专利名称：用于电动装置的转子－定子结构的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及电动机、交流发电机、发电机等，更具体地，本发明涉及一种用于电动机的转子-定子结构，该结构例如通过最大限度地减小磁通路径的长度或者矫直通过场磁极构件的那些磁通路径或者采用上述两种方式来增大每单位尺寸(或者每单位重量)的输出转矩。另外，该转子-定子结构可节约资源，比如，例如通过尽量减小消耗以及去除“护铁”材料来减小制造成本。
背景技术：
在用于分马力电动机和微型分马力电动机的传统定子-转子结构中，永磁体经常被结合在转子组件中，该转子组件通常在与铁磁性定子结构相同的平面中转动，铁磁性定子结构提供用于磁体的磁通量回路和产生电流的磁通量。也被称为安匝(“AT”)-所产生的磁通量的产生电流的磁通量是使电流通过围绕定子构件结构的磁极区域缠绕的线圈绕组而产生的。尽管起作用，但是如下面所讨论的，这些和其它电动机的传统定子和转子结构具有几个缺点。
图1示出了一种作为常用的定子和转子结构的例子的传统电动机。电动机100是一种由定子结构104、磁毂106和轴102构成的圆柱形电动机。电动机100的转子结构包括一个或者多个永磁体110、所有的永磁体110都通过磁毂106固定在轴102上，以便在定子结构104内转动。定子结构104典型地包括场磁极118，每一个场磁极118具有围绕每一个场磁极118缠绕的线圈绕组112(仅示出了一个)。定子结构104包括狭槽108，该狭槽108部分地用于在制造过程中为将绕线缠绕在定子场磁极118上而提供绕线通道。狭槽108还在相邻的场磁极118之间提供磁分离。定子结构104包括作为磁通量回路116的一部分的外围磁力线穿行区段119。在许多情况下，定子结构104由叠片114构成，叠片114典型地由各向同性(例如，无晶粒取向)磁导材料制成。作为其中存在永磁体生成的磁通量和AT生成的磁通量的多个磁通量回路中的一个的磁通量回路116被显示出在外围磁力线穿行区段119处自然略微呈弧形，但包括进入场磁极区域118中的比较急的转弯。
包括电动机100的传统电动机的一个缺陷是，磁通量回路116需要较长的长度来完成用于从一个转子磁极110发出并且经由磁通量回路116横移到另一个转子磁极110的磁通量的磁路。另外，磁通量回路116不是直线，而直的磁通量回路对于使磁力线穿行是优选的。如图所示，磁通量回路116在定子路径中具有两个90度的转弯。磁通量回路116从场磁极区域118转一次而转向外围磁力线穿行区段119，接着再从外围磁力线穿行区段119转向另一个场磁极区域118。这些转弯对于有效地运送磁通量是次优的。在实施时，与在场磁极之间运送这种磁通量所需的材料或“护铁”相比，磁通量回路116需要更多的材料或者“护铁”。因此，磁通量回路116为传统的电动机增加重量和尺寸，从而增加了电动机形状因数以及制造这种电动机的材料成本。
传统电动机的另一个缺点是，叠片114不能有效地使用各向异性材料以优化磁通密度并减小在运送磁通量的磁极中的诸如通过场磁极118的磁滞损耗和在外围磁力线穿行区段119处的定子区域。具体地，外围磁力线穿行区段119包括非直线的磁通路径，非直线的磁通路径限制了这种各向异性材料在尽量减小磁滞损耗(或者“铁耗”)方面的使用。磁滞是磁性材料保持其磁化的趋势。“磁滞损耗”是磁化和去磁构成定子区域的磁性材料所需的能量，其中磁滞损耗随着磁性材料量的增大而增加。当磁通量回路116具有一个或者多个90度或者更大的转弯角时，各向异性材料(诸如晶粒取向材料)的使用不能有效地减小磁滞损耗，这是由于在外围磁力线穿行区段119中的磁通量回路116将横切叠片14的方向取向。例如，如果方向120表示叠片14的晶粒取向，那么磁通量回路116的至少两个部分横穿晶粒的方向120，从而阻滞定子外围磁力线穿行区段119的那些部分的磁通密度量。因此，各向异性材料通常没有用于类似定子结构104的结构中，这是由于磁通路径通常是曲线的而不是直线的，这限制了由使用这种材料所带来的益处。
传统电动机的又一个缺陷是磁通量回路116的长度较长。改变磁场(诸如那些在电动机换向频率下产生的磁场)可在与感生涡流电流的磁场相对的取向上、在叠片114中产生涡流电流。涡流电流导致功率损耗，该功率损耗基本上与磁通量改变的速率的幂函数成比例以及基本上与受到影响的叠片材料的体积成比例。
常用的电动机的其它缺陷包括为减小“齿槽效应”或者起动转矩而实施专门的技术，这不十分适合应用于各种类型的电动机设计。齿槽效应是导致“急动”运动而不是平滑转动的非均匀角转矩。该效应通常在低速时特别明显并且当场磁极118相对于磁极处于不同的角位置时在载荷上施加正性和减性转矩。另外，固有的转动加速度和减速度会导致可听得到的震动。
在另一种电动机中，磁极位于围绕转子轴有较大直径的地方(或者相距较大径向距离的地方)。这些磁极以及产生这些磁极的永磁体典型地围绕轴同轴线地布置，并且相邻的磁极的极性是交替的。衔铁盘通常在垂直于转子轴的平面中支撑采取单独的非单片磁体形式的永磁体。诸如这样的结构是基于电动机设计的某些原则而设计出的。根据该原则，通过增大磁极和转子轴之间的径向距离来实现输出转矩的增大。因此，这种类型的电动机的磁极愈发被设置在与转子轴相距较大距离的地方，以增加从转动轴到气隙的转矩臂距离。这种方案的缺陷在于，在形成较大的电动机结构时要消耗附加的材料以适应较大的转矩臂距离，诸如用于形成磁通量回路的那些结构。通常利用“护铁”形成这些磁通量回路以完成较大的磁通路径，该磁通路径自然通常是曲折的。通过增加护铁来完成磁路，磁通量通过其中的磁性材料体积将增大，这有害地趋于增大磁滞损耗和涡流电流损耗，这两种损耗可被统称为“铁心损耗”。另外，通过增加护铁来完成磁路会增大磁通路径的长度，从而加重铁心损耗。这种类型的电动机的另一个缺陷是，当磁极的位置离轴较远时，电动机体积增大，这又限制了这种类型的电动机的实际应用和使用。
术语“护铁”通常用于描述这样一种物理结构(以及形成这种物理结构的材料)，即，该结构通常用于完成一种将是开放的磁路。护铁结构通常仅用于将磁通量从一个磁路元件转移到另一个，诸如从一个可导磁的场磁极转移到另一个，或者从一个永磁体的磁极转移到另一个永磁体的磁极，或者上述两种情况都存在。另外，所形成的“护铁”结构通常不能接受相关的安匝形成元件，诸如一个或者多个线圈。
综上所述，希望提供一种极大地减小电动机和发电机中的上述缺陷并且增大每单位尺寸或者每单位重量或者每单位尺寸和每单位重量的输出转矩和效率以及在制造和/或操作过程中节约资源的转子-定子结构。
发明内容
本发明披露了一种用于实现电动装置(诸如电动机、发电机、交流发电机等)中所用的示例性转子-定子结构的系统、设备和方法。根据本发明的一个实施例，一种用于电动装置的转子-定子结构包括具有在转动轴线上沿轴向布置的圆锥形表面、从而使圆锥形表面彼此相互面对的圆锥形磁体。圆锥形磁体包括至少两个圆锥形磁体，所述至少两个圆锥形磁体是这样设置的，即，使得两个圆锥形磁体的极化方向为基本上相反的方向。另外，该转子-定子结构也可包括相对于所述轴线同轴布置的场磁极构件。该场磁极构件具有形成在场磁极构件的端部处的磁通量相互作用表面，所述磁通量相互作用表面与圆锥形表面的面对所述磁通量相互作用表面的部分相邻。所述磁通量相互作用表面与圆锥形表面的该部分形成了气隙，并且所述磁通量相互作用表面被构造成使场磁极构件与圆锥形磁体磁耦合。在一些情况下，转子-定子结构包括一轴，所述圆锥形磁体就安装在所述轴上，所述轴限定了所述转动轴线。每一个圆锥形表面可相对于转动轴线具有大约为10度至80度的倾斜角。在一个实施例中，每一个场磁极构件还包括从每一个场磁极构件的一端到另一端连续的可导磁的材料，其中每一个场磁极构件的至少一部分被构造成可接收用于产生安匝(“AT”)磁通量的元件，诸如一个或者多个线圈。在一个可选择的实施例中，定子-转子还包括一个或者多个线圈，其中至少一个线圈围绕每一个场磁极构件缠绕以形成主动场磁极构件。在一些情况下，转子-定子结构不包括护铁，从而减小了磁滞损耗以及用于制造电动装置的材料。在另一个实施例中，转子-定子结构的至少一个场磁极构件基本上是直的。基本上是直的场磁极构件可在磁体之间提供较短的磁通路径，这与在一些传统的定子结构中使用护铁相比，可带来磁导材料的体积的减小。减小通过其引导磁通量的磁导材料的体积，可减小磁滞损耗。
一种示例性转子-定子结构的场磁极构件和圆锥形磁体可被布置成使得在磁通路径的与从第一圆锥形磁体的一个表面部分延伸到第二圆锥形磁体的一个表面部分的基本上笔直的直线相符的一个路径部分中的线性偏差达到最小，所述路径部分终止于所述表面部分。在一个具体实施例中，将转子-定子结构构造成产生主要包括第一圆锥形磁体、第二圆锥形磁体、至少一个场磁极构件以及两个或者多个气隙的磁通路径。在一些情况下，场磁极构件可包括叠片以使得涡流电流最小化，从而减小功率损耗。叠片可用由磁导材料构成的基片以一种减小磁导材料的消耗的方式制成。注意的是，在某些情况下，至少一个叠片是各向异性的，它可包括晶粒取向材料。在一个实施例中，转子-定子结构还包括缠绕在至少一个场磁极构件上的线圈以形成至少一个主动场磁极构件，其中将至少一个场磁极构件的形状制成以无需经由狭槽缠绕线圈的方式极大地减小与将线圈缠绕在传统场磁极上相关联的制造复杂性。在又一个实施例中，每一个磁通量相互作用表面还包括歪斜的磁通量相互作用表面，以减小在相邻的场磁极构件之间的场磁极间隙，由此使得起动转矩最小化。也可通过使两个圆锥形磁体的极化方向偏置大约150至180度来减小起动转矩。在转子-定子结构的至少一个示例中，场磁极构件是静止的，圆锥形磁体可相对于场磁极构件转动；而在其它示例中，圆锥形磁体保持静止，场磁极构件相对于圆锥形磁体转动。
