CN112740523A - 电机 - Google Patents

Abstract

电机具有通过章动牵引界面机械联接到转子的定子，使得在转子相对于定子章动期间，转子的倾斜轴线围绕输出轴的旋转轴线行进。转子和定子的表面界定了动态间隙，通过电机的电激活在该动态间隙上产生磁场，以在转子和定子之间产生力。牵引界面和间隙被布置成使得在包含输出轴的旋转轴的平坦表面中，牵引界面相对于界定出间隙的定子表面成角度。转子通过可倾斜的连接件(如万向节)连接到输出轴。

Description

电机

技术领域

本发明涉及电机和这种电机的操作。

背景技术

电机的特征之一是转矩密度(即每单位电机体积可获得的转矩)。对于许多需要特别高扭矩密度的应用，液压电机具有更实际的用途，因为用电动电机实现高扭矩密度具有挑战性。传统电机具有带电磁元件的定子和相对于定子绕旋转中心轴线旋转的转子。定子和/或转子被电激活以产生用于形成扭矩的切向磁力。除了切向力，电机还在定子和转子之间产生由磁场产生的法向力(有时称为径向压力)，该法向力比切向力大一个数量级。在典型的电机中，转子上的径向压力被仔细平衡，以防止定子-转子碰撞。有些人试图通过使用一个偏心运动的转子来利用法向力。

需要新的电机设计，其至少部分地利用径向压力来产生具有可接受的平滑动力传输的扭矩。

发明内容

本发明的一个方面的特征在于一种电机，该电机具有限定旋转轴线的输出轴、可旋转地联接到输出轴的转子、以及通过章动牵引界面机械地联接到转子的定子，使得在转子相对于定子进行章动期间，转子的倾斜轴线围绕输出轴的旋转轴线行进。定子的一表面和转子限定了动态间隙，通过电机的电激活而在该动态间隙上产生磁场，以在转子和定子之间产生力。牵引界面和间隙被布置成使得，在包含输出轴的旋转轴线的平面中，牵引界面相对于界定出间隙的定子表面成角度。

在一些实施例中，转子是第一转子，定子是第一定子，章动牵引界面是第一章动牵引界面。电机还包括可旋转地联接到输出轴的第二转子，以及通过第二章动牵引界面机械地联接到第二转子的第二定子，使得在第二转子相对于第二定子章动期间，第二转子的倾斜轴线行进以相对于输出轴的旋转轴线限定锥形表面。第二定子的一表面和第二转子限定一间隙，通过电机的电激活而在该间隙上产生磁场，以在第二转子和第二定子之间产生力。

在一些示例中，第一和第二转子联接到输出轴，使得在电机操作期间，第一和第二转子轴线相对于输出轴的旋转轴线在相反方向上倾斜。

在一些情况下，第一章动牵引界面的行进接合点与第二章动牵引界面的行进接合点相对于第一定子旋转对准。

第一和第二转子可轴向设置在第一和第二章动牵引界面之间，或者第一和第二章动牵引界面可设置在第一和第二转子之间。

在一些电机中，转子通过万向节可旋转地联接到输出轴，万向节限定了彼此垂直且与输出轴的旋转轴垂直的两个独立倾斜轴线。

在一些例子中，定子表面是圆柱形的。在这种情况下，转子表面可以是截头圆锥形。

在许多实施例中，动态气隙是径向气隙。“径向”气隙是指定子和转子之间沿主动磁通路径的气隙，其中相对于转子的旋转轴，穿过气隙的最小磁阻路径是径向多于轴向或切向。气隙是动态的，因为由于转子章动，，气隙在转子周围随时间从一点到另一点发生尺寸变化。

在一些配置中，定子具有带相关绕组的定子磁极，并且径向气隙在定子磁极的径向内侧。优选地，在章动期间的任何点，牵引界面的最大牵引接合点和最小动态气隙点设置在旋转轴的相反侧。

在一些其它配置中，定子具有带相关绕组的定子磁极，并且径向气隙在定子磁极的径向外侧。优选地，在章动期间的任何点，牵引界面的最大牵引接合点与最小动态气隙的瞬时点设置在输出轴的同一侧。

在一些实施例中，牵引界面具有与一系列定子齿轮齿啮合的一系列转子齿轮齿。在一些情况下，一系列转子齿轮齿包括比一些定子齿轮齿更多的齿轮齿。优选地，在一系列转子齿轮齿和一系列定子齿轮齿的齿轮齿总数之间存在一个齿的差异，使得章动牵引界面的一次章动能相对于定子将转子的旋转位置改变一个齿间距的周向节距。

在一些情况下，牵引界面还具有转子的锥形边缘表面，该锥形边缘表面布置成在章动期间抵靠定子的锥形止动表面滚动。

在一些构造中，定子包括支撑轴承的定子端盖，该轴承支撑输出轴，并且定子端盖以定子齿轮齿为特征。

在一些示例中，牵引界面特征在于具有在正常负载下与反作用表面滚动接合的顺应(compliant)摩擦表面。

在一些配置中，牵引界面在动态气隙的径向外侧。在其他配置中，牵引界面在动态气隙的径向内侧。

在一些实施例中，定子具有围绕转子周向间隔开的多个可独立激活的绕组。绕组可在章动牵引界面的行进接合点之前顺序激活，以激励转子旋转。该电机还可以包括绕组控制器，该绕组控制器具有可操作为激活定子绕组的一组开关。

在一些配置中，定子的多个相邻绕组可同时激活为绕组组合，定子包括围绕定子间隔开的多个这样的多个绕组组合。

在一些实施例中，定子具有与定子绕组相关联的周向间隔开的磁极。磁极可以由轴向叠片形成。优选地，叠片形成为在打开所有定子绕组后的至少一分钟内在转子处具有至少100高斯的剩磁。例如，这种剩磁有助于在定子断电后保持转子位置。

在一些情况下，章动牵引界面被配置为相对于定子将转子旋转推进大约等于定子磁极节距(stator pole pitch)的距离。

在一些实施例中，牵引界面的特征在于转子的牵引表面与定子的静止牵引表面接合，定子的牵引表面限定定子节锥，其具有的定子节锥角为4度到40度。在一些情况下，转子的牵引表面限定了转子节锥，其具有的转子节锥角与定子节锥角相差小于10度，优选小于7.5度，更优选小于5度。

在一些构造中，转子设置在定子内，例如定子磁极之间。在其他一些情况下，转子围绕定子的磁极延伸。

在一些示例中，转子具有径向延伸的、周向间隔开的齿，这些齿具有界定出动态气隙的远端表面。远端表面可以径向向外指向定子的磁极，或者径向向内指向定子的磁极。

在一些情况下，定子具有与定子绕组相关联的周向间隔开的磁极。在一些示例中，每个间隔开的齿具有轴向间隔开的多个齿突起，并且每个定子磁极具有轴向间隔开的多个磁极突起。优选地，齿突起和磁极突起在最小动态气隙点处轴向对齐。

在一些实施例中，转子在气隙附近具有多个铁磁材料叠片。

在某些情况下，章动牵引界面被润滑。例如，电机可以包含由润滑系统导入章动牵引界面的可流动润滑剂。在一些构造中，电机包括带有泵的主动润滑系统，该泵在电机运行期间使得润滑剂流被引导至章动牵引界面。在一些构造中，输出轴限定了润滑端口，该润滑端口布置成将可流动润滑剂引导至牵引界面。润滑端口可以例如与由万向节限定的润滑通道流体连通，转子安装在万向节上。

一些电机构造具有润滑轨道，该润滑轨道具有至少一个喷嘴，该喷嘴布置成从轨道喷射润滑剂，用于润滑牵引界面。

本发明的另一方面的特征在于一种电机，该电机具有限定旋转轴线的输出轴、以可倾斜的连接方式联接到输出轴的转子、以及邻近转子设置以限定动态气隙的定子。定子具有多个绕组，每个绕组被配置成产生磁场，以将转子的相应侧拉向定子，响应于多个绕组的顺序激活而导致转子相对于定子章动，逐渐倾斜可倾斜连接。可倾斜连接的特点是万向接头，用于将扭矩从转子传递到输出轴。

