專利名稱：具有圖案化磁體陣列的直線電機的制作方法
技術領域：
本說明書涉及電機并且具體地涉及直線電機。
背景技術：
常規直線電機包括產生磁場的磁體陣列。線圈陣列被定位成與磁場配合。磁體陣 列或者線圈陣列可以是直線電機的靜止或者移動部分。通過線圈陣列驅動的電流在磁體陣 列上生成力，從而使磁體陣列相對于線圈陣列移動。
發明內容
一般而言，在一個方面中，本發明的特征在于一種用于直線電機的電樞，該電樞包 括一對磁結構中的第一磁結構，包括第一多個小磁體(magelette)，各小磁體具有磁極性 矢量；在第一多個小磁體中的兩個相鄰磁極性矢量之間的角度具有第一量值；以及該對磁 結構中的第二磁結構，包括第二多個小磁體，各小磁體具有磁極性矢量；在第二多個小磁體 中的兩個相鄰磁極性矢量之間的角度具有第二量值，第一多個小磁體包括與第二多個小磁 體的第二外小磁體相鄰的第一外小磁體，在第一與第二外小磁體的磁極性矢量之間的角度 具有與第一和第二量值中的至少一個量值不同的第三量值。本發明的實現方式可以包括以下特征中的一個或者多個特征。電樞的第一和第二 量值基本上相同。該電樞還包括與第二磁結構基本上相鄰的第三磁結構，第三磁結構包括 各自具有磁極性矢量的第三多個小磁體，并且在第二多個小磁體中的兩個相鄰磁極性矢量 之間的角度具有第四量值。該電樞還包括與第三磁結構基本上相鄰的第四磁結構，第三和 第四磁結構包括一對磁結構。電樞的第一和第二磁結構包括電樞的第一面。該電樞還包括 多個分立的面，多個分立的面中的每一個包括至少一對磁結構。該電樞在形狀上基本上為 圓柱形，并且第一和第二磁結構中的各磁結構基本上為盤形或者環形中之一。電樞在第一 和第二磁結構中的至少兩個小磁體在尺度上不同。第一和第二多個小磁體中的至少一個小 磁體包括兩個外小磁體和兩個內小磁體，外小磁體的磁極性矢量相對于與電樞的運動方向 垂直的方向而言的角度量值基本上為45度，而內小磁體的磁極性矢量相對于與電樞的運 動方向垂直的方向而言的角度量值基本上為15度。第一和第二多個小磁體中的至少一個 小磁體包括兩個外小磁體和兩個內小磁體，外小磁體的磁極性矢量相對于與電樞的運動方 向垂直的方向而言的角度量值基本上為45度，而內小磁體的磁極性矢量相對于與電樞的 運動方向垂直的方向而言的角度量值基本上為零度。電樞的第一和第二多個小磁體中的各 個小磁體包括三個小磁體。電樞的第一和第二多個小磁體中的至少一個小磁體包括兩個外 小磁體和一個內小磁體，外小磁體的磁極性矢量相對于與電樞的運動方向垂直的方向而言 的角度量值基本上為45度，而內小磁體的磁極性矢量相對于與電樞的運動方向垂直的方 向而言的角度量值基本上為零度。電樞的該對磁結構中的第一磁結構形成具有第一磁極性 的第一磁場，該對磁結構中的第二磁結構形成具有第二磁極性的第二磁場，第一磁極性與 第二磁極性基本上相反。電樞的該對磁結構中的至少一個磁結構被作為一個整體磁化。
一般而言，在另一方面中，本發明的特征在于一種用于直線電機的電樞，該電樞包 括至少兩個分立的面，至少兩個分立的面中的每一個包括一對磁結構中的第一磁結構，包 括各自具有磁極性矢量的第一多個小磁體，在第一多個小磁體中的兩個相鄰磁極性矢量之 間的角度具有第一量值；以及該對磁結構中的第二磁結構，包括各自具有磁極性矢量的第 二多個小磁體，在第二多個小磁體中的兩個相鄰磁極性矢量之間的角度具有第二量值，第 一多個小磁體包括與第二多個小磁體中的第二外小磁體相鄰的第一外小磁體，在第一與第 二外小磁體的磁極性矢量之間的角度具有與第一量值和第二量值均相等的第三量值。本發明的實現方式可以包括以下特征中的一個或者多個特征。電樞的各分立的面 還包括與第二磁結構基本上相鄰的第三磁結構，第三磁結構包括各自具有磁極性矢量的第 三多個小磁體，在第二多個小磁體中的兩個相鄰磁極性矢量之間的角度具有第一量值。該 電樞還包括與第三磁結構基本上相鄰的第四磁結構，第三和第四磁結構包括一對磁結構。 電樞的該對磁結構中的第一磁結構形成具有第一磁極性的第一磁場，該對磁結構中的第二 磁結構形成具有第二磁極性的第二磁場，第一磁極性與第二磁極性基本上相反。電樞的第 一和第二多個小磁體中的至少一個小磁體包括四個小磁體，這些小磁體的第一量值、第二 量值和第三量值都基本上等于45度。電樞的第一和第二多個小磁體中的至少一個小磁體 包括八個小磁體，這些小磁體的第一量值、第二量值和第三量值都基本上等于22. 5度。在 電樞的第一和第二磁結構中的至少兩個小磁體在尺度上不同。該電樞在形狀上基本上為圓 柱形，并且第一和第二磁結構中的各磁結構基本上為盤形或者環形中之一。—般而言，在另一方面中，本發明的特征在于一種包括電樞的直線電機，該電樞包 括一對磁結構中的第一磁結構，包括各自具有磁極性矢量的第一多個小磁體，在第一多個 小磁體中的兩個相鄰磁極性矢量之間的角度具有第一量值；以及該對磁結構中的第二磁結 構，包括各自具有磁極性矢量的第二多個小磁體，在第二多個小磁體中的兩個相鄰磁極性 矢量之間的角度具有第二量值，第一多個小磁體包括與第二多個小磁體中的第二外小磁體 相鄰的第一外小磁體，在第一與第二外小磁體的磁極性矢量之間的角度具有與第一和第二 量值中的至少一個量值不同的第三量值；以及定子，與電樞鄰近定位。
