专利名称：电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及DC电动机。
背景技术：
随着能量成本的持续上升以及供应的减少，存在对能量的更为高效的使用的巨大需求，特别是对于电动机来说。电动机对许多装置供给动力，因此，对于给定的输入能量在输出自电动机的动力上的改进将会意味着能量成本的重要节省。一种特别的将会从改进的电动机中受益的用途是电气车辆。尽管电气车辆在我们 出现已经超过一百年，它们仅仅是在近来才开始变得广泛应用。电动机动力输出的改进将有助于电气车辆变得更为实用、在市场上更为人们所接受。现有电气车辆面临的一个问题在于其与传统的汽油或柴油动力车辆相比较高的购买价格。这有一部分是因为这样的车辆使用了昂贵的电动机。这样的电动机的设计简单，但其构造非常复杂。除此之外，由于对于所涉及的高电压与电流、特别是对高冲击电流的要求，用于这种电动机的控制系统是复杂的。最后，当前的电气车辆电动机需要复杂的传动系统。以前已经使用过具有无金属芯的电磁线圈的电动机，例如，通常用在低电力应用中的“饼(pancake)”型电动机。然而，例如塑料等非可磁化芯材料尚未用于高功率电动机。本领域需要的是构造和控制电动机以产生能量效率更高的电动机的新构思。
发明内容
在一实施例中，本发明为多相电动机，其包含定子，其包含环绕非可磁化芯的多个导线线圈(wire coil);转子，其具有嵌入其中的永磁体，转子邻近于定子布置，转子安装在可旋转的驱动轴上；电源；位置传感器，其可操作地连接到转子；控制电路，其可操作地连接到电源、位置传感器以及导线线圈，用于控制电能到导线线圈的分配；其中，控制机构从第一线圈向第二线圈传送电荷。在另一实施例中，本发明为运行电动机的方法，其包含提供电动机的步骤，该电动机包含定子，其包含环绕非可磁化芯的多个导线线圈；转子，其邻近于定子可旋转地安装；多个永磁体，其安装到转子；电源；位置传感器，其可操作地连接到转子；控制电路，其可操作地连接到电源、位置传感器以及导线线圈，用于控制电能到导线线圈的分配。此实施例的本发明还包含用电源对第一线圈通电；将第一线圈电气连接到第二线圈；由此在控制器的指导下从第一线圈向第二线圈传送电能；将第一线圈从电源断开。在另一实施例中，本发明为一种多相电动机，其包含定子，其包含环绕非可磁化芯的多个导线线圈，其中，非可磁化芯包含塑料管；转子，其具有嵌入其中的永磁体，转子邻近于定子布置，转子被安装在可旋转的驱动轴上；电源；位置传感器，其通过驱动轴可操作地连接到转子；控制电路，其可操作地连接到电源、位置传感器以及导线线圈，用于控制电能到导线线圈的分配；其中，控制机构从第一、放电线圈向第二、充电线圈传送电荷；其中，转子包含盘，盘具有在其间有着圆周边(circumferential edge)的一对相反的面；其中，转子还包含邻近圆周边附着到一面的钢环；其中，永磁体包含夹在两个稀土磁片之间的钢片，使得至少一个稀土磁体邻近定子。由下面给出的详细介绍可以明了本发明的进一步的应用领域。应当明了，尽管详细介绍和具体实例示出了本发明的优选实施例，其仅仅出于说明性目的，不是为了对本发明的范围进行限制。
由附图以及详细说明可更为全面地理解本发明。在附图中图I不出了电动机一实施例的原理图；
图2示出了一个线圈的一实施例；图3A-3D示出了永磁体与电磁线圈的组合如何产生变化水平的力；图4A示出了用于支撑定子线圈的类型的纵向条(longitudinal strip)的一个实施例；图4B示出了定子的截面，其中，定子的线圈安装在多个如图4A所示的纵向条上；图5A示出了纵向条的一实施例，其具有在侧面形成的用于穿过来自线圈的导线引线(wires leading)的槽；图5B示出了纵向条的另一实施例，其具有用于穿过安装于其上的导线的导线通道;图6示出了保持(hold)线圈的安装支架如何附着到纵向条的一实施例；图7示出了使用了视情况可选的钢分流环(steel shunt ring)的转子的一实施例；图8A、8B、8C示出了绕卷在不同类型的芯周围的导线线圈的几个实施例；图9A、9B分别示出了模块化转子部件的一实施例的前视图与侧视图；图9C示出了用于转子的复合磁体的一实施例；图10示出了在本发明的电动机的一实施例的截面中永磁体与电磁线圈之间的通
量线；图11示出了用于对本发明的电动机的线圈通电的电路的一实施例；图12示出了用于对本发明的电动机的线圈通电的电路的另一实施例；图13示出了位置传感器的一实施例；图14A与14B示出了通过使用铁屑来直接进行估计而确定的、本发明的电动机的一实施例的磁场线；图15A、15B、15C示出了对于逐渐增大的永磁体的磁场线；图I 不出了对于复合磁体的磁场线，该磁体包含夹在两片永磁体之间的钢还(steel slug)；图16示出了用于从电动机中的放电线圈向被充电或充电线圈对崩溃场电流(collapsing field current)进行分流的电路的一实施例；图17示出了用于从电动机中的放电线圈到被充电或充电线圈对崩溃场电流进行分流的电路的另一实施例；图18示出了用于从电动机中的放电线圈到被充电或充电线圈对崩溃场电流进行分流的电路的又一实施例；图19示出了用于从电动机中的放电线圈到被充电或充电线圈对崩溃场电流进行分流的电路的再一实施例；图20示出了本发明的转子的一个实施例的侧面图，其中，电磁线圈的相对位置用虚线示出；图21示出了通过图20的线21-21的截面，其示出了在本发明的电动机的一个实施例中永磁体与线圈的相对位置； 图22A-22C示出了通过图20的线21_21的截面，其示出了在本发明的电动机的另一实施例中永磁体与线圈的相对位置；图23示出了三相电动机的一个实施例的定时图；图24示出了 4相、18永磁体电动机的一个实施例的定时图；以及图25示出了具有8个线圈和18个永磁体的4相电动机的一个实施例的永磁体与线圈的侧面图。
