CN113366736A - 电磁机械用线圈阵列及利用其的移动电磁机械 - Google Patents

Abstract

本申请涉及线圈阵列及利用其的移动电磁机械，其特征在于，包括：第一线圈阵列及第二线圈阵列，所述第一线圈阵列及第二线圈阵列按预设间隔隔开形成，在隔开的方向上具有镜像，所述第一线圈阵列包括彼此相邻形成的至少一个第一半周期及至少一个第二半周期，所述第一半周期包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，且所述第一半周期及所述第二半周期在相邻方向上具有镜像；可以使泄漏磁通量和铁芯损耗最小化，使效率最大化，提高动力。

Description

电磁机械用线圈阵列及利用其的移动电磁机械

技术领域

本申请涉及电磁机械用线圈阵列及利用其的移动电磁机械，尤其涉及一种使这种线圈阵列具有磁通量向一个方向被强化而向其他方向被抵消的结构。

背景技术

在多个工业领域，大量要求要在系统内安装包括旋转构件的可逆的电磁机械(Electromagnetic machine)。根据机械所安装的系统的工作条件，对这种旋转构件的旋转运动引起的机械能进行变换，利用这种机械能生成电能的是发电机(Generator)。由这种发电机生成的电力可以供应给或存储于其他系统要素。另外，向机械供应电能并变换成机械能从而使旋转构件旋转并获得旋转动力的是电动机(Motor)。

这种电磁机械包括定子(Stator)和转子(Rotor)构成。一般而言，利用转子借助于电流流入定子线圈(Coil)时产生的旋转磁场(Rotating magnetic field)而产生旋转扭矩(Torque)的原理工作。将转子借助于旋转扭矩而旋转的力用作旋转动力。

一般而言，在使用铁芯的电动机中，定子一般是将线圈卷绕于沿着内部圆周方向按预设间隔形成的铁芯而制造，但存在铁芯损耗导致的电动机效率低下的问题。另外，就使用磁芯的电动机而言，磁芯内磁通量饱和，性能受限或漏磁等增加，发生性能达到界限的问题。

发明内容

本申请正是为了解决如上所述以往问题而研发的，本申请的目的在于提供一种线圈阵列及移动电磁机械，使线圈阵列具有磁通量向一个方向被强化而向其他方向被抵消的结构，从而可以利用被强化的磁力而使电磁机械的效率最大化，提高动力或使机械的大小和重量最小化。

作为旨在达成上述目的的一个体现例，根据本申请一个实施例的线圈阵列的特征在于，包括：第一线圈阵列及第二线圈阵列，所述第一线圈阵列及第二线圈阵列按预设间隔隔开形成，在隔开的方向上具有镜像，所述第一线圈阵列包括彼此相邻形成的至少一个第一半周期及至少一个第二半周期，所述第一半周期包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，且所述第一半周期及所述第二半周期在相邻方向上具有镜像。

另外，在形成所述第一半周期的两个线圈之间形成的磁场的方向与在形成所述第二半周期的两个线圈之间形成的磁场的方向可以彼此相反。

另外，所述第一半周期可以包括：第一层，所述第一层包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，与所述第二线圈阵列邻接；第二层，所述第二层包括具有与所述第一层的线圈结构相同的电流方向但位于比所述第一层线圈结构更外侧的第二层线圈结构，位于所述第一层上部；及第三层，所述第三层包括具有与所述第二层线圈结构彼此相反方向的电流方向但位于比所述第二层线圈结构更内侧的第三层线圈结构，位于所述第二层上部。

另外，可以还包括：第四层，所述第四层包括具有与所述第三层的线圈结构相同的电流方向但位于比所述第三层线圈结构更外侧的第四层线圈结构，位于所述第三层上部。

另外，所述第一半周期可以包括：下层，所述下层包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，与所述第二线圈阵列邻接；上层，所述上层包括具有与所述下层线圈结构彼此相反方向的电流方向的上层线圈结构，位于所述下层上部。

另外，所述第一线圈阵列可以包括多个第一半周期及多个第二半周期，且所述第一半周期及所述第二半周期可以向相邻方向周期性地形成。

另外，就所述第一线圈阵列或所述第二线圈阵列而言，长度可以沿着所述电流流动方向延长，包括分节的环形(Toroid)或分节的螺线管(Solenoid)电流分布。

另外，所述线圈阵列可以以至少两组形成，且构成所述各组的线圈中流动的电流具有彼此相同的相位或具有彼此不同的相位。

另外，构成所述各组的线圈中流动的电流具有相位差，从而可以形成移动磁场。

作为旨在达成上述目的的一个体现例，根据本申请一个实施例的移动电磁机械的特征在于，包括定子及动子，且所述定子包括第一线圈阵列，所述第一线圈阵列包括彼此相邻形成的至少一个第一半周期及至少一个第二半周期，所述第一半周期包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，且所述第一半周期及所述第二半周期在相邻方向上具有镜像。

