电机的制作方法
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本申请要求于2018年8月7日提交的申请号62/715,386的美国临时专利的优先权，所述申请的全部公开内容通过引用方式并入本文中。
本发明涉及电机以及这种电机的运行。
背景技术：
可以表征电机的性能的两种方式是其转矩/力和其输出功率。旋转电机的输出功率是电机产生的转矩与其输出轴的角速度的乘积。对于直线电机，输出功率是直线力与速度的乘积。常规上，主要有两种手段能够直接提高电机性能：(1)通过增加电机的大小和(2)通过在电机本身内部形成更强的磁场。尽管电机的最终大小限制其特定的有用应用，但是增加磁场由此增加电磁力可以被认为是实现更高电机性能和电机技术的更广泛应用的关键。需要新的电机设计，其提供可接受的高性能以实现紧凑封装中的直接驱动应用，例如高转矩/力和功率密度。
技术实现要素：
本发明的各个方面的特征在于一种电机，所述电机具有被设置在无源磁极之间的磁通屏障(fluxbarrier)以改变磁通量的路径来提供与移动方向对准的磁感应动力的更大分量(以提供有用的转矩和/或直线力)。
根据本发明的一个方面，一种电机具有：定子，所述定子限定具有相关联的电绕组的多个定子磁极；以及转子，所述转子具有多个转子磁极。转子相对于定子是可移动的，并且与定子一起在定子磁极与转子磁极之间限定标称间隙。转子磁极是至少在转子的表面处通过导电性低于铁磁材料的界面彼此分开的铁磁材料层的堆叠。转子在相邻的转子磁极之间具有磁通屏障，所述磁通屏障各自具有导电率高于铁磁材料的材料。磁通屏障在铁磁材料外部彼此电隔离。
如本文所使用的，术语“电机”还包括从机械功率产生电功率的发电机。
‘标称间隙’是指定子(或有源磁性组件)磁极与转子(或无源磁性组件)磁极的相对移动表面之间的间隙，在电机运行期间，磁通量跨所述间隙延伸以在转子(或无源磁性组件)上感应力。我们使用术语‘有源磁性组件’来指代电机的一部分，所述部分包括与相应的导磁结构相关联的电绕组，在所述导磁结构中，在绕组中的流动的电流会产生磁通量。‘有源磁性组件’的磁极被称为‘有源磁极’。电绕组通常相对于对应的有源磁极保持固定的关系。绕线定子是有源磁性组件的示例。我们使用术语‘无源磁性组件’来指代电机的由有源磁性组件产生的磁通量在其上感应动力的部分，磁通量跨标称间隙延伸到无源磁性组件中。‘无源磁性组件’的磁极被称为‘无源磁极’。非绕线转子是无源磁性组件的示例。标称间隙可以例如在径向间隙电机中是径向的或者在轴向间隙电机中是轴向的，并且可以被填充空气或其它气体，或者甚至液体，诸如冷却剂。
‘磁通屏障’是指限定其中通过变化的磁场感应出电流流动的至少一个导电路径的结构。通常，将在磁通屏障中感应出涡流，所述涡流导致对即将来临的磁场产生破坏性干扰，使得磁通屏障在电机运行期间有效地用于抑制磁通量的变化，这在一些情况下将产生排斥力，所述排斥力将用于增加无源磁极上的感应动力。
‘导电率’是指材料导电的倾向。关于其中电流被约束在主方向上流动的结构，诸如导线，是指在该主方向上的导电率。
‘彼此电隔离’是指磁通屏障内对电位的欧姆电阻比磁通屏障之间的欧姆电阻小至少10倍。即，它们在铁磁材料外部彼此隔离并不排除它们通过层的铁磁材料进行电传输。实际上，在许多情况下，磁通屏障通过铁磁材料电连接。
在一些实施例中，至少一些磁通屏障各自包括穿过堆叠的多个界面的导电棒。
‘导电’是指一种材料或结构在典型的电机工作电压下至少具有与无定形碳相同的导电性，或者具有大于1000西门子/米的导电率。导电材料的示例包括银、铜、铝、镍、铁和电工钢(晶粒取向或其它取向)。非导电材料的示例包括非填充树脂、空气、木材和棉。我们使用术语‘绝缘体材料’来指代非导电或不导电的材料。
在一些示例中，导电棒包含选自由铁、镍和钴组成的组的按质量分数计至少20％、在一些情况下40％或在一些情况下60％的元素或元素组合。在一些情况下，具有导电棒的磁通屏障中的每一者还具有与导电棒不同的材料的导电层，并且至少部分地形成转子的外表面。
在一些配置中，棒包含选自由铜、铝、黄铜、银、锌、金、热解石墨、铋、石墨烯和碳纳米管组成的组的按质量分数计至少百分之一、在一些情况下百分之五或在一些情况下15％的元素。
棒可以具有平行于标称间隙延伸并形成不同材料的层间界面的离散层或由其组成。在一些情况下，不同材料中的之一包括铜或基本上由铜组成，而不同材料中的另一个包括镍或基本上由镍组成。
在许多实例中，棒具有面向标称间隙的暴露表面。
在一些电机中，具有导电棒的磁通屏障中的每一者包括至少两个导电棒，所述至少两个导电棒在堆叠的相对端处彼此电连接以形成导电环。
在一些实施例中，至少一些磁通屏障各自在平行于堆叠的铁磁材料层截取的横截面中具有包括远离标称间隙延伸的两个间隔开的突起和连接这两个突起的表面层的形状。这两个突起可以例如被设置在铁磁材料层的堆叠的一部分的相对侧上。
在一些实施例中，至少一些磁通屏障各自具有宽度有限(在转子与定子之间的相对运动的方向上)且厚度有限(垂直于标称间隙)的导电层，所述导电层穿过堆叠的多个界面并且具有在间隙处形成转子的表面的暴露表面。
‘有限宽度’是指层具有相对边缘并且例如不围绕转子的整个圆周(或沿着直线无源磁性组件的整个长度)延伸。
类似地，‘有限厚度’是指层延伸到有限深度并且例如不完全延伸穿过转子。
在一些情况下，层的宽度是层的厚度不止两倍，在一些情况下不止五倍，并且在一些情况下不止10倍。
在一些电机中，层由在电机工作条件下电流趋肤深度大于层厚度的材料形成。
‘电流趋肤深度’是指距电流具体是以给定频率变化的磁场感应出的涡流主要流过其中的导体的表面的深度。对于给定的材料，趋肤深度可以被计算为：
其中‘f’是磁性开关频率，μ是材料的导磁率(单位为h/mm)，并且σ是材料的导电率(单位为％aics)。
‘导磁率’通常是指材料支持磁场形成的能力。材料的导磁率可以根据astma772来确定。当我们说材料是‘导磁的’时，我们是指它的导磁率至少为1.3x10-6亨利/米。
在一些示例中，层被设置在由铁磁材料限定的通道内，并且可以与铁磁材料的多个或所有片进行电接触。
在一些情况下，标称间隙在所述层处比在所述层附近更薄。
在一些实施例中，每个磁通屏障包括形成围绕芯材料的芯的环的导电材料，所述芯材料比导电材料更具导磁性(即，具有更大的导磁率)。在一些情况下，芯材料也是铁磁性的。例如，转子磁极的芯材料和铁磁材料都可以形成片的叠层堆叠的连续部分。
在一些布置中，所述环形成界定标称间隙的转子的外表面的一部分。芯可以形成转子的外表面的被环围绕的一部分。
在一些情况下，所述环被设置在界定标称间隙并包括铁磁材料层的边缘的转子的表面之下。
在一些电机中，所述环限定电容，所述电容可以诸如通过环中的非导电性中断而被形成在沿着环的离散位置处。
所述环优选地具有在铁磁材料的可透射范围内的谐振频率。
‘可透射范围’是指在静态频率条件下(例如，在所施加的磁场的至少5个循环内对给定的频率进行的导磁率测量)测量的导磁率相对于60hz处的导磁率下降不超过10db的频率范围。
在许多电机中，堆叠层之间的界面由铁磁材料的氧化表面组成。在一些其它电机中，界面包括与铁磁层交错的绝缘体材料片，诸如树脂膜片。
在许多实施例中，转子被设置在定子内。在一些其它实施例中，转子磁极被设置在定子磁极的外侧。
在一些电机中，标称间隙是至少部分地由转子的径向外表面界定的径向间隙。在一些其它电机中，标称间隙是垂直于转子的旋转轴线的轴向间隙。
在一些电机中，每个转子磁极(和/或每个定子磁极)具有多个齿，在所述齿之间限定凹部。
在一些实施例中，每个定子磁极都具有磁通屏蔽，所述磁通屏蔽沿着定子磁极的相对边缘延伸并且由导电率比被设置在磁通屏蔽之间的定子磁极的材料更大的材料形成。
根据本发明的另一方面，一种电机包括：有源磁性组件，所述有源磁性组件具有第一表面，所述第一表面限定具有相关联的电绕组的多个有源磁极；以及无源磁性组件，所述无源磁性组件具有第二表面，所述第二表面相对于第一表面可沿第一方向移动并且与第一表面间隔开以限定间隙。第二表面形成第一材料的一系列间隔开的无源磁极，在所述无源磁极之间限定槽，所述槽以与第一方向成非零角度延伸。每个槽包含相应的磁通屏障，所述磁通屏障包括沿着槽延伸并且形成沿着槽的导电路径的第二材料。磁通屏障被固定到槽内的第一材料并且仅通过第一材料彼此连接。
在一些实施例中，槽垂直于第一方向(即，非零角度为90度)延伸。
在一些情况下，磁通屏障填充槽。
在一些电机中，磁通屏障在槽的相对侧上与第一材料接触(优选地，电接触)。
在一些配置中，磁通屏障具有形成第二表面的各部分的暴露表面。
在一些电机中，无源磁极包括片堆叠的边缘表面区域，所述片被堆叠使得槽穿过堆叠的若干个片。优选地，每个磁通屏障的第二材料穿过堆叠的若干个片，和/或与堆叠的片中的每一者直接接触。
第二材料优选地具有比第一材料更大的导电率。
在一些示例中，磁通屏障中的每一者基本上由第二材料组成。
在一些情况下，第二材料包含选自由铁、镍和钴组成的组的按质量分数计至少20％、在一些情况下40％或在一些情况下60％的元素或元素组合。
在一些示例中，磁通屏障中的每一者包括第二材料的导电层和至少部分地形成转子的外表面的第三材料的导电层。
在一些实施例中，第二材料包含选自由铜、铝、黄铜、银、锌、金、热解石墨、铋、石墨烯和碳纳米管组成的组的按质量分数计至少百分之一、在一些情况下百分之五或在一些情况下15％的元素。
在一些布置中，每个磁通屏障包括平行于标称间隙延伸并形成不同材料的层间界面的多个离散层。在一些示例中，不同材料中的一者包括或者是铜，而不同材料中的另一者包括或者是镍。
在一些实施例中，至少一些磁通屏障各自具有包括远离标称间隙延伸的两个间隔开的突起和连接两个突起的表面层的横截面形状。在一些情况下，具有横截面形状的磁通屏障各自还包括被设置在这两个突起之间并且在表面层下方的导磁材料。
在一些情况下，每个磁通屏障的第二材料围绕芯材料的相应芯形成导电环，所述芯材料比第二材料更具导磁性。芯材料可以是铁磁性的。在一些配置中，芯材料和第一材料形成片的单个堆叠的连续部分。
在一些示例中，所述环形成转子的外表面的界定标称间隙的一部分。例如，芯可以形成转子的外表面的被环围绕的一部分。
在一些电机中，所述环被设置在界定标称间隙并且由第一材料形成的无源磁性组件的表面之下。
在一些电机中，所述环限定电容，所述电容可以诸如通过环中的非导电性中断而形成在沿着环的离散位置处。
所述环优选地具有在第一材料的可透射范围内的谐振频率。
在一些实施例中，有源磁性组件是电机的定子，而无源磁性组件是电机的转子。在一些示例中，标称间隙是至少部分地由转子的径向外表面界定的径向间隙。在一些其它示例中，标称间隙是垂直于转子的旋转轴线的轴向间隙。
在一些情况下，每个无源磁极和/或每个有源磁极具有多个齿，在所述齿之间限定凹部。
在一些情况下，每个有源磁极都具有磁通屏蔽，所述磁通屏蔽沿着磁极的相对边缘延伸并且由导电率比被设置在磁通屏蔽之间的定子磁极的材料更大的材料形成。
在一些示例中，电机是直线电机。
根据本发明的另一方面，一种电机包括：有源磁性组件，所述有源磁性组件限定具有相关联的电绕组的多个有源磁极；以及无源磁性组件，所述无源磁性组件相对于有源磁性组件可移动并且具有导磁磁极材料的多个无源磁极。有源磁性组件与无源磁性组件之间在有源磁极与无源磁极之间限定标称磁隙。无源磁性组件具有连接无源磁性组件的相邻无源磁极的磁通屏障，所述磁通屏障各自包括不同于导磁磁极材料的导电材料并限定围绕导磁芯材料的至少一个导电路径。磁通屏障在磁极材料外部彼此电隔离，并且相邻的磁通屏障被布置成使得在一个磁通屏障的导电材料内限定的任何导电路径都不环绕在另一个磁通屏障的导电材料内限定的任何导电路径的任何部分。
优选地，芯材料比导电材料更具导磁性。
在一些情况下，芯材料和磁极材料具有相同的材料属性。
在一些示例中，磁通屏障延伸到相邻的磁极对中。
在一些电机中，磁通屏障各自包括横跨无源磁性组件的磁性有效范围的导电材料的至少一个环。在一些情况下，每个磁通屏障具有多个导电材料环，每个环在磁极材料和芯材料外部彼此隔离。
在一些实施例中，每个磁通屏障包含选自由铁、镍和钴组成的组的按质量分数计至少20％、在一些情况下40％或在一些情况下60％的元素或元素组合。
在一些情况下，每个磁通屏障包含选自由铜、铝、黄铜、银、锌、金、热解石墨、铋、石墨烯和碳纳米管组成的组的按质量分数计至少百分之一、在一些情况下百分之五或在一些情况下15％的元素。
在一些示例中，芯材料是铁磁性的。在一些布置中，芯材料和磁极材料包括片的单个堆叠的连续部分。
在一些电机中，所述环形成无源磁性组件的外表面的界定标称间隙的一部分。芯可以形成无源磁性组件的外表面的被环围绕的一部分。
所述环可以被设置在界定标称间隙并且由第一材料形成的无源磁性组件的表面之下。
在一些情况下，所述环限定电容，诸如形成在沿着环的离散位置处的电容。
优选地，所述环具有在第一材料的可透射范围内的谐振频率。
