專利名稱：具有交錯排列的磁極的開關磁阻電動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的領域本發(fā)明涉及采用電子換相的開關磁阻電機，尤其涉及由多相電源控制的連續(xù)轉(zhuǎn)動電動機。
在已有技術中，開關磁阻電動機是眾所周知的。這些電動機具有一個通常被稱為定子的靜止部件和一個通常被稱為轉(zhuǎn)子的可移動部件。轉(zhuǎn)子與定子定向成使它們可以相對移動。典型的定子包括可以支承多個在圓周上相互隔開一定距離并且其間有間隙的透磁性磁極的磁軛。典型的轉(zhuǎn)子包括由形成兩個或多個在圓周上相互隔開一定距離并且其間有間隙的磁極的透磁性鋼疊片所組成的透磁性體。轉(zhuǎn)子定子這樣相對放置當轉(zhuǎn)子相對于定子移動時，即當轉(zhuǎn)子磁極相對于定子磁極移動時，定子和轉(zhuǎn)子的相應磁極緊挨著通過。電動機的相繞組是在定子磁極上而不是在轉(zhuǎn)子磁極上。開關磁阻電動機依靠多相電子換相從而以適當?shù)捻樞驅(qū)@些相繞組激磁來產(chǎn)生轉(zhuǎn)子、定子的相對轉(zhuǎn)動。具體地說，相繞組的激磁在定子上產(chǎn)生了一對具有N極和S極的磁極對。這些相繞組產(chǎn)生了穿過極化磁極對、轉(zhuǎn)子、定子磁軛的磁通路徑，即磁路。在穿過轉(zhuǎn)子的磁通作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使得轉(zhuǎn)子磁極對移到它與定子極化磁極對之間的磁阻為最小的位置上。該最小磁阻位置對應于通電相繞組的最大電感位置。兩相SR電動機的共同特點是轉(zhuǎn)子一般是按照單方向的最佳轉(zhuǎn)動性能進行設計的。開關磁阻電動機(以后稱之為“SR”電動機)的優(yōu)點是電能轉(zhuǎn)換為機械能的效率高，機械結構簡單、可靠，具有相當高的轉(zhuǎn)速，即100，000RPM。另外，SR電動機的生產(chǎn)成本低，堅固耐用并且不需要電刷或滑環(huán)。
一些通用SR電動機的結構與電子換相系統(tǒng)可以滿足一定范圍的使用要求。一些多相電源與定子／轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在沒有限制的情況下包括兩相8／4電動機；三相6／4電動機；四相8／6電動機和五相10／8電動機。提高定子與轉(zhuǎn)子的極數(shù)和采用較多相電源的理由是為了增加每一轉(zhuǎn)的電子換相次數(shù)從而使相間的轉(zhuǎn)矩降落或轉(zhuǎn)矩脈動達到最小。
SR電動機的轉(zhuǎn)矩與隨轉(zhuǎn)子位置變化的通電相繞組的電感變化(dL)有關。SR電動機的電感隨轉(zhuǎn)子磁極接近或遠離通電相繞組的相關定子磁極而減小或增大，即隨轉(zhuǎn)子一定子系統(tǒng)移進或移出最小磁阻位置而減小或增大。當出現(xiàn)隨角度位置變化的電感變化(即dL／dθ)就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；當通電相繞組的電感增大時產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，當通電相繞組的電感減小時產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩。
已有技術的兩相SR電動機的問題是在轉(zhuǎn)子相對于定子的某些角度位置上，轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩等于零或非常小。這個小轉(zhuǎn)矩或零轉(zhuǎn)矩位置是由于轉(zhuǎn)子磁極和定子磁極相互間處于這樣一種相對位置所造成的，在這種位置沒有足夠的磁通從通電定子磁極對穿過轉(zhuǎn)子磁極對以致于不能使它們相對移動。人們曾嘗試改變轉(zhuǎn)子磁極的幾何結構來解決這個問題，使得轉(zhuǎn)子磁極部分與通電定子磁極之間有足夠的磁通聯(lián)系從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
一種這樣的幾何結構包括階梯氣隙轉(zhuǎn)子，其中，與通電定子磁極有磁通聯(lián)系的轉(zhuǎn)子磁極極面的第一部分與定子磁極極面之間形成了具有第一氣隙空間的氣隙，與定子磁極極面有磁通聯(lián)系的轉(zhuǎn)子磁極極面的第二部分形成了第二氣隙，第二氣隙空間比第一氣隙空間窄；第一氣隙與第二氣隙之間的過渡是階梯式過渡。
另一種幾何結構包括蝸形凸輪裝置，其轉(zhuǎn)子磁極極面呈錐形以至于在轉(zhuǎn)子向著它與相關定子磁極之間的最小磁阻位置轉(zhuǎn)動的過程中轉(zhuǎn)子與定子之間的氣隙逐漸變小。這些磁極幾何結構拓寬了轉(zhuǎn)子磁極的極面以至于當轉(zhuǎn)子磁極的第二部分位于它與通電相定子磁極的最小磁阻位置時轉(zhuǎn)子磁極的第一部分已延伸到了鄰近的斷電相定子磁極位置上。這些種類的轉(zhuǎn)子磁極幾何結構消除了兩相電動機的零轉(zhuǎn)矩位置，不過這種轉(zhuǎn)子幾何結構不能在轉(zhuǎn)子的整個轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩。這種由已有技術的兩相SR電動機產(chǎn)生的不穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)矩波動在諸如洗衣機、液體泵、牽引電動機、位置伺服機等一些應用場合是不能接受的，這些應用場合要求在定、轉(zhuǎn)子的任何相對位置上都要有相當大的轉(zhuǎn)矩。
克服SR電動機的轉(zhuǎn)矩波動的嘗試方法包括把換相系統(tǒng)的相數(shù)增加到3相或3相以上。眾所周知，轉(zhuǎn)矩波動通常隨電動機相數(shù)的增加而減小。具體地說，3相電動機的轉(zhuǎn)矩脈動通常比2相電動機的轉(zhuǎn)矩脈動小，4相電動機的轉(zhuǎn)矩脈動通常比3相電動機的轉(zhuǎn)矩脈動小，其余依次類推。轉(zhuǎn)矩脈動之所以隨相數(shù)的增大而減小是因為在某相的前一相的dL／dθ變?yōu)榱阒澳诚嗟膁θ／dL不為零。這樣，當相數(shù)提高到3相或3相以上時會產(chǎn)生緊密鄰接或重疊的dL／dθ，因而在某一相通電產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩終止之前轉(zhuǎn)子已經(jīng)承受了由另一相通電所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。SR電動機的這種相間轉(zhuǎn)矩連續(xù)或轉(zhuǎn)矩重疊產(chǎn)生了較小轉(zhuǎn)矩脈動的更加連續(xù)的轉(zhuǎn)矩。不過，3相或3相以上的SR電動機存在這樣一些問題增加了電子換相系統(tǒng)的元件數(shù)量從而增加了電動機的成本；增加了電子換相系統(tǒng)與相繞組之間的連接端；提高了對電子換相系統(tǒng)中用于分辨轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器的分辨率的要求；噪聲比兩相SR電動機大。
本發(fā)明的目的是提供一種能解決上述問題和解決其它問題的新的改進的SR電動機。
