CN1205806A - 具有交错排列的磁极的开关磁阻电动机 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻电机(10)包括具有多个相同磁极(18A、18B、18C……)的第一部件(12)和具有第一磁极(22A、22C)与第二磁极(22B、22D)的第二部件(12)。第一磁极是宽极面磁极,第二磁极是窄极面磁极。第一和第二部件按照可相对移动来放置以便宽极面磁极和窄极面磁极相对于多个相同磁极可以移动。

Description

具有交错排列的磁极的开关磁阻电动机

本发明的领域

本发明涉及采用电子换相的开关磁阻电机，尤其涉及由多相电源控制的连续转动电动机。

在已有技术中，开关磁阻电动机是众所周知的。这些电动机具有一个通常被称为定子的静止部件和一个通常被称为转子的可移动部件。转子与定子定向成使它们可以相对移动。典型的定子包括可以支承多个在圆周上相互隔开一定距离并且其间有间隙的透磁性磁极的磁轭。典型的转子包括由形成两个或多个在圆周上相互隔开一定距离并且其间有间隙的磁极的透磁性钢叠片所组成的透磁性体。转子定子这样相对放置：当转子相对于定子移动时，即当转子磁极相对于定子磁极移动时，定子和转子的相应磁极紧挨着通过。电动机的相绕组是在定子磁极上而不是在转子磁极上。开关磁阻电动机依靠多相电子换相从而以适当的顺序对这些相绕组激磁来产生转子、定子的相对转动。具体地说，相绕组的激磁在定子上产生了一对具有N极和S极的磁极对。这些相绕组产生了穿过极化磁极对、转子、定子磁轭的磁通路径，即磁路。在穿过转子的磁通作用下，转子转动，使得转子磁极对移到它与定子极化磁极对之间的磁阻为最小的位置上。该最小磁阻位置对应于通电相绕组的最大电感位置。两相SR电动机的共同特点是：转子一般是按照单方向的最佳转动性能进行设计的。开关磁阻电动机(以后称之为“SR”电动机)的优点是：电能转换为机械能的效率高，机械结构简单、可靠，具有相当高的转速，即100，000RPM。另外，SR电动机的生产成本低，坚固耐用并且不需要电刷或滑环。

一些通用SR电动机的结构与电子换相***可以满足一定范围的使用要求。一些多相电源与定子／转子***在没有限制的情况下包括两相8／4电动机；三相6／4电动机；四相8／6电动机和五相10／8电动机。提高定子与转子的极数和采用较多相电源的理由是为了增加每一转的电子换相次数从而使相间的转矩降落或转矩脉动达到最小。

SR电动机的转矩与随转子位置变化的通电相绕组的电感变化(dL)有关。SR电动机的电感随转子磁极接近或远离通电相绕组的相关定子磁极而减小或增大，即随转子一定子***移进或移出最小磁阻位置而减小或增大。当出现随角度位置变化的电感变化(即dL／dθ)就会产生转矩；当通电相绕组的电感增大时产生正转矩，当通电相绕组的电感减小时产生负转矩。

已有技术的两相SR电动机的问题是：在转子相对于定子的某些角度位置上，转子承受的转矩等于零或非常小。这个小转矩或零转矩位置是由于转子磁极和定子磁极相互间处于这样一种相对位置所造成的，在这种位置没有足够的磁通从通电定子磁极对穿过转子磁极对以致于不能使它们相对移动。人们曾尝试改变转子磁极的几何结构来解决这个问题，使得转子磁极部分与通电定子磁极之间有足够的磁通联系从而在转子上产生转矩。

一种这样的几何结构包括阶梯气隙转子，其中，与通电定子磁极有磁通联系的转子磁极极面的第一部分与定子磁极极面之间形成了具有第一气隙空间的气隙，与定子磁极极面有磁通联系的转子磁极极面的第二部分形成了第二气隙，第二气隙空间比第一气隙空间窄；第一气隙与第二气隙之间的过渡是阶梯式过渡。

另一种几何结构包括蜗形凸轮装置，其转子磁极极面呈锥形以至于在转子向着它与相关定子磁极之间的最小磁阻位置转动的过程中转子与定子之间的气隙逐渐变小。这些磁极几何结构拓宽了转子磁极的极面以至于当转子磁极的第二部分位于它与通电相定子磁极的最小磁阻位置时转子磁极的第一部分已延伸到了邻近的断电相定子磁极位置上。这些种类的转子磁极几何结构消除了两相电动机的零转矩位置，不过这种转子几何结构不能在转子的整个转动过程中产生稳定转矩。这种由已有技术的两相SR电动机产生的不稳定转矩或转矩波动在诸如洗衣机、液体泵、牵引电动机、位置伺服机等一些应用场合是不能接受的，这些应用场合要求在定、转子的任何相对位置上都要有相当大的转矩。

克服SR电动机的转矩波动的尝试方法包括把换相***的相数增加到3相或3相以上。众所周知，转矩波动通常随电动机相数的增加而减小。具体地说，3相电动机的转矩脉动通常比2相电动机的转矩脉动小，4相电动机的转矩脉动通常比3相电动机的转矩脉动小，其余依次类推。转矩脉动之所以随相数的增大而减小是因为在某相的前一相的dL／dθ变为零之前某相的dθ／dL不为零。这样，当相数提高到3相或3相以上时会产生紧密邻接或重叠的dL／dθ，因而在某一相通电产生的转矩终止之前转子已经承受了由另一相通电所产生的转矩。SR电动机的这种相间转矩连续或转矩重叠产生了较小转矩脉动的更加连续的转矩。不过，3相或3相以上的SR电动机存在这样一些问题：增加了电子换相***的元件数量从而增加了电动机的成本；增加了电子换相***与相绕组之间的连接端；提高了对电子换相***中用于分辨转子位置的位置传感器的分辨率的要求；噪声比两相SR电动机大。

本发明的目的是提供一种能解决上述问题和解决其它问题的新的改进的SR电动机。

本发明的概述

根据本发明的一个方面，提供了一种开关磁阻电动机，它具有一个包括多个定子磁极的定子和一个包括第一磁极与第二磁极的转子，其中第一磁极具有第一尺寸的极面而第二磁极具有第二尺寸的极面。转子与定子相互间这样相对放置使得转子磁极相对于定子磁极可以转动。