根据本发明的另一个实施例，一种用于具有一轴线的电动装置的转子-定子结构包括具有至少两个围绕所述轴线沿轴向布置的磁体的转子。这两个磁体可相互分隔开并且可具有预定的磁极化区域。每一个磁体可具有主尺寸与轴线基本上成一锐角的相对的磁表面。该相对的磁表面通常彼此相互面对，并且沿基本上相反的方向进行磁极化。磁极化可被描述为位于通过磁体表面且同时基本上垂直于轴线的平面内。在一个实施例中，磁体基本上为圆锥形磁体并且磁表面是圆锥形磁表面。转子-定子结构也可包括与所述轴线同轴线布置并且具有在场磁极构件的端部处形成的磁通量相互作用表面的场磁极。磁通量相互作用表面典型地与基本上与其主尺寸共同延伸的相对的磁表面相邻的设置，并且与之限定功能性气隙。每一个场磁极构件是可导磁的，其中磁通量相互作用表面被构造成使场磁极构件与圆锥形磁体磁耦合。在至少一种情况下，一个或者多个场磁极构件的每一个还包括围绕所述一个或者多个场磁极构件的一个线圈，由此形成一个或者多个主动场磁极构件。在一个实施例中，将转子-定子结构构造成限制磁通路径仅横穿过两个圆锥形磁体、场磁极构件、磁通量相互作用表面和气隙。因此，不包括护铁。在一个具体实施例中，场磁极构件包括硅铁合金、镍铁合金、钴镍合金、磁性粉末合金和软磁复合材料中的一种或更多，而圆锥形磁体可是永磁体，所述永磁体由回复磁导率小于1.3个单位(以厘米、克和秒为单位表示(“CCS”))的磁体材料构成。作为一个示例，圆锥形磁体可全部或者部分由钕铁(“NdFe”)构成。作为其它的示例，磁体可由陶瓷、钐钴(“SmCo”)或者其它稀土磁体材料构成。
根据本发明的再一个实施例，一种用于电动装置的示例性转子-定子结构包括限定了一转动轴线并且具有第一端部、中央部分和第二端部的轴。该转子-定子结构至少包括第一磁体，所述第一磁体具有轮廓为圆锥的至少一部分以形成第一圆锥形表面的表面，所述第一磁体具有第一极化方向并且在第一端部处沿轴向设置在所述轴上。另外，该转子-定子结构可包括第二磁体，所述第二磁体具有轮廓为圆锥的至少一部分以形成第二圆锥形表面的表面，所述第二磁体具有第二极化方向并且在第二端部处沿轴向设置在所述轴上，从而使第一极化方向基本上与第二极化方向相反。通常，第二圆锥形表面面对或者面向第一圆锥形表面。该转子-定子结构还包括与所述轴基本上同轴线布置的多个场磁极构件。每一个场磁极构件包括多个基本上为直的叠片，至少一个叠片由各向异性材料构成并且以与其它叠片平行且与转动轴线平行的方式布置。每一个场磁极构件具有在其第一场磁极构件端部处的第一极靴和在第二场磁极构件端部处的第二极靴，第一极靴的位置与第一圆锥形表面的一部分相邻，以形成第一磁通量相互作用区域，而第二极靴的位置与第二圆锥形表面的一部分相邻，以形成第二磁通量相互作用区域。另外，该转子-定子结构包括缠绕在多个场磁极构件中的至少一个上的至少一个线圈，以形成主动场磁极构件。因此，至少在一些情况下，将转子-定子结构构造成产生至少一个如下所述的磁通路径，即，该磁通路径被限制成仅横穿过第一磁体、第二磁体、主动场磁极构件以及第一和第二磁通量相互作用区域。在一个具体实施例中，所述至少一个线圈沿轴向基本上延伸所述主动场磁极构件的长度，以减少从所述主动场磁极构件的周边发生的磁漏。
在一个可选择的实施例中，第一极靴和第二极靴还分别包括第一极面和第二极面，其中使第一极面的至少一部分的轮廓形成第一气隙，所述第一气隙具有主要由在第一圆锥形表面的所述部分和第一极面之间的距离限定的间隙厚度，并且将第二极面的至少一部分的轮廓形成第二气隙，所述第二气隙具有主要由在第二圆锥形表面的所述部分和第二极面之间的距离限定的间隙厚度。所述间隙厚度一般不大于第一磁体或者第二磁体的平均直径的40％。在另一个实施例中，第一磁体和第二磁体都是以使它们的极化相差在150至180度之间的一个角的方式取向的双极磁体，其中每一个双极磁体是单片的。在一些实施例中，第一磁体和第二磁体都是多极磁体。一种示例性的转子-定子结构包括三个或者四个场磁极和双极磁体。另一种构造包括被构造成与四极圆锥形磁体一起操作的六个或者八个场磁极。在一些情况下，该转子-定子结构可被构造成接收作为进入至少一个线圈中的电流的电能，以用于实现电动机。在其它情况下，该转子-定子结构可被构造成接收作为围绕所述轴的转动运动的机械能，以用于实现发电机。
根据本发明的再一个实施例，一种用于电动装置的示例性转子-定子结构包括限定了转动轴线的轴；至少两个永磁体，每一个永磁体具有至少一个圆锥形表面和外表面，至少两个永磁体中的每一个同轴线地安装在所述轴上，从而使至少一个圆锥形表面中的一个面对另一个；多组线圈；以及多个铁磁性场磁极构件。多个铁磁性场磁极构件基本上平行于轴线地设置，每一个铁磁性场磁极构件具有沿着轴向的长度，该长度基本上至少在至少两个永磁体的至少一个圆锥形表面中的两个之间延伸。每一个铁磁性场磁极构件还具有至少一个中央部分，多组线圈中的一组线圈缠绕在所述中央部分上。每一个铁磁性场磁极构件具有一极靴，所述极靴具有在铁磁性场磁极构件的每一个端部处形成的至少一个极面。每一个极面一般被构造成与或者经由至少两个永磁体的任意一个的至少一个圆锥形表面的一部分形成磁通量相互作用区域。
根据至少一个实施例，一种示例性转子-定子结构可设置在电动机内以相对于常规的具有相同尺寸和/或重量的电动机提供更大的由这样一种电动机所能够输送的输出转矩。在一个实施例中，一种转子-定子结构提供较短的且较直的磁通路以及与传统的用于电动装置的转子-定子结构相比可更有效的材料使用。在使用各向异性(例如，晶粒取向材料)的磁导材料来形成本发明的具体实施例的场磁极构件的情况下，这种材料的固有的磁特性有助于增大在磁通量穿行区域中的磁通量密度。应该注意的是，可以或不可将这些材料用于形成叠片。因此，取消或者至少减小外部回路，诸如通常那些在实施种通常使用护铁的回路，能够减轻应用本发明的转子-定子结构的各个实施例的电动装置的重量并减小整体尺寸。在另一个实施例中，转子-定子结构可提供比具有相同输出转矩的类似尺寸的传统电动机更大的电动机效率。该效率增大至少部分由于更低的绕线电阻，其转换成更小的电流-平方-乘以-电阻(即，I2*R)功率损耗，同时产生与在传统电动机的类似尺寸的外壳或者电动机壳体中产生的相同的产生安匝的磁通量。另外，本发明的转子-定子结构与传统的电动机相比，制造的复杂性降低(例如，在线圈缠绕过程中)以及成本较低(例如由于节约材料)。
从以下结合附图的详细说明可对本发明有更详细的理解，在附图中图1示出了传统电动机中的常用定子和转子结构；图2是根据本发明的一个实施例的示例性转子-定子结构的分解图，其中磁体为圆锥形；图3示出了根据本发明的一个实施例的图2的转子-定子结构的端部视图，没有磁体以示出被构造成通过气隙与圆锥形磁体的面对磁表面相互作用的极面的取向；图4示出了根据本发明的一个实施例的图2的转子-定子结构的另一个端部视图，示出了定位成与极面相邻的圆锥形磁体；图5A和5B示出了根据本发明的至少一个实施例的示例性磁通量路径的剖视图；图5C示出了根据本发明的一个实施例的离开产生安匝磁通量的定子元件的极面的第二通量路径的一个示例；
图5D示出了根据本发明的一个实施例的进入初始产生图5C的安匝磁通量的主动场磁极构件的极面的第二通量路径的一个示例；图6A和6B示出了根据本发明的另一个实施例的另一种示例性转子-定子结构的端部视图；图6C示出了根据本发明的另一个实施例的图6A和图6B的转子-定子结构的部分剖视图；图7A和7B示出了根据本发明的一个实施例的一种示例性场磁极构件；图8示出了根据本发明的一个具体实施例的具有偏斜极面的另一种示例性场磁极构件；图9A至9M示出了根据本发明的各个实施例的可用于示例性转子-定子结构中的其它形状的永磁体的示例；图10示出了根据本发明的一个实施例的多磁极磁体；以及图11示出了根据本发明的一个可选择的实施例的另一种转子-定子结构的一个示例的端部视图。
在所有的几幅附图中，相同的附图标记表示相应的部件。注意的是，大部分附图标记包括一般表示最先引入该附图标记的附图的一个或者两个最靠左的数字。
具体实施例方式
定义下列定义用于参照本发明的一些实施例描述的一些元件。这些定义可基于这里所述的内容扩展。
这里所用的术语“气隙”指的是，在磁体表面和面对的极面之间的空间或者间隙。这样一个空间可具体地被描述为，至少由磁体表面和极面区域所限定的体积。气隙用于使得转子和定子之间进行相对转动，并且限定磁通量相互作用区域。尽管气隙通常充满空气，但无需被这样限定。
这里所用的术语“护铁”通常指的是，常用于完成一种开放式磁回路的物理结构(以及形成该物理结构的材料)。特别是，护铁结构通常仅用于将磁通量从一个磁回路元件转移到另一个，诸如从一个可导磁的场磁极到另一个，或者从第一磁体的磁极到第二磁体的磁极，或者二者兼有在场磁极构件或者磁极之间没有安匝形成元件，诸如线圈。另外，所形成的护铁结构通常不能接受相关的安匝形成元件，诸如一个或者多个线圈。
这里所用的术语“线圈”指的是，被设置成用于感应地耦合于磁导材料以产生磁通量的导体连续卷绕的组件。在一些实施例中，术语“线圈”可被描述为“绕组”或者“线圈绕组”。