另外，所述定子可以还包括：第二线圈阵列，所述第二线圈阵列与所述第一线圈阵列隔开预设间隔形成，在隔开的方向上具有镜像。

另外，所述动子可以在所述第一线圈阵列及所述第二线圈阵列之间形成。

另外，所述第一线圈阵列及第二线圈阵列可以以至少两组形成，且构成所述各组的线圈中流动的电流可以具有彼此不同的相位，从而形成移动磁场。

另外，所述动子可以包括：第二线圈阵列，所述第二线圈阵列与所述第一线圈阵列隔开预设间隔形成，在隔开的方向上具有镜像。

另外，在形成所述第一半周期的两个线圈之间形成的磁场的方向与在形成所述第二半周期的两个线圈之间形成的磁场的方向可以彼此相反。

另外，所述第一半周期可以包括：第一层，所述第一层包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，与所述第二线圈阵列邻接；第二层，所述第二层包括具有与所述第一层的线圈结构相同的电流方向但位于比所述第一层线圈结构更外侧的第二层线圈结构，位于所述第一层上部；及第三层，所述第三层包括具有与所述第二层线圈结构彼此相反方向的电流方向但位于比所述第二层线圈结构更内侧的第三层线圈结构，位于所述第二层上部。

另外，所述第一半周期可以包括：下层，所述下层包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，与所述第二线圈阵列邻接；及上层，所述上层包括具有与所述下层线圈结构彼此相反方向的电流方向的上层线圈结构，位于所述下层上部。

另外，所述第一线圈阵列可以包括多个第一半周期及多个第二半周期，且所述第一半周期及所述第二半周期可以向相邻方向周期性地形成。

另外，就所述第一线圈阵列而言，长度可以沿着所述电流流动方向延长，包括分节的环形(Toroid)或分节的螺线管(Solenoid)电流分布。

另外，所述动子可以为转子。

因此，通过上述问题解决方案，预期如下效果。

根据本申请的线圈阵列具有磁通量向一个方向被强化而向其他方向被抵消的结构，从而具有在关心区域外部几乎可以消除泄漏磁场的效果。

另外，根据本申请的电磁机械具有可以利用被强化的磁力来使机械效率最大化并提高动力的优点。

根据本申请的电磁机械不使用或最小限度使用铁芯，从而可以使铁芯损耗最小化，使其大小和重量最小化。根据本申请的电磁机械不使用或最小限度使用铁芯，从而具有在性能界限或限制方面的富余度大的优点。

附图说明

图1是概略地图示根据本申请一个实施例的线圈阵列的电流流动与磁通量大小的示意剖面图。

图2是以2个相位差线圈阵列组来图示根据本申请实施例的线圈阵列的概略性示意剖面图。

图3是概略地图示根据本申请实施例的线圈阵列的电流流动与磁通量大小的示意剖面图。

图4是根据本申请实施例的线圈阵列结构的概略性示意立体图。

图5是概略地图示由根据本申请实施例的线圈阵列结构而生成的磁场与电流的相互作用的概念图。

图6是概略地图示具有层叠型线圈并沿水平方向应用根据本申请实施例的线圈阵列的示意剖面图。

图7是概略地图示具有层叠型线圈并以立体结构应用根据本申请实施例的线圈阵列的示意剖面图。

图8是对以立体结构应用根据本申请实施例的线圈阵列的结构的模拟结果图。

图9是对以立体结构应用根据本申请实施例的线圈阵列的结构的模拟结果图。

图10是概略地图示具有平面线圈结构并应用根据本申请实施例的线圈阵列的示意剖面图。

图11是概略地图示具有平面线圈结构并以立体结构应用根据本申请实施例的线圈阵列的示意剖面图。

图12是对具有平面线圈结构并立体地应用根据本申请实施例的线圈阵列的结构的模拟结果图。

具体实施方式

下面参照附图，详细说明本申请的优选实施例。如果参照后面与附图一同详细叙述的实施例，本申请的优点及特征以及达成其的方法将会明确。但是，本申请并不限定于在此说明的实施例，也可以以彼此不同的形态具体化。相反，此处介绍的实施例提供用于使得公开的内容能够彻底、完全，并使得本申请的思想能够充分传递给所属技术领域的技术人员，本申请只由权利要求项的范畴所定义。另一方面，在通篇说明书中，相同附图标记指称相同构成要素。

本说明书中使用的术语用于说明实施例，并非要限制本申请。在本说明书中，只要在语句中未特别提及，单数型也包括复数型。说明书中使用的“包括(comprises)”及/或“包括的(comprising)”不排除提及的构成要素、步骤、动作及/或元件存在或添加一个以上的其他构成要素、步骤、动作及/或元件。另外，由于是根据优选实施例，因而根据说明顺序而提示的附图标记并不必须限定于该顺序。而且，在本说明书中，意指并不排除提及某种成分或部件的情形或其之外的成分或部件，必要时，也可以追加插入其他成分或部件。

