具有機械可調永磁場的電動馬達和/或發電機的製作方法

2023-12-03 19:02:36 1

專利名稱：具有機械可調永磁場的電動馬達和/或發電機的製作方法
技術領域：
本申請是2009年10月30日申請的美國專利申請序列號12/610，184以及2009 年10月30日申請的美國專利申請序列號12/610，271的部分延續申請，所述兩個美國專利 申請的全部內容通過參引結合入本申請中。
背景技術：
本發明涉及一種電動馬達和發電機，具體涉及調整轉子中固定磁體和/或不導磁 分路塊的取向以獲得在各種每分鐘轉數下的有效操作。無電刷直流馬達通常需要在各種每分鐘轉數下操作，但只能在有限的每分鐘轉數 範圍上獲得有效的操作。此外，發電機和交流發電機通常需要在較寬的每分鐘轉數範圍上 操作。例如，汽車交流發電機在與發動機每分鐘轉數成比例的每分鐘轉數下操作，而風力交 流發電機在與風速成比例的每分鐘轉數下操作。不幸的是，已知的交流發電機在與每分鐘 轉數成比例的電壓下發電。因為每分鐘轉數無法輕易控制，通常需要其他元件以調整輸出 電壓，這給交流發電機系統增加了無效率性、複雜性以及成本。曾有一些設計嘗試用「場弱化」來擴寬每分鐘轉數範圍以允許馬達在很低的每分 鍾轉數下有效率，並仍然獲得有效率的更高每分鐘轉數的操作。這種場弱化可以應用於內 永磁體同步馬達(IPMSM)或交流同步感應馬達，允許3至4倍的基準速度(每分鐘轉數) 並具有合理的效率。不幸的是，用常規方法進行場弱化會犧牲在較高每分鐘轉數下的效率 並增加控制器算法和軟體的複雜性。在發電機/交流發電機的應用中，輸出電壓與磁通強度成比例，需要汽車交流發 電機內的換流器或單獨的電磁激勵線圈，汽車交流發電機只有60%至70%的效率，因為該 交流發電機必須在很寬的每分鐘轉數範圍上操作。類似的問題也存在於風力發電機中，其 中遇到的風速變化導致操作的低效率。

發明內容
本發明通過提供用於調節無電刷馬達和交流發電機的磁場以獲得在較寬每分鐘 轉數範圍上的有效操作的裝置和方法來解決所述及其他需要。所述馬達或交流發電機包括 圍繞承載永磁體的轉動轉子的固定繞組(或定子)。永磁體大體為圓柱形並具有在磁體內 縱向形成的北(N)極和南( 極。導磁迴路由位於導磁極塊(例如非磁化材料製成的低碳 或軟鋼和/或層疊絕緣層)中的磁體形成。在極塊內轉動永磁體或轉動不導磁分路塊，將 增強或減弱產生的磁場，從而調整馬達或交流發電機用於低每分鐘轉數轉矩或用於有效的 高每分鐘轉數效率。改變轉子磁場調整交流發電機的電壓輸出，允許例如風力發電機保持 固定的電壓輸出。用在轉子中的其他材料大體為例如不鏽鋼的非磁性材料。根據本發明的一方面，提供了一種裝置和方法以改變電動馬達中的轉子/電樞的 磁通強度，從而提供改進的啟動轉矩以及高每分鐘轉數的效率。根據本發明的另一方面，提供了裝置和方法以改變發電機/交流電發電機應用中的轉子/電樞的磁通強度從而獨立於每分鐘轉數控制輸出電壓。許多已知的交流發電機 應用無法控制交流發電機每分鐘轉數，例如，必須以與發動機每分鐘轉數成比例的每分鐘 轉數下操作的汽車交流發電機，和經受風速影響的風力發電機。改變轉子/電樞的磁通強 度允許獨立於每分鐘轉數來控制輸出電壓，由此消除了對換流器或單獨電磁激勵線圈的需要。根據本發明的又一方面，提供了裝置和方法以通過轉動半長圓柱形永磁體以使可 轉動磁體與固定半長永磁體對齊或不對齊來改變馬達或發電機的磁場。根據本發明的另一方面，提供了裝置和方法以通過使磁分路塊與固定永磁體協同 轉動來改變馬達或發電機的磁場。根據本發明的再一方面，提供了裝置和方法，所述裝置和方法可適於改變適於應 用於感應馬達的馬達的磁場，從而提供弱磁場用於以異步模式啟動馬達、以及提供強磁場 用於同步模式的有效操作的馬達磁場強度的。


