CN101185225A - 高转矩的开关磁阻电动机 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一实施例，一种电机包括定子和转子。该定子具有至少一个定子磁极，定子磁极具有第一腿和第二腿。转子具有至少一个转子磁极。转子相对于定子转动。至少一个转子构造成在至少一个定子磁极的第一腿和第二腿之间转动。

Description

高转矩的开关磁阻电动机

相关申请

本申请要求对2005年4月18日提交的美国临时申请No.60/672,258的优先权，并是2006年3月6日提交的美国专利申请No.11/369,202的部分继续，该专利申请是2003年2月5日提交的美国申请No.10/359,488的继续。在此以参见的方式引入美国专利申请No.11/369,202。

技术领域

本发明总的涉及电机，具体来说，涉及高转矩的开关磁阻电动机。

背景技术

开关磁阻电动机(SRM)通常包括多个部件，这些部件用诸如铁、镍或钴之类的磁性材料构造。SRM中的一对相对线圈可电子地激励。内磁性材料附连到激励的线圈，致使内组件转动而产生转矩。一旦达到对齐，成对的相对的线圈解除激励，而下一对相对的线圈被激励。

发明内容

根据本发明的一实施例，一种电机包括定子和转子。该定子具有至少一个定子磁极，磁极具有第一腿和第二腿。转子具有至少一个转子磁极。转子相对于定子转动。该至少一个转子构造成在至少一个定子磁极的第一腿和第二腿之间转动。

本发明的某些实施例可提供许多技术上的优点。例如，一实施例的技术优点可包括在电机内提高磁极对称性以增加转矩的能力。另一些实施例的其它技术优点可包括：即使部件因热效应和离心力而变形在电机内也可保持非常小间隙的能力。另一些实施例的其它技术优点可包括：允许外部线圈与电机内部分离的能力，电机如果与压缩机、膨胀机或泵形成一体，则会在化学上发生腐蚀。还有另一些实施例的其它技术优点可包括利用U形磁极的能力，U形磁极在电气上和磁性上与相邻磁极隔绝，由此，允许磁极以模块方式建造，以便插入非磁性框架内，这可方便于制造和修理。还有另一些实施例的其它技术优点可包括利用U形磁极的能力，U形磁极在电动机外壳的外面，能够更好地与周围环境热接触，由此减小过热的趋势。还有另一些实施例的其它技术优点可包括在电机转子内形成不横穿转子轴线的磁通量的能力。还有另一些实施例的其它技术优点可包括在电机转子内部允许有空间能力，提供该空间用于诸如但不局限于压缩机、膨胀机、发动机和泵之类的物项。尽管以上罗列了具体的优点，但各种实施例可能包括所有的、某些的或不包括所罗列的优点。此外，本技术领域内的技术人员在阅读以下的附图、描述和权利要求书之后可以容易地明白其它的技术优点。

附图说明

为了更加完整地理解本发明的实施例及其特征和优点，可参照以下的描述，并结合诸附图，其中，相同的附图标记代表相同的零件，附图中：

图1A示出传统的开关磁阻电动机(SRM)的示意图；

图1B是图1A的SRM的圆点图；

图2示出通过图1A的传统的开关磁阻电动机(SRM)的长磁通路径的示意图；

图3示出单相一马力电机的转矩产生中的MMF跌落效应图；

图4示出根据本发明一实施例的开关磁阻电动机(SRM)的圆点图；

图5A和5B示出根据本发明一实施例的转子/定子结构；

图6示出根据本发明一实施例的转子/定子结构的外转子组件；

图7示出根据本发明一实施例的转子/定子结构的内转子组件；

图8示出根据本发明一实施例的转子/定子结构的定子/压缩器情形；

图9示出根据本发明一实施例的转子/定子结构的复合组件的切去一部分的图；

图10示出没有切去的图9的复合组件；

图11示出转子由于离心力和热效应而膨胀时如何变化其形状的侧视图；

图12示出根据本发明另一实施例的转子/定子结构；

图13A和13B示出根据本发明另一实施例的转子/定子结构；

图14示出根据本发明另一实施例的转子/定子结构；

图15示出未对齐位置、中间位置和对齐位置；

图16示出能量转换回路；

图17示出根据本发明另一实施例的转子/定子结构；

图18示出根据本发明另一实施例的转子/定子结构；

图19示出根据本发明另一实施例的转子结构；

图20示出根据本发明另一实施例的转子/定子结构；

图21A和21B示出根据本发明另一实施例的转子/定子结构；

图22示出SRM驱动中的磁力线的形成；

图23和24示出易饱和材料或转子表面下方磁力线屏障的布置；以及

图25示出各种合金的B-H曲线图。

具体实施方式

首先应该理解到，尽管在下面示出了本发明实施例的示例的实施方法，但本发明实施例可采用任何种技术来实施，不管是目前所知的或现有存在的技术。本发明决不局限在于示例的实施例、附图和下面所示的技术。此外，附图不必按比例画出。

诸如电动机和发动机之类的各种电机以及与如此电动机和发动机相关的类型的变化，可从这里所描述的实施例中得益。示例的类型变化包括(但不局限于)开关磁阻电动机(SRM)、永磁AC电动机、无电刷的DC(BLDC)电动机、开关磁阻发电机(SRG)、永磁AC发电机、无电刷的DC(BLDCG)发电机。尽管参照一种或多种类型变化的电动机和/或发电机来描述了特定的实施例，但从表达上应理解到，这样的实施例也可用于其它类型变化的电动机或发电机。因此，这里所述的某些实施例所提供的描述只意图作为说明的示例类型的变化，它们可得益于本发明的实施例。例如，本发明某些实施例的技术提高了电动机的转矩、功率和效率，尤其是开关磁阻电动机(SRM)。如此的实施例也可用于永磁AC电动机、无电刷的DC(BLDC)电动机。开关磁阻发电机(SRG)、永磁AC发电机和无电刷的DC(BLDCG)发电机也可实现这些实施例所描述的某些相同的优点。

在传统的径向和轴向SRM中，磁通量流过通过定子和转子的全部本体的长路径。由于铁的饱和，传统的SRM在磁动势(MMF)中有很大的跌落，因为磁通量路径是如此之大。减小MMF损失的一种途径是设计较厚的定子和转子，这可减小磁通密度。然而，该方法增加电机的重量、成本和尺寸。因此，本发明实施例的技术认识到，减小这些损失的较为理想的方法是将依赖于电机的几何形和类型的磁通路径减到最小。