本發(fā)明的概述根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種開關磁阻電動機，它具有一個包括多個定子磁極的定子和一個包括第一磁極與第二磁極的轉(zhuǎn)子，其中第一磁極具有第一尺寸的極面而第二磁極具有第二尺寸的極面。轉(zhuǎn)子與定子相互間這樣相對放置使得轉(zhuǎn)子磁極相對于定子磁極可以轉(zhuǎn)動。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，每個定子磁極的極面橫貫第一角度，第一轉(zhuǎn)子磁極的極面橫貫第二角度，其中第二角度大約等于第一角度的兩倍，這樣，在轉(zhuǎn)子圓周上，第一轉(zhuǎn)子磁極的極面寬度大約等于第二磁極的極面寬度的兩倍。第二轉(zhuǎn)子磁極的極面橫貫的角度大約與每個定子磁極橫貫的角度相同，因此第二轉(zhuǎn)子磁極的極面寬度大約與定子磁極的極面寬度相等。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種由多相電源供電的電機。這種電機具有含多個磁極的由透磁性材料制成的第一部件和含第一幾何結構的第一磁極及第二幾何結構的第二磁極的由透磁性材料制成的第二部件。這種電機包括用于將第二部件安裝成相對于所述第一部件可以轉(zhuǎn)動以便第一和第二部件上的相應磁極能夠相對移動的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，在第一部件的磁極極面與對置的第二部件的磁極極面之間形成了一個基本恒定的氣隙。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種開關磁阻電動機。這種開關磁阻電動機包括一個兩相電源、一個具有磁軛和多個均勻放置在磁軛周圍的磁極的定子、一個具有偶數(shù)個磁極的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子磁極不均勻地放置在轉(zhuǎn)子圓周上，轉(zhuǎn)子可以圍繞縱軸和相對于定子轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子磁極中的一種磁極具有第一尺寸的極面，所述轉(zhuǎn)子磁極中的另一種磁極具有第二尺寸的極面。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，轉(zhuǎn)子的第一磁極與其第一方向上的相鄰磁極之間的夾角為第一角度，第一磁極與其第二方向上的相鄰磁極之間的夾角為第二角度。
根據(jù)本發(fā)明的附加限制方面，轉(zhuǎn)子具有4個磁極，第一角度大于90°而第二角度小于90°。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種SR電動機。該電動機包括一具有多個沿圓周均勻分布的透磁性磁極的定子，每個定子磁極具有橫貫第一角度的極面。該電動機還有一個轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上有偶數(shù)個繞縱軸不均勻分布的透磁性磁極。轉(zhuǎn)子磁極包括具有橫貫第一角度的窄極面的磁極和具有橫貫約兩倍于第一角度的第二角度的寬極面的磁極。轉(zhuǎn)子按照能圍繞其縱軸和相對于所述定子轉(zhuǎn)動來放置以便轉(zhuǎn)子磁極相對于定子磁極可以移動。
根據(jù)本發(fā)明的附加限制方面，SR電動機包括多個連接到多相電源上的與定子磁極有關的繞組。用多相電源供電可以使繞組對至少一對定子磁極進行激磁使之成為向轉(zhuǎn)子磁極傳遞轉(zhuǎn)矩的磁極。在運行中，每相繞組的通電會產(chǎn)生一個被傳遞到轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩的情況是這樣的，在所述相通電的第一階段，轉(zhuǎn)矩基本作用在寬極面磁極上；在所述相通電的第二階段，轉(zhuǎn)矩基本作用在窄極面磁極上。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種對電動機和多相電源進行控制的方法。電動機包括第一部件和第二部件，其中，第一部件具有多個以常規(guī)方式沿圓周均勻分布的磁極，第二部件具有偶數(shù)個以常規(guī)方式圍繞縱軸在圓周上不均勻分布的磁極。第二部件包括具有寬極面的第一磁極和具有窄極面的第二磁極。第一和第二部件這樣來放置使得在它們的相應磁極之間形成一個氣隙。該方法包括給多相電源的第一相通電從而向?qū)挊O面磁極提供轉(zhuǎn)矩。隨著第一相的通電，不再向?qū)挊O面磁極提供轉(zhuǎn)矩，而是向窄極面磁極提供轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)該方法的附加限制方面，當多相電源的第一相斷電、第二相通電時，轉(zhuǎn)矩加到寬極面磁極上。隨著第二相的通電，不再向?qū)挊O面磁極對提供轉(zhuǎn)矩，而是向窄極面磁極提供轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種控制發(fā)電機的方法。發(fā)電機包括具有多個以常規(guī)方式均勻分布的磁極的第一部件和具有偶數(shù)個以常規(guī)方式不均勻分布的磁極的第二部件。第二部件包括寬極面的第一磁極和窄極面的第二磁極。第一和第二部件相互間這樣相對放置使得第一部件上的磁極的極面相對于第二部件上的磁極的極面可以移動。該方法包括機械地相對驅(qū)動所述第一部件與所述第二部件。隨著所述第一部件上的磁極與所述第二部件上的磁極大致對齊，使與至少一個對齊磁極相關的相繞組通電。將相繞組與相驅(qū)動器分開并使它連接到儲能裝置上以便向儲能裝置傳遞由第一部件與第二部件的相對移動所產(chǎn)生的電能。
本發(fā)明的優(yōu)點是改善了所有定、轉(zhuǎn)子相對位置上的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是改善了兩相SR電動機的轉(zhuǎn)矩性能，使得兩相SR電動機適合于至今仍需要三相或三相以上SR電動機的應用場合。
本發(fā)明的再一個優(yōu)點是減小了轉(zhuǎn)矩脈動。
本發(fā)明還有一個優(yōu)點是比現(xiàn)有技術的發(fā)電機提高了電能輸出能力。
對本領域的熟練技術人員來說，只要閱讀并理解了以下優(yōu)選實施例的詳細說明應能明顯看到本發(fā)明更多的優(yōu)點。
附圖的簡要說明

圖1是按照本發(fā)明的8／4開關磁阻電動機的剖視圖。
圖2示出了在圖1的基礎上連接了有關控制與工作電路的并且轉(zhuǎn)子向前移動了15個機械角度的電動機的剖視圖。
圖3和圖4是相對于圖1中的電動機轉(zhuǎn)子分別向前移動了30°和45°的轉(zhuǎn)子與定子的局部圖。
圖5(a)到5(f)是圖1中定、轉(zhuǎn)子的局部圖，它示出了在由A相繞組與B相繞組的通電所產(chǎn)生的N極和S極對的作用下，轉(zhuǎn)子相對于定子沿CCW方向所作的機械運動，為便于說明，圖中省去了A相繞組和B相繞組。
圖6(a)到圖6(f)為與圖5(a)到圖5(f)的通電相及定、轉(zhuǎn)子的相對位置相對應的磁力線圈。
圖7(a)示出了轉(zhuǎn)子相對于定子作CCW方向的機械運動的情況下圖1中的A相和B相定子繞組的理想電感曲線。
圖7(b)示出了與圖7(a)的電感曲線相對應的圖1中的A相和B相繞組的理想通電曲線。
圖8是在轉(zhuǎn)子相對于定子作CCW方向的機械運動的情況下圖1中的A相和B相轉(zhuǎn)子繞組的電感曲線。
圖9(a)是在A相和B相繞組上施加1．5A、2A、2．5A和3A的電流以及電感曲線為圖8所示的電感曲線的條件下得到的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線。
圖9(b)示出了與圖9(a)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線相對應的A相和B相定子繞組的通電曲線。
圖9(c)是由圖9(a)所示的A相和B相轉(zhuǎn)矩曲線合成后得到的轉(zhuǎn)矩曲線。
圖10是按照本發(fā)明的16／8開關磁阻電動機的剖視圖。