具体实施例方式下面对优选实施例的介绍仅仅是示例性的，不是为了对本发明、其应用或用途进行限制。这里介绍的电动机——其被称为“磁电(magnetronic)”电动机——在几个方面不同于传统的电动机，结果是描述电动机性质的典型公式不总是适用于磁电电动机。这是因为几个因素I.传统的电动机输出需要钢来集中磁通；以及2.传统的电动机将电动力转换为金属部件中的磁通，由此完成通过定子与转子的磁路，其产生施加到转子的转矩。由于这些因素，典型电动机的最大动力输出受到场以及转子中的钢的量以及绕组中的铜的量限制。这里介绍的电动机在这些部件上不同I.磁电电动机不需要钢来集中通量，事实上，在大多数实施例中，钢对电动机的运行是有害的。2.在磁电电动机中，磁路通过转子中的永磁体以及两个外部或末端转子上的钢端板的构造完成。通量集中通过这样的构造实现当线圈被通电时，其导致动力的增大(图3A-3D，14A，14B)。图3A-3C显示出安装在转子上的永磁体以及定子中的充电电磁导线线圈的组合如何产生变化等级的力，结论是与给定线圈相关联的永磁体越多，产生的力的量越大。例如，使一个线圈34与两个转子36相关联，其中，各个转子36具有安装在其中的八个永磁体52，那么，在一个实施例中产生刚好超过两英尺磅的力。在第一两个转子36的各侧向此布置添加第三转子36将使电动机产生刚好超过三英尺磅的力。类似地，在第一三个转子36的各侧添加第四转子36将使电动机产生四英尺磅的力。最后，在第一四个转子36的各侧添加第五转子36将使电动机产生五英尺磅的力。另外，甚至更大的力能够通过将更多的线圈与永磁体52结合来产生，如图3D所示。例如，具有一个线圈34和五个转子26——其中，每个转子36包含八个永磁体52，总共有四十个永磁体52—给出五英尺磅的力。将第二线圈34添加到同样的五个转子电动机将力加倍到十英尺磅。添加第三线圈34将力增大到十五英尺磅，第四线圈给出二十英尺磅的力。线圈34可被添加在围绕电动机30周边的任何位置，每一个将增加五英尺磅的力。另一个不同在于通量线方向。在典型的电动机中，随着转子旋转(由于产生的反电动势)，所有的通量线垂直于在转子上产生阻力(drag)的绕组。在典型的电动机中，这种反电动势是必须的，或者，电流将会太高，以至于使绕组将会 燃烧起来。在磁电电动机中，一部分通量平行于减小阻力或所产生的反电动势的绕组。这种通量方向可通过转子中与转子间间隔有关的PM的间隔来改变。另外，不存在由于缺少反电动势引起的冲击或高电流。因此，磁电电动机的设计自动控制电流。磁电电动机在其构造上具有几个显著的不同，这些不同带来了功能的不同。在典型的电动机中，绕组以这样的方式被放置在钢槽中绕组彼此重叠。由于这个原因，如果一个绕组变热，其对重叠的绕组进行加热，整个电动机发生过热或燃烧起来。甚至如果仅一个绕组烧起来，为更换任何绕组，必须移动所有的绕组。在磁电电动机中，绕组是各自独立的简单的卷线(bobbin)线圈，并能每次一个地移除或放到电动机中。通过这种设计，电动机完全是模块化的。可以添加转子模块，由此加长电动机，这增加了用于线圈模块的槽，并因此增大了电动机输出。这种模块化概念使得制造新的电动机简单得多。最后一件事不适用于典型电动机但适用于通过使用反电动势再生或补充输入电力使这些电动机更为高效的尝试。磁电电动机使用在其运行中非常有效的新方法，且通过两种单独的方法实现。I.通过如本申请其他地方所述改变通量方向来减小转子阻力或反电动势。2.使用当线圈被停止通电时的崩溃场能量来将输入电力补充到不同的线圈，优选为刚好开通的一个线圈。因此，多相电动机30包含定子32，其包含多个线圈34 ;转子36，其安装在驱动轴38上；电源40，其用于对线圈34进行充电；控制机构42，其用于控制通过电源40对线圈34进行的充电(图1，2)。在一实施例中，定子32包含多个导线线圈34，其中，导线线圈绕卷在非可磁化芯44的周围。非可磁化芯44可用多种材料中的任何一种制造，包括但不限于塑料，无论是固体棒还是空心管。线圈芯44优选为在截面上是环形的，使得导线线圈34本身也是环形的。然而，芯33和导线线圈34的其他形状是可行的。在一实施例中，绕成线圈的导线被一系列穿过芯44的中心且围绕外侧的径向带保持在原位。另外，在一个实施例中，线圈34用例如玻璃纤维等树脂进行模塑。塑模在树脂上给出了形状，其补足了线圈34被附着于其上的安装支架46 (见下文)的形状。具有相关联的树脂的线圈34于是使用粘合或其他的附着手段被附着到安装支架46。在典型的构造中，线圈芯44具有一英寸的截面直径。另外，一个实施例中的线圈导线为11号(gauge)的铜线，且绕卷在芯44上大约300次。在此实施例中导线线圈34的外直径为3英寸。然而，其他的构造是可行的并属于本发明的范围。线圈34的导线绕组具有一致的方向，其中，当线圈34被安装在定子32中时，绕组位于平行于转子旋转面的面内。