在一些实施例中，转子是第一转子，定子是第一定子，动态气隙是第一动态气隙，可倾斜连接是第一可倾斜连接。该电机还包括可旋转地联接到输出轴的第二转子，以及通过第二可倾斜连接机械地联接到第二转子的第二定子，该第二可倾斜连接特点是具有第二万向节，该第二万向节布置成将扭矩从第二转子传递到输出轴。第二转子和第二定子的表面限定了第二动态气隙，通过电机的电激活而在第二动态气隙上产生磁场，以在第二转子和第二定子之间产生力。

在一些情况下，第一和第二转子联接到输出轴，使得在电机操作期间，第一和第二转子轴线相对于输出轴的旋转轴线在相反方向上倾斜。

在一些布置中，相对于第一定子，第一动态气隙的行进最小位置与第二动态气隙的行进最小位置旋转对准。

在一些示例中，第一定子通过第一章动牵引界面机械地联接到第一转子，第二定子通过第二章动牵引界面机械地联接到第二转子，使得在转子相对于定子章动期间，每个转子的相应倾斜轴线围绕输出轴的旋转轴线行进。例如，第一和第二转子可以轴向设置在第一和第二章动牵引界面之间，或者第一和第二章动牵引界面设置在第一和第二转子之间。

在某些情况下，定子表面是圆柱形的。转子表面可以是截头圆锥形。

在一些电机中，动态气隙是径向气隙。在某些情况下，定子的特点是具有与定子绕组相关联的定子磁极，并且径向气隙在定子磁极的径向内侧。定子可以通过章动牵引界面机械地联接到转子，配置成使得在章动期间的任何点，牵引界面的最大牵引接合点和最小动态气隙点设置在旋转轴的相反侧。在其他一些情况下，定子具有与定子绕组相关联的定子磁极，并且径向气隙在定子磁极的径向外侧。定子可以通过章动牵引界面机械地联接到转子，配置成使得在章动期间的任何点，牵引界面的最大牵引接合点与最小动态气隙的瞬时点设置在输出轴的同一侧。

在一些实施例中，定子通过章动牵引界面机械地联接到转子，章动牵引界面的特征在于一系列转子齿轮齿与一系列定子齿轮齿啮合。在一些情况下，该一系列转子齿轮齿包括比该一系列定子齿轮齿更多的齿轮齿。优选地，在一系列转子齿轮齿和一系列定子齿轮齿的齿轮齿总数之间存在一个齿的差异，使得章动牵引界面的一次章动能相对于定子将转子的旋转位置改变一个齿间距的周向节距。

在一些构造中，牵引界面的特点还在于转子的锥形边缘表面，该锥形边缘表面布置成在章动期间抵靠定子的锥形止动表面滚动。

定子的一些例子包括支撑轴承的定子端盖，该轴承支撑输出轴，定子端盖的特点在于定子齿轮齿。

例如，牵引界面可以在动态气隙的径向外侧，或者在动态气隙的径向内侧。

在一些布置中，定子通过章动牵引界面机械地联接到转子，章动牵引界面的特征在于在正常负载下与反作用表面滚动接合的顺应摩擦表面。

在一些实施例中，定子的多个相邻绕组可同时激活为绕组组合，定子包括围绕定子间隔开的多个这样的多绕组组合。

在一些示例中，定子具有与相应的定子绕组相关联的周向间隔开的磁极。磁极可以由轴向叠片形成。

在一些实施例中，定子通过章动牵引界面机械地联接到转子，章动牵引界面的特征在于转子的牵引表面与定子的静止牵引表面接合，定子的牵引表面限定定子节锥，其具有的定子节锥角为4度到40度。优选地，转子的牵引表面限定转子节锥，其具有的转子节锥角与定子节锥角相差小于10度，更优选小于7.5度，甚至更优选小于5度。

在某些情况下，转子具有径向延伸、周向间隔开的齿，其远端表面限定了动态气隙。例如，远端表面可以径向向外朝向定子的磁极，或者径向向内朝向定子的磁极。在定子具有与定子绕组相关联的周向间隔开的磁极的一些配置中，每个间隔开的齿具有轴向间隔开的多个齿突起，并且每个定子磁极具有轴向间隔开的多个磁极突起。优选地，齿突起和磁极突起在最小动态气隙点处轴向对齐。

在一些示例中，转子的特征在于邻近气隙的多个铁磁材料叠片。

在一些实施例中，定子通过章动牵引界面机械地联接到转子，章动牵引界面由主动润滑系统润滑，该主动润滑系统包括泵，该泵在电机运行期间使润滑剂流被引导到章动牵引界面。在一些示例中，输出轴限定了润滑端口，该润滑端口被布置成将可流动润滑剂引导至牵引界面。例如，润滑端口可以与由万向节限定的润滑通道流体连通。在一些构造中，电机包括润滑轨道，该润滑轨道具有至少一个喷嘴，该喷嘴布置成从轨道喷射润滑剂以润滑牵引界面。

本发明的另一方面的特征在于一种电机，该电机具有限定旋转轴线的输出轴、以可倾斜的连接方式联接到输出轴的转子、以及邻近转子设置以限定动态气隙的定子。定子具有多个绕组，每个绕组被配置成产生磁场，以将转子的相应侧拉向定子，响应于多个绕组的顺序激活而导致转子相对于定子章动，逐渐倾斜可倾斜连接。动态气隙由转子的外周表面界定，使得转子和定子之间的磁耦合主要是径向的。

在一些例子中，转子的外周表面是锥形的。

在一些实施例中，转子是第一转子，定子是第一定子，动态气隙是第一动态气隙，可倾斜连接是第一可倾斜连接，电机还具有旋转地联接到输出轴的第二转子，以及通过第二可倾斜连接机械地联接到第二转子的第二定子。第二转子和第二定子的表面限定了第二动态气隙，通过电机的电激活而在第二动态气隙上产生磁场，以在第二转子和第二定子之间产生力。

在一些构造中，第一和第二转子联接到输出轴，使得在电机操作期间，第一和第二转子轴线相对于输出轴的旋转轴线在相反方向上倾斜。

优选地，相对于第一定子，第一动态气隙的行进最小位置与第二动态气隙的行进最小位置旋转对准。

在一些实施例中，第一定子通过第一章动牵引界面机械地联接到第一转子，第二定子通过第二章动牵引界面机械地联接到第二转子，使得在转子相对于定子章动期间，每个转子的相应倾斜轴线围绕输出轴的旋转轴线行进。例如，第一和第二转子可轴向设置在第一和第二章动牵引界面之间，或者第一和第二章动牵引界面可设置在第一和第二转子之间。

在定子包括与定子绕组相关联的定子磁极的一些例子中，径向气隙在定子磁极的径向内侧。在定子通过章动牵引界面机械地联接到转子的情况下，优选地，在章动期间的任何点处，牵引界面的最大牵引接合点和最小动态气隙点设置在旋转轴的相反侧。

在定子包括与定子绕组相关联的定子磁极的一些其他示例中，径向气隙在定子磁极的径向外侧。在定子通过章动牵引界面机械地联接到转子的情况下，优选地，牵引界面的最大牵引接合点被设置在输出轴的同一侧，作为章动期间任何点的最小动态气隙的瞬时点。

在一些实施例中，定子通过章动牵引界面机械地联接到转子，章动牵引界面的特征在于一系列转子齿轮齿与一系列定子齿轮齿啮合。在一些情况下，一系列转子齿轮齿包括比一系列定子齿轮齿系列的齿轮齿。优选地，在一系列转子齿轮齿和一系列定子齿轮齿的齿轮齿总数之间存在一个齿的差异，使得章动牵引界面的一次章动能相对于定子将转子的旋转位置改变一个齿间距的周向节距。

在一些示例中，牵引界面还具有转子的锥形边缘表面，该锥形边缘表面布置成在章动期间抵靠定子的锥形止动表面滚动。在一些情况下，定子具有支撑轴承的定子端盖，该轴承支撑输出轴，并且定子端盖具有定子齿轮齿。例如，牵引界面可以在动态气隙的径向外侧，或者在动态气隙的径向内侧。