在具體描述中詳細描述本發明。可以通過結合附圖參照下文描述來更好地理解本 發明的上述優點和更多優點，在這些附圖中，相似標號表示各圖中的相似結構單元和特征。 附圖未必按比例繪制、代之以著重于舉例說明本發明的原理。圖1圖示了常規4步Halbach磁體陣列。圖2圖示了根據一個實施例的8步磁體陣列。圖3圖示了根據一個實施例的16步磁體陣列。圖4是根據一個實施例的磁體陣列的透視圖。圖5圖示了根據一個實施例的8步磁體陣列。圖6圖示了根據一個實施例的8步磁體陣列。圖7是根據一個實施例的磁體陣列的透視圖。圖8圖示了根據一個實施例的圓柱形8步磁體陣列。圖9圖示了根據一個實施例的直線電機。
圖10用圖形圖示了各種示例磁體陣列與傳統北-南陣列和圖1的4步Halbach 陣列相比的生產力。圖11圖示了與圖10中的生產力比較相關的各種磁體陣列。
具體實施例方式圖1圖示了常規4步Halbach磁體陣列100。Halbach磁體陣列的原理由Klaus Halbach提出。Halbach陣列以如下方式對永磁體元件進行定位，該方式使得磁場在某些 區域中相互相消地干涉而在其它區域中相互加強。Halbach磁體陣列100包括一行(102) 永磁體10加-102」。在本說明書中也稱為小磁體的永磁體102a-102j被定向成具有如在各 永磁體10加-102]·中的箭頭所示的交替正交磁極性。4步Halbach磁體陣列100具有與四 個磁體10加-102(1的寬度等值的空間周期106。空間周期106等值于為了將磁體的磁極性 矢量旋轉360度而需要的在陣列中的連續磁體的總數的長度。Halbach陣列100通過磁體 102a-102j生成磁通量110而無需鐵或者其它磁材料來完成通量回路。磁通量110在陣 列100的強頂面112上比在弱底面114上明顯更大。直線移動磁體電機可以被配置成使 Halbach陣列100的強面112與線圈相鄰定向。來自Halbach陣列100的強面112的磁通 量提供與常規交變北-南磁體陣列相比增強的與線圈的相互作用。圖2圖示了根據一個實施例的8步磁體陣列200。8步磁體陣列200包括兩行(202、 204)磁結構202a-202f、204a-204f。各磁結構202a_202f、204a_204f包括接合在一起以形 成具有磁極性的磁場的多個小磁體。在該例中，磁結構20 形成具有磁極性232的磁場， 磁結構202b形成具有磁極性234的磁場。在該例中，磁極性234與磁極性232基本上相 反。在所示實施例中，各磁結構包括四個小磁體2(^al-2(^a4、202bl-202b4、202cl-202c4、 202dl-202d4、202el-202e4、202fl-202f4 和 204al-204a4、204bl-204b4、204cl_204c4、 204dl-204d4、2(Mel-2(Me4、204fl-204f4，并且一對磁結構包括與沿著運動方向的各行中 的8步對應的八個小磁體。小磁體被定向成具有如在各小磁體2(^al-2(^a4、202bl-202b4、 202cl-202c4、202dl-202d4、202el-202e4、202n-202f4 和 204al-204a4、204bl_204b4、 204cl-204c4,204dl-204d4,204el-204e4,204fl-204f4 中的箭頭所示的不同磁極性。代表 各小磁體磁化方向的小磁體的磁極性矢量參照軸(比如與運動方向垂直的軸)來定義。各 小磁體的磁極性矢量可以具有不同符號(+或者_)的不同值的角度。在磁結構(例如20 ) 中的小磁體(例如20加1-20加4)生成的磁場形成磁結構的磁場。磁結構20 的磁場極性 表示為矢量232。類似地，它的相鄰磁結構202b的磁場的極性表示為矢量234。極性232 和234彼此基本上相反。相鄰磁結構因此形成一對磁結構。