CN113785478A - 一种用于控制多通道电机的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于新的和改进的多通道电机和电机控制器的各种实施例，其中电机控制器能够动态地修改电机的相数和极数，以减少扭矩输出并提高速度。

Description

一种用于控制多通道电机的系统和方法

相关申请

本申请要求优先权：2019年1月16日提交的美国临时申请序列号62/793,359，名称为“A Circumferential Flux Electric Machine with an Electronic Transmission”；2019年2月5日提交的美国临时申请序列号62/801,237，名称为“A Circumferential FluxElectric Machine with an Electronic Transmission”；以及于2019年2月11日提交的美国临时申请序列号62/804,102，名称为“A System and Method for Controlling aMulti-Tunnel Electric Motor/Generator”。出于所有目的，其公开内容均以引用方式并入。

此申请还与以下美国专利申请共同拥有：2017年7月23日提交的美国专利申请序列号15/657,173，名称为“An Improved Multi-Tunnel Electric Motor”，是2017年4月20日提交的美国专利申请序列号15/492,529，名称为“An Improved Multi-Tunnel ElectricMotor”的延续，这是2016年4月8日提交的PCT国际申请序列号PCT/US2016/026776(名称为“An Improved Multi-Tunnel Electric Motor”)的一部分的延续，该申请要求2015年6月9日提交的美国临时专利申请序列号62/173,349(名称为“Multi-Tunnel Electric Motor”)的权益；2015年5月28日提交的美国临时专利申请序列号62/167,412，名称为“Multi-Tunnel Electric Motor”；2015年4月8日提交的美国临时专利申请序列号62/144,654，名称为“Multi-Tunnel Electric Motor”，以及上述美国专利申请序列号15/492,529，也是2015年9月25日提交的美国专利申请序列号14/866,788(名称为“Brushless ElectricMotor”)的一部分的延续，其要求于2014年9月26日提交的美国临时专利申请序列号62/056,389(名称为“DC Electric Motor with Enhanced Permanent Magnet FluxDensities”)的权益；2014年9月25日提交的美国临时专利申请序列号62/055,615，名称为“DC Electric Motor with Enhanced Permanent Magnet Flux Densities”；以及2014年9月25日提交的美国临时专利申请序列号62/055,612，名称为“DC Electric Motor withEnhanced Permanent Magnet Flux Densities”；这是2013年3月20日提交的美国专利申请序列号13/848,048(名称为“DC Electric Motor with Enhanced Permanent Magnet FluxDensities”)的一部分的延续，其要求2012年3月20日提交的专利申请序列号61/613,022(名称为“Electric Motor”)；2017年1月23日提交的美国专利申请序列号15/413,228，名称为“Brushless Electric Motor”；2015年9月25日提交的美国专利申请序列号14/866,787，名称为“Brushed Electric Motor”；2015年1月29日提交的美国专利申请序列号14/608,232，名称为“Brushless Electric Motor”；2014年9月18日提交的美国专利申请序列号14/490,656，名称为“DC Electric Motor with Enhanced Permanent Magnet FluxDensities”，其公开内容在此通过引用并入以用于所有目的。

技术领域

本发明总体上涉及一种新的和改进的电机，特别是涉及一种改进的系统和方法，用于从电磁电机产生旋转运动或从旋转运动输入产生电力。

背景技术

电动机利用电能产生机械能，通常是通过磁场和载流导体的相互作用。1821年，英国科学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)首次证明了通过电磁方式将电能转换为机械能，随后亨德里克·洛伦兹(Hendrik Lorentz)的工作对其进行了量化。

在传统电动机中，当施加电流时，由紧密包裹的载流材料制成的中心芯在磁体的固定极(已知为定子)之间高速转动或旋转而产生磁极(已知为转子)。中心芯通常与轴连接，该轴也将与转子一起旋转。然后，轴可用于驱动旋转机器中的齿轮和车轮和/或将旋转运动转换为直线运动。在许多应用中，在相对较低的每分钟转数(RPM)或瓦特数下需要较高的扭矩输出，然后随着RPM的增加，扭矩可以降低。在电动汽车应用中，低速运行通常需要在低于基本速度的情况下进行恒定扭矩运行，以移动重载、穿越崎岖地形或斜坡(如丘陵)的电动汽车。例如，当卡车在房屋之间缓慢移动用于本地垃圾收集时可能需要高扭矩，但当卡车以更高的速度行驶在公路上时，不需要高扭矩。类似地，施工车辆和拖拉机在运土和犁耕过程中可能需要高扭矩，但在运输模式或沿街行驶时需要低扭矩。输送机电机首次启动时可能需要高扭矩，达到运行速度后可能需要低扭矩。

在许多情况下，高速运行需要两倍或三倍的基本速度，以便在平坦的道路或发达的工业场地上巡航。在此高速模式下，扭矩要求较低，需要恒定功率运行。在恒定功率运行中，可用扭矩与速度成反比。配备有控制反电动势的机构的电动机中的恒功率模式提供了一种类似于车辆传统机械变速器中换档传动比的操作，即通过改变传动比，以较高的速度换取较低的可用扭矩。

因此，电机需要在一种模式下产生高扭矩，而在达到较高速度后，在另一种模式下产生相对较低的扭矩。能够从恒定扭矩模式切换到恒定功率模式且速度超过基本速度的电动机可以用作磁变量变速箱。传统上，这可以通过传输设备来实现。然而，传输设备导致效率低下和产生额外成本。所需要的是一台能够在高扭矩低速配置和低扭矩高速配置之间切换的电动机。

