專利名稱：電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括定子和轉(zhuǎn)子的電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子可以繞電機(jī)的縱軸相對于定子轉(zhuǎn)動。
背景技術(shù)：
電機(jī)在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)眾所周知。它們可以是電動機(jī)型的，在供電時產(chǎn)生力，也可以是發(fā)電機(jī)型的，在對發(fā)電機(jī)施加機(jī)械力時產(chǎn)生電能。它們均存在旋轉(zhuǎn)電機(jī)和線性電機(jī)。
電動機(jī)存在的問題是電動機(jī)可以提供的轉(zhuǎn)矩受到鐵磁芯的限制，鐵磁芯在某個電流電平下飽和。如果高于該電流電平，則轉(zhuǎn)矩不再提高，但是磁芯產(chǎn)生的熱量卻增加。當(dāng)磁芯變熱時，磁性能將下降，與具有最多磁性材料的情況一樣。
當(dāng)電機(jī)是線性電動機(jī)時，該問題尤其麻煩。電動機(jī)的運動部件(在本說明書中被稱為轉(zhuǎn)子)的尺寸通常受到限制，因此，可以對它施加的最大電場也受到限制。這樣導(dǎo)致在不同應(yīng)用中，加速度不夠高。
利用限制輸出轉(zhuǎn)矩解決該問題的可能的不同解決方案在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)是公知的。對于固定式電動機(jī)，這可以通過例如增加電動機(jī)的尺寸來解決。在尺寸和重量重要的應(yīng)用中，在鐵磁芯中使用不同的稀有材料。還可以以不同方式層疊該鐵磁芯，而且其中以最佳方式將鐵磁芯“分布”在磁場內(nèi)的不同幾何結(jié)構(gòu)布局是公知的。
在線性電動機(jī)用于控制電動閥的應(yīng)用中，限制轉(zhuǎn)矩是顯而易見的。為了提供在某種程度上可用的解決方案，用于控制電動閥的該公知系統(tǒng)采用包括安裝在諧振系統(tǒng)內(nèi)的電磁鐵和彈簧的系統(tǒng)。這樣，可以在某種程度上調(diào)節(jié)該閥。這些系統(tǒng)難以控制，而且只能在一個周期內(nèi)稍許調(diào)節(jié)該閥。
在與自由活塞式發(fā)動機(jī)一起使用電機(jī)的應(yīng)用中，當(dāng)活塞處于諧振狀態(tài)時，傳統(tǒng)線性電機(jī)可以用于輸出平均功率。最好在每個周期控制活塞的運動，例如控制燃燒。這難以利用傳統(tǒng)電機(jī)實現(xiàn)，因為這種電機(jī)在電作用力與轉(zhuǎn)子的質(zhì)量之間存在以約10倍降低的關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種與傳統(tǒng)電機(jī)相比，相對于其尺寸和/或重量，具有較大磁轉(zhuǎn)矩的電機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明，利用權(quán)利要求1所述的電機(jī)特性可以實現(xiàn)該目的。其他權(quán)利要求含有根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的有利實施例和改進(jìn)。
利用一種包括第一部件和第二部件的電機(jī)可以實現(xiàn)本發(fā)明的目的，其中第二部件可以相對于第一部件運動，而且其中第一部件和第二部件包括閉合磁路，其中第一部件包括至少一個線圈和多個第一片，每個第一片分別包括多個第一部件，每個第一部件分別是第一磁場改變部件，而第二部件包括多個第二片，每個第二片分別包括多個第二部件，每個第二部件分別是第二磁場改變部件。
根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的第一實施例提供了一種具有非常高功率—重量比的電機(jī)。在由鐵粉或鐵氧體構(gòu)成的該實施例中，這是通過插入第一組和第二組磁場改變部件實現(xiàn)的。該電機(jī)可以用作發(fā)電機(jī)或電動機(jī)。如果用作發(fā)電機(jī)，與其尺寸相比，它可以產(chǎn)生高的輸出。如果用作電動機(jī)，它可以迅速加速，因為轉(zhuǎn)動部件的質(zhì)量低。
在根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的第一有利改進(jìn)中，第二組磁場改變部件由永久磁鐵構(gòu)成。這樣可以進(jìn)一步提高電機(jī)的效率。