某些实施例的技术另外还引入新一组定子/磁极的相互作用。在此组群中，定子磁极已经从传统的圆柱形形状变化到U形的磁极对。该结构允许有较短的磁通路径，该特别的实施例可提高电机的效率、转矩和功率密度。

为了充分利用本发明的绝缘的转子/定子结构，可根据特定的实施例使用无传感器的SRM和BLDC控制方法。

开关磁阻电动机(SRM)在定子和转子上都有突出的磁极。它在定子上集中了绕组，而在转子上没有绕组。该结构便宜且结实，这有助于SRM在宽的速度范围内高效率地运行。此外，其转换器是容错的。SRM在苛刻环境中非常好地运行，于是它们可与机械机器(例如，压缩机、膨胀机、发动机和泵)组成一体。然而，由于它们操作的开关特性，SRM需要电源开关和控制器。目前可获得的廉价的功率半导体管和数字控制器已使SRM成为传统电气装置的有力竞争者。

根据转子和定子磁极的数量和尺寸存在着好几种SRM结构。还有，就传统电机来说，SRM可构造成直线的、转动的和轴向通量的机器。在这些结构中，通量流过铁芯180电气度。由于铁芯的饱和，该长的路径可在MMF中产生大的跌落，这降低了机器的转矩密度、功率和效率。增加定子和转子护铁的尺寸可以避免该种MMF跌落，但遗憾的是，它增加了电动机的尺寸、重量和成本。使用相位的双极激励可缩短通量的路径，但它们需要复杂的转换器。还有，它们在相位传递中没有叠合时是不适用的。

图1A示出传统开关磁阻电动机(SRM)100的示意图。图1A的SRM100包括定子110和转子140。定子110包括八个静止不动的定子磁极120(每个有其自已的感应线圈120)，而内转子140包括六个转动的转子磁极150(没有线圈)。SRM100的部件通常用诸如铁、镍或钴之类的磁性材料进行构造。在特殊的结构中，SRM100的材料可叠合起来以减小涡流效应。在任何一刻，一对相对的线圈130电气地激励。转子140的转子磁极150中的内磁材料被吸引到激励的线圈130，造成整个内转子140转动同时产生转矩。一旦达到对齐，该对相对的线圈130解除激励，而下一对相对的线圈130被激励。线圈130的这种依次的激励造成转子140转动同时产生转矩。参照图1B，图中给出具体说明。

图1B是图1A的SRM100的圆点图。空白圆代表定子磁极120，非空白圆代表转子磁极150。定子磁极120A、120B目前与转子磁极150A、150B对齐。因此，与该对齐相关的线圈(与定子磁极120A、120B相关的线圈)可解除激励，而另一组线圈可被激励。例如，如果与定子磁极120C、120D相关的线圈被激励，则转子磁极150C、150D将被吸引，逆时针方向转动转子140。图1的SRM100具有固有的两折的对称性。

图2示出通过传统的图1A的开关磁阻电动机(SRM)100的长的通量路径。在SRM100中，磁通量必须180度地横穿定子110和转子140-例如，通过定子磁极120G、转子磁极150G、转子磁极150H、定子磁极120H和内转子140本身。如此长的通量路径可导致形成将能量耗散为热量的不理想的涡流。此外，由于高的通量密度，磁动势(MMF)跌落将会非常高，尤其是定子110和转子140护铁薄的情况下。

作为MMF跌落的实例，图3在曲线图105中示出单相一马力电机在转矩产生中的MMF跌落效应。在图3中，绘出了输出转矩170对于转子角度160的图。线180显示转子140和定子110护铁中没有饱和效应时的转矩，而线190显示转子140和定子110护铁中有饱和效应时的转矩。如图所示，转矩形成中的MMF跌落可以大于6％。因此，某些实施例的技术减小了通量路径的长度。此外，如此实施例的细节将在下面作更详细的描述。

图4示出根据本发明一实施例的开关磁阻电动机(SRM)200的圆点图。图4的SRM 200可以类似于图1B中所述的SRM的方式进行操作。然而，图1B的SRM100每次激励与两个定子磁极120相关的两个线圈，而图4的SRM每次激励与四个定子磁极220相关的四个线圈。增加如此线圈/定子磁极220的激励增加了转矩。

图4的SRM 200具有带有八个转子磁极250的转子和带有十二个定子磁极220的定子。通过转子逆时针地逐步40°行进地转动，定子磁极220的主动磁化组用箭头线225表示，通过磁链(例如，转子磁极250和定子磁极220之间)的吸力用较短线235显示。在45°处，结构显现得与0°结构相同。如参照这些不同的转子角度所可见的，只要四个定子磁极220和四个转子磁极250之间出现对齐，那么，四个不同定子磁极220被激励而将转子磁极250吸引到四个不同的定子磁极220。

图4中的开关磁阻电动机200具有四折的对称性。即，在任何一时刻，四个定子磁极220(由箭头线225表示的磁极组)被激励，如上所述，这是传统开关磁阻电动机(例如，图1的SRM 100)的两倍。因为两倍的定子磁极220被激励，所以，转矩也翻倍。

在特定的实施例中，添加更多的对称性会进一步增加转矩。例如，六折的对称性所增加的转矩是传统开关磁阻电动机的三倍。在特定的实施例中，对称性的增加可通过将在U形定子内转动的转子制成叶片状的突出部来实现，例如，就如下面参照图5A和5B的实施例所描述的。在其它的实施例中，增加的对称性可以下面将更详细地描述的方式来获得。

图5A和5B示出根据本发明一实施例的转子/定子结构300。为了便于说明起见，图5A和5B的转子/定子结构300的实施例将描述为开关磁阻电动机(SRM)。然而，如以上简明地描述，在特定实施例中，转子/定子结构300可用作为其它类型的电动机。而且，在其它实施例中，转子/定子结构300可在诸如发电机那样的其它类型电机中使用。