根据本发明的另一个方面，每个定子磁极的极面横贯第一角度，第一转子磁极的极面横贯第二角度，其中第二角度大约等于第一角度的两倍，这样，在转子圆周上，第一转子磁极的极面宽度大约等于第二磁极的极面宽度的两倍。第二转子磁极的极面横贯的角度大约与每个定子磁极横贯的角度相同，因此第二转子磁极的极面宽度大约与定子磁极的极面宽度相等。

根据本发明的另一个方面，提供了一种由多相电源供电的电机。这种电机具有含多个磁极的由透磁性材料制成的第一部件和含第一几何结构的第一磁极及第二几何结构的第二磁极的由透磁性材料制成的第二部件。这种电机包括用于将第二部件安装成相对于所述第一部件可以转动以便第一和第二部件上的相应磁极能够相对移动的装置。

根据本发明的另一个方面，在第一部件的磁极极面与对置的第二部件的磁极极面之间形成了一个基本恒定的气隙。

根据本发明的另一个方面，提供了一种开关磁阻电动机。这种开关磁阻电动机包括一个两相电源、一个具有磁轭和多个均匀放置在磁轭周围的磁极的定子、一个具有偶数个磁极的转子，转子磁极不均匀地放置在转子圆周上，转子可以围绕纵轴和相对于定子转动。转子磁极中的一种磁极具有第一尺寸的极面，所述转子磁极中的另一种磁极具有第二尺寸的极面。

根据本发明的另一个方面，转子的第一磁极与其第一方向上的相邻磁极之间的夹角为第一角度，第一磁极与其第二方向上的相邻磁极之间的夹角为第二角度。

根据本发明的附加限制方面，转子具有4个磁极，第一角度大于90°而第二角度小于90°。

根据本发明的另一个方面，提供了一种SR电动机。该电动机包括一具有多个沿圆周均匀分布的透磁性磁极的定子，每个定子磁极具有横贯第一角度的极面。该电动机还有一个转子，转子上有偶数个绕纵轴不均匀分布的透磁性磁极。转子磁极包括具有横贯第一角度的窄极面的磁极和具有横贯约两倍于第一角度的第二角度的宽极面的磁极。转子按照能围绕其纵轴和相对于所述定子转动来放置以便转子磁极相对于定子磁极可以移动。

根据本发明的附加限制方面，SR电动机包括多个连接到多相电源上的与定子磁极有关的绕组。用多相电源供电可以使绕组对至少一对定子磁极进行激磁使之成为向转子磁极传递转矩的磁极。在运行中，每相绕组的通电会产生一个被传递到转子上的转矩，该转矩的情况是这样的，在所述相通电的第一阶段，转矩基本作用在宽极面磁极上；在所述相通电的第二阶段，转矩基本作用在窄极面磁极上。

根据本发明的又一个方面，提供了一种对电动机和多相电源进行控制的方法。电动机包括第一部件和第二部件，其中，第一部件具有多个以常规方式沿圆周均匀分布的磁极，第二部件具有偶数个以常规方式围绕纵轴在圆周上不均匀分布的磁极。第二部件包括具有宽极面的第一磁极和具有窄极面的第二磁极。第一和第二部件这样来放置使得在它们的相应磁极之间形成一个气隙。该方法包括给多相电源的第一相通电从而向宽极面磁极提供转矩。随着第一相的通电，不再向宽极面磁极提供转矩，而是向窄极面磁极提供转矩。

根据该方法的附加限制方面，当多相电源的第一相断电、第二相通电时，转矩加到宽极面磁极上。随着第二相的通电，不再向宽极面磁极对提供转矩，而是向窄极面磁极提供转矩。

根据本发明的又一个方面，提供了一种控制发电机的方法。发电机包括具有多个以常规方式均匀分布的磁极的第一部件和具有偶数个以常规方式不均匀分布的磁极的第二部件。第二部件包括宽极面的第一磁极和窄极面的第二磁极。第一和第二部件相互间这样相对放置使得第一部件上的磁极的极面相对于第二部件上的磁极的极面可以移动。该方法包括机械地相对驱动所述第一部件与所述第二部件。随着所述第一部件上的磁极与所述第二部件上的磁极大致对齐，使与至少一个对齐磁极相关的相绕组通电。将相绕组与相驱动器分开并使它连接到储能装置上以便向储能装置传递由第一部件与第二部件的相对移动所产生的电能。

本发明的优点是改善了所有定、转子相对位置上的转子转矩。

本发明的另一个优点是改善了两相SR电动机的转矩性能，使得两相SR电动机适合于至今仍需要三相或三相以上SR电动机的应用场合。

本发明的再一个优点是减小了转矩脉动。

本发明还有一个优点是比现有技术的发电机提高了电能输出能力。

对本领域的熟练技术人员来说，只要阅读并理解了以下优选实施例的详细说明应能明显看到本发明更多的优点。

附图的简要说明

图1是按照本发明的8／4开关磁阻电动机的剖视图。

图2示出了在图1的基础上连接了有关控制与工作电路的并且转子向前移动了15个机械角度的电动机的剖视图。

图3和图4是相对于图1中的电动机转子分别向前移动了30°和45°的转子与定子的局部图。

图5(a)到5(f)是图1中定、转子的局部图，它示出了在由A相绕组与B相绕组的通电所产生的N极和S极对的作用下，转子相对于定子沿CCW方向所作的机械运动，为便于说明，图中省去了A相绕组和B相绕组。

图6(a)到图6(f)为与图5(a)到图5(f)的通电相及定、转子的相对位置相对应的磁力线圈。

图7(a)示出了转子相对于定子作CCW方向的机械运动的情况下图1中的A相和B相定子绕组的理想电感曲线。

图7(b)示出了与图7(a)的电感曲线相对应的图1中的A相和B相绕组的理想通电曲线。

图8是在转子相对于定子作CCW方向的机械运动的情况下图1中的A相和B相转子绕组的电感曲线。

图9(a)是在A相和B相绕组上施加1．5A、2A、2．5A和3A的电流以及电感曲线为图8所示的电感曲线的条件下得到的静态转矩曲线。

图9(b)示出了与图9(a)的静态转矩曲线相对应的A相和B相定子绕组的通电曲线。

图9(c)是由图9(a)所示的A相和B相转矩曲线合成后得到的转矩曲线。

图10是按照本发明的16／8开关磁阻电动机的剖视图。

图11(a)是按照本发明的接有相关控制与工作电路的4／2开关磁阻电动机的剖视图。

图11(b)和11(c)是图11(a)的开关磁阻电动机定、转子的局剖图，它们示出了在由A相绕组和B相绕组的通电所产生的N极和S极对的作用下，转子位置分别比图11(a)所示的转子位置前移了45°和90°的情况。