本發明的所述和其他方面、特徵和優勢通過參照附圖對其進行如下具體描述將更 為顯而易見，其中圖IA是根據本發明的可重構電動馬達的側視圖。圖IB是根據本發明的可重構電動馬達的端視圖。圖2是沿圖IA中線2-2所取的根據本發明的可重構電動馬達的橫截面圖。圖3是根據本發明的圓柱形兩極永磁體的立體圖。圖4是根據本發明的圓柱形四極永磁體的立體圖。圖5A是徑向對齊構造的根據本發明的可調永磁體轉子的側視圖。圖5B是徑向對齊構造的根據本發明的可調永磁體轉子的端視圖。圖6A是徑向對齊構造的根據本發明的可調永磁體轉子的端視圖，其中兩極永磁 體對齊用於產生最大(或強)磁場。圖6B是徑向對齊構造的根據本發明的可調永磁體轉子的端視圖，其中兩極永磁 體對齊用於產生中等磁場。圖6C是徑向對齊構造的根據本發明的可調永磁體轉子的端視圖，其中兩極永磁 體對齊用於產生最小(或弱)磁場。圖7A示出了對應於圖6A的強磁場。圖7B示出了對應於圖6C的弱磁場。圖8是磁通擠壓構造的根據本發明的可調永磁體轉子的側視圖。圖9是磁通擠壓構造的根據本發明的可調永磁體轉子的端視圖。圖IOA是磁通擠壓構造的根據本發明的可調永磁體轉子的端視圖，其中兩極永磁 體對齊用於產生最大(或強)磁場。圖IOB是磁通擠壓構造的根據本發明的可調永磁體轉子的端視圖，其中兩極永磁 體對齊用於產生中等磁場。圖IOC是磁通擠壓構造的根據本發明的可調永磁體轉子的端視圖，其中兩極永磁 體對齊用於產生最小(或弱)磁場。
圖IlA示出了對應於圖IOA的強磁場。圖IlB示出了對應於圖IOC的弱磁場。圖12是根據本發明的可調永磁體轉子的端視圖，其中若干對圓柱形兩極永磁體 成徑向對齊構造。圖13是根據本發明的可調永磁體轉子的端視圖，其中若干對圓柱形兩極永磁體 成磁通擠壓構造。圖14是成徑向對齊構造的、根據本發明的混合可調內永磁體和固定外磁體轉子 的端視圖，其中內磁體對齊用於產生最大磁通。圖15A是成徑向對齊構造的、根據本發明的混合可調內永磁體和固定外磁體轉子 的端視圖，其調節成用於產生最大磁場。圖15B是成徑向對齊構造的、根據本發明的混合可調內永磁體和固定外磁體轉子 的端視圖，其調節成用於產生最小磁場。圖16是磁通擠壓構造的、根據本發明的混合可調內永磁體和固定外磁體轉子的 端視圖。圖17A是磁通擠壓構造的、根據本發明的混合可調內永磁體和固定外磁體轉子的 端視圖，其調節成用於產生最大磁場。圖17B是磁通擠壓構造的、根據本發明的混合可調內永磁體和固定外磁體轉子的 端視圖，其調節成用於產生最小磁場。圖18是根據本發明的用於構建層疊極塊的端視圖。圖18A是圖18的局部18A。圖19A是用於調整圓柱形兩極永磁體處於第一磁體位置的裝置的第一實施方式 的側視圖。圖19B是用於調整圓柱形兩極永磁體處於第一磁體位置的裝置的第一實施方式 的端視圖。圖20A是用於調整圓柱形兩極永磁體處於第二磁體位置的裝置的第一實施方式 的側視圖。圖20B是用於調整圓柱形兩極永磁體處於第二磁體位置的裝置的第一實施方式 的端視圖。圖21A是用於調整圓柱形兩極永磁體處於第一磁體位置的裝置的第二實施方式 的側視圖。