CN110366810A - 电机及电机的操作方法 - Google Patents

Abstract

一种电机，包括：第一转子，第一转子产生具有第一数量的极对的第一磁场；第二转子，包括多个极片，所述多个极片设置成调制第一磁场以产生具有第二数量的极对的第二磁场；定子，包括一个或多个绕组，所述绕组设置成产生具有第一数量的极对和第二数量的极对的第三磁场；其中，第三磁场与第一数量的极对及第二数量的极对的相互作用改变第一转子和第二转子之间的扭矩比。

Description

电机及电机的操作方法

技术领域

本公开涉及电机和电机的操作方法。电机的实施例中包括磁性齿轮传动构件。

背景技术

绝大多数齿轮传动方案已使用机械传动装置，但是对于能够向现有机械装置传递高扭矩的更小、更轻、更有效和更经济的传动方案的兴趣和需求不断增大。磁性齿轮传动装置是其中的解决方案之一。

磁性齿轮利用磁场在没有机械接触的情况下传递扭矩。在一种形式中，磁性齿轮具有三个主要部件，所有三个部件相对于彼此旋转。在一种现有的布置中，三个部件中在径向上位于内部的一个产生具有第一数量的极对的第一磁场。三个部件中在径向上位于外部的一个产生具有第二数量的极对的第二磁场。三个部件中在径向上位于中间的一个其自身不产生磁场。相反，它具有由非磁性和非导电性结构支撑的多个铁磁极片。该第三部件在第一部件和第二部件之间起到磁路的无源部分(passive part)的作用。极片(pole piece)的作用是调制第一磁场和第二磁场，以使它们以齿轮方式相互作用。因此，可以通过类似于行星机械齿轮装置的方式以齿轮方式在三个部件之间传递扭矩。

其他形式的磁性齿轮传动装置包括具有两个永磁体部件和调制环部件的从动齿轮；具有缠绕在磁齿轮上的定子的电动发电机；具有旋转的永磁转子、旋转的调制转子以及磁铁及绕组的静态阵列的具有集成齿轮的电动发电机；具有三个转子的可变磁性齿轮，其中两个具有永磁体阵列，一个为调制转子，以及一个用于控制其中一个转子的旋转的定子绕组；和/或具有一个永磁转子，调制转子和可以与调制磁场耦合并控制转速和基于此控制转速的传动比的定子绕组的可变磁齿轮。

图1示出了磁性齿轮100的示例。在该示例中，外部部件110具有实际上用作电动发电机的定子的一组绕组115。这种布置与发动(motoring)或发电模式的操作一起允许传递齿轮扭矩，并结合了磁性齿轮和典型电机的功能。在这种情况下，第一磁场是由内部部件130上的永磁体135产生。第二磁场由在外部部件110上的绕组115中流动的电流产生。如前所述，第三部件120具有多个铁磁极片125。第三部件120调制第一和第二磁场使得它们以齿轮方式相互作用。因此，可以在三个部件110、120、130中的任两个之间以齿轮方式传递扭矩，或者以类似于行星机械齿轮布置(epicyclic mechanical gear arrangement)的方式在所有三个部件之间传递扭矩。以类似于行星机械齿轮布置的方式，可以通过改变第二磁场旋转的速度来改变部件110、120、130之间的速度比。通过改变在外部部件110上的绕组115中流动的电流的频率来改变第二磁场旋转的速度。因此，可以利用可变速度比在所有三个部件110、120、130之间以齿轮方式传递扭矩。

图1所示的磁性传动装置可用于“混合型”的电动混合动力车辆。在中高速行驶过程中，混合型电动混合动力车辆的来自车辆发动机的机械动力补充车辆的储能系统。这与仅在电池达到充电阈值的最小状态时来自发动机的机械动力补充储能系统的电功率的其他类型的电动混合动力车辆不同。

在混合型电动混合动力车辆中，内部部件130通常向车轮传输机械动力和从车轮输出机械动力。中间部件120通常从车辆发动机输出机械动力；并且外部部件110是静止的并且通常将电功率传输到车辆的储能系统和从车辆的储能系统输出电功率。

有利地，可以按照上述方式对内部部件130和中间部件120之间的速度比进行控制，以便提供无级变速器(CVT)。因为内部部件的速度(即车轮的输出)基本上与中间部件的速度(即来自发动机的输入)分离，发动机可以在最有效的工作点自由运行。因此，混合动力车辆可以满足车轮速度要求，而不需要将发动机工作点从其最有效的区域移开。

然而，电机100中的扭矩比(torque ratio)保持不变。这是因为扭矩比仅由机械齿轮系统的几何形状和由定子绕组形成的极数决定。因此，随着速度比的变化，功率被迫在机器的所有三个部件110、120、130中流动(假设部件120、130中的至少一个的速度非零)。这意味着迫使电功率在外部部件110中流动，即，迫使电功率流过外部部件110上的绕组115。因此，经由外部部件110上的绕组115流入或流出电机100的功率不为零。

当电机100中的净电功率流为负时(即当外部部件110必须从该装置移除电功率时)，必须从该装置移除的电功率量可能太多而无法储存在车辆的具有有限容量的储能系统中。为了管理剩余功率，剩余部分以输出轴速度返回到驱动轴，以提供完全平衡的“孤岛”动力系统。剩余部分通过第二电机返回驱动轴。因此，在动力传动系上设置两个电机，每个电机具有相应的用于控制功率流并用于将电功率输入车辆的储能系统和从车辆的储能系统输出电功率的逆变器。

这种方法尽管精细，但具有几个缺点。一是因需要两台电机导致系统非常复杂。另一个是每台电机都需要自身的逆变器。车辆动力传动系的这种复杂性会对车辆的成本及其尺寸、重量、可靠性和动力性能产生负面影响，因此不可取。

由此，本发明的实施例的至少一部分目的在于解决上述问题。

发明内容

根据一个方面，提供了一种电机，包括：第一转子，第一转子产生具有第一数量的极对的第一磁场；第二转子，包括多个极片，所述多个极片设置成调制第一磁场以产生具有第二数量的极对的第二磁场；定子，包括一个或多个绕组，所述绕组设置成产生具有第一数量的极对和第二数量的极对的第三磁场；其中，第三磁场与第一数量的极对和第二数量的极对的相互作用改变第一转子和第二转子之间的扭矩比。

第一转子能够包括多个永磁体。永磁体可以布置成产生第一磁场。

第一转子能够包括一个或多个转子绕组。一个或多个转子绕组可以布置成产生第一磁场。

第三磁场与第一数量的极对及第二数量的极对的相互作用可以根据预先设定的扭矩比相互独立地以及可选地改变施加到第一转子和第二转子中的每一个的扭矩。

第二转子可以设置在第一转子和定子之间。

一个或多个绕组能够包括第一组绕组和第二组绕组。第一组绕组可以布置成与第二数量的极对相互作用，第二组绕组可以布置成与第一数量的极对相互作用。

第一组绕组可以布置成产生具有第二数量的极对的磁场。

第二组绕组可以布置成产生具有第一数量的极对的磁场。

第一转子布置成执行将机械动力输入电机或从电机输出中的一个，并且第二转子布置成执行将机械动力输入电机或从电机输出中的另一个。

第一转子和第二转子可以布置成将机械动力传输到电机。

第一转子和第二转子可以布置成将机械动力从电机中输出。

第一转子、第二转子和定子布置成以齿轮方式传递扭矩。

机器的速度比和/或扭矩比可以变化。

改变第一组绕组的电流频率可以改变电机的速度比。

改变由第一组绕组产生的磁场旋转速度可以改变电机的速度比。

改变第二组绕组中的电流的振幅和/或相位角可以改变电机的扭矩比。可以相对于第一磁场测量相位角。

扭矩比和速度比可以反向变化，使得供应给电机的净电功率(net electricalpower)实质上为零。

扭矩比和速度比可以反向变化，使得从外部源提供给电机的净电功率实质上为零。

可以增加扭矩比，使得供应给电机的净电功率实质上为正。

可以增加扭矩比，使得从外部源供应到电机的净电功率实质上为正。

可以减小扭矩比，使得供应给电机的净电功率实质上为负。

可以减小扭矩比，使得从外部源供应到电机的净电功率实质上为负。

第一数量的极对可以是9。第二数量的极对可以是6。能够有15个极点。

定子可以布置成通过一个或多个绕组将电功率输入电机和/或从电机输出。

定子可包括多个齿。齿中的至少一个齿可以径向向内突出。至少一个齿可以承载一个或多个绕组。

可以通过改变一个或多个绕组的电流来改变机器的扭矩比和/或速度比。

一个或多个绕组可以电耦合到驱动器。驱动器可以电耦合到控制器。

一个或多个绕组可以连接到逆变器。逆变器可以是AC/DC逆变器。逆变器可以连接到DC链路。DC链路可以连接到储能装置。储能装置可包括电池、电容器和/或燃料电池中的至少一个。DC链路可以经由DC/DC转换器连接到储能装置。至少一个其他绕组可以通过AC/DC逆变器连接到DC链路。

