CN102210082B - 电机 - Google Patents

Abstract

一种电机，包括：第一部件，是定子或转子/动子，包括具有第一数目的互相隔开的磁极的第一部分；第二部件，是转子/动子或定子，包括具有第二数目的互相隔开的磁极的第二部分，第二部分的磁极布置成设置成通过与第一部分的磁极的磁相互作用，在电能和机械能之间转换，第二部分具有与第一部分基本相同的长度；和在第一部件或第二部件的磁极中的永磁铁，其中第二数目与第一数目相差1，以基本降低运动方向上的磁干扰力，其中，每个部件的磁极之间的间隙的间隙深度足够深，以基本衰减每个部件的主体和另一部件的磁极之间的磁相互作用，从而降低第一部件和第二部件之间的磁干扰力，并且其中，每个部件在与第一部件和第二部件之间的运动方向成横向并与部件的深度成横向的方向上是对称的，以基本平衡垂直于运动方向作用的磁力。

Description

电机

技术领域

本发明涉及电机，具体涉及具有布置成降低磁干扰力的永磁铁的电机。

背景技术

在现有电机（包括具有永磁铁的电机）中，磁干扰力造成不期望的能量损失、电机磨损和/或平稳操作的中断。电机也称为发电机，包括线性马达、旋转马达和发电机。磁干扰力（包括力矩）包括由磁相互作用引起的力，其阻止或至少不会有助于电能和机械能之间的有效转换，因此降低电机的效率和/或平稳操作。磁干扰力可以包括对抗运动的力（例如旋转电机中的齿槽力矩）和运动部件之间（例如转子和定子之间）的吸引力，这可以对电机中的轴承产生摩擦、静摩擦和各种力。例如，电机的各部分的运动路径上可能存在磁干扰力作用以降低电机效率的具体位置，磁干扰力包括作用于与运动相反方向的对抗力。为了克服对抗力，必须给电机提供附加功率，这在启动电机时可能尤其有问题。

在现有电机中，使永磁铁沿转子主体的周界非常靠近定子磁极隔开，这可能造成定子磁极和转子之间不期望的磁力。对于具有电磁铁的电机，使定子磁极非常靠近转子铁芯可能在电磁铁通电时，造成定子磁极和转子主体之间不期望的磁力。在现有电机中，在磁材料中嵌入磁铁可能降低磁效率。

电动马达是通过电源控制的，并将电能转换成机械能。现有电动马达可能具有将电力提供到产生动态磁场的电力线圈的低效率的控制电路和过程，特别是在较高工作频率下尤如此。

期望解决或改进与现有电机相关的一个或更多个缺点或局限性，或者至少提供一种有用的替代方式。

发明内容

根据本发明，提供一种电机，包括：

第一部件，该第一部件是定子或转子/动子，包括具有第一数目的互相隔开的磁极的第一部分；

第二部件，该第二部件是转子/动子或定子，包括具有第二数目的互相隔开的磁极的第二部分，第二部分的磁极布置成通过与第一部分的磁极的磁相互作用在电能和机械能之间转换，第二部分具有与第一部分基本相同的长度;和

在第一部件或第二部件的磁极中的永磁铁，

其中第二数目与第一数目相差1，以基本降低运动方向上的磁干扰力，

其中每个部件的磁极之间的间隙的间隙深度足够深，以基本衰减每个部件的主体和另一部件的磁极之间的磁相互作用，从而降低第一部件和第二部件之间的磁干扰力，以及

其中每个部件在与第一部件和第二部件之间的运动方向成横向以及与部件深度成横向的方向上是对称的，以基本平衡垂直于运动方向作用的磁力。

在实施例中，在电机的操作过程中第二部件相对于第一部件运动，磁干扰力包括诸如齿槽力矩的力和力矩。每个部件具有软磁材料的主体，其可以被磁性附连到另一部件上的磁极（或者是永磁铁磁极，或者是电磁极）。保持一个部件的磁极与另一部件的主体之间有大的距离会降低它们之间的吸引力（因此在垂直于运动方向上产生不期望的力）。第一部件的间隙的最小深度基本等于一个部件上使用的永磁铁的一个厚度，即从磁铁极面到主体的总间隙深度是磁铁厚度的两倍。

具有永磁铁的部件的间隙深度，不包括任何永磁铁（PM）的厚度，可以近似等于至少PM厚度，且优选为部件的磁极宽度的20%、10%或5%之内，或者基本等于部件的磁极宽度。