圖21B是用於調整圓柱形兩極永磁體處於第一磁體位置的裝置的第二實施方式 的端視圖。圖22k是用於調整圓柱形兩極永磁體處於第二磁體位置的裝置的第二實施方式 的側視圖。圖22B是用於調整圓柱形兩極永磁體處於第二磁體位置的裝置的第二實施方式 的端視圖。圖23A是用於調整圓柱形兩極永磁體處於第一磁體位置的裝置的第三實施方式 的側視圖。圖2 是用於調整圓柱形兩極永磁體處於第一磁體位置的裝置的第三實施方式的端視圖。圖24A是用於調整圓柱形兩極永磁體處於第二磁體位置的裝置的第三實施方式 的側視圖。圖24B是用於調整圓柱形兩極永磁體處於第二磁體位置的裝置的第三實施方式 的端視圖。圖25A示出了一種根據本發明的用於調整成徑向對齊構造的混合可調內永磁體 和固定外磁體轉子的圓柱形兩極內永磁體的位置的可替代齒輪裝置。圖25B示出了一種根據本發明的用於調整成磁通擠壓構造的混合可調內永磁體 和固定外磁體轉子的圓柱形兩極內永磁體的位置的可替代的齒輪裝置。圖2隊是根據本發明的用於控制馬達的磁體位置的偏置系統的側視圖。圖26B是根據本發明的用於控制馬達的磁體位置的偏置系統的端視圖。圖27A是根據本發明的用於控制發電機的磁體位置的偏置系統的側視圖。圖27B是根據本發明的用於控制發電機的磁體位置的偏置系統的端視圖。圖28A是根據本發明的具有可轉動半長圓柱形磁體和同軸固定半長圓柱形磁體 以及用於控制磁體位置的偏置系統的可調永磁體轉子的側視圖。圖28B是沿圖2名k中線28B-28B所取的、根據本發明的具有可轉動半長圓柱形磁 體和同軸固定半長圓柱形磁體以及用於控制磁體位置的偏置系統的可調永磁體轉子的正 視圖。圖29A是具有可轉動半長圓柱形磁體和同軸固定半長圓柱形磁體以及用於控制 磁體位置的偏置系統的轉子的側視圖。圖29B是具有可轉動半長圓柱形磁體和同軸固定半長圓柱形磁體以及用於控制 磁體位置的偏置系統的轉子的正視圖。圖30A是根據本發明的可調永磁體轉子的端視圖，其中可移動磁分路塊對齊以提 供強磁場。圖30B是根據本發明的可調永磁體轉子的端視圖，其中可移動磁分路塊不對齊以 提供弱磁場。圖31A是根據本發明的可調永磁體轉子的端視圖，示出了通過使可移動磁分路塊 對齊而獲得的強磁場。圖31B是根據本發明的可調永磁體轉子的端部圖，示出了通過使可移動磁分路塊 不對齊而獲得的弱磁場。相應的附圖標記在附圖的所有若干視圖中指示相應的部件。
具體實施例方式下文的描述是當前構想用於實現本發明的最佳方式。該描述並非出於限制的意 義，而僅出於描述本發明的一個或多個優選實施方式的目的。本發明的範圍應參照權利要 求確定。圖IA示出了根據本發明的可重構電動馬達10的側視圖，圖IB示出了可重構電動 馬達10的端視圖，圖2示出了沿圖IA中的線2-2所取的可重構電動馬達10的橫截面圖。 所述馬達10包括定子繞組14以及位於定子繞組內側的轉子12。所述馬達10為包括磁路的無電刷交流感應馬達，所述磁路包括在轉子12中的至少一個永磁體16(見圖3-7)或可 移動磁分路塊80 (見圖30A和30B)，所述磁體16或磁分路塊80可以進行調整以在一定範 圍的每分鐘轉數上控制轉子的磁場用於有效操作。圖3示出了根據本發明的圓柱形兩極永磁體16的立體圖，而圖4示出了根據本發 明的圓柱形四極永磁體16a的立體圖。磁體16和磁體16a的極如虛線指示的沿磁體的長 度延伸。圖5A示出了徑向對齊構造的根據本發明的可調永磁體轉子12a的側視圖，圖5B 示出了徑向對齊構造的可調永磁體轉子12a的端視圖。