当线圈34被布置在定子32中且被通电时，所创建的磁场从定子32向着邻近的转子36水平延伸。定向使得线圈34的一侧为磁北极(N)，另一侧为磁南极(S);此定向能通过反转输入电量的极性来改变。各个线圈34通过将导线线圈34的末端连接到适当的电源40来通电，如下面进一步阐释的那样。导线线圈34通过框架结构47在定子32中被保持在原位，框架结构47在一个实施例中用铝制造。框架包含多个纵向材料条48，其平行于驱动轴38的长轴一即平行于旋转轴——延伸。在一个实施例中，纵向材料条48具有在其中形成的一系列缺口 50，以便将线圈34以正确的方向定位在正确的位置。线圈34被保持在安装支架46上，该安装支架46于是被附着到框架结构47的纵向条48 (图4A，4B)。在一个实施例中，支架46可在边缘上轻微弯曲，以便与纵向条48准 确匹配。支架46优选为使用可逆的紧固器附着到纵向条48，这使得其易于修理或更换有缺陷或损坏的线圈34。在一个实施例中，纵向条48具有在其中攻出的一系列的螺纹孔，以便容纳用于附着线圈安装支架46的螺钉或螺栓。线圈沿着纵向条48间隔开，以便在其间为转子36留出空间。各个线圈34在附近具有与之邻近的转子36，在转子中嵌有多个永磁体52。除了用于将线圈34保持在原位的框架结构47——该结构47位于电动机的外周——以夕卜，在一个实施例中，定子32以其他的方式为空的空间(empty space),与许多其他的电动机不同。这种构造允许简单得多的制造与组装。支撑结构47的纵向条48的末端在电动机30的任意末端附着到端板54。这些端板54也支撑驱动轴38，驱动轴38又支撑转子36，由此给出电动机30其自己的整体结构。在一个实施例中，驱动轴38伸出并超出一个或两个端板54，并随后耦合到将被驱动的装置。在一个特定实施例中，端板54为O. 625英寸厚、直径11. 75英寸。另外，端板54可具有安装于其上的轴承固定板56 (图1)，以便保持用于驱动轴38的轴承，该轴承固定板56包含具有两个半英寸内径以及四英寸外径的环。在一个实施例中，来自各个线圈34的导线引线58被馈送通过安装支架46(图2)。在另一实施例中，纵向条48具有在其中形成的通道60，用于使导线穿过其中(图5A、5B、6)。在此情况下，导线在该侧并通过在条的长边上形成的槽62离开线圈34 (图5A)。在一个实施例中，使得线圈安装支架46的侧面部分宽到足够覆盖邻近主通道60的槽62 (图6)。在又一实施例中，凸起的导线通道64在纵向条48的一侧上形成或附着到纵向条48的一侧，其中，在通道64的侧面存在孔，其与各个线圈34对齐，使得导线穿过(图5B)。在后者中的任一实施例中，导线穿过纵向条48到达电动机的一个或两个末端，在那里，它们与电源40以及控制机构42连接。全体而言，成圆圈安装的一系列导线线圈24在下面被称为定子32。在一个实施例中，电动机30具有四个定子32和五个转子36，使得各个定子32在其任一侧具有转子36，但电动机任一末端的转子36仅具有在一侧而不在另一侧的定子32。另外,在某些实施例中，电动机30任一末端上的转子36具有含有铁的金属(例如钢)分流环66,其在永磁体52的顶部沿着转子36的外径延伸(图7A、7B)。在永磁体52为磁体以及其他材料的片的分层复合物的情况下，磁体不被包含在附着有环66的转子的一侧。环66改进了电动机30中的磁通，产生马蹄(horseshoe)效应,并消除了如果任何导电材料位于电动机末端时将发生的阻力。在省略了钢环66的那些实施例中，优选为使得端板54由不导电的材料制造，例如酚醛树脂或某些其它类型的树脂。导线号数、线圈绕组长度、匝数以及所用芯材料的类型各自改变电动机30的特性。另外，芯44的形状以及永磁体52的形状和材料还可改变电动机30制动的方式。下面列出的是芯44的结构的几种可能的类型以及芯44的结构在线圈34的特性上的某些影响(图 8A、8B、8C)。在一个结构中，导线绕卷的线圈34具有固体堆叠的芯44 (图8A)。这种构造具有高的电感，并具有显著的磁滞损耗，通量被集中在芯中。在另一构造中，提供了一种具有中空的芯44的导线绕卷线圈34 (图SB)。该构造具有中等的电感，中等的磁滞损耗，通量被集中在芯44中。此构造的一个实例为具有中空铁芯的导线绕卷线圈。
在又一构造中，提供了具有空气芯44的导线绕卷线圈34 (图SC)。该构造具有低的电感，无磁滞损耗，通量更为平均地分布在整个磁极面上。另外，导线作为层叠(laminations)、而不是典型的平层叠(flat laminations)来使用。另外，导线可以为任何形状，包括圆形、饼形或空心层叠管。对于高的旋转速度(RPM)，高效率空气芯应当是最好的，而对于高RPM以及效率不是所关心问题的较高的转矩，层叠的芯可能是更好的。一个实施例中，转子36用酚醛树脂制造，而其它类型的树脂也可以。在另一实施例中，转子36用铝制造。在任一情况下，转子36在一实施例中被固定地附着到驱动轴38，以便将电动机30的动力传送到被驱动部件。转子36本质上为平的环形盘，其中，为容纳永磁体或固定磁体52而制造一系列的孔。电动机30可用模块化方式制造，使得任何可变数量的转子36和定子32 (通常存在比定子数目多一个的转子)可被组装到一个电动机30中，使得任何尺寸和功率的电动机30能用有限数量的基本部件来制造。