本发明涉及同步电机，并且更具体地，本发明的实施例包括用于提高电动机和发电机中功率和扭矩密度的系统和方法。
背景技术：
1、提高电机中的功率/质量比和扭矩/质量比，即功率密度和扭矩密度，是在更广泛的新应用中部署电力的关键，在这些应用中，机械的质量和尺寸至关重要，例如用于飞机，涡轮轴发电和风力发电。利用现有的机器技术，可以实现5千瓦/千克左右的功率密度，但这对许多新应用来说是一个限制因素。进一步改进设计，提高功率密度和扭矩密度，也将使电动汽车等现有应用受益。潜在的好处包括提高能源转换和传输的效率，以及减少碳足迹，热发电和管制排放。
2、理论上，全超导同步电机可以实现最高的功率密度和扭矩密度，其功率密度可达25kw/kg或更高。然而，超导定子绕组中的交流电损耗只能在低转速下承受。带有直流转子的部分超导机器原则上可以生成几特斯拉的气隙磁通量密度，从而有可能达到更高的功率密度和扭矩密度。然而，所需的背铁的饱和限制了气隙中的磁通量密度低于2特斯拉，而背铁的重量进一步限制了可实现的功率密度和扭矩密度。超导系统所需的低温技术以及超导转变检测和保护的复杂性使得超导电机技术的广泛应用变得复杂，除非能达到更高的功率水平和扭矩密度。
3、1973年，英美物理学家john c.mallinson发表了关于平面结构的一类新型磁化模式的磁理论，其中磁化方向是具有恒定振幅的空间旋转磁通量。这种永磁段的有序阵列能增强阵列一侧的磁场，同时将阵列另一侧的磁场抵消至近乎零。参见mailinson，j.c.，ieeetransactions on magnetics，第mag-9卷，第4期，第678-682页，1973年12月。磁化方向的空间旋转模式在磁段的排列中将磁通量从一个磁段引导到另一个磁段。克劳斯-哈尔巴赫(klaus halbach)于1980年发明的哈尔巴赫阵列(halbach array)就是这些组件的一个应用实例，该阵列用于加速器中的带电粒子光束和相应的光束线。参见克劳斯-哈尔巴赫，nuclearinstruments and methods，169(1)：1-10″design of permanent multipole magnets with oriented rare earth cobalt material″(1980年)。
4、在粒子加速器应用中，有必要对带电粒子束进行弯曲，聚焦和色度校正。这需要使用包含固定数量的极对精确排列的电磁线圈。用于弯曲带电粒子束的偶极排列由一个极对组成，即n＝1，具有一个北极和一个南极。用于聚焦带电粒子束的线圈配置有n＝2的四极排列，包含两对北极和两对南极。色度校正可将具有不同矩量的粒子聚焦到一个精确的焦点，因此需要n＝3或更多极对的高阶排列。一般来说，在无限长的孔径横截面上，任何所需的磁场都可以描述或合成为被称为的多极分量的叠加，即选择多极的组合，如偶极，四极，六极等。用于带电粒子束光学的磁化场必须高度精确，类似于对传统光学透镜的严格要求。从数学上讲，当每个磁铁都由单个多极子阶组成，例如纯四极子(n＝2)，而没有任何低阶或高阶项的贡献时，就满足了这一精度要求。
5、哈尔巴赫阵列可提供带电粒子束光学所需的高场均匀性。在这些磁化组件中，任意点的磁通量方向由以下极坐标方程给出：(方程1)和(方程2)，
6、br＝brem*cos(p*θ) (方程1)，和
7、bθ＝brem*sin(p*θ) (方程2)，
8、其中，brem是剩磁通量密度的大小，p是一个整数，表示极对的数量。下标″r″表示磁场的径向分量，下标″θ″表示磁场的切向分量。p的正值产生一个径向外的场，p的负值产生一个径向内的场，即指向圆柱体的中心轴。