圖11(a)是按照本發(fā)明的接有相關控制與工作電路的4／2開關磁阻電動機的剖視圖。
圖11(b)和11(c)是圖11(a)的開關磁阻電動機定、轉(zhuǎn)子的局剖圖，它們示出了在由A相繞組和B相繞組的通電所產(chǎn)生的N極和S極對的作用下，轉(zhuǎn)子位置分別比圖11(a)所示的轉(zhuǎn)子位置前移了45°和90°的情況。
圖12是按照本發(fā)明的直線傳動裝置。
圖13(a)到(e)是按照本發(fā)明的定子裝置的轉(zhuǎn)子與定子的局部圖，它示出了在由A相繞組與B相繞組的通電所產(chǎn)生的N極和S極對的作用下，轉(zhuǎn)子相對于定子沿CW方向所作的機械運動，為便于說明，圖中省去了A相與B相繞組。
圖14是按照本發(fā)明的接有相關控制與工作電路的開關磁阻電動機一發(fā)電機。
優(yōu)選實施例的詳細說明圖1示出了按照本發(fā)明的兩相8／4開關磁阻電動機10的剖視圖。該電動機上有一個定子12，該定子12具有放置在中心膛16周圍并限定了多個磁極18(a)到18(h)的透磁性部件14。在圖1所示的實施例中，定子具有偶數(shù)個磁極，盡管圖1中示出了8個磁極，但定子可以具有不同的偶數(shù)個磁極。轉(zhuǎn)子20放置在中心膛內(nèi)以便在其中轉(zhuǎn)動。該轉(zhuǎn)子具有4個磁極22(a)到22(d)，不過，轉(zhuǎn)子可以具有不同的偶數(shù)個磁極。相繞組24、26分別繞在A相定子磁極和B相定子磁極上以便產(chǎn)生從定子磁極延伸到中心膛內(nèi)的磁場。相繞組24和26被交替放置在定子磁極上并且采用這樣的繞法使不同極性的磁極一一相對。在所述的實施例中，A相磁極18(a)和18(c)是N極，A相磁極18(e)和18(g)是S極。類似地，B相磁極18(f)和18(h)是N極，B相磁極18(b)和18(d)是S極。顯然磁極極性只是為了便于說明而不是對本發(fā)明的限制。
參照圖2和圖1，A相繞組和B相繞組分別被串聯(lián)連接到開關電流源30和32上以便電流僅以同一方向流過相繞組。不過應當理解，相繞組可以被并聯(lián)或串并聯(lián)組合連接到它們各自的開關電流源上。諸如霍爾傳感器、分析器或編碼器之類的位置傳感器36被連接在轉(zhuǎn)子與定子之間，它用于測定轉(zhuǎn)子相對于定子的位置。另一方面，相繞組的自感被用來測定定子相對于轉(zhuǎn)子的位置。位置傳感器上有一個連接到控制器38的輸出端，它用于輸出轉(zhuǎn)子相對于定子的角度位置信號?？刂破?8被連接到A相和B相驅(qū)動器上，它根據(jù)轉(zhuǎn)子相對于定子的位置控制各相的觸發(fā)。連接到控制器38上的可選速度控制裝置39為調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度提供了保證。在圖2所示的實施例中，電動機10是單方向電動機，其轉(zhuǎn)子相對于定子作逆時針(CCW)旋轉(zhuǎn)。不過應當理解，該電動機可以被設計成按順時針(CW)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動方向不能被看作為對本發(fā)明的限制。
參照圖3，轉(zhuǎn)子磁極被不均勻地分布在轉(zhuǎn)子圓周上。以轉(zhuǎn)子的縱軸40為參考軸，轉(zhuǎn)子磁極22(a)與22(b)之間以及22(c)與22(d)之間的夾角為第一角度41，轉(zhuǎn)子磁極22(b)與22(c)以及22(a)與22(d)之間的夾角為第二角度42，第二角度大于第一角度。此外，如圖4所示，寬轉(zhuǎn)子磁極的極面橫跨第三角度43，窄轉(zhuǎn)子磁極的極面橫跨較小的第四角度44，第三角度大于第四角度。在優(yōu)選實施例中，在轉(zhuǎn)子的圓周上，寬轉(zhuǎn)子磁極的極面寬度是窄轉(zhuǎn)子磁極極面寬度的兩倍。在定子內(nèi)圓周上，定子磁極的極面寬度大約等于窄轉(zhuǎn)子磁極的極面寬度，相鄰定子磁極之間的間距大約等于定子磁極的寬度。
圖5(a)至5(f)示出了在由有關相繞組的通電所產(chǎn)生的N極和S極的作用下轉(zhuǎn)子相對于定子沿CCW方向所作的運動。圖5(a)到5(f)省略了圖1和2所示的相繞組、A相驅(qū)動器與B相驅(qū)動器、控制器／電源、速度控制裝置和位置傳感器以便簡化轉(zhuǎn)子與定子圖。為便于了解在圖5(a)到5(f)中被省略的相繞組的通電時刻，圖中分別用符號‘N’和‘S’來表示與通電相有關的N極和S極。在從圖5(a)的零度CCW轉(zhuǎn)子位置開始的運行過程中，在A相繞組沒有通電的情況下，控制器38使B相電流源32給B相繞組激磁。該激磁電流在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生了CCW轉(zhuǎn)矩，它使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動從而使寬轉(zhuǎn)子磁極的軸線向激磁相B的定子磁極18(d)和18(h)的軸線趨近，即，轉(zhuǎn)子磁極向著它與B相定子磁極之間的最小磁阻位置移動，最小磁阻位置與產(chǎn)生所述趨近的通電相繞組的最大電感位置相對應。當轉(zhuǎn)子位于圖5(b)所示的22．5度CCW轉(zhuǎn)子位置上時，由于在寬轉(zhuǎn)子磁極與相鄰的通電相B的定子磁極之間形成了恒定的氣隙，因此它們之間的磁阻最小。然而，由于窄轉(zhuǎn)子磁極22(b)和22(d)向著它們與定子磁極18(b)和18(f)之間的最小磁阻位置移動，所以B相繞組的電感增大了。因此，盡管寬轉(zhuǎn)子磁極與B相通電繞組之間的相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩很小或等于零，但轉(zhuǎn)子仍能承受由窄轉(zhuǎn)子磁極與B相通電繞組的相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。這樣，轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩就從寬轉(zhuǎn)子磁極移動到窄轉(zhuǎn)子磁極上。當轉(zhuǎn)子位于圖5(c)所示的30度CCW轉(zhuǎn)子位置上時，隨著B相通電繞組電感的增大，轉(zhuǎn)子承受B相通電繞組所產(chǎn)生的CCW轉(zhuǎn)矩，其中B相通電繞組電感的增大是由窄轉(zhuǎn)子磁極向著它們與B相定子磁極18(b)和18(f)之間的最小磁阻位置移動所造成的?？梢岳斫猓?2．5度到45度轉(zhuǎn)子位置之間，寬轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極18(d)和18(h)之間的氣隙以及磁阻是基本恒定的，因此B相通電繞組與寬轉(zhuǎn)子磁極間的相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩等于零。當轉(zhuǎn)子位于圖5(d)所示的45度CCW轉(zhuǎn)子位置上時，寬轉(zhuǎn)子磁極和窄轉(zhuǎn)子磁極都位于它們各自與通電相B的定子磁極18(d)-18(h)和18(b)-18(f)的最小磁阻位置上。因此，這個位置上B相繞組的通電不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩。不過，在45度CCW轉(zhuǎn)子位置上A相繞組的通電使得磁通從A相磁極18(a)和18(e)穿過寬轉(zhuǎn)子磁極。隨著磁通從中穿過，轉(zhuǎn)子承受CCW轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩使寬轉(zhuǎn)子磁極的軸線向A相通電繞組的定子磁極的軸線趨近。