电动机/发电机和电动机驱动电路的制作方法

电动机/发电机和电动机驱动电路
1.本发明涉及用作电动机或发电机的设备，以及用于驱动电动机设备的电动机驱动电路(和相应的方法)。
2.种类繁多的磁电机/发电机设计在本领域中是已知的。虽然具体设计可能因应用而异，但基本设计通常基于使用一个或多个电磁体元件，该电磁体元件通过将导电线缠绕在非永久性可磁化极靴上以形成线圈而形成。极靴(通常是铁基的)可操作以将由流经线圈的电流产生的磁通量引导至电机的移动部件和固定部件(例如旋转机器中的转子和定子)之间的气隙。在气隙中产生的磁通量然后被设置在气隙相对侧的磁铁吸引或排斥。
3.本领域中的磁电机/发电机设计通常被假定为基于扭矩产生而操作，该扭矩产生是每个电磁体元件中的安培匝数和线圈长度的函数。因此，经典的旋转电机被构造为径向磁通或轴向磁通设计，包括一系列围绕电机旋转轴周向间隔开的电磁体单元。图1a
‑
b和图1c
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d分别显示了典型电磁体单元10、10'的示例。
4.每个电磁体单元10、10'包括具有纵向细长横截面轮廓的极靴20、20'和长度为l、l'的相应细长面向气隙的表面22、22'。导电线圈的几层匝数绕极靴20、20’缠绕以形成线圈绕组30、30'。面向气隙的表面22、22'在纵向方向上是细长的，以便最大化由每个电磁体单元产生的通量。
5.经典电机教科书教导了导电线的长度与气隙中产生的通量之间的关系。产生的力通常定义为线匝数x线匝长度x流过匝的电流。由于所产生的力取决于线匝的长度，因此传统电机的电磁体元件设计为在机器中放置尽可能多的最长长度的安培匝数。
6.本技术人已确定一种改进的电动机/发电机设计，其提供优于现有技术的增强的性能。
7.根据本发明的第一方面，提供一种用作电动机或发电机的装置，包括：第一部分；可相对于第一部分移动并与第一部分隔开一气隙的第二部分；以及设置在第一部分上的多个(例如横向)间隔开的电磁体元件，每个电磁体元件可操作以响应于电流的施加而在气隙中施加(例如产生)磁场；其中每个电磁体元件包括：(例如不可永久磁化的)极靴，该极靴包括：限定面积a1、周长p1、横向宽度w1和纵向长度l1(其中l1大于w1)的细长面向气隙的表面的外部部段；和横截面面积为a2、横截面周长为p2、横向宽度为w2、纵向长度为l2的线圈绕组部段；以及缠绕在极靴的线圈绕组部段上的导电线圈；其特征在于p2小于p1并且w2基本上等于l2。
8.以这种方式，提供了电动机/发电机设备，其中围绕线圈绕组部段的每匝线圈的长度相对于常规设计减小，同时在极靴内保持合适的磁通量产生水平。这是通过以下事实而实现的：每单位面积具有基本相等的纵向长度和横向宽度的形状(例如规则多边形或圆形)将具有比诸如矩形的细长形状更小的周长。有利地，对于线圈绕组部段的给定面积，通过减少线圈的长度，可以减少通过线圈的热损失以及线圈的质量和体积。该装置可用于其中能量在电能和动能之间转换并且反之亦然的任何应用，包括用作电动机、发电机或传感器/检测器换能器。
9.在一个实施例中，w2＝l2+/
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高达10％(例如w2＝l2+/
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高达5％)。
10.在一个实施例中，l2＝w2+/
‑
高达10％(例如l2＝w2+/
‑
高达5％)。
11.在一个实施例中，a2≥a1。以此方式，可以使用极靴外部部段的全部通量处理能力并且可以实现每移动距离的最大力效果。
12.在一个实施例中，a1基本上等于a2。
13.如本文所用，术语横向宽度和纵向长度是指区段的最大横向宽度和最大纵向长度。横向宽度被定义为连接多个横向隔开的电磁体元件的路径方向上的宽度，并且可以是圆周路径或线性路径，这取决于电动机/发电机的几何形状。纵向长度被定义为在垂直于细长面向气隙的表面的横向宽度的方向上的最大长度。