这里所用的术语“线圈区域”通常指的是线圈围绕其卷绕的场磁极构件的部分。
这里所用的术语“磁芯”指的是，场磁极构件的这样一个部分，在该部分处线圈通常设置在极靴之间并且通常由磁导材料构成以提供部分磁通量路径。
这里所用的术语“场磁极构件”通常指的是，由磁导材料构成并且被构造成提供可使线圈围绕其卷绕的结构的构件(即，该构件被构造成接收用于产生磁通量的线圈)。在一些实施例中，场磁极构件包括磁芯(即，磁芯区域)和至少两个极靴，每一个极靴通常位于磁芯的相应端部处或者附近。但应该注意的是，在其它实施例中，场磁极构件包括一个磁芯和仅一个极靴。当然，一个场磁极构件不能产生安匝磁通量。在一些实施例中，术语“场磁极构件”通常可被描述为“定子-磁芯”。在一些实施例中，场磁极构件通常具有细长的形状，以使场磁极构件的长度(例如，场磁极构件的端部之间的距离)通常大于其宽度(例如，磁芯的宽度)。
这里所用的术语“主动场磁极构件”指的是，一个磁芯、一个或者多个线圈和至少一个极靴的组件。特别是，主动场磁极构件可被描述为用于选择性地产生安匝磁通量的装有一个或者多个线圈的场磁极构件。在一些实施例中，术语“主动场磁极构件”通常可被描述为“定子-磁芯构件”。
这里所用的术语“铁磁性材料”指的是，一般表现磁滞现象并且其导磁性取决于磁化力的材料。另外，术语“铁磁性材料”也可指的是相对导磁率大于1并且取决于磁化力的磁导材料。
这里所用的术语“场相互作用区域”指的是，其中由两个或者多个源发出的磁通量以可相对于它们的源产生机械力和/或转矩的方式矢量地相互作用的区域。通常，术语“磁通量相互作用区域”可与术语“场相互作用区域”互换使用。这样的源的示例包括场磁极构件、主动场磁极构件和/或磁体或者其部分。尽管场相互作用区域通常在转动机械说法中被称为“气隙”，但场相互作用区域是一个较宽的术语，它描述了这样一个区域，其中来自于两个或者多个源的磁通量矢量地相互作用以相对于这些源产生机械力和/或转矩，因此不限于气隙的定义(即，不被限制在由磁体表面和极面的区域和从在两个区域之间的外围延伸的平面限定的体积)。例如，场相互作用区域(或者其至少一部分)可位于磁体的内部。
这里所用的术语“发电机”通常指的是，被构造成将机械能转变为电能的电动装置，而例如与其输出电压波形无关。“交流发电机”的定义也是类似的，术语发电机的定义包括交流发电机。
这里所用的术语“磁体”指的是，在其自身外部产生磁场的物体。同样，术语磁体包括永磁体、电磁体等。
这里所用的术语“电动机”通常指的是，被构造成将电能转变为机械能的电动装置。
这里所用的术语“导磁”是描述性术语，其通常指的是，在磁通量密度(“B”)和所施加的磁场(“H”)之间具有可磁限定关系的材料。另外，“导磁”是一个广义术语，包括但不限于铁磁性材料、软磁复合材料(“SMCs”)等。
这里所用的术语“极面”指的是，面对磁通量相互作用区域(以及气隙)的至少一部分的极靴表面，由此形成磁通量相互作用区域(以及气隙)的边界。在一些实施例中，术语“极面”通常被称为“定子表面”。
这里所用的术语“极靴”指的是，场磁极构件中有助于使得极面以使其面对转子(或者其一部分)定位的部分，由此用于形成气隙和控制其磁阻。场磁极构件的磁靴通常位于磁芯的每一端附近，该磁芯开始于线圈区域或线圈区域附近并且终止于极面。在一些实施例中，术语“极靴”通常被称为“定子区域”或者“磁通量相互作用表面”的至少一部分，或者两者。
这里所用的术语“软磁复合材料(“SMCs”)”指的是，部分由绝缘磁体颗粒构成的那些材料，所述绝缘颗粒诸如可被模制以形成本发明的转子-定子结构的一个元件的涂有绝缘层的铁粉末金属材料。
描述图2是根据本发明的一个具体实施例的一种示例性转子-定子结构的分解图。在该示例中，转子-定子结构200被构造成通过至少使磁通路径通过场磁极构件的长度最小化来增大用于电动机实施的每单位尺寸(或者每单位重量)产生的转矩。在一些实施例中，场磁极构件204提供直的或者基本上直的磁通量路径(或者其区段)以使磁通量的线性偏差最小化。通常，路径区段通常平行于转动轴线。因此，与需要磁通量诸如在场磁极区域之间具有90度(或大约90度)角度绕其外围急剧返回的传统磁通回路设计相比较，通过采用直的或者基本上直的磁通量路径，那些场磁极构件的每个都提供了较低磁阻磁通量路径。因此，本发明各实施例的转子-定子结构可使用直的或者基本上直的磁通量路径，以使得电动装置在减小的磁损耗和增加的效率下操作。以下描述可应用于具有除圆锥形磁体形状以外或等同于圆锥形磁体形状的其它形状的磁体。
在该示例中，转子-定子结构200包括转子组件202和多个主动场磁极构件204(即，主动场磁极构件204a、204b和204c)，由此主动场磁极构件204被构造成磁力连接于转子组件202的磁体上并驱动转子组件202的磁体。转子组件202包括安装在轴222上或固定在轴222上的两个圆锥形磁体220(即，圆锥形磁体220a和220b)，从而圆锥形磁体220a上的圆锥形磁体表面221a的至少一部分面对圆锥形磁体220b上的圆锥形磁体表面221b的至少一部分。具体地，圆锥形磁体220的较小直径端部(即，最靠近圆锥的顶点(如果存在顶点的话)，或者最靠近于圆锥的概念上的顶点(如果例如由于圆锥截头而导致不存在顶点的话))相互面对。而且，每个圆锥形磁体220被布置得邻近于主动场磁极构件204的一组端部。在本发明的各个实施例中，每个圆锥形磁体表面221和221b相对于转动轴线都具有倾斜角，其中所述角为大约5度到大约85度。在一个具体实施例中，所述倾斜角为大约10度到大约80度。在至少一个实施例中，例如当圆锥形磁体220是由较高性能的磁体材料(例如，如下所述的具有最大能量乘积和“Br”的较高值以及高矫顽磁性的磁体)构成时，倾斜角相对于转动轴线大约为30度。在各实施例中，轴222可由磁导材料构成，而在其它实施例中，轴222可由非磁性和/或非导电材料制成。因此，转子-定子结构200不需轴222形成磁通量路径。主动场磁极构件204和圆锥形磁体220a和220b足以形成根据本发明至少一个实施例的磁通量路径。
每个主动场磁极构件204都包括场磁极构件206和缠绕在相应场磁极构件206的绝缘线圈208。场磁极构件206被关于转动轴线同轴地布置，所述转动轴线可由轴222的轴线限定。线圈208a、208b和208c通常分别被绕场磁极构件206a、206b和206c的中央部分缠绕，以当通过电流激励线圈208时在场磁极构件206中产生安匝-产生磁通量。在至少一个实施例中，一个或多个主动场磁极构件204至少部分地构成了定子组件(未示出)。在主动场磁极构件204的每个端部区域处都有极面207，每个极面207都被布置成邻近于并面对圆锥形磁体220的圆锥形磁体表面的至少一部分，由此在磁体表面(或其一部分)与极面之间限定功能性气隙。依照本发明的一个具体实施例，极面207是波形的以模仿磁体的表面(诸如圆锥形磁体220a的表面)。例如，极面207b是具有类似圆锥形磁体220a的凸形表面的曲率的凹形表面。在本发明的一个实施例中，任意延伸端部(诸如延伸端部211b)从场磁极构件206处纵向地延伸，以延伸到圆锥形磁体220的外表面和/或超过所述外表面。作为另一个示例，延伸的端部217b被构成延伸过圆锥形磁体220b的外表面，以用于插入到一个槽242中，以便于构成转子-定子结构200。应该注意的是，在某些实施例中，延伸端部211b被省略(未示出的场磁极构件206的其它延长端部也是一样)，由此使得磁体的较大直径端部延伸到或超过与场磁极构件206的外表面相关联的径向距离。
由于转子组件202或多个场磁极构件204中的一个可被构成得相对于另一个转动，因此转子-定子结构200可任选地包括轴承230和前安装板240a和后安装板240b。在一个具体实施例中，安装板240a和240b可由非磁性和/或非导电材料制成。安装板240a和240b中的空腔244被设计成用于接收轴承230，并且沟槽242被设计成用于接收主动场磁极构件的延伸的端部(诸如延长端部217b)的至少一部分。在某些情况下，沟槽242限制主动场磁极构件204的运动，以保持相对于转子组件202的适当位置。可添加保护性外壳(未示出)，以保护转子组件202和场磁极构件204，并且可用作一个或多个线圈208的散热器。虽然可用于实现示例性转子-定子结构200，但是本发明的各个实施例不局限于包含安装板240a和240b以及轴承230和沟槽242，尤其是当产生根据本发明各实施例的磁通量路径时。
应该注意的是，尽管每个场磁极构件206被示出成由绝缘线圈208缠绕，但是依照具体实施例，不是所有场磁极构件206都可由绝缘线圈208缠绕。例如，可分别从主动场磁极构件204b和204c中省略线圈208b和208c，以形成电动装置，例如，所述电动装置的制造成本低于如果包含线圈208b和208c的情况。在没有线圈208b和208c的情况下，构件204b和204c构成场磁极构件而不是主动场磁极构件。还应该注意的是，尽管场磁极构件206a、206b和206c被示出成直线场磁极构件，但是场磁极构件206a、206b和206c不需要为直线的或基本为直线的。在一些实施例中，一个或多个场磁极构件206a、206b和206c可被构造成提供非直线场磁极构件的形状，以在除直线磁通量路径以外的磁通量路径中传送通量。例如，场磁极构件206a、206b和206c可被构造成将线圈208布置得更靠近于轴222的形状，由此减小执行转子-定子结构200的电动装置的体积。文中的某些实施例中的“非直线”磁通量路径可被描述为具有两个连续部分并处于60度和90度之间的角度的磁通量路径。在某些实施例中，术语“基本上直线”可指的是提供直线磁通量路径(例如，从例如场互作用区之间的直线处没有偏离的路径)以及包括在相同总方向上在相互间具有60度或更小角度的两个连续磁通量路径段的磁通量路径的场磁极构件。