每个部件的磁极可以在每个部件上基本等间距隔开，磁极之间的间隙为每个部件上磁极的磁极宽度的大约20%、10%或5%之内，或者基本等于每个部件上磁极的磁极宽度。

每个部件上的磁极可以在垂直于运动方向的轴上对称布置，从而提供垂直于运动方向的直接对抗磁干扰力的相等力，因此基本抵消与运动方向垂直的力。

第一部件的磁极可以包括电力线圈，第二部件的磁极可以包括永磁铁。可替代地，第一部件的磁极可以包括永磁铁，第二部件的磁极可以包括电力线圈。

永磁铁的极面在相邻的磁极上交替重复。例如，一个部件上永磁铁的极面沿着整个部件交替重复北-南-北-南-北-南。

电机可以是旋转电机，其中每个部分的长度是一角度。第一部件可以是转子，第二部件可以是定子（或者反之亦然）。第一部分可以形成旋转电机的前半个第一部件，第二部分可以形成旋转电机的前半个第二部件。这可以允许径向磁干扰力降低。可替代地，电机可以是线性电机，其中每个部分的长度是一距离。第一部件可以是动子或运动件，第二部件可以是定子（或者反之亦然）。

电机可以是由具有电周期的控制器驱动的马达。在一些实施例中，每个线圈在前半个电周期中通过单个开关接收来自控制器的电力。在其它实施例中，每个线圈在前半个电周期中接收来自控制器的正电力，在后半个电周期中接收负的电力。每个线圈可以通过H桥配置的4个开关或通过半桥配置的2个开关接收电力。

每个线圈可以在近似四分之一电周期中接收电力。

电机可以是发电机，其通过转子或动子接收机械动力输入，每个线圈的端子可以提供电力输出。第一组线圈可以接收电力，而第二组线圈可以提供电力输出。这允许电机同时作为马达和发电机。第一部件可以是旋转发电机中的转子，或者线性发电机中的动子。

电机可以包括：第一电机；和第二电机，其中第一电机和第二电机在它们各自的部件上具有相同数目的磁极，并共享共同的驱动轴，并且第一电机的磁极与第二电机的磁极偏离，以降低磁干扰力。使同一轴中的转子具有偏离的磁极，可以进一步通过抵消各电机的一个上的磁干扰力为非零的位置处的磁干扰力，来降低诸如齿槽力矩的磁干扰力。

电机可以是电力系统的一部分。

在实施例中，与现有电机相比，电机的几何结构为许多平移（针对线性电机）或旋转（针对旋转电机）位置，提供磁干扰力的抵消或降低或平衡。磁干扰力是由电机的两个部件之间、即（在旋转电机中）定子和转子之间或者（在线性电机中）定子和动子之间的磁相互作用引起的。磁干扰力可能在电机的运动方向上（旋转电机中的正切力和力矩，例如齿槽力矩）或者直接在两个部件之间（旋转电机中的径向力）。磁干扰力的降低减小了提供电机（马达和/或发电机）运动所需的功率，因此提高了其效率和/或操作的平稳性。

附图说明

下文仅通过示例，参照未按比例绘制的附图进一步描述优选实施例，图中：

图1是电机的第一部件的第一部分和电机的第二部件的第二部分的示意图；

图2是包括永磁铁磁极的第一部分和包括电磁铁磁极的第二部分的示意图;

图3是包括电磁铁磁极的第一部分和包括永磁铁磁极的第二部分的示意图;

图4a是在与运动方向成横向地布置成直线的第一部件的磁极和第二部件的磁极的示意图;

图4b是在运动方向上布置在第一部件的两个磁极中间的第二部件的磁极的示意图;

图4c是第二部件的两个磁极在运动方向上与第一部件的两个磁极对称布置的示意图; 

图4d是在运动方向上布置在第二部件的两个磁极中间的第一部件的磁极的示意图；

图5是具有定子的线性电机的示意图，所述定子包括多个部分和永磁铁;

图5A是具有定子的线性电机的示意图，所述定子包括多个部分和电磁铁;

图6是具有转子和定子的旋转电机的示意图，其中定子和转子各自包括多个部分;

图7a是0度角位置的旋转电机的示意图;

图7b是18度角位置的旋转电机的示意图；

图7c是36度角位置的旋转电机的示意图；

图7d是54度角位置的旋转电机的示意图；

图8是用于电机的开关控制器的示意框图; 

图9是由在低频下操作的开关控制器驱动的电机的时序图; 

图10是由在高频下操作的开关控制器驱动的电动马达的时序图；

图11是用于电机的H桥控制器的示意框图；

图12是H桥控制器的H桥电路的框图;

图13是由在低频下操作的H桥控制器驱动的电动马达的时序图; 

图14是由在高频下操作的H桥控制器驱动的电动马达的时序图；

图15是半桥控制器的框图；

图16是半桥控制器的半桥电路的框图；

图17是由在低频下操作的半桥控制器驱动的电动马达的时序图；和

图18是由在高频下操作的半桥控制器驱动的电动马达的时序图。

具体实施方式

本文描述的是具有布置成通过磁相互作用在电能和机械能之间转换的两个部件的电机（诸如旋转马达、旋转发电机、线性马达或线性发电机）。两个部件例如是（旋转电机中的）定子和转子，或者是（线性电机中的）定子和动子。每个部件包括整数个相等长度（对于旋转电机是角长，或者对于线性电机是线性长度）的部分。

