改进的多通道的电动马达/发电机的制作方法

本申请是名称为“改进的多通道的电动马达/发电机”、国际申请日为2016年4月8日、国际申请号为pct/us2016/026776、国家申请号为201680033171.1的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉参考

本申请要求享有2015年6月9日提交的题为“animprovedmulti-tunnelelectricmotor/generator”的美国临时专利申请序列号62/173,349；2015年5月28日提交的题为“animprovedmulti-tunnelelectricmotor/generator”的美国临时专利申请序列号62/167,412；以及2015年4月8日提交的题为“amulti-tunnelelectricmotor/generator”的美国临时专利申请序列号62/144,654的申请日期的权益，其全部公开内容通过参考包含于此以用于所有目的。本申请也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，其公开内容通过参考包含于此用于所有目的。

本发明总体上涉及一种新颖的并且改进的电动马达/发电机，并且具体地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发电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。

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到也随转子一起旋转的轴。然后，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，并且固定部件称为定子或多个定子。

在大多数常规的马达(线性和旋转两者)中，足够的合适极性的功率必须在正确的时间下被脉冲调制以在每个极段处提供相对(或吸引)的力来产生特定转矩。在常规的马达中，在任何给定的瞬间处，仅线圈极片的部分正积极地提供转矩。

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

就常规的发电机而言，当转子旋转时，产生电流。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。然而，输出是正弦输出，其固有地具有与常规的电动马达的损耗类似的损耗。

具体地，脉冲时变磁场产生不期望的效应和损耗，即，铁磁滞损耗，反emf，电感反冲，涡电流，浪涌电流，转矩波动，热损耗，齿槽效应，电刷损耗，有刷设计中的较高磨损，换向损耗和永磁体的磁性抖振。在许多情况下，使用复杂的控制器代替机械换向以解决这些效应中的某些。

另外地，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。随着能源变得更为稀缺和昂贵，需要的是更高效的马达和发电机以降低能量消耗，并且因此降低成本。

技术实现要素：

响应于这些和其它问题，提出了在本申请中公开的各种实施例，包括使用多个磁通道通过永磁体操纵来增大通量密度的方法和系统。公开了用于一种马达/发电机的各种实施例，所述马达/发电机包括：径向地定位在线圈组件的狭槽内的多个线圈，形成用于线圈组件的相对旋转路径的多个磁通道，其中，形成每个磁通道的多个磁体全部具有同性极，所述同性极向内面朝磁通道的内部或向外背离磁通道的内部，使得任何磁通道的每个磁场都具有与相邻的磁通道的磁场的极性相反的极性。

结合附图，从以下详细的描述将更为清楚地理解这些和其它特征和优点。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1a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1b是图1a的马达/发电机部件的某些元件的详细分解图。

图2是在图1a中所示的马达/发电机部件的磁性圆筒/定子元件或磁性圆筒/转子元件的详细等距视图。

图3是图2的磁性圆筒/定子元件或磁性圆筒/转子元件的分解图。

图4a是部分线圈组件元件的等距视图。

图4b是在图4a中所示的部分线圈组件元件的单个齿元件的详细透视图。

图4c是在图4a中所示的部分线圈组件元件的单个齿元件的可替代实施例的详细透视图。

图4d是联接到多个线圈绕组的图4a的部分线圈组件元件的等距视图。

图4e是线圈组件的等距视图。

图5示出超环面的磁性圆筒的一个实施例。

图6示出超环面的磁性圆筒的概念的二维径向段。

图7a是在图5中所示的超环面的磁性圆筒的径向部分或径向段的一个实施例的详细等距视图。

图7b是在图7a中所示的径向部分或径向段的一个实施例的详细等距视图，其中添加了方向箭头。

图7c是在图7a中所示的径向部分或径向段的一个实施例的详细等距视图，其中添加了图4e中所示的线圈组件的部分。

图7d示出定位在图5的超环面的磁性圆筒内的图4e的线圈组件的一个实施例。

图8示出联接到背铁回路的图7d的磁性圆筒，其中侧背铁回路的部分定位在分解图中以用于清楚。

图9a是联接到附加结构以形成马达/发电机的图8的背铁回路和磁性圆筒的分解图。

图9b是联接到附加结构以形成马达/发电机的图8的背铁回路和磁性圆筒的等距视图。

图10是图9a和图9b的马达/发电机的可替代分解图，其示出固定元件和旋转元件。

图11是转子毂和马达/发电机的某些元件的透视图。

具体实施方式

以下描述了部件、信号、消息、协议和布置的具体示例以简化本公开。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。省略了关于常规的控制电路、电源或用于对本文所述的某些部件或元件供电的电路的细节，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部、下部、顶部、底部、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考方向。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。

马达/发电机元件和后铁电路

图1a是马达/发电机元件100的分解等距视图，其示出背铁回路200的第一部分202、背铁回路200的第二部分204、转子毂300和磁盘组件400。

背铁回路200在理论上是任选的。背铁回路用于加强磁性元件(以下将说明)，并且通过去除或减少返回空气路径来约束磁路以限制磁阻。背铁回路200的第一部分202包括第一圆筒外壁206，其由诸如钢或层压硅钢的适当背铁材料制成。当马达/发电机元件100被组装时，在第一圆筒外壁206内同中心地定位有第一圆筒内壁208。在第一圆筒外壁206和第一圆筒内壁208附近纵向地定位有也由背铁材料制成的第一平坦侧壁210。

