一种改进的多隧道电动机/发电机的制作方法

本申请要求2016年9月5日提交的名称为“animprovedtoroidalelectricmotor/generator”的美国申请号62/383,590的优先权，其公开内容通过引用结合于此，用于所有目的。

本申请还与以下美国专利申请是共同拥有的：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/us15/26776，2015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/generatorwithenhancedpermanentfluxdensities”的美国申请序列号13/848,048，其公开内容通过引用结合于此，用于所有目的。

本发明总体涉及一种新的和改进的电动机/发电机，尤其涉及一种用于从电磁电动机产生旋转运动或从旋转运动输入产生电能的改进系统和方法。

背景技术：

电动机使用电能来产生机械能，非常典型地通过磁场和载流导体的相互作用。1821年，英国科学家迈克尔·法拉第(michaelfaraday)首次演示了通过电磁方式将电能转换为机械能，后来由亨德里克·洛伦兹(hendriklorentz)的工作进行了量化。

当诸如电子的电荷载流子移动穿过空间或在电导体内移动时产生磁场。在传统的电动机中，紧密缠绕的载流材料的中心芯产生磁极(通常称为转子)，当施加电流时，该磁极在磁体(通常称为定子)的固定磁极之间高速旋转或转动。中心芯通常连接到轴，轴也将与转子一起旋转。轴可用于驱动旋转机器中的齿轮和轮子和/或将旋转运动转换成直线运动。

发电机通常基于电磁感应原理，其由迈克尔·法拉第于1831年发现。法拉第发现，当导电材料(如铜)移动穿过磁场(反之亦然)时，电流将开始流过该材料。该电磁效应在移动的导体中感应电压或电流。

诸如旋转交流发电机/发电机和线性交流发电机的当前发电装置依赖于法拉第的发现来产生电力。事实上，旋转发电机本质上是非常大量的金属丝绕非常大的磁体内部旋转。在这种情况下，线圈称为电枢，因为它们相对于固定磁体(称为定子)移动。通常，移动部件称为电枢，固定部件称为定子。

目前使用的旋转电动机和发电机产生或利用正弦时变电压。该波形通常是这些设备的操作所固有的。

对于传统的电动机，必须施加足够大小的脉冲电流以产生给定的扭矩/马力。然后，功率输出和效率是设计、电输入功率加损耗的函数。

对于传统的发电机，当转子旋转时产生电流。产生的功率是磁通强度、导体尺寸、极片数量和rpm速度的函数。

在电动机或发电机中，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，所需要的是更有效率的电动机和发电机以降低能量消耗或更有效率地运行并因此降低成本。

技术实现要素：

响应于该问题和其他问题，提出了本申请中公开的各种实施例，包括通过使用多个磁隧道的永磁体操纵来增加磁通密度的方法和系统。公开了用于电动机/发电机的各种实施例，包括：环形磁性圆柱体，包括围绕轴向轴线径向布置以形成圆形路径的第一磁性隧道段，其中，第一磁性隧道段包括：第一磁壁，其具有磁极取向，该磁极取向大致指向第一磁性隧道段的内部；第一相对磁壁，其具有磁极取向，该磁极取向大致指向第一磁性隧道段的内部，并沿轴向轴线定位在距第一磁壁预定距离处；第一内磁壁，大致在大致轴向方向上跨越第一磁壁和第一相对磁壁之间，并具有大致指向第一磁性隧道段内部的磁极取向；第一外磁壁，大致在轴向方向上跨越第一磁壁和第一相对磁壁之间，径向远离第一内磁壁定位，并且具有大致指向第一磁性隧道段内部的磁极取向；其中，形成第一内磁壁的磁体和形成第一外磁壁的磁体的相似磁极与形成第一磁壁的磁体和形成第一相对磁壁的磁体的相似磁极在相反方向上取向；线圈组件位于圆形路径内并适于相对于环形磁性圆柱体移动。

其他实施例可以包括上述内容，其中环形磁性圆柱体还包括第二磁性隧道段，该第二磁性隧道段围绕轴向轴线径向布置，邻近第一磁性隧道段定位以形成圆形路径，其中第二磁性隧道段包括：第二磁壁，其具有磁极取向，该磁极取向大致指向第二磁性隧道段的内部；第二相对磁壁，其具有磁极取向，该磁极取向大致指向第二磁性隧道段的内部，并沿轴向轴线定位在距第二磁壁预定距离处；第二内磁壁，大致在大致轴向方向上跨越第二磁壁和第二相对磁壁之间，并具有大致指向第二磁性隧道段内部的磁极取向；第二外磁壁，大致在轴向方向上跨越第二磁壁和第二相对磁壁之间，径向远离第二内磁壁定位，并具有大致指向第二磁性隧道段内部的磁极取向；其中，形成第二内磁壁的磁体和形成第二磁壁的磁体的相似磁极与形成第二外磁壁的磁体和形成第二相对环或磁壁的磁体的相似磁极在相反方向上取向，以及形成第二磁性隧道段的磁体的相似磁极与形成第一磁性隧道段的磁体的相似磁极在相反方向上取向。

其他实施例可以包括上述内容，其中线圈组件还包括：环状芯；多个齿，其径向定位在环状芯周围并从环状芯延伸以形成多个槽；多个线圈绕组，其中多个绕组中的每个线圈绕组位于多个槽内的槽内。

其他实施例可以包括上述内容，还包括总体围绕环形磁性圆柱体的背铁电路(backironcircuit)。

其他实施例可以包括上述内容，还包括限定在背铁电路中的纵向槽，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，还包括连接到线圈组件的轮毂和连接到轮毂的轴。

