CN113691091B - 具有多个气隙的电动机和发电机装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一个装置包括具有内表面和外表面的定子，磁耦合到定子的多个转子，位于定子的内表面与第一转子之间的第一气隙，和位于定子外表面与第二转子之间的第二气隙。多个第一槽沿着内表面分布，且彼此间由多个第一齿分开，多个第二槽沿着外表面分布，且彼此间由多个第二齿分开。多个绕组位于内表面和外表面之间，每个绕组包括位于一个第一槽的多个第一导体和位于第一槽附近的一个第二槽的多个第二导体。第一转子面向定子的内表面，第二转子面向定子的外表面。第一导体，第一气隙和第一转子形成第一子电机，且第二导体，第二气隙和第二转子形成第二子电机。本装置系统性能得到显著改进和优化，且系统成本大大降低。

Description

具有多个气隙的电动机和发电机装置、系统和方法

技术领域

本发明涉及电动机和发电机以及电驱动和控制技术领域，尤其涉及一种具有多个气隙的电动机和发电机装置、系统和方法。

背景技术

电机(包括电动机或发电机)是一种在电源和机械运动之间转换能量的装置。有不同类型的电机，其中包括感应电机，永磁电机，开关磁阻电机，同步磁阻电机，和各种混合电机，可以用于旋转，线性或其它方式的机械运动。本发明的各个实施例适用于所有类型的电机，包括用作电动机或发动机的上述各类电机，但是下面将以电动机为例描述本公开的各项创新之处。所披露的技术将以旋转电机为例讨论，但它们也可以适用于以其它形式运动的电机，如线机电机。在大多数应用中，电动机和发电机可以变速运行。在这样的变速应用中(包括但不限于工业驱动，电动车辆，柴油发电机组，和风力发电)，电力电子设备可用来与电动机和发电机一同运行。人们强烈希望提高此类系统的效率，同时降低其成本和尺寸，尤其是对于要求苛刻的应用，例如电动汽车和其他运输设备。

一台电动机或发电机通常包括一个定子和一个转子。定子是静止部分，而转子是旋转或移动部件，其可相对定子而旋转，线性移动或以其它方式运动，取决于其机械设计。转子可以是位于定子内部，外部，或如轴向磁场那样位于定子旁边。转子与定子之间有一个小的气隙以避免机械干涉并产生机械转矩，这也是机-电能量转换发生的地方。为了提高性能，希望能够在电动机或发电机中具有多个气隙。不幸的是，到目前为止，这种多气隙电动机和发电机并未得到广泛应用，因为这种系统的设计和控制过于困难和复杂。需要显著改进来进一步优化系统性能并降低系统成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有多个气隙的电动机和发电机装置、系统和方法，旨在解决现有技术中，系统的设计和控制过于困难和复杂的问题。

本申请要求2020年8月28日提交的名称为“具有多个气隙的高效率高密度电动机和发电机”的63/071,474号美国临时申请的权益，且通过引用将该申请合并于此。

根据一个实施例，一个装置包括具有一个内表面和一个外表面的定子，磁耦合到所述定子的多个转子，位于定子的内表面与所述第一转子之间的第一气隙，和位于定子外表面与所述第二转子之间的第二气隙。多个第一槽沿着所述内表面分布，且彼此间由多个第一齿分开，多个第二槽沿着所述外表面分布，且彼此间由多个第二齿分开。多个绕组位于所述内表面和所述外表面之间，每个绕组包括位于一个第一槽的多个第一导体和位于所述第一槽附近的一个第二槽的多个第二导体。第一转子面向所述定子的内表面，第二转子面向所述定子的外表面。所述第一导体，第一气隙和第一转子形成第一子电机，且所述第二导体，第二气隙和第二转子形成第二子电机。第一子电机和第二子电机被配置为当所述多个线圈有电流流动时在一个运行模式产生同一方向的机械转矩。

根据另一个实施例，一个系统包括一个具有一个内表面和一个外表面的定子，其中多个第一槽沿所述内表面分布并被多个第一齿彼此分开，多个第二槽沿着所述外表面分布并被多个第二齿彼此分开，且多个绕组位于所述内表面和所述外表面之间，每个绕组包括位于一个第一槽的多个第一导体和位于所述第一槽附近的一个第二槽的多个第二导体。该系统还包括磁耦合到所述定子的多个转子，其中第一转子面向所述定子的内表面，第二转子面向所述定子的外表面。该系统还包括位于所述定子内表面和所述第一转子之间的第一气隙，和位于所述定子外表面和所述第二转子之间的第二气隙。所述第一导体，第一气隙和第一转子形成第一子电机，所述第二导体，第二气隙和第二转子形成第二子电机。该系统还有耦合到所述多个绕组的多个功率变换器，其被配置为控制所述绕组中的电流，使得第一子电机和第二子电机在一个运行模式产生相同方向的机械转矩。

根据再一实施例，一种方法包括提供一个具有一个内表面和一个外表面的定子，提供磁耦合到所述定子的多个转子，并提供位于所述定子内表面与第一转子之间的第一气隙，及位于所述定子外表面和第二转子之间的第二气隙。所述第一转子面向所述定子内表面，所述第二转子面对所述定子外表面。多个第一槽沿着所述内表面分布并被多个第一齿彼此分开，且多个第二槽沿着所述外表面分布并被多个第二齿彼此分开。该方法还包括布置位于内表面和外表面之间的多个绕组，每个绕组包括位于一个第一槽中的多个第一导体和在该第一槽附近的一个第二槽的多个第二导体。该方法进一步包括配置所述第一导体，第一气隙和第一转子以形成第一子电机，所述第二导体，第二气隙和第二转子以形成第二子电机，以使第一子电机和第二子电机在一个运行模式产生相同方向的机械转矩。

前文已相当广泛地概括了本发明的特征和技术优点，以便于可以更好地理解下述本发明的详细内容。下文将描述本发明的附加特征和优点，其构成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本发明相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应该认识到，此类等同构造并不脱离所附权利要求书所阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了一个电机的定子；