一个或多个绕组可以连接到AC/AC转换器。AC/AC转换器可以是矩阵转换器。AC/AC转换器可以连接到AC/DC转换器。转换的AC/DC可以通过DC/DC转换器连接到储能装置。至少一个其他绕组可以连接到AC/AC转换器。

可以将非正弦电流施加到一个或多个绕组。非正弦电流可以实质上循环重复到第一数量的极对和第二数量的极对的公倍数。倍数可以是最小公倍数。

第一组绕组和第二组绕组中的每一个可以布置成接收单独的电流输入。

输入到第一组绕组和第二组绕组中的每一个的单独电流可以由单独的驱动器提供。

一个或多个绕组可以是多相空间分布的绕组。可以将多相电流施加到多相空间分布的绕组。

一个或多个绕组可以是三相空间分布的绕组。可以将多相电流施加到三相空间分布的绕组。可以将三相120度位移电流施加到三相空间分布的绕组。

第一组绕组和第二组绕组中的至少一个可以是多相空间分布的绕组。可以将多相电流施加到多相空间分布的绕组。

第一组绕组和第二组绕组中的至少一个可以是三相空间分布的绕组。可以将多相电流施加到三相空间分布的绕组。可以将三相120度位移电流施加到三相空间分布的绕组。

电机可以用在车辆动力传动系中。电机可以用在混合动力车辆动力传动系中。

第二转子可以连接到输入轴。输入轴可以连接到发动机。

第一转子可以连接到输出轴。输出轴可以连接到驱动轴和/或传动轴。

电机可以是线性电机。电机可以是轴向磁通机。

多个极片中的至少一个可以由非磁性材料形成。至少一个极片可以由铁磁材料形成。至少一个极片可以由轴向堆叠的多个叠片形成。至少一个极片可以由软磁复合材料形成。

在一实施例中，第一数量的极对等于第二数量的极对。

在一实施例中，第一数量的极对大于第二数量的极对。

在一实施例中，极片的数量是第一数量的极对和第二数量的极对的总和。

在一实施例中，在第一数量的极对和第二数量的极对之间实质上没有磁耦合。

除了存在明显的技术不兼容的情况外，任何方面的可选特征也可以是任何其他方面的可选特征。

根据第二方面，提供对于根据第一方面的电机的操作方法，该方法包括以下步骤：将机械功率传输到电机中和/或从电机输出。

根据第三方面，提供了一种用于操作根据第一方面的电机的计算机手段。

计算机手段可以配置成接收指示第一转子的所需速度和/或扭矩和/或第二转子的所需速度和/或扭矩中的至少一个的至少一个指令。

计算机手段可以配置成基于指令计算在第一转子、第二转子和定子之间的所需速度比和/或扭矩比。

计算机手段可以配置成确定定子上的一个或多个绕组中的至少一个绕组的电流特性，以实现在第一转子、第二转子和定子之间的所需速度比和/或扭矩比。特性可以是电流的相位角、频率和/或振幅中的至少一个。

计算机手段可以配置成向驱动器提供指示至少一个绕组的电流特性的指令，该驱动器设置成提供电流。

驱动器可以电耦合到控制器。控制器可包括计算机手段。

计算机手段可以配置成向驱动器提供指示至少一个绕组的电流特性的指令。

该指令可以指示要施加的电流的所需频率、振幅和/或相位角中的至少一个。

附图说明

以下通过示例并参考附图对实现本发明的具体实施例进行详细说明。

图1是现有技术的磁性齿轮径向场机器(magnetically geared radial fieldmachine)的部件的轴向视图。

图2是第一实施例的电机的部件的轴向视图。

图3是图2的电机的定子上的第一组绕组的绕组模式。

图4是图2的电机的定子上的第二组绕组的绕组模式。

图5是可代替图2的电机中的内转子的内转子的立体图。

图6是显示与电机200中的转子相邻的气隙或区域的磁通密度如何随角位置变化的图表。

图7是显示由图2的极片施加的理想调制函数的图表。

图8是显示近似图2的极片施加的实际调制函数的图表。

图9是显示与定子内表面相邻的气隙处的图2的电机的调制磁通量的谐波量的图表。

图10是显示第一组绕组和第二组绕组的磁动势与图2的电机的系统扭矩之间的关系的图表。

图11是显示当第一组绕组设定的磁场在电机中为0度时第一组绕组的磁动势模式的图表。

图12是显示当第一组绕组设定的磁场在电机中为0度时第二组绕组的磁动势模式的图表。

图13是显示第一组绕组和第二组绕组的磁动势模式相叠加的图表。

图14是显示第一组绕组和第二组绕组的MMF模式之和的图表。

图15是显示图14的第一组绕组和第二组绕组的MMF模式之和的谐波量的图表。

图16是显示根据另一实施例的可以连接图2的电机的电气架构的示意框图。

图17是显示根据另一实施例的可以连接图2的电机的电气架构的示意框图。

具体实施方式

装置(apparatus)

图2示出了第一实施例的磁性齿轮径向场机器200。机器200可以用于电动模式或发电模式，并且可以用在多个不同的动力传动系统布置(未示出)(如用在混合型混合电动车辆的动力系统)中。

机器200具有外定子210、极片转子220和内转子230。定子210、内转子230和极片转子220是环形的并且同轴安装，使得定子210围绕极片转子220形成环，并且极片转子220围绕内转子230形成环。换言之，内转子230在极片转子220的径向内侧，并且极片转子220在外定子210的径向内侧。现在将依次对此进行描述。

除了绕组的配置和操作之外，定子210类似于现有的电机定子。定子210由电工钢的叠片形成，叠片位于垂直于机器轴线的平面。定子210是开槽定子(slotted stator)。定子210具有在径向上位于外侧的环形主体212，该环形主体212具有在径向上向内突出的54个齿214。齿214围绕主体212均匀地间隔开，并在相邻齿214之间具有用于接收第一组绕组240和第二组绕组250的槽216。由于在该实施例中有54个齿214，因此具有54个槽216。第一组绕组240在槽216中径向地位于定子210的外侧环形主体212和第二组绕组250之间。第一组绕组240和第二组绕组250是三相绕组。现在将分别参考图3和图4对第一组绕组240和第二组绕组250的准确的绕组模式进行说明。

根据图3中所示的绕组模式，第一组绕组240缠绕在槽216中。图3显示了9个相邻的块。每个块表示定子210的槽216。每个块具有U、V和W的两个字母，一个字母堆叠在另一个的之上。字母U、V和W分别表示第一组绕组240的相绕组。例如，U可以代表第一相、W代表第二相、V代表第三相。每个字母后面跟着一个正“+”或负“-”符号。正号表示相应绕组中的电流在垂直于页面(page)的方向上流出页面。负号表示相应绕组中的电流在垂直于页面的方向上流入页面。所有三个相在9个相邻的槽216上完成完整的盘旋或缠绕。该模式重复6次以在定子210的54个槽216中限定第一组绕组240。因此，当三相120度位移电流施加到第一组绕组240时，在定子210和极片转子220之间的气隙中产生的磁场具有6对极对。这是因为图3中的绕组模式围绕定子210的圆周重复6次。

