改进的多通道电动马达/发电机的制作方法

相关申请

本申请要求享有2015年6月28日提交的题为“animprovedelectricmotor/generator”的美国申请号62/185,637；2016年1月27日提交的题为“animprovedmulti-tunnelelectricmotorgenerator”的美国申请号15/008,431；2016年4月8日提交的题为“animprovedmulti-tunnelelectricmotor/generator”的pct申请号pct/us15/26776的优先权日，这些申请的公开内容通过引用包含于此以用于所有目的。

本申请与以下美国专利申请一起被共同拥有：2015年9月25日提交的题为“animprovedbrushlesselectricmotor/generator”的美国专利申请号14/866,788；2015年9月25日提交的题为“animprovedbrushedelectricmotor/generator”的美国专利申请号14/866,787；2015年1月29日提交的题为“animprovedbrushlesselectricmotor/generator”的美国申请号14,608,232；以及2013年3月20日提交的题为“animproveddcelectricmotor/generatorwithenhancedpermanentmagneticfluxdensities”的美国申请序列号13/848,048，这些申请的公开内容通过引用包含于此用于所有目的。

本发明总体上涉及一种新的和改进的电动马达/发电机，并且尤其是涉及一种用于从电磁马达产生旋转运动或从旋转运动输入生成电力的改进的系统和方法。

背景技术：

非常典型地，通过磁场和载流导体的相互作用，电动马达使用电能产生机械能。1821年，由英国科学家迈克尔·法拉第(michaelfaraday)第一次演示了通过电磁方式将电能转化成机械能，并且随后通过亨德里克·洛伦兹(hendriklorentz)的工作来量化。

当诸如电子的电荷载体运动通过空间或在电导体内运动时产生磁场。由运动的电荷载体(电流)产生的磁通线的几何形状与静电场中的磁通线的形状相似。磁通量通过大多数金属产生很小的影响或不产生影响，但存在一些例外，特别是铁和镍。这两种金属以及含有它们的合金和混合物已知为铁磁材料，这是因为它们可以用于聚集磁通线。

在传统的电动马达中，当施加电流时，被紧密包裹的载流材料的中央芯在磁体的固定极(已知为定子)之间高速转动或旋转而产生磁极(已知为转子)。该中央芯被典型地联接至也随转子一起旋转的轴。该轴可以用于驱动旋转式机器中的齿轮和轮和/或将旋转运动转化成直线运动。

发电机通常是基于电磁感应原理，它是由迈克尔·法拉第在1831年发现的。法拉第发现，当导电材料(例如，铜)运动通过磁场(或反之亦然)时，电流将开始流过该材料。这种电磁效应将电压或电流感应到运动导体中。

目前的发电装置，诸如旋转式交流发电机/发电机和线性交流发电机，依靠法拉第的发现来发电。事实上，旋转式发电机本质上是围绕非常大的磁体的内部转动的非常大量的线。在这种情况下，线的线圈被称为电枢，这是因为它们相对于固定磁体(其被称为定子)运动。典型地，运动部件被称为电枢，固定部件称为定子或多个定子。

当今使用的旋转式马达和发电机产生或利用正弦时变电压。这种波形是这些装置的操作所固有的。

就传统的马达而言，必须施加充分量级的脉冲电流以产生给定的转矩/马力。马力输出和效率则是设计、电力输入功率加损耗的函数。

就传统的发电机而言，当转子旋转时，产生电流。所产生的功率是通量强度、导体尺寸、极片数量和转速rpm的函数。

在马达或发电机中，某种形式的能量驱动转子的旋转和/或运动。随着能量变得更加稀缺和昂贵，需要更高效的马达和发电机来降低能耗，从而降低成本。

技术实现要素：

响应于这个和其他问题，提出了在本申请中公开的各种实施例，包括通过使用多个磁通道的永磁体操纵来增加磁通量密度的方法和系统。公开了用于马达/发电机的各种实施例，其包括：环形磁筒，所述环形磁筒包括围绕轴向轴线径向布置以形成圆形路径的第一磁通道区段，其中，所述第一磁通道节段包括：第一侧磁壁，其具有大体指向第一磁通道区段的内部的磁极取向；第一相对侧磁壁，其具有大体指向第一磁通道区段的内部的磁极取向并且沿轴向轴线定位成与第一侧磁壁相距预定距离；第一内磁壁，其大体沿基本轴向方向跨于第一侧磁壁与第一相对侧磁壁之间，并且具有大体指向第一磁通道区段的内部的磁极取向；第一外磁壁，其大体沿轴向方向跨于第一侧磁壁与第一相对侧磁壁之间，定位成径向远离第一内磁壁，并且具有大体指向第一磁通道区段的内部的磁极取向；其中，形成第一内磁壁的磁体和形成第一侧磁壁的磁体的相同磁极沿与形成第一外磁壁的磁体和形成第一相对环形磁壁的磁体的相同磁极相反的方向取向；和线圈组件，其定位在圆形路径内并适于相对于环形磁筒运动。

其他实施例可以包括上述内容，其中，环形磁筒进一步包括围绕轴向轴线径向布置的第二磁通道区段，所述第二磁通道区段邻近第一磁通道区段定位以形成圆形路径，其中，第二磁通道区段包括：第二侧磁壁，其具有大体指向第二磁通道区段的内部的磁极取向；第二相对侧磁壁，其具有大体指向第二磁通道区段的内部的磁极取向并且沿着轴向轴线定位成与第二侧磁壁相距预定距离；第二内磁壁，其大体沿基本轴向方向跨于第二侧磁壁与第二相对侧磁壁之间，并具有大体指向第二磁通道区段的内部的磁极取向；第二外磁壁，其沿轴向方向大体跨于第二侧磁壁与第二相对侧磁壁之间，沿径向远离第二内磁壁定位，并且具有大体指向第二磁通道区段的内部的磁极取向；其中，形成第二内磁壁的磁体和形成第二侧磁壁的磁体的相同磁极沿与形成第二外磁壁的磁体和形成第二相对环形磁壁的磁体的相同磁极相反的方向定向，以及形成第二磁通道区段的磁体的相同磁极沿与形成第一磁通道区段的磁体的相同磁极相反的方向定向。