本说明书中提供的说明及示例是出于说明性目的而提示的，不是要限制附带的权利要求项的范畴(scope)。本说明书应被认为用于对本申请的原理进行举例说明，而不是要限制所记述的实施例的权利要求项及/或本申请的思想(spirit)及范畴。本技术领域的普通技术人员可以针对本申请的特定应用而变形本申请。

另外，本说明书中记述的实施例将参考作为本申请理想示例图的剖面图及或俯视图进行说明。在附图中，膜及区域的厚度为了有效说明技术内容而进行了夸张。因此，示例图的形态会因制造技术及/或容许误差等而变形。因此，本申请的实施例并非限定于图示的特定形态，也包括根据制造工序而生成的形态的变化。例如，图示为直角的蚀刻区域可以为具有圆形或预设曲率的形态。因此，在附图中示出的区域具有概略性属性，在附图中示出的区域的模样，用于示出元件区域的特定形态，并非用于限定发明的范畴。

图1是概略地图示根据本申请一个实施例的线圈阵列的电流流动与磁通量大小的示意剖面图。如图1所示，根据本申请一个实施例的线圈阵列100包括第一线圈阵列110和第二线圈阵列120。

第一线圈阵列110及第二线圈阵列120隔开预设间隔形成，在隔开的方向上具有镜像(Mirror image)。即，以x轴为对称轴，第一线圈阵列110及第二线圈阵列120具有镜像。其中，所谓镜像是具有以对称轴为中心而相互对应的结构，意指具有如同照镜子一样的结构。

此时，第一线圈阵列110包括彼此相邻形成的至少一个第一半周期及至少一个第二半周期。将第一半周期150及第二半周期160形成为一个周期，可以以每个空间周期周期λ_S重复相同结构的周期性形态形成。第一半周期150包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，且所述第一半周期及所述第二半周期在相邻方向上具有镜像。即，第一半周期150以z轴为对称轴，与第二半周期160具有镜像。

如果参照图1，第一线圈阵列110与第二线圈阵列120沿z轴方向隔开预设间隔，即隔开空隙(air gap)d隔开。第一线圈阵列110与第二线圈阵列120之间的间隔为了利用线圈阵列来体现，可以由磁通量乃至其他部件来设定，可以由使用者来设定。

第一半周期150包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈。图1图示了第一半周期150以多个层形成的实施例，但这只相当于一个示例，第一半周期150可以包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈。两个线圈的电流流动方向可以彼此相反。一个线圈的电流可以向流入图1的平面内的方向(+y方向)流动，另一个线圈的电流可以向流入图1的平面外的方向(-y方向)流动。在线圈中当电流向一个方向流动时，在线圈中形成磁场。电流向图1的平面内流动时，向缠绕线圈的顺时针方向形成磁场，电流向图1的平面外流动时，向缠绕线圈的逆时针方向形成磁场。其中，第一半周期150内包括的两个线圈可以是图1的第一半周期150上第一层(1 st upper layer)中包括的线圈。借助于由位于右侧且电流向平面外流动的线圈所生成的逆时针方向磁场与位于左侧且电流向平面内流动的线圈所生成的顺时针方向磁场，两个线圈之间的磁场向第二线圈阵列120方向形成，磁通量被强化。

与第一半周期150具有镜像的第二半周期160以不同于第一半周期的方式，在右侧形成电流向平面内流动的线圈，在左侧形成电流向平面外流动的线圈。对于第二半周期160的线圈与第一半周期150的线圈，由于电流流动方向相反地形成，因而两个线圈之间的磁场向第二线圈阵列120的相反方向形成，磁通量被强化。

第一线圈阵列110及第二线圈阵列120可以以多个层形成。可以以2层以上的多个层形成。在图1中示例性地图示为4个层，但不限于此，根据需要，层数可以更少或还包括追加层。

第一线圈阵列110及第二线圈阵列120可以以3个层形成。

第一半周期150的第一层可以包括电流向彼此不同的方向流动的至少2个线圈。例如，所述第一层的左侧线圈是显示向平面内流动的电流的线圈，右侧线圈是显示向平面外流动的电流的线圈。第一半周期150的第二层与所述第一层的线圈电流方向相同，但配置于比所述第一层的线圈相对更外侧。

另外，第一半周期150的第三层与所述第二层的线圈电流方向相反。即，所述第三层的左侧线圈是显示向平面外流动的电流的线圈，右侧线圈是显示向平面内流动的电流的线圈。另一方面，所述第三层的线圈配置于比所述第二层的线圈相对更内侧。第一半周期150的第四层与所述第三层的线圈电流方向相同，但配置于比所述第三层的线圈相对更外侧。

