CN102187547B - 再生电动机和线圈 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效电动机，其可以以几种结构体现，包括标准电动机、轮毂电动机、直线电动机或者其他电动机结构。作为再生装置，电动机还可以担当兼作或专作电力发电机。提供一种由定子和转子组成的电动机。该定子具有设置在其中的线圈阵列。转子具有设置在其中的磁体阵列。每一个线圈包括绕磁芯缠绕的线材的第一绕组，并且线具有非圆形截面。线可以是扁平线。

Description

再生电动机和线圈

相关申请的交叉参考

本申请要求2008年8月15日申请的临时申请No.61/188,994的优先权。

关于联邦资助研究或发展的声明-无附录-无

技术领域

本发明通常涉及电动机，尤其涉及一种具有新式线圈的再生电动机。

背景技术

在传统电动机中，周围绕有铜线的铁用于将磁通从由铜线圈产生磁通的地方传递到需要在转子/定子交界的区域使用磁通的地方。

发明内容

根据本发明的电动机是一种高效电动机，其可以以几种结构体现，包括标准电动机、轮毂电动机、直线电动机或者其他电动机结构。作为再生装置，电动机还可以兼作或专作电力发电机。

在再生电动机中，线圈和磁芯是设计的重要元件。根据实施例和设计性能要求，线圈中的磁芯包括极少量铁基材料或无铁基材料，并且在使用地点用于产生磁通，而不是通过铁或铁叠片从产生地点传递到使用地点。由于本发明在大多数实施例中包括离散线圈，所以不是所有线圈都必须专作电动机线圈或发电机线圈。一些应用可以需要同时使用作为电动机驱动线圈的一些线圈和作为发电机线圈的其他线圈。例如，与使用独立变压器或其他固态调节装置相反，发电机线圈的一部分可以用作电源变压器以便为给定负载产生唯一的所需电压或电流。作为第二示例，电动机可以使用一些或全部线圈工作以便驱动负载并且之后操作者可以给电动机发信号以便用作发电机，使用一些或全部线圈用于再生制动，例如在电动汽车应用中。根据需要在单个或集合的基础上，为了电动机转矩输出或发电机输入的增量增加或降低，也可以不使用线圈。

在电动机结构中，线圈由电时序系统控制，在周期性的+/-和-/+交替方式下其将电能输入到线圈内。时序可以通过使电输入从+/-切换到-/+和从-/+切换到+/-的这一点延迟或超前来调节。时序的调节可以影响转矩和速度。与次佳时序相比，最佳的时序导致较高的效率。

在发电机结构中，线圈可以用于驱动负载，通常通过电源整流装置，将交流电转化为直流电。

在电动机用作一种兼作电动机和发电机的实施例中，电路优选可以在线圈电源开关电路路径和整流器输出电路路径之间切换。

在标准电动机结构中，定子是静止的，转子是旋转的，根据本发明的电机是一种电动机，其1)包括一个或多个静止的定子，最优地，每一个定子具有在每一个定子的每一侧的转子，在每一个定子段之间具有一个转子，2)最优地，在定子/转子堆的每一端上在转子之外具有分流路径，3)在本发明的此次描述中所述的转子阵列中的一个或多个磁体，4)在本发明的此次描述中所述的定子阵列中的一个或多个线圈，5)内部或外部电动机控制电路，6)可选地，在一个或多个转子中包括行星齿轮组，以及7)可选地，包括锁定或离合机构，用于相对于电动机壳体或定子来锁定行星齿轮组的环形齿轮。

在轮毂电动机结构中，根据本发明的电机是一种电动机，该电动机1)连接到静止或移动的主轴或轴，2)包括为了基于转子内的永磁体和使用极少量的铁基磁芯材料的定子中的线圈优化最佳性能的一个或多个定子和转子，3)内部或外部电动机控制电路，4)连接到内部或外部能量存储装置，5)可选地，包括用于接收遥控仪器的系统，6)可选地，包括用于向中央控制计算机发送遥控状态更新信息的系统，7)可选地，包括内部行星齿轮组，8)可选地，包括锁定或离合机构，用于将主轴锁定到电动机的输出上。

在直线电动机结构中，本发明是一种电动机，该电动机包括1)直线定子和转子或直线定子/转子堆，2)转子具有一个或多个磁体，和3)定子具有一个或多个线圈。

径向定位电动机与上述电动机(和发电机)的不同在于，磁体和线圈(或线圈和线圈)沿径向而不是轴向平行线定位。例如，在标准电动机结构中，电动机可以构造为在外圆周表面上具有围绕转子的磁体，然后线圈设置在定子上，该定子构造为与转子径向对齐的同心排列。这种原理也可以用于转子/定子堆，或者磁体和线圈的多个同心阵列或者在转子上的线圈的阵列或者在定子上的线圈的阵列。这种设计可以通过沿电动机的轴线增加多个同心阵列或通过层叠多个同心阵列的部件调节。

本发明可以以其它电动机结构体现，包括但不限于短轴型电动机和杯型电动机。在优选实施例中，线圈被永磁体驱动或被驱动；但是，在其他实施例中，线圈可以用于被其他线圈驱动或被驱动。

因此，在本发明的一个方面，提供一种由定子和转子组成的电动机。定子具有设置在其内的线圈的阵列。转子具有设置在其内的磁体的阵列。每一个线圈包括围绕磁芯缠绕的线材的第一绕组，并且该线具有非圆形截面。

优选地，线包括扁平线。优选地，每个线圈还包括围绕磁芯缠绕的线材的第二绕组。优选地，第一和第二线圈由单个线材组成，并且第一和第二线圈互相相对定位。线圈可以以螺旋形式形成在第一印刷电路板上。

优选地，电动机具有多个线圈模块，并且每一个线圈设置在每一个线圈模块中。

优选地，磁芯是基本上无铁的磁芯。磁芯可以是空芯。

优选地，磁芯具有大体与磁体的截面形状匹配的形状。优选地，磁芯是非圆形的。

磁芯可以由规格线组成。可选择地，磁芯具有切口的薄钢。

电动机可以是轮毂电动机。可选择地是，电动机可以是直线电动机。优选地，电动机可以是再生电动机并且每一个线圈分开调节。此外或可选择的是，电动机可以包括行星齿轮组。

在一个可选择的实施例中，提供一种具有定子和转子的电动机。定子具有设置在该定子中的线圈的阵列；和转子具有设置在该转子中的磁体的阵列；每一个线圈具有围绕磁芯缠绕的线材的绕组，每一个磁体具有第一磁极面、第二磁极面和位于第一磁极面和第二磁极面之间的中间部分。第一磁极面比中间部分窄。