电机配置

如图1所示，各部分，例如第一部分102和第二部分104各自包括主体106、108和一个或多个磁极110、112。在操作中，两个部分102、104相对于彼此在与排成行的磁极110、112对齐的运动方向114上运动。由于磁极110、112中包括的磁铁产生的磁场，两个部分102、104磁性地互相作用。磁铁使磁场将第一部分102的极面116主要联接到第二部分104的相邻极面118。由这些磁场产生的磁力在电动马达中提供部分102、104在运动方向114上的运动，在发电机中在部分102、104相对于彼此在运动方向114上运动时，通过这些磁场的运动而在磁极（例如第二部分104的示例磁极112）周围缠绕的线圈中产生的电流产生电力。

每个部分102、104的主体106、108主要由软磁材料形成，诸如硅钢、钴钢、镍合金、低碳钢、磁性不锈钢等等。

第一部分102的磁极110由软磁材料形成，包括磁铁，其可以是如图2中所示的永磁铁202，或者是图3中可见的电磁铁302。第一部分102的每个磁极110是用基本相同的第一磁极宽度120形成的。在第一部分102的相邻磁极110之间形成在第一部分102的磁材料中的间隙122，以建立高导磁率的区域，在该区域中联接磁场比在主体106和磁极110中更加困难。每个间隙122具有在极面116和主体106之间的间隙深度124（间隙深度124也已知为“磁极高度”），不包括极面116的表面上的任何永磁铁。每个间隙122还具有间隙宽度126，其基本等于磁极宽度120。间隙宽度126在旋转电机中是角宽。

为了降低电机中的空气摩擦（“气流”），非磁材料，诸如铝、铜、塑料等可被插入到间隙122和/或128中。

第二部分104的每个磁极112与第二部分104中的相邻磁极118间隔间隙128，相应地类似于第一部分102的间隙122、间隙高度124和间隙宽度126，其也具有高度130和宽度132。

第二部分104的磁极112具有与第一部分102的磁极宽度120类似并基本等于间隙宽度132的磁极宽度134。第二部分的每个磁极112由软磁材料形成，并包括可以是如图2中所示的电磁铁204或者如图3中所示的永磁铁304的磁铁。每个电磁铁204包括一卷磁性导线，诸如铜线。

如在图1、2和3所示的示例中，每个部分102、104的长度L相同（在旋转电机中可以是角长），但具有不相等数目的磁极110、114。一个部分具有第一数目的磁极（例如第一部分102具有3个磁极110），另一部分具有第二数目的磁极（例如第二部分具有2个磁极112），第二磁极数目与第一磁极数目相差1（即，第二数目可以比第一数目大或小1个磁极）。换言之，一个部分具有n数目的磁极，另一部分具有n+1数目的磁极。两个部分之间的磁极数目的比率，n:(n+1)允许磁干扰力降低，特别是作用于运动方向114的磁干扰力，诸如齿槽力矩，其在旋转电机中对抗运动。

通过使磁极比率为n:(n+1)，对于两个部分102、104相对于彼此在运动方向114上的多个位置，由磁极110、112的磁性引起的磁力在运动方向114上基本抵消。例如，如图4a中所示的，由于第一部件104的磁极110和第二部件104的直接相邻的磁极112的直接对齐，两个磁极110、112之间的磁力不包括运动方向114上的任何分量。类似地，如图4b中所示的，由于第二部件404的磁极112布置在第一部件402的两个磁极110的中间，两个磁极110、112之间的磁力在运动方向114上平衡，所以在此配置中，作用于磁极110、112之间的运动方向114上的净力为0。类似地，如图4c中所示的，对于布置成与第一部件402的一对磁极110对称的第二部件404的一对磁极112，由于磁极110、112之间的力在此位置基本平衡，所以在运动方向114上没有力。类似地，如图4d中所示的，对于在运动方向114上布置在第二部件404的两个磁极112的中间的第一部件402的磁极110，力，运动方向114上的力平衡。使磁极110、112布置在相等长度的部分102、104中，并在电机的每个部件402、404中为整数，使得当两个部件402、404相对于彼此在运动方向114上运动时，磁极110、112能布置在位置/时间上的多个点处的在运动方向114上力为0的位置（如图4a、4b、4c和4d中所示）。这种布置可以基本上降低在运动方向114上的磁相互作用力。

更高的n值会提供磁干扰力出现抵消的更多位置。在抵消存在的点之间的位置，在运动方向114上所产生的力会是非零的，但对于大的n值，例如n>3，或者适用时尽可能大，所产生的力不是相当大的。通常，协同操作的一对部分n和（n+1）在每个部分长度L上具有2*n*(n+1)个位置，在这些位置在运动方向114上所产生的力基本是0。更高的值2n(n+1)使得运动方向上磁干扰力降低得更多。