为了使电动机30模块化、同时仍保持正确的转子到转子间距，在一个实施例中，转子36具有中空的间隔器68，其在中心附近从一侧突出(图9B)。在一个实施例中，间隔器68是钢的。转子36——其在一个实施例中是铝的——和所附着的间隔器68在中心处均具有孔，以便容纳驱动轴38，并在孔内具有槽70，以便容纳从驱动轴38突出的脊72，脊72和槽70彼此互补。脊72和槽70的组合有助于从转子36向驱动轴38传送动力，而没有相对于驱动轴38的任何滑动。或者，脊72可在转子36的开口的内部，因此，使槽70在驱动轴38上(图20)。在一特定实施例中，转子36为I. 5英寸厚、直径9英寸。钢间隔器68直径为3英寸，并从转子36的面伸出2. 7英寸。驱动轴38的直径大概为I. 5英寸，如同转子36以及间隔器68内的孔，以便容纳轴。在一个实施例中，间隔器8使用四个O. 25英寸螺栓附着到转子36，而接合两部分的其它装置属于本发明的范围(图9A)。在一个实施例中，永磁体52包含其间具有钢棒52B的两个稀土永磁体52A的组合物。组合物结构在一个实施例中整体是圆柱体，并具有I英寸的直径以及I. 5英寸的长度(图9C)。此实施例中的永磁体52A各自为O. 25英寸厚，钢棒52B为I英寸厚。在一个实施例中，磁体52A和钢棒52B使用粘合剂彼此附着并附着到转子36。本实施例中存在八个永磁体52，其中，永磁体52在边缘附近在转子36周围等距间隔开。在转子36上，在离转子36边缘大约O. 125英寸处形成八个一英寸直径的孔。在这个实施例中，通常而言，永磁体52布置为使得极性在具有指向转子一侧或另一侧的磁北极和磁南极之间交替。为了连续在转子36周围实现这种交替构造，优选为总是存在偶数个的永磁体52或其组合物。在一个实施例中，转子36上邻近的永磁体52之间的距离近似等于邻近的转子36之间的距离(图10)，而邻近的永磁体52之间的距离有时可大于转子到转子的间距。在一个实施例中，这些距离均大约为2. 5英寸。一般而言，反电动势随着给定转子36上邻近永磁体52之间的距离减小而减小。另外，一般地，反电动势、RPM、转矩作为转子到转子的间距以及转子36内永磁体52之间间距的函数而变化。在一个实施例中，控制机构42包含连接到位置传感器80的电路74，其中，电路74被连接到线圈34以及电源40。在另一实施例中，控制机构42也包含如下面进一步介绍的 微处理器。用于控制电动机30的此实施例的电路74在图11中示出。该电路74——其用于具有八个永磁体52的六线圈、三相电动机一使用一个电源40。开关78作为双刀双掷开关运行。如下面进一步所述，开关78受到与转子36或驱动轴38相关联的位置传感器80的控制。线圈I与4、2与5、3与6位于定子32的直径相反侧，并总是彼此处于相反的状态，即，当线圈I开通时，线圈4关断，当线圈4开通时，线圈I关断。在此特定实施例中，二极管82控制电路74中电流的定向流动，使得来自特定线圈的崩溃场能量有助于对直径反向的伙伴线圈进行充电。图12示出了用于对本发明的电动机30进行控制的电路74的另一实施例，其使用前一电路中一半的开关78。在这种替代性的构造中，有两个电源40，其简化了系统的构造。该电路74优选于“仅仅推动(push only)”电动机，因为其不立即提供施加到特定线圈34的电力的极性切换，因此，在循环中，不提供线圈34的磁极性的切换。又一次地，二极管82被放在成对的线圈34之间，以便在线圈34之间引导崩溃场能量。另外，开关78受到位置传感器80的控制，如下面进一步所介绍。图13不出了用于本实施例的六线圈三相八永磁体52的电动机的位置传感器80的一般要求，特别是磁控制位置传感器80。一个实施例中的位置传感器80包含附着到驱动轴38的控制轮84，使得控制轮84跟踪驱动轴38的移动，驱动轴38又跟踪转子36的位置。多种装置可用于跟踪控制轮84的位置，包括具有安装在轮84周围的磁传感器88或拾取器(pick-ups)以检测存在或不存在磁条86的磁条86。通过使磁传感器88以十五度间隔邻近控制轮地间隔开、并使磁条86延伸轮86的1/8圈——如图13所示，这具有以正确的顺序和正确的持续时间致动各个磁传感器从而对线圈34通电的作用，如下面进一步讨论的。对于具有八个永磁体52的电动机30，对于给定线圈34的优选的开通时间近似等于转子36的1/8圈，或45度。因此，致动线圈34的位置传感器80上的磁条86延伸控制轮84的1/8圈。控制轮84固定附着到转子36或驱动轴38，使得转子36和驱动轴38的旋转转动控制轮84 (见图I)。为了保持正确的相，磁传感器88沿着控制轮间隔15度，以便顺次开通线圈并在一对线圈中的一个开通时关断同一对中的另一个。在此实施例中，线圈1-3以与线圈4-6相反的极性通电。类似地，线圈1、2、3在分别与线圈4、5、6相反的时间被通电和停止通电。上面示出的实施例一其具有六个线圈、三相、八个永磁体一的一般原理可扩展到多于二的任意数量的相、任意偶数个永磁体、任何数量的线圈。尽管优选为具有偶数个线圈、以便更为容易地协调从一个线圈向另一个的崩溃场能量传送，也可以使用这里介绍的原理设计具有奇数个线圈的电动机。增大电动机30的线圈34和相的数量也增大了制造电动机30、特别是驱动线圈30需要的电子电路的复杂度和成本。另一方面，具有较大数量的线圈34和相增大了电动机30的效率，因为易于刚好在每个线圈的充电循环的正确点上进行从一个线圈到另一个的崩溃场能量分流。