优选地，第二磁极面比中间部分窄。优选地，磁体具有相邻第一磁极面形成的第一台阶。磁体还具有相邻第二磁极面形成的第二台阶。第一和第二台阶可以是楔形台阶。可选择地是，磁体可以具有相邻第一磁极面形成的倾斜边缘。

磁体的阵列绕转子的轴线周向设置。在该实施例中，磁体具有接近电动机的轴设置的内端和远离电动机的轴设置的外端。磁体的内端优选地比磁体的外端窄。优选地，磁体的第一磁极面的内端比磁体的第一磁极面的外端窄。每一个磁体可以由一个堆叠在另一个的顶部的两个或多个磁体块组成。优选地，磁芯具有大体与磁体的第一磁极面的形状匹配的形状。

在一个可选择的实施例中，提供一种具有定子和转子的电动机。定子具有设置在该定子中的线圈的阵列，和转子具有设置在该转子中的磁体的阵列。每一个线圈包括围绕磁芯缠绕的线材的绕组。该磁芯具有第一磁极面、第二磁极面和位于第一磁极面和第二磁极面之间的中间部分。在该实施例中，中间部分具有比第一和第二磁极面窄的宽度。

在一个可选择的实施例中，提供一种具有定子和转子的电动机。定子具有设置在该定子中的线圈的阵列，和第一转子具有设置在该第一转子中的磁体的阵列。每一个线圈包括围绕磁芯缠绕的线材的绕组。每一个磁体具有宽度、长度和高度。磁芯具有宽度、长度和高度。在该实施例中，每一个磁体通过磁体距离与相邻磁体间隔开，并且磁体距离不小于磁体的宽度。

优选地，磁体距离不大于磁体的长度。电动机还包括第二转子，其具有设置在该第二转子上的磁体的阵列。第一转子的磁体通过磁体间隙与第二转子的磁体中相邻一个间隔开，并且该磁体距离不小于磁体间隙。

优选地，磁芯的宽度不小于磁体的宽度。优选地，磁体的高度不小于磁芯的高度。

在本发明的另一个方面，提供一种用于电动机的线圈模块。该线圈模块包括磁芯和绕磁芯缠绕的线材的第一绕组。线具有非圆形截面。

线可以是以螺旋形式印刷在印刷电路板上的导体路径。线可以是扁平线。

本发明的其它应用领域从之后所提供的详细描述中可以显而易见。应该理解，详细描述和特定示例，在表明本发明的优选实施例的同时，意在仅为了示意的目的而非限制本发明的范围。

附图说明

本发明的上述和其他目的和特征将从结合附图所给出的优选实施例的以下描述中变得显而易见，其中

图1是根据本发明的电动机的一个实施例的透视图。

图2是图1的电动机的部分分解视图。

图3A是图1的电动机的定子的线圈模块的放大视图；和图3B是从不同方向看去的图3A的线圈模块的另一放大视图。

图4是根据本发明的线圈的一个变型的透视图，其中线圈由围绕圆形空芯缠绕的扁平线绕组组成。

图5是根据本发明的线圈的另一个变型的透视图，其中线圈由两组并排的围绕圆形空芯缠绕的扁平线绕组组成，线圈互相相对定位。

图6是根据本发明的线圈的另一个变型的透视图，其中线圈由两组并排的围绕圆形空芯缠绕的扁平线绕组组成，线圈在相同的方向上定位。

图7是根据本发明的线圈的另一个变型的透视图，其中线圈由围绕基本上矩形的空芯缠绕的扁平线绕组组成。

图8是根据本发明的线圈的另一个变型的透视图，其中线圈通过层叠多个印刷电路板形成。

图9是根据本发明的磁芯的一个变型的透视图，其中线圈由一系列小规格线组成。

图10是根据本发明的磁芯的另一个变型的透视图，其中线圈由具有切口的薄钢片组成。

图11是根据本发明的磁芯的另一个变型的透视图，其中磁芯具有在中间部分变小的宽度。

图12A是根据本发明的磁体的一个变型的透视图，其中磁体在顶部的窄端具有楔形台阶；图12B是磁体的另一个变型的透视图，其中磁体分别在顶部和底部的窄端具有两个楔形台阶；图12C是磁体的另一个变型的透视图，其中磁体由两块组成，一个堆叠在另一个顶部，每一个具有楔形台阶；和图12D是磁体的另一个变型的透视图，该磁体具有倾斜表面。

图13示出了根据本发明为了获得最佳性能的优选设计规则。

图14示出了根据本发明的用于电动机的分流板。

图15示出了根据本发明的轮缘型轮毂电动机的一个示例。

图16示出了根据本发明的高密度标准结构电动机的一个示例。

图17示出了根据本发明的具有行星齿轮组的电动机的一个示例。

图18示出了根据本发明的高密度传动电动机的一个示例。

图19示出了根据本发明的标准电动机转子的一个示例。

图20示出了根据本发明的标准电动机转子的另一个示例。

图21示出了根据本发明的电动机定子的一个示例。

图22示出了图21的定子，为了示意目的省略了一些线圈模块。

图23示出了根据本发明的轮毂电动机转子的另一个示例。

图24示出了根据本发明的轮毂电动机转子的另一个示例。

图25示出了根据本发明的轮毂电动机定子的另一个示例。

图26示出了根据本发明的带轮辐的电动机定子的另一个示例。

图27示出了给定磁体对线圈比率下的相数表。

具体实施方式

图1和2示出了电动机10，其包括夹在一对转子50之间的定子20。图2是电动机10的部分分解视图。图1和2所示的电动机10使用单一的转子-定子-转子结构。定子20具有一个或多个线圈阵列31。每个转子50具有一个或多个磁体阵列60。该设计可调节，以使每个转子部分50包括较少或较多的磁体60，或者使每个定子段20包括较少或较多的线圈31。在感应电动机的情况下，转子50将包括线圈阵列而不是磁体阵列。