9、电机也需要与带电粒子束光学所需的相同的多极配置，但对场均匀性的要求相对于带电粒子束光学来说较为宽松。对于同步电机的转子，利用永磁哈尔巴赫阵列可以简单且节能地生成所需的多极配置。阵列一侧的磁通量密度增强可以带来更高的功率和扭矩密度。但是，由于哈尔巴赫阵列，特别是高极数的阵列的制造成本较高，它们尚未得到广泛应用。
10、为了在功率和扭矩密度以及效率方面显著提高同步机的性能，我们需要新的设计拓扑来结合已验证的概念、改进的制造技术以及优化方法。为了实现哈尔巴赫阵列所展示的磁通道导向的优势，例如，应用于超导线圈配置，也需要新的拓扑结构。本发明提供了一种新颖的磁通道导向方法，可以显著提高同步机的性能，并避免哈尔巴赫阵列制造的复杂性。
技术实现思路
1、为电机提供了多种改进设计，可实现前所未有的功率密度和扭矩密度，并提高效率。这些概念适用于基于永磁和超导线圈的机器。使用永磁作为场生成系统，可避免低温技术的复杂性，也无需向旋转系统提供电能。另一方面，超导转子提供了实现更高磁通量密度的可能。本发明还能实现磁齿轮箱以及磁齿轮箱与电机的集成。以下示例实施例是说明性的，但不限制本发明的范围。
2、众所周知，哈尔巴赫阵列为同步机的产生磁场的转子提供了显著的优势，相比之下，传统的南北磁极交替结构的磁化组件显得不足。由于圆周阵列中的磁通量引导作用，需要磁通量的阵列一侧的磁通量密度得到提高，而不需要磁通量的对侧磁通量密度则降低到接近零。我们将介绍一种设计理念，它能产生哈尔巴赫阵列所需的磁通量引导。与哈尔巴赫阵列不同的是，该设计理念能够提供从非常小到非常大的系统的可扩展性，具有更高的机械稳定性，这是高转速下运行的机器所需的，而且大大降低了制造成本。所公开的磁通量引导系统和方法直接适用于超导转子。
3、在一个实施例中，通过消除气隙中场整形所需的背铁的磁化损耗并减少边缘磁场，从而提高了机器的效率。在另一个实施例中，通过消除背铁，功率密度和扭矩密度得到了显著提高。
4、电机的应用功率和扭矩密度可以通过与电机或发电机集成的磁齿轮进一步提高。对于磁化齿轮传动，所公开的磁通量引导概念提供了以下优势：(i)与传统的哈尔巴赫阵列相比，有着显著降低的成本且机械强度更高；(ii)相较于传统的机械或磁齿轮，其单位质量的功率传输显著增加；(iii)齿轮效率可能超过99％；以及(iv)具有内在的过载保护功能，几乎不需要或根本不需要维护。
5、进一步优化电机内部的功率和扭矩密度还需要增加定子绕组的电流负载，因此需要高效的散热和冷却，以确保可靠运行。定子绕组的最高电流负载可通过bitter磁铁技术实现(参见：soobin an，a feasibility study to apply thebitter magnet to electricpower devices，mt-26，2019年9月)，其中导体由铜片组成，铜片上有优化的孔型，用于冷却剂的流动，冷却剂与发热导体直接接触。bitter磁铁技术具有出色的散热性能，同时采用了具有成本效益的制造方法。
6、根据本发明的示例性实施例，提供了一种适于在旋转机器或齿轮箱中使用的磁系统，该系统至少包括第一个阵列结构，该阵列结构至少包含第一多个同类离散的磁段并沿中心轴延伸，第一多个磁段中的每个磁段：(i)具有相对于其宽度的延长长度，沿其主要侧面在与中心轴平行的方向上延伸沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度；(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强；(iii)具有表面，其横截面具有预定形状，最大场强方向从该表面指向其外，在将该磁段固定布置在围绕中心轴环向定位的同类磁段的第一阵列中之前，该磁段围绕该表面可轴向旋转；(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一多个中的其他磁段的主要侧面的延伸方向平行；以及(v)定位为在与中心轴平行的方向上延伸，以便与第一多个中的其他磁段一起共同形成同类磁段的第一阵列，该第一阵列被配置为第一有序序列，其磁段的场极相对于第一序列中的位置相互旋转，这导致第一序列中的磁段之间的场极的旋转位置偏移。