背铁回路的第二部分包括第二圆筒内壁218，其被同中心地定位在第二圆筒外壁216内(当马达/发电机元件100被组装时)。在第二圆筒外壁216和第二圆筒内壁218附近纵向地定位有背铁材料的第二平坦侧壁220。在某些实施例中，第二圆筒内壁218和第二圆筒外壁216具有多个纵向凹槽，所述多个纵向凹槽的尺寸被设定成接受和支撑多个磁体，如以下参照图1b描述的。

为了本申请的目的，术语“背铁”可以指的是铁，任何含铁化合物或合金(例如，不锈钢)，任何镍或钴合金，或包含这种材料的层压片的任何层状金属。

在某些实施例中，在第一外壁206和第一侧壁210之间有径向间隙212。径向间隙212允许用于供支撑结构、控制线和电导体(未示出)通过而进入磁盘组件400中以及用于散热或热控制介质。在其它实施例中，间隙212可以被限定在第一外壁206内或被限制在第一外壁206和第二外壁216之间。

图1b是背铁回路的第一部分202的详细等距视图，其示出定位在第一圆筒外壁206内的第一圆筒内壁208。围绕第一圆筒外壁206的内表面242限定有并且径向地间隔开多个内部纵向凹槽240。类似地，围绕第一圆筒内壁208的外表面246限定有并且径向地间隔开多个外部纵向凹槽244。

如下面将要详细描述的，形成磁性外壁406a(来自下面讨论的磁盘400)的部分的多个外部磁体的尺寸被设定成配合在多个内部纵向凹槽240内。类似地，形成磁性内壁408a的部分的多个内部磁体的尺寸被设定成配合在多个外部纵向凹槽244内，所述多个外部纵向凹槽244被限定在第一圆筒内壁208的外表面246内。

当马达/发电机元件100被组装时，背铁回路的第一部分202和背铁回路的第二部分204物理上支撑并且包围磁盘400。第一内壁208和第二内壁218也径向地包围并且径向联接到转子毂300。在某些实施例中，转子毂300定位并且结构上支撑背铁回路200的某些部件(其继而支撑磁盘400的磁性部件)，所述转子毂300可以充当转子。

磁盘组件

图2是已组装的磁盘400的详细等距视图(为了清楚起见，去除了背铁部分202和204)。图3是磁盘400的分解图。在图2和图3中所示的实施例中，相对于纵向轴线401，存在有磁体的顶部或第一轴向或侧壁402。类似地，存在有磁体的底部或第二轴向或侧壁404。在磁体的第一轴向或侧壁402与第二轴向或侧壁404之间纵向地定位有磁体的圆筒外壁406。在某些实施例中，磁体的圆筒外壁406包括两组多个磁体406a和多个磁体406b，它们的尺寸被设定成与背铁壁206和216联接，如以上参照图2所述的。

在磁体的第一轴向或侧壁402与第二轴向或侧壁404之间也纵向地定位有磁体的圆筒内壁408，并且所述磁体的圆筒内壁408被同中心地定位在磁体的圆筒外壁406内。在某些实施例中，磁体的圆筒内壁408包括两组多个磁体408a和多个磁体408b，它们的尺寸被设定成与背铁壁208和218联接，如以上参照图2所述的。

在某些实施例中，形成本文所讨论的轴向侧壁402至404和圆筒壁408至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造。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。能够有其它布置，尤其是如果为了该特定目的制造磁体的话。

线圈组件

在圆筒外壁406和圆筒内壁408之间同中心地定位有线圈组件500。线圈组件500也被纵向地定位在第一轴向侧壁402和第二轴向侧壁404之间。在某些实施例中，线圈组件500可以是定子。在又一些其它实施例中，线圈组件500可以是转子。

现在参照图4a，该图是线圈组件支撑件502的等距视图，其在一个实施例中可以是与由磁性轴向壁402至404和磁性纵向壁406至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包括圆筒形或环形芯504，其联接到围绕环形芯径向地间隔的多个齿506。图4a示出被去除的齿506的部分，使得环形芯504是可见的。

在某些实施例中，环形芯504和线圈组件支撑件502可以由铁或背铁材料制成，使得其将充当磁通力集中器。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，背铁材料可以是铁合金、层压钢、铁或烧结专用磁性粉末。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用于液体或空气冷却。

在又一些其它实施例中，线圈组件支撑件502可以由复合材料制成，所述复合材料将允许线圈组件支撑件被刻蚀以允许用于从内部冷却和布线。复合材料可以由“软磁”材料(当电流施加到邻接的线圈时将产生场磁场的材料)形成。软磁材料是易磁化或去磁的材料。软磁材料的示例是铁和低碳钢，铁-硅合金，铁-铝-硅合金，镍-铁合金，铁-钴合金，铁氧体和非晶合金。

在某些实施例中，布线连接也可以形成在用于定子齿的模块化组件中的插头的形状中。因而，在线圈组件500充当定子的实施例中，多个齿506中的某些齿可以具有用于这种插头(或线)的孔508，这种插头(或线)被限定在一侧上以用于附装到结构支撑件。