其他实施例可以包括上述内容，其中，线圈组件还包括：环形芯；多个齿，其径向地定位在环形芯周围并且从环形芯延伸以形成多个狭槽；和多个线圈绕组，其中所述多个线圈绕组中的每个线圈绕组定位在所述多个狭槽中的狭槽内。

其他实施例可以包括上述内容，还包括大体围绕环形磁筒的背铁回路。

其他实施例可以包括上述内容，还包括限定在背铁回路中的纵向凹槽，用于定位和支撑形成第一外磁壁和第一内磁壁的磁体。

其他实施例可以包括上述内容，还包括联接至线圈组件的毂和联接至毂的轴。

其他实施例可以包括上述内容，还包括联接至环形磁筒的毂和联接至毂的轴。

其他实施例可以包括上述内容，还包括限定在环形磁筒中的外周向狭槽，以允许结构支撑件和/或电导体的通过。

其他实施例可以包括上述内容，还包括限定在环形磁筒中的内周向狭槽，以允许结构支撑件和/或电导体的通过。

其他实施例可以包括上述内容，还包括限定在环形磁筒中的侧圆形狭槽，以允许结构支撑件和/或电导体的通过。

其他实施例可以包括上述内容，还包括用于防止通道内部中的磁通力通过狭槽逃逸的部件。

其他实施例可以包括上述内容，还包括：支撑环，其联接至线圈组件并且部分地延伸穿过侧圆形狭槽；第一端板，其联接至支撑环。

其他实施例可以包括上述内容，还包括：轴，其联接至环形磁筒；第二端板，其可旋转地联接至轴；和用于将第一端板连接至第二端板的部件。

其他实施例可以包括上述内容，其中第一内磁壁、第一外磁壁、第一环形磁壁和第一相对环形磁壁可以由电磁体形成。

其他实施例可以包括上述内容，其中当各个线圈定位在第一磁通道区段或第二磁通道区段内时，在所述多个线圈中的各个线圈的所有侧部上都产生切向磁力。

此外，可以存在一种产生机械旋转的方法，该方法的特征在于：在第一内腔内形成第一集磁区域，所述第一内腔由具有面向该内腔的第一磁极的第一外磁筒壁、具有面向该内腔的第二磁极的第一内磁筒壁、具有面向该内腔的第三磁极的第一侧磁壁和具有面向该内腔的第四磁极的第一相对侧磁壁限定，其中第一和第三磁极具有与第二和第四磁极相反的极性；将线圈定位在第一内腔内；将沿第一方向的电流施加到线圈以使线圈相对于第一内腔旋转；将纵向轴联接至线圈，使得随着线圈旋转，纵向轴旋转。

其他实施例可以包括上述内容，还包括：在定位成周向地邻近第一内腔的第二内腔内形成第二集磁区域，所述第二内腔由具有面向该内腔的第五磁极的第二外磁筒壁、具有面向该内腔的第六磁极的第二内磁筒壁、具有面向该内腔的第七磁极的第二侧磁壁和具有面向该内腔的第八磁极的第二相对侧磁壁限定，其中第五和第七磁极具有与第六和第八磁极相反的极性；将沿第一方向的电流施加到线圈以使线圈移动到第二内腔；当线圈位于第二内腔内时将沿第二方向的电流施加到线圈以将线圈移出第二内腔；和将纵向轴联接至线圈，使得随着线圈从第一内腔旋转到第二内腔，纵向轴旋转。

此外，可以公开一种方法，该方法的特征在于：在第一内腔内形成第一集磁区域，所述第一内腔由具有面向该内腔的第一磁极的第一外磁筒壁、具有面向该内腔的第二磁极的第一内磁筒壁、具有面向该内腔的第三磁极的第一侧磁壁和具有面向该内腔的第四磁极的第一相对侧磁壁限定，其中第一和第三磁极具有与第二和第四磁极相反的极性；在第一内腔内旋转线圈；和随着线圈移动通过第一内腔，从线圈提取具有第一方向的电流。

其他实施例可以包括上述内容，还包括：在第二内腔内形成第二集磁区域，所述第二内腔由具有面向该内腔的第五磁极的第二外磁筒壁、具有面向该内腔的第六磁极的第二内磁筒壁、具有面向该内腔的第七磁极的第二侧磁壁和具有面向该内腔的第八磁极的第二相对侧磁壁限定，其中第五和第七磁极具有与第六和第八磁极相反的极性，其中第一至第四磁极具有与第五至第八磁极相反的极性；在第二内腔中旋转线圈；和随着线圈移动通过第二内腔，从线圈提取具有第二方向的电流。

