CN1503438A - 旋转式螺线管 - Google Patents

Abstract

一定子10有一对沿相对方向向内伸出的极靴11。极靴11上缠绕有感应线圈12。一转子14装备有一对基本面向极靴11的永久磁体13。永久磁体13沿径向被磁化，并且沿角度方向从沿径向与极靴11直接对准的位置偏移。在线圈12上作用一励磁电流，以使转子14被在极靴11中感应的磁场和永久磁体13的磁场移动经过一规定的角度范围。极靴11和永久磁体13之间的径向不对准改善了旋转式螺线管的运行特性。

Description

旋转式螺线管

相关申请的交叉参考

本申请基于2002年11月20日提交的日本专利申请No.2002-336247，并将其结合以作为参考。

技术领域

本发明涉及旋转式螺线管，其中，转子由于转子上的永久磁铁和定子上的感应线圈的相互作用而在一规定的旋转范围内进行往复运动。

背景技术

通常，转子在其中在一规定的角度范围内进行往复运动的旋转式螺线管在运动设备中用于发射运动用的球。图6-8示出传统的旋转式螺线管的结构和操作。该旋转式螺线管装备有：一定子1，它有一对相反的极靴2，它们彼此面对并向内伸出；感应线圈3，它们分别绕极靴2缠绕；以及一转子5，它固定在一对分别面向极靴2的永久磁铁4上。磁铁4如图所示位于定子1内。

在图6-8的旋转式螺线管中，当感应线圈3中无励磁电流时，也就是说，当无感应磁场时，永久磁铁4如图6所示吸引极靴2，而转子5则停在极靴2面向永久磁铁4的位置上。在无磁状态，当转子5如图7所示转至起动点(离图6的位置约19°)，而在感应线圈3上作用有励磁电流时，使极靴2有与所面对的永久磁铁4的极性相同的极性。

其结果为，永久磁铁4从所面对的极靴2接受一排斥力，并沿如图7的箭头A所示的方向旋转。如图8所示，转子5旋转，直至它碰上一挡块(未示出)，在该处停止。挡块位于一停止点(离图6的转子位置约76°)，转子5从该处可自行返回。在图8所示的状态，如果切断励磁电流，则极靴2上的磁力就被去掉，转子5的永久磁铁4再一次吸引到极靴2。这样，转子5返回至图6所示的位置。

当将上述旋转式螺线管应用于用作发球的臂时，希望产生动作的旋转角度大，以便使臂的角速度加速。此外，希望用小的电力消耗产生大的转矩。考虑到这些目标，就有了装备有多个用于转子的永久磁铁和多个对应于该永久磁铁的靴的旋转式螺线管。例如，可参见公开的日本专利申请2000-175419。

不过，在图6-8所示的使用传统技术的旋转式螺线管中，其结构为永久磁铁(或极)的位置是对称的。由于这样，在磁性状态和在非磁性状态，死点的范围都是大的。这在图9中示出，这是一个曲线图，它示出图6-8的旋转式螺线管的转矩特性。在图6-8的传统的旋转式螺线管中，如图9所示，在转子的0°与30°之间的旋转范围内基本无转矩，图中，0°为在图6中所示的转子位置，此时，永久磁铁4直接与各自的极靴2对齐。

因此，在传统的旋转式螺线管中，为了在磁化状态起动旋转，需要图6的转子位置与起动点的转子位置之间的角度大(在图6-8所示的例子中的约为19°)，以使该装置能自动返回至其起动点。这使运动可达到的角度范围较小(在图6-8的例子中约为57°)。此外，为了产生大的转矩，需要有一种体积大的旋转式螺线管，而它就消耗较大的能量。

此外，由于上述原因，难于产生在像运动设备这样的装置中所需要的连续稳定的转矩和角速度。此外，在具有大量运动设备的体育设施中，要求大容量的动力供应设备，这就导致过多的设备和能源费用问题。

此外，即使可以采用如在公开的日本专利申请2000-175419中所描述的传统技术，通过增加永久磁铁的数目和极数来得到较大的转矩，这会加大旋转式螺线管并导致加大的能量消耗。此外，这种加大没有涉及加大运动的角度范围的问题。

