專利名稱：電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及DC電動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著能量成本的持續(xù)上升以及供應(yīng)的減少，存在對(duì)能量的更為高效的使用的巨大需求，特別是對(duì)于電動(dòng)機(jī)來說。電動(dòng)機(jī)對(duì)許多裝置供給動(dòng)力，因此，對(duì)于給定的輸入能量在輸出自電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力上的改進(jìn)將會(huì)意味著能量成本的重要節(jié)省。一種特別的將會(huì)從改進(jìn)的電動(dòng)機(jī)中受益的用途是電氣車輛。盡管電氣車輛在我們 出現(xiàn)已經(jīng)超過一百年，它們僅僅是在近來才開始變得廣泛應(yīng)用。電動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出的改進(jìn)將有助于電氣車輛變得更為實(shí)用、在市場上更為人們所接受?，F(xiàn)有電氣車輛面臨的一個(gè)問題在于其與傳統(tǒng)的汽油或柴油動(dòng)力車輛相比較高的購買價(jià)格。這有一部分是因?yàn)檫@樣的車輛使用了昂貴的電動(dòng)機(jī)。這樣的電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)簡單，但其構(gòu)造非常復(fù)雜。除此之外，由于對(duì)于所涉及的高電壓與電流、特別是對(duì)高沖擊電流的要求，用于這種電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)是復(fù)雜的。最后，當(dāng)前的電氣車輛電動(dòng)機(jī)需要復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)。以前已經(jīng)使用過具有無金屬芯的電磁線圈的電動(dòng)機(jī)，例如，通常用在低電力應(yīng)用中的“餅(pancake)”型電動(dòng)機(jī)。然而，例如塑料等非可磁化芯材料尚未用于高功率電動(dòng)機(jī)。本領(lǐng)域需要的是構(gòu)造和控制電動(dòng)機(jī)以產(chǎn)生能量效率更高的電動(dòng)機(jī)的新構(gòu)思。

發(fā)明內(nèi)容
在一實(shí)施例中，本發(fā)明為多相電動(dòng)機(jī)，其包含定子，其包含環(huán)繞非可磁化芯的多個(gè)導(dǎo)線線圈(wire coil);轉(zhuǎn)子，其具有嵌入其中的永磁體，轉(zhuǎn)子鄰近于定子布置，轉(zhuǎn)子安裝在可旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)軸上；電源；位置傳感器，其可操作地連接到轉(zhuǎn)子；控制電路，其可操作地連接到電源、位置傳感器以及導(dǎo)線線圈，用于控制電能到導(dǎo)線線圈的分配；其中，控制機(jī)構(gòu)從第一線圈向第二線圈傳送電荷。在另一實(shí)施例中，本發(fā)明為運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的方法，其包含提供電動(dòng)機(jī)的步驟，該電動(dòng)機(jī)包含定子，其包含環(huán)繞非可磁化芯的多個(gè)導(dǎo)線線圈；轉(zhuǎn)子，其鄰近于定子可旋轉(zhuǎn)地安裝；多個(gè)永磁體，其安裝到轉(zhuǎn)子；電源；位置傳感器，其可操作地連接到轉(zhuǎn)子；控制電路，其可操作地連接到電源、位置傳感器以及導(dǎo)線線圈，用于控制電能到導(dǎo)線線圈的分配。此實(shí)施例的本發(fā)明還包含用電源對(duì)第一線圈通電；將第一線圈電氣連接到第二線圈；由此在控制器的指導(dǎo)下從第一線圈向第二線圈傳送電能；將第一線圈從電源斷開。在另一實(shí)施例中，本發(fā)明為一種多相電動(dòng)機(jī)，其包含定子，其包含環(huán)繞非可磁化芯的多個(gè)導(dǎo)線線圈，其中，非可磁化芯包含塑料管；轉(zhuǎn)子，其具有嵌入其中的永磁體，轉(zhuǎn)子鄰近于定子布置，轉(zhuǎn)子被安裝在可旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)軸上；電源；位置傳感器，其通過驅(qū)動(dòng)軸可操作地連接到轉(zhuǎn)子；控制電路，其可操作地連接到電源、位置傳感器以及導(dǎo)線線圈，用于控制電能到導(dǎo)線線圈的分配；其中，控制機(jī)構(gòu)從第一、放電線圈向第二、充電線圈傳送電荷；其中，轉(zhuǎn)子包含盤，盤具有在其間有著圓周邊(circumferential edge)的一對(duì)相反的面；其中，轉(zhuǎn)子還包含鄰近圓周邊附著到一面的鋼環(huán)；其中，永磁體包含夾在兩個(gè)稀土磁片之間的鋼片，使得至少一個(gè)稀土磁體鄰近定子。由下面給出的詳細(xì)介紹可以明了本發(fā)明的進(jìn)一步的應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)當(dāng)明了，盡管詳細(xì)介紹和具體實(shí)例示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其僅僅出于說明性目的，不是為了對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。


由附圖以及詳細(xì)說明可更為全面地理解本發(fā)明。在附圖中圖I不出了電動(dòng)機(jī)一實(shí)施例的原理圖；
圖2示出了一個(gè)線圈的一實(shí)施例；圖3A-3D示出了永磁體與電磁線圈的組合如何產(chǎn)生變化水平的力；圖4A示出了用于支撐定子線圈的類型的縱向條(longitudinal strip)的一個(gè)實(shí)施例；圖4B示出了定子的截面，其中，定子的線圈安裝在多個(gè)如圖4A所示的縱向條上；圖5A示出了縱向條的一實(shí)施例，其具有在側(cè)面形成的用于穿過來自線圈的導(dǎo)線引線(wires leading)的槽；圖5B示出了縱向條的另一實(shí)施例，其具有用于穿過安裝于其上的導(dǎo)線的導(dǎo)線通道;圖6示出了保持(hold)線圈的安裝支架如何附著到縱向條的一實(shí)施例；圖7示出了使用了視情況可選的鋼分流環(huán)(steel shunt ring)的轉(zhuǎn)子的一實(shí)施例；圖8A、8B、8C示出了繞卷在不同類型的芯周圍的導(dǎo)線線圈的幾個(gè)實(shí)施例；圖9A、9B分別示出了模塊化轉(zhuǎn)子部件的一實(shí)施例的前視圖與側(cè)視圖；圖9C示出了用于轉(zhuǎn)子的復(fù)合磁體的一實(shí)施例；圖10示出了在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的一實(shí)施例的截面中永磁體與電磁線圈之間的通
量線；圖11示出了用于對(duì)本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的線圈通電的電路的一實(shí)施例；圖12示出了用于對(duì)本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的線圈通電的電路的另一實(shí)施例；圖13示出了位置傳感器的一實(shí)施例；圖14A與14B示出了通過使用鐵屑來直接進(jìn)行估計(jì)而確定的、本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的一實(shí)施例的磁場線；圖15A、15B、15C示出了對(duì)于逐漸增大的永磁體的磁場線；圖I 不出了對(duì)于復(fù)合磁體的磁場線，該磁體包含夾在兩片永磁體之間的鋼還(steel slug)；圖16示出了用于從電動(dòng)機(jī)中的放電線圈向被充電或充電線圈對(duì)崩潰場電流(collapsing field