在一些实施例中，至少一些磁通屏障各自具有宽度有限(在无源磁性组件与有源磁性组件之间的相对运动的方向上)且厚度有限(垂直于标称间隙)的导电层，所述导电层穿过堆叠的多个界面并且具有在间隙处形成无源磁性组件的表面的暴露表面。
在一些应用中，层的宽度是层的厚度的不止两倍，在一些情况下不止五倍，在一些情况下不止10倍。
在一些情况下，层由电流趋肤深度大于层厚度的材料形成。
所述层可以被设置在由第一材料限定的通道内。
在一些情况下，标称间隙在所述层处比在所述层附近更薄。
在一些电机中，有源磁性组件是电机的定子，而无源磁性组件是电机的转子。标称间隙可以是至少部分地由转子的径向外表面界定的径向间隙，或者是垂直于转子的旋转轴线的轴向间隙。
在一些实施例中，每个无源磁性组件磁极和/或每个有源磁性组件磁极具有多个齿，在齿间限定凹部。
在一些示例中，每个有源磁性组件磁极都具有磁通屏蔽，所述磁通屏蔽沿着磁极的相对边缘延伸并且由具有比被设置在磁通屏蔽之间的有源磁性组件磁极的材料更大的导电率的材料形成。
在一些情况下，电机是直线电机。
根据本发明的另一方面，一种电机包括：有源磁性组件，所述有源磁性组件具有第一表面，所述第一表面限定具有相关联的电绕组的多个有源磁极；以及无源磁性组件，所述无源磁性组件具有第二表面，所述第二表面相对于第一表面可移动并且与第一表面间隔开以限定间隙。第二表面具有第一材料的一系列间隔开的磁极表面区域，所述磁极表面区域被第二表面的磁极间表面区域间隔开。无源磁性组件包括导磁材料，所述导磁材料限定内部路径，所述内部路径在相应的磁极间表面区域的相对侧上连接磁极表面区域的相应的相邻对，其包括导电的低能积第二材料，并且各自在导磁材料的外部彼此电隔离。
‘低能积’是指能积(bxh)小于每立方米100千焦耳的材料。能积也被理解为剩磁与矫顽力的乘积。通常，永磁电机中使用的pm材料没有低能积。
在一些实施例中，导磁材料形成通过导电性低于铁磁材料的界面至少部分在磁极表面区域处彼此分开的铁磁性材料层的堆叠。
在一些示例中，无源磁性组件包括第三材料的棒，每个棒在无源磁性组件内的相应的磁极间表面区域下方并且跨电流抑制界面延伸。第三材料可以是或者包括例如铁、镍和钴。优选地，第三材料具有比第二材料更高的导磁率。
在一些配置中，第二材料在棒的一侧与铁磁材料层的边缘之间延伸。
在一些电机中，第二材料的导磁率低于第一材料的导磁率。
在一些实施例中，磁极间表面区域中的至少一者的第二材料从第二表面延伸到无源磁性组件中的总深度达约1mm至50mm、在一些情况下2mm至25mm之间或者在一些情况下5mm至15mm之间。
在一些布置中，磁极间表面区域中的至少一者的第二材料在第一方向上具有一定的范围，并且从第二表面延伸到无源磁性组件中的总深度达该范围的2％至2000％(或在一些情况下5％至500％之间，或在一些情况下10％至200％之间)。
在一些情况下，第二表面可相对于第一表面沿着第一方向移动，并且磁极间表面区域在垂直于第一方向的第二方向上跨磁极表面区域的整个磁性有效范围是连续的。
在一些电机中，导磁材料形成铁磁材料层的堆叠，每层在第一方向上延伸。
在一些情况下，第二材料包括铜或者基本上由铜组成。
在一些电机中，无源磁性组件是转子，而有源磁性组件是定子。磁极间表面区域和磁极表面区域可以一起形成转子的圆柱形表面，例如，间隙是转子与定子之间的径向间隙。或者，磁极间表面区域和磁极表面区域可以一起形成转子的端面，间隙是转子与定子之间的轴向间隙。在一些情况下，端面垂直于转子的旋转轴线。
在一些实施例中，磁极间表面区域各自还包括被第二材料围绕的导磁芯材料。在一些情况下，芯材料是与第一材料相同的材料。
在一些示例中，第二表面的磁极表面区域在其间限定槽，并且第二表面的磁极间表面区域由设置在槽内的第二材料形成。优选地，槽以与第一表面与第二表面之间的相对运动的方向成非零角度(例如，90度)延伸。在一些情况下，第二材料被固定到在槽内的第一材料。在一些示例中，槽被填充有第二材料，和/或第二材料在槽的相对侧上与第一材料接触。
在一些示例中，磁极表面区域包括片堆叠的边缘表面区域，所述片被堆叠使得槽穿过堆叠的若干个片。优选地，每个槽中的第二材料越过堆叠的若干个片，和/或与堆叠的片中的每一者直接接触。
第二材料优选地具有比第一材料更大的导电率。
在一些电机中，磁极间表面区域中的每一者基本上由第二材料组成。
第二材料在一些示例中包含选自由铁、镍和钴组成的组的按质量分数计至少20％、在一些情况下40％或在一些情况下60％的元素或元素组合。
在一些示例中，第二材料包含选自由铜、铝、黄铜、银、锌、金、热解石墨、铋、石墨烯和碳纳米管组成的组的按质量分数计至少百分之一、在一些情况下百分之五或在一些情况下15％的元素。
在一些实施例中，磁极间表面区域包括设置在磁极表面区域之间的磁通屏障的表面。
在一些情况下，每个磁通屏障都具有平行于标称间隙延伸并形成不同材料(诸如铜和镍)的层间界面的离散层。
在一些示例中，至少一些磁通屏障各自具有包括远离标称间隙延伸的两个间隔开的突起和连接这两个突起的表面层的横截面形状，诸如导磁材料被设置在这两个突起之间并在表面层下方。
在一些配置中，每个磁极间表面区域的第二材料围绕芯材料的相应芯形成导电环，所述芯材料比第二材料更具导磁性。在一些情况下，芯材料是铁磁性的。在一些情况下，芯材料和第一材料是单个片堆叠的连续部分。在一些示例中，芯形成第二表面的被环围绕的一部分。环可以与第二表面间隔开，和/或可以限定电容，诸如在沿着环的离散位置处形成电容。优选地，所述环具有在第一材料的可透射范围内的谐振频率。
在一些电机中，每个磁极表面区域(和/或有源磁性组件的每个磁极)都具有多个齿，在齿之间限定凹部。
在一些示例中，有源磁性组件的每个磁极都具有磁通屏蔽，所述磁通屏蔽沿着磁极的相对边缘延伸并且由导电率比被设置在磁通屏蔽之间的有源磁性组件的磁极的材料更大的材料形成。
在一些情况下，电机是直线电机。
根据本发明的另一方面，一种电驱动系统包括磁阻电机和电机控制器。磁阻电机包括：有源磁性组件，所述有源磁性组件限定具有相关联的电绕组的多个有源磁极；以及无源磁性组件，所述无源磁性组件具有多个无源磁极并且相对于有源磁性组件可移动，并且与有源磁性组件一起限定有源磁极与无源磁极之间的标称间隙。电机控制器具有多个开关，所述多个开关耦接到有源磁性组件的相应的电绕组或多组绕组，并且所述电机控制器被配置为(a)相继地运行开关达相应的磁极通电占空比以产生跨有源磁极与无源磁极之间的标称间隙的磁通量；并且(b)在每个有源磁极的通电占空比期间，对通过有源磁极的绕组的电流进行脉冲化，包括至少三个脉冲的序列，在所述序列期间，相邻的有源磁极的绕组不通电。电机的电绕组被配置为使得在电流脉冲化期间通过已通电的有源磁极的绕组的最大电流与最小电流之比至少为4:1。
在一些实施例中，电机控制器被配置为在每个有源磁极的通电占空比期间以2hz至1mhz之间、在一些情况下10hz至20khz之间并且在一些情况下100hz至5khz之间的脉冲频率对电流进行脉冲化。
在一些示例中，电机控制器被配置为在电机速度变化期间维持脉冲频率，直到每个有源磁极的通电占空比频率至少为脉冲频率的一半时的至少电机速度为止。
对于一些应用，电机控制器被配置为仅在与每个通电占空比一个脉冲相对应的电机速度以下对电流进行脉冲化。
在一些情况下，电绕组中的至少一者具有并联导电连接并缠绕在公共芯上的多个线圈。
在一些情况下，电绕组中的至少一者是编织线的绕组。
在一些实施例中，有源磁性组件是定子，而无源磁性组件是通过围绕转子轴线旋转而相对于定子可移动的转子。转子可以被设置在定子内。例如，标称间隙可以是至少部分地由转子的径向外表面界定的径向间隙，或者是垂直于转子轴线的轴向间隙。
在一些示例中，无源磁性组件还包括在相邻的无源磁极之间的磁通屏障，磁通屏障各自具有高于无源磁极的导电率。磁通屏障在无源磁极外部彼此电隔离。
在一些情况下，无源磁极由导磁材料层的堆叠形成。至少一些磁通屏障可以各自包括穿过堆叠的多个层的导电棒。在一些情况下，棒包含选自由铁、镍和钴组成的组的按质量分数计至少20％、在一些情况下40％或在一些情况下60％的元素或元素组合。具有导电棒的磁通屏障中的每一者还可以包括与导电棒不同的材料的导电层，并且至少部分地形成无源磁性组件的外表面。在一些示例中，棒包含选自由铜、铝、黄铜、银、锌、金、热解石墨、铋、石墨烯和碳纳米管组成的组的按质量分数计至少百分之一、在一些情况下百分之五或在一些情况下15％的元素。在一些配置中，棒具有平行于标称间隙延伸并形成不同材料(诸如铜和镍)的层间界面的离散层。
棒可以具有面向标称间隙的暴露表面。
在一些情况下，具有导电棒的磁通屏障中的每一者包括至少两个导电棒，所述至少两个导电棒在堆叠的相对端处彼此电连接以形成导电环。
在一些实施例中，至少一些磁通屏障各自在平行于堆叠层截取的横截面中具有包括远离标称间隙延伸的两个间隔开的突起和连接这两个突起的表面层的形状。这两个突起可以被设置在堆叠的一部分的相对侧上。
在一些配置中，至少一些磁通屏障各自包括宽度有限(在无源磁性组件与有源磁性组件之间的相对运动的方向上)且厚度有限(垂直于标称间隙)的导电层，所述导电层穿过堆叠的多个层并且具有在间隙处形成无源磁性组件的表面的暴露表面。在一些应用中，层的宽度是层的厚度的不止两倍，在一些情况下不止五倍，并且在一些情况下不止10倍。
所述层可以由电流趋肤深度大于层厚度的材料形成，和/或可以被设置在由导磁材料限定的通道内。在一些情况下，标称间隙在所述层处比在所述层附近更薄。
在一些实施例中，每个磁通屏障包括形成围绕芯材料的芯的环的导电材料，所述芯材料比导电材料更具导磁性。芯材料可以是铁磁的，和/或无源磁极的芯材料和导磁材料可以是片的叠层的堆叠的连续部分。
在一些情况下，所述环形成无源磁性组件的外表面的界定标称间隙的一部分。
在一些情况下，芯形成无源磁性组件的外表面的被环围绕的一部分。
所述环可以被设置在界定标称间隙并且包括堆叠层的边缘的无源磁性组件的表面之下。
在一些示例中，所述环限定电容，诸如形成在沿着环的离散位置处的电容。优选地，所述环具有在无源磁极的导磁材料的可透射范围内的谐振频率。
在一些实施例中，无源磁性组件还包括连接导磁磁极材料的相邻无源磁极的磁通屏障，所述磁通屏障各自具有不同于磁极材料的导电材料并限定围绕导磁芯材料的至少一个导电路径。优选地，磁通屏障在磁极材料外部彼此电隔离，并且相邻的磁通屏障被布置成使得在一个磁通屏障的导电材料内限定的任何导电路径都不环绕在另一个磁通屏障的导电材料内限定的任何导电路径的任何部分。
在一些情况下，每个无源磁极和/或每个有源磁极具有多个齿，在齿之间限定凹部。
在一些示例中，每个有源磁极都具有磁通屏蔽，所述磁通屏蔽沿着有源磁极的相对边缘延伸并且由导电率比被设置在磁通屏蔽之间的有源磁极的材料更大的材料形成。
在一些应用中，最大电流与最小电流之比至少为7:1。在一些实例中，最大电流与最小电流之比至少为10:1。
本发明的另一方面的特征在于一种驱动电机的方法。所述方法包括：
(a)通过对通过一系列有源磁极的第一有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化，对第一有源磁极通电，第一有源磁极通过与沿着该系列有源磁极与无源磁性组件之间的气隙设置，所述无源磁性组件具有沿着气隙设置的一系列无源磁极，脉冲化包括至少三个脉冲的序列，在所述序列期间，该系列有源磁极中的相邻的有源磁极的绕组不通电；以及随后
(b)通过对通过与该系列有源磁极中的第二有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化来对第二有源磁极通电，所述脉冲化包括至少三个脉冲的序列，在所述序列期间，第一有源磁极的绕组不通电，从而导致电流根据电流波形通过与第二有源磁极相关联的电绕组，其中在通过与第二有源磁极相关联的电绕组的电流的脉冲化期间，最大电流与最小电流之比至少为4:1。
在一些示例中，对第一有源磁极通电包括以2hz至1mhz之间、在一些情况下10hz至20khz之间并且在一些情况下100hz至5khz之间的脉冲频率对电流进行脉冲化。
在一些情况下，对第一有源磁极通电并且随后对第二有源磁极通电，而从第一有源磁极跨气隙在第一有源磁极与无源磁极之间产生第一力，并且从第二有源磁极跨气隙在第二有源磁极与无源磁极之间产生第二力。
在一些实例中，第一力和第二力引起有源磁极与无源磁极之间的相对运动。相对运动可以包括无源磁性组件相对于有源磁极的运动。
在一些情况下，无源磁性组件是电机的转子，并且相对运动包括转子的旋转。
所述方法的一些示例还包括检测转子速度并根据所检测的转子速度来控制脉冲化电流的频率。
一些示例还包括在转子速度变化期间维持电流脉冲频率，直到每个有源磁极通电时的频率至少为脉冲频率的一半时的至少转子速度为止。
在一些情况下，仅在与每次磁极通电一个脉冲相对应的转子速度以下，对通过与第一磁极和第二磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化。