例如，如图5中所示，线性电机500包括形式为线性定子502的第一部件和形式为动子504的第二部件。线性定子502包括多个线性定子部分506，其中的每个具有多个定子磁极508和一个主体510。每个定子磁极508在每个极面包括永磁铁511。定子磁极508用与磁极508本身相同宽度的磁极508之间的间隙等间隔地隔开（即间隙宽度等于磁极宽度）。动子504包括动子磁极512，其包括电磁铁和主体514。动子504包括两个动子部分516，每个部分具有两个磁极512，并共有同一主体514。

在线性电机500中，动子504具有一个动子部分516的长度，动子部分516包括两个动子磁极512。线性定子502包括多个线性定子部分506，每个部分与动子部分516的长度相同，且每个部分包括3个定子磁极508。因此，动子部分516具有n个磁极，且线性定子部分506具有数目为n+1个磁极。

线性电机500中的线性定子502设置在动子504的相对侧，以提供与运动方向114垂直且与部件的深度成横向的磁力的平衡（例如，从顶部和底部之间，或者在两个相对侧之间）。每个部件的深度是沿进入图5页面的维度的深度。电机的两个部件，即线性定子502和动子504在垂直于运动方向114的方向上是对称的，这允许垂直于运动方向114作用的磁干扰力的大幅降低。例如，如果只有一侧，例如形成线性定子502的一侧502A的线性定子部分506和形成动子504的同一相应侧504A的动子部分516一起操作，则在部件502A，504A之间垂直于运动方向114作用的磁力会经历垂直于运动方向114的很大的力，这需要使用机械手段，例如导轨来抵消。通过提供每对互相作用的磁极组的对称镜像，基本上降低垂直于运动方向114的磁干扰力。降低这些力允许电机更平稳、更高效的操作。

如图5A中所示，线性电机500A包括形式为线性定子552的第一部件和形式为动子554的第二部件，在每个极面有永磁铁511。除了线性定子552包括具有永磁铁的磁极，动子554包括具有电磁铁511的磁极之外，线性电机500A的布置对应于以上描述的线性电机500的布置。线性电机500A的操作相应地类似于线性电机500的操作。

为了优化操作过程中电机的性能（即动态相位），具有永磁铁（PM）的每个磁极的高度，不包括PM厚度，至少是PM厚度，优选在部件磁极宽度的20%、10%或5%之内，或基本上等于磁极宽度。这基本上降低了磁极磁铁和主体的软磁材料之间的吸收力。这还允许几乎所有的磁力线被定向到不同部件的相邻磁极之间，而不是定向到任一部件的主体。因此这些磁力线主要有助于有用力/力矩的产生。

间隙宽度126、132的值/尺寸取决于磁铁高度和所使用的磁铁类型（例如，钕钢硼、钐钴、陶瓷或铝镍钴合金），以基本降低磁铁端部的与相邻或下一个相邻的其它部件的磁极互相作用的磁边缘场。结合磁极高度（或间隙深度）选择间隙宽度126、132的值，以为各个磁极周围的电磁线圈绕组提供足够的空间。例如，每个部件的磁极可在每个部件上基本等间隔隔开，磁极之间的间隙在磁极宽度的大约20%、10%或5%之内，或基本等于每个部件上磁极的磁极宽度。

如图6中所示，电机可以是旋转电机600，其包括旋转定子602和转子604。旋转定子602包括软磁材料的主体606和多个定子磁极608，定子磁极608围绕旋转定子602等间隔隔开在相邻的定子磁极608之间的相同间隙609。定子间隙609在角宽上基本等于定子磁极608。每个定子磁极608包括形式为由磁极608周围的绕组形成的电磁铁的磁铁。转子604包括主体610和多个转子磁极612，转子磁极围绕转子604等间隔隔开与转子磁极612基本相等角宽的转子间隙614。每个转子磁极612包括在极面上形式为永磁铁的磁铁，其面对定子磁极608，用于磁极608、612之间的磁相互作用，这提供旋转电机600中机械能和电能的转换。转子604在运动方向114上围绕转子604中心的轴616旋转。旋转定子602包括多个定子部分，每个部分有n个定子磁极608，定子部分与相应的转子部分具有相等的角长，转子部分包括(n+1)个转子磁极612。旋转电机600在旋转定子602和转子604的每一个中设置至少两个部分，且通常沿与运动方向114垂直并与转子604和定子602的深度成横向的线是对称的，以允许基本消除（或平衡）径向方向（即运动轴616的径向）的磁干扰力，相当于消除（或平衡）以上参照线性电机500描述的横向磁干扰力。转子604和定子602的深度是电机沿其旋转轴的深度。