current)進(jìn)行分流的電路的一實(shí)施例；圖17示出了用于從電動(dòng)機(jī)中的放電線圈到被充電或充電線圈對(duì)崩潰場電流進(jìn)行分流的電路的另一實(shí)施例；圖18示出了用于從電動(dòng)機(jī)中的放電線圈到被充電或充電線圈對(duì)崩潰場電流進(jìn)行分流的電路的又一實(shí)施例；圖19示出了用于從電動(dòng)機(jī)中的放電線圈到被充電或充電線圈對(duì)崩潰場電流進(jìn)行分流的電路的再一實(shí)施例；圖20示出了本發(fā)明的轉(zhuǎn)子的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)面圖，其中，電磁線圈的相對(duì)位置用虛線示出；圖21示出了通過圖20的線21-21的截面，其示出了在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例中永磁體與線圈的相對(duì)位置； 圖22A-22C示出了通過圖20的線21_21的截面，其示出了在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的另一實(shí)施例中永磁體與線圈的相對(duì)位置；圖23示出了三相電動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的定時(shí)圖；圖24示出了 4相、18永磁體電動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的定時(shí)圖；以及圖25示出了具有8個(gè)線圈和18個(gè)永磁體的4相電動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的永磁體與線圈的側(cè)面圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的介紹僅僅是示例性的，不是為了對(duì)本發(fā)明、其應(yīng)用或用途進(jìn)行限制。這里介紹的電動(dòng)機(jī)——其被稱為“磁電(magnetronic)”電動(dòng)機(jī)——在幾個(gè)方面不同于傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)，結(jié)果是描述電動(dòng)機(jī)性質(zhì)的典型公式不總是適用于磁電電動(dòng)機(jī)。這是因?yàn)閹讉€(gè)因素I.傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)輸出需要鋼來集中磁通；以及2.傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)將電動(dòng)力轉(zhuǎn)換為金屬部件中的磁通，由此完成通過定子與轉(zhuǎn)子的磁路，其產(chǎn)生施加到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩。由于這些因素，典型電動(dòng)機(jī)的最大動(dòng)力輸出受到場以及轉(zhuǎn)子中的鋼的量以及繞組中的銅的量限制。這里介紹的電動(dòng)機(jī)在這些部件上不同I.磁電電動(dòng)機(jī)不需要鋼來集中通量，事實(shí)上，在大多數(shù)實(shí)施例中，鋼對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是有害的。2.在磁電電動(dòng)機(jī)中，磁路通過轉(zhuǎn)子中的永磁體以及兩個(gè)外部或末端轉(zhuǎn)子上的鋼端板的構(gòu)造完成。通量集中通過這樣的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)當(dāng)線圈被通電時(shí)，其導(dǎo)致動(dòng)力的增大(圖3A-3D，14A，14B)。圖3A-3C顯示出安裝在轉(zhuǎn)子上的永磁體以及定子中的充電電磁導(dǎo)線線圈的組合如何產(chǎn)生變化等級(jí)的力，結(jié)論是與給定線圈相關(guān)聯(lián)的永磁體越多，產(chǎn)生的力的量越大。例如，使一個(gè)線圈34與兩個(gè)轉(zhuǎn)子36相關(guān)聯(lián)，其中，各個(gè)轉(zhuǎn)子36具有安裝在其中的八個(gè)永磁體52，那么，在一個(gè)實(shí)施例中產(chǎn)生剛好超過兩英尺磅的力。在第一兩個(gè)轉(zhuǎn)子36的各側(cè)向此布置添加第三轉(zhuǎn)子36將使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生剛好超過三英尺磅的力。類似地，在第一三個(gè)轉(zhuǎn)子36的各側(cè)添加第四轉(zhuǎn)子36將使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生四英尺磅的力。最后，在第一四個(gè)轉(zhuǎn)子36的各側(cè)添加第五轉(zhuǎn)子36將使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生五英尺磅的力。另外，甚至更大的力能夠通過將更多的線圈與永磁體52結(jié)合來產(chǎn)生，如圖3D所示。例如，具有一個(gè)線圈34和五個(gè)轉(zhuǎn)子26——其中，每個(gè)轉(zhuǎn)子36包含八個(gè)永磁體52，總共有四十個(gè)永磁體52—給出五英尺磅的力。將第二線圈34添加到同樣的五個(gè)轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)將力加倍到十英尺磅。添加第三線圈34將力增大到十五英尺磅，第四線圈給出二十英尺磅的力。線圈34可被添加在圍繞電動(dòng)機(jī)30周邊的任何位置，每一個(gè)將增加五英尺磅的力。另一個(gè)不同在于通量線方向。在典型的電動(dòng)機(jī)中，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)(由于產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì))，所有的通量線垂直于在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生阻力(drag)的繞組。在典型的電動(dòng)機(jī)中，這種反電動(dòng)勢(shì)是必須的，或者，電流將會(huì)太高，以至于使繞組將會(huì) 燃燒起來。在磁電電動(dòng)機(jī)中，一部分通量平行于減小阻力或所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)的繞組。這種通量方向可通過轉(zhuǎn)子中與轉(zhuǎn)子間間隔有關(guān)的PM的間隔來改變。另外，不存在由于缺少反電動(dòng)勢(shì)引起的沖擊或高電流。因此，磁電電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)自動(dòng)控制電流。磁電電動(dòng)機(jī)在其構(gòu)造上具有幾個(gè)顯著的不同，這些不同帶來了功能的不同。在典型的電動(dòng)機(jī)中，繞組以這樣的方式被放置在鋼槽中繞組彼此重疊。由于這個(gè)原因，如果一個(gè)繞組變熱，其對(duì)重疊的繞組進(jìn)行加熱，整個(gè)電動(dòng)機(jī)發(fā)生過熱或燃燒起來。甚至如果僅一個(gè)繞組燒起來，為更換任何繞組，必須移動(dòng)所有的繞組。在磁電電動(dòng)機(jī)中，繞組是各自獨(dú)立的簡單的卷線(bobbin)線圈，并能每次一個(gè)地移除或放到電動(dòng)機(jī)中。通過這種設(shè)計(jì)，電動(dòng)機(jī)完全是模塊化的?？梢蕴砑愚D(zhuǎn)子模塊，由此加長電動(dòng)機(jī)，這增加了用于線圈模塊的槽，并因此增大了電動(dòng)機(jī)輸出。這種模塊化概念使得制造新的電動(dòng)機(jī)簡單得多。最后一件事不適用于典型電動(dòng)機(jī)但適用于通過使用反電動(dòng)勢(shì)再生或補(bǔ)充輸入電力使這些電動(dòng)機(jī)更為高效的嘗試。磁電電動(dòng)機(jī)使用在其運(yùn)行中非常有效的新方法，且通過兩種單獨(dú)的方法實(shí)現(xiàn)。I.通過如本申請(qǐng)其他地方所述改變通量方向來減小轉(zhuǎn)子阻力或反電動(dòng)勢(shì)。2.使用當(dāng)線圈被停止通電時(shí)的崩潰場能量來將輸入電力補(bǔ)充到不同的線圈，優(yōu)選為剛好開通的一個(gè)線圈。因此，多相電動(dòng)機(jī)30包含定子32，其包含多個(gè)線圈34 ;轉(zhuǎn)子36，其安裝在驅(qū)動(dòng)軸38上；電源40，其用于對(duì)線圈34進(jìn)行充電；控制機(jī)構(gòu)42，其用于控制通過電源40對(duì)線圈34進(jìn)行的充電(圖1，2)。