定子-转子段的数目与定子和转子厚度两者之比，可以根据给定应用需要而为了最佳性能与成本的比较而尽可能优化。当定子20的厚度不超过给定转子50中的磁体60的厚度的两倍时，可以实现最佳性能。有可能使用不同厚度的转子50和定子20，并且对于任一给定的转子50和定子20可以使用不同的单个厚度。在电动机10的每一个轴向端使用较厚的转子50是最佳的。

在旋转电动机(或发电机)中的“定子-转子段(stator-rotor section)”定义为轴向设置的转子50，后面跟着轴向设置的定子20，后面跟着轴向设置的转子50。“定子-转子堆”定义为以重复模式转子50后面跟着定子20，后面跟着转子50，后面跟着定子20，后面跟着转子50，其中该堆的每一端优选为转子50(“端转子”)，在该堆的轴向外端优选构造有磁分流路径70。在该堆中的定子-转子段通过该堆中的定子20的数量来计数。

在直线电动机(或发电机)中的“定子-转子段”定义为直线设置和排列的转子50紧接直线设置和排列的定子20，后面跟着直线设置和排列的转子50，定子20用于描述成固定部件，转子50用于描述为移动部件，尽管根据需要两部分都可以构造成移动的。根据需要，转子50或定子20可以包括线圈31或磁体60。在直线电动机中的“定子-转子堆”定义为以重复模式转子50紧接定子20，后面跟着转子50，跟着定子20，后面跟着转子50，其中该堆的每一端优选为转子50(“端转子”)，在该堆的轴向外端优选构造有磁分流路径70。在该堆中的定子-转子段通过该堆中的定子20的数量来计数。

这里描述的每一个实施例可以构造为电动机，发电机，或者兼作的电动机和发电机，或者由用作驱动器线圈或发电机线圈的线圈31的数量所确定的部分电动机和部分发电机，注意，每一个线圈31可以构造为按照需要从发电机操作模式变换为电动机操作模式。

在图1和2所示的实施例中，定子20具有多个线圈模块30。最好如图3所示的，每个线圈模块30具有线圈31。线圈31由围绕磁芯34的一对线圈32组成。可选择的是，线圈模块30可以具有单个线圈32，或者可以具有两个以上的线圈32。在示意性的实施例中，磁芯34是非圆形的。如图4，5，6，8，9和10所示，磁芯34可以形成为圆形形状。线圈32优选由导电性良好的线33例如铜制成。线33优选是被绝缘的。

在图4所示的实施例中，线33是扁平的，并且绕圆形的磁芯34缠绕。扁平线的使用可有助于减小气隙，优化磁通模式，并且增加线圈32的完整性。另外，线33的横截面形状可以是非圆的。尽管如此，线33的截面形状可以像传统那样是圆形的。

在图5所示的实施例中，线圈31由两个并排的扁平线33的线圈32组成。扁平线33从中心侧向外侧连续缠绕而形成线圈32，然后相同的线33再次从中心侧向外侧缠绕而形成分离的线圈32，从而由单个线33组成的两个线圈32在同一磁芯34上并排设置。由于两个线圈32由相同的线33组成，因此线33的两端设置在线圈32的外侧。该并排的线圈可以在同一磁芯34上以偶数个线圈成组地一遍又一遍地重复，使得线33的两端可以总是位于线圈32的中心侧或外侧。在图5中，两个线圈32互相相对定位。相对定位促使产生最佳的穿过线圈的磁通。可选择的是，两个线圈32可以以如图6所示的同一方向定位。

尽管优选偶数个线圈32，但是如果设计者希望具有中心线端和外侧线端的话，也可以使用奇数个线圈32。但是，留下单个线从线圈32的中心侧横穿到外侧会扭曲感应磁通场并且降低线圈性能和效率。

在图7所示的实施例中，线圈31由围绕矩形磁芯34缠绕的扁平线33的线圈32组成。如图5或6所示，两个或多个线圈32可以并排设置。此外，磁芯34可以是非圆形的和非矩形的。

在图4、5、6和7中，没有线穿过线圈32的表面。缠绕线33以便线33的两端设置在线圈32的外侧，在这两端处线33需要与电源连接。可选择的是，线33的两端可以设置在线圈32的同一内侧(或者其他方便的位置)。优选的，每一个线圈32设计为使其起独立线圈的作用，即使被包括在额外线圈的并联或串联链中。

在图4、5、6和7中，缠绕线33以便其较大的平表面面向垂直于线圈31的轴线的方向。但是，也有可能缠绕线33以便其较大的平表面面向平行于线圈31的轴线的方向。

单个线圈32可以与合适的绝缘体或粘结剂结合到一起，以防止移动或提供给线圈31整体结构的完整性。线圈31可以以另一种材料例如塑料封装，或者可以夹在用于附加结构完整性的其他薄型材料之间。

在图8所示的实施例中，线圈31可以由多个印刷电路板35组成。每一个印刷电路板35具有围绕磁芯34以螺旋形状印刷在其上的导体路径33a，以便形成线圈32。因此，可以层叠多个印刷电路板35以形成多个线圈32。可选择的是，线圈31可以由单个印刷电路板35组成以形成单个线圈32。印刷的导体路径33a可以具有圆形的或者其他同心形状，该形状大体与磁芯34的形状匹配，并通常也与磁体60的形状匹配。

如图4、5和6所示，线圈31可以围绕圆形磁芯形状缠绕，或者如图3A、3B和7所示，线圈31可以围绕非圆形形状缠绕。线圈31优选由良好的导体例如铜组成。线圈32优选由绝缘线33组成。线33的截面形状可以是圆形的或非圆形的。如图4、5和6所示，扁平线是特别有效的。如图8所示，线圈32可以由多个层叠的具有圆形、螺旋形或者其他同心形状的电路板35组成，这些形状大体与磁芯34的形状匹配，并大体与磁体60的形状匹配。

最好如图2所示的，磁芯34的截面形状优选与转子50的磁体60的法向的或表面的截面形状类似或者完全相同。磁芯34的截面尺寸也优选与磁体60的法向的或表面的截面尺寸类似或者完全相同。该磁芯设计允许垂直朝向转子50的磁体60的磁通尽可能地集中，同时减小了对磁通的任何阻力(以及由此引起的损失)。