如本领域普通技术人员所理解，图3中所示的第一组绕组240的绕组模式是分数槽绕组模式。这是因为对于每磁极和每电相的槽216数量是分数。具体地，因为定子210具有54个槽216；由第一组绕组240建立的磁场具有12个极(6极对)；并且相的数量是3，对应于每极和每相的槽216的数量是1.5，因此，图3中的绕组模式是分数槽绕组模式。

根据图4所示的绕组模式将第二组绕组250缠绕在槽216中，其与图3的形式相同。但在该情况下，图4仅显示了6个相邻的块。这是因为第二组绕组250的所有三相在6个相邻的块或槽216上完成盘旋或缠绕。该模式重复9次，以在定子210中的54个槽216中的每一个中限定第二组绕组250。因此，当三相120度位移电流施加到第二组绕组250时，在定子210和极片转子220之间的气隙中产生的磁场具有9对极对。

如本领域普通技术人员所理解，图4所示的第二组绕组250的绕组模式是整体槽(或整数槽)绕组模式。这是因为对于每个磁极和每个电相的槽216的数量是整数。具体地，因为定子210具有54个槽；由第二组绕组250建立的磁场具有18个极(9极对)；并且相的数量是3，对于每极和每相的槽216的数量是1，因此，图4的绕组模式是整数槽绕组模式。

在替代实施例中，只要由第一组绕组240和第二组绕组250产生的磁场不会相互作用，可以使用第一组绕组240和第二组绕组250模式的任何组合。每组绕组可以是整数槽绕组、分数槽绕组、集中分数槽绕组、或分布式分数槽绕组中的任何一个。

在替代实施例中，定子210具有108个槽216。在该实施例中，第二组绕组250占据108个槽216中的一半，并且第一组绕组240占据每个槽216。在该实施例中，第一组绕组240和第二组绕组250都是整数槽绕组。然而，由于第一组绕组的极对数是第二组绕组的1.5倍，因此由第一组绕组和第二组绕组产生的磁场不会相互作用。换言之，由第一组绕组和第二组绕组产生的磁场由于它们各自的极对数相互不为整数倍，因此不会相互作用。

进一步参考图2，极片转子220形成为非磁性且不导电的环形保持结构(未示出)。保持结构成具有多个槽，多个槽沿平行于机器轴线的方向延伸穿过保持结构的主体。槽围绕保持结构的圆周均匀地间隔开。每个槽布置成保持铁磁材料的极片222(例如电工钢)。当不操作机器200时，极片222是非磁化的。在该实施例中，保持结构具有围绕保持结构的圆周均匀间隔开的15个槽。因此，保持结构保持15个极片222。在使用中，极片转子220连接到用于将机械动力传输到机器中的输入轴。输入轴可以连接到现有发动机或任何其他原动机。

进一步参考图2，内转子230具有围绕其径向最外表面布置的18对永磁体对232。通过将单个永磁体分成两半而形成一对永磁体对232。每对永磁体中的每个永磁体233具有第一端234和第二端235。第一端位于内转子230的径向外表面。第二端235从第一端234在径向上朝内设置。每对永磁体232中的两个永磁体233的第一端234可以彼此接触。每对永磁体232中的两个永磁体233的第二端235可以分别和与其相邻且不属于相同的永磁体对232的永磁体233的第二端235接触。第一楔形件236周向地设置在每对永磁体对232的第一端234和相邻的永磁体对232的第一端234之间。第二楔形件237周向地设置在每对永磁体对234中的永磁体233的第二端235之间。第一楔形件236或第二楔形件237中的至少一个可以由钢制成。

有利地，由于永磁体233通过楔形件236、237机械地固定在转子230的适当位置，而不是通过例如需要进行凝固或干燥的胶水等手段进行固定，因此与其他方法相比缩短了制造内转子230所花费的时间。如本领域技术人员所理解，如果使用例如胶水的固定手段，在另一个永磁体靠近之前必须将每个永磁体粘合到转子上(并且设置胶水)。必须这样做的原因是要避免粘附到转子上的永磁体由于将其他永磁体固定在转子上时的吸引力或排斥力而被移除。这比通过楔形件236、237将每个永磁体233快速连续地分别机械紧固在适当位置的内转子230的制造过程慢得多。

在图2所示的内转子230的一些实施例中，可以通过楔形件236、237和胶水将永磁体233固定在内转子230上。有利地，胶水限制机器200运行时相对于楔形件236、237的永磁体233的运动。换言之，由此防止在机器200运行中，每个永磁体233在各个用于限制其的由楔形件236、237产生的孔中发出卡嗒声。进一步有利地，与仅使用胶水将永磁体233紧固到内转子230的方法相比，制造内转子230所花费的时间仍然得到缩短。这是因为永磁体233主要受到楔形件236、237的约束，因此在将另一永磁体靠近之前，不必将每个永磁体粘合到转子上并且设置胶水。替代地，如上所述，可以更快地连续固定永磁体233。

永磁体对232布置成使得由相邻的永磁体对232建立的相邻磁场的极性围绕内转子230的圆周交替。永磁体对232在内转子230和极片转子220之间的气隙中提供径向磁场(未示出)。因为磁场由18对永磁体对提供，因此磁场具有9对极对。因此，在内转子230和极片转子220之间的气隙中的磁通量具有基本的9次谐波。9次谐波对应于9对极对。在使用中，内转子230连接到输出轴，用于将机械动力输入机器和/或从机器输出。输出轴可以连接到驱动轴和/或传动轴。

在替代实施例中，图5中所示的内转子300可以代替机器200中的内转子230。转子300是环形的。转子300具有围绕其径向最外表面单独布置的18个永磁体310。18个永磁体布置成使得由相邻的永磁体建立的相邻磁场的极性围绕内转子230的圆周交替。因此，转子300在永磁体310的径向外侧的空间中提供径向磁场(未示出)。替代实施例中的磁场因为由18个永磁体提供，因此也具有9对极对。径向磁场的特性与在前段参照内转子230描述的径向磁场实质上相同。因此，本公开的任何有关内转子300的公开部分同样适用于内转子230，反之亦然。

图6是显示围绕电机200的轴线的角位置与在极片转子220和转子300之间的气隙中的磁通密度之间的大致关系的图表。如本领域技术人员所理解，磁通密度以正弦方式在磁通量的正值和负值之间绕轴的角位置交替。正值表示磁的北极。负值表示磁的南极。正弦曲线在每40度重复一次。这是因为磁通量是由转子300上的18个相邻永磁体310提供的磁场的产物。其结果，磁场从正到负变化(即从北极到南极)，绕转子轴线变化18次。因此，由于360度除以9(极对)为40度，正弦曲线具有40度的周期。

进一步参考图2，由极片转子220保持的极片222实际上起到通向内转子230和极片转子220之间的气隙中的磁通量的磁通门的作用。如上所述，该磁通量是内转子230上的永磁体233提供的磁场的产物。如将理解的，由内转子230在极片转子220和内转子230之间的气隙中提供的磁通量的一部分穿过极片转子220。能够穿过极片转子220的部分取决于相对于极片转子220的极片222的气隙中的磁通量的位置。在极片转子220的轴线周围的给定角位置处，径向地位于极片转子220的极片222和内转子230之间的磁通量穿过极片转子220。相反，在给定角位置处，不是径向地位于极片转子220的极片222和内转子230之间的磁通量实质上被极片保持结构阻挡，并且不会出现在径向最外表面极片转子220的一部分。因为极片保持结构不透磁。