结合附图，从以下详细的描述将更为清楚地理解这些及其它特征和优点。

重要的是注意到附图并不旨在表现本发明的唯一方面。

附图说明

图1是根据本公开的某些方面的马达/发电机部件的一个实施例的分解图。

图2是图1所示的马达/发电机部件的一部件的详细等距视图。

图3是图2的部件的分解图。

图4a是线圈组件的等距视图，其示出了中心铁心和从铁心延伸出的多个齿，其中为清楚起见已移除了部分齿。

图4b是图4a的多个齿中的单个齿的详细透视图。

图4c是图4a的多个齿中的单个齿的替代实施例的详细透视图。

图4d是联接至多个线圈绕组的图4a的线圈组件的等距视图。

图4e是联接至多个线圈绕组的图4a的转子/定子的等距视图，其示出了所有转子/定子齿。

图5a示出了形成包括八个磁筒区段的环形磁通道的一个实施例的多个磁体。

图5b是示出了磁筒区段的一个实施例的详细透视图。

图5c是其中定位有转子/定子部分的一部分的磁筒区段的一个实施例的详细等距视图，其示出了从包括磁筒区段的磁体产生的磁通力的方向。

图5d是图5c所示实施例和其中放置的线圈绕组的详细等距视图，其示出了线圈绕组中的电流方向。

图5e是图5d的磁筒区段的一个实施例的详细等距视图，其示出了由磁体产生的磁通力与绕组中的电流的相互作用产生的力的方向。

图6a是围绕纵向轴线布置的具有相似磁极方向的四个磁筒区段的透视图。

图6b是具有四个磁筒区段和四个附加磁筒区段的等距视图，其中四个附加磁筒区段具有与前四个磁筒区段相反的磁极取向。

图6c是磁筒区段的一个实施例的详细等距视图，其示出了形成磁筒区段的磁体具有与图5c所示的磁筒区段的磁体相反的磁极。

图7a示出了联接至背铁回路的图6c的磁筒，为了清楚起见移除了侧背铁回路的一部分。

图7b示出了联接至完整背铁回路的图6c的磁筒。

图8示出了可以与本发明的某些实施例一起使用的示例性开关回路。

图9a示出了联接至背铁回路的替代磁筒。

图9b是替代磁筒的组装图。

图9c是图9b的替代磁筒的分解图。

图10a是包含替代磁筒的马达/发电机的组装图。

图10b是包含替代磁筒的马达/发电机的分解图。

图10c是包含替代磁筒的马达/发电机的分解图，其中为了清楚起见移除了某些部件。

图10d是包含替代磁筒的马达/发电机的分解图，其中为了清楚起见移除了某些部件。

具体实施方式

以下描述了部件、信号、消息、协议和布置的特定示例以简化本公开。当然，这些仅仅是示例，并非旨在从权利要求中描述的限制本发明。为了在不必要的细节上不使本发明难以理解，在没有详细说明的情况下呈现了公知的元素。在极大程度上，已经省略了为获得本发明的完全理解而不必要的细节，这是因为这些细节是在相关领域的普通技术人员的技能内。省略了关于传统的控制回路、电源或用于对本文所述的某些部件或元件供电的回路的细节，这是因为这些细节是在相关领域的普通技术人员的技能内。

当在本公开中讨论诸如上、下、顶、底、顺时针或逆时针的方向时，这些方向意味着仅为所示的附图和为附图中的部件的取向提供参照方向。这些方向不应当被阅读为暗示在任何所得到的本发明或实际用途中所使用的实际方向。在任何情况下，这种方向都决不被阅读为向权利要求书中限制或赋予任何意义。

图1a是马达/发电机部件100的分解透视图，其示出背铁回路的第一部分202、背铁回路的第二部分204、中心毂300和磁盘组件400。背铁回路的第一部分202包括由背铁材料制成的第一筒壁206。第一筒壁206可以联接至同样由背铁材料制成的平坦侧壁208。为了本申请的目的，术语“背铁”可以指的是铁或软磁材料，诸如任何含铁化合物或合金(例如，不锈钢)，任何镍或钴合金，或包含这样的材料的层压片的任何层状金属。

类似地，背铁回路的第二部分204包括联接至平坦侧壁212的第二筒壁210。当组装时，背铁回路的第一部分202和背铁回路的第二部分204物理地围绕中心毂300和磁盘组件400。在其他实施例中，筒壁206和210之间的空间限定了其中限定的狭槽410(参见图7b)以允许控制线和/或电导体的通过。在又其他实施例中，筒壁206和210与平坦侧壁208和212之间可以分别具有狭槽或间隙(未示出)。在某些实施例中，狭槽允许控制线和/或电导体的通过。

在某些实施例中，毂300包括用于联接至诸如轴(未示出)的机械负载传递装置的内毂302。毂300围绕轴(未示出)定位并结构性地支撑磁盘组件400。在该实施例中，多个径向臂304将内毂302联接至外毂306。在某些实施例中，外毂306还包括用于磁盘组件400的背铁回路的一部分。

图2是磁盘组件400的详细等距视图。图3是磁盘组件400的分解图。在图2和图3所示的实施例中，相对于纵向轴线401，存在有磁体的顶部或第一侧或轴向环402。类似地，存在有磁体的底部或第二侧或轴向环404。在磁体的第一轴向环402和第二轴向环404之间纵向地定位有磁体的外筒壁或纵向环406。在磁体的第一轴向环402和第二轴向环408之间还纵向地并且在磁体的外纵向环406内横向地定位有磁体的内筒壁或纵向环408。当组装时，形成轴向环402-404和纵向环408-406的磁体形成环形磁筒，例如如图5a所示。

在某些实施例中，本文讨论的形成轴向环402-404和纵向环408-406的磁体可以由任何适当的磁性材料制成，例如：钕，铝镍钴合金，陶瓷永磁体或电磁体。磁体或电磁体的确切数量将取决于所需的磁场强度或机械构型。所示的实施例基于某些商业上可获得的磁体仅是布置磁体的一种方式。其它布置是可行的，尤其是如果为了该特定目的制造磁体的话。

线圈组件500横向地定位在外纵向环406和内纵向环408之间并且纵向地定位在第一轴向环402和第二轴向环404之间。在某些实施例中，线圈组件500可以是定子。在又其他实施例中，线圈组件500可以是转子。

现在转到图4a，存在线圈组件支撑件502的局部等距视图，在一个实施例中，其是与由轴向磁环402-404和纵向磁壁406-408以及上述的背铁回路部分202和204所形成的转子协同使用的定子的部分。在某些实施例中，线圈组件支撑件502包括筒形或环形芯504，其联接至围绕该环形芯径向地间隔的多个齿506。为清楚起见，图4a示出了一部分齿506被移除，使得环形芯504是可见的。

在某些实施例中，环形芯504可以由铁或背铁材料制成，使得其将充当磁通力聚集器。然而，当考虑到诸如机械强度、涡电流减少、冷却通道等的设计考虑因素时，可以使用其它芯材料。如上所述，背铁材料可以是铁、铁合金、层压钢铁或其他软磁材料。在某些实施例中，环形芯504可以是中空的或具有限定在其中的通路以允许液体或空气冷却。