在一實(shí)施例中，定子32包含多個(gè)導(dǎo)線線圈34，其中，導(dǎo)線線圈繞卷在非可磁化芯44的周圍。非可磁化芯44可用多種材料中的任何一種制造，包括但不限于塑料，無論是固體棒還是空心管。線圈芯44優(yōu)選為在截面上是環(huán)形的，使得導(dǎo)線線圈34本身也是環(huán)形的。然而，芯33和導(dǎo)線線圈34的其他形狀是可行的。在一實(shí)施例中，繞成線圈的導(dǎo)線被一系列穿過芯44的中心且圍繞外側(cè)的徑向帶保持在原位。另外，在一個(gè)實(shí)施例中，線圈34用例如玻璃纖維等樹脂進(jìn)行模塑。塑模在樹脂上給出了形狀，其補(bǔ)足了線圈34被附著于其上的安裝支架46 (見下文)的形狀。具有相關(guān)聯(lián)的樹脂的線圈34于是使用粘合或其他的附著手段被附著到安裝支架46。在典型的構(gòu)造中，線圈芯44具有一英寸的截面直徑。另外，一個(gè)實(shí)施例中的線圈導(dǎo)線為11號(hào)(gauge)的銅線，且繞卷在芯44上大約300次。在此實(shí)施例中導(dǎo)線線圈34的外直徑為3英寸。然而，其他的構(gòu)造是可行的并屬于本發(fā)明的范圍。線圈34的導(dǎo)線繞組具有一致的方向，其中，當(dāng)線圈34被安裝在定子32中時(shí)，繞組位于平行于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)面的面內(nèi)。當(dāng)線圈34被布置在定子32中且被通電時(shí)，所創(chuàng)建的磁場從定子32向著鄰近的轉(zhuǎn)子36水平延伸。定向使得線圈34的一側(cè)為磁北極(N)，另一側(cè)為磁南極(S);此定向能通過反轉(zhuǎn)輸入電量的極性來改變。各個(gè)線圈34通過將導(dǎo)線線圈34的末端連接到適當(dāng)?shù)碾娫?0來通電，如下面進(jìn)一步闡釋的那樣。導(dǎo)線線圈34通過框架結(jié)構(gòu)47在定子32中被保持在原位，框架結(jié)構(gòu)47在一個(gè)實(shí)施例中用鋁制造?？蚣馨鄠€(gè)縱向材料條48，其平行于驅(qū)動(dòng)軸38的長軸一即平行于旋轉(zhuǎn)軸——延伸。在一個(gè)實(shí)施例中，縱向材料條48具有在其中形成的一系列缺口 50，以便將線圈34以正確的方向定位在正確的位置。線圈34被保持在安裝支架46上，該安裝支架46于是被附著到框架結(jié)構(gòu)47的縱向條48 (圖4A，4B)。在一個(gè)實(shí)施例中，支架46可在邊緣上輕微彎曲，以便與縱向條48準(zhǔn) 確匹配。支架46優(yōu)選為使用可逆的緊固器附著到縱向條48，這使得其易于修理或更換有缺陷或損壞的線圈34。在一個(gè)實(shí)施例中，縱向條48具有在其中攻出的一系列的螺紋孔，以便容納用于附著線圈安裝支架46的螺釘或螺栓。線圈沿著縱向條48間隔開，以便在其間為轉(zhuǎn)子36留出空間。各個(gè)線圈34在附近具有與之鄰近的轉(zhuǎn)子36，在轉(zhuǎn)子中嵌有多個(gè)永磁體52。除了用于將線圈34保持在原位的框架結(jié)構(gòu)47——該結(jié)構(gòu)47位于電動(dòng)機(jī)的外周——以夕卜，在一個(gè)實(shí)施例中，定子32以其他的方式為空的空間(empty space),與許多其他的電動(dòng)機(jī)不同。這種構(gòu)造允許簡單得多的制造與組裝。支撐結(jié)構(gòu)47的縱向條48的末端在電動(dòng)機(jī)30的任意末端附著到端板54。這些端板54也支撐驅(qū)動(dòng)軸38，驅(qū)動(dòng)軸38又支撐轉(zhuǎn)子36，由此給出電動(dòng)機(jī)30其自己的整體結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)軸38伸出并超出一個(gè)或兩個(gè)端板54，并隨后耦合到將被驅(qū)動(dòng)的裝置。在一個(gè)特定實(shí)施例中，端板54為O. 625英寸厚、直徑11. 75英寸。另外，端板54可具有安裝于其上的軸承固定板56 (圖1)，以便保持用于驅(qū)動(dòng)軸38的軸承，該軸承固定板56包含具有兩個(gè)半英寸內(nèi)徑以及四英寸外徑的環(huán)。在一個(gè)實(shí)施例中，來自各個(gè)線圈34的導(dǎo)線引線58被饋送通過安裝支架46(圖2)。在另一實(shí)施例中，縱向條48具有在其中形成的通道60，用于使導(dǎo)線穿過其中(圖5A、5B、6)。在此情況下，導(dǎo)線在該側(cè)并通過在條的長邊上形成的槽62離開線圈34 (圖5A)。在一個(gè)實(shí)施例中，使得線圈安裝支架46的側(cè)面部分寬到足夠覆蓋鄰近主通道60的槽62 (圖6)。在又一實(shí)施例中，凸起的導(dǎo)線通道64在縱向條48的一側(cè)上形成或附著到縱向條48的一側(cè)，其中，在通道64的側(cè)面存在孔，其與各個(gè)線圈34對(duì)齊，使得導(dǎo)線穿過(圖5B)。在后者中的任一實(shí)施例中，導(dǎo)線穿過縱向條48到達(dá)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)或兩個(gè)末端，在那里，它們與電源40以及控制機(jī)構(gòu)42連接。全體而言，成圓圈安裝的一系列導(dǎo)線線圈24在下面被稱為定子32。在一個(gè)實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)30具有四個(gè)定子32和五個(gè)轉(zhuǎn)子36，使得各個(gè)定子32在其任一側(cè)具有轉(zhuǎn)子36，但電動(dòng)機(jī)任一末端的轉(zhuǎn)子36僅具有在一側(cè)而不在另一側(cè)的定子32。另外,在某些實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)30任一末端上的轉(zhuǎn)子36具有含有鐵的金屬(例如鋼)分流環(huán)66,其在永磁體52的頂部沿著轉(zhuǎn)子36的外徑延伸(圖7A、7B)。在永磁體52為磁體以及其他材料的片的分層復(fù)合物的情況下，磁體不被包含在附著有環(huán)66的轉(zhuǎn)子的一側(cè)。環(huán)66改進(jìn)了電動(dòng)機(jī)30中的磁通，產(chǎn)生馬蹄(horseshoe)效應(yīng),并消除了如果任何導(dǎo)電材料位于電動(dòng)機(jī)末端時(shí)將發(fā)生的阻力。在省略了鋼環(huán)66的那些實(shí)施例中，優(yōu)選為使得端板54由不導(dǎo)電的材料制造，例如酚醛樹脂或某些其它類型的樹脂。導(dǎo)線號(hào)數(shù)、線圈繞組長度、匝數(shù)以及所用芯材料的類型各自改變電動(dòng)機(jī)30的特性。另外，芯44的形狀以及永磁體52的形狀和材料還可改變電動(dòng)機(jī)30制動(dòng)的方式。下面列出的是芯44的結(jié)構(gòu)的幾種可能的類型以及芯44的結(jié)構(gòu)在線圈34的特性上的某些影響(圖 8A、8B、8C)。在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)線繞卷的線圈34具有固體堆疊的芯44 (圖8A)。這種構(gòu)造具有高的電感，并具有顯著的磁滯損耗，通量被集中在芯中。在另一構(gòu)造中，提供了一種具有中空的芯44的導(dǎo)線繞卷線圈34 (圖SB)。該構(gòu)造具有中等的電感，中等的磁滯損耗，通量被集中在芯44中。此構(gòu)造的一個(gè)實(shí)例為具有中空鐵芯的導(dǎo)線繞卷線圈。