在根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的第二有利改進(jìn)中，第一組磁場改變部件由空心線圈構(gòu)成。這樣可以提高電機(jī)的加速能力。
在根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的第三有利改進(jìn)中，該電機(jī)包括多個第一部件。這樣可以獲得多相電機(jī)。這樣做的優(yōu)點是，當(dāng)用作電動機(jī)時，可以提高該電機(jī)的控制能力，而在用作發(fā)電機(jī)時，該電機(jī)可以連續(xù)輸出功率。
在根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的第四有利改進(jìn)中，該電機(jī)包括3個第一部件。這樣可以獲得三相電機(jī)。這樣做的優(yōu)點是，可以使用傳統(tǒng)三相設(shè)備。


下面將參考附圖所示的優(yōu)選實施例，更詳細(xì)說明本發(fā)明，附圖包括圖1a示出根據(jù)本發(fā)明電機(jī)的第一優(yōu)選實施例的俯視圖；圖1b示出根據(jù)圖1a所示電機(jī)的分解側(cè)視圖；圖2a示出根據(jù)本發(fā)明電機(jī)的有利改進(jìn)的俯視圖；圖2b示出根據(jù)圖2a所示電機(jī)的分解側(cè)視圖；圖3示出根據(jù)圖1的電機(jī)的第一片的側(cè)視圖；圖4示出根據(jù)圖1的電機(jī)的第二片的側(cè)視圖；圖5a-c示出根據(jù)圖1的電機(jī)的工作周期；圖6示出根據(jù)圖4的第二片的有利改進(jìn)；圖7示出根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的第二有利改進(jìn)的俯視圖；以及圖8示出根據(jù)圖7的電機(jī)的側(cè)面剖視圖。
具體實施例方式
必須將下面說明的本發(fā)明的優(yōu)選實施例和改進(jìn)僅看作示例，它們在任何方面均不對權(quán)利要求的范圍構(gòu)成限制。在在此描述的優(yōu)選實施例中，各附圖中相同的參考編號表示相同類型的部件。因此，在所有優(yōu)選實施例中，不詳細(xì)說明每個部件。
在根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)1的第一優(yōu)選實施例中，根據(jù)圖1a、1b、2a和2b，以圓形方式設(shè)置該電機(jī)。該電機(jī)包括第一部件2，被稱為定子2；以及第二部件3，被稱為轉(zhuǎn)子3。通常，通過將定子2安裝在剛性結(jié)構(gòu)上，固定定子2，但是也可以以可運動方式安裝它。轉(zhuǎn)子3可以繞電機(jī)的縱軸4相對于定子2轉(zhuǎn)動。在圖1a中，電機(jī)的縱軸4垂直于紙面。定子2和轉(zhuǎn)子3包括由箭頭13表示的閉合磁路。還可以以固定方式安裝轉(zhuǎn)子3，而讓定子2相對于轉(zhuǎn)子3轉(zhuǎn)動。
在圖1a中，可以看到定子2包括多個以圓形方式定位的定子片5，其中每個片對定子主體7是固定的，并指向內(nèi)部。轉(zhuǎn)子3包括多個以圓形方式定位的轉(zhuǎn)子片6，其中每個片對轉(zhuǎn)子主體8是固定的，并指向外部。每個定子片5和每個轉(zhuǎn)子片6位于互相相鄰的位置，同時在它們之間具有窄空隙。該空隙盡可能窄是有利的。每個定子片5包括多個定子部件10。每個轉(zhuǎn)子片6包括多個轉(zhuǎn)子部件11。
將定子2和轉(zhuǎn)子3與合適的軸承裝置(未示出)裝配在一起。在圖1 a中，一些定子片5是V形的。當(dāng)以模塊化方式制造電機(jī)時，這樣是有利的。在該電機(jī)的變換實施例中，定子片5和/或轉(zhuǎn)子片6在該電機(jī)的徑向是楔形的，如圖2a和2b所示，其中定子片5是楔形的，而轉(zhuǎn)子片6是均勻的。楔形的定子片和/或轉(zhuǎn)子片優(yōu)選地(例如)取決于生產(chǎn)電機(jī)的生產(chǎn)方法。重要的是，在片之間的空隙是均勻的，而且片表面是平行的。
轉(zhuǎn)子3沿縱軸4向后和向前移動。定子片5和轉(zhuǎn)子片6的主延伸沿該縱軸4展開，即沿該縱軸4，片5、6具有最大物理尺寸。定子部件10和轉(zhuǎn)子部件11的主延伸垂直于縱軸4。閉合磁路13垂直于這兩個軸。
根據(jù)所設(shè)計的電機(jī)的用途，定子2和轉(zhuǎn)子3可以沿縱軸4延伸。其定子比其轉(zhuǎn)子長得多的電機(jī)具有改進(jìn)的效率，而具有較小質(zhì)量的較短的轉(zhuǎn)子，可以提高電機(jī)可以獲得的最高加速度。