在至少一个具体实施例中，一个或多个主动场磁极构件204中的每个包括仅一个或多个线圈208和诸如场磁极构件206a、206b和206c中的任意一个的场磁极构件。在某些情况中，主动场磁极构件204可包括没有为缠绕场磁极构件的线圈绕组增加坚实支撑的带、纸和/或颜料等。通常，一个或多个线圈208的绕组被直接缠绕在场磁极构件本身上。一个或多个线圈208的导体通常可包括绝缘部分。但是在该具体实施例中，主动场磁极构件204中的每个都不需要包括任何其它中间结构，诸如线圈载体结构，所述其它中间结构在制造过程中需要额外材料成本和劳力。
图3示出了根据本发明一个实施例的转子-定子200的端视图300，其中示出了极面的定向，所述极面被构造成通过气隙与圆锥形磁体220a的面对磁体表面相互作用。图3中没有示出前安装板240a、轴承230和圆锥形磁体220a，所有这些元件都省略以示出主动场磁极构件和线圈形状，以及场磁极之间的场磁极间隙(“G”)的端视图。如图中所示的，线圈208a、208b和208c分别环绕场磁极构件206a、206b和206c，以形成主动场磁极构件204a、204b和204c，它们都被紧密地布置以增加执行转子-定子结构200的电动机或发电机的组装密度(与使用通常使用图1的狭缝108缠绕的线圈绕组的传统电动机相比较)。图3还示出了延伸的端部311a、311b和311c的边缘，以及各个主动场磁极构件204a、204b和204c的极面307a、207b和207c。极面307a、207b和207c被布置成在那些极面或表面中的每个与圆锥形磁体220a的圆锥形磁体表面的至少一部分之间形成气隙。另外，场磁极间隙由构成主动场磁极构件204a、204b和204c的场磁极构件的侧部(边缘)限定。例如，间隙“G”表示任意例如由从相应场磁极构件206b和206c(图2)的侧部延伸的平面310和320限定的场磁极间隙。
图4示出了本发明一个实施例所涉及的转子-定子200和被布置成邻近于极面307a、207b和207c的圆锥形磁体220a的另一个端视图400。如图中所示的，圆锥形磁体220a的外磁体表面223a是可见的，如延长端部311a、311b和311c的突出边缘以及线圈208一样。应该注意的是，在该示例中，圆锥形磁体220a是具有北极(“N”)和南极(“S”)的双极磁体(例如，永磁体)。应该注意的是，在某些实施例中，可使用电磁体提供圆锥形磁体220a和220b。另外，图4限定了三个剖面图。第一剖面图，X-X为将场磁极构件206a和线圈208a对截的中心线，然后经由磁体220a穿过其它场磁极构件206b和206c之间的场磁极间隙。第二剖面图，Y-Y将场磁极构件206a和线圈208a对截，然后经由磁体220a穿过场磁极构件206b和线圈208b。与第二剖面图Y-Y相似的第三剖面图，Y′-Y′将场磁极构件206a和线圈208a对截，然后经由磁体220a穿过场磁极构件206c和线圈208c。图5A中示出了剖面图X-X，而在图5B中示出了产生相似图的视图Y-Y和Y′-Y′。
图5A和5B示出了截面图，所述图示出了本发明至少一个实施例所涉及的示例性磁通量路径。图5A示出了转子-定子结构500的主动场磁极构件204a的截面，所述截面示出了线圈208a和场磁极构件206a的截面图X-X。在该示例中，主动场磁极构件204a包括极面307a和505b、极靴507a和507b、线圈区域506和线圈208a。在图5A的图X-X中，圆锥形磁体220a和220b在相反方向上沿直径方向被磁化并且被布置成邻近于场磁极构件206a的相应极靴507a和507b。相应地，极靴507a的极面307a与磁体表面221a的至少一部分521a形成磁气隙551a，其中部分521a面对极面307a并且示为截面。相似地，极靴507b的极面505b与磁体表面221b的至少一部分521b形成磁气隙551b，其中部分521b面对极面505b并且示为截面。应该注意的是，部分521a和521b无需分别延伸圆锥形磁体220a和220b的轴向长度。例如，部分521a和521b可由限制在圆锥形磁体220a和220b的最大和最小横截面直径之间的区域限定并且可为任何尺寸。因此，依照至少一个实施例，部分521a和521b仅需要与极面形成气隙，其中圆锥形磁体220a和220b的其它表面部分被构成不形成气隙。另外，线圈208a包围场磁极构件206a的线圈部分506，由此线圈区域506大致由围绕场磁极构件206a一部分的线圈208a的轴向长度限定。图5A中未示出一个或多个场互作用区，所述场互作用区可环绕大于气隙(诸如气隙551a)的空间，并且例如可延伸到圆锥形磁体220a内。
在本发明的至少一个实施例中，分别在圆锥形磁体220a和220b上的表面的磁体部分521a和521b中的至少一个可被定义为由倾斜角(“θ”)501限定，所述倾斜角501为相对于转动轴线的角度。在所示的示例中，转动轴线与轴222相连。在具体实施例中，倾斜角(“θ”)501是距离轴222的30度。但是应该注意的是，角度501可为任何角。
在反向极化作用下，圆锥形磁体220a被极化，其中其北极(“N”)指向方向502，并且圆锥形磁体220b被极化，其中其北极(“N”)指向方向504。在某些实施例中，圆锥形磁体220a和220b沿实际相反的方向(即，方向502和504之间的180度)沿直径方向被磁化。
但是在其它实施例中，例如，为了减小起动转矩(“齿槽效应”)，方向502和504可偏移为除180度以外的那些方向之间的任意角度。在具体实施例中，方向502和504可偏移为大约150度到大约180度之间的任意角度。在各个实施例中，每个圆锥形磁体220a和220b(或其它类型磁体)都被极化以使其在基本垂直于转动轴的一个或多个平面中具有极化方向，其中术语“基本垂直”在某些实施例中也称作垂直角。
图5B示出了根据本发明一个实施例的主动场磁极构件204a和主动场磁极构件204b或主动场磁极构件204c中任意一个的横截面，并且示出了磁通路径。为了便于描述，将只描述剖视图Y-Y。图Y-Y是线圈208a和穿过线圈208b的场磁极构件206a和场磁极206b的剖视图。磁通路径560穿过场磁极构件206a和206b以及穿过圆锥形磁体220a和220b。为了进行描述，可将磁通路径560(或通量路径)描述为包含两个磁通路径，所述两个磁通路径通过叠加原理相组合。圆锥形磁体220a和220b形成第一磁通路径(即，永磁体产生的通量)，而由绕组的安匝产生的通量形成第二磁通路径(即，安匝产生的通量)。在该示例中，作为第一通量路径的磁体通量从圆锥形磁体220a的北极(“N”)出来并且穿过气隙551a以进入极面307a(图3)，所述北极与表面部分521a重合，表面部分521a面对极面307a。然后第一磁通路径纵向地穿过场磁极构件206a，之后从与圆锥形磁体220b相邻的场磁极构件206a端部处的极面505b穿出。第一通量路径通过穿过气隙551b而继续并且进入圆锥形磁体220b的南极(“S”)，南极通常与磁体表面221b的表面部分521b重合，并且面对极面505b。第一磁通路径穿过圆锥形磁体220b到其北极，所述北极通常与磁体表面221b的表面部分561b重合，所述表面部分561b面对极面213b。接着，第一磁通路径穿过气隙551c并且进入极面213b(图2)。从那里，第一磁通路径通过场磁极构件206b返回到极面207b(将从中出去)、穿过气隙551d，之后进入圆锥形磁体220a的南极，从而完成第一磁通路径。圆锥形磁体220a的南极通常与磁体表面221a(图2)的表面部分561a重合，磁体表面221a的表面部分561a面对极面207b。应该注意的是，在所述的情况中，从极面207b中出来的通量等同于从极面207c中出来的通量。应该注意的是，不需要附加结构或材料来形成磁通路径560的任何部分。因此，转子-定子结构550不包括护铁。
在具体实施例中，如此设定圆锥形磁体220的直径，即，使得每个圆锥形磁体220中的磁通路径的长度相对于四个气隙551a到551d相对较大，从而建立良好磁体载荷线。应该注意的是，这四个气隙551a到551d中的每个都提供通量互作用区以便于(通过)极面与磁体之间的磁通量相互作用。还应该注意的是，任意一个圆锥形磁体220a或220b中的通量路径被示出得与磁化轴对齐(即，从南极到北极)，这可有助于低磁体制造成本并且有助于使磁体可产生较高的输出扭矩/每单位体积(或尺寸)。对于具体应用来说，通过使用适当的磁体材料，可优选磁体矫顽磁性，所述磁体矫顽磁性是用于确定磁体在强外部磁场的影响下保持其内通量对齐方面有多好的磁体性能。