在又一構(gòu)造中，提供了具有空氣芯44的導(dǎo)線繞卷線圈34 (圖SC)。該構(gòu)造具有低的電感，無磁滯損耗，通量更為平均地分布在整個(gè)磁極面上。另外，導(dǎo)線作為層疊(laminations)、而不是典型的平層疊(flat laminations)來使用。另外，導(dǎo)線可以為任何形狀，包括圓形、餅形或空心層疊管。對(duì)于高的旋轉(zhuǎn)速度(RPM)，高效率空氣芯應(yīng)當(dāng)是最好的，而對(duì)于高RPM以及效率不是所關(guān)心問題的較高的轉(zhuǎn)矩，層疊的芯可能是更好的。一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子36用酚醛樹脂制造，而其它類型的樹脂也可以。在另一實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子36用鋁制造。在任一情況下，轉(zhuǎn)子36在一實(shí)施例中被固定地附著到驅(qū)動(dòng)軸38，以便將電動(dòng)機(jī)30的動(dòng)力傳送到被驅(qū)動(dòng)部件。轉(zhuǎn)子36本質(zhì)上為平的環(huán)形盤，其中，為容納永磁體或固定磁體52而制造一系列的孔。電動(dòng)機(jī)30可用模塊化方式制造，使得任何可變數(shù)量的轉(zhuǎn)子36和定子32 (通常存在比定子數(shù)目多一個(gè)的轉(zhuǎn)子)可被組裝到一個(gè)電動(dòng)機(jī)30中，使得任何尺寸和功率的電動(dòng)機(jī)30能用有限數(shù)量的基本部件來制造。為了使電動(dòng)機(jī)30模塊化、同時(shí)仍保持正確的轉(zhuǎn)子到轉(zhuǎn)子間距，在一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子36具有中空的間隔器68，其在中心附近從一側(cè)突出(圖9B)。在一個(gè)實(shí)施例中，間隔器68是鋼的。轉(zhuǎn)子36——其在一個(gè)實(shí)施例中是鋁的——和所附著的間隔器68在中心處均具有孔，以便容納驅(qū)動(dòng)軸38，并在孔內(nèi)具有槽70，以便容納從驅(qū)動(dòng)軸38突出的脊72，脊72和槽70彼此互補(bǔ)。脊72和槽70的組合有助于從轉(zhuǎn)子36向驅(qū)動(dòng)軸38傳送動(dòng)力，而沒有相對(duì)于驅(qū)動(dòng)軸38的任何滑動(dòng)?；蛘撸?2可在轉(zhuǎn)子36的開口的內(nèi)部，因此，使槽70在驅(qū)動(dòng)軸38上(圖20)。在一特定實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子36為I. 5英寸厚、直徑9英寸。鋼間隔器68直徑為3英寸，并從轉(zhuǎn)子36的面伸出2. 7英寸。驅(qū)動(dòng)軸38的直徑大概為I. 5英寸，如同轉(zhuǎn)子36以及間隔器68內(nèi)的孔，以便容納軸。在一個(gè)實(shí)施例中，間隔器8使用四個(gè)O. 25英寸螺栓附著到轉(zhuǎn)子36，而接合兩部分的其它裝置屬于本發(fā)明的范圍(圖9A)。在一個(gè)實(shí)施例中，永磁體52包含其間具有鋼棒52B的兩個(gè)稀土永磁體52A的組合物。組合物結(jié)構(gòu)在一個(gè)實(shí)施例中整體是圓柱體，并具有I英寸的直徑以及I. 5英寸的長度(圖9C)。此實(shí)施例中的永磁體52A各自為O. 25英寸厚，鋼棒52B為I英寸厚。在一個(gè)實(shí)施例中，磁體52A和鋼棒52B使用粘合劑彼此附著并附著到轉(zhuǎn)子36。本實(shí)施例中存在八個(gè)永磁體52，其中，永磁體52在邊緣附近在轉(zhuǎn)子36周圍等距間隔開。在轉(zhuǎn)子36上，在離轉(zhuǎn)子36邊緣大約O. 125英寸處形成八個(gè)一英寸直徑的孔。在這個(gè)實(shí)施例中，通常而言，永磁體52布置為使得極性在具有指向轉(zhuǎn)子一側(cè)或另一側(cè)的磁北極和磁南極之間交替。為了連續(xù)在轉(zhuǎn)子36周圍實(shí)現(xiàn)這種交替構(gòu)造，優(yōu)選為總是存在偶數(shù)個(gè)的永磁體52或其組合物。在一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子36上鄰近的永磁體52之間的距離近似等于鄰近的轉(zhuǎn)子36之間的距離(圖10)，而鄰近的永磁體52之間的距離有時(shí)可大于轉(zhuǎn)子到轉(zhuǎn)子的間距。在一個(gè)實(shí)施例中，這些距離均大約為2. 5英寸。一般而言，反電動(dòng)勢(shì)隨著給定轉(zhuǎn)子36上鄰近永磁體52之間的距離減小而減小。另外，一般地，反電動(dòng)勢(shì)、RPM、轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)子到轉(zhuǎn)子的間距以及轉(zhuǎn)子36內(nèi)永磁體52之間間距的函數(shù)而變化。在一個(gè)實(shí)施例中，控制機(jī)構(gòu)42包含連接到位置傳感器80的電路74，其中，電路74被連接到線圈34以及電源40。在另一實(shí)施例中，控制機(jī)構(gòu)42也包含如下面進(jìn)一步介紹的 微處理器。用于控制電動(dòng)機(jī)30的此實(shí)施例的電路74在圖11中示出。該電路74——其用于具有八個(gè)永磁體52的六線圈、三相電動(dòng)機(jī)一使用一個(gè)電源40。開關(guān)78作為雙刀雙擲開關(guān)運(yùn)行。如下面進(jìn)一步所述，開關(guān)78受到與轉(zhuǎn)子36或驅(qū)動(dòng)軸38相關(guān)聯(lián)的位置傳感器80的控制。線圈I與4、2與5、3與6位于定子32的直徑相反側(cè)，并總是彼此處于相反的狀態(tài)，即，當(dāng)線圈I開通時(shí)，線圈4關(guān)斷，當(dāng)線圈4開通時(shí)，線圈I關(guān)斷。在此特定實(shí)施例中，二極管82控制電路74中電流的定向流動(dòng)，使得來自特定線圈的崩潰場能量有助于對(duì)直徑反向的伙伴線圈進(jìn)行充電。圖12示出了用于對(duì)本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)30進(jìn)行控制的電路74的另一實(shí)施例，其使用前一電路中一半的開關(guān)78。在這種替代性的構(gòu)造中，有兩個(gè)電源40，其簡化了系統(tǒng)的構(gòu)造。該電路74優(yōu)選于“僅僅推動(dòng)(push only)”電動(dòng)機(jī)，因?yàn)槠洳涣⒓刺峁┦┘拥教囟ň€圈34的電力的極性切換，因此，在循環(huán)中，不提供線圈34的磁極性的切換。又一次地，二極管82被放在成對(duì)的線圈34之間，以便在線圈34之間引導(dǎo)崩潰場能量。另外，開關(guān)78受到位置傳感器80的控制，如下面進(jìn)一步所介紹。圖13不出了用于本實(shí)施例的六線圈三相八永磁體52的電動(dòng)機(jī)的位置傳感器80的一般要求，特別是磁控制位置傳感器80。一個(gè)實(shí)施例中的位置傳感器80包含附著到驅(qū)動(dòng)軸38的控制輪84，使得控制輪84跟蹤驅(qū)動(dòng)軸38的移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸38又跟蹤轉(zhuǎn)子36的位置。多種裝置可用于跟蹤控制輪84的位置，包括具有安裝在輪84周圍的磁傳感器88或拾取器(pick-ups)以檢測存在或不存在磁條86的磁條86。通過使磁傳感器88以十五度間隔鄰近控制輪地間隔開、并使磁條86延伸輪86的1/8圈——如圖13所示，這具有以正確的順序和正確的持續(xù)時(shí)間致動(dòng)各個(gè)磁傳感器從而對(duì)線圈34通電的作用，如下面進(jìn)一步討論的。對(duì)于具有八個(gè)永磁體52的電動(dòng)機(jī)30，對(duì)于給定線圈34的優(yōu)選的開通時(shí)間近似等于轉(zhuǎn)子36的1/8圈，或45度。因此，致動(dòng)線圈34的位置傳感器80上的磁條86延伸控制輪84的1/8圈?？刂戚?4固定附著到轉(zhuǎn)子36或驅(qū)動(dòng)軸38，使得轉(zhuǎn)子36和驅(qū)動(dòng)軸38的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)控制輪84 (見圖I)。為了保持正確的相，磁傳感器88沿著控制輪間隔15度，以便順次開通線圈并在一對(duì)線圈中的一個(gè)開通時(shí)關(guān)斷同一對(duì)中的另一個(gè)。在此實(shí)施例中，線圈1-3以與線圈4-6相反的極性通電。類似地，線圈1、2、3在分別與線圈4、5、6相反的時(shí)間被通電和停止通電。上面示出的實(shí)施例一其具有六個(gè)線圈、三相、八個(gè)永磁體一的一般原理可擴(kuò)展到多于二的任意數(shù)量的相、任意偶數(shù)個(gè)永磁體、任何數(shù)量的線圈。盡管優(yōu)選為具有偶數(shù)個(gè)線圈、以便更為容易地協(xié)調(diào)從一個(gè)線圈向另一個(gè)的崩潰場能量傳送，也可以使用這里介紹的原理設(shè)計(jì)具有奇數(shù)個(gè)線圈的電動(dòng)機(jī)。