圖3示出定子片5的側(cè)視圖。該定子片5包括線圈9，線圈9纏繞多個定子部件10。在該示例中，定子部件10包括由例如鐵粉或鐵氧體材料的磁導(dǎo)材料構(gòu)成的方形磁棒。該磁導(dǎo)材料的飽和磁通量優(yōu)先地盡可能高。各磁棒以規(guī)則方式間隔開，該間隔與該磁棒的寬度大致相同。線圈9由導(dǎo)電材料構(gòu)成，優(yōu)選的由例如銅或超導(dǎo)體的低電阻率材料構(gòu)成。例如，該片是40mm寬，200mm高和5mm厚。而部件是5mm×20mm×5mm尺寸。各部件之間的垂直間隔是5mm。線圈是10mm寬和5mm厚，該面積盡可能大，以降低損耗。典型電機(jī)可以具有例如30個定子片和30個轉(zhuǎn)子片。
在該實施例中，每個定子片5均包括線圈9。還可以以更密的方式將線圈9定位在定子2內(nèi)。在這種情況下，僅在少量片，例如每隔5個片對稱定位線圈。為了獲得同樣的磁性能，電機(jī)的總線圈面積應(yīng)該相同，而不考慮線圈9的位置。線圈9可以具有一匝或多匝。
片5主要由線圈9、磁棒10以及用于填充磁棒與線圈之間的空隙的填充材料構(gòu)成。為了提高機(jī)械性能。還可以使用其他材料，例如包圍整個片5的陶瓷。適當(dāng)?shù)奶畛洳牧鲜?例如)具有玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂或陶瓷材料。還可以對片5層疊另一層非磁性材料，例如陶瓷以獲得更高強(qiáng)度。當(dāng)片5由兩層(例如)其中間為磁棒10的陶瓷層組成時，填充材料還可以是空氣。另一種可能是在每個磁棒10之間的填充材料內(nèi)包括磁性材料，以優(yōu)化磁性能。優(yōu)選的將該磁性材料設(shè)置在填充材料的中心。還可以使用與磁棒10的材料不同的磁場改變材料作為填充材料。
生產(chǎn)該片的另一種方法是采用壓鑄薄膜或帶的技術(shù)(thin-film ortape-cast technique)。在這種情況下，各部件被設(shè)置或印制到例如陶瓷材料的襯底上，然后，利用例如陶瓷材料的另一個襯底層疊該襯底。根據(jù)該設(shè)計，可以層疊多層，以獲得要求的電特性和/或機(jī)械特性。
圖4示出轉(zhuǎn)子片6的側(cè)視圖。以與定子片5的同樣方式制造轉(zhuǎn)子片6，但是沒有線圈。在由鐵粉構(gòu)成情況下，該轉(zhuǎn)子片6包括多個由方形磁棒構(gòu)成的轉(zhuǎn)子部件11，該方形磁棒由磁導(dǎo)材料構(gòu)成。磁棒11與磁棒10具有同樣的尺寸，而且由同樣的材料構(gòu)成。
圖5a-c示出沿圖1中的線A-A的側(cè)面剖視圖。圖5a-c是在電機(jī)用作發(fā)電機(jī)時，用于解釋電機(jī)的功能的例子。為此目的，僅示出電機(jī)的一部件，在這種情況下，僅示出兩個轉(zhuǎn)子部件11和3對剖開的定子部件10。當(dāng)如圖5a所示，轉(zhuǎn)子部件11和定子部件10互相相鄰位于同一個幾何平面上時，由每個定子片內(nèi)的線圈對電機(jī)施加磁場。例如由自由活塞式發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的外力使轉(zhuǎn)子片在箭頭12所示的一個方向轉(zhuǎn)動。此時，線圈被短路，迫使磁場將成為恒定。由于使轉(zhuǎn)子片11轉(zhuǎn)動接近定子片長度一半的距離花費的時間短，所以在轉(zhuǎn)動期間，磁場接近恒定。這種狀態(tài)表示電機(jī)的半周期，而且圖5b示出這種狀態(tài)。在磁場是恒定的情況下，將外力產(chǎn)生的能量變換為磁能?？梢詮木€圈提取該磁能，而且例如通過對電容器進(jìn)行充電，可以將它們存儲為電能。在電機(jī)的第二個半周期，通過阻止線圈運動，去除由線圈施加的磁場。這樣做是為了防止電機(jī)在第二個半周期成為電動機(jī)。在第二個半周期結(jié)束時，例如，當(dāng)完成整個周期時，電機(jī)將處于圖5c所示的狀態(tài)。當(dāng)該電機(jī)被迫以方向12轉(zhuǎn)動時，然后重復(fù)該周期。這種操作可以被看作脈沖式磁阻電機(jī)。
在電機(jī)的第二優(yōu)選實施例中，轉(zhuǎn)子部件11，即磁場改變部件11由短路線圈組成，該線圈的外形尺寸與上述鐵粉材料的方形磁棒的外形尺寸接近相同的。圖6示出其中轉(zhuǎn)子部件11包括短路線圈11的轉(zhuǎn)子片6。在該實施例中，定子部件包括上述磁場改變部件之一。在不考慮短路線圈11的情況下，電機(jī)的設(shè)計可以與但是不必與上述設(shè)計相同。使用線圈的優(yōu)點是可以降低轉(zhuǎn)子的重量，因此轉(zhuǎn)子可以獲得更高的加速因子。短路線圈11可以是空心線圈或有芯線圈。有芯短路線圈11具有更高的電感和更高的重量。在該實施例中，填充材料可以磁性的或非磁性的。如果填充材料是磁性的，則電機(jī)內(nèi)的磁場可以更強(qiáng)，但是磁性材料可能飽和。用非磁性材料作為填充材料，則不存在飽和問題，但是電阻率損耗比較高。根據(jù)電機(jī)的設(shè)計，可選擇適當(dāng)?shù)奶畛洳牧稀?br> 在電機(jī)的第三實施例中，定子部件10，即磁場改變部件10包括永磁材料構(gòu)成的方形磁棒。轉(zhuǎn)子部件11，即磁場改變部件11包括鐵粉或鐵氧體材料。在不考慮磁場改變部件10的情況下，設(shè)計可以與但是不必與上述設(shè)計相同。應(yīng)該這樣定位永久磁鐵10，以使所有磁鐵10與其磁場定位在同一個方向上。