或者，第一线圈阵列110及第二线圈阵列120可以以下层及上层形成。其中，下层可以对应于图1的第一层，上层可以对应于图1的第三层。可以只以第一层及第三层构成而不包括第二层及第四层。

另一方面，图1所示的第一半周期150与第二半周期160的电流方向是为了说明而示例性显示的，并不限于此，可以在随着时间而变化的电流方向上具有上述关系，线圈内的电流方向可以随时间而变化。另外，图1所示的所述各层内的线圈的相对位置或线圈的个数是为了说明而示例性显示的，并不限于此，可以在不违背本申请思想的范围内，变更线圈的位置或线圈个数。

第一线圈阵列110可以以具有上述电流分布的线圈结构形成。其中，第一线圈阵列110与第二线圈阵列120示例性图示为层叠的线圈结构130，或水平层叠的线圈结构140和竖直层叠的线圈结构145，但不限于此，根据需要，也可以代替三维层叠结构，用具有图1所示的电流分布的平面结构替代。

根据本申请一个实施例的线圈阵列100具有磁通量(Magnetic flux)向一个方向被强化而向其他方向被抵消的结构。即，如果参照图1，第一线圈阵列110与第二线圈阵列120在z轴方向上，向彼此相向的一侧，磁通量被强化，在此外的方向上，磁通量相对被抵消或表现为几乎可以忽略的程度。因此，根据本申请的线圈阵列100具有可以在关心区域外部使泄漏磁场最小化的效果。

图2是以2个相位差线圈阵列组来图示根据本申请实施例的线圈阵列的概略性示意剖面图。

如果参照图2，根据本申请实施例的线圈阵列200包括彼此出现90度相位差的用于相位A的线圈阵列组201和用于相位B的线圈阵列组202。两个线圈阵列组即可以具有彼此不同的相位，也可以具有彼此相同的相位。线圈阵列200以使组交替配置的方式，将用于相位B的线圈阵列组202配置于用于相位A的线圈阵列组201之间。

因此，向用于相位A的线圈阵列组201和用于相位B的线圈阵列组202按相位差依次供应随时间变化的电流，从而可以形成移动磁场(图上未示出)。如果利用这种移动电磁场，则可以获得与电磁机械的定子相同的效果。另一方面，在图2中，线圈阵列200的相位以二相图示，但不限于此，也可以根据需要而添加组并依次交替重叠，从而实现三相以上的线圈阵列。

图3是概略地图示根据本申请实施例的线圈阵列的电流流动与磁通量大小的示意剖面图。

如图3所示，在根据本申请实施例的线圈阵列300中，包括第一线圈阵列310和第二线圈阵列320。此时，第二线圈阵列320与图1中图示并详细叙述的线圈阵列相同，但第一线圈阵列310可以以图3中图示并详细叙述的作为线圈阵列特殊结构的海尔贝克阵列(Halbach Array)配置。另外，对于这种线圈阵列300，在第一线圈阵列310与第二线圈阵列320之间磁通量可以被强化，在此处外磁通量可以减小到相对忽略的程度或被抵消。另一方面，在图3中，将第一线圈阵列310以海尔贝克阵列图示，但不限于此，可以根据需要而将第二线圈阵列320用作海尔贝克阵列，或将第一线圈阵列310及第二线圈阵列320全部用作海尔贝克阵列。

图4是根据本申请实施例的线圈阵列结构的概略性示意立体图。

如图4所示，在根据本申请实施例的线圈阵列400中，第一线圈阵列410与第二线圈阵列420沿着x轴方向按每个空间性周期重复相同的结构。另外，第一线圈阵列410与第二线圈阵列420在周期性结构中，长度向电流流动方向(即y轴方向)延长，具有分节的环形(Toroid)或分节的螺线管(Solenoid)电流分布。

另外，包括根据本申请一个实施例的线圈阵列400的移动电磁机械(图上未示出)可以以无铁芯结构或最小限度的铁芯来体现。因此，在电磁机械中使用最少铁芯，从而可以使效率最大化，可以使重量和大小最小化，有望能够减小因使用铁芯导致的铁芯损耗。

另外，由根据本申请实施例的线圈阵列而生成的磁场向一个方向周期性地变化。即使不使用铁芯，只以根据本申请实施例的线圈阵列，也可以实现所有这些属性。特别是由根据本申请实施例的线圈阵列而生成的磁场

可以近似为如下正弦波。

【数学式1】

其中，λ_S为磁场的空间性周期。就移动电磁机械而言，λ_S为固定线圈的空间性周期(单位m)，动子线圈的空间性周期可以以λ_m表达。这是电磁机械的定子的线圈设计要素之一。定子线圈可以包括电磁机械的多个周期。即，上标(A)表示线圈(相位)A。磁通量密度大部分向z轴方向被强化。