在图4b中示出单独齿506a和环形芯504的一小部分的一个实施例。齿506a可以由与形成芯504的材料类似的材料制成，例如，铁或层压钢。在所示的实施例中，每个齿506a都从环形芯504沿着径向(例如，水平)和纵向(例如，竖向)方向延伸。因此，每个齿506a都包括远离纵向轴线401(图3)径向地延伸的外部部分510、朝向纵向轴线401径向地延伸的内部部分512、沿着一个纵向方向延伸的顶部部分514以及沿着相反的竖向或纵向方向延伸的底部部分516。环形芯504的所示部分联接至该单独齿506a并且支撑该单独齿。

在某些实施例中，外翅片520联接至外部竖直部分510的外边缘，并且相对于纵向轴线401从竖直部分510沿着周向(或切向)方向两者向外延伸。类似地，内翅片522联接至内部部分512的内边缘并且从内部部分512沿着周向(或切向)方向两者向外延伸。如在本公开中所使用的，术语“周向方向”是指围绕诸如轴线401的轴线(参见图4a)的切向或旋转方向。

图4c中示出了单独齿506'a和环形芯504的一小部分的替代实施例。齿506'a与上文参照图4b所述的齿506a类似，不同的是齿506'a还具有从顶部部分514和下部部分516延伸的水平翅片。具体地，第一或顶部水平翅片518从顶部水平部分514沿着水平周向方向两者延伸。类似地，第二或底部水平翅片519从底部水平部分516的边缘沿着水平周向方向两者延伸。换句话说，顶部水平翅片518将外翅片520连接到内翅片522。类似地，底部水平翅片519将外翅片520连接到内翅片522。从结构角度看，翅片518和519的厚度可以更厚，相对于相应水平构件514和516更接近连接部并且随着翅片远离连接部延伸而渐缩。

如图4a所示，由环形芯504支撑的相邻的齿506或506'在线圈组件支撑结构502内形成径向狭槽524。图4d(其省略了一部分齿506)示出了各个线圈或线圈绕组526，其围绕环形芯504沿径向定位并且定位在由齿506或506'形成的狭槽524内。图4e示出了完整的线圈组件500，其示出了定位在各个狭槽524内的所有单独齿506和单独线圈绕组526。

线圈组件500中的每个单独线圈526可以由诸如铜(或类似合金)线的导电材料制成，并且可以使用本领域中已知的传统绕线技术构型。在某些实施例中，可以使用集中绕组。在某些实施例中，各个线圈526的形状可以是大体圆筒形或矩形的，其缠绕在具有中心开口的环形芯504周围，中心开口的大小设计成允许各个线圈526固定到芯504。

通过将各个线圈526定位在由齿506或506'限定的狭槽524内，线圈由齿的更显著的散热能力所包围，所述齿的更显著的散热能力在某些实施例中可以将冷却通路直接结合到形成齿的材料中。这允许有比传统的马达几何结构高得多的电流密度。另外，将多个线圈526定位在狭槽524内和齿506之间减少了线圈之间的气隙。通过减小气隙，线圈组件500可以有助于马达或发电机产生的总体转矩。在某些实施例中，线圈组件的齿506a或506'a的横向翅片518和519(图4c)、周向翅片520和522(图4b或4c)减小了线圈结构之间的气隙，以便当线圈通电并且线圈组件500开始相对于磁通道运动时允许磁通力从一个翅片向相邻翅片流动。因此，线圈支撑组件502的所有部分有助于由系统引起的总体转矩。

各个线圈526的数量可以是物理上将装配在所需的容积内的任何数量，并且所述各个线圈具有本领域中已知的产生所需的电气或机械输出的导体长度和尺寸。在又其它实施例中，线圈526可以本质上是一个连续的线圈，与如本领域中已知的格莱姆环(grammering)类似。

图5a是形成围绕纵向轴线401定位的圆形或环形磁通道的环形磁筒430的透视图。如前所述，相对于纵向轴线401，环形磁筒430包括顶部轴向环或侧壁磁体402。类似地，存在第二或底部轴向环或侧壁磁体404。磁体的外筒壁或纵向环406纵向地定位在磁体的第一轴向环402和第二轴向环404之间。根据实施例，磁体的外纵向环406可以限定轴向狭槽410以容纳支撑结构、冷却机构和/或线和导体。磁体的内筒壁或纵向环408也纵向地定位在磁体的第一轴向环402和第二轴向环408之间并且轴向地定位在磁体的外纵向环406内。

在其他实施例中，磁体的内纵向环408可以包括轴向狭槽(类似于狭槽410，但未示出)。在又其他实施例中，磁体的第一轴向环402或第二轴向环404可包括侧圆形狭槽(未示出)。这种狭槽被设计成容纳支撑结构、冷却机构和/或线或导体。限定在磁体的内纵向环408(与磁体的外纵向环406相对)内的狭槽的一个优点是磁体的内纵向环408比磁体的外环406产生更小的转矩。因此，通过使用磁体的外纵向环408的整个宽度可以产生更大的转矩。

在图5a所示的实施例中，环形磁筒430包括八个环形磁筒区段(或磁通道区段)。在其他实施例中，可以存在两个、四个、六个、十个、十二个区段或更多。区段的数量将取决于用于特定应用的特定设计和性能特征。

图5b是限定磁通道458或圆形路径的一部分的单个环形磁筒区段450(或磁通道区段)的透视图。如图所示，环形磁筒区段450具有外磁壁452(其为外筒壁406的一部分)和内磁壁454(其为内磁筒壁408的一部分)。除了部分筒形的磁壁452和454之外，还有轴向、侧或横向磁壁460和462，其在该示出的实施例中可以由楔形构件或磁体制成。轴向壁460可以是第一侧壁或环壁402的一部分，轴向壁462可以是第二侧壁或环壁404的一部分，或反之亦然。