使用永久磁鐵作為磁場改變部件的優(yōu)點是，與例如鐵粉或鐵氧體相比，永久磁鐵以較低電流產(chǎn)生更高磁場和更大磁轉(zhuǎn)矩。這樣使得電機(jī)的效率更高。與例如鐵粉或鐵氧體相比，永久磁鐵更昂貴，而且對振動更敏感。
在電機(jī)的第四實施例中，定子部件10，即磁場改變部件10包括由永磁材料構(gòu)成的方形磁棒。轉(zhuǎn)子部件11，即磁場改變部件11包括鐵粉或鐵氧體材料。在不考慮磁場改變部件10的情況下，電機(jī)的設(shè)計可以與但是不必與上述設(shè)計相同。應(yīng)該這樣定位永久磁鐵10，以便所有磁鐵10和其磁場被定位同一個方向上。在該實施例中，定子上各部件之間的間隔，即定子填充材料也包括永久磁鐵。在這些永久磁鐵的磁場方向與永久磁鐵10的磁場方向相反的情況下，定向這些填充磁鐵。這樣可以進(jìn)一步提高電機(jī)的效率。
在本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)中，還可以對定子部件10和轉(zhuǎn)子部件11使用上述材料的其他組合。根據(jù)例如電機(jī)的設(shè)計，在意在使電機(jī)具有要求的電機(jī)特性、成本等應(yīng)用中，可以選擇適當(dāng)?shù)牟牧辖M合。還可以對同一個片內(nèi)的定子部件10和/或轉(zhuǎn)子部件11使用不同材料。定子片可以例如含有由鐵粉構(gòu)成的部件和由短路線圈構(gòu)成的部件。
在電機(jī)的第五優(yōu)選實施例中，電機(jī)包括多個沿縱軸4互相位于相鄰位置的第一部件2，即定子2。在該例中，將說明具有3個定子2的電機(jī)。這些定子2的布局可以與圖1b或2b所示的布局相同。第二部件3，即轉(zhuǎn)子3優(yōu)先具有足以與所有定子2相適應(yīng)的長度。如果不考慮長度，則轉(zhuǎn)子3的布局可以與圖1b或2b所示的布局相同。
以等同的方式，使定子2電移相120度。該實施例提高了利用作為發(fā)電機(jī)的電機(jī)產(chǎn)生連續(xù)能量的可能性，或者在用作電動機(jī)時，改善對電機(jī)的控制的可能性。如果移相120度，則獲得三相電機(jī)。如果需要，還可以選擇另一個數(shù)量的定子數(shù)。優(yōu)選的是，通過將整個周期除以第一部件2的數(shù)量，可以獲得移相。
在圖7和8所示的電機(jī)的第二有利改進(jìn)中，該電機(jī)的布局如同平板線性電機(jī)。圖7示出具有線圈9的電機(jī)的俯視圖，為了更清晰，而將線圈9斷開。圖8示出沿圖7所示線B-B的側(cè)面剖視圖。在該例中，電機(jī)具有相對于電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向12、一個接著一個地位于兩組內(nèi)的4個轉(zhuǎn)子片6和10個定子片5。將2組定子片5機(jī)械地和磁性的與磁場傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)連接在一起，從而產(chǎn)生閉合磁路13。在該例中，電機(jī)的閉合磁路13將垂直于轉(zhuǎn)動方向12。電機(jī)的功能與以上描述的功能相同。將定子2和轉(zhuǎn)子3與適當(dāng)?shù)妮S承裝置裝配在一起。
不能認(rèn)為本發(fā)明局限于以上描述的優(yōu)選實施例，在所附權(quán)利要求所述的本發(fā)明范圍內(nèi)，可以進(jìn)一步進(jìn)行許多變更和修改。