其他实施例可以包括上述内容，还包括连接到环形磁性圆柱体的轮毂和连接到轮毂的轴。

其他实施例可以包括上述内容，还包括限定在环形磁性圆柱体中的外圆周槽，以允许结构支撑件和/或电导体通过。

其他实施例可以包括上述内容，还包括限定在环形磁性圆柱体中的内圆周槽，以允许结构支撑件和/或电导体通过。

其他实施例可以包括上述内容，还包括限定在环形磁性圆柱体中的侧圆形槽，以允许结构支撑件和/或电导体通过。

其他实施例可以包括上述内容，还包括用于防止隧道内部的磁通量力通过槽逃逸的装置。

其他实施例可以包括上述内容，还包括：支撑环，其连接到线圈组件并且部分地延伸穿过侧圆形槽；连接到支撑环的第一端板。

其他实施例可以包括上述内容，还包括：连接到环形磁性圆柱体的轴；第二端板，其可旋转地连接到轴上；以及用于将第一端板连接到第二端板的装置。

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、第一环磁壁和第一相对环磁壁可由电磁体形成。

其他实施例可以包括上述内容，其中当单个线圈位于第一磁性隧道段或第二磁性隧道段内时，在多个线圈中的各个线圈的所有侧面上产生切向磁力。

此外，可能存在一种产生机械旋转的方法，该方法的特征在于：在第一内腔内形成磁集中的第一区域，其中第一内腔由具有面向内腔的第一磁极的第一外磁性圆柱体壁、具有面向内腔的第二磁极的第一内磁性圆柱体壁、具有面向内腔的第三磁极的第一磁性侧壁以及具有面向内腔的第四磁极的第一相对磁性侧壁限定，其中第一和第二磁极具有与第三和第四磁极相反的极性；将线圈定位在第一内腔中；沿第一方向向线圈施加电流以使线圈相对于第一内腔旋转；将纵轴连接到线圈，使得当线圈旋转时，纵轴旋转。

其他实施例可以包括上述内容，还包括：在第二内腔内形成磁集中的第二区域，其中第二内腔周向地邻近第一内腔定位，第二内腔由具有面向内腔的第五磁极的第二外磁性圆柱体壁、具有面向内腔的第六磁极的第二内磁性圆柱体壁、具有面向内腔的第七磁极的第二磁性侧壁以及具有面向内腔的第八磁极的第二相对磁性侧壁限定，其中第五和第六磁极具有与第七和第八磁极相反的极性；沿第一方向向线圈施加电流以使线圈移动到第二内腔；当线圈在第二内腔内时，沿第二方向向线圈施加电流，以使线圈移出第二内腔；将纵轴连接到线圈，使得当线圈从第一内腔旋转到第二内腔时，纵轴旋转。

另外，公开了一种用于产生电流的方法，其特征在于：在第一内腔内形成磁集中的第一区域，其中第一内腔由具有面向内腔的第一磁极的第一外磁性圆柱体壁、具有面向内腔的第二磁极的第一内磁性圆柱体壁、具有面向内腔的第三磁极的第一磁性侧壁以及具有面向内腔的第四磁极的第一相对磁性侧壁限定，其中第一和第二磁极具有与第三和第四磁极相反的极性；在第一内腔内旋转线圈；当线圈移动通过第一内腔时，从线圈中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：在第二内腔内形成磁集中的第二区域，其中第二内腔由具有面向内腔的第五磁极的第二外磁性圆柱体壁、具有面向内腔的第六磁极的第二内磁性圆柱体壁、具有面向内腔的第七磁极的第二磁性侧壁以及具有面向内腔的第八磁极的第二相对磁性侧壁限定，其中第五和第六磁极具有与第七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方向；在第二内腔内旋转线圈；当线圈移动通过第二内腔时，从线圈中提取具有第二方向的电流。

