專利名稱：電動機或交流發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在多個永磁磁極和多個繞線磁極間產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)型的永磁旋轉(zhuǎn)電機。繞成的繞線磁極具有意義在于它與載流導體相關(guān)聯(lián)?！坝来糯艠O”通常由陶瓷鐵氧體或稀土磁鐵形成的高場強永磁體提供，也可以由單獨的或多圈閉合超導體環(huán)提供，只要導體被激勵并保持在超導態(tài)，磁體是永久的?！坝来判D(zhuǎn)電機”術(shù)語包括直流的或交流的電動機和發(fā)電機，從而包含直流發(fā)電機以及交流發(fā)電機。
電動機和發(fā)電機/交流發(fā)電機傳統(tǒng)地制成繞在層疊鋼片或軟鐵芯上的繞組形成具有多個繞線磁極的中心轉(zhuǎn)子的同軸圓柱形。定子是一個圍繞轉(zhuǎn)子的圓柱外殼，并需要精確地制造，因為轉(zhuǎn)子和定子之間僅有狹小的圓柱形的氣隙，它對于小于5KW的小電機典型地為小于0.25mm。定子還有由在鋼外殼內(nèi)部繞在疊片上的繞組形成的多個繞線磁極。象硅鋼疊片通常有2000數(shù)量級的高導磁率(相對于空氣)。材料的導磁率一般用比空氣的導磁率大多少倍數(shù)值來表示。
在同步和通用電動機里是由換向器和電刷或滑環(huán)和電刷來連接轉(zhuǎn)子的，這些電刷是易磨損的。這些傳統(tǒng)的電動機，較小程度上還有交流發(fā)電機，受到由于在轉(zhuǎn)子上、在定子上、或者定轉(zhuǎn)子二者上的繞線磁極使用鐵芯而產(chǎn)生的麻煩。由于鐵芯的存在而產(chǎn)生感生渦流損耗，所以鐵芯限制了頻率，一般直流電動機被限制在固有運轉(zhuǎn)頻率不超過500赫。
例如小型高速電動機在真空吸塵器中可達到30，000轉(zhuǎn)/分(即500赫)，但因為與和定子轉(zhuǎn)子的繞線磁極相聯(lián)系的鐵芯疊片相關(guān)的渦流發(fā)熱問題而被限制一次運轉(zhuǎn)大約一小時。為了達到這樣高速，在由鐵芯疊片限制的頻率范圍之內(nèi)，他們僅用二個電刷。如果電刷數(shù)增加，那么將增大損耗以及增大用于控制電動機的電路的復雜性。
試圖制造類似同軸圓柱形狀的永磁旋轉(zhuǎn)電機，但用通常傳統(tǒng)的構(gòu)造工藝因而在外定子上永磁鐵和繞在內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵芯疊片上的繞線磁極之間有狹小的氣隙。下列美國專利示出永磁電機的例子1，958，043Heintz，19342，104，707Rawlings，19383，296，471Cochardt，19673，531，670Loudon，19703，564，306Ott，19713，818，586Harkness等人，19744，303，843Arnoux等人，19814，417，167Ishii等人，19834，471，252West，19844，636，671Terada，19874，638，201Feigel，19874，651，066Gritter等人，1987所有這些專利表示利用不同外形的永磁的電動機/發(fā)電機。最老的專利表示一種永磁發(fā)電機，Rawlings專利表示一種自行車發(fā)電機，其他各件表示各種各樣的電動機/發(fā)電機，大部分具有永磁鐵排列得其軸線與轉(zhuǎn)子軸平行。West的專利表示具有傳統(tǒng)的疊片(鐵心)繞線轉(zhuǎn)子和僅4個弧形的永磁鐵的永磁起動電動機。這專利論及安置在圍繞定子內(nèi)部的永磁鐵屏蔽以便阻止磁鐵在拐角處的去磁。上述所列的其他美國專利表示有塊數(shù)為4到12之間永磁鐵的電動機，它們都有傳統(tǒng)疊片鐵芯的轉(zhuǎn)子和帶有繞在疊片槽中的繞線磁極。
所有這些構(gòu)造因為需要與繞線磁極相關(guān)聯(lián)的鐵芯疊片而遭受同樣的渦流和磁滯損耗問題。
本發(fā)明的目的是提供一種改進的永磁旋轉(zhuǎn)電機，或者至少將向公眾提供有用的選擇。