图2示出了一个电机的横截面图；

图3示出了根据本发明的各个实施例的一个电机的横截面图；

图4示出了根据本发明的各个实施例的一个电机的简化视图；

图5示出了根据本发明的各个实施例的一个电机的一个导体的简化视图；

图6示出了根据本发明的各个实施例的一个线圈结构的简图；

图7示出了根据本发明的各个实施例的电机的一对槽中的多个线圈的布置图；

图8示出了根据本发明的各个实施例的电机的一对槽中的多个线圈的另一布置图；

图9示出了根据本发明各个实施例的一个电机定子绕组连接的示意图；

图10示出了根据本发明各个实施例的一个电机定子绕组连接的另一示意图；

图11示出了根据本发明的各个实施例的一个电机绕组在各槽的分布图；

图12示出根据本发明各个实施例的多个绕组结构组合到一个图案的示意图：

图13示出了根据本发明的各个实施例的一个电机驱动系统；

图14示出了根据本发明的各个实施例的一个具有两节结构的电机的示意图；

图15示出了根据本发明的各个实施例的一个多匝线圈的示意图；

图16示出了根据本发明的各个实施例的电机定子的一段的简图；

图17示出了根据本发明的各个实施例的一个电机驱动系统的框图；

图18示出了根据本发明的各个实施例的又一电机驱动系统的框图；

图19示出了根据本发明的各个实施例的第三个电机驱动系统的框图；

图20示出了根据本发明的各个实施例的一个有径向气隙和轴向气隙的电机的简化侧视图；

图21示出了根据本发明的各个实施例的一个有外定子拓扑的多气隙电机驱动系统的示意图。

除非另外指出，否则不同附图中的相应数字和符号通常指代相应的部分。附图是为了清楚地示出各个实施例的相关方面而绘制，并不一定按比例绘制。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

本发明将针对特定上下文中的优选实施例，电机和电机驱动系统进行描述。然而，本发明还可以应用于各种其他电机和电机控制系统，包括发电机、整流器和逆变器，以及它们的任何组合。在下文中，将参考附图详细解释各个实施例。

下面主要以鼠笼转子的感应电动机为例来说明本发明的创新点，但此公开所披露的创新技术也可用于其他电动机和发电机。

一个鼠笼感应电机的定子包括嵌在定子铁芯的多个绕组，定子铁芯通常由硅钢片，铁氧体，铁粉芯或其他磁性材料制成。这些绕组按极对布置为多相。通常，电机的相数和极数是固定的。在美国专利号9240748，9490740，9800193等专利和20190058364，20190058430，20200204099等美国专利申请中公开了一种动态配置技术，其中电机的极数和相数可以通过电流控制来修改，以在广泛的运行范围内优化电机的设计和性能。鼠笼式感应电机的转子包括一个转子铁心和嵌在其中由金属条组成的鼠笼。转子铁芯通常用与定子铁芯类似的磁性材料制成。通常在转子中间有一个被金属条和转子铁芯围绕的轴，以提供机械输出到负载。金属条的第一端通过第一连接环短接。金属条的第二端通过第二连接环短接。

运行时，电源通常会加到定子上，有时也加到转子上。由此，定子中和气隙中就建立了第一磁场，且当交流(AC)电施加到定子绕组时该磁场按时间以同步速度旋转。该第一磁场在转子的金属条中感应产生电流，从而在转子和气隙中产生第二磁场。根据楞次定律，转子会跟随旋转的第一磁场，并产生机械转矩拉动转子开始旋转。在电动机模式下，转子将落后于第一磁场，电机的转矩大致与第一磁场的速度(即所谓的同步速度)和转子速度之间的滑差成正比。电机旋转磁场的同步速度(RPM)等于电源的频率乘以60，再除以极对数。

电机广泛用于电动汽车、混动汽车，无人机，船舶，飞机和风力发电等不同应用。功率密度/转矩密度、能效、尺寸/重量和成本在电机设计中通常是互相矛盾的目标。常常期望一个电机系统表现出良好的性能，例如在很宽的速度和功率范围以低成本和小尺寸实现高效率。本公开的优选的实施例总体解决或规避了这些和其他问题，并通常实现了技术优势，提供了一个具有多个气隙(转子)的高效电动机或发电机和新颖的绕组结构，大大提高了功率密度和转矩密度。

通过将多个功率变换器耦合到电机的绕组可以实现绕组电流的控制。可以用合适的控制算法来根据运行状态控制和改善这些功率变换器的运行。其结果之一是，电机和与其耦合的电机驱动系统成为一个软件定义的系统。软件定义的系统的运行和性能，可以在很宽的运行范围基于仿真数据和/或实际数据，通过自学习和优化算法与实时软件更新进行优化，从而获得更好的性能和成本取舍。软件定义的系统的优势对于电动汽车等具有复杂运行模式的系统尤为重要。例如，该系统的性能和功能可以通过所使用的软件的定期或不定期的更新(如通过OTA)被不断修改或改善，其中软件更新可以作为一种服务来提供。在软件更新中，可以修改电机相关参数和电机控制的策略。这样的更新可以包括从或大或小的用户组的大量数据中导出的改善，这些数据或改善方法可以在云中存储、处理和管理。

将本公开披露的技术应用到电机或电机控制系统，系统的能效、可靠性和成本可同时改善。例如，即使电机中的某些绕组或功率变换器中的某些部件发生故障，系统仍可以继续运行，因为可以将有故障的部件或绕组隔离并禁用，而系统的其余部分仍继续运行。也可以禁用一些功率变换器和/或一些绕组，使系统以减少的相数运行，以提高轻载下的系统效率，这类似于dc-dc变换器中使用的减相技术。

下面详细讨论当前优选实施例的制造和使用。然而，应当理解的是，本公开提供了可以在多种特定环境中适用的许多发明概念。所讨论的具体实施例仅是说明制作和使用本公开的具体方式，并不限制本公开的范围。

下面本发明的优选实施例的描述基于一个特定场景，即一个有多个气隙的电动机/发动机，其定子绕组，以及定子，转子和其间的多个气隙具有各种创新布置，且可与电动机/发电机的动态配置技术兼容，以便在很宽的运行范围内都有良好的性能。由于电机内部有多个气隙，因此空间和材料的利用率更高，因此电机将具有更好的功率、转矩和效率。此外，通过电力电子控制机制来动态改变极数和/或相数以改善电机的性能的动态配置感应电机(DRIM)系统/技术，也将与创新的安排一同讨论。应当注意，本公开中的创新方面的一般原理也可以应用于具有固定极数和/或相数的电机。存在不同类型的电机，包括感应电机、永磁电机、开关磁阻电机、同步磁阻电机和混合电机。本公开中的各个实施例也适用于这些电机和电机系统。例如，一个定子可能有永久磁铁或其他特征来改进其运行。本公开提出了电动机/发电机的设计，控制和生产工艺的进一步改进。虽然讨论使用了电动机为例子，相似的原理也可以适用于发电机。在下文中，将参考附图详细解释各个实施例。