在图5A和5B的转子/定子结构300中，附连到转动体340上的叶片状转子磁极或叶片350显示为通过U形电磁铁芯或U形定子磁极320。在此结构中，与传统的SRM相比，磁通路径相对较短。例如，由在U形磁极320上激励的线圈330产生的磁通量将通过叶片350而通过U形定子磁极320的一个腿322，并在环形路径中到达U形定子磁极320的另一腿324。在特定的实施例中，该短的路径(除了减小如上所述的长路径的不足之外)能增加对称性，因为该路径不是横穿转动体340的中心并对其它的磁通路径具有很少的影响(如果有的话)。此外，在特定实施例中，短的路径能使用转动体340的中心用于其它的目的。如此实施例的其它细节将在下面进行描述。此外，利用该实施例将径向载荷施加到转子，转子上的轴向载荷得到平衡。此外，叶片350提供了额外的半径，由此增加所产生的转矩。

下面是根据本发明一实施例对于单个叶片350/磁极320组之间的电磁相互作用所作的第一级分析。图5A和5B的示意图是叶片350/磁极320组，其中，r_i定义外压缩机转子340的外边界，r_o是叶片末端的半径，Δr是叶片350的径向长度，α是叶片350的角度量，β是线圈330的角度量，θ是转子叶片350在线圈330内的贴合角，A(θ)是磁链可供的面积，g是叶片350每侧上的间隙量，w_b是叶片350的宽度，以及w_c是铁芯的宽度。

通过磁回路的磁通量如下：

                                                     等式1A

其中，N是线圈330的匝数，i是通过线圈330的电流，R_c和R_g分别是线圈和气隙的磁阻。磁阻是

                                                 等式2A

其中，l_c是铁芯材料的磁通长度，μ是铁芯材料的导磁率，A_c是铁芯的横截面面积，g是气隙厚度，μ_o是自由空间(气隙中)的导磁率，以及A_g是磁链在其中发生的气隙的面积。在叶片350各侧上的两个气隙表达为磁阻。磁阻R类似于电阻。因为铁芯材料的导磁率远大于空气的导磁率，所以，气隙的磁阻在等式1A中起主导作用，于是，将R_g的表达式代入等式1A中，得出下式

φ≈Niμ_oA_g/2g                                          等式3A

因为气隙已假定为主导总的磁阻，所以，感应率L可表达为

L＝λ/i＝Nφ/i＝N²μ_oA_g/2g                              等式4A

其中，λ＝Nφ是磁链。

磁场内的储能由下式给出

W_fld＝1/2*λ²/L                                          等式5A

等式5A中要求L(θ)的表达式。在目前的假设下，感应率随转子角度而变化的唯一原因是气隙上的磁链面积A_g随转动而改变。从图5A和5B中，可写出如下的θ和A_g之间的关系式

A_g(r^*θ)＝2Δr(r^*θ)                                   等式6A

因为通过对弧长r^*θ扫过Δr＝r_o-r_i的径向跨度而产生气隙量的变化，其中r^*＝1/2(r_o+r_i)。因此，

L(r^*θ)＝N²μ_oΔr(r^*θ)/g                              等式7A

而等式5A将修改为

W_fld＝1/2*λ²/L(r^*θ)                                   等式8A

将等式7A代入等式8A内，给出

W_fld＝1/2*λ²g/N²μ_oΔr(r^*θ)＝λ²g/2N²μ_oΔr(r^*θ)  等式9A

根据能量守恒定律，d W_fid可表达为

d W_fld(λ，r^*θ)＝idλ-f_fldd(r^*θ)                             等式10A

d W_fld对于独立变量λ和r^*θ的总导数是

d W_fld(λ，r^*θ)＝W_fld/λ*dλ+W_fld/(r^*θ)*d(r^*θ)      等式11A

观察等式10A和11A，可见

f_fld＝-W_fld/(r^*θ)＝-/(r^*θ)〔λ²g/2N²μ_oΔr(r^*θ)〕＝λ²g/2N²μ_oΔr(r^*θ)²

                                                               等式12A

将等式4A中的λ＝L(r^*θ)i代入等式12A中，可获得以下f_fld对线圈电流i的关系：

f_fld＝N²μ_oΔr/2g*i²                                           等式13A

最后，需要将由作用在半径r^*处的f_fld得出的转矩用于个别的叶片350/磁极320组。该生成的转矩是

T_fld＝N²μ_oΔr/2g*r^*i²                                         等式14A

SRM转矩的产生

以上分析的重要结果是以下如图5A和5B所示的由单个叶片350/磁极320组相互作用产生的转矩所写出的等式：

T_fld＝N²μ_oΔr/2g*r^*i²                                         (1)

在等式1中，T_fld是由磁场产生的转矩，N是围绕定子磁极芯绕组的总匝数，μ_o是自由空间的导磁率，Δr＝r_o-r_i(转子叶片的径向尺寸)，r^*＝r_i+Δr/2(相对于叶片中心的半径)，i是线圈电流，以及g是气隙量。

在特定的实施例中，转子/定子结构(例如，图5A和5B的转子/定子结构300)可与诸如摆线压缩机之类的部件以及以下美国专利和专利申请公布中所描述的实施例集成一体：专利申请公布No.2003/0228237；专利申请公布No.2003/0215345；专利申请公布No.2003/0106301；专利No.6,336,317；以及专利No.6,530,211，在此以参见的方式引入它们的全文。

利用等式1可作出如下的假设以设计一体的压缩机/SRM：

1)使用成叠的Sofcomag(2.3特斯拉饱和限值)来传递磁通量

2)磁通量限制到2.0特斯拉，饱和之下

3)在任何给定时间，四个磁极磁化

4)忽略成叠中的边缘效应

作为一实例，工业用压缩机大致要求2.6MW。在3600rpm下运行，所需转矩为6896N-m。合适地进行选择和确定转子的尺寸以作出规定的容量，可以得出r_i＝14英寸(0.3556m)。对于假设2，可计算出最大安培-匝数乘积，这样就不超过2特斯拉的磁通密度。还从以上分析得出

N_i＝2gB/μ_o                        (2)

N_i的最大结果可计算为6468A。因为r^*＝r_i+Δr/2，所以，选择Δr连同沿轴向方向堆叠的叶片/磁极阵列数以满足转矩要求。令给定瞬时四个叶片/磁极组是主动的，并令m为堆叠阵列数，则总转矩是

T_tot＝4T_fldm                      (3)