一方面本發(fā)明提供一種永磁旋轉(zhuǎn)電機包括至少一個通常是圓柱形的定子和至少一個可圍繞一根軸旋轉(zhuǎn)的圓柱形的轉(zhuǎn)子，并且轉(zhuǎn)子具有圓柱形表面面向所說的通常圓柱形定子且由圓柱形氣隙與之隔開;在所說的轉(zhuǎn)子表面上多個永磁磁極在空間上沿轉(zhuǎn)子表面在圓周上緊挨著并且位于所述圓柱形氣隙旁邊;所說的定子具有多個在基底上或基底內(nèi)的繞線磁極，基底和所說的繞線磁極一起安置于所說的圓柱氣隙一邊，其中轉(zhuǎn)子上空間緊挨的永磁磁極的形狀是這樣的，使在周邊上相鄰的永磁磁極間有相對短的磁通路徑，所說的相對短的磁通路徑延伸到被所說的定子介入的區(qū)域，所說的定子區(qū)域和基底具有低的相對導磁率和本質(zhì)上不導電。
在轉(zhuǎn)子/定子對的轉(zhuǎn)子和定子上最好有相對大數(shù)量的極數(shù)以便造成在相鄰的永磁磁極之間相應地短的磁通路徑。在大多數(shù)情況下，雖然本發(fā)明可適用于多個轉(zhuǎn)子/定子對，但一個轉(zhuǎn)子/定子對將足夠了。
還有，最好繞線磁極厚度是薄的并繞在基底表面或靠近它。基底可由任何低導磁率的材料組成，例如，木材、玻璃纖維、塑料、合成樹脂或在某些情形下為鐵氧體?；椎膶Т怕首詈檬窃?0(相對于空氣)以下。繞線磁極可繞在可拆除的模子上并密封以合成樹脂而使樹脂成為基底。
繞線磁極最好設在，或靠近定子外圓周表面所以永磁磁極設在圍繞杯狀轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面上。
另一方面，轉(zhuǎn)子也可安置在定子里面，即倒過來安置，永磁磁極將安在轉(zhuǎn)子外表上，繞線磁極將在定子的內(nèi)圓柱面上。
當永久磁磁極安置在旋轉(zhuǎn)的外部圓柱體的內(nèi)面上時，通常便于用多個高場強的象陶瓷或稀土磁鐵那樣的磁條，互相緊靠，其軸線與轉(zhuǎn)子軸平行。將他們安裝在轉(zhuǎn)子里邊可能比裝在轉(zhuǎn)子外表面上經(jīng)得起較大的旋轉(zhuǎn)速度。
然而，根據(jù)本發(fā)明制造一種磁鐵放置在圓柱形的定子里面的轉(zhuǎn)子外表面上的電動機或發(fā)電機/交流發(fā)電機是可能的。在這種場合下磁鐵將方便地使用一塊陶瓷磁鐵環(huán)，并以這樣的方式充磁使環(huán)有交替極性的區(qū)段。
更好地，在轉(zhuǎn)子和定子之間的圓柱形氣隙比需要在定子里有鐵芯存在以便在定子中提供磁路的傳統(tǒng)的電動機或發(fā)電機/交流發(fā)電機大。
被認為也是其全部新內(nèi)容的本發(fā)明其他方面將從下列描述中變得明白，此種描述由參照在下面的附圖以例子的方式給出

圖1a是永磁旋轉(zhuǎn)電機的驅(qū)動端視圖(拆去安裝板)，表示用磁條的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
圖1b是在圖1AA線的截面圖(安裝板在應有的位置)，表示在轉(zhuǎn)子外面的磁條布置和在轉(zhuǎn)子里面的定子的相對位置。
圖2a表示具有以一塊環(huán)狀磁鐵形成外轉(zhuǎn)子永磁的旋轉(zhuǎn)電機的驅(qū)動端視圖(定子結(jié)構(gòu)從圖中略去)。
圖2b是圖2a的BB線截面圖，只表示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
圖3a表示本發(fā)明典型的永磁旋轉(zhuǎn)電機的磁通圖。
圖3b表示本發(fā)明典型的永磁旋轉(zhuǎn)電機的電壓曲線。
圖4表示本發(fā)明典型的永磁旋轉(zhuǎn)電機的三相繞組結(jié)構(gòu)。
圖5a，5b，5c表示根據(jù)圖1a/1b結(jié)構(gòu)的采用直流供電的三相電動機運行的三部分電路圖。
圖6是采用直流供電的圖1a/1b的電動機運行的方框圖。
圖7a表示永磁旋轉(zhuǎn)電機的驅(qū)動端視圖(端蓋已移走)，表示使用圓柱形磁鐵的內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
圖7b表示圖7a的CC線截面圖，端蓋、內(nèi)轉(zhuǎn)子和外定子的部件分解圖。
圖8表示磁力線長度對磁鐵尺寸的關(guān)系。
本發(fā)明的電動機/交流發(fā)電機優(yōu)選地制造成在鋼的環(huán)形套筒里面采用一系列相靠的磁條形成如圖1a所示的轉(zhuǎn)子。鋼環(huán)形套筒提供兩個重要的功能1、當轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動時對抗磁鐵遭受的高離心力的機械支撐。很清楚，與圖1b鋼杯形的轉(zhuǎn)子相比，陶瓷和稀土磁鐵的拉伸強度低。
2、在相鄰磁鐵間的磁通返回路徑。磁條可同樣由沿它的圓周有交替的N和S極的圓柱的“環(huán)”磁鐵所代替，如圖2a所示。