图1示出了一个当前水平的电机的定子100，其壳体和其它机械部件被移除了。定子铁芯120通常使用硅钢片，有时也用铁氧体，铁粉芯或其它导磁材料。除了导磁和形成需要的磁场形状外，定子铁芯也为嵌在定子里的绕组和定子周围的转子提供机械支撑和冷却。通常情况下，定子铁芯120沿着一个面向气隙的周长均匀分布多个槽。定子铁芯里槽间的部分称为齿部，槽外面的部分成为轭部，图中标示为106。一个绕组包括多个线圈(可以是单匝或多匝)，各个线圈放置在2个定子铁芯120的槽中。通常，一个线圈是在一个封闭的形状，包括有端部导体(全部端部导体有时合称为端部绕组)。属于同一相且位于相邻槽的线圈通常串联连接在一起以形成一个相子绕组，属于同一相的不同相子绕组可以串联或并联连接以形成一个相绕组。定子绕组中对功率/能量转换有贡献的有效部分位于定子铁芯120内部，因此在图中看不到。定子绕组的非有效部分，即对能量传输没有直接贡献而仅仅用来连接有效部分的那一部分，通常被称为端部绕组，图中标为122A和122B。如果定子绕组是预形型的，例如发卡绕组，端部绕组122A是作为定子线圈的一部分同时制造的，而122B可以认为是不同预成形线圈之间的连接线。输出引线124将各相的绕组(相绕组)连接到适当的电源，例如耦合到功率变换器或逆变器。通常情况下，端部绕组可能占用了定子长度的大约50％，即常规电机中约50％的定子体积没有直接为产生转矩做贡献。这是本公开中呈现的技术主要要解决的问题之一。

图2是图1所示电机的一个截面图。图2所示电机200包括一个定子100和在其内部并被其包围的一个转子102。气隙103位于定子100和转子102之间。定子100包括定子铁芯120，与标示为S1，S2，S3等的多个定子槽。每个槽中有多个电导体(定子导体)111位于其中，这些定子导体被组织成多个定子绕组。这些定子槽/导体基本均匀地分布在定子铁芯120面对气隙103的内沿。同样，如上所述，多个定子导体可以连接成一个线圈，多个线圈可以组成一个相子绕组，而多个同相的相子绕组可以连接在一起，以形成一个相绕组。在本公开中的所有实施例中，线圈，相子绕组和相绕组的关系是相同的，下面将不再重复。取决于电机的构造，相绕组(有时简称为绕组)也可以位于转子上，但以下讨论将通常以这样的绕组在定子上为例。请注意，槽是可选项，即定子铁芯也可能是无槽结构。当定子铁心确实有槽时(转子铁心也类似)，定子铁芯就可分成齿部105和轭部106。

图2中的定子线圈通常可以分为正段和负段，其通常沿着环气隙103的周长方向绕制。有时也用环形线圈中(一个环形线圈是跨放置该线圈的槽相邻的轭部绕制)。这些常规线圈的一个缺点是线圈的非有效部分相对有效部分比较长。采用双转子结构与环形线圈可以减小线圈非有效部分的长度。然而，这样的电机拓扑仍然有两方面的缺点：线圈成本依然较高，及电机的功率损耗还是较高，因为这些环形线圈构成的是集中绕组，气隙MMF(磁动势)或磁通的空间谐波较高。

图3示出了根据本发明各个实施例的一个单定子和双转子结构的高效高密度电机300的简化视图。电机300有柱形定子100，两个柱形转子102A和102B，以及它们之间的2个气隙103A和103B。定子100主要包括定子铁芯120和嵌如其中的多个定子绕组。从图3所示的截面看去，定子铁芯120有两个表面，内表面面向气隙103A，外表面面向气隙103B。两个转子102A和102B磁耦合到定子100，其通过磁耦合引起的相对磁场强度通过可以调节两个气隙的长度来调整。图3示出了电机定子铁芯120上的横截面图。电机300包括一个第一转子102A，第二转子102B，定子铁芯120和其上形成的多个定子绕组308。一个定子绕组308由位于多个槽中的定子导体111组成。第一气隙103A长度为g1，第二气隙103B长度为g2，为径向布置，但披露的技术也可应用到具有轴向气隙的电动机和发电机(轴向磁通电机)。一个气隙的长度是指对应的转子铁芯和定子铁芯之间的距离，即在图3中g1是指102A和120之间的距离，g2是指102B和120之间的距离。在定子铁芯120中沿周长方向面向第一气隙103A形成了多个第一槽(内槽)，标示为S1B-S10B，…。类似地，在定子铁芯120中沿周长方向面对第二气隙103B形成了多个第二槽(外槽)，标示为S1T-S10T，…。第一槽可以有与第二槽不同的形状或不同的尺寸，槽的形状可设计得有助于磁通在槽周围更平滑和更均匀地流动。每个槽(例如，槽S1B)被用于容纳一个定子绕组的一部分，其包括一个或多个导体(例如，定子导体111)。应当注意的是，根据不同的设计，一个槽中可以嵌入多个定子绕组(即，在一个槽中的导体可以属于不同的定子绕组)，而一个绕组在一个槽中可有单个或多个导体。一个绕组的导体可以分为多个线圈，一个线圈通常由一个第一槽和附近的一个第二槽中的导体组成，最好是由一个第一槽和直接相对的第二槽组成的槽对(如S1B和S1T，或S2B和S2B)中的导体组成，以减少端部绕组的长度。另外，一个槽对里的两个槽，如S1 B和S2B，也可以不直接彼此相对，而是它们之间沿周长有角度偏移。也请注意，本公开中，绕组和定子绕组，导体和定子导体可以互换使用。有时绕组和线圈两个术语也可以互换使用，因为他们都指的是电机里导体的一种配置，产生电压，功率和转矩。

