CN110462998A - 电动机 - Google Patents

Abstract

提出了一种电动机。所述电动机包括转子和定子。在所述转子和所述定子之间提供间隙。多个磁性可滚动元件位于所述间隙中。

Description

电动机

发明领域

本说明书涉及电动机。

背景技术

传统的电动机在定子和转子之间具有气隙，使得转子可以在定子生成的磁场的吸引力下自由旋转。所述磁场、从而是转子和定子的磁极之间的吸引力的大小在很大程度上取决于气隙的大小。这是因为磁通量必须克服气隙中磁导率的不连续性，磁力线可能无法通过所述气隙闭合。较大的气隙会对诸如功率因数和空载电流等性能特性产生不利影响。

因此，宁愿选择小的气隙尺寸。但是气隙又不能太小，因为在这种情形下，转子会堵塞。例如，转子的堵塞可能由于转子和/或定子的热膨胀而发生，或者可能由转子的静态和/或动态偏心引起。

为了确保稳定的操作而同时保持尽可能小的间隙尺寸，传统的电动机采用了各种机械措施，例如轴支撑轴承。然而，这些措施不可避免地伴随着对电动机设计的各种限制，特别是在电动机占用的总体积方面更是如此。

发明内容

本说明书提供了一种电动机，包括转子、定子、所述转子和定子之间的间隙，以及包括磁性材料的、位于所述间隙中的第一组可滚动元件。

所述电动机的定子可进一步包括壳体和多个电磁铁，所述壳体可包括磁性材料和圆柱形内表面。所述转子可包括多个磁极和被形成为圆柱体的曲面的外表面。所述转子可被设置在所述定子的圆柱形内表面内，使得所述圆柱形内表面的中心轴线和所述转子的外表面平行且同轴，并且使得所述间隙被形成在所述转子的外表面和所述定子的圆柱形内表面之间。

所述电动机的第一组可滚动元件可被设置在所述间隙中，并且被布置成与所述转子的外表面和所述定子的圆柱形内表面机械接触。

所述电动机的定子可进一步包括壳体和多个电磁铁。所述壳体可包括磁性材料和圆柱形外表面。所述转子可包括多个磁极和形成为圆柱的曲面的内表面。所述转子可以被设置在所述定子的圆柱形外表面的外侧，使得所述圆柱形内表面和所述定子的外表面的中心轴线平行且同轴，并且使得所述间隙被形成在所述转子的内表面和所述定子的圆柱形外表面之间。

所述电动机的第一组可滚动元件可被设置在所述间隙中，并且被布置成与所述转子的内表面和所述定子的圆柱形外表面机械接触。

所述电动机的转子和所述第一组可滚动元件被配置成响应于由一个或多个电磁铁生成的磁场而旋转。

当至少一个电磁铁通电并与所述转子的多个磁极中的一个磁极对准时，所述电动机的磁力线可以从所述多个电磁铁中的一个电磁铁经由所述第一组可滚动元件中的至少一个相应的可滚动元件而到所述多个磁极中的一个磁极闭合。

所述电动机的间隙被布置成使得所述第一组可滚动元件形成环绕所述间隙的圆周的单排。

所述电动机可进一步包括多个包含非磁性材料的间隔物。所述多个间隔物的各个间隔物被设置在包括所述第一组可滚动元件中的预定数量的相应的可滚动元件元件的相应组之间。

多组所述电动机，包括所述第一组可滚动元件中的预定数量的相应可滚动元件以规则间隔设置在所述间隙内，使得在每组之间的间隙中可能存在空隙。

所述电动机可进一步包括第二组可滚动元件，所述第二组可滚动元件包含非磁性材料。

一组或多组所述电动机，包括所述第一组可滚动元件中的第一数量的相应可滚动元件可被设置在所述间隙中，以便与包括所述第二组可滚动元件中的第二数量的相应可滚动元件的一个或多个组交替。

有利地，所述第一组、第二组或这两组的转子、定子和可滚动元件被配置成使得可滚动元件与转子表面和定子表面的机械接触可确保可滚动元件彼此的相对间距和定位在转子旋转期间不会改变。也就是说，在有利的实施例中，可滚动元件与转子表面和定子表面之间的摩擦，以及由于转子表面和定子表面的压缩接触造成在可滚动元件上的力使得可滚动元件之间的间隔在转子旋转期间不会改变。在转子位于定子外部以及在转子位于定子内部的两个实施例中，就可能是这种情况。

电动机的多个磁极可包括一种或多种磁性材料，所述一种或多种磁性材料被设置为周期性地围绕外表面并且被布置成径向向外凸出。

电动机的多个磁极可包括永久磁铁，使得多个磁极中的相应磁极的极性与相邻磁极的极性相反。

电动机的转子可进一步包括多个填充部分，多个填充部分包括非磁性材料并且被设置在转子的多个磁极之间，使得转子的外表面呈圆柱形。

电动机的转子可以呈环形，使得转子的内表面呈现与转子的外表面同心设置的圆柱形。

电动机的多个可滚动元件可包括一个或多个球轴承、滚子轴承和圆锥滚子。

定子壳体、第一组可滚动元件、和转子磁极的导磁率值本质上相似。

第一组可滚动元件的导磁率值可大于定子壳体的导磁率值。

电动机的第一组可滚动元件的导磁率值可大于转子磁极和定子壳体的导磁率值。

电动机的第一组可滚动元件可被布置在间隙中，从而当转子旋转一个电动机步进角时，第一组可滚动元件相对于转子和定子的布置与在转子旋转之前的布置相同。

电动机的第一组可滚动元件被布置在间隙中，从而当转子旋转一个电动机步进角时，第一组可滚动元件相对于转子和定子的布置与在转子旋转之前的布置不同。

电动机可进一步包括轴，转子被安装在轴上，一个或多个轴支撑轴承被配置成支撑所述轴。

附图说明

现在将仅通过示例的方式参考附图描述实施例，其中：

图1a示出了第一实施例的电动机的示意性剖视图；

图1b示出了图1a的电动机的定子的示意性剖视图；

图1c示出了图1a的电动机的替代配置的放大示意性局部剖视图；

图1d示出了图1a的电动机的另一替代配置的放大示意性局部剖视图；

图2示出了第二实施例的电动机的示意性剖视图；

图3示出了第三实施例的电动机的示意性剖视图；

图4示出了第四实施例的电动机的示意性剖视图；

图5示出了第五实施例的电动机的示意性剖视图；

图6示出了第六实施例的电动机的示意性剖视图；

图7示出了第七实施例的电动机的示意性剖视图；

图8示出了第八实施例的电动机的示意性剖视图；

图9示出了第九实施方式的电动机的示意性剖视图；

图10示出了第十实施例的电动机的示意性剖视图；

图11示出了转子的替代配置的示意性剖视图；

图12a示出了第十一实施例的电动机的示意性剖视图；

图12b示出了图12a的电动机的转子的示意性剖视图；

图13a示出了第十二实施例的电动机的示意性剖视图；和

图13b示出了图13a的电动机的转子的示意性剖视图。

具体实施方式

以下公开内容涉及一种电动机，在所述电动机中，转子和定子之间的气隙至少部分地由多个可滚动元件占据。如下所述，多个可滚动元件可包括磁性材料。多个可滚动元件可包括两组可滚动元件。第一组可包括多个包含磁性材料的可滚动元件，而第二组可包括多个包含非磁性材料的可滚动元件。在多个可滚动元件、转子和定子之间的物理和电磁相互作用有助于电动机中的高能量效率。所述电动机的布置也适合于在很宽的温度范围内运行，包括高温。

在下面描述的电动机的示例中，转子和定子之间的气隙至少部分地填充有可滚动元件(例如圆柱滚子或滚珠轴承)，可滚动元件由具有被选择为相对于转子磁极和定子外部的磁导率足够大的磁导率的材料构成。这样做的效果是在转子和定子的磁极之间的磁力可以最大化。这是因为磁力线可以经由磁性材料的可滚动元件(例如上面提到的圆柱滚子或滚珠轴承)穿过转子和所定子闭合。实际上，磁性材料的可滚动元件的存在大大减小了转子和定子之间的气隙。这在降低电动机运行期间的电流要求方面是有利的，从而改善了所述电动机的功率因数。

此外，在转子和定子之间的气隙中包括可滚动元件，例如滚子或轴承，可滚动元件有助于防止由于诸如转子和/或定子的热膨胀，或转子的静态和动态偏心等因素导致的转子堵塞。这对于其中热膨胀可能是更显著的电动机的高温运行特别有利。

包括可滚动元件及其与转子和定子的物理相互作用也可以消除在一些传统电动机中使用的支撑元件类型的任何必要性，例如轴支撑轴承。因此，包括可滚动元件意味着实现更紧凑的电动机设计是可能的。例如，可以使用空心转子，因为转子支撑轴不是必要的。在汽车工业中可能特别追求电动机在紧凑性方面的益处，其中电动机可以在相对狭窄的空间中与齿轮箱一起使用。

图1a示出了电动机100的第一实施例的示意性剖视图。电动机100包括转子110和定子120。

转子110包括第一区域1101和第二区域1102。转子110的第一区域1101包括至少一种磁性材料，而转子110的第二区域1102包括非磁性材料。如下所述，转子110的第二区域1102实际上可以基本上不存在磁性材料。