图12是按照本发明的直线传动装置。

图13(a)到(e)是按照本发明的定子装置的转子与定子的局部图，它示出了在由A相绕组与B相绕组的通电所产生的N极和S极对的作用下，转子相对于定子沿CW方向所作的机械运动，为便于说明，图中省去了A相与B相绕组。

图14是按照本发明的接有相关控制与工作电路的开关磁阻电动机一发电机。

优选实施例的详细说明

图1示出了按照本发明的两相8／4开关磁阻电动机10的剖视图。该电动机上有一个定子12，该定子12具有放置在中心膛16周围并限定了多个磁极18(a)到18(h)的透磁性部件14。在图1所示的实施例中，定子具有偶数个磁极，尽管图1中示出了8个磁极，但定子可以具有不同的偶数个磁极。转子20放置在中心膛内以便在其中转动。该转子具有4个磁极22(a)到22(d)，不过，转子可以具有不同的偶数个磁极。相绕组24、26分别绕在A相定子磁极和B相定子磁极上以便产生从定子磁极延伸到中心膛内的磁场。相绕组24和26被交替放置在定子磁极上并且采用这样的绕法：使不同极性的磁极一一相对。在所述的实施例中，A相磁极18(a)和18(c)是N极，A相磁极18(e)和18(g)是S极。类似地，B相磁极18(f)和18(h)是N极，B相磁极18(b)和18(d)是S极。显然磁极极性只是为了便于说明而不是对本发明的限制。

参照图2和图1，A相绕组和B相绕组分别被串联连接到开关电流源30和32上以便电流仅以同一方向流过相绕组。不过应当理解，相绕组可以被并联或串并联组合连接到它们各自的开关电流源上。诸如霍尔传感器、分析器或编码器之类的位置传感器36被连接在转子与定子之间，它用于测定转子相对于定子的位置。另一方面，相绕组的自感被用来测定定子相对于转子的位置。位置传感器上有一个连接到控制器38的输出端，它用于输出转子相对于定子的角度位置信号。控制器38被连接到A相和B相驱动器上，它根据转子相对于定子的位置控制各相的触发。连接到控制器38上的可选速度控制装置39为调节转子的转动速度提供了保证。在图2所示的实施例中，电动机10是单方向电动机，其转子相对于定子作逆时针(CCW)旋转。不过应当理解，该电动机可以被设计成按顺时针(CW)转动，转动方向不能被看作为对本发明的限制。

参照图3，转子磁极被不均匀地分布在转子圆周上。以转子的纵轴40为参考轴，转子磁极22(a)与22(b)之间以及22(c)与22(d)之间的夹角为第一角度41，转子磁极22(b)与22(c)以及22(a)与22(d)之间的夹角为第二角度42，第二角度大于第一角度。此外，如图4所示，宽转子磁极的极面横跨第三角度43，窄转子磁极的极面横跨较小的第四角度44，第三角度大于第四角度。在优选实施例中，在转子的圆周上，宽转子磁极的极面宽度是窄转子磁极极面宽度的两倍。在定子内圆周上，定子磁极的极面宽度大约等于窄转子磁极的极面宽度，相邻定子磁极之间的间距大约等于定子磁极的宽度。

图5(a)至5(f)示出了在由有关相绕组的通电所产生的N极和S极的作用下转子相对于定子沿CCW方向所作的运动。图5(a)到5(f)省略了图1和2所示的相绕组、A相驱动器与B相驱动器、控制器／电源、速度控制装置和位置传感器以便简化转子与定子图。为便于了解在图5(a)到5(f)中被省略的相绕组的通电时刻，图中分别用符号‘N’和‘S’来表示与通电相有关的N极和S极。在从图5(a)的零度CCW转子位置开始的运行过程中，在A相绕组没有通电的情况下，控制器38使B相电流源32给B相绕组激磁。该激磁电流在转子上产生了CCW转矩，它使转子转动从而使宽转子磁极的轴线向激磁相B的定子磁极18(d)和18(h)的轴线趋近，即，转子磁极向着它与B相定子磁极之间的最小磁阻位置移动，最小磁阻位置与产生所述趋近的通电相绕组的最大电感位置相对应。当转子位于图5(b)所示的22．5度CCW转子位置上时，由于在宽转子磁极与相邻的通电相B的定子磁极之间形成了恒定的气隙，因此它们之间的磁阻最小。然而，由于窄转子磁极22(b)和22(d)向着它们与定子磁极18(b)和18(f)之间的最小磁阻位置移动，所以B相绕组的电感增大了。因此，尽管宽转子磁极与B相通电绕组之间的相互作用所产生的转矩很小或等于零，但转子仍能承受由窄转子磁极与B相通电绕组的相互作用所产生的转矩。这样，转子承受的转矩就从宽转子磁极移动到窄转子磁极上。当转子位于图5(c)所示的30度CCW转子位置上时，随着B相通电绕组电感的增大，转子承受B相通电绕组所产生的CCW转矩，其中B相通电绕组电感的增大是由窄转子磁极向着它们与B相定子磁极18(b)和18(f)之间的最小磁阻位置移动所造成的。可以理解，在22．5度到45度转子位置之间，宽转子磁极与定子磁极18(d)和18(h)之间的气隙以及磁阻是基本恒定的，因此B相通电绕组与宽转子磁极间的相互作用所产生的转矩等于零。当转子位于图5(d)所示的45度CCW转子位置上时，宽转子磁极和窄转子磁极都位于它们各自与通电相B的定子磁极18(d)-18(h)和18(b)-18(f)的最小磁阻位置上。因此，这个位置上B相绕组的通电不会产生转子转矩。不过，在45度CCW转子位置上A相绕组的通电使得磁通从A相磁极18(a)和18(e)穿过宽转子磁极。随着磁通从中穿过，转子承受CCW转矩，该转矩使宽转子磁极的轴线向A相通电绕组的定子磁极的轴线趋近。然而，当转子转过45度CCW转子位置时，由于B相绕组的定子磁极与转子磁极之间的磁阻增大使得B相通电绕组的电感减小。为避免使转子承受由B相通电绕组的减量电感所产生的CW(负)转矩，可以使B相绕组断电。这样，转子承受的转矩从B相绕组转移到A相绕组。当转子位于图5(e)所示的67．5度CCW转子位置上时，宽转子磁极与通电相A的定子磁极18(a)和18(e)处于最小磁阻位置上，因此它们之间的相互作用不会产生转子转矩。不过，由于窄转子磁极开始与A相通电绕组的定子磁极18(c)和18(g)有磁通联系，因此A相通电绕组的电感有所增大。这样，通电相绕组产生的转子转矩就从宽转子磁极转移到窄转子磁极上。当转子位于图5(f)所示的90度CCW转子位置上时，宽转子磁极和窄转子磁极都处于它们各自与定子磁极18(a)-18(e)和18(c)-18(g)的最小磁阻位置上。所以，宽转子磁极与A相绕组之间的相互作用不会产生转子转矩。不过，B相绕组的通电使得磁通从B相磁极18(b)和18(f)穿过宽转子磁极。随着B相绕组的通电，转子承受CCW转矩，该转矩使宽转子磁极向B相通电绕组趋近。为避免使转子承受由A相通电绕组的减量电感所产生的CW(负)转矩，使A相绕组断电。