在图3中，齿部被分成与第一气隙103A耦合的第一齿部105A，和与第二气隙103B耦合的第二齿部105B。在本质上，整台电机可被看作两个子电机并联：第一子电机由第一齿部105A，第一槽(和在它们里面的导体)S1B，S2B，...，第一气隙103A和第一转子102A组成，第二子电机由第二齿部105B，第二槽(与在它们中的导体)S1T，S2 T，...，第二气隙103B和第二转子102B组成。第一子电机和第二子电机共用轭部106。如果第一转子和第二转子没有机械耦合在一起，它们可以具有不同的特性，因为它们有不同的输出。如果第一转子机械上与第二转子耦合在一起，那么它们的机械速度同步，那就必须仔细考虑以确保其输出转矩一个运行模式下有相同的方向，因此它们的输出可以迭加起来。通过适当的安排，流过第一槽和第二槽里的导体的电流可以被布置成使得第一气隙103A和第二气隙103B中的磁场具有相同的角速度和方向，以便第一子电机和第二子电机可以在一个运行模式下产生相同方向的转矩。两个子电机可以配置为具有类似的电磁特性，例如它们的速度-转矩曲线的一些关键参数可以大致相同(例如差别在20％内)，但是在一个运行模式下产生的转矩量可以不同。例如，外转子具有更大的气隙面积，因此可以设计为产生比内转子更高的转矩。根据系统需要，气隙长度g1和g2可以设计为具有不同的值，这些数值的配置可以用来调整第一子电机和第二子电机之间(也即第一转子和第二转子之间)磁通的相对强度，进而功率和转矩的相对分配。有许多方法来实现这一点。例如，可以安排第一槽中导体的电流的幅值，频率和角度与第二槽的导体的电流相同。如果在第一槽中的导体和第二槽中的导体形成不同的绕组，这可以通过适当的绕组电流的控制来实现。此外，如果每个定子绕组的线圈绕制为一条边(导体)嵌入在一个第一槽而另一条边(导体)嵌入一个第二槽，就可以自然实现这样的特性。在这种情况下，定子线圈是径向绕制的，并且形成径向绕组。以下讨论将使用这种径向绕组配置作为示例。此外，机械上耦合在一起的各转子应被配置成具有相似电磁特性(例如，如果用的是感应转子，达到各种最大转矩的转差频率应大致相等，或者如果用的是同步转子d轴电感与q轴电感之比则可大致相等)，这样定子绕组电流用一组控制就可以在所有子电机里得到良好性能，以及在所有运行模式下所有转子的输出转矩都应该是同步的且以几乎恒定的比例叠加，使所有转子上的电、磁、机械和热应力相似。例如，如果用的是感应转子，则所有转子电感和电阻的设计当使所有转子在给定的运行模式下其最大转矩对应的滑差频率相等或大致相等。如果每个转子的转矩有显著的纹波，如同在开关磁阻电机，同步磁阻电机和内置永磁体电机那样，则这些转子可具有相似的形状，但其磁阻相关的主要特征，如磁极或齿的位置，可有一定机械角度的移位，以使不同转子转矩的脉动成分可以被平滑掉，以减少总输出转矩的纹波。类似地，第一槽和第二槽(及它们之间的齿)可以有角位移(即沿着周长方向有角度偏移)，使两个子电机上定子绕组电流和输出转矩的齿槽效应有适当的相移，从而他们合并起来的总的影响可以显著降低。

应当认识到，尽管图3示出了的电机系统300的槽数和定子绕组数量不多，电机系统300可容纳任何数量的槽和定子绕组。槽通常沿电机的周边均匀分布，并连续标示。贯穿在本公开中，一个槽和嵌在其中的线圈采用相同的标示。例如，S5B可指代第五个第一槽，S5T可以代指第五个第二槽，而S5可代指嵌入槽对S5B和S5T的线圈。当一个槽对嵌有多个线圈时，可以通过一个破折号添加一个数字后缀到线圈的标识上。例如，S1-2可指代嵌在槽对S1B和S1T中的第二个线圈。请注意这里槽和齿更多标示了与其相关的导体和线圈的相对位置，齿或槽本身是可选的。在本公开中的创新技术也可用于无槽结构的电动机和发电机。

两个转子102A和102B每个均可有一个机械输出口并产生一个机械输出转矩。标示在第一转子102A中心的轴101可以用来耦合第一转子的机械转矩到电机的一个输出口，或作为电机的一个输出口工作。类似地，第二转子102B可以被耦合到电机的一个机械输出口，例如一个轮子，推进器，齿轮或传送机械功率和转矩的其它机械装置。请注意，在本公开的整个关于多转子构造的讨论中，多个转子诸如102A和102B的机械输出口可以是分开的，也可以组合起来或耦合在一起成为一个输出口。当多个转子的输出口组合成一个输出口时，这些转子必须要么全都是异步型(感应型)的，要么全都是同步型的。没耦合在一起的转子可以有不同的类型。可以使用多种不同的转子拓扑。例如，常见的同步类型包括各种永磁体转子，开关磁阻或同步磁阻转子，同步线绕转子等等。异步类型的例子包括各种感应转子，鼠笼式和线绕式都是。本公开的创新技术适用于所有类型的转子或定子，所以本发明将仅仅聚焦于电机和电机系统的创新方面，为简明起见其它细节就省略了。如需要，第二转子102B之外可以配置上机械壳体用于保护，冷却和机械支撑，但本公开中讨论的各项技术也适用于没有机械外壳的设计，其可用于无人机，飞机，车辆，和船舶等设备中直接驱动负载，如在电动汽车中的作为轮毂驱动系统。

图4进一步显示了根据本发明的各个实施例的一个槽对里线圈的细节。图4是图2里一个槽对附件区域的一个简化的放大视图。区域106是定子铁芯的一部分，称为磁轭。在一个柱状定子中，磁轭106形成一个环形带。图中显示了两个槽，第一槽415和第二槽416，他们形成一个槽对。在定子铁芯120切除了槽对415和416后，磁轭带106的两侧就形成了第一齿部105A和第二齿部105B。磁轭106和齿部105A，105B组成了定子铁芯120。铁芯可由各种导磁材料组成，例如硅钢片，铁氧体，铁粉芯或磁性化合物通过诸如冲压，切割，研磨，铸造，模制，印刷，电镀，压制，烘烤，沉积等方法制造。第一槽415在磁轭106和第一气隙103A之间形成。类似地，第二槽416在磁轭106和第二气隙103B之间形成。槽壁可以有一个绝缘层420以承受比较高的电压。一个槽可以是闭合的，也可以有一个开口408。开口408减小了嵌在槽中绕组的漏感。开口408可以是空的，也可以填充机械支撑材料，其可以导磁或导电，也可以不导磁或不导电。在一些实施例中，槽中或开口408可以填充合适的材料例如为焊膏，在回流焊后或用其它熔化后，焊膏形式的覆盖层可以进一步固定槽中导体的位置。