转子110的第一区域1101包括多个磁极110-1，110-2，110-3，110-4。转子110的第二区域1102可包括多个非磁性部分111-1，111-2，111-3，111-4，其可位于第一区域1101中的多个磁极110-1至110-4之间。转子110的第二区域的这些非磁性部分111-1至111-4在下面称为填充部分111-1至111-4，其原因将从以下讨论中明白。

转子110被配置成绕中心轴线O旋转。例如，如图1a所示，转子110可具有近似圆形或环形的横截面形状，并且转子110的旋转轴O可垂直穿过圆形横截面的中心。转子110可以是实心结构，使得它可以通过电动机100中的合适的支撑元件直接支撑在旋转轴O上。或者，例如，转子110可以是中空结构的形式，例如圆柱体、环或管，其围绕旋转轴O旋转。

转子110的磁极110-1至110-4每个可以是转子101的第一区域1101的突起部分的形式。突起部分被设置成围绕转子110的面向定子120的圆柱形表面。

例如，图1a中所示的转子110包括第一区域1101，其中四个突起部分围绕转子110的圆周大致相等地间隔开。每个突起部分对应于转子110的单个磁极110-1至110-4。在突起部分之间，第一区域1101包括多个凹槽，其中转子110的第一区域1101的深度小于它位于突起部分的区域的深度。第一区域1101的这些凹槽被上面提到的转子110的第二区域1102的部分占据。具体地，第一区域1101的凹槽由转子110的多个填充部分111-1至111-4填充。

如图1a所示，填充部分111-1至111-4可以被布置成填充磁极110-1至110-4之间的凹槽，使得转子110的外表面成形为光滑的圆柱形表面。如上所述，总体而言，转子110可以是实心圆柱体或空心圆柱体的形式，但所述转子的形状不限于这两个示例，只要转子110的外表面，或者在围绕转子110的整个圆周的至少一部分成形为光滑的圆柱形表面即可。如上所述，磁极110-1至110-4包括磁性材料，填充部分111-1至111-4包括非磁性材料。下面将更详细地讨论这些磁性材料和非磁性材料。

图1b示出了定子120的示例性结构。在该示例性结构中，定子120可包括由一个整体的磁性材料块制成的结构。替换地，定子120可包括通过例如焊接结合在一起的若干一种或多种磁性材料块。定子120可包括多个电磁铁121-1至121-6。电磁铁121-1至121-6中的相应电磁铁可以包括可以传导电流的一根或多根导线，所述一根或多根导线环绕定子120的芯缠绕，定子120的芯由在被形成在定子120内的空腔126-1至126-6之间的定子120的部分限定。在图1b中，图1a中所示的每个电磁铁121-1至121-6周围的导线未示出，仅示出定子120并且仅仅随之标记出电磁铁121-1至121-6的芯。在本说明书中，定子120朝向内腔的部分(例如，可以是围绕转子110的外圆柱表面的中空的圆柱形状)可称为壳体123。壳体123可进一步包括孔127-1至127-6，每个孔127-1至127-6被设置在定子120的中空圆柱体的孔的内表面和空腔126-1至126-6中的相应空腔之间。这些孔127-1至127-6可以有助于增加定子120的围绕孔127-1至127-6的部分的磁阻，使得所述电磁铁之间的磁相互作用最小化并且使得磁力线122-1至122-4有可能形成在电动机100内，如稍后将描述的。孔127-1至127-6可以基本上是空的，使得它们在运行期间被空气填充，或者可以被非磁性材料填充。

定子120的朝向定子120的外表面的部分可以称为外框架125。外框架125的形状可以是近似圆形的，其直径大于壳体123的直径。外框架125可以被设置为与定子的壳体123基本上同心的。

定子120包括壳体123、电磁铁121-1至121-6的芯和外框架125，它们由一种或多种磁性材料形成。如上所述，定子120的这些部分可以整体形成为单个部件或者各个部件可以被组合。

然而，图1b中所示的定子120的设计是示例性的，并且本说明书的定子120不限于图1b中所示的示例。根据电动机100的设计或性能要求，可以适当地修改定子120的设计。然而，在定子120的任何改善设计中，可以保留以下两个特征：

首先，壳体123可以与多个电磁铁121-1至121-6紧密靠近或接触。例如，如图1a所示，多个电磁铁121-1至121-6可以位于壳体123外部的朝外的圆柱形表面上，使得壳体123位于多个电磁铁121-1至121-6和转子110之间。

第二，壳体123可具有近似圆形的横截面形状。该圆形横截面的中心至少近似地位于与所讨论的转子110的横截面的中心相同的位置。定子120或壳体123的横截面的中心与上面讨论的转子101的旋转轴线O对齐。在图1a所示的示例中，壳体123的圆形横截面的直径大于转子101的直径，使得转子101基本上被壳体123包围。这意味着，至少在图1a的示例中，围绕其设置磁极110-1至110-4的转子110的表面是转子110的面向外的表面。

如上所述，转子110可以被布置成设置在由定子120的壳体123的面向内的表面所限定的中空圆柱区域内。转子110的面向外的圆柱形表面和壳体123的面向内的圆柱形表面以同心的方式布置，使得间隙124被形成在转子110的外圆柱表面和壳体123之间。

在图1a中，转子110-1至110-4中有四个磁极，并且定子120中有六个电磁铁121-1至121-6。然而，电动机100的布置不限于这些特定数量的磁极和电磁铁。例如，对于特定的电动机100，可以根据诸如电动机100的尺寸、电动机的相应的动态响应和电动机所需的功率特性等因素来确定定子120的电磁铁的确切数量和转子110的磁极数量。这些将通过以下电动机100的可能配置的示例更详细地描述。

转子110和定子120之间的间隙124至少部分地由多个可滚动元件填充。如上所述，所述多个可滚动元件可包括磁性材料。所述多个可滚动元件可以由具有不同磁特性的两组可滚动元件构成。第一组可包括由磁性材料形成的多个可滚动元件，而第二组可包括由非磁性材料形成的多个可滚动元件。第一组可滚动元件在下文中称为磁性轴承元件130，而第二组可滚动元件在下文中称为非磁性轴承元件140。

在图1a中，磁性轴承元件130和非磁性轴承元件140均可以例如是多个圆柱滚子或多个滚珠轴承的形式，或者是多个圆锥轴承的形式，取决于电动机100的所需几何形状以及壳体123的相应设计。磁性轴承元件130和非磁性轴承元件140都可以与转子110和定子120的壳体123接触。在这种情况下，磁性轴承元件130和非磁性轴承元件140的直径基本上等于转子110和定子120之间间隙124的宽度。在间隙124中磁性和非磁性轴承元件130，140的存在和作用可以改善转子110以与定子120同心的稳定方式旋转的能力。

这里使用的术语“磁性材料”是指可磁性穿透或易受磁化的材料，在其中支持磁场的形成。具体地，相对磁导率(μ/μ₀)显著大于1的材料被认为是磁性材料。这些材料的实例包括黑色镍和钴合金，其相对磁导率的范围为100-1000。

如本文所使用，术语“非磁性材料”是指其相对磁导率与1的差值几乎可忽略不计的材料。例如，对于大多数介电材料，相对磁导率与1的差值可忽略不计。因此，大多数介电材料，包括塑料和陶瓷，都是非磁性材料。非磁性金属的实例包括奥氏体不锈钢和黄铜。

磁阻与给定材料的相对磁导率成反比。因此，磁性材料具有比非磁性材料低的磁阻。

磁力线122-1至122-4总是形成闭环，并且环路路径取决于周围材料的磁阻。具体地，磁力线122-1至122-4可以集中在最小磁阻的路径周围。因此，磁力线122-1至122-4可以集中在磁性材料内并且被排斥出非磁性材料。

磁性材料在多个电磁铁121-1至121-6产生的磁场梯度下经受强大的吸引力，而非磁性材料在多个电磁铁121-1至121-6产生的磁场梯度下经受可忽略的吸引力。

如上面关于图1a所讨论的，定子120的壳体123，磁性轴承元件130和转子110的极110-1至110-4包括磁性材料。电动机100的这些部件的组成可以基本相同，因为每个部件都可以由与其他部件相同的特定磁性材料或材料混合物形成。在这种情况下，在电动机100的每个“磁性”部件中使用的材料可以被选择为使得每个“磁性”部件的相对磁导率尽可能与每个其他“磁性”部件的相对磁导率相似。这确保了电动机100的“磁性”部件的磁导率之间的不连续性被最小化，这可以导致电动机效率的改善。

然而，替换地，这些部件可包括不同的磁性材料。即使当这些部件包括不同的磁性材料时，磁场的法向分量也可以连续通过由壳体123、磁性轴承元件130和转子的磁极110-1至110-4形成的界面。

因此，磁力线122-1至122-4仍然可以形成闭环，只要在转子110和磁性轴承元件130旋转的同时，清楚地限定从壳体123通过磁性轴承元件130到转子的磁极110-1至110-4的最小磁阻路径。