图6(a)到图6(f)示出了与图5(a)到5(f)的转子位置和通电相对应的磁通曲线。在图6(a)和6(b)所示的零度到22．5度CCW转子位置之间，穿过宽转子磁极的磁通量比穿过窄转子磁极的磁通量大。在图6(b)和6(c)所示的22．5度到30度CCW转子位置之间，随着窄转子磁极向着它与定子磁极18(b)和18(f)之间的最小磁阻位置移动，穿过窄转子磁极的磁通量有所增大。在图6(d)所示的45度转子位置上，B相绕组断电而A相绕组通电，因此，穿过转子的磁通从B相绕组转移到A相绕组上。参照图6(d)和6(e)，在45度和67．5度之间的转子位置上，由A相绕组的通电所产生的磁通最初穿过宽转子磁极，随着窄转子磁极向着它与定子磁极18(c)和18(g)之间的最小磁阻位置移动，穿过窄转子磁极的磁通有所增大。参照图6(f)，在90度转子位置上使A相绕组断电并使B相绕组通电。

在以上说明中，通过按照定子与转子的相对位置来选择A相绕组和B相绕组的通电和断电使转子向前移动了90度。然而应当理解，以上说明可以延伸到转子移动的机械角度超过90度的范围。此外，相绕组电感的增大或减小与所述相绕组的相关磁通路径上的磁阻的减小与增大相对应。

本发明A相绕组和B相绕组的电感是随角度位置的变化而变化的，其变化率(dL／dθ)为：增大变化率等于第一变化率，减小变化率等于第二变化率。参照图7(a)和7(b)并继续参照图5(a)到5(f)，示出了B相绕组50和A相绕组52的电感随转子的CCW位置和有关A相绕组与B组绕组的典型通电电流而变化的示意性理想电感曲线。应当理解图7(a)和7(b)是为了便于说明而不能看作是对本发明的限制。当转子位于零度转子位置上时，B相绕组通电，A相绕组不通电。因此，转子承受CCW转矩，该转矩促使转子向着转子与定子之间的最小磁阻、最大电感位置移动。在B相绕组电感增大的同时，A相绕组的电感有所减小。如图7(a)所示，这种新的磁极结构的各相电感的减小速度要比增大速度快得多。这便于使A相绕组和B相绕组的增量电感重叠。具体地说，在37度转子位置上，A相绕组的电感从减小变为增大并且A相绕组开始通电。在37度和45度转子位置之间，两相绕组都通电并且两相绕组的电感均增大。因此，转子承受由A相绕组和B相绕组共同产生的转矩。当转动到45度转子位置上时，A相绕组通电，B相绕组的电感从增大变为减小且B相绕组断电。这样，在避免B相绕组在其电感减小的情况下因通电而产生负CWL转矩的同时转子承受由A相绕组在其电感增大的情况下因通电而产生的正CCW的转矩。当转动到82度转子位置上时，B相绕组的电感从减小变为增大，于是使B相绕组通电。在82度到90度之间的转子位置上，随着A相和B绕组的通电，A相绕组和B相绕组的增量电感产生转子转矩。当转动到90度转子位置上时，A相绕组的电感从增大变为减小，于是使A相绕组断电以便只有B相绕组的增量电感在B相绕组通电的情况下所产生的转矩才被传送到转子上。当转动到127度转子位置上时，A相绕组的电感从减小变为增大，于是使A相绕组电。因此，在127度和135度之间的转子位置上，A相绕组和B相绕组向转子传递转矩。当转动到135度转子位置上时，B相绕组的电感从增大变为减小，于是使B相绕组断电以便被传送到转子上的转矩只是由A相绕组的增量电感在A相绕组通电的情况下所产生的转矩。

从以上内容应当体会到本发明的A相绕组和B相绕组的电感是随转子位置的变化而变化的，其中，相绕组电感的增大率与减小率有所不同。具体地说，每相的增量电感比减量电感遍布更大的角度位置。参照图7(a)所示的非限制性例子，在45度和82度之间的转子位置上，即，在遍布37度的范围内B相电感减小，在82度和135度之间的转子位置上，即在遍布53度的范围内B相电感增大。类似地，在37度和90度之间的转子位置上，即在遍布53度的范围内A相电感增大，在90度和127度之间的转子位置上，即在遍布37度的范围内A相电感减小。如图7(a)所示及如上所述，A相和B相绕组电感的不同的增大和减小斜率便于使它们重叠。增量电感的重叠以及A和B相绕组的选择性通电为在任何定、转子的相对位置上产生转子转矩提供了保证。