在一个实施例中，具有八个线圈和十八个永磁体的四相电动机代表制造成本和电动机性能之间好的折中。可在电动机性能上具有深刻作用的另一因素是“反电动势”。反电动势在电动机中由于转子上的磁体与定子上的绕组之间的相对移动而发生。电动机线圈之间区域中不断变 化的磁通感应出与转子旋转反向的电动势，其被称为反电动势。还可以存在在转子中的任何导电材料中感应出的电压，故优选为转子由不导电材料制成。然而，在一个实施例中，铝用于制造具有有限负作用的转子。在传统的电动机中，总转矩由电动机在转子与定子中的钢的量和铜的量决定。必须进行平衡以匹配铜与钢来得到最好的效率。然而，在本发明的电动机中，转子或定子中不存在对钢部件的严格要求。总转矩由永磁体52中的总通量以及电流在线圈中产生的场决定。线圈34中的通量又为流经线圈34的电流的安培数与线圈周围的导线匝数的乘积的函数。转子36中永磁体52之间的平均通量密度以及转子36之间的平均通量的附加效果也影响当前介绍的电动机30中的转矩。反电动势仅仅在磁通经过垂直于通量的导线时产生。然而，在当前介绍的电动机30中，永磁体52之间的通量平行于绕组，因此，不会由于转子36沿着这些通量线的移动而产生反电动势。在邻近的转子36的永磁体52之间延伸的通量线垂直于绕组(图10)，因此，在转子36旋转时导致反电动势。由于可用的总动力是永磁体52和线圈34的通量的总通量，根据毕萨定律，线圈34与永磁体52之间的间隔也产生作用。注意，就像线圈34和永磁体52的数量增大总通量一样，线圈34和永磁体52的相应的尺寸增大了可用的总通量。在固定直径和固定线圈以及永磁体尺寸的电动机中，平均通量密度也是固定的。然而，转子中更多永磁体的添加不仅增大了转子中的总通量，也增大了转子中永磁体之间的平均通量密度。从转子到转子的总磁通也增多，但间隔保持是同样的，故平均通量密度保持为相当恒定。随着转子中永磁体之间的平均通量密度变得更强，反电动势减小，因为通量线平行于绕组。采用这种非常低的反电动势，代替在低旋转速度(RPM)下的高电流的是，这些条件下的电流事实上非常低，这是因为转子内以及转子到转子的复杂的通量线。电流以类似于场效应管控制通过其的电流的方式受到限制，其中，电流受到线圈电阻的控制。本发明的电动机类似于场效应管，因为转子中的磁通受到定子绕组中相对较小的电流的控制。净结果是不具有冲击或峰值电流的电动机，且因为其不具有磁性金属，其能以非常高的旋转速度运行(RPM)。另外，由于高的总可用通量，电动机具有非常高的转矩。这里介绍的典型电动机30的通量线90在图10中原理性地示出。另外，图14A、14B示出了这里介绍的电动机30中的磁通线90的直接估计结果，其是根据金属屑相对于电动机部件的分布确定的。由图可见，主要通量线90在转子36的永磁体52之间的空间中，既在不同的转子36的永磁体52之间,又在同一转子36的永磁体52之间。在一个实施例中,永磁体52为稀土磁体。如上所述,在另一实施例中，永磁体52为复合结构，其包含优选为稀土磁体的两片永磁体52A,另一材料52B夹在其间。在优选实施例中，两片磁体52A近似为同样的厚度。磁体52A的片被定向为使得在夹层结构的一侧上南磁极面对外边，且在夹层结构的另一侧上北磁极面向外边。在一实施例中，永磁体52A之间的中间材料52B为非磁性材料，例如铁或钢，通常，材料52B优选为具有能胜任永磁体52A中的通量密度的高磁导率。在优选实施例中，永磁体52——无论为单片还是复合物——在截面上是环形的且在整体上是圆柱形的，但其他的截面也是可行的。电动机的永磁体-或有时称作固定磁体-52与电磁体相互作用，电磁体自身
具有交替的极性，以便随着转子36的转动交替地向着或远离永磁体52推拉转子36。希望在永磁体52中具有高的通量密度，例如12000高斯。 如先前所述，稀土磁体对于这种目的特别有效。随着南北磁极之间距离增大，场强进一步从极面延伸，如图15A、15B、15C所示。增大的场强又增强了电动机30的功率。然而，给定稀土磁体的成本，这可使得用这样大的永磁体制造的电动机的价格过于昂贵。因此，产生可比场强的替代性机构如图MD所示。如上所述，在图MD中，非磁性材料片52B夹在两个稀土磁极52A之间，以产生具有类似的通量长度的单元，其具有稀土磁体材料的一部分(fraction),因此具有成本的一部分。在一个实施例中，非磁化材料52B为例如铁或含铁合金——例如钢坯——的金属。在另一实施例中，材料52B为镍钴金属。通常，中间填充材料52B应当具有能够胜任永磁体52A中的通量密度的高磁导率。值得注意的是，尽管上面介绍的夹层磁体单元的通量密度，将与同样尺寸的完整磁体的相同，夹层单元的矫顽强度(coercive strength)与完整磁体相比略微减小。最后，由于提供复合永磁体而不是完整磁体的主要动机是为了省钱，实际上完整磁体的成本应当针对组装复合磁体组件的成本来平衡。转子36和定子32可在尺寸上相对于彼此变化。在一个实施例中，定子32具有与转子36相比较大的直径，允许转子36被定位在电动机30内，而用于保持定子32的线圈34的结构化支撑物被定位在电动机30的外周。类似地，永磁体52和电磁线圈34可具有彼此不同的直径或相同的直径。然而，无论直径如何，在优选实施例中，永磁体52和电磁线圈34的中心以距驱动轴38的中心的相同径向距离彼此对准，使得相应的部件的磁场处于最优的对准。