电动机及其控制方法与流程

电动机及其控制方法
1.相关申请
2.本技术要求优先于2020年4月25日提交的、标题为“电动机及其控制方法”的美国临时申请no.63/015,566的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本文公开的实施方案涉及电动机和控制电动机的方法，更具体地说，涉及电动机和控制电动机的方法。


背景技术：

4.各种类型的电子机械都有包括永磁体的电动机。电动机通常用于加热、通风和空调(hvac)系统、泵和家用电器等应用中。这种永磁电机通常包括定子和转子。该转子通常包括环形转子芯和多个安装在转子芯周围的表面磁体。
5.采用永磁体的传统电机的实现受到当前对磁性理解的限制。拓宽对磁性的理论理解可为使用永磁体的电机提供新的和改进的实现。随着全球减少人类环境足迹、提高自主性和灵活性的倡议，对性能更高、效率更高、用途更广的电机的需求正在扩大。一个例子可是各种运输工具的电气化和各种操作的数字化。
6.因此，需要新型电动机和控制电动机的方法。


技术实现要素：

7.根据广泛的方面，本文描述一种电动机。电动机包括：移动部件，具有至少一个与其耦合的永磁体，每个永磁体具有具有表面积的外表面；和与所述移动部件隔开的定子，所述定子具有至少一个定位为与所述至少一个永磁体相对的定子极。每个定子极包括铁磁芯和缠绕在所述铁磁芯周围的线圈，所述铁磁芯被自然地吸引到所述至少一个永磁体。电动机还包括磁性位置控制系统，被配置为监控所述移动部件上的至少一个永磁体相对于所述定子的位置；和响应于所述至少一个永磁体的位置，可控制地向每个至少一个定子极的线圈传递电脉冲，以在所述铁磁芯上产生排斥磁通，从而抵消所述铁磁芯和所述至少一个永磁体之间的吸引力，以控制所述移动部件的移动。每个永磁体外表面的表面积之差小于10％。两个相邻定子极的中心线之间的最大距离是所述永磁体中一个的宽度的两倍。所述移动部件的每个永磁体的外表面具有相同的极性。
8.根据广泛的方面，本文描述一种电动机。电动机包括：转子，具有至少一个与其耦合的永磁体，每个永磁体具有具有表面积的外表面；轴，与所述转子固定耦合，使得所述转子的旋转使所述轴旋转；和所述定子具有至少一个定位为与所述至少一个永磁体相对的定子极，每个定子极包括铁磁芯和缠绕在所述铁磁芯周围的线圈，所述铁磁芯被自然地吸引到所述至少一个永磁体。电动机还包括磁性位置控制系统，被配置为监控所述转子上的至少一个永磁体相对于所述定子的位置；和响应于所述至少一个永磁体的位置，可控制地向每个至少一个定子极的线圈传递电脉冲，以在所述铁磁芯上产生排斥磁通，从而抵消所述
铁磁芯和所述至少一个永磁体之间的吸引力，以控制所述移动部件的移动。每个永磁体外表面的表面积之差小于10％。两个相邻定子极的中心线之间的最大距离是所述永磁体中一个的宽度的两倍。所述移动部件的每个永磁体的外表面具有相同的极性。
9.在至少一个实施方案中，每个永磁体外表面的表面积之差小于5％。
10.在至少一个实施方案中，每个永磁体外表面的表面积之差小于3％。
11.在至少一个实施方案中，任何一个永磁体的外表面的表面积与任何一个定子极的外表面的表面积之差小于10％。
12.在至少一个实施方案中，任何一个永磁体的外表面的表面积与任何一个定子极的外表面的表面积之差小于5％。
13.在至少一个实施方案中，任何一个永磁体的外表面的表面积与任何一个定子极的外表面的表面积之差小于3％。
14.在至少一个实施方案中，每个永磁体都是圆柱形的。
15.在至少一个实施方案中，每个永磁体都是棱柱形的。
16.在至少一个实施方案中，通过向所述至少一个定子极传送调制的电脉冲来控制所述电机，并提供所述电机以在各种操作模式下操作，所述磁性位置控制系统基于所述至少一个永磁体的磁通量监控和管理所述至少一个永磁体的相对位置。
17.在至少一个实施方案中，所述定子的每个铁磁芯与所述转子的每个永磁体径向和/或轴向间隔间隙。
18.在至少一个实施方案中，所述电机包括一个定子极和一个永磁体。
19.在至少一个实施方案中，所述电机包括两个或多个永磁体。
20.在至少一个实施方案中，所述电机包括两个或多个定子极。
21.在至少一个实施方案中，所述电机包括1至100范围内的多个定子极。
22.在至少一个实施方案中，所述电机包括10至75范围内的多个定子极。
23.在至少一个实施方案中，所述电机包括15至50范围内的多个定子极。
24.在至少一个实施方案中，所述电机包括15至30范围内的多个定子极。
25.在至少一个实施方案中，所述电机包括16至20范围内的多个定子极。
26.在至少一个实施方案中，所述电机包括每个转子组1至100范围内的多个定子极。
27.在至少一个实施方案中，所述电机包括每个转子组10至75范围内的多个定子极。
28.在至少一个实施方案中，所述电机包括每个转子组15至50范围内的多个定子极。
29.在至少一个实施方案中，所述电机包括每个转子组15至30范围内的多个定子极。
30.在至少一个实施方案中，所述电机包括每个转子组16至20范围内的多个定子极。
31.在至少一个实施方案中，所述定子极通常在所述定子周围等距分布。
32.在至少一个实施方案中，所述定子极通常在轴向上等距分布，并与所述移动部件平行。
33.在至少一个实施方案中，所述电机包括：两个或多个定子极，在一个或多个电路中并联、串联、或并联与串联的混合，在一起通电时，以一组或多组相同极性排列在所述转子周围。
34.在至少一个实施方案中，所述定子极通常在所述定子周围彼此等距分布。
35.在至少一个实施方案中，所述移动部件的直径或长度在1英寸到200英寸之间。
36.在至少一个实施方案中，所述移动部件的直径或长度在1英寸到60英寸之间。
37.在至少一个实施方案中，所述移动部件的直径或长度在6英寸到36英寸之间。
38.在至少一个实施方案中，所述转子的直径在1英寸到200英寸之间。
39.在至少一个实施方案中，所述转子的直径在1英寸到60英寸之间。
40.在至少一个实施方案中，所述转子的直径在6英寸到36英寸之间。
41.在至少一个实施方案中，所述电机的最大转速约为1至100,000转/分钟(rpm)。
42.在至少一个实施方案中，所述电机的最大转速约为1至50,000转/分钟(rpm)。
43.在至少一个实施方案中，所述电机的最大转速约为1至30,000转/分钟(rpm)。
44.在至少一个实施方案中，所述永磁体由钕或任何其他磁性合金制成。
45.在至少一个实施方案中，铁磁芯由铁磁性金属制成，如叠层硅铁、软铁等。
46.在至少一个实施方案中，一个或多个电脉冲在整个转子转动的一部分时间内施加。
47.在至少一个实施方案中，所述电脉冲的功率输入范围等于或小于一部分时间旋转的fmd能量。
48.在至少一个实施方案中，所述磁性位置控制系统被配置为可控制地向所述至少一个定子极的线圈传递电脉冲，以在所述铁磁芯上产生排斥磁通，从而在所述至少一个定子极与所述永磁体对准时，抵消和/或排斥所述铁磁芯与所述永磁体之间的吸引力来旋转所述转子。
49.在至少一个实施方案中，所述磁性位置控制系统被配置为停止可控制地向所述至少一个定子极的线圈传递调制的电脉冲，以在所述铁磁芯上产生排斥磁通，从而在所述至少一个定子极位于转子到极对准点之间约3到约20度的位置时，抵消和/或排斥所述铁磁芯与所述永磁体之间的吸引力来旋转所述转子。