在一些配置中，定子通过章动牵引界面机械地联接到转子，章动牵引界面包括在正常负载下与反作用表面滚动接合的顺应摩擦表面。

在一些电机中，定子的多个相邻绕组可同时激活为一个绕组组合，定子的特征在于围绕定子间隔开多个这样的多个绕组组合。

在一些实施例中，定子通过章动牵引界面机械地联接到转子，章动牵引界面的特征在于转子的牵引表面与定子的静止牵引表面接合，定子的牵引表面限定定子节锥，其具有的定子节锥角为4度到40度。优选地，转子的牵引表面限定转子节锥，其具有的转子节锥角与定子节锥角相差小于10度，更优选小于7.5度，甚至更优选小于5度。

在一些布置中，转子设置在定子内。

在一些构造中，转子具有径向延伸的、周向间隔开的齿，该齿具有限定动态气隙的远端表面。例如，远端表面可以径向向外朝向定子的磁极，或者径向向内朝向定子的磁极。在定子具有与定子绕组相关联的周向间隔开的磁极的一些情况下，每个间隔开的齿具有轴向间隔开的多个齿突起，并且每个定子磁极具有轴向间隔开的多个磁极突起。优选地，齿突起和磁极突起在最小动态气隙点处轴向对齐。

在某些情况下，转子在气隙附近有多个铁磁材料叠片。

在定子通过章动牵引界面机械地联接到转子的一些构造中，章动牵引界面由主动润滑系统润滑，该主动润滑系统包括泵，该泵在电机运行期间使润滑剂流被引导到章动牵引界面。在一些示例中，输出轴限定了润滑端口，该润滑端口被布置成将可流动润滑剂引导至牵引界面。电机可包括润滑轨道，该润滑轨道具有至少一个喷嘴，该喷嘴布置成从轨道喷射润滑剂以润滑牵引界面。

在一些示例中，转子通过万向节可旋转地连接到输出轴，万向节限定了两个彼此垂直且与输出轴的旋转轴垂直的独立倾斜轴。

本发明的又一方面的特征在于一种操作电机的方法。该方法包括激活设置在转子附近的定子的第一线圈，以限定由转子的外周表面限定的动态气隙，使得转子和定子之间的磁耦合主要是径向的，转子以可倾斜的连接方式联接到电机的输出轴。该方法还包括激活定子的第二线圈，第二线圈与第一线圈周向间隔开，然后激活定子的第三线圈，第三线圈与第一和第二线圈周向间隔开，第二线圈设置在第一和第三线圈之间。第一、第二和第三线圈的顺序激活导致转子绕输出轴轴线章动，从而转动输出轴。

在一些示例中，转子是第一转子，定子是第一定子，动态气隙是第一动态气隙，可倾斜连接是第一可倾斜连接，电机还具有旋转地连接到输出轴的第二转子，以及通过第二可倾斜连接机械地连接到第二转子的第二定子。该方法包括顺序激活第二定子的线圈，以使第二转子绕输出轴轴线章动，第一和第二转子传递累积扭矩。

在一些情况下，第一和第二转子联接到输出轴，使得在电机操作期间，第一和第二转子轴线相对于输出轴的旋转轴线在相反方向上倾斜。

在一些示例中，第二转子和第二定子一起限定第二动态气隙，并且在电机操作期间，第一动态气隙的行进最小位置相对于第一定子与第二动态气隙的行进最小位置旋转对准。

在一些情况下，第一定子通过第一章动牵引界面机械地联接到第一转子，第二定子通过第二章动牵引界面机械地联接到第二转子，使得在转子相对于定子章动期间，每个转子的相应倾斜轴线围绕输出轴的旋转轴线行进。

在一些示例中，第二定子的被顺序激活的每个线圈与第一定子的相应线圈一起被激活。

在一些情况下，第一定子的第一、第二和第三线圈以及第二定子的被顺序激活的线圈一起形成同时激活的线圈对，每对的特征在于具有第一定子的线圈和与第一定子的线圈周向对齐的第二定子的线圈。

在一些情况下，激活定子的第一线圈包括同时激活定子的多个周向相邻绕组，作为不包括第二线圈或第三线圈的绕组组合。

在定子通过章动牵引界面机械地联接到转子的一些示例中，该方法还包括在电机运行期间将可流动润滑剂引导到章动牵引界面。引导可流动润滑剂可包括使润滑剂流过输出轴的润滑端口，和/或从电机内的润滑轨道的喷嘴喷射润滑剂。

如本文所用，术语“电机”是指电动机和发电机。

根据本发明的另一方面，电机包括轨道运行组件，该组件具有沿着机械操作界面定位的第一牵引部件，并且可操作地连接到沿着磁性操作界面定位的第一磁性部件。该电机还具有万向节组件，该万向节组件具有通过轴承围绕旋转轴线连接的多个万向节环，该轴承可操作地将绕动组件连接到沿旋转中心轴线定位的输出轴，从而产生旋转自由度。电机还具有静止组件，该静止组件具有也沿着机械操作界面定位的第二牵引部件，该第二牵引部件可操作地连接到也沿着磁性操作界面定位的第二磁性部件。机械操作界面和磁性操作界面位于不同的表面之间

至少一个磁性部件具有多个磁极。相关电路被配置成以预定顺序电磁激活磁极。电磁激活导致第一和第二磁性部件之间的偏心磁力，导致绕动组件相对于固定组件围绕由万向节组件限定的虚拟枢轴点偏心平移。第一和第二磁性部件之间的压缩(吸引力)通过第一牵引部件和第二牵引部件的机械连通转化为切向推力，并通过万向节组件传递到输出轴。

在某些情况下，轨道组件的牵引部件直接与其磁性部件耦合。例如，牵引部件可以具有直接安装到一组转子叠片上的齿轮。或者它可以通过支撑板间接联接到磁性部件。支撑板可以在轨道磁性部件、其相关的牵引部件和万向节组件之间提供低质量的结构刚性和几何一致的对准。这种支撑板可以通过传统技术由结构上合适的材料制成，例如钢合金、碳纤维复合材料或铝合金。在一些应用中，将牵引部件作为单个部件结合到支撑板中在结构上是有益的。支撑板也可以直接联接到万向节组件，以在保持结构对准的同时传递扭矩。虽然支撑板可以包括可操作地联接到万向环的独立部件，但是在一些应用中，将万向环直接结合到支撑板中是有益的，从而产生单个部件。

轨道组件的部件可以使用常规技术组装，例如紧固、焊接、粘合剂连结和机械干涉连结，以获得期望的结构刚度和耐用性。支撑板可以使用类似的技术连接到万向节组件，或者在支撑板用作万向节环的情况下，支撑板可以通过旋转轴承接口可操作地连接到第二万向节环。

牵引部件可以是高摩擦柔性材料，例如橡胶或聚氨酯，刚性摩擦界面，例如齿轮或牵引轨道，或者可以组合来自多个结构的元件，例如连接到驱动轨道的齿轮或连接到驱动轨道的橡胶o形环。驱动轨道可以限定绕动转子相对于定子的行程磁极限，以提供一致的操作。齿轮牵引部件可以具有渐开线或摆线齿廓，可以是直切或螺旋切的，可以是凹的、凸的、斜切的或它们的某种组合。定子和转子均联接到牵引部件上，使得电机的操作导致沿着滚动锥形界面的接合。

电机可以包括一个或多个轴承，该轴承将输出轴和定子壳体连接起来。这种轴承可以是普通轴承、流体轴承或滚动元件轴承，其可以支撑径向载荷、轴向载荷或其组合。轴承也可以是多个径向和推力轴承，以支撑径向和轴向载荷的组合。考虑到预期的轴载荷，圆锥滚子轴承或角接触轴承是汽车应用的首选。轴承可以永久润滑或需要主动润滑。

磁性部件中的一个或两个可以包括固体铁磁材料，例如铁、铁合金、氧化铁、铝镍钴或铁氧体，层压铁磁材料(例如层压电工钢、铁-钴钢或非晶合金)，或者固体复合材料(例如粉末金属芯或烧结磁性复合材料)，或者可以以这些材料的组合为特征。定子铁芯的铁磁材料可以具有低剩磁，并被认为是软磁性的(例如电铁芯、烧结磁性复合材料或软铁氧体)，或者具有高剩磁，并被认为是硬磁性的(例如铝镍钴或硬铁氧体)。软铁芯材料可以实现定子磁极的高效、快速顺序励磁，具有相对较低的磁滞损耗，而硬铁芯材料可以在没有磁极励磁的情况下实现转子的固定位置稳定性。这些材料可以使用常规方法(例如机械加工、模压、激光切割或压模)来形成图案，并且可以根据需要使用常规方法，例如焊接、卷边、紧固或粘合来组装。