在图4b中示出单个齿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沿着径向和竖直(或纵向)方向延伸。因而，每个齿506a都包括远离纵向轴线401(参见图4a)径向地延伸的外部径向部分510、朝向纵向轴线401径向地延伸的内部径向部分512、沿着一个竖直或纵向方向延伸的顶部竖直或纵向部分514以及沿着相反的纵向方向延伸的底部竖直或纵向部分516。环形芯504支撑单个齿506a以及如以上参照图4a所述的其它齿。

外部翅片520联接到外部径向部分510的外部部分，并且从外部径向部分510相对于纵向轴线401沿着圆周方向或切线方向两者向外延伸。类似地，内部翅片522联接到内部径向部分512的内部部分并且从内部径向部分512沿着两个切线方向向外延伸。

在图4c中示出单个齿506a’和环形芯504的一小部分的可替代实施例。齿506a’与以上参考图4b所述的齿506a类似，除了齿506a’还具有从顶部竖直部分514和下部竖直部分516延伸的径向或水平翅片以外。具体地，顶部径向翅片518从顶部水平部分514沿着水平圆周(或切线)方向两者延伸，并且将外部翅片520连接到内部翅片522。类似地，底部径向翅片519从底部竖直部分516沿着水平圆周方向或切线方向两者延伸，并且将外部翅片520连接到内部翅片522，如图4c中所示。

如图4a中所示，由芯环504支撑的相邻的齿506(或相邻的齿506a’)在线圈组件支撑结构502内形成径向狭槽524。如图4d所示，可以围绕环形芯504在狭槽524内径向地定位有多个线圈或线圈绕组526。图4d示出围绕线圈支撑组件502分配的多个线圈绕组526，为了清楚起见，去除了多个齿506。相比之下，图4e示出完整的线圈组件500，其示出定位在狭槽524内的所有齿506和线圈绕组526。

线圈或线圈绕组

在线圈组件500中的每一个线圈526都可以由诸如铜(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常规缠绕技术构造。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可以基本为圆筒形或矩形的形状，其被缠绕在具有中心开口的环形芯504上，所述中心开口的尺寸被设定成允许单个线圈526包围并且固定到环形芯504。因而，在这样的实施例中，绕组不重叠。

通过将各个线圈526定位在由齿506限定的狭槽524内，线圈由齿的更实质的散热能力所包围，所述齿的更实质的散热能力在某些实施例中可以将冷却通路直接并入形成齿的材料中。这允许有比常规的马达几何结构高得多的电流密度。另外地，将多个线圈526定位在狭槽524内和齿506之间减小了线圈之间的空气间隙。通过减小空气间隙，线圈组件500可以有助于由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506a’的水平翅片518和519、圆周翅片520和522减小了磁性材料与线圈结构之间的空气间隙，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沿着适当的方向流动。因而，线圈支撑组件502的所有部分有助于由系统发展的总体转矩。在又一些其它实施例中，齿506可以不具有任何翅片。虽然翅片产生更高效的设计，但是翅片使线圈绕组的制造复杂化，由此增加了马达成本。当使用翅片时，例如当与线圈绕组协同制造线圈组件支撑件502时，可以使用非常规的缠绕技术。

各个线圈526的数量可以是物理上将配合在所需的体积内的任何数量，并且所述各个线圈526的数量具有如本领域中已知的、产生所需的电气或机械输出的导体长度和尺寸。在又一些其它实施例中，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类似。

每个线圈526的绕组都通常被配置为使得它们保持与包括线圈组件500在内的磁体的相对运动的方向成横向或垂直并且与纵向轴线401平行。换言之，线圈绕组被定位成使得它们的侧与纵向轴线401平行并且它们的端部与纵向轴线径向垂直。如以下将说明的，线圈绕组也相对于由转子的各个磁体在其内面所产生的磁通量成横向，如以下参照图7a至图7c描述的。结果，整个线圈绕组或多个绕组可以用于产生运动(在马达模式中)或电压(在发电机模式中)。

总之，绕组沿着轴向/径向方向被放置在可以形成相绕组的多个狭槽524(例如，48个狭槽)中。绕组的径向/轴向放置可以对于绕组的所有四个侧而言沿着运动方向产生最大的力。

磁性圆筒

图5是磁盘组件400的等距视图，为了清楚起见而去除了线圈组件500。磁盘组件400的磁体形成超环面的磁性圆筒430，其限定围绕纵向轴线401定位的超环面的磁通道440。如前所述，超环面的磁性圆筒430包括：磁体的顶部轴向或侧壁402，磁体的底部或第二轴向或侧壁404，纵向地定位在磁体的第一侧壁402和磁体的第二侧壁404之间的磁体的圆筒外壁406；以及同中心地定位在磁体的圆筒外壁406内的磁体的圆筒内壁408。在某些实施例中，圆筒外壁406可以由两组多个磁体406a和多个磁体406b形成，其中所述两组多个磁体406a和多个磁体406b中的每组多个磁体的尺寸都被设定成分别与背铁回路壁206和216联接。类似地，圆筒内壁408可以由两组多个磁体408a和多个磁体408b形成，其中所述两组多个磁体408a和多个磁体408b中的每组多个磁体的尺寸都被设定成分别与背铁回路壁208和218联接。

