[发明专利]基于电永磁体的马达

说明书

相关申请

本申请要求享有2009年1月27日提交的序列号为No.61/147,508的美国临时申请的优先权，该临时申请的全部内容通过引用被包含到本申请中。

关于联邦资助研究或开发的声明

本发明是在由国防高级研究项目署(DARPA)授予的、授权号为W911NF-08-1-0254的美国政府资助项目下进行的。政府享有本发明中的某些权利。

技术领域

本发明涉及马达，特别涉及应用电永磁体的马达和致动器。

背景技术

微型机器人学领域寻求建造能够感测、运动通过并操作它们环境的尺度在毫米或更小量级的移动机器人。已经建造了滚动、步行、游泳以及飞行的微型机器人。微型机器人特别有用，因为它们能够去其它机器人不能去的地方，例如进入灾难点的瓦砾中，进入机器中去修理它，或者在微创伤手术中进入体内。在微型机器人设计中的主要问题是为长时间操作提供足够的动力。因此，在微型机器人学和可编程体领域，需要具有能够以高扭矩和低速进行机电能量转换并能够缩放比例到小尺寸而没有效率损失的致动器。

可编程体的新兴领域寻求建造具有数以千计可驱动的自由度的可见物体，使得它们的形状和功能可在软件的控制下被改变。像微型机器人一样，可编程体也将需要高效的小尺寸致动器。

已经建造了多种多样的最大尺寸经测量在毫米量级的微型马达和微型致动器。这些致动器已经使用了各种不同的工作原理，包括磁性、静电、压电以及电热。因为建造微尺度下的高效的减速动力传输很难而且很昂贵，所以机器人和可编程体希望具有在低速下高效地直接产生高扭矩的致动器。即使具有减速(或加速)动力传输，这样的致动器也将被优先应用，但是该传输可能不需要这么多级、不需要大速率或者本来这样大的最大速度。

磁性马达主导了宏观尺度从电能到机械能的能量转换，为从工业机器工具到家用电器到儿童玩具的广大范围的装置提供动力。根据应用的需求，这些马达在广大范围的类别(例如感应、伺服、步进)和结构(例如旋转、线性)中是可用的。磁性马达具有两个部件，转子和定子。从外部源提供的电能被用于在转子和定子的交界面产生变化的磁场，这将推动转子并产生有用的机械功。

自从1821年迈克尔·法拉第建造了第一台电动马达(电机)以来，永磁体就被用于马达的建造。为了提高效率和扭矩并且为了简化建造和驱动，在小型电动马达(小于1个马力的容量)中，通常使用永磁体以增加效率和扭矩，并简化构造和驱动。例如，在刷式整流永磁体DC马达中，流经转子上的线圈的周期性反向的电流与定子上的永磁体的磁场相互感应以产生扭矩。对于几乎所有的永磁体马达来说，一条关键的设计准则是永磁体内部的退磁场必须不超过一个退磁阈值。否则，磁体的磁场将由于工作而减弱，马达也将不能工作。传统的永磁体马达被小心地设计以避免它们永磁体的退磁。

值得注意的例外是磁滞马达(例如被公开在美国专利No.3,610,978中)，其通过磁性材料片围绕它的磁滞回路连续循环，并在改变材料的磁化的同时由于磁场和磁通之间的时滞而产生连续的扭矩而工作。因为能产生独立于速度的恒定的扭矩的能力，所以该磁滞马达是特别的和有用的。然而，该磁滞马达需要电能的连续输入以产生连续的扭矩，即使在零速度下也是如此，因此具有在低速度下的低效率。

电动马达遭受了用于减小其功率效率的大量机械损耗。在高速下，机械损耗是由于摩擦，而磁损耗是由于主要承载磁通的构件的周期性的磁化和退磁。因此。磁性马达的承载磁通的材料(例如铁)典型地选择为具有最可能低的矫顽力，因此具有最可能低的磁损耗。在低速下，损耗是由于主要线圈的电阻发热，在零速度的限制下，当马达被停转时，100％的电能输入用于线圈的电阻发热，并且马达在百分之零的效率下工作。

发明内容