14.在一个实施例中，线圈绕组部段沿其长度具有基本恒定的横截面面积a2(例如沿其长度基本恒定的横截面轮廓)。
15.在一个实施例中，横截面积a2是线圈绕组部段的有效(例如平均)横截面积。
16.在一个实施例中，外部部段具有第一饱和水平s1(第一磁饱和水平)并且线圈绕组部段具有第二饱和水平s2(第二磁饱和水平)。
17.通常，s1≥s2和a2≥a1。
18.然而，在替代实施例中，s2大于s1。在这样的实施例中，a1可以大于a2。在这种布置中，线圈绕组部段的面积a2可以在一定范围内相对于a1减小而不会减少在气隙中产生的通量。
19.通常，第二部分支撑多个横向隔开的磁性区域(例如，多个横向隔开的永磁体)。在一个实施例中，磁性区域的数量等于或接近于电磁体元件的数量。在一个实施例中，磁性区域的数量与电磁体元件的数量相差+/
‑
2、3、4、6、8、9、10或12。
20.在一个实施例中，p2小于或等于p1的0.9倍(例如p2小于或等于p1的0.8倍，例如p2小于或等于p1的0.7倍，例如p2小于或等于p1的0.6倍，例如p2小于或等于p1的0.5倍)。
21.在一个实施例中，w2大于w1(例如w2≥1.5xw1，例如w2≥2xw1)。在一个实施例中，w2基本上等于w1。
22.在一个实施例中，w2在w1的1倍和10倍之间。
23.在一个实施例中，面向气隙的表面基本上是矩形的。
24.在一个实施例中，线圈绕组部段具有基本上方形的横截面轮廓(即w2＝l2)。
25.在一个实施例中，线圈绕组部段具有直径为d(即w2＝l2＝d)的基本上圆形的横截面(例如圆形或近圆形的椭圆形或基本上圆形的多边形横截面)。在一个实施例中，d大于w1。有利地，基本圆形的横截面提供可靠性的增加，因为圆形线圈绕组降低了在线圈上形成应力点/弱点的风险，从而降低了随之产生的热点的风险并降低了应力/摩擦引起的疲劳的风险。
26.在第一系列实施例中，第一部分可围绕旋转轴线相对于第二部分旋转。以这种方式，该设备可以被配置为在电能和旋转运动之间进行转换(以下称为“旋转机器”)，例如旋转电动机或旋转输入发电机。
27.在一实施例中，多个电磁体元件相对于旋转轴线周向间隔开。
28.在一个实施例中，该设备是轴向通量装置并且面向气隙的表面相对于旋转轴线径向延伸。
29.在一个实施例中，该设备是径向通量装置并且面向气隙的表面相对于旋转轴线轴
向延伸。
30.在第二系列实施例中，第一部分可操作以沿线性轴线相对于第二部分移动。以这种方式，该设备可以被配置为在电能和线性运动之间进行转换(以下称为“线性机器”)，例如线性电动机或线性输入发电机。
31.在一实施例中，多个电磁体元件相对于线性轴线轴向间隔开。
32.在一个实施例中，第一部分是可移动的(例如转子)部分并且第二部分是定子部分。
33.在一个实施例中，第一部分是定子部分而第二部分是可移动(例如转子)部分。
34.在旋转机器的情况下，设备的可移动部分(转子)可以具有基本上环形的轮廓。
35.在一个实施例中，相邻电磁体元件的线圈绕组部段纵向偏移以允许相邻电磁体元件的面向气隙的表面紧邻定位(例如，相邻电磁体元件的线圈绕组部段完全纵向偏移和部分横向重叠)。例如，在一个实施例中，第一组电磁体元件在其第一纵向端具有线圈绕组部段，而第二组电磁体元件在其第二纵向端具有线圈绕组部段。以此方式，显著大于w1的宽度w2对极靴间距的影响可以通过选择显著大于l2的l1来很大程度上抵消，从而允许构造具有每移动距离的最大力效应的电动机/发电机。通常，所需的大尺寸a2会将纵向偏移的电磁体元件组的数量限制为最多两组(即仅上半组和下半组)。
36.通常，极靴的线圈绕组部段限定了垂直于面向气隙的表面延伸的绕组轴线。例如，在具有大致圆形横截面的线圈绕组部段的情况下，绕组轴线将对应于大致圆形横截面的中心轴线。