在一些示例中，所述方法包括：在对第二有源磁极通电之后，通过对通过与该系列有源磁极中的第三有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化来对第三有源磁极通电，所述第三有源磁极不同于第一有源磁极被设置在第二有源磁极的相对侧上，所述脉冲化包括至少三个脉冲的序列，在所述序列期间，第一有源磁极和第二有源磁极的绕组不通电。
在一些实施例中，所述方法还包括：在对第三有源磁极通电之后，通过对通过与第一有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化来再次对第一有源磁极通电，随后通过对通过与第二有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化来再次对第二有源磁极通电，随后再次对第三有源磁极通电。
在一些实例中，对通过与第一有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化导致电流根据电流波形通过与第一有源磁极相关联的电绕组，其中在通过与第一有源磁极相关联的电绕组的电流的脉冲化期间，最大电流与最小电流之比至少为4:1或者在一些情况下至少为7:1。
在一些示例中，对通过与第一有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化包括对通过并联导电连接并缠绕在公共芯上的多个线圈的电流进行脉冲化。
在一些情况下，对通过与第一有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化包括操作第一开关以在多个循环中在电压源与和第一有源磁极相关联的电绕组之间断开和闭合。
在一些实施例中，对通过与第一有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化，从第一有源磁极跨气隙在无源磁极相邻的第一磁通屏障中产生涡流，磁通屏障的导电率高于跨气隙的无源磁极。
在一些示例中，无源磁性组件还包括第二磁通屏障，其中从第一有源磁极跨气隙的无源磁极被设置在第一磁通屏障与第二磁通屏障之间，并且第一磁通屏障和第二磁通屏障在无源磁极的外部彼此电隔离。
在一些情况下，无源磁极由导磁材料层的堆叠形成。
在一些实例中，第一磁通屏障中的涡流用于排斥来自第一有源磁极的磁通量。
在一些配置中，第一磁通屏障被设置在从第一有源磁极跨气隙的无源磁极与相邻的无源磁极之间，其中磁通屏障形成围绕芯材料的芯的导电材料的导电环，所述芯材料比导电材料更具导磁性。
在一些实施例中，无源磁性组件还包括在该系列无源磁极中的相邻对无源磁极之间的磁通屏障，所述磁通屏障各自包括与形成无源磁极的材料不同的导电材料，并且限定围绕导磁芯材料的至少一个导电路径。
在一些情况下，磁通屏障在该系列无源磁极的外部彼此电隔离。
相邻的磁通屏障优选地被布置成使得在一个磁通屏障的导电材料内限定的任何导电路径都不环绕在另一个磁通屏障的导电材料内限定的任何导电路径的任何部分。
在一些示例中，电机具有磁通屏蔽，所述磁通屏蔽沿着每个有源磁极的相对边缘延伸并且由导电率比被设置在磁通屏蔽之间的有源磁极的材料更大的材料形成。在一些情况下，磁通屏蔽延伸到相邻电绕组之间的间隙中。磁通屏蔽可以从气隙延伸到例如连接相邻的有源磁极的导磁轭。
在一些情况下，最大电流与最小电流之比至少为7:1或至少为10:1。
本发明的若干个方面的特征在于磁通屏障例如在高转矩和功率密度下提高电机的性能。磁通屏障具有动态(或瞬变)抗磁属性。通过利用电机中的磁通屏障，可以通过基本上更切向地引导磁通量来实现转矩的显著增加，其中通过沿着切线方向重定向径向力(或法向力)来改变磁场。即，在运行期间的平均力矢量基本上是更加切向的，其中传统电机设计中的主要力矢量本质上是径向的。
磁通屏障的导磁率可以通过调整磁通屏障中的涡流的磁频率(例如通过对通过有源磁极的电绕组的电流进行脉冲化)来控制。这样，电机在不同的磁频率下可以具有显著不同的磁属性：在低频下，磁通屏障的属性是铁磁的；在中等至高工作频率下，磁通屏障的导磁率可以小于空气的导磁率，并且磁通屏障的属性是抗磁性的。
本发明还可以形成高电抗电路，在所述电抗电路中，磁场不会在整个电磁循环穿透(permeate)，而是基本上被反射。这可以减少或消除磁通边缘化。与传统的永磁(pm)电机不同，在根据本发明设计的电机中，基本上零磁通穿透磁通屏障，这可以避免运行期间去磁(矫顽力)和过多热量。此外，抗磁通屏障在运行期间不会产生任何磁场，因此它们的行为与pm电机不同，因为完全没有磁场，即，没有反向存在且随后自行闭合的磁场。
本发明可以应用于各种类型的电机以改进其性能。电机可以是径向间隙电机或轴向间隙电机或直线电机。例如，电机可以是开关磁阻电机(srm)、感应电机(im)或永磁电机(pm)。
本文公开的本发明的各种示例可以提供具有显著的转矩/力和功率密度的特别高的电机性能，并且可以用于为推进车辆以及在固定系统中提供基本上平稳和有效的输出轴功率。所述设计概念可以通过提高电机本身的凸极比来更有效地增加转矩和功率，从而避免出现以牺牲一个来换取另一个的传统权衡取舍。由于避免永磁电机在无源条件下可能发生的磁破坏，因此该电机在循环运行期间也可以获得更高的系统效率。
本发明的一个或多个实施例的细节阐述在附图和下方描述中。从具体实施方式、附图说明及权利要求书，本发明的其它特征、目的以及优点将变得明显。
附图说明
图1是电驱动系统的示例的示意图。
图2是包括功率开关的电机控制器的示意图。
图2a是用于电绕组的示例性功率开关的示意图。
图3示出了在每个占空比中包括脉冲化电流的磁极通电占空比的电流分布。
图4示出了包括转子和定子的径向间隙电机。
图5是图4的一部分的放大视图。
图6是由层叠片的堆叠制成的转子的透视图。
图7示出了具有填充在相邻磁极之间的槽中的磁通屏障的转子。
图8a-c示出了在未对准位置(图8a)、半对准位置(图8b)和对准位置(图8c)处的磁极之间具有空气的情况下的磁通量。
图9a-c示出了在未对准位置(图9a)、半对准位置(图9b)和对准位置(图9c)处的磁极之间具有磁通屏障的情况下的磁通量。
图10示出了相邻磁极之间具有或没有磁通屏障的情况下的力。
图11是具有磁通屏障的另一转子的透视图，所述磁通屏障包括在相邻磁极之间的槽中的导磁材料的顶部上的导电层。
图12示出了在运行期间图11的定子与转子之间的磁通量。
图13是具有磁通屏障的另一转子的透视图，所述磁通屏障由相邻磁极之间的槽中的交替的导电层和导磁层制成。
图13a示出了图13的转子中的磁通量路径。
图14是具有磁通屏障的另一转子的透视图，所述磁通屏障由围绕相邻磁极之间的槽中的导磁层的导电层制成。
图15是具有磁通屏障的另一转子的透视图，所述磁通屏障由围绕相邻磁极(“屏蔽磁极”)之间的导磁芯的导电环制成。
图15a是图15的转子的侧视图。
图16是具有磁通屏障的另一转子的示意图，每个磁通屏障由具有离散电容的屏蔽磁极制成。
图17是具有磁通屏障的另一转子的透视图，每个磁通屏障由浇铸到相邻磁极之间的导磁材料的外表面的导电层制成。
图18是具有磁通屏障的另一转子的透视图，每个磁通屏障由形成在相邻磁极之间的导磁材料的外表面上的导电层制成。
图19示出了包括图18的定子和转子的电机。
图20示出了磁频率对针对不同磁通屏障材料产生的力的影响。
图21是具有磁通屏障的另一转子的透视图，所述磁通屏障包括沿着转子纵向延伸并通过顶部导电层导电连接的导电棒。
图22示出了图21的没有磁通屏障的转子。
图23示出了图21的转子中的磁通屏障。
图24是另一转子的透视图，所述转子内部具有分布的磁通屏障。
图25是图24的没有磁通屏障的转子的透视图。
图26是磁通屏障的透视图，其中图24的转子内部具有多个分布部分。
图26a示出了图26的磁通屏障的分布部分。
图27示出了电机的每个磁极上的多个离散齿，其中在相邻的转子磁极的槽中具有磁通屏障。
图28是轴向间隙电机的透视图，其中在转子磁极的槽中具有磁通屏障。
图29示出了轴向间隙电机中的转子，所述转子具有屏蔽磁极作为相邻磁极之间的磁通屏障。
图30是具有图29的屏蔽磁极的转子的开放视图。
图31至32是具有图29的屏蔽磁极的转子的开放视图。
图33是具有磁通屏障的定子的透视图，所述磁通屏障包括延伸到定子磁极的边缘并填充在相邻定子磁极之间的槽中的导电材料。
图34是图33的定子相对于转子的示意图。
图35是具有磁通屏障的另一定子的透视图，所述磁通屏障包括形成在定子磁极的边缘上并填充在相邻定子磁极之间的槽中的导电材料。
图36是图35的定子相对于转子的示意图。
图37是具有磁通屏障的另一定子的透视图，所述磁通屏障包括被装配在相邻定子磁极之间的槽中并与定子磁极的边缘匹配的导电材料。
图38是图37的定子的示意图。
图39是包括转子的示例性直线电机的透视图，所述转子在转子磁极之间具有磁通屏障。
图40是图39的直线电机的示意图。
图41是包括填充在多齿定子磁极和转子磁极中的磁通屏障的另一示例性直线电机的透视图。
图42是图41的直线电机的示意图。
相同参考标记在各个图中指示相同元件。
具体实施方式
本公开的实施方式提供了使用磁通屏障来提高电机的性能的系统、设备和方法。提出并讨论了电机的磁通屏障的各种设计/配置。磁通屏障被配置为在工作频率中表现出抗磁属性，使得通过有源磁性组件(例如，定子)与无源磁性组件(例如，转子)之间的磁隙的磁通量可以被集中并重定向到基本上更切向方向，由此增加转矩。
示例性电驱动系统
图1示出了电驱动系统100，所述电驱动系统包括电机102和耦接到电机102的电机控制器104。电机控制器104被配置为运行电机102以驱动负载110。负载110可以是附加的齿轮系，诸如行星齿轮组或另一电机，其中多个电机可以被连结且并行地运行。
电机102具有相对于电机壳体105可旋转的输出轴107，所述输出轴被认为是相对于电机组件的旋转和其它运动的基准。在使用中，输出轴107可以耦合到负载110，当通过来自电机控制器104的适当的电力和信号电启动时，电机102可以向负载施加旋转功率。输出轴107可以延伸穿过电机并且在两端被暴露，这意味着旋转功率可以在电机的两端传输。壳体105可以关于输出轴的旋转轴线旋转对称，但是可以具有任何外部形状，并且通常可以包括用于将壳体固定到其它结构以防止在电机运行期间壳体旋转的部件。
电机102包括诸如定子之类的有源磁性组件106和诸如转子之类的无源磁性组件108。出于说明性目的，在下文中，定子用作有源磁性组件的代表示例，而转子用作无源磁性组件的代表示例。
转子108与定子106相关联并且可以被设置在定子106内，例如被设置在内部转子径向间隙电机中，或者平行于定子设置，例如被设置在轴向间隙电机中，或者被设置在直线电机中。如下面更全面地描述，定子106中被适当控制的电活动驱动转子108的运动。转子108旋转地耦合到输出轴107，使得产生的转子运动的任何旋转分量都被传输到输出轴107，从而导致输出轴107旋转。定子106固定到电机102，使得在运行期间，转子108围绕定子106或平行于定子106移动。
定子106限定具有相关联的电绕组的多个定子磁极，而转子108包括多个转子磁极，如图4中更详细地示出。转子108与定子106一起在定子磁极与转子磁极之间限定标称气隙，如下面在图5中进一步详细示出的。转子108相对于定子106沿着运动方向可移动。如图2所示，定子106具有围绕转子108周向地间隔开的多个可独立激活的绕组132。定子106的多个相邻绕组132可作为绕组集合同时激活，并且定子106可以包括围绕定子106间隔开的多个这样的多绕组集合。电机102还可以包括绕组控制器130，所述绕组控制器具有可运行以激活定子106的绕组132的一组开关134。开关134可以是半导体开关，例如，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)之类的晶体管。绕组控制器130耦合到开关134的栅极，并且可运行以将相应的控制电压发送到每个开关134。控制电压可以是直流(dc)电压。绕组控制器130可以在电机控制器104中。
尽管在图2中仅示出了三个开关，但是应当理解，电机控制器104可以对每个定子磁极具有一开关，或者具有多个开关以对多个线圈通电。相邻的极对可以经由公共开关串联连接，但是在此类情况下，这两个移动转子的瞬时速度较快与较慢磁极相比可以产生稍大的反电动势(emf)或反emf，并且瞬时消耗更多的相对电力，由此提供附加的加速度以及相对速度的分离。较高频率的励磁可以降低运行期间低频谐波纹波的影响。开关134可以并联布线，以通过使用并联的感应负载电抗器来以嵌套配置平衡多个转子之间的相对速度。在具有嵌套转子配置的某些实施例中，系统中的单独的转子可以被单独驱动，并且可以通过减小给定的转子上的负载来将任何谐波频率从一个转子旁路到另一转子。在其它实施例中，转子可以成对嵌套以局部地平衡内环与外环之间的力。