本發(fā)明的電動機/交流發(fā)電機也可以制造成轉(zhuǎn)子作為內(nèi)部部件，定子作為外部部件，參見圖7a和7b，位是不象外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)那樣有利，因為圖7b的轉(zhuǎn)子能承受的最大轉(zhuǎn)速較低，原因是與圖1b鋼杯形的轉(zhuǎn)子相比，陶瓷和稀土磁鐵的拉伸強度低。
內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)于低到中級速度范圍確有使用，因為它適合于通行的結(jié)構(gòu)技術(shù)，如同用于制造小感應電動機和交流發(fā)電機。
在下列例子中，在轉(zhuǎn)子上提供永磁鐵是最方便的，這使得引到在定子上繞線磁極的電連接容易實現(xiàn)。如此的結(jié)構(gòu)可被認為是無鐵芯定子的電動機/交流發(fā)電機。其他構(gòu)造是可能的。例如若同軸無鐵芯直流電動機結(jié)構(gòu)由碳刷和換向器控制，那么磁鐵將靜止(定子)，繞組和換向器旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)子)，且寧可用無鐵芯轉(zhuǎn)子也不用無鐵芯定子。
如果同軸無鐵芯定子直流電動機由電子裝置控制，其結(jié)構(gòu)參見圖1或圖2，則磁鐵將旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)子)，繞組是靜止的(定子)。
有槽的光開關(guān)在以下例子中被使用去準確地檢測轉(zhuǎn)子位置并控制晶體管去開關(guān)進入三相定子繞組的直流電，參見圖3、4、5和6。轉(zhuǎn)子有一系列突起物，每對磁極一個和120電角度以允許順序注入電流到定子繞組去。使用三個光耦合元件(optocoupler)和邏輯門提供驅(qū)動信號給晶體管，如圖5a、5b、5c所示。也使用不重疊邏輯電路，使得每次只有一個繞組有電流在里面流過。如果需要，可使用兩或多相，但三相具有每相電流導通120電角度給出最佳效率。
例子1-圖1a和圖1b在這例子里，用圖說明同軸電動機或交流發(fā)電機，它具有采用磁條的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。該機用作電動機還是發(fā)電機將取決于應用的需要，電流或者從這些定子繞組流出，或者被供給定子繞組使該機作為電動機運行。
電動機/交流發(fā)電機10最好具有圓柱形套筒11，套筒形狀為具有端面12的杯是方便的，端面12裝于中心軸13。軸最好安裝在定子16里的軸承14、15上，為方便地連接其他機械，該軸有錐臺端17。
套筒11的內(nèi)面20更好地有一個挨一個的磁條27，它排列得使其軸線平行于轉(zhuǎn)子軸，偶數(shù)塊這樣緊挨著的磁條是合適的，使得在由這些磁塊形成的內(nèi)圓周上一圈磁極極性交替出現(xiàn)。(這不同于傳統(tǒng)電機設計的磁極在空間上占得很寬，通過定子鐵部/鐵芯的磁通路徑較長。)磁極最好是稀土的或陶瓷的磁條，為了用圖來說明，圖1A中所示為20個磁極。取決于象尺寸、重量、造價、利用率和頻率那樣的設計標準可使用任何偶數(shù)磁極。對于中速電機，12到30極最可取，對圖1a和圖1b所示類型的電動機具有20個永磁磁極可提供最佳特性。
對沿電動機圓周空間緊挨著的磁鐵可選定磁路長(l)與磁鐵厚度(t)比的最佳值，如圖8所示。當金屬的轉(zhuǎn)子R提供金屬的磁通返回路徑時，在自由空間中磁力線表示為半圓形。
最大長度磁力線(f)對于較大磁極數(shù)時近似于半圓形路徑，所以圖8近似于轉(zhuǎn)子為無窮大半徑。最大長度磁力線(f)可表示為2t＝π/2×l從而t＝0.785l這關(guān)系適用于鍶鐵氧體磁鐵、釤鈷和釹鐵那樣的稀土磁鐵，也適用于空心單圈或多圈超導體電磁鐵。
磁條最好由稀土或陶瓷磁鐵來做，有高的場強可實現(xiàn)提供比傳統(tǒng)磁鐵可能提供的高的磁通去穿過較大的氣隙，與此同時，相鄰永磁極應互相緊靠在一起以提供在相鄰磁極間短的磁通路徑更為可取。
轉(zhuǎn)子套筒和端面雖然可用其他材料，但最好使用鋼材。
定子16最好連到安裝板22上，安裝板22也支撐檢測磁鐵位置的有槽光開關(guān)23(僅示出一個)。有槽光開關(guān)23方便地檢測出在套筒端面上的凸起物26的位置，凸起物26與特定極性磁極相關(guān)。