轉子12包括磁體16、內極塊18、外 極塊20和非磁性墊圈22。極塊是導磁但不可磁化的材料，所述材料傳導磁體16的磁場以 形成轉子磁場。所述墊圈22將內極塊18與外極塊20分隔開，而空氣間隙23將外極塊20 分隔開。磁體16大體為圓柱形並且與馬達軸11軸向平行，但也可以使用其他形狀的磁體。圖6A示出了其中兩極永磁體16對齊以產生最大(或強)磁場Ma(見圖7A)的 可調永磁體轉子12a的端視圖，圖6B示出了其中兩極永磁體16對齊以產生中等磁場的可 調永磁體轉子12a的端視圖，圖6C示出了其中兩極永磁體16對齊以產生最小(或弱)磁 場Mb(見圖7B)的可調永磁體轉子1 的端視圖。在電動馬達中，提供強磁場的對齊提供 低每分鐘轉數下的高轉矩，而提供弱磁場的對齊提供高每分鐘轉數下的有效操作。在發電 機中，可以通過調整磁體的對齊來調整輸出電壓，從而允許在諸如汽車交流發電機和風力 發電機的具有變化每分鐘轉數的發電機中具有恆定的電壓。圖7A示出了對應於圖6A的強磁場24a，圖7B示出了對應於圖6C的弱磁場。圖8是磁通擠壓構造的根據本發明的可調永磁體轉子12b的側視圖，圖9示出了 所述可調永磁體轉子12b的端視圖。轉子12b包括磁體16、極塊21和空氣間隙23。極塊 為導磁但不可磁化的材料，其傳導磁體16的磁場以形成轉子磁場。空氣間隙23將極塊21 分隔開。圖IOA示出了可調永磁體轉子12b的端視圖，其中兩極永磁體16對齊產生最大 (或強)磁場Ma』 (見圖11A)，圖IOB示出了可調永磁體轉子12b的端視圖，其中兩極永磁 體16對齊產生中等磁場，圖IOC示出了可調永磁體轉子12b的端視圖，其中兩極永磁體16 對齊產生最小(或弱)磁場Mb』 (見圖11B)。在電動馬達中，提供強磁場的對齊提供低每 分鐘轉數下的高轉矩，而提供弱磁場的對齊提供高每分鐘轉數下的有效操作。在發電機中， 可以通過調整磁體的對齊來調整輸出電壓，從而允許在諸如汽車交流發電機和風力發電機 的具有變化每分鐘轉數的發電機中具有恆定電壓。圖IlA示出了對應於圖IOA的強磁場Ma』，圖IlB示出了對應於圖IOC的弱磁場。圖12示出了根據本發明的可調永磁體轉子12c的端視圖，其具有若干對徑向對齊 構造的圓柱形兩極永磁體16，圖13示出了根據本發明的可調永磁體轉子12d的端視圖，其 具有若干對磁通擠壓構造的圓柱形兩極永磁體16。本發明不限於單個或成對的永磁體，任 意數量的磁體可以組成適用於應用的組。例如3、4、5或更多個磁體可以代替圖12和13中 示出的磁體對。圖14示出了根據本發明的包括可調內永磁體16和固定外磁體17的混合轉子 12a』成徑向對齊構造的端視圖。可調內永磁體16和固定外磁體17的組合允許轉子磁場的 附加設計。圖15A示出了混合可調內永磁體和固定外磁體轉子12a』調節為產生最大磁場的端視圖，圖15B示出了是混合可調內永磁體和固定外磁體轉子12a』調節為產生最小磁場 的端視圖。圖16示出了根據本發明的包括可調內永磁體16和固定外磁體17的混合轉子 12b』成磁通擠壓構造的端視圖。可調內永磁體16和固定外磁體17的組合允許轉子磁場的 附加設計。圖17A示出了混合可調內永磁體和固定外磁體轉子12b』調節為產生最大磁場 的端視圖，圖15B示出了混合可調內永磁體和固定外磁體轉子12b』調節為產生最小磁場的 端視圖。