在所示的实施例中，在壁之间可以存在狭槽，例如在壁454和壁460之间的狭槽456。如上文讨论的，在某些实施例中，在壁内也可以存在狭槽，例如限定在磁壁452内的狭槽410。在磁壁452、454、460和462中的各个磁体的磁极都朝向或远离环形磁筒区段450的通道458的内部以形成“闭合”的磁通道区段。换句话说，形成外壁452和内壁454的磁体的磁极定向为径向地指向纵向轴线401(图5a)。相反，形成第一轴向壁460和第二轴向壁462的磁体的磁极定向为平行于纵向轴线401。

如在本公开中使用的术语“闭合的磁通道”是指使用形成筒区段450的磁体的布置，所述布置将磁通力沿周向方向从通道的一侧“强制”或“弯曲”到另一侧，而不让磁通力的大部分通过通道或其他开口逃逸。因此，狭缝宽度被限制成防止磁通力通过狭槽离开。在其它实施例中，可以将额外的磁体插入到狭槽中(或靠近狭槽)以保持大部分磁通力沿通道引导到预定方向或周向方向。

图5c是环形筒区段450的等距视图，其中线圈组件500的一部分定位在该区段的内部中。图5c所示的磁构型可以称为“ssnn”构型，这是因为两个相邻磁面的南极朝内，而另外两个相邻的磁面的北极朝内。换句话说，形成顶部轴向壁460和外部纵向壁452的磁体的南磁极面向通道458的内部。(为了便于画图解释说明，将“s”放置在轴向壁460和纵向壁452的边缘上以指示它们的内南极面向内。因此，位于边缘或侧部上的“s”不代表实际的磁极，而是对相应的内面的磁极的指示。)相反，形成内纵向壁454和底部轴向壁462的磁体的北内磁极面向通道458的内部(因此，“n”位于轴向壁462和纵向壁454的边缘以指示它们的内北极面向内。同样，位于轴向壁的边缘上的“n”不代表实际的磁极)。当线圈组件定位于在所示环形筒区段450内时，磁通线倾向于从磁壁的北极直接穿过线圈组件流动到磁壁的相对侧上的南极。

为了说明磁力的方向，还将使用箭头。因此，顶部轴向壁460在其边缘上标记有“s”并标记有箭头480，该箭头指向环形区段450的中心以表示从形成顶部轴向壁460的磁体(多个磁体)的内南极产生的磁通力的方向。类似地，外纵向壁452在其边缘上标记有“s”并标记有箭头482，该箭头指向环形区段450的中心以表示从形成外纵向壁452的磁体(多个磁体)的内南极产生的磁通力的方向。相反，底部轴向壁462在其边缘上标记有“n”并标记有箭头484，该箭头指朝向环形区段450的中心以表示的方向从形成底部轴向壁462的磁体(多个磁体)的内北极产生的磁通力的方向。内纵向壁454在其边缘上标记有“n”并标记有箭头486，该箭头指向环形区段450的中心以表示从形成内纵向壁454的磁体(多个磁体)的内北极产生的磁通力的方向。

图5d是环形筒区段450的等距视图，但其具有围绕线圈组件500的部分定位的线圈526a。当马达/发电机100处于马达模式时，来自外部源(未示出)的电流被施加到线圈，例如线圈526a。在所示实施例中，电流以逆时针方式流动，如箭头488所示，该箭头示出了线圈526a中的电流沿向上的方向流动。当电流位于线圈526a的上部分中时，电流则以箭头490所示的从右到左的方式流动。类似地，当电流处于线圈526a的竖直支腿中时，电流如箭头492所示沿向下的方向流动。最后，如箭头494所示，当电流位于线圈526a的下部分中时，电流以从左到右的方式流动。

图5e是筒区段450的等距视图，其中线圈526a围绕线圈组件500的环形芯504的部分定位，并且电流如上文参照图5d所解释的那样流经线圈。当形成外筒壁452的磁体沿箭头482的方向产生磁通力并且线圈526a中的电流对于图示而言沿向上的方向流动时，将根据磁力的右手定则沿箭头602的方向产生磁力。同时，形成横向或顶部壁460的磁体沿箭头480的方向产生磁通量，并且线圈526a中的电流对于图示而言沿从右到左的方向流动，将沿箭头604的方向产生磁力。此外，形成纵向或内筒壁454的磁体沿箭头486的方向产生磁通力，并且线圈526a中的电流对于图示而言沿向下的方向流动，将沿着箭头606的方向产生磁力。最后，形成横向或底部壁462的磁体沿箭头484的方向产生磁通力，并且线圈526a中的电流对于图示而言沿从左到右的方向流动，将沿箭头608的方向产生磁力。

应注意，所有箭头602、604、606和608处于相同的方向(即，相对于轴线401的切向或周向方向)。因此，由线圈526a的每个部分产生的力将处于相同的方向。换句话说，整个线圈526a用于产生相同方向的磁力，这将趋于使线圈526a相对于筒区段450移动。

在传统构型中，磁体的相对极通常纵向地对齐。因此，磁通线将“拥抱”或紧随磁体表面。所以，当使用传统的发电/用电装置时，间隙通常必须非常小以便能够作用于这些力线。通过沿径向或垂直于线圈组件500对齐相同的磁极，磁通力从磁体表面流过线圈组件。这种构型允许线圈和磁性表面之间有更大的公差。

与传统的马达相比，这种构型的优点之一在于，端部线匝(在这种情况下，是线圈的径向部段)是马达/发电机的“作用部段”或力产生部段的一部分。在传统的马达中，通常只有铜导体的轴向长度是产生功率的部段。在传统的马达中，端部线匝是不利的，增加了重量和损耗，但不产生功率，这是因为端部区域场未有效地链接端部绕组。然而，如上文解释的，整个线圈绕组由于轴向磁化的侧壁或轴向磁体而有效地产生转矩。因此，线圈的整个导体本质上都是起作用的，从而产生更大的力。