如以上关于背铁回路200所讨论的，依据实施例，可以由侧壁402或404中的一个和磁体的外部纵向环406限定径向圆周410以容纳用于定子和/或控制线、导体、通风设备和/或冷却介质的支撑结构。在其它实施例中，可以有将磁体的圆筒外壁406分成磁体的第一纵向环406a和第二纵向环406b的圆周狭槽。在又一些其它实施例中，可以有将磁体的圆筒内壁408分成第一纵向环408a和第二纵向环408b的圆周狭槽。在又一些另外的实施例中，圆形狭槽可以被限定在侧壁402或404内的任何地方。

在图5中所示的实施例中，磁性侧壁402、404和磁性圆筒壁406和408可以由市场上可买到的磁性段制成。在其它实施例中，可以为特定应用定制板状磁体。形成环或壁的段的数量将取决于用于特定应用的特定设计和性能特征。

注意到，在图5的说明性实施例中，有八个径向“切片”或磁性段420形成完整的超环面的磁性圆筒430。然而，段的确切数量取决于尺寸、性能特征和其它设计因素。

图6是概念上与以上图5的超环面的磁性圆筒430的径向段420类似的、磁性圆筒的径向“切片”150的一个实施例的剖视概念图。在某些实施例中，部分磁性圆筒150包括曲面外壁102和曲面内壁104。曲面外壁102和曲面内壁104可以由多个磁体制成。在诸如图6中所示的横向剖视图中，可以看出，曲面外壁102由多个磁体106组成，所述多个磁体106包括各个磁体，例如，磁体106a、106b、106c等。类似地，曲面内壁104可以由多个磁体108组成，所述多个磁体108包括各个磁体108a、108b等。应当注意到，仅磁体的一个极性在磁性圆筒部分150内被利用(或面向磁性圆筒部分150)。例如，在图6的说明性实施例中，磁体106的北极每个都径向地指向中心或纵轴401(从图6中的页面出来)。另一方面，磁体108的北极每个都径向地背离纵向轴线401并且朝向部分磁性圆筒150的内部空腔或通道124。

在某些实施例中，可以有中心芯，例如，铁芯(图6中未示出)，其中芯的部分在外壁102与内壁104之间被定位在内部通道124内。在某些实施例中，芯可以被用作磁通线集中器。

当多个磁体106和多个磁体108被布置到外壁102和内壁104中以形成部分圆筒150时，磁通力的密度将形成特定的图案，如在图6中所示由通量线101以概念的方式所表示的。通量线101的实际形状、方向和取向取决于诸如内部保持环、中心芯、背铁回路、材料成分和/或配置的使用的因素。

为了总体上说明该磁性布置，来自外壁102的磁体106a的通量线112a(或多个通量线)趋向于从磁铁的北极(内面)以与磁体的面垂直的方式流动到部分圆筒150的内部通道124中并且流过所述内部通道124，通过开口端部114离开而进入开口区域115中，继而围绕部分圆筒150的外部流动返回到包含其南极的磁体106a的外面。

类似地，来自外壁102的磁体106b的通量线112b趋向于从磁体的北极以与磁体的面垂直的方式流入部分圆筒150的内部通道124中并且流过所述内部通道124，通过开口端部114离开而进入开放空间115中，继而围绕圆筒150的外部流动返回到包含其南极的磁体106b的表面。虽然为了清楚起见而仅示出几个通量线112，但是在多个磁体的“顶部部分”中的每个相继的磁体都将产生类似的通量线。因而，对于多个磁体106中的每个相继的磁体而言的磁通力趋向于遵循对于多个磁体106中的每个相继的磁盘而言的这些说明性的通量线或图案，直到达到在部分磁体圆筒150的开口端部114或116处的磁体为止。

如图所示，磁体106a被定位成与磁体106b沿圆周地相邻。继而，另一个磁体106c被定位成与磁体106b沿圆周地相邻。在组106中的附加磁体可以被定位成与其它磁体沿圆周地相邻，直到达到开口端部114为止。从磁组106中的相邻磁极产生的通量线112可以被认为是在开口端部114处“堆叠”，在该处所述通量线112被集中并且朝向相应的磁体的外面折回。

在多个磁体106的“底部部分”中的磁体(例如，磁体106d)趋向于从外壁102上的磁体106d产生通量线112d，所述通量线112d趋向于从磁体的北极(内面)以与该面垂直的方式流入部分圆筒150的内部通道124中并且流过所述内部通道124，通过开口端部116离开而进入开放空间中，继而围绕部分圆筒150的外部流动返回到包含其南极的磁体106d的外面。虽然为了清楚起见而仅示出在部分圆筒150的相对侧上的几个通量线，但是在多个磁体中的每个相继的或“堆叠的”磁体将产生类似的通量线，其也将如上所述在开口116处“堆叠”。在具有铁芯的实施例中，通量线将通常以类似的方式流动，但是将趋向于流过芯并且在芯内集中。因而，在某些实施例中，芯可以充当通量集中器。

磁性内壁104还产生磁通力，其也可以由诸如示例性通量线118的通量线示出。例如，来自内壁104上的磁体108a的通量线118a趋向于从内面(例如，北极)以与磁体的面垂直的方式流入部分圆筒150的内部通道124中并且流过所述内部通道124，从开口端部116(或开口端部114)流出而进入开放空间中，继而围绕内壁104流动到包含其南极的磁体108a的面。