在旋转电机600中，n=4，并且转子604包括具有附连到其5个磁极612中的每一个的永磁铁的一个部分和直径相对的也具有5个磁极612的部分。旋转定子602包括具有在其4个磁极608中每一个上的电磁铁（由线圈形成）的一部分和直径相对的也具有4个磁极608的部分。转子部分对着的角度是180度。定子部分对着的角度也是180度。在图6中，点划线618的相对两侧上显示每个部件的直径相对的部分。

如图7a所示，可以用所有旋转磁极612的极面具有交替重复极性、即北/南/北/南等的磁铁来配置电机600。

电机600可以用作旋转马达，以通过转子磁极612上的永磁铁和定子磁极608上的电磁铁之间的磁相互作用将电能转换成机械能（即，转子604的旋转）。来自电源的电流被引导通过电磁铁的线圈（绕组），从而产生磁场，其给转子604的永磁铁施加力。每个定子磁极608的磁场在强度和方向方面由电磁铁中的电流控制。

电控制器

对于配置为马达的电机，电机可以包括用于将电流供应给马达的电控制器，电机具有开关布置（或“开关方案”）以控制称作驱动马达的马达。驱动马达可以是旋转电动马达，其具有在其定子磁极上的电磁铁，可以是旋转电动马达，其具有在其转子磁极上的电磁铁，或者是线性电动马达，其具有在其定子磁极或者动子磁极上的电磁铁。驱动电磁铁可以具有n个转子/动子磁极，或者n个定子磁极。例如，驱动电磁铁可以是旋转电机600的形式。

电控制器被配置成控制电流供应到电机线圈，使得对抗驱动马达的优选运动的磁场基本上被避免，或者至少最小化。例如，即使对于本文参照图10、图14和图18描述的高频操作的驱动马达，电控制器基本上仅在最终产生的磁场通常有利于（即支持）驱动马达在马达的优选方向上的运动时，给驱动马达的电磁铁的线圈提供电力。这样，每个线圈并不被驱动成产生任何实质的磁场，该磁场产生通常对抗驱动马达的优选运动的磁干扰力（结合其它部件的磁极）。

电控制器包括周期性地以周期Te给每个线圈提供电流的电路。在本文描述的示例性时序布置（即时域布置）中，电驱动电流在每个周期Te中重复。可以参照四分之一周期，即Te/4来描述时序布置（例如在图9、图10、图13、图14、图17和图18）：每个周期的开始被称作“点A”，第一四分之一周期的末尾被称作“点B”，半周期的末尾被称作“点C”，四分之三周期的末尾被称作“点D”，一个周期的末尾（其对应于下一周期的开始）被称作“点E”。对于旋转驱动马达，这些点对应于转子的角位移（对于固定定子，反之亦然）。对于不同电机，这些角位移点与马达的四分之一电周期运动对应，这些角位移点对不同的n值具有不同值。

对于形式为旋转电机600的示例性驱动马达，对于每个电磁铁，电磁铁的每个线圈中的电流通过示例性电控制器被控制，电控制器具有基于转子604的角位置的时序布置。示例性旋转电机600的四分之一周期点是：（A）在电周期Te的开始的为0度的第一角位置（称作“点A”），如图7a中所示，在该位置，第一转子磁极612A直接与第一定子磁极608A对齐；（B）在四分之一Te处的18度位置（称作“点B”），如图7b中所示，在该位置，第一转子磁极612A离开第一定子磁极608A在运动方向上旋转18度的角度；（C）在二分之一Te处的36度位置（称作“点C”），如图7c中所示，在该位置，第一转子磁极612A从第一定子磁极608A转过36度的角度；和（D）在四分之三Te处的54度位置（称作“点D”），如图7d中所示，在该位置，第一转子磁极612A从第一定子磁极608A转过54度的角度。通过从点D转过又一个18度角，转子604再次运动到0度位置（即点A，也称作“点E”，如图7a中所示），第三转子磁极612C运动成与第一定子磁极608A直接对齐，从而重复该循环（第三转子磁极612C具有与第一转子磁极612A相同的磁极性）。在此示例中给出的具体角度涉及对于旋转电机600来说两个部件相对于彼此的四分之一部分的运动。

驱动马达具有机械周期Tm，其指转子转过一整圈所花的时间。对于不同示例的驱动马达，具体是对于不同值的n和(n+1)，机械周期Tm和电周期Te之间的关系不同。例如，对于形式为旋转电机600的驱动马达，(n+1)=5，电周期(Te)是机械周期(Tm)的1/5。

对于示例性电开关控制器800，如图8中所示，每个电磁铁由开关驱动。直流（DC）电源802，诸如交流至直流（AC/DC）变换器或电池组，使用功率电子开关810，810*将DC电流供应到驱动马达（例如，示例性电机600）中电磁铁的马达线圈812，812*（也称作“M线圈”或“MC”）。直流至直流（DC/DC）变换器804将来自直流电源802的直流功率变换成适当的直流电压，以操作位置传感器806和控制器电路808。位置传感器806确定动子504或转子604相对于定子502、602的位置，并生成用于控制器电路808的位置信号。控制器电路808基于位置信号并与位置信号同步地同时使开关810，810*在准确的所选时刻开关（导通/断开）。每个开关在基本进行传导时，处在导通（ON）状态，在基本非传导时，处在断开（OFF）状态。控制器电路808还基于输入控制器，或者预设或预先选择的速度值，调节动子504或转子604的速度（即马达的速度）。

