專利名稱：具有獨立的可去除線圈、模塊部件和自保持被動磁軸承的電磁機的制作方法
技術領域：
本發明整體上涉及電馬達和發電機，并且尤其涉及具有新型結構和操作的電磁 機。
背景技術：
Tu等的US 2004/0135452公開了一種平旋轉發電機，該發電機包括用來切割磁力 線以感應電流的 至少一個環形線圈結構和至少一個盤形磁極結構，該磁極結構定向成平行 于螺旋形線圈結構。如果包括多個環形線圈結構和盤形磁線圈結構，那么環形線圈結構和 盤形磁線圈結構以交替的方式進行布置。環形線圈結構和盤形磁極結構沒有設置可滲透的 材料。在環形線圈結構或者該至少一個盤形磁極結構借助外力來旋轉時，環形線圈結構切 割通過其中的磁力線，從而產生感應電流。Neal的US 2002/0135263公開了若干定子弧段，這些定子弧段形成了定子組件的 環形芯，用來制造馬達。在優選實施例中，在電流通過纏繞在環形芯上的電極上的導線時， 產生了若干磁場。相位改變材料的單體基本上密封了導體并且使定子弧段相互在環形芯內 保持接觸。使用馬達的硬盤驅動和構造馬達和硬盤驅動的方法也被公開了。Rose的US 6803691公開了電動機器，該電動機器包括能透過磁的環形芯，該芯在 旋轉軸線上被定中心，并且具有兩個軸向相對的側部。繞著該芯環形地纏繞線圈，并且沿著 圓周方向順序地設置這些線圈。每個線圈包括兩個側支腿，該側支腿沿著該芯的各自側部 徑向地延伸。在鄰近的側支腿之間具有無線圈的空間。托架具有第一和第二側法蘭，這些 法蘭借助橋接結構來連接并且分別鄰接線圈的第一和第二側部。Mohler的US 6507257公開了雙向閉鎖致動器，該致動器由輸出軸和固定地安裝 于其上的一個或者多個轉子構成。軸和轉子被安裝成在磁傳導殼體內旋轉，該殼體具有安 裝于其中的圓柱形線圈，并且借助傳導端蓋來封閉。該端蓋具有安裝于其上的定子極件。 在一個實施例中，轉子具有至少兩個相對的磁化永磁體，這些永磁體非對稱地安裝，即它們 在一側處鄰近并且借助另一側上的非磁性空間來分開。定子極件具有非對稱的通量傳導率 (flux conductivity)并且在一個實施例中沿著軸向厚于極件的剩余部分。鄰接防止了轉 子擺動到中間位置(在該位置上，轉子磁體沿著軸向對準極件的更高傳導率部分)。因此， 轉子通過磁作用被閉鎖在兩個位置中的一個上，從而被拉向中間位置。給線圈通以相反極 性電流的電，使得轉子向著它的相對閉鎖位置進行旋轉，因此，通過磁力被閉鎖在那個位置 上。Mohler的US 5337030公開了永磁體無電刷扭矩致動器，該致動器由電磁芯構成， 在通電時該電磁芯可以產生細長的環形磁場。在大致圓柱形的線圈外部是在每端上具有上 端板和下端板的外殼體。定子極件安裝到端板上并且朝著彼此延伸，該定子極件與它的相 對極件借助氣隙來分開。永磁體轉子設置在氣隙內并且安裝在軸上，該軸依次可旋轉地安 裝在端板中的每一個上。永磁體轉子包括至少兩個永磁體，每個永磁體蓋住了轉子的弓形部分并且具有相對的極性。沿著一個方向給線圈通電流，可以磁化極件，以致兩個極件中的 每一個吸引轉子的磁體中的一個，并且排斥轉子的其它磁體，從而借助輸出軸來產生扭矩。 電流反向可以導致扭矩反向和轉子在相反方向上的旋轉。所公開的優選實施例具有多個單 元，即若干定子轉子定子組件和/或這樣的單元，即在該單元中，在每個定子極平面上具有 若干極件。Kloosterhouse等的US 5191255公開了電磁馬達，該電磁馬達包括轉子，該轉子 具有若干磁體，這些磁體沿著轉子的周邊安裝。優選地，鄰近磁體具有向外的相對極。一個 或者多個電磁體設置成鄰近轉子的周邊，因此，在轉子旋轉時，安裝在轉子上的磁體被承載 在電磁體的極附近。電流以與轉子的旋轉成預定相位關系借助驅動電路被供給到電磁體， 以致，對于轉子的實質上所有的成角度的位置，位于電磁體和安裝在轉子上的磁體的極之 間的磁吸引力和排斥力推動轉子在理想方向上旋轉。反射材料在預定角度位置上被安裝在 轉子上。