转子铁芯可以是铁磁材料，其被布置成使得其提供互补的外部磁表面，该外部磁表面可以有助于在激励下与定子进行磁性连通。转子可以是基本均匀的，或者可以具有槽，该槽能够实现磁性连通，同时允许相对于转子的最大半径和定子的最小半径的干涉。可选地，外表面可以基本均匀。该表面也可以以这样的方式被锥形研磨，使得在操作期间转子芯的高度上有恒定的最小气隙。

万向节组件优选地在转子芯和输出轴之间提供低摩擦扭矩传递机构。万向节组件可以具有单滚动元件轴承、双单向滚动元件轴承或流体或固体润滑轴颈轴承形式的万向节轴承。双滚动元件轴承，如单向滚针轴承，可用于平衡运行过程中轴承表面的磨损。

定子可以包括固定到定子外壳的定子芯，使得定子芯在操作期间保持静止，多个定子齿与定子芯形成磁通路径，使得磁极的激励增加定子芯内的磁场强度，以及通过直接机械地联接或间接通过定子外壳连接到定子芯的外壳牵引板。定子齿可从定子轭或背铁突出，从而形成定子槽。外壳牵引板也可用于支持以轨道方式运行的转子和定子之间的机械对准。定子铁芯可以包括一种连续材料或一系列离散部件。虽然连续材料可以提供更大的尺寸一致性，但是通过定子壳体保持机械对准的一系列离散定子磁极可以实现有效的制造和组装。

定子可以是内部的或外部的，或者即是内部的也是外部的。多个定子-转子磁极组可以相对于彼此同心布置，使得由多个同心或嵌套的转子磁极的电磁激励产生的力在操作期间被传递到单个万向节组件。

定子磁极能够实现电力电子设备和定子铁芯之间的电磁性连通，同时提供电气隔离。定子磁极可以包括导线的导电线圈(例如绝缘或漆包线)，或者多个焊接的导电棒(例如绝缘铜棒)。定子外壳在运行期间为定子铁芯提供结构支撑。定子外壳可以是定子铁芯的直接机械延伸部，或者可以是单独的部件。

电机可以由使用传统电力电子开关控制的电力电子组件供电，电力电子组件可以以并联驱动的方式布线，以通过使用并联电感负载电抗器来平衡双转子配置中两个转子之间的相对速度。

电机的磁性气隙在转子铁芯的周向上不一致。在下述电机中，铁芯材料必须保持非零的气隙，以防止由于转子铁芯相对于定子铁芯的复杂三维轨道运动而导致的“墙”造成的灾难性损坏。气隙在电机运行过程中不断变化，相互作用点可能在定子和转子之间的距离平面上变化。然而，优选的最小空气间隙可以是例如0.05至2.0毫米，更优选0.5至1.5毫米，甚至更优选0.75至1毫米。应当理解，空气间隙可以填充除空气之外的另一种流体。

电机的机械接触表面可以使用传统的液体润滑剂被动润滑，例如齿轮油、半固体润滑剂，例如油脂、干润滑剂(例如石墨或二硫化钼)，或者自润滑表面(例如尼龙或浸油金属)。

主动润滑可以通过提供一种从电线圈和机械接触面吸收热量的介质来实现更大的功率密度。主动润滑系统可用于通过使流体润滑剂在电机中循环来提供表面的间歇或连续润滑。例如，流体泵可以机械地促进润滑剂从流体泵经由流体管线流到电机，在那里润滑剂可以经由定向喷嘴排出，以向电机内的特定位置提供主动润滑和/或流体冷却。然后，流体可以在重力作用下聚集在电机底部的油底壳中，并通过回流流体管路流回泵进行再循环。这样，电机转子组件可以在润滑的、非浸没的环境中运行。此外，一部分润滑剂可以通过热交换器，以从润滑剂中添加或移除热量，从而调节润滑剂的温度和/或粘度，以满足应用的特定需求。

润滑剂可以是用于润滑机械接触表面的任何常规流体。在操作条件下，润滑剂可以是1至500厘泊范围内的低粘度流体，如机油，500至2000厘泊范围内的中粘度流体(如齿轮油)，或2000厘泊以上范围内的高粘度半流体(如油脂)。润滑剂也可以是水性流体，其可以包含或不包含润滑材料，例如硫酸盐官能化的石墨烯。

电机可包括收集盘，以重力收集电机组件内排出的润滑剂，并将其引向回流管线。

润滑系统可以具有流体泵，该流体泵向润滑剂提供压力梯度，导致流体系统中的循环。这种泵可以是固定排量泵(例如旋转泵)，或者是可变排量泵(例如齿轮泵或活塞泵)。泵可以可操作地连接到机械或电力源，并且可以在电机操作期间连续或间歇地操作。湿式油槽主动润滑系统可具有单个流体泵，该流体泵可操作地连接到收集盘，以使油通过流体管线并在润滑系统内循环。在这种情况下，大部分供油位于收集盘内。可选地，多个流体泵可以在干式油槽主动润滑配置中操作，其中来自收集盘的流体被连续地泵送到保持罐中，优选地相对于其横截面积具有较大的高度，并且第二泵可以在单独的受控流速下将流体泵送回电机以完成润滑剂循环。

润滑系统可具有一个或多个定向喷嘴，以将润滑剂引导至电机组件内的特定位置，包括例如牵引板、万向轴承和定子磁极。

输出轴可以向诸如行星齿轮组的附加齿轮系提供输入。

本文公开的本发明的各种示例可以提供特别高的扭矩密度，并且可以用于为推进车辆以及固定系统提供基本平滑的输出轴功率。这些设计概念可以更有效地利用法向力、轴向力和切向力来产生轴功率，而没有传统的以牺牲其他力为代价来利用一个力的折衷方案。

本发明的一个或多个实施例的细节在附图和以下描述中阐述。从说明书和附图以及权利要求书中，本发明的其他特征、目的和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是电机的第一示例的透视图

图2是图1的电机的侧视图。

图3是图1的电机的局部透视剖视图，其中非旋转部件被剖开。

图4是图3的横截面的侧视图，其中转子在第一方向上倾斜。

图5显示了以相反的第二种方式倾斜的转子。

图6是章动转子电机操作的示意图。

图7是图1的电机的剖视图。

图8是包括电源开关的电机控制器的示意图。

图9是图1的电机的透视图，其中定子端盖被移除。

图10是转子的透视图。

图11A-C依次示出了转子在一个完整章动周期中的旋转进程。

图12是穿过万向节组件的另一个电机的剖视图。

图13是部分沿图12的线12A-12A和部分沿12B-12B截取的剖视图，示出了润滑和冷却系统。

图14是图13的区域14的放大视图。

图15是配备有润滑轨道的图1的电机的局部透视截面图。

图16显示了另一个电机的第三例，标称定子角为30度。

图17显示了另一个电机的第四例，标称定子角为20度。

图18和19显示了一个带有外侧牵引界面的电机。

图20和21显示了带有内侧牵引界面的电机。

图22和23显示了一个外部转子，齿形叠片电机。

图24显示了一个内部转子，齿形叠片电机。

图25是图24所示电机的俯视图，其中外壳端板被移除。

图26显示了一个外转子分段齿叠片电机。

图27显示了转子/定子气隙表面的三维相对运动。

不同附图中相同的参考符号表示相同的元件。

具体实施方式

首先参考图1和图2，电机10具有可相对于电机外壳14旋转的输出轴12，该输出轴12在下面的描述中被认为是关于电机部件的旋转和其他运动的基准。在使用中，输出轴12将连接到另一物体上，当通过适当的电力和信号而让被电激活时，电机12将向该另一物体传递旋转动力。如图2所示，输出轴12延伸穿过电机并在两端暴露，这意味着旋转动力可以在电机的两端传递。壳体14显示为关于输出轴12的旋转轴线16旋转对称，但是可以是任何外部形状，并且通常包括用于将壳体固定到其他结构的装置，以防止壳体在电机运行期间旋转。