通过以下结合附图的详细描述，将更清楚地理解这些和其他特征和优点。

重要的是要注意，附图并不旨在表示本发明的唯一方面。

附图说明

图1是根据本公开的某些方面的电动机/发电机部件的一个实施例的分解图。

图2是图1中所示的电动机/发电机部件的部件的详细等距视图。

图3是图2中所示的部件的分解图。

图4a是线圈组件的等距视图，示出了中心芯和从芯延伸的多个齿，其中为清楚起见已移除一部分齿。

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可替代实施例的详细透视图。

图4d是图4a的线圈组件和多个线圈绕组的等距视图，其中为清楚起见已移除一部分转子/定子齿。

图4e是图4a的转子/定子的等距视图，其连接到多个线圈绕组，示出了多个转子/定子齿。

图5a示出了形成环形磁性隧道的一个实施例的多个磁体，其包括八个磁性圆柱段。

图5b是示出磁性圆柱段的一个实施例的详细透视图。

图5c是示出磁性圆柱段的可替代实施例的详细透视图。

图5d是磁性圆柱段的一个实施例的详细等距视图，其中转子/定子部分的一部分位于其中，示出了形成磁性圆柱段的磁体的磁极的方向。

图6a是围绕纵向轴线布置的四个磁性圆柱段的透视图，其具有类似磁极取向。

图6b是磁性圆柱段的一个实施例的详细等距视图，示出了形成该段的磁体具有与图5c中所示的段的磁体相反的磁极性。

图6c是具有四个附加磁性圆柱段的四个磁性圆柱段的等距视图，其中四个附加磁性圆柱段具有与前四个磁性圆柱段相反的磁极取向。

图7a示出了图6c的磁性圆柱体，其连接到背铁电路，为清楚起见，侧面背铁电路的一部分被移除。

图7b示出了连接到完整背铁电路的图6c的磁性圆柱体。

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电路。

图9a示出了连接到背铁电路的可替代磁性圆柱体。

图9b是可替代磁性圆柱体的组装视图。

图9c是图9b的可替代磁性圆柱体的分解图。

图10a是包含可替代磁性圆柱体的电动机/发电机的组装视图。

图10b是包含可替代磁性圆柱体的电动机/发电机的分解图。

图10c是包含可替代磁性圆柱体的部分组装的电动机/发电机的分解图。

图10d是包含可替代磁性圆柱体的电动机/发电机的分解图，为清楚起见，移除了某些部件。

具体实施方式

以下描述部件、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，并不旨在将本发明限制在权利要求中描述的内容。在没有详细描述的情况下呈现公知的元件，以免不必要的细节模糊本发明。在大多数情况下，省略了对于完全理解本发明不必要的细节，因为这些细节在相关领域的普通技术人员的技能范围内。关于用于为本文描述的某些部件或元件供电的常规控制电路、电源或电路的细节被省略，因为这些细节在相关领域的普通技术人员的技能范围内。

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，这些方向意味着仅提供所示附图的参考方向和附图中部件的相对取向。不应将这些方向理解为暗示在任何所得发明或实际使用中使用的实际方向。在任何情况下，除非相对定位，这些方向不应理解为限制或赋予权利要求任何含义。

图1是电动机/发电机部件100的分解透视图，示出了背铁电路的第一部分202、背铁电路的第二部分204、中心轮毂300和磁盘组件400。背铁电路的第一部分202包括由背铁材料制成的第一圆柱形壁206。第一圆柱形壁206可以连接到平坦侧壁208或与其相邻地定位，平坦侧壁208也由背铁材料制成。出于本申请的目的，术语“背铁”可以指铁或软磁材料，例如任何铁化合物或合金，例如不锈钢、任何镍或钴合金、软磁材料，或包括这种材料的层压板的任何层压金属。

背铁电路204的第二部分类似地包括第二圆柱形壁210，第二圆柱形壁210连接或定位到平坦侧壁212。当组装时，背铁电路的第一部分202和背铁电路的第二部分204物理地围绕中心轮毂300和磁盘组件400。在某些实施例中，圆柱形壁206和210之间的空间限定了限定在其中的槽410(参见图7b)，以允许控制线和/或电导体通过。在其他实施例中，在圆柱形壁206和210与平坦侧壁208和212之间可以分别具有类似的槽或间隙(图1中未示出)。(参见图9a的侧槽1410)。

在某些实施例中，轮毂300包括内轮毂302，用于连接到机械载荷传递装置，例如轴(未示出)。轮毂300围绕轴(未示出)定位并在结构上支撑磁盘组件400。在该实施例中，多个径向臂304将内轮毂302连接到外轮毂306。在某些实施例中，外轮毂306还包括用于磁盘组件400的背铁电路的一部分。

图2是磁盘组件400的一个实施例的详细等距视图。图3是磁盘组件400的分解图。在图2和3所示的实施例中，相对于纵向轴线401，存在顶部或第一侧或径向磁体壁402。类似地，存在底部或第二侧或径向磁体壁404。外圆柱形磁体壁或纵向磁体环406纵向地定位在第一径向磁体壁402和第二径向磁体壁404之间。内圆柱形磁体壁或纵向磁体环408也纵向地定位在第一径向磁体壁402和第二径向磁体壁404之间，并且横向或径向地定位在外圆柱形磁体壁406内。当组装时，形成径向壁402-404和圆柱形壁408-406的磁体形成环形磁性圆柱体，例如如图5a所示。

在某些实施例中，形成本文所讨论的径向壁402-404和圆柱形壁408-406的磁体可以由任何合适的磁性材料制成，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取决于所需的磁场强度或机械配置。所示实施例仅是布置磁体的一种方式。其他布置也是可能的，特别是如果为特定目的或形状制造磁体。

线圈组件500横向地定位在外纵向环或圆柱形壁406与内纵向环或壁408之间，并且纵向地定位在第一径向壁402和第二径向壁404之间。在某些实施例中，线圈组件500可以是定子。在其他实施例中，线圈组件500可以是转子。

现在转到图4a，其是线圈组件支撑件502的局部等距视图，在一个实施例中，其可以是与由如上所讨论的磁性径向壁402-404和磁性纵向圆柱形壁406-408和背铁电路部分202和204形成的转子(或转子组件)结合使用的定子的一部分。在某些实施例中，线圈组件支撑件502包括圆柱形或环形芯504，其连接到相对于长轴401围绕环形芯径向间隔开的多个齿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可见。

在某些实施例中，环形芯504可以由铁或背铁材料制成，使得它将用作磁通量力集中器。然而，当考虑诸如机械强度、涡流减小、冷却通道等设计考虑时，可以使用其他芯材料。如上所述，背铁材料可以是铁、铁合金、层压钢铁或软磁材料。在一些实施例中，环形芯504可以是中空的或具有限定在其中的通道以允许液体或空气冷却。

图4b中示出了单个齿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(例如，背铁材料)制成。在所示实施例中，每个齿506a从环形芯504沿径向(例如，水平)和纵向(例如，垂直)方向延伸。因此，每个齿506a包括远离纵向轴线401径向延伸的外部部分510(图3)、朝向纵向轴线401径向延伸的内部部分512、沿一个纵向方向延伸的顶部部分514以及沿相反的垂直或纵向方向延伸的底部部分516。环形芯504的所示部分连接到并支撑单个齿506a。

在某些实施例中，外部翅片520连接到外部垂直部分510的外边缘，并且相对于纵向轴线401在两个周向(或切向)方向上从垂直部分510向外延伸。类似地，内部翅片522连接到内部部分512的内边缘并且在两个周向(或切向)方向上从部分512向外延伸。如在本公开中使用的，术语“圆周方向”表示围绕轴线的切向或旋转方向，例如轴线401(参见图4a)。