50.在至少一个实施方案中，所述磁性位置控制系统进一步被配置为响应于至少一个永磁体的位置，可控制地向每个至少一个定子极的线圈传递电脉冲，以在所述铁磁芯上产生排斥磁通，从而在所述铁磁芯和所述永磁体中的一个之间产生排斥力。
51.在至少一个实施方案中，所述磁性位置控制系统进一步被配置为响应于至少一个永磁体的位置，可控制地向每个至少一个定子极的线圈传递电脉冲，以在所述铁磁芯上产生排斥磁通，从而降低所述铁磁芯和所述永磁体中的一个之间的吸引力，以减缓所述移动部件的移动。
52.根据广泛的方面，本文描述一种控制电动机的方法，该电机具有定子，该定子具有通常沿所述定子等距分布的至少一个独立极或极电路，所述独立极或极电路围绕所述定子的外围交替。该方法包括：当铁磁芯与耦合到所述电动机的移动部件的永磁体相对并受到磁吸引时，通过可控制地将第一调制的电脉冲传递到围绕所述定子的第一定子极的铁磁芯的电线圈，启动所述电动机的移动部件的移动。该方法还包括：当所述永磁体从所述第一定子极向所述电动机的第二定子极旋转远离时，所述永磁体被第二定子极的铁磁极吸引，当所述永磁体到达所述第二定子极时，可控制地向所述第二定子极的铁磁芯传递第二调制的电脉冲，以产生所述第二定子极的铁磁芯的排斥磁通，从而抵消所述永磁体和所述第二定子极的铁磁芯之间的吸引力。
53.在至少一个实施方案中，在通过可控制地向围绕第一定子极的铁磁芯的电线圈传
递第一调制的电脉冲来启动所述移动部件的移动之后，可控制地将一个或多个随后调制的电脉冲传递到围绕所述第一定子极的铁磁芯的电线圈，从而产生所述第一定子极的铁磁芯的排斥磁通，以促进所述永磁体远离所述第一定子极的移动。
54.根据广泛的方面，一种控制电动机的方法，该电机具有定子，该定子具有通常沿所述定子等距分布的定子极的至少一个独立极或极电路，所述独立极或极电路围绕所述定子的外围交替。该方法包括：通过向所述转子和/或轴施加外部扭矩或力，启动所述电动机的旋转；和当所述转子的永磁体从所述第一定子极向所述电动机的第二定子极旋转远离时，被第二定子极的铁磁极吸引的永磁体可控制地向所述第二定子极的铁磁芯传递第二调制的电脉冲，从而产生所述第二定子极的铁磁芯的排斥磁通，以抵消所述永磁体和第二定子极的铁磁芯之间的吸引力。
55.在至少一个实施方案中，当所述永磁体从所述第二定子极向第三定子极旋转远离时，所述永磁体被所述第三定子极的铁磁极吸引，当所述永磁体到达所述第三定子极时，可控制地向所述第三定子极的铁磁芯传递第三调制的电脉冲，从而产生所述第三定子极的铁磁芯的排斥磁通，以抵消所述永磁体和所述第三定子极的铁磁芯之间的吸引力。
56.在至少一个实施方案中，当所述永磁体从所述第二定子极向第三定子极旋转远离时，可控制地向所述第二定子极的铁磁芯传递调制的电脉冲，从而产生所述第二定子极的铁磁芯的排斥磁通，以在所述永磁体和所述第二定子极之间产生排斥力，从而将所述永磁体推向所述第三定子极。
57.根据广泛的方面，一种控制电动机的方法，该电机具有定子，该定子具有通常沿所述定子等距分布的定子极的至少一个独立极或极电路，该至少一个独立极或极电路围绕所述定子的外围交替。该方法包括：当所述转子的每个永磁体与所述定子的各个定子极的铁磁芯对准时，每个定子极具有围绕铁磁芯的电线圈，通过可控制地向每个定子极的电线圈传递第一调制的电脉冲来启动所述转子的旋转。该方法还包括：当所述转子的每个相应永磁体位于其相应的定子极和相应的相邻定子极之间时，使每个定子极的每个电线圈断电；和当所述转子的每个相应永磁体到达相邻定子极时，可控制地向每个相邻定子极的电线圈传递第二调制的电脉冲，从而产生铁磁芯的排斥磁通，以抵消每个相应永磁体与其各自相邻定子极的铁磁芯之间的吸引力。
58.根据广泛的方面，本文描述一种电动机。电动机包括：移动部件，具有至少一个与其耦合的永磁体，每个永磁体具有具有表面积的外表面；和与所述移动部件隔开的定子，所述定子具有至少一个定位为与所述至少一个永磁体相对的定子极。每个定子极包括铁磁芯和缠绕在所述铁磁芯周围的线圈，所述铁磁芯被自然地吸引到所述至少一个永磁体。电动机还包括磁性位置控制系统，被配置为：监控所述移动部件上的至少一个永磁体相对于所述定子的位置；和响应于所述至少一个永磁体的位置，可控制地向每个至少一个定子极的线圈传递电脉冲，以在所述铁磁芯上产生排斥磁通，从而抵消所述铁磁芯和所述至少一个永磁体之间的吸引力，以控制所述移动部件的移动。
59.根据广泛的方面，本文描述一种电动机。电动机包括：转子，具有至少一个与其耦合的永磁体，每个永磁体具有具有表面积的外表面；轴，与所述转子固定耦合，使得所述转子的旋转使所述轴旋转；和所述定子具有至少一个定位为与所述至少一个永磁体相对的定子极,每个定子极包括铁磁芯和缠绕在所述铁磁芯周围的线圈，所述铁磁芯被自然地吸引
到所述至少一个永磁体。电动机还包括磁性位置控制系统，被配置为：监控所述转子上的至少一个永磁体相对于所述定子的位置；和响应于所述至少一个永磁体的位置，可控制地向每个至少一个定子极的线圈传递电脉冲，以在所述铁磁芯上产生排斥磁通，从而抵消所述铁磁芯和所述至少一个永磁体之间的吸引力，以控制所述移动部件的移动。
60.从以下与附图一起的详细描述中，本技术的这些及其他特征和优点将变得显而易见。然而，应当理解，虽然指示本技术的优选实施方案，但详细描述和具体示例仅以图解的方式给出，因为本技术的精神和范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员来说将从该详细描述中变得显而易见。
附图说明
61.为了更好地理解本文描述的各种实施方案，并且为了更清楚地显示这些各种实施方案可以如何实施，将通过示例的方式参考附图，附图显示了至少一个示例实施方案，并且现在描述了这些附图。附图并不旨在限制本文所述教导的范围。
62.图1a是根据一个实施方案的处于第一角度位置(对准(0度)或静止)的电动机的转子、永磁体和电磁铁的俯视图。
63.图1b是示出图1a所示电动机转子的改变角位置的扭矩变化的曲线图，图1a示出本文所述的静磁力(fms)。
64.图2a是根据一个实施方案的图1a的电动机的转子、永磁体和定子极在第二角度位置的俯视图。在所示位置，磁铁将被吸引到相邻的铁磁极上。
65.图2b是示出图2a所示电动机转子的变化角位置的扭矩变化的曲线图，图2a示出本文所述的力磁动力学(fmd)。在所示位置，磁铁将被吸引到相邻的铁磁极。
66.图3a是根据一个实施方案的图1a的转子、永磁体和定子极在第一角度位置(对准(0度)或静止)的俯视图。
67.图3b是示出如图3a所示的电动机转子的变化角位置的扭矩变化的曲线图，图3a示出本文所述的力排斥动力学(frd)。
68.图4a是根据一个实施方案的图1a的转子、永磁体和定子极在第一角度位置(对准(0度)或静止)的俯视图。
69.图4b是示出图4a所示的电动机转子的改变角位置的扭矩变化的曲线图，图4a显示本文所述的制动模式。
70.图5a是根据一个实施方案的图1a的转子、永磁体和定子极在第一角度位置的俯视图。
71.图5b是示出图4a所示电动机转子的变化角位置的扭矩变化的曲线图，图4a显示本文所述的幻影时刻。
72.图6是根据一个实施方案的电动机的俯视图。
73.图7是图6电动机的俯视图，显示同步盘和传感器。