接下来参考图3，电机10包含两个转子18a和18b，每个转子与定子相关联。转子18a设置在定子20a内，转子18b设置在定子20b内。如下文更全面描述的，适当控制的定子20a中的电活动能驱动转子18a的运动，定子20b中类似的电活动能驱动转子18b的运动。转子18a和18b都旋转地联接到输出轴12，使得合成转子运动的任何旋转分量都传递到输出轴12，导致输出轴旋转。为便于说明，省略了电机两端支撑输出轴的轴承。

然而，与传统的旋转电机不同，转子18a和18b的运动不是纯粹的旋转。如下所述，每个转子相对于定子章动(nutate)，这种运动可以描述为摆动，其中转子抵靠定子的表面滚动，同时转子的倾斜轴线围绕输出轴行进以扫过大致圆锥形的表面。每个转子和其相关定子之间的主动气隙通常是径向的，因为它在转子的外周表面和定子的相邻内周之间，如在传统的径向气隙电机中那样。然而，由于转子的章动，该电机中的气隙是动态的，这意味着在章动周期期间，它在转子周围的任何特定点发生变化，这将在下面讨论。

如图3所示，转子18a的上表面带有一系列轮齿，轮齿与相关定子20a的固定端盖24中的一系列转子齿22啮合。转子18b具有类似系列的齿(在该视图中不可见)，这些齿接合定子20b的端盖的齿。在该示例中，配合的齿轮齿形成章动牵引界面，章动转子在该界面处滚动穿过定子，接合点与转子倾斜轴线的行进同步地围绕转子行进。我们称之为牵引界面，因为它的作用是防止转子相对于定子的旋转滑动。定子的章动运动使得牵引界面的大部分齿轮齿能够在任何时间点承载载荷，同时将牵引载荷分布在几个齿上。在一些图示的例子中，至少三分之一的齿轮齿在任一时刻都在传递扭矩。对于摆线轮齿，一半的齿可以在任意点加载。对于包括沿着牵引界面的齿轮齿的实施方式，齿轮齿主要在轴向上啮合。也就是说，界面传递轴向载荷或垂直于磁性气隙的载荷。在本文中，沿着牵引界面的啮合齿轮齿的例子可以被认为是轴向啮合的。牵引界面的其他例子不具有啮合的齿轮齿。在一些实施方式中，沿着这种牵引界面的接触主要是轴向的。在一种替代方案中，牵引界面位于刚性金属表面之间(如发生在铁路车轮和铁轨之间)，其中金属-金属摩擦能够实现牵引。该轨道可以成角度以增加相对压力，并且可以覆盖有固体高摩擦材料，例如柔性橡胶或其他弹性体，或者采用已经在一些汽车无级变速器中使用的摩擦流体。轨道可以仅被转子机械地加载，或者可以包含次级机械预载荷(secondary mechanical preload)。在次级机械预载的情况下，定子和转子之间的δ角优选大于10度，否则必须独立于定子线圈来控制和驱动预加载的正时。

接下来参考图4和5，每个定子20a和20b具有与铁磁定子芯28相关联的可单独激励的一系列绕组或线圈26。例如，铁芯28可以具有从定子轭或背铁突出的多个定子突起，从而形成定子槽和磁极。定子铁芯可以是一种连续材料，或者是组装在电机中的离散部件的组合。虽然连续材料可以提供更大的尺寸一致性，但是通过定子壳体保持机械对准的一系列离散定子磁极可以实现有效的制造和组装。定子突出部的末端可以是扩散的、直的或者相对于定子突出部和背铁或磁轭靠下(inferior)。在这个例子中，定子突起是直的，并且从磁轭到它们在气隙处的远端具有恒定的横截面。

在这个例子中，转子的外周表面被圆锥形地磨削，而转子的内表面通常限定圆柱形表面。在图4中，上转子18a显示为相对于输出轴12向左倾斜，而下转子18b以相反的方式倾斜。在该位置，转子和定子表面之间的气隙28在图中每个转子的左侧范围(left extent)沿间隙的轴向长度具有大致恒定的径向宽度，而在每个转子的右侧范围(right extent)沿其长度变化，朝向转子之间的空间减小。转子18a的倾斜轴线30相对于输出轴12的固定旋转轴线32成4.34度的角度α。当转子18a朝定子20a的不同线圈26章动并逐渐倾斜时，其倾斜轴线30扫过一圆锥形表面，顶点在输出轴和转子18a之间的万向接头34的高度处沿着输出轴轴线位于A处。在所示的倾斜位置，转子和定子之间的气隙磁阻在左侧的线圈26处最小，在右侧的线圈处最大。左侧所示穿过间隙的弯曲箭头只是为了说明在定子附近位置稍微提前的线圈被激励，以产生穿过间隙的磁通量，而定子相反范围的线圈未被激励。如将在下面进一步讨论的，这在定子和转子之间产生压缩波(compression wave)或行进的径向压缩力，以促使转子章动。在图5所示的倾斜位置，在离图4所示位置半个章动周期处，转子和定子之间的气隙磁阻在右侧的线圈26处最小，在左侧的线圈处最大。转子的倾斜受到每个定子端盖的锥形止动表面36和相邻转子的锥形边缘表面38之间的滚动接触的限制。

行进压缩波和转子章动之间的关系可以参考图6所示的简单模型来解释。扁平盘40安装在刚性轴42上，轴42的一端位于点B处的平坦表面上。在点B和C处，盘和轴由轴的末端和盘的边缘支撑在平坦表面上。通过在接触点C附近的盘边缘处向下推，例如在d处，可以使盘在平坦表面上滚动。同样的效果可以通过盘边缘和平坦表面之间的吸引力在盘边缘上向下拉动来产生。一旦盘开始滚动，滚动可以无限地继续，通过连续地将盘拉向平坦表面上的总是刚好在瞬时接触点C之前的点，同时轴42接触点B保持静止。例如，由此产生的滚动或章动就是儿童玩具陀螺停止垂直旋转后所经历的运动。盘的边缘在平坦表面上滚动；它不会滑动。类似地，定子的每个线圈通电会产生在转子上拉动的局部吸引力。通过顺序地激励总是在最小径向气隙点(优选地，提前15-60度)的前侧上的线圈，可以使转子像倾斜的顶部一样章动，抵靠定子端盖的止动表面滚动。然而，图6的简单模型的操作与图4和图5的电机的操作之间的一个关键区别在于，在简化模型中，压缩力或吸引力出现在盘边缘和由滚动表面本身限定的平坦表面之间的间隙上。当盘绕着点B滚动时，盘滚动边缘和平坦表面之间的距离与盘边缘和平坦表面之间的吸引力起作用的距离一样大。在这个模型中，它们是相同的。

另一方面，在图4和5的电机中，转子的滚动表面在章动期间移动的距离基本上是轴向的，并且是表面36和38之间的最大空间，这发生在有效气隙宽度最小的地方——例如，在图5的右侧——而吸引压缩力起作用的间隙(磁性气隙)基本上是径向的。这使得章动在滚动界面处产生的位移变化比在主动磁气隙处大得多。在这个特定的例子中，它还允许转子倾斜，使得滚动接触点可以总是在转子的与压缩波相对的一侧。将电机配置成使得滚动接触点和压缩波在输出轴轴线的大致相对侧上行进能够实现较小的封装和较高的切换频率，这是由于较低的相对牵引界面俯仰速度造成。相反，将电机配置成使得滚动接触点和压缩波在输出轴轴线的大致相同侧上行进(如图20和21的电机示例中)，提供了有益的短机械负载路径，因为扭转力分量不是必须在万向节(gimbal)上起杠杆作用。

回头参考图4和图5，由于两个转子相反的章动，由一个转子的质量加速度引起的轴向和径向惯性力被另一个转子的惯性力平衡。实际上，章动相对于转子之间平分电机的横向平坦表面是彼此的镜像。实际上，两个转子的行进磁性接合点彼此在10度以内。虽然通常是平衡的，但与另一个转子相比，一个转子上总是有轻微的拖曳，电力电子设备总是试图让稍微慢一点的那个加速。万向节等的公差叠加可能导致高达3度的转差(slip)。