每个线圈526的绕组通常构造成使得它们保持横向于或垂直于包括线圈组件500的磁体的相对运动的方向并且平行于纵向轴线401。换句话说，线圈绕组被定位成使得它们的侧部与纵向轴线平行并且它们的端部径向垂直于纵向轴线。如上文所述，绕组还横向于由转子的各个磁体在其内表面处产生的磁通量。因此，整个线圈绕组或多个绕组(包括端部线匝)可以用于产生运动(在马达模式下)或电压(在发电机模式下)。

图6a示出了围绕公共中心轴线或纵向轴线401周向地布置的四个环形磁筒区段450a、450b、450c和450d。该布置在相应的筒区段之间留下四个开放空间610a、610b、610c和610d。将四个额外的环形磁筒区段420a-420d插入或定位到空间610a-610d中形成如图6b所示的完整的环形磁筒430。因此，图6b示出了通过围绕纵向轴线401交替布置地将四个环形磁筒区段450a-450d与环形磁筒区段420a-420d组合而形成的完整的环形磁筒430。

如上文参照图5e讨论的，形成环形磁筒区段450a-450d的磁体以特定的几何布置取向。换句话说，形成顶部磁壁460和外筒壁452的磁体的南极面向内朝向圆筒区段的内部。形成底部磁壁462和内筒壁460的磁体的北极面向内朝向磁筒区段的内部。相反，如图6c所示，相邻的环形磁筒区段(例如，磁筒区段420a)的磁极沿相反方向取向。

图6c示出了相邻的环形磁筒区段420，其可以是环形磁筒区段420a至420d。除了磁极取向相反之外，磁筒区段420类似于上文讨论的磁筒区段450。换句话说，形成磁壁460a和452a的磁体的北极面向内朝向筒区段的内部。(如前所述，“n”位于轴向壁460a和纵向壁452a的侧部，以指示它们的北极面向内。)形成磁壁462a和454a的磁体的南极面向内朝向磁筒区段的内部。(类似地，“s”位于轴向壁462a和纵向壁454a的侧部上，以指示它们的南极面向内。)因此，环形磁筒区段420a-420d相对于环形磁筒区段450a-450d具有相反的磁性取向。

当磁筒区段420a-420d通电时，流经定位在环形磁筒区段420a-420d内的线圈绕组的电流也以与流经定位在磁筒区段450a-450d内的线圈绕组的电流相反的方向行进，使得所产生的磁力或转矩的方向在整个磁筒430中是相同的。

在图6b中，一些磁壁用“s”标记，表示磁壁的面向“南”的极——与用表示磁壁的面向“北”的极的“n”标记的磁壁相反。因此，字母“n”和“s”叠置在磁壁的外表面上，以指示形成相应壁的磁体的磁极极性的方向。如上文讨论的，尽管在图6b中示出了八区段环形磁筒430，但是在其他实施例中，可以使用2、3、4、6、10等等个部分环形磁筒。针对任何给定应用选择的部分环形磁筒的数量可以基于针对各个应用的工程设计参数和特定性能特性。本发明的范围特别包括并构想了与相邻的部分环形磁筒具有相反极性的多个部分环形磁筒。为了简化和说明的目的，本文描述了八区段环形磁筒。然而，这种设计选择绝不意味着限制用于任何多通道环形磁筒的通道的选择或数量。

在某些实施例中，部分环形磁筒450a-450d和420a-420d的尺寸可以设计成允许在部分环形磁筒被组装成完整筒430时在部分环形磁筒之间形成径向间隙422，如图6b所示。

图7a示出了图6b的八通道环形磁筒430，其中背铁回路200的一部分包围磁筒430。图7b示出了完全被背铁回路200包围的八通道环形磁筒430。如上文讨论的，在其他实施例中，在背铁部件之间可以存在狭槽410以允许控制线和导体(未示出)的通过。

如上文讨论的，在说明性实施例中，毂300包括用于联接至诸如杆(未示出)的机械负载传递装置的内毂302。多个径向臂或辐条304在结构上将内毂302连接至外毂306。在某些实施例中，外毂306还包括背铁回路的一部分，因此可以由背铁材料形成。

在某些实施例中，背铁回路可以用作磁通路径的一部分。背铁材料将由环形磁筒430产生的磁通量引导通过背铁材料(与空气相反)以降低磁路的磁阻。因此，在某些实施例中，当使用适当设计的背铁回路时，可以减少形成环形磁筒的磁体(如果使用永磁体的话)的量或厚度。

在某些实施例中，背铁回路可以包括背铁材料的“顶”侧或轴向壁208和“底”侧或轴向壁210。该回路还可以包括周向环202和204，其分别可以联接至或不联接至轴向壁208和210。因此，在该实施例中，整个背铁回路包括毂300的外筒壁306、周向环202和204以及轴向壁208和210，如图7a和图7b所示。与环形磁筒430组合的背铁回路可以形成转子(或根据马达/发电机构型而形成定子)。

为了保持所产生的转矩和/或功率，可以通过开关或控制器(未示出)选择性地通电或激活线圈组件中的各个线圈526。线圈组件500中的各个线圈526可以电联接、物理地联接和通信地联接至开关或控制器，所述开关或控制器以传统方式选择性地和操作性地向各个线圈提供电流。

例如，当单独线圈在具有图5d和图5e所示的nnss磁极构型的磁通道区段内时，控制器可以使电流在该单独线圈内如图5d和图5e所示那样流动。另一方面，当该单独线圈移动到具有ssnn磁极构型的相邻磁通道区段中时，控制器使该单独线圈内的电流沿与图5d和图5e所示相反的方向流动，使得所产生的磁力的方向与图5e的箭头602、604、606和608所示的方向相同。

回到图4c和图5e，各个线圈526可以使用没有端部绕组的环形绕组并且在一些实施例中彼此串联连接。在其他实施例中，可以使用三相绕组，其中相邻的线圈连接在一起以形成每个相的分支。例如，两个相邻的线圈可以是a相线圈，接下来的两个相邻的线圈可以是b相线圈，并且接下来的两个相邻的线圈可以是c相线圈。然后对于线圈组件内的所有单独线圈526重复这种三相构型。在一个实施例中，有八(8)对相邻的a相线圈用于共16个a相线圈。类似地，有八(8)对相邻的b相线圈用于共16个b相线圈，以及有八(8)对相邻的相c线圈用于共16个c相线圈。因此，在这样的实施例中有48个单独线圈。