对于多个磁体108中的每个相继的磁体而言的磁通力趋向于遵循对于多个磁体108中的每个相继的磁体而言的这些说明性的通量线或图案118，直到达到部分磁性圆筒150的开口端部114或116为止。因而，由部分圆筒150的内壁104的磁体产生的磁通力具有无障碍的路径以通过部分圆筒的开口端部中的一个离开而返回到其在圆筒的外部或内部上的相对极。

如上所述，磁通线112和118将趋向于产生堆叠效应，并且外部磁性圆筒的构型操纵部分磁性圆筒150中的磁体的通量线101和118，使得通量线101和118的大部分或全部从部分圆筒的开口端部114和116流出。在常规的构型中，磁体的相对极通常纵向地对准。因而，磁通线将“拥抱”或紧密地遵循磁体的表面。如此，当使用常规的发电/用电装备时，为了能够在这些力线上作用，余隙通常必须是极为紧密的。通过使同性磁极(例如(全部为南极或全部为北极)相对于纵向轴线401径向地对准，磁通线112和118趋向于从磁体的表面垂直地辐射。该构型允许用于使线圈与部分磁性圆筒150之间的公差更大。

部分磁性圆筒150是磁性布置概念的简化二维图示。三维布置将是类似的，除了磁力将是来自通道的所有四个侧以外。通过用在其内面上具有其北极且在其外面上具有南极的单个曲面板磁体替换多个磁体106，可以获得类似的结果。类似地，多个磁体108可以用在面对内部通道124的表面上具有其北极且在面朝纵向轴线401的表面上具有南极的单个曲面板磁体替换。

例如，图7a是限定如以上参照图5所述的磁通道440的部分的、超环面的磁性圆筒430(图5)的径向段420的详细透视图。径向段420在概念上类似于部分磁性圆筒150，这是因为径向段420具有曲面磁性外壁406和曲面磁性内壁408。除了曲面或圆筒磁性壁406和408以外，还有磁性轴向或横向壁402和404，其在所示的实施例中可以由楔形板状磁体制成。

形成圆筒外壁406和圆筒内壁408的磁体的磁极使其磁极径向地指向纵向轴线401(参见图5)取向。相比之下，形成顶部或第一轴向壁402和底部或第二轴向壁404的磁体的磁极使其磁极与纵向轴线401平行取向。磁性壁402、404、406和408中的各个磁体全部使其类似的或“同性的”磁极(例如，北极)朝向或远离超环面的磁性圆筒430的通道440的内部取向以形成“闭合的”磁通道440。闭合的磁通道440从开口端部或出口412沿圆周地延伸到开口端部或出口414(与以上参照图6讨论的通道124和开口端部114和116类似)。

为了本公开的目的并且为了说明在形成径向段420的磁体的表面处的磁极的取向，顶部轴向壁402在其外部顶面上用“s”标注以指示在该特定构型中形成顶部轴向壁402的磁体(或多个磁体)的南极背离通道440。因而，磁体402的北极面朝通道440。类似地，下部轴向或侧壁404在其内侧面上用“n”标注以指示形成侧壁404的磁体的北极面朝通道440(然而，在该视图中，“n”被部分地遮蔽)。形成纵向外壁406的两个磁体在其内表面上用“n”标注以指示它们的北磁极面对磁通道440的内部。相比之下，形成纵向内壁408的两个磁体在其外表面上用“s”标注以指示它们的南极背离通道440。因而，它们的北极面朝通道440。

在径向段420的该说明性实施例中，壁402、404、406和408的所有磁体都具有面朝内部或通道440的北极。如此，径向段420具有nnnn磁极构型。因而，趋向于彼此排斥的磁力在圆周方向上沿着通道440沿圆周地强制磁通量从通道出口412和414出来，其与以上参照图6描述的类似。图7b是径向段420的图示，但是添加了方向箭头。箭头422示出圆周方向并且箭头424示出径向方向。

如在本公开中使用的术语“闭合的磁通道”是指使用形成通道的磁体的布置，所述布置将磁通量的大部分“强制”或“弯曲”出“平面外”，或者将磁通量的大部分沿圆周地“强制”或“弯曲”通过通道或内部空腔，继而通过开口412或414中的一个出来，如由图7b的圆周箭头422所示的。相比之下，如果磁通道没有磁性地“闭合”，则磁通力将通常以径向的方式沿着径向或横向箭头424的方向(或在由箭头424表示的平面中)流动。常规的马达经常允许磁通力沿着径向方向流动，如由箭头424所示。

现在参照图7c，该图示出在线圈组件500的部分被定位在段或通道440(图5)的内部内的情况下的径向段420的等距视图。线圈组件500的其余部分已经为了清楚而被去除。在未通电的状态下，磁通量趋向于从磁性壁402、404、406和408的北极流入线圈组件500中和流到线圈芯504。因为相反的磁力，磁通量继续沿圆周地流过线圈芯504，直到通量到达通道440的开口(例如，开口端部414)为止。然后，通量围绕径向段420的开口端部(例如，开口端部414)弯曲回到包含南极的相应磁性壁的外面。图7c的箭头426旨在示出在通量到达径向段的开口端部412或414并且绕弯回到适当的磁性壁的外面(或在这种情况下为南极)时的磁通路径。因而，径向段420产生在概念上与以上参照图6所讨论的通量场101和118类似的的通量场。然而，在径向段420与相反的磁极构型的另一个径向段相邻的情况下，通量线可以延伸到相邻的部分超环面的磁性圆筒中。