定子导体(图3中标示为111)可以被放入槽415和416中，一个内槽(第一槽)里的导体和附近一个外槽(第二槽)中的导体可形成一个(或多个，如果需要的话)定子线圈123。即，定子线圈123(以及其所在的绕组)按径向安排，可称为径向线圈或径向绕组。定子线圈123可以是单匝，也可以有多匝，并且可以被放置在槽中的一层或多层。不同导体之间，不同层之间，或一个导体和定子铁芯之间，可以有绝缘层420，如果导体需要承受相对较高的电压的话。

如图4所示，定子100和转子102A由气隙103A分隔。为了简便起见，图4中每个槽只画出了一个定子线圈123。本领域一个专业人士可以理解，一个槽也可以容纳多个定子线圈。这些多个定子线圈彼此可以有电连接。在制造过程中，一个定子导体可作为电机的一个元件被插入槽中。可选地，定子导体可以是一种导电材料通过一个合适的工艺(诸如模制，铸造，镀或打印)制造进槽中，不论是一个一个单独(顺序)制造或与其它定子导体一起(同时)制造。定子线圈也可以用合适的磁包线绕制，或由机械连接不同槽中的定子导体制成，或通过诸如折弯，冲制，冲压，切割，腐蚀，铸造，模制，印刷或其他合适的工艺预制成形。

图5示出一个根据本发明的各个实施例的一个定子导体/线圈的简化视图。定子线圈123包括一个金属条502，可选地，金属条502的一部分可以有绝缘层504。金属棒502可由任何合适的导电材料如铝，钢，铜，或其任何组合制成。图中示出的是一个矩形的横截面，横截面也可以是任何能与槽的形状相适应的形状。此外，虽然显示的导体是直条，但它可以是适合嵌入槽中的任何形状。冷却装置，如冷却通道，热管或冷却风扇，可以附接到一个定子线圈。作为一个例子，图5中导体里面的圆圈506表示的就是一个冷却装置，其可以是热管，可以填充冷却液的孔，或填充有冷却液体的一个管子等等。当然，如果需要这样的冷却特性也可以用到定子铁芯或转子铁芯。

可以通过不同的工艺用合适的绝缘材料来形成绝缘层504。在一些实施例中，为了增加定子线圈123承受电压的能力，定子线圈123位于定子铁芯内的部分可以涂上或覆盖合适的绝缘材料，如绝缘纸，膜，环氧树脂或油漆。在一些实施例中，可对金属条施加氧化工艺并形成氧化层。一个适当厚度的氧化层也是一个绝缘层。在氧化过程中，用作电连接的部分可以不被氧化。通过合适的氧化工艺，金属条的表面可以形成合适的氧化层，能经受对其应用足够高的电压。

绝缘层也可以提供良好的热传导路径，从而可在定子绕组和其邻近的磁性材料之间传热。应当注意的是，取决于不同的应用或设计要求，一个槽中绕组的导体可以用铸造，模制，或以其他方式制造为元件。电机所有导体可以同时制造，例如同时铸造进定子铁芯的槽中。

图6示出了根据本公开的各个实施例的一单匝线圈结构的简图。图中两个长边609意在置于一个第一槽和一个第二槽内。端部(AA’段)可以沿着AA’线折弯以减少所需空间。该弯曲部分可以机械连接到线圈本体以便更好地传导电流。该线圈结构及其横截面的形状，可以根据性能，成本或其它目的作适当设计。图6中的结构一端开放的一个好处是，线圈容易以所示的方向插入铁心，以减少制造的复杂性和成本。线圈的端部可作平滑处理，以便更好地插入到槽中。图6所示的结构可以一起预先成形以节省制造成本。作为替代方案，其端部也可以是单独的部件，并通过各种锡焊，压焊或焊接等技术连接至长边。多个线圈结构在电机中可以串联或并联连接以形成多匝线圈或绕组，或流通更大的电流。

多个定子线圈可以放置在一个槽对中。图7示出了根据本公开各实施例的一个槽对附近区域的横截面图，其中这个槽对中放置了两个定子线圈704和706，一个线圈被放置在另一个线圈的上面。一个槽中的多个定子线圈可以属于电机的同一相，也可以属于电机的不同相。如果需要，它们之间可以有一个绝缘层720以承受高电压。图7示出了两个定子线圈704和706被连接到不同的电网络，因此可以属于不同相。定子线圈704和706的结构可以相同也可以不同，例如可以有不同的匝数或不同的横截面积。

图8示出了一个与图7类似的配置，但在槽对里定子线圈804和806是水平布置的。

图9示出图3中所示电机的一端的视图，显示线圈和绕组的相互连接。作为一个例子，每个槽里包括两个水平布置的线圈。当需要时，一个槽内连接122A可连接在同一槽对内的线圈或绕组，串联或并联均可，图中以串联连接为例。当需要时，一个槽间连接122B可以连接不同槽对的线圈或绕组，串联或并联均可，图中以串联连接为例。在此图中，每个槽对中显示了两个线圈或绕组。S1和S3槽中有属于A相和也有属于另一相的绕组或线圈，因此可以被称为分数槽(即，某一相绕组或线圈只占该槽的一部分)。S2中的绕组或线圈都属于A相，因此称为全槽(即一个相的绕组或线圈占据整个槽)。S1至S3中属于A相的线圈或绕组可串联连接为相子绕组A1(引线标示为A1+和A1-)。一个相子绕组中可能有多个全槽和多个分数槽。理想情况下，电机的全部相子绕组分布在定子100中，通常是均匀和对称地分布。通过在不同相子绕组之间的适当安排分数槽，气隙沿其周长MMF可以平滑过渡，使得气隙中(如图中所示的103A和103B)中的磁场在空间上的分布更光滑和更呈正弦波型，以减少电机的功率损耗，振动和噪声。考虑到这样的定子绕组端部非常短，电机的空间利用率得到进一步改善，并因此得到了高性能、高效率和高功率/转矩密度的电机。