参照图8并继续参照图7(a)和7(b)，图8中示出了图5(a)到5(f)所示实施例的电感曲线。与图7(a)和7(b)所示的理想电感曲线相比，图8所示的电感曲线说明了A相和B相绕组电感的增大与减小之间的转换是随着转子磁极移进和移出与定子磁极的同轴线而逐渐发生的。由于作用在转子上的正向CCW转矩是通电的相绕组的增量电感的函数，因此最好使相绕组的通电与转子位置相配合以保证当相绕组通电时相绕组的电感正处于增大状态。这样，参照图8所示的非限制性例子，在零度转子位置使B相绕组通电并且使A相绕组断电。当转子位于40度与44度之间时以这样一种方式使A相绕组通电和使B相绕组断电，当被传送到转子上的转矩从B相绕组转换到A相绕组时使转子承受最小的转矩脉动。类似地，当转子位于85度与89度之间时以这样一种方式使A相绕组断电和使B相绕组通电使得转子承受最小的转矩脉动。然而，各相电感能阻止其瞬时通电和瞬时断电。因此，各相绕组的通电和断电实际上是定时发生的以便使转子承受最佳转矩。这样，举个非限制性例子，在转子位于大约40度的位置上时B相绕组被断电，以在B相绕组承受减量电感从而向转子施加负CCW转矩之前使B储存的能量被消耗掉。同样，在大约40度转子转动位置上给A相绕组通电从而在转子上产生正CCW转矩。由于A相绕组与B相绕组的增量电感的有利重叠，因此可以选择各绕组的通电时间使转子承受的转矩达到最佳。在理想情况下，转子在任何位置上承受的转矩都是不变的。然而，随着产生转子转矩的绕组的转换，转子承受的转矩实际有一些降落。

据信转子磁极的宽度会影响图8的电感曲线。参照图4，窄磁极的极面22(b)和22(d)的宽度大约与定子磁极极面的宽度相等，而宽转子磁极极面22(a)和22(c)的宽度大约与定子磁极极面和相邻间隔的总宽度相等，例如与定子磁极22(a)和间隔52的总宽度相等。这种布置有利地保证了上述相绕组的增量电感的重叠。然而，据信A相与B相电感曲线的重叠部分可以通过改变转子磁极的宽度来调节。例如，减小宽转子磁极与窄转子磁极的宽度可以产生这样的电感曲线：当转子上的转矩在宽转子磁极与窄转子磁极之间转换时几乎没有或根本不存在增量电感的重叠部分。同样，增大宽转子磁极与窄转子磁极的宽度可以增大A相与B相绕组增量电感的重叠部分。然而，据信过分增大或减小转子磁极的宽度会导致不良的转矩降落。此外，增大宽转子磁极或窄转子磁极中的一个的宽度而减小另一个的宽度会导致增量电感重叠部分的变化。同样，改变定子磁极的宽度也会影响A相与B相电感曲线的重叠部分。

图9(a)和9(b)示出了图5(a)到5(f)所示的实施例在不同相绕组通电电流(1．5A、2A、2．5A和3A)情况下的转矩曲线和有关相通电曲线。这些转矩曲线说明了由各相绕组通电产生的转子转矩及它们的有利的重叠。应当理解转子承受的转矩是A相绕组的通电与B相绕组的通电所产生的转矩的总和。因此，如图9(c)所示，当A相和B相都通电时(例如在40度到45度之间的转子位置上)转子承受的转矩是A相绕组和B相绕组的通电所产生的总转矩。图9(a)的转矩曲线说明与通电相绕组有磁通联系的窄转子磁极在较大的相通电电流(如2．5A和3A)的情况下会产生较大的转矩脉动。而在较小的相通电电流(如2．0A和1．5A)的情况下产生较小的转矩脉动。具体参照图9(a)中3A情况下的转矩曲线，在15度到22．5度之间的转子位置上，宽转子磁极进入与定子磁极间的最小磁阻位置所带来的B相通电绕组的增量电感产生转子转矩。然而，在大约19度转子位置上，宽转子磁极和窄转子磁极与B相通电绕组互相作用产生了转矩降落。据信，这种转矩降落是由开始进入通电相绕组所产生的磁通区域的窄磁极的边沿磁饱和所产生的。随着窄转子磁极的前移，磁力线的分布区域有所增大因而避免了窄转子磁极的局部磁饱和。随着转子向22．5度转子位置移动，窄转子磁极上磁力线分布区域的增大将使转子承受的转矩增大。同样可以说明由在64度和154度转子位置上A相通电绕组的增量电感以及在109度转子位置上B相通电绕组的增量电感所产生的转子转矩情况。应该注意，在图9(a)中，转矩降落随相通电电流的减小而减小。

A相绕组和B相绕组的通电时刻与定、转子的相对位置相对应。在图9(b)中，A相绕组与B相绕组的通电时刻有重叠以便利用随转子位置变化的A相和B相绕组的增量电感。这样，当转子转动时，转子就承受最小的转矩波动。然而，应当理解，图9(a)和图9(b)的转矩曲线与通电曲线只是为了说明而不应当被看成是对本发明的限制。具体地说，A相绕组和B相绕组的通电时刻重叠区可大可小，或者在没有条件限制的情况下，根据绕组电感、换相电子电路迅速断开相绕组的能力、电动机的转动速度和／或要求的电动机工作特性的情况可以使A上绕组与B相绕组的激励没有重叠区。

以上实施例是根据两相8／4 SR电动机进行说明的，然而，对本领域技术人员来说上述8／4实施例显然可以扩大到具有不同转子与定子磁极数的两相SR电动机的实施例中。一个这样的实施例包括图10中的16／8SR电动机，其中该电动机包括绕在交替定子磁极上并连接到A相驱动器和B相驱动器上的A相绕组和B相绕组、控制器／电源、和附加位置传感器。图10中的A相与B相磁极的极性不能被看成是对本发明的限制或表示相绕组通电。