在某些实施例中，芯504/线圈组件500可以随着电流被引入支撑线圈526中而产生其自身的磁场通量。磁场通量的大部分还被约束并且被引导，以便以与上述的方式类似的方式与从磁通道(例如，从永磁体)产生的磁通量相互作用。因而，线圈504/线圈组件500的所有部分可以与磁通道440的通量线相互作用，以便允许充分利用沿着运动方向一起工作的通量线和所有力。

如与“煎饼式”或轴向通量电动马达截然相反，外壁406和408的纵向长度或“宽度”大于侧壁402和404的径向或横向深度(或长度)，如在图7a至图7c中所示。该几何比例促使沿着外壁406和线圈组件502的界面产生更大的转矩。在某些可替代的实施例中，包括外壁406的磁体的厚度也可以被增大以增加转矩产生。在任何情况下，由于径向段420的横截面的几何形状和部件的变化的半径，来自外壁406和内壁408的转矩的贡献会大于来自侧壁402和404的贡献。

虽然芯、线圈组件和磁性径向段被示出为具有矩形的横截面，但是根据对于特定马达或发电机的设计和性能要求而可以使用任何横截面形状。会优选的是在这种实施例中具有沿着如与径向方向截然相反的纵向方向定位的更多的磁质量。

图7a至图7c中所示的独特的构型还引起若干独特的性能。例如，单个线圈526和芯部分将趋向于自行地(例如，在没有施加动力的情况下)从通道440运动出来。该构型的自然趋势是用于使线圈526遵循通量线到达最近的出口412或414。相反地，如果线圈526被施加电流，则线圈526将依据所施加的动力的极性而运动通过整个磁通道。在磁通道440的磁通量中包封线圈526也允许使用所有磁场来产生马达或电功率。当没有施加电流时，随着线圈将趋向于移出通道，齿槽效应也降低。这也意味着线圈526不必在磁通道440中的任何点处在相反的磁场下被脉动。另外地，线圈526将以正确极性的单个dc脉冲行进通过整个磁通道440长度。贯穿由线圈526处于磁通道440的影响下的持续时间，产生非正弦的转矩或电压，并且对于发生该效应而言不需要交替的极性。

如在图7d中所示，超环面的磁性圆筒430的说明性实施例包括八个径向段，其中四个径向段421被散置在四个径向段420之间。四个径向段421与径向段420相同，除了磁体的磁极取向已经反向以外。如此，在径向段420中，所有面向内部的极都是形成nnnn磁通道构型的北极。相比之下，在径向段421中，所有面向内部的磁极都是形成ssss磁通道构型的南极。因而，通道径向段420产生与由径向段421所产生的通量场的极性相反的极性的通量场。在传统的运动术语中，每个径向段都是马达磁极。因而，每个径向段都是可以产生三维对称磁场的三维对称磁极。继而，将段交替而产生正弦场。

关于超环面的磁性圆筒430，每个磁性或径向段(例如，径向段420或421)都具有其相应的磁性配置(nnnn或ssss)，所述磁性配置具有对于每个相继的径向段而言都反向的同性磁极性。虽然在图7d中示出八个段的超环面的磁性圆筒430，但是在其它实施例中，可以使用两个段、四个段、六个段、十个段，等等。对于任何给定的应用而言，可以基于工程设计参数和用于单个应用的特定性能特征而选取段的数量。本发明的范围具体地包括并且设想出具有与相邻的部分超环面的磁性圆筒相反的极性的多个段。为了简易和说明的目的，本文描述了八个段的超环面的磁性圆筒。然而，这种设计选择绝不意味着限制用于任何多个段的超环面的磁性圆筒的段的选择或数量。

在某些实施例中，当部分超环面的磁性圆筒被组装成完整的圆筒430时，径向段420和421的尺寸可以被设定成允许形成径向间隙416，如图7d所示。

如上所述，在某些实施例中，形成超环面的磁性圆筒430的各个磁体联接到背铁回路200的各种部件。背铁回路200可以用作磁通路径的部分。

磁通道的完整性

如以上参照图6、图7a至图7c所述的，通过用“同性”极性的磁体(例如，全部北极或全部南极)包围所有侧面上的线圈，来自这些磁体的通量线被强制行进通过由周围的磁体沿着径向或圆周方向422(图7b)形成的“磁通道”404的中心，并且最终在通道440的嘴部或开口端部412和414(参见图7c)处离开。通量线的自然趋势是沿着最短路径流动，所述最短路径通常是沿着径向、横向或“侧向”方向434(参见图7b)。虽然某些通量泄漏可以是可接受的，但是如果通量泄漏较大，则磁通道440的完整性将受到损害，并且通量线将不再沿着圆周方向行进。如果通量线不沿着圆周方向行进，则某些实施例的许多优点将会丧失。