为了清楚地限定最小磁阻路径，非磁性轴承元件140可以被布置成形成高磁阻的区域，并且磁性轴承元件的相对磁导率可以被选择为尽可能高。

稍后将关于相关部件更详细地描述磁力线122-1至122-4。

在图1a中，如上所述，转子110的非磁性轴承元件140和填充部分111-1至111-4包括非磁性材料。在转子110为空心圆柱体的情况下，由转子110的最内部分界定的中空区域也可包括非磁性材料。电动机100的各个“非磁性”部件的材料可以是相同的。替换地，不同的“非磁性”部件的材料构造可以彼此不同。例如，转子110的第二区域的填充部分111-1至111-4可以包括陶瓷或塑料，但是在转子110的中心的中空区域，如果是空心的情况下，则可以包括空气。

作为示例性材料选项，STEEL AISI 440C可以用于磁性轴承元件130，STEEL AISI316可以用于非磁性轴承元件140，STEEL BS EN 10106：M330-35A可以用于转子110的第一区域1101和第二区域1102以及定子120的壳体123。具体地，有可能通过已知的加工，诸如冷轧，使得诸如STEEL BS EN 10106：M330-35A等材料成为磁性或非磁性的。然而，用于这些部件的材料的选择不限于这些实例。

图1a可以表示电动机100的操作的快照，其中电动机是可操作的并且转子110围绕其定子120的壳体123内的轴线O旋转。在这种情况下，在图1a的快照瞬间中，仅定子120的最顶部和最底部的电磁铁121-1，121-4被通电。这两个电磁铁121-1，121-4彼此直接相对。另外四个电磁铁121-2，121-3，121-5，121-6被关闭，四个电磁铁121-2，121-3，121-5，121-6位于转子壳体123外侧的最顶部和最底部的电磁铁121-1，121-4之间。

图1a中示出了用于此快照瞬间的磁力线122-1至122-4。磁力线122-1至122-4呈环形，其穿过定子120、磁性轴承元件130和转子110的第一区域1101。磁力线122-1至122-4表示在电动机100的给定空间位置处的磁场方向。在图1a中，为了清楚说明，仅示出了四条这样的磁力线。然而，应当理解，所示的磁力线表示整个磁场，并不一定意味着磁场中的任何特定强度。

图1a显示磁力线122-1至122-4经由位于转子110和定子120之间的间隙124中的磁性轴承元件130基本上连续地通过转子110和定子120的壳体123。通过在定子120的壳体123和转子110的磁极之间提供最小磁阻的路径来促进这种连续性。具体地，参考与图1a中所示的最顶部电磁铁121-1相邻的磁力线。可以看出，磁力线从壳体123的与最顶部的电磁铁121-1直接相邻的区域连续地延伸到位于壳体123和转子110之间的间隙124中的多个单独的磁性轴承元件130。这些多个磁性轴承元件130优选地与上面提到的壳体123的区域物理接触，避免出现由中间空气引起的任何不连续性，否则这些不连续性会存在于间隙124中。

从图1a中可以看出，磁力线然后从多个磁性轴承元件130延伸到间隙124的相对侧上的转子110的磁极110-1中。如前所述，多个磁性轴承元件130优选地与转子110的磁极110-1物理接触。换句话说，磁性轴承元件130可以完全横穿定子壳体123和转子110之间的间隙124。

在电动机100的与最底部电磁铁121-4相邻的区域中，磁力线122-1至122-4的相应特性是明显的，如上所述，该电磁铁121-4在图1a的快照瞬间也是通电的。从图1a中可以看出，磁力线直接且连续地从定子壳体123的与最底部电磁铁121-4相邻的区域进入位于间隙124中的多个磁性轴承元件130。然后，以与最顶部电磁铁121-1的区域中所示的磁力线相对应的方式，这些磁力线连续地从这些磁性轴承元件130越过间隙124直接进入位于最底部电磁铁121-4对面的转子110的磁极110-3。

在上文中提到的转子110的两个相反的磁极110-1，110-3之间，磁力线122-1至122-4延伸通过转子110的第一区域1101，第一区域1101由一种或多种磁性材料形成。例如，如图1a所示，磁力线122-1至122-4可以基本上围绕转子110的内圆周区域在两个相对的磁极110-1，110-3之间通过。在两个电磁铁121-1，121-4之间，磁场可以周向地延伸穿过外框架125。

转子磁极110-1至110-4、定子壳体123和磁性轴承元件130的磁导率的大小可以是基本相同的，或者当选择不同时，选择使得最小磁阻的路径被明确地限定为从壳体123经由磁性轴承元件130到转子的磁极110-1和110-3，并且使得磁力线122-1-122-4可以如上所述形成。

再次参照图1a，在定子120和转子110之间的间隙124中不存在磁性轴承元件130的情况下，转子110和定子120之间的气隙可导致在转子110的磁极110-1，110-3的位置处的磁场强度显著降低。这些位置处的磁场强度的这种降低在很大程度上将是由于定子壳体123、气隙和转子110之间大的磁导率不连续性造成的。在定子壳体123和气隙的界面处以及在气隙和转子110的磁极110-1，110-3之间的界面处将存在特定的不连续性。如果这些不连续性使得最小磁阻的路径不形成穿过界面，则磁力线121-1至121-4的全部或部分可以沿间隙124的圆周方向延伸，并且如上所述可以不形成磁力线122-1至122-4。因此可能损害转子110的磁极位置处的磁场强度和电动机100的操作。由于电动机100的效率与转子110的磁极位置处的磁场强度密切相关，因此任何气隙的大小都可能对电磁铁121的电流要求、电动机的功率因数、甚至由于磨损增加而导致的电动机维护的价格产生负面影响。

在定子壳体123、磁性轴承元件130和转子的磁极110-1至110-4的磁导率相同的情况下，磁性轴承元件130在转子110和定子壳体123之间的间隙124中的存在确保在转子110和定子120上形成最小磁阻的路径，使得磁力线沿着最小磁阻的路径集中。实际上，磁性轴承元件130的存在消除了转子110和定子120之间的间隙124。

类似地，在定子壳体123、磁性轴承元件130和转子的磁极110-1至110-4的磁导率不相同的情况下，如果磁性轴承元件130的相对磁导率足够大，如上所述，可以形成最小磁阻的路径以穿过转子110和定子壳体123之间的间隙124。这具有与部件的磁导率相同的情况类似的效果，即由于间隙124所导致的磁阻被减小。

从上面的讨论可以理解，与在定子和转子之间具有气隙的传统电动机相比，这里描述的电动机100在改善效率方面可以提供优势。例如，在传统的电动机中，已经致力于最小化气隙，同时还试图解决诸如转子静态和动态偏心的杂散效应(spurious effect)。当传统电动机由于热膨胀而在高温下工作时，这些杂散效应是显著的。这里描述的电动机100不依赖于这种方法。轴承元件130，140的存在通过使得磁性的不连续性最小化而提供了改善的效率，并且还提供了转子110在旋转时的改善的动态稳定性，即使在高温下也无需额外的措施，例如支撑轴轴承。

在图1a中，非磁性轴承元件140中的相应非磁性轴承元件被设置在转子110和定子120之间的间隙124中的磁性轴承元件130中的相应的磁性轴承元件之间。换句话说，磁性轴承元件130和非磁性轴承元件140被设置成沿间隙124的圆周一个接一个地交替。在间隙中的轴承元件130和140可以在间隙中被布置成使得它们不相互接触。轴承元件130，140的这种特定布置可使得磁力线122-1至122-4能够局部地被限制在磁性轴承元件130中的相应磁性轴承元件内以穿过间隙124而不是沿间隙的圆周延伸，同时确保在通电的电磁铁121和转子110的相邻磁极110-1至110-4之间的磁性轴承元件130的有效面积相当大，以使得从定子壳体123到转子110的磁通量可以保持足够大，用于电动机110的运行。

例如，如上所述，在图1a中，只有最顶部和最底部的电磁铁121-1和121-4通电。如图示的磁力线122-1至122-4所示，转子110和定子壳体123之间的间隙124中的磁力线被限制为围绕两个通电的电磁铁121-1，121-4和转子110中相应的相对两个磁极110-1，110-3。

如果转子110和定子120之间的间隙124仅用磁性轴承元件130填充，则在一些布置中，磁力线122-1-122-4能够通过沿着间隙124的圆周行进而从电动机100的这些区域穿透。这是因为可以沿间隙124的圆周方向形成最小磁阻的路径。例如，如果各个元件130彼此接触，则磁力线122-1至122-4能够传播通过多个磁性轴承元件130中的相邻磁性轴承元件。因此，在间隙124仅填充有磁性轴承元件130的情况下，磁性轴承元件130可以被布置成使得它们在间隙124内不互相接触。

图1c示出了电动机100的第一替代配置中的这种情况，其中间隙124仅被填充以磁性轴承元件130。图1c示出了在电动机100内定子壳体123和转子110之间的间隙124的一部分。在间隙124中，磁性轴承元件130被布置成使得它们不相互接触，并且磁性轴承元件130中的相应的磁性轴承元件之间的空间基本上是空的并且在操作期间充满空气。由于空气是非磁性材料，磁力线122-1至122-4可以基本上穿过间隙124通过磁性轴承元件130，并且被限制成不沿着间隙124的圆周传播。

另外，为了防止由于磁性轴承装置130的不期望的打滑导致的磁性轴承元件130之间的接触，可以在磁性轴承装置130之间的间隙124内插入包括一种或多种非磁性材料的机械垫片128以确保磁性轴承元件130在间隙124中不相互接触。图1d示出了这种情况。机械垫片128中的相应机械垫片可以被设计成使得磁性轴承元件130可以在间隙124中以规则间隔隔开，而不会妨碍磁性轴承装置130的旋转。由于机械垫片128包括一种或多种非磁性材料，磁力线122-1至122-4可以基本上穿过间隙124而不是沿间隙124的圆周传播。