图4c中示出了单个齿506'a和环形芯504的一小部分的可替代实施例。齿506'a类似于上面参照图4b描述的齿506a，除了齿506'a还具有从顶部514和下部516延伸的水平或径向翅片。具体地，第一或顶部水平翅片518从顶部水平部分514的边缘沿水平圆周方向延伸。类似地，第二或底部水平翅片519从底部水平部分516的边缘沿水平圆周方向延伸。换句话说，顶部水平翅片518将外部翅片520连接到齿顶部的内部翅片522。类似地，底部水平翅片519将外部翅片520连接到齿的底部处的内部翅片522。从结构的角度来看，翅片518和519的厚度可以在更靠近与相应的水平构件514和516的接头处更厚，并且随着翅片远离接头延伸而逐渐变细。

由芯环504支撑的相邻齿506或506'在线圈组件支撑结构502内形成径向槽524，如图4a和4d所示。图4d(其省略了齿506的一部分)示出了多个单独的线圈或线圈绕组526，其围绕环形芯504径向定位并且定位在相邻的齿506或506'之间形成的槽524内。相反，图4e示出了完整的线圈组件500，其示出了位于各个槽524内的所有单个齿506和各个线圈绕组526。

线圈组件500中的每个单独线圈526可以由导电材料制成，例如铜(或类似合金)线，并且可以使用本领域已知的传统绕组技术来构造。在某些实施例中，可以使用集中绕组。在某些实施例中，单独线圈526可以基本上呈圆柱形或矩形形状，围绕环形芯504缠绕，环形芯504具有中心开口，该中心开口的尺寸允许单独线圈526固定到芯504。

通过将单独线圈526定位在由齿506或506'限定的槽524内，线圈由齿的更大的散热能力所包围，在某些实施例中，这些能够将冷却通道直接结合到形成齿的材料中。这允许比传统电动机几何形状更高的电流密度。另外，将多个线圈526定位在槽524内和齿506之间减小了线圈之间的气隙。通过减小气隙，线圈组件500可以有助于由电动机或发电机产生的总扭矩。在某些实施例中，横向翅片518和519(图4c)，线圈组件的齿506a或506'a的周向翅片520和522(图4b或4c)减小了线圈结构之间的气隙，以当线圈通电并且线圈组件500开始相对于磁隧道移动时，允许磁通力从一个翅片流到相邻的翅片。因此，线圈支撑组件502的所有部分都有助于系统产生的总扭矩。

如本领域已知的，单独线圈526的数量可以是物理上适合产生所需电气或机械输出的导体长度和尺寸的所需体积的任何数量。在其他实施例中，线圈526可以基本上是一个连续线圈，类似于本领域已知的grammering。

图5a是环形磁性圆柱体430的一个实施例的透视图，该环形磁性圆柱体430形成围绕纵向轴线401定位的圆形或环状磁性隧道。如前所述，环形磁性圆柱体430包括顶部径向环或侧壁磁体402(相对于纵向轴线401)。类似地，存在第二或底部径向环或侧壁磁体404。外圆柱形磁体壁或纵向磁体环406纵向地定位在第一径向磁体壁402和第二径向磁体壁404之间。根据实施例，外纵向磁体环406可以限定轴向槽410以容纳支撑结构、冷却机构和/或电线和导体。内圆柱形磁体壁或纵向磁体环408也纵向地定位在第一径向磁体壁402和第二径向磁体壁408之间并且轴向地定位在外纵向磁体环406内。

在其他实施例中，内纵向磁体环408可包括轴向槽(类似于图9a中所示的槽4110)。在另外的实施例中，第一径向磁体壁402或第二径向磁体壁404可包括侧圆形槽(未示出)。这种槽设计成容纳支撑结构、冷却机构和/或电线或导体。在内纵向磁体环或圆柱形磁体壁408内限定的槽(与外纵向磁体环406相对)的一个优点是内纵向磁体壁408产生的扭矩小于外磁体环406。因此，通过使用外纵向磁体环408的整个宽度，可以产生更大的扭矩。

在图5a所示的实施例中，环形磁性圆柱体430包括八个环形磁性圆柱段(或磁性隧道段)。在其他实施例中，可以存在两个、四个、六个、十个、十二个或更多个段。段的数量取决于特定应用的特定设计和性能特征。

图5b是单个环形磁性圆柱段450(或磁性隧道段)的透视图，环形磁性圆柱段450限定内部部分或“磁隧道”458或圆形路径的一部分。图5c是单个环形磁性圆柱段450'的可替代实施例的透视图。如图所示，环形磁性圆柱段450和450'分别具有外磁壁452和452'(其是上面讨论的外圆柱形壁406的一部分)。两个环形磁性圆柱段450和450'都具有内磁壁454(其是上面讨论的内磁圆柱形壁408的一部分)。除了部分圆柱形磁壁452(或452')和454之外，还有磁轴向、侧壁或侧壁460和462，在这些示出的实施例中，它们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形壁402的一部分，轴向壁462可以是第二侧壁或环形壁404的一部分，反之亦然。

在所示的实施例中，在磁壁之间可以存在小槽，例如壁454和壁460之间的槽456。如上所述，在某些实施例中，壁内还可以有槽，例如槽410，其限定在实施例450的壁452内。这种槽410可用于支撑结构、电线和/或导管或冷却导管的所有通道。相反，实施例450'具有限定在轴向壁460内的槽412。