对于Δr＝4.5英寸(0.127m)，r^*＝16.5英寸(0.4191m)，令m＝3，则计算得到T_tot为7323N-m。3600rpm时产生的功率输出为2.76MW。

设计情形的实施

图6-10示出根据本发明一实施例的转子/定子结构450。图6-10的转子/定子结构450用于压缩机。然而，如以上简明地所述，在特定实施例中，转子/定子结构450可用作为其它类型的电动机和其它类型的诸如发电机那样的电机。图6-10的转子/定子结构450包括12个定子磁极444和8个转子磁极412的三个堆叠的阵列。用于图6-10中的压缩机的转子/定子结构450可与以上参照图5A和5B所描述的转子/定子结构300相同的方式运行。图6示出根据本发明一实施例的转子/定子结构450的外转子组件400。图6中的外转子组件400包括轴承帽402、轴承套筒404、端口板406、入口/出口端口408、两个带有安装的转子叶片412的转子段410A/410B、分离干的压缩区域与润滑的齿轮腔的密封板414、显示的外齿轮416(内齿轮)、带有安装的叶片412的端板418、后外轴承420、以及另一轴承帽422。在该实施例中，外压缩机转子用作为SRM的转子。

在该实施例中，转子磁极的每一径向阵列413中，有带有八个叶片412的八个外转子突出部411。在特定实施例中，必须有如此的对称性以将离心应力/变形降到最小。在此结构中，用于转子/定子结构450运行的铁磁性材料仅可放置在径向阵列413的叶片412中。

图7示出根据本发明一实施例的转子/定子结构450的内转子组件430。图7的内转子组件430包括内轴432、三个(七个突出)内转子434A/434B/434C的堆叠、正齿轮436、以及后内轴承438。

根据本发明某些实施例的有关外转子组件400的内转子组件430运行的细节，以及其它结构变化在以下一个或多个美国专利和/或专利申请公布中进行详细描述，在此以参见的方式引入他们：专利申请公布No.2003/0228237；专利申请公布No.2003/0215345；专利申请公布No.2003/0106301；专利No.6,336,317；以及专利No.6,530,211。

图8示出根据本发明一实施例的转子/定子结构450的定子/压缩机壳440。该实施例中的图8的定子/压缩机壳440包括三个堆叠442A、442B、442C，它们是12个等角度间距的定子磁极444。尽管定子磁极444可以许多方式安装在壳体440上，但外线圈实施例显示在图8中。每一定子磁极444有两个线圈446A、446B，它们以三个一组地安装在非铁磁性的底板448内，形成螺栓般插入的磁极套件(cartridge)450。在特定的实施例中，线圈446A、446B可以是铜线圈。在其它实施例中，线圈446A、446B可用其它材料制成。在特定的实施例中，给定定子磁极444上的线圈446数量可增加超过两个，由此，减小必须供应到每一线圈的电压。在特定实施例的运行中，四个套件450中的所有磁极(间隔开90°)可同时地磁化。磁化顺序地发生致使图6的外转子组件400转动。

图9示出根据本发明一实施例的转子/定子结构450的复合组件460的剖切图。复合组件460显示集成的外组件400、内组件430、图6-8的定子/压缩机壳440、以及提供轴承支承和通过开口464的气体入口/出口端口的端板462。图10示出未经剖切的复合组件460。

在某些实施例中，在运行期间，由于离心力和热效应可能膨胀。为了防止转子磁极和定子磁极之间的接触，通常采用大的气隙。上述在图5A和5B中描述的等式1显示出转矩受到气隙很强的影响。较小的气隙导致更大的转矩。因此，尽可能减小气隙可带来优点。某些实施例的技术提出了在转子热和离心力膨胀期间用来保持小气隙的一些结构。

图11示出转子540由于离心力和热效应而膨胀时如何变化其形状的侧视图。转子540具有转动轴线503。实线505代表膨胀前的转子540，虚线507代表膨胀后的转子540。圆点510A、512A和514A代表转子540在冷/停止位置处的点，而圆点510C、512C和514C代表转子540在热/旋转位置处的同样点。左边缘或热基准530不变化，因为它保持在位置上，而右边缘是自由膨胀的。诸圆点的轨线510B、512B和514B在热基准530中完全是径向的，并变为更加远离热基准530的轴向距离处。

图12示出根据本发明一实施例的转子/定子结构600。转子/定子结构600包括围绕一轴线603转动的转子640。转子640包括转子磁极650，它在线圈630激励之后与定子磁极620相互作用。图12的转子/定子结构600可以与图5A和5B的转子/定子结构300相同的方式运行，例外之处是转子磁极650和定子磁极620之间的接口645。在图12的转子/定子结构600中，转子磁极650和定子磁极620之间的接口645的角度与图11所示转子540表面上的圆点轨线相同。通过匹配这些角度，转子磁极650的表面和定子磁极620的表面彼此滑过，即使在转子640旋转和热起来时，也不改变气隙647。该设计允许即使在各种转子温度中也能保持非常小的气隙。在特定的实施例中，保持定子磁极620的外壳可假定保持在恒定的温度下。对于转子磁极650/定子磁极620对而言，在单个结构中，可提供各种不同的接口645角度，视转子640表面上的圆点的轨线而定。

图13A和13B示出根据本发明另一实施例的转子/定子结构700A、700B。转子/定子结构700A、700B包括围绕一轴线703转动的转子740。图13A和13B的转子/定子结构700A、700B可以与图5A和5B的转子/定子结构300相同的方式运行，包括转子磁极750、定子磁极720A、720B和线圈730A、730B。图13A的转子/定子结构700A示出三个作为独立单元运行的U形定子720A。图13B的转子/定子结构700B示出与三个一体的U形定子720A一样运行的单个的E形定子710B。该E形定子720B允许有较高的转矩密度。尽管图13B显示了E形定子720B，但在其它实施例中也可采用其它的形状以将定子集成到单个单元中。

图14示出根据本发明另一实施例的转子/定子结构800。以上述其它实施例所述的相同的方式，图14的转子/定子结构800可用于各种类型的电机中，包括电动机和发电机。图14的转子/定子结构800可以与图5A和5B的转子/定子结构300相同的方式运行，包括转子磁极850和U形定子磁极820。然而，定子磁极820已经轴向地转过90度，这样，转子磁极850不横在U形定子磁极820的间隙之间。类似于图5A和5B，通量路径相对较短。例如，由U形定子磁极820上激励的线圈产生的磁通量将通过磁极820的一个腿822，通过转子磁极850，通过转子的周缘，通过另一转子磁极850，到达环形路径内的磁极820的另一个腿824。