另一方面，磁通量密度的其他方向成分假定足以忽略，如本申请一个实施例的线圈阵列所示，在互补的线圈阵列之间的空间，尤其是其他方向成分足以忽略。定子的磁场可以以与定子电流成比例的如下数学式表达。

【数学式2】

B₀＝k_SI_S另外，对于线圈(相位)B，根据本申请实施例的线圈阵列可以生成不同磁通量。线圈(相位)B是相比线圈(相位)A在物理上移动λ_S/4，线圈(相位)B的磁场

可以以如下公式表达。

【数学式3】

其中，kS为第一线圈阵列(定子)传播(propagation)矢量，k_S＝2π/λ_S。第二线圈阵列(动子)的传播矢量可以以k_m＝2π/λ_m表示。

根据本申请实施例的线圈阵列的分析，使用二相线圈结构示例性地执行。即使假定为这种二相线圈结构，概念也相同，一般性不受损害。这种分析也可以扩展为多相线圈结构，例如三相线圈结构，分析结果及结论也可以同样地应用于多相系统。如果需要，则二相系统与三相系统的差异可以被提及。另一方面，就三相系统而言，一般需要称为U、V及W线圈的三组线圈。V和W线圈相比U线圈，空间相位移动λ_S/3、2λ_S/3。

在根据本申请实施例的线圈阵列中，由互补的第一线圈阵列与第二线圈阵列生成的磁场具有如下特性：

第一线圈阵列与第二线圈阵列之间的磁场向z轴方向中的一侧(即，线圈阵列之间)被强化。除磁场被强化的一侧之外，向其他侧(即，线圈阵列外部)几乎被抵消。

另一方面，在根据本申请实施例的线圈阵列的线圈(相位)A与线圈(相位)B中生成的磁场独立发生并重叠。另外，线圈A与线圈B在电气上具有90度相位差并驱动，生成移动磁场。由这种线圈A与线圈B重叠调制的磁场B_Z(x)可以以如下公式表达。

【数学式4】

另一方面，如果参照数学式1和数学式3，上述数学式4可以以如下公式表达。

【数学式5】

B_Z(x)＝B₀(k_Sx)cos(ω_St)+B₀(k_Sx)sin(ω_St)＝B₀cos(k_Sx-ω_St)

其中，ω_S是第一线圈阵列电流的周期，与第一线圈阵列电流频率fs的关系为ω_S＝2πf_S。

如上所述的磁通量密度的波形图案是与如下速度v_S一同向x轴两个方向移动的移动磁场的形态。

【数学式6】

在线圈对中，可以根据电流的符号变化或时间调制而变更向x轴负方向移动的波动图案的方向。

通过包括根据本申请实施例的线圈阵列的定子线圈来供应电流，从而生成磁场，沿着电流能够垂直于所述磁场而流动的线圈提供动子，从而可以制作电磁机械。

可以利用如上所述的线圈阵列来构成移动电磁机械。根据本申请一个实施例的移动电磁机械可以包括定子及动子，且所述定子可以包括第一线圈阵列，所述第一线圈阵列可以包括彼此相邻形成的至少一个第一半周期及至少一个第二半周期，所述第一半周期可以包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，且所述第一半周期及所述第二半周期可以在相邻方向上具有镜像。对根据本申请一个实施例的移动电磁机械包括的线圈阵列的详细说明，与前面说明的对根据本申请实施例的线圈阵列的详细说明对应，下面省略重复的说明。

或者，所述定子还可以包括第二线圈阵列，所述第二线圈阵列与所述第一线圈阵列隔开预设间隔形成，在隔开的方向上具有镜像，所述动子可以在所述第一线圈阵列及所述第二线圈阵列之间形成。

或者，所述动子可以包括第二线圈阵列，所述第二线圈阵列与所述第一线圈阵列隔开预设间隔形成，在隔开的方向上具有镜像。即，所述根据本申请实施例的线圈阵列的第一线圈阵列及第二线圈阵列可以分别为定子或动子。

另外，所述动子可以为转子。

假定电流可以向y轴两个方向流动的电线，假定允许动子向x轴方向移动。通过电线而流动的电流的量如果称为i，则洛伦兹力δF_x(x)相对于电线长度l(或l为磁通量预设的区域的长度)可以以如下公式表达。

【数学式7】

δF_x(x)＝lI_y(x)B_Z(x)

其中，I_y(x)是从位置x向y方向流动的电流。通过x的函数，可以形成电流流动的电线阵列，特别是在动子上分布的电流，具有与定子相同的(空间性)周期。

【数学式8】

其中，xm可以是第二线圈阵列(动子)的x方向坐标，第一阵列(定子)的x方向坐标可以用xS表示。

因此，意指发生动子上的电流，这种电流可以在动子(或可以是转子)中相对移动。原则上而言，电流的正弦波分布可以通过与极小的电路回路一同层叠而实现，每单位长度的电线数可以以如下公式表示。