74.图8是根据另一实施方案的图6的电动机的电路图。
75.图9是图6的电动机的电路图，显示转子开始旋转的步骤0处的电动机。
76.图10是图6的电动机的电路图，显示步骤1的电动机。
77.图11是图6的电动机的电路图，显示步骤2的电动机。
78.图12是图6的电动机的电路图，显示步骤3的电动机。
79.图13a显示电动机的俯视图，电动机的每个定子极连接到同一磁路上的每个其他定子极，每个定子极处于第一极性。
80.图13b显示电动机的俯视图，电动机的每个定子极连接到同一磁路上的每个其他定子极，每个定子极处于第二极性。
81.图14a是根据一个实施方案的在动态制动模式期间图6的转子、永磁体和定子极的俯视图。
82.图14b是显示动态制动模式的图14a所示转子角位置的扭矩变化的曲线图。
83.图15a是根据一个实施方案的振荡区中图6的转子、永磁体和定子极的俯视图。
84.图15b是显示启动时振荡区的图15a所示转子角位置的扭矩变化的曲线图。
85.图16a是根据一个实施方案的启动期间图6的转子、永磁体和定子极的俯视图。
86.图16b是显示图16a所示转子在期望方向上起动时角位置的扭矩变化的曲线图。
87.图17a是根据另一实施方案的起动期间图6的转子、永磁体和定子极的俯视图。
88.图17b是显示图17a所示转子角位置在相反方向启动时扭矩变化的曲线图。
89.本文描述的示例实施方案的其他方面和特征将从以下描述和附图中出现。
具体实施方式
90.下文描述各种装置和方法以提供所要求保护的主题的至少一个实施方案的示例。下面描述的任何实施方案都不限制任何要求保护的主题，并且任何要求保护的主题可以涵盖与下面描述的不同的设备和方法。所要求保护的主题不限于具有下述任何一种设备或方法的所有特征的设备和方法，也不限于下述多个或所有设备和方法的共同特征。下面描述的设备或方法可能不是任何要求保护的主题的实施方案。在本文所述的装置或方法中披露的、本文件中未要求保护的任何主题可能是另一个保护性文书的主题，例如，持续的专利申请，并且申请人、发明人和/或所有者不打算通过在本文件中披露来放弃、否认或向公众奉献任何此类发明。
91.此外，应当理解，为了说明的简单和清楚，在认为适当的情况下，可以在附图中重复参考标号，以指示相应或类似的元件。此外，阐述了许多具体细节，以提供对本文描述的示例实施方案的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文描述的示例实施方案。在其他实例中，尚未详细描述众所周知的方法、过程和组件，以避免混淆本文所述的示例实施方案。此外，该描述不应被视为限制本文所述示例实施方案的范围。
92.应注意，本文中使用的诸如“实质上”、“大约”和“约”等程度术语是指修改术语的合理偏差量，以便最终结果不会发生显著变化。这些程度术语应解释为包括修改术语的偏差，例如至少
±
5％或至少
±
10％，例如，如果该偏差没有否定其修改的术语的含义。
93.此外，本文中端点对任何数字范围的叙述包括包含在该范围内的所有数字和分数(例如，1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.90、4和5)。还应理解，假设其所有数字和分数都被术语“约”修改，这意味着在最终结果没有显著改变的情况下，最多可参考数字的一定量的变化，例如1％、2％、5％或10％。
94.还应注意，如本文所使用的，措辞“和/或”旨在表示包容性或。也就是说，“x和/或
y”意指例如x或y或两者。作为进一步的示例，“x、y和/或z”意指x或y或z或其任何组合。
95.以下描述无意限制或定义任何声称或尚未声称的主题。可能要求保护的主题可以位于本文件任何部分(包括其权利要求和附图)中披露的元素或工艺步骤的任何组合或子组合中。因此，本领域技术人员将理解，根据本文的教导公开的设备、系统或方法可以体现本文所包含的任何一个或多个特征，并且这些特征可以用于物理上可行且可实现其预期目的的任何特定组合或子组合。
96.最近，人们对开发永磁电动机越来越感兴趣。本文描述的电动机可以是电动电机，包括一个或多个永磁体和与凸极定子极相互作用的转子。在传统电机中，转子(即旋转部件)在定子(即静态部件)内旋转。在直线电机中，定子展开并平放，并且转子沿直线经过定子。因此，本文中的术语“转子”可包括或指任何移动或旋转部件，包括但不限于沿直线移动的部件。本文描述传统电机和直线电机。
97.在一些实施方案中，转子的运动(例如旋转)可主要通过一个或多个永磁体来启动和维持，该永磁体耦合到转子上，并被吸引到位于定子极上或周围的电磁铁的实心铁芯上。在一些实施方案中，只要转子的永磁体通过定子的电磁芯，施加到定子电磁铁上的电流脉冲就足以抵消转子永磁体的任何反向阻力，从而允许转子连续运动(例如旋转)。
98.在一些实施方案中，本文所述电动机通常涉及这样的电动机形式，该电机可根据所选配置产生机械驱动扭矩或线性力，且相对于电机的电功率输入具有高效率(正增益的可能性)。
99.本文所述电动机的一些实施例的其他关键特征可包括但不限于：自启动、速度控制、可按需cw或ccw运行、过载保护、最小发热、模块化结构、恒定高扭矩/力、动态制动。
100.在一些实施方案中，本文所述电动机通常包括开关磁通量脉冲电机及其控制装置，即通过磁化极之间的相互磁吸引和/或排斥的特性和属性操作的机器。
101.应当理解，以下描述和示例包括为本文所述电动机的运行提供的一些基本原理，以及在本文所述电动机运行时发现和量化的各种原理。在一些实施方案中，本文所述电动机可包括以下一种或多种状态或功能：
102.·
力
–
静磁(fms)
103.·
力-磁动态(fmd)
104.·
力-排斥动力(frd)
105.·
制动模式
106.·
mpf操作模式
107.·
动态操作模式
108.·
磁性位置控制系统(mpcs)
109.下面将更详细地描述这些状态或功能中的每一个。
110.应当理解，在以下描述中，附图标记100表示包括永磁体(有时称为元件“a”)、电磁铁(有时称为元件“b”)和转子(有时称为元件“c”)的电动机。应当理解，尽管以下描述描述了一个或多个旋转电机变体中的电机，但本文描述的相同原理可应用于其他实施例，例如但不限于线性电机和轮毂电机变体。
111.本文使用的术语“力-静磁”(fms)是指不会导致电动机100的转子106发生任何角运动的力。更具体地说，如图1a所示，fms是指永磁体102和铁磁极104之间的吸引力(如图1a
中的箭头110所示)，该吸引力朝向铁磁极104，垂直于转子106的旋转轴，并与转子106的旋转轴相交。应注意，转子106的旋转轴直接穿过转子106的中心107。由于fms与转子106的旋转轴相交，因此不会产生扭矩。fms可与典型感应电动机中的电动势进行比较。然而，在这种情况下，fms不是从电感器导出的，而是从永磁体102的磁场导出的。fms可以量化为永磁体102的强度、永磁体102、铁磁极104和铁磁合金本身之间的间隙112的距离的函数。
112.图1b显示图1a中电动机100的扭矩与角位置的关系图，表明fms不会产生任何扭矩。