图2b示出了用于单独的电绕组132的另一示例性电源开关200。功率开关200可以具有h桥电路，所述h桥电路包括四个开关元件202a、202b、202c、202d，其中电绕组132在h形配置中处于中心。开关元件202a、202b、202c、202d可以是双极或fet晶体管。每个开关元件202a、202b、202c、202d都可以与相应的二极管d1、d2、d3、d4耦接。二极管被称为钳位二极管，并且可以是肖特基型的。桥的顶端连接到电源，例如电池vbat，而底端接地。开关元件的栅极可以耦合到绕组控制器130，所述绕组控制器可运行以将相应的控制电压信号发送到每个开关元件。控制电压信号可以是dc电压信号或ac(交流)电压信号。
开关元件可以由控制器130单独控制，并且可以独立地接通和断开。在一些情况下，如果接通开关元件202a和202d，则定子的左引线连接到电源，而右引线连接到接地。电流开始流过定子，从而在正向方向上对电绕组132通电。在一些情况下，如果接通开关元件202b和202c，则定子的右引线连接到电源，而左引线连接到接地。电流开始流过定子，从而在相反的反向方向上对电绕组132通电。即，通过控制开关元件，电绕组132可以在两个方向中的任一方向上通电/激活。
电机控制器104(例如，绕组控制器130)可以被配置为针对相应的磁极通电占空比相继地运行开关134或200，以产生跨定子磁极与转子磁极之间的气隙的磁通量，如在图8a至8c中进一步详细地所示。可以控制开关以相继地对定子磁极通电以产生拉动转子的局部吸引力。此相继通电(或激活)可导致转子108、输出轴107和负载110旋转。
如下文进一步详细讨论的，可以在转子108和/或定子106中实施各种类型和配置的磁通屏障。在运行期间，磁通屏障的抗磁属性通常比空气高。
在一些示例中，磁通屏障由单一材料(诸如铝、铜、黄铜、银、锌、金、热解石墨、铋、石墨烯或碳纳米管)制成。在一些示例中，材料的铁磁组合(诸如铜-铁、镍-铁、铅-铁、黄铜-铁、银-铁、锌-铁、金-铁、铋-铁、铝-铁、热解石墨-铁、石墨烯-铁、碳纳米管-铁或alinco(铝-镍-钴)合金可以用作磁通屏障，在许多情况下，其导电率高于构成转子磁极的铁磁材料(例如，铁)。在一些情况下，例如由铜-铁制成的磁通屏障的有效导磁率低于铁磁材料。在一些情况下，例如由镍-铁制成的磁通屏障的有效导磁率高于铁磁材料。在一些示例中，磁通屏障被构造为形成围绕芯材料的芯的环的导电材料的屏蔽磁极，所述芯材料比导电材料更具导磁性。由于环的导电材料，屏蔽磁极也可以具有比芯材料(可以是例如铁)更高的有效导电率。
另一个令人感兴趣的材料属性(我们称为emf屏蔽因子)是导电率与导磁率的商(例如，西门子/亨利)。可以通过以下操作同时确定两种材料的emf屏蔽因子：将大小相等的材料样本放在不导电的支撑件上并且将材料样本在直径大于样本的两个平行亥姆霍兹线圈之间移动，使得它们的主导电平面(例如，如在磁性系统中的运行期间经历的平面的取向)垂直于在亥姆霍兹线圈的励磁期间产生的磁场。对于给定的励磁波形(例如，电压、形状和频率)，亥姆霍兹线圈的电流将与线圈之间材料的emf屏蔽因子成比例，使得在恒定励磁期间将观察到emf屏蔽因子随着电流的增加而增加。
如上所述并且下面将进一步讨论，磁通屏障被配置为具有抗磁性。磁通屏障的导磁率可以通过调整通过磁通屏障的磁频率来控制。这样，电机在不同的磁频率下可以具有明显不同的磁属性：在低频下，磁通屏障可以在铁磁处或铁磁附近具有导磁率；在中等至高工作频率下，磁通屏障的导磁率优选地小于空气的导磁率，并且磁通屏障的属性是抗磁性的。
如图9a至9c中更详细地所示，在转子和/或定子中实施抗磁性材料或结构可以提供一种用于在电机的运行期间更好地集中磁通量的手段。具体地，当定子和转子磁极位于完全未对准状态时，明显的内部电磁反射(由于磁通屏障的抗磁属性)会显著地抑制通过磁通屏障的磁传输。磁通屏蔽比在一些常规电机中用相邻磁极之间的气隙代替磁通屏障的情况更显著。这种抗磁屏蔽使磁通屏障有效地推动转子，而电磁磁极的磁阻拉动转子。这种效应允许电机系统每个循环产生更多的能量。
为了在工作频率下运行抗磁通屏障，如图3所示，在每个有源磁极的通电占空比期间，电机控制器104被配置为以脉冲频率对通过磁极的绕组的电流进行脉冲化。与感应电机在低速下连续对每个磁极进行一次脉冲化不同，电机控制器104在低速下针对单个磁极对电流进行多次脉冲化。在对下一磁极进行脉冲化之前对同一磁极的此类多个脉冲构成一个通电占空比。在一些示例中，电机控制器对在磁极的通电占空比期间通过有源磁极的绕组的电流进行脉冲化，所述脉冲化包括至少3个脉冲的序列，在所述序列期间，相邻的有源磁极的绕组不通电。包括每个磁极的电绕组的电路被配置为使得在电流脉冲化期间通过通电磁极的绕组的最大电流与最小电流之比至少为4:1，在一些情况下至少为7:1，或者在一些情况下甚至至少为10:1。在脉冲之间通过绕组的最小电流可以低至零。
脉冲化电流引起交变磁场强度，例如磁场，所述交变磁场强度在抗磁磁通屏障中感应出涡流。对于给定的磁通屏障材料，脉冲频率越高，涡流就越大。所感应的涡流产生与所施加的交变磁场相反的次级磁场，由此产生排斥力。如在图9a至9c和10中更详细地所示，排斥力可以沿着转子与定子之间的相对运动的方向集中并基本上更切向地重定向磁通量，以因此增加可用于做功的力。而且，具有不同材料或设计的磁通屏障可以具有不同的抗磁属性。磁通屏障的抗磁属性越高，在给定的磁(脉冲)频率下所感应的涡流就越大。因此，所产生的水平力是磁频率和磁通屏障的结构的函数，如下面关于图20更详细地讨论的。
抗磁磁通屏障的磁频率(和所产生的水平力)由在每个有源磁极的通电占空比期间流过磁极的绕组的电流的脉冲频率来确定。脉冲频率可以例如在一些情况下在2hz至1mhz之间，在一些情况下在10hz至20khz之间，并且在一些情况下在100hz至5khz之间。在一些情况下，电机控制器被配置为在电机速度变化期间维持脉冲频率，直到每个有源磁极的通电占空比频率至少为脉冲频率的一半时的至少电机速度为止。在一些情况下，电机控制器被配置为仅在与每个通电占空比一个脉冲相对应的电机速度以下对电流进行脉冲化。在一些实施方式中，电绕组中的至少一个包括并联导电连接并缠绕在公共芯上的多个线圈。此电绕组可以具有低电抗，从而使得脉冲之间的电流能够更快地衰减。
示例性电机
图4示出了包括定子410和转子420的示例性电机400。电机400、定子410和转子420可以分别是图1的电机102、定子106和转子108。电机400是诸如开关磁阻电机(srm)之类的径向间隙电机，并且转子420被设置在定子410内。图5是图4的一部分的放大视图。
定子410的特征在于一系列周向间隔开的定子磁极412，每个定子磁极包括定子芯414和围绕定子芯414的相关联的电绕组416。定子410可以具有例如可以从定子背板402(例如，轭或背铁(backiron))突出的多个定子突起，由此形成定子槽418和定子芯414。在相邻的定子磁极412之间，存在槽418。定子芯414可以具有一种连续材料或者组装在电机中的离散组件的组合。尽管连续材料可以在允许零空气进入定子总成的情况下提供更大的尺寸一致性，但是由定子壳体在机械对准中维持的一系列离散的定子磁极可以实现高效的制造和组装。定子突起的末端相对于定子突起和背铁或轭可以是扩散的、直的或下部的。在该示例中，定子突起是直的，并且在限定于定子410与转子420之间的气隙430处从轭到定子突起的远端具有恒定的横截面，如图5所示。
定子磁极412使得电力电子设备与定子芯414之间能够进行电磁传输，其中在磁极绕组之间实现电隔离。电绕组416可以包括导线的导电线圈，诸如绝缘的或漆包电磁导线，或多个焊接的导电棒，诸如绝缘铜棒。电绕组416可以包括诸如利兹(litz)导线之类的编织线的绕组。利兹导线可以用于更高频率的运行，而其它配置(诸如方形或扁平导线)可以用于增加绕组密度并增加趋肤效应。每个电绕组416可以包括并联地导电连接并且缠绕在共同的定子芯414上的多个线圈。
转子420还具有一系列周向间隔开的转子磁极422，在所述转子磁极之间限定槽423。转子420具有在运动方向上相对于定子410的表面401可移动的表面402。槽423相对于运动方向以非零角度(例如，以90度)延伸。转子420的表面402与定子410的表面401间隔开，以在定子磁极412与转子磁极422之间限定气隙430。注意，气隙430可以被填充有除空气之外的另一种流体。
气隙430可以在整个运行中维持一致。在下面描述的电机中，定子磁极412和转子磁极422应维持非零气隙，以防止由于转子磁极422相对于定子磁极412的接触而导致灾难性损坏。如图5所示，气隙430具有垂直于运动方向的深度dg。例如对于功率低于250千瓦(kw)的电机，深度dg可以在例如0.05毫米至2.0毫米的范围内。转子磁极422可以具有沿着运动方向的宽度w1，而转子槽423可以具有沿着运动方向的宽度w2和垂直于运动方向的深度ds。如下面更详细地讨论的，气隙430的大小可能影响所产生的水平力。在一些示例中，槽423的优选深度ds是气隙430的深度(dg)的50至500倍，并且在表面402处的优选宽度w2是气隙430的深度dg的25至100倍。如下面进一步详细讨论，磁通屏障可以被设置在转子磁极422之间的槽423内和/或定子磁极412之间的槽418内，这可以改变定子410与定子420之间的磁通流并改变电机400的性能。在这个示例中，磁通屏障填充槽。气隙430和槽423的大小可能影响电机400的性能。
图6是由铁磁材料的叠层601的堆叠制成的示例性转子芯600的透视图。转子芯600可以用于图4的转子420。叠层601至少在转子600的表面处通过导电率低于铁磁材料的界面603彼此分开。因此，与层的铁磁材料相比，界面是抑制电流的。在一些情况下，界面603由铁磁材料的氧化表面组成。例如，铁磁材料可以是铁(fe)，并且界面可以由氧化铁(feox)制成。在一些情况下，界面603包括与铁磁层601交错的绝缘体材料片。例如，绝缘体材料片可以包括树脂膜片。
叠层601限定具有轴向孔605的转子主体606，其中输出轴(例如，图1的输出轴107)可以插入所述轴向孔中并且与转子芯600一起可移动。叠层601还限定一系列间隔开的转子磁极602，所述转子磁极从转子主体606径向突出并平行于轴向孔605轴向延伸。突出的转子磁极602限定平行于轴向孔605轴向延伸的槽604。
示例性磁通屏障
在下文中，提出并讨论了用于电机(包括srm、轴向间隙电机和直线电机)的磁通屏障的各种设计/配置。
具有导电棒的示例性磁通屏障
图7示出了示例性转子700，其中磁通屏障填充相邻的转子磁极之间的槽。转子700可以包括图6的转子芯600，并且转子磁极702可以是图6的转子磁极602。转子磁极702可以是通过导电性低于铁磁材料的界面彼此分开的铁磁材料层的堆叠。
相邻的转子磁极702限定槽，例如，图6的槽604。转子700包括相邻的转子磁极702之间以及相邻的转子磁极702的槽中的磁通屏障704。磁通屏障704各自具有比铁磁材料更高的导电率。磁通屏障704在转子700的铁磁材料外部彼此电隔离，尽管它们可以通过转子材料彼此电连接。
如图7所示，磁通屏障704可以呈导电棒的形式，所述导电棒沿着转子700的轴向方向延伸，例如，平行于图6的轴向孔605并且穿过层堆叠的多个界面。在一些示例中，棒由单一材料(诸如铝、铜、黄铜、银、锌、金、热解石墨、铋、石墨烯或碳纳米管)形成。在一些示例中，棒包含材料组合，诸如铜-铁、镍-铁、铅-铁、黄铜-铁、银-铁、锌-铁、金-铁、铋-铁、铝-铁、热解石墨-铁、石墨烯-铁、碳纳米管-铁或alinco(铝-镍-钴)合金，使得棒(例如，铜-铁)导电率可以高于转子芯的铁磁材料。在一些情况下，棒包含选自由铜、铝、黄铜、银、锌、金、热解石墨、铋、石墨烯和碳纳米管组成的组的按质量分数计至少百分之一、在一些情况下百分之五、在一些情况下15％的元素。在一些情况下，棒包含选自由铁、镍和钴组成的组的按质量分数计至少20％、在一些情况下40％、在一些情况下60％的元素或元素组合。转子700可以通过直接在转子磁极702之间的槽中浇铸磁通屏障704的一种或多种材料使得槽被填充有磁通屏障来制造。
在转子磁极702之间的槽中具有磁通屏障704的转子700可以用作图4的电机(例如，图4的电机400)中的转子420。转子700与定子(例如，图4的定子410)一起在定子磁极与转子磁极之间限定标称间隙(例如，图6的间隙630)。棒具有面向标称间隙的暴露表面。在许多情况下，棒的暴露表面与转子磁极的表面形成圆柱形表面。
磁通屏障的影响
图8a-c和9a-c示出了磁通屏障对定子磁极与转子磁极之间以及通过标称间隙的磁通量的影响。图8a-c示出了在完全未对准位置(图8a)、半对准位置(图8b)和完全对准位置(图8c)处的转子磁极之间没有磁通屏障(例如，空气填充槽)的磁通量。
当定子磁极802(例如，图4的定子磁极412)通电时，产生磁场并且磁通量在定子磁极802与转子磁极804(例如，图4的转子磁极422或图6的转子磁极602)之间流动。转子磁极804相对于定子磁极802可在平行于被限定在转子磁极804与定子磁极802之间的标称间隙805的运动方向上移动。