盡管個別小磁體或者磁結構的磁極性定義成角度以共同軸——在這里本說 明書的上下文中為與運動方向垂直的軸——為參照的矢量，這里所用的術語“內角 (intra-angle) ”表示各磁結構內的兩個相鄰小磁體的磁極性矢量的相對角度。例如，內角 是在小磁體204al與204a2的磁體極性矢量之間、在小磁體204a3與204a4的磁體極性矢 量之間、在小磁體204bl與204b2的磁體極性矢量之間或者在小磁體204b3與204b4的磁 體極性矢量之間的角度。應當注意，這里描述內角的量值而未考慮符號。圖2中所示符號 N和S僅作為參考加以圖示而不應理解為限制該描述的范圍。小磁體可以是為了產生磁結 構20h-202f、2(Ma-204f而接合在一起的個別磁體。例如，小磁體可以使用粘合劑來膠合在一起。小磁體也可以使用機械夾、框或者其它機械技術來接合在一起。小磁體可以包括 任何磁材料，該磁材料例如包括鐵素體或者稀土材料，諸如釹鐵硼或者釤-鈷。8步磁體陣列200包括一對磁結構(例如20 和202b)，各磁結構具有與四個小 磁體的寬度等值的磁節距206。因此，各對磁結構包括與空間周期208對應的共計八個小 磁體。如這里所用，空間周期定義成為了將小磁體的磁極性矢量旋轉360度而需要的連續 小磁體的總數的長度。例如，小磁體202b2的磁極性矢量相對于運動方向定向于67. 5度的 角度。小磁體202b3的磁極性矢量相對于小磁體202b2的磁極性矢量定向于45度的角度。 相鄰小磁體202b4的磁極性矢量相對于小磁體202b3的磁極性矢量定向于45度的角度。 下一相鄰小磁體202c 1的磁極性矢量相對于小磁體202b4的磁極性矢量定向于45度的角 度。下一相鄰小磁體202c2的磁極性矢量相對于小磁體202cl的磁極性矢量定向于45度 的角度。盡管空間周期無需從磁結構的第一小磁體開始，但是一對磁結構的小磁體的總數 確實形成空間周期。空間周期等值于八個小磁體(形成一對磁結構)，因為需要八個小磁體 的磁極性矢量以旋轉共計360度。這里所用的術語“間角(inter-angle) ”表示在相鄰磁結構之間的磁極性矢量的相 對角度。例如，間角是在小磁體202a4與202bl的磁極性矢量之間、在小磁體202b4與202c 1的磁極性矢量之間或者在小磁體202c4與202dl的磁極性矢量之間的角度。應當注意，這 里描述間角的量值而未考慮符號。在圖2中所示實施例中，從一個小磁體到下一相鄰小磁體的各磁極性矢量的角度 以恒定方式變化。這包括在磁極性矢量之間的內角和在磁極性矢量之間的間角。例如在小 磁體202c3-202c4中的磁極性矢量之間的內角等值于在小磁體202c4和202dl中的磁極性 矢量之間的間角。所謂恒定，是指所有內角和間角具有相同量值。在該例中，包括內角和間 角的所有角度均為45度。在這一實施例中，參照行202，小磁體202a2的磁極性矢量相對于 小磁體202al的磁極性矢量定向于45度。小磁體202a3的磁極性矢量相對于小磁體202a2 的磁極性矢量定向于45度。小磁體202a4的磁極性矢量相對于小磁體20加3的磁極性矢 量定向于45度。小磁體202b 1的磁極性矢量相對于小磁體202a4的磁極性矢量定向于45 度。小磁體202b2的磁極性矢量相對于小磁體202bl的磁極性矢量定向于45度。小磁體 202b3的磁極性矢量相對于小磁體202 的磁極性矢量定向于45度。小磁體202b4的磁極 性矢量相對于小磁體202b3的磁極性矢量定向于45度。小磁體202cl的磁極性矢量相對 于小磁體202b4的磁極性矢量定向于45度。在磁結構2(^a_202f內的小磁體2(^al_202f4的磁極性矢量被定向成聯合 生成與磁通量路徑對應的預定磁化圖案209。通過如這里所述以恒定方式改變小磁體 20hl-202f4中的磁極性矢量的角度來生成磁化圖案209。在這一實施例中，從一個小磁體 到下一相鄰小磁體的磁極性矢量的角定向按45度均勻變化。以下數學公式可以描述圖2的磁體陣列200的一面所生成的磁化圖案209并且具 體為小磁體殘留通量密度的X和y分量By和B” Br x = cos(X/L_<ji)Br y = sin(X/L-<ji)其中X是沿著運動方向的小磁體質心χ坐標，L是在χ方向上的磁體節距的兩倍， 而Φ是參考角度。小磁體質心位置X進一步定義成X= (Ο...Ν-1)*2*π/Ν，其中N是步數。在兩面陣列的情況下，下半部的通量密度的X分量是上半部的負數。來自上半部和下 半部的y分量相同。對于給定的磁化圖案，所有小磁體具有相同的^量值，而磁體定向從 一個小磁體到下一相鄰小磁體均勻變化。