最好如图2和3所示的，定子20由线圈31的阵列组成。使用三种类别的定子：集成定子，其中线圈31和定子20作为单个单元或模块结合到一起，部分集成定子，其中一部分线圈31作为单个单元或模块结合到一起，和单件定子，其中无论单个线圈是否暴露或封装，单个线圈31都分开使用，单个线圈31作为模块设计的基本单元，完全模块化设计。

使用轴向对齐的支撑结构，可以将多个定子20连接到一起，并且线圈模块30或多组线圈31可以在轴向方向上连接。根据需要，为了最佳地使用来自可用电源的可用电流和电压，在定子20中的单个线圈31可以以并联或串联或并/串联结合的方式连接。根据需要或要求，与定子线圈31的电接口连接可以构造成将线圈31从独立、串联、并联或者并/串联结合切换成并联和串联或者并联和串联的结合。

在一些设计中，在定子20内，在没有过分接近磁通路径横穿的路径中，产生从一个线圈31到下一个线圈31的钢磁通路径是有利的。在高速设计中，这种选择是不希望的。

使用在本发明中的磁芯34可以以多种结构和多种材料制成。在图9所示的实施例中，磁芯34由一系列小规格的线34a组成，该线34a优选是直径非常小的硬钢线。为了获得较好的性能，规格线34a之间的距离优选小于规格线34a的直径。当每个规格线34a以等于规格线34a的直径的同样的间隔距离与相邻的规格线间隔开时，可以获得最佳的间隔。但是，单个规格线34a之间的间隔距离发生变化也是可能的。对于较高的RPM、较低效率设计而言，较宽的间隔是合适的。为实现穿过线圈31的磁通的可选的定向聚焦效应，可以定向规格线34a。

在图10所示的实施例中，磁芯34由具有一个或多个小裂口或切口34c的薄钢34b组成。薄钢34b可以是宽度为几千英寸的硬钢。为了穿过线圈31的磁通的可选的定向聚焦效应，可以定向薄钢34b和切口34c。切口34c防止磁通感应围绕磁芯34流动的电流。

在图11所示的实施例中，磁芯34具有第一磁极面36、第二磁极面37、和沿中心轴线2位于第一和第二磁极面36、37之间的中间部分38。中间部分38的宽度比第一和第二磁极面36、37的宽度小。这种结构保持了磁极面36、37上的磁芯的宽度，同时增加了中间部分38中的线圈面积和线圈匝数的数量。因此，增加了磁极面处的磁通。

本发明的磁芯34优选使用少量的铁或者不使用铁。在使用少量铁的情况下，根据需要，优选使用尽可能少的硬钢，以聚焦磁力线。但是，也可以使用软铁，同时损失一些效率。已经使用小规格钢琴丝、非常薄且轴向分段的垫片材料、管子以及实心形状检测了本发明。在传统的电动机中，铁芯用于将磁通从由铜线圈产生磁通的地方传递到需要在转子/定子交界的区域使用磁通的地方。在本发明中，由于磁通正好在需要它的地方产生，所以不需要将磁通从产生的地点传递到使用的地点。

为了较便宜或者较容易地制造磁芯34，设计者可以使用完全无铁的材料(可能是一种用于线圈线圈目的的非铁磁芯，其在缠绕之后可以移走或不移走)，一种软铁管，或者在粘合剂中埋入的铁屑薄层，其理论上在粘合剂快速凝固之前放于磁场。

使用低速实质优化磁芯设计可以实现高效率。然而，在高速运行的情况下，可以使用空芯(无磁芯)或少量硬钢。

尽管在这里所提出的实施例中示出了最有效率的磁芯设计，但是本发明也考虑了效率不高的磁芯设计，为此存在不同的考虑理由，包括制造成本、降低通过电源电路的尖峰电压的反弹。

转子50设计为在转子50内包括一个或多个磁体60阵列。图12A到12D示出了磁体60的变型。磁体60具有以接近电动机10的中心轴线设置的内端61以、及以远离电动机10的中心轴线设置的外端62。磁体60也具有顶表面63和底表面64。当磁体60安装在转子50中时，顶表面63面向定子20。换句话说，顶表面63起磁极的作用。

在图12A所示的实施例中，磁体60在其两侧具有相邻顶部磁极面63形成的两个楔形台阶63a，使得顶部磁极面63在内端61处比在外端62处窄。图12B所示的实施例与图12A的不同之处在于，磁体60还在其两侧具有相邻底部磁极面64形成的两个楔形台阶64a，使得底部磁极面64在内端61处也比在外端62处窄。图12C所示的实施例与图12B的不同之处在于，磁体60由上下堆叠的两个半个部分60a和60b组成。两个半个部分60a和60b互相吸引，并且彼此保持固定在转子50的适当位置处。在图12D所示的实施例中，具有四个与顶部磁极面63相邻的倾斜边缘63b和四个与底部磁极面64相邻的倾斜边缘64b。顶部磁极面63和底部磁极面64在内端61处比外端62处窄。

上述结构的目的是为了聚集磁力线或磁通。磁体60是良好的磁通导体。设置在两个磁极面63和64之间的磁体60的宽的部分产生了较多的磁力线。在磁极处，位于顶表面和/或底表面63和64上的窄磁体或磁体材料引起磁力线在较窄的磁极表面上收缩和聚集到较高的集中度。

与磁体60的其他部分相比，图12A所示的台阶结构减小了顶表面63或磁极面的区域。因此，这种结构有助于在用作磁极端的较窄的顶表面63处集中磁场并且增加磁场强度。因此，当在设置在最外端的端转子中配置磁体60时，图12A的结构是优选的，此时定子仅处于一侧。

与磁体60的其他部分相比，图12B和12C所示的台阶结构或图12D所示的倾斜结构减少了顶部磁极面63和底部磁极面64的区域。因此，这种结构有助于在均用作磁极端的变窄的底表面64和变窄的顶表面63处集中磁场并且增加磁场强度。因此，当在设置在定子之间的中间转子中配置磁体60时，图12B到12D的结构是优选的。

基本上，最佳的磁体形状是比中间部分窄的磁极区域。在任一实施例中，磁体60不需要整体成磁体。磁体60可以通过任意数量的较小的或较薄的磁体片堆叠以得到合成的最终形状而构造。台阶的或倾斜结构可以通过加工磁体60或通过铸造获得。优选铸造过程。