轉(zhuǎn)子和定子由相對較大的、達到0.25mm-1.5mm、對于本例20極電動機/發(fā)電機最好是0.75mm的圓柱形氣隙28隔開。這使得繞線磁極能介入磁通路徑中，如圖3a所示。氣隙最好比磁鐵厚度小并取正常的工程公差允許的尺寸。
定子有通常是圓柱環(huán)形的低導磁率材料的基底24，在它的外圓柱形表面上有多個繞線磁極25。優(yōu)選的物質(zhì)是玻璃鋼，它可形成足夠剛性的圓柱形表面，在沒有風扇的原型電機中使用也沒有變形。繞線磁極數(shù)量相應于在轉(zhuǎn)子里的永磁磁極數(shù)量。繞線磁極在它們所形成的或緊靠的基底表面上相對地較薄(不同于傳統(tǒng)的繞線磁極在鋼疊片里形成的槽中繞成)。在定子表面上或靠定子表面的繞線磁極的厚度將取決于定子尺寸和電動機要求的定額。在所示例子中，厚度將達到1mm-10mm，最好大約3mm。
一般，繞線磁極方便地在向著永磁磁極面的定子表面上由波繞組構(gòu)成。例如對于圖4所示波繞組W1，W2，W3，每一個在基底的表面上提供多個繞線磁極201-211，201A-211A，和201B-211B用作為圖1a/1b的電動機/發(fā)電機的三相定子繞組。正如在以下將討論的，三相繞組在所有應用中更可取，但其他相數(shù)繞組有用于特定的用途。它們封裝在低導磁率的合成樹脂里露在空氣中。
繞線磁極可做成多種形式，并可提供一相或多相。由于基底是低導磁率的，必然沒有鐵芯(至少在基底的外面部分)去提供在定子里的磁通路徑。在定子表面上的繞線磁極這樣來安置使它介入連接相鄰陶瓷磁鐵的磁力線之中，因為磁力線本質(zhì)上沿著轉(zhuǎn)子內(nèi)圓周形成從一個磁鐵到下一個磁鐵的一系列的環(huán)。這已在圖3示出，該圖說明在定子表面上的波繞組中標為210和202的兩個繞線磁極的相對位置和在轉(zhuǎn)子上兩相鄰永磁磁極之間相對短的磁通路徑，該磁通路徑和包括繞線磁極的定子上外部環(huán)形套筒相交。
當定子和轉(zhuǎn)子之間氣隙為0.75mm且繞線磁極厚度大約3mm時，在圖3a中描述為一系列半圓形磁通路徑的平均長度(例如從點“X”到點“Y”)可達16mm。相鄰永磁磁極間平均磁力線路徑長度將比傳統(tǒng)的同步電動機里平均磁力線路徑長度短，后者主要由圍繞繞線磁極的鋼疊片的尺寸和幾何形狀確定的。
圖3b表示圖1a和1b的電動機/交流發(fā)電機三相定子繞組中一相的不同轉(zhuǎn)子位置時的定子電壓。
電子元器件表-圖5a、5b、5c為了方便起見，電路圖分別表示在圖5a、5b、5c三張圖上。在圓圈里的字母如a-k表示圖5a的元件如何接到圖5b和5c的元件去。為了方便附圖5a應置于圖5b的左邊，圖5c應置于圖5a和圖5b下面的位置。這三張圖5a、5b、5c有下列元件
1、半導體D1-D12二極管IN414875V0.2AD13-D16二極管BYV42-5050V30AD17-D19二極管IN414875V0.2AZD1二極管齊納二極管5.6V1WZD2二極管齊納二極管1.5V1WLED1-LED3發(fā)光二極管，3mm，綠色，高效率Tr1-Tr4晶體管BC640100V1ATr5-Tr6晶體管BC639100V1ATr7-Tr26晶體管BUZ1150V30ATr27-Tr28晶體管BC639100V1AOPTO1-OPTO3有槽光開關(guān)OPB865T51OPTO4光隔離器4N25IC1六位反相器CD4069IC2四與門CD4081IC3四異-或門CD4070IC4四運算放大器LM324IC5驅(qū)動器NE555IC6PWM(脈寬調(diào)制器)TL499IC7定時器TLC5552、電容器C1+C20.1微法50V
C30.01微法50VC410微法16VC5-C80.01微法50VC9-C150.1微法50VC166.8微法50VC17-C190.1微法50VC2010微法16VC21-C230.1微法50V3、電阻器R1220ΩR2-R41KΩR5-R710KΩR8390ΩR9220ΩR10-R1510KΩR16560ΩR17220KΩR18330KΩR1910KΩR20-R221KΩR23-R3810KΩR39120KΩ
R40+R4110KΩR42+R43330KΩR44100KΩR45100KΩR46-R5056ΩR51-R5310KΩR543.3KΩR551KΩR56-R5710KΩR581.2KΩR5910KΩR60300μΩR61100KΩR62560ΩR6310KΩR642.2MΩR65390Ω4、變壓器TU15鐵芯，繞組1-260匝繞組3-440匝繞組5-610匝5、電感