因此，兩個相鄰小磁體之間的定向變化在χ方向 上是恒定的。磁通量在陣列200的強外側區域210、212上比在弱內側區域214、216上明顯更 大。直線移動磁體電機可以配置有如下電樞，該電樞包括定向于線圈之間通道中的磁體陣 列200。這一電樞包括如下兩面，該兩面與一面配置相比可以輔助平衡軸承上的負載。來自 磁體陣列200的強面210、212的磁通量提供與圖1的常規Halbach陣列100相比增強的與 線圈的相互作用。在操作中，直線電機包括與磁體陣列200的兩個外側區域210、212耦合的線圈。通 過向線圈施加電流來向直線電機賦能。在線圈中的電流生成與由磁體陣列200生成的磁場 互作用的磁場。這一相互作用使磁體陣列200相對于線圈移動。圖3圖示了根據一個實施例的16步兩面磁體陣列300。16步磁體陣列300包括兩 行(302、304)磁結構 302a-302c、304a-304c。各磁結構 302a-302c、304a_304c 包括多個如 下小磁體，這些小磁體被定向成具有如在各小磁體中的箭頭所示的不同磁極性。為求簡潔， 在圖3中僅針對前兩個磁結構30h、302b標明了小磁體極性。一對兩個相鄰磁結構30 和302b的磁場的極性342和344，其中極性342和344彼此基本上相反。符號N和S僅作 為參考加以圖示而不應理解為限制該描述的范圍。16步磁體陣列300包括一對磁結構(例如30 和302b)，各磁結構具有與八個小 磁體的寬度等值的磁節距。因此，各對磁結構在沿著運動方向的各行中包括與空間周期306 對應的共計十六個小磁體。空間周期306對應于為了將小磁體的磁極性矢量旋轉360度而 需要的相鄰小磁體的總數。來自磁結構3(^a-302C、3(Ma-304C的小磁體的極性被定向成生成與磁通量路徑 對應的預定磁化圖案308。通過以恒定方式改變每組多個小磁體中的磁極性矢量的間角和 內角來生成磁化圖案308。從一個小磁體到下一相鄰小磁體的磁極性矢量的角定向均勻變化。例如參照行 302，小磁體302a2的磁極性矢量相對于小磁體30加1的磁極性矢量定向于22. 5度。小磁 體302a3的磁極性矢量相對于小磁體30加2的磁極性矢量定向于22. 5度。小磁體30加4 的磁極性矢量相對于小磁體30加3的磁極性矢量定向于22. 5度。小磁體302a5的磁極性 矢量相對于小磁體30加4的磁極性矢量定向于22. 5度。小磁體302a6的磁極性矢量相對 于小磁體30加5的磁極性矢量定向于22. 5度。小磁體302a7的磁極性矢量相對于小磁體 302a6的磁極性矢量定向于22. 5度。小磁體302a8的磁極性矢量相對于小磁體302a7的磁 極性矢量定向于22. 5度。小磁體302b 1的磁極性矢量相對于小磁體302a8的磁極性矢量 定向于22. 5度。直線移動磁體電機可以配置有如下電樞，該電樞包括定向于線圈之間通道中的磁 體陣列300。線圈耦合到磁體陣列300的兩個外側區域310、312。圖4是根據一個實施例的磁體陣列400的透視圖。磁體陣列400包括三個分立的 面402、404、406。分立的面402、404、406被定位成使得橫截面在形狀上為三角形。在一個 實施例中，三角形為等邊三角形。各分立的面402、404、406包括一行磁結構。如在側視圖412中所示，一行磁結構410包括磁結構408a-408c，各磁結構包括多個小磁體。空間周期 與為了將小磁體的磁極性矢量旋轉360度而需要的在特定分立的面402、404、406中的連續 小磁體的總數的長度等值。在這一實施例中，空間周期等值于與包括在運動方向上的8步 對應的八個小磁體的一對磁結構(例如408a、408b)的長度。小磁體被定向成具有如在各 小磁體中的箭頭所示的不同磁極性。多個磁結構408a-408c中的各磁結構彼此基本上相鄰。多個小磁體中的各小磁體 被定向成生成預定磁化圖案。通過以恒定方式改變各磁結構中的多個小磁體中的磁極性矢 量的角度來生成磁化圖案。在該例中，各磁結構中的各小磁體的磁極性矢量相對于相鄰小 磁體定向于45度。小磁體408al的磁極性矢量相對于運動方向定向于22. 5度的角度。小 磁體408a2的磁極性矢量相對于小磁體408al的磁極性矢量定向于45度的角度。小磁體 408a3的磁極性矢量相對于小磁體408a2的磁極性矢量定向于45度的角度。小磁體408a4 的磁極性矢量相對于小磁體408a3的磁極性矢量定向于45度的角度。小磁體408bl的磁 極性矢量相對于小磁體408a4的磁極性矢量定向于45度的角度。