然而，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過45度CCW轉(zhuǎn)子位置時，由于B相繞組的定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極之間的磁阻增大使得B相通電繞組的電感減小。為避免使轉(zhuǎn)子承受由B相通電繞組的減量電感所產(chǎn)生的CW(負)轉(zhuǎn)矩，可以使B相繞組斷電。這樣，轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩從B相繞組轉(zhuǎn)移到A相繞組。當轉(zhuǎn)子位于圖5(e)所示的67．5度CCW轉(zhuǎn)子位置上時，寬轉(zhuǎn)子磁極與通電相A的定子磁極18(a)和18(e)處于最小磁阻位置上，因此它們之間的相互作用不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩。不過，由于窄轉(zhuǎn)子磁極開始與A相通電繞組的定子磁極18(c)和18(g)有磁通聯(lián)系，因此A相通電繞組的電感有所增大。這樣，通電相繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩就從寬轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)移到窄轉(zhuǎn)子磁極上。當轉(zhuǎn)子位于圖5(f)所示的90度CCW轉(zhuǎn)子位置上時，寬轉(zhuǎn)子磁極和窄轉(zhuǎn)子磁極都處于它們各自與定子磁極18(a)-18(e)和18(c)-18(g)的最小磁阻位置上。所以，寬轉(zhuǎn)子磁極與A相繞組之間的相互作用不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩。不過，B相繞組的通電使得磁通從B相磁極18(b)和18(f)穿過寬轉(zhuǎn)子磁極。隨著B相繞組的通電，轉(zhuǎn)子承受CCW轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩使寬轉(zhuǎn)子磁極向B相通電繞組趨近。為避免使轉(zhuǎn)子承受由A相通電繞組的減量電感所產(chǎn)生的CW(負)轉(zhuǎn)矩，使A相繞組斷電。
圖6(a)到圖6(f)示出了與圖5(a)到5(f)的轉(zhuǎn)子位置和通電相對應的磁通曲線。在圖6(a)和6(b)所示的零度到22．5度CCW轉(zhuǎn)子位置之間，穿過寬轉(zhuǎn)子磁極的磁通量比穿過窄轉(zhuǎn)子磁極的磁通量大。在圖6(b)和6(c)所示的22．5度到30度CCW轉(zhuǎn)子位置之間，隨著窄轉(zhuǎn)子磁極向著它與定子磁極18(b)和18(f)之間的最小磁阻位置移動，穿過窄轉(zhuǎn)子磁極的磁通量有所增大。在圖6(d)所示的45度轉(zhuǎn)子位置上，B相繞組斷電而A相繞組通電，因此，穿過轉(zhuǎn)子的磁通從B相繞組轉(zhuǎn)移到A相繞組上。參照圖6(d)和6(e)，在45度和67．5度之間的轉(zhuǎn)子位置上，由A相繞組的通電所產(chǎn)生的磁通最初穿過寬轉(zhuǎn)子磁極，隨著窄轉(zhuǎn)子磁極向著它與定子磁極18(c)和18(g)之間的最小磁阻位置移動，穿過窄轉(zhuǎn)子磁極的磁通有所增大。參照圖6(f)，在90度轉(zhuǎn)子位置上使A相繞組斷電并使B相繞組通電。
在以上說明中，通過按照定子與轉(zhuǎn)子的相對位置來選擇A相繞組和B相繞組的通電和斷電使轉(zhuǎn)子向前移動了90度。然而應當理解，以上說明可以延伸到轉(zhuǎn)子移動的機械角度超過90度的范圍。此外，相繞組電感的增大或減小與所述相繞組的相關磁通路徑上的磁阻的減小與增大相對應。
本發(fā)明A相繞組和B相繞組的電感是隨角度位置的變化而變化的，其變化率(dL／dθ)為增大變化率等于第一變化率，減小變化率等于第二變化率。參照圖7(a)和7(b)并繼續(xù)參照圖5(a)到5(f)，示出了B相繞組50和A相繞組52的電感隨轉(zhuǎn)子的CCW位置和有關A相繞組與B組繞組的典型通電電流而變化的示意性理想電感曲線。應當理解圖7(a)和7(b)是為了便于說明而不能看作是對本發(fā)明的限制。當轉(zhuǎn)子位于零度轉(zhuǎn)子位置上時，B相繞組通電，A相繞組不通電。因此，轉(zhuǎn)子承受CCW轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩促使轉(zhuǎn)子向著轉(zhuǎn)子與定子之間的最小磁阻、最大電感位置移動。在B相繞組電感增大的同時，A相繞組的電感有所減小。如圖7(a)所示，這種新的磁極結構的各相電感的減小速度要比增大速度快得多。這便于使A相繞組和B相繞組的增量電感重疊。具體地說，在37度轉(zhuǎn)子位置上，A相繞組的電感從減小變?yōu)樵龃蟛⑶褹相繞組開始通電。在37度和45度轉(zhuǎn)子位置之間，兩相繞組都通電并且兩相繞組的電感均增大。因此，轉(zhuǎn)子承受由A相繞組和B相繞組共同產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。當轉(zhuǎn)動到45度轉(zhuǎn)子位置上時，A相繞組通電，B相繞組的電感從增大變?yōu)闇p小且B相繞組斷電。這樣，在避免B相繞組在其電感減小的情況下因通電而產(chǎn)生負CWL轉(zhuǎn)矩的同時轉(zhuǎn)子承受由A相繞組在其電感增大的情況下因通電而產(chǎn)生的正CCW的轉(zhuǎn)矩。當轉(zhuǎn)動到82度轉(zhuǎn)子位置上時，B相繞組的電感從減小變?yōu)樵龃螅谑鞘笲相繞組通電。在82度到90度之間的轉(zhuǎn)子位置上，隨著A相和B繞組的通電，A相繞組和B相繞組的增量電感產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩。當轉(zhuǎn)動到90度轉(zhuǎn)子位置上時，A相繞組的電感從增大變?yōu)闇p小，于是使A相繞組斷電以便只有B相繞組的增量電感在B相繞組通電的情況下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩才被傳送到轉(zhuǎn)子上。當轉(zhuǎn)動到127度轉(zhuǎn)子位置上時，A相繞組的電感從減小變?yōu)樵龃?，于是使A相繞組電。因此，在127度和135度之間的轉(zhuǎn)子位置上，A相繞組和B相繞組向轉(zhuǎn)子傳遞轉(zhuǎn)矩。當轉(zhuǎn)動到135度轉(zhuǎn)子位置上時，B相繞組的電感從增大變?yōu)闇p小，于是使B相繞組斷電以便被傳送到轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩只是由A相繞組的增量電感在A相繞組通電的情況下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
從以上內(nèi)容應當體會到本發(fā)明的A相繞組和B相繞組的電感是隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化的，其中，相繞組電感的增大率與減小率有所不同。具體地說，每相的增量電感比減量電感遍布更大的角度位置。參照圖7(a)所示的非限制性例子，在45度和82度之間的轉(zhuǎn)子位置上，即，在遍布37度的范圍內(nèi)B相電感減小，在82度和135度之間的轉(zhuǎn)子位置上，即在遍布53度的范圍內(nèi)B相電感增大。類似地，在37度和90度之間的轉(zhuǎn)子位置上，即在遍布53度的范圍內(nèi)A相電感增大，在90度和127度之間的轉(zhuǎn)子位置上，即在遍布37度的范圍內(nèi)A相電感減小。如圖7(a)所示及如上所述，A相和B相繞組電感的不同的增大和減小斜率便于使它們重疊。增量電感的重疊以及A和B相繞組的選擇性通電為在任何定、轉(zhuǎn)子的相對位置上產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩提供了保證。