圖18示出了用於構建層疊極塊的元件30的端視圖，而圖18A示出了圖18的局部 ISA0轉子通常通過將多個元件30層疊構成，各元件30優選地用電絕緣層塗覆。元件30 具有半徑Rr，包括具有半徑Rm的用於圓柱形磁體16的圓形切除部32以及具有寬度Wag的 空氣間隙34。用於本發明的其他實施方式的層疊極塊類似地構建。圖19A示出了用於調整圓柱形兩極永磁體16處於第一磁體位置的裝置40a的第 一實施方式的側視圖，圖19B示出了用於調整圓柱形兩極永磁體處於第一磁體位置的裝置 40a的端視圖，圖20A示出了用於調整圓柱形兩極永磁體16處於第二磁體位置的裝置40a 的側視圖，圖20B示出了用於調整圓柱形兩極永磁體處於第二磁體位置的裝置40a的端視 圖。用於調整的裝置40a包括優選為步進馬達的線性馬達42、由所述線性馬達42軸向致動 的軸48、由軸48軸向致動的環46、以及由環46致動並連接至六個齒條52之一的(一個或 多個)臂44。齒條52接合附連於磁體16的齒輪50以轉動磁體16。將軸48向右致動將 齒條52徑向拉入，將軸48向左致動將齒條52徑向推出，從而通過直接接合齒條52的齒輪 50來直接轉動磁體，其餘的磁體16通過在相鄰齒輪50之間的齒條耦聯於致動裝置。圖21A示出了用於調整圓柱形兩極永磁體16處於第一磁體位置的裝置40b的第 二實施方式的側視圖，圖21B示出了用於調整圓柱形兩極永磁體的裝置40b處於第一磁體 位置的端視圖，圖22A示出了用於調整圓柱形兩極永磁體16處於第二磁體位置的裝置40b 的側視圖，圖22B示出了調整圓柱形兩極永磁體處於第二磁體位置的裝置40b的端視圖。用 於調整的裝置40b包括優選為步進馬達的線性馬達42、由所述線性馬達42軸向致動的軸 48、由所述軸48軸向致動的環46以及由所述環46致動並連接至六個齒條52之一的彎曲 肘狀件45。彎曲肘狀件45偏置至例如具有90°彎曲的彎曲位置。當環46向右移動以釋 放彎曲臂45時，彎曲臂45放鬆至彎曲位置並將齒條52徑向拉入。當環46向左移動以在 彎曲臂45上施加力時，彎曲臂45伸直並將齒條52徑向推出。齒條52接合附連於磁體16 的齒輪50以轉動磁體16。線性馬達42向右致動因而將齒條52徑向拉入，線性馬達42向 左致動將齒條52徑向推出，從而通過直接接合齒條52的齒輪50直接轉動磁體16，其餘的 磁體16通過在相鄰齒輪50之間的齒條52耦聯於致動裝置。圖23A示出了用於調整圓柱形兩極永磁體16處於第一磁體位置的裝置40c的第 三實施方式的側視圖，圖2 示出了用於調整圓柱形兩極永磁體處於第一磁體位置的裝置 40c的端視圖，圖24A示出了用於調整圓柱形兩極永磁體16處於第二磁體位置的裝置40c 的側視圖，圖24B示出了用於調整圓柱形兩極永磁體處於第二磁體位置的裝置40c的端視 圖。用於調整的裝置40c包括優選為步進馬達的線性馬達42、由所述線性馬達42軸向致動 的軸48、連接於所述軸48的第一活塞47以及與所述活塞47流體連通並連接至六個齒條 52之一的第二活塞49。當活塞47向右移動時，第二活塞49被徑向收入，齒條52被徑向拉入。當環46向左移動時，活塞47向左移動，活塞49徑向移出，並將齒條52徑向推出。齒 條52接合附連於磁體16的齒輪50以轉動磁體16。線性馬達42向右致動因而將齒條52 徑向拉入，線性馬達42向左致動將齒條52徑向推出，從而通過直接接合齒條52的齒輪50 直接轉動磁體16，其餘磁體16通過在相鄰齒輪50之間的齒條52耦聯於致動裝置。