應當注意，這里描述磁極 性矢量的角度改變的量值而未考慮符號，而參照軸(比如與運動方向垂直的軸)定義的小 磁體的磁極性矢量可以具有不同符號(+或者_)的不同值的角度。磁體陣列400可以形成直線電機的電樞。具有多個線圈的定子(未示出)可以圍 繞磁體陣列400的一部分。圖5圖示了根據一個實施例的8步兩面磁體陣列500。8步磁體陣列500包括兩行 (502,504)磁結構 502a-502f、504a-504f。各磁結構 502a_502f、504a_504f 包括四個小磁 體 502al-502a4、502bl-502b4、502cl-502c4、502dl-502d4、502el-502e4、502fl-502f4 和 504al-504a4、504bl-504b4、504cl-504c4、504dl-504d4、504el-504e4、504fl-504f4，這些 小磁體被定向成具有如在各小磁體中的箭頭所示的不同磁極性。一對磁結構(例如，502a、 502b或者5(Ma、504b)包括沿著運動方向的各行中的八個小磁體，這是為了將小磁體的磁 極性矢量旋轉360度而需要的相鄰小磁體的數目的長度(即空間周期)。多個磁結構5(^a-502f、5(Ma-504f中的各磁結構彼此基本上相鄰。多個小磁體中 的各小磁體被定向成聯合生成預定磁化圖案508，該磁化圖案表示為磁結構50 和502b的 磁場的極性542和M6。通過以非恒定方式改變各磁結構中的多個小磁體中的磁極性矢量 的內角和/或間角來生成磁化圖案508。所謂非恒定是指并非所有內角和間角都具有相同 量值。相鄰磁結構的磁化圖案508在方向上基本上相反。例如參照行502，小磁體50加1的磁極性矢量相對于電樞的運動方向定向于45 度。小磁體50加2的磁極性矢量相對于小磁體502al的極性矢量定向于方向30度。小磁 體50加3的磁極性矢量相對于小磁體50加2的極性矢量定向于方向30度。小磁體50加4 的磁極性矢量相對于小磁體50加3的極性矢量定向于方向30度。小磁體502b 1的磁極性 矢量相對于小磁體502a4的極性矢量定向于方向90度。應當注意，這里描述磁極性矢量相 對于其相鄰小磁體的極性矢量而言的角度改變的量值而未考慮符號。在這一實施例中，在 各磁結構中的兩個相鄰小磁體的極性矢量之間的30度相對角度改變針對電樞中的多個磁 結構5(^a-502f、5(Ma-504f中的各磁結構而重復。也可以使用相對角度改變的其它量值。 例如，在另一 8步實施例中，相對角度改變在各磁結構內為15度并且針對電樞中的多個磁 結構5(^a-502f、5(Ma-504f中的各磁結構而重復。在其它實施例中，間角可以在約45°與90°之間變化而內角可以在約45°與30°之間變化。在一個實施例中，由相對角度改變所規定的角度圖案也可以在磁結構50加-502廠 504a-504f之間變化。例如，用于磁結構5(^a_502f的角度圖案可以不同于用于磁結構 5(Ma-504f的角度圖案。在相鄰磁結構(例如50 和502b)中的小磁體(例如502a4和502bl)的磁極性 矢量的內角可以在整個磁陣列500內相同。在這一實施例中，磁極性矢量的間角(例如在 502a4與502bl之間的相對角度)的量值為90度。也可以根據所需磁化圖案使用其它值。雖然在圖5中示出了兩行磁結構502、504，但是討論的原理可以應用于具有其它 行數(比如單行或者三行)的磁結構(未示出)的陣列。單行磁結構可以形成用于直線電 機的單面電樞，而三行磁結構可以形成用于直線電機的三面電樞。具有線圈的定子(未示 出)可以與單面電樞相鄰(比如與電樞的強面相鄰)定位。圖6圖示了根據一個實施例的8步兩面磁體陣列600。8步磁體陣列600包 括兩行(602、604)磁結構 602a-602e、604a-604e。各磁結構 602a-602e、604a_604e 包 括多個小磁體 602al-602a4、602bl-602b4、602cl-602c4、602dl-602d4、602el-602e4 和 604al-604a4、604bl-604b4、604cl-604c4、604dl-604d4、604el-604e4，這些小磁體被定向 成具有如在各小磁體 602al-602a4、6(^bl-6(^b4、602cl-602c4、602dl-602d4、602el-602e4 和 604al-604a4、604bl-604b4、604cl-604c4、604dl-604d4、604el-604e4 中的箭頭所示的 不同磁極性。