參照圖8并繼續(xù)參照圖7(a)和7(b)，圖8中示出了圖5(a)到5(f)所示實施例的電感曲線。與圖7(a)和7(b)所示的理想電感曲線相比，圖8所示的電感曲線說明了A相和B相繞組電感的增大與減小之間的轉(zhuǎn)換是隨著轉(zhuǎn)子磁極移進和移出與定子磁極的同軸線而逐漸發(fā)生的。由于作用在轉(zhuǎn)子上的正向CCW轉(zhuǎn)矩是通電的相繞組的增量電感的函數(shù)，因此最好使相繞組的通電與轉(zhuǎn)子位置相配合以保證當相繞組通電時相繞組的電感正處于增大狀態(tài)。這樣，參照圖8所示的非限制性例子，在零度轉(zhuǎn)子位置使B相繞組通電并且使A相繞組斷電。當轉(zhuǎn)子位于40度與44度之間時以這樣一種方式使A相繞組通電和使B相繞組斷電，當被傳送到轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩從B相繞組轉(zhuǎn)換到A相繞組時使轉(zhuǎn)子承受最小的轉(zhuǎn)矩脈動。類似地，當轉(zhuǎn)子位于85度與89度之間時以這樣一種方式使A相繞組斷電和使B相繞組通電使得轉(zhuǎn)子承受最小的轉(zhuǎn)矩脈動。然而，各相電感能阻止其瞬時通電和瞬時斷電。因此，各相繞組的通電和斷電實際上是定時發(fā)生的以便使轉(zhuǎn)子承受最佳轉(zhuǎn)矩。這樣，舉個非限制性例子，在轉(zhuǎn)子位于大約40度的位置上時B相繞組被斷電，以在B相繞組承受減量電感從而向轉(zhuǎn)子施加負CCW轉(zhuǎn)矩之前使B儲存的能量被消耗掉。同樣，在大約40度轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動位置上給A相繞組通電從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生正CCW轉(zhuǎn)矩。由于A相繞組與B相繞組的增量電感的有利重疊，因此可以選擇各繞組的通電時間使轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩達到最佳。在理想情況下，轉(zhuǎn)子在任何位置上承受的轉(zhuǎn)矩都是不變的。然而，隨著產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的繞組的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩實際有一些降落。
據(jù)信轉(zhuǎn)子磁極的寬度會影響圖8的電感曲線。參照圖4，窄磁極的極面22(b)和22(d)的寬度大約與定子磁極極面的寬度相等，而寬轉(zhuǎn)子磁極極面22(a)和22(c)的寬度大約與定子磁極極面和相鄰間隔的總寬度相等，例如與定子磁極22(a)和間隔52的總寬度相等。這種布置有利地保證了上述相繞組的增量電感的重疊。然而，據(jù)信A相與B相電感曲線的重疊部分可以通過改變轉(zhuǎn)子磁極的寬度來調(diào)節(jié)。例如，減小寬轉(zhuǎn)子磁極與窄轉(zhuǎn)子磁極的寬度可以產(chǎn)生這樣的電感曲線當轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩在寬轉(zhuǎn)子磁極與窄轉(zhuǎn)子磁極之間轉(zhuǎn)換時幾乎沒有或根本不存在增量電感的重疊部分。同樣，增大寬轉(zhuǎn)子磁極與窄轉(zhuǎn)子磁極的寬度可以增大A相與B相繞組增量電感的重疊部分。然而，據(jù)信過分增大或減小轉(zhuǎn)子磁極的寬度會導致不良的轉(zhuǎn)矩降落。此外，增大寬轉(zhuǎn)子磁極或窄轉(zhuǎn)子磁極中的一個的寬度而減小另一個的寬度會導致增量電感重疊部分的變化。同樣，改變定子磁極的寬度也會影響A相與B相電感曲線的重疊部分。
圖9(a)和9(b)示出了圖5(a)到5(f)所示的實施例在不同相繞組通電電流(1．5A、2A、2．5A和3A)情況下的轉(zhuǎn)矩曲線和有關相通電曲線。這些轉(zhuǎn)矩曲線說明了由各相繞組通電產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩及它們的有利的重疊。應當理解轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩是A相繞組的通電與B相繞組的通電所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的總和。因此，如圖9(c)所示，當A相和B相都通電時(例如在40度到45度之間的轉(zhuǎn)子位置上)轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩是A相繞組和B相繞組的通電所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩。圖9(a)的轉(zhuǎn)矩曲線說明與通電相繞組有磁通聯(lián)系的窄轉(zhuǎn)子磁極在較大的相通電電流(如2．5A和3A)的情況下會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動。而在較小的相通電電流(如2．0A和1．5A)的情況下產(chǎn)生較小的轉(zhuǎn)矩脈動。具體參照圖9(a)中3A情況下的轉(zhuǎn)矩曲線，在15度到22．5度之間的轉(zhuǎn)子位置上，寬轉(zhuǎn)子磁極進入與定子磁極間的最小磁阻位置所帶來的B相通電繞組的增量電感產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩。然而，在大約19度轉(zhuǎn)子位置上，寬轉(zhuǎn)子磁極和窄轉(zhuǎn)子磁極與B相通電繞組互相作用產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩降落。據(jù)信，這種轉(zhuǎn)矩降落是由開始進入通電相繞組所產(chǎn)生的磁通區(qū)域的窄磁極的邊沿磁飽和所產(chǎn)生的。隨著窄轉(zhuǎn)子磁極的前移，磁力線的分布區(qū)域有所增大因而避免了窄轉(zhuǎn)子磁極的局部磁飽和。隨著轉(zhuǎn)子向22．5度轉(zhuǎn)子位置移動，窄轉(zhuǎn)子磁極上磁力線分布區(qū)域的增大將使轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩增大。同樣可以說明由在64度和154度轉(zhuǎn)子位置上A相通電繞組的增量電感以及在109度轉(zhuǎn)子位置上B相通電繞組的增量電感所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩情況。應該注意，在圖9(a)中，轉(zhuǎn)矩降落隨相通電電流的減小而減小。
A相繞組和B相繞組的通電時刻與定、轉(zhuǎn)子的相對位置相對應。在圖9(b)中，A相繞組與B相繞組的通電時刻有重疊以便利用隨轉(zhuǎn)子位置變化的A相和B相繞組的增量電感。這樣，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子就承受最小的轉(zhuǎn)矩波動。然而，應當理解，圖9(a)和圖9(b)的轉(zhuǎn)矩曲線與通電曲線只是為了說明而不應當被看成是對本發(fā)明的限制。具體地說，A相繞組和B相繞組的通電時刻重疊區(qū)可大可小，或者在沒有條件限制的情況下，根據(jù)繞組電感、換相電子電路迅速斷開相繞組的能力、電動機的轉(zhuǎn)動速度和／或要求的電動機工作特性的情況可以使A上繞組與B相繞組的激勵沒有重疊區(qū)。