分别将转子18a和18b连接到输出轴12的万向节34a和34b是典型的双环交叉轴万向节组件，其自由允许章动的360度倾斜，但是绕输出轴轴线32传递扭矩。为了提供必要的自由度，输出轴通过内部横向销(在这些视图中不可见)固定在万向节的内环上，万向节的内环通过横向销以90度角销接到转子。被销住的部件可以在经润滑的轴承表面上绕销自由旋转。

接下来参考图7，在该示例中，定子端盖的锥形止动表面36相对于输出轴轴线的垂线限定了25.00度的定子锥角β，而转子的锥形边缘表面38相对于转子倾斜轴线的垂线限定了22.83度的转子锥角γ。因此，转子在运行过程中的倾斜度为+/-2.17度，这刚好足以在章动过程中对转子和定子之间的齿轮齿啮合进行分度(index)。齿轮齿啮合是转子和定子之间牵引界面的一部分，其特征在于一系列转子齿轮齿44与一系列定子齿轮齿46啮合。为了实现转子(以及输出轴)相对于定子的旋转前进，绕转子的齿数不同于绕定子的齿数，使得当转子在其章动中绕定子滚动时，转子的旋转分度等于齿轮齿距乘以齿数差。在本例中，定子端盖各有59个齿，转子各有60个齿，比啮合的定子端盖多一个齿。换句话说，按顺序激励(firing)定子磁极以产生压缩波，完成电机的一整圈旋转，将导致转子的一个完整章动循环，并使输出轴前进一个齿的旋转当量，在这种情况下为6度。

电机控制器电力电子设备可以配置为按顺序激励定子线圈，就像磁阻电机那样。图8示出了合适的电机控制器的简单示意图，其中处理器48控制开关50以按顺序激励定子磁极26a、26b和26c。同样参考图9，这样的顺序激活将导致章动，其中倾斜轴线围绕转子轴沿顺时针方向行进(在向下看电机时)。颠倒顺序会导致相反方向的行进，这意味着电机可以在任一方向上被满负荷驱动。虽然图8中仅示出了三个开关，但是应当理解，电机控制器中每个定子磁极具有一个开关，或者具有24个开关来激励图9的定子布置中示出的24个线圈。返回参考图5，因为两个转子的章动运动是镜像的，所以两个定子的经旋转对准的磁极对可以一起通电。换句话说，显示在上定子最左边的磁极26将与显示在下定子最左边的磁极26同时通电，并且持续相同的时间。因此，两个定子的经旋转对准的磁极对可以通过相同的开关并联通电。例如，图9所示的双定子电机的电机控制器总共需要24个开关。可选地，相邻的磁极对可以通过公共开关串联，但是在这种情况下，两个运动着的转子中瞬时较快的那个将产生稍大的反EMF，并且与较慢的磁极相比瞬时汲取更多的相对电功率，从而提供额外的加速度和相对速度的分离。相比之下，独立转子的相邻磁极的并联布线，由于并联电感负载造成，可以提供负反馈机制。从这个意义上说，它可以被认为是自平衡的，并产生更平稳的输出扭矩，振动的可能性更低。

如果没有电流流过任何电机定子磁极，理论上就没有电机内部力将转子保持在适当的位置。定子叠片或铁芯可由具有适当剩磁的铁磁材料制成，这样转子将被最大程度地吸引到最后通电的磁极上。

接下来参考图10，转子的锥形边缘表面38限定了截头圆锥形表面，该表面在转子章动期间围绕定子端盖的配合锥形表面滚动。在这个例子中，接触表面在齿轮齿的外侧，但是在其他例子中，它可以位于内侧，或者在一些情况下，齿轮齿本身可以被设计成“零间隙”滚动，其中配合齿廓本身限制转子的倾斜。啮合的齿轮齿用于对从转子传递到输出轴的扭矩产生反作用，并且可以是任何合适的轮廓。

回到图7，如上所述，转子的锥形边缘表面38限定了转子锥角γ，其顶点在输出轴轴线32上，其高度对应于万向节的倾斜中心，转子在该中心上枢转。我们称这个顶点为转子焦点(rotor focal point)。电机10具有大约75毫米的工作半径Rw，作为转子轴线32和气隙29的标称径向位置之间的径向距离，其基本上是定子磁极内径的一半。图示电机的标称总直径为25厘米。镜像平面31将两个转子中间的电机一分为二，并且与每个焦点E等距间隔约19毫米。两个转子/万向节组件相对于镜像平面基本上是彼此的镜像。转子焦点E可以通过在转子万向节组件的中心轴上建立转子章动运动的中心来确定。从几何结构上看，焦点在定子和转子锥体的顶点。这些锥体的角度用于导出电机几何结构的许多物理特征，包括齿的尺寸、磁极移动经过的角距离、磁极移动经过的径向距离、章动运动和工作角度。这些几何关系以及传动比对于建立整体电机几何形状非常重要。

通过比较图左侧的气隙和图右侧的气隙，可以看出气隙的动态特性，这是由每个转子的章动引起的。如上所述，当转子围绕中心轴线并相对于定子章动时，气隙在电机运行期间动态变化。在运行中，当转子处于关闭位置时，最小气隙是定子和转子之间磁对准最大的点。该最小点处的空气间隙的标称值为0.25毫米，但在整个相交平坦表面上可能有所不同。在这个最小气隙位置，转子周向位置的齿轮齿不与定子的齿轮齿啮合，而是处于过渡状态。此时，与周向位置成180度角的齿轮齿啮合，气隙处于最大位置。当转子处于打开位置时，这个最大气隙是定子和转子之间存在最小磁对准(minimummagnetic alignment)的点。同样，在这个最大气隙点，齿轮齿与牵引界面啮合。该最大点处的气隙中心距为6.86毫米，包括转子和定子之间1.0毫米的径向间距和6.60毫米的垂直错位。对于下述实施例，其中转子叠片具有面向气隙的齿，这些转子叠片齿优选地在最小气隙位置与定子磁极对准，并且在最大气隙位置与这些磁极有最大错位。

图11A-C依次显示了由一个完整的章动周期引起的转子/轴旋转。从图11A开始，索引标记60显示在转子表面上，与定子端盖的切口边缘对齐。在按照一顺序(该顺序是，使得压缩波绕定子行进180度，并导致转子轴线倾斜通过类似的180度章动或半个章动周期)激活定子线圈之后，图11B中的索引标记显示转子已经旋转了基本上相当于齿距的一半，或者在这种情况下，大约3度。在所有定子线圈被激活以产生360度的压缩波和转子的完全章动后(图11C)，转子和输出轴已经实现了一个齿轮齿距的总旋转，或大约6度。例如，一个完整的章动会将转子从图4所示的位置移动到图5所示的位置，然后返回到图4所示的位置。

电机在需要冷却的运行过程中会产生大量热量。此外，主动机械部件和接触面可受益于主动润滑，尤其是在较高频率运行期间。对于某些应用，单独的流体可以分别用作冷却剂和润滑剂，如水和油。对其他人来说，流体(如油)既可用作冷却剂又可用作润滑剂。在下面的描述中，适当时，流体被称为冷却剂、润滑剂或两者。

接下来参考图12，电机14a具有两个沿输出轴间隔开的转子，每个转子都安装在万向节上。图12的截面穿过其中一个万向节组件，并示出了安装在轴12a上的万向节心轴106。心轴106限定了内轴，内万向环110安装在该内轴上，以在固定在内万向环110内的两个内万向轴承112a内枢转。内万向节环110本身限定了垂直于内轴的外轴，外万向节环113安装在该外轴上，以在固定在外万向节环113内的两个外万向节轴承112b内枢转。万向节轴承112a、112b由心轴环孔内的锁环固定，并且可以具有例如青铜或巴氏合金或其他滑动磨损表面，或滚子元件。