多個磁結構6(^a-602e、6(Ma-6(Me中的各磁結構彼此基本上相鄰。多個小磁體中 的各小磁體被定向成生成預定磁化圖案。如圖6中所示，預定磁化圖案產生兩個相鄰磁結 構60 和602b的磁場的極性矢量642和644。通過以非恒定方式改變各磁結構6(^a-602e、 6(Ma-6(Me中的多個小磁體中的磁極性矢量的內角和/或間角來生成磁化圖案。換而言之， 并非所有內角和間角都相同。參照行602，小磁體602al的磁極性矢量相對于與電樞的運動方向610垂直的方向 定向于45度。小磁體60加2的磁極性矢量相對于小磁體60加1的極性矢量定向于方向45 度。小磁體602a3的磁極性矢量相對于小磁體602a2的極性矢量定向于方向零度。小磁體 602a4的磁極性矢量相對于小磁體602a3的極性矢量定向于方向45度。在這一實施例中， 定義為兩個相鄰小磁體之間相對角度改變的角度圖案45° -0° -0° -45°針對電樞中的 多個磁結構6(^a-602e、6(Ma-6(Me中的各磁結構而重復。也可以使用具有不同值的其它角 度圖案。在所示實施例中，各兩行磁結構6(^a-602e、6(Ma_6(Me包括共計八個小磁體。在 另一實施例中，四個內側小磁體(例如，602e2、602e3、604e2、604e3)可以替換為各磁結構 602a-602e,604a-604e中的單個小磁體612。這是可能的，因為內側小磁體6(^e2、602e3和 604e2,604e3的磁極性矢量具有相同定向。單個小磁體612可以具有與各外小磁體60加1、 602e4和604el、604e4不同的尺度(例如，各邊的長度可以為兩倍大，從而產生體積為四倍 的小磁體)。在其它實施例中，在各磁結構6(^a-602e、6(Ma-6(Me中的至少兩個小磁體在至 少一個維度上不同。對于這里描述的實施例，應當注意可以在磁體陣列內改變小磁體的尺 度。圖7是根據一個實施例的磁體陣列750的透視圖。磁體陣列750包括三個分立的面702、704、706。分立的面702、704、706被定位成使得橫截面在形狀上為三角形。在一個 實施例中，三角形為等邊三角形。各分立的面702、704、706包括一行磁結構。如側視圖712 中所示，一行磁結構710包括磁結構758a-758c，各磁結構包括多個小磁體。在特定分立的 面702、704、706中的一對磁結構(例如758a、758b)包括與沿著運動方向的各行中的8步 對應的八個小磁體，這是為了將小磁體的磁極性矢量旋轉360度而需要的相鄰小磁體的數 目的長度(即空間周期)。小磁體被定向成具有如在各小磁體中的箭頭所示的不同磁極性。多個磁結構758a-758c中的各磁結構彼此基本上相鄰。多個小磁體中的各小磁體 被定向成生成預定磁化圖案。通過以非恒定方式改變各磁結構中的多個小磁體中的磁極性 矢量的內角和/或間角來生成磁化圖案。例如參照行710，在磁結構758a中的第一小磁體 758al的磁極性矢量相對于運動方向770定向于45度。在磁結構758a中的第二相鄰小磁 體758a2的磁極性矢量相對于第一小磁體758al的極性矢量定向于方向30度。第三下一相 鄰小磁體758a3的磁極性矢量相對于第二小磁體758a2的極性矢量定向于方向30度。下 一第四相鄰小磁體758a4的磁極性矢量相對于第三小磁體758a3的極性矢量定向于方向30 度。應當注意，這里描述磁極性矢量的角度改變的量值而未考慮符號。在這一實施例中，在 磁結構(例如，758a)內的兩個相鄰小磁體之間的相對角度改變為恒定15度的角度圖案針 對多個磁結構758a-758c中的各磁結構而重復。也可以使用具有不同值的其它角度圖案。具有三角形橫截面區域的磁體陣列750可以形成直線電機的電樞。具有多個線圈 的定子(未示出)可以圍繞磁體陣列750的一部分。圖8是根據一個實施例的磁體陣列800的透視圖。磁體陣列800在形狀上基本上 為圓柱形并且包括兩個磁結構802、804用于圖示。在實踐中，圓柱形磁體陣列可以包括兩 個以上的磁體陣列。圓柱形磁體陣列800可以形成直線電機的電樞。圓柱形磁體陣列800 可以在圓周方向上形成于單件或者多件如831-838中。多件831-738在它們接合在一起時 形成環或者盤。各磁結構802、804包括多個小磁體。例如，第一磁體結構802包括小磁體 802al-802a4而第二磁體結構804包括小磁體804al_804a4。如從橫截面820所見，一行磁結構840包括磁結構802和804。