间隙124仅被填充以磁性轴承元件130的电动机100将在后面和图3描述。

磁性轴承元件130和非磁性轴承元件140的交替布置提供了确保磁场在电动机100的期望区域中的定位，同时确保磁力线122-1至122-4可以穿过转子110和定子120的有效区域足够大。然而，如下所述，多个磁性轴承元件130和非磁性轴承元件140的其他布置也是可能的。

图2是电动机200的第二示例性实施例的示意性剖视图。除了转子210包括四个永久磁铁212-1至212-4，以代替图1a中所示的转子110中的磁性材料的磁极110-1至110-4，图2中所示的电动机200与图1a中所示的电动机100相同。

在图2的快照瞬间，只有最顶部和最底部的电磁铁221-1和221-4通电。操作原理可以类似于图1a中所示的电动机100。

图2中所示的电动机200的配置说明了将磁性轴承元件230和非磁性轴承元件240的混合物设置在转子210和定子220之间的间隙224中的概念可能不依赖于电动机中转子210的特定设计，并且可以应用于各种类型的电动机以改善性能。被设置在转子210和定子220之间的间隙224中的磁性轴承元件230和非磁性轴承元件240的混合可以有助于减小转子210和定子220之间的磁阻，因此有助于形成如上所述的磁力线122-1至122-4，而同时用作为提供电动机100中的操作的机械稳定性的机械轴承。

具体地，如图1a和图2所示，磁性轴承元件230和非磁性轴承元件240一个接一个地交替的具体布置可以应用于各种类型的电动机，原因如上所述。如果考虑转子210和定子220的特定几何形状，则磁性轴承元件230和非磁性轴承元件240的其他布置也是可能的。

图3示出了第三示例性实施例的电动机300的示意性剖视图，其中转子310和定子320之间的间隙324仅用磁性轴承元件330填充。磁性轴承元件330可以被布置在间隙中，使得它们不会相互接触。另外，图3中所示的电动机300与图2中所示的电动机200相同。永久磁铁312-1至312-4的交替磁极用作转子310的磁极。当使用永久磁铁312-1至312-4时，因为永久磁铁312-1至312-4能够局部强磁化被设置在永久磁铁312-1-312-4中的相应永久磁铁附近的磁性轴承元件330，可以从通电的电磁铁321-1至321-6和穿过间隙324相关部分内的磁性轴承元件330中的相应磁性轴承元件的永久磁铁312-1至312-4的相应的相对的永久磁铁，形成界限清楚的最小磁阻路径。因此，磁力线122-1至122-6可以类似于电动机100的情形那样被形成。电动机300的具体示例显示，在间隙324中仅具有磁性轴承元件的电动机300的操作是可能的。

通常，磁性轴承元件130，230，330和非磁性轴承元件140，240，340可以以任何方式设置，使得当通电的电磁铁121，221，321和转子110，210，310的磁极对准时，磁力线122通过磁性轴承元件130，230，330闭合，如上所述。优选地，磁性轴承元件130，230，330的表面覆盖区域可以等于或大于磁场穿过的转子110，210，310的磁极的表面和定子120，220，320的壳体123，223，323的表面，以使得磁阻最小化。关于电磁铁121-1至121-6，221-1至221-6，321-1至321-6的位置，磁性轴承元件130，230，330和非磁性轴承元件140，240，340的布置可以另外被做成使得当通电的电磁铁121，221和转子110，210的磁极相距最远时磁阻被最大化。

当磁性轴承元件130，230，330和非磁性轴承元件140，240，340首先与转子110，210，310和定子120，220，320组装时，磁性轴承元件130，230，330和非磁性轴承元件140，240，340的位置必须相对于转子110-1至110-4，212-1至212-4，312-1至312-4的磁极的位置，相对于定子121-1至121-6，221-1至221-6，321-1至321-6中的电磁铁的位置，以适合于操作的精度水平被设定。当所有轴承元件如在电动机300中那样是磁性的时，这种对准的精度要求可以低于其中存在磁性轴承元件130，230和非磁性轴承元件140，240的电动机100，200的精度要求。在这些电动机100，200中，磁性轴承元件130，230和非磁性轴承元件140，240必须被布置在间隙124，224中的间隔，考虑转子的磁极112-1至112-4和212-1至212-4的位置以及电磁铁121-1至121-6和221-1至221-6的供电的相位。

磁性轴承元件130，230，330和非磁性轴承元件140，240，340在转子210和定子220之间的间隙224中的上述的许多布置可以广泛地应用于各种类型的电动机。例如，磁极的数量和电磁铁的数量可以根据所需的任务和电动机的特性而变化。电动机的类型可以变化，包括异步、同步、永久磁铁、无永久磁铁、有电刷或无电刷。

在本说明书的其余部分，将呈现根据这些一般考虑因素的具体实例。具体地，将对于转子110，210，220和电磁铁121，221，321的可能的布置的示例，显示出磁性轴承装置130，230，330和非磁性轴承装置140，240，340在间隙124，224，324中的可能布置的示例。

第四、第五和第六示例性实施例的电动机400，500，600分别在图4、5和6中示出，并且其中磁性轴承元件430，530，630的两个相应的磁性轴承元件沿着间隙424，524，624的圆周与非磁性轴承元件440，540，640的相应的一个非磁性轴承元件交替。

除了在壳体423和转子410之间的间隙424中磁性轴承元件430中的两个相应磁性轴承元件与非磁性轴承元件440的相应一个非磁性轴承元件相互交替，图4中所示的电动机400与图1a中所示的电动机100相同。

在图4的快照瞬间，只有最顶部和最底部的电磁铁421-1和421-4通电。操作原理类似于图1a中所示的电动机100。

通过磁性轴承元件430和非磁性轴承元件440的这种布置，最小磁阻的路径可以清楚地限定为从壳体423经由被设置在电磁铁421-1和421-4与转子的磁极410-1和410-3之间的磁性轴承元件430到转子的磁极410-1和410-3。因此，磁力线可以形成闭环，类似于上面在图1a中描述的那样，尽管在图4中未示出。同样在快照瞬间，在通电的电磁铁421-1，421-4和转子的磁极410-2，410-4之间的磁阻可以最大化。

图4中所示的电动机400的示例显示：其中磁性轴承元件430中的两个相应的磁性轴承元件与非磁性轴承元件440中的相应的一个非磁性轴承元件交替的轴承元件430，440的混合，可以是轴承元件430，440的另一个工作配置，其可以有助于减小转子410和定子420之间的磁阻，而同时用作为提供电动机400中的操作的机械稳定性的机械轴承。

由于转子410中有四个磁极以及六个电磁铁421-1至421-6以三相运行，因此电动机400的电动机步进角为30度。在间隙424内，设置非磁性轴承元件440在沿着间隙424围绕圆周的角度周期是15度。由于非磁性轴承元件440的角度周期等于电动机步进角的一半，所以当转子旋转一个电动机步进角时，任何给定的一对磁性轴承元件430可以定位在由相邻的一对磁性轴承元件430在转子旋转之前占据的位置处。换句话说，磁性轴承元件430和非磁性轴承元件440的布置可以再现。在电动机400的运行期间扭矩可以保持基本恒定。

通常，当非磁性轴承元件的角度周期与电机步进角的一半成比例时，轴承元件430，440的布置在转子410旋转一个电动机步进角后保持不变，因此在电动机400的运行期间，扭矩可以保持基本恒定。在本说明书中，这种操作模式可以被称为“无变位的运行”。

由于在电动机400的操作期间扭矩可以保持基本恒定的事实，因此“无变位的运行”比起“具有变位的运行”的优点是电动机400的运行的稳定性。

除了定子520包括十二个电磁铁521-1至521-12之外，图5中所示的电动机500与

图4中所示的电动机400相同。在图5的快照瞬间，仅最顶部的两个和最底部的两个电磁铁521-1，521-12和521-6，521-7被通电。换句话说，电动机500也以与上述电动机100，200，300，400类似地三相运行。运行原理类似于图4所示的电动机400。因此，磁力线122-1至122-4可以形成闭环，类似于图1a中所示的那些磁力线。

图5中所示的电动机500的示例显示：其中磁性轴承元件530中的两个相应的磁性轴承元件与非磁性轴承元件540的相应的一个非磁性轴承元件交替，轴承元件530，540的混合也可以结合采用12个电磁铁521-1至521-12的电动机配置工作。

由于转子510中有四个磁极510-1至510-4以及电磁铁521-1至521-12以三相运行，电动机500的电动机步进角为30度。在间隙524内，设置非磁性轴承元件540的角度周期是15度。由于电动机步进角的一半和角度周期都是15度，所以电动机500在‘无变位’的情况下运行，其中扭矩可以在电动机500的运行期间保持基本恒定，如上所述。

除了转子610包括四个永久磁铁612-1至612-4之外，图6中所示的电动机600与图4中所示的电动机400相同。在图6的快照瞬间，仅最顶部和最底部的电磁铁621-1和621-4通电。电动机600也以三相运行。运行原理类似于图4中所示的电动机400。