在电机中直径相对的匹配线圈对812、812*和它们各自的开关810、810*被控制以具有同步电流来平衡及基本上消除（或至少降低）相对的磁力，该磁力包括垂直（或“横向”）于运动方向的潜在磁干扰力。通过降低或基本消除通常横向或垂直于运动方向的磁干扰力，可以降低来自马达轴承等的不期望的摩擦，因此提高马达效率和寿命。

示例性驱动马达的每个线圈的电输入波形和机械输出波形的关系示于图9中，马达由在低频率下操作的开关控制器800驱动。图9(a)显示使线圈电流在点A和点C之间对有效运动是有利的时候。对于示例性电机606，如图7a中和图7b中所示，线圈电流的方向被控制成使得当它们在点A对齐直到它们旋转大约Te/4到点B时，第一定子磁极608A的磁化具有与第一转子磁极612A相同的磁极性。第一定子磁极608A因此排斥第一转子磁极612A，吸引具有与第一转子磁极612A相反磁极性的第二转子磁极612B。图9(b)显示开关810（且因此还有同步开关810*）在点A和点B之间处于ON状态。断开开关810（且因此还有同步开关810*）由于下降时间tf而允许线圈电流衰减，在点C到达0，此时使线圈电流变成不利，如图9(a)中所示。图9(c)显示线圈电流波形，包括电流上升时间（tr）和下降时间（tf）。Tr和tf取决于线圈的时间常数，时间常数是线圈电感与其直流电阻的比率。对于低频操作，上升时间和下降时间不是周期Te的主要部分。图9(d)显示电输入的瞬时功率(Pe)，它是电源电压（Vdc）、开关状态（Ss）和线圈电流（I）的乘积，或Pe=Vdc*Ss*I。图9(e)显示由于线圈电流而产生的力矩波形。最大力矩在点B。图9(f)显示机械输出的瞬时功率（Pm），该瞬时功率是力矩（Tq）和转子的角速度（ω）的乘积，或Pm=Tq*ω。

对于示例性驱动马达的每个线圈，当每个线圈被在高频下操作的开关控制器800驱动时，电输入波形和机械输出波形的关系示于图10中。如图10(a)和10(b)中所示，对于线圈电流和受控开关状态的有利时刻基本上与低频操作相同；然而，在高频下，Te要短很多，因此电流上升时间（tr）和下降时间（tf）占据Te的1/2，如图10(c)所示。当开关控制器800在比图9中的波形更高的频率下操作时，图10中的波形显示受上升时间（tr）和下降时间（tf）限制的线圈电流最大值和最小值。图10(d)显示电输入的瞬时功率（Pe），它具有三角形波形，占据大约Te的1/4。图10(e)显示由于线圈电流而产生的力矩的波形。该力矩在点B最大。图10(f)显示机械输出的瞬时功率（Pm），其占据大约Te的1/2。

如图10(c)中所示，在高的操作频率下，线圈电流—以由安装的驱动马达的特征限制的速率上升，包括电感和电阻—经过至少四分之一的周期Te之后，仅从其最小值增大到其最大值，并类似地，经过至少第二个四分之一的周期Te之后，从其最大值降低到其最小值，在该时刻之后，如图10(a)中所示，通过“有利于”线圈电流存在的周期：因此将开关处在ON状态的持续时间选择为基本上是一个周期的四分之一，以允许线圈电流在后半个Te中在用于“不利”电流的时刻开始之前降低到其最小值（即在图10(c)中是0），同时仍尽可能长时间保持线圈电流。这样，与线圈对应的磁极不会产生任何实质磁场，该磁场产生与驱动马达的优选运动相反的力，即“磁干扰力”形式。

如图11所示，对于示例性H桥电控制器1100，每个线圈，MC1，MC1*,…，MCn，MCn*由H桥电路1200、 1200*驱动。如图12所示，包括4个开关1202（S1，S2，S3和S4）的H桥电路1200允许电流从单极直流电源802（供应+Vdc）以任一方向通过线圈。