在一個實施例中， 以恒定方式(840)改變在各橫截面(例如820)中的小磁體的磁極性矢量的內角和間角。在 另一實施例中，以非恒定方式(850)改變在各橫截面(例如820)中的小磁體的磁極性矢量 的內角和間角。具有多個線圈的定子(未示出)可以圍繞磁體陣列800的一部分。圖9圖示了根據一個實施例的直線電機900。直線電機900包括電樞902，該電 樞包括磁體陣列。直線電機900還包括定子904。定子904可以包括具有多個齒908的芯 906。在一個實施例中，定子904形成有磁鋼迭片。一個或者多個齒908可以包括纏繞于其 上的線圈。在這一實施例中，定子904包括兩面。可以在實踐中使用任何適當數目的磁結 構和定子線圈。一般已知用于控制直線電機900中的電流的技術。例如，在比如這里公開的多相 電機中，在定子904中的線圈組件具有分組成914、912、916的各個繞組。用電流選擇性地 向相組914、912、916賦能以增加直線電機800的效率。通常，電樞902安放于電樞902與 定子904之間機械耦合的低摩擦軸承(未示出)上。下文描述將著重于直線電機900的一面。然而，所述原理適用于直線電機900的第二面以及具有兩個以上的分立的面的其它直線電機或者具有連續圓柱形配置的直線電機。 向第一組線圈914賦能從而使電樞902相對于定子904移動。例如電樞902在來自磁結構 的磁通量與第一相組914所生成的磁通量相互作用時移出它的初始位置。接著，向第二相 組912賦能。接下來，向第三相組916賦能。額外的相組(未示出)在理論上更高效，因為 在電機中維持更均勻的施力和功率輸入利用。然而，各額外相組使去往各個相組的脈沖的 定時變得復雜。在平衡這些折衷時往往使用三相電機。如先前所述，直線電機900包括三相導體繞組。圖9中的三個相組(914，912，916) 代表線圈的導體繞組在它們被設置于定子904中時的橫截面。因而可以選擇性地向三個不 同相組(914，912，916)賦能以產生電樞902相對于定子904的高效移動。在相同相組中的各線圈輸送相同瞬時電流。因此對于相組914，電流在線圈91 流入圖9的平面中，并且由于線圈為連續回路的形式，所以電流在線圈914b流出圖9的平直線電機900可以由耦合到常規電機控制模塊(未示出)的換向電路和電流源 (未示出)來控制，其提供用于引導直線電機900的操作的邏輯信號。在電機線圈與它們的 對應換向電路和電流源之間的連接引線各自包括多個電線從而選擇性地經過個別線圈相 分配電流。圖10是圖11中的各種示例磁體陣列的生產力的曲線圖1000。線1002示出了與 傳統北-南陣列(圖11的1110)關聯的生產力。線1004示出了與4步雙面Halbach陣 列(圖11的1120)關聯的生產力。如圖11中所示，內角和間角在兩個相鄰小磁體之間的 相對角度改變是恒定的。具體而言，相對角度改變在任何兩個相鄰小磁體(如1120al與 1120a2)之間恒定于90度。線1006示出了與8步雙面磁體陣列(圖11的1130)關聯的生 產力。圖11的磁體陣列1130是與圖6相同的磁體陣列。如結合圖6所述，磁體陣列1130 具有非恒定角度改變圖案。線1008示出了與另一 8步雙面磁體陣列(圖11的1140)關聯 的生產力。圖11的磁體陣列1140是與圖5相同的磁體陣列。如結合圖5所述，磁體陣列 1140也具有與圖6的角度改變圖案不同的非恒定角度改變圖案。線1010示出了與16步雙 面磁體陣列(圖11的1150)關聯的生產力。圖11的磁體陣列1150是與圖3相同的磁體 陣列。如結合圖3所述，磁體陣列1150具有恒定角度改變圖案。具體而言，相對角度改變 在任何兩個相鄰小磁體之間恒定于12. 25度。示例性磁體陣列200、400、500的生產力大于傳統北-南和4步Halbach陣列100 的生產力。對于給定的磁體體積，生產力的增加使直線電機的效率與傳統北-南磁體陣列 或者4步Halbach磁體陣列相比增加。在一些實施例中，有可能在磁化與磁體陣列中的磁結構對應的小磁體之前組裝小 磁體。這有別于磁化小磁體并于隨后組裝磁結構。可能不希望在小磁體被磁化時組裝磁結 構，因為小磁體間的磁力可能使組裝困難。前文描述旨在于僅舉例說明本發明而不應理解為使所附權利要求書限于任何特 定實施例或者實施例組。因此，盡管已經參照示例性實施例描述本發明，但是也應當理解， 本領域普通技術人員可以設計諸多修改和替代實施例而不脫離如所附權利要求書中闡述 的本發明的更廣和既定精神實質和范圍。此外，這里包括的章節標題旨在于便于回顧而并 非為了限制本發明的范圍。因而說明書和附圖將以示例方式來對待而并非為了限制所附權利要求書的范圍。在解釋所附權利要求時應當理解a)詞語“包括”并不排除存在除了給定的權利要求中列舉的要素或者動作之外的 其他要素或者動作；b)在要素之前的詞語“一個/ 一種”并不排除存在多個這樣的要素；c)在權利要求書中的任何參考標號并不限制它們的范圍；d)若干“裝置”可以由同一項或者硬件或軟件實施的結構或者功能代表；e)除非另有具體聲明，任何公開的設備或者其部分可以組合在一起或者分解成更 多部分；并且f)除非具體指明，將無需特定動作或者步驟序列。