圖25A示出了一種根據本發明的另一齒輪裝置，用於調整成徑向對齊構造的混合 可調內永磁體和固定外磁體轉子的圓柱形兩極內永磁體16的位置。小磁體齒輪50固定於 各磁體16的一端。大中心齒輪51接合各小磁體齒輪50，並使各磁體16保持近似(只要磁 體緊密對齊，可存在一定的齒輪遊隙)相同的對齊，並可調節以調整磁體16從弱磁場至強 磁場的對齊。圖25B示出了另一齒輪裝置，用於調整成磁通擠壓構造的混合可調內永磁體和固 定外磁體轉子的圓柱形兩極內永磁體的位置。小中心齒輪50僅接合小磁體齒輪50中交替 的幾個，小齒輪50接合各相鄰齒輪50，從而使各磁體16保持近似(只要磁體緊密對齊，可 存在一定的齒輪遊隙)相同的對齊，並可調節以調整磁體16從弱磁場至強磁場的對齊。圖^^示出了根據本發明的用於控制馬達的磁體位置的偏置系統的側視圖，圖 26B示出了用於通過金屬線70控制馬達磁體位置的偏置系統的端視圖。控制器64將來自 於電源68的單向直流電壓變換成用於三相馬達的三相梯形或正弦波形。使用一個至磁場 線圈60的直流輸入線產生與馬達上的負載成比例的電磁場。磁場線圈60的電阻很低並且 不會降低到馬達的輸入電壓或略微增加電阻。磁場作用在盤62上並抵靠彎曲肘狀件45向 左推動盤以轉動磁體16。當馬達負載增加時，電磁場與負載成比例地增加，校準負載只稍小於克服磁體16 的轉動所需的負載，傾卸迴路(tipping circuit)66為分路控制器，提供加至偏置電樞62 的電磁力的小電流，從而提供最終力，該最終力對控制轉子磁場的磁體16的轉動進行控 制。控制器64優選為換流器型，其將單向直流電變換為給定子磁場供能以轉動轉子的三相 波形。偏置致動器包括超低電阻線圈60及電樞62，所述電樞62產生與負載電流成比例 的力，所述負載電流抵抗磁體16的固有性質施力以保持在弱磁場位置。傾卸迴路66是低 力觸發器控制器，其將額外的電流提供給偏置致動器，所述偏置致動器可以利用非常小的 電能轉動磁體16以將磁場調整到強的位置或弱的位置。圖27A示出了根據本發明的用於控制發電機的磁體16的位置的偏置系統的側視 圖，圖27B示出了用於控制發電機的磁體16的位置的偏置系統的端視圖。發電機可以被驅 動作為發電機/交流發電機以產生所述相或任何相的電能。發電機/交流發電機的相電能輸出一般經過將多相電流變換為單相直流電的 六二極體陣列72。輸出直流電線之一的輸出轉移至低電阻偏置線圈60和電樞62，所述低 電阻偏置線圈60和電樞62產生抵靠磁體16自然轉動至弱磁場位置的反力。以與圖26A 和26B中的馬達構造相同的方式，傾卸控制器為線圈60和電樞62提供小的額外電流，以克 服磁力從而控制磁體的轉動位置和磁場。傾卸迴路控制器是電子電晶體型開關，其可以提 供將要加至線圈60和電樞62的偏置力的變化量的電能。圖28A示出了根據本發明的可調永磁體轉子1 的側視圖，該可調永磁體轉子1 具有對齊取向的可轉動半長圓柱形磁體16c、同軸的固定半長圓柱形磁體16d以及用於控制磁體位置的調整系統，圖28B示出了沿圖^A中線28B-28B所取的可調永磁體轉子1 的橫截面圖。圖29A示出了其中可轉動半長圓柱形磁體16c與同軸的固定半長圓柱形磁體 16d不對齊的轉子1 的第二側視圖，圖29B示出了沿圖29A中線29B-29B所取的可調永磁 體轉子12e的橫截面圖。當磁體16c與16d對齊(即磁體16c和16d的極對齊)時，產生 了強磁場，而當磁體16c轉動180°並且磁體16c與16d的極不對齊時，則產生弱磁場。