图14的转子/定子结构800显示有三个相位A、B、C和每个相位两对定子磁极820。在该实施例中，定子磁极820是带有线圈的U形铁芯，铁芯插入到非铁磁性的轭890内。在其它实施例中，定子磁极820可由铁之外的材料制成并可具有其它的结构。特定实施例中的定子磁极820可以彼此电气地和磁性地绝缘。图14的实施例中的转子840可以如同传统SRM的转子那样运行；然而，与传统SRM不同，转子磁极850和定子磁极820的间距相同。

各相的磁阻随转子840的位置变化。如图15所示，当转子磁极850与两个定子磁极820不对齐时，相位感应率为最小，该位置可以称为未对齐位置。当转子磁极850与定子磁极820对齐时，磁感应率为最大，该位置可以称为对齐位置。对齐位置和未对齐位置之间的中间部分是中间位置。SRM转矩由磁回路的趋势发展形成以找到磁阻最小(感应率最大)的结构。

图14的结构是这样，只要转子840与一个相位对齐，另两个相位一半对齐，那么转子840可以沿任一方向移动，根据下面哪一个相位将被激励而定。

对于具有与磁通相连的电流i的相位线圈，同能量W’可从定积分得到：

$W\text{'}={{\∫}^i}_0\mathrm{\λdi}---\left(4\right)$

由一个相位线圈在任何转子位置处产生的转矩由下式给出：

T＝〔W’/θ〕_i＝constant    (5)

SRM的输出转矩是所有相位转矩之和：

T_m∑^N _j＝1T(i_j ，θ)

如果忽略饱和效应，则瞬时转矩可如下地给出：

T＝1/2*i²dL/dθ                 (7)

从等式7中可见，为了在SRM中产生正转矩(运动转矩)，当相位体积感应率增加时，该相位必须被激励，此时是转子朝向定子磁极移动的时候。然后，当它处于对齐位置时，其不应被激励。该循环可显示为在磁链(λ)一相位电流(i_ph)平面内的回路，如图16所示，该回路称之为能量转换回路。回路(S)内的面积等于一个行程内的转换能量。于是，平均功率(P_ave)和机器的平均转矩(T_ave)可如下地计算：

P_ave＝N_pN_rN_sSω/4π                    (8)

T_ave＝N_pN_rN_phS/4π                     (9)

其中，N_p、N_r、N_ph、ω分别是每相的定子磁极对数、转子磁极数、定子相位数、以及转子速度。

通过改变相位数、定子磁极间距和定子相位对相位距离角，可设计出不同类型的短磁通路径的SRM。

图17示出根据本发明另一实施例的转子/定子结构900。图17的转子/定子结构900是二相模型，它以与参照图14所述的模型相同的方式运行。图17的结构900包括转子940、转子磁极950、定子磁极920、腿922、924，以及轭990。

图18示出根据本发明另一实施例的转子/定子结构1000。在与上述其它实施例相同的方式中，图18的转子/定子结构1000可以用于不同类型的电机，包括电动机和发电机。图18的转子/定子结构1000可以与图14的转子/定子结构1000相同的方式运行，包括U形定子磁极1020、转子磁极1050、非铁磁性轭1080、以及相位A、B和C。然而，在图18的转子/定子结构1000中，转子磁极1050设置在定子磁极1020的径向外侧。因此，转子1040围绕定子磁极1020转动。类似于图14，该磁通路径相对较短。例如，在环形的路径中，由U形磁极1020上激励的线圈产生的磁通通过定子磁极1020的一个腿1022，通过转子磁极1050而到达定子磁极820的另一个腿1024。作为根据一特定实施例的转子/定子结构1000的示例应用，转子/定子结构1000可以是混合的或电动(燃料电池)汽车以及其它车辆的毂内的电动机。在此实施例中，车轮与转子1040相连，并围绕定子1020转动。该转子/定子结构1000另外可适用于永久磁铁的电动机，例如，如图19所示。

图19示出根据本发明另一实施例的转子/定子结构1100。图19的转子/定子结构1100可以与图14的转子/定子结构1000相同的方式运行，包括U形定子磁极1120、非铁磁性轭1190、以及相位A、B和C，例外地是，转子1140含有交替的永久磁铁磁极1152、1154。

图20示出根据本发明另一实施例的转子/定子结构1200。在与上述其它实施例相同的方式中，图20的转子/定子结构1200可以用于不同类型的电机，包括电动机和发电机。图20的转子/定子结构1200集成了其它实施例所述的几个概念，包括从图5A和5B中所见的叶片1250A、1250B；图13B中的E形定子磁极1220A、1220B；图6-10中的位于转子磁极1250B径向内侧的定子磁极1220B；以及图18中的位于转子磁极1250B径向外侧的定子磁极1220A。定子磁极1220A刚性地安装在转筒1285的内和外侧上，这允许从内和外侧施加转矩，由此，增加总的转矩和功率密度。在特定的实施例中，转子磁极1250A、1250B可由诸如铁那样的铁磁性材料制成，它是开关磁阻电动机的部件。在其它实施例中，转子磁极1250A、1250B可以是带有平行于转动轴线的磁极的永久磁铁，它可以是永久磁铁电动机的部件。

图21A和21B示出根据本发明另一实施例的转子/定子结构1300。在与上述其它实施例相同的方式中，图21A和21B的转子/定子结构1300可以用于不同类型的电机，包括电动机和发电机。图21A和21B的转子/定子结构1300可以与图5A和5B的转子/定子结构1300相同的方式运行，包括转子磁极1350和U形定子磁极1320。然而，转子磁极1350和U形定子磁极1320已经转过90度，这样，转子磁极1350在定子磁极1320的腿1322和定子磁极1320的腿1324之间转动，腿1322在转子磁极1350的径向内侧，腿1324在转子磁极1350的径向外侧。在图21A和21B的转子/定子结构1300中，可以看到轴向和径向的磁通是共存的。