113.本文使用的术语力-磁动态(fmd)是指在电动机100中产生转子106角运动的力。更具体地说，如图2a所示，fmd是指导致永磁体102和铁磁极104之间旋转的吸引力，如图2a中的箭头110所示。fmd朝向铁磁极104，与转子106的旋转轴垂直但偏移(例如横向间隔)，从而产生产生产生的扭矩。产生的转矩可来自磁场相对运动和永磁体自然磁吸引/排斥效应的有用自由能。fmd可用于永磁体(如永磁体102)的使用，并且不需要任何外部能量输入。fmd可以量化为永磁体102的强度、永磁体102和铁磁极104之间的横向距离114、磁体的形状(即永磁体102和铁磁端口104中的一个或两个)以及铁磁合金本身的函数，或与之相关。
114.图2b示出图2a的电动机100的扭矩与角位置的关系图，该图显示fmd产生扭矩。
115.本文中使用的术语力-排斥动力(frd)是指另一种力，该力可使电机100中的转子106发生角运动(图3a)。更具体地说，frd还需要外部能量输入。如图3a所示，frd可被称为当永磁体102穿过制动点116后的fmd区时，永磁体102在铁磁极104处产生的排斥磁场的结果。该磁场可以被调制以对转子106产生或多或少的显著影响。电动机100在运行时的能量需求可被视为与所选frd强度成比例。在旋转循环期间，在本文所述电动机中施加该力的时间间隔相对较短。例如在一些实施方案中，脉冲在大约3到20度的旋转范围内施加，因此转子转动越快，脉冲越短。在mpf操作模式下操作时，frd的强度低至零。然而，在动态操作模式下运行时，它的使用更加频繁。frd可以量化为永磁体102的强度、电磁铁104产生的磁场强度、应用frd的延时、永磁体102和铁磁极104之间的间隙112的距离以及铁磁合金本身的函数。
116.图3b示出图3a的电动机100的扭矩与角位置的关系图，该图显示frd产生扭矩。
117.本文中使用的术语制动模式是指电动机100的操作模式，其中没有外部电能输入(即没有电流或电压)施加到电动机100。在该模式中，如图4a所示，永磁体102与电磁铁104的铁磁芯自对准。由于永磁体102和电磁铁104之间的间隙112的距离在其最小点处(例如，永磁体102和电磁铁104彼此直接相对)，因此fms最大并抑制转子106的旋转。永磁体102、电磁铁铁磁芯104和转子106的旋转轴之间任一侧的任何角度偏差均以fmd为界，fmd产生抵消扭矩，以使永磁体102、电磁铁铁磁芯104和转子106围绕最大fms自然居中。
118.在mpf操作模式下，当没有外部电能输入应用于电动机100(即没有电流和电压)时，以及当永磁体102未与电磁铁铁磁芯104对齐时，fmd在转子106上产生扭矩(如图2a所示)，并迫使转子106旋转并重新对准最大fms(也称为“制动点”)。
119.在此阶段，刚刚到达制动点，转子106即将面临与制动转子106一样强大且足以制动的抵消fmd扭矩。此时，磁性位置控制系统(mpcs；如下所述)使用最小的外部电能输入，通过定子极104的铁磁芯注入电磁脉冲。电磁脉冲对永磁体102具有与永磁体102和定子极104的铁磁芯之间的吸引力相等的排斥作用。将电磁脉冲施加一段足够长的时间，以确保永磁体102脱离fmd影响区，从而使其减速(见图5a和5b)。结果，抵消的fmd扭矩被瞬时退火，这使
得定子极104对永磁体102的磁通量不可见，从而允许转子106自由旋转超过“制动点”，直到其到达相邻(或相邻)定子极104的铁磁极的下一个吸引区。定子极104不受永磁体102磁通量影响的时刻可称为“幻影时刻(phantom moment)”。
120.在动态操作模式下，与上述mpf操作模式类似，此处不对本文所述电机应用外部电能输入(即无电流或电压)，当永磁体102未与定子极104的电磁铁磁芯对齐时，fmd产生扭矩。如图2a和2b所示，在转子106上，迫使其自然旋转并重新对准最大fms，也称为“制动点”(图4a和4b)。
121.在此阶段，在刚刚到达“制动点”后，转子106将面临与制动转子106一样强大且足以制动的抵消fmd扭矩。此时，mpc使用最小的外部电能输入，通过定子极104的铁磁芯注入电磁脉冲，该电磁脉冲对永磁体102的排斥作用大于永磁体102和定子极104的铁磁芯之间的吸引力。施加电磁脉冲的时间足够长，以确保永磁体102超出fmd影响区，但这一次增加了有利于旋转的额外排斥力矩(由于frd)(见图3a和3b)。结果，抵消fmd不仅瞬时退火，而且frd以更大的扭矩将转子106推向其下一个铁磁极吸引区，此外，磁铁被下一个相邻的铁磁极自然吸引。
122.mpcs是监测和控制本文所述电动机中各种磁通量的系统。mpcs与定子极104的铁磁芯连续交互，以调制各种操作模式的磁脉冲功能，例如但不限于上述操作模式和/或本文所述电机的功率需求。该系统可提供各种选项的控制，并控制本文所述电动机中相互作用的每个组件的每个步骤的执行。mpcs包含机械、电子和软件组件。本文描述的电动机可以包括一个或多个要操作的mpcs。
123.部件
124.以下章节介绍了本文所述电动机中的各种部件。如下所述，各种组件可用于几种不同的配置。无论为每台电动机选择的部件组合如何，本文所述的每台电动机都将遵循本文件所述的原则。
125.参考图6，其中示出根据至少一个实施例的电动机600。电动机600包括转子606。转子606包括电动机600的所有移动部件。通常，转子606通过电动机600的轴601(见图7)将旋转动态和静态磁力转换为机械扭矩。
126.转子606包括一个或多个永磁体602，用于转子606绕轴601的轴旋转。电动机600的永磁体602的数量可以是奇数或偶数。此外，永磁体602可以由各种形式、形状或合金制成。例如，在图6所示的电动机600中，一组四个永磁体602均匀分布在轴601周围，并固定耦合到转子606。
127.定子605包括电动机600的所有固定部件。例如，在一些实施方案中，定子605包括构成完全独立的电机单元的所有零件，该电机单元可以固定和安装在电动机600的任何应用中。
128.定子605具有用于容纳定子605的部件的框架607。定子605用作每个定子极604及其各自绕组609的支撑，该绕组与转子606的永磁体602结合，产生电动机600的旋转运动。定子605的定子极604的数量可以在约1到约100、或约10到约75、或约15到约50、或约15到约30、或约16到约20、或约1到约25、或约10到约25、或约15到约20、或约16到约18的范围内。在至少一个实施方案中，转子606可以具有多个转子组。例如，电动机600可以包括1到20个组、1到12个组、1到10个组、1到8个组、1到6个组、1到5个组、1到4个组、1到3个组或1到2个组。在
至少一个实施方案中，定子605的定子极604的数量可以在大约1到大约100个/转子组，或者大约10到大约75个/转子组，或者大约15到大约50个/转子组，或者大约15到30个/转子组，或者大约16到大约20个/转子组的范围内。
129.应注意，在具有多个定子极604的实施例中，定子极不需要与转子606的相应永磁体602均匀配对。此外，定子极604通常围绕轴601彼此等距分布。定子极604可以由各种形式、形状、线圈或铁芯合金制成。例如，在一些实施方案中，电动机600可包括一组八个定子极604，均匀分布(即间隔)在轴601周围，并通过背铁607固定在定子605上。