LU25鐵芯，4匝3mm氣隙6、開關(guān)SW1“開”開關(guān)SPSTSW2“電源”開關(guān)瞬時開運行12伏直流電子電路圖-圖5a、5b、5c圖1a/1b所示三相電動機的運行將參考圖5a、5b、5c和6來敘述。圖6的方框圖表示關(guān)于電動機的下列子系統(tǒng)的關(guān)系。
100-轉(zhuǎn)子位置檢測裝置(由有槽光開關(guān)提供)。
110-對于起動和速度控制的脈沖寬度調(diào)制裝置。
120-功率晶體管和阻力制動裝置。
130-總控制裝置圖，用于-開/關(guān)起動控制-低電壓關(guān)斷-高溫關(guān)斷-電動機轉(zhuǎn)動顯示由有槽光開關(guān)OPTO1-OPTO3檢測轉(zhuǎn)子位置并且此信息由邏輯電路變換為三個120°電角度不相重疊信號去控制功率晶體管。功率晶體管Tr17-21，Tr12-16和Tr7-11各連接到同軸電動機定子上的三相繞組的每一個。
當功率晶體管Tr17-21由控制邏輯電路來接通，電流流過繞組W1，它磁性吸引轉(zhuǎn)子，如果能自由運動，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動120電角度。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過120電角度后，晶體管Tr17-21斷，晶體管Tr12-16通。當轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過120電角度后，晶體管Tr12-16斷，晶體管Tr7-11通。在轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過120電角度后，晶體管Tr7-11斷，而晶體管Tr17-21通，繼續(xù)完成上述周期。
因為在起動時轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，不產(chǎn)生反電勢電壓，所以輸入電流僅由電路電阻限制。起動電流可由使用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PMW)減少到可接受的程度。IC6是脈沖寬度調(diào)制裝置，該裝置可以變化由電感器L和晶體管Tr22-Tr26組成的一個串聯(lián)扼流圈直-直變流器的脈沖寬度來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和去電動機的最大輸入電流。
電動機輸入電流限制由通過IC6借助于IC4/b和OPTO4來檢測電阻R60兩端的電壓降來達到，以限制脈沖寬度做到限制電流范圍。
電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是靠將繞組W3中產(chǎn)生的交流電壓加以整流并由IC6借助于IC4/a和OPTO4來檢測此電壓以提供適當?shù)恼伎找驍?shù)的脈寬來達到。
轉(zhuǎn)子位置由測出轉(zhuǎn)子上120電角度的突起物26的有槽光開關(guān)OPTO1-OPTO3來檢測，IC1和IC2提供不重疊邏輯電路，所以只有一個繞組在同一時刻有電流流過。還有，接入電阻R11，R12和R13及電容器C6，C7和C8后有一時延提供附加的“死時間”允許電動機的前一繞組中流通的電流在下一繞組中有電流流通之前就降到0。
IC3提供對于電子制動所必需的邏輯電路，當電動機接通的時候，在有槽光開關(guān)OPTO1-OPTO3控制下順序開和關(guān)功率晶體管Tr7-Tr21。電動機可由三種不同方式關(guān)斷1、開關(guān)SW1在操作人員的控制下關(guān)掉。
2、電池電壓低導致IC4/d‘鎖起’而關(guān)掉電動機。
3、在電動機繞組或主功率晶體管上的高溫度導致IC4/c‘鎖起’并關(guān)掉電動機。
當電動機關(guān)掉時，IC3導通在三個電動機繞組上所有的功率晶體管，這造成所有的三繞組之間短路，使電動機因有益的制動作用于1-2秒內(nèi)停止轉(zhuǎn)動。
作為附加保險裝置IC7和開關(guān)SW2提供三秒起動時間，在此期間開關(guān)SW1必需被操作使允許電動機轉(zhuǎn)動。
轉(zhuǎn)子位置控制圖1a/1b的三相電動機采用有槽光開關(guān)提供轉(zhuǎn)子位置信息以控制電流進入電動機繞組的時刻。由于對于本設計采用120電角度導通角技術(shù)，存在準確地檢測轉(zhuǎn)子位置的其他替代辦法。這由于在電動機繞組兩端的電壓在240電角度時間內(nèi)純粹是由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動作用產(chǎn)生反電勢電壓。