还参照图13，电机10a由通过电机输出轴12a内的孔102泵入电机内的流体冷却和润滑。在该视图中，穿过左侧转子的横截面是沿着图12的线12A-12A截取的，而右侧转子的横截面是沿着图12的线12B-12B截取的，相对于左侧转子的横截面成90度，以示出内万向节轴承112a和外万向节轴承112b。给定万向节组件内轴承的相对高频率操作，万向节轴承的主动润滑可以通过对输出轴进行交叉钻孔(cross-drill)以经由交叉钻孔通道104向这些轴承供给流体来实现。这里，万向节组件的内环110可以通过穿过万向节心轴106的孔108直接供给流体，而万向节组件的外环113可以通过穿过内万向节环的外万向节轴承的孔114供给流体。孔可以被计量，以防止流体汇集——这可能在高速时导致损失。穿过万向节轴承的孔116允许从万向节向定子绕组径向流出。如图14所示，被计量的孔插塞118可设置在内部万向环的径向流动通道108的外侧端，以沿交叉通道120轴向引导一些流动，从而向齿轮接口122和轴承124供应。类似的插塞(未示出)可以设置在外万向节环的通道114(图13)的输出端。替代地或附加地，凹槽124可以直接从输出轴向齿轮接口和轴承供给流体。轴承125可以在其外侧密封，或者允许流过轴承并回到油槽。

再次参考图13，所有被强制通过输出轴12a的润滑剂/冷却剂流体最终排放到储存器126中，储存器126可以通向电机的下侧并且在结构上是定子壳体的一部分。泵128从容器中汲取流体130，并在压力下向输出轴孔102输送连续的流体流。

接下来参考图15，电机10b具有两个安装在定子端板中的加压润滑/冷却轨道132，并且限定了一系列朝向齿轮接口的喷嘴134，以连续地供应流体雾或流体流来对牵引控制表面进行润滑和/或冷却。轨道由泵(未示出)供给，并且流体被再循环。转子和定子之间的滚动齿轮接口可以针对不同的速度、扭矩和封装限制进行修改。例如，图16的电机10b类似于图4的电机10，但是具有分别为30度和28度的较高定子和转子锥角。在这个例子中，定子和转子也具有更少的齿，分别具有59个齿和60个齿，对于给定的输出速度，导致更低的电循环频率。在给定的输出速度下，较高的锥角还会导致万向节轴承上的动态载荷减小。另一方面，图17的电机10c具有比图4的电机10更低的定子和转子锥角，分别为20度和18度。这种配置特别适合低RPM应用。结果，定子组件的总长度也减小。转子的开关频率和工作倾斜包络(operating tilt envelope)取决于齿数和锥角。

滚动牵引界面和磁性界面的相对位置可以变化。在上述附图中，牵引界面旋转地位于磁性界面的内侧，并且基本上轴向地位于其外侧。图18和19示出了电机10d，其中牵引界面136位于磁性界面138的径向外侧，并且位于定子磁极的轴向外侧。牵引界面的行进接合点也与最小气隙的行进位置对齐，使得负载路径(转子上的扭矩输入和扭矩输出之间)有利地较短并且不穿过转子。这可以允许转子被设计成具有较小的壁厚且较轻的材料，并且可以使转子在重负载期间更能抵抗变形。此外，这种设计可以提供更大的齿轮接触面积，对于给定电激活频率以更大齿轮节速度为代价，实现低齿轮压力。

图20和21示出了电机10e，其定子牵引表面在电机的轴向内侧，在牵引板140的两侧，牵引板140在其边缘处固定到定子壳体。这种设计简化了定子端板的结构和加工。牵引板可以由烧结钢形成或者作为锻件形成。因为两个转子的牵引界面的行进接合点是旋转对准的，所以由一个转子施加到牵引板上的负载的任何轴向分量被来自另一个转子的类似负载所平衡。这种设计特别适用于高扭矩运行(具有负载路径短、俯仰速度低的特点)，并可减少安装两个独立定子牵引板造成的机械冗余。

接下来参考图22和23，电机10f既是外转子电机又是齿形叠片电机。所说的外转子电机是指每个定子和转子对之间的径向气隙位于定子磁极的径向外表面。每个转子200是杯形的，并围绕其相应的定子202延伸，定子202被压到相应蛤壳式外壳杯206的环形凸台204上。每个壳体凸台204带有与转子齿44啮合的定子齿46。每个转子的裙部带有齿204的阵列，这些齿朝向定子的磁极208径向向内延伸，以限定主动气隙29。以这种方式配置转子的主动间隙表面可以提供几个好处。虽然可以降低磁路的最大电感(当活动定子磁极与相邻转子齿对齐时)，但也降低最小电感(当定子磁极208位于相邻转子齿204之间时)。由于电机产生的可用功是最大和最小电感之差的函数，去除转子齿之间的铁磁材料可能不会明显减少电感变化产生的功。此外，可以显著增加间隙29处可用于通量路径的表面积，并减轻重量。

图24的电机10g也具有齿状叠片转子220a和220b，但是具有类似于图7的电机10的内部转子结构。在这种情况下，转子齿204径向朝外，以与定子的内表面限定气隙29。如图25所示，转子叠片齿204的数量与转子齿轮齿44的数量相同，比定子磁极222的数量多一个。在这个例子中，有60个定子磁极和61个叠片齿，允许2、3、4、5甚至6个磁极的相等分组。

在任一上述电机中，在电机运行期间，多组相邻的定子磁极可以以相同的磁感应被一起驱动。例如，在图25所示的电机10g中，围绕每个磁极220a、220b和220c的绕组可以形成一组绕组224，所有绕组都以相同的方向缠绕，并且围绕每个磁极222d、222e和222f的绕组可以一起形成第二组绕组226。在操作中，组224的所有绕组可以并联到一个电开关，并且组226的所有绕组可以并联到另一个电开关，使得组224的磁极一起作用，并且组226的磁极一起作用。同时激活多个相邻磁极也可以降低最小电感，增加可用功。一个线圈可以缠绕在给定组中的所有磁极上，而不是用它自己的线圈缠绕磁极组的每个磁极。当然，当将多个定子磁极耦合在一起作为一个操作单元时，定子磁极的总数应该是每组磁极数的整数倍。

在电机运行周期期间，电感的最大变化也会受到其他结构变化的影响，以额外利用在轴向维度上的间隙结构的有效相对运动。图26的电机10h类似于图22的电机10f，除了每个定子磁极228已经被分段以形成三个磁极突出部230，这三个磁极突出部230在轴向上间隔开并且通过公共脊232连接。类似地，每个转子齿234被分段以形成在轴向上间隔开的三个齿突起236。在最小间隙位置(图的左侧)，磁极突起与齿突起轴向对准。在最大间隙位置(图的右侧)，齿突起通常与磁极突起最大程度地错位，这大大降低了电感。虽然该示例具有三个齿突起和三个磁极突起，齿突起之间和磁极突起之间的轴向空间基本上与中间齿突起和中间磁极突起具有相同的轴向尺寸，但是可以设想每个转子齿和每个磁极突起具有两个或四个或更多个突起的其他示例。优选地，每个磁极突起的数量等于每个叠片齿的突起数量。

图26中的分裂磁极/齿结构有助于利用这样一个事实，即对于章动转子电机，界定出磁隙的转子结构相对于界定出磁盖(magnetic cap)的定子结构的移动距离大于章动引起的径向位移。参考图27，点“F”代表转子最小间隙位置处的转子齿204的参考点，点“G”代表在转子的后续最大间隙位置(即，在半个章动周期之后)处的转子齿的相同点。节段FG的长度表示在半周期期间行进的总距离，并且是轴向位移240、径向位移242和切向位移244的汇总。转子齿和磁极的轴向分段有助于利用章动期间转子齿的轴向位移240。

任何上述电机都可以被控制为从动态能量产生电能(例如用于再生制动电机)。这可以通过改变压缩波的定时来实现，使得在最小气隙点(或者甚至稍微滞后于最小气隙点)以脉冲施加定子电流，以在扩展期间产生正向电动势。以这种方式，可以产生电流并将其储存在相关联的电池中，同时向转子施加减速扭矩以使电机减速(即使电机不能通过施加到输出轴的扭矩机械地反向驱动)。

铁磁性润滑剂(如铁磁流体)、铁磁性表面涂层(如钴镀层)、或表面处理(如渗硼)可产生铁磁性化合物，可用于减少滚动摩擦和增加表面硬度。硬铁磁涂层也可以支持低表面粗糙度、机械抛光和较低的相对摩擦操作。这些材料可以用常规方法涂覆或添加到系统中。