在如图8a所示的完全未对准位置处，磁通量810相对于运动方向以一定的角度流动。磁通量810的某个部分通过与定子磁极802相邻并填充有空气的槽803流动到转子磁极804；磁通量810的某个部分通过与转子磁极804相邻并填充有空气的槽806流动到转子磁极804。在如图8b所示的半对准位置处，磁通量820的更多部分流过标称间隙805，而更少部分流过定子槽803和转子槽806。磁通量820与运动方向之间的角度变大。在如图8c所示的对准位置处，磁通量830基本上且径向地通过标称间隙805流动到转子磁极804。磁通量830与运动方向之间的角度变为几乎90度。
图9a-c示出了相同的三个相对的转子-定子位置，但是磁通屏障填充相邻的转子磁极904之间的槽：其中磁极处于完全未对准位置(图9a)、半对准位置(图9b)和完全对准位置(图9c)处。当定子磁极902通电时，产生磁场，并且磁通量从定子磁极902流动到转子磁极904，并且转子磁极904和定子磁极902限定标称间隙905。
在如图9a所示的未对准位置处，磁通量910相对于运动方向以一定的角度流动。磁通量910的某个部分通过与定子磁极902相邻的槽903流动到转子磁极904；磁通量910的某个部分通过填充在与转子磁极904相邻的槽中的磁通屏障906流动到转子磁极904。然而，与图8a的磁通量810相比，通过磁通屏障906的磁通量的部分被大幅地抑制和偏转以更多地沿着标称间隙905延伸，使得磁通量810集中并沿着运动方向更切向地重定向。类似地，在如图9b所示的半对准位置处，与图8b的磁通量820相比，磁通量920更加集中，具体是通过磁通屏障906的磁通量的部分被大幅抑制和排斥。在如图9c所示的对准位置处，磁通量930与磁通量830类似，并且基本上流过标称间隙905到达转子磁极904。
在工作磁频率下，磁通屏障表现出抗磁属性以排斥磁通量，由此产生相对转子磁极的排斥力。当定子磁极和转子磁极位于未对准状态时，磁通屏障处的大量内部电磁反射会改变磁极之间的磁通量的净方向。被填充有磁通屏障的槽处的抗磁屏蔽在期望的运动方向上有效地推动转子，而定子磁极与转子磁极之间的磁引力在相同方向上拉动转子。这样，通过使用此抗磁屏障，可以在电机的运行期间修改磁场线的矢量，使得径向力基本上更多地沿着运动方向被引导。这增加了用于将转子相对于定子推动的磁感应力的比例。这种效应从来自电驱动系统(例如，图1的电驱动系统100)的给定输入能量每个循环产生更多有用的动能。例如，当转子磁极从完全未对准位置移动到与定子磁极相对应的完全对准位置时，具有磁通屏障的槽的协能差比没有磁通屏障诸如空气的槽的协能差大得多，这也可以更好地避免边缘场。换句话说，已经增加了有效的凸极比。
图10示出了在相邻磁极之间具有和没有磁通屏障的净磁感应力。当定子1010的定子磁极1012(例如，图4的定子磁极412)通电时，产生磁场并且磁通量从定子磁极1012流动到转子1020的转子磁极1022，例如，图4的转子磁极422或图6的转子磁极602。转子1020在运动方向上相对于定子1010可移动，并且与定子1010一起限定标称间隙1015。
当在相邻的转子磁极1022之间的槽1024中仅存在空气时，定子磁极1012与转子磁极1022之间的吸引力导致相对于运动方向在角度
棒上方具有导电层的示例性磁通屏障
图11是在相邻的转子磁极1102之间的槽中具有磁通屏障1104的另一个转子1100的透视图。类似于图7的转子700，转子磁极1102由通过导电性低于铁磁材料的界面彼此分开的铁磁材料层的堆叠形成。界面可以是电流抑制的。磁通屏障1104各自包括穿过多个界面的导电棒1108，并且在铁磁材料外部彼此电隔离。与图7的转子700的磁通屏障704不同，转子1100的磁通屏障1104另外包括覆盖棒1108的导电层1106。导电层1106由与棒1108不同的材料制成，并且可以具有比棒1108更高的导电率。在一些示例中，棒1108由铁、镍或钴制成，并且导电层1106由铜、铝、黄铜、银、锌、金、热解石墨、铋、石墨烯或碳纳米管制成。转子1100可以通过将棒1108的材料浇铸到转子磁极1102的槽中并在棒1108的顶部上例如通过电镀或溅射沉积导电层1106来制造。
转子1100的外表面和定子1120的外表面限定标称间隙1130，如图12所示。转子1100可相对于定子1120在运动方向上移动。导电层1106至少部分地形成转子1100的外表面。在运行期间，当定子1120的定子磁极1122(例如，如图3所示通过占空比中的脉冲化电流)通电时，产生交变磁场，并且对应的磁通量1202通过标称间隙1130从定子磁极1122流动到转子磁极1102。脉冲化磁场在磁通屏障1104的导电层1106中感应出涡流1204。涡流1204可以产生与所施加的交变磁场相反的次级磁场，由此产生排斥力以改变磁通量1202的净方向，如上面所讨论的。
导电层1106在运动方向上具有有限宽度w，并且在沿着垂直于运动方向(或标称间隙1130)的方向具有从转子1100的外表面开始穿过层堆叠的多个界面的有限厚度t。层1106的宽度w优选地是层1106的厚度t的不止两倍，在一些情况下不止五倍，并且在一些情况下不止10倍。棒1108可以具有比层1106更大的厚度。
在一些示例中，在特定工作频率下，层1106的厚度t大于层1106的材料的电流趋肤深度，使得涡流1204主要在外表面与趋肤深度之间的层1106的表皮处流动，并且沿着运动方向在层1106中向相邻的转子磁极1102传播很长的距离。这样，磁通量1202可以更多地集中在层1106中，并且更切向地重定向以引起沿着运动方向的更大水平力。
具有多对交替层的示例性磁通屏障
图13是在相邻的转子磁极1302之间的槽中具有磁通屏障1304的另一个转子1300的透视图。类似于图11的转子1100，转子磁极1302可以由通过导电性低于铁磁材料的界面彼此分开的铁磁材料层的堆叠形成。磁通屏障1304在转子1300的铁磁材料外部彼此电隔离。与图11的转子1100的磁通屏障1104不同，转子1300的每个磁通屏障1304由被设置在相邻的转子磁极1302之间的槽中的多对交替层1306和1308制成。离散层1306和1308平行于标称间隙延伸并形成不同材料的层间界面。在特定示例中，层1306由铜制成，而层1308由镍制成。层1306可以比层1308更具导电性，而层1308可以比层1306更具导磁性。可以通过在转子磁极1302之间的槽中交替地布置层1306和1308来制造转子1300。
如图13a所示，每个层1306在垂直于标称间隙的方向上具有有限厚度t1，并且每个层1308在垂直于标称间隙的方向上具有有限厚度t2。在一些示例中，层1306的厚度t1被配置为小于层1306的材料在特定工作频率下的电流趋肤深度，并且层1308的厚度t2被配置为小于层1308的材料在特定工作频率下的电流趋肤深度。这样，如图13a所示，从定子流动到转子1300的磁通量1310可以传播通过多层1306和1308，从而引起涡流1312，并因此在多个层1306和1308中产生次级磁场。
具有屏蔽磁极的示例性磁通屏障
图14是在相邻的转子磁极1402之间的槽中具有磁通屏障1404的另一个转子1400的透视图。类似于图11的转子1100，转子磁极1402由通过导电性低于铁磁材料的界面彼此分开的铁磁材料层的叠层堆叠形成。界面可以是电流抑制的。磁通屏障1404各自在铁磁材料外部彼此电隔离。与图11的转子1100的在棒的顶部上具有导电层的磁通屏障1104不同，转子1400的磁通屏障1404具有围绕相邻的转子磁极1402之间的槽中的芯材料的芯1408的导电材料层1406。芯1408的芯材料可以比层1406的导电材料更具导磁性。芯1408可以与转子磁极具有相同的材料。
层1406包括三个层部分1406a、1406b、1406c。层部分1406a覆盖相邻的转子磁极1402之间的磁极间表面区域并且形成转子1400的外表面的一部分。每个芯1408位于相应的磁极间表面区域下方。磁极间表面区域可以在垂直于运动方向的方向上连续，跨过转子1400的磁极表面区域的整个磁性有效范围。层部分1406b、1406c从层部分1406a延伸跨过层的堆叠的界面并且在相邻的转子磁极1402与磁通屏障的芯1408之间延伸。
类似于图11的层1106，每个层部分1406a、1406b、1406c的厚度可以大于层1406的导电材料的电流趋肤深度，使得通过层部分1406a的磁通量更切向地被重定向到相邻的转子磁极1402，而层部分1406b和1406c用于抑制或屏蔽磁极与芯1408之间的磁通量。层部分1406a具有在运动方向上延伸的有限宽度。层部分1406b和1406c从转子1400的外表面延伸到铁磁材料中达一定的总深度。总深度可以在约1毫米至50毫米之间，在一些情况下在约2毫米至25毫米之间，并且在一些情况下在例如约5毫米至15毫米之间，并且在层部分1406a的宽度的2％至2000％之间，在一些情况下在5％至500％之间，并且在一些情况下在10％至200％之间。
层1406的导电材料可以包括铜。在一些实施方式中，芯1408的芯材料和转子磁极1402的铁磁材料具有相同的材料属性，例如由铁制成。芯1408和转子磁极1402可以是层的叠层堆叠的连续部分。
在一些情况下，可以通过以下操作制造转子1400：将芯材料布置到转子(例如，图6的转子600)的相邻磁极之间的槽中以形成在磁极1402与相邻芯1408之间具有间隙的芯1408，随后将导电材料布置到间隙和芯1408的顶部中以形成层1406。在一些情况下，将成形的铁磁材料层对准堆叠以形成槽来容纳导电材料。随后将导电材料浇铸或以其他方式布置到间隙中和顶部表面区域的顶部上以形成导电层1406。
磁通屏障1404可以被认为是屏蔽磁极。每个屏蔽磁极可以具有与转子磁极相同的大小。尽管在低频或dc静态条件下，转子磁极与屏蔽磁极之间几乎没有区别，但是在中等频率和高频运行下，屏蔽磁极的磁阻超过空气的磁阻，这导致更高的转矩密度。因此，通过在相邻的转子磁极之间形成屏蔽磁极，可以独特地修改磁阻磁极(定子磁极和转子磁极)的运行期间的磁场线矢量，使得磁场基本上更切向。这允许电机利用径向力(或法向力或径向压力)作为切向力，所述径向力可以比切向力大一个数量级。屏蔽磁极也可以延伸到相邻的定子磁极组，以进一步降低电机的磁通边缘属性。
图15是另一个转子1500的透视图，其中屏蔽磁极的另一个示例作为相邻的转子磁极1502之间的磁通屏障1504。每个磁通屏障1504由围绕相邻的磁极1502之间的导磁芯1508的导电环1506制成。环1506可以是由导电材料的薄层的堆叠，所述薄层由具有类似的导磁率的不太导电的材料分开，例如，由氧化铜、瓷漆线、铝或氧化铝分开的铜层。类似于图14的转子1400，转子磁极1502可以由通过导电性低于铁磁材料的界面彼此分开的铁磁材料层的叠层堆叠形成。磁通屏障1504在转子磁极1502的磁极表面区域之间形成磁极间表面区域，并且可以被认为是表面屏蔽磁极。磁极间表面区域和磁极表面区域限定转子1500的外表面(或端面)。每个芯1508形成外表面的被相应的环1506围绕的一部分。每个环1506形成转子1500的圆柱形外表面的一部分，如图15a所示。
环1506可以由导电的低能积材料制成。例如，环1506可以由铜制成。芯1508的材料比环1506的材料更具导磁性。芯材料可以是铁磁性的，例如铁。芯1508的芯材料和转子磁极1502的铁磁材料可以是相同的，诸如层堆叠的连续部分。在一些实施方式中，通过根据环1506的形状和位置蚀刻层堆叠的铁磁材料的区域并且随后将导电材料沉积/浇铸到蚀刻区域中以形成环1506来形成转子1500。替代地，磁通屏障可以由被设置在芯1508本身内的导电的低能积材料形成。
磁通屏障1504的导电环1506是不重叠的并且在铁磁材料外部彼此电隔离。磁通屏障1504仅通过铁磁材料彼此连接。磁通屏障1504限定围绕芯1508的芯材料的至少一个导电路径(例如，环1506)。‘不重叠’是指相邻的磁通屏障1504被布置成使得在一个磁通屏障的导电材料内限定的任何导电路径都不环绕在另一个磁通屏障1504的导电材料内限定的任何导电路径的任何部分。
如图15中所示，磁通屏障1504的环1506可以形成由导电材料(例如，铜)制成的闭合电路。在一些实施方式中，磁通屏障可以通过导电材料的开环形成为屏蔽磁极。例如，图16是在相邻的转子磁极1602之间具有磁通屏障1604的另一个转子1600的示意图。磁通屏障1604类似于图15的磁通屏障1504，不同的是磁通屏障1604具有带中断1608(例如，气隙)的开环1606，如图16所示。