例如，如图7b中所示，在磁体壁之间有多个狭槽或“间隙”，例如，圆周狭槽410。这些间隙可以被小心地控制，或者太多的通量将通过间隙泄漏并且基本破坏磁通道440的磁通量完整性。在理想的世界中，在通道中将没有狭槽或间隙，并且从而通量线将不可能横向地逃逸。然而，如果没有狭槽，则将难以支撑线圈组件和难以向线圈组件提供电气和冷却导管。

一种控制间隙通量泄漏的方法是限制间隙的横向宽度。例如，“磁通道”的侧的总长度可以基本大于圆形支撑机构狭槽，并且狭槽磁阻可以高到足以强制在磁通道440中形成圆周磁通场。作为例如，将圆周狭槽的横向宽度限制为大约1个单位的狭槽宽度对每12个单位的圆周/周长长度的比率可以提供足够的横向通量线而使通量线的大部分沿着圆周方向422转向，如以上所讨论的。

另一个解决方案是将另一组或多组磁体放置成与狭槽紧密接近，使得所述另一组或多组磁体横过间隙或狭槽产生附加的通量场线。例如，定位在线圈组件的任一侧上的两组磁体可以产生足够的“正交通量”以阻止磁通道中的通量逃逸。在狭槽的一侧上的磁体可以使其北极面对狭槽。在狭槽的另一侧上的相对的磁体可以使其南极面对狭槽。因而，将横过狭槽产生从北极到南极的正交通量线。

在一个实施例中，被取向成提供正交通量的永磁体可以被嵌入线圈组件支撑结构中或嵌入在背铁材料中。在其它实施例中，可以使用粉末状的磁性材料。在又一些其它实施例中，强反磁性材料(热解碳和超导磁体已经表明能够排斥力线，并且从而可以使用。

用背铁回路限定磁通路径

图8是示出定位在超环面的磁性圆筒430内的线圈组件500的等距视图，所述线圈组件500联接到背铁回路200并且由背铁回路200包围。为了清楚起见，第一平坦侧壁210已经被重新定位在分解图中。如上所述，在说明性实施例中，背铁回路200可以包括第一侧壁210和第二侧壁220。在该实施例中，第一圆筒外壁206和第二圆筒外壁216分别形成、联接到并且包围超环面的磁性圆筒430的磁性外壁406a和406b。第一圆筒内壁208和第二圆筒内壁218(在图8中不可见)联接到超环面的磁性圆筒430的内壁磁体408a至408b并且由其包围。因而，整个背铁回路200包括圆筒内壁208和218、圆筒外壁206和216以及侧壁210和220，如图8所示。在某些实施例中，与超环面的磁性圆筒430结合的背铁回路200可以形成转子(或依据马达构型，定子)。在某些实施例中，背铁回路200可以用作磁通路径的部分。背铁材料引导通过背铁材料(与空气截然相反)的、由超环面的磁性圆筒430所产生的磁通量以减小磁路的磁阻。因此，在某些实施例中，当使用适当设计的背铁回路时，可以减小形成超环面的磁性圆筒的磁体的量或厚度(如果使用永磁体的话)。

施加机械转矩或电流

在“马达”模式中，在线圈526中感应出电流，这将促使电动势使线圈组件500相对于超环面的磁性圆筒430运动，或者反之亦然。另一方面，在“发电机”模式中，线圈组件500相对于超环面的磁性圆筒430的运动将促使在各个线圈526中产生电流，以便随着各个线圈运动通过每个通道或径向段420或421而产生dc电流。

为了维持所产生的转矩和/或功率，线圈组件500中的各个线圈526可以通过开关或控制器(未示出)被选择性地通电或激活。线圈组件500中的各个线圈526可以电力地、物理地和通信地联接到开关或控制器，所述开关或控制器以常规的方式选择性地和可操作地向各个线圈提供电流。

例如，当单个线圈处于具有nnnn磁极构型的磁通道段420内时，控制器可以促使电流在单个线圈526内流动，如图7d中所示。另一方面，当相同的单个线圈旋转到具有ssss磁极构型的相邻的磁通道段421中时，控制器促使在单个线圈526内的电流沿着与当线圈处于nnnn磁极段420中时的电流的方向相反的方向流动，使得所产生的磁力随着线圈从一个相邻的磁性段旋转到另一个磁性段而沿着相同的方向。

如上所述，各个线圈526可以使用没有端部绕组的超环面的绕组，并且在某些实施例中，各个线圈可以彼此串联地连接。在其它实施例中，可以使用诸如六相、三相等绕组连接的多相绕组布置，其中适当的线圈526被连接在一起以形成每相的分支。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，该三相配置将为线圈组件500内的所有各个线圈526重复。在一个实施例中，对于总共16个a相线圈有八对相邻的a相线圈。类似地，对于总共16个b相线圈，有八对相邻的b相线圈，并且对于总共16个c相线圈有八对相邻的c相线圈。因而，在这样的实施例中，有48个单独的线圈。

当线圈被通电时，多相绕组可以在线圈组件500周围的空气间隙中产生旋转的磁动势。旋转的磁动势与由超环面的磁通道430产生的磁场相互作用，这继而在线圈组件500的所有侧上产生转矩以及在线圈组件与超环面的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)以由控制器激活或以本领域中已知的类似方式激活。对于每个相而言，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，控制器按顺序向相施加电流，使得在马达模式中连续地施加转矩而使超环面的磁通道沿着所需的方向(相对于线圈组件)转动。在某些实施例中，控制器可以从来自位置传感器的信号对转子位置解码，或者可以基于由每个相所产生的反电动势推断出转子位置。