調整系統包括附連於磁體16c的小齒輪52、與小齒輪50和第二小齒輪M協作的 徑向滑動齒條傳動機構52、以及與第二小齒輪M協作的軸向滑動齒條傳動機構56。軸向 滑動齒條傳動機構56可以使用螺線管電氣地、液壓地(見圖23A-MB)、通過線性馬達、通 過線性步進馬達、通過杆或通過任何裝置進行致動，從而使軸向滑動齒條傳動機構56在軸 向上移動。軸向滑動齒條傳動機構56的軸向平移耦聯至第二小齒輪M以轉動第二小齒輪 M。第二小齒輪M的轉動耦聯至徑向滑動動齒條傳動機構52從而使徑向滑動齒條傳動機 構52徑向移動。徑向滑動齒條傳動機構52的徑向移動耦聯至第一小齒輪50，以轉動第一 小齒輪50，從而轉動磁體16c，以使磁體16c與磁體16d對齊和不對齊，進而選擇性地產生 強磁場和弱磁場。圖30A示出了根據本發明的可調永磁體轉子12f的端視圖，其中可移動磁分路塊 80與固定外永磁體17和固定內永磁體16e對齊以提供強磁場，圖30B示出了可調永磁體轉 子12f的端視圖，其中可移動磁分路塊80轉動並與固定永磁體17及16e不對其以提供弱 磁場。可移動磁分路塊80優選為圓柱形並由導磁、不可磁化材料製成，並包括穿過可移動 磁分路塊80的中心將可移動磁分路塊80分為兩部分的棒80a。棒80a由不導磁材料製成 並優選由非鐵非磁材料製成。可移動磁分路塊80可以使用任何所描述的用於如本文描述 移動磁體的調整系統來移動(或調整)，任何使用可移動分路塊將磁場從強磁場改變為弱 磁場的馬達或發電機均擬在本發明的範圍內。圖31A示出了可調永磁體轉子12f的端視圖，示出了通過使可移動磁分路塊與磁 體16e對齊而獲得的強磁場2 」，圖31A示出了可調永磁體轉子12f的端視圖，示出了通過 使可移動磁分路塊與磁體16e不對齊而獲得的弱磁場24b」。包括具有可移動磁分路塊的導 磁迴路的轉子的各種其他實施方式對於本領域的普通技術人員將會顯而易見，例如位於磁 體外側、具有角度相互交替的導磁段和不導磁段的圓柱形殼，並且在具有這種與磁體協作 的(一個或多個)可移動磁分路塊以選擇性地產生強磁場和弱磁場的馬達或發電機中使用 的任何轉子也意於在本發明的範圍內。雖然本文公開的發明通過其具體實施方式
及應用進行了描述，但是本領域普通技 術人員仍可以對其進行多種修改及變型而不脫離權利要求所述的本發明的範圍。
權利要求
1.一種用於在電能與機械能之間轉換的電動馬達或發電機中使用的轉子，所述轉子包括固定極塊，所述固定極塊由導磁的不可磁化材料製成；以及導磁迴路，所述導磁迴路包括所述極塊以及可移動元件，所述可移動元件能夠移動以 選擇性地產生強轉子磁場和弱轉子磁場。
2.如權利要求1所述的轉子，其中，所述可移動元件包括至少一個可移動磁分路塊，所 述至少一個可移動磁分路塊包括不導磁材料。
3.如權利要求1所述的轉子，其中，所述極塊為徑向對齊構造。
4.如權利要求1所述的轉子，其中，所述極塊為磁通擠壓構造。
5.如權利要求1所述的轉子，其中，所述可移動元件包括與所述極塊磁協作的至少一 個可移動永磁體，所述至少一個永磁體能夠移動從而將轉子磁場調整為強磁場以及調整為 弱磁場。
6.如權利要求5所述的轉子，還包括磁體齒輪，所述磁體齒輪附連於各所述可轉動永 磁體的端部，以調整各所述可轉動永磁體的對齊。
7.如權利要求6所述的轉子，其中，滑動齒條與所述磁體齒輪中的相應磁體齒輪協作， 以調整各所述可轉動永磁體的對齊。