130.转子606和定子605组件的各种特征的选择，例如但不限于定子极604相对于彼此和相对于永磁体602的位置，以及永磁体602相对于彼此和相对于定子极604的位置，可以强调电动机600的特定性能特征和功能。
131.转子606通常由足够坚固的材料制成，以保持电动机600的所有旋转部件在受到磁、离心、重力、振动和热膨胀力的情况下的结构完整性。转子606可以由铁磁性材料制成，也可以由非铁磁性材料制成，前提是如果转子606由铁磁性材料制成，则铁磁性材料不会阻挡永磁体602的磁场。在一些实施方案中，转子606可以由放大永磁体602的磁场的材料制成。例如，在一些实施方案中，转子606可由铜和锌合金(例如黄铜)制成。在一些实施方案中，转子606可以具有传统的圆柱形形状。
132.轴601可以由通常用于制造传统电机轴的任何材料制成。轴601穿过转子606的中心并与之固定耦合，以便转子606的旋转提供轴601的旋转。
133.永磁体602可以由不同的合金制成，并且可以具有不同的形状和/或厚度，前提是每个永磁体602具有相同的形状和厚度。如上所述，本文所述的电动机可以包括奇数或偶数的一个或多个永磁体602。
134.在一些实施方案中，每个永磁体602(如图8所示)的外表面611的形状对应于每个定子极604的外表面613(例如反射或提供相等的间距)。定子极604或通常与永磁体602间隔一定距离，该距离在定子602周围通常相等。
135.在一些实施方案中，定子极604的两条相邻中心线(即，穿过其中心且与转子601的轴横向或垂直的轴)之间的最大角距离约为每个永磁体602的宽度或直径的大约两倍或两倍。
136.在一些实施方案中，对于转子606的每个永磁体602，在磁体面向定子极604的部分处的每个永磁体602的极性相同。
137.永磁体602均具有外表面611，该外表面611的表面积对应于暴露于(即相对于)一个或多个定子极的磁体的表面积。换句话说，外表面611的表面积是永磁体的一部分的面积，永磁体通过该部分对定子极施加磁影响。在一些实施方案中，每个永磁体602的外表面611的表面积之差小于约10％、小于约5％或小于约3％。
138.类似地，每个定子极604具有具有表面积的外表面613。每个定子极604的外表面613的表面积是定子极的一部分的面积，通过该部分，定子极受到永磁体602的磁性影响。在至少一个实施方案中，每个定子极604的外表面613的表面积与每个永磁体302的外表面611的表面积之间的差值小于约10％、小于约5％或小于约3％。
139.永磁体602中的每一个都具有宽度。磁铁602的大小和形状可以根据电机结构的不同而变化，以获得特定属性。在至少一个实施方案中，永磁体602具有圆柱形。在这种情况
下，在至少一个实施方案中，磁铁602的宽度等于其直径。永磁体602的尺寸和形状(例如其宽度)和/或永磁体602的间距和/或定子极604的间距可能会影响电机600的转矩容量。在至少一个实施方案中，两个相邻定子极604的中心线之间的最大距离是一个永磁体602宽度的两倍。
140.在一些实施方案中，每个永磁体602面对每个定子极604具有相同的极性。
141.如图7所示，电动机600可以包括同步或索引盘620。盘620是与传感器622一起工作的部件。盘620和传感器622都是电动机600的磁性位置控制系统(mpcs)624的一部分。
142.应注意，盘620是本文所述电动机的可选特征。尽管电动机600包括盘620，但不需要。
143.电动机600包括盘620，盘620具有均匀分布在盘620周围的八个小圆盘永磁体626套件。圆盘永磁体626具有以下极性：n-s-n-s-n-s-n-s。圆盘620的功能是始终将转子606朝向定子605的位置指向mpcs 624。
144.应注意的是，尽管mpcs 624在图纸中由磁盘620和传感器622表示，但mpcs 624是完整的系统，用于定位电动机600中的不同磁通量。mpcs 624根据所选择的操作模式(如上所述)和电动机600的负载来调制发送到定子极604的动作和信号。以这种方式，mpcs 624可以被认为是作为电动机600的“大脑”，通过基于所选选项控制每个有源组件的每个步骤的执行，以在电动机600中执行其预期功能。mpcs 624包括机械、电子和软件组件。mpcs 624可以是唯一的(例如，单数)，或者在电动机600中可以有多个mpcs 624。此外，mpcs 624可位于电动机600的内部或外部。
145.每个定子极604包括缠绕在铁磁金属芯608周围的线圈609。
146.线圈609可以是铜线或铝线(或任何其他导电材料)，其尺寸可以承受电路的安培数。此外在一些实施方案中，线圈609包括足够的匝数以承受所接收的电压，同时获得足够的磁通量以在特定时间和给定持续时间排斥永磁体602。
147.磁芯608由铁磁性物质组成，通常具有与永磁体602相同的形状(即，磁芯608的外表面613通常是与每个永磁体602的外表面611的形状相对应的形状)。当转子606旋转时，每个永磁体602的外表面611通常与磁芯608的外表面613相对。每个永磁体602布置在转子606上，使得每个永磁体602的外表面611具有相同的极性。
148.每个定子极604对电动机600的属性和性能有直接影响。例如，定子极604可以在单个和/或多个电路中并联、串联互连(也称为不对称和对称设计配置)。在一些实施方案中，电动机600可以围绕单个定子极604构建，或者可以包括无限多个定子极604(即，定子极的数量仅受物理约束的限制)。如上所述，本文描述的每个电动机实施例中的定子极604的数量不需要与转子606上的永磁体602的数量相同。
149.当定子极604未通电时，永磁体602自然地被吸引到每个铁芯608的铁磁材料上。当定子极604通电时，定子极604对永磁体602具有自然排斥，排斥程度基于所选的操作模式(例如mpf或dynamic)可控。
150.在图6和7所示的示例中，定子极604分为两组：串联连接的a组和b组，这也可以称为不对称设计配置。在一个实施例中，每个定子极604由mpcs控制，并由层压硅铁制成。
151.背铁或框架607是定子605的可选部件。背铁607形成层压铁的一部分，例如，其包围定子605的定子极604。在机械上，背铁607将定子极604保持在适当的位置，同时将定子
605连接到例如电机框架上。在磁性方面，背铁607用于在定子极604之间产生磁路。这使得未通电的定子极604对电动机600的运行产生积极影响。此外，背铁607可以将整个定子极604组合在一起(例如a和b)或混合在一起(例如a1和b1与a2和b2)。这可以提供电路组彼此堆叠，从而增加电动机600的总功率。
152.根据所选的功能和配置，背铁607是可选功能。应注意的是，无论是否存在背铁607，堆叠定子极604和转子组的能力都是电动机600的关键特性。在至少一个实施方案中，具有1、2、4、8和18极的电动机可以形成单独转子组。在至少一个实施方案中，在单独转子组中可以形成高达100极的电机。在至少一个实施方案中，具有100个电极的电机可以形成单独转子组。在至少一个实施方案中，可以形成具有多个电机组(即多个磁盘和轴向连接到轴上的磁铁)的电动机。在这些实施例中，每个转子组可包括多达约100个极。
153.间隙610是每个永磁体602的外表面611(如图6所示)和每个定子极604(例如磁芯608)的外表面613之间的间距。.