当线圈通电时，三相绕组可以在线圈组件周围的气隙中产生旋转磁场。旋转磁场与由环形磁通道产生的磁场相互作用，从而产生转矩和在线圈组件与环形磁通道之间产生相对运动。

在这样的实施例中，各个线圈526可以连接到无刷马达控制器(未示出)，以便以本领域已知的方式激活。对于每个相，控制器可以施加正向电流、反向电流或不施加电流。在操作中，控制器以连续地施加转矩的顺序向相施加电流，以在马达模式下沿期望的方向(相对于线圈组件)转动环形磁通道。在某些实施例中，控制器可以从来自位置传感器的信号解码转子位置，或者可以基于由每个相所产生的电流推断出转子位置。

在又其他实施例中，可以使用有刷马达/发电机。在这样的实施例中，可以使用一个或多个换向器(未示出)并且将其定位在例如毂300内。在某些实施例中，所使用的电刷的数量可以等于在特定马达/发电机的设计中使用的环形磁区段的数量。例如，如果使用四个环形磁区段，则可以使用四个电刷。线圈组件中的各个线圈526可以串联连接，从而具有环形缠绕绕组。在马达模式下的有刷设计中，仅需要如图8所示的简化的开关回路800以在线圈进入和离开相应的环形磁区段时切换电流方向。如图8所示，如本领域所公知的，电源802经由四对晶体管806a-806d和二极管808a-808d电联接至有刷马达804以切换四个环形磁区段的电流。

马达/发电机实施例

图9a示出了由背铁回路1200包围的磁盘组件1400(类似于图1和图2的磁盘组件400)。背铁回路1200类似于上文讨论的背铁回路200。与以上参照图7a和图7b讨论的实施例相反(在图7a和图7b的实施例中，环形磁筒具有限定在背铁回路200的第一筒壁206与第二筒壁210之间的周向狭槽410)，环形磁筒1400具有限定在背铁回路1200的第一侧或顶部壁1208与第一筒壁1206之间的侧狭槽1410。除了允许控制线和导体的通过之外，侧狭槽1410还可以用于允许结构性侧支撑件(例如，延伸环)。为了简洁和清楚起见，这里将不再重复描述与上面附图所示的实施例相同或相似的那些部分和部件。应参照前面的段落和下面的描述来获得对替代实施例的完整理解。

图9b示出了磁盘组件1400，为清楚起见移除了背铁回路1200。尽管在图9b中示出了八个区段，环形磁筒1400可以由任何数量的区段制成——如上文参照环形磁筒430所解释的。

图9c是背铁回路1200和形成环形磁筒1430(其类似于上文讨论的环形磁筒430)的磁体的分解等距视图。在该实施例中，背铁回路1200包括第一部分1202和第二部分1204。背铁回路1200的第一部分包括侧或顶部壁1208、第一周向外壁或环1206以及第一内壁或环1207。背铁回路1200的第二部分1204包括侧或底部壁1212、第二周向外壁或环1210以及第二内壁或环1211。

环形磁筒1430由第一轴向环或侧壁1402、第二轴向环或侧壁1404、磁体的外筒壁或纵向环1406、磁体的内筒壁或纵向环1408形成。当组装时，外筒壁1406和内筒壁1408纵向地定位在磁体的第一轴向环1402和第二轴向环1404之间。此外，内筒壁1408横向地定位在磁体的外纵向环1406内。在图9c所示的实施例中，外筒壁1406由两个部分或“环”组成：第一外环1406a和第二外环1406b。类似地，内筒壁1408由两个部分或内环组成：第一环1408a和第二环1408b。

如前文实施例所讨论的，每个外环1406a和1406b包括多个弯曲磁体。限定多个内纵向凹槽1240a，并且所述多个内纵向凹槽围绕第一外筒壁1206的内表面1242a径向间隔开。形成外磁壁1406的第一部分1406a的多个外磁体的尺寸设计成装配在多个内纵向凹槽1240a内。类似地，限定多个内纵向凹槽1240b，并且所述多个内纵向凹槽围绕第二外筒壁1210的内表面1242b径向间隔开。形成外磁壁1406的第二部分1406b的多个外磁体的尺寸设计成装配在多个内纵向凹槽1240b内。

每个内磁环部分1404a和1404b也包括多个弯曲磁体。限定多个外纵向凹槽1244a，并且所述多个外纵向凹槽围绕背铁回路1200的第一内筒壁1207的外表面1246a径向间隔开。形成内磁壁1408的第一部分1408a的多个内磁体的尺寸设计成装配在多个外纵向凹槽1244a内。类似地，限定多个外纵向凹槽1244b，并且所述多个外纵向凹槽围绕第二外筒壁1211的外表面1246b径向间隔开。形成内磁壁1408的第二部分1408b的多个内磁体的尺寸设计成装配在多个外纵向凹槽1244b内。

因此，多个凹槽1240a、1240b、1244a和1244b定位并结构性地支撑形成外筒壁1406和内筒壁1408的多个磁体。

图10a是使用磁盘组件1400和背铁回路1200(图9a至图9c)的系统900的组装等距视图。相反，图10b是系统900的分解等距视图。现在参照图10a和图10b两者，磁盘组件1400被用作系统900中的部件。磁盘组件1400包括线圈组件1500(其类似于上文讨论的线圈组件500)。取决于构型，系统900可以是电动马达或发电机。

在某些实施例中，系统900包括定子侧端板902和将线圈组件1500固定地联接至定子侧端板902的延伸或支撑环904。定子侧端板902包括布置成圆形构型的一系列孔。类似地，支撑环904也具有限定在圆形构型中的一系列孔905，其尺寸和间隔被设计成当系统900被组装时对准定子侧端板902的孔903。螺钉、螺栓或其他紧固件可以延伸穿过孔903和905中的一些以将定子侧端板902固定到线圈组件1500。