磁壁452(或452')、454、460和462中的各个磁体的磁极都朝向或远离环形磁性圆柱段450的通道458的内部定向，以形成“封闭的”磁性隧道段。换句话说，形成外壁452(或外壁452)和内壁454的磁体的磁极使其磁极定向为径向指向纵向轴线401(图5a)。相反，形成第一轴向壁460和第二轴向壁462的磁体的磁极使其磁极定向为与纵向轴线401平行。

本公开中使用的术语“封闭的磁性隧道”是指使用形成圆柱段450或圆柱段450'的磁体的布置，这使得磁通力从隧道的一侧沿圆周方向“强制”或“弯曲”到另一侧，而不会让大部分磁通力沿径向或轴向方向(通过槽或其他开口)逸出。因此，槽宽度的大小受到限制，以保持磁通量力不会从槽中流出。在其他实施例中，可以将额外的磁体插入槽中(或者在槽附近)以保持引导到预定或圆周方向的大部分磁通力。

图5d是环形圆柱段450'的等距视图，其中线圈组件500的一部分定位在段的内部。图5c中所示的磁取向或配置可称为“nsns”磁极配置，因为两个相对的磁体面的南极面向内，另两个相对的磁面的北极面向内。换句话说，形成顶部轴向壁460和底部轴向壁462的磁体的北磁极面向隧道458的内部。(为了便于说明附图，在轴向壁460和轴向壁462的边缘上放置“n”，以指示它们的北向内部磁极面向内。因此，位于边缘或侧面的“n”不代表实际磁极，而是表示适当壁的相应内表面的磁极的指示器。)相反，形成内纵向壁454和外纵向壁452'的磁体的南向内部磁极面向隧道458的内部(因此，“s”放置在纵向壁454和纵向壁452的边缘上，以指示它们的南向内部磁极朝向内侧。再次，位于纵向壁的边缘上的“s”不代表实际的磁极)。

在传统配置中，磁体的相对磁极通常纵向对齐。因此，磁通线将“拥抱”或紧密地跟随磁体的表面。因此，当使用传统的发电/利用设备时，间隙通常必须非常紧密，以便能够作用于这些力线。通过径向或垂直于线圈组件500对准类似的磁极，磁通量力从磁体表面流过线圈组件。这种配置允许线圈和磁表面之间的更大公差。

与传统电动机相比，这种结构的优点之一是端匝(在这种情况下是线圈的径向部分)是电动机/发电机的“有效部分”或力产生部分的一部分。在传统的电动机中，通常只有铜导体的轴向长度是产生功率的部分。在传统的电动机中，端匝是一种损失，增加了重量和损耗，但是没有产生功率，因为端部区域不能有效地连接端部绕组。但是，如上所述，整个线圈绕组由于侧壁或轴向磁化的轴向磁体而有效地产生扭矩。因此，线圈的整个导体基本上是有效的，产生更大的力。

每个线圈526的绕组通常配置成使得它们保持横向或垂直于包括线圈组件500的磁体的相对运动的方向并且与纵向轴线401平行。换句话说，线圈绕组定位成使得它们的侧面与纵向轴线平行，并且它们的端部径向垂直于纵向轴线。如上所述，绕组也相对于由转子的各个磁体在其内表面产生的磁通量是横向的。因此，整个线圈绕组(包括端匝)可用于产生运动(在电动机模式中)或电压(在发电机模式中)。

图6a示出了围绕共同的中心或纵向轴线401周向布置的四个环形磁性圆柱段450a、450b、450c和450d。这种布置在各个圆柱段之间留下四个开放空间610a、610b、610c和610d。将四个附加的环形磁性圆柱段420a-420d插入或定位到空间610a-610d中产生完整的环形磁性圆柱体430，如图6c所示。因此，图6c示出了完整的环形磁性圆柱体430，其由将四个环形磁性圆柱部分450a-450d与环形磁性圆柱部分420a-420d组合为围绕纵向轴线401的交替布置而形成。

产生环形磁性圆柱段450a-450d的磁体的磁极以特定的几何布置定向，以形成如上面参考图5d所讨论的nsns磁性配置。相反，诸如磁性圆柱段420a的相邻环形磁性圆柱段具有沿与图6b中所示相反的方向取向的相似磁极，以形成snsn磁性配置。

图6b示出了相邻的环形磁性圆柱段420，其可以是环形磁性圆柱段420a至420d。磁性圆柱段420类似于上面讨论的磁性圆柱段450，除了磁极取向是相反的。换句话说，形成磁壁460a和452a的磁体的北极向内朝向圆柱段的内部。(如前所述，“s”位于轴向壁460a和轴向壁462a的一侧，以指示它们的南极朝向内侧。)形成磁性圆柱形壁452a和454a的磁体的北极向内朝向磁性圆柱段的内部。(类似地，“n”位于轴向壁462a和纵向454a的一侧，以指示它们的南极朝向内侧。)因此，环形磁性圆柱段420a-420d相对于环形磁性圆柱段450a-450d具有相反的磁取向或“配置”。因此，为了将该磁极配置与上面参考图5d讨论的nsns磁极配置区分开，为了本申请的目的，图6b中所示的磁极配置称为snsn磁极配置。

当圆柱段420a-420d通电时，流过位于环形磁性圆柱段420a-420d内的线圈绕组的电流以与流过位于磁性圆柱段450a-450d内的线圈绕组的电流相反的方向流动，使得所产生的磁力或扭矩的方向在整个磁性圆柱体430中是相同的。

在图6c中，一些磁壁标有“s”，表示磁壁面向“南”的磁极-与标有“n”的磁壁相反，“n”代表磁壁面向“北”的磁极。如前所述，字母“n”和“s”叠加在磁壁的外表面上，以指示形成相应壁内部的磁体的方向和磁极极性。