图6中所示的电动机600的示例显示：其中磁性轴承元件630中的两个相应的磁性轴承元件与非磁性轴承元件640中的相应的一个非磁性轴承元件交替，轴承元件630，640的混合也可以结合采用转子610的永久磁极612-1至612-4的电动机配置工作。

由于转子610中有四个磁极612-1至612-4以及电磁铁621-1至621-6以三相运行，电动机600的电动机步进角为30度。在间隙624内，设置非磁性轴承元件640的角度周期是15度。因此，电动机600也“无变位”运行。

第七和第八示例性实施例的电动机700和800分别在图7和8中示出，并且其中磁性轴承元件730和830中的三个相应的磁性轴承元件与非磁性轴承元件740和840中的三个相应的非磁性轴承元件交替。

图7中所示的电动机700与图1和图4中所示的电动机100和400相同，除了在壳体723和转子710之间的间隙724中，磁性轴承元件730中的三个相应的磁性轴承元件与非磁性轴承元件740中的三个相应的非磁性轴承元件交替。

在图7的快照瞬间，只有最顶部和最底部的电磁铁721-1和721-4通电。电动机700也以三相运行。运行原理类似于图1和4中所示的电动机100和400。

图7中所示的电动机700的示例显示：其中磁性轴承元件730中的三个相应的磁性轴承元件与非磁性轴承元件740中的三个相应的非磁性轴承元件交替，轴承元件730，740的混合可以是减小壳体723与转子710的磁极710-1和710-3之间的磁阻的可能配置。

由于转子710中有四个磁极712-1至712-4和电磁铁721-1-721-6以三相运行，电动机600的电动机步进角为30度。在间隙724内，设置非磁性轴承元件640的角度周期是15度。因此，电动机700也以“无变位”模式运行。

除了定子820包括12个电磁铁821-1至821-12之外，图8中所示的电动机800与图7中所示的电动机700相同。在图8的快照瞬间，仅最顶部的两个和最底部的两个电磁铁821-1，821-12和821-6，821-7被通电。换句话说，电动机800以三相运行。运行原理类似于图7中所示的电动机700。电动机800以“无变位”模式运行。

图1a，2，3，4，5，6，7，8中所示的电动机100，200，300，400，500，600，700，800的所有示例均以“无变位”模式运行。具体地，在图3所示的电动机300中，在间隙324中仅存在磁性轴承元件330。然而，由于磁性轴承元件330的布置在转子310旋转一个电动机步进角之后保持不变，电动机300以“无变位”模式运行。

第九和第十示例性实施例的电动机900和1000分别在图9和10中示出，并且其中磁性轴承元件930和1030中的三个相应的磁性轴承元件在间隙924和1024中与非磁性轴承元件940和1040中的三个相应的非磁性轴承元件交替，如在电动机700和800中那样。然而，这些电动机的每组的三个非磁性轴承元件之间的角度周期不与转子910和1010的电动机步进角度的一半成比例。

转子910，1010中有四个磁极。电磁铁921-1至921-6，1021-1至1021-12以三相运行。因此，电动机900和1000的电动机步进角是30度。非磁性轴承元件940和1040被设置的角度周期是36度，其不与电动机900和1000的电动机步进角的一半成比例。因此，在电动机900和1000的运行期间，扭矩可以在周期性地波动中变化。在本说明书中，这种运行模式将被称为“有变位”。

图10可以表示电动机1000的运行的快照，其中电动机1000可操作并且转子1010围绕其定子1020的壳体1023内的轴线O旋转。在这种情况下，在图10的快照瞬间，只有定子1020的最顶部的2个电磁铁1021-1和1021-12，以及最底部的2个电磁铁1021-6和1021-7被通电，其他电磁铁关闭。

如图10所示的快照瞬间的磁力线1022-1至1022-6。磁力线1022-1至1022-6呈环形，其穿过定子1020、磁性轴承元件1030和转子的磁极1010-1至1010-4。磁力线表示在电动机1000的给定空间位置处的磁场方向。在图10中，为了清楚说明，仅示出了六个这样的磁力线。然而，应当理解，所示的磁力线表示整个磁场并不暗示磁场中的任何特定强度。

图10示出了磁力线1022-1至1022-6经由位于转子1010和定子1020之间的间隙1024中的磁性轴承元件1030基本上连续穿过转子1010和定子1020的壳体1023。通过在定子1020的壳体1023和转子1010的磁极之间提供最小磁阻的路径来促进这种连续性。具体地，参考如图10所示的靠近与最顶部的两个电磁铁1021-1和1021-12的磁力线1022-1至1022-3，可以看出，磁力线从最顶部左侧的电磁铁1021-1连续延伸穿过壳体1023的与最顶部左侧的电磁铁1021-1直接相邻的区域进到位于与最顶部左侧的电磁铁1021-1直接相邻的壳体1023的区域和转子1010之间的间隙1024中的三个各个磁性轴承元件1030。

从图10中可以看出，磁力线1022-1-1022-3然后从三个磁性轴承元件1030继续进入在间隙1024的相对侧上的转子110的磁极1010-1中。磁力线1022-1至1022-3可以在转子1010的磁极1010-1内向右方向延伸，然后继续朝向位于与最顶部右侧的电磁铁1021-12直接相邻的壳体1023的区域和转子1010之间的间隙1024中的另外三个各个磁性轴承元件1030。磁力线1022-1至1022-3可以穿过间隙1024到达最顶部右侧电磁铁1021-12并且基本上周向地穿过外框架1025。作为整体地，磁力线1022-1-1022-3可以形成围绕由最顶部的两个电磁铁1021-1和1021-12限定的电动机1000的区域，在快照瞬间这两个电磁铁对面的转子的磁极1010-1，通过在间隙1024中两个组的三个磁性轴承元件1030的环。为了使所述环如上所述地形成，最顶部的两个电磁铁1021-1和1021-12可以被通电成彼此具有相反的极性。

类似的描述适用于电动机1000的相对侧上的磁力线1022-4至1022-6。

与上面在图1中对于电动机100描述的磁力线122-1-122-4相反，其中由磁力线形成的环包围不是与在快照瞬间通电的电磁铁121-1和121-4相对的磁极110-2和110-4，由磁力线1022-1至1022-6形成的环路可以仅穿过在快照瞬间通电的电磁铁1021-1，1021-2，1021-6和1021-7对面的磁极1010-1和1010-3。

在图1至10所示的示例中，给出轴承元件130，140，230，240，330，340，430，440，530，540，630，640，730，740，830，840，930，940，1030，1040在电动机100，200，300，400，500，600，700，800，900，1000的间隙124，224，324，424，524，624，724，824，924，1024中的四种不同布置：其中磁性轴承元件130，230中的相应一个磁性轴承元件，与非磁性元件140，240中的相应一个非磁性元件交替的一种布置(图1，2)，其中只有磁性轴承元件330的一种布置(图3)，其中磁性轴承元件430，530，630中的相应两个磁性轴承元件，与非磁性轴承元件440，540，640中的相应一个非磁性轴承元件交替的一种布置(图4，5和6)以及其中磁性轴承元件730，830，930，1030的三个相应的磁性轴承元件与非磁性轴承元件740，840，940，1040的三个相应的非磁性轴承元件交替的一种布置(图7，8，9和10)。

然而，在间隙124，224，324，424，524，624，724，824，924，1024中的轴承元件130，140，230，240，330，340，430，440，530，540，630，640，730，740，830，840，930，940，1030，1040的布置不限于这些示例。

在操作的适当瞬间，只要最小磁阻的路径可以被清楚地限定为从壳体123，223，323，423，523，623，723，823，923，1023经由磁性轴承元件130，230，330，430，530，630，730，830，930，1030到转子110，210，310，410，510，610，810，810，910，1010的磁极，以使得可以形成类似于图1a所示的磁力线122-1至122-4，可以根据每个电动机100，200，300，400，500，600，700，800，900，1000的设计采用磁性轴承元件130，230，330，430，530，630，730，830，930，1030和非磁性轴承元件140，240，340，440，540，640，740，840，940，1040的任何适当的组合。

此外，只要满足类似的原理，其它部件，诸如转子110，210，310，410，510，610，710，810，910，1010的设计，不限于上面和附图中公开的那些。

图11示出了转子1110的替代设计。如上面图1a所讨论的，到目前为止描述的转子110包括非磁性填充部分111-1至111-4，其可以被布置成填充磁极110-1到110-4之间的凹槽，以使得转子110的外表面被成形为光滑的圆柱形表面。

在图11中所示的转子1110的替代设计中，转子1110可以是空心圆柱体的形式，尽管类似的设计可以应用于实心圆柱体。代替被包括在图1a中所示的转子110中的突出的磁极和凹槽，转子1110包括多个孔1111，其可以是空的或填充有非磁性材料。被布置成彼此靠近的预定数量的孔1111可以组合在一起作为一组，并且预定数量的组1112的孔1111可以围绕圆筒设置并且围绕转子1110基本上等间隔地布置。孔1111可以沿着转子1110的圆柱轴线被形成，并且充分远离转子1110的外表面，使得转子1110的外表面保持光滑圆柱表面的形状。

在图11所示的示例中，转子1110包括十二个孔1111-1至1111-12。它们被分为四组，1112-1至1112-4，每个组分别包括三个孔，1111-1至1111-3，1111-4至1111-6，1111-7至1111-9和1111-10至1111-12。十二个孔1111-1-1111-12中的相应孔可以是空的或填充有非磁性材料。