增大電動(dòng)機(jī)30的線圈34和相的數(shù)量也增大了制造電動(dòng)機(jī)30、特別是驅(qū)動(dòng)線圈30需要的電子電路的復(fù)雜度和成本。另一方面，具有較大數(shù)量的線圈34和相增大了電動(dòng)機(jī)30的效率，因?yàn)橐子趧偤迷诿總€(gè)線圈的充電循環(huán)的正確點(diǎn)上進(jìn)行從一個(gè)線圈到另一個(gè)的崩潰場能量分流。在一個(gè)實(shí)施例中，具有八個(gè)線圈和十八個(gè)永磁體的四相電動(dòng)機(jī)代表制造成本和電動(dòng)機(jī)性能之間好的折中?？稍陔妱?dòng)機(jī)性能上具有深刻作用的另一因素是“反電動(dòng)勢(shì)”。反電動(dòng)勢(shì)在電動(dòng)機(jī)中由于轉(zhuǎn)子上的磁體與定子上的繞組之間的相對(duì)移動(dòng)而發(fā)生。電動(dòng)機(jī)線圈之間區(qū)域中不斷變 化的磁通感應(yīng)出與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)反向的電動(dòng)勢(shì)，其被稱為反電動(dòng)勢(shì)。還可以存在在轉(zhuǎn)子中的任何導(dǎo)電材料中感應(yīng)出的電壓，故優(yōu)選為轉(zhuǎn)子由不導(dǎo)電材料制成。然而，在一個(gè)實(shí)施例中，鋁用于制造具有有限負(fù)作用的轉(zhuǎn)子。在傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)中，總轉(zhuǎn)矩由電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子與定子中的鋼的量和銅的量決定。必須進(jìn)行平衡以匹配銅與鋼來得到最好的效率。然而，在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子或定子中不存在對(duì)鋼部件的嚴(yán)格要求。總轉(zhuǎn)矩由永磁體52中的總通量以及電流在線圈中產(chǎn)生的場決定。線圈34中的通量又為流經(jīng)線圈34的電流的安培數(shù)與線圈周圍的導(dǎo)線匝數(shù)的乘積的函數(shù)。轉(zhuǎn)子36中永磁體52之間的平均通量密度以及轉(zhuǎn)子36之間的平均通量的附加效果也影響當(dāng)前介紹的電動(dòng)機(jī)30中的轉(zhuǎn)矩。反電動(dòng)勢(shì)僅僅在磁通經(jīng)過垂直于通量的導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生。然而，在當(dāng)前介紹的電動(dòng)機(jī)30中，永磁體52之間的通量平行于繞組，因此，不會(huì)由于轉(zhuǎn)子36沿著這些通量線的移動(dòng)而產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。在鄰近的轉(zhuǎn)子36的永磁體52之間延伸的通量線垂直于繞組(圖10)，因此，在轉(zhuǎn)子36旋轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)致反電動(dòng)勢(shì)。由于可用的總動(dòng)力是永磁體52和線圈34的通量的總通量，根據(jù)畢薩定律，線圈34與永磁體52之間的間隔也產(chǎn)生作用。注意，就像線圈34和永磁體52的數(shù)量增大總通量一樣，線圈34和永磁體52的相應(yīng)的尺寸增大了可用的總通量。在固定直徑和固定線圈以及永磁體尺寸的電動(dòng)機(jī)中，平均通量密度也是固定的。然而，轉(zhuǎn)子中更多永磁體的添加不僅增大了轉(zhuǎn)子中的總通量，也增大了轉(zhuǎn)子中永磁體之間的平均通量密度。從轉(zhuǎn)子到轉(zhuǎn)子的總磁通也增多，但間隔保持是同樣的，故平均通量密度保持為相當(dāng)恒定。隨著轉(zhuǎn)子中永磁體之間的平均通量密度變得更強(qiáng)，反電動(dòng)勢(shì)減小，因?yàn)橥烤€平行于繞組。采用這種非常低的反電動(dòng)勢(shì)，代替在低旋轉(zhuǎn)速度(RPM)下的高電流的是，這些條件下的電流事實(shí)上非常低，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子內(nèi)以及轉(zhuǎn)子到轉(zhuǎn)子的復(fù)雜的通量線。電流以類似于場效應(yīng)管控制通過其的電流的方式受到限制，其中，電流受到線圈電阻的控制。本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)類似于場效應(yīng)管，因?yàn)檗D(zhuǎn)子中的磁通受到定子繞組中相對(duì)較小的電流的控制。凈結(jié)果是不具有沖擊或峰值電流的電動(dòng)機(jī)，且因?yàn)槠洳痪哂写判越饘?，其能以非常高的旋轉(zhuǎn)速度運(yùn)行(RPM)。另外，由于高的總可用通量，電動(dòng)機(jī)具有非常高的轉(zhuǎn)矩。這里介紹的典型電動(dòng)機(jī)30的通量線90在圖10中原理性地示出。另外，圖14A、14B示出了這里介紹的電動(dòng)機(jī)30中的磁通線90的直接估計(jì)結(jié)果，其是根據(jù)金屬屑相對(duì)于電動(dòng)機(jī)部件的分布確定的。由圖可見，主要通量線90在轉(zhuǎn)子36的永磁體52之間的空間中，既在不同的轉(zhuǎn)子36的永磁體52之間,又在同一轉(zhuǎn)子36的永磁體52之間。在一個(gè)實(shí)施例中,永磁體52為稀土磁體。如上所述,在另一實(shí)施例中，永磁體52為復(fù)合結(jié)構(gòu)，其包含優(yōu)選為稀土磁體的兩片永磁體52A,另一材料52B夾在其間。在優(yōu)選實(shí)施例中，兩片磁體52A近似為同樣的厚度。磁體52A的片被定向?yàn)槭沟迷趭A層結(jié)構(gòu)的一側(cè)上南磁極面對(duì)外邊，且在夾層結(jié)構(gòu)的另一側(cè)上北磁極面向外邊。在一實(shí)施例中，永磁體52A之間的中間材料52B為非磁性材料，例如鐵或鋼，通常，材料52B優(yōu)選為具有能勝任永磁體52A中的通量密度的高磁導(dǎo)率。在優(yōu)選實(shí)施例中，永磁體52——無論為單片還是復(fù)合物——在截面上是環(huán)形的且在整體上是圓柱形的，但其他的截面也是可行的。電動(dòng)機(jī)的永磁體-或有時(shí)稱作固定磁體-52與電磁體相互作用，電磁體自身
具有交替的極性，以便隨著轉(zhuǎn)子36的轉(zhuǎn)動(dòng)交替地向著或遠(yuǎn)離永磁體52推拉轉(zhuǎn)子36。希望在永磁體52中具有高的通量密度，例如12000高斯。 如先前所述，稀土磁體對(duì)于這種目的特別有效。隨著南北磁極之間距離增大，場強(qiáng)進(jìn)一步從極面延伸，如圖15A、15B、15C所示。增大的場強(qiáng)又增強(qiáng)了電動(dòng)機(jī)30的功率。然而，給定稀土磁體的成本，這可使得用這樣大的永磁體制造的電動(dòng)機(jī)的價(jià)格過于昂貴。因此，產(chǎn)生可比場強(qiáng)的替代性機(jī)構(gòu)如圖MD所示。如上所述，在圖MD中，非磁性材料片52B夾在兩個(gè)稀土磁極52A之間，以產(chǎn)生具有類似的通量長度的單元，其具有稀土磁體材料的一部分(fraction),因此具有成本的一部分。在一個(gè)實(shí)施例中，非磁化材料52B為例如鐵或含鐵合金——例如鋼坯——的金屬。在另一實(shí)施例中，材料52B為鎳鈷金屬。通常，中間填充材料52B應(yīng)當(dāng)具有能夠勝任永磁體52A中的通量密度的高磁導(dǎo)率。值得注意的是，盡管上面介紹的夾層磁體單元的通量密度，將與同樣尺寸的完整磁體的相同，夾層單元的矯頑強(qiáng)度(coercive strength)與完整磁體相比略微減小。最后，由于提供復(fù)合永磁體而不是完整磁體的主要?jiǎng)訖C(jī)是為了省錢，實(shí)際上完整磁體的成本應(yīng)當(dāng)針對(duì)組裝復(fù)合磁體組件的成本來平衡。轉(zhuǎn)子36和定子32可在尺寸上相對(duì)于彼此變化。