以上實施例是根據(jù)兩相8／4 SR電動機進行說明的，然而，對本領域技術人員來說上述8／4實施例顯然可以擴大到具有不同轉(zhuǎn)子與定子磁極數(shù)的兩相SR電動機的實施例中。一個這樣的實施例包括圖10中的16／8SR電動機，其中該電動機包括繞在交替定子磁極上并連接到A相驅(qū)動器和B相驅(qū)動器上的A相繞組和B相繞組、控制器／電源、和附加位置傳感器。圖10中的A相與B相磁極的極性不能被看成是對本發(fā)明的限制或表示相繞組通電。
圖11(a)到11(c)示出了按照本發(fā)明的4／2SR電動機實施例。該電動機定子60由多個向內(nèi)延伸限定了中心膛64的磁極62(a)到62(d)組成。轉(zhuǎn)子66由兩個向外伸展的磁極68(a)和68(b)組成，它被放在中心膛內(nèi)以便在其中轉(zhuǎn)動。相繞組70和72分別繞在對向定子磁極62(b)與62(d)和對向定子磁極62(a)與62(c)上以便產(chǎn)生從定子磁極延伸到中心膛內(nèi)的磁場。相繞組70和72分別被連接到A相相驅(qū)動器30和B相相驅(qū)動器32上以便電流以同一方向流過相繞組。位置傳感器36被連接在轉(zhuǎn)子與定子之間，它用于測定定、轉(zhuǎn)子的相對位置。位置傳感器有一個連接到控制器38的輸出端，它用于輸出定子相對于轉(zhuǎn)子的角度位置信號。控制器38被連接到A相和B相驅(qū)動器上，它根據(jù)定、轉(zhuǎn)子的相對位置控制各相的觸發(fā)。在圖11(b)和11(c)中，省略了圖11(a)中的相繞組、相驅(qū)動器、控制器／電源、位置傳感器和附加速度控制裝置以便簡化轉(zhuǎn)子與定子圖。為便于了解在圖11(b)-(c)中被省略的相繞組的通電時刻，圖中分別用符號“N”和“S”來表示與通電相繞組有關的定子磁極N極和S極。
從圖11(a)的零度CCW轉(zhuǎn)子位置開始進行，在A相繞組不通電的情況下，控制器38使B相相驅(qū)動器32給B相繞組72通電。B相繞組的通電產(chǎn)生無限制地通過磁路74的磁通，磁路74穿過通電相B的N極62(C)、寬轉(zhuǎn)子磁極68(a)、斷電相A的定子磁極62(b)和分布在定子磁極62(b)與62(c)之間的襯鐵或磁軛76。在通過磁路76的磁通作用下，轉(zhuǎn)子承受CCW轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩使寬轉(zhuǎn)子磁極的軸線向通電相B的N極62(c)的軸線趨近。當轉(zhuǎn)子向前移動到圖11(b)所示的45度CCW位置時使得磁通無限制地通過磁路78，磁路78穿過B相的N極62(c)、轉(zhuǎn)子磁極68(a)和68(b)、B相的S極62(a)和分布在B相磁極62(a)與62(c)之間的襯鐵或磁軛76。當轉(zhuǎn)子位于45度CCW轉(zhuǎn)子位置上時，由于寬轉(zhuǎn)子磁極與通電相B的N極62(c)之間的氣隙80相對恒定，因此它們之間的磁阻達到最小。然而，由于窄轉(zhuǎn)子磁極68(b)移到了它與B相S極62(a)之間的最小磁阻位置，因此B相繞組的電感增加了。于是，在B相通電繞組與寬轉(zhuǎn)子磁極的相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩幾乎沒有或等于零的情況下，轉(zhuǎn)子承受由B相通電繞組與窄轉(zhuǎn)子磁極的相互作用所產(chǎn)生的CCW轉(zhuǎn)矩。這樣，轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩就從寬轉(zhuǎn)子磁極移到了窄轉(zhuǎn)子磁極上。當轉(zhuǎn)子位于圖11(c)所示的90度CCW轉(zhuǎn)子位置上時，寬轉(zhuǎn)子磁極和窄轉(zhuǎn)子磁極與B相通電繞組的磁極62(c)和62(a)之間的磁阻達到最小。因此，在這個位置B相繞組的通電不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。然而，給與磁極62(b)和62(d)有關的A相繞組通電可以產(chǎn)生無限制通過磁路82的磁通，磁路82穿過A相通電繞組的S極62(d)、寬轉(zhuǎn)子磁極68(a)、B相定子磁極62(c)和分布在定子磁極62(c)與62(d)之間的襯鐵或磁軛76。在通過磁路82的磁通作用下，轉(zhuǎn)子承受CCW轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩使寬轉(zhuǎn)子磁極的軸線向通電相A的S極62(d)的軸線趨近。為避免使轉(zhuǎn)子承受由B相通電繞組的減量電感所產(chǎn)生的CW(負)轉(zhuǎn)矩，給B相繞組斷電。這樣，轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩就從就從B相繞組轉(zhuǎn)到A相繞組。
在上述4／2SR電動機中，通過根據(jù)定、轉(zhuǎn)子的相對位置來選擇A相繞組和B相繞組的通電和斷電使轉(zhuǎn)子前進了90度。然而應當理解，以上說明可以擴展到轉(zhuǎn)子移動超過90°度的范圍。此外還應當理解，由于圖11(a)到11(c)的轉(zhuǎn)子不均勻分布在理想轉(zhuǎn)動中心40的周圍，因此需要增加窄轉(zhuǎn)子磁極的重量或減小寬轉(zhuǎn)子磁極的重量以便使實際轉(zhuǎn)動中心與理想轉(zhuǎn)動中心一致。
圖12示出了按照本發(fā)明的一單向直線傳動裝置84。應理解，圖12所示的直線傳動裝置包括繞在靜止磁極86、88上并連接到A相和B相驅(qū)動器以及控制器／電源上的A相繞組和B相繞組。不過，圖12中省略了與圖2所示實施例相同的相繞組、相驅(qū)動器和控制器／電源以便簡化直線傳動裝置圖。該傳動裝置包括放置在靜止磁極86、88之間的用于直線運動的棒式鐵芯90。被省略的相繞組繞在靜止磁極上以便使位于棒式鐵芯一側(cè)的磁極86呈“N”極而位于棒式鐵芯另一側(cè)的磁極88呈“S”極。A相和B相繞組交替繞在相鄰的靜止磁極上，相鄰靜止磁極隔開一個磁極寬度的距離。棒式鐵芯包括被放置在它的縱軸兩側(cè)的寬磁極對92和窄磁極對94。窄磁極的寬度與靜止磁極的寬度相同，寬磁極的寬度是靜止磁極寬度的兩倍。通過選擇A相和B相繞組的通電使棒式鐵芯從圖12所示的位置開始向左推進96。具體情況如圖5(a)到5(f)所示的實施例那樣，A相繞組與B相繞組的通電和斷電是協(xié)同進行的以便使棒式鐵芯向左移動以減小通電相繞組的相關磁極與棒式鐵芯磁極之間的磁阻磁路。當棒式鐵芯到達左端位置時，通過A相繞組的持續(xù)通電使它固定在那個位置。放置在窄磁極94與左端止動器100之間的可壓縮彈簧98可以保證在相繞組斷電時棒式鐵芯向右回行，其中左端止動器100是維持棒式鐵芯與靜止磁極之間的相互聯(lián)系的機殼端或支承端。
另一方面，交替繞有A相繞組和B相繞組從而形成N-S極對的靜止磁極可放置在傳動裝置的一側(cè)，于是傳動裝置磁極可相應放置在傳動裝置側(cè)。傳動裝置相對于靜止磁極這樣放置使得傳動裝置磁極與靜止磁極可相互移動。此外，盡管以上例子中的彈簧是按壓縮放置的，但是應當理解該彈簧還可以被放置在寬磁極與右端止動器102之間起拉伸作用。拉長的彈簧可以保證在相繞組斷電時棒式鐵芯向右回行。