图11(a)到11(c)示出了按照本发明的4／2SR电动机实施例。该电动机定子60由多个向内延伸限定了中心膛64的磁极62(a)到62(d)组成。转子66由两个向外伸展的磁极68(a)和68(b)组成，它被放在中心膛内以便在其中转动。相绕组70和72分别绕在对向定子磁极62(b)与62(d)和对向定子磁极62(a)与62(c)上以便产生从定子磁极延伸到中心膛内的磁场。相绕组70和72分别被连接到A相相驱动器30和B相相驱动器32上以便电流以同一方向流过相绕组。位置传感器36被连接在转子与定子之间，它用于测定定、转子的相对位置。位置传感器有一个连接到控制器38的输出端，它用于输出定子相对于转子的角度位置信号。控制器38被连接到A相和B相驱动器上，它根据定、转子的相对位置控制各相的触发。在图11(b)和11(c)中，省略了图11(a)中的相绕组、相驱动器、控制器／电源、位置传感器和附加速度控制装置以便简化转子与定子图。为便于了解在图11(b)-(c)中被省略的相绕组的通电时刻，图中分别用符号“N”和“S”来表示与通电相绕组有关的定子磁极N极和S极。

从图11(a)的零度CCW转子位置开始进行，在A相绕组不通电的情况下，控制器38使B相相驱动器32给B相绕组72通电。B相绕组的通电产生无限制地通过磁路74的磁通，磁路74穿过通电相B的N极62(C)、宽转子磁极68(a)、断电相A的定子磁极62(b)和分布在定子磁极62(b)与62(c)之间的衬铁或磁轭76。在通过磁路76的磁通作用下，转子承受CCW转矩，该转矩使宽转子磁极的轴线向通电相B的N极62(c)的轴线趋近。当转子向前移动到图11(b)所示的45度CCW位置时使得磁通无限制地通过磁路78，磁路78穿过B相的N极62(c)、转子磁极68(a)和68(b)、B相的S极62(a)和分布在B相磁极62(a)与62(c)之间的衬铁或磁轭76。当转子位于45度CCW转子位置上时，由于宽转子磁极与通电相B的N极62(c)之间的气隙80相对恒定，因此它们之间的磁阻达到最小。然而，由于窄转子磁极68(b)移到了它与B相S极62(a)之间的最小磁阻位置，因此B相绕组的电感增加了。于是，在B相通电绕组与宽转子磁极的相互作用所产生的转矩几乎没有或等于零的情况下，转子承受由B相通电绕组与窄转子磁极的相互作用所产生的CCW转矩。这样，转子承受的转矩就从宽转子磁极移到了窄转子磁极上。当转子位于图11(c)所示的90度CCW转子位置上时，宽转子磁极和窄转子磁极与B相通电绕组的磁极62(c)和62(a)之间的磁阻达到最小。因此，在这个位置B相绕组的通电不产生转矩。然而，给与磁极62(b)和62(d)有关的A相绕组通电可以产生无限制通过磁路82的磁通，磁路82穿过A相通电绕组的S极62(d)、宽转子磁极68(a)、B相定子磁极62(c)和分布在定子磁极62(c)与62(d)之间的衬铁或磁轭76。在通过磁路82的磁通作用下，转子承受CCW转矩，该转矩使宽转子磁极的轴线向通电相A的S极62(d)的轴线趋近。为避免使转子承受由B相通电绕组的减量电感所产生的CW(负)转矩，给B相绕组断电。这样，转子承受的转矩就从就从B相绕组转到A相绕组。

在上述4／2SR电动机中，通过根据定、转子的相对位置来选择A相绕组和B相绕组的通电和断电使转子前进了90度。然而应当理解，以上说明可以扩展到转子移动超过90°度的范围。此外还应当理解，由于图11(a)到11(c)的转子不均匀分布在理想转动中心40的周围，因此需要增加窄转子磁极的重量或减小宽转子磁极的重量以便使实际转动中心与理想转动中心一致。

图12示出了按照本发明的一单向直线传动装置84。应理解，图12所示的直线传动装置包括绕在静止磁极86、88上并连接到A相和B相驱动器以及控制器／电源上的A相绕组和B相绕组。不过，图12中省略了与图2所示实施例相同的相绕组、相驱动器和控制器／电源以便简化直线传动装置图。该传动装置包括放置在静止磁极86、88之间的用于直线运动的棒式铁芯90。被省略的相绕组绕在静止磁极上以便使位于棒式铁芯一侧的磁极86呈“N”极而位于棒式铁芯另一侧的磁极88呈“S”极。A相和B相绕组交替绕在相邻的静止磁极上，相邻静止磁极隔开一个磁极宽度的距离。棒式铁芯包括被放置在它的纵轴两侧的宽磁极对92和窄磁极对94。窄磁极的宽度与静止磁极的宽度相同，宽磁极的宽度是静止磁极宽度的两倍。通过选择A相和B相绕组的通电使棒式铁芯从图12所示的位置开始向左推进96。具体情况如图5(a)到5(f)所示的实施例那样，A相绕组与B相绕组的通电和断电是协同进行的以便使棒式铁芯向左移动以减小通电相绕组的相关磁极与棒式铁芯磁极之间的磁阻磁路。当棒式铁芯到达左端位置时，通过A相绕组的持续通电使它固定在那个位置。放置在窄磁极94与左端止动器100之间的可压缩弹簧98可以保证在相绕组断电时棒式铁芯向右回行，其中左端止动器100是维持棒式铁芯与静止磁极之间的相互联系的机壳端或支承端。

另一方面，交替绕有A相绕组和B相绕组从而形成N-S极对的静止磁极可放置在传动装置的一侧，于是传动装置磁极可相应放置在传动装置侧。传动装置相对于静止磁极这样放置使得传动装置磁极与静止磁极可相互移动。此外，尽管以上例子中的弹簧是按压缩放置的，但是应当理解该弹簧还可以被放置在宽磁极与右端止动器102之间起拉伸作用。拉长的弹簧可以保证在相绕组断电时棒式铁芯向右回行。