示例性驱动马达的每个线圈的电输入波形和机械输出波形的关系在图13中示出，驱动马达由H桥控制器1100驱动，并在低频下操作。图13(a)显示理想线圈电流的波形，其中它在前半个Te中是正的，在后半个Te中是负（或相反）的。图13(b)显示4个开关状态波形，其中：S1和S4形成一对开关，允许正电流通过线圈（S1和S4在点A导通，然后S1在点B断开，S4在点C断开）；S3和S2形成一对开关，允许负电流通过线圈（S3和S2在点C导通，然后S3在点D断开，S2在点E断开）。图13(c)显示线圈电流波形，这里电流在点A和点C之间通常是正的，在点C到点E之间是负的。图13(d)显示电输入的瞬时功率（Pe），这里在点A到点B以及点C到点D，从电源汲取电力。图13(e)显示由于线圈电流产生的力矩的波形。最大力矩在点B和点D。图13(f)显示机械输出的瞬时功率（Pm）。

示例性驱动马达的每个线圈的电输入波形和机械输出波形的关系在图14中示出，驱动马达具有H桥控制器1100并在高频下操作。如图14(a)中所示的理想线圈电流的时序和如图14(b)中所示的相对于Te的开关时序与低频操作相同；但是，线圈电流仅在点A和点C之间是正的，仅在点C和点E之间是负的，如图14(c)所示。

当H桥控制器1100在比图13中的波形更高的频率下操作时，图14中的波形显示受上升时间（tr）和下降时间（tf）限制的线圈电流的最大值和最小值。使每个H桥电路1200导通（即传导电流）的优选时间在最大操作频率下因此是大约1/4的Te。图14(d)显示电输入的瞬时功率（Pe），其中在点A到点B以及点C到点D，从电源汲取电力。图14(e)显示由于线圈电流产生的力矩的波形。最大力矩在点B和点D。图14(f)显示机械输出的瞬时功率（Pm）。

如图15所示，对于示例性半桥电控制器1500，每个线圈MC1，MC1*,…，MCn，MCn*由半桥电路1600、1600*驱动。如图16所示，包括2个开关1602（S1和S2）的半桥电路1600允许电流从双极直流电源802（供应+Vdc和-Vdc）以任一方向通过各自的线圈。每个线圈MC1，MC1*,…，MCn，MCn*连接于其各自的半桥1600、1600*和电接地之间。

示例性驱动马达的每个线圈的电输入波形和机械输出波形的关系在图17中示出，驱动马达由半桥控制器1600驱动，并在低频下操作。图17(a)显示理想线圈电流的波形，其中它在前半个Te中是正的，在后半个Te中是负（或相反）的。图17(b)显示2个开关状态波形，其中：开关S1允许正电流通过线圈（S1在点A导通，然后在点B断开）；开关S2允许负电流通过线圈（S2在点C导通，然后在点D断开）。每个开关在每个周期的1/4中是导通的。图17(c)显示线圈电流波形，其中电流在点A和点C之间是正的，在点C到点F之间是负的。图17(d)显示电输入的瞬时功率（Pe），其中在点A到点B以及点C到点D，从电源汲取电力。图17(e)显示由于线圈电流产生的力矩的波形。最大力矩在点B和点D。图17(f)显示机械输出的瞬时功率（Pm）。

示例性驱动马达的每个线圈的电输入波形和机械输出波形的关系在图18中示出，驱动马达由半桥控制器1600驱动，并在高频下操作。如图18(a)和图18(b)所示，理想电流和开关时序相对于Te与用于低频操作的情况相同。图18(c)显示线圈电流波形，其中电流在点A和点C之间是正的，在点C到点E之间是负的。由于半桥控制器1600在比图17中的波形更高的频率下操作，图18中的波形显示受上升时间（tr）和下降时间（tf）限制的线圈电流的最大值和最小值。对于在最大频率下操作的马达，使每个开关S1、S2导通的优选时间因此是大约1/4的Te，如图18中所示。图18(d)显示电输入的瞬时功率（Pe），其中在点A到点B以及点C到点D，从电源汲取电力。图18(e)显示由于线圈电流产生的力矩的波形。最大力矩在点B和点D。图18(f)显示机械输出的瞬时功率（Pm）。

优选地，包括控制器电路的控制器（诸如开关控制器800，H桥控制器1100或者半桥控制器1500），被配置成通过使每个线圈具有开关（诸如单个开关，H桥开关或半桥开关），并通过将来自电源（诸如直流DC电源）的电流并联地提供给线圈，分别向每个线圈提供（或“注入”）电流。并联而不是串联地给线圈供电允许每个线圈中流过的电流更大，这是因为只有一个线圈的电阻（而不是串联线圈时多个线圈的电阻）承受直流电源的电压。线圈中更高的电流（在线圈导体的性能极限之内）在电机中产生更高的电磁力。

电机可以是多部件电机，其包括多个运动的磁铁部件，等效于具有共享电机部件的多个单独的电机。例如，多部件电机可包括：第一电机和第二电机，它们在各自的部件上具有相同数目的磁极，共享共同的驱动轴。第一电机的磁极优选与第二电机的磁极偏离，以便进一步降低磁干扰力。例如，使同一轴上的转子具有偏离的磁极，可以通过抵消各电机中每一个上的力为非0的位置的磁干扰力，来降低磁干扰力，诸如齿槽力矩。