与图1a中所示的电动机100的转子110的设计相比，转子1110的围绕孔1111-1至1111-12的每个组1112-1至1112-4的部分承担填充部分111-1至111-4的作用，以及孔1111-1至1111-12的每个组1112-1至1112-4之间的部分承担转子110的磁极110-1至110-4的作用。

由于转子110，1110的外表面尽可能平滑，对于电动机100，1100的运行是至关重要的，包括突出的磁极110-1至110-4和填充部分111-1至111-4的转子110可能需要在制造过程中进行额外的工程步骤或额外的测试步骤，取决于所使用的材料和可用的制造工艺。图11中所示的转子1110的设计可以在确保转子1110的光滑圆柱形外表面的同时消除这些步骤的必要性。

在图1至10所示的示例中，转子110，210，310，410，510，610，710，810，910，1010被设置在由定子120，220，320，420，520，620，720，820，920，1020的内表面限定的空间内，并且磁性轴承元件130，230，330，430，530，630，730，830，930，1030被设置在被形成在该空间内的所述转子和所述定子之间的间隙124，224，324，424，524，624，724，824，924，1024内。作为替代布置，所述转子可以被设计成使得所述定子设置在由所述转子的内表面限定的空间内，并且磁性轴承元件设置在所述转子和所述定子之间的间隙内。

图12a示出了第十一实施例的电动机1200的示意性剖视图。电动机1200包括转子1210和定子1220。图12b示出了图12a的电动机1200的转子1210的示意性剖视图。

转子1210包括第一区域12101和第二区域12102。转子1210的第一区域12101包括至少一种磁性材料，而转子1210的第二区域12102包括非磁性材料。

转子1210的第一区域12101包括多个磁极1210-1，1210-2，1210-3，1210-4。转子1210的第二区域12102可包括多个非磁性部分1211-1，1211-2，1211-3，1211-4，其可位于第一区域12101的多个磁极1210-1至1210-4之间。转子1210的第二区域的这些非磁性部分1211-1至1211-4在下文中称为填充部分1211-1至1211-4，其原因将从以下讨论中清楚。

转子1210被构造成绕中心轴线O旋转。例如，如图12a和12b所示，转子1210可具有近似圆形或环形的横截面形状，并且转子1210的旋转轴线O可垂直地通过圆形横截面的中心。转子1210可以是中空结构的形式，例如圆柱形，环形或管形，其围绕旋转轴线O旋转。

转子1210的磁极1210-1至1210-4可以是类似于转子1201的第一区域1101的扇形的形式。或者，转子1210的磁极1210-1至1210-4的形式可能不完全对应于如在几何形状中严格限定的那样的扇形，但是可以是占据转子1210的环形形状的预定局部部分的形式，其包括转子1210的内表面的一部分和外表面的一部分，所述外表面的一部分以基本规则的间隔围绕面向定子1220的、转子1210的内表面设置的。

例如，图12a和12b中所示的转子1210包括第一区域12101，其中四个这样的区域围绕转子1210的圆周大致等间隔。这些区域中的每一个对应于转子1210的单独的磁极1210-1至1210-4。在扇形之间，第一区域12101包括多个凹槽，其中转子1210的第一区域12101的深度小于在磁极1210-1至1210-4的区域中的深度。第一区域12101的这些凹槽被上面提到的转子1210的第二区域12102的部分占据。具体地，第一区域12101的凹槽由转子1210的多个填充部分1211-1至1211-4填充。

如图12a和12b所示，填充部分1211-1至1211-4可以被布置成填充磁极1210-1至1210-4之间的凹槽，使得转子1210的内表面成形为光滑的圆柱形表面。如上所述，总体而言，转子1210可以是空心圆柱体的形式，但是转子的形状不限于该示例，只要转子1210的内表面成形为光滑的圆柱形表面即可。还如上所述，磁极1210-1至1210-4包括磁性材料，填充部分1211-1至1211-4包括非磁性材料。以上详细讨论了磁性材料和非磁性材料的特性。

定子1220可包括由一个整体的磁性材料制成的结构。或者，定子1220可包括通过例如焊接结合在一起的多块一种或多种磁性材料。定子1220可包括多个电磁铁1221-1至1221-6。电磁铁1221-1至1221-6中的相应电磁铁可以包括一根或多根导线，该导线可以传导缠绕在由在被形成在定子1220内的空腔1226-1至1226-6之间的定子1220的部分限定的定子1220的芯周围的电流。定子1220的外表面可以是面向转子1210的内圆柱表面的圆柱形状，并且包括定子外表面的这个部分将被称为壳体1223，以便与图1至10所示的电动机的先前的描述保持一致。壳体1223进一步可包括孔1227-1至1227-6，每个孔被设置在定子120的外圆柱表面和空腔1226-1-1226-6的相应的空腔之间。这些孔1227-1至1227-6可有助于增加围绕孔1227-1-1227-6的定子1220的部分的磁阻，使得电磁铁之间的磁相互作用最小化并且使得磁力线1222-1至1222-4可以在电动机1200内形成，如稍后将描述的。孔1227-1至1227-6可以基本上是空的，使得它们在运行期间填充以空气，或者可以填充以非磁性材料。

定子1220的朝向定子1220的内表面的部分可以被称为内框架1225。内框架1225的形状可以是近似圆形的，其直径小于壳体1223的直径。内框架1225可以是基本上与定子的壳体1223同心设置。

定子1220包括壳体1223、电磁铁1221-1至1221-6的芯和由一种或多种磁性材料形成的内框架1225。如上所述，定子1220的这些部分可以整体形成为单件或者可以组合的相应的部件。

图12a中所示的定子1220的设计是一个示例性实施例，尽管本说明书的定子1220不限于图12a中所示的示例。根据电动机1200的设计或性能要求，可以适当地修改定子1220的设计。然而，在定子1220的任何修改设计中，可以保留以下两个特征：

首先，壳体1223可以与多个电磁铁1221-1至1221-6紧密接触或接触。例如，如图12a所示，多个电磁铁1221-1至1221-6可以位于壳体1223的外部朝外的圆柱形表面上，使得壳体1223位于多个电磁铁1221-1至1221-6和转子1210之间。

其次，壳体1223可具有近似圆形的横截面形状。该圆形横截面的中心至少近似地位于与所讨论的转子1210的横截面的中心相同的位置。定子1220或壳体1223的横截面的中心与上述转子1201的旋转轴线O对齐。在图12a所示的示例中，壳体123的圆形横截面的直径小于转子1201的直径，使得转子1201基本上围绕壳体1223。这意味着，至少在图12a的示例中，转子1210的表面是转子1210的面向内的内表面，磁极1210-1至1210-4围绕转子1210的表面设置。

如上所述，定子1220的壳体1223可以布置成设置在由转子1210向内的内表面限定的中空圆柱区域内。定子1220的壳体1223的面向外的圆柱形表面和转子1210的面向内的圆柱形表面以基本上同心的方式布置，使得在转子1210的内圆柱表面和壳体1223之间形成间隙1224。

在图12a中，转子1210-1至1210-4中有四个磁极，定子1220中有六个电磁铁1221-1至1221-6。然而，电动机1200的布置不限于这些特定数量的磁极和电磁铁。例如，对于特定的电动机1200，定子1220的电磁铁的确切数量和转子1210的磁极数量可以根据诸如电动机1200的尺寸、电动机的相应动态响应和电动机所需的功率特性等因素来确定。

转子1210和定子1220之间的间隙1224至少部分地填充以多个可滚动元件。如上所述，所述多个可滚动元件可包括磁性材料。或者，所述多个可滚动元件可以由具有不同磁特性的两组可滚动元件构成。第一组可包括由磁性材料形成的多个可滚动元件，而第二组可包括由非磁性材料形成的多个可滚动元件。第一组可滚动元件在下面称为磁性轴承元件1230，而第二组可滚动元件在下文中称为非磁性轴承元件1240。

在图12a中，磁性轴承元件1230和非磁性轴承元件1240，例如，均可以是多个圆柱滚子或多个滚珠轴承的形式，或者是多个圆锥轴承，取决于电动机1200的所需几何形状和壳体1223的相应设计。磁性轴承元件1230和非磁性轴承元件1240都可以与转子1210和定子1220的壳体1223接触。在这种情况下，磁性轴承元件1230和非磁性轴承元件1240的直径基本上等于转子1210和定子1220之间的间隙1224的宽度。在间隙1224中磁性和非磁性轴承元件1230，1240的存在和作用可以改善转子1210以稳定的方式与定子1220同心地旋转的能力。磁力线1222-1至1222-4总是形成闭合的环路，所述环路的路径取决于周围材料的磁阻。具体地，磁力线1222-1至1222-4可以集中在最小磁阻的路径周围。因此，磁力线1222-1至1222-4可以集中在磁性材料内并且被非磁性材料排斥。

磁性材料在由多个电磁铁1221-1至1221-6产生的磁场梯度下经受强大的吸引力，而非磁性材料在由多个电磁铁1221-1至1221-6产生的磁场梯度下经受可忽略的吸引力。