开环1606也可以由导电材料(例如，铜)制成。开环1606限定可以在沿着开环1606的离散位置处形成的电容。例如，开环1606的两个相对端面形成气隙1608，从而形成电容。开环1606可以被配置为具有在转子1600的转子磁极1602的导磁材料(例如，铁)的可透射范围内的谐振频率。在一些实施方式中，通过根据开环1606的形状和位置蚀刻导磁材料的区域并将导电材料沉积/浇铸到蚀刻区域中以获得环1606来形成转子1600。间隙1608可以在导电材料的沉积期间形成，或者可以通过烧蚀或以其它方式去除窄的材料带以形成每个间隙而形成。每个电容间隙1608优选地跨越堆叠的至少一个层界面。
具有表面层的示例性磁通屏障
图17是在相邻的转子磁极1702之间具有磁通屏障1704的另一个转子1700的透视图。每个磁通屏障1704包括导电层1706，所述导电层在相邻的磁极1702之间形成磁极间表面区域。类似于图15的转子1500，转子磁极1702可以由通过导电性低于铁磁材料的界面彼此分开的铁磁材料层的叠层堆叠形成。然而，与图15的具有导电环1506的磁通屏障1504不同，导电层1706完全覆盖磁极间表面区域并形成转子1700的外表面的一部分。导电层1706基本上穿过堆叠的所有磁性有效片，并且优选地与堆叠的片中的每一个直接接触。
可以例如通过蚀刻层堆叠的铁磁材料以形成磁极间区域并将导电材料浇铸到磁极间区域中来在外表面下方形成导电层1706。
图18是在相邻的转子磁极1802之间具有磁通屏障1804的另一个转子1800的透视图。与图17的具有在转子1700的外表面下方形成的导电层的磁通屏障1704不同，每个磁通屏障1804包括在转子1800的圆柱形外表面上形成的导电层1806。
如图19所示，导电层1806的厚度从外表面朝向标称间隙1910延伸，所述标称间隙由定子1900和转子1800的磁极1802限定。定子1900具有外表面，所述外表面限定具有相关联的电绕组1904的多个定子磁极1902。当导电层1806形成在转子1800的圆柱形外表面上方时，它位于标称间隙1910内，从而使得转子与定子之间的空隙在层1806处比在层1806附近更小。
磁通屏障材料/配置对力的影响
图20示出了由在频率范围下具有不同的磁通屏障(例如，不同的材料/配置)的电机产生的力。在此，力是指与转子相对于定子可移动的运动方向平行的有用力。频率是指在磁通屏障中感应出的涡流的磁频率，所述磁频率可以由对定子的定子磁极通电的电流的脉冲频率来控制。
曲线2002将空气表示为填充相邻的转子磁极之间的槽的无源材料，其中有用力跨低频范围保持恒定并最终在较高频率下迅速下降，例如在点2001处下降超过芯极限。曲线2004将单个材料填充(例如，铜的填充)表示为动态非铁磁磁通屏障，其在低频下基本上表现为空气，但是在交叉频率之上(在交叉点2005处)增加。曲线2006将屏蔽磁极(例如，环形磁极)表示为动态铁磁磁通屏障，其中在较低频率处(例如，低于交叉频率)，有用力低于有空气的情况，而力随着频率(例如，高于交叉频率)急剧增加得比有由曲线2004表示的直的非铁磁材料(例如，铜)填充的情况更快。沿着曲线2006，点2003示出了导电槽磁阻低力极限，点2005示出了交叉频率，而点2007示出了受气隙限制的峰值力。
为了避免在较低速度下减小力，可以例如通过对通过每个磁极绕组的电流进行脉冲化以较高磁频率在低的每分钟转数(rpms)下运行电机，由此增加输出力。在较低频率下屏蔽磁极的力低于空气的原因可能主要是由于替代的铁磁通量路径导致相对磁阻不对称的事实。在较高频率下，电机受到在交叉频率处发生的相对电感性屏蔽的控制。这是点2005，其中屏蔽磁极的凸极比等于空气的凸极比-实际上，屏蔽磁极的趋肤深度模仿了空气的趋肤深度。随着频率的增加，屏蔽磁极的凸极比继续增加。
曲线2012将非铁磁超导体表示为直的材料填充磁通屏障，其中即使在相对较低的频率下，也会引起比空气引起的力增益更大的力增益。在一些情况下，磁通屏障可以被配置为使得例如通过调整材料比(例如，环的导电材料与芯的导磁材料之比)、材料本身、材料的分层(例如，单个材料或材料组合)、材料层相对于磁界面的取向或几何形状(例如，相对于气隙的深度、宽度和相对距离)，曲线2006和/或交叉点2005可以尽可能向左移动得更远。例如，如果用于曲线2006的屏蔽磁极由比率为10:90的铜和转子铁芯制成，则曲线2006可以变成曲线2008，其中屏蔽磁极由比率为66:33的铜和转子铁芯制成。
另外，磁通屏障的结构也可能影响电机的性能。当磁通屏障(例如，图13的磁通屏障1304)由多对交替导电层和导磁层(例如，铜和镍)制成时，所产生的力与频率之间的关系可以由曲线2010表示，所述曲线更接近于用于超导体的曲线2012。
转子内部的示例性磁通屏障
图21至23示出了具有磁通屏障2104的另一个转子2100，所述磁通屏障具有在铁磁转子材料的表面下方的导电元件。如图22所示，转子主体2102由铁磁性材料的叠层的堆叠构成。叠层至少在转子的表面处通过导电率低于铁磁材料的界面彼此分开。界面可以是电流抑制的。堆叠限定沿着其长度延伸从而穿过界面的孔2107。
如图23所示，每个磁通屏障包括导电结构，所述导电结构具有至少两个导电棒2110(示出了四个)，所述导电棒延伸穿过堆叠的每一层以穿过堆叠的每个界面并且通过导电板2108在堆叠的相对端处彼此电连接以在转子内形成至少一个导电环。每个导电棒被插入或浇铸在转子板的堆叠内的对应的纵向孔2107中，并且随后可以被焊接或钎焊到端板2108。再次参考图21，每个导电结构与铁磁片的在导电棒之间并紧邻围绕导电棒的部分一起在两个相邻的转子磁极2106之间形成磁通屏障2104。
图24至26a示出了具有磁通屏障2410的另一个转子2400，所述磁通屏障在转子的铁磁材料内部具有导电元件。类似于图6的转子600，转子主体2402可以由铁磁材料的叠层的堆叠制成。叠层至少在转子的表面处通过导电率低于铁磁材料的界面彼此分开。界面可以是电流抑制的。转子2400在转子主体2402的中心限定孔2401。孔2401可以类似于图6的孔605，并且输出轴(例如，图1的输出轴107)可以被插入孔并且可以与转子2400一起移动。
如图25所示，转子主体2402限定一系列间隔开的转子磁极2404，所述转子磁极形成转子主体的径向最外部分，相邻的磁极2404在其间限定槽2406。转子主体2402还限定沿着其长度平行延伸的孔2408。
代替填充相邻的转子磁极2402之间的槽2406的是，磁通屏障2410中的每一者包括导电元件，所述导电元件形成至少一个环，所述环跨越转子主体2402的在转子表面下方的磁有效范围。如图26所示，每个磁通屏障2410的导电结构包括导电材料的多个环2412、2414、2416，每个环在转子主体2402的铁磁材料外部彼此隔离。如图26a所示，每个环(例如，环2416)包括至少两个导电棒2418，所述至少两个导电棒在堆叠的相对端处通过导电板2420彼此电连接。在组装后，导电棒中的每一者沿着转子主体的对应孔2408延伸，如图25所示。板2420可以具有弯曲形状，其两端在相邻的转子磁极2404的磁有效范围上。弯曲形状可以基于槽2406的形状。再次参考图24，磁通屏障2410的环2412、2414、2416可以朝向槽2406串联布置。从某种意义上说，每个磁通屏障的导电环结构都延伸到相邻的转子磁极中或者跨越相邻的转子磁极的相邻部分。
磁通屏障2410在铁磁材料外部彼此电隔离。相邻的磁通屏障2410被布置成使得在一个磁通屏障的导电材料内限定的任何导电路径都不环绕在另一个磁通屏障的导电材料内限定的任何导电路径的任何部分。磁通屏障2410可以用作磁通屏蔽。
在运行期间，试图穿透由棒2418和2420(以及外部棒)环绕的铁磁材料的瞬变电磁场可以使电流在棒中流动，并且产生的电流可以用于有效地阻止通量穿透被环绕的区域。随后，磁通量可以跟随区段2416、2414和2412之间的狭窄通道，从而导致低磁阻的路径与高磁阻的路径侧接(flank)。由磁通屏障2410环绕的区域被阻止进行磁传输，这导致清晰的低磁阻路径和高磁阻路径。所述力施加在转子内的屏蔽磁极/非屏蔽区域处，而不是施加在定子磁极与转子磁极之间的气隙(例如，如图15所示)。所环绕的芯区域与非环绕区域之间的界面可以被认为是伪芯界面。
具有多个离散齿的磁极的示例性磁通屏障
可以形成用于电机的带齿定子-转子界面以将作为定子-转子界面处的表面积的函数的转矩最大化。由于相对较弱的磁场相互作用，传统的电机通常受限于其作为表面积的函数的转矩。通过在每个磁极上包括多个离散齿并针对同一磁极有效地减小电机的齿间距离，可以在给定的行进距离对磁极通电的循环数量增加。更具体地，通过在单个磁极上放置多个齿，可以增大作为表面积的函数的力。
尽管对于给定的表面积实现了更高的比力(specificforce)，但是由于显著的磁通泄漏，在此设计中更高的功率密度可能会受到限制。这种磁通泄漏的主要原因之一是在齿之间形成的槽存在空气，随着齿数的增加，所述槽逐渐变小。因此，为了使用具有多齿磁极的电机来提高电机性能，可以在较低的电流负载下使用通过增加齿数而形成的增大的比力。在这种方法下，电机使系统中的总磁极数维持相对较少，但是通过使得每个单独的磁极上的表面几何形状能够为每个磁极弧段提供更多的电循环，而可以提供增加的开关循环次数。更具体地，给定的比力可以在磁动势(mmf)为400至700安培匝数的磁极中产生，而典型的磁极将需要3,000至4,000安培匝数的mmf来支撑相同的力。因为更少的安培匝数需要更少的空间，所以这允许电机利用多槽方法，其轭和绕组成比例地变小并以较高的频率运行，以实现转矩、功率和转矩密度的增益。
定子齿与转子齿之间的关系优选为0.6:1至1.4:1、更优选地为0.8:1至1.2:1。对于常规的槽，优选的是齿宽度与气隙之比大于10:1，对于直接驱动牵引应用更优选地在30:1至100:1之间，并且对于需要更高速度的应用，优选地为30:1。对于定子磁极，优选的是，每个磁极的齿数落在对于给定的气隙使力最大化所需的每个磁极的齿数的20％至90之间，更优选地落在对于给定的气隙使力最大化所需的每个磁极的齿数的40％至80之间。
对于给定的气隙，优选的是，以小于最大整数齿数(例如，最大值的大约50％至80％)获得峰值力。在达到峰值力之后，力的增益开始渐近并变得相对可忽略。对于电机设计，可以考虑更多因素来以特定的气隙下每个孔的齿数来优化力。例如，空气槽增加可能导致附加的磁通泄漏和凸极比降低。而且，更少的、更大的磁极允许有更大的功率密度，并且进一步处理更大的电流负载以达到饱和。此外，如下面所讨论的，齿槽可以被填充抗磁性材料，这可能也会影响电机性能。
对于给定的磁极，随着齿大小的减小和齿数的增加，最大电感保持大致相同。然而，由于空气在越来越小的槽中的导磁性，最小电感会增加。因此，当每个磁极的齿数增加时，每个循环的总能量减少。
图27示出了电机2700，所述电机在电机的每个磁极上包括多个离散齿。电机2700包括定子2710和转子2720。定子2710和转子2720的外表面限定气隙2715。电机2700类似于图4的电机400，不同的是定子2710的每个定子磁极2712包括在其间具有槽2716的多个齿2714，并且转子2720的每个转子磁极2722包括在其间具有槽2726的多个齿2724。注意，在相邻的定子磁极2712之间可以存在槽2718，而转子2720可以包括连续的交替齿2724和沿着转子2720的外表面的槽2726。
可以在相邻的转子齿2724和/或相邻的定子齿2714之间形成磁通屏障。磁通屏障可以类似于图7的磁通屏障704、图11的磁通屏障1104、图13的磁通屏障1304或图14的磁通屏障1404。
磁通屏障材料可以是在运行期间具有比空气更大的抗磁属性的感应材料，以增加每个循环的总能量。这形成动态磁通屏障。使用电感器的阻抗来提供这种抗磁属性导致在中等频率、中频和高频运行期间(例如，从2hz至1mhz)具有更大的凸极比。如上面所讨论的，这可以通过使用全金属单一材料(诸如铝，铜、黄铜、银、锌、金、热解石墨、铋、石墨烯或碳纳米管)或更优选地超导体的趋肤效应来实现。超导体可以在0.5hz或更高的频率下运行，而铜可以在20khz至1mhz的中高频率下运行。在其它实施例中，可以使用材料的铁磁组合，诸如铜-铁、铅-铁、黄铜-铁、银-铁、锌-铁、金-铁、铋-铁、铝-铁、热解石墨-铁、石墨烯-铁、碳纳米管-铁或alinco(铝-镍-钴)合金，它们可以在100hz至20khz的频率下运行。在其它实施例中，较高的电感填充物可以用于产生等效阻抗，诸如以较低频率构造环形电极或屏蔽磁极(例如，铜屏蔽铁磁极)。抗磁性和铁磁性材料的这种组合近似于超材料(meta-material)的属性。从结构上讲，这种槽填充开始近似于转子面与定子面的光滑连续表面，并且随着齿的大小减小，这种槽填充材料可以用作机械支撑以防止由运行中产生的力引起的物理变形。
当齿在给定的磁极上变小时，槽变得更靠近，并且产生的磁通泄漏导致凸极比和每个循环的功两者以及因此导致转矩减小。通过用近似于抗磁性材料的材料(例如，单一抗磁性材料或抗磁性和铁磁性材料的组合)替代空气，可以将增加电机的齿数视为有效的电磁减少，这类似于齿轮箱。对于给定的磁极大小，由于每个磁极的齿数增加而导致每个循环的能量以及因此导致转矩下降，而通过使用抗磁性材料提高凸极比可以获得转矩和功率密度。具体是在使用抗磁性槽填充的情况下，磁极设计或配置的另一个好处是，具有多个齿的磁极上的磁场在给定的磁极上沿单个方向传播，而不是典型电机中的恒定反向场。