如上所述，尽管图6c中示出了八段环形磁性圆柱体430，但是在其他实施例中，可以使用两个、三个、四个、六个、十个等部分环形磁性圆柱体。为任何给定应用选择的部分环形磁性圆柱体的数量可以基于单个应用的工程设计参数和特定性能特性。本发明的范围具体包括并设想了多个部分环形磁性圆柱体，其具有与相邻的部分环形磁性圆柱体相反的极性。出于简化和说明的目的，本文描述了八段环形圆柱体。然而，这种设计选择绝不意味着限制任何多隧道环形磁性圆柱体的隧道的选择或数量。

在某些实施例中，部分环形磁性圆柱体450a-450d和420a-420d的尺寸可以设定成当部分环形磁性圆柱体组装到整个圆柱体430中时允许在部分环形磁性圆柱体之间形成径向间隙422，如图6b所示。在其他实施例中，在部分环形磁性圆柱体之间没有径向间隙。

图7a示出了图6c的八隧道环形磁性圆柱体430，其中背铁电路200的一部分示出为包围磁性圆柱体430。图7b示出了由背铁电路200完全封闭的八隧道环形磁性圆柱体430。如上所述，在其他实施例中，在背铁部件之间可以有槽410，以允许控制线和导体(未示出)通过。

如上所述，在说明性实施例中，轮毂300包括内轮毂302，用于连接到机械载荷传递装置，例如轴或杆(未示出)。多个径向臂或辐条304在结构上将内轮毂302连接到外轮毂306。在某些实施例中，外轮毂306还包括背铁电路的一部分，因此可由背铁材料形成。

在某些实施例中，背铁电路可以用作磁通路径的一部分。背铁材料将由磁性环形圆柱体430产生的磁通量引导通过背铁材料(与空气相反)，以减小磁电路的磁阻。因此，在某些实施例中，当使用适当设计的背铁电路时，可以减少形成环形磁性圆柱体的磁体的量或厚度(如果使用永磁体)。

在某些实施例中，背铁电路可包括背铁材料的“顶部”侧或轴向壁208和“底部”侧或轴向壁210。背铁电路还可以包括圆周环或“壁”202和204，它们可以分别连接或不连接到轴向壁208和210。因此，在该实施例中，整个背铁电路包括轮毂300的外圆柱形壁306、圆周环202和204，以及轴向壁208和210，如图7a和7b所示。与环形磁性圆柱体430结合的背铁电路可以形成转子(或取决于电动机/发电机配置的定子)。如果环形磁性圆柱体430用作转子，则环形磁性圆柱体可包括四个子转子，其中隧道的每个磁壁认为是转子。例如，返回参考图5d，磁壁460可以是第一转子或“子转子”，磁壁462可以是第二转子或“子转子”，磁壁452可以是第三转子或“子转子”，磁壁454可以是第四转子或“子转子”。

为了保持所产生的扭矩和/或功率，可以通过开关或控制器(未示出)选择性地激励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可以电气地、物理地和通信地耦合到开关或控制器，该开关或控制器以常规方式选择性地且可操作地向各个线圈提供电流。

例如，当单个线圈在具有nsns磁极配置的磁性隧道段内时，控制器可以使电流在单个线圈内流动，如图5d所示。另一方面，当相同的单个线圈移动到具有snsn磁极配置的相邻磁性隧道段内时，控制器使单个线圈内的电流沿与图5d所示方向相反的方向流动，使得所产生的磁力在相同的方向上。

返回图4d，各个线圈526可以使用环形绕组而没有端部绕组，并且在一些实施例中可以彼此串联连接。在其他实施例中，可以使用三相绕组，其中相邻线圈连接在一起以形成每相的分支。例如，两个相邻线圈可以是a相线圈，接下来的两个相邻线圈可以是b相线圈，接下来的两个相邻线圈可以是c相线圈。然后，对线圈组件内的所有单独线圈526重复这种三相配置。在一个实施例中，存在八(8)对相邻的a相线圈，总共16个a相线圈。类似地，存在八(8)对相邻b相线圈，总共16个b相线圈，并且存在八(8)对相邻c相线圈，总共16个c相线圈。因此，在这样的实施例中，存在48个单独的线圈。

当线圈通电时，三相绕组可在线圈组件周围的气隙中产生旋转磁场。旋转磁场与环形磁隧道产生的磁场相互作用，产生线圈组件和环形磁隧道之间的扭矩和相对运动。

在这样的实施例中，单独线圈526可以连接到无刷电动机控制器(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、反向电流或无电流。在操作中，控制器以连续地施加扭矩的顺序将电流施加到相，以在电动机模式中将磁环形隧道以期望的方向(相对于线圈组件)转动。在某些实施例中，控制器可以根据来自位置传感器的信号解码转子位置，或者可以基于每个相汲取的电流推断转子位置。

在其他实施例中，可以使用有刷电动机/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)并将其定位在例如轮毂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电动机/发电机的设计中使用的环形磁性段的数量。例如，如果使用四个环形磁段，则可以使用四个刷子。线圈组件中的单独线圈526可以串联连接，具有环形缠绕绕组。在电动机模式的无刷设计中，当线圈进入和离开相应的环形磁段时，如图8所示的简化开关电路800是切换电流方向所必需的。如图8所示，电源802通过本领域中已知的四对晶体管806a-806d和二极管808a-808d电连接到无刷电动机804，以切换四个环形磁段的电流。