磁系统中的第一个多个中的段可以定位在与一个或多个其他段接触或足够接近的位置，以累加组合或减少来自不同段的场，从而传递关于第一个阵列结构的净场强，其中相对于阵列的内侧或外侧的另一个上减少的磁场强度，在阵列的内侧或外侧的一个上产生增强的磁场强度。在一系列实施例中，磁段处于有序序列中，其中磁段相对于其他磁段轴向可旋转，以在磁段之间顺序偏移特征最大场强方向，从而在阵列的一侧产生增强的磁场强度。磁系统可进一步包括一个支持结构，其中：第一多个磁段相对于中心轴和相对于彼此占据固定位置，场极之间特征最大场强方向的相对移位是固定的。支持结构可包括一系列放置磁段的通道或沟槽。磁段和通道或沟槽可具有互补形状或配对特征，将磁段的旋转位置锁定，以将场强方向的相对移位固定到位。在另一个实施例中，磁系统包括一个支持结构，其中具有一系列孔径并沿中心轴形成，第一多个中的离散的磁段可轴向旋转并定位在孔径内，以依次提供沿阵列的偏移。支持结构可包括一系列冲压叠片，其中叠片由非磁材料组成。
7、根据本发明的进一步实施例，磁系统进一步包括第二数组结构，该第二数组结构包括至少一个第二多个相似离散的磁段，并沿中心轴延伸，第二多个中的各个磁段：(i)具有相对于其宽度的延长长度，沿其主要侧面在与中心轴平行的方向上延伸沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度；(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强；(iii)具有表面，其横截面具有预定形状，最大场强方向从该表面指向其外，在将该段固定布置在环绕中心轴定位的同类磁段的第二阵列中之前，围绕该表面该段可轴向旋转；(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一多个中的其它磁段的主要侧面的延伸方向平行；以及(v)定位为在与中心轴平行的方向上延伸，以便与第二多个中的其它磁段一起共同形成类似磁段的第二阵列，该第二阵列被配置为第二有序序列，其磁段的场极相对于第二序列中的位置彼此旋转，这导致第二序列中的磁段之间的场极的旋转位置偏移。在一个示例实施例中，第二磁段阵列被配置为提供包括旋转偏移角取向的磁场模式的元素序列，其中场模式的角取向在不同磁元素之间以与中心轴正交的方向旋转。在系统的其他实施例中，磁场模式的空间旋转配置磁通量的方式是在第一阵列的内侧或外侧中的一侧提供增强的磁场强度，相对于在第一阵列的内侧或外侧中的另一侧提供减弱的磁场强度。另外，在其他实施例中，第一阵列包括n个磁段，并且所述n个段中的每一个磁段中的所述场图案的特征在于所述角取向相对于所述序列中的下一个元素的场图案的角取向的旋转偏移。在另一个实施例中，第二阵列包括m个磁段，m个磁段中每一个磁场模式的特征是相对于序列中下一个元素的磁场模式的角取向的旋转偏移。第一阵列可以包括n个磁段，该磁段的场图案在少于n个的磁段中的每一个磁段中以相对于序列中的下一个元素的场图案的角取向的角取向中的旋转偏移为特征。