磁体60可以具有任意形状，但是优选具有两个面向定子20的平行平坦的表面(磁极面)。磁体60的极性优选为交替结构的北极-南极-北极-南极。这会转化为一种总是使用偶数个磁体60的优选设计。优选间距是使用在磁体60之间的最近点的宽度，使之与磁体60的最宽部分的宽度相等，尽管较近或较远的结构也可以工作，但具有不同的效率。传统磁体形状包括圆柱形或盘形，棱镜正方形或矩形，以及具有内和外弧截断的棱镜楔形。

图13最佳地示出了最佳性能的优选设计规则。磁体60具有宽度W，长度L以及高度HM。长度L是在磁极面63和64之间所测量出的磁体60的尺寸。磁芯34具有宽度C，长度LC和高度HC。长度B是在磁极面36和37之间所测量出的磁芯34的尺寸。在设置在同一转子50内的相邻磁体60之间所测量出的磁体间隔用A表示。沿轴线2所测量出的在设置在相邻转子50内的磁体60之间的磁体间隙用B表示。分流板具有厚度H。

根据本发明的设计规则如下：

W≤A，优选W＝A

L≥A，优选L＞A

B≤A

C≥W，优选C＝W

L＞B

HM≥HC

另外，LC优选尽可能地接近B，以便沿轴线2所测量的线圈31和磁体60之间的间隙可以尽可能地小。H应该足够大，以便将大量磁通从线圈传递到线圈。对上述规则的任何违背都会导致效率降低，但是不必然引入非功能性。

最好如图13所示，磁体60沿轴向平行地相互相对定位(北极面向南极、且南极面向北极)。一个转子50上的磁体60与下一个转子50上的磁体60以这种方式对齐。围绕包括每个磁体60中心的圆形设置的单个转子50上的磁体60是互相相对排列的，也如图14所示。

在优选实施例中，定位磁体60使得磁化表面(磁极面)垂直对齐转子轴线。在一个可选择的实施例中，磁体60可以沿径向对齐。该可选择的实施例可以需要第二同心线圈31阵列，第一线圈阵列的中心与磁体60的外端对齐，第二线圈阵列的中心与磁体60的内端对齐。

在另一个可选择的实施例中，磁体60可以沿通过磁体60中心所描述的圆形的方向定位，围绕圆形，交替地北极面向北极或者北极面向南极。

在其他实施例中，磁体60可以互相相向彼此定位(北极面向北极且南极面向南极)。在这些实施例中，为了实现最佳性能，线圈设计必须改变，以便在图6所示的线圈轴线的中心处反转线圈方向。

在图14中示出了分流板70。分流板用于提供从一个磁体60到下一个磁体60的磁通传导路径。在图14中，磁通的一半被导入每个磁体60的右侧，一半被导入磁体60的左侧。分流板70使用在定子/转子堆的每一端上。根据需要，另外的分流板70可以用于很多定子/转子组中的每个。根据需要，分流板70由一个材料连续块、或多个材料独立块组成，尽管优选的是单个连续块。

上述说明可以推衍到径向定位的实施例。

图15示出了根据本发明的电动机10的示例，具体为轮缘型轮毂电动机。电动机10包括边缘11、位于定子/转子堆的任一端上的两个分流板、多个定子和转子(每一个具有径向阵列分布的矩形线圈31和磁体60)、轴承、轴以及必要的其他支撑部件。图15所示的这种特定设计不是模块化的，除了可将定子/转子堆的每个部分视为模块的这种意义以外。但是，该设计可以以模块组件实现，正如所示的所有高密度设计那样。

如图2、14和15所示，在定子-转子堆的每一端，存在磁分流路径或分流板70。分流板70由可以传导磁通的材料组成。来自转子磁体60的磁通通过分流板70可以封闭磁通回路，使得磁通回路从南极穿到下一个北极到下一个南极等等，最好如图14所示的那样。电动机10可以构造成没有一个或两个分流板70，但没有分流板70存在性能上的负面影响。最佳分流板性能的主要设计限制是截面面积等于一个磁体60的截面面积的一半。

在一些实施例中，分流板70可以被开槽或由离散段组成。每个槽或段的接口精确地对齐磁体60之间的中线。槽或接口产生磁力线的合理急剧变化，其与磁传感器例如霍尔效应器件一起使用，以告诉电动机控制器何时将到线圈31的脉冲从两个线圈线之间的+/-切换到-/+。假设希望定时延时(或超前)，同一信号可以用作两个线圈线之间的+/-到-/+的切换的定时延迟的起点的基础。

图16示出了根据本发明的电动机10的示例，其具体化为高密度标准电动机。“标准电动机”定义为一种具有静止定子和旋转转子、或构造成定子/转子堆的静止定子组和旋转转子组的电动机。标准电动机使用上述元件：定子、转子、线圈、永久磁体、位置传感器、线圈激励电路和/或整流电路以及先前已列举的设计考虑。在图16中，转子50容纳矩形磁体60，并且定子20容纳矩形线圈31和磁芯34(被隐藏在堆中)。定子20是静止的，且转子50旋转以驱动中心轴1。

图17和18示出了根据本发明的电动机10的示例，其具体化为行星齿轮组80。行星齿轮组80的结构在图18中较好地示出。转子50可以同心设置在环形齿轮82外侧、或者与环形齿轮82并排设置。结合方法可以不同，并且转子可以间接或直接与环形齿轮82结合，或紧邻环形齿轮82或位于环形齿轮82的外侧。

在行星齿轮组80中，电动机10的输入轴驱动中心齿轮81，环形齿轮82由电动机的转子50驱动，并且行星齿轮架84驱动输出轴。电动机10可选择地使用离合器或者其他锁定装置，以限制或锁定环形齿轮82(或连接到转子50)相对电动机壳体(未示出)的移动。定子20的能量输入驱动转子50，从而可以控制环形齿轮82的速度与输入轴的速度成比例或者与其不同，产生了改变与输出轴相关的齿轮比的能力。该齿轮比，根据从被驱动的转子50加入到环形齿轮82的能量，引起可变的输入到输出轴速度无限变化率从1∶1到行星齿轮组80的比率。不像通常的机械传动，电动可变传动通过一个或多个定子/转子段增加了转矩。

在图17中，三个转子50围绕中心的行星齿轮组80驱动两个定子20。两个定子20的每一个将包括24个封装的线圈模块30，但是每个定子仅示出了一个封装的线圈模块30。