在该实施例和其它实施例中，定子中可以不需磁性的护铁。此外，在该实施例和其它实施例中，转子可以不带任何磁性源。还有，在特定的实施例中，转子的护铁可以不需由铁磁性材料制成，由此，对于机械载荷接口的设计形成灵活性。

在该实施例和其它实施例中，构造可以提供较高水平的功率密度、在力的产生过程定子和转子有更佳的参与、以及低的铁损，由此，对于高频应用提供了良好的解决方案。在这里所述的各种实施例中，可以选择定子和转子磁极的数量以定制出所要求的转矩对速度的特性。在特定的实施例中，定子的冷却可以是非常容易。此外，某些实施例的模块结构在一个或多个相位失效事件中，可提供持久的特性。

磁性力的优化

图22-25示出根据本发明一实施例的磁性力的优化。转子表面上的电磁力具有两个分量，一个是垂直于运动方向的分量，另一个是与运动方向相切的分量。这些力的分量可以称之为力的法向分量和切向分量，并可根据以下等式从磁场量中计算出来：

f_n＝1/2μ_o*(B_n ²-B_t ²)

f_t＝1/μ_o*B_nB_t

对于优化的操作，力的切向分量需要进行优化，而力的法向分量必须保持在最小水平或可消除掉。然而，在传统的电磁转换器中并不是这样的情形。相反，法向力形成了电磁能量转换过程的主要产物。此中主要原因可用以下给出的连续性理论来解释。当磁力线从空气中进入具有高导磁率的铁磁性材料内时，磁通密度的切向和法向分量将根据如下等式变化：

B_n，air＝B_n，iron

B_t，air＝1/μ_r，iron*B_t，iron

上述等式假设气隙中的磁力线将几乎垂直地进入铁芯，然后一旦进入铁芯就立即改变方向。这又假设在SRM内和在转子表面上我们只有径向力。

图22示出磁力线在SRM驱动中的形成。磁通密度B用特斯拉(T)表示。作用在转子右侧上的径向力(也称之为边缘磁通-用箭头1400表示)形成这样的径向力(相对于转子表面)，其对转子形成正向推力。这是需要注意的区域。推入到该角的磁通量越多，则机器运转得越好。这就说明了SRM为什么在饱和状态下运行得更加有效。这是因为机器的有效气隙由于饱和而增加了，而更多的磁力线正选择边缘的路径。

为了提高磁力线朝向边缘区域迁移，本发明的一实施例利用复合的转子表面。在该复合的转子表面中，转子最顶上的部分由某种材料形成，该材料更容易地进入饱和且在较低的磁通密度下，由此，在机电能量转换过程的较早阶段中加强了边缘效应。在特定的实施例中，磁障的形状或复合物的形状可以优化而充分利用磁性结构。另一实施例中，磁障可引入到转子内以排斥法向地进入转子的径向磁通并推动更多磁力线朝向边缘区域。图23、24和25示出这些实施例。

图23和24示出容易饱和材料或磁障1590A、1590B、1590C和1590D放置在转子1550A、1550B和定子1520A、1520B表面之下。容易饱和的材料或磁障1590的材料实例包括但不局限于M-45。用于转子1550和定子1520的实例的铁磁性材料包括但不局限于HyperCo-50(海波科50)。容易饱和材料或磁障的形状、构造和放置可根据转子和定子特定构造而变化。

图25示出各种合金的B-H曲线图1600。图25的曲线图1600对合金1605、1615和1625绘出了磁通密度1675，B对磁场1685，H的曲线图。

通过改变定子和转子磁极数量和尺寸，参照这里若干个实施例描述的短的磁通路径结构可实施用于任何的SRM应用中。对于轴向场和线性电动机可使用类似的结构。

这里描述的若干个实施例可另外用于永久磁铁的AC机器，其中，转子包含交替的永久磁铁的磁极。这两个机器家族SRM和BLDC都可用作为电动机和发电机。

此外，上述实施例可以内部变化而用作为内部的定子SRM或BLDC机器，而使转子在外面。这又可用作为电动机或发电机或两者兼而有之。

本技术领域内的技术人员可以确定出许多其它的改变、替代、变化、替换和修改，本发明旨在包括所有如此的改变、替代、变化、替换和修改，它们落入附后权利要求书的范围之内。

Claims (88)

1.一种电机，包括：

定子，该定子具有至少一个定子磁极，所述至少一个定子磁极包括第一腿和第二腿；以及

转子，该转子具有至少一个转子磁极，其中

所述转子相对于所述定子转动，以及

所述至少一个转子磁极构造成在所述至少一个定子磁极的所述第一腿和所述第二腿之间转动。

2.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述至少一个定子磁极是U形的。

3.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述至少一个转子磁极是铁磁性叶片。

4.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机是电动机。

5.如权利要求4所述的电机，其特征在于，所述电机是开关磁阻电动机。

6.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机是发电机。

7.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述至少一个转子磁极和所述至少一个定子磁极构造成：一旦所述至少一个转子磁极在所述第一腿和所述第二腿之间转动，在所述至少一个转子磁极处感应的磁通量从所述第一腿通过所述至少一个转子磁极流动到所述第二腿。

8.如权利要求7所述的电机，其特征在于，所述至少一个定子磁极和所述至少一个转子磁极构造成所述磁通量不横穿所述转子的内部。

9.如权利要求8所述的电机，其特征在于，所述转子内部是压缩机。

10.如权利要求8所述的电机，其特征在于，所述转子内部是膨胀机。

11.如权利要求7所述的电机，其特征在于，还包括：

至少一个线圈，所述至少一个线圈设置在所述至少一个定子磁极上，且可操作地感应出所述磁通量。

12.如权利要求11所述的电机，其特征在于，还包括：

外壳，该外壳将所述电机的内部与所述电机的外部分离开，其中，所述至少一个线圈设置在所述外壳的外部上。

13.如权利要求7所述的电机，其特征在于，还包括：

至少两个线圈，所述至少两个线圈设置在所述至少一个定子磁极上，所述至少两个线圈中的一个线圈设置在所述第一腿和所述第二腿中的每一个上，所述至少两个线圈可操作地感应出所述磁通量。