在要求小型高效電機(jī)，例如用于控制內(nèi)燃機(jī)上的閥門的任何地方均可以使用根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種包括第一部件(2)和第二部件(3)的電機(jī)(1)，其中第二部件(3)可以相對于第一部件(1)轉(zhuǎn)動，而且其中第一部件和第二部件(2，3)包括一閉合的磁路，其特征在于，第一部件(2)包括至少一個線圈(9)和多個第一片(5)，每個第一片(5)包括多個第一部件(10)，每個第一部件(10)是第一磁場改變部件，以及第二部件(3)包括多個第二片(6)，每個第二片(6)包括多個第二部件(11)，每個第二部件(11)是第二磁場改變部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其特征在于，每個第一片(5)包括至少一個纏繞所述第一部件(10)的線圈(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電機(jī)，其特征在于，該第二部件(3)繞電機(jī)的縱軸(4)相對于第一部件(2)轉(zhuǎn)動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一權(quán)利要求所述的電機(jī)，其特征在于，第一部件和第二部件(2，3)的各片被彼此相鄰地定位，以致該片被定位于電機(jī)的所述閉合的磁路內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的電機(jī)，其特征在于，第一部件和第二部件(2，3)的各片垂直于電機(jī)的所述閉合的磁路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述的電機(jī)，其特征在于，第一部件和第二部件(2，3)的各片沿電機(jī)的縱軸(4)延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一權(quán)利要求所述的電機(jī)，其特征在于，在第一部件和第二部件(2，3)之間的間隔是基本一致的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一權(quán)利要求所述的電機(jī)，其特征在于，所述第一磁場改變部件和所述第二磁場改變部件由鐵粉材料、鐵氧體材料、鐵芯線圈、空心線圈或永久磁鐵構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一權(quán)利要求所述的電機(jī)，其特征在于，所述第一磁場改變部件由其磁場取向在同一個方向上的永久磁鐵構(gòu)成，而所述第二磁場改變部件由鐵粉材料構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電機(jī)，其特征在于，在所述永久磁鐵之間設(shè)置其磁場取向在相反方向的永久磁鐵。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一權(quán)利要求所述的電機(jī)，其特征在于，所述第一磁場改變部件由鐵粉材料、鐵氧體材料或永久磁鐵構(gòu)成，而所述第二磁場改變部件由空心線圈構(gòu)成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一權(quán)利要求所述的電機(jī)，其特征在于，所述第一磁場改變部件和所述第二磁場改變部件是同一種類型的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一權(quán)利要求所述的電機(jī)，其特征在于，所述第一片(5)和/或所述第二片(6)包括多個不同磁場改變部件。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一權(quán)利要求所述的電機(jī)，其特征在于，該電機(jī)包括多個沿縱軸(4)互相位于相鄰位置的第一部件(2)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電機(jī)，其特征在于，所述第一部件(2)以均勻的方式被電移相，其中該移相是通過將整個周期除以第一部件的數(shù)量來獲得的。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的電機(jī)，其特征在于，該電機(jī)包括3個被電移相120度的第一部件(2)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括第一部件和第二部件的電機(jī)，其中第二部件可以相對于第一部件轉(zhuǎn)動，而且其中第一部件包括至少一個線圈，其中第一部件和第二部件均包括多個片，第一部件的每個片包括多個由第一磁導(dǎo)材料構(gòu)成的部件，而第二部件的每個片包括多個由第二磁導(dǎo)材料構(gòu)成的部件，而且其中該第一部件和第二部件包括一閉合的磁路。
文檔編號H02K35/02GK1606823SQ02825746
公開日2005年4月13日 申請日期2002年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月21日
發(fā)明者愛德華·喬布森, 厄蘭·麥克斯 申請人:沃爾沃技術(shù)公司