驅動電路包括光敏裝置，該光 敏裝置產生信號，該信號的值根據該裝置是否接收到 由反射材料所反射的光來改變。該信號被放大以產生電磁體的驅動電流。Westley的4623809公開了一種安裝有極結構的步進馬達，其中，每個具有若干極 的一對相同定子板背靠背地定位，而該極在相反方向上突出，定子板定位在一對基本上相 同的定子杯之間，每個定子杯具有從后壁向內伸出的若干極，其中周邊側壁終止于向外延 伸的法蘭中。每個法蘭的主要表面與一個定子板上的表面相接觸，從而確保較小的磁路磁 阻。Fawzy的4565938公開了一種電機械設備，該設備可以用作馬達或者發電機。該設 備具有殼體，它包括支撐可旋轉的軸的軸承裝置。提供了盤形磁體裝置，并且該盤形磁體裝 置被極化從而具有交替的極性，并且被安裝在軸上從而限定出轉子。該設備包括與磁體裝 置相接觸的至少一個第一極靴，該至少一個第一極靴具有這樣的部分，即該部分徑向地延 伸以限定出實際上的第一極性的極室。還包括至少一個第二極靴，該至少一個第二極靴與 磁體相接觸，并且具有這樣的部分，即該部分徑向地延伸以限定出實際上的其它極性的極 室。環形定子安裝在殼體上并且在其上具有繞組。該定子繞著盤形磁體環狀地定位，因此 實際上的第一和第二極靴的極室包圍在圓周上具有交變極性的交變場的所述繞組的一些 部分。一些裝置被設置成與定子相電接觸，從而在該設備作為發電機進行工作時引出電流， 或者提供電流將該設備作為馬達來操作。Fawzy的4459501公開了一種電機械設備，該設備可以被用作馬達或者發電機，它 具有殼體，并且包括支撐可旋轉的軸的軸承裝置。一對盤形磁體被極化從而在每一個的兩 面上具有相對的極性。這些磁體在軸上面對面地被安裝在一起，從而限定出轉子。該設備 包括與每個磁體的一個面相接觸的至少一個第一極靴，該至少一個第一極靴具有這樣的部 分，即該部分徑向地延伸，從而在它的優選實施例中限定出與所述一個面相同的極性的一 對實際上的極室。還包括與每個磁體的另一面相接觸的至少一個第二極靴，該至少一個第 二極靴具有這樣的部分，即該部分徑向地延伸，從而在它的優選實施例中限定出一對實際 上的與另一面相同的極性的極室。環形定子安裝在殼體上并且在其上具有繞組。該定子繞 著盤形磁體環狀地定位，因此實際上的第一和第二極靴的極室包圍在圓周上具有交變極性 的交變場的所述繞組的一些部分。與定子相電接觸的裝置在該設備作為發電機工作時引出 電流，或者提供電流將該設備作為馬達來操作。
發明內容
本發明在結構和使用上教導了一些優點，這就產生了下面所描述的目的。在一個 實施例中，本發明起著電動馬達的作用，在第二實施例中，它起著旋轉發電機的作用，及在 第三實施例中，它起著旋轉變壓器的作用。在其它實施例中，本發明可以作為線性機器而不 是作為旋轉機器而進行工作。在這些實施例中的每一個中，該機器可以作為AC機器或者DC 機器被操作。借助以吸引力和以排斥力把移動的電磁場結合到磁體，使該機器工作。在每 個實施例中，主電磁體產生了這樣的場，即該場結合到輔助磁體上，該輔助磁體可以是永磁 體或者電磁體，其中主磁體或者輔助磁體起著該機器的定子結構的一部分的作用，即既不 旋轉也不移動。在一個結構性實施例中，與前面所限定的實施例相關的本發明的重要方面 是新型電磁線 圈結構，該線圈結構被纏繞或形成為由鐵磁材料或者非鐵磁材料所形成的單 個平帶的螺旋圈。本發明的另一個重要方面是借助利用由鐵磁材料所形成的線圈特殊形狀 殼體的整個結構的模塊性，該殼體被分成多個段，該多個段彼此磁隔離，但是相互電連續， 并且因此使滯后現象最小化。本發明的另一個重要方面是，作為永磁體掃掠位于永磁體下 方并且定位在導向球軸承和電磁體鐵磁芯之間的鋁軸環的一部分的結果的，合成一體的自 保持被動磁軸承。本發明的另一個重要方面是以不同角度如以45度或者三角形形狀切割 出永磁體邊緣，這可以實現連續的磁性的一個極面并且在永磁體的兩端處避免交變磁端效 果。