將在240電角度的非導通角的時間內(nèi)繞組W2波形微分，產(chǎn)生準確信號顯示那個電流應在所說的繞組W1的繞線磁極201里開始流動并在繞組W3的繞線磁極201B里停止流動的時刻是可能的。繞組W3的繞線磁極201B也可顯示在電流應開始在繞組W2的繞線磁極201A里流動并在繞組W1的繞線磁極201里停止流動的時刻。這適用于所有的繞組的繞線磁極，所以一般說來，繞組W1可顯示電流應開始在繞組W3里流動并在繞組W2停止流動的時刻。這也可用于以開關(guān)不同繞組提供增量運動的精確的步進電動機控制。
另一個從電動機繞組反電勢確定轉(zhuǎn)子位置的方法是由檢測三個電壓波形的交叉點并利用這信息確定何時“開”和“關(guān)”適當?shù)睦@組。
象霍爾效應裝置那樣的磁傳感器可用來代替有槽光開關(guān)特別是在多塵環(huán)境而將電動機全封裝起來又存在麻煩的地方使用。
所提供的電子設計還有下列特點(1)低電壓閉鎖。如果用電池供電，那么要避免電池有害的過放電。如果電池電壓下降到10.5伏以下，電子線路切斷電動機電流。
(2)熱閉鎖。如果繞組或功率晶體管過熱，那么電子線路切斷電動機電流。
(3)電流的限制以限制轉(zhuǎn)矩和起動電流。
例子2-圖2a和圖2b本結(jié)構(gòu)除在杯狀的轉(zhuǎn)子31里邊提供單個圓柱形的環(huán)磁鐵30外類似于例子1。沿著轉(zhuǎn)了邊緣裝有相似的突起物32以讓有槽光開關(guān)識別環(huán)形磁鐵的永磁磁極位置，如圖1b所示。定子(沒有表示)可以和圖1b的一樣。
例子3-圖7a和7b本結(jié)構(gòu)在內(nèi)轉(zhuǎn)子40上有單個圓柱形環(huán)磁鐵41，即永磁磁極在轉(zhuǎn)子40的外表面上，并且由在定子43的內(nèi)圓柱面上的繞線磁極42圍繞著。繞線磁極42裝在低磁性的基底44上并形成定子的一部分。轉(zhuǎn)子安裝在軸45上，軸45安裝在端板48、49上的軸承46、47上。端板48有檢測在轉(zhuǎn)子邊緣上的突起物51的位置的內(nèi)部的有槽光開關(guān)50。
本發(fā)明優(yōu)選的電機的優(yōu)點
1)由于在定子中沒有用鋼疊片，所以沒有‘渦流’和磁滯摩擦的損耗。這使電機在局部或低負載時效率高。
2)由于定子不用鋼疊片，所以沒有一般與永磁電機相關(guān)的突出的“咬住”(breakout)轉(zhuǎn)矩。這在低速轉(zhuǎn)矩較低并可能不足以使電機起動時是重要的。
3)由于在交替的磁鐵各極之間的大空隙，定子繞組的自感系數(shù)非常低，如果轉(zhuǎn)速保持恒定的話允許好的輸出電壓調(diào)節(jié)。這也允許在用作電動機時可由晶體管作非常簡單的控制。
4)在與相當?shù)母袘妱訖C和“通用”有刷電動機相比時功率與重量比非常高，明顯節(jié)省重量(因為在定子里沒有鐵芯)。
5)電子控制允許起動電流減少到任何要求的水平，在起動期間現(xiàn)有的電動機通常起動電流要高出正常額定電流5-10倍。
各種相數(shù)在上述例子中描述了三相電動機/交流發(fā)電機，但其他相數(shù)的繞組也可使用，現(xiàn)在將描述特殊的1，2和4相結(jié)構(gòu)。
單相同軸電動機/交流發(fā)電機1，單相同軸交流發(fā)電機對于本電機有最簡單的定子結(jié)構(gòu)并可發(fā)現(xiàn)使用在結(jié)構(gòu)簡單要比絕對輸出功率更為重要的地方。與此相當?shù)娜嚯姍C在相同的電阻損耗時產(chǎn)生多一倍輸出功率而在定子繞組中增加50%的銅。
2，單相同軸電動機有本電機的最簡單的定子結(jié)構(gòu)，但需要一些起動裝置(類似于單相感應電動機)，因此需要附加繞組或機械裝置以確保起動。在低的起動轉(zhuǎn)矩場合，即直接與風扇耦合，可以用單相電動機。
兩相同軸電動機/交流發(fā)電機1，兩相同軸交流發(fā)電機。該種電機對于與單相電機相同的電阻損耗時增加輸出功率40%。
2，兩相同軸電動機。由于兩相運行沒有起動問題，但如果電機是由直流電源供電控制，那么使用180度電流注入可能效率低。兩相電動機的控制可只用180度電流注入于起動，對于正常的運行減少到120度或更小。