如图10a所示，当组装时，转子轴1302的一端部延伸穿过定子侧端板902。转子毂1300联接至转子轴1302并且支撑背铁回路1200，该背铁回路转而支撑环形磁筒430(在图10a和图10b中不可见)。转子轴1302的相对另一端部由转子侧端板908支撑。如图10a所示，当组装时，一对侧板910和912将定子侧端板902联接至转子侧端板908。如本领域中已知的，转子轴1302是机械负载传递装置，其在发电机模式下将机械旋转力输入到系统中，或者在系统处于马达模式时产生机械旋转力。

图10c是系统900的另一分解图示，其中定子或线圈组件1500经由延伸环904联接至定子端板902并由该定子端板支撑。因此，在该构型中，端板902和908、延伸环904以及线圈组件1500(定子)是固定不动的。相反，转子毂1300固定地联接至支撑和定位环形磁筒1430(在图10c中未示出)的背铁回路1200。转子轴1302由定子端板902和转子端板904结构性地支撑。轴承单元912和914位于转子轴1302的端部和端板之间，以允许转子轴相对于端板旋转。因此，如图10c所示，线圈组件1500(或定子)固定地联接至端板902。相反，环形磁盘1430和背铁回路1200(或转子)可旋转地联接至端板908。端板902和908固定机器的整个布置并将确保旋转部件的完整性。

在某些实施例中，线和冷却介质可以从专用端板902经由延伸环904、分别经由孔903和905进入线圈组件500。相反，旋转部件(环形磁盘1430和背铁回路1200)可以被联接在一起并且将与转子毂1300串联联接，所述转子毂转而固定地联接至轴1302。

图10d是示出了关于转子毂1300的某些细节的局部分解图。为了清楚起见，已经移除了背铁回路的外壁1206和1210以及线圈组件1500。转子毂1300包括沿着轴1302的长度纵向地定位的多个支撑肩部。第一轴承支撑肩部1320接合并支撑轴承单元912。第一居中肩部1322联接至并支撑背铁回路1200的第一侧壁1208。中心肩部1324接合并支撑背铁回路1200的内筒壁1207和1211。第二居中肩部1326支撑背铁回路200的第二侧壁1212。第二轴承支撑肩部1328设计成接合并支撑第二轴承单元914。在某些实施例中，可以在转子轴1306的任一端部中限定键槽1330(参见图10b)。

在图10a至图10d所示的实施例中，线圈组件1500是定子。在其它构型中，线圈组件1500可以是转子。此外，如图所示的实施例仅是构造和支撑线圈组件1500的一种方式。在其它实施例中，线圈组件1500可以由支撑环支撑，所述支撑环从线圈组件穿过外筒壁206和210之间的中心狭槽410延伸到外部壳体或外壳(图7a和图7b)。在又其它实施例中，当线圈组件500用作转子时，线圈组件可以由支撑环支撑，所述支撑环从线圈组件通过内筒壁208和218之间的中心狭槽延伸到轴。确切的构型取决于关于线圈组件将是定子还是转子的设计选择。

某些实施例的优点

总之，当与传统的马达和发电机比较时，某些公开的实施例具有若干优点。如上所述，用磁体包围线圈产生更大的通量密度，并且力现在全部沿着运动方向，这与传统的马达相比会产生更大的转矩、使振动最小化并且使噪声最小化，而在所述传统的马达中力会试图向下拉线圈或向上推线圈(取决于极性)，而不是沿着运动方向。如上所述，所产生的磁场的大部分是沿着运动方向，所以几乎没有(如果有的话)浪费的场结构。因此，连续的转矩和连续的功率显著地增加。此外，当与传统的电动马达相比时，连续的转矩密度、连续的体积功率密度以及连续的重量功率密度也增大。

在某些实施例中，等同的全转矩在开始时是可用的，没有锁定的转子电流损耗。永磁体构型已经在开始时减小了浪涌电流。

在某些实施例中，线圈组件可以是紧凑的，但是因为线圈由有效的散热器包围，所以线圈被容易地冷却。因为没有理由重叠线圈绕组，所以几乎没有(如果有的话)任何不想要的场感应，这也有助于更高效的设计。该构型相比传统的马达的优点之一在于，端部线匝(在这种情况下，线圈的径向截面)是本发明的“作用部段”的一部分。在传统的马达中，铜导体的轴向长度是产生功率的部段。端部线匝是一种不利后果，增加了重量和损耗，但不产生功率，这是因为端部区域场未有效地链接端部绕组。然而，在以上公开的实施例中，整个线圈绕组由于侧壁或轴向磁体被轴向磁化而被有效地用于产生转矩，从而高效地利用铜绕组。

如上所述，上述用磁体围绕线圈产生更多的磁通密度并且力现在全部沿运动方向，这与传统的马达相比可以产生更多的转矩，使振动最小化并使噪声最小化，而在传统的马达中，力会试图向下拉线圈或向上推线圈(取决于极性)，而不是沿着运动方向。

因此，连续的扭矩和连续的功率显著增加。此外，与传统的电动马达相比，连续的转矩密度、连续的体积功率密度和连续的重量功率密度也增大。

在“dc”构型中，马达可以与电源线频率或所制造的频率无关地运行，从而减少对于昂贵的脉宽调制驱动控制器或类似控制器的需要。

已经为了示出和描述的目的给出了本发明的实施例的前述描述。该前述描述不意图是详尽的或不意图将本发明限制为所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多组合、修改和变型都是可行的。例如，在某些实施例中，上述部件和特征中的每个都可以与其它部件或特征单独地或顺序地结合，并且仍然落入本发明的范围内。具有互换的部件的未描述的实施例仍然落入本发明的范围内。本发明的范围不意图受该详细描述的限制，而是受由本公开所支持的权利要求或未来权利要求的限制。