在至少一个实施例中，转子-定子结构550(图5B)产生磁通路径560的至少一部分，所述磁通路径560的所述至少一部分从大约第一圆锥形磁体220a的磁体表面的表面部分521a基本上线性地延伸到大约第二圆锥形磁体220b的磁体表面的表面部分521b。在一个示例中，磁通路径的所述部分主要由第一圆锥形磁体220a的表面部分521a、第二圆锥形磁体220b的表面部分521b、场磁极构件中的至少一个(诸如场磁极构件206a)以及两个或多个气隙(诸如气隙551a和551b)构成。
在本发明的至少一个实施例中，圆锥形磁体220a和220b可具有以下两种磁性特性。第一，圆锥形磁体220a和220b能够产生，诸如采用CGS单位高斯按照通量密度“B”测量的磁通量。“CGS”是指按照厘米、克和秒描述的单位。第二，圆锥形磁体220a和220b的磁体材料是这样的，即，使得磁体耐退磁。如本领域中公知的，具有高耐退磁能力的材料通常被描述为具有“高矫顽磁性”。退磁磁场的适当值可用于使特定磁体材料通量密度输出为零。因此，具有较高矫顽磁性值的磁体材料通常是指磁体材料能够经受大数值的反向外部磁场强度，而不受到退磁作用的影响。在具体实施例中，圆锥形磁体220a和220b是由在操作条件下具有较接近于1.00的回复磁导率值和足够的矫顽磁性Hd的磁体材料构成的，以使其在合理预期操作条件下是可靠的。
磁体材料的特征通常部分地在于所述材料的最大能积。另外，磁体材料的特征可在于“Br”，这是当在闭合回路中测量时来自于磁体材料中的磁通量密度输出，并且没有测量到外部磁场被施加于所述磁体材料。最大通量密度值通常表示为“Br”。较高Br值表示磁体材料每极区能够产生大磁通量(即，具有高通量密度)。在至少一个实施例中，在期望在较小装置体积中具有较高扭矩的结构中，圆锥形磁体220a和220b使用具有高通量产生能力(例如，具有高“Br”值)的磁体。
在各个实施例中，圆锥形磁体220a和220b(或其它磁体)使用沿轴向方向较短的高数值Br磁体并且使用例如与转动轴成约30度的锥角。但是在某些实施例中，圆锥形磁体220a和220b(或适合于实现本发明的其它磁体)使用具有较低成本和较低Br值的磁体材料。在这种情况下，磁体通常具有气隙，所述气隙具有比与具有较高Br值的那些磁体相比较更大的面积。具体地，气隙的增加面积是通过增加磁体的轴向长度而形成的，由此增加与相应极面相对的磁体表面的表面面积。因此，可在相同外径装置中使用更小的锥角(例如，小于30度)，虽然沿轴向方向更长。尽管在许多实施例上输出扭矩性能和Km可保持相同，即使轴向长度增加，但是在低Br值型式中制造成本可较小。
虽然本发明的各种实施例涵盖了多个使用任何已知可用磁体材料的设计电动机和/或发电机设计，但是至少一个实施例使用在B值与反向施加场强度H之间具有低比例的磁体材料，所述比例，如通常在许多磁体材料数据表中规定的，是在相应的材料Br点测得的，那些比例限定了所述材料的“在Br值的回复磁导率”。虽然在某些情况中磁体材料无需仅限于高矫顽磁性，但是当受到预期的反向磁场或热状态时磁体材料应显示出可预知的输出通量密度。因此，依照本发明的一个实施例，当考虑使用典型的转子-定子结构的电动机和/或发电机设计时，“回复磁导率”的数值可为至少一个因素。
回复磁导率通常是B值与反向施加的场强度的数值之间关系的表达式。通常以CGS为单位(因为以CGS为单位的渗透性为1.0)评价回复磁导率的数值，并且可通过将接近Br或为Br值的B(例如，以高斯表示的)除以反向施加场强度的数值(例如以Oersted表示的接近Hc或为Hc的H值)来确定所述数值。对于某些磁体材料来说，平均回复磁导率值可被确定并且可用于在磁体材料的选择。在一个实施例中，可通过由国际磁学协会(“IMA”)主张的磁性材料制造商协会(“MMPA”)标准0100-00限定各种磁体材料的回复磁导率。应该注意的是，也可以MKS为单位(例如，米、千克和秒)描述回复磁导率。
通常，当以CGS为单位时回复磁导率的数值不小于1。然而，回复磁导率值越接近于1.0，对于特定测量材料来说矫顽磁性就越高。在本发明的大多数实施例中，回复磁导率的数值通常小于1.3。典型的高矫顽磁性材料，诸如由钕-铁(NdFe)及其变体构成的磁体可具有大约为1.04的回复磁导率值(以CGS为单位)。所述变体的示例为钕-铁-硼或“NdFeB”。普通低成本陶瓷磁体(诸如由铁氧体陶瓷构成的那些)可具有大约1.25的比例值，该数值允许陶瓷磁体在某些应用中适当地操作。应该注意的是，典型高性能陶瓷磁体的平均回复磁导率通常在大约1.06到1.2(以CGS为单位)的范围内。
围绕每个场磁极构件206缠绕的线圈208形成第二磁通路径。在该示例中，从安匝产生的通量来看，除圆锥形磁体220a和220b具有与空气的性能相近的有效性能以外，图5B的线圈208a和208b中的安匝所产生的通量以与永磁体通量相似的路径行进。因此，场磁极构件206a内(例如，绕组区域506内)产生的安匝通量存在于与图5A和5B的圆锥形磁体220a和220b相邻的极面处。
在至少一个具体实施例中，线圈208可包括箔导体，所述箔导体是具有矩形横截面的导体，并且所述矩形横截面具有较大宽度和较小高度。可取代导线而使用层之间具有绝缘部分的箔导体，从而在相同的可用绕组体积中减小绕组电阻并且增加电流处理容量。箔导体的使用也可减小绕组的感应系数。在一个实施例中，绝缘部分被附于所述箔的一侧，从而在随后围绕所述芯的绕组中隔离箔导体。也就是说，由于一侧与箔导体(或箔式线圈)的前一缠绕部分的非绝缘侧绝缘，因此只有所述箔导体的一侧需要被绝缘。有利的是，这减小了线圈208所需的绝缘量，从而节约资源、增加了否则由完全绝缘导体填充(即，所有侧部上都绝缘，诸如绝缘线)的空间中的组装密度并且增加安匝的数量(同时减少导体匝的数量)。由于也为了更小的弯曲半径而提供箔导体，因此可减小具有更尖锐弯曲的导体中通常共有的绕组电阻。通过减小所述电阻，这种类型的导体也可在产生安匝通量方面保存动力，尤其是在电池供电的电动机应用中。
图5C描述了本发明一个实施例所涉及的从产生安匝磁通量的主动场磁极构件的极面出来的第二磁通路径的一个示例。在该图中，安匝(“AT”)产生通量在主动场磁极构件204a中被产生之后从图5C的极面513a(或如图5B中的极面505b所示的)出来，同时适当地分成两半以形成通量570a和570b。之后，安匝通量570a进入极面213b，而安匝通量570b进入极面513c。之后，第二磁通路径的各个部分沿纵向通过另一个场磁极构件(例如，场磁极构件206b和206c)，到达那些其它场磁极构件的另一端以返回到主动场磁极构件204a，所述主动场磁极构件204a最初产生第二磁通路径。
图5D示出了本发明一个实施例所涉及的返回到产生安匝磁通量的主动场磁极构件的极面的第二磁通路径的一个示例。如图中所示的，安匝磁通量570c和570d从相应的极面207b和207c出来以进入极面307a，由此完成第二磁通路径的磁路(即，安匝磁通量路径)。
从概念上来说，图5D中主动场磁极构件204a、204b和204c的每个场磁极构件中的安匝所产生的磁场可看作每个端部区域或主动场磁极构件的极靴处的每个极面处的磁势区域。依照本发明的至少一个实施例，在圆锥形磁体的面对表面和其相邻极面之间的气隙中，第一磁通路径的通量和第二磁通路径的通量以本领域中所熟知的方式互相作用，而所述互相作用用于通过使用电动机的定子-转子结构200产生扭矩。定子-转子结构200的第一和第二磁通路径至少是部分有效的，这是因为所述通量由于穿过线圈208的电流而被包含在场磁极构件206的磁芯区域(core region)506(图5A)中。每个圆锥形磁体220产生的磁通量在通量互作用区中与来自于主动场磁极构件204的极面的磁通量相互作用。因此，磁漏路径(即使有的话)通常被限定于极靴570a和570b处的非常小的区域(图5A)，极靴570a和570b两者都包括场磁极构件206的侧面和背面。由于第一和第二磁通路径在场磁极构件206的磁导材料中几乎是直线的，这些场磁极构件非常适合于以有效的方式使用各向异性(例如，晶粒取向)的磁性材料。因此，场磁极构件206可由与使用各向同性、非晶粒取向的磁性材料相比较。能够沿磁性定向方向(诸如沿晶粒取向材料的晶粒)携带更高通量密度并降低磁性损耗的任何各向异性的磁性材料构成。
为了进行描述，假设示范性各向异性(例如，晶粒取向)的材料可具有至少20,300Gauss的磁饱和值，而典型的各向同性层压材料，诸如“M19”层片具有19,600Gauss的磁饱和值。而且，与各向同性材料所需的460Oerstead相比较，使各向异性材料达到饱和所需施加的场仅为126Oerstead。在15,000Gauss感应下在60Hz时，各向异性晶粒取向材料(例如，0.014英寸厚的层片)的铁耗可大约为0.66瓦特/磅。与之相反，在相似条件下，典型的各向同性材料可具有大约为1.64瓦特/磅的铁耗。考虑到前述情况，在形成场磁极构件206中使用各向异性材料优于使用各向同性材料。依照至少一个实施例，与传统电动机的磁通路径不同，场磁极构件206的较平直形状能够有效地使用各向异性材料。