定子1220的壳体1223、磁性轴承元件1230和转子1210的磁极1210-1至1210-4包括磁性材料。电动机1200的这些部件的组成可以基本相同，因为每个部件可以由与其他部件相同的特定磁性材料或材料混合物形成。在这种情况下，可以选择在电动机1200的每个“磁性”部件中使用的材料，使得每个“磁性”部件的相对磁导率尽可能类似于每个其他“磁性”部件的相对磁导率。这确保了电动机1200的“磁性”部件的磁导率之间的不连续性被最小化，这可以导致电动机效率的改善。

替换地，然而，这些部件可包括不同的磁性材料。即使当这些部件包括不同的磁性材料时，磁场的法向分量也可以通过由壳体1223、磁性轴承元件1230和转子的磁极1210-1至1210-4形成的界面连续。

因此，磁力线1222-1至1222-4仍然可以形成闭环，只要在转子1210和磁性轴承元件1230旋转的同时最小磁阻的路径被清楚地限定为从壳体1223经由磁性轴承元件1230到转子1210-1至1210-4的磁极即可。

为了清楚地限定最小磁阻的路径，非磁性轴承元件1240可以布置成形成高磁阻的区域，并且磁性轴承元件的相对磁导率可以选择为尽可能高。以上讨论了磁性材料和非磁性材料的组成和材料选择。

图12a可以表示电动机1200的操作的快照，其中电动机是可操作的并且转子1210围绕其定子1220的壳体1223内的轴线O旋转。在这种情况下，在图12a中的快照瞬间，仅定子1220的最顶部和最底部的电磁铁1221-1，1221-4被通电。这两个电磁铁1221-1，1221-4位于彼此直接相对。位于转子壳体1223外侧的最顶部和最底部的电磁铁1221-1，1221-4之间的另外四个电磁铁1221-2，1221-3，1221-5，1221-6被关闭。

这个快照瞬间的磁力线1222-1至1222-4在图12a中示出。磁力线1222-1至1222-4呈环形，其穿过定子1220、磁性轴承元件1230和转子1210的第一区域12101。磁力线1222-1至1222-4表示在电动机1200的给定空间位置处的磁场方向。在图12a中，为了清楚说明，仅示出了四条这样的磁力线。然而，应当理解，所示的磁力线表示整个磁场，并不一定意味着磁场中的任何特定强度。

图12a示出了磁力线1222-1至1222-4基本连续地经由位于转子1210和定子1220之间的间隙1224中的磁性轴承元件1230穿过转子1210和定子1220的壳体1223。通过在定子1220的壳体1223和转子1210的磁极之间提供最小磁阻的路径来促进这种连续性。具体地，参考与图12a中所示的与最顶部电磁铁1221-1相邻的磁力线，可以看出，磁力线从壳体1223的与最顶部的电磁铁1221-1直接相邻的区域连续延伸到位于壳体1223和转子1210之间的间隙1224中的多个单独的磁性轴承元件1230。这些多个磁性轴承元件1230优选地与上面提到的壳体1223的区域物理接触，以使得避免由中间的空气引起的任何不连续性，否则在间隙1224中将存在空气。

从图12a中可以看出，磁力线然后从多个磁性轴承元件1230延伸到在间隙1224的相对侧上的转子1210的磁极1210-1中。如前所述，多个磁性轴承元件1230优选地与转子1210的磁极1210-1物理接触。换句话说，磁性轴承元件1230可以完全横穿在定子壳体1223和转子1210之间的间隙1224。

在电动机1200的与最底部的电磁铁1221-4相邻的区域中，磁力线1222-1至1222-4的相应特性是明显的，该电磁铁1221-4，如上所述，在图12a的快照瞬间也是通电的。从图12a中可以看出，磁力线直接且连续地从定子壳体1223的与最底部电磁铁1221-4相邻的区域进入位于间隙1224中的多个磁性轴承元件1230。然后磁力线，以与在最顶部电磁铁1221-1的区域中所示的磁力线相应的方式，连续地从这些磁性轴承元件1230穿过间隙1224直接进入位于最底部电磁铁1221-4对面的转子1210的磁极1210-3中。

在上面描述中提到的转子1210的两个相对的磁极1210-1，1210-3之间，磁力线1222-1至1222-4延伸穿过由一种或多种磁性材料形成的、转子1210的第一区域12101。例如，如图12a所示，磁力线1222-1至1222-4可以基本上围绕转子1210的外圆周区域在两个相对的磁极1210-1，1210-3之间通过。在两个电磁铁1221-1，1221-4之间，磁场可以沿周向延伸穿过内框架1225。

转子磁极1210-1至1210-4、定子壳体1223和磁性轴承元件1230的磁导率的大小可以是基本相同的，或者当选择不同时，被选择为使得磁阻最小的路径被清楚地限定为从壳体1223经由磁性轴承元件1230到转子的磁极1210-1和1210-3，并且使得磁力线1222-1-1222-4可以如上所述地形成。

再次参考图12a，在定子1220和转子1210之间的间隙1224中不存在磁性轴承元件1230的情况下，转子1210和定子1220之间的气隙可导致在转子1210的磁极1210-1，1210-3的位置处的磁场的强度的显著降低。这些位置处磁场强度的这种降低在很大程度上是由于在定子壳体1223、气隙和转子1210之间的大的磁导率不连续性造成的。在定子壳体1223和气隙的界面处以及在气隙和定子110的磁极1210-1，1210-3之间的界面处将存在特定的不连续性。如果这些不连续性使得最小磁阻的路径不形成穿过界面，则磁力线1221-1-1221-4的全部或部分可以沿间隙1224的圆周方向延伸，并且可以不形成如上所述的磁力线1222-1至1222-4。因此可能损害转子1210的磁极位置处的磁场强度和电动机1200的运行。由于电动机1200的效率与转子1210的磁极位置处的磁场强度密切相关，因此任何气隙的大小都可能对电磁铁1221的电流需求、电动机的功率因数和甚至由于磨损增加引起的电动机维护的价格产生负面影响，

在定子壳体1223、磁性轴承元件1230和转子的磁极1210-1至1210-4的磁导率相同的情况下，磁性轴承元件1230存在于转子1210和定子壳体1223之间的间隙1224内，确保在转子1210和定子1220上形成最小磁阻的路径，使得磁力线沿着最小磁阻的路径集中。实际上，磁性轴承元件1230的存在消除了转子1210和定子1220之间的间隙1224。

类似地，在定子壳体1223、磁性轴承元件1230和转子的磁极1210-1至1210-4的磁导率不相同的情况下，如果磁性轴承元件1230的相对磁导率足够大，则如上所述，可以形成穿过转子1210和定子壳体1223之间的间隙1224的最小磁阻的路径。这与部件的磁导率相同的情况具有类似的效果，即由于间隙1224造成的磁阻被减小。

从上述讨论中可以理解，与在定子和转子之间具有气隙的传统电动机相比，本文所述的电动机1200在改善效率方面可提供优势，如上面针对图1至10所示的电动机所讨论的。

在图12a中，非磁性轴承元件1240中的相应的非磁性轴承元件被设置在转子1210和定子1220之间的间隙1224中的磁性轴承元件1230中的相应的磁性轴承元件之间。换句话说，磁性轴承元件1230和非磁性轴承元件1240被设置成沿间隙1224的圆周一个接一个地交替。间隙中的轴承元件1230和1240可以布置在间隙中，使得它们不相互接触。轴承元件1230，1240的这种特定布置可使得磁力线1222-1-1222-4能够局部地限制在磁性轴承元件1230中的相应的磁性轴承元件内以穿过间隙1224而不是沿间隙1224的圆周延伸，同时确保在通电的电磁铁1221和转子1210的相邻磁极1210-1至1210-4之间的磁性轴承元件1230的有效面积相当大，使得从定子壳体1223到转子1210的磁通量可以保持足够大以用于电动机1210的运行。

例如，如上所述，在图12a中，只有最顶部和最底部的电磁铁1221-1和1221-4通电。如图示的磁力线1222-1至1222-4所示，在转子1210和定子壳体1223之间的间隙1224中的磁力线被限制为围绕两个通电的电磁铁1221-1，1221-4和转子1210的相应的相对的磁极1210-1，1210-3。

如果转子1210和定子1220之间的间隙1224仅用磁性轴承元件1230填充，则在一些布置中，磁力线1222-1至1222-4能够通过围绕间隙1224的圆周而行进，远离电动机1200的这些区域。这是因为可以沿间隙1224的圆周方向形成最小磁阻的路径。例如，如果各个元件1230彼此接触，则磁力线1222-1至1222-4能够传播通过多个磁性轴承元件1230中的相邻磁性轴承元件。因此，在间隙1224仅填充以磁性轴承元件1230的情况下，磁性轴承元件1230可以被布置成使得它们在间隙1224内不彼此接触。

在图1c和1d中所示的布置也可以应用于电动机1200，其中转子1210在定子1220的外部的。

图13a是电动机1300的第十二示例性实施例的示意性剖视图。图13b是图13a中所示的电动机的转子1310的示意性剖视图。图13a中所示的电动机1300与图12a中所示的电动机1200相同，除了转子1310(也在图13b中示出)包括四个永久磁铁1312-1至1312-4作为图12b中所示的转子1210中的磁性材料的磁极1210-1-1210-4的替代物。