14.如权利要求1所述的电机，其特征在于，

所述定子具有多个定子磁极，所述多个定子磁极中的每一个包括第一腿和第二腿，

所述转子具有多个转子磁极，以及

所述多个转子磁极中的每一个在所述多个定子磁极的所述第一腿和所述第二腿中的每一个之间转动。

15.如权利要求14所述的电机，其特征在于，

所述多个定子磁极和所述多个转子磁极构造成：在所述多个定子磁极中的每一个上感应出的所述磁通量不横穿所述转子的内部。

16.如权利要求15所述的电机，其特征在于，所述转子内部是压缩机。

17.如权利要求15所述的电机，其特征在于，所述转子内部是膨胀机。

18.如权利要求14所述的电机，其特征在于，还包括：

至少一个线圈，所述至少一个线圈设置在所述多个定子磁极中的每一个上，且可操作地有选择地感应出磁通量。

19.如权利要求18所述的电机，其特征在于，还包括：

外壳，该外壳将所述电机的内部与所述电机的外部分离开，其中，所述多个定子磁极中的每一个上的所述至少一个线圈设置在所述外壳的外部上。

20.如权利要求19所述的电机，其特征在于，

所述多个定子磁极中的每一个设置在可移去地连接到所述外部外壳上的套件内。

21.如权利要求14所述的电机，其特征在于，所述多个定子磁极中的每一个在电气上和磁性上与所述多个定子磁极中的其余磁极隔绝。

22.如权利要求21所述的电机，其特征在于，所述多个转子磁极中的每一个是铁磁性叶片。

23.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述至少一个转子磁极的至少一部分设置在所述至少一个定子磁极的径向外侧。