37.在一个实施例中，线圈绕组部段的横截面被配置为形成基本上圆形的绕组轮廓(例如圆形横截面或基本上圆形的多边形轮廓)。
38.在一个实施例中，极靴包括另一外部部段，该外部部段限定了如先前限定的另一细长面向气隙的表面，该另一外部部段设置在极靴的与第一限定的外部部段相对的端部处。在一个实施例中，该另一细长面向气隙的表面与第一限定的细长面向气隙的表面相对。以这种方式，提供了一种双面(“无轭”)布置，可提供高效的电动机/发电机性能，同时避免需要用作磁返回路径的背铁(如单侧布置中所需要的)。
39.在一个实施例中，第二部分包括面向第一限定的外部部段的第一部段和面向另一外部部段的第二部段(例如双转子磁体布置)。通常，第一部段支撑第一多个横向隔开的磁性区域并且第二部段支撑第二多个横向隔开的磁性区域。
40.在一个实施例中，外部部段和/或另一外部部段具有锥形轴向轮廓。在一个实施例中，随着距线圈绕组部段的纵向距离的增加，锥形轴向轮廓在绕组轴线的方向上的厚度减小。以此方式，极靴的外部部段不需要比在面向气隙的表面的整个长度上传输所需通量所必需的更大或更重。
41.在一个实施例中，外部部段和/或另一外部部段在绕组轴线的方向上具有最大厚度，该厚度被配置为确保线圈和气隙之间的足够分离，以便屏蔽线圈免受在气隙中的磁场感应的涡流的影响。
42.在一个实施例中，该装置还包括电流控制电路，该电流控制电路可操作以控制对导电线圈的电流供应。
43.在一个实施例中，导电线圈以少于5层匝数(例如1或2层匝数)缠绕在线圈绕组部
段周围。
44.在一个实施例中，每个电磁体元件的导电线圈通过与流过导电线圈的流体直接接触而被流体冷却。
45.在一个实施例中，每个电磁体元件的导电线圈直接连接到本地安装的控制电路，该控制电路控制流过导电线圈的电流的电平和时序。
46.在一个实施例中，每个本地安装的控制电路感测第一部分相对于第二部分的相对位置并且操作以(例如独立地)确定在它的控制之下将被输送到导电线圈的电流的最佳时间和幅度。
47.在一个实施例中，每个本地安装的控制电路都配备有双通信通道，用于：a)接收力(例如扭矩)和/或速度需求信息；和b)用于将其状态传达给远程控制系统。
48.在一个实施例中，每个本地安装的控制电路从两个独立的电源接收电力。
49.在一个实施例中，其中来自两个独立源的电力被传送到交替的控制电路。
50.在一个实施例中，多个电磁体元件被分成多个相组，其中每个相组在与其他相组不同的时间接收电流(例如，从本地安装的控制电路)。
51.在一个实施例中，该装置是电动车辆电动机(例如电动车辆推进电动机)、电动飞机电动机(例如电动飞机推进电动机)或电动船只电动机(例如电动船只推进电动机)。
52.根据本发明的第二方面，提供一种用作电动机或发电机的设备，包括：第一部分；可相对于第一部分移动并与第一部分隔开一气隙的第二部分；以及设置在第一部分上的多个(例如横向)间隔开的电磁体元件，每个电磁体元件可操作以响应于电流的施加而在气隙中施加(例如产生)磁场；其中每个电磁体元件包括：(例如非永久可磁化的)极靴，该极靴包括：外部部段，其限定面积a1、周长p1、横向宽度w1和纵向长度l1的细长面向气隙的表面，其中l1大于w1；和横截面积为a2和横截面周长为p2的线圈绕组部段；以及围绕极靴的线圈绕组部段缠绕的导电线圈；其特征在于，线圈绕组部段具有直径为d的基本上圆形的横截面。
53.以这种方式，电动机/发电机设备设置有被配置为形成基本圆形的绕组轮廓的线圈绕组部段。有利地，圆形绕组轮廓提供了可靠性的增加，因为圆形线圈绕组降低了在线圈上形成应力点/弱点的风险，从而降低了随之产生的热点的风险，并降低了由于线圈的反复膨胀和收缩而引起的应力/摩擦诱发疲劳的风险。该设备可用于其中能量在电能和动能之间转换并且反之亦然的任何应用，包括用作电动机、发电机或传感器/检测器换能器。
54.在一个实施例中，p2小于p1。以此方式，如上所述，可以最小化线的长度。
55.在一个实施例中，a2≥a1。