在图18中，使用图17所使用的同一行星齿轮组80。在图17和18所示的两个实施例之间的关键差别是定子-转子段的宽度。图17的定子-转子段的宽度比图18的定子-转子段的宽度大。例如，在图17中每个转子50可以是1.5英寸厚，并且每个定子/转子部分是3英寸厚，包括1.5英寸厚的转子50，而图18中每个定子/转子部分是0.76英寸厚。但是，根据所希望的性能，也可以使用其他较大或较小的厚度。

图19示出了根据本发明的电动机10的转子50的示例，其具体化为标准电动机的转子。在该实施例中，转子50具有40个磁体孔52，这些磁体孔接近转子50外围均匀间隔设置。在这种情况下，所示出的转子50在转子50的中部具有中心孔54，正如在传动应用中有可能使用的那样。在非传动的标准电动机应用中，中心孔54可以比所示的小很多，必要时与轴、轴环或其他轴连接系统连接上。转子50可以设计为具有任意偶数个磁体孔52，每个磁体孔52在径向阵列上具有类似的形状。磁体60可以是圆形、正方形、楔形、矩形或其它方便的形状，但是，优选在图2中最佳示出了的被截断的楔形。

图20示出了根据本发明的电动机10的转子50的另一个示例，其具体化为标准电动机的转子。在该实施例中，转子50具有圆形槽56，用于收纳分流板70(未在图20中示出)，通过为每个磁体60提供传导磁通的路径来将一半的磁通传导到任一侧的径向阵列上的下一个磁体60，从而增加了电动机的效率。在定子/转子堆的每一端上的转子50优选构造成具有用于分流板70的圆形槽56，其应该设计成使用导磁材料。

图21和22示出了根据本发明的电动机10的定子20的一个示例。在图21中，具有两个定子20，每一个定子由封装的线圈模块30的径向阵列和在模块设计中可能使用到的支撑臂22组成。封装的线圈模块30的每一个径向阵列代表一个定子段。在图22中，为了示意的目的，省略了两个定子20中的其中一个中的一些封装的线圈模块30。

图23示出了根据本发明的电动机10的转子50的另一个示例，其具体化为轮毂电动机。在该实施例中，所示出的轮毂电动机10的转子50例如将会用在机动车式的应用中。

图24示出了根据本发明的电动机10的转子50的另一个示例，其也具体化为轮毂电动机。在该实施例中，所示出的轮毂电动机10的转子50作为具有齿58的链轮转子。从左方看去，转子50显示出用于矩形磁体60(未示出)的磁体孔52。在每个磁体孔52的四个角中的多余的半圆52a为了方便用在特定的制造工艺中，但是这些半圆52a不必设计成功能性的。从右方看去，转子50示出了用于分流板70(未示出)的分流槽56。

图25示出了根据本发明的电动机10的定子20的另一个示例，其具体化为轮毂电动机。在图25中，为了示意，示出了用于收纳线圈模块30(未示出)的内部矩形孔24。

图26示出了根据本发明的电动机10的定子20的另一个示例。在该实施例中，定子20具有轮辐21。附加孔23用于减轻重量。

在电动机的实施例中，为了实现最佳的电动机性能，控制脉冲时序的电路在线圈31相对于磁体60的右取向处切换(发射)脉冲。可以用不同的方式控制切换的时机，包括但不限于电刷，通过一个或多个线圈检测磁体位置，霍尔效应器件或光学传感器的使用。

当时机太过超前时，线圈31可以使用与电动机10的期望运动方向相反的合力推或拉磁体60。这会降低性能并浪费电力。当时机太过延迟时同样的情况也会出现。

仅依赖整流的发电机的实施例不需要检测相关磁体/线圈的相对位置。基于线圈/线圈的感应发电机需要检测该相对位置。

根据本发明的再生电动机可以设计成具有不同的相。每个相可以使用独立的电脉冲时序。典型地，一系列线圈如此定位，以激励第一线圈31，然后激励第二线圈，然后是第三线圈，等等，直到在三相电动机中的三个线圈31已被激励，或者在四相电动机中的四个线圈31已被激励，等等。一旦线圈31的数量与电动机10的相数达到匹配，则在独立线圈31对应重复系列中的第一线圈31的同一时刻，该系列中的下一个线圈31被激励。例如，在具有九个线圈的三相电动机中，线圈1、4、7首先被激励，线圈2、5、8然后被激励，最后线圈3、6、9被激励，之后再次重复该过程。

在设计过程中，通过确定或选择磁体60和线圈31的数量来确定相数。在磁体60和线圈31之间的角度用于确定相数。可以研究图表来简化该过程，例如图27中所示的图表。图27示出了在给定的磁体60对线圈31的比率下相数的表。该表可以用作查询表来确定在给定比率下给定电动机或发电机设计的相数。

根据磁体对线圈(或线圈对线圈)的定子和转子阵列的类型，每个线圈31每一次与4个磁体60相互作用，线圈每一侧的两个(只要在线圈31的每一侧存在相对转子50-在某些实施例中，其中线圈31在两侧没有转子50，线圈31每次与一半数量的磁体60相互作用)，如图13所示。在具有磁体60和线圈31的同心阵列或并排直线阵列的实施例中，单个线圈可以与更多数量的磁体60相互作用。

如下述说明那样，本发明可以具体化为不同类型的电动机。

实施例1：标准再生电动机

如图1所示，例如，标准电动机是一种具有静止定子和旋转转子或构造成定子-转子堆的静止定子组和旋转转子组的电动机。标准电动机使用上述元件：定子、转子、线圈、永磁体、位置传感器、励磁线圈电路和/或整流电路以及先前已列举的设计考虑。

实施例2：修改为包括行星齿轮组的用于无限变量电力传动的再生电动机的标准配置

如图17和18所示，例如，再生电动机可以修改为包括具有驱动中心齿轮的电动机输入轴的行星齿轮组、由电动机转子驱动的环形齿轮和驱动输出轴的行星齿轮架。电动机可选择地使用离合器或者其他锁定装置以限制或锁定环形齿轮(或所连接的转子)相对电动机壳体的移动。转子可以同心设置在环形齿轮外侧或者与环形齿轮并排设置。结合方法可以不同，并且转子可以间接或直接与环形齿轮结合，或紧邻环形齿轮或位于环形齿轮的外侧。