在其它实施例中，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)，并且所述一个或多个换向器例如定位在转子毂300内。在某些实施例中，所使用的刷的数量可以等于在特定的马达/发电机的设计中所使用的超环面的磁性段的数量。例如，如果使用八个超环面的磁性段，则可以使用八个刷。线圈组件500中的各个线圈526可以被串联地连接，具有超环面的缠绕绕组。在马达模式中的有刷设计中，随着线圈进入和离开相应的超环面的磁性段，简化的反向开关电路就是切换电流方向所必要的。

马达/发电机实施例

图9a是使用背铁回路200以及使用超环面的磁性圆筒430作为转子和使用线圈组件500作为定子的系统900的一个构型的分解图。图9b是图9a的组装系统900的等距视图。在图9a和图9b中所示，背铁回路200包围超环面的磁性圆筒430和线圈组件500以形成磁盘组件400(超环面的磁性圆筒430在图9a和图9b中是不可见的)。在某些实施例中，系统900包括定子侧端板902和延伸或支撑环904，所述延伸或支撑环904将线圈组件500固定地连接到定子侧端板902(参见图10)。

转子轴906的端部通过定子侧端板902延伸。转子毂300联接到转子轴906并且支撑背铁回路200，所述背铁回路200继而支撑超环面的磁性圆筒430(在图9a和图9b中不可见)。转子轴906的相对的端部由转子侧端板908支撑。当组装时，一对侧板910和912将定子侧端板902联接到转子侧端板908，如在图9b中所示。如本领域中已知的，转子轴906是机械负载转移装置，其当处于发电机模式中时将机械旋转力输入系统中或者当系统处于马达模式中时产生机械旋转力。

图10是系统900的另一个分解图，其中定子或线圈组件500经由延伸环904联接到定子端板902并且由其支撑。因而，端板902和908、延伸环904和线圈组件500(定子)在该构型中是静止的。相比之下，转子毂300被固定地连接到背铁回路200，所述背铁回路200支撑并且定位超环面的磁性圆筒430。转子轴906在结构上由定子端板902和转子端板904支撑。在转子轴端与端板之间定位有轴承单元912和914以允许转子轴相对于端板旋转。因而，如图10中所示，线圈组件500(或定子)和超环面的磁盘430和背铁回路200(或转子)每个都分别具有其自身单独的端板902和908，所述端板902和908将固定整个机器的布置并且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进入线圈组件500。相比之下，旋转部件(超环面的磁盘430和背铁回路200)可以被联接在一起并且将与转子毂300并联联接，所述转子毂300继而固定地联接到轴906。

图11是示出关于转子毂300的某些细节的局部分解图。除了转子轴906以外，转子毂300包括沿着轴的长度纵向地定位的多个支撑肩部。第一轴承支撑肩部920接合并且支撑轴承单元912。第一居中肩部922联接到并且支撑背铁回路200的第一侧壁210(未完全示出)。中心肩部924接合并且支撑背铁回路200的圆筒内壁208和218。第二居中肩部926支撑背铁回路200的侧壁220。第二轴承支撑肩部928被设计成接合并且支撑第二轴承单元914。在某些实施例中，可以在转子轴906的任一端部中限定有键槽930(参见图9a)。

在图9a至图11中所示的实施例中，线圈组件500是定子。在其它构型中，线圈组件500可以是转子。此外，如图所示的实施例仅是配置和支撑线圈组件500的一种方式。在其它实施例中，线圈组件500可以由支撑环支撑，所述支撑环从线圈组件通过圆筒外壁206和216之间的中心狭槽延伸到外部壳体或外壳。在又一些其它实施例中，当线圈组件500充当转子时，线圈组件可以由支撑环支撑，所述支撑环从线圈组件通过圆筒内壁208和218之间的中心狭槽延伸到轴。确切的构型取决于如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，这如与常规的马达相比会产生更大的转矩、将振动最小化并且将噪声最小化，在所述常规的马达中力会试图将线圈向下牵引或将线圈向上推压(取决于极性)，而不是力沿着运动方向。如上所述，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，当与常规的电动马达相比时，连续的转矩密度、连续的按体积的功率密度以及连续的按重量的功率密度也增大。

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。该构型超越常规的马达的优点之一是端部匝(在这种情况下，线圈的径向截面)是本发明的“活动截面”的部分。在常规的马达中，铜导体的轴向长度是产生功率的段。端部匝是一种不利后果，增加了重量和损耗，但是因为端部区域场未有效地链接端部绕组而不产生功率。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而被有效地用于产生转矩，所述侧壁或轴向磁体被轴向磁化，即，高效地利用铜绕组。

在“dc”构型中，马达可以与电源线频率或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提出了本发明的实施例的前述描述。前述说明意欲不是详尽的或未将本发明限制为所公开的精确形式。鉴于上述教导，能够有许多组合、修改和变型。例如，在某些实施例中，上述的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，并且仍然处于本发明的范围内。具有互换的部件的未描述的实施例仍然处于本发明的范围内。本发明的范围意欲不受到该详细的描述限制，反而受到由本公开所支持的权利要求或未来权利要求限制。