电动机/发电机实施例

图9a示出了由背铁电路1200包围的磁盘组件1400(类似于图1和2的磁盘组件400)。背铁电路1200类似于上面讨论的背铁电路200。与上面参考图7a和7b讨论的实施例相反，图7a和7b的实施例具有限定在背铁电路200的第一圆柱形壁206和第二圆柱形壁210之间的圆周槽410，环形磁性圆柱体1400具有限定在背铁电路1200的第一侧壁或顶壁1208与第一圆柱形壁1206之间的侧槽1410。除了通过控制线和导体之外，侧槽1410还可用于允许结构侧支撑件(例如，延伸环)。为了简洁和清楚起见，这里将不再重复与结合在上面的附图中示出的实施例描述的那些相同或相似的那些部件和组件的描述。应该参考前面的段落以及以下描述，以完全理解可替代实施例。

图9b示出了磁盘组件1400，为清楚起见，移除了背铁电路1200。尽管在图9b中示出了八个磁性隧道段1450，但是环形磁性圆柱体1400可以由任何数量的磁性隧道段制成-如上面参考环形磁性圆柱体430所解释的。

图9c是背铁电路1200和形成环形磁性圆柱体1430(其类似于上面讨论的环形磁性圆柱体430)的磁体的分解等距视图。在该实施例中，背铁电路1200包括第一部分1202和第二部分1204。背铁电路1200的第一部分包括侧壁或顶壁1208、第一圆周外壁或环1206，以及第一内壁或环1207。背铁电路1200的第二部分1204包括侧壁或底壁121、第二圆周外壁或环1210，以及第二内壁或环1211。

环形磁性圆柱体1430由第一径向壁或侧壁1402、第二轴向或相对的环或侧壁1404、外圆柱形磁体壁或纵向磁体环1406、内圆柱形磁体壁或纵向磁体环1408形成。当组装时，外圆柱形壁1406和内圆柱形壁1408纵向地定位在第一径向磁体壁1402和第二径向磁体壁1404之间。另外，内圆柱形壁1408横向定位在外纵向磁体环1406内。在图9c所示的实施例中，外圆柱形壁1406由两个部分或“环”组成-第一外环1406a和第二外环1406b。类似地，内圆柱形壁1408可包括两个部分或内环：第一环1408a和第二环1408b。

如先前实施例中所讨论的，每个外环1406a和1406b可包括多个弯曲磁体。在该实施例中，多个内纵向槽1240a限定并围绕背铁电路1200的第一外圆柱壁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适于配合在多个内纵向槽1240a内。类似地，多个内纵向槽1240b限定并围绕第二外圆柱形壁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适于配合在多个内纵向槽1240b内。

每个内磁环或壁部分1408a和1408b还包括多个弯曲磁体。多个外纵向槽1244a限定并围绕背铁电路1200的第一内圆柱形壁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适于配合在多个外纵向槽1244a内。类似地，多个外纵向槽1244b限定并围绕第二内圆柱形壁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适于配合在多个外纵向槽1244b内。

因此，多个槽1240a、1240b、1244a和1244b设计成定位并在结构上支撑形成外圆柱形磁壁1406和内圆柱形磁壁1408的多个磁体。

图10a是使用磁盘组件1400(不可见)和背铁电路1200(图9a至9c)的系统900的等距组装图。相反，图10b是系统900的分解等距视图。现在参考图10a和10b，磁盘组件1400用作系统900中的部件。磁盘组件1400包括线圈组件1500(其类似于上面讨论的线圈组件500)。基于配置，系统900可以是电动机或发电机。

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，支撑环904将线圈组件1500固定地连接到定子侧端板902。定子侧端板902包括以圆形配置布置的一系列孔903。类似地，支撑环904还具有限定为一系列圆形构造的孔905，其尺寸和间隔设置成在系统900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一些孔903和905，以将定子侧端板902固定到线圈组件1500。

当组装时，转子轴1302的端部1303延伸穿过定子侧端板902，如图10a所示。转子毂1300连接到转子轴1302并支撑背铁电路1200，背铁电路1200又支撑环形磁性圆柱体430(图10a和10b中不可见)。转子轴1302的相对端1304由转子侧端板908支撑。当组装时，在该实施例中，一对侧板910和912将定子侧端板902连接到转子侧端板908，如图10a所示。在其他实施例中，壳体可用于将端板固定在一起，或者端板可集成到壳体中。在其他实施例中，背铁电路可以形成壳体。如本领域所公知的，转子轴1302是机械负载传递装置，其在发电机模式下输入机械旋转力或在系统处于电动机模式时产生机械旋转力。

图10c是系统900的另一个分解图，其中定子或线圈组件1500经由延伸环904连接到定子端板902并由定子端板902支撑。因此，端板902和908、延伸环904和线圈组件1500(定子)在该配置中是静止的。相反，转子轮毂1300固定地连接到背铁电路1200，背铁电路1200支撑和定位环形磁性圆柱体1430(图10c中未示出)。转子轴1302可以在结构上由定子端板902和转子端板904支撑。轴承单元912和914定位在转子轴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)固定地连接到端板902。相反，环形磁盘1430和背铁电路1200(或转子)可旋转地连接到端板908。端板902和908固定机器的整个布置并且将确保旋转部件的完整性。

在某些实施例中，导线和冷却介质可以分别经由孔903和905经由延伸环904从专用端板902进入线圈组件500。相反，旋转部件(环形磁盘1430和背铁电路1200)可以连接在一起并且将与转子毂1300串联连接，转子毂1300又固定地连接到轴1302。

图10d是示出关于转子轮毂1300的某些细节的局部分解图。为清楚起见，在图10d中已移除线圈组件1500和背铁电路的外壁1206和1210。转子轮毂1300包括沿轴1302的长度纵向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。第一定心肩部1322连接并支撑背铁电路1200的第一侧壁1208。中心肩部1324接合并支撑背铁电路1200的内圆柱形壁1207和1211。第二定心肩部1326支撑背铁电路200的第二侧壁1212。第二轴承支撑肩部1328设计成与第二轴承单元914接合并支撑第二轴承单元914。在某些实施例中，键槽1330(参见图10b)可以限定在转子轴1302的任一端中。