属于同一相的相子绕组连接在一起的方法可以安排好以进一步增强电机的性能。选择连接方式的一个特别考虑是克服沿转子周长气隙长度不均匀的影响，这样的不均匀可能由机械振动或设计与制造的缺陷引起，例如转子或定子弯曲或有其它变形。在图9中示出了A相的另一子绕组A2(引线A2+和A2-)，与子绕组A1机械上大约相距180°。由于相子绕组A1和A2机械上相距180°，一些机械缺陷将对A1和A2的影响是相反的。因此，A1和A2的连接可设置为在电机总体性能上平衡这样的影响，特别是在气隙里形成一个大致光滑和均匀的磁场。例如，如果产生转矩的磁场主要是由永久磁铁产生的(如在各种永磁电机里)，A1和A2可串联连接以迫使其电流相等。如果产生转矩的磁场主要是由绕组电流产生(如在感应电机或开关磁阻电机里)，最好将A1和A2并联连接以帮助A1和A2附近气隙的磁场强度相近。此外，如果电机极对数是奇数，A1和A2的电流将极性相反，A1和A2应反向连接(如A1+应该被连接/耦合至A 2-，或A1-应连接/耦合到A2-)。当相子绕组被视为等同相绕组时(即每相只有一个子绕组时)，可根据气隙磁场产生的机制来正确配置机械上相距180°的绕组的控制，使绕组电压或绕组电流大致相同以使气隙磁场平滑分布。

图10是定子100的另一端的简化图。图中所示的槽内连接122A可以是端部绕组，如图6中沿着直线A-A′的部分。

图11示出了按照本公开各实施例的一个36槽电机的示例性绕组(线圈)布置。标识S1，S2等代表槽对。例如，S1代表S1B和S1T。作为一个例子，每个槽(或每槽对)有2个的线圈，其可以属于相同的相或不同的相。图11示出了标记为从A至I的九相，第2段各相的分配(即槽与相线圈/绕组的关联)与第1段相同或相似。在实际设计中，相数可以根据设计目标而改变。也可以在第1段和第2段中使用不同的相-槽分配，这样电机可以有类似安排的18相。当电机额定功率高时，可能需要更多的相数。此外，可以重复这样的线圈和槽的安排以得到更多的槽数和/或相数。每个相子绕组中有一个整槽(例如，A相的S2)和2个分数槽(例如A相的S1和S3)。如此，在空间沿周长的两个方向上一个相绕组都可以以分数槽开始。这样安排的一个优势是气隙磁场的空间谐波减小了，因为每个绕组在空间上以分数槽开始和结束，气隙中磁场的空间分布比较平滑。每个相子绕组也可以有更多或更少的整槽与分数槽。当相邻相的整槽之间有多于一个的分数槽时，这些分数槽中属于同一相的线圈或绕组的匝数可以线性减小与增加，或以正弦方式增加与减少，以使气隙中磁通的分布更加平滑，减少空间谐波。当然，一个相子绕组也可以在一个方向或两个方向以一个整槽开始，如果需要的话。

应当注意的是，根据不同的应用和设计需要，绕组的布置可以相应变化。如前所述，一个线圈可以是绕制的，也可以预预成形的。当使用预成形线圈时，一个好方法是将多个线圈组合成一个合适的图案来一同制造，以降低制造成本和维持良好的制造一致性。图12显示了基于图6中线圈形状的示例图案。可以使用不同形状的线圈或不同的图案。一个或多个图案可以使用冲压、模冲、切割、铸造、模制、蚀刻、电镀、印刷或其它合适的工艺成批制造。

图13示出了根据本公开各实施例的一个电机在长度方向切开的简化截面图。这里在定子100的一端，合适的功率变换器，例如一个逆变器或直流-直流变换器，可耦合到电源引线(电源端子)124。在定子100的另一端一个机械耦合装置1309将机械支持1308上的转矩(由第二转子102B产生)耦合到机械轴101，其为第一转子102A的机械输出端口。机械耦合装置1309可以是如图所示的直接机械连接，或者是合适的机械装置例如齿轮。以这种方式，多个转子的机械输出可以结合起来。所述机械耦合装置1309是可选的，第一转子102A和第二转子102B也可分别有自己的输出端口。功率变换器可以和电机集成在同一壳体内，也可以有单独的壳体。适当的控制可以用来实现良好的系统性能。先进技术，如美国专利号9,240748，9490740，9800193等和美国专利申请20190058364，20190058430，20200204099等公开的动态配置控制及其绕组安排，也可以用来进一步改进系统的性能。因为动态配置技术可以减少定子的轭部及采用本公开的技术绕组的端部长度，因而大大减少电机的尺寸，重量和成本，特别适合与上面讨论的技术组合使用。

图13中的配置可用作一个建筑模块沿电机轴向或径向扩展。图14显示了按照本发明的各实施例的一种轴向扩展的示例性配置。图14示出了与图13中所示的电机类似的两台电机(配置)集成为一个电机。请注意两个配置的定子及第一转子结合成了1组，即内转子102A和定子104。定子绕组123可延伸到整个定子。作为一种替代方案中，两个配置里的定子或第一转子可保持分离，如果想要的话。第二转子102B和102C示出为分开的，气隙103B和103C将它们与定子100分开。电源引线124现在位于中心区域，位于原始的两个配置之间。定子绕组和相子绕组1425C的连接也可安排在此中心区域。功能块1226代表附加功能，如冷却，机械支撑，传感器，和功率变换器。所有这些或其中的一些也可以位于中心区域。

为了充分利用电机内部的空间来产生更大的转矩和功率，一个或两个轴向子电机可以配置在电机的一端或两端。在图14中，加上了两个轴向转子102D和102E。当然，这些轴向转子每个是可选的，只有需要时才应加上。他们可产生更大的转矩输出到机械支撑1308C和1308D。与转子102D对应的定子绕组实际上是定子绕组123的左侧端部绕组，通过气隙103D耦合在一起。与转子102E对应的定子绕组实际上是定子绕组123的右侧端部绕组，通过气隙103E耦合在一起。定子100的端部铁芯可以是加上去的一个与轴向电机定子铁芯类似的磁性结构，可以有齿也可以没有齿。轴向转子102D和102E对应的定子绕组的模式与图10所示的端部绕组相同，转子102D和102E可以相应地配置和设计。气隙103D和103E的磁场的同步速度和方向设置得与气隙103A，103B，和103C中的磁场相同，因此当电机直径与长度相比不可忽略时，转子102D和102E可以为电机的转矩和功率输出做出显著贡献。