在一个实施例中，永磁体(或上面介绍的复合物)具有与转子相同的厚度，使得同一磁体在转子的相反侧面向外侧，南磁极在一侧面对外，北磁极在另一侧面向外。电源40优选为任何类型的传统直流(DC)电源，其能够以48V供给每个线圈30安培。然而，依赖于速度(RPM)和转矩，电压和安培数可以不同。速度(RPM)依赖于电压，而转矩依赖于安培数。通常，电源40应当被匹配到用于绕卷线圈34的导线的号数。例如，如果线圈34用十号导线——其在三十安培下是额定的——绕卷，则电源40必须能够对于在给定的时间有效的各个线圈34发送三十安培的电流。因此，如果电动机具有六个线圈34，所有这些线圈可同时通电，则这将需要能够提供180安培电流的电源40。在一个实施例中，电源40为十二伏汽车电池，但也可使用能够以给定的直流(DC)电压提供充足安培数的其他类型的电源40。一般地，电源40应当匹配电动机30的尺寸和功率，较小的电动机30需要较小的电源40，较大的电动机30需要较大的电源40。控制机构42可以为能够在转子36旋转时以适当的顺序迅速切换线圈34之间的电力的任何类型。控制机构42包含位置传感器80，其使用不同的位置传感机构来跟踪转子36的位置，包括如美国专利4，358，693——其并入此处作为参考——所示耦合到驱动轴的电刷(brush)以及物理或光学开关。另外，也可使用如上所述的磁传感器88和条86。无论所使用的位置传感机构的类型如何，优选为其被耦合到转子36的移动以便跟踪它们的位置，使得线圈34的充电能与转子36的移动适当协调。如上所述，在控制轮84固定附着到驱动轴38的一实施例中，位置传感机构与控制轮84相关联。
为了总结，任何能够跟踪转子位置并将此信息馈送到控制电路一该电路又将相
应地对线圈通电-的机构可与本发明的电动机一起使用电刷/换向器；光学传感器；
磁拾取器；凸轮驱动开关；电感传感器；激光传感器。因此，可以使用相等间隔的开关、电刷、光电池或其他合适的开关装置，它们的运行受到合适的裂片(lobe)或光通道(lightpassage)或者其他排序装置的元件控制。控制机构40的一个优选特征是其应当将来自正在放电的线圈的电力转移到电动机30中处于正在被充电的点的另一线圈。随着多相电动机30进行其循环，多个线圈34根据电动机循环的相以及线圈与永磁体52的相对位置被充电和放电。例如，随着电磁线圈34的南极向着永磁体52的北极移动，存在电磁线圈34和永磁体52之间的吸引力，其产生又在电动机30中产生旋转转矩的力。然而，当两个磁单元34、52变得对准时，产生转矩的力停止，且磁极之间的吸引变成电动机30上的阻力。为了避免这种情况，在电磁线圈34变得与永磁体52对准的点上或在其之前，释放线圈34上的电磁荷。线圈34上的电荷通过截止到线圈34的电力来释放。截止到线圈34的电力导致电磁场崩溃。当场崩溃时所释放的多数能量能被再次捕获，并用于帮助对电动机30中的另一线圈34进行充电，优选为刚好在其循环中处于被充电上的点的线圈。在某些电动机中，由于捕获和使用崩溃场能量的失败，大量的能量丧失并因此作为热被耗散。另外，与崩溃场相关联的能量的释放产生热，其必须被耗散，以便使电动机不会过热，除其他的以外，这种热损坏控制器。为了改进效率并减小热积聚，因此，一个实施例中的崩溃场能量被转移到第二线圈，以便提供对第二线圈进行充电的能量(图16)。在一个实施例中，使用例如图16所示的电路74，来自一个线圈34的崩溃场能量被馈送到另一个线圈34。图16所示电路74使用崩溃磁场在第一线圈中产生的电压，以便提供该电压从而在电动机系统中的第二线圈中构建电流。此再分布系统增大了效率，减小了转换为与电动机中的崩溃场相关联的热的电力量。在此实施例中，当开关78 (其可以为晶体管或其他合适的开关装置)被闭合时，电源40 (例如电池)对线圈Al充电。当开关78被断开时，来自线圈Al的崩溃场对线圈A2通电。然而，由于电力损耗，线圈A2不像线圈Al一样被完全充电，因此，就线圈Al的方面，几个线圈可并联充电，来自这些两个或两个以上的Al线圈的总崩溃场电荷于是可被馈送到线圈A2，以便向线圈A2给出与一个线圈Al从电源40接收的相等的完整充电。
图17所示电路74的另一实施例类似于图16所示，除了在这种情况下线圈A2也具有附着到其的附加电源40以外，附加电源40与直接附着到线圈Al的第一电源40分立。如果开关al与a2被交替断开和闭合(总是彼此处于相反的配置，即当a2闭合时al断开，反之亦然)，于是，来自刚好从其相应的电源断开的线圈的崩溃场将帮助对另一线圈充电。对于前一电路，二极管82或其他类似的装置被插入到线内，以便在仅仅前向的方向引导电流。在某些实施例中，例如对于推拉型电动机构造，有必要使两个开关al与a2对于转换周期内的短暂的时刻同时闭合，以便避免由于强大的崩溃场电荷引起的开关两端的尖峰。在图16与17内，每当线圈被开通时，它们总是用同样的极性来充电，即其是所谓的“仅仅推 动”构造。最后，图18示出了电路74的另一构造，类似于图17的电路，其中，两个线圈Al与A2能使用同一电源40，同时，也允许来自一个线圈的崩溃场被馈送到另一线圈，以便对另一线圈通电。在本发明的电动机30中，这种原理可扩展到在电路中存在任何数量的线圈，以便允许电动机被一个电源40供电。另外，晶体管或其他的开关78被耦合到位置传感器80，位置传感器80又被耦合到转子36的移动，使得线圈34的开通和关断与转子36的移动协调。