在图10a至10d所示的实施例中，线圈组件1500是定子。在其他配置中，线圈组件1500可以是转子。此外，所示的实施例仅是配置和支撑线圈组件1500的一种方式。在其他实施例中，线圈组件1500可以由支撑环支撑，支撑环延伸穿过外圆柱形壁206和210之间的中心槽410，从线圈组件到外壳或壳体(图7a和7b)。在其他实施例中，当线圈组件500用作转子时，线圈组件可以由支撑环支撑，该支撑环延伸穿过内圆柱形壁208和218之间的中心槽，从线圈组件到轴。确切的配置取决于线圈组件是定子还是转子的设计选择。

某些实施例的优点

总之，与传统的电动机和发电机相比，某些公开的实施例具有若干优点。如上所述围绕带有磁体的线圈产生更多的磁通密度，并且现在所有的力都在运动方向上，这可以产生更大的扭矩，最小化振动并最小化噪音-与传统电动机相比，传统电动机的力可能试图向下拉动线圈或向上推动线圈(取决于极性)，而不是在运动方向上。如上所述，产生的大部分磁场都在运动方向上，因此浪费的场结构很少(如果有的话)。因此，连续扭矩和连续功率大大增加。此外，与传统电动机相比，连续扭矩密度、按体积计的连续功率密度和按重量计的连续功率密度也增加。

在某些实施例中，等效全扭矩在开始时可用，没有锁定转子电流损失或锁定转子电流损失最小。永磁体配置在启动时降低了浪涌电流。

在某些实施例中，线圈组件可以是紧凑的，但线圈容易冷却，因为它们被有效的散热器包围。由于线圈绕组几乎没有重叠，因此几乎没有任何不需要的磁场感应-这也有助于更高效的设计。这种结构优于传统电动机的优点之一是端匝(在这种情况下是线圈的径向部分)是本发明的“有源部分”的一部分。在传统的电动机中，铜导体的轴向长度是产生功率的部分。端匝是一种损失，增加了重量和损失，但没有产生功率，因为端部区域不能有效地连接端部绕组。然而，在上面公开的实施例中，整个线圈绕组有效地用于产生由于侧壁或轴向磁化的轴向磁体产生的扭矩-有效地利用铜绕组。

如上所述，如上所述用磁体围绕线圈产生更多磁通密度，并且现在所有力都在运动方向上，这可以产生更大的扭矩，最小化振动和最小化噪声-与传统电动机相比，传统电动机的力可能试图向下拉动线圈或向上推动线圈(取决于极性)，而不是在运动方向上。

因此，连续扭矩和连续功率大大增加。此外，与传统电动机相比，连续扭矩密度、按体积计的连续功率密度和按重量计的连续功率密度也增加。

在“dc”配置中，电动机可以独立于电力线频率或制造频率运行，从而减少了对昂贵的脉宽调制驱动控制器或类似控制器的需求。

已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的实施例的前述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多组合、修改和变化是可能的。例如，在某些实施例中，上述部件和特征中的每一个可以单独地或顺序地与其他部件或特征组合，并且仍然在本发明的范围内。具有互换部件的未描述的实施例仍在本发明的范围内。意图是本发明的范围不受该详细描述的限制，而是受本公开所支持的权利要求或未来权利要求的限制。

例如，在一些实施例中，可以有一种旋转电动机/发电机，包括：环形磁性圆柱体，其围绕轴向轴线径向布置，以形成包括至少第一磁性隧道段的圆形路径，其中，第一磁性隧道段包括：第一转子部件，其具有磁极取向，该磁极取向大致指向第一磁性隧道段的内部；第一相对转子部件，其具有磁极取向，该磁极取向大致指向第一磁性隧道段的内部并且定位在距第一转子部件预定距离处；第一内转子部件，大致跨越在第一转子部件和第一相对转子部件之间，并且具有大致指向第一磁性隧道段内部的磁极取向；第一外转子部件，大致跨越在第一转子部件和第一相对转子部件之间，径向地远离第一内转子部件定位，并且具有大致指向第一磁隧道部分内部的磁极取向；其中，形成第一转子部件的磁体和形成第一相对转子部件的磁体的相似磁极与形成第一内转子部件的磁体和形成第一外转子部件的磁体的相似磁极具有相反的磁极取向，使得第一磁性隧道具有nsns磁极配置；和位于圆形路径内的线圈组件。

如上所述的旋转电动机/发电机，其中环形磁性圆柱体还包括第二磁性隧道区段，该第二磁性隧道区段围绕轴向轴线径向布置并且邻近第一磁性隧道区段定位，其中，第二磁性隧道段包括：第二转子部件，其具有磁极取向，该磁极取向大致指向第二磁隧道段的内部；第二相对转子部件，其具有磁极取向，该磁极取向大致指向第二磁性隧道段的内部并且定位在距第二转子部件预定距离处；第二内转子部件，大致跨越在第二转子部件之间，第二内转子部件具有磁极取向，该磁极取向大致指向第二磁性隧道段的内部；第二外转子部件，大致跨越在第二转子部件和第二相对转子部件之间，径向地远离第二内转子部件定位，并且具有大致指向第二磁性隧道部分内部的磁极取向；其中形成第二转子部件的磁体和形成第二相对转子部件的磁体的相似磁极与形成第二内转子部件的磁体和形成第二外转子部件的磁体的相似磁极具有相反的磁极取向，其中，形成第二磁性隧道段的磁体的相似磁极在与形成第一磁性隧道段的磁体的相似磁极相反的方向上取向，使得第二磁性隧道段具有snsn磁极配置。