与传统电动机的输出扭矩的产生不同，由本发明各个实施例的定子-转子结构200所产生的输出扭矩无需与从轴222的转动轴线到主动气隙551a到551d的半径成比例(图5B)。所有其它因素为相同的，增加极面和气隙与轴222之间的径向距离不会像传统电动机设计公式表示的那样改变输出扭矩。例如，传统电动机设计概念描述了携带安匝通量的区域应被设计得具有低磁阻路径，包括作为气隙的安匝磁通路径的部分。依照本发明的各个实施例，安匝通量路径具有穿过永磁体(诸如圆锥形磁体220)所占据的空间的较高磁阻路径，然而与相同尺寸或重量的大多数传统电动机的峰值扭矩的产生(其它因素为相同的)相比较，峰值扭矩产生较高。在具体实施例中，构成圆锥形磁体220的磁体材料具有与空气相似的磁导率值，因此，每个圆锥形磁体220的体积对于安匝磁路来说都作为传统气隙出现。在至少一个实施例中，电动机械所产生的输出扭矩全部或部分地与圆锥形磁体220的体积成比例。
在定子-转子结构200的操作中，线圈208被顺序地激励以使得转子组件202转动。被激励的线圈在极面处产生磁势。这些磁势趋向于使得磁体(例如，圆锥形磁体220)的内场方向被重新定向为所施加的外部场的方向。所述外部场有效地向圆锥形磁体220提供有角度定向的退磁磁场，以使当使用电动机的定子-转子结构200在处在高扭矩载荷下时，所述退磁磁场能够达到较大的振幅。强的退磁磁场可不利地使得具有不足矫顽磁性的圆锥形磁体220的磁体材料再磁化。为此，本发明的至少一个实施例使用适合于高扭矩载荷的磁体材料并且具有(1)低的B对反向施加的场强度比以及(2)较低回复磁导率，例如低于1.3(以CGS为单位)。
在本发明的一个实施例中，所产生的扭矩通过磁体(诸如圆锥形磁体220)的自然倾斜部分，以寻求最低能量位置。因此，圆锥形磁体220(可为永磁体)的磁极易于朝向最大磁引力的区域转动并远离磁斥力的区域，从而通过安匝所产生的磁场在激励的主动场磁极构件204的两端处在气隙处形成所述“磁势”区域。由于具有较高矫顽磁性的磁体将抵制有角度地移动其内部磁场的方向的趋势，因此对于有角度移动的这种抵制被表示为永磁体主体上的机械扭矩，从而向所述轴传输扭矩。因此，磁体(例如，圆锥形磁体220)可产生并然后向所述轴传输作为施加于载荷的有用输出扭矩的扭矩。
图6A、6B和6C示出了本发明另一个实施例所涉及的另一个示例性定子-转子结构的端视图600。图6A和6B示出了定子-转子结构的端视图600而图6C示出了图6B的局部A-A剖视图。图6A示出了主动场磁极构件604，每个主动场磁极构件604都在相应的场磁极构件606的端部处具有斜极面607。每个斜极面607都具有波状表面，所述波状表面通常沿袭相邻磁体(诸如圆锥形磁体220a)的面对表面部分的表面特征，以形成例如具有相对恒定的气隙厚度的气隙。气隙厚度通常是指极面与磁体的面对表面之间的垂直距离。斜极面607至少部分地由场磁极构件606的表面边缘和/或侧部限定，所述场磁极构件606的表面边缘和/或侧部相对于相邻磁体的磁力方向(例如，极化的方向)略微成角度或倾斜。图6A中作为第一倾斜边缘650和第二倾斜边缘652示出了倾斜边缘和/或侧部，它们都构造作为场磁极构件606的边缘，以当主动场磁极构件604被布置在定子-转子结构中时形成倾斜的场磁极隙660。作为示例，假定第一倾斜边缘650c被构成相对于磁体(未示出)的至少一个极化方向630形成角度622。还假定第二倾斜边缘652b被构成相对于极化方向630形成角度620。角620、622可为相同的角或者可为适合于形成场磁极隙660的任何其它角，所述场磁极隙660相对于一个或多个磁体的极化方向倾斜。应该注意的是，图6C是示出了被构成使得磁极化的径向平面631不会与场磁极边缘650或场磁极边缘652中任何一个对齐的倾斜边缘的局部截面图。具体地说，场磁极边缘650c和场磁极边缘652b相对于磁极化平面631都不对齐(即，倾斜)。
图6B是示出了场磁极构件606两端处的倾斜极面边缘的端视图670。通过在定子-转子结构中使用图6A中的场磁极隙660，减小了起动转矩(“齿槽效应”)。在至少一个实施例中，倾斜场磁极隙660适合于与沿直径方向被极化的永磁体(诸如圆锥形磁体220)结合使用。在这种情况中，图6B的端视图670是示出了被构成具有与相邻圆锥形磁体220a的表面轮廓相似的表面轮廓的极面607的端视图，极面607与图6A中所示的相似。图6B中还示出了第一倾斜边缘680和第二倾斜边缘682，它们与场磁极构件606另一端处(例如，如由虚线表示的，在相对的另一个极靴处而不是与第一倾斜边缘650和第二倾斜边缘652相关联的极靴处)的极面相关联。在这种情况中第一倾斜边缘680和第二倾斜边缘682具有分别与第一倾斜边缘650和第二倾斜边缘652相似的角度，但是面对例如与圆锥形磁体220b相关联的磁体表面。因此，由边缘650和652所形成的场磁极隙的角度方向与由边缘680和682所形成的场磁极隙的角度方向相反。因此，沿直径方向被极化的磁体通常将不与具有与那些在平面310和320(图3)之间形成场磁极隙“G”的极面侧部相似的极面侧部的场磁极隙对齐，这可作为电动机中变动力矩的来源。应该注意的是，边缘650和652之间的距离以及边缘680和682之间的距离可被构成使场磁极隙的齿槽效应最小化所需的那样窄。
图7A和7B示出了本发明一个实施例所涉及的示例性场磁极构件。尽管场磁极构件206a、206b和206c中的每个都可由单片磁导材料(例如，通过金属注塑法、锻造法、铸造或任何其它制造方法形成的片)构成，这些场磁极构件也可由多片构成，如图7A和7B中所示。图7A示出了作为由整体结合在一起的多个层压部分704构成的堆叠场磁极构件700的一个场磁极构件206。在该示例中，堆叠场磁极构件700具有其外径为具有弧的圆柱形外径的外表面702和相对直的内表面706，以增加线圈组装密度同时仍为转动轴保留空间。场磁极构件端部区域720通常包括用于与场磁极构件700每个端部处的永磁体的通量相互作用的极面707，而中央部分722(即，中央场磁极构件部分)通常包括极面707之间的芯区域，诸如线圈区域506(图5A)。线圈(未示出)可或多或少被围绕中央部分722缠绕。图7B是堆叠场磁极构件700和层压结构704的透视图，它们可由各向异性材料构成。在该示例中，各向异性材料包括晶粒取向材料。
还应该注意的是，可在例如图7A到7B中所述的任意场磁极构件中使用各种缠绕方式，以增强性能。例如，Cantered或全覆盖绕组可在所述结构的两端处基本上覆盖场磁极构件700的所有侧部和/或后部，以减小可能从一个场磁极构件泄漏到另一个场磁极构件的通量。因此，线圈的线无需被缠绕在垂直于场磁极构件的长轴线的平面中，而是以斜角缠绕。在将线圈布置靠近于磁气隙，那些线圈可例如在极靴区域中在减小磁漏方面更有效。应该注意的是，上述缠绕方式适应于此处所述的任何场磁极构件。
图8示出了本发明具体实施例所涉及的具有倾斜极面的另一个示例性场磁极构件。如所示的，与堆叠场磁极构件700相似，堆叠场磁极构件800由多个层压部分804构成。层压部分804被设计得提供倾斜极面807。极面807由第一倾斜边缘850和第二倾斜边缘852两者限定，而另一个极靴处的另一极面807由第一倾斜边缘880和第二倾斜边缘882限定。应该注意的是，边缘850、852、880和882分别对应于图6B的边缘650、652、680和682。在一些情况下，以使得制造期间的浪费最小化的方式，可以一系列与单个基片(例如，一片金属等)或不同基片的相似或不同的形成形状有利地形成(例如，切割出)层压部分804(以及层压部分704)。另外，例如，层压部分704(图7B)和804(图8)不浪费通常被抛弃以在环形定子结构中形成圆孔的材料。
在一些实施例中，层压部分704和804可由层压的各向异性(例如，晶粒定向的)薄片材组装而成，其中磁性定向方向为沿纵向定向，诸如平行于转动轴线。因此这使得可容易地从电动机的一端到轴向地传导通量到另一端。所述层压部分可彼此电绝缘，这可减小涡流损耗。在一个实施例中，层压部分704和804是由晶粒取向的钢材构成并且在相对较低成本材料中提供具有高磁导率、低损耗和/或高饱和水平的各种场磁极构件。适合于使用层压部分704和804的一种类型的各向异性材料为冷轧晶粒取向钢材，或者“CRGO层压钢”。为了示出使用至少一个实施例所涉及的晶粒取向层压部分的优点，在相同的条件下，与磁导率大约为5950的通用各向同性层压钢(例如，“M19”层压件)相比，冷轧晶粒取向钢可具有50,000的磁导率同时经受10,000Gauss的外加场。应该注意的是，如上所述的磁导率是直流电(“DC”)磁导率。依照本发明的各个实施例，场磁极构件可由许多不同的磁导材料制成，诸如硅铁合金、钢合金、铁合金、镍铁合金、钴镍合金、磁粉末合金、软磁复合材料等。也称之为“SMC材料”的软磁复合材料由也可导磁的致密的电绝缘颗粒构成。因此，当与传统SiFe层压材料相比较时，在较高频率下SMC材料显示出较低涡流损耗。SMC材料的另一个明显优点是通过使用适当设计的击实模子和模具使其以三维形式形成的能力。
图9A到9M示出了可在本发明各个实施例所涉及的定子-转子结构中使用的其它形状永磁体的示例。尽管图2中所示的磁体的形状是圆锥形的，但是术语“圆锥形”应被广义地理解为包括形成一个或多个表面或其一部分的一种或多种形状，因此当被同轴地安装在轴上时，相对于所述轴成一定角度，从而至少一个表面在延伸时将与转动轴线相交。因此，术语“圆锥形磁体”旨在涵盖任何磁体构造，所述磁体的圆锥形或渐缩的至少一部分表面朝向与转动轴线同轴的点或者处于转动轴上的点。例如，至少一种类型的圆锥形磁体具有一个或多个表面，从而那些表面每处的磁体的横截面通常(或平均)沿磁体的轴向长度逐渐增大或减小。在至少一个具体实施例中，用于描绘圆锥形磁体表面的一部分的关联维度是表面边界，诸如可在相对于直线的空间中定向的波形表面区域。