如上面在图20中所讨论的，在较低频率下，所产生的有用力作为频率的函数保持恒定或平坦，这是因为抗磁性磁通屏障看起来像空气并且没有影响或影响很小。在中高频时，磁通屏蔽效应开始占主导地位，并且力随着频率越来越高而继续增大。因此，通过用抗磁性磁通屏障填充槽，可以使用较低的驱动电流(因此匝数较少)，这可以通过使用较少的导线来节省成本并通过减少电阻损耗来提高效率。此外，通过使用更高的驱动电流(例如，通过饱和)可以进一步提高电机性能。而且，槽深度对所产生的水平力有影响。产生的力可以沿着垂直于气隙的方向与槽的深度大致成比例。
带磁通屏障的轴向间隙电机
图28是在相邻转子磁极之间具有磁通屏障的示例性轴向间隙电机2800的透视图。轴向间隙电机2800具有平行于定子2802布置的转子2804。转子2804限定中心孔2801，并且输出轴可以被布置在中心孔2801中，使得转子2804可与输出轴一起旋转。
转子2804通过围绕转子的旋转轴线(或输出轴的旋转轴线)旋转而相对于定子2802可移动。转子2804的端面垂直于转子的旋转轴线。转子2804的端面沿着旋转轴线与定子2802的端面间隔开，以限定标称间隙2803。标称间隙2803是在定子2802和转子2804的端面之间并且沿着转子的旋转轴线的轴向间隙。
定子2802限定一系列定子磁极2810，每个定子磁极包括被相关联的电绕组2814围绕的定子磁极芯2812。定子2802的电绕组2814可独立地激活并且围绕定子周向地间隔开。转子2804具有一系列转子磁极2820，其中在转子磁极2820之间具有磁通屏障2830。每个磁通屏障2830具有围绕导磁材料芯的导电环。磁通屏障的芯、转子磁极和转子背板都可以是诸如由压制的烧结粉末形成的一块连续的铁磁材料的一部分。磁通屏障的导电环可以是例如压制在芯上方的铜环。
图29至32示出了另一种轴向间隙电机的转子2900的不同视图。转子2900具有平坦的有效端面(面向定子，未示出)，其包括形成转子磁极2920的磁极表面区域以及由磁极表面区域之间的磁通屏障2930形成的磁极间表面区域。在该示例中，磁通屏障2930是屏蔽磁极，其类似于图14的屏蔽磁极1404。
每个磁通屏障2930包括导电材料，所述导电材料围绕芯材料的芯2934形成环2932。芯材料比导电材料更具导磁性。芯材料可以是铁磁性的。芯2934的芯材料和转子磁极2920的磁极材料可以相同，并且芯2934和转子磁极2920形成连续的整个转子主体，诸如具有烧结铁粉的转子主体。磁通屏障的导电材料可以被浇铸到所形成的转子芯中。
如图29至32所示，每个环2932包括五个环部分2932a、2932b、2932c、2932d和2932e。环部分2932a形成转子2900的端面的一部分。
环部分2932b沿着平行于旋转轴线的方向延伸一定的深度范围，并形成转子2900的外部径向表面的一部分。端面垂直于外部径向表面。环部分2932c沿着平行于旋转轴线的方向延伸一定的深度范围，并形成转子2900的内部径向表面的一部分。环部分2932c的深度可以与环部分2932b的深度相同。
环部分2932d和2932e沿着径向方向从转子的内部径向表面延伸到转子的外部径向表面，以在相邻的转子磁极2920与芯2934之间形成屏蔽壁。环部分2932d和2932e也延伸到转子主体达一定的深度范围，所述深度可以与环部分2932b和2932c的深度相同。环部分中的每一者可以具有一致且相同的厚度，优选地大于在特定工作频率下环2932的导电材料的电流趋肤深度。
带磁通屏障的定子
磁通屏障也可以被设置在电机的定子中，以进一步提高性能。
图33示出了定子3300，其具有被布置在定子磁极3310之间的磁通屏障3320。定子磁极3310可以通过导磁轭3302容置或连接。每个定子磁极3310包括被相关联的电绕组3314围绕的定子芯3312。定子芯3312(和轭)可以由沿着纵向轴线延伸的铁磁材料层的堆叠制成。所述层通过导电率低于铁磁材料的界面彼此分开。定子芯3312可以是从轭3302突出的定子突起。
每个磁通屏障3320形成磁通屏蔽，所述磁通屏蔽沿着定子磁极3310的相对边缘延伸并且由具有比定子芯3312的铁磁材料更大的导电率的材料形成。磁通屏障3320可以延伸到相邻的电绕组3314之间的间隙中。如图34所示，磁通屏障3320可以从气隙3350延伸到连接相邻的定子磁极3310的轭3302。气隙3350被限定在定子3300和转子3400的两个外表面之间。转子3400包括一系列转子磁极3410，在其间具有磁通屏障3420，如上面所讨论的。
如图33和34所示，被电绕组3314围绕的每个定子芯3312具有沿着定子3300的圆周的角宽度w0。磁通屏障3320在定子芯3312的面处延伸到凹口中，使得在气隙处相邻的磁通屏障3320的相对边缘之间的定子芯3312的角宽度w1小于被电绕组3314围绕定子芯3312的角宽度w0。即，w1＜w0。
图35示出了另一个定子3500，其具有被布置在定子磁极3510之间的磁通屏障3520。类似于图33至34的定子3300，每个定子磁极3510包括被相关联的电绕组3514围绕的定子芯3512。定子芯3312可以是从导磁轭3502突出的定子突起，所述导磁轭形成为具有电流抑制界面的导磁片的堆叠。每个磁通屏障3520由具有比定子芯3512的材料更大的导电率并且穿过堆叠的界面的材料形成。如图36所示，磁通屏障3520可以从气隙3550延伸到轭3502，从而在被限定于定子3500与转子3600之间的气隙3550处连接相邻的定子磁极3510。转子3600包括一系列转子磁极3610，在其间具有磁通屏障3620，如上面所讨论的。
电机3500与图33至34的电机的不同之处在于，定子芯的角宽度从气隙到轭3502基本上是恒定的。即，w0＝w1。
图37示出了另一个定子3700，其具有被布置在定子磁极3710之间的磁通屏障3720。类似于图33至34的定子3300，每个定子磁极3710包括被相关联的电绕组3714围绕的定子芯3712。定子芯3712可以是从导磁轭3702突出的定子突起，其中定子芯和轭形成为具有电流抑制界面的铁磁片的堆叠。每个磁通屏障3720由导电材料形成并且穿过定子芯的至少大部分片界面。如图38所示，磁通屏障3520可以从定子3700的内表面延伸到连接相邻的定子磁极3710的轭3502。
定子芯3712具有纵向连续突片(tab)，所述连续突片容纳在磁通屏障3720的对应槽中。在将绕组安装到芯上之后，磁通屏障可以被纵向插入并通过定子芯的突片保持就位，从而进一步固定绕组。
带磁通屏障的直线电机
如上面所讨论的，可以在径向间隙电机和轴向间隙电机中配置磁通屏障，其中，转子磁极和/或定子磁极被周向地布置。在下文中，讨论具有磁通屏障的直线镜像(linearmirror)，其中转子磁极和/或定子磁极被直线地布置，并且定子与转子之间的相对运动沿着一条线。
图39和40示出了包括定子3910和转子3950的示例性直线电机3900。转子3950相对于定子3910沿着运动方向可移动，并且与定子3910一起限定具有垂直于运动方向的宽度的标称间隙3940。
定子3910限定一系列定子磁极3920，所述定子磁极沿着运动方向直线地定位并且通过导磁轭或背板3902直线地连接。每个定子磁极3920包括被相关联的电绕组3924围绕的定子芯3922。定子芯3922可以由铁磁材料层的堆叠制成，其中每一层沿着运动方向延伸。所述层通过导电率低于铁磁材料的界面彼此分开。定子芯3922可以是从轭3902突出的定子突起。定子突起在其间限定槽3930。
转子3950包括一系列转子磁极3960，磁通屏障3970在所述转子磁极之间并且沿着运动方向间隔开。类似于图15的磁通屏障1504，磁通屏障3970可以是屏蔽磁极。每个磁通屏障3970由围绕相邻的转子磁极3960之间的导磁芯3974的导电环3972制成。转子磁极3960可以由通过导电性低于铁磁材料的界面彼此分开的铁磁材料层的叠层堆叠制成。磁通屏障3970各自具有平坦外表面，其平行于运动方向并且在转子磁极3960的磁极表面区域之间形成磁极间表面区域。磁极间表面区域和磁极表面区域限定转子3950的外表面(或端面)。每个芯3974形成外表面的被相应的环3972围绕的一部分。环3972可以由导电的低能积材料(诸如铜)制成。芯3974的材料比环3974的材料更具导磁性。芯3974的材料和转子磁极3960的铁磁材料可以是层堆叠的连续部分。磁通屏障3970的环3972是不重叠的并且在铁磁材料外部彼此电隔离。磁通屏障3970仅通过铁磁材料(如果有的话)彼此电连接。
图41和42示出了包括定子4110和转子4150的另一种示例性直线电机4100，其中定子4110和转子4150各自具有多个齿磁极，如上面关于图27所描述的，但是其中齿之间的导电材料形成环。转子4150相对于定子4110沿着运动方向可移动，并且与定子4110一起限定具有垂直于运动方向的宽度的标称间隙4440。
类似于图39至40的定子3910，定子4110限定一系列定子磁极4120，所述定子磁极沿着运动方向直线地定位并且通过导磁轭或背板4102直线地连接。每个定子磁极4120包括被相关联的电绕组4124围绕的定子芯4122。定子芯4122可以由铁磁材料层的堆叠制成，每一层沿着运动方向延伸。所述层通过导电率低于铁磁材料的界面彼此分开。定子芯4122可以是从轭4102突出的定子突起。定子突起在其间限定槽4130。与定子3910不同，定子磁极4120(或定子芯4122)至少在定子磁极4120的外表面处包括多个齿4122a，所述齿之间具有槽4122b。如上面所讨论的，在多个定子磁极齿4122a之间的槽4122b中形成磁通屏障。在所示配置中，每个定子磁极的两个左槽4122b中的材料形成围绕左定子齿4122a的环，而两个右槽中的材料形成围绕右定子齿4122a的第二环。在该配置中，两个环用于屏蔽通过外部的两个定子磁极齿的磁通穿透。替代地，填充齿间槽4122b中的每一者的导电材料可以各自通过在导电材料内建立的涡流的效应而充当单独的局部磁通量反射器(不与相邻槽的材料形成环)。作为另一替代，每个槽4122b本身可以包含屏蔽的磁极磁通屏障。
转子4150包括沿着运动方向直线定位的一系列转子磁极。每个转子磁极包括多个齿4160，其中磁通屏障4170在相邻齿4160之间的槽中。类似于图39的磁通屏障3970，每个磁通屏障4170可以是屏蔽磁极。每个磁通屏障4170由围绕相邻的转子磁极齿4160之间的导磁芯4174的导电环4172制成。环4172可以由导电的低能积材料制成。芯4174的芯材料比环4174的材料更具导磁性。芯4174的芯材料和转子磁极4160的铁磁材料可以是层堆叠的连续部分。磁通屏障4170的环4172是不重叠的并且在铁磁材料外部彼此电隔离。磁通屏障4170可以仅通过铁磁材料彼此连接。
带磁通屏障的电机的运行
磁通屏障在不同频率下对水平力的影响可能会有所不同。如图20所示，水平力可以开始在截止频率(例如，10hz)以上增大，并且在较低频率(例如，10hz)与较高频率(例如，105hz)之间的增大可以大于一个数量级。在较高频率下，磁通屏障可以表现出更强的抗磁属性，以将磁通量集中到转子磁极，这进而增加沿着运动方向的力分量。
有用力也可能会受到工作条件的影响。与处于不饱和条件相比，在饱和条件下和高频下，磁通屏障可以表现出更强的抗磁属性以将磁通量集中到转子磁极。当频率增加时，有用力可以保持增加。例如，在较高频率(例如，105hz)下，当驱动电流从10安培匝数(对应于不饱和工作条件)增加到200安培匝数(对应于饱和工作条件)时，水平力可以增加两个数量级。
如上所述，每个磁极的齿数也可能对有用力产生影响。每个磁极的齿数的增加可能导致力逐渐增加。然而，当间隙大小变大例如为1.0mm时，在每个磁极的齿数增加时，力可能减小。
对于具有磁通屏障的配置，每个磁极组都可以在脉冲dc或脉冲ac电流下运行。
所述运行利用高电感和低电阻磁通屏障，从而产生与磁场同相的高电抗。当磁场穿过初级线圈和磁阻齿时，磁场通过屏蔽齿反射并对磁场产生高阻抗。该系统只能在50％的占空比(例如，从未对准到对准)内通过交变磁信号进行运行。在整个占空比(例如，从对准到未对准)中持续可能导致转矩反向。
更高的电抗磁通屏障还可以实现更高的功率因数系统，与常规机器相比，所述系统可以更有效地产生转矩。高电抗、高阻抗磁通屏障设计可以在整个运行循环中基本上防止所有磁通量穿透磁通屏障。这样，电机可以在宽温度范围(例如，室温升高的温度)下受益于先前仅能在超导电机才经历的抗磁属性。与往往在临界温度以上退磁的永磁电机相比，这对温度也不太敏感。
