)和一个第二组齿(20)，所述第一组和第二组齿(19、20)面向所述第一磁铁(4)，是由所述定子开孔(14)的边缘向着旋转轴线(A)沿半径方向延伸形成的，所述齿的每一个都具有一径向的轴线和两个侧边，所述第一组齿的两个相邻的齿(19)的轴线以及所述第二组齿的两个相邻的齿(20)的轴线在圆心形成一个值为1＝2α1第三角度，并且所述第一组和第二组齿中的一个齿(20；19)相对于所述第一组和第二组齿中的另一个齿(19；20)具有一个相移角，该相移角在负三角方向上等于+2α1/3；—一个第二定子部分(12)，包括由一个第二定子开孔(21)分开的一个第三定子磁极(22)和一个第四定子磁极(23)，所述定子磁极分别包括一个第三组齿(26)和一个第四组齿(27)，所述第三组和第四组齿(26、27)面向所述第二磁铁(5)，是由所述第二定子开孔(21)的边缘向着旋转轴线(A)沿半径方向延伸形成的，所述齿的每一个都具有一根径向的轴线和两个侧边，所述第三组齿的两个相邻的齿(26)的轴线以及所述第四组齿的两个相邻的齿(27)的轴线在圆心形成一个值为2＝22第四角度，并且所述第三组和第四组齿中的一个齿(27；26)相对于所述第三组和第四组齿中的另一个齿(26；27)具有一个相移角，该相移角在负三角方向上等于+2α2/3；—一个第三定子部分(13)包括一个放置在所述磁铁(4、5)之间的第五定子磁极(31)，而所述磁铁(4、5)又分别地一方面位于所述第五定子磁极(31)和所述第一(15)以及所述第二(16)定子磁极之间，另一方面位于所述第五定子磁极(31)和所述第三(22)以及所述第四定子磁极之间；—一个第一线圈(51)包含一个铁心(54)，铁心(54)具有一个第一端和一个第二端，这两端分别与所述第一定子磁极(15)和所述第四定子磁极(31)磁耦合。—一个第二线圈(52)包含一个铁心(55)，铁心(55)具有一个第一端和一个第二端，这两端分别与所述第三定子磁极(22)和所述第四定子磁极(31)磁耦合。—一个第三线圈(53)包含一个铁心(56)，铁心(56)具有一个与所述第二定子磁极(16)和第四定子磁极(23)磁耦合的第一端和一个与所述第五定子磁极(31)磁耦合的第二端。
2.根据权利要求1的电磁电动机，其特征在于所述第二定子磁极(16)和第四定子磁极(23)是通过一个撑挡或支杆(61)来磁耦合的。
3.根据权利要求1的电磁电动机，其特征在于所述第二定子磁极(16)和第四定子磁极(23)是在一个区域互相接触的，该区域远离第一开孔(14)和第二开孔(21)。
4.根据权利要求1的电磁电动机，其特征在于所述第一磁铁(4)的磁偶极子(6)的数量N1等于所述第二磁铁(5)的磁偶极子(6)的数量N2，其特征还在于所述第一组和第二组齿的齿(19，20)的每一个被排列成与所述第三组和第四组齿的齿(26，27)之中的一个相对，并且所述第五定子磁极包括一个第五组齿，其中的每一个都和第一组和第二组齿中的齿(19，20)之中的一个相对。
5.根据权利要求1的电磁电动机，其特征在于由所述的第一组齿的每一个齿(19)的两条侧边在圆心所形成的角以及由所述的第二组齿的每一个齿(20)的两条侧边在圆心所形成的角的值满足如下要求，在没有其他任何影响的情况下，所述第一转子(2)位于一个转角位置，在该位置上所述第一磁铁(4)的磁偶极子(6)的几何轴线相对于第一组(19)和第二组(20)齿中的一个齿的轴线的相移等于一个第三相移角，这个第三相移角在负三角方向上的值介于+α1/2和+2.5α1/3之间。
6.根据权利要求1的电磁电动机，其特征在于由所述的第三组齿的每一个齿(26)的两条侧边在圆心所形成的角以及由所述的第四组齿的每一个齿(27)的两条侧边在圆心所形成的角的值满足如下要求，在没有其他任何影响的情况下，所述第二转子(3)位于一个转角位置，在该位置上所述第二磁铁(5)的磁偶极子(6)的几何轴线相对于第三组(26)和第四组(27)齿中的一个齿的轴线的相移等于一个第三相移角，这个第三相移角在负三角方向上的值介于+α2/2和+2.5α2/3之间。
7.根据权利要求5的电磁电动机，其特征在于所述第三相移角具有一个等于+2α1/3的值。
8.根据权利要求6的电磁电动机，其特征在于所述第三相移角具有一个等于+2α2/3的值。
9.根据权利要求5的电磁电动机，其特征在于由所述的第一组齿的每一个齿(19)的两条侧边在圆心所形成的角以及由所述的第二组齿的每一个齿(20)的两条侧边在圆心所形成的角的值介于0.3β1至0.7β1之间。
10.根据权利要求5的电磁电动机，其特征在于由所述的第三组齿的每一个齿(26)的两条侧边在圆心所形成的角以及由所述的第四组齿的每一个齿(27)的两条侧边在圆心所形成的角的值介于0.3β2至0.7β2之间。
全文摘要
一电动机(1)包括三个定子部分(11、12、13)和两个同轴线的转子(2、3),这两个转子各自包括一个具有轴向磁化的多极磁铁(4、5),磁铁各自位于第三定子部分(13)和第一定子部分(11)之间以及第三定子部分(13)和第二定子部分(12)之间。第一定子部分和第二定子部分还各自包含两个定子磁极(15、16、22、23),这些定子磁极各自具有一组齿(19、20、26、27),它些齿互相交错。在转子(2、3)的停留位上,磁铁(4、5)的磁偶极子(6)相对与齿(19、20、26、27)具有相移。两个线圈(51、52)各自与定子磁极(15、22)互相耦合,一个第三线圈(53)与其他两个定子磁极(16、23)互相耦合。由于这种布置的结果,电动机(1)是紧凑的,并且它的转子(2、3)可以各自地在两个方向上旋转。
文档编号G04C13/11GK1186374SQ9711989
公开日1998年7月1日 申请日期1997年11月26日 优先权日1996年11月27日
发明者D·塔赫佐特 申请人:Eta草图制造公司