【数学式9】

当小电流i通过电线流动时，可以以如下公式表达。

【数学式10】

I₀＝n₀I

实现正弦波电流密度分布并不容易。

【数学式11】

时为h(x_m)＝1，

时为h(x_m)＝0。

其中，h(x_m)是具有周期λ_S的周期函数。例如，φ是动子的任意的初始相位值。

图5是概略地图示由根据本申请一个实施例的线圈阵列结构而生成的磁场与电流的相互作用的概念图。

如果参照图5，借助于由根据本申请一个实施例的线圈阵列而生成的磁场与电流的相互作用而在电流流动的电线中发生的洛伦兹力，可以沿x轴方向以如下公式表示。另一方面，在定子中发生的力，沿着x轴方向，每半周期大小相同但向相反方向发生。

【数学式12】

δF_x(x)＝lB_SI_mcos{k_Sx_S-ω_St}cos{k_S(x_S-v_mt)-ω_mt-φ}

假定x_m以相对于x_S的速度v_m移动。其关系如下。

【数学式13】

x_m＝x_S-v_mt

每周期的力可以如下计算。

【数学式14】

δF_x(x_S)＝lB_SH_mcos{k_Sx_S-ω_St}cos{k_S(x_S-v_mt)-ω_mt-φ}

δF_x(x_S)＝lB_SI_mcos{k_Sx_S-ω_St}cos{k_Sx_S-(ω_m+k_Sv_m)t-φ}

数学式14可以以如下公式所示整理。

【数学式15】

数学式15的第一项在空间和时间上均迅速变化。与时间无关，如果力经过许多空间周期累积，则平均值消失。每个空间性周期λ_S的力(M充分大，经M周期合并)可以以如下公式表示。

【数学式16】

对任意周期性电流分布的周期平均力可以计算。相同傅里叶级数展开的谐波成分生成为当前平均值0，从而显示出相同的结果。

在动子中驱动的电流的周期关系如以下公式所示。

【数学式17】

(ω_m+k_Sν_m)＝ω_S

即，在动子中发生的移动磁场意指合成的磁场与由定子生成的移动磁场实现同步。动子与定子的空间周期具有相同的值，因而动子与定子的磁极(magnetic poles)向相反侧吸引，所以磁通量路径彼此同步并被场锁定(Field lock)。

如果动子与定子彼此磁通量连结，则动子(转子)的位置处于平衡位置，动子与定子之间的平均磁力在平衡状态下为0。φ表示电场相位差，与距离动子与定子之间平衡的位置偏移成比例。

【数学式18】

当φ＝0时，外力或扭矩不变，磁通量连结使动子位于平衡位置。如果动子从平衡状态移动，则发生磁力，动子移动到平衡位置。相反，如果对动子施加外力或扭矩，则因相反侧磁极拉动的动作而产生的磁力对应于外力。此时，动子的位置随着外力而变化。反作用的大小同定子电流与动子电流之积成比例，总磁力或扭矩与空间周期的数成比例。

其中，如果cosφ为正且预设，则由于定子与动子(或转子)的相互作用，在动子中发生稳态力，力对抗摩擦，推动动子。此时，定子与动子的电源供应机械为了相对于摩擦保持缓慢加速或稳态，为了移动动子而供应动力。当φ＝0时，发生最大力。

根据本申请一个实施例的移动电磁机械用作电动机时，在供应电流期间，保持如下公式所示条件。

【数学式19】

cos{(ω_S-ω_m+k_Sv_m)t-φ}≥0

cosφ＜0的条件是动子(转子)被外力推动时的稳态条件。负的力意指由外力来执行工作。即，是根据本申请一个实施例的移动电磁机械作为发电机而工作中的情形。电流通过动子线圈流动，因而生成电力。

在稳态力的情况下，动子以速度v_m移动，电流以与由定子生成的磁场相同的速度v_S移动。当动子与定子的频率相同且无外力时，动子保持固定的位置。但是，如果动子与定子以不同频率驱动，磁场向相同方向移动，则动子(转子)轴以v_S-v_m移动。当场旋转(FieldRotation)为相反方向时，动子(转子)轴旋转速度为定子场旋转速度与动子(转子)场旋转速度之和。由此，可以实现快速旋转。

定子中的磁场以速度v_S移动时，可以以如下公式表示。

【数学式20】

v_S＝ω_S/k_S

当稳态力在动子中生成时，是动子(转子)以极缓慢的加速度移动或该力与外力实现均衡的情形，此时，以匀速移动。

图6是概略地图示具有层叠型线圈并沿水平方向应用根据本申请实施例的线圈阵列的示意剖面图。

如果参照图6，根据本申请实施例的线圈阵列600具有层叠型线圈，向x轴方向以周期性结构体现。此时，线圈阵列600由向z轴方向隔开预设间隔的第一线圈阵列610和第二线圈阵列620体现。另外，磁通量密度向作为第一线圈阵列610与第二线圈阵列620之间的一侧方向被强化，除第一线圈阵列610与第二线圈阵列620内部的彼此相向的方向之外，磁通量密度被抵消，在外部，可以使泄漏磁场最小化。