在一個(gè)實(shí)施例中，定子32具有與轉(zhuǎn)子36相比較大的直徑，允許轉(zhuǎn)子36被定位在電動(dòng)機(jī)30內(nèi)，而用于保持定子32的線圈34的結(jié)構(gòu)化支撐物被定位在電動(dòng)機(jī)30的外周。類似地，永磁體52和電磁線圈34可具有彼此不同的直徑或相同的直徑。然而，無論直徑如何，在優(yōu)選實(shí)施例中，永磁體52和電磁線圈34的中心以距驅(qū)動(dòng)軸38的中心的相同徑向距離彼此對(duì)準(zhǔn)，使得相應(yīng)的部件的磁場處于最優(yōu)的對(duì)準(zhǔn)。在一個(gè)實(shí)施例中，永磁體(或上面介紹的復(fù)合物)具有與轉(zhuǎn)子相同的厚度，使得同一磁體在轉(zhuǎn)子的相反側(cè)面向外側(cè)，南磁極在一側(cè)面對(duì)外，北磁極在另一側(cè)面向外。電源40優(yōu)選為任何類型的傳統(tǒng)直流(DC)電源，其能夠以48V供給每個(gè)線圈30安培。然而，依賴于速度(RPM)和轉(zhuǎn)矩，電壓和安培數(shù)可以不同。速度(RPM)依賴于電壓，而轉(zhuǎn)矩依賴于安培數(shù)。通常，電源40應(yīng)當(dāng)被匹配到用于繞卷線圈34的導(dǎo)線的號(hào)數(shù)。例如，如果線圈34用十號(hào)導(dǎo)線——其在三十安培下是額定的——繞卷，則電源40必須能夠?qū)τ谠诮o定的時(shí)間有效的各個(gè)線圈34發(fā)送三十安培的電流。因此，如果電動(dòng)機(jī)具有六個(gè)線圈34，所有這些線圈可同時(shí)通電，則這將需要能夠提供180安培電流的電源40。在一個(gè)實(shí)施例中，電源40為十二伏汽車電池，但也可使用能夠以給定的直流(DC)電壓提供充足安培數(shù)的其他類型的電源40。一般地，電源40應(yīng)當(dāng)匹配電動(dòng)機(jī)30的尺寸和功率，較小的電動(dòng)機(jī)30需要較小的電源40，較大的電動(dòng)機(jī)30需要較大的電源40?？刂茩C(jī)構(gòu)42可以為能夠在轉(zhuǎn)子36旋轉(zhuǎn)時(shí)以適當(dāng)?shù)捻樞蜓杆偾袚Q線圈34之間的電力的任何類型?？刂茩C(jī)構(gòu)42包含位置傳感器80，其使用不同的位置傳感機(jī)構(gòu)來跟蹤轉(zhuǎn)子36的位置，包括如美國專利4，358，693——其并入此處作為參考——所示耦合到驅(qū)動(dòng)軸的電刷(brush)以及物理或光學(xué)開關(guān)。另外，也可使用如上所述的磁傳感器88和條86。無論所使用的位置傳感機(jī)構(gòu)的類型如何，優(yōu)選為其被耦合到轉(zhuǎn)子36的移動(dòng)以便跟蹤它們的位置，使得線圈34的充電能與轉(zhuǎn)子36的移動(dòng)適當(dāng)協(xié)調(diào)。如上所述，在控制輪84固定附著到驅(qū)動(dòng)軸38的一實(shí)施例中，位置傳感機(jī)構(gòu)與控制輪84相關(guān)聯(lián)。
為了總結(jié)，任何能夠跟蹤轉(zhuǎn)子位置并將此信息饋送到控制電路一該電路又將相
應(yīng)地對(duì)線圈通電-的機(jī)構(gòu)可與本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)一起使用電刷/換向器；光學(xué)傳感器；
磁拾取器；凸輪驅(qū)動(dòng)開關(guān)；電感傳感器；激光傳感器。因此，可以使用相等間隔的開關(guān)、電刷、光電池或其他合適的開關(guān)裝置，它們的運(yùn)行受到合適的裂片(lobe)或光通道(lightpassage)或者其他排序裝置的元件控制?？刂茩C(jī)構(gòu)40的一個(gè)優(yōu)選特征是其應(yīng)當(dāng)將來自正在放電的線圈的電力轉(zhuǎn)移到電動(dòng)機(jī)30中處于正在被充電的點(diǎn)的另一線圈。隨著多相電動(dòng)機(jī)30進(jìn)行其循環(huán)，多個(gè)線圈34根據(jù)電動(dòng)機(jī)循環(huán)的相以及線圈與永磁體52的相對(duì)位置被充電和放電。例如，隨著電磁線圈34的南極向著永磁體52的北極移動(dòng)，存在電磁線圈34和永磁體52之間的吸引力，其產(chǎn)生又在電動(dòng)機(jī)30中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的力。然而，當(dāng)兩個(gè)磁單元34、52變得對(duì)準(zhǔn)時(shí)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的力停止，且磁極之間的吸引變成電動(dòng)機(jī)30上的阻力。為了避免這種情況，在電磁線圈34變得與永磁體52對(duì)準(zhǔn)的點(diǎn)上或在其之前，釋放線圈34上的電磁荷。線圈34上的電荷通過截止到線圈34的電力來釋放。截止到線圈34的電力導(dǎo)致電磁場崩潰。當(dāng)場崩潰時(shí)所釋放的多數(shù)能量能被再次捕獲，并用于幫助對(duì)電動(dòng)機(jī)30中的另一線圈34進(jìn)行充電，優(yōu)選為剛好在其循環(huán)中處于被充電上的點(diǎn)的線圈。在某些電動(dòng)機(jī)中，由于捕獲和使用崩潰場能量的失敗，大量的能量喪失并因此作為熱被耗散。另外，與崩潰場相關(guān)聯(lián)的能量的釋放產(chǎn)生熱，其必須被耗散，以便使電動(dòng)機(jī)不會(huì)過熱，除其他的以外，這種熱損壞控制器。為了改進(jìn)效率并減小熱積聚，因此，一個(gè)實(shí)施例中的崩潰場能量被轉(zhuǎn)移到第二線圈，以便提供對(duì)第二線圈進(jìn)行充電的能量(圖16)。在一個(gè)實(shí)施例中，使用例如圖16所示的電路74，來自一個(gè)線圈34的崩潰場能量被饋送到另一個(gè)線圈34。圖16所示電路74使用崩潰磁場在第一線圈中產(chǎn)生的電壓，以便提供該電壓從而在電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的第二線圈中構(gòu)建電流。此再分布系統(tǒng)增大了效率，減小了轉(zhuǎn)換為與電動(dòng)機(jī)中的崩潰場相關(guān)聯(lián)的熱的電力量。在此實(shí)施例中，當(dāng)開關(guān)78 (其可以為晶體管或其他合適的開關(guān)裝置)被閉合時(shí)，電源40 (例如電池)對(duì)線圈Al充電。當(dāng)開關(guān)78被斷開時(shí)，來自線圈Al的崩潰場對(duì)線圈A2通電。然而，由于電力損耗，線圈A2不像線圈Al一樣被完全充電，因此，就線圈Al的方面，幾個(gè)線圈可并聯(lián)充電，來自這些兩個(gè)或兩個(gè)以上的Al線圈的總崩潰場電荷于是可被饋送到線圈A2，以便向線圈A2給出與一個(gè)線圈Al從電源40接收的相等的完整充電。
圖17所示電路74的另一實(shí)施例類似于圖16所示，除了在這種情況下線圈A2也具有附著到其的附加電源40以外，附加電源40與直接附著到線圈Al的第一電源40分立。如果開關(guān)al與a2被交替斷開和閉合(總是彼此處于相反的配置，即當(dāng)a2閉合時(shí)al斷開，反之亦然)，于是，來自剛好從其相應(yīng)的電源斷開的線圈的崩潰場將幫助對(duì)另一線圈充電。對(duì)于前一電路，二極管82或其他類似的裝置被插入到線內(nèi)，以便在僅僅前向的方向引導(dǎo)電流。在某些實(shí)施例中，例如對(duì)于推拉型電動(dòng)機(jī)構(gòu)造，有必要使兩個(gè)開關(guān)al與a2對(duì)于轉(zhuǎn)換周期內(nèi)的短暫的時(shí)刻同時(shí)閉合，以便避免由于強(qiáng)大的崩潰場電荷引起的開關(guān)兩端的尖峰。在圖16與17內(nèi)，每當(dāng)線圈被開通時(shí)，它們總是用同樣的極性來充電，即其是所謂的“僅僅推 動(dòng)”構(gòu)造。最后，圖18示出了電路74的另一構(gòu)造，類似于圖17的電路，其中，兩個(gè)線圈Al與A2能使用同一電源40，同時(shí)，也允許來自一個(gè)線圈的崩潰場被饋送到另一線圈，以便對(duì)另一線圈通電。在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)30中，這種原理可擴(kuò)展到在電路中存在任何數(shù)量的線圈，以便允許電動(dòng)機(jī)被一個(gè)電源40供電。