8.如權利要求7所述的轉子，其中，直杆連接至至少其中一個所述齒條，並且所述杆被 致動以使所述齒條徑向滑動，從而調整各所述可轉動永磁體的對齊。
9.如權利要求8所述的轉子，其中，所述直杆由線性致動器致動從而使所述齒條徑向 滑動，以調整各所述可轉動永磁體的對齊。
10.如權利要求9所述的轉子，其中，所述線性致動器是步進馬達。
11.如權利要求7所述的轉子，其中，分裂式杆連接至至少其中一個所述齒條，並且所 述分裂式杆被致動以使所述齒條徑向滑動，從而調整各所述可轉動永磁體的對齊。
12.如權利要求7所述的轉子，其中，所述分裂式杆的頂點抵靠滑動件，並且所述滑動 件朝向所述分裂式杆的軸向平移使所述分裂式杆展開，從而調整各所述可轉動永磁體的對 齊。
13.如權利要求12所述的轉子，其中，所述分裂式杆由線性致動器致動，以使所述齒條 徑向滑動，從而調整各所述可轉動永磁體的對齊。
14.如權利要求7所述的轉子，其中，致動液壓活塞以使所述齒條徑向滑動，從而調整 各所述可轉動永磁體的對齊。
15.如權利要求14所述的轉子，其中，所述液壓活塞與第二液壓活塞流體連通，並且所 述第二液壓活塞的致動致使所述液壓活塞的平移並致使所述齒條調整各所述可轉動永磁 體的對齊。
16.如權利要求15所述的轉子，其中，所述第二液壓活塞由線性致動器致動。
17.如權利要求6所述的轉子，其中，單個中心齒輪與各所述磁體齒輪協作，以近似地 保持各所述可轉動永磁體的相同的對齊。
18.如權利要求1所述的轉子，還包括附連於所述轉子的外側的固定外部轉子磁體。
19.一種電動馬達，包括定子，所述定子具有電氣定子繞組；轉動定子磁場，所述轉動定子磁場由流過所述定子繞組的電流產生； 轉子，所述轉子位於所述定子繞組內，所述轉子包括 固定極塊，所述固定極塊由導磁的不可磁化材料製成；以及與所述極塊磁協作的至少一個轉子內永磁體，所述至少一個轉子內永磁體能夠轉動以 將轉子磁場調整為強磁場以及調整為弱磁場。
20. 一種電氣發電機，包括 定子，所述定子具有電氣定子繞組；可轉動轉子，所述可轉動轉子位於所述定子繞組內，所述轉子包括 固定極塊，所述固定極塊由導磁的不可磁化材料製成； 至少一個固定磁體；以及至少一個可移動磁分路塊，所述至少一個可移動磁分路塊包括與所述至少一個固定磁 體以及所述極塊磁協作的不導磁材料，所述至少一個可移動磁分路塊能夠轉動以將轉子磁 場調整為強磁場以及調整為弱磁場。
全文摘要
公開了用於調節無電刷馬達和交流發電機的磁場以在較寬的每分鐘轉數範圍內獲得有效操作的裝置和方法。所述馬達或交流發電機包括圍繞承載永磁體的轉動轉子的固定繞組(或定子)。永磁體大體為圓柱形並具有在磁體中縱向形成的北極和南極。導磁迴路由位於導磁極塊(例如非磁化材料製成的低碳或軟鋼和/或層疊絕緣層)中的磁體形成。在極塊內轉動永磁體或轉動不導磁分路塊，將增強或減弱產生的磁場，從而調整馬達或交流發電機用於低每分鐘轉數轉矩或用於有效的高每分鐘轉數效率。改變轉子磁場調整交流發電機的電壓輸出，允許例如風力發電機保持固定的電壓輸出。
文檔編號H02K1/22GK102055257SQ20101053343
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月29日 優先權日2009年10月30日
發明者安德烈亞·富裡亞, 路易斯·J·芬克爾 申請人:路易斯·J·芬克爾