56.在一个实施例中，a1基本上等于a2。
57.如本文所用，术语横向宽度和纵向长度是指区段的最大横向宽度和最大纵向长度。横向宽度被定义为连接多个横向隔开的电磁体元件的路径方向上的宽度，并且可以是圆周路径或线性路径，这取决于电动机/发电机的几何形状。纵向长度被定义为在垂直于细长面向气隙的表面的横向宽度的方向上的最大长度。
58.在一个实施例中，线圈绕组部段沿其长度具有基本恒定的横截面面积a2(例如沿其长度基本恒定的横截面轮廓)。
59.在一个实施例中，横截面积a2是线圈绕组部段的有效(例如平均)横截面积。
60.在一个实施例中，外部部段具有第一饱和水平s1(第一磁饱和水平)并且线圈绕组
部段具有第二饱和水平s2(第二磁饱和水平)。
61.通常，s1≥s2和a2≥a1。
62.然而，在替代实施例中，s2大于s1。在这样的实施例中，a1可以大于a2。在这种布置中，线圈绕组部段的面积a2可以在一定范围内相对于a1减小而不会减少在气隙中产生的通量。
63.通常，第二部分支撑多个横向隔开的磁性区域(例如，多个横向隔开的永磁体)。在一个实施例中，磁性区域的数量等于或接近于电磁体元件的数量。在一个实施例中，磁性区域的数量与电磁体元件的数量相差+/
‑
2、3、4、6、8、9、10或12。
64.在一个实施例中，p2小于或等于p1的0.9倍(例如p2小于或等于p1的0.8倍，例如p2小于或等于p1的0.7倍，例如p2小于或等于p1的0.6倍，例如p2小于或等于p1的0.5倍)。
65.在一个实施例中，d基本上等于w1。
66.在一个实施例中，d大于w1(例如d≥1.5xw1，例如d≥2xw1)。
67.在一个实施例中，d在w1的1倍和10倍之间。
68.在一个实施例中，面向气隙的表面基本上是矩形的。
69.在第一系列实施例中，第一部分可围绕旋转轴线相对于第二部分旋转。以这种方式，该设备可以被配置为在电能和旋转运动之间进行转换(以下称为“旋转机器”)，例如旋转电动机或旋转输入发电机。
70.在一实施例中，多个电磁体元件相对于旋转轴线周向间隔开。
71.在一个实施例中，该设备是轴向通量装置并且面向气隙的表面相对于旋转轴线径向延伸。
72.在一个实施例中，该设备是径向通量装置并且面向气隙的表面相对于旋转轴线轴向延伸。
73.在第二系列实施例中，第一部分可操作以沿线性轴线相对于第二部分移动。以这种方式，该设备可以被配置为在电能和线性运动(以下称为“线性机器”)之间进行转换，例如线性电动机或线性输入发电机。
74.在一实施例中，多个电磁体元件相对于线性轴线轴向间隔开。
75.在一个实施例中，第一部分是可移动的(例如转子)部分并且第二部分是定子部分。
76.在一个实施例中，第一部分是定子部分而第二部分是可移动(例如转子)部分。
77.在旋转机器的情况下，设备的可移动部分(转子)可以具有基本上环形的轮廓。
78.在一个实施例中，相邻电磁体元件的线圈绕组部段纵向偏移以允许相邻电磁体元件的面向气隙的表面紧邻定位(例如，相邻电磁体元件的线圈绕组部段完全纵向偏移和部分横向重叠)。例如，在一个实施例中，第一组电磁体元件在其第一纵向端具有线圈绕组部段，而第二组电磁体元件在其第二纵向端具有线圈绕组部段。
79.通常，极靴的线圈绕组部段限定垂直于面向气隙的表面延伸的绕组轴线。例如，在具有大致圆形横截面的线圈绕组部段的情况下，绕组轴线将对应于大致圆形横截面的中心轴线。
80.在一个实施例中，极靴包括另一外部部段，该另一外部部段限定了如先前限定的另一细长面向气隙的表面，该另一外部部段设置在极靴的与第一限定的外部部段相对的端
部处。在一个实施例中，另一细长面向气隙的表面与第一限定的细长面向气隙的表面相对。以这种方式，提供了一种双面布置，其提供了高效的电动机/发电机性能，同时避免了对充当磁返回路径的背铁的需要(如在单面布置中所需要的)。