图13(a)到13(e)示出了本发明的另一个实施例，其中，静止部件110，即定子，包括新磁极结构，移动部件112，即转子，具有均匀的磁极。应当理解，正如图5(a)到图5(f)所示的实施例那样，图13(a)到13(e)中，相绕组、相驱动器、控制器／电源、位置传感器和附加速度控制器有关但是图中省略了这些部件以便使图简化。为便于了解被省略的相绕组的通电时刻，与通电相有关的N极或S极分别用符号“N”或“S”表示。图13(a)到13(e)所示的磁极结构设置成：当相绕组有选择地通电时转子112沿CW方向转动。从转子位于图13(a)的零度位置开始，B相绕组通电而A相绕组断电。这种激励在转子上产生CW转矩使转子磁极114(a)和114(c)的轴线向激磁相B的定子磁极116(d)和116(h)的轴线趋近，即转子磁极向着它与通电相B的磁极间的最小磁阻位置移动-最小磁阻位置与产生所述趋近的通电相绕组的最大电感相对应。在图13(b)中，转子位于22．5度CW位置上，转子磁极114(a)与114(c)以及B相的宽定子磁极116(d)和116(h)已经处于相互间的磁阻比较小的位置。然而，随着转子磁极继续向通电相B的定子磁极的轴线趋近，通电相B的定子磁极与转子磁极之间的磁阻路径继续减小。具体地说，转子承受由转子磁极114(b)和114(d)与B相的窄定子磁极116(b)和116(f)的相互作用所产生的转矩。此外，当转子磁极114(a)和114(c)不是位于它们与B相宽定子磁极116(d)和116(h)之间的磁阻为最小的位置时，转子还承受它们之间的相互作用所产生的转矩。这样，在B相绕组通电的情况下，转子承受的转矩就从B相宽定子磁极移到B相窄定子磁极上。在图13(c)中，转子位于45度CW转子位置上，转子磁极位于它们与B相定子磁极之间的磁阻为最小的位置上，因此B相绕组的通电不会在转子上产生转矩。不过，A相绕组的通电可以使磁通从A相的宽定子磁极116(a)与116(e)穿到转子磁极114(b)与114(d)上。在穿入的磁通作用下，转子承受CW转矩，该转矩使转子磁极114(b)和114(d)的轴线向宽定子磁极116(a)和116(e)的轴线趋近。应当理解，随着转子转过45度CW转子位置，B相绕组的定子磁极与转子磁极之间的磁阻有所增大。为避免使转子承受由B相绕组的通电与其增量磁阻的共同作用所产生的CCW转矩，可以使B相绕组断电。这样，转子承受的转矩就从B相绕组转到A相绕组。在图13(d)中，转子位于67．5度CW转子位置上，转子磁极114(b)与114(d)以及A相的宽定子磁极116(a)与116(e)已经处于相互间磁阻比较小的位置。然而，随着转子磁极向通电相A的定子磁极的轴线趋近，通电相A的定子磁极与转子磁极之间的磁阻路径继续减小。具体地说，转子承受由转子磁极114(a)和114(c)与A相窄定子磁极116(c)和116(g)的相互作用所产生的转矩。此外，当转子磁极114(b)和114(d)不是位于它们与A相宽定子磁极116(a)和116(e)之间的磁阻为最小的位置时，转子还承受由它们之间的相互作用所产生的转矩。这样，在A相绕组通电的情况下，转子承受的转矩就从A相宽定子磁极转到了A相窄定子磁极上。在图13(e)中，转子位于90度CW转子位置上，A相定子磁极位于它们与转子磁极之间的磁阻为最小的位置上，因此宽转子磁极与A相绕组的相互作用不会在转子上产生转矩。然而应当理解，在这个位置，转子磁极和定子磁极处于与图13(a)的零度CW转子位置相类似的位置。因此，以上对图13(a)到13(d)所示的说明可应用于此后转子向前移动到超过90度CW转子位置的范围。

在某些应用场合，如航空器上还要求使电动机作为发电机工作。具体地说，电动机在一开始用于起动内燃机，然而，一旦内燃机运转起来以后，内燃机就驱动转子以便电动机作为发电机运行。本发明适合于这样的应用场合。图14示出了按照本发明的连接了有关控制和工作电路的电动机-发电机(M-G)10的剖视图。该M-G包括A相串联绕组和B相串联绕组，它们分别连接到开关45和46上。A相开关可以选择A相绕组与A相驱动器30连接或与储能装置47连接。同样，B相开关也可以选择B相绕组与B相驱动器32连接或与储能装置47连接。控制器38连接至相开关和相驱动器上去控制它们的工作。储能装置以大家熟知的方式储存M-G在发电机工作方式下产生的电能。当作为电动机运行时，控制器38使A相开关45和B相开关46将它们各自的相驱动器连接到相绕组上。然后电动机按照图5(a)到图5(f)的实施例所述的方式工作，使转子20沿CCW方向转动。当作为发电机运行时，控制器38根据定、转子的相对位置使A相开关和B相开关在它们各自的相驱动器和储能装置之间轮流切换。举个非限性的具体例子，当作为发电机运行时，转子20由内燃机之类的外部动力源驱动。如图14所示，当转子磁极位于它与A相绕组磁极之间的磁阻为最小的位置时，控制器38使A相驱动器给A相绕组输入第一电流从而感应出一个磁场。然后，控制器使A相开关将A相绕组连接到储能装置上。使转子、定子磁极离开最小阻抗位置的外部动力源与A相绕组产生的磁场共同作用在A相绕组中感应出维持磁场的第二电流。第二电流给储能装置47充电，储能装置47又将电能提供给诸如由灯、航空器上的电子设备等负载48。随着转子磁极向B相定子磁极的轴线趋近，控制器根据转子位置来协调B相驱动器与B相开关的工作以便B相绕组以上述A相绕组的同样方式向电能储存装置充电。

据信，以与CCW方向相反的CW方向驱动图14的转子可以使定、转子磁极之间的磁阻发生变化的定、转子间的相对位置角度变得比上述发电机实施例或已有技术情况下的更大。据信，磁阻在更大角度位置上发生变化有助于提供幅值均匀、持续时间长并且几乎没有零电流时间的电流波形。

以上实施例是根据两相SR电动机和发电机来加以说明的，然而对本领域技术人员来说，这里所述的发明显然可应用于3相或3相以上的SR电动机／发电机、具有不同定子磁极与转子磁极数的电动机以及直线电动机。最后，在上述实施例中，静止部件被称为定子，转动或移动部件被称为转子。然而应当理解，这种习惯选择不能被看作为对本发明的限制，在实际应用中，上述实施例的转子或移动部件可能是静止的而上述实施例中的定子却可能是转动或移动部件。