发明内容

本发明的目的为提供一能加大角度范围和转矩、同时减少能量消耗的旋转式螺线管。

本发明基本为一旋转式螺线管，它包括一有一中心轴线的转子。在转子上安装有至少两个永久磁铁，而永久磁体的极轴绕中心轴线位于预定的角度位置上。一定子绕转子设置。定子包括极靴，极靴的数目与永久磁体的数目匹配。在每个极靴上缠绕一线圈。极靴的极轴绕中心轴线位于预定的角度位置上。转子在预定的角度范围内由被线圈中的感应电流感应的磁场和永久磁体的磁场驱动。永久磁体的角度位置和极靴的角度位置是失配的，以致不存在永久磁体的极轴沿径向与极靴的极轴对准的转子位置。

在本发明的另一种情况中，定子包括至少两对极靴，而转子包括至少两对永久磁体。

在本发明的另一种情况中，极靴的极轴均匀地绕转子的轴线分布，而永久磁体的极轴不均匀地绕转子的轴线分布。

在本发明的另一种情况中，极靴的极轴以相等的角度间隔彼此分开，而永久磁体的极轴以不相等的角度间隔彼此分开。

在本发明的另一种情况中，永久磁体在转子上的分布是不均衡的。

从另一个观点，本发明基本为一旋转式螺线管，它包括一具有一极轴的转子。该转子包括至少两个位于预定的角度位置的永久磁极轴。绕转子设置一定子，而定子包括电磁极，每一个电磁极都有一极轴。定子上的电磁极的数目与转子上的永久磁极轴的数目匹配。电磁极的极轴绕转子的轴线位于预定的角度位置上，而转子在预定的角度范围内被由电磁极产生的磁场和转子的永久磁场驱动。永久磁极轴的角度位置与电磁极的极轴的角度位置要失配，以使得不存在转子的永久磁极轴沿径向与电磁极的极轴对准的转子位置。

如同在下面详细地描述的那样，此结构改善了旋转式螺线管的运行特性。

附图简介

在附图的全部单独的视图中，所有同样的参考数字都指相同的或功能上相似的元件。附图，连同下面的详细说明，都包含在该说明中，并形成该说明的一部分，用于进一步示出各种实施例并说明所有按照本发明的各种原理和优点。

图1-3为剖视图，它们示出按照本发明的第一实施例的旋转式螺线管的基本结构和操作；

图4为一曲线图，它示出按照图1的实施例的旋转式螺线管的角度—转矩特性；

图5为一剖视图，它示出本发明的另一实施例；

图6、7和8为剖视图，它们示出一传统的旋转式螺线管的基本结构和操作；

图9为一曲线图，它示出一传统的旋转式螺线管的角度—转矩特性。

具体实施形式

参看图1，一旋转式螺线管有一定子10，该定子有一对沿相反的方向面对并朝中心轴线伸出的极靴11。感应线圈12缠绕在极靴11对上，而转子14则位于定子10的里面。每个极靴11有一沿径向的并垂直于转子14的轴线的极轴。极靴11如图所示相对于包括中心轴线的平面对称。换句话说，极靴绕转子14的轴线均匀地布置。

磁体13基本面向极靴11。该永久磁体13沿其厚度的方向被磁化，以使其极轴是沿径向并垂直于转子的轴线的。永久磁体13并不绕转子的轴线均匀布置。换句话说，至少一个永久磁体13沿一角度方向偏移，以使如图1-3所示，永久磁体13不能都沿径向与对应的极靴11对齐。也就是说，磁体13之间的角度方向间距是不均匀的，而且至少一个磁体13沿角度方向与对应的极靴11偏错，或沿径向不与之对准。更具体一些，至少一个永久磁体13的中心或极轴沿径向不与对应的极靴11的中心或极轴对准。