图9A示出了作为圆锥形磁体的示例的全锥形磁体，而图9B示出了作为描述为“直立圆锥的截头体”的截锥磁体的圆锥形磁体，其为通过将直立圆锥的顶部割掉形成的截头体(例如，所述切割形成直立圆锥磁体的与下部基底平行的上部基底，或外表面)。应该注意的是除图9A中所示的以外的其它锥角也在本发明的保护范围内。图9C示出了圆锥形磁体可包括被加到大直径端(或者，在某些情况中，被加到小直径端，如图9I中所示)的圆柱形部分，以优化回路中的磁通量。图9D示出了“阶梯”或分度形式的圆锥形磁体。图9E和9F示出了适合于使用本发明实施例所涉及的磁体的可选择的形状的示例，其中圆锥形磁体可为半球状的磁体。图9G和9H是示出了各个实施例的可分别具有任何类型的凹形表面和任何类型的凸形表面圆锥形磁体的一般表示。
图9I示出了本发明一个实施例所涉及的示例性圆锥形磁体。这里，圆锥形磁体940包括其中形成有空腔952的外表面。空腔952是任选的并且可用于容纳轴承等。在一些实施例中，空腔952在一个或多个表面954、956和958的内部延伸。应该注意的是，空腔952沿其轴向长度可具有不同的内部尺寸。圆锥形磁体940包括三个表面第一圆柱形表面954、圆锥形表面956和第二圆柱形表面958。在各个实施例中，圆锥形磁体940可包括更少或更多表面、具有更大或更小直径的圆柱形表面、圆锥形表面956的更陡或更浅的倾斜角等。图9J和9K分别示出了本发明一个实施例所涉及的示例性圆锥形磁体的端视图和侧视图。圆锥形磁体971是由两个圆锥形磁体970和972构成的。在该示例中，圆锥形磁体972被设置在(例如，被插在)圆锥形磁体970中。在一个实施例中，圆锥形磁体970是由NdFe磁性材料(或其变型)构成，而圆锥形磁体972是由陶瓷磁性材料构成。在一些实施例中，不存在圆锥形磁体972，从而形成由圆锥形磁体970构成的中空锥形磁体(未示出安装夹具)。在至少一个具体实施例中，圆锥形磁体972可由可磁导材料构成，而不是由磁体材料构成。在一个实施例中，圆锥形磁体972无需穿过圆锥形磁体970延伸，而是可从一端延伸到圆锥形磁体970内的任何轴向长度。
图9L和9M示出了本发明另一个实施例所涉及的另一些圆锥形磁体。图9L示出了作为圆锥形磁体的金字塔形磁体，虽然被截去了，但是形成有任意数量的截头三角形表面978。图9M示出了至少一个实施例的圆锥形磁体980，其中圆锥形磁体980包含截头金字塔形磁体990，该金字塔形磁体990包含形成在其中或其上的磁区992。磁区992包括不同于截头金字塔形磁体990的磁体材料的磁体材料。这些磁区992中的每个都可被选择成具有任何预定极性。在一个实施例中，截头金字塔形磁体990是四面的并且由陶瓷材料(例如，磁体材料)构成，并且每个磁区992(图中隐藏了两个磁区)都是由NdFe磁体材料构成，并且形成在截头金字塔形磁体990上。在其它实施例中，金字塔形磁体990可具有任何数量的侧面。在各个实施例中，金字塔形磁体990是磁体支座，并且无需由磁体材料构成，而是可由可磁导材料构成。在一些实施例中，磁体支座可被形成为具有图9A到9H中所示的任何形状，其中任何数量的磁力区域992被设置在磁体支座990上。在所述情况中，磁区992可为适合于被设置在磁体支座990的特定形状上的任何形状。
在本发明的一个具体实施例中，圆锥形磁体各向异性、沿直径方向磁化，并且被形成为相对于转动轴线具有大约30度锥角的截头圆锥的形状。一些实施例所涉及的圆锥形磁体在通常位于基本上垂直(包括垂直)于所述轴线的一个或多个平面中的方向上沿直径方向磁化。这些类型磁体构造的至少一个优点在于，这种直径圆锥形磁体可沿与磁体材料的初始磁定向相同的方向被磁化，这为磁体(例如，更强的磁体)提供更高的能量乘积。还可较为容易地制造各向异性磁体并且所述磁体每单位磁体积具有较高磁效率。直径(即，2磁极)磁体的另一个优点在于，在具有三个主动场磁极构件和三个相位的电动机中，电动机的每次机械旋转只有一次电旋转。因此，直径磁体全部或部分地减小电动机驱动电路中的涡流损耗、磁滞(“芯”或“铁”)损耗和电力切换损耗。在一些实施例中，圆锥形磁体可(1)取代实心磁体材料而包括钢芯、(2)由显示出良好矫顽磁性的环形磁体构成、(3)由弧形部分磁体构成、(4)被直接模制在所述轴上、(5)被径向极化、 (6)取代实心磁体材料而包括中空芯，或者可包括任何其它相似特征。
图10示出了本发明一个实施例所涉及的多极磁体。在该示例中，永磁体1000是被磁定向成具有从南极(“S”)到北极(“N”)的弓形磁路1010的四极磁体。其它数量的极和磁定向也在本发明的范围和精神内。另外，依照某些实施例，多极磁体(诸如永磁体1000)可为整体式磁体或非整体式磁体。当用在此处时，当应用于永磁体时术语“整体式”是指永磁体由整体磁极构成的，从而所述永磁体是非离散的并且其结构基本是均质的。因此，整体式永磁体在磁极之间没有任何物理界面。因此整体式磁体是由连续磁体材料构成的。相反，永磁体1000可为由独立磁体构成的非整体式磁体，其中每个独立磁体都具有向外面对的北极或南极，从而在独立子部分之间存在物理界面。因此，非整体式磁体可由接近但不连续的磁体材料构成。具体地，每个独立子部分都包含连续的磁体材料，但是物理界面导致作为一个整体构成磁体的磁体材料中的不连续性。应该注意的是，术语“整体式”也可应用于场磁极构件和本发明的各个转子-定子结构的其它元件。应该注意的是，在至少一个实施例中，非整体式磁体可包括其中独立子部分被以使它们不会相互接触的距离布置的那些磁体。
图11示出了作为本发明可选择的实施例的转子-定子结构1100的端视图。通常，一些三个主动场磁极构件有效地使用通常可用在电动机或发电机中的圆柱形体积或空间。因此，“三个”主动场磁极构件通常用于提供较高的组装密度。但是为了提供更平衡的操作，可使用三个以上主动场磁极构件。如所示的，六个主动场磁极构件1102与转动轴线被同轴地布置并且绕所述转动轴线等距布置。另外，四极磁体1104邻近于主动场磁极构件1102的极面而布置。在这种情况中，四极磁体1104是各个磁体弧形部分的组合。转子-定子结构1100可相对于包含三个主动场磁极构件的转子-定子结构提供更多的磁平衡，这是由于相对主动场磁极构件1102的线圈通常可同时被激励。其它数量的主动场磁极构件和其它偶数磁极都可被适当地结合以获得本发明的转子-定子结构。
在本发明的一个实施例中，示例性转子-定子结构被设置在电动机中，以产生取决于磁体体积、通量交感区中相互酌的场的向量方向、通量交感区中通量密度、气隙的面积以及极面的面积的转矩振幅。因此，由永磁体所产生的通量密度越高并且由主动场磁极构件所产生的通量密度越高，在场磁极构件中达到有效饱和之前将产生的转矩就将越高。这种转子-定子结构的磁体材料应具有充足的矫顽磁性，以防止预期应用中的部分或全部退磁。
在制造和使用文中所述的转子-定子结构的实施例时，本领域中普通从业者不需要辅助说明，但是通过按最优选到最低优选的顺序检索以下参考资料无疑可找到一些有用的指导IEEE 100TheAuthoritative Dictionary of IEEE Standard Terms，”Institute of Electricaland Electrics Engineers(Kim Breitfelder and Don Messina，eds.，7thed.2000)，如Small Motor and Motion Association(“SMMA”)所限定的“General Motor Terminology，”以及，“Standard Specificationsfor Permanent Magnet MaterialsMagnet Materials producersAssociation(MMPA)Standard No.0100-00，”International MagneticsAssociation。
出于解释的目的，前述描述使用特定术语以便于提供对于本发明的全面理解。然而，本领域中普通技术人员应该明白的是，实施本发明不需要具体细节。事实上，不应认为所述描述将本发明的任何特征或方面局限于任何实施例；而是一个实施例的特征或方面可容易地与其它实施例互换。例如，尽管实施例的上述描述涉及电动机，但是所述描述可应用于所有电动机械，诸如发电机。因此，出于示例和描述的目的而出现本发明具体实施例的前述描述。不应认为它们是详尽的或者认为本发明局限于所披露的精确形式；显然，考虑到上述技术，许多修正和改变都是可行的。为了更好地解释本发明的原理及其实际应用而选择并描述了实施例；因此所述实施例能够使得本领域中普通技术人员最佳地利用本发明和具有适合于预期的具体应用的各种修改的实施例。值得注意的是，并非需要由本发明的每个实施例实现文中所述的每个益处；而是任何具体实施例都可提供上述一个或多个优点。以下权利要求及其等价物旨在限定本发明的范围。
权利要求
1.一种用于电动装置的转子-定子结构，包括具有在转动轴线上沿轴向布置的圆锥形表面、从而使所述圆锥形表面相互面对的圆锥形磁体，所述圆锥形磁体包括至少两个如此设置的圆锥形磁体，即，使所述至少两个圆锥形磁体的极化方向为基本上相反的方向；以及相对于所述轴线同轴线布置的场磁极构件，该场磁极构件具有在所述场磁极构件的端部处形成的磁通量相互作用表面，所述磁通量相互作用表面与所述圆锥形表面的面对所述磁通量相互作用表面的部分相邻，所述磁通量相互作用表面和所述圆锥形表面的所述部分限定气隙，其中，将所述磁通量相互作用表面构造成使所述场磁极构件与所述圆锥形磁体磁耦合。