三相同軸電動機/交流發(fā)電機1，三相同軸交流發(fā)電機。該電機在電阻的損耗和單相或兩相電機相同時輸出功率增加。如果三相電機使用兩相電機相同的銅量并且兩個電機定子繞組都占有整個可用的360°，那么三相電機比有相同電阻損耗的兩相電機可再多產(chǎn)生7%輸出功率(即比單相電機增加47%)。
2，三相同軸電動機。由于三相運行沒有起動問題，并且電機可容易用直流電供電進行電控制，如圖6的描述。由于三相運行120度分開，足夠的反饋電勢電壓存在于120度期間去提供從直流電源來的有效電流輸入，并且該設計允許轉(zhuǎn)子位置的準確控制，例如對于步進電動機。
多于三相的同軸電動機/交流發(fā)電機1，同軸電動機。由于可能較小的電流注入角可能有稍微高的效率，當仍舊只需要兩個有槽光開關(guān)來檢測轉(zhuǎn)子位置時，四相電動機因電的控制轉(zhuǎn)子方向之反轉(zhuǎn)較簡單而有可能應用。
2，同軸交流發(fā)電機。如果交流發(fā)電機的輸出被整流提供為直流電壓，除了效率稍高，電壓脈動較低，此外沒有其他益處。
在所有的這些例子中繞線磁極在它的轉(zhuǎn)子或定子的某一個上形成，永磁磁極在剩余的一個上。然而提供其他結(jié)構(gòu)是可能的，例如轉(zhuǎn)子可提供為一組永磁磁極然后是一組繞線磁極(可沿其長度重復)而定子為相反的結(jié)構(gòu)，使在定子上一組永磁磁極面對在轉(zhuǎn)子上的繞線磁極，而定子上一組繞線磁極面對在轉(zhuǎn)子上一組永磁磁極。
靠氣隙的基底里不存在鐵并且多個永磁磁極可使從一個極到相鄰極的磁通路徑相對地較淺，所以復合電動機或復合發(fā)電機/交流發(fā)電機可組成具有圓柱形定子在環(huán)狀圓柱轉(zhuǎn)子的里邊，而該轉(zhuǎn)子又再在一環(huán)形的圓柱形定子里邊(等)。
最后，很顯然作為由權(quán)利要求書文本證實的前述一切可有各種其他代替方案或修改而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.永磁旋轉(zhuǎn)電機(10)包括至少一個一般為圓柱形的定子(16)和至少一個圓柱形的轉(zhuǎn)子(11)，可繞軸(13)旋轉(zhuǎn)，并有圓柱表面(20)面向所說的一般為圓柱形定子(16)且由圓柱形氣隙(28)從那里在空間上與它隔開，在轉(zhuǎn)子的所說表面上多個永磁磁極(27)位于所說的圓柱形氣隙(28)旁邊，所說的定子(16)有多個在基底(24)上或內(nèi)的繞線磁極(25)，所說的繞線磁極(25)位于所說的圓柱形氣隙(28)旁邊，其特征在于永磁磁極(27)繞著轉(zhuǎn)子表面(20)的圓周緊靠著，以致在圓周上相鄰永磁磁極之間有相對短的磁通路徑，所說的相對短的磁通路徑延伸到與所說的定子(16)介入的區(qū)域，所說的區(qū)域和定子(16)的基底(24)兩者都具有低的相對導磁率且實質(zhì)上不導電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于有從4到30之間個數(shù)在空間上緊靠的永磁磁極(27)實質(zhì)上均勻地位于沿轉(zhuǎn)子(11)的圓周上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所說的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于有大約20個均勻地位于沿著轉(zhuǎn)子(11)的圓周的永磁磁極。
4.根據(jù)以上任何一個權(quán)利要求的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于基底(24)的相對導磁率小于20(相對于空氣)。
5.根據(jù)以上任何一個權(quán)利要求的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于永磁磁極(27)由多個高場強磁條(27)構(gòu)成，它們互相鄰接地安裝，其磁軸線平行于所說的轉(zhuǎn)子(11)的軸(13)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任何一個所說的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于永磁磁極(27)由單個陶瓷磁環(huán)(30)構(gòu)成，磁環(huán)(30)以這樣的方式充磁使環(huán)(30)有交替的磁極性的區(qū)段。