本發明的另一個重要方面是每個鐵磁段的感應渦流的有益的捕獲并且返回到電源的電 路中。本發明的主要目的是提供一種能產生現有技術中沒有教導過的優點的設備和使 用這種設備的方法。本發明的另一個目的是制造如這里所描述的具有較高電磁場密度的機器。本發明的另一個目的是消除對整流器的需要。本發明的另一個目的是使包括由滯后、熱量、輻射和渦流所產生的損失在內的損 失較小，而滯后、熱量、輻射和渦流減小了本類型典型機器的效率。本發明的另一個目的是制造一種結構緊湊且模塊化的旋轉機器。本發明的另一個目的是提供一種旋轉機器，其具有通到位于其旋轉軸線上的其中 央軸內部的開口。本發明的另一個目的是提供一種旋轉和移動的機器，該機器具有作為其整體結構 白勺一^Pi白勺自 呆ζ由(self sustained passivemagnetic bearings) 結合附圖的下面更加詳細的描述使本發明的實施例的其它特征和優點變得更加 清楚，而這些附圖借助例子示出了本發明的可能實施例中的至少一個的原理。
這些附圖示出了本發明的實施例。在這些附圖中圖1是以橫剖視圖所示的本發明的示意圖；圖2是具有軸承裝置20、軸承固定裝配件15、安裝環30A、線圈互連環30C、磁軸承 鋁環掃掠表面10’和整流器80的所示本發明的旋轉管形軸的側視圖；圖3是電路公共環30B的透視圖4是在軸承固定裝配件被拆下的情況下所看到的端部透視圖；圖5是從軸承固定裝配件看去的端視圖并且示出了連接棒的近端；圖6是從整流器看去的端部透視圖；圖7是連接棒中的一個的透視圖； 圖8是它的透視圖，它示出了從軸承固定裝配件端部看去的、安裝在安裝環上的 兩個半線圈殼體；圖9是近視的部分側面透視圖，它示出了位于線圈殼體和安裝環之間的安裝界 面；圖10是部分側面透視圖，它示出了安裝在線圈殼體內的線圈；圖11是線圈(它是線或者帶，該線或者帶被纏繞到如鋼或者鋁的磁或者非磁材料 芯的線圈架上)和線圈殼體(它示出了線圈架安裝表面)的透視圖；圖12是線圈和線圈架處于合適位置上的線圈殼體的側視圖；圖13和14是透視圖，它示出了定位在整流器之上的整流器殼體；圖15和16是系統殼體板的透視圖；圖17是目前所描述的設備的部分側面透視圖，它示出了線圈殼體、鄰近鐵磁芯形 狀的外圍角度切割磁體和系統殼體板之間的物理關系；及圖18-20是先進的電磁線圈的概念圖。
具體實施例方式上述附圖在優選實施例中的至少一個中示出了本發明，在下面描述中進一步限定 了其細節。在沒有脫離本發明精神實質和范圍的情況下，本領域普通技術人員可以進行改 變和改進本發明。因此，應該知道，所示出的實施例只是出于示例目的而提出的，并且它們 不應該用來限制如在下面所定義的本發明。本發明是旋轉電磁機，可以以本領域普通技術人員所熟知的上述許多方式來使用 該電磁機。物理結構、尤其是電磁線圈和線圈殼體的結構、線圈至整流器的互連方式和該機 器的大多數結構配置是新穎的。圖1是以橫截面示出的本發明的示意圖，該圖示出了這個 機器的一些主要結構特征。圖1示出了機器的管形軸10、軸承裝置20、安裝環30A、線圈殼 體40、線圈殼體螺栓42、外圍磁體50、扇形磁體60、系統安裝板70和外圍板72。在下面參 照附圖來詳細描述這些部件，而在這些附圖中所示的附圖標記在文字說明中可以找到。圖2是旋轉管形軸10和它的磁軸承鋁掃掠表面(sw印t surface) 10，的側視圖， 示出了軸承裝置20、軸承固定裝配件15、整流器80、安裝環30A和線圈輸入環30C。在圖1 中，可以看到，殼體70通過適配器74被安裝在軸承裝置20上。殼體70或者軸10中的任 一個用作定子，而另一個元件旋轉。圖3是線圈公共環30B的透視圖，該線圈公共環30B被 構造成兩個零件并且可從軸10獨立地移除，而安裝環30A是軸10的整體部分。圖4是軸 10的端部透視圖，固定裝配件15被拆下。在圖1中沒有被示出而示出在圖5中的是從固定裝配件看去的端視圖的連接棒90 的近端92，該連接棒90在軸10內軸向地延伸，如被進一步所示出的那樣。