在一个特定实施例中，存在四个线圈A-D，其产生级联电路74(图19)。电源40对线圈A通电，当线圈A被停止通电时，来自线圈A的崩溃场对线圈B通电，接下来，来自线圈B的崩溃场对线圈C通电；最后，来自线圈C的崩溃场对线圈D通电。来自线圈D的崩溃场于是可被馈送回到线圈A以完成循环。由于各个步骤中的电阻损耗，各个后来的脉冲可能较弱。然而，可建立来自电源40的输入电路以替换这些损耗，使得对于各个线圈充电脉冲足够强到对线圈完全充电。为了保证电流以正确的方向在线圈中流动，二极管82与线串联插入，以便防止回流(图19)。作为所示的二极管82的替代，可使用正确引导崩溃场到另一线圈的任何开关或装置。这保证了崩溃场能量总是以“前向”方式流到循环中的下一个二极管，不会向后流到前一个线圈。向电动机的其它线圈馈送崩溃场能量的原理的一个实施例对于三相电动机不出，例如图20的侧面图所示。在此实施例中，永磁体52安装在转子36上，电磁线圈34安装在定子32上(图20)。在图20中，转子36与定子32被示为彼此叠放，显示出两个部件之间的关系。六个线圈用虚线示出，并标记为A-C，每相存在两个反向布置的线圈，即两个相A线圈、两个相B线圈、两个相C线圈。转子36的永磁体52在其极(标记为N或S)朝向定子32的情况下对准，其中，邻近的永磁体52彼此反向定向，使得其沿着转子36具有交替的极性(图20)。为了简化起见，示出了一个定子32和两个邻近的转子36，但在原则上，多个邻近的转子36和定子32可被组装以产生甚至更大的功率。图21A-21E对于三相电动机逐步示出了线圈如何被通电，并示出了来自第一线圈的崩溃场如何在第二线圈被通电时被馈送到第二线圈中。在图21A中，相A线圈处于切换阶段，相B和C线圈被通电。在这一点上，来自相A线圈的崩溃场可被馈送到相B和C线圈中的任意一个或二者。在图21B中，所有三相A-C的线圈被通电。在图21C中，相A与B线圈被通电，而相C线圈处于切换阶段。在这一点上，来自相C线圈的崩溃场能被馈送到相A和B线圈的任意一个或二者。在图21D中，所有三相A-C的线圈再次被通电。最后，在图21E中，相A与C线圈被通电，同时，相B线圈被切换。在这一点上，来自相B线圈的崩溃场能被馈送到相A和C线圈中的任意一个或者二者。尽管上面的实例对于三相电动机示出，这些原理实际上适用于具有两个或更多的任意相的电动机。这里介绍的电动机30优选为被控制为多相电动机。为了产生多相电动机30，存在定位在定子32周围的多个点上的线圈34。这些线圈34以特定的顺序模式被开通，其在某些情况下包含反转电荷的极性来反转各级中的磁极性。在优选实施例中，在定子32的相对侧上存在匹配的线圈对34，其在电动机循环中的相同点上一起通电，即它们彼此同相位。例如，在三相电动机中，优选为存在六个线圈，其中，定子的直径相反侧上(分开180度)的线圈对可一起通电。但是，各相可包含更多的线圈，例如，三个线圈可分组到各相中，其对于三相电动机可需要总共九个线圈。在这种情况下，属于给定相的线圈可在定子周围等距分隔，间隔120度。尽管这里公开的概念可用于构成具有两个或两个以上的相的电动机，在优选实施例中，电动机具有三个或更多的相，以便更为容易地提供将电力从放电线圈传送到充 电线圈。在被称为“仅仅推动”电动机的一个实施例中，每当线圈34被通电时其电极性是同样的，意味着每当线圈34被通电时磁极性是同样的。在另一实施例中，电极性、因此磁极性每次在线圈通电时反转。在有时被称为“推拉”实施例的此后一实施例中，电动机可产生更大的功率，因为每个线圈为有效的频率达到两倍，或者将邻近的磁体向着线圈拉动，或者将邻近的磁体远离线圈推动。然而，电动机仍然是运行的，无论线圈具有同样的极性还是反转的极性。转子上永磁体的数量决定了各相持续的转子旋转的一部分。例如，如果在转子周围分布八个永磁体，每相持续旋转的1/8，对应于45度的旋转。类似地，当存在十个永磁体时，每相持续旋转的1/10，或36度的旋转。当存在12个永磁体时，每相为30度的旋转。图22A、22B、22C示出了具有六个线圈34和八个永磁体52的三相电动机30中永磁体52与电磁线圈34之间关系的线性图示。该图为沿着延伸通过各个线圈34与永磁体52中心的环线的截面。永磁体52安装在转子36上，线圈34在定子32上。该图显示出邻近一个定子32的两个转子36，但基本原理可延伸到任何数量的转子和定子。然而，优选为，转子36为转子与定子叠的各个末端的最后的元件。如图22A、22B、22C所示，永磁体52以交替的极性布置。在优选实施例中，电动机30具有偶数个永磁体52，使得永磁体52的极性在转子36周围连续交替。在所示出的实施例中，线圈34仅仅以一个极性被通电，使得线圈34或者以该极性被通电，或者不通电。在所示的实施例中，线圈对34——其处于同一相位，但在定子的相反侧——以彼此相反的极性通电，使得磁极性相对于彼此反转。图23示出了例如图22A、22B、22C中的线性图所示的一个的电动机30的定时图。在图的顶部，存在以十五度的增量划分出的数字线，其对应于转子36的旋转循环。因此，在此数字线下面与各个相相关联的线显示出相如何与转子36的位置有关。在各个相上，匹配的相反线圈34作为一对被开通或关断，其中，成对的线圈34具有相反的电极性以及磁极性。例如，当线圈I以其磁北极朝向第一方向被开通时，相反布置的线圈4被关断。