可变电力传动使用上述元件：定子、转子、线圈、永磁体、位置传感器、励磁线圈电路和/或整流电路以及先前已列举的设计考虑。

实施例3：自持的再生轮毂电动机

优选实施例打算为汽车或动力运动应用所用。轮毂电动机连接到通常从制动转子伸出的栓钉。轮毂电动机可以根据需要或快或慢地相对于主轴旋转。当容纳北极-南极交替的磁体阵列的一个或多个转子受到在由多个扁平线圈组成的定子中所产生的推-拉力的交替作用时，从电动机产生转矩。

在该实施例中，将这些元件组合到一起，以实现以再生或基于发电机的方式从制动动作或故意生成动作捕获能量，其中，从较高的相对主轴的速度到电动机速度并且将捕获到的能量存储到内部存储装置中，能量之后可以用于补充或代替主轴的能量，以便快速和高效加速或巡回(在能量存储装置的限制内)。

在自包含的实施例中，电动机控制器电子设备和一些小型能量存储装置包括在电动机中。控制信号可以借助遥控或者通过主轴传递。

在可选择的实施例中，电动机可以通过主轴或者通过滑环或盘或者使用用于与驱动信号进行通信的遥控装置来接收电源和控制信号。

根据需要，为了特定应用，可选择地是，轮毂电动机具有一个或多个锁定装置，其可以防止或限制轮毂电动机关于主轴的相对旋转。锁定装置是过载滑动式离合器、多个盘式离合器、或螺线管/制动机构的形式。

轮毂电动机以相对于输入主轴或轴的速度旋转的能力允许从动轮相对于电动机输入轴的速度旋转，允许轮毂电动机将能量加到输入轴上或从输入轴取得能量。这允许电动机在驱动模式、再生充电模式下工作，或在可控滑动模式下工作。

实施例4：具有静止主轴的轮毂电动机

除了在该实施例中主轴或轴是静止的以外，实施例4与实施例3相同。轮毂电动机围绕静止轴旋转。该实施例允许电源和控制信号线穿过主轴(包括空心主轴、具有多个绝缘电路径的实心主轴、或在主轴中的槽)。在该实施例中，电动机控制电子设备和/或电源可以设置在轮毂电动机的内部或者轮毂电动机的外部。

实施例5：具有内部行星齿轮组系统的轮毂电动机

在该实施例中，轮毂电动机的中心区域包括一个行星齿轮系统。电动机的输入主轴连接齿轮系统的中心齿轮。电动机的转子连接齿轮系统的环形齿轮。行星齿轮架连接轮毂电动机的旋转壳体，其依次驱动轮、辊、链轮齿、外部齿轮齿等等。

可选择地，为了一些应用，包括一个锁定机构来锁定齿轮系统以便输入轴直接旋转轮、链轮齿等，是合适的。锁定系统可以由过载滑动式离合器、盘式离合器、螺线管/制动机构等等组成。

行星齿轮系统的存在允许从动轮以相对于电动机的输入轴的速度旋转，允许轮毂电动机将能量加到输入轴或从输入轴提取能量。这使得电动机在驱动模式、再生充电模式下或者在控制滑动模式下工作。与没有齿轮系统的第一实施例相反，在该实施例中齿轮系统的存在使得从输入轴到从动轮的转矩有一定的增加，这对于上坡或从空闲状态启动是特别有利的。

实施例6：直线电动机

直线电动机实施例包括以下元件：1)直线转子，包括磁体或线圈的一个或多个直线阵列，2)直线定子，包括线圈的一个或多个直线阵列，3)检测前述的用于从动线圈(直线发电机实施例中不考虑)的线圈相对于磁体位置的一种方法，4)抑制或限制移动路径的一种方法，其可以包括直线轴承或轴衬配置的一些形式，这允许转子和定子在预定的路径上互相相对移动，5)可选择地，一种移动限制系统(弹簧、硬挡块、弹性凸起、磁体、阻尼器或者这些项目的组合)，以及6)可选择地，一个离合或制动系统。

实施例6a：直线定位电动机

当将实施例6中所述的直线电动机与任何类型(光学的，磁的，等等)的绝对型或增量型位置编码器和闭环反馈系统组合时，可以获得直线定位电动机。当线圈未被激励时，直线定位电动机不会受到从转子到定子的磁拉力。这意味着电动机不会趋于猛然跳到一个位置，而不是定子和转子的最后相对位置，在该最后相对位置处电动机最终停下来(除非存在外力)。同样地，如果闭环反馈系统从最后停止位置处检测到任何运动的开始，则可以激励线圈以将电动机重新定位和保持在初始位置。

实施例7：短轴型电动机

短轴型电动机定义为薄型电动机(或发电机)，其中电动机的直径比电动机的厚度大。再生电动机和线圈设计的短轴型电动机与具有直径对宽度轮廓尺寸比例的限制的标准电动机的设计相同。本发明所基于的薄型定子/转子部分使得再生电动机和线圈设计特别适于短轴型电动机的应用。

实施例8：旋转定位电动机

在这里所述的任一旋转电动机实施例与任何类型(光学的，磁的，等等)的绝对型或增量型位置编码器一起使用并且与闭环反馈系统组合的任一时刻，都可以获得旋转定位电动机的实施例。当线圈未被激励时，旋转定位电动机不会受到从转子到定子的磁拉力。这意味着电动机不会趋于猛然跳到一个位置，而不是定子和转子的最后相对位置，在该最后相对位置处电动机最终停下来(除非存在外力)。同样地，如果闭环反馈系统从最后停止位置处检测到任何运动的开始，则可以激励线圈以将电动机重新定位和保持在初始位置。

实施例9：杯型电动机

杯型电动机实施例可以设计为1)使用上述的径向对齐的磁体/线圈或线圈/线圈定子/转子元件或2)使用空心中心部分的定子/转子部分。

实施例10：磁模块

这里描述的线圈和磁体可以以不同结构存在。在一个实施例中，线圈都封装在另一种材料内，无论是否在一个或多个材料薄片内，或者完全封装在聚合物或其他封装材料中。在封装实施例中，封装的线圈模块可以选择地包括用于根据时序信号或计数激励线圈或者用于整流所产生的电的电子控制系统，或者具有激励电路和整流电路，根据应用进行电路路径切换。在一些实施例中，如果在部分工作循环期间中将能量输入线圈中，然后在另一部分工作循环期间从线圈中抽取能量，则可产生最佳性能。如果设计者希望将输入能量产生场，然后从塌缩场中捕获能量从而增加效率，类似压缩弹簧存储之后可以被释放出来的势能的方式是有用的。