圖6是從該機器 的整流器端所看去的端部透視圖，示出了連接棒90的遠端94。圖7是拆下的這些連接棒 90中的一個的透視圖，示出了近端92和遠端94。在遠端94處接合到棒90上的橫向桿96在棒90和整流器80的一段82之間進行切換(commutes)并且借助螺釘84來固定，如圖6 所示那樣。遠端94與橫向板98相接合，而該橫向板98借助絕緣套99來蓋住并且使用接 頭片32和螺釘34通過軸10中的槽12固定到線圈輸入環30C，如圖2所示那樣。螺釘36 適合于固定線圈線，如目前所描述的那樣。包括桿96、板98和接頭片32的棒90形成了在 該機器的電磁線圈和整流器80之間所需要的電通路(將會描述)。在優選實施例中，線圈 110被布線成與從整流器80通過橫向桿96、棒90、板98被引入到安裝在輸入環30C上的絕 緣段(接頭片32)上的電流相并聯。線圈110中的每一個的一端在螺釘36處分別被連接 到接頭片32的每一個上。線圈110中的每一個的另一端在公共環30B上被連接到螺釘上， 該公共環30B用作返回到整流器80的接地。圖8示出了兩個線圈殼體100，該殼體100借助緊固到螺紋孔內的線圈殼體螺栓 42 (參見圖1)安 裝在環30A上。圖9是近視圖，示出了位于線圈殼體100和安裝環30A之 間的新型安裝界面。在這種安裝中，注意到，線圈殼體100的界面表面鄰接環30A并且靠近 環30B和30C。圖10示出了所去除的線圈殼體100的一部分，從而示出了安裝在線圈殼體 100內的線圈110的一部分。圖11示出了從線圈殼體100拆下的線圈110，并且還示出了 線圈架(COilfOrm)120，線圈110被纏繞在該線圈架120上。在該實施例中，用公共的絕緣 線112纏繞線圈110，然而，線圈110也可以用金屬帶來纏繞，其中，這樣的金屬帶具有的厚 度大約等于線112的直徑，并且具有的寬度W等于線圈110的寬度或者鐵磁殼體單元的寬 度，如圖11所示那樣。注意，線圈110具有繞組的軸線114，在線圈被安裝在線圈殼體120 內時，該軸線114被定位成與該機器的電磁場的旋轉方向相切。在圖12中可以很好地看 至丨J，其中，示出線圈110安裝在線圈殼體120內，并且示出殼體120處于環30A上的其安裝 位置。只有兩個線圈殼體120被示出在圖中，但是在完全裝配好的機器中，線圈殼體120形 成了環繞管形軸110的整圓。圖13和14示出了整流器殼體85，該殼體85定位在整流器80之上。殼體85提供 了刷，該刷摩擦地接觸整流器80的葉片。圖15和16是系統殼體板70的視圖，在圖1中， 該板70被示出在它們裝配好的位置上。在圖1的示意性圖中示出，板70通過適配器74與 軸承裝置20的外軸承座圈相接合。圖17作為側視圖示出了完工后的機器，去除了兩個通 常公知為“餅坯”的外圍板72，以示出外圍磁體50和線圈殼體100的位置。在圖17中示出 了旋轉磁場的旋轉軸線5。圖18-20示出了線圈110的替換實施例。以前，線圈110被描述成由公共的絕緣 電導線112的繞組來構造，這在現有技術中已熟知，而替換地，使用撓性絕緣的導電金屬帶 原料。然而，已發現，線圈110也可以有利地由導電金屬的固體塊來構造。在圖18中示出 了這樣的線圈110的示意圖，其中線IlOA表示導電線路，并且位于線之間的空間表示這樣 的材料，即該材料從導電金屬的固體塊切割下來。這可以使用放電加工、也已知為縮寫EDM， 來完成。在該加工中，使用EDM來切割導電材料的固體塊，該導電材料例如銅、鋁或者鋼、但 最優選為鐵，并且該切割被如圖18中所示那樣指向。當切割完成時，固體塊被減小為單個 線圈，其中，線圈的繞組是具有理想寬度W(參見圖19)、即原始固體塊的寬度的帶。圖19以透視圖示出了切割塊，該切割塊帶有用來把線圈110連接到本機器的線路 中的正(+)和負(_)電極。圖20示出了與圖19相同的切割塊，但是部分地被切去了從而 更好地示出了繞組層。