154.逐步操作
155.如上所述，本文所述的电动机是多用途的，并且可以具有多种结构。无论结构如何，本文所述电动机通常遵循以下原则。
156.本文所述电动机基本上是直流电动机。这就是说，本文所述的电动机可以与整流器耦合，例如整流器将为电动机提供交流电源(例如单相或三相)或甚至非极化直流输入。这是完全可变的直线速度电机，其输入电压的函数。通过其结构，本文所述的电动机可以产生从0rpm到其最大转速的高且几乎恒定的扭矩，例如但不限于30,000rpm、或50,000rpm或100,000rpm。
157.以下描述给出了根据本文所述的至少一个实施例，应用于具有非对称配置的电动机的操作的原理。虽然下面描述了一个示例性实施例，但权利要求不应被解释为限于下面描述的示例性实施例。
158.图8示出根据本文描述的至少一个实施例的电动机的一个操作示例的基本示意图。具体而言，图8显示图6和图7中的电动机600，具有八个定子极604，在定子605上以两组(a系列和b系列，如图所示，其在转子602周围位置交替)连接，在转子606上有四个永磁体602，在转子轴601上有同步盘620，该同步盘由连接到mpcs 624的传感器622读取，以及为电路供电的开关s1和s2，电路本身由mpcs 624管理。此处由“b+”表示的输入功率从整流器模块(未显示)接收。当接地回路通过mpcs 624控制的开关s1和s2完成时，输入电源准备好为各种定子极604提供所需的电力。
159.在本实施方案中，四个永磁体602中的每一个最初与各自的a系列定子极604对齐。参考上述描述，这显示fms。此时，mpcs 624通过传感器622和同步盘620知道转子606的位置。
160.在mpf操作模式下，mpcs 624激活s2(或等效开关)，并向电动机600(即线圈609)提供电流，以将与磁铁相同的极性感应到铁磁芯608，并在克服制动点时消除永磁体602和定子极604之间的吸引效应。通常，线圈609可以控制每个铁磁极604的磁场的形状和强度。此时，永磁体602被a系列定子极604的frd稍微排斥出位置，并被下一个无动力的相邻铁磁极自然吸引。图9示出该操作的电路图。消除吸引效应的方法是，在整个旋转过程中，在大约120度的等效范围内，在0到大约75％的fmd能量范围内应用等效的外部能量。它改变了给定
设计预期的幻影效果的功能。
161.在动态操作模式下，重复相同的场景，但线圈609中感应的电流更强大，从而在永磁体602上产生额外的排斥力，这有利于转子606的进一步旋转。在此阶段(步骤0)，转子606的旋转开始。
162.转子606和永磁体602继续旋转，直到永磁体602旋转定位在a系列定子极604和b系列定子极604之间(见图10)以及fmd区域之外(如图2a和2b所示)。mpcs 624始终通过传感器622和同步盘620知道其位置。无论选择何种操作模式，mpcs 624都配置为禁用开关s2，从而切断a系列定子极604的电源。这通常设置为当永磁体602相对于磁体到磁极对准位置(例如，图8所示的对准)移动到3到20度旋转之间的位置时发生。在本文的一个示例中，使用15度。
163.然后，永磁体602可被刚离开的a系列定子极604或正在靠近的b系列定子极604吸引。转子606质量的累积动能和惯性将自然继续朝着b系列定子极604向前旋转。当a系列定子极604和b系列定子极604之间的中心线被永磁体穿过时(例如，当永磁体的位置更靠近b系列定子极而不是a系列定子极时)，对最近磁极的磁吸引力优先，并将定子极604及其能量添加到运动中。这意味着，在本文的示例中，转子601在大约30度的旋转中不需要任何外部能量就可以继续运动。图中所示为b系列定子极604上的fmd(图2a和2b)。该步骤的电路图如图10所示。
164.随着转子606继续旋转，永磁体602与b系列定子极604对齐。如上所述，这由fms力矩表示。此时，mpcs 624再次通过传感器622和转子606的同步盘620知道转子606的位置。
165.在mpf操作模式下，mpcs 624激活开关s1(或等效物)，并向定子极604(即线圈609)提供足够的电流，以调节铁磁芯608的极性，并消除永磁体602和铁磁芯608之间的自然吸引效应。当定子极604对永磁体602的磁通量“不可见”时，该效应在本文中被称为“幻影时刻”，以使转子606在“制动点”之外自由旋转。图11所示为显示幻影时刻的电路图。
166.在动态操作模式下，重复相同的场景，但线圈609中感应的电流比mpf操作模式中感应的电流更大，从而在磁体602上产生额外的排斥力，从而有利于转子606进一步旋转。
167.转子606和永磁体602继续其旋转运动，并如图12所示，移动到a系列定子极604和b系列定子极604的fmd区域之间的位置，从而超出fms区域(如图1a和1b所示)。应当理解，mpcs 624始终通过传感器622和转子606的同步盘620知道转子606的位置。无论选择何种操作模式，mpcs 624都会禁用开关s1，从而切断b系列定子极604的电源。
168.然后，永磁体602可被刚离开的b系列定子极604或正在靠近的a系列定子极604吸引。这如图12所示。默认情况下，转子606质量的累积动能和惯性将继续朝着a系列定子极604向前旋转。当永磁体602穿过a系列定子极604和b系列定子极604之间的中心线时，每个永磁体602和相应的铁磁芯609之间的磁吸引力优先，并将其能量添加到转子606的旋转中，并被下一个无动力的相邻铁磁极自然吸引。这被称为a系列定子极604上的fmd(见图2a和2b)。
169.永磁体602然后返回到步骤0(如图8所示)。mpcs 624可以重复上述循环，继续控制向定子605的电流输送。在图中所示的示例中，四个循环(如上所述)相当于转子的一整圈。
170.背铁效应
171.在一些实施方案中，在步骤0(见图9)和步骤2(见图11)，可能会遇到另一种现象。
例如，对于图中所示的电动机600，当每个定子极604通过背铁607互连时，对定子极604的a组或b组之一通电会对相邻的定子极604组产生类似但相反的影响，而不对后一组定子极604组施加外部电源。当每个定子极604连接到同一磁路上的每个其他定子极604时，这是可能的(参见图13a和13b)。事实上，磁芯608内的磁力线只需通过背铁607找到阻力最小的路径来循环并采用它。对于电动机600，这代表了一个优势，因为任何一个定子极604的磁场可以排斥转子606附近的永磁体602，同时相邻定子极604的磁场吸引永磁体602。随着定子极604的磁场强度增加，相邻磁极对其的吸引力越强。因此，用于为磁极供电的能量增加磁铁对铁芯的自然吸引力。
172.涡流效应
173.根据定义，“涡流(也称为foucault电流)是指根据法拉第感应定律，由导体中变化的磁场在导体中感应的电流回路。涡流在导体内的闭合回路中，在垂直于磁场的平面中流动。例如，交流电磁铁或变压器产生的时变磁场，或磁铁与附近导体之间的相对运动，都会在附近的固定导体内感应到它们。每个给定回路中的电流大小与磁场强度、回路面积和磁通变化率成正比，与材料的电阻率成反比。当绘制图形时，金属片中的这些圆形电流看起来隐约像液体中的涡流或漩涡(whirlpool)。