电机可用在各种应用和系统中。电机是可按比例缩放的，即它可以被制成各种尺寸和功率等级。作为旋转马达，电机可以被结合到各种电器、电动工具、电动汽车等中。作为旋转发电机，它可以用在风力发电机、水力发电机、混合汽车等中。作为线性马达，它可以用在例如电磁铁路和磁浮火车中。

示例

在计算机模拟原型中，电机的形式为线性电机，其中n=4（类似于图5A中所示的电机，其中n=2）。示例电机包括每个部分具有5个磁极的定子（有多个定子部分）。定子磁极宽度是35mm，定子磁极间隙宽度是35mm，定子间隙深度是35mm。定子主体包括硅钢的软磁材料。线性电机包括每个部分具有4个磁极的动子（有两个对称的动子部分）。动子磁极宽度是44mm，动子间隙宽度是44mm，动子间隙深度是44mm。动子的磁材料是低碳钢。动子包括宽度为35mm、厚度为10mm、由钕铁硼制成的永磁铁（PM）。定子磁极包括每个线圈具有100匝的铜线圈。5mm的空气间隙将定子和动子极面隔开。电机的深度，即横向于运动方向并进入图5A中页面的部件的深度（因此也是定子、动子和PM的深度）是100mm。

在模拟的原型电机的仿真中，在运动方向上非零的磁干扰力的峰值约是26N。每个线圈的电输入峰值电流是大约50A。每个带电线圈，在运动方向上产生的力的峰值是大约是510N。

解释

在不偏离本发明的范围的情况下，各种修改对本领域技术人员是很明显的。

在本说明书中对任何现有出版物（或由其得出的信息）或已知的任何情况的引用不是也不应该认为是承认或认可或以任何形式建议现有出版物（或由其得出的信息）或已经的情况形成本说明书涉及的领域中的公知常识的一部分。

Claims (11)

1.一种电机，包括：

第一部件，该第一部件是定子或转子/动子，包括具有第一数目的互相隔开的磁极的第一部分；

第二部件，该第二部件是转子/动子或定子，包括具有第二数目的互相隔开的磁极的第二部分，第二部分的磁极布置成通过与所述第一部分的磁极的磁相互作用在电能和机械能之间转换，所述第二部分具有与所述第一部分基本相同的长度;和

在所述第一部件或第二部件的磁极中的永磁铁，

围绕所述第一部件或第二部件的磁极的电力线圈，

其中所述第二数目与所述第一数目相差1，以基本降低运动方向上的磁干扰力，

其中具有永磁铁的所述第一部件或第二部件的磁极之间的间隙的间隙深度足够深，以基本衰减每个部件的主体和另一部件的磁极之间的磁相互作用，从而降低所述第一部件和所述第二部件之间的磁干扰力，

其中具有所述永磁铁的部件的间隙深度指不包括任何永磁铁的厚度的具有所述永磁铁的部件的主体中的间隙深度，并且所述间隙深度至少等于永磁铁的厚度，以及

其中每个部件沿与所述第一部件和所述第二部件之间的运动方向垂直并与所述部件的深度成横向的线是对称的，以基本平衡垂直于所述运动方向作用的磁力。

2.根据权利要求1所述的电机，其中具有所述永磁铁的部件的间隙深度指不包括任何永磁铁的厚度的具有所述永磁铁的部件的主体中的间隙深度，并且所述间隙深度近似等于所述部件的磁极宽度。

3.根据权利要求2所述的电机，其中所述永磁铁的极面在相邻的磁极上交替。

4.根据权利要求3所述的电机，其中所述第一部件的磁极和所述第二部件的磁极在每个部件上基本等间隔地隔开所述磁极之间的间隙。

5.根据权利要求4所述的电机，其中所述磁极之间的间隙的宽度基本等于每个部件上的磁极的磁极宽度。

6.根据权利要求5所述的电机，其中所述电机是由控制器驱动的马达，所述控制器具有电周期，并且每个线圈在所述电周期的前半个周期期间接收来自所述控制器的正电流，并在所述电周期的后半个周期期间接收负电流。

7.根据权利要求6所述的电机，其中每个线圈通过H桥配置中的4个开关接收电力。

8.根据权利要求6所述的电机，其中每个线圈通过半桥配置中的2个开关接收电力。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的电机，其中所述电机是发电机。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的电机，其中所述电机是旋转电机，并且每个部分的长度是一角长，其中所述第一部分形成所述旋转电机的前半个第一部件，并且所述第二部分形成所述旋转电机的前半个第二部件。

11.根据权利要求1-5中任一项所述的电机，其中所述电机是线性电机，并且每个部分的长度是一距离，其中多个第一部分形成所述线性电机的前半个第一部件，并且所述第二部分形成所述线性电机的前半个第二部件。