在圖19和20中，沒有示出空間來分開繞組，但是這些圖是概念圖，其中，位于鄰近繞組之間的空間的寬度與繞組本身的寬度相比相當小，并且可以使用電化 學處理如電鍍使該空間填充有電絕緣體。線圈殼體100也可以有利地以與圖18-20所示的 線圈相同的方式來構造，即使用EDM來切開殼體100，以形成線圈形結構，同時使殼體保持 在圖8-12所示的形式中。以上述方式形成線圈110和線圈殼體100，提供了重要的優點，這 些優點包括較低的渦流損失、對AC和DC電流的阻抗較小、及尺寸較小。上面詳細所描述的實施例相對于有記錄的現有技術被認為是新穎的，并且被認為 對本發明的一個最好實施例的至少一個方面的操作和上述目的的實現是非常重要的。在本 說明書中用來描述本實施例的術語不僅應被理解成它們通常限定的意義，而且也借助在本 說明書中的特殊定義來包括超出通常限定的意義范圍的結構、材料或者作用。因此，如果元 件在說明書的上下文中可以理解成包括一個以上的意義，那么 它的使用一定得理解成說明 書和描述元件的術語所支持的所有可能意義的總稱。因此，這里所描述的發明的實施例和沒有描述的相關實施例的術語或者要素的定 義在該說明書中被限定成不僅包括按照字面意義提出的要素的結合，而且還包括以基本相 同的方式執行基本上相同功能從而獲得基本上相同的結果的所有等同結構、材料或者作 用。因此，在這點上，可以預期，對本發明和它的各種實施例的元件中的任何一個進行兩個 或者更多個元件的等同取代，或者單個元件可以用兩個或者更多個元件來代替。現在所知道的或者以后所設計的、本領域普通技術人員所看去的、所描述的主題 的改變在本發明和它的各種實施例的范圍內明確地被預期為等同的。因此，本領域普通技 術人員現在或者以后所知道的明顯替換被定義成落入所限定的元件的范圍內。因此，本發 明和它的各種實施例應該被理解成包括具體示出的和上面所描述的、概念上的等同的、明 顯可以替換的及基本上結合本發明的實質理念的內容。盡管參照至少一個優選實施例描述了本發明，但是本領域普通技術人員應該清楚 地知道本發明不局限于此。
權利要求
一種旋轉電磁機，包括管形軸，限定了其遠端和近端，并且在其中間安裝一對安裝環、公共環、線圈輸入環和至少一個軸承裝置；裝配件被固定在該管形軸的遠端處，并且整流器被固定在該管形軸的近端處；殼體，其通過適配器安裝在該軸承裝置上，該公共環被構造成兩個零件并且可從軸獨立地移除，連接棒，在軸內軸向地延伸；橫向桿在其遠端處接合到連接棒，該橫向桿在棒和整流器的段之間實現整流，而遠端與橫向板接合；多個電磁線圈，其被固定到該安裝環上，該線圈由導電材料的單個平帶的螺旋圈形成；及多個外圍的扇形磁體，其安裝成鄰近該電磁線圈。
2.根據權利要求1所述的旋轉電磁機，其特征在于，它裝配有模塊結構，該模塊結構具 有鐵磁材料的線圈殼體，該線圈殼體被分成多個磁隔離的段，該多個段相互電連續，由此使 滯后現象最小化。
3.根據權利要求1所述的旋轉電磁機，其特征在于，該外圍的扇形磁體中的每一個具 有邊緣，該邊緣以這樣的形狀被切割出，即該形狀實現了連續的磁極面并且在磁體的相對 端處避免了交變磁端作用，由此，所感應的鐵磁段的渦流被返回到其電路。
全文摘要
一種旋轉電磁機，它具有管形軸、安裝環、公共環、線圈輸入環和至少一個軸承裝置安裝在它的上面。裝配件被固定在管形軸的遠端上，及整流器被固定在近端上。殼體通過適配器安裝在軸承裝置上。連接棒在軸內沿著軸向延伸，而一些橫向桿在它們的遠端處接合到連接棒，這些棒在整流器電磁線圈的段之間進行切換。若干電磁線圈被固定到線圈輸入環上。這些線圈由單個平帶導電材料的螺旋圈形成。若干外圍的扇形磁體安裝成鄰近在線圈和磁體之間進行相對運動時具有電磁相互作用的電磁線圈。
文檔編號H02K1/14GK101842965SQ200880106243
公開日2010年9月22日 申請日期2008年7月9日 優先權日2007年7月9日
發明者D·博吉科 申請人:清水控股有限公司;D·博吉科