图14中一些或所有转子的输出可以通过可选的机械耦合装置1309A和/或1309B耦合在一起。这些机械上耦合在一起的转子要么全部都是同步型要么都是异步型。然而，不同的同步拓扑，如开关磁阻，同步磁阻，内置永磁，表面永磁，线绕同步等是可以混合或组合使用的。类似地，不同的异步拓扑，如鼠笼感应和线绕异步，也是可混合和组合使用的。混合使用不同的转子拓扑允许根据系统要求更好地定制电机性能。

为了降低绕组的成本，有时希望生产多匝的预成形线圈。图15示出了一个根据本公开各实施例的示例性预成形的两匝线圈。该线圈具有两个端子END 1和END 2，这两个端子可以用于互连，也可以制成适当形状，以使互连更容易。例如，END2可以沿虚线折弯。为将这样的多匝预制线圈插入定子100，定子铁芯120可分成多段，每段类似于图16所示的结构，其中105A和105B是齿部，而106是轭部。由123A和123B组成的线圈可位于这样得一个铁芯段的每侧。

可以采用适当的功率变换器来控制电机。可以连接所有的功率变换器到一个电源。图17示出了按照本公开各实施例的一个N相电机系统的框图。电机系统1700包括N个功率变换器，每一个变换器耦合到一个相绕组。所有功率变换器1701-170N被耦合到输入电压(电源)Vs。这些功率变换器组成功率变换器组1750。电机1760有N个相绕组P1，P2，...，PN。每个相绕组(例如，绕组P1)具有两个端子，第一端子耦接至一个功率变换器(例如，功率变换器1701)，所有或一些相绕组的第二个端子可以连接在一起以形成星型连接。应当指出的是，相绕组第二端子的连接可以形成一个连接杆或连接环1762。功率变换器组1750可以是作为多相变换器或N个单相变换器来控制，以调节相绕组的电流。功率变换器可用各种拓扑来实现。例如，图17中的功率变换器常常使用半桥拓扑。

有些时候，将相绕组连续地或交替地分为几个对称的组，并通过功率变换器组耦合到多个输入电压源更为有利。这些输入电压源可串联连接，图18所示，其中示出了两个组，并有两个输入电源VS1和VS2相串联。当然，需要的话不同的输入电源间也可以不连接。

第一个功率变换器组1851包括12个变换器1801-1812。各变换器(例如，功率变换器1801)有一个耦合到电源VS1的输入，和耦合到对应的相绕组(例如P1)的输出。如图18所示，各相绕组(例如P1)的第一端耦合到相应的功率变换器(例如功率变换器1801)的输出。各相绕组的第二端可连接到连接条或连接环1861。

类似，第二功率变换器组1852包括12个变换器1813-1824。每个变换器(例如，功率变换器1813)有一个连接到第二电源VS2的输入和连接到相应的相绕组(例如，P13)的输出。如图18示，各相绕组(例如，P13)的第一端连接到相应功率变换器(例如，功率变换器1813)。各相绕组第二端连接到连接杆1862。

第一功率变换器组1851和第二功率变换器组1852可以被控制来维持VS1和VS2之间的电荷平衡，因为它们在实际设计中通常被实施为电容器而不是独立的电源。

功率变换器可以使用各种不同的拓扑结构。图19示出了一种配置，其中相绕组的两条引线(端子)均耦合到所关联的功率变换器，这样功率变换器就可以使用全桥型拓扑。

通过控制与相绕组相耦合的功率变换器来调节绕组电流的相位和/或禁止一些相的运行，所示的电机系统可以动态调整电机的极数和/或相数。电机系统的关键目标之一，是通过控制电机相电流(即相绕组流过的电流)的幅值，频率和相位来协调电机和功率变换器的运行，获得最好的系统能效。另外，也可以在期望的运行范围内实现系统中的一个关键元件的功率损耗，或系统里包涵功率变换器损耗，电机绕组损耗，电机磁性材料的铁芯损耗及其他损耗的任何组合的一个组合功率损耗最小化。通过调节相绕组的电压或电流，功率变换器可配置为在即使有机械不对称或其它缺陷时，每个气隙的磁场可保持大致平稳和均衡的分布。例如，对于感应电机而言，如果气隙不均匀更容易通过控制相绕组的电压来使气隙磁场的强度平滑，因此，功率变换器的控制器可以将每相的电压参考值设置为大致相同。相反，为同样的目的永磁电机则将相绕组的电流幅值控制大致相等的幅值为好。另外，谐波注入(特别是三次谐波注入，其允许在相同的整体波形的峰值下获得更高的基波幅值)可以用来改善系统性能。在低转速高转矩的应用中，谐波注入应用到磁通(例如，通过励磁电流控制)是更佳的选择，以避免或降低磁路饱和。在高速运行时，系统性能更受可用电压的限制，谐波注入最好是应用到相电压，以增加基波频率电压的幅值。由于在极数较高时磁路饱和降低，在一个系统中，如果其电机的极数是可调的，可以在需要非常高的转矩(因此高磁通量)时使用高极数的配置。因此，谐波注入策略和极数可以根据运行的要求和条件，特别是转矩，速度，和直流电压来协同地动态调整。

图20示出了一个配置，在定子铁芯120的一端附加了端部铁芯120A，以利于轴向转子103C运行。这个配置适用于各种结构，如图13，14和20所示为例。端部铁芯120A的材料可以与主定子100的相同或不同，端部铁芯120A的形状可以被配置为在气隙103C形成良好的磁场。在-些实施例中，定子端部铁芯120A可以与主定子铁芯120集成在一起。例如，铁芯120和120A可用磁性化合物，如铁氧体或铁粉芯，来模制并烘焙成形成为单个部件。

本公开的创新也可适用于有多个定子的电机。图21示出的一个多定子的配置。系统2100的电机有内定子100A和外定子100B。定子绕组是径向布置的，每个绕组在内定子100A和外定子100B均有导体。在图内定子100A上绕组连接122B被布置成连接各绕组但与转子102不相干扰。外定子100B上功率端子124连接到定子绕组，且可以连接到电源(例如功率变换器)去而不与转子102干扰。功率变换器可位于电机外壳的内部或外部。