尽管本发明是参考优选实施例来加以说明的，但当阅读并理解了上述说明以后显然可以作出各种修改和变动。因此，本发明包括所有在后面的权利要求或其等同物范围内的修改和变动。

Claims (19)

1、一种开关磁阻电机，它包括：

具有多个相同磁极的第一部件；

包括第一磁极和第二磁极的第二部件，其中第一磁极具有第一尺寸的极面，第二磁极具有第二尺寸的极面；和

用于使所述第一部件与所述第二部件相对放置从而使所述第一磁极与第二磁极相对于所述多个相同磁极可以移动的装置，随着第二磁极向着它与所述相同磁极中的一个磁极之间的磁阻为最小的位置移动，所述第一磁极与所述相同磁极中的另一个磁极之间的磁阻达到最小。

2、根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中第一磁极的极面宽度大约为多个相同磁极中的一个磁极的宽度的两倍，第二磁极的极面宽度大约与多个相同磁极中的一个磁极的宽度相等。

3、根据权利要求2所述的开关磁阻电机，其中相邻的相同磁极之间有间隔。

4、根据权利要求3所述的开关磁阻电机，其中相邻的相同磁极之间的间隔大约等于所述相同磁极中的一个磁极的宽度。

5、根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中第一与第二部件的磁极沿径向延伸，每个相同磁极的极面横贯第一角度，第一磁极的极面横贯第二角度，所述第二角度大约为第一角度的两倍。

6、根据权利要求5所述的开关磁阻电机，其中第二磁极的极面横贯的角度与每个相同磁极横贯的角度大约相同。

7、根据权利要求1所述的开关磁阻电机，还包括：

绕在第一部件和第二部件中的一个部件的磁极上的相绕组；

用于使所述相绕组通电的相驱动器；和

用于根据第一部件、第二部件的相对位置来控制相驱动器的工作的控制器。

8、根据权利要求7所述的开关磁阻电机，还包括：

储能装置；和

与控制器相连的开关，用于有选择地将相绕组与相驱动器连接或与储能装置连接。

9、一种可由多相电源供电的电机，所述电机包括：

由透磁性材料制成的第一部件，它具有多个沿径向延伸的磁极，每个径向延伸磁极具有第一尺寸的极面；

由透磁性材料制成的第二部件，它具有第一径向延伸磁极和第二径向延伸磁极，所述第二磁极具有第二尺寸的极面，第二尺寸大于第一尺寸；

用于使所述第二部件与所述第一部件相对安装以便第二部件的极面相对于第一部件的极面可以移动的装置。

10、根据权利要求9所述的电机，其中第一径向延伸磁极具有大约等于第一尺寸的极面。

11、根据权利要求9所述的电机，其中在第一部件的磁极极面与对置的第二部件的磁极极面之间形成了基本恒定的气隙。

12、根据权利要求9所述的电机，其中第二磁极的极面尺寸大约为第一磁极的极面尺寸的两倍。

13、一种开关磁阻电动机，它包括：

具有磁轭的定子，所述磁轭上具有多个均匀放置的磁极；

能够绕纵轴和相对于定子磁极转动的转子，所述转子具有偶数个磁极，它们不均匀地放置在转子圆周上，所述转子磁极中的一种磁极具有第一尺寸的极面，所述转子磁极中的另一种磁极具有第二尺寸的极面；

两相供电电源；

绕在转子磁极或定子磁极上的相绕组，它连接到电源的一相上以便由其通电。

14、根据权利要求13所述的开关磁阻电动机，其中转子磁极与其第一方向上的相邻转子磁极之间的夹角为第一角度，所述转子磁极与其第二方向上的相邻转子磁极之间的夹角为第二角度。

15、根据权利要求14所述的开关磁阻电动机，其中转子上有4个磁极，第一角度大于90°，第二角度小于90°。

16、一种SR电动机，它包括：

定子，它具有多个沿圆周均匀分布的透磁性磁极，每个磁极具有横贯第一角度的极面；

转子，转子上有偶数个绕纵轴不均匀分布的透磁性磁极，所述转子磁极包括具有横贯第一角度的窄极面的磁极和具有横贯约两倍于第一角度的第二角度的宽极面的磁极，所述转子布置成能围绕纵轴和相对于定子转动以便转子磁极的极面相对于定子磁极的极面可以移动。

17、根据权利要求16所述的电动机，还包括多个与定子磁极相关的绕组，这些绕组连接到多相电源上以便多相电源中的一相通电能形成至少一对能向转子磁极传递转矩的定子磁极，其中相通电产生的转子转矩是这样的：在所述相通电的第一阶段，转矩基本上作用在宽极面上，在所述相通电的第二阶段，转矩基本上作用在窄极面上。

18、一种用多相电源驱动的电动机，所述电动机包括：

第一部件，它具有多个以常规方式沿圆周均匀分布的磁极，各个磁极具有相同尺寸的极面；和

第二部件，它具有偶数个沿围绕纵轴的圆周不均匀分布的磁极，所述第二部件具有至少两个不同极面尺寸的磁极，所述第一和第二部件按照可相对移动来放置以便第二部件上的磁极的极面相对于第一部件上的磁极的极面可以移动，其中多相电源中的通电相向第二部件传递转矩，随着第二部件相对于第一部件的移动，所述转矩从具有最大极面的磁极移到小极面磁极上。

19、一种控制发电机的方法，其中发电机包括具有多个被均匀隔开的极面尺寸相同的磁极的第一部件和具有偶数个被不均匀隔开的磁极的第二部件，所述第二部件包括宽极面的第一磁极和窄极面的第二磁极，所述第一和第二部件按照可相对移动来放置以便第一部件上的磁极的极面相对于第二部件上的磁极的极面可以移动，所述方法包括：

使所述第一部件和第二部件相对移动；

随着所述第二部件上的宽磁极相对于所述第一部件的磁极移开一定间隔，使所述第一和第二部件中的一个部件的相关相绕组通电，所述通电相绕组与位于所述间隔位置上的磁极相关；

使所述相驱动器与所述相绕组分开；和

将所述第一相绕组连接到储能装置上。

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