当转子14旋转至起动点(转子离开图6的转子位置约5°的位置)时，在感应线圈12上作用直流励磁电流，使每个极靴11有与对应的永久磁体13相同的极性。当转子14在停止位置停止时，切断励磁电流。转子14在停止位置与一实体的挡块接合或接靠(未示出)。停止地点为在切断励磁电流时，转子14可从其自动返回的地点。转子14按照吸引力和排斥力在一规定的角度范围内进行往复运动，该吸引力和排斥力由于直流励磁电流向感应线圈12的供给和中断而在极靴11和永久磁体13之间产生。

下面说明按照图1-3的示例性实施例的旋转式螺线管的操作。当该旋转式螺线管处于感应线圈12中无励磁电流的状态时，或者，换句话说，当螺线管处于非磁化状态时，永久磁体13如图1所示被吸向极靴11，从而转子14停在一平衡位置上，在该处，永久磁体13基本面向各自的极靴11。如图2所示，当转子14在非磁化状态旋转至位于离图1的平衡位置约5°的位置的起动点时，在感应线圈12上作用一直流励磁电流，以使每个极靴11有与对应的永久磁体13相同的极性。

其结果为，永久磁体13将接受一来自对应的极靴11的排斥力，并将沿图2中的箭头A的方向旋转。如图3所示，转子14将在其旋转至停止地点(离开图1的转子位置约76°的位置)以后停止。如果直流励磁电流在转子14处于图3的状态时停止，则极靴11的磁力就会消失，而转子14的永久磁体13将再次被吸向极靴11，转子14将返回至图1所示的位置。

图4为一曲线图，它示出图1-3所示的实施例的旋转式螺线管的旋转角度与转矩特性之间的关系。在按照本发明的旋转式螺线管中，在0°与20°之间的转子旋转范围中产生相当大的转矩，其中，0°为图1所示的转子平衡位置。此外，消除了排斥力的产生，而且这会改善旋转式螺线管的特性(其旋转范围，角速度和转矩稳定性)。

如上所述，在该旋转式螺线管中，位于定子10上的极靴11是相对于一个包括中心轴线的平面对称的，并且转子14上的至少一个永久磁体13是沿角度方向朝另一永久磁体13偏移的。因此，图1的转子位置与起动点之间的角度是比较小的。当转子14旋转至起动点，同时在缠绕在各自的极靴11上的感应线圈12中有励磁电流时，转子14沿旋转方向接受一旋转力。在极靴11中感应出来的磁场与永久磁体13对的磁场的相互作用驱动转子14经过一规定的角度范围。因此，旋转角度和转矩都加大，而能量消耗则减少。

图5为一示出按照本发明的另一实施例的旋转式螺线管的基本结构的图。在图1-3的第一实施例中，旋转式螺线管有一对永久磁体13和一对极靴11。不过，旋转式螺旋管可以如图5所示有附加的永久磁体和数量相等的极靴。在图5的例子中，设置两对永久磁体13-1、13-2和两对极靴11-1、11-2，但是极靴和永久磁体的数目并不如此受限制。极靴11-1、11-2各自有一径向的并垂直于转子14的轴线的极轴。如图所示，极靴以均匀的角度间隔互相隔开。换句话说，极靴11-1、11-2是对称布置的。

永久磁体13-1沿其厚度方向被磁化，以使磁体13-1的极轴是径向的并垂直于转子14的轴线。第一对磁体的至少一个磁体13-1沿角度方向从一沿径向直接与对应的一个极靴11-1对准的位置偏移。换句话说，磁体13-1是如图所示沿角度方向与对应的极靴11-1错开的。此外，第二对永久磁体的永久磁体13-2沿其厚度方向被磁化，以使该永久磁体的极轴是径向的并垂直于转子14的轴线。第二对磁体的至少一个磁体13-2沿角度方向从一在径向直接与对应的一个极靴11-2对准的位置偏移。因此，在永久磁体13-1、13-2与对应的极靴11-1、11-2之间有一径向不对准。更具体一些，每一对永久磁体的至少一个永久磁体13-1、13-2的中心或极轴沿径向与对应的极靴11-1、11-2的中心或极轴不对准。除具有附加的极以外，图5的旋转式螺线管的操作与图1-3的旋转式螺线管的相同。