7.根據(jù)以上任何一個權(quán)利要求所說的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于至少一個轉(zhuǎn)子(11)是外轉(zhuǎn)子(11、13)，在轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓柱形表面上帶有永磁磁極(27)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所說的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于至少一個外轉(zhuǎn)子(11)是杯形的(12)并且由比包含永磁磁極的材料的拉伸強度高的材料制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6的任何一個所說的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于至少一個轉(zhuǎn)子(11)是一個內(nèi)轉(zhuǎn)子(40)。
10.根據(jù)以上任何一個權(quán)利要求所說的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于電機有檢測轉(zhuǎn)子位置的裝置(100)和順序接通電源到繞組(W1，W2，W3)的各相或每一相以形成定子繞線磁極(25)的開關(guān)裝置(Tr17-21，Tr12-16，Tr7-11)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所說的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于開關(guān)裝置包括每相繞組(W1，W2，W3)一個功率電子開關(guān)元件(Tr17-21，Tr12-16，Tr7-11)，這些或者每個元件可以由各自的控制信號對應于檢測轉(zhuǎn)子位置的裝置(100)而被接通。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所說的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于電機是具有三套相隔120電角度的繞組的三相電機，檢測轉(zhuǎn)子位置的裝置有檢測三個位置的手段，每個位置和下一個位置隔開120電角度。
13.根據(jù)以上任何一個權(quán)利要求所說的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于電機有脈沖寬度調(diào)制裝置(110)去控制電機的速度。
14.根據(jù)以上任何一個權(quán)利要求所說的永磁旋轉(zhuǎn)電機，進而再包括一個電機的制動器，其特征在于制動器包括提供電機的電制動的裝置(120)。
15.根據(jù)以上任何一個權(quán)利要求所說的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于電機包括相應于檢測到外加電壓太低而“關(guān)掉”電機的裝置。
16.根據(jù)以上任何一個權(quán)利要求所說的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于電機包括相應于過熱而“關(guān)掉”電機的裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求9-12之一所說的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于檢測轉(zhuǎn)子位置的裝置包括有槽光開關(guān)(OPT01-OPTO3)。
全文摘要
象高速三相無刷電動機那樣的永磁旋轉(zhuǎn)電機有至少一個定子(16)和至少一個轉(zhuǎn)子(11)，由圓柱形氣隙(28)隔在它們之間。多個永磁磁極(27)由多個位于杯狀轉(zhuǎn)子(11)內(nèi)部的稀土磁鐵(27)邊挨著邊地組成，取方向為平行轉(zhuǎn)子軸(13)。定子有多個厚度較薄的繞線磁極(25)，繞在或靠近于低導磁率(比空氣小20倍)的基底(24)表面。繞線磁極(25)安置在鄰接圓柱形氣隙(28)以便和相鄰永磁磁極之間的磁通路徑相交。
文檔編號H02K29/10GK1035398SQ88107160
公開日1989年9月6日 申請日期1988年9月14日 優(yōu)先權(quán)日1987年9月15日
發(fā)明者彼得·布魯斯·克拉克 申請人:克拉克汽車發(fā)展有限公司