81.在一个实施例中，第二部分包括面向第一限定外部部段的第一部段和面向另一外部部段的第二部段(例如双转子磁体布置)。通常，第一部段支撑第一多个横向隔开的磁性区域并且第二部段支撑第二多个横向隔开的磁性区域。
82.在一个实施例中，外部部段和/或另一外部部段具有锥形轴向轮廓。在一个实施例中，随着距线圈绕组部段的纵向距离的增加，锥形轴向轮廓在绕组轴线的方向上的厚度减小。
83.在一个实施例中，该设备还包括电流控制电路，该电流控制电路可操作以控制对导电线圈的电流供应。
84.在一个实施例中，导电线圈以少于5层匝数(例如1或2层匝数)缠绕在线圈绕组部段周围。
85.在一个实施例中，每个电磁体元件的导电线圈通过与流过导电线圈的流体直接接触而被流体冷却。
86.在一个实施例中，每个电磁体元件的导电线圈直接连接到本地安装的控制电路，该控制电路控制流过导电线圈的电流水平和时间。
87.在一个实施例中，每个本地安装的控制电路感测第一部分相对于第二部分的相对位置并且操作以(例如独立地)确定在它的控制之下将被输送到导电线圈的电流的最佳时间和幅度。
88.在一个实施例中，每个本地安装的控制电路都配备有双通信通道，用于：a)接收力(例如扭矩)和/或速度需求信息；以及b)用于将其状态传达给远程控制系统。
89.在一个实施例中，每个本地安装的控制电路从两个独立的电源接收电力。
90.在一个实施例中，其中来自两个独立源的电力被传送到交替的控制电路。
91.在一个实施例中，多个电磁体元件被分成多个相组，其中每个相组在与其他相组不同的时间接收电流(例如，来自本地安装的控制电路)。
92.在一个实施例中，该设备是电动车辆电动机(例如电动车辆推进电动机)、电动飞机电动机(例如电动飞机推进电动机)或电动船只电动机(例如电动船只推进电动机)。
93.根据本发明的第三方面，提供一种电动机驱动电路，包括：第一和第二直流串联电源；连接到第一电源的正极侧的正电源轨、连接到第二电源的负极侧的负电源轨以及连接在第一和第二电源之间的共轨；多个相位电路，每个相位电路包括：串联连接在正电源轨和负电源轨之间的第一开关和第二开关；和连接至开关之间的中间点和连接至共轨的电动机的相位元件；以及控制电路，其配置为周期运行以施加导致第一和第二开关打开或关闭的信号，其中：在全功能模式中，在每个周期期间，第一开关闭合并随后打开，然后第二开关闭合并随后打开；并且在部分功能模式中，在每个周期中，第一开关或第二开关中的一个然后闭合并随后打开，而第一开关或第二开关中的另一个保持打开。
94.以这种方式，提供了一个电动机驱动电路，在全功能模式下，在每个周期中，电动机驱动电路使电流流过相位元件，首先在一个方向上然后在相反的方向上，使连接到驱动电路的电动机使用交流电源以完整周期被驱动。如果其中一个开关或电源出现故障，则电
动机仍可在半个周期内以部分功能模式(例如降级模式)驱动，电流仅在一个方向上在一个周期的一半时间内传输。这意味着电动机将以降低的功率和不均匀的扭矩运行，但不会失去驱动力。
95.在一个实施例中，相位元件是磁电机的相位线圈。
96.在典型实施例中，多个相位电路包括两个或更多个相位电路(例如三个或更多个相位电路)。
97.根据本发明的第四方面，提供一种电动机系统，包括：电动机；以及根据本发明第二方面的电动机驱动电路。
98.在一个实施例中，电动机是磁电机。
99.在一个实施例中，电动机是电动车辆电动机(例如电动车辆推进电动机)、电动飞机电动机(例如电动飞机推进电动机)或电动船只电动机(例如电动船只推进电动机)。
100.在一个实施例中，电动机是根据本发明的第一或第二方面的电动机。
101.根据本发明的第五方面，提供了一种操作驱动电路以通过将驱动电流周期地施加到电动机的相位元件来将驱动电流施加到电动机的方法，其中：在全功能模式中，在每个周期，驱动电路的一个相位电路：闭合第一开关，将相位元件连接到第一电源，使电流沿第一方向在相位元件中流动；打开第一开关；然后闭合第二开关，将相位元件连接到第二电源，使电流沿第二方向在相位元件中流动；并且在部分功能模式下，在每个周期中，驱动电路的相位电路：闭合第一开关，将相位元件连接到第一电源，使电流沿第一方向在相位元件中流动；并打开第一开关；并且保持第二开关打开直到周期完成，由此没有电流在第二方向上提供给相位元件。