在上述实施例中，说明转子14的永久磁体13沿角度方向从沿径向直接与对应的极靴11对准的位置偏移，但是本发明并不如此受到限制。永久磁体13可以按均匀的角度间隔放置，而定子10的极靴11则可以沿角度方向从沿径向直接与永久磁体13对准的位置偏移，以得到同样的结果。这对具有多个永久磁体与多个极靴的旋转式螺线管同样适用。

此外，在所示实施例中，采用了永久磁体；不过也可以取而代之，采用转子的磁化部分。换句话说，也可以偏移转子上的磁化位置，以得到与偏移永久磁体的位置相同的结果。

此公开内容意图说明如何构造并采用按照本发明的各种实施例，而不是限制其实际意图的清晰的范围和精神。前述说明并不企图详尽或是企图将本发明限于所公开的精确形式。有可能按照上述内容进行改进或改变。实施例的选择和描述是提供本发明的原理及其实际应用的最好说明，并且使本领域的普通技术人员能利用本发明的不同实施例和各种改进，以便适合所要求的特殊用途。在确切地、合法而合理地解释其范围时，所有这种改进和改变都在由所附的权利要求书-它可能在专利的审查期间进行修改，和所有其等同物中规定的本发明的范围内。

Claims (10)

1.一旋转式螺线管，它包括：

一有一中心轴线的转子，其中，在所述转子上安装有至少两个永久磁体，永久磁体的极轴绕所述中心轴线位于预定的角度位置上；

一绕转子设置的定子，其中，定子包括极靴，极靴的数目与永久磁体的数目匹配，在每个极靴上缠绕一线圈，其中，极靴的极轴绕中心轴线位于预定的角度位置上，而且转子在预定的角度范围内由被线圈中的感应电流感应的磁场和永久磁体的磁场驱动，其中，永久磁体的角度位置和极靴的角度位置是失配的，以致不存在永久磁体的极轴沿径向与极靴的极轴对准的转子位置。

2.一种如权利要求1的旋转式螺线管，其特征为，定子包括至少两对极靴，而转子包括至少两对永久磁体。

3.一种如权利要求1的旋转式螺线管，其特征为，所述极靴的极轴均匀地绕转子的轴线分布，而永久磁体的极轴则不均匀地绕转子的轴线分布。

4.一种如权利要求1的旋转式螺线管，其特征为，所述极靴的极轴以相等的角度间隔彼此分开，而永久磁体的极轴则以不相等的角度间隔彼此分开。

5.一种如权利要求1的旋转式螺线管，其特征为，永久磁体在转子上的分布是不均衡的。

6.一旋转式螺线管，它包括：

一有一中心轴线的转子，其中，转子包括至少两个位于预定的角度位置上的永久磁极轴；

一使转子设置的定子，其中，定子包括电磁极，每一个电磁极都有一极轴，定子上的电磁极的数目与转子上的永久磁极轴的数目匹配，其中，电磁极的极轴绕转子的轴线位于预定的角度位置上，而转子则在预定的角度范围内被由电磁极产生的磁场和转子的永久磁场驱动，其中，永久磁极轴的角度位置与电磁极的极轴的角度位置要失配，以使得不存在转子的永久磁极轴沿径向与电磁极的极轴对准的转子位置。

7.一种如权利要求6的旋转式螺线管，其特征为，所述定子包括至少两个电磁极，而转子包括至少两对永久磁极轴。

8.一种如权利要求6的旋转式螺线管，其特征为，定子的电磁极的极轴绕转子的轴线均匀分布，而永久磁极轴绕转子的轴线不均匀分布。

9.一种如权利要求6的旋转式螺线管，其特征为，所述电磁极的极轴按相等的角度间隔彼此隔开，而永久磁极轴则按不相等的角度间隔彼此隔开。

10.一种如权利要求6的旋转式螺线管，其特征为，所述永久磁极轴在转子上的分布是不对称的。

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