圖13(a)到13(e)示出了本發(fā)明的另一個實施例，其中，靜止部件110，即定子，包括新磁極結構，移動部件112，即轉(zhuǎn)子，具有均勻的磁極。應當理解，正如圖5(a)到圖5(f)所示的實施例那樣，圖13(a)到13(e)中，相繞組、相驅(qū)動器、控制器／電源、位置傳感器和附加速度控制器有關但是圖中省略了這些部件以便使圖簡化。為便于了解被省略的相繞組的通電時刻，與通電相有關的N極或S極分別用符號“N”或“S”表示。圖13(a)到13(e)所示的磁極結構設置成當相繞組有選擇地通電時轉(zhuǎn)子112沿CW方向轉(zhuǎn)動。從轉(zhuǎn)子位于圖13(a)的零度位置開始，B相繞組通電而A相繞組斷電。這種激勵在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生CW轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子磁極114(a)和114(c)的軸線向激磁相B的定子磁極116(d)和116(h)的軸線趨近，即轉(zhuǎn)子磁極向著它與通電相B的磁極間的最小磁阻位置移動-最小磁阻位置與產(chǎn)生所述趨近的通電相繞組的最大電感相對應。在圖13(b)中，轉(zhuǎn)子位于22．5度CW位置上，轉(zhuǎn)子磁極114(a)與114(c)以及B相的寬定子磁極116(d)和116(h)已經(jīng)處于相互間的磁阻比較小的位置。然而，隨著轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)向通電相B的定子磁極的軸線趨近，通電相B的定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極之間的磁阻路徑繼續(xù)減小。具體地說，轉(zhuǎn)子承受由轉(zhuǎn)子磁極114(b)和114(d)與B相的窄定子磁極116(b)和116(f)的相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。此外，當轉(zhuǎn)子磁極114(a)和114(c)不是位于它們與B相寬定子磁極116(d)和116(h)之間的磁阻為最小的位置時，轉(zhuǎn)子還承受它們之間的相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。這樣，在B相繞組通電的情況下，轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩就從B相寬定子磁極移到B相窄定子磁極上。在圖13(c)中，轉(zhuǎn)子位于45度CW轉(zhuǎn)子位置上，轉(zhuǎn)子磁極位于它們與B相定子磁極之間的磁阻為最小的位置上，因此B相繞組的通電不會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。不過，A相繞組的通電可以使磁通從A相的寬定子磁極116(a)與116(e)穿到轉(zhuǎn)子磁極114(b)與114(d)上。在穿入的磁通作用下，轉(zhuǎn)子承受CW轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子磁極114(b)和114(d)的軸線向?qū)挾ㄗ哟艠O116(a)和116(e)的軸線趨近。應當理解，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過45度CW轉(zhuǎn)子位置，B相繞組的定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極之間的磁阻有所增大。為避免使轉(zhuǎn)子承受由B相繞組的通電與其增量磁阻的共同作用所產(chǎn)生的CCW轉(zhuǎn)矩，可以使B相繞組斷電。這樣，轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩就從B相繞組轉(zhuǎn)到A相繞組。在圖13(d)中，轉(zhuǎn)子位于67．5度CW轉(zhuǎn)子位置上，轉(zhuǎn)子磁極114(b)與114(d)以及A相的寬定子磁極116(a)與116(e)已經(jīng)處于相互間磁阻比較小的位置。然而，隨著轉(zhuǎn)子磁極向通電相A的定子磁極的軸線趨近，通電相A的定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極之間的磁阻路徑繼續(xù)減小。具體地說，轉(zhuǎn)子承受由轉(zhuǎn)子磁極114(a)和114(c)與A相窄定子磁極116(c)和116(g)的相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。此外，當轉(zhuǎn)子磁極114(b)和114(d)不是位于它們與A相寬定子磁極116(a)和116(e)之間的磁阻為最小的位置時，轉(zhuǎn)子還承受由它們之間的相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。這樣，在A相繞組通電的情況下，轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩就從A相寬定子磁極轉(zhuǎn)到了A相窄定子磁極上。在圖13(e)中，轉(zhuǎn)子位于90度CW轉(zhuǎn)子位置上，A相定子磁極位于它們與轉(zhuǎn)子磁極之間的磁阻為最小的位置上，因此寬轉(zhuǎn)子磁極與A相繞組的相互作用不會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。然而應當理解，在這個位置，轉(zhuǎn)子磁極和定子磁極處于與圖13(a)的零度CW轉(zhuǎn)子位置相類似的位置。因此，以上對圖13(a)到13(d)所示的說明可應用于此后轉(zhuǎn)子向前移動到超過90度CW轉(zhuǎn)子位置的范圍。
在某些應用場合，如航空器上還要求使電動機作為發(fā)電機工作。具體地說，電動機在一開始用于起動內(nèi)燃機，然而，一旦內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)起來以后，內(nèi)燃機就驅(qū)動轉(zhuǎn)子以便電動機作為發(fā)電機運行。本發(fā)明適合于這樣的應用場合。圖14示出了按照本發(fā)明的連接了有關控制和工作電路的電動機-發(fā)電機(M-G)10的剖視圖。該M-G包括A相串聯(lián)繞組和B相串聯(lián)繞組，它們分別連接到開關45和46上。A相開關可以選擇A相繞組與A相驅(qū)動器30連接或與儲能裝置47連接。同樣，B相開關也可以選擇B相繞組與B相驅(qū)動器32連接或與儲能裝置47連接?？刂破?8連接至相開關和相驅(qū)動器上去控制它們的工作。儲能裝置以大家熟知的方式儲存M-G在發(fā)電機工作方式下產(chǎn)生的電能。當作為電動機運行時，控制器38使A相開關45和B相開關46將它們各自的相驅(qū)動器連接到相繞組上。然后電動機按照圖5(a)到圖5(f)的實施例所述的方式工作，使轉(zhuǎn)子20沿CCW方向轉(zhuǎn)動。當作為發(fā)電機運行時，控制器38根據(jù)定、轉(zhuǎn)子的相對位置使A相開關和B相開關在它們各自的相驅(qū)動器和儲能裝置之間輪流切換。舉個非限性的具體例子，當作為發(fā)電機運行時，轉(zhuǎn)子20由內(nèi)燃機之類的外部動力源驅(qū)動。如圖14所示，當轉(zhuǎn)子磁極位于它與A相繞組磁極之間的磁阻為最小的位置時，控制器38使A相驅(qū)動器給A相繞組輸入第一電流從而感應出一個磁場。然后，控制器使A相開關將A相繞組連接到儲能裝置上。使轉(zhuǎn)子、定子磁極離開最小阻抗位置的外部動力源與A相繞組產(chǎn)生的磁場共同作用在A相繞組中感應出維持磁場的第二電流。第二電流給儲能裝置47充電，儲能裝置47又將電能提供給諸如由燈、航空器上的電子設備等負載48。隨著轉(zhuǎn)子磁極向B相定子磁極的軸線趨近，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置來協(xié)調(diào)B相驅(qū)動器與B相開關的工作以便B相繞組以上述A相繞組的同樣方式向電能儲存裝置充電。