穿过极片转子220的径向最外表面并出现的磁通量可以被认为是调制形式的由内转子230提供的磁通量。因此，定子210和极片转子220之间的气隙中的磁场是内转子230和极片转子220之间的气隙中的磁场的调制形式。

图7示出了由极片转子220的极片222施加在由内转子230在内转子230和极片转子之间的气隙中提供的磁通量的理想化调制函数220。出现在极片转子220的径向最外表面处的磁通量模式是调制函数和由内转子230产生的磁通量的乘积。y轴表示应用于磁通量的函数。x轴示出了围绕极片转子220的轴线的角位置。该图表示随着角位置变化，调制函数是方波。方波大约每24度循环重复一次。方波的上限值为1。方波的下限值为0。上限值1表示围绕存在极片222的极片转子220的轴线的角位置，并且由此表示允许磁通量穿过极片转子220到达极片转子220和定子210之间的气隙的位置。下限值0表示围绕不存在极片222的极片转子220的轴线的角位置，并且由此表示不允许磁通量穿过极片转子220的位置。在理论上，出现在极片转子220的径向最外表面处的磁通量因此具有实质上6次谐波。这对应于具有6对极对的磁场。这是基于以下公式中所示的理论关系：

Ns＝Npp-Nr公式1

其中Ns是调制场的极对数；Npp是极片222的数量；Nr是由转子提供的磁场的极对数。因此，当极片的数量为15并且由转子设定的磁场中的极对数为9时，调制场中的极对数为6。

如上所述，图7显示理想化的调制函数。然而在实践中，实际的调制函数将偏离理想的调制函数。这可能是因为极片转子220的极片222由于磁通量产生饱和，磁通量可能在极片222之间泄漏和/或由于极片222的实际几何形状。

图8示出了理论上的调制函数，其更好地代表由极片转子220的极片222施加在由内转子230在内转子230和极片转子之间的气隙中提供的磁通量的实际调制函数220。对于图7，出现在极片转子220的径向最外表面处的磁通量是调制函数和由气隙中的内转子230提供的磁通量的乘积。y轴表示应用于磁通量的函数。x轴示出了围绕极片转子220的轴线的角位置。调制函数是正弦波。正弦波大约每24度循环重复一次。正弦波的上限值为1。正弦波的下限值为0。因为调制函数涉及正弦项，所以出现在极片转子220的径向最外表面处的磁通量具有多个谐波分量，而不仅仅是6次谐波。在图8所示的情况下，其中一个分量是6次谐波。如将在下面描述，另一分量是9次谐波。因此，极片转子220的径向最外表面处的磁场具有6对极对分量和9极对分量。

参考图8讨论的调制函数由以下公式表示：

其中ω_极是极片转子220的转速，单位为弧度/秒；θ是围绕极片转子220的轴线的角位置，单位为弧度；t是以秒为单位的时间。

如上所述，在极片转子220的径向最外表面处的磁通量模式是由内转子230提供的磁通量与调制函数的乘积。因此，出现在极片转子220的径向最外表面处的磁通量模式由以下公式表示：

其中B磁通密度，单位为特斯拉；θ是围绕内转子230的轴线的角位置，单位为弧度；ω_内是内转子230的旋转速度，单位为每秒的弧度。

可以使用以下标准三角恒等式扩展公式3，以查看磁通量密度的各种谐波分量：

公式3的扩展形式如下：

因为存在三个三角函数，由公式5定义的出现在极片转子220的径向最外表面处的磁通量具有三个谐波分量：第一个对应于6次谐波次数；第二个对应于24次谐波次数；第三个对应于9次谐波次数。三个分量的相对大小由每个三角项的前面的标量显示。在这种情况下，9次谐波(1/2)的大小大于6次(1/4)和24次(1/4)次谐波的大小。6次和24次谐波的大小相同。

图9是示出有关公式5描述的磁通量的谐波量的图表。如所讨论的，该磁通量是由于应用参考图8和公式2讨论的调制函数而出现在极片转子220的径向最外表面的磁通量。图表的y轴是谐波的大小。x轴是谐波次数。如公式5，在图表上示出6次、9次和24次谐波的峰值。如公式5，磁通量中的9次谐波次数的大小大于6次谐波和24次谐波的大小。磁通量中的24次谐波次数的大小与6次谐波次数的大小相同。6次、9次和24次谐波次数分别对应于具有6对、9对和24对极对的磁场。

在实践中，磁通密度的各种谐波分量的相对大小将不同于图9中所示的基于公式5描述的关系。这是因为相对大小也受到许多其他因素的影响，包括以下任何一个因素：机器200的部件210、230、240之间的气隙的大小；永磁体233的大小；永磁体233的形状；极片222的大小；以及极片222的形状。各种谐波分量的相对大小也将不同于图9中所示的基于公式5描述的关系，因为例如24次谐波次数的高次谐波通常具有比低次谐波更低的场穿透深度值。因此，与低次谐波相比，更高次谐波可以在距离磁通量产生部件更短的距离处有效地消失。换言之，在气隙中，高次谐波的大小比低次谐波更快地减小。

机器200具有固有传动比(intrinsic gear ratio)。固有传动比可以定义为内转子230、极片转子220、由第一组绕组250设置的磁场中的任何两个之间的速度比，而此时，内转子230、极片转子220和由第一组绕组250建立的磁场中的另一个保持静止。

在该实施例中，机器200的固有传动比是极片222的数量与由永磁体233设定的磁场中的极对数的比率。如本领域技术人员所知，在该实施例中，机器200的固有比率是15/9。

因此，仅作为示例，当电机200以其固有比运行时，当极片转子220的速度和输入扭矩分别为1000RPM和100Nm时，内转子230的速度和输出扭矩将是1667RPM和60Nm。

在替代实施例中，机器200具有不同的固有比。

在本公开中，扭矩比是输入到机器200的扭矩和从机器200输出的扭矩之间的比率。

在本公开中，速度比是输出速度和输入速度之间的比率。

操作模式(Modes of operation)

下面将继续参考图2对电机200的一些操作模式进行说明。

在所有模式中，第一组绕组240和第二组绕组250中的每一个连接到相应的电动机驱动器(未示出)。如技术人员所理解，可以使用电动机驱动器来设定施加至绕组的电流的大小、频率和形状因数(即，波形)。在以下操作模式中，每个驱动器用于以适当的振幅和频率向其各自的绕组提供电流。每个驱动器可以为其各自的绕组提供三相120度位移电流。电流的频率与内转子230的旋转速度同步。控制器(未示出)向驱动器提供指令。向每个驱动器提供的是有关将被施加至驱动器的相应绕组的电流的特性的指令。通过彼此独立地控制每组绕组240、250中的电流，独立地控制定子210、极片转子220和内转子230之间的速度比和扭矩比。

在替代实施例中，每个驱动器额外地设置施加到其相应绕组的电流的形式。可以控制电流的形式使电流实质上是正弦波、实质上是方波或实质上是复合波。也可以使用其他形式的电流。

在一种操作模式中，电机200以纯电动机模式操作。在该模式中，速度比和扭矩比均不发生变化。对该模式的描述有助于理解电机200中的各种磁场如何相互作用。

在该模式中，将电流施加至第二组绕组250。绕组250产生具有9对极对的磁场。该磁场在定子210和极片转子220之间的气隙中产生。因此，该磁场的相应磁通量具有基本的9次谐波。如技术人员所理解，由第二组绕组250产生的磁场锁定到由内转子230提供并且出现在极片转子220的径向最外表面的磁场的9次谐波。

在该操作模式中，对第二组绕组250中的相位角和电流大小进行控制使得由第二组绕组250产生的磁场引导由永磁体233产生的磁场。也就是说，控制第二组绕组250中的电流，使得由第二组绕组250产生的磁场在由内转子230提供的磁场之前绕机器旋转。换言之，由内转子230提供的磁场试图追赶由第二组绕组250产生的磁场。磁场之间的非零相位角引发传输到内转子230的扭矩。传输到内转子230的扭矩使得内转子230沿第一方向旋转。因此，通过9次谐波在定子210和内转子230之间传输功率。