在2017年8月8日提交的题为“High Torque Density Electric Motor and/orGenerator”(高扭矩密度电动机和/或发电机)的未决专利申请No.15/549，659中描述了电机设计的其他技术细节，该专利申请的内容通过引用明确地结合于此，如同其全部内容一样。

虽然为了说明的目的已经描述了许多例子，但是前面的描述并不旨在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的范围来限定。在下面的权利要求的范围内有并且将有其他的例子和修改。

Claims (31)

1.一种电机，包括:

限定旋转轴线的输出轴；

可旋转地联接到输出轴的章动转子；和

定子，其通过章动牵引界面机械地联接到转子，使得在转子相对于定子进行章动期间，转子的倾斜轴线围绕输出轴的旋转轴线行进；

其中所述定子的一表面与所述转子界定出径向动态气隙，通过电机的电激活而在该气隙上产生磁场，以在转子和定子之间产生力；和

其中牵引界面和间隙布置成使得，在包含输出轴的旋转轴线的平面中，牵引界面相对于界定出间隙的定子表面成角度。

2.根据权利要求1所述的电机，其中所述牵引界面包括与一系列定子齿轮齿轴向啮合的一系列转子齿轮齿。

3.根据权利要求2所述的电机，其中所述一系列转子齿轮齿包括比所述一系列定子齿轮齿更多的齿轮齿。

4.根据权利要求2所述的电机，其中，所述一系列转子齿轮齿和所述一系列定子齿轮齿的齿轮齿总数之间存在一个齿差，使得章动牵引界面的一次章动能相对于定子将转子的旋转位置改变一个齿间距的周向节距。

5.根据权利要求1所述的电机，其中所述章动转子是第一章动转子，所述定子是第一定子，并且所述章动牵引界面是第一章动牵引界面，所述电机还包括:

第二章动转子，旋转联接到输出轴；和

第二定子，其通过第二章动牵引界面机械地联接到第二章动转子，使得在第二章动转子相对于第二定子章动期间，第二章动转子的倾斜轴线行进，以相对于输出轴的旋转轴线限定锥形表面，

其中所述第二章动转子和所述第二定子的表面界定了径向间隙，通过所述电机的电激活在该径向间隙上产生磁场，以在所述第二章动转子和所述第二定子之间产生力。

6.根据权利要求5所述的电机，其中所述第一章动转子和所述第二章动转子联接到所述输出轴，使得在电机运行期间，所述第一章动转子轴线和所述第二章动转子轴线相对于所述输出轴的旋转轴线在相反方向上倾斜。

7.根据权利要求5所述的电机，其中所述第一章动牵引界面的行进接合点相对于所述第一定子与所述第二章动牵引界面的行进接合点旋转对准。

8.根据权利要求5所述的电机，其中所述第一章动转子和第二章动转子轴向设置在所述第一章动牵引界面和第二章动牵引界面之间。

9.根据权利要求5所述的电机，其中所述第一章动牵引界面和所述第二章动牵引界面设置在所述第一章动转子和所述第二章动转子之间。

10.根据权利要求1所述的电机，其中，所述转子通过万向节旋转地连接到所述输出轴。

11.根据权利要求1所述的电机，其中所述定子表面是圆柱形的。

12.根据权利要求9所述的电机，其中所述转子表面是截头圆锥形的。

13.根据权利要求1所述的电机，其中所述牵引界面还包括转子的锥形边缘表面，所述锥形边缘表面被布置成在章动期间抵靠定子的锥形止动表面滚动。

14.根据权利要求1所述的电机，其中所述牵引界面位于所述径向动态气隙的径向内侧。

15.根据权利要求1所述的电机，其中所述牵引界面包括与所述定子的静止牵引表面接合的所述转子的牵引表面，并且其中所述定子的牵引表面限定了定子节锥，所述定子节锥的定子节锥角为4度到40度。

16.根据权利要求1所述的电机，其中所述转子设置在所述定子内。

17.根据权利要求1所述的电机，其中所述转子包括径向延伸的、周向间隔开的齿，所述齿具有界定出径向动态气隙的远端表面。

18.根据权利要求17所述的电机，其中所述定子包括与定子绕组相关联的周向间隔开的磁极。

19.根据权利要求18所述的电机，其中每个间隔开的齿包括多个轴向间隔开的齿突起，并且其中每个定子磁极包括多个轴向间隔开的磁极突起。

20.根据权利要求19所述的电机，其中所述齿突起和磁极突起在最小动态气隙点处轴向对齐。

21.一种电机，包括:

输出轴，其限定旋转轴线；

章动转子，其以可倾斜的连接方式联接到输出轴；和

定子，设置在转子附近以限定动态气隙，定子具有多个绕组，每个绕组被配置成产生磁场，以将转子的相应侧拉向定子，从而响应于多个绕组的顺序激活而导致转子相对于定子章动，使得可倾斜连接逐渐倾斜；

其中动态气隙由转子的外周表面界定，使得转子和定子之间的磁耦合主要是径向的；和

其中定子通过章动牵引界面机械地连接到章动转子，使得在转子相对于定子章动期间，转子的相应倾斜轴线围绕输出轴的旋转轴线行进，其中牵引界面包括一系列转子齿轮齿，该一系列转子齿轮齿构造成与一系列定子齿轮齿轴向啮合。

22.根据权利要求21所述的电机，其中，所述电机包括主动润滑系统，所述主动润滑系统包括泵，所述泵在电机运行期间使得润滑剂流被引导至章动牵引界面。

23.根据权利要求21所述的电机，其中，所述输出轴限定润滑端口，所述润滑端口被布置成将可流动润滑剂引导至所述牵引界面。

24.根据权利要求23所述的电机，其中，所述润滑端口与由万向节限定的润滑通道流体连通，所述转子安装在所述万向节上。

25.一种操作电机的方法，该方法包括:

激活邻近章动转子设置的定子的第一线圈，以限定由转子的外周表面界定的动态气隙，使得转子和定子之间的磁耦合主要是径向的，章动转子以可倾斜的连接方式联接到电机的输出轴；

激活定子的第二线圈，第二线圈与第一线圈周向间隔开；然后

激活定子的第三线圈，第三线圈与第一和第二线圈周向间隔开，第二线圈设置在第一和第三线圈之间；

其中第一线圈、第二线圈和第三线圈的顺序激活导致转子绕输出轴轴线章动，从而转动输出轴；和

其中定子通过章动牵引界面机械地联接到章动转子，使得在转子相对于定子章动期间，转子的相应倾斜轴线围绕输出轴的旋转轴线行进，其中牵引界面包括与一系列定子齿轮齿轴向啮合的一系列转子齿轮齿。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述转子是第一转子，所述定子是第一定子，所述动态气隙是第一动态气隙，并且所述可倾斜连接是第一可倾斜连接，所述电机还包括旋转地联接到所述输出轴的第二转子，以及通过第二可倾斜连接机械地连接到所述第二转子的第二定子，并且其中，所述方法包括顺序地激活所述第二定子的线圈，以使所述第二转子绕所述输出轴轴线章动，所述第一和第二转子传递累积扭矩。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第一和第二转子联接到所述输出轴，使得在电机运行期间，所述第一和第二转子轴线相对于所述输出轴的旋转轴线在相反方向上倾斜。

28.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一定子的第一线圈、第二线圈和第三线圈以及所述第二定子的顺序激活的线圈一起形成同时激活的线圈对，每对线圈的特征在于所述第一定子的线圈和所述第二定子的线圈与所述第一定子的线圈周向对齐。

29.根据权利要求25所述的方法，其中激活所述定子的第一线圈包括同时激活所述定子的多个周向相邻绕组，作为不包括所述第二线圈或所述第三线圈的绕组组合。

30.根据权利要求25所述的方法，其中所述定子通过章动牵引界面机械联接到所述转子，所述方法还包括在电机运行期间将可流动润滑剂引导到所述章动牵引界面。

31.根据权利要求30所述的方法，其中引导可流动润滑剂包括使润滑剂流过输出轴的润滑端口。

Images