102.驱动电路通常包括多个相位电路，每个相位电路在相对于其他相位电路的周期在时间上移位的相应周期中操作。在这样的实施例中，每个相位电路可以独立于其他相位电路以全功能模式或部分功能模式操作。
103.在一个实施例中，相位元件是磁电机的相位线圈。
104.在一个实施例中，电动机是电动车辆电动机(例如电动车辆推进电动机)、电动飞机电动机(例如电动飞机推进电动机)或电动船只电动机(例如电动船只推进电动机)。
105.在一个实施例中，电动机是根据本发明第一方面的电动机。
106.现在将参考附图通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：
107.图1a示出了根据现有技术的第一电磁体元件设计的示意性端视图；
108.图1b示出了图1a的电磁体元件的示意性横截面侧视图；
109.图1c示出了根据现有技术的第二电磁体元件设计的示意性端视图；
110.图1d示出了图1c的电磁体元件的示意性横截面侧视图；
111.图2a是根据本发明第一实施例的轴向磁通电动机/发电机的示意性横截面侧视图；
112.图2b是构成图2a的电动机/发电机的一部分的电磁体元件阵列的电磁体元件的示意性横截面侧视图；
113.图2c是图2b的电磁体元件的示意性端视图；
114.图2d是构成图2a的电动机/发电机的一部分的电磁体元件阵列的示意性透视图；
115.图2e是图2d的电磁体元件阵列的一部分的示意性端视图；
116.图2f是根据本发明第二实施例的电磁体元件替代阵列的一部分的示意性端视图。
117.图3是根据本发明又一实施例的轴向通量电动机/发电机的示意性横截面侧视图；和
118.图4是根据本发明另一实施例的电动机驱动电路的示意图。
119.图2a示出了轴向通量旋转电动机/发电机设备100，其包括定子110和被布置成围绕旋转轴线“r”旋转的转子130。
120.定子110包括n个周向隔开的电磁体元件120的环形阵列。转子130包括p个周向隔开的永磁体140a、140b的第一和第二阵列(其中通常n＝p+/
‑
2、3、4、6、8、9、10或12)，第一和第二阵列安装在由内部环形连接管134连接的第一和第二环形背铁板132a、132b上。转子130被配置为通过轴承150a、150b围绕旋转轴线相对于定子110旋转并且与定子110隔开相对于旋转轴线“r”轴向延伸的“活动”气隙160a、160b。
121.每个电磁体元件120可操作以响应于电流的施加而产生磁场并且包括非永久性可磁化极靴122，该极靴122包括：一对轴向相对的外部部段124a、124b，每个外部部段限定细长的基本上矩形的相对于旋转轴线径向延伸的面向气隙的表面125a、125b；中心线圈绕组部段126，其限定了垂直于面向气隙的表面125a、125b延伸的绕组轴线“a”；以及导电线圈128，其围绕极靴122的线圈绕组部段126缠绕以形成基本圆形的绕组轮廓。通常，导电线圈以少于5层匝数(例如，1或2层匝数)缠绕在线圈绕组部段周围。
122.外部部段124a、124b各自具有面积a1、周长p1、横向宽度w1和纵向长度l1，其中l1大于w1。相比之下，线圈绕组部段126具有面积a2、横截面周长/周长p2和直径d(对应于最大横向宽度w2和最大纵向长度l2)的基本上圆形的横截面，其中d大于w1，且p2小于p1。在此示例中，p2小于或等于p1的0.5倍。
123.极靴122可以通过一种或多种粉化铁基材料的高压/高温烧结形成。
124.在一个实施例中，外部部段124a、124b和线圈绕组部段126由具有基本相等的磁饱和水平的材料(例如相同的材料)形成，因此选择d使得a1＝a2。这样，相对于面向气隙的表面的周长p1减小的线圈绕组部段的周长p2不应减少气隙中的电磁体产生的通量。