在根据本公开的实施例的第一操作模式中，对电机200进行控制以在“功率平衡”模式下操作。有利地，在该模式中(实际上在所有随后讨论的操作模式中)，电机200的部件之间的扭矩比不同。

在第一模式中，速度比和扭矩比彼此相反地变化，使得供应给电机200的总电功率为零。有利地，由于没有电功率从机器移除，因此不需要具有单独的牵引电动机来将从机器200移除的电功率返回到机械传动系。因此，提供了一种更加简单、轻巧、经济和紧凑的动力传动系。现在将详细描述第一模式中的电机200的第一操作模式。

在第一模式中，电流被施加到第一组绕组240。如前所述，第一组绕组240的绕组模式重复6次，并且因此在定子210和极片转子220之间的气隙中产生具有6对极对的磁场。相应的磁通量具有基本的6次谐波。如技术人员将理解，由第一组绕组240产生的磁场锁定到在极片转子220的外圆周处出现的调制的永磁体磁场的六次谐波，和/或与在极片转子220的外圆周处出现的调制的永磁体磁场的六次谐波相互作用。

在第一模式中，机械动力通过极片转子220输入到电机200。极片转子220可以连接到输入轴。输入轴可以连接到传统发动机或其他原动机并由其驱动。可以控制第一组绕组240中的电流频率，使得它产生的磁场保持静止(即不旋转)。当使极片转子220旋转时，在具有9对极对的极片转子220的径向内表面上出现旋转磁场。通过调制由第一组绕组240产生的6极对磁场产生该旋转磁场。如技术人员能够理解，由于旋转磁场和由永磁体233产生的磁场都具有9对极对，旋转磁场使得内转子230上的永磁体233旋转。因此，两个磁场彼此锁定，并且经由极片转子220输入到机器200的所有功率(减去任何损耗)被传输到内转子230。因此，通过6次谐波和9次谐波间的相互作用将扭矩传输到内转子230，6次谐波和9次谐波间的相互作用通过将由第一组绕组240产生的磁场的6对极对“转换”为9对极对的极片实现。因为由第一组绕组240产生的磁场保持静止，内转子230以固定的速度比旋转。如本领域技术人员所理解，这是因为这种情况下，速度比完全由机器的固有传动比限定。内转子230也以固定的扭矩比旋转。如将在下面描述，扭矩比也完全由机器的固有传动比限定。

然而，由第一组绕组240产生的磁场可以通过改变第一组绕组240中的电流频率而旋转。这使得电机200中的部件之间的速度比以已知的方式从机器的固有传动比变化。然而，如前面参考图1的磁性齿轮所述，当以这种方式在部件之间传递扭矩时，扭矩比固有地由机器的几何形状限定(机器的固有传动比)，因此扭矩比保持固定。由此使电功率流入机器或从机器流出。电功率流动的方向取决于机器的确切操作条件。例如，当速度比增大时，电功率通过第一组绕组240流入机器。然而，当速度比减小时，电功率通过第一组绕组240从机器流出。有利地，在第一模式中，还将电流施加到第二组绕组250，使得相等量且反向的电功率经由第二组绕组250流入机器或从机器流出。这平衡了经由第一组绕组240流入机器200或从机器200流出的电功率。通过向第二组绕组250施加电流来平衡电功率流，以通过9次谐波直接将扭矩传输到内转子230。通过9次谐波施加到内转子230的扭矩与通过6次和9次谐波之间的相互作用传输给它的扭矩无关。因此，机器200中的部件之间的扭矩比不再固定。相反，机器200部件之间的扭矩比以与速度比成反比的方式变化，使得供应给机器200的总电功率为零。因此，速度比和扭矩比不再完全由机器的固有比限定。

在第二操作模式中，根据另一实施例，电机200以“功率提升模式(power boostmode)”操作。在该模式中，内转子230的扭矩高于在固有比时可能产生的扭矩。如上所述，流入机器200的净电功率取决于速度比。提供内转子230的输出速度的速度比大于由固有比限定的速度比时(即当速度比增大时)，提供给第一组绕组240的电功率为正。这是因为电功率从驱动器流入电机。为了提高内转子230的输出扭矩，第二组绕组250也以正电功率流动操作，以向内转子230提供电动扭矩。提供给机器200的总电功率是这两个正贡献(contribution)的总和。相反，提供输出速度的速度比小于在固有比下发生的速度比时(即当速度比减小时)，第一组绕组240将电功率从机器200返回到驱动器。然而，为了增强内转子230的扭矩，第二组绕组250以正电功率流操作，以向内转子230提供驱动扭矩。提供给机器200的总电功率是这两个竞争贡献的总和，并且可以是净正或负或零。如果供应给机器200的总电功率为净零，则机器200以上述第一操作模式操作。

简言之，在功率提升模式中，通过磁通量的6次和9次谐波分量之间的相互作用传输的机器的机械功率吞吐量实质上由电功率补充(尽管如前所述，进入电机200的净电功率可以为负)。额外的电功率通过第二组绕组250送到机器200中。

如同在第一模式中，在第二模式的操作中，通过6次和9次谐波之间的相互作用在机器200的部件之间传递扭矩。同样与第一模式类似，可以通过改变第一组绕组240中的频率来改变部件之间的速度比。除了该操作之外，还将电流施加到第二组绕组250。在该模式中，控制第二组绕组250中的相位角和电流大小，以仅通过9次谐波将扭矩传输到内转子230。如技术人员将理解，控制相位角和电流大小以改变经由9次谐波传输到内转子230的扭矩量。因此，通过6次和9次谐波之间的相互作用传输到内转子230的扭矩由通过9次谐波传输到内转子230的扭矩补充，以提供功率提升模式。

根据另一实施例，在第三操作模式中，电机200以“发电(power generation)”模式操作。这与功率提升模式相反。在该实施例中，改变扭矩比以减小内转子230上的扭矩，从而通过定子210上的绕组增加从机器200移除的电功率，或减少供给机器200的电功率的净电量。

如同第一模式，在该操作模式中，通过6次和9次谐波之间的相互作用在机器200的部件之间传递扭矩。向第二组绕组250提供电流，并且控制该电流以降低电机的部件之间的总扭矩比。通过第二组绕组250将“缺失(missing)”扭矩作为电能从机器200输出。如第二操作模式，来自第一组绕组240的功率贡献取决于机器200的速度比。如果速度比使得内转子230的旋转相比在固有比下观察到的更快，那么正电功率自然地供应到第一组绕组240。在该模式中，第二组绕组250中的电流布置成减小内转子230上的扭矩，使得电功率经由第二组绕组250返回。当经由第二组绕组250返回的功率大于提供给第一组绕组240的功率时，机器200中的净电功率为负，从而产生电功率。对于内转子230速度比低于在固有比下观察到的速度比，第一组绕组240也返回电功率。因为第二组绕组250中的电流布置成减小内转子230的扭矩，还通过第二组绕组250返回电功率。因此，机器200将从两组绕组240和250产生电功率。

应注意以上描述的是理想的无损系统。如技术人员所理解，在实践中，总是存在功率损失。特别地，在发电模式的低功率条件下，功率损耗可能大于返回到驱动器的电功率，使得系统无法返回电功率。

在第三模式的一种操作方式中，极片转子220的机械功率输入保持恒定，而内转子230的机械功率输出通过降低扭矩比而减小。

在第三模式的另一种操作方式中，在极片转子220输入到机器200的所有机械功率都被转换成电能。在那种情况下，传输到内转子230的净扭矩是0。

综上，电机200的关键优点在于，机器200的部件之间的扭矩比和速度比都可以改变，并且它们可以相互独立地变化。这是因为可以通过两个可独立控制的谐波(6次和9次)将扭矩传输到内转子230。因此，当电机形成传动系的一部分时，因为电机200可以满足车轮的扭矩要求和速度要求，由此减轻了对第二电机200的需求。