8、也符合本发明，提供了一种同步电机，包括第一转子和定子绕组，各自围绕沿机架方向延伸的中心轴相对同轴，定子固定连接在机架上，第一转子连接在机架上，用于相对于机架和定子绕组旋转。第一转子和定子绕组各自具有沿中心轴延伸的圆周表面。第一转子包括第一多个离散的磁段，每个磁段：(i)具有相对于其宽度的延长长度，沿其主要侧面在与中心轴平行的方向上延伸沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度；(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强；(iii)具有表面，在横截面上具有预定义的形状，最大场强方向从该表面向外指向，在固定安置在环绕中心轴向定位的相似磁段的第一阵列中之前，该段可围绕该表面旋转，(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一多个中其他段的主要侧面平行，(v)沿中心轴延伸，以便与第一多个中的其他磁段结合，共同形成第一圆周阵列的磁段，该磁段具有朝向中心轴的内侧和朝向远离中心轴的外侧，并且(vi)位于与一个或多个其他段足够近的位置，以便累加组合或减少来自不同段的场强，从而传递第一圆周阵列的净场强，其中阵列的内侧或外侧之一的磁场强度增强，而阵列的内侧或外侧之二的磁场强度减弱。例如，第一多个中的段的主要侧面可为圆柱形或椭圆形，从而使横截面上预定义的形状为圆形或椭圆形。第一多个中的段的主要侧面可以是但不限于轴对称的形状。在一个系列的实施例中，第一阵列中的所有磁段仅由第一多个中的磁段组成。在另一系列实施例中，第一阵列中的所有段都是偶极磁体。第一磁段阵列可配置为提供包括磁场模式的旋转偏移角取向的元素序列，其中，沿该序列，离散的磁段中的不同磁段之间的场极的角取向作为序列中位置的函数，在与中心轴正交的方向上旋转，从而提供场极的角取向的旋转序列，包括在最大场强方向上的旋转。在系统的其他实施例中，磁场模式的空间旋转配置磁通量的方式是，相对于在第一阵列的内侧或外侧中的一侧提供减弱的磁场强度，在第一阵列的内侧或外侧中的另一侧提供增强的磁场强度。相对于阵列内侧或外侧的减弱的磁场强度，阵列内侧或外侧的增强的磁场强度的大小可能部分取决于每个磁极的段数以及场极旋转的具体序列和角度。对于另一系列实施例，在第一阵列包括n个磁段的情况下，n个段中的每一个磁段中的场图案的特征在于相对于序列中的下一个元素的场图案角度方向的角度方向的旋转偏移。当第一阵列包括n个磁性段时，n个段中少于每一个的场图案中的场图案的特征可以是相对于序列中的下一个元素的场图案角度方向的角度方向的旋转偏移。第一阵列中的磁段的主侧可以彼此间隔开或者彼此接触。
9、前述同步电机的实施例可以包括第二转子，其中：定子绕组在定子绕组内距离wi和定子绕组外距离wo之间延伸，各自的定子绕组距离wi和wo从中心轴测量；第一转子是内转子ir，在内侧距离iri和外侧距离iro之间延伸，各自的距离iri和iro从中心轴测量，其中iro＜wi。在机器包括相对于内转子ir定位为外转子or并连接到机架以相对于机架和定子绕组旋转的第二转子or的情况下，第二转子or在外转子内距ori和外转子外距oro之间延伸，每个距离ori和oro从中心轴测量，外转子or具有沿中心轴延伸的圆周表面或类圆柱表面。外转子or包括第二多个离散的磁段，第二多个磁段中的各自具有一个特征磁场模式，并且：(i)以相对于彼此的空间平行方向固定排列；(ii)沿轴线延伸以共同形成第二圆周阵列；(iii)可定位在第二稳定结构中；以及(iv)可绕中心轴旋转以与定子绕组交互作用以生成扭矩。
10、对于包括第二转子的前述机器，第二磁段阵列可配置为提供包括旋转偏移的磁场模式的角取向的元素序列，其中场模式的角取向在不同磁元素之间沿与中心轴正交的方向旋转。磁场模式的空间旋转可以以这样的方式配置磁通量，即相对于在数组的内侧或外侧的另一侧提供减弱的磁场强度，在第二阵列的内侧或外侧的一侧提供增强的磁场强度。在第一阵列包括n个磁段的情况下，在一个实施例中，n个段中的每一个磁段之间的场图案的特征在于，相对于序列中的下一个元素的场模式的角取向，角取向的旋转偏移。在第二阵列包括m个磁段的情况下，根据另一个实施例，m个段中的每一个磁段之间的场图案的特征在于相对于序列中的下一个元素的场模式的角方向的角方向上的旋转偏移。对于不同的一系列实施例，在第二阵列包括n个磁段的情况下，n个段中少于每一个的场图案中的场图案的特征在于相对于序列中的下一个元素的场图案角度方向的角度方向的旋转偏移。