2.如权利要求1所述的定子-转子结构，其特征在于，所述极化方向是在基本上垂直于所述转动轴线的一个或者多个平面中，所述圆锥形磁体和所述场磁极构件足以产生磁通路径。
3.如权利要求1所述的定子-转子结构，还包括一轴，所述圆锥形磁体安装在所述轴上，所述轴限定了所述转动轴线。
4.如权利要求1所述的定子-转子结构，其特征在于，每一个所述圆锥形表面具有相对于所述转动轴线成大约10度至大约80度的角的倾斜角。
5.如权利要求1所述的定子-转子结构，其特征在于，每一个所述场磁极构件还包括从每一个场磁极构件的一端到另一端连续的可导磁的材料；以及被构造成接收用于产生安匝(“AT”)磁通量的元件的至少一部分。
6.如权利要求1所述的定子-转子结构，还包括缠绕在每一个所述场磁极构件上以形成主动场磁极构件的线圈。
7.如权利要求6所述的定子-转子结构，其特征在于，所述转子-定子结构不包括护铁，由此减小了磁滞损耗以及用于制造电动装置的材料。
8.如权利要求1所述的定子-转子结构，其特征在于，所述场磁极构件中的至少一个基本上是直的。
9.如权利要求1所述的定子-转子结构，其特征在于，所述场磁极构件和所述圆锥形磁体被布置成使得在磁通路径的路径部分中的线性偏差达到最小，该磁通路径与从第一圆锥形磁体的表面部分延伸到第二圆锥形磁体的表面部分的基本上的直线相重合，所述路径部分终止于所述表面部分。
10.如权利要求1所述的定子-转子结构，其特征在于，所述转子-定子结构被构造成产生主要由以下构件组成的磁通路径，即，所述第一圆锥形磁体、所述第二圆锥形磁体、至少一个所述场磁极构件以及两个或者多个气隙。
11.如权利要求1所述的定子-转子结构，其特征在于，所述场磁极构件包括叠片以使得涡流电流最小化，从而减小功率损耗。
12.如权利要求11所述的定子-转子结构，其特征在于，所述叠片用磁导材料以一种减小所述磁导材料的损耗的方式构成的基片制成。
13.如权利要求11所述的定子-转子结构，其特征在于，所述叠片包括多个磁导叠片，至少一个磁导叠片是各向异性的。
14.如权利要求1所述的定子-转子结构，还包括缠绕在所述场磁极构件中的至少一个上以形成至少一个主动场磁极构件的线圈。
15.如权利要求14所述的定子-转子结构，其特征在于，将所述至少一个场磁极构件的形状如此设定，即，通过避免经由狭槽缠绕所述线圈而将与把所述线圈缠绕在所述至少一个场磁极构件上相关联的制造复杂性降至最低。
16.如权利要求1所述的定子-转子结构，其特征在于，所述圆锥形磁体的一个圆锥形磁体具有第一极化方向，所述圆锥形磁体的另一个圆锥形磁体具有第二极化方向，所述第一极化方向与所述第二极化方向形成极化角，从而使起动转矩降到最小，所述极化角为从大约150度至180度的任意角度。
17.如权利要求1所述的定子-转子结构，其特征在于，每一个所述磁通量相互作用表面还包括歪斜的磁通量相互作用表面，以减小在相邻的场磁极构件之间的场磁极间隙，从而使得起动转矩达到最小。
18.如权利要求17所述的定子-转子结构，其特征在于，所述歪斜的磁通量相互作用表面包括限定一场磁极间隙的第一侧的第一边缘和限定另一个场磁极间隙的第二侧的第二边缘，从而所述第一侧和所述第二侧都平行于第一平面，该第一平面相对于包括或者平行于通过至少一个所述圆锥形磁体的北极和南极的磁化平面的第二平面保持一角度，第一场磁极构件的一个第一边缘和第二场磁极构件的一个第二边缘形成所述场磁极间隙。
19.一种用于具有轴线的电动装置的转子-定子结构，包括其中安装至少两个在所述轴线上沿轴向布置的基本上为圆锥形的磁体的转子，所述两个圆锥形磁体彼此相互分隔开，所述圆锥形磁体具有预定的磁极化区域，而且每一个圆锥形磁体具有主尺寸与所述轴线基本上成一锐角的面对的圆锥形磁表面，所述面对的圆锥形磁表面面向彼此，并且在基本上相反的方向上进行磁极化；以及与所述轴线同轴线布置并且具有在所述场磁极构件的端部处形成的磁通量相互作用表面的场磁极构件，所述磁通量相互作用表面位于与面对的磁表面相邻的地方，所述表面基本上与其主尺寸共同延伸，并且与之限定功能性气隙，每一个所述场磁极构件是可导磁的，其中，将所述磁通量相互作用表面构造成使所述场磁极构件与所述圆锥形磁体磁耦合。
20.如权利要求19所述的定子-转子结构，其特征在于，一个或者多个场磁极构件每一个还包括围绕所述一个或者多个场磁极构件的每一个的线圈，由此形成一个或者多个主动场磁极构件。
21.如权利要求19所述的定子-转子结构，其特征在于，将所述转子-定子结构构造成限制磁通路径仅横穿过两个所述圆锥形磁体、所述场磁极构件、所述磁通量相互作用表面和所述气隙。
22.如权利要求19所述的定子-转子结构，其特征在于，所述场磁极构件包括硅铁合金、镍铁合金、钴镍合金、磁性粉末合金和软磁复合材料中的一种或多种，所述圆锥形磁体是包括钕铁(“NdFe”)的永磁体。
23.如权利要求19所述的定子-转子结构，其特征在于，所述场磁极构件或者所述圆锥形磁体中的之一围绕所述轴线相对于静止的另一个转动。
24.一种用于电动装置的转子-定子结构，包括限定转动轴线并且具有第一端部、中央部分和第二端部的轴；第一磁体，所述第一磁体具有轮廓为圆锥的至少一部分以形成第一圆锥形表面的表面，所述第一磁体具有第一极化方向并且在所述第一端部处沿轴向设置在所述轴上；第二磁体，所述第二磁体具有轮廓为圆锥的至少一部分以形成第二圆锥形表面的表面，所述第二磁体具有第二极化方向并且在所述第二端部处沿轴向设置在所述轴上，从而使所述第一极化方向与所述第二极化方向基本上相反，所述第二圆锥形表面面对所述第一圆锥形表面；基本上与所述轴同轴线布置的多个场磁极构件，每一个所述场磁极构件包括多个基本上为直的叠片，至少一个叠片由各向异性材料构成并且以与其它叠片平行且与所述转动轴线平行的方式布置，每一个所述场磁极构件具有在第一场磁极构件端部处的第一极靴和在第二场磁极构件端部处的第二极靴，所述第一极靴的位置与所述第一圆锥形表面的一部分相邻，以形成第一磁通量相互作用区域，所述第二极靴的位置与所述第二圆锥形表面的一部分相邻，以形成第二磁通量相互作用区域；以及缠绕在所述多个场磁极构件中的至少一个上的至少一个线圈，以形成主动场磁极构件。
25.如权利要求24所述的定子-转子结构，其特征在于，所述转子-定子结构被构造成产生被限制成仅横穿过所述第一磁体、所述第二磁体、所述主动场磁极构件以及所述第一和第二磁通量相互作用区域的至少一个磁通路径。
26.如权利要求24所述的定子-转子结构，其特征在于，所述第一极靴和所述第二极靴还分别包括第一极面和第二极面，其中，使所述第一极面的至少一部分的轮廓形成第一气隙，所述第一气隙具有主要由在所述第一圆锥形表面的所述部分和所述第一极面之间的距离限定的间隙厚度；以及使所述第二极面的至少一部分的轮廓形成第二气隙，所述第二气隙具有主要由在所述第二圆锥形表面的所述部分和所述第二极面之间的距离限定的间隙厚度，其中，所述间隙厚度不大于所述第一磁体或者所述第二磁体的平均直径的40％。
27.如权利要求24所述的定子-转子结构，其特征在于，所述第一磁体和所述第二磁体都是双极磁体，所述第一磁体具有指向所述第一方向的北极，所述第二磁体具有指向所述第二方向的北极，所述第一方向和第二方向相差在150至180度之间的一个角，其中，每一个所述双极磁体是单片的。
28.如权利要求24所述的定子-转子结构，其特征在于，将该转子-定子结构构造成接收为进入至少一个线圈中的电流的形式的电能，以用于执行电动机。
29.如权利要求24所述的定子-转子结构，其特征在于，所述第一磁体和所述第二磁体都是多极磁体，所述第一磁体具有多个北极和南极，其中一个磁极指向所述第一方向，所述第二磁体具有多个北极和南极，其中一个磁极指向所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向相差在150至180度之间的一个角。
30.如权利要求24所述的定子-转子结构，其特征在于，将该转子-定子结构构造成接收为围绕所述轴的转动的形式的机械能，以用于执行发电机。
31.如权利要求24所述的定子-转子结构，其特征在于，所述至少一个线圈沿轴向基本上延伸所述主动场磁极构件的长度，以减少从所述主动场磁极构件的周边发生的磁漏。
全文摘要
本发明披露了一种用于电动装置的转子－定子结构，其中该结构极大地减小磁通路径长度并且省去护铁来增大每单位尺寸(或者每单位重量)的转矩和/或效率和减少制造成本。在一个实施例中，一种示例性转子－定子结构可包括限定转动轴线的轴和其上的至少两个基本上为圆锥形的磁体安装在轴上的转子。磁体包括相互面对并且面临气隙的圆锥形表面。在一些实施例中，基本上为直的场磁极构件可同轴线地布置并且具有形成在这些场磁极的两端的磁通量相互作用表面。这些表面与面对的圆锥形磁表面相邻以限定功能性气隙。在缠绕在场磁极上的线圈中的电流提供了与在磁通量相互作用区域中的磁通量相互作用以为轴提供转矩的可选择的磁场。
文档编号H02K21/12GK1998124SQ200580001820
公开日2007年7月11日 申请日期2005年10月24日 优先权日2004年10月25日
发明者约翰·帕特里克·佩特罗, 肯·乔治·沃森 申请人:洛华托奇公司