图10为显示对于第一组绕组240的变化值的第二组绕组250的磁动势与系统传动比之间的关系的图表。磁动势是产生磁场的绕组的特性。磁路中的磁动势可以被认为等于电路中的电压。它是绕组匝数和绕组中电流的函数。该图表显示因为对于第一组绕组240的给定磁动势来说，能够通过改变第二组绕组250中的磁动势变化以受控方式改变系统传动比，因此第二组绕组250中的电流可用于控制系统传动比。

在替代实施例中，由第一组绕组240建立的磁场与由永磁体233建立的磁场之间的相位角被改变，以改变在机器中施加的扭矩的方向。

在替代实施例中，第一组绕组240中的电流用于控制系统传动(速度)比。这也在图10中示出，该图示出了对于第二组绕组250的给定磁动势来说，改变第一组绕组240中的磁动势也能够改变系统传动(速度)比。简言之，对于第一组绕组240或第二组绕组250中的任一组的固定磁动势，另一组的磁动势可用于改变系统传动(速度)比。这是因为，具有固定磁动势的绕组将提供固定的扭矩贡献，而具有变化的磁动势的绕组将提供可变的扭矩贡献；从而使系统传动(速度)比变化。通过控制各组绕组中的电流振幅来控制任一组绕组中的磁动势的大小。

在本公开的可以根据任何其他模式使用的实施例的另一操作模式中，可以控制第一组绕组240或第二组绕组250中的一个的电流以增强和/或抑制第一组绕组240或第二组绕组250中的另一个与永磁体233的磁耦合。具体地，这种效果是通过控制第一组绕组或第二组绕组中的一个的电流的相位角和振幅来实现的，对此将在下面说明。通过如下所述的方法控制电流，可以增强或抑制与第一组绕组240或第二绕组250中的另一个相互作用的永磁体233的磁场。还可以控制电流以增加或减少机器200的某些部分中的磁通密度和/或通过减小或增加机器中的磁饱和来减小或增加电路的磁阻。

例如，可以控制第二组绕组250中的电流以增强和/或抑制由永磁体233产生的磁场，以便影响在由第一组绕组240和内转子230产生的磁场之间的扭矩传输。在一种操作模式中，控制第二组绕组250中的电流使得在其磁场和由永磁体233产生的磁场之间的相位角为0度或180度。在两种情况下，在由第二组绕组250产生的磁场和由永磁体233产生的磁场之间传输零扭矩。这是因为扭矩与相位角的正弦成比例。然而，由第二组绕组250产生的磁场仍存在于内转子230和极片转子220之间的气隙中。因此，气隙中的合成磁场是由第二组绕组250产生的磁场与由永磁体233产生的磁场之和。由于在由第一组绕组240产生的磁场和由永磁体233产生的磁场之间传输的峰值扭矩取决于气隙中的磁场的振幅，因此通过增大和/或抑制气隙中的磁场来增加和/或减小在这两个磁场间传输的峰值扭矩。换言之，是通过增强和/或抑制由永磁体233产生的磁场。当由第二组绕组250产生的磁场与由永磁体233产生的磁场之间的相位角为0度时，由永磁体233产生的磁场得到增强。当由第二组绕组250产生的磁场与由永磁体233产生的磁场之间的相位角为180度时，由永磁体233产生的磁场得到抑制。

如上所述，相反地，可以控制第一组绕组240中的电流以增强和/或抑制由永磁体233产生的磁场，以便影响在由第二组绕组250和内转子230产生的的磁场之间传输的扭矩。这是因为，如前所述，由第一组绕组240(具有6对极对)产生的磁场由极片转子220调制，以产生在极片转子220和内转子230之间的气隙中具有9对极对的磁场。在一种操作模式中，控制第一组绕组240中的电流使得该磁场与由永磁体233产生的磁场之间的相位角为0度或180度。在这两种情况下，在由第一组绕组240产生的磁场和由永磁体233产生的磁场之间传输零扭矩。这是因为扭矩与相位角的正弦成比例。然而，由第一组绕组240产生的磁场仍存在于内转子230和极片转子220之间的气隙中。因此，气隙中的合成磁场是由第一组绕组240产生的磁场与由永磁体233产生的磁场的总和。因此，由于在第二组绕组250产生的磁场与由永磁体233产生的磁场之间传输的峰值扭矩取决于气隙中的磁场的振幅，通过增大和/或抑制气隙中的磁场来增加和/或减小在这两者之间传输的峰值扭矩。换言之是通过增强和/或抑制由永磁体233产生的磁场。当由第一组绕组240产生的磁场与由永磁体233产生的磁场之间的相位角为0度时，由永磁体233产生的磁场得到增强。当由第一组绕组240产生的磁场与由永磁体233产生的磁场之间的相位角为180度时，由永磁体233产生的磁场得到抑制。

定子布置的替代(Alternative stator arrangements)

定子210是双谐波定子的一个示例。双谐波定子是适当地缠绕以建立具有两个不同极对分量或谐波的磁场的定子。双绕组定子具有两个绕组。在本公开中，绕组是围绕电机的定子的线圈布置，用于产生空间和时间变化的磁场。通过使用随时间变化的受控电流产生随空间和时间变化的磁场。在绕组的每个单独部分中电流不必相等。在绕组的每个单独线圈中电流不必相等。

在一个实施例中，电机200中的定子210由具有在结构上与定子210的结构相似的定子主体的定子所代替，然而在定子主体周围仅布置一个绕组。齿214的每个齿带有绕组的单个线圈。在操作中，每个线圈都配有自己的电功率电子设备。每个线圈都施加有各自独立可控的电流。在定子和极片转子220之间的气隙中合成期待的磁场模式。具体地，施加到每个线圈的电流由其功率电子设备单独控制，以在具有6对和9对极对分量的气隙中产生磁场。施加到每个线圈的电流被进一步单独控制，以便以前述方式改变扭矩比和速度比。

接下来将描述在定子210和极片转子220之间的气隙中合成期待的磁场模式的方法。

控制手段(可选地可以采用微处理器)可以布置用于执行在定子210和极片转子220之间的气隙中合成期待的磁场模式的方法。

首先，计算在定子210和极片转子220之间的气隙中产生所期待的磁场的MMF模式。如前所述，磁动势(MMF)是产生磁场的特定物质的特性。在本公开中，定子210上的绕组产生MMF。MMF的单位是安匝(AT)。

在该实施例中，由图2的前述实施例所述的第一组绕组240和第二组绕组250组建在定子和极片转子220之间的气隙中的期待的磁场模式。因此，应计算第一组绕组240和第二组绕组250的每一组的MMF模式，以确定在定子210和极片转子220之间的气隙中产生所期待的磁场的整体MMF模式。

MMF可以根据以下公式计算：

MMF＝NI 公式6

其中N是匝数，I是电路中的电流。

第一组绕组240和第二组绕组250的每个线圈在其齿214的各个齿上具有已知的匝数。因此，使用公式6，可以计算与第一组绕组240和第二组绕组250的每个绕组模式相关联的定子210和极片转子220之间的气隙中的MMF模式。

必须考虑第一组绕组240和第二组绕组250的三相中的每一相的电流。如技术人员将理解，在任何时刻，每相中的电流值是已知的，并且可以分别应用于图3和4中所示的绕组模式以分别计算第一组绕组240和第二组绕组250的MMF模式。

当由第一组绕组240建立的磁场在电机200中为0度时，第一组绕组240的合成MMF模式如图11所示。图11的x轴是围绕电机200的轴线的角位置。图11的y轴表示MMF的大小。图11显示了在360度的范围内重复6次的粗糙的正弦波。因此，图11证明了第一组绕组240的MMF模式的6极对性质。当由第一组绕组240设置的磁场在电机200中旋转到其他角度时，模式将改变，但是其6极对性质仍然存在。