24.如权利要求23所述的电机，其特征在于，所述转子包括至少一个第二转子磁极，还包括：

具有至少一个定子磁极的第二定子，所述第二定子的所述至少一个定子磁极包括第一腿和第二腿；其中

所述转子相对于所述第二定子转动，

所述至少一个第二转子磁极构造成在所述第二定子磁极的所述第一腿和所述第二腿之间转动，并且

所述至少一个第二转子磁极的至少一部分设置在所述第二定子的所述至少一个定子磁极的径向内侧。

25.如权利要求24所述的电机，其特征在于，所述转子是转筒。

26.如权利要求1所述的电机，其特征在于，

所述定子磁极还包括第三腿，

所述转子还包括至少一个第二转子磁极，其中

所述至少一个第二转子磁极构造成在所述至少一个定子磁极的所述第二腿和所述第三腿之间转动。

27.如权利要求26所述的电机，其特征在于，

所述定子磁极还包括第四腿，

所述转子还包括至少一个第三转子磁极，其中

所述至少一个第三转子磁极构造成在所述至少一个定子磁极的所述第三腿和所述第四腿之间转动。

28.如权利要求26所述的电机，其特征在于，所述第一腿、所述第二腿和所述第三腿中的每一个包括线圈，以在所述定子磁极上感应出磁通量。

29.如权利要求1所述的电机，其特征在于，

所述第一腿的至少一部分设置在所述至少一个转子磁极的径向内侧，而所述第二腿的至少一部分设置在所述至少一个转子磁极的径向外侧。

30.如权利要求1所述的电机，其特征在于，

所述至少一个定子磁极是四个以上定子磁极，

所述至少一个转子磁极是四个以上转子磁极，以及

所述四个以上定子磁极和所述四个以上转子磁极构造成：所述四个以上定子磁极中的两组可同时电气地激励，以吸引所述四个以上转子磁极中的两组。

31.一种电机，包括：

定子，该定子具有至少一个定子磁极；

转子，该转子具有至少一个转子磁极，其中

所述转子相对于所述定子转动；以及

所述转子和所述定子具有一接口角度，当所述转子膨胀时，允许所述转子磁极的表面滑过所述定子磁极的表面。

32.如权利要求31所述的电机，其特征在于，所述电机是电动机。

33.如权利要求32所述的电机，其特征在于，所述电机是开关磁阻电动机。

34.如权利要求31所述的电机，其特征在于，所述电机是发电机。

35.如权利要求31所述的电机，其特征在于，所述至少一个转子磁极和所述至少一个定子磁极构造成：在所述至少一个转子磁极上感应的磁通量不横穿所述转子内部。

36.如权利要求35所述的电机，其特征在于，所述转子内部是压缩机。

37.如权利要求35所述的电机，其特征在于，所述转子内部是膨胀机。

38.如权利要求35所述的电机，其特征在于，还包括：

至少一个线圈，所述至少一个线圈设置在所述至少一个定子磁极上，且可操作地感应出所述磁通量。

39.如权利要求38所述的电机，其特征在于，还包括：

外壳，该外壳将所述电机的内部与所述电机的外部分离开，其中，所述至少一个线圈设置在所述外壳的外部上。

40.如权利要求31所述的电机，其特征在于，所述多个定子磁极中的每一个在电气上和磁性上与所述多个定子磁极中的其余磁极隔绝。

41.如权利要求31所述的电机，其特征在于，

所述至少一个转子磁极的至少一部分设置在所述至少一个定子磁极的径向外侧。

42.一种电机，包括：

定子，该定子具有四个以上定子磁极；以及

转子，该转子具有四个以上转子磁极，其中

所述转子相对于所述定子转动；以及

所述四个以上定子磁极和所述四个以上转子磁极构造成：所述四个以上定子磁极中的两组可同时电气地激励，以吸引所述四个以上转子磁极中的两组。

43.如权利要求42所述的电机，其特征在于，

所述四个以上定子磁极中的两组中的每一组间隔开180度。

44.如权利要求42所述的电机，其特征在于，

所述四个以上定子磁极是六个以上定子磁极，

所述四个以上转子磁极是六个以上转子磁极，以及

所述六个以上定子磁极和所述六个以上转子磁极构造成：所述六个以上定子磁极中的三组可同时电气地激励，以吸引所述六个以上转子磁极中的三组。

45.如权利要求42所述的电机，其特征在于，所述四个以上定子磁极是U形的。

46.如权利要求42所述的电机，其特征在于，所述四个以上转子磁极是铁磁性叶片。

47.如权利要求42所述的电机，其特征在于，所述电机是电动机。

48.如权利要求47所述的电机，其特征在于，所述电机是开关磁阻电动机。

49.如权利要求42所述的电机，其特征在于，

所述四个以上定子磁极中的每一个包括第一腿和第二腿，

所述四个以上转子磁极中的每一个在所述四个以上定子磁极的所述第一腿和所述第二腿中的每一个之间转动。

50.如权利要求42所述的电机，其特征在于，

所述四个以上定子磁极和所述四个以上转子磁极构造成：在所述四个以上定子磁极中的每一个上感应的磁通量不横穿所述转子内部。

51.如权利要求50所述的电机，其特征在于，所述转子内部是压缩机。

52.如权利要求50所述的电机，其特征在于，所述转子内部是膨胀机。

53.如权利要求42所述的电机，其特征在于，还包括：

至少一个线圈，所述至少一个线圈设置在所述四个以上定子磁极中的每一个上，且可操作地选择地感应出磁通量。

54.如权利要求53所述的电机，其特征在于，还包括：

外壳，该外壳将所述电机的内部与所述电机的外部分离开，其中，所述四个以上定子磁极中的每一个上的所述至少一个线圈设置在所述外壳的外部上。

55.如权利要求54所述的电机，其特征在于，

所述四个以上定子磁极中的每一个设置在可移去地连接到所述外壳上的套件内。

56.如权利要求42所述的电机，其特征在于，所述四个以上定子磁极中的每一个在电气上和磁性上与所述四个以上定子磁极中的其余磁极隔绝。

57.如权利要求42所述的电机，其特征在于，

所述四个以上转子磁极的至少一部分设置在所述四个以上定子磁极的径向外侧。

58.一种电机，包括：

定子，该定子具有至少一个定子磁极，所述至少一个定子磁极包括第一腿、第二腿和第三腿；以及

转子，该转子具有至少一个第一转子磁极和至少一个第二转子磁极，其中

所述转子相对于所述定子转动；以及

所述至少一个第一转子磁极构造成在所述第一腿和所述第二腿之间转动，并且

所述至少一个第二转子磁极构造成在所述第二腿和所述第三腿之间转动。

59.如权利要求58所述的电机，其特征在于，所述至少一个第一转子磁极和所述至少一个第二转子磁极是铁磁性叶片。

60.如权利要求58所述的电机，其特征在于，所述电机是电动机。

61.如权利要求60所述的电机，其特征在于，所述电机是开关磁阻电动机。

62.如权利要求58所述的电机，其特征在于，所述电机是发电机。

63.如权利要求58所述的电机，其特征在于，所述至少一个定子磁极、所述至少一个第一转子磁极和所述至少一个第二转子磁极构造成磁通量不横穿所述转子内部。

64.如权利要求63所述的电机，其特征在于，所述转子内部是压缩机。

65.如权利要求63所述的电机，其特征在于，所述转子内部是膨胀机。

66.如权利要求63所述的电机，其特征在于，还包括：

至少一个线圈，所述至少一个线圈设置在所述至少一个定子磁极上，且可操作地感应出所述磁通量。

67.如权利要求66所述的电机，其特征在于，还包括：

外壳，该外壳将所述电机的内部与所述电机的外部分离开，其中，所述至少一个线圈设置在所述外壳的外部上。

68.一种电机，包括：

定子，该定子具有至少一个定子磁极，所述至少一个定子磁极包括第一腿和第二腿；以及

转子，该转子具有周缘、至少一个第一转子磁极和至少一个第二转子磁极，其中

所述转子相对于所述定子转动；以及

所述至少一个转子和所述至少一个定子构造成磁通量从所述第一腿通过所述至少一个第一转子磁极流入所述周缘，并从所述周缘通过所述至少一个第二转子磁极流入所述第二腿。

69.如权利要求68所述的电机，其特征在于，

所述转子和所述定子具有一接口角度，当所述转子膨胀时，允许所述转子磁极的表面滑过所述定子磁极的表面。

70.如权利要求68所述的电机，其特征在于，所述电机是电动机。

71.如权利要求70所述的电机，其特征在于，所述电机是开关磁阻电动机。

72.如权利要求68所述的电机，其特征在于，所述电机是发电机。

73.如权利要求68所述的电机，其特征在于，所述至少一个定子磁极、所述至少一个第一转子磁极、所述周缘和所述至少一个第二转子磁极构造成磁通量不横穿所述转子的内部。

74.如权利要求73所述的电机，其特征在于，所述转子内部是压缩机。

75.如权利要求73所述的电机，其特征在于，所述转子内部是膨胀机。

76.如权利要求73所述的电机，其特征在于，还包括：

至少一个线圈，所述至少一个线圈设置在所述至少一个定子磁极上，且可操作地感应出所述磁通量。

77.如权利要求76所述的电机，其特征在于，还包括：

外壳，该外壳将所述电机的内部与所述电机的外部分离开，其中，所述至少一个线圈设置在所述外壳的外部上。

78.一种电机，包括：

定子，该定子具有至少一个定子磁极；

转子，该转子具有至少一个转子磁极，其中

所述转子相对于所述定子转动，以及

所述至少一个转子磁极或所述至少一个定子磁极中的至少一个由容易饱和的材料或磁障制成。

79.如权利要求78所述的电机，其特征在于，所述至少一个转子磁极或所述至少一个定子磁极中的另一个由容易饱和的材料或磁障制成。

80.如权利要求78所述的电机，其特征在于，所述至少一个转子磁极的至少一部分是铁磁性叶片。

81.如权利要求78所述的电机，其特征在于，所述电机是电动机。

82.如权利要求81所述的电机，其特征在于，所述电机是开关磁阻电动机。

83.权利要求78所述的电机，其特征在于，所述电机是发电机。

84.如权利要求78所述的电机，其特征在于，所述至少一个定子磁极、所述至少一个第一转子磁极和所述至少一个第二转子磁极构造成磁通量不横穿所述转子的内部。

85.如权利要求84所述的电机，其特征在于，所述转子内部是压缩机。

86.如权利要求84所述的电机，其特征在于，所述转子内部是膨胀机。

87.如权利要求84所述的电机，其特征在于，还包括：

至少一个线圈，所述至少一个线圈设置在所述至少一个定子磁极上，且可操作地感应出磁通量。

88.如权利要求87所述的电机，其特征在于，还包括：

外壳，该外壳将所述电机的内部与所述电机的外部分离开，其中，所述至少一个线圈设置在所述外壳的外部上。

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