174.在本文所述的电动机中，当定子极通电和铁磁芯切换极性时，涡流效应会产生热量。通过与两个脉冲之间的持续时间(可称为未通电持续时间)相比，限制极化脉冲施加到定子极时的持续时间，可使本文所述电动机中的涡流效应最小化。限制极化脉冲施加到定子极的持续时间，可以使铁磁芯中的铁分子自然恢复其自然极化，而不会受到碰撞。该热效率可提高本文所述电动机的性能。
175.强迫对自然运动
176.应当理解，在本文所述的电动机中，与转子被迫遵循旋转磁场的其他传统电动机不同，所述的每个步骤都可以排序，以遵循转子永磁体从一个定子极到另一个定子极的自然吸引速度。可以精确地向定子极施加外部电源(例如，仅当永磁体距离定子极铁磁芯中线几度(3至20度，整个旋转总共120度)时)。在传统电机中，如果转子堵塞或过载，电机通常会过热和燃烧。在本文所述的电机中，如果转子堵塞或过载，电机可以默认进入动态制动模式，并且不需要能量输入，从而自我保护电机的电气部件。
177.因此，在本文所示的示例中，在步骤0(参见图9)，仅当转子606上感应到旋转时，转子606才能旋转。否则，转子606自然保持在制动模式。因此，为了启动本文所述的电动机，例如，需要外部旋转力或能够执行启动序列以在转子上发起小旋转运动的电子电路。
178.操作模式特征
179.如前所述，在本文所述的电动机中，可以有几种操作模式。根据电动机的需要，每种操作模式都具有更适合给定应用的特性。本文所述电动机的灵活性提供非常敏锐、以应用为中心的调整。例如，在同一台电机上，可在运行期间从一种模式切换到另一种事件。
180.处于mpf操作模式
181.mpf操作模式被配置为在产生高扭矩的同时提供高效率。本文所示的示例展示了在某些工作条件下产生正增益的可能性的高效率。它还允许极低至极高的转速。本文所示的示例在300rpm到23,000rpm的速度范围内进行测试(仅受原型组件所用材料的限制)。应当理解，本文中描述的在mpf操作模式下运行的电动机的转速通常是输入电压的线性函数。
在这种模式下，动能恢复和反电动势能量回收可以使用众所周知的电磁定律和原理。更准确地说，动能的恢复是通过利用旋转期间穿过定子极的磁铁磁通量的运动来实现的。因此，按照楞次定律将部分电动势重新转换回电能。反电动势能量回收利用任何给定磁极失活时磁通量的下降来完成。两者都是在运行期间临时存储在mpf电机中的能源。
182.处于动态操作模式
183.动态操作模式也可以称为“强化(boost)”模式，其工作方式类似于上述mpf操作模式。如本文所述，在动态操作模式下运行的电动机可以包括与在mpf操作模式下运行的电动机相同的部件，如上文所述，并且可以没有使用限制。与mpf操作模式相比，动态操作模式可能需要更多的外部电源输入才能运行。在本文描述的一些实施例中，可需要高达初始电压三倍的电压来演示动态操作模式功能和性能。施加的最大电压可受到原型设计、组件和材料选择的限制。激活后，动态操作模式可快速提高本文所述电机的机械性能。本文所述电动机可根据需要在动态操作模式下长时间运行。在这种模式下，与mpf模式类似，动能恢复和反电动势能量回收也是可能的。此外，它们将更加重要，因为在这种工作模式下，由于线圈609中循环电流的增加，定子极内循环的磁通量也将更大。
184.处于动态制动模式
185.动态制动模式也是本文所述电动机的自然运行模式。当转子的永磁体与定子极对齐时，即采用动态制动模式，也称为fms区(见图14a和14b)。动态制动模式可在电源切断时快速减速转子。动态制动模式也可以锁定，以全扭矩，转子在定子内与转子一起停止，无需任何外部输入电源。还可以根据需要调节和控制动态制动模式。例如，可以实现温和的渐进式制动，也可以实现更积极、几乎立即完成的紧急停车。在这里，动态制动模式再次提供了许多可能的应用，其中需要静态和动态制动。动态制动模式可随时激活，甚至可用于恢复电能，根据lenz定律将电动势重新转换回电能。
186.处于启动模式
187.启动模式是本文所述电机的可选操作模式，完全由mpcs管理。启动模式是仅在本文所述电机启动期间使用的替代模式，用于在不需要外部扭矩的情况下启动旋转。
188.在启动操作开始时，本文所述电机通常处于动态制动模式(见图14a)。从这一点开始，当定子极线圈通电时，力平衡暂时中断，从而使转子旋转。这是启动阶段的开始(见图15a和15b)。在此阶段，旋转方向未定义，将发生在阻力最小的方向。
189.mpcs检测旋转方向，只要检测到在预期方向上的运动，就将继续向给定的定子极组发送电力。它将持续给相同线圈通电足够长的时间，以跨过fmd区域，直到永磁体到达两个定子极之间的中心线窗口(见图16a和16b)。
190.如果mpcs检测到与所需旋转方向相反的移动，mpcs将中断线圈的供电。这样做时，永磁体将在定子极铁芯的吸引作用下返回另一个方向。反向运动足够大，足以越过fms，并且刚好足以让mpcs检测到正确方向的运动。然后，在相同线圈上重新施加足够长的电源，以跨过fmd区域，直到永磁体到达两个定子极之间的中心线窗口(见图16a和16b)。
191.可重复这些启动步骤，直到转子获得足够的速度，使本文所述电动机以足够的速度旋转，以使本文所述的其他操作模式接管控制。
192.应注意的是，在启动开始时，转子运动更多的是围绕fms区域的振荡。然后，这种运动在连续的永磁体对定子极的吸引力和排斥循环在其最强点产生的摆锤效应下获得快速
的振幅和功率。然后，这可以提供本文所述的电动机以全扭矩起动。此外，旋转方向完全由mpcs控制和管理。mpcs可以提供单个mpf电机，以在任一方向旋转，如果需要，甚至可以在运行时改变旋转方向。此外，还可以通过mpcs完全控制电机的上升或下降。
193.其他特性
194.本文所述电动机转子的永磁体可始终处于吸引模式，而有源极可始终处于排斥模式。本文描述的电动机可以是旋转的或线性的。本文所述的电动机可以有效地将电能转换为机械扭矩/力，反之亦然。在本文描述的示例中，外部功率的注入表示例如360度旋转中的约108度。在本文的示例中，原型以20,000rpm的速度运行，没有问题。然而，当转速超过23,000rpm时，同一原型开始显示出机械弱化的迹象。因此，在本文所述的电动机中，电动机的转速理论上可以接近两个相邻永磁体的吸引速度(即两个磁体相互移动的速度)，该速度根据强度而变化，永磁体的形状以及磁体与磁极铁磁芯之间的相对距离。实际上，最大速度在物理上受到磁通量性质、设计、部件选择和所用材料的限制。
195.以下是本文描述的一些实施例的潜在益处和属性的非详尽列表：
196.在一些实施方案中，转速可以通过mpcs调节，也可以通过外部电源电压线性调节。
197.在一些实施方案中，电动机可在交流或直流电源下运行，一相或多相取决于其配置。
198.在一些实施方案中，电动机可具有或不具有恒定扭矩。
199.在一些实施方案中，电动机自然具有动态制动器。
200.在一些实施方案中，电动机可以从反电动势和/或动态制动和/或电动势中回收能量。
201.在一些实施方案中，电动机可以恢复感应电动机的力(法拉第定律)。