当由第二组绕组250建立的磁场在电机200中为0度时，第二组绕组250的合成MMF模式如图12所示。图12的x轴是围绕电机200的位置的角度。图12的y轴表示MMF的大小。图12显示了在360度上重复9次的粗糙的正弦波。因此，图12证明了第二组绕组250的MMF模式的9极对性质。当由第二组绕组250设置的磁场在电机200中旋转到其他角度时，模式将改变，但是9极对性质仍然存在。

第一组绕组240和第二组绕组250的净MMF模式是它们各自的MMF模式的总和。一旦求和，得到的MMF模式可以分解成其6次和9次极对分量，并且每个分量分别独立地相互作用。

图13是叠加在相同的轴上的图11和图12描述的第一组绕组240和第二组绕组250的MMF模式。x轴和y轴与图11和图12相同。

图14示出了图11和图12所述的第一组绕组240和第二组绕组250的MMF模式的总和。x轴和y轴与图11和12相同。图14示出了在给定的时刻在定子210和极片转子220之间的气隙中产生期待的磁场的净MMF模式。随着由第一组绕组240和第二组绕组250中的每一组设置的磁场的分量在电机200中旋转到其他角度，图14中所示的模式将发生变化。由第一组绕组240和第二组绕组250中的每一组建立的磁场分量可以在与另一组相同或不同的方向上旋转。由第一组绕组240和第二组绕组250组建立的磁场分量的相对大小可以变化以适应电机200的操作需要。

一旦按照所述方式计算出在定子210和极片转子220之间的气隙中产生的所期待的磁场的MMF模式，就可以使用本领域技术人员已知的快速傅立叶变换(FFT)算法计算模式的谐波量。在图15中示出图14中所述的MMF模式的谐波量。如预期地，图15示出了6次和9次谐波的峰值；这些峰分别对应于6极对和9极对。

确定了在定子210和极片转子220之间的气隙中产生所期待的磁场的MMF模式后，可以采用其他能够产生相同或基本相似的MMF模式的替代的缠绕方法。

一种替代的绕组方法是，将在本实施例的绕组方法中的电机200中的定子210由具有结构上与定子210的结构相似的定子所替代，但在定子主体周围仅布置一个绕组。齿214的每个齿带有绕组的单个线圈。在操作中，每个线圈都配备有各自的包括控制器的电功率电子设备。每个控制器确定其线圈必须进行的MMF贡献，以产生MMF模式，从而在定子210和极片转子220之间的气隙中产生所期待的磁场。为此，每个控制器确定从6次和9次谐波所需的MMF贡献；求和；并控制相应线圈的相应电流水平。

从图3和4中所示的绕组模式中可以看出所需的计算。例如，图3中所示的6极对绕组中的槽包含“U+U+”。因此，控制器根据转子位置计算U+U+所需的相电流。在该实施例中，第一槽中的线圈另外包含来自图4中所示的9极对绕组中的第一槽的“U+”。注意，6极对分量的U+与9极对分量的U+无关。因此，控制器另外计算9极对分量的U+所需的相电流。因此，通过将6极对分量的U+U+所需的电流与9极对分量的U+所需的电流相加来计算需要在第一槽中提供给线圈的总电流。以这种方式，每个控制器确定从6次和9次谐波所需的MMF贡献；求和；并控制相应线圈的相应电流水平。

在另一个实施例中，电机200中的定子210由具有结构上与定子210的结构相似的定子主体的定子代替，然而在定子主体周围仅布置一个绕组。在操作中，将电流施加到绕组。以上述方式，电流由控制器合成，以在定子和极片转子220之间的气隙中产生所期待的磁场模式。具体地，对所施加的电流进行合成以在气隙中建立具有6极对和9极对分量的磁场。

在该实施例的一个示例中，一个绕组的线圈被分组为“相位”，从而利用在定子210和极片转子220之间的气隙中的期待的场模式所需要的MMF模式的对称性。一个绕组的线圈与对于由电机200中的一个绕组建立的磁场的全部位置具有相同的所需MMF的线圈组合。在这种情况下，绕组由18个相组成，每个相具有在电机200中的空间中均等地移位的3个线圈。这是因为3是6和9的最小公约数。在图14中示出了定子和极片转子220之间的气隙中的期待的场模式所需的MMF模式中的三向对称性，其示出了MMF模式围绕电机200的轴线重复三次。

在替代实施例中，可以围绕定子布置任何数量的绕组并施加多相电流。施加到绕组的电流可以是非正弦的，或者它可以包括许多重叠的正弦曲线。

替代操作方法(Alternative methods of operation)

在一个实施例中，对电机进行适当的修改，可使得用于传递扭矩的电机200中的磁通量的两个谐波与在第一实施例的电机200中使用的谐波不同，本领域技术人员会想到这些修改。例如，可以使用2次和5次谐波。如本领域技术人员所想到的，应选择两个谐波以使它们不在机器中彼此耦合。

在一个实施例中，在对电机进行适当的修改的前提下，内转子230上的永磁体233被替换为绕组，该绕组布置成产生具有与由永磁体233提供的磁场相同特性的磁场，这是本领域技术人员所能想到的修改。

在一个实施例中，通过修改极片222的设计来改变存在于调制的永磁体磁场中的谐波和谐波的相对和绝对量值，这些修改是本领域技术人员能够想到的。

在一个实施例中，通过调整可用于各个绕组的槽216的区域来改变存在于与每组绕组相关联的磁通量的每个谐波的大小。

在一个实施例中，电机200是通过控制定子绕组中的电流来增加和/或减去电功率的CVT系统。可以使用控制器来控制电流。

在一个实施例中，两个三相逆变器电连接到第一组绕组240和第二组绕组250。在另一个实施例中，一个逆变器电连接到第一组绕组240和第二组绕组250。

应用(Applications)

在一个实施例中，电机200用在风力涡轮机的动力传动系中。

在一个实施例中，电机200用在车辆的动力传动系中从而为一个或多个辅助部件提供动力。有利地，这些部件可以如前所述地，由纯电动模式的电机200供电。辅助部件可包括液压压缩系统、空气压缩系统、二次泵系统和/或空调压缩机中的一个或多个。

在一个实施例中，电机200是主电源连接的并且用作变速驱动器。例如，电机200可用于为工业机械提供动力。工业机械可包括执行泵送，破碎和/或铣削操作中的至少一种的机器。

在一个实施例中，电机200用在船舶推进动力传动系中。船舶在靠近岸边时以纯电动模式供电通常有利于环境。如上所述，电机200可用于以纯电动模式为船用车辆推进装置提供动力。有利地，当螺旋桨在发动机运转状态下落入水中时，电机200对于突然引入螺旋桨的扭矩具有鲁棒性。这至少是因为可以管理电机200以使用先前描述的模式避免螺旋轴上的扭矩传输到发动机轴。

动力转换(power conversion)

如上所述，已知的混合型电动混合动力传动系统(未示出)包括两个电机(也未示出)。在该情况下，每个电机200设有其自己的逆变器。每个逆变器将DC转换为AC。DC被提供至车辆的DC链路。DC链路连接到两个逆变器，并用于允许电功率在两个逆变器之间流动，由此使电源在两个电机之间的流动。通常，DC链路的电压大小可以变化。尽管可能有益于两个电机的效率，但DC链路上的电压变化需要在DC链路和车辆的储能系统之间设置DC/DC转换器。需要这样的DC/DC转换器使功率可以在期待的电压下流入和流出储能系统。在现有技术的系统中可称为“双逆变器系统”。

在本公开的实施例中，电机200是混合型电动混合动力传动系统的一部分。如前所述，有利地，当电机200用于混合型电动混合动力传动系统时，可以从系统中移除第二电机200。