據(jù)信，以與CCW方向相反的CW方向驅(qū)動圖14的轉(zhuǎn)子可以使定、轉(zhuǎn)子磁極之間的磁阻發(fā)生變化的定、轉(zhuǎn)子間的相對位置角度變得比上述發(fā)電機實施例或已有技術情況下的更大。據(jù)信，磁阻在更大角度位置上發(fā)生變化有助于提供幅值均勻、持續(xù)時間長并且?guī)缀鯖]有零電流時間的電流波形。
以上實施例是根據(jù)兩相SR電動機和發(fā)電機來加以說明的，然而對本領域技術人員來說，這里所述的發(fā)明顯然可應用于3相或3相以上的SR電動機／發(fā)電機、具有不同定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極數(shù)的電動機以及直線電動機。最后，在上述實施例中，靜止部件被稱為定子，轉(zhuǎn)動或移動部件被稱為轉(zhuǎn)子。然而應當理解，這種習慣選擇不能被看作為對本發(fā)明的限制，在實際應用中，上述實施例的轉(zhuǎn)子或移動部件可能是靜止的而上述實施例中的定子卻可能是轉(zhuǎn)動或移動部件。
盡管本發(fā)明是參考優(yōu)選實施例來加以說明的，但當閱讀并理解了上述說明以后顯然可以作出各種修改和變動。因此，本發(fā)明包括所有在后面的權利要求或其等同物范圍內(nèi)的修改和變動。
權利要求
1.一種開關磁阻電機，它包括具有多個相同磁極的第一部件；包括第一磁極和第二磁極的第二部件，其中第一磁極具有第一尺寸的極面，第二磁極具有第二尺寸的極面；和用于使所述第一部件與所述第二部件相對放置從而使所述第一磁極與第二磁極相對于所述多個相同磁極可以移動的裝置，隨著第二磁極向著它與所述相同磁極中的一個磁極之間的磁阻為最小的位置移動，所述第一磁極與所述相同磁極中的另一個磁極之間的磁阻達到最小。
2.根據(jù)權利要求1所述的開關磁阻電機，其中第一磁極的極面寬度大約為多個相同磁極中的一個磁極的寬度的兩倍，第二磁極的極面寬度大約與多個相同磁極中的一個磁極的寬度相等。
3.根據(jù)權利要求2所述的開關磁阻電機，其中相鄰的相同磁極之間有間隔。
4.根據(jù)權利要求3所述的開關磁阻電機，其中相鄰的相同磁極之間的間隔大約等于所述相同磁極中的一個磁極的寬度。
5.根據(jù)權利要求1所述的開關磁阻電機，其中第一與第二部件的磁極沿徑向延伸，每個相同磁極的極面橫貫第一角度，第一磁極的極面橫貫第二角度，所述第二角度大約為第一角度的兩倍。
6.根據(jù)權利要求5所述的開關磁阻電機，其中第二磁極的極面橫貫的角度與每個相同磁極橫貫的角度大約相同。
7.根據(jù)權利要求1所述的開關磁阻電機，還包括繞在第一部件和第二部件中的一個部件的磁極上的相繞組；用于使所述相繞組通電的相驅(qū)動器；和用于根據(jù)第一部件、第二部件的相對位置來控制相驅(qū)動器的工作的控制器。
8.根據(jù)權利要求7所述的開關磁阻電機，還包括儲能裝置；和與控制器相連的開關，用于有選擇地將相繞組與相驅(qū)動器連接或與儲能裝置連接。
9.一種可由多相電源供電的電機，所述電機包括由透磁性材料制成的第一部件，它具有多個沿徑向延伸的磁極，每個徑向延伸磁極具有第一尺寸的極面；由透磁性材料制成的第二部件，它具有第一徑向延伸磁極和第二徑向延伸磁極，所述第二磁極具有第二尺寸的極面，第二尺寸大于第一尺寸；用于使所述第二部件與所述第一部件相對安裝以便第二部件的極面相對于第一部件的極面可以移動的裝置。
10.根據(jù)權利要求9所述的電機，其中第一徑向延伸磁極具有大約等于第一尺寸的極面。
11.根據(jù)權利要求9所述的電機，其中在第一部件的磁極極面與對置的第二部件的磁極極面之間形成了基本恒定的氣隙。
12.根據(jù)權利要求9所述的電機，其中第二磁極的極面尺寸大約為第一磁極的極面尺寸的兩倍。
13.一種開關磁阻電動機，它包括具有磁軛的定子，所述磁軛上具有多個均勻放置的磁極；能夠繞縱軸和相對于定子磁極轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有偶數(shù)個磁極，它們不均勻地放置在轉(zhuǎn)子圓周上，所述轉(zhuǎn)子磁極中的一種磁極具有第一尺寸的極面，所述轉(zhuǎn)子磁極中的另一種磁極具有第二尺寸的極面；兩相供電電源；繞在轉(zhuǎn)子磁極或定子磁極上的相繞組，它連接到電源的一相上以便由其通電。
14.根據(jù)權利要求13所述的開關磁阻電動機，其中轉(zhuǎn)子磁極與其第一方向上的相鄰轉(zhuǎn)子磁極之間的夾角為第一角度，所述轉(zhuǎn)子磁極與其第二方向上的相鄰轉(zhuǎn)子磁極之間的夾角為第二角度。
15.根據(jù)權利要求14所述的開關磁阻電動機，其中轉(zhuǎn)子上有4個磁極，第一角度大于90°，第二角度小于90°。
16.一種SR電動機，它包括定子，它具有多個沿圓周均勻分布的透磁性磁極，每個磁極具有橫貫第一角度的極面；轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上有偶數(shù)個繞縱軸不均勻分布的透磁性磁極，所述轉(zhuǎn)子磁極包括具有橫貫第一角度的窄極面的磁極和具有橫貫約兩倍于第一角度的第二角度的寬極面的磁極，所述轉(zhuǎn)子布置成能圍繞縱軸和相對于定子轉(zhuǎn)動以便轉(zhuǎn)子磁極的極面相對于定子磁極的極面可以移動。
17.根據(jù)權利要求16所述的電動機，還包括多個與定子磁極相關的繞組，這些繞組連接到多相電源上以便多相電源中的一相通電能形成至少一對能向轉(zhuǎn)子磁極傳遞轉(zhuǎn)矩的定子磁極，其中相通電產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩是這樣的在所述相通電的第一階段，轉(zhuǎn)矩基本上作用在寬極面上，在所述相通電的第二階段，轉(zhuǎn)矩基本上作用在窄極面上。
18.一種用多相電源驅(qū)動的電動機，所述電動機包括第一部件，它具有多個以常規(guī)方式沿圓周均勻分布的磁極，各個磁極具有相同尺寸的極面；和第二部件，它具有偶數(shù)個沿圍繞縱軸的圓周不均勻分布的磁極，所述第二部件具有至少兩個不同極面尺寸的磁極，所述第一和第二部件按照可相對移動來放置以便第二部件上的磁極的極面相對于第一部件上的磁極的極面可以移動，其中多相電源中的通電相向第二部件傳遞轉(zhuǎn)矩，隨著第二部件相對于第一部件的移動，所述轉(zhuǎn)矩從具有最大極面的磁極移到小極面磁極上。
19.一種控制發(fā)電機的方法，其中發(fā)電機包括具有多個被均勻隔開的極面尺寸相同的磁極的第一部件和具有偶數(shù)個被不均勻隔開的磁極的第二部件，所述第二部件包括寬極面的第一磁極和窄極面的第二磁極，所述第一和第二部件按照可相對移動來放置以便第一部件上的磁極的極面相對于第二部件上的磁極的極面可以移動，所述方法包括使所述第一部件和第二部件相對移動；隨著所述第二部件上的寬磁極相對于所述第一部件的磁極移開一定間隔，使所述第一和第二部件中的一個部件的相關相繞組通電，所述通電相繞組與位于所述間隔位置上的磁極相關；使所述相驅(qū)動器與所述相繞組分開；和將所述第一相繞組連接到儲能裝置上。
全文摘要
一種開關磁阻電機(10)包括具有多個相同磁極(18A、18B、18C……)的第一部件(12)和具有第一磁極(22A、22C)與第二磁極(22B、22D)的第二部件(12)。第一磁極是寬極面磁極,第二磁極是窄極面磁極。第一和第二部件按照可相對移動來放置以便寬極面磁極和窄極面磁極相對于多個相同磁極可以移動。
文檔編號H02K19/16GK1205806SQ96199102
公開日1999年1月20日 申請日期1996年10月15日 優(yōu)先權日1996年10月15日
發(fā)明者韋恩·A·彭戈夫 申請人:特里德爾塔工業(yè)公司