上面描述的带磁通屏障的电机可以通过方波电流动态地驱动。如果它被动态地驱动，则可以以比等效正弦波相对更低的开关频率使用方波，以在磁通屏障中感应出较大的电抗，同时以相对较低频率(诸如50hz)产生脉冲。这部分是由于方波相对于正弦波的谐波值的比例很高。由于脉宽调制(pwm)开关所需的高频率，这还减少了功率电子设备所需的开关损耗。在此运行中，可以使用相对较薄(例如，0.127mm)的叠层来减少铁芯中的涡流损耗，并且可以在初级线圈中利用低规格(例如，0.2mm)或者甚至利兹绕组来减少芯绕组中的趋肤效应损耗。
上述电机还可以受益于线圈的更高绕组效率。绕组的典型槽填充率为给定的槽面积的30％至40％，而通过利用浇铸技术填充相邻磁极之间的槽中的磁通屏障，电机可以利用磁通屏障的几乎所有槽体积(例如85％至95％)。与典型的电机相比，这可以减少电机的初级绕组所需的总导线数量，这可以使得初级绕组能够使用较少的匝数。
如上所述，用抗磁通量材料填充槽提供了一种用于在电机的运行中集中磁通量的手段。具体地，当定子和转子被设置在未对准状态中时，大量内部电磁反射会阻止来自相对磁极表面的大部分磁传输。这种抗磁屏蔽允许磁场槽有效地推动转子，而电磁磁极的磁阻拉动转子。这种效应允许系统在每个循环产生更多能量，并且类似于永磁体在某些配置下可以产生的效应。
这种效应提供了优于永磁体的显著优势，所述永磁体可能会因高涡流而退磁。在检查永磁体的矫顽力的b-h曲线中可以看到这种效应。在上文描述的电机中，高电抗磁通屏障可以在相反方向上以无限的矫顽力接近永磁体。因此，磁通屏障可以反射所施加的磁场，以实现超出典型的永磁电机所能实现的磁场水平，这可以通过形成更大的反emf来提高转矩密度、功率密度和效率。此外，如前所述，永磁体在高温下会退磁，而磁通屏障可以由能够承受比典型的永磁体高100华氏度的温度的材料制成。
此外，在永磁体产生恒定磁场的情况下，抗磁磁通屏障以瞬变状态而动态地存在。这有效率和安全方面的优势，因为永磁电机可能导致凹坑转矩(denttorque)、齿槽转矩和制动转矩，由于无论是否对永磁电机通电都会产生emf，因此有时这有时会带来灾难性的后果。可以控制上述电机以使其长时间有效地空转，其中损耗仅来自轴承的阻力。
此外，与具有显著感性负载的产生连续电流的im不同，每个磁通屏障中的电流每个循环都被允许恢复接近零。电机的工作频率越高，在每个磁通屏障中维持反射所需的必要电流就越低。因为系统是电抗性的，所以能量在每个开关循环中弹性地恢复或被转化为转子的动能。
可以针对给定应用并且在运行期间动态地调谐抗磁磁通屏障槽填充。与空气不同，可以在给定位置的磁通势(mmf)振幅和mmf频率方面调谐系统的磁属性。这允许通过凭借改变电机的开关频率减弱或增强系统的磁通量属性来实现实时自适应。这可以改变初级线圈上的反emf，这可以允许电机实现比传统电机更宽的速度范围。传统电机具有基于固定凸极比的固定反emf，所述固定凸极比用于改变磁场幅度。电机除了改变电机运行的激活频率外还可以改变磁场幅度。
在较高速度下，电机可以充当电抗磁阻电机。在常规srm运行中，在定子和转子(或定子-转子齿)的未对准位置开始时施加峰值电压，并且电流迅速增加，直到定子和转子(或定子-转子齿)到达对准点为止。在该点处，施加反向电压，随后电流下降至零。在常规srm中的转子锁定(失速)条件下，电流是连续施加的而不是脉冲化的。在带磁通屏障的电机中，失速期间，电流通过有源线圈而脉冲化。一旦磁极开关频率超过电机加速期间磁通屏障的交叉频率，每个磁极就都可能被单个脉冲励磁。
示例性过程
本公开的实施方式提供了一种驱动电机的方法。电机可以是图1的电机102，并且所述方法可以由电机控制器(例如，图1的电机控制器104)执行。
在运行期间，电机控制器通过对一系列有源磁极的第一有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化，对第一有源磁极通电，第一有源磁极通过与沿着该系列有源磁极与无源磁性组件之间的气隙设置，所述无源磁性组件具有沿着气隙设置的一系列无源磁极。脉冲化的电流包括至少三个脉冲的序列，在所述序列期间，该系列有源磁极中的相邻的有源磁极的绕组不通电。对通过与第一有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化可能导致电流根据电流波形通过与第一有源磁极相关联的电绕组，其中在通过与第一有源磁极相关联的电绕组的电流的脉冲化期间，最大电流与最小电流之比至少为4:1、7:1或甚至10:1。
在一些情况下，与第一有源磁极相关联的电绕组包括并联导电连接并缠绕在公共芯上的多个线圈。电机控制器可以通过并联导电连接的多个线圈对电流进行脉冲化。
在一些示例中，电机控制器通过操作第一开关以在多个循环中在电压源与和第一有源磁极相关联的电绕组之间断开和闭合来对通过与第一有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化。第一开关可以与第一有源磁极相关联并且导电地耦合到第一有源磁极。第一开关可以是图2的开关134或图2a的功率开关200。
在第一有源磁极已经(通过多个电流脉冲)通电之后，电机控制器随后通过对通过与第二有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化来对该系列有源磁极中的第二有源磁极通电。第二有源磁极的脉冲电流也包括至少三个脉冲的序列，在所述序列期间，第一有源磁极的绕组不通电，从而导致电流根据电流波形流过与第二有源磁极相关联的电绕组。在电流波形中，在通过与第二有源磁极相关联的电绕组的电流脉冲化期间，最大电流与最小电流之比至少为4:1、7:1，或甚至10:1。
通过以2hz至1mhz之间、在一些情况下10hz至20khz之间并且在一些情况下100hz至5khz之间的脉冲频率对电流进行脉冲化而可以对第一有源磁极通电。对第一有源磁极通电并且随后对第二有源磁极通电可以在第一有源磁极与从第一有源磁极跨气隙的无源磁极之间产生第一力，并且在第二有源磁极与从第二有源磁极跨气隙的无源磁极之间产生第二力。第一力和第二力可以引起有源磁极与无源磁极之间的相对运动。相对运动可以包括无源磁性组件相对于有源磁极的运动。
在一些示例中，无源磁性组件是电机的转子，并且相对运动包括转子的旋转。电机控制器还可以检测转子速度并根据所检测的转子速度来控制脉冲化电流的频率(或脉冲频率)。电机控制器还可以在转子速度变化期间维持电流脉冲频率，直到每个有源磁极通电时的频率至少为脉冲频率的一半时的至少转子速度为止。仅在与每次磁极通电一个脉冲相对应的转子速度以下，可以对通过与第一磁极和第二磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化。
在对第二有源磁极通电之后，电机控制器可以通过对通过与该系列有源磁极中的第三有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化来对第三有源磁极通电，所述第三有源磁极设置在与第一有源磁极不同的第二有源磁极的相对侧上，所述脉冲化包括至少三个脉冲的序列，在所述序列期间，第一有源磁极和第二有源磁极的绕组不通电。在对第三有源磁极通电之后，电机控制器可以通过对通过与第一有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化来再次对第一有源磁极通电，随后通过对通过与第二有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化来再次对第二有源磁极通电，随后再次对第三有源磁极通电，以此类推。
如上所述，可以在无源磁性组件中实施磁通屏障。在一些示例中，对通过与第一有源磁极相关联的电绕组的电流进行脉冲化，从第一有源磁极跨气隙在无源磁极相邻的第一磁通屏障中产生涡流。磁通屏障的导电率高于跨气隙的无源磁极。无源磁性组件还可以包括第二磁通屏障，其中从第一有源磁极跨气隙的无源磁极被设置在第一磁通屏障与第二磁通屏障之间。第一磁通屏障和第二磁通屏障在无源磁极外部彼此电隔离。
在一些电机中，无源磁极由导磁材料层的堆叠形成。第一磁通屏障中的涡流用于排斥来自第一有源磁极的磁通量。在一些示例中，第一磁通屏障被设置在从第一有源磁极开始跨气隙的无源磁极与相邻的无源磁极之间，并且磁通屏障形成围绕芯材料的芯的导电材料的导电环，所述芯材料比导电材料更具导磁性。
在一些情况下，无源磁性组件还包括在该系列无源磁极中的相邻对无源磁极之间的磁通屏障，并且磁通屏障各自包括与形成无源磁极的材料不同的导电材料，并且限定围绕导磁芯材料的至少一个导电路径。磁通屏障在该系列无源磁极外部彼此电隔离。相邻的磁通屏障可以被布置成使得在一个磁通屏障的导电材料内限定的任何导电路径都不环绕在另一个磁通屏障的导电材料内限定的任何导电路径的任何部分。
在一些实施方式中，电机还包括磁通屏蔽，所述磁通屏蔽沿着每个有源磁极的相对边缘延伸并且由具有比被设置在磁通屏蔽之间的有源磁极的材料更大的导电率的材料形成。磁通屏蔽可以延伸到相邻的电绕组之间的间隙中。磁通屏蔽可以从气隙延伸到连接相邻的有源磁极的导磁轭。
示例性冷却和散热
电机在运行期间可以产生大量热量，并且尤其是在较高频率的运行期间需要冷却。有源冷却系统可以用于通过使流体冷却剂循环通过电机来提供对表面的间歇或连续冷却。冷却系统可以是如2018年5月23日提交的标题为“electricmotor”的待审专利申请s/n62/675,207中所述的冷却系统，待审专利申请的内容通过引用明确地并入本文，如同完整地陈述一样。
而且，如果降低工作温度，则对于给定的频率，磁通屏障的效率和功率会提高。典型的工作条件是-80℃至300℃。可以将冷却剂添加到电机系统中，以进一步抑制温度并增加磁通屏障的抗磁属性。
冷却剂可以是用于散热的任何常规流体。在工作条件下，冷却剂可以是1厘泊至500厘泊的范围内的低粘度流体，诸如水或电机油，以允许有高冷却效率和旋转动力学。冷却剂还可以对在运行期间产生的振动提供阻尼，以及为以较高速度产生的谐波提供恢复力。
有源冷却可以通过提供一种介质来吸收来自导线圈和机械接触表面的热量来实现更高的功率密度。有源润滑系统可以用于通过使流体润滑剂循环通过电机来提供对表面的间歇或连续润滑。例如，流体泵可以在机械上促使润滑剂经由流体管线从流体泵流动到电机，在这里润滑剂可以经由定向喷嘴排出，以向电机内的特定位置提供有源润滑和/或流体冷却。随后，流体可能会在重力作用下被收集在电机底部的油盘中，并经由回流流体管线流回泵以进行再循环。这样，电机转子总成可以在低温的非淹没环境中运行。另外，润滑剂的一部分可以通过热交换器以增加或去除润滑剂中的热量，以便调节润滑剂的温度和/或粘度以满足特定的应用需求。
冷却剂可以是用于散热的任何常规流体。在工作条件下，冷却剂可以是1厘泊至500厘泊的范围内的低粘度流体，诸如水或电机油，以允许有高冷却效率和旋转动力学。冷却剂还可以对在运行期间产生的振动提供阻尼，以及为以较高速度产生的谐波提供恢复力。
电机可以包括集油盘，以在重力作用下收集在电机总成内排出的冷却剂并将其引导至回流流体管线。
冷却剂系统可以具有流体泵，所述流体泵向冷却剂提供压力梯度，从而导致循环通过流体系统。这种泵可以是固定排量泵，诸如旋转泵，或者可变排量泵，诸如齿轮泵或活塞泵。泵可以运行地连接到机械动力源或电源，并且可以在电机运行期间连续或间歇地运行。湿式贮槽有源润滑系统可以具有可运行地连接到集油盘的单个流体泵，以使油循环通过流体管线并在冷却的系统内循环。在这种情况下，大部分供油都位于集油盘中。替代地，多个流体泵可以在干式贮槽有源冷却剂配置中运行，其中来自集油盘的流体被连续地泵入储罐中，所述储罐优选地相对于其截面积具有较大高度，而第二泵可以在单独的、受控的流量下将流体泵送回电机以完成冷却剂循环。
冷却剂系统可以具有一个或多个定向喷嘴以将冷却剂引导到电机总成内的特定位置，包括例如定子磁极。
其它实施例
可以控制上述电机中的任一者以从动能中产生电能(诸如用于使电机再生制动)。这可以通过改变励磁信号的时序使得定子电流在最小气隙的点(甚至稍微滞后于最小气隙的点)进行脉冲化以在扩展(expansion)期间产生正向势来实现。这样，即使电机不能通过施加到输出轴的转矩机械地反向驱动，也可以在将减速转矩施加到转子以使电机减速的同时产生电流并将其引导到相关联的电池中进行存储。
可以控制上述电机中的任一者以从动能中产生电能(诸如用于使电机再生制动)。这可以通过改变压缩波的时序来实现，使得定子电流在最小气隙的点(甚至稍微滞后于最小气隙的点)进行脉冲化，以在扩展期间产生正向势。这样，即使电机不能通过施加到输出轴的转矩机械地反向驱动，也可以在将减速转矩施加到转子以使电机减速的同时产生电流并将其引导到相关联的电池中进行存储。
尽管出于说明目的已经描述了多个示例，但是前述描述并非旨在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的范围限定。在所附权利要求的范围内，将存在并且将有其它示例和修改。
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