在本公开的一个实施例中，两个AC/DC转换器与电机一起使用：一个逆变器向第一组绕组240提供电流；另一个逆变器向第二组绕组250提供电流。图16中示出了这样的实施例。图16示出了储能系统(例如电池)电连接到DC/DC转换器。DC/DC转换器电连接到DC链路。DC链路电连接到两个逆变器。其中一个逆变器电连接到第一绕组(例如第一组绕组240)；另一个逆变器电连接到第二绕组(例如第二组绕组250)。

在另一个实施例中，移除两个逆变器，并且第一组绕组240和第二组绕组250通过AC/AC转换器电连接。因此，不需要移除机器和DC/DC链路之间的DC链路。AC/AC转换器可以是矩阵转换器。该实施例如图17所示。该图说明了储能系统(例如电池)电连接到AC/DC转换器。DC/AC转换器将来自电池的DC电流转换为AC电流。AC电流被输送到AC/AC转换器。AC/AC转换器电连接到第一组绕组240和第二组绕组250。有利地，因为没有DC链路，这种布置避免了对DC链路上的电容进行平滑的需要。进一步有利地，如上所述，移除了两个逆变器。因此，这种布置通过减小体积降低了转换器的设计成本。由此减轻了车辆传动系的重量、大小、成本和其他相关因素。

在替代实施例中，“产生(produced，produces)”可以用“设置(set up，sets up)”代替。

在替代实施例中，如本领域技术人员所能想到的，本公开中描述的实施例可以用于适当修改的线性场机器和/或轴向场机器中的至少一个。

在没有明显技术不兼容的情况下，本文公开的不同实施例的特征可以在其他实施例中组合，可以选择性地省略一些特征。

Claims (38)

1.一种电机，包括：

第一转子，所述第一转子产生具有第一数量的极对的第一磁场；

第二转子，包括多个极片，所述多个极片设置成调制所述第一磁场以产生具有第二数量的极对的第二磁场；

定子，包括设置成产生第三磁场的一个或多个绕组，所述第三磁场设置成与所述第一数量的极对和所述第二数量的极对相互作用；

其中，所述第三磁场与所述第一数量的极对和所述第二数量的极对的相互作用改变所述第一转子和所述第二转子之间的扭矩比。

2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述第二转子设置在所述第一转子和所述定子之间。

3.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述一个或多个绕组包括第一组绕组和第二组绕组，其中，所述第一组绕组布置成与所述第二数量的极对相互作用，并且所述第二组绕组布置成与所述第一数量的极对相互作用。

4.根据权利要求3所述的电机，其中，改变所述第一组绕组的电流的频率使得所述电机的速度比改变。

5.根据权利要求3或4所述的电机，其中，改变所述第二组绕组的电流的振幅和/或相位角使得所述电机的扭矩比改变。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的电机，其中，所述第一组绕组和所述第二组绕组中的每一个布置成接收单独的电流输入。

7.根据权利要求6所述的电机，其中，通过单独的驱动器提供输入到所述第一组绕组和所述第二组绕组中的每一个的单独的电流。

8.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述一个或多个绕组包括单个绕组。

9.根据权利要求8所述的电机，其中，所述单个绕组布置成接收来自驱动器的电流输入。

10.根据权利要求9所述的电机，其中，所述驱动器是多相驱动器。

11.根据权利要求8所述的电机，其中，所述单个绕组包括多个线圈，并且所述多个线圈中的每个线圈布置成接收来自各个驱动器的电流输入。

12.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述第一转子连接到输出轴。

13.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述第二转子连接到输入轴。

14.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述极片中的至少一个由铁磁材料形成。

15.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述第一数量的极对与所述第二数量的极对不同。

16.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，极片的数量是所述第一数量的极对和第二数量的极对之和。

17.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，在所述第一数量的极对和所述第二数量的极对之间实质上没有磁耦合。

18.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述第一转子布置成执行将机械动力输入所述电机或从所述电机输出中的一个，并且所述第二转子布置成执行将机械动力输入所述电机或从所述电机输出中的另一个。

19.根据前述权利要求中任一项所述的电机，所述第一转子、所述第二转子及所述定子布置成以齿轮方式传递扭矩。

20.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述机器的速度比和/或扭矩比是变化的。

21.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述定子布置成通过所述一个或多个绕组将电功率输入所述电机和/或从所述电机输出。

22.一种车辆动力传动系，包括前述任一项所述的电机。

23.一种可选地是计算机手段的控制手段，用于操作前述任一项所述的电机。

24.根据权利要求23所述的控制手段，其中，所述控制手段配置成接收指示所述第一转子的所需速度和/或扭矩和/或所述第二转子的所需速度和/或扭矩中的至少一个的至少一个指令。

25.根据权利要求24所述的控制手段，其中，所述控制手段配置成基于所述指令计算所述第一转子、所述第二转子及所述定子之间的所需速度比和/或扭矩比。

26.根据权利要求25所述的控制手段，其中，所述控制手段配置成确定所述定子上的一个或多个绕组中的至少一个绕组中的电流的特性，以实现在所述第一转子、所述第二转子及所述定子之间的所需速度比和/或扭矩比。

27.根据权利要求26所述的控制手段，其中，所述控制手段配置成向驱动器提供指示所述至少一个绕组中的电流特性的指令，所述驱动器设置成提供所述电流。

28.一种电机的操作方法，所述电机包括：

第一转子，所述第一转子产生具有第一数量的极对的第一磁场；

第二转子，包括多个极片，所述多个极片设置成调制所述第一磁场以产生具有第二数量的极对的第二磁场；

定子，包括设置成产生第三磁场的一个或多个绕组，所述第三磁场设置成与所述第一数量的极对和所述第二数量的极对相互作用；

其中，所述第三磁场与所述第一数量的极对和所述第二数量的极对的相互作用改变所述第一转子和所述第二转子之间的扭矩比；

其中，所述方法包括将机械动力输入电机和/或从电机输出的步骤。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述一个或多个绕组包括单个绕组，并且所述单个绕组布置成产生具有所述第一数量的极对和所述第二数量的极对的所述第三磁场。

30.根据权利要求29所述的方法，所述电机包括控制手段，所述方法还包括以下步骤：

所述控制手段接收指示所述第三磁场的所需特性的指令。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述所需特性包括具有第一数量的极对的第三磁场的分量的所需特性和具有第二数量的极对的第三磁场的分量的所需特性。

32.根据权利要求31所述的方法，还包括以下步骤：

计算单个绕组的磁动势，以产生所述第三磁场的所需特性。

33.根据权利要求32所述的方法，其中，计算所述单个绕组的磁动势以产生所述第三磁场的所需特性的步骤还包括以下步骤：

计算所述单个绕组的磁动势，以产生具有第一数量的极对的第三磁场的分量的所需特性；以及

计算所述单个绕组的磁动势，以产生具有第二数量的极对的第三磁场的分量的所需特性。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，用于产生所述第三磁场的所需特性的所述单个绕组的磁动势是用于产生具有所述第一数量的极对的所述第三磁场的分量的所需特性的所述单个绕组的磁动势和用于产生具有所述第二数量的极对的所述第三磁场的分量的所需特性的所述单个绕组的磁动势之和。

35.根据权利要求32至34中任一项所述的方法，还包括以下步骤：

根据计算出的所述单个绕组的磁动势计算所述单个绕组的所需电流，以产生所述第三磁场的所需特性。

36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述单个绕组布置成接收来自驱动器的电流输入，并且所述方法还包括以下步骤：

所述控制手段向所述驱动器发送指令以向所述单个绕组提供所需电流。

37.根据权利要求32至34中任一项所述的方法，其中，所述单个绕组包括多个空间分布的线圈，并且所述方法还包括以下步骤：

根据所计算的所述单个绕组的磁动势计算每个线圈的所需电流以用于产生所述第三磁场的所需特性。

38.根据权利要求37所述的方法，其中，每个线圈设置成接收来自各个驱动器的电流输入，并且所述方法还包括以下步骤：

所述控制手段向各个驱动器发送指令以将所需电流提供给各个线圈。