在上面有关动态配置技术的讨论中，假定了转子能够自动跟随定子里的动态配置。如果转子是感应型这总是成立的。但是，其他拓扑的电机也可能使用DRIM类似的动态配置原理。一个例子是开关磁阻电机。开关磁阻电机的转子由没有功率绕组的凸极组成。在开关磁阻电机中，定子有凸极磁性特征。开关磁阻电机的绕组电流可以被控制为在运行中动态改变定子的极数，以便在很宽的运行范围内优化系统性能。另一例子是记忆效果永磁电机，其中磁铁的极数可以改变，从而绕组的极数也可以相应动态地重新配置。

上述讨论以一组定子绕组作为例子。相同的原理也适用于由多于一组定子绕组的电动机和发电机，例如某些双馈电动机和发电机。此外，如果需要，可以将相同的原理应用于转子绕组。虽然大多数讨论使用分布式绕组作为示例，这里所公开的技术也可适用于没有分数槽的集中绕组。

尽管上面的讨论是通常基于电动机，这些技术可被应用到发电机或工作在发电(再生)模式的电动机。

本公开中的讨论涉及电动机和发电机。这些技术也可以扩展到执行器，例如磁齿轮和其他应用。

上面的讨论一般基于有铁芯和槽的电机。然而，它可以应用于没有铁芯的电机(空芯电机)和/或没有槽的电机(无槽电机)。在一个无槽电机中，导体或导体组件沿着电机里一个周边均匀分布，就好像存在由均匀分布的槽一般，所以本公开中的绕组安排仍然可用。

尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但是应当理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和变更。

此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。如本领域的普通技术人员将从本发明的公开内容中容易地理解的是，根据本发明可以使用目前存在或以后将要开发的，执行与本文描述的相应实施例基本相同功能或达到基本相同的效果的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在在其范围内包括此类过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一个装置，其特征在于，包括：

有一个内表面和一个外表面的定子，其中：

多个第一槽沿着所述内表面分布，且由多个第一齿彼此分开；

多个第二槽沿着所述外表面分布，且由多个第二齿彼此分开；及

多个布置在所述定子的绕组，每个绕组径向布置并包括布置在多个第一槽的第一导体和布置在所述第一槽附近的多个第二槽的第二导体；

多个磁耦合到所述定子的转子，其中第一转子面对所述定子的内表面，并第二转子面对所述定子的外表面；和

所述内表面和所述第一转子之间的第一气隙，及所述外表面和所述第二转子之间的第二气隙，其中所述第一导体，所述第一气隙和所述第一转子形成一个第一子电机，并所述第二导体，所述第二气隙和所述第二转子形式一个第二子电机，并且其中，所述第一子电机和所述第二子电机被配置为当电流在所述多个绕组中流动时，所述第一转子和所述第二转子在一个运行状态产生相同方向的机械转矩；

一个所述绕组在一个方向以分数槽开始；

其中，分数槽为具有不同相的绕组的槽。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一子电机和所述第二子电机被配置为具有类似的机电特性但在一个运行模式产生不同值的转矩。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一气隙的长度和所述第二气隙的长度被配置为在所述第一子电机和所述第二子电动机之间合适地分配转矩。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：子电机的极数可通过控制相邻绕组电流的相位关系来动态调整。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：一个所述第一齿的位置相对一个所述第二齿的位置有一预定的角度偏移。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：包括面向所述定子一端的第三转子。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：一个所述绕组包括多个预成形的线圈结构。

8.一个系统，其特征在于，包括：

有一个内表面和一个外表面的定子，其中：

多个第一槽沿着所述内表面分布，且由多个第一齿彼此分开；

多个第二槽沿着所述外表面分布，且由多个第二齿彼此分开；及

多个布置在所述定子的绕组，每个绕组径向布置并包括布置在多个第一槽的第一导体和布置在所述第一槽附近的多个第二槽的第二导体；

多个磁耦合到所述定子的转子，其中第一转子面对所述定子的内表面，并第二转子面对所述定子的外表面；

所述内表面和所述第一转子之间的第一气隙，及所述外表面和所述第二转子之间的第二气隙 ，其中所述第一导体，所述第一气隙和所述第一转子形成一个第一子电机，并所述第二导体，所述第二气隙和所述第二转子形式一个第二子电机；和

多个耦合到多个绕组的功率变换器，其中所述功率变换器被配置为控制所述绕组中的电流，使得第一子电机和第二子电机在一个运行状态产生相同方向的机械转矩；

一个所述绕组在一个方向以分数槽开始；

其中，分数槽为具有不同相的绕组的槽。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述第一转子和所述第二转子具有不同的拓扑。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述第一气隙的长度与所述第二气隙的长度被配置为在所述第一转子和所述第二转子之间合理分配转矩。

11.一种方法，其特征在于，包括：

提供具有一个内表面和一个外表面的定子，其中：

多个第一槽沿着所述内表面分布，且由多个第一齿彼此分开；及

多个第二槽沿着所述外表面分布，且由多个第二齿彼此分开；

多个布置在所述定子的绕组，每个绕组径向布置并包括布置在多个第一槽的第一导体和布置在所述第一槽附近的多个第二槽的第二导体；

提供磁耦合到所述定子的多个转子，其中第一转子面对所述定子的内表面，并第二转子面对所述定子的外表面；

在所述定子内表面和所述第一转子之间安排第一气隙，并在所述定子外表面和所述第二转子之间安排第二气隙；及

配置所述第一导体，所述第一气隙和所述第一转子，以形成第一子电机，及所述第二导体，所述第二气隙，和所述第二转子，以形成第二子电机，以使所述第一子电机和所述第二子电机在一个运行模式中产生相同方向的机械转矩；

一个所述绕组在一个方向以分数槽开始；

其中，分数槽为具有不同相的绕组的槽。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一子电机和所述第二子电机具有相似的机电特性，但产生不同值的转矩，并且其中所述第一气隙的长度和所述第二气隙的长度不同以在所述第一子电机和所述第二子电机间实现适当的功率和转矩分配。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：包括安排所述第一齿的位置相对所述第二齿的位置有一个预定的角度偏移。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：包括耦合一个功率电子系统到所述的多个绕组，并配置绕组的电流使得各子电机的极数被动态地调整。