202.在一些实施方案中，电动机可以调节其转速，无论其负载或电源如何。
203.在一些实施方案中，电动机可具有快速或慢速加速或减速曲线，无论是否经过调制。
204.在一些实施方案中，有外部能源供应的电动机可以使其动态制动器的功率倍增。
205.在一些实施方案中，电动机可实现恒定扭矩，无脱落区(滑动)。
206.在一些实施方案中，电动机可以在其整个速度范围内实现恒定扭矩。
207.在一些实施方案中，电动机可以显示非常低的速度范围(例如小于10rpm)到非常高的速度(例如大于30,000rpm)。
208.在一些实施方案中，电动机在不旋转时可有或可没有锁定转子，如果超过其功率，它可以变成动态制动器。
209.在一些实施方案中，电动机可有也可没有自由旋转、空载、转子运行模式(无加速、无制动、仅惯性旋转)。
210.在一些实施方案中，电动机可以使用不同的形状因素构造，例如但不限于旋转、线性或轮毂电机变型。
211.在一些实施方案中，电动机可以完全自主，其所有控制都嵌入电动机中。
212.在一些实施方案中，电动机可以手动控制、远程控制、无线控制或由其他系统控制。
213.在一些实施方案中，电动机可以或不可以自动启动。
214.在一些实施方案中，电动机可按需顺时针(cw)或逆时针(ccw)旋转，并可运行和控制。
215.在一些实施方案中，与传统交流或直流电机相比，mpf电机几乎不产生热量。
216.在一些实施方案中，mpcs在运行期间自动选择和调节运行模式，以获得最佳效率和性能。
217.本文还描述控制电动机的方法。在广泛方面，一种电动机，其定子具有通常沿定子等距分布的至少一个独立极或极电路，独立极或极电路围绕定子的外围交替，当铁磁芯与耦合到电动机的移动部件的永磁体相对并受到磁吸引时，可通过可控制地将第一调制的电脉冲传递到围绕定子的第一定子极的铁磁芯的线圈来启动电动机的移动部件的移动来控制。当mpcs检测旋转方向时，只要检测到在预定方向上的运动，它就会持续向给定的一组定子极供电，它将持续向相同的线圈供电足够长的时间，以跨过fmd区域，直到永磁体到达两个定子极之间的中心线窗口。当mpcs检测到与所需旋转方向相反的运动时，mpcs将中断线圈的供电。这样做时，永磁体将在定子极铁芯的吸引作用下返回另一个方向。反向运动足够大，足以越过fms，并且刚好足以让mpcs检测到正确方向的运动。然后，在相同线圈上重新施加足够长的电源，以跨过fmd区域，直到永磁体到达两个定子极之间的中心线窗口。
218.可以重复这些启动步骤，直到移动部件获得足够的速度，以使本文所述的电动机以足够的速度旋转，以使本文所述的其他操作模式接管控制。当永磁体从第一定子极向电机的第二定子极旋转时，当到达第二定子极时，第二调制的电脉冲可控制地传递到第二定子极的铁磁芯，以产生第二定子极的铁磁芯的排斥磁通，以抵消永磁体和第二定子极的铁磁芯之间的吸引力。
219.在广义方面，本文描述一种控制电动机的方法，该电动机具有定子，该定子具有至少一个通常沿定子等距分布的独立极或极电路，独立极或极电路围绕定子的外围交替。该方法包括通过向转子和/或轴施加外部扭矩来启动电动机的旋转。由于检测旋转的mpcs不断向一组给定的定子极供电，它将持续向相同的线圈供电足够长的时间，以跨过fmd区域，直到永磁体到达两个定子极之间的中心线窗口，同时磁体自然被下一个相邻的铁磁极吸引。
220.在至少一个实施方案中，当永磁体从第一定子极向电动机的第二定子极旋转远离时，当到达第二定子极时，该方法包括可控制地将第二调制的电脉冲传递到第二定子极的铁磁芯，以当磁铁被下一个相邻的铁磁极自然吸引时产生第二定子极的铁磁芯的排斥磁通，以抵消永磁体和第二定子极的铁磁芯之间的吸引力。
221.在至少一个实施方案中，永磁体远离第二定子极旋转，当到达第三定子极时，该方法包括可控制地将第三调制的电脉冲传送到第三定子极的铁磁芯，以当磁铁被下一个相邻的铁磁极自然吸引时产生第三定子极的铁磁芯的排斥磁通，以抵消和/或排斥永磁体和第三定子极的铁磁芯之间的吸引力。
222.在另一个广泛的方面中，本文描述一种控制具有定子的电动机的方法，该定子具有通常沿定子等距分布的定子极的至少一个独立极或极电路，独立极或极电路围绕定子的外围交替。该方法包括，当转子的每个永磁体与定子的各个定子极的铁磁芯对准时，每个定子极具有围绕铁磁芯的线圈，通过可控制地向每个定子极的线圈传递第一调制的电脉冲来启动转子的旋转。当转子的每个相应永磁体位于其各自定子极和各自相邻定子极之间时，
该方法还包括使每个线圈断电。当转子的各个永磁体到达其各自相邻的定子极时，该方法包括可控制地将第二调制的电脉冲传递到每个定子极的线圈，以产生铁磁芯的排斥磁通，以抵消和/或排斥每个相应永磁体与其各自相邻定子极的铁磁芯之间的吸引力。
223.实施例
224.下面的表1提供根据上述至少一个实施例生产的原型装置的五个非限制性示例。如表1所示，生产的每个原型都有不同的特性。
225.表1:不同原型的比较
[0226][0227]
表2显示在使用表1中所述的每个原型进行实验期间测量的各种输出。
[0228]
表2：使用表1中所述的原型进行实验期间测量的各种输出。
[0229]
描述v1v2v3v4测试电机泵应用电压范围/极(伏)
‑‑‑
1.57
–
5.51.57
–
7.757-3112-38电流范围/极(amps)
‑‑‑
0.14
–
0.3740.14
–
0.360.039
–
0.08140.226
–
0.77rpm范围～3000rpm1463-11320rpm857-23076rpm659-2120rpm70-1435rpm稳态温升0℃4.8℃4.8℃0℃5.7℃根据配置测量的效率
‑‑‑‑‑‑
yesn/an/a操作模式mpf/动态mpf/动态mpf/动态mpf/动态mpf/动态恢复emfn/an/a证实反emf证实反emf证实反emf-fem
[0230]
表3显示使用表1中所述的每个原型验证的特征摘要。
[0231]
表3：使用表1中所述原型验证的特性总结。
[0232]
测试目的v1v2v3v4测试电机泵应用mpf概念功能可行性论证成功成功成功成功成功不同安培/匝线圈结构的实验研究不适用不适用成功成功成功不同极点配置的实验不适用不适用不适用成功成功不同磁、电、电子配置的实验不适用不适用不适用成功成功传感器和控制装置的不同配置不适用成功成功成功成功脉冲与控制实验的不同方法不适用不适用不适用成功成功不同的恢复方法不适用不适用成功成功成功动态和/或静态断路控制的不同方法不适用不适用不适用不适用不适用控制配置的不同方法不适用不适用不适用成功成功
磁铁与磁极相互作用的不同方法不适用成功不适用成功成功起动方法的不同方法不适用不适用成功成功成功转速控制的不同方法不适用不适用成功成功成功
[0233]
虽然为了说明的目的，本文描述的申请人的教导与各种实施方案相结合，但申请人的教导并不限于这些实施方案，因为本文描述的实施方案旨在作为示例。相反，在不脱离本文描述的实施方案的情况下，本文描述和说明的申请人的教导包括各种备选方案、修改和等效方案，其一般范围在所附权利要求中定义。