11、根据另一系列实施例，提供了一种同步电机，包括第一转子和定子绕组，各自围绕沿机架方向延伸的中心轴彼此同轴，定子绕组固定连接在机架上，第一转子连接在机架上以相对于机架和定子绕组旋转。第一转子和定子绕组各自具有沿中心轴方向延伸的圆周表面，第一转子包括第一多个离散的磁段，各自具有以下磁段：(i)具有相对于其宽度的延长长度，沿其主要侧面在与中心轴平行的方向上延伸沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度；(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强；(iii)具有表面，在横截面上具有预定义形状，从该表面上看，最大场强方向指向其外，在围绕中心轴环向定位的类似磁段的第一阵列中固定布置之前，该段可围绕该表面旋转；(iv)固定排列，其主要侧面在与第一多个中其他段的主要侧面平行的方向上延伸；(v)包括一个具有相似特征最大场强方向的极；以及(vi)定位为在与中心轴平行的方向上延伸，以便与第一多个中的其他磁段一起共同形成类似磁段的第一圆周阵列，该阵列按序列配置，磁段的磁极作为序列中位置的函数而相对于彼此旋转，这导致磁段之间场极的旋转偏移。
12、第一多个中的各段的主要侧面可为圆柱形或椭圆形，从而使预定义的横截面形状为圆柱形或椭圆形。第一多个中的各个段的一个主要侧面可以是轴对称的。第一阵列可仅由第一多个中离散的磁段组成。第一阵列中的所有磁段都可以是偶极磁体。机器的实施例可能要求第一多个中的多个段不是饼形元素，并且不形成非对称形状的元素，其中最大场强方向作为关于元素形状的位置的函数而变化。在其他实施例中，第一多个中的多个段在磁化后不形成为非对称形状的元素，这样最大场强方向会随着关于不同的一个元素形状的位置的函数而变化。
13、根据本发明公开的实施例，第一多个中的多个段均不形成为相同的磁化元素，然后由相同的元素成形或加工成不同形状，然后有序地形成为一系列不同形状的元素，其中最大场强方向作为关于元素形状的位置的函数而变化。根据其它实施例，第一多个段中没有一个被成形并排序为一系列元素，在这些元素中，最大场强方向作为关于元素形状的位置的函数而变化。对于前述机器，在第一圆周阵列的磁段具有朝向轴线的内侧和朝向远离轴线的外侧的情况下，相对于阵列内侧或外侧中的另一侧上减弱的磁场强度，阵列内侧或外侧中的一侧上产生增强的磁场强度。还根据其他实施例，当磁段的第一圆周阵列绕中心轴旋转时，阵列上表现出增强的磁场强度的一侧的场主要与定子绕组的场交互作用，以产生扭矩。前述机器的实施例包括一个支持结构，其中具有一系列孔，并沿圆柱形平面形成，第一多个离散的磁段中的各自可旋转地定位在其中一个孔内，以提供偏移。这种支持结构可以包括一系列冲压叠片，这些叠片相互连接，其中叠片包括非磁材料。前述机器可包括内转子和外转子。例如，定子绕组径向延伸在定子内绕组距离wi和定子外绕组距离wo之间，且各自的定子绕组距离wi和wo从中心轴测量，第一转子定位为内转子，ir，延伸在内侧距离iri和外侧距离iro之间，各自的距离iri和iro从中心轴测量，其中iro＜wi。该机器进一步包括一个外转子，or，相对于内转子，ir定位为外转子，并连接到机架以相对于机架和定子绕组旋转，第二转子，or，在外转子内距ori和外转子外距oro之间延伸，每个距离ori和oro从中心轴测量，外转子，or，具有沿中心轴延伸的环向或类圆柱表面。