125.在另一个实施例中，外部部段124a、124b具有第一饱和水平s1并且线圈绕组部段126具有第二饱和水平s2，其中s2大于s1。例如，钴钢的饱和度约为2.5特斯拉，而硅钢的饱和度约为1.8特斯拉。在这种情况下，a1可以大于a2，允许线圈绕组部段a2的面积在一个取值范围(该范围取决于s2和s1的相对值)内相对于a1减少，而不减少气隙中产生的通量。
126.如图2e所示，相邻电磁体元件120的线圈绕组部段126纵向偏移以允许相邻电磁体元件的面向气隙的表面紧邻定位。这在该示例中通过以交替的纵向取向布置电磁体元件来实现，使得线圈绕组部段在径向最外位置和径向最内位置之间的位置交替。这样，相邻电磁体元件126的线圈绕组部段126完全纵向偏移并且部分横向重叠。
127.图2f示出了适用于较小直径旋转机器的替代布置，其中相邻电磁体元件120的线圈绕组部段126定位成使得它们纵向对齐。
128.外部部段124a、124b均具有锥形轴向轮廓，由此外部部段在绕组轴线“a”的方向上的厚度随着距线圈绕组部分126的纵向距离的增加而减小。
129.有利地，电磁体元件120的几何形状导致这样一种布置，其中围绕线圈绕组部段126的每匝线圈的长度相对于常规设计减小，同时在极靴122内保持适当水平的磁通量产
生。这由于对于每单位面积而言具有基本相等的纵向长度和横向宽度的形状(在该示例中为圆形)将具有比面向气隙的表面125a、125b的细长矩形形状更小的周长这一事实而实现。有利地，对于线圈绕组部段的给定面积，通过减少线圈的长度，可以减少通过线圈(其取决于导线长度)的热损失以及线圈的质量和体积。
130.此外，电磁体元件120的几何形状还允许导电线圈128通过与流过线圈的流体直接接触而被流体冷却(例如空气冷却)。在一个实施例中，该设备被配置为提供从内径进入并从外径离开的冷却流体流动路径，以便在线圈表面上产生高度湍流特性。每个线圈与其相邻线圈纵向移位的事实使得流体能够在相邻线圈之间流动。由于线圈的形式为圆形，每个线圈与其相邻线圈的邻近区域局部较小，因此与传统机器相比，线圈间电击穿的风险可显著降低。由于每个线圈都可以完全暴露在冷却剂中，因此这种布置允许最大的接触面积以进行散热。
131.在一个实施例中，每个电磁体元件120的导电线圈128直接连接到本地安装的控制电路(未示出)，该控制电路控制流过导电线圈的电流的大小和电流的定时。
132.在使用中，多个电磁体元件120被分成多个相组，其中每个相组在与其他相组不同的时间接收电流(例如，从本地安装的控制电路)。
133.通过使用圆形形式的线圈并将线圈移出直接的活动气隙区域，本发明的布置能够显著减少热量，从而提高效率和功率以及力/扭矩密度。
134.有利地，基本圆形线圈的使用确保在线材上的均匀应力，从而避免与非圆形形式相关联的问题，例如矩形形式，其中角在缠绕期间在导线上施加显著的局部应力。这种应力导致铜部段局部变薄，从而增加局部电阻和热点风险。鉴于在其工作寿命期间，电动机绕组可能会随着导线加热并在激活后随后冷却而被驱动通过大量膨胀/收缩周期，应力/摩擦疲劳是一个主要问题。因此，圆形绕组有望显著降低因疲劳而导致的故障风险。此外，局部应力会拉伸导线外表面上的绝缘层，因此更有可能导致绝缘层击穿。使用圆形线圈还意味着可以使用高速绕线机轻松缠绕线圈，从而实现非常低的制造成本。
135.线圈损坏的风险也很低，因为与具有锋利边缘的层压系统不同，层压系统需要在线圈和层压堆叠之间使用坚固的衬里材料。由于坚固的衬里材料是重要的热绝缘体，因此这会显著降低散热能力。
136.线圈长度(以及因此由线圈产生的热量)的减少，以及可接近的直接线圈冷却区域的显着增加，故意设计的流动路径在线圈表面引起湍流，由一组内部线圈组和一组外部线圈组产生的高填料密度，使图2a的机器设计具有成为非常高性能、非常高可靠性设计的潜力。