另外，晶體管或其他的開關(guān)78被耦合到位置傳感器80，位置傳感器80又被耦合到轉(zhuǎn)子36的移動(dòng)，使得線圈34的開通和關(guān)斷與轉(zhuǎn)子36的移動(dòng)協(xié)調(diào)。在一個(gè)特定實(shí)施例中，存在四個(gè)線圈A-D，其產(chǎn)生級(jí)聯(lián)電路74(圖19)。電源40對(duì)線圈A通電，當(dāng)線圈A被停止通電時(shí)，來自線圈A的崩潰場對(duì)線圈B通電，接下來，來自線圈B的崩潰場對(duì)線圈C通電；最后，來自線圈C的崩潰場對(duì)線圈D通電。來自線圈D的崩潰場于是可被饋送回到線圈A以完成循環(huán)。由于各個(gè)步驟中的電阻損耗，各個(gè)后來的脈沖可能較弱。然而，可建立來自電源40的輸入電路以替換這些損耗，使得對(duì)于各個(gè)線圈充電脈沖足夠強(qiáng)到對(duì)線圈完全充電。為了保證電流以正確的方向在線圈中流動(dòng)，二極管82與線串聯(lián)插入，以便防止回流(圖19)。作為所示的二極管82的替代，可使用正確引導(dǎo)崩潰場到另一線圈的任何開關(guān)或裝置。這保證了崩潰場能量總是以“前向”方式流到循環(huán)中的下一個(gè)二極管，不會(huì)向后流到前一個(gè)線圈。向電動(dòng)機(jī)的其它線圈饋送崩潰場能量的原理的一個(gè)實(shí)施例對(duì)于三相電動(dòng)機(jī)不出，例如圖20的側(cè)面圖所示。在此實(shí)施例中，永磁體52安裝在轉(zhuǎn)子36上，電磁線圈34安裝在定子32上(圖20)。在圖20中，轉(zhuǎn)子36與定子32被示為彼此疊放，顯示出兩個(gè)部件之間的關(guān)系。六個(gè)線圈用虛線示出，并標(biāo)記為A-C，每相存在兩個(gè)反向布置的線圈，即兩個(gè)相A線圈、兩個(gè)相B線圈、兩個(gè)相C線圈。轉(zhuǎn)子36的永磁體52在其極(標(biāo)記為N或S)朝向定子32的情況下對(duì)準(zhǔn)，其中，鄰近的永磁體52彼此反向定向，使得其沿著轉(zhuǎn)子36具有交替的極性(圖20)。為了簡化起見，示出了一個(gè)定子32和兩個(gè)鄰近的轉(zhuǎn)子36，但在原則上，多個(gè)鄰近的轉(zhuǎn)子36和定子32可被組裝以產(chǎn)生甚至更大的功率。圖21A-21E對(duì)于三相電動(dòng)機(jī)逐步示出了線圈如何被通電，并示出了來自第一線圈的崩潰場如何在第二線圈被通電時(shí)被饋送到第二線圈中。在圖21A中，相A線圈處于切換階段，相B和C線圈被通電。在這一點(diǎn)上，來自相A線圈的崩潰場可被饋送到相B和C線圈中的任意一個(gè)或二者。在圖21B中，所有三相A-C的線圈被通電。在圖21C中，相A與B線圈被通電，而相C線圈處于切換階段。在這一點(diǎn)上，來自相C線圈的崩潰場能被饋送到相A和B線圈的任意一個(gè)或二者。在圖21D中，所有三相A-C的線圈再次被通電。最后，在圖21E中，相A與C線圈被通電，同時(shí)，相B線圈被切換。在這一點(diǎn)上，來自相B線圈的崩潰場能被饋送到相A和C線圈中的任意一個(gè)或者二者。盡管上面的實(shí)例對(duì)于三相電動(dòng)機(jī)示出，這些原理實(shí)際上適用于具有兩個(gè)或更多的任意相的電動(dòng)機(jī)。這里介紹的電動(dòng)機(jī)30優(yōu)選為被控制為多相電動(dòng)機(jī)。為了產(chǎn)生多相電動(dòng)機(jī)30，存在定位在定子32周圍的多個(gè)點(diǎn)上的線圈34。這些線圈34以特定的順序模式被開通，其在某些情況下包含反轉(zhuǎn)電荷的極性來反轉(zhuǎn)各級(jí)中的磁極性。在優(yōu)選實(shí)施例中，在定子32的相對(duì)側(cè)上存在匹配的線圈對(duì)34，其在電動(dòng)機(jī)循環(huán)中的相同點(diǎn)上一起通電，即它們彼此同相位。例如，在三相電動(dòng)機(jī)中，優(yōu)選為存在六個(gè)線圈，其中，定子的直徑相反側(cè)上(分開180度)的線圈對(duì)可一起通電。但是，各相可包含更多的線圈，例如，三個(gè)線圈可分組到各相中，其對(duì)于三相電動(dòng)機(jī)可需要總共九個(gè)線圈。在這種情況下，屬于給定相的線圈可在定子周圍等距分隔，間隔120度。盡管這里公開的概念可用于構(gòu)成具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的相的電動(dòng)機(jī)，在優(yōu)選實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)具有三個(gè)或更多的相，以便更為容易地提供將電力從放電線圈傳送到充 電線圈。在被稱為“僅僅推動(dòng)”電動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例中，每當(dāng)線圈34被通電時(shí)其電極性是同樣的，意味著每當(dāng)線圈34被通電時(shí)磁極性是同樣的。在另一實(shí)施例中，電極性、因此磁極性每次在線圈通電時(shí)反轉(zhuǎn)。在有時(shí)被稱為“推拉”實(shí)施例的此后一實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生更大的功率，因?yàn)槊總€(gè)線圈為有效的頻率達(dá)到兩倍，或者將鄰近的磁體向著線圈拉動(dòng)，或者將鄰近的磁體遠(yuǎn)離線圈推動(dòng)。然而，電動(dòng)機(jī)仍然是運(yùn)行的，無論線圈具有同樣的極性還是反轉(zhuǎn)的極性。轉(zhuǎn)子上永磁體的數(shù)量決定了各相持續(xù)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的一部分。例如，如果在轉(zhuǎn)子周圍分布八個(gè)永磁體，每相持續(xù)旋轉(zhuǎn)的1/8，對(duì)應(yīng)于45度的旋轉(zhuǎn)。類似地，當(dāng)存在十個(gè)永磁體時(shí)，每相持續(xù)旋轉(zhuǎn)的1/10，或36度的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)存在12個(gè)永磁體時(shí)，每相為30度的旋轉(zhuǎn)。圖22A、22B、22C示出了具有六個(gè)線圈34和八個(gè)永磁體52的三相電動(dòng)機(jī)30中永磁體52與電磁線圈34之間關(guān)系的線性圖示。該圖為沿著延伸通過各個(gè)線圈34與永磁體52中心的環(huán)線的截面。永磁體52安裝在轉(zhuǎn)子36上，線圈34在定子32上。該圖顯示出鄰近一個(gè)定子32的兩個(gè)轉(zhuǎn)子36，但基本原理可延伸到任何數(shù)量的轉(zhuǎn)子和定子。然而，優(yōu)選為，轉(zhuǎn)子36為轉(zhuǎn)子與定子疊的各個(gè)末端的最后的元件。如圖22A、22B、22C所示，永磁體52以交替的極性布置。在優(yōu)選實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)30具有偶數(shù)個(gè)永磁體52，使得永磁體52的極性在轉(zhuǎn)子36周圍連續(xù)交替。在所示出的實(shí)施例中，線圈34僅僅以一個(gè)極性被通電，使得線圈34或者以該極性被通電，或者不通電。在所示的實(shí)施例中，線圈對(duì)34——其處于同一相位，但在定子的相反側(cè)——以彼此相反的極性通電，使得磁極性相對(duì)于彼此反轉(zhuǎn)。圖23示出了例如圖22A、22B、22C中的線性圖所示的一個(gè)的電動(dòng)機(jī)30的定時(shí)圖。在圖的頂部，存在以十五度的增量劃分出的數(shù)字線，其對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子36的旋轉(zhuǎn)循環(huán)。因此，在此數(shù)字線下面與各個(gè)相相關(guān)聯(lián)的線顯示出相如何與轉(zhuǎn)子36的位置有關(guān)。在各個(gè)相上，匹配的相反線圈34作為一對(duì)被開通或關(guān)斷，其中，成對(duì)的線圈34具有相反的電極性以及磁極性。例如，當(dāng)線圈I以其磁北極朝向第一方向被開通時(shí)，相反布置的線圈4被關(guān)斷。后來，當(dāng)線圈4以其磁南極以第一方向被開通時(shí)，線圈I被關(guān)斷。