转子1310包括第一区域13101和第二区域13102。转子1310的第一区域13101包括多个永久磁铁1310-1，1310-2，1310-3，1310-4和外缘1312。转子1310的第二区域13102可以包括多个非磁性部分1311-1，1311-2，1311-3，1311-4，所述多个非磁性部分1311-1，1311-2，1311-3，1311-4可以位于第一区域13101中的多个磁极1310-1至1310-4之间。转子1310的第二区域的这些非磁性部分1311-1至1311-4在下面称为填充部分1311-1至1311-4。

转子1310的永久磁铁1310-1至1310-4可以各自是靠近转子1301的第一区域13101的扇形的形式，其可以是空心圆柱形、环形或管形。类似于图12b中所示的转子1210，永久磁铁1310-1至1310-4围绕转子1210的、面向定子1220的内表面设置。

例如，图13a和13b所示的转子1310包括第一区域13101，其中四个永久磁铁1310-1至1310-4围绕转子1310的圆周大致相等间隔。在永久磁铁之间，第一区域13101包括多个凹槽，其中转子1310的第一区域13101的深度小于每个永久磁铁的径向范围。第一区域13101的这些凹槽被上面提到的转子1310的第二区域13102的部分占据。具体地，第一区域13101的凹槽由转子1310的多个填充部分1311-1至1311-4填充。如图13a和13b所示，填充部分1311-1至1311-4可以布置成填充磁极1310-1至1310-4之间的凹槽，使得转子1310的内表面被成形为光滑的圆柱形表面。如上所述，总的来说，转子1310可以是空心圆柱体的形式，尽管转子的形状不限于该示例，只要转子1310的内表面被成形为光滑的圆柱形表面即可。填充部分1211-1至1211-4包括非磁性材料。

在图13a的快照瞬间，只有最顶部和最底部的电磁铁1321-1和1321-4通电。操作原理可以类似于图13a中所示的电动机1300。

图13a中所示的电动机1300的配置表明将磁性轴承元件1330和非磁性轴承元件1340的混合物设置在转子1310和定子1320之间的间隙1324中的概念可能不依赖于转子1310特定的设计，其可以应用于各种类型的电动机以改善性能。被设置在转子1310和定子1320之间的间隙1324中的磁性轴承元件1330和非磁性轴承元件1340的混合物可有助于减小转子1310和定子1320之间的磁阻，因此有助于形成如上所述的磁力线1322-1至1322-4，而同时用作为提供电动机1300运行的机械稳定性的机械轴承。

具体地，基于上面讨论的原因，如图12a和图13a所示的磁性轴承元件1230，1330和非磁性轴承元件1240，1340一个接一个地交替的具体布置可以应用于类型广泛的电动机。如果考虑转子1210，1310和定子1220，1320的特定几何形状，则磁性轴承元件1230，1330和非磁性轴承元件1240，1340的其他布置也是可能的。

例如，间隙1224，1324可以仅被填充以磁性轴承元件1230，1330，如图3所示，或者被填充以磁性轴承元件1230，1330中的两个相应的磁性轴承元件与非磁性轴承元件1240，1340中的一个相应的非磁性轴承元件交替，如图4，5和6所示，或被填充以磁性轴承元件1230，1330中的三个相应的磁性轴承元件与非磁性轴承元件1240，1340中的三个相应的非磁性轴承元件交替，如图7，8，9，10所示。然而，这种布置不限于这些示例。

只要能够在适当的操作瞬间从壳体1223，1323经由磁性轴承元件1230，1330到转子1210，1330的磁极的最小磁阻的路径被清楚地限定，使得可以形成类似于图12a，13a中所示的磁力线1222-1至1222-4，1322-1至1322-4，就可以根据每个电动机1200，1300的设计，采用磁性轴承元件1230，1330和非磁性轴承元件1240，1340的任何合适的组合。

此外，只要满足类似的原理，诸如转子1210，1310的设计的其他部件不限于上面和在图12b和13b中公开的那些部件。

在附图中示出并在上面描述的本发明的实施例仅是示例性实施例，并不意图限制本发明的范围，本发明的范围由下文的权利要求限定。本文描述的非互斥特征的任何组合都在本发明的范围内。

Claims (23)

1.一种电动机，其特征在于，所述电动机包括：

转子；

定子；

在所述转子和所述定子之间的间隙；以及

包括磁性材料的、位于所述间隙中的第一组可滚动元件。

2.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，

其中所述定子包括壳体和多个电磁铁，所述壳体包括磁性材料和圆柱形内表面，

其中所述转子包括多个磁极并且包括被形成为圆柱形曲面的外表面，所述转子被设置在所述定子的圆柱形内表面内，使得所述圆柱形内表面的中心轴线和所述转子的外表面平行且同轴，并且使得所述间隙被形成在所述转子的外表面和所述定子的圆柱形内表面之间。

3.根据权利要求2所述的电动机，其特征在于，

其中所述第一组可滚动元件被设置在所述间隙中，并且被布置成与所述转子的外表面和所述定子的圆柱形内表面机械接触。

4.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，

其中所述定子包括壳体和多个电磁铁，所述壳体包括磁性材料和圆柱形外表面，

其中所述转子包括多个磁极并包括被形成为圆柱形曲面的内表面，所述转子被设置在所述定子的圆柱形外表面的外侧，使得所述圆柱形内表面的中心轴线和所述定子的外表面平行且同轴，并且使得所述间隙被形成在所述转子的内表面和所述定子的圆柱形外表面之间。

5.根据权利要求4所述的电动机，其特征在于，

其中所述第一组可滚动元件被设置在所述间隙中，并且被布置成与所述转子的内表面和所述定子的圆柱形外表面机械接触。

6.根据权利要求2到5所述的电动机，其特征在于，

其中所述转子和所述第一组可滚动元件被配置成响应于由一个或多个所述电磁铁生成的磁场而旋转。

7.根据权利要求2到6所述的电动机，其特征在于，

其中当至少一个所述电磁铁通电并与所述转子的多个磁极中的一个磁极对准时，磁力线从所述一个电磁铁经由所述第一组可滚动元件的至少一个相应的可滚动元件到所述多个磁极中的一个磁极闭合。

8.根据任何前述权利要求所述的电动机，其特征在于，

其中所述间隙被布置成使得所述第一组可滚动元件形成环绕所述间隙的圆周的单列。

9.根据任何前述权利要求所述的电动机，其特征在于，所述电动机进一步包括多个包含非磁性材料的间隔物，

其中多个间隔物的相应间隔物被设置在包括所述第一组可滚动元件中的预定数量的相应的可滚动元件的相应组之间。

10.根据任何前述权利要求所述的电动机，其特征在于，

其中包括所述第一组可滚动元件中的预定数量的相应可滚动元件的多个组以规则间隔设置在所述间隙内，使得在所述间隙内、于每个所述组之间存在空隙。

11.根据任何前述权利要求所述的电动机，其特征在于，所述电动机进一步包括第二组包含非磁性材料的可滚动元件。

12.根据权利要求11所述的电动机，其特征在于，其中包括所述第一组可滚动元件中的第一数量的相应可滚动元件的一个或多个组被设置在所述间隙中，以便与包括所述第二组可滚动元件中的第二数量的相应可滚动元件的一个或多个组交替。

13.根据任何前述权利要求所述的电动机，其特征在于，

其中所述多个磁极包括被设置为周期性地围绕所述外表面并且被布置成径向向外凸出的一种或多种磁性材料。

14.根据权利要求1到12的任一项所述的电动机，其特征在于，

其中所述多个磁极包括永久磁铁，使得所述多个磁极中的相应磁极的极性与相邻磁极的极性相反。

15.根据权利要求13或14所述的电动机，其特征在于，

其中所述转子进一步包括多个填充部分，所述多个填充部分包括非磁性材料并且被设置在所述转子的多个磁极之间，使得所述转子的外表面呈圆柱形。

16.根据任何前述权利要求所述的电动机，其特征在于，

其中所述转子呈环形，使得所述转子的内表面呈与所述转子的外表面同心设置的圆柱形。

17.根据任何前述权利要求所述的电动机，其特征在于，

其中所述多个可滚动元件包括一个或多个球轴承、滚子轴承和圆锥滚子。

18.根据权利要求1到12，13到15的任一项所述的电动机，其特征在于，

其中所述定子壳体、所述第一组可滚动元件、和所述转子磁极的导磁率值基本相似。

19.根据任何前述权利要求所述的电动机，其特征在于，

其中所述第一组可滚动元件的导磁率值大于所述定子壳体的导磁率值。

20.根据权利要求1到14，16到18的任一项所述的电动机，其特征在于，

其中所述第一组可滚动元件的导磁率值大于所述转子磁极和所述定子壳体的导磁率值。

21.根据任何前述权利要求所述的电动机，其特征在于，

其中所述第一组可滚动元件被布置在所述间隙中，使得当所述转子旋转一个电动机步进角时，所述第一组可滚动元件相对于所述转子和所述定子的布置与在所述转子旋转之前的布置相同。

22.根据权利要求1到20的任一项所述的电动机，其特征在于，

其中所述第一组可滚动元件被布置在所述间隙中，使得当所述转子旋转一个电动机步进角时，所述第一组可滚动元件相对于所述转子和所述定子的布置与在所述转子旋转之前的布置不同。

23.根据任何前述权利要求所述的电动机，其特征在于，

其中所述电动机进一步包括：

轴；和

一个或多个轴支撑轴承，

其中所述转子被安装在所述轴上，并且所述一个或多个轴支撑轴承被配置成支撑所述轴。