图7是概略地图示具有层叠型线圈并以立体结构应用根据本申请实施例的线圈阵列的示意剖面图。

如果参照图7，根据本申请实施例的线圈阵列700具有层叠型线圈，以圆形体现。此时，根据本申请一个实施例的线圈阵列700向辐射(radial)方向隔开预设间隔，第一线圈阵列710与第二线圈阵列720沿切线方向，按每个空间周期重复相同结构。另外，第一线圈阵列710与第二线圈阵列720彼此互补地体现。即，第一线圈阵列710可以视为以切线方向为基准，与第二线圈阵列720的电流分布具有镜像。另外，以圆形配置的第一线圈阵列710与第二线圈阵列720向辐射方向，磁通量密度向他们之间的一侧被强化，磁通量密度向他们外部的其他侧被抵消。

另一方面，第一线圈阵列710与第二线圈阵列720示出为配置于圆周上，大小较短且为几乎相同的大小，但不限于此，也可以在不损害本申请思想的范围内，根据需要而减小内侧圆周上的线圈阵列的大小，或增加外侧圆周上的线圈阵列的大小。

图8是对以立体结构应用根据本申请实施例的线圈阵列的结构的模拟结果图。

本模拟结果图利用python程序，基于毕奥萨伐尔定律(Biot-Savart)进行了计算。如果参照图8，显示出在对图7所示线圈阵列700的第一线圈阵列710与第二线圈阵列720的空隙中间附近获得的结果。因此，在处于第一线圈阵列710与第二线圈阵列720之间的空隙中心，磁通量向辐射(radial)方向被强化，向轴(axial)方向或切线(tangential)方向，相对而言几乎没有磁通量。

图9是对以立体结构应用根据本申请实施例的线圈阵列的结构的模拟结果图。

如果参照图9，显示出从图7所示线圈阵列700的第一线圈阵列710与第二线圈阵列720起，在空隙一半大小的关心区域外侧附近获得的结果。因此，确认了在所有方向几乎没有泄漏磁通量。另一方面，所谓关心区域，意指包括第一线圈阵列710与第二线圈阵列720在内的其内部。

图10是概略地图示具有平面线圈结构并应用根据本申请实施例的线圈阵列的示意剖面图。

如果参照图10，本申请实施例的线圈阵列1000向x轴和z轴方向周期性地体现平面线圈结构。此时，线圈阵列1000向z轴的+方向磁场被强化，向-方向磁场相对变弱。

图11是概略地图示具有平面线圈结构并以立体结构应用根据本申请实施例的线圈阵列的示意剖面图。

如果参照图11，本申请实施例的线圈阵列1100具有平面线圈结构，以圆形体现。此时，本申请实施例的线圈阵列1100向辐射方向隔开预设间隔，以彼此互补的第一线圈阵列1110与第二线圈阵列1120体现。

图12是对具有平面线圈结构并立体地应用根据本申请实施例的线圈阵列的结构的模拟结果图。如果参照图12，向关心区域中空隙中心附近的辐射方向出现强磁场，向轴方向或切线方向磁场被抵消成可以忽略的程度。虽然未图示，但如图9结果所示，确认了在关心区域之外几乎没有泄漏磁场。

利用根据本申请实施例的线圈阵列的移动电磁机械强化了关心区域内的一侧磁场，而几乎消除了关心区域之外的泄漏磁场。另外，根据本申请一个实施例的移动电磁机械不使用或最小限度使用铁芯，从而可以使其大小和重量最小化，减小铁芯损耗，克服性能界限等。

Claims (20)

1.一种线圈阵列，其特征在于，包括：

第一线圈阵列及第二线圈阵列，所述第一线圈阵列及所述第二线圈阵列形成为按预设间隔隔开，且在隔开的方向上具有镜像；其中，

所述第一线圈阵列包括至少一个第一半周期及至少一个第二半周期，所述第一半周期和所述第二半周期彼此相邻，

所述第一半周期包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，且

所述第一半周期及所述第二半周期在相邻方向上具有镜像。

2.根据权利要求1所述的线圈阵列，其特征在于，

在形成所述第一半周期的所述两个线圈之间形成的磁场的方向与在形成所述第二半周期的两个线圈之间形成的磁场的方向彼此相反。

3.根据权利要求1所述的线圈阵列，其特征在于，

所述第一半周期包括：

第一层，所述第一层包括第一层线圈结构，所述第一层线圈结构包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，所述第一层与所述第二线圈阵列邻接；

第二层，所述第二层包括第二层线圈结构，所述第二层线圈结构具有与所述第一层的所述第一层线圈结构相同的电流流动方向但位于比所述第一层线圈结构更外侧，所述第二层设于所述第一层的上部上；及