權利要求
1.一種用于直線電機的電樞，包括一對磁結構中的第一磁結構，包括各自具有磁極性矢量的第一多個小磁體；在所述第 一多個小磁體中的兩個相鄰磁極性矢量之間的角度具有第一量值；以及所述一對磁結構中的第二磁結構，包括各自具有磁極性矢量的第二多個小磁體；在所 述第二多個小磁體中的兩個相鄰磁極性矢量之間的角度具有第二量值，所述第一多個小磁體包括與所述第二多個小磁體中的第二外小磁體相鄰的第一外小 磁體，在所述第一與第二外小磁體的磁極性矢量之間的角度具有與所述第一和第二量值中 的至少一個量值不同的第三量值。
2.根據權利要求1所述的電樞，其中所述第一和第二量值基本上相同。
3.根據權利要求1所述的電樞，還包括與所述第二磁結構基本上相鄰的第三磁結構， 所述第三磁結構包括各自具有磁極性矢量的第三多個小磁體，在所述第二多個小磁體中的 兩個相鄰磁極性矢量之間的角度具有第四幅度。
4.根據權利要求3所述的電樞，還包括與所述第三磁結構基本上相鄰的第四磁結構， 所述第三和第四磁結構包括一對磁結構。
5.根據權利要求1所述的電樞，其中所述第一和第二磁結構包括所述電樞的第一面。
6.根據權利要求1所述的電樞，還包括多個分立的面，所述多個分立的面中的每一個 包括至少一對磁結構。
7.根據權利要求1所述的電樞，其中所述電樞在形狀上基本上為圓柱形，并且所述第 一和第二磁結構中的每一個基本上為盤形或者環形中之一。
8.根據權利要求1所述的電樞，其中在所述第一和第二磁結構中的至少兩個小磁體在 尺度上不同。
9.根據權利要求1所述的電樞，其中所述第一和第二多個小磁體中的至少一個包括兩 個外小磁體和兩個內小磁體，所述外小磁體的磁極性矢量相對于與所述電樞的運動方向垂 直的方向而言的角度量值基本上為45度，并且所述內小磁體的磁極性矢量相對于與所述 電樞的運動方向垂直的方向而言的角度量值基本上為15度。
10.根據權利要求1所述的電樞，其中所述第一和第二多個小磁體中的至少一個包括 兩個外小磁體和兩個內小磁體，所述外小磁體的磁極性矢量相對于與所述電樞的運動方向 垂直的方向而言的角度量值基本上為45度，并且所述內小磁體的磁極性矢量相對于與所 述電樞的運動方向垂直的方向而言的角度量值基本上為零度。
11.根據權利要求1所述的電樞，其中所述第一和第二多個小磁體中的每一個包括三 個小磁體。
12.根據權利要求1所述的電樞，其中所述第一和第二多個小磁體中的至少一個包括 兩個外小磁體和一個內小磁體，所述外小磁體的磁極性矢量相對于與所述電樞的運動方向 垂直的方向而言的角度量值基本上為45度，并且所述內小磁體的磁極性矢量相對于與所 述電樞的運動方向垂直的方向而言的角度量值基本上為零度。
13.根據權利要求1所述的電樞，其中所述一對磁結構中的所述第一磁結構形成具有 第一磁極性的第一磁場，所述一對磁結構中的第二磁結構形成具有第二磁極性的第二磁 場，所述第一磁極性與所述第二磁極性基本上相反。
14.根據權利要求1所述的電樞，其中所述一對磁結構中的至少一個磁結構被作為整體磁化。
15.根據權利要求1所述的電樞，還包括至少兩個分立的面，所述至少兩個分立的面中 的每一個包括一對磁結構中的第一磁結構；以及 所述一對磁結構中的第二磁結構。
全文摘要
本發明公開一種用于直線電機的電樞，其具有形成交替磁極(542，546)的以類似Halbach的方式設置的永磁體。形成一極(542或者546)的相鄰磁體(502a1-502a4或者502b1-502b4)的磁化方向相差第一角度；代表兩個相鄰磁極(542，546)之間的邊界的那兩個相鄰磁體(542a4，502b1)的磁化方向相差與第一角度不同的第二角度。
文檔編號H02K1/27GK102138273SQ200980134208
公開日2011年7月27日 申請日期2009年8月24日 優先權日2008年9月3日
發明者M·A·海納, R·T·卡爾馬克, R·蘇里, S·J·馬奎雷, T·A·弗羅埃施萊 申請人:伯斯有限公司