后来，当线圈4以其磁南极以第一方向被开通时，线圈I被关断。如上所述，此电动机有时被称为“仅仅推动”电动机，因为所示实施例中的线圈当它们被通电时总是具有同样的极性。在图23的顶部的相位图下面，示出了转子36和定子32的侧视图，例如相位图中所示的类型，它们彼此叠放。电动机30的侧视图显示出永磁体52的位置如何与线圈34的位置相关。图24和25对于具有转子36中的十八个永磁体52以及定子32中的八个线圈的电动机30显示出类似的相位图和侧视图。另外，线圈34在被通电时总是具有同样的极性，使得电动机30具有“仅仅推动”的特性。另外，如其他相位图所示，当表示特定相的线为高时，成对线圈中的第一个被开通，第二个线圈被关断，当线为低时，第一线圈被关断，第二线圈为开通，具有与第一个相反的电极性和磁极性。在上面介绍的两种情况下，作为在被通电或不通电之间的特定对线圈转换，来自被关断线圈的能量被馈送到被开通的线圈中，使得来自一个线圈的崩溃场能量能被捕获，且不被单纯耗散。通过在相位图所示的转换时交替用于对线圈通电的电力的极性而不是简单地开通一个线圈并关断另一个线圈，可以将上面介绍的任意一种电动机转换为“推拉”模式。 在推拉配置的情况下，来自各对线圈的崩溃场能量被转换到定子中不同的线圈组，即处于不同相的线圈组。然而，在此后一种推拉情况下，其他相中的线圈将在崩溃场能量被馈送到其中时已经被充电，因此代替帮助对其他线圈进行充电的是，崩溃场能量可作为代替的是帮助维持充电。在一个实施例中，电动机30的控制机构42包含可编程微处理器43，其用于控制线圈34的充电和放电(图I)。微处理器43接收来自位置传感器80的输入，并控制电路74中的开关78。在微处理器43负担的增强程度的控制的情况下，许多附加特征可被添加到电动机30。在一个实施例中，电动机30可在与有效的所有线圈34相比较少的情况下运行。例如，在具有多个定子32的电动机上，不同的定子32可被开通或关断，因此允许电动机根据需要产生可变水平的动力。例如，如果各个定子32产生100马力(hp)且存在五个定子，则电动机可产生100、200、300、400或500hp，取决于多少个定子32被激活。另外，定子32的任何组合可以以给定的时间被激活，不存在定子32彼此邻近的要求。在另一实施例中，通过在其他线圈34无效时激活不同定子32的线圈34的组，能够获得进一步的控制程度。例如，在具有三个定子32的三相电动机30中，一对线圈32能在第一定子32上被激活，另一对在第二定子32上，再一对在第三定子32上。然而，为了做到这一点，需要线圈在相同定子32上在相反的对中被激活，并要求该对线圈34各自来自电动机循环的不同相，意味着它们沿着电动机的圆周均匀分布。在特定定子32或甚至定子32的个体线圈34无效时，无效的线圈34能被移除以便修理或更换，甚至在电动机30继续运行的同时。由于可在不脱离本发明的范围的情况下对上面参照对应的图示介绍的示例性实施例进行多种的修改，所有包含在上述说明书中并在附图中示出的内容应当被解释为说明性而不是限制性的。因此，本发明的宽度和范围不应当由上述示例性实施例限制，而是应当根据所附权利要求及其等价内容来限定。
权利要求
1.一种定子(32)，包括 多个导线线圈(34)，其中，所述导线线圈绕卷在非可磁化芯(44)的周围，并被附着到相应的安装支架(46);以及 多个纵向条(48)； 其中每个安装支架使用可逆的紧固器被附着一对纵向条，以形成安装在圆形中的导线线圈组，使得导线线圈处于与转子(36)的旋转平面平行的平面中；以及 其中每个导线线圈可以独立于其他导线线圈从定子中移除。
2.根据权利要求I的定子，其中所述导线线圈组为第一组导线线圈，该第一组导线线圈沿着所述纵向条与第二组导线线圈隔开，以在其间留出空间用于转子。
3.根据权利要求I的定子，其中所述导线线圈用树脂进行模塑。
4.根据权利要求I的定子，其中所述纵向条由铝制成。
5.根据权利要求I的定子，其中所述纵向条包括在其中形成的一系列缺口，以便将导线线圈以正确的方向定位在正确的位置。
6.根据权利要求I的定子，其中所述纵向条(48)的末端附着到端板。
7.根据权利要求I的定子，其中来自每个导线线圈(34)的导线引线(58)被馈送通过对应的安装支架(46)。
8.根据权利要求I的定子，其中每个纵向条(48)在其中形成通道(60)，用于使导线穿过；并且其中来自每个导线线圈(34)的导线引线被馈送通过在纵向条的长边上形成的对应的槽(62)。
9.根据权利要求I的定子，其中所述非可磁化芯具有一英寸的截面直径。
10.根据权利要求I的定子，其中所述导线线圈包括11号铜线，其绕卷在所述非可磁化芯上大约300次，并且其中所述导线线圈的外直径为3英寸。
全文摘要
一种多相电动机，其包含定子，其包含环绕非可磁化芯的多个导线线圈；转子，其具有嵌入其中的永磁体，转子邻近于定子布置，转子被安装在可旋转的驱动轴上；电源；位置传感器，其可操作地连接到转子；控制电路，其可操作地连接到电源、位置传感器、导线线圈，用于控制电能到导线线圈的分配。在这种电动机中，控制机构将来自第一线圈的电荷传送到第二线圈。
文档编号H02K57/00GK102810961SQ20121015115
公开日2012年12月5日 申请日期2007年7月10日 优先权日2006年7月26日
发明者罗伯特·A·帕尔默, 丹尼斯·L·帕尔默 申请人:千年研究公司