第三层，所述第三层包括第三层线圈结构，所述第三层线圈结构具有与所述第二层线圈结构相反方向的电流流动方向但位于比所述第二层线圈结构更内侧，所述第三层设于所述第二层的上部上。

4.根据权利要求3所述的线圈阵列，其特征在于，所述线圈阵列还包括：第四层，所述第四层包括第四层线圈结构，所述第四层线圈结构具有与所述第三层线圈结构相同的电流流动方向但位于比所述第三层线圈结构更外侧，所述第四层设于所述第三层的上部上。

5.根据权利要求1所述的线圈阵列，其特征在于，

所述第一半周期包括：

下层，所述下层包括下层线圈结构，所述下层线圈结构包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，所述下层与所述第二线圈阵列邻接；以及

上层，所述上层包括上层线圈结构，所述上层线圈结构具有与所述下层线圈结构相反方向的电流流动方向，所述上层设于所述下层的上部上。

6.根据权利要求1所述的线圈阵列，其特征在于，

所述第一线圈阵列包括多个第一半周期及多个第二半周期，且

所述第一半周期及所述第二半周期在相邻方向上周期性地形成。

7.根据权利要求1所述的线圈阵列，其特征在于，

就所述第一线圈阵列或所述第二线圈阵列而言，

长度沿着所述电流流动方向延伸，且包括分节的环形电流分布或分节的螺线管电流分布。

8.根据权利要求1所述的线圈阵列，其特征在于，

所述线圈阵列以至少两组形成，且

构成各组的线圈中流动的电流具有彼此相同的相位或具有彼此不同的相位。

9.根据权利要求8所述的线圈阵列，其特征在于，

通过构成各组的线圈中流动的电流之间具有相位差，从而形成移动磁场。

10.一种移动电磁机械，其特征在于，

包括定子及动子，且

所述定子包括第一线圈阵列，

所述第一线圈阵列包括至少一个第一半周期及至少一个第二半周期，所述第一半周期和所述第二半周期彼此相邻，

所述第一半周期包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，且

所述第一半周期及所述第二半周期在相邻方向上具有镜像。

11.根据权利要求10所述的移动电磁机械，其特征在于，

所述定子还包括：

第二线圈阵列，所述第二线圈阵列形成为与所述第一线圈阵列隔开预设间隔，且在隔开的方向上具有镜像。

12.根据权利要求11所述的移动电磁机械，其特征在于，

所述动子在所述第一线圈阵列及所述第二线圈阵列之间形成。

13.根据权利要求11所述的移动电磁机械，其特征在于，

所述第一线圈阵列及所述第二线圈阵列以至少两组形成，且

构成各组的线圈中流动的电流具有彼此不同的相位，从而形成移动磁场。

14.根据权利要求10所述的移动电磁机械，其特征在于，

所述动子包括：

第二线圈阵列，所述第二线圈阵列形成为与所述第一线圈阵列隔开预设间隔，且在隔开的方向上具有镜像。

15.根据权利要求10所述的移动电磁机械，其特征在于，

在形成所述第一半周期的所述两个线圈之间形成的磁场的方向与在形成所述第二半周期的两个线圈之间形成的磁场的方向彼此相反。

16.根据权利要求10所述的移动电磁机械，其特征在于，

所述第一半周期包括：

第一层，所述第一层包括第一层线圈结构，所述第一层线圈结构包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，所述第一层与所述第二线圈阵列邻接；

第二层，所述第二层包括第二层线圈结构，所述第二层线圈结构具有与所述第一层的所述第一层线圈结构相同的电流流动方向但位于比所述第一层线圈结构更外侧，所述第二层设于所述第一层的上部上；及

第三层，所述第三层包括第三层线圈结构，所述第三层线圈结构具有与所述第二层线圈结构相反方向的电流流动方向但位于比所述第二层线圈结构更内侧，所述第三层设于所述第二层的上部上。

17.根据权利要求10所述的移动电磁机械，其特征在于，

所述第一半周期包括：

下层，所述下层包括下层线圈结构，所述下层线圈结构包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，所述下层与所述第二线圈阵列邻接；及

上层，所述上层包括上层线圈结构，所述上层线圈结构具有与所述下层线圈结构相反方向的电流流动方向，所述上层设于所述下层的上部上。

18.根据权利要求10所述的移动电磁机械，其特征在于，

所述第一线圈阵列包括多个第一半周期及多个第二半周期，且

所述第一半周期及所述第二半周期在相邻方向上周期性地形成。

19.根据权利要求10所述的移动电磁机械，其特征在于，

就所述第一线圈阵列而言，

长度沿着所述电流流动方向延伸，且包括分节的环形电流分布或分节的螺线管电流分布。

20.根据权利要求10所述的移动电磁机械，其特征在于，

所述动子为转子。

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