外转子or包括第二多个离散的磁段，第二多个磁段中的各自具有一个特征磁场模式，并且：(i)以相对于彼此的空间平行方向固定排列；(ii)沿轴线延伸以共同形成第二圆周阵列；(iii)可定位在第二稳定结构中；以及(iv)可绕中心轴旋转以与定子绕组交互作用以生成扭矩。第二磁段阵列可配置为提供包括旋转偏移的磁场模式的角取向的元素序列，其中磁场模式的角取向在不同磁元件之间沿与中心轴正交的方向旋转。磁场模式的空间旋转可以这样配置磁通量：相对于在数组的内侧或外侧中的一侧提供减弱的磁场强度，在数组的内侧或外侧中的另一侧提供增强的磁场强度。第一阵列可包括n个磁段，n个磁段中每一个磁场模式的角取向相对于序列中下一个元素的磁场模式的角取向的旋转偏移可以表征。根据另一个实施例，第二阵列包括m个磁段，m个磁段中每一个磁场模式的特征是相对于序列中下一个元素的磁场模式的角取向的旋转偏移。还根据另一个实施例，在第二阵列包括n个磁段的情况下，少于n个磁段中每一个磁段的场模式的特征是相对于序列中下一个元素的场模式的角取向中的旋转偏移。
14、还提供了一种组装同步机器的方法。第一转子和定子绕组围绕机架连接，第一转子和定子绕组中的各自围绕沿机架方向延伸的中心轴相对于另一个同轴，定子绕组固定连接在机架上，第一转子连接在机架上以相对于机架和定子绕组旋转。第一转子和定子绕组中的各自具有沿中心轴方向延伸的圆周表面，其中第一转子形成有至少一个配置在第一阵列中的第一多个离散的磁段，每个磁段：(i)具有相对于其宽度的延长长度，沿其主要侧面在与中心轴平行的方向上延伸沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度；(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强；(iii)具有表面，其横截面具有预定义形状，最大场强方向从该表面向外指向，在将该磁段固定布置在围绕中心轴环向定位的同类磁段的第一阵列中之前，围绕该表面该磁段可轴向旋转，磁段的第一阵列具有朝向中心轴的内侧和朝向远离中心轴的外侧；(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一多个中其他段的主要侧面的延伸方向平行；(v)定位为在与中心轴平行的方向上延伸，与第一多个中的其他磁段结合，共同形成相似磁段的第一阵列，该第一阵列被配置为第一有序序列，磁段的场极作为第一序列中位置的函数而相对于彼此旋转，这导致第一序列中各磁段之间的磁场极的角取向移位，移位导致第一阵列一侧的磁场强度相对于第一阵列另一侧较低的磁场强度增强。
15、还提供了一种适于在旋转机器或齿轮箱中使用的磁系统，其至少具有第一阵列结构，该第一阵列结构包含至少第一多个同类离散的磁段并沿中心轴延伸，第一多个磁段中的各自具有以下特征(i)具有相对于其宽度的延长长度，沿其主要侧面在与中心轴平行的方向上延伸；(ii)包括具有包括最大场强方向和相同最大场强的同类特征磁场分布的磁极；(iii)具有表面，其横截面具有预定形状，最大场强方向从该表面指向其外，在将该磁段固定布置在环绕中心轴定位的同类磁段的第一阵列中之前，该磁段可围绕该表面轴向旋转；(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一多个中其他磁段的主要侧面的延伸方向平行；以及(v)定位为在与中心轴平行的方向上延伸，以便与第一多个中的其他磁段一起共同形成同类磁段的第一阵列，该第一阵列被配置为第一有序序列，其磁段的场极相对于第一序列中的位置相互旋转，这导致第一序列中的磁段之间的场极在角取向中的旋转偏移。
