[发明专利]用于永磁体的通量集中结构、制造这种结构的方法和包括这种结构的机器

说明书

优先权

本申请要求2011年4月13日提交的美国临时申请序列号61/517,086的优先权，该专利的公开内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及永磁体领域，包括永磁体和永磁体结构在机器及其它装置中的使用。

背景技术

永磁体电磁机器（在此称为永磁机）利用来自永磁体的磁通量，以将机械能转换成电能，反之亦然。各种类型的永磁机都是已知的，包括轴向通量机器、径向通量机器和横向通量机器，在这些电磁机中，一个部件相对于另一个部件在单个方向上或在两个方向上绕一轴线旋转或者沿一轴线平移，例如往复运动。这种机器通常包括绕组以通过线圈携带电流，其中所述线圈通过磁体和绕组之间的相对运动与来自磁体的通量相互作用。在通常的工业应用结构中，永磁体例如安装成用于例如在转子（或其它运动部件）上运动，绕组安装在例如定子的静止部件上。由直流电源操作的、典型地用于低功率、低成本的机器的其它的构造也是清楚和可获得的，其中在这种构造中，磁体是静止的，机器的绕组是转子的一部分（由被称为具有“电刷”的“换向器”的装置激励），但是，为简洁起见，下文没有详细论述这些构造。

在电马达中，例如，电流施加于定子中的绕组，导致磁体（由此导致转子）相对于绕组运动，从而将电能转换成机械能。在发电机中，对发电机的转子施加的外力导致磁体相对于绕组运动，由此产生的电压使电流流过绕组，从而将机械能转换成电能。

表面安装的永磁机属于这样类型的永磁机，在该永磁机中，磁体安装在铁磁结构上或通常被称为背铁的背衬上。这种机器通常是成本最低、重量最轻的永磁机，但是其通常受到性能限制的困扰，这种性能限制可追溯到本领域众所周知的传统设计和制造的永磁体的通量密度限制上。作为常见情形，可以通过使用由具有较高磁能密度或较大厚度的材料形成的磁体来增大通量密度。高磁能密度材料，诸如钕铁硼系，通常成本更高，历来价格明显不稳定。更厚的磁体需要更多的磁性材料，成本通常与材料量成比例。因而，用这些方法增大这种机器的通量密度，并且成本通常与材料量成比例。因此，对于这种机器通过这些方法增加通量密度也增加了成本并且潜在地增加了成本的不稳定性，只能带来有限的性能改善。此外，在给定的磁路中通量存在固有的限制，进一步增加磁体厚度，可能只会带来极少的额外的通量或者不能带来额外的通量。

考虑到表面安装的机器的改善电磁效率及其它性能属性的已知技术的缺陷，设计这种机器的本领域技术人员明显希望得到用于实现这种性能改善的新技术。进一步地，因为除了如上所述的永磁机之外的永磁体的许多应用都受益于在限制成本的同时提高磁性的能力，所以，如果这种新技术具有广泛适用性而不局限于永磁机，则是本领域技术人员更希望的。

所公开的设计和技术的益处对设计和建造表面安装的永磁机的本领域技术人员来说是显而易见的。实际上，所公开的设计和技术的益处可以使表面安装的磁体机器在性能上与其它永磁机技术（诸如嵌入磁体机器）竞争，同时保持表面安装的永磁机的建造成本和重量的优点。此外，所公开的设计和技术的益处和效用不局限于表面安装的永磁机，而是扩展到各种各样的永磁体应用。

发明内容

在附图和下文显示和描述了说明性实施例。但是，应当明白，没有任何意图将请求保护的发明限制于在该发明内容或在详细说明中描述的特定方式。本领域技术人员应当认识到，存在许多修改、等同物和替代构造，这些都落在请求保护的发明的精神和范围内。尤其是，本领域技术人员应当认识到，所公开的设计和技术可用于具有磁体阵列的任何机器中，包括以旋转或线性方式运行的径向、轴向和横向通量马达和发电机。诚然，本领域技术人员也应该认识到，所公开的结构和技术可用于利用来自永磁体的磁通量的任何应用中。

本发明公开了永磁体的多种结构，其能够集中由磁体产生的通量。根据其中使用了所公开的设计和技术的特定应用，可通过使漏通量最小、增大峰值通量密度以及设计通量场的形态来提高效率和可靠性，以改善通量集中永磁体结构在加载时的有效矫顽磁性并且实现定制的电压和电流波形。