磁模块可以以一个或多个线圈作为独立单元或作为较大组件的一部分的方式存在。磁模块可以是定子的一部分或是整个定子。磁模块可以包括线圈、或线圈和从控制和线圈中得到能量的电子设备。

实施例11：直线推进电动机(火车等等)

在直线电动机中所述的原理容易外推到用于不同种类的基于轨道的电动车辆的推进系统。一个实施例在轨道上使用交替的永磁体并在车辆上使用线圈，该车辆使用上述的直线推-拉定子/转子的相互作用。另一个实施例在车辆上使用永磁体，并在轨道上使用线圈。

实施例12：发射装置

用于直线推进电动机的同样的原理可以进一步外推到运载火箭或来自轨道作为发射体的物体。基于发射体的实施例可以使用这里所述的两维或三维的线圈阵列的线圈设计，该线圈阵列构造为在围绕永磁体或感应磁性发射体的一个或多个直线阵列中围绕管子。

实施例13：螺线管装置

在再生电动机和线圈设计的螺线管实施例中，线圈和磁体(有可能一个线圈和一个磁体)构造成作为螺线管工作。线圈被激励以移动磁体，线圈可以再次被激励或去激励(在重力弹簧、压缩气体或者其他返回运动系统的存在下)以将磁体返回到初始位置。

在上述所有实施例中，可选择地，线圈激励或能量收集电路可以包括在电动机中或与电动机分离，并且与电动机内部的线圈连接。将电子设备包括在轮毂电动机的中心或集成在标准电动机、传动电动机或类似装置的磁模块内是非常方便的。

这里所述的所有实施例也可以可选择地构造成具有线圈激励电路、线圈能量收集电路，兼作激励/收集电路，或应需的激励/收集切换电路。

在每一个实施例中，设计者可以有选择地挑选来进行设计模块化或非模块化。在模块实施例中，一个或多个线圈可以由独立模块制成。该模块化设计便于组织和维护，因而如果线圈模块故障，则进行电动机的最小限度的拆卸就可以将其替换-在某些情况下，甚至不需要停机。也可以想到，为了便于替换，可以以一个模块制造整个线圈定子段，尽管可能会建议使定子至少被分为两个部分以便最小限度的拆卸。尽管作为考虑的实施例或者该实施例的替换，转子可以被分为离散模块部分，但是这样做的优点会不太明显。

正如下面解释的那样，本发明可以以不同类型的电动机进一步体现。

替换实施例1：径向磁通路径(在径向而非轴向平行线上的磁体-线圈磁通路径)

该实施例与没有中心部分的杯型电动机类似。

替换实施例2：线圈和磁体的多个同心阵列

在期望额外功率对容量比的应用中，定子和转子可以按照上述实施例中所描述的构造，但是在转子和定子中具有一个或多个磁体和线圈的额外同心阵列。线圈和磁体可以从同心阵列到同心阵列径向交错或对齐。

替换实施例3：用于直线电动机的磁体中的多个线圈行

对于旋转电动机，该实施例与替换实施例2类似，为了实现附加性能，磁体和线圈的对齐或交错的阵列可以用于直线转子和定子中。

替换实施例4：多个线圈和磁体的同心阵列II

本实施例与替换实施例2类似，除了一个或多个定子/转子部分可以轴向定位构造以外，并且在同一装置中，有可能在替换结构中，一个或多个定子/转子部分可以径向定位构造。

由于可以对示例性的实施例做出不同的变化，所以正如上面参考相应的图解所描述的那样，在不脱离本发明的范围的情况下，旨在包括在前面描述中和在附图所示出的所有事物是示意性的而非限制性的。因此，本发明的边界和范围不应被上述任一示例性实施例所限制，而是应该进根据这里所附上的权利要求及其等同物所限定。

Claims (10)

1.一种电动机，包括：

定子，具有设置在所述定子中的线圈模块的阵列；

第一转子，具有设置在所述第一转子中的第一磁体的阵列，其中每个磁体具有一宽度、一长度和一高度，且其中：

每个磁体与相邻磁体间隔开一磁体距离；

该磁体距离不小于磁体的所述宽度；且

该磁体距离不大于磁体的所述长度；

第二转子，具有设置在所述第二转子中的第二磁体的阵列，其中第一转子的磁体与第二转子的相邻磁体间隔开一磁体间隙，且所述磁体距离不小于所述磁体间隙；

电时序系统，其配置为在周期性的+/-和-/+交替方式下输入电能至线圈模块；

其中至少一个线圈模块包括：

磁芯，其具有一宽度、一长度和一高度；且

线材的绕组围绕所述磁芯缠绕；

其中，所述磁芯的宽度不小于所述磁体的宽度，所述磁芯的高度不小于所述磁体的高度。

2.根据权利要求1的电动机，其中第一和第二绕组分别围绕各自的磁芯缠绕。

3.根据权利要求1的电动机，其中所述磁芯包括基本上无铁的磁芯。

4.根据权利要求1的电动机，其中所述磁芯包括空芯。

5.根据权利要求1的电动机，其中所述磁芯的形状大体与磁体的截面形状匹配。

6.根据权利要求1的电动机，其中所述磁芯是非圆形的。

7.根据权利要求1的电动机，其中所述磁芯包括规格线。

8.根据权利要求1的电动机，其中所述磁芯包括具有切口的薄钢。

9.根据权利要求1的电动机，其中所述电动机包括轮毂电动机。

10.根据权利要求1的电动机，还包括：

行星齿轮组，包括中心齿轮、行星齿轮、行星齿轮架和环形齿轮；

其中，所述中心齿轮从第一输入接收旋转力；

其中，所述行星齿轮围绕所述中心齿轮并且与所述中心齿轮和环形齿轮啮合；

其中，所述行星齿轮架连接到所述行星齿轮，使得所述行星齿轮将旋转能量传递给所述行星齿轮架；并且

其中，所述环形齿轮包括所述转子。