16、在磁系统的一系列实施例中，第一多个中的段与一个或多个其他段接触或足够接近地定位，以累加组合或减少来自不同段的场，从而传递关于第一个阵列结构的净场强，其中相对于阵列内侧或外侧的另一个上的减弱的磁场强度，在阵列内侧或外侧的一个上产生增强的磁场强度。磁段可完全按有序序列排列，其中磁段相对于其他磁段轴向旋转，以在磁段之间顺序偏移特征最大场强方向，从而在阵列的一侧产生增强的磁场强度效应。磁系统可进一步包括一个支持结构，其中：第一多个磁段相对于中心轴和相对于彼此占据固定位置，场极之间特征最大场强方向的相对移位是固定的。支持结构可包括一系列放置磁段的通道或沟槽。相应地，磁段和通道或沟槽可具有互补形状或配对特征，可将段的旋转位置锁定到位，从而将场方向的相对移位固定到位。在公开的实施例中，支持结构可包括一系列形成在其中并沿中心轴形成的孔径，第一多个中的离散的磁段可轴向旋转并定位在孔径内，以顺序提供沿阵列的偏移。支持结构可以由一系列冲压叠片相互接合形成，其中叠片包括非磁材料。
17、前述磁系统可进一步包括第二数组结构，该第二数组结构包括至少一个第二多个相似离散的磁段，并沿中心轴延伸，第二多个中的各个磁段：(i)具有相对于其宽度的延长长度，沿其主要侧面在与中心轴平行的方向上延伸沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度；(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强；(iii)具有表面，其横截面具有预定形状，从该表面出发，最大场强方向指向其外，在将该段固定布置在环绕中心轴定位的类似磁段的第二阵列中之前，围绕该表面，该段可轴向旋转；(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一个多个中的其他磁段的主要侧面的延伸方向平行；以及(v)定位为在与中心轴平行的方向上延伸，以便与第二个多个中的其他磁段一起共同形成类似磁段的第二个阵列，该第二个阵列被配置为第二个有序序列，其磁段的场极相对于第二个序列中的位置彼此旋转，这导致第二个序列中的磁段之间的场极的旋转位置偏移。第二磁段阵列可配置为提供包括旋转偏移的磁场模式的角取向的元素序列，其中场模式的角取向在与中心轴正交的方向上在不同磁元素之间旋转。另外，磁场模式的空间旋转可以以这样的方式配置磁通量模式，即相对于在第一阵列的内侧或外侧中的一侧提供减弱的磁场强度，在第一阵列的内侧或外侧中的另一侧提供增强的磁场强度。在第一阵列包括n个磁段的情况下，在一个实施例中，n个段中的每一个磁段之间的场图案的特征在于，相对于序列中的下一个元素的场模式的角取向，角取向的旋转偏移。在第二阵列包括m个磁段的情况下，根据另一个实施例，m个段中的每一个磁段之间的场图案的特征在于相对于序列中的下一个元素的场模式的角方向的角方向上的旋转偏移。对于不同的一系列实施例，在第二阵列包括n个磁段的情况下，n个段中少于每一个的场图案中的场图案的特征在于相对于序列中的下一个元素的场图案角度方向的角度方向的旋转偏移。
18、根据本发明的电机实施例可以包括背铁，从第一转子的第一阵列中的第一多个磁段径向外定位，并与第一转子同轴，定子的绕组沿着第一转子和背铁之间的空气间隙延伸，以在空气间隙中产生增强的径向磁通量密度。背铁可以机械耦合与转子同步旋转，以避免，减少或消除会导致背铁发生磁化的变化场的存在。
19、当机器包括磁通量引导内背铁时，例如，从第一转子的第一阵列中的第一多个磁段径向向内定位并与第一转子同轴，内背铁可机械耦合以与转子同步旋转以避免，减少或消除会导致磁化发生在背铁中的变化场的存在。
20、当磁系统包括由磁元件组成的第二数组结构时，该系统还可以包括由环向阵列组成的铁磁段，该铁磁段定位在与各自同轴对准的第一个阵列和第二个阵列之间。