如上所述，此電動(dòng)機(jī)有時(shí)被稱為“僅僅推動(dòng)”電動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗緦?shí)施例中的線圈當(dāng)它們被通電時(shí)總是具有同樣的極性。在圖23的頂部的相位圖下面，示出了轉(zhuǎn)子36和定子32的側(cè)視圖，例如相位圖中所示的類型，它們彼此疊放。電動(dòng)機(jī)30的側(cè)視圖顯示出永磁體52的位置如何與線圈34的位置相關(guān)。圖24和25對(duì)于具有轉(zhuǎn)子36中的十八個(gè)永磁體52以及定子32中的八個(gè)線圈的電動(dòng)機(jī)30顯示出類似的相位圖和側(cè)視圖。另外，線圈34在被通電時(shí)總是具有同樣的極性，使得電動(dòng)機(jī)30具有“僅僅推動(dòng)”的特性。另外，如其他相位圖所示，當(dāng)表示特定相的線為高時(shí)，成對(duì)線圈中的第一個(gè)被開通，第二個(gè)線圈被關(guān)斷，當(dāng)線為低時(shí)，第一線圈被關(guān)斷，第二線圈為開通，具有與第一個(gè)相反的電極性和磁極性。在上面介紹的兩種情況下，作為在被通電或不通電之間的特定對(duì)線圈轉(zhuǎn)換，來自被關(guān)斷線圈的能量被饋送到被開通的線圈中，使得來自一個(gè)線圈的崩潰場能量能被捕獲，且不被單純耗散。通過在相位圖所示的轉(zhuǎn)換時(shí)交替用于對(duì)線圈通電的電力的極性而不是簡單地開通一個(gè)線圈并關(guān)斷另一個(gè)線圈，可以將上面介紹的任意一種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為“推拉”模式。 在推拉配置的情況下，來自各對(duì)線圈的崩潰場能量被轉(zhuǎn)換到定子中不同的線圈組，即處于不同相的線圈組。然而，在此后一種推拉情況下，其他相中的線圈將在崩潰場能量被饋送到其中時(shí)已經(jīng)被充電，因此代替幫助對(duì)其他線圈進(jìn)行充電的是，崩潰場能量可作為代替的是幫助維持充電。在一個(gè)實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)30的控制機(jī)構(gòu)42包含可編程微處理器43，其用于控制線圈34的充電和放電(圖I)。微處理器43接收來自位置傳感器80的輸入，并控制電路74中的開關(guān)78。在微處理器43負(fù)擔(dān)的增強(qiáng)程度的控制的情況下，許多附加特征可被添加到電動(dòng)機(jī)30。在一個(gè)實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)30可在與有效的所有線圈34相比較少的情況下運(yùn)行。例如，在具有多個(gè)定子32的電動(dòng)機(jī)上，不同的定子32可被開通或關(guān)斷，因此允許電動(dòng)機(jī)根據(jù)需要產(chǎn)生可變水平的動(dòng)力。例如，如果各個(gè)定子32產(chǎn)生100馬力(hp)且存在五個(gè)定子，則電動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生100、200、300、400或500hp，取決于多少個(gè)定子32被激活。另外，定子32的任何組合可以以給定的時(shí)間被激活，不存在定子32彼此鄰近的要求。在另一實(shí)施例中，通過在其他線圈34無效時(shí)激活不同定子32的線圈34的組，能夠獲得進(jìn)一步的控制程度。例如，在具有三個(gè)定子32的三相電動(dòng)機(jī)30中，一對(duì)線圈32能在第一定子32上被激活，另一對(duì)在第二定子32上，再一對(duì)在第三定子32上。然而，為了做到這一點(diǎn)，需要線圈在相同定子32上在相反的對(duì)中被激活，并要求該對(duì)線圈34各自來自電動(dòng)機(jī)循環(huán)的不同相，意味著它們沿著電動(dòng)機(jī)的圓周均勻分布。在特定定子32或甚至定子32的個(gè)體線圈34無效時(shí)，無效的線圈34能被移除以便修理或更換，甚至在電動(dòng)機(jī)30繼續(xù)運(yùn)行的同時(shí)。由于可在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下對(duì)上面參照對(duì)應(yīng)的圖示介紹的示例性實(shí)施例進(jìn)行多種的修改，所有包含在上述說明書中并在附圖中示出的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)被解釋為說明性而不是限制性的。因此，本發(fā)明的寬度和范圍不應(yīng)當(dāng)由上述示例性實(shí)施例限制，而是應(yīng)當(dāng)根據(jù)所附權(quán)利要求及其等價(jià)內(nèi)容來限定。
權(quán)利要求
1.一種定子(32)，包括 多個(gè)導(dǎo)線線圈(34)，其中，所述導(dǎo)線線圈繞卷在非可磁化芯(44)的周圍，并被附著到相應(yīng)的安裝支架(46);以及 多個(gè)縱向條(48)； 其中每個(gè)安裝支架使用可逆的緊固器被附著一對(duì)縱向條，以形成安裝在圓形中的導(dǎo)線線圈組，使得導(dǎo)線線圈處于與轉(zhuǎn)子(36)的旋轉(zhuǎn)平面平行的平面中；以及 其中每個(gè)導(dǎo)線線圈可以獨(dú)立于其他導(dǎo)線線圈從定子中移除。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的定子，其中所述導(dǎo)線線圈組為第一組導(dǎo)線線圈，該第一組導(dǎo)線線圈沿著所述縱向條與第二組導(dǎo)線線圈隔開，以在其間留出空間用于轉(zhuǎn)子。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的定子，其中所述導(dǎo)線線圈用樹脂進(jìn)行模塑。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的定子，其中所述縱向條由鋁制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的定子，其中所述縱向條包括在其中形成的一系列缺口，以便將導(dǎo)線線圈以正確的方向定位在正確的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的定子，其中所述縱向條(48)的末端附著到端板。
7.根據(jù)權(quán)利要求I的定子，其中來自每個(gè)導(dǎo)線線圈(34)的導(dǎo)線引線(58)被饋送通過對(duì)應(yīng)的安裝支架(46)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I的定子，其中每個(gè)縱向條(48)在其中形成通道(60)，用于使導(dǎo)線穿過；并且其中來自每個(gè)導(dǎo)線線圈(34)的導(dǎo)線引線被饋送通過在縱向條的長邊上形成的對(duì)應(yīng)的槽(62)。
9.根據(jù)權(quán)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徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求I的定子，其中所述導(dǎo)線線圈包括11號(hào)銅線，其繞卷在所述非可磁化芯上大約300次，并且其中所述導(dǎo)線線圈的外直徑為3英寸。
全文摘要
一種多相電動(dòng)機(jī)，其包含定子，其包含環(huán)繞非可磁化芯的多個(gè)導(dǎo)線線圈；轉(zhuǎn)子，其具有嵌入其中的永磁體，轉(zhuǎn)子鄰近于定子布置，轉(zhuǎn)子被安裝在可旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)軸上；電源；位置傳感器，其可操作地連接到轉(zhuǎn)子；控制電路，其可操作地連接到電源、位置傳感器、導(dǎo)線線圈，用于控制電能到導(dǎo)線線圈的分配。在這種電動(dòng)機(jī)中，控制機(jī)構(gòu)將來自第一線圈的電荷傳送到第二線圈。
文檔編號(hào)H02K57/00GK102810961SQ20121015115
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2007年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月26日
發(fā)明者羅伯特·A·帕爾默, 丹尼斯·L·帕爾默 申請(qǐng)人:千年研究公司