137.图3示出了基于图2a的轴向通量旋转电动机/发电机设备100的轴向通量旋转电动机/发电机设备100'(为了便于参考，共同的特征被相应地标记)。电动机/发电机设备100'与电动机/发电机设备100的不同之处在于转子130'具有径向外部而不是内部环形连接管134'，允许更容易地放置本地安装的控制电路170和每个本地安装的控制电路170之间的简单电连接及其相应的电磁体元件120'。
138.在一个实施例中，每个本地安装的控制电路170感测第一部分相对于第二部分的相对位置并且可操作以(例如独立地)确定在它的控制之下将被输送到导电线圈的电流的最佳时间和幅度。
139.在一个实施例中，每个本地安装的控制电路170配备有双通信通道，用于：a)接收力(例如扭矩)和/或速度需求信息；b)用于将其状态传达给远程控制系统。
140.在一个实施例中，每个本地安装的控制电路170从两个独立的电源接收电力。在一个实施例中，其中来自两个独立源的电力被传送到交替的控制电路。
141.图4示出了在作为电动机操作时用于驱动装置100、100'的电动机驱动电路200。电动机驱动电路200包括第一直流电源210和第二直流电源212。第一和第二直流电源210、212串联连接。第一电源210的正输出连接到正电源轨216，而第二电源212的负输出连接到负电源轨218。公共电源轨220连接到第一和第二电源210、212之间的点。
142.驱动电路包括多个相位电路，图中示出了分别为222'、222”两个相位电路。每个驱动电路包括第一开关224'、224”和第二开关226'、226”。在该示例中，开关是由图中未示出的控制输入控制的固态开关。信号可以独立于其他开关施加到每个开关224'、224”、226'、226”的控制输入，以选择性地使开关闭合，从而在开关的电源端子之间创建导电路径或断开从而将开关的电源端子彼此隔离。在每个相位电路内，开关224、226串联连接，第一开关224'、224”具有连接到正电源轨216的电源端子，而第二开关具有连接到负电源轨218的电源端子。未连接到电源轨216、218的电源端子在公共点228处互连。
143.每个驱动电路被设置为向电动机(未示出)的相应相位线圈230'、230”供电。每个相位线圈230'、230”连接在相位电路222'、222”之一的公共点228和公共电源轨220之间。
144.控制系统240被配置为将输入信号施加到开关的控制输入以使得开关闭合或打开。控制系统240按周期运行，其中施加到一个相位电路222'的信号周期比施加到每一其他相位电路222'的周期超前或滞后由被驱动的电动机的配置确定的量。
145.在正常操作中，假设每个周期开始于两个开关224'、226'打开。第一开关224'闭合，导致来自第一电源210的电流沿第一方向(箭头a)在相位线圈230'中流动。当电动机旋转时，其线圈和极靴的相对位置会发生变化，直到如果电动机要继续产生输出扭矩，相位线圈230'中的电流必须反转。此时，第一开关224'打开而第二开关226'闭合，导致来自第二电源212的电流以相反方向(箭头b)流入相位线圈230'。请注意，第一和第二开关224'、226'绝不能同时闭合，因为这会导致电源210、212短路。
146.如果电源210、212或开关224'、226'中的任一个出现故障，则不涉及故障部件的操作周期部分将在仅一个方向且仅在周期的一半期间继续向相位线圈230'供电。虽然这会导致性能下降，但它可以确保电动机仍然通电，因此不会完全失去驱动力。有利地，本发明的电动机驱动电路200为需要大量开关并且依赖于单点电源的4个开关的经典“h”桥提供了可行的替代方案。
147.设备100、100'和电动机驱动电路200可用于多种应用，包括但不限于高功率、高可靠性应用，例如电动车辆推进电动机、电动飞机推进电动机和电动船只推进电动机。低疲劳电动机100、100'和故障安全电动机驱动电路200的使用可特别适用于可靠性至关重要的电动飞机电动机应用(例如，用于驱动电动飞机的螺旋桨或升力转子)。