发电机通常基于电磁感应原理，这是迈克尔·法拉第在1831年发现的。法拉第发现，当导电材料(如铜)在磁场中移动时(反之亦然)，电流将开始流过该材料。这种电磁效应在运动的导体中感应出电压或电流。

传统的发电设备，如旋转式交流发电机和线性交流发电机，依靠法拉第的发现来发电。事实上，旋转发电机本质上是大量绕着非常大的磁体内部旋转的电线。在这种情况下，线圈称为电枢，因为它们相对于固定磁体(称为定子)移动。通常，移动部件称为电枢，静止部件称为定子或多个定子。

在大多数传统的直线电动机和旋转电动机中，必须在正确的时间脉冲足够的正确极性功率，以便在每个极段提供相反(或吸引)的力，以产生特定的扭矩。在传统电动机中，在任何给定时刻，只有一部分线圈极片主动提供扭矩。

对于传统电动机，必须施加足够大的脉冲电流以产生给定的转矩/马力。马力输出和效率是设计、电力输入功率加上损耗的函数。

对于传统发电机，转子旋转时产生电流。产生的功率是磁通强度、导体尺寸、极片数量和RPM的函数。然而，电流是正弦输出，其固有损耗与传统电动机的损耗相似。

具体而言，脉冲时变磁场产生不期望的效果和损耗，即铁磁滞损耗、反电动势(EMF)、感应反冲、涡流、浪涌电流、转矩脉动、热损耗、齿槽效应、电刷损耗、电刷设计中的高磨损，换向损耗和永磁体的磁抖振。在许多情况下，使用复杂控制器代替机械换向来解决其中一些影响。

此外，在电机或发电机中，某种形式的能量驱动转子的旋转和/或移动。随着能源变得越来越稀缺和昂贵，我们需要更高效的电动机和发电机来减少能源消耗，从而降低成本。

发明内容

为了应对这些和其他问题，提出了本申请中公开的各种实施例，包括通过使用多个磁性通道的永磁体操纵来增加磁通密度的方法和系统。本发明公开了电机的各种实施例，包括：围绕线圈组件径向定位的多个线圈，形成线圈组件相对旋转路径的多个磁性通道，其中，形成每个磁性通道的所有多个磁体具有向内朝向磁性通道内部或向外远离磁性通道内部的类似磁极，使得任何磁性通道的每个磁场与相邻磁性通道的磁场具有相反的极性。

通过以下结合附图的详细描述，将更清楚地理解这些和其他特征以及优点。重要的是要注意，附图并非旨在表示本发明的唯一方面。

附图说明

图1是根据本发明某些方面的电机部件的一个实施例的分解图。

图2是图1所示电机部件的磁性圆筒/定子元件或磁性圆筒/转子元件的详细等轴测视图。

图3是图2的磁性圆筒/定子元件或磁性圆筒/转子元件的分解图。

图4是线圈组件的等轴测视图。

图5示出了环形磁性圆筒的一个实施例。

图6示出了环形磁性圆筒的概念性二维径向段。

图7是图5所示的环形磁性圆筒的径向部分或径向段的一个实施例的详细等轴测视图。

图8是图7所示的径向部分或径向段的一个实施例的详细等轴测视图，添加了方向箭头。

图9是图7所示的径向部分或径向段的一个实施例的详细等轴测视图，其中添加了图4所示的线圈组件的一部分。

图10示出了图4的线圈组件的一个实施例，该线圈组件位于图5的环形磁性圆筒内。

图11示出了图10的磁性圆筒，该磁性圆筒耦合到背铁电路，为了清晰起见，侧背铁电路的一部分位于分解图中。

图12是具有无刷电机控制器和电机的系统的一个实施例的图。

图13是可使用图12的无刷电机控制器执行的方法的流程图。

图14是说明无刷电机控制器如何通过H桥耦合到具有六个绕组相的线圈组件的系统的一个实施例的图。

图15示出了本领域已知的三个正弦电压波形的图。

图16-1示出了本发明一个实施例的反电动势图。

图16-2示出了本发明一个实施例的反电动势图。

图17-1和17-2示出了本发明一个实施例的反电动势图。

图18是线圈组件的一个实施例，示出了六相配置的线圈组。

图18-1到18-12示出了说明本发明的一个实施例的六相“绕组”配置随时间的线圈激发和通道段旋转序列。

图19是线圈组件的一个实施例，示出了三相配置的线圈组。

图19-1到19-6示出了示出本发明一个实施例的三相“绕组”配置随时间的线圈激发和通道段旋转序列。

图20-1到20-25示出了示出本发明一个实施例的两相“绕组”配置随时间的线圈激发和通道段旋转序列。

图21是可使用图12的无刷电机控制器执行的方法的流程图。

图22是示出无刷电机控制器的更详细实施例的系统的一个实施例的图。

图23是系统的一个实施例的示意图，说明了无刷电机控制器如何通过H桥耦合到具有六个绕组相的线圈组件。

图24示出了自适应电子变速器，所述自适应电子变速器调整线圈激发顺序，以从模拟传统电机的六相绕组过渡到三相绕组，然后过渡到两相绕组，从而示出了本发明的一个实施例。

图25-1和25-2是示出可与图12的无刷电机控制器一起执行以模拟自适应电子变速器的方法的流程图，所述自适应电子变速器调整线圈激发顺序以模拟传统电机的六相绕组和三相绕组。

具体实施方式

下面描述组件、信号、消息、协议和配置的具体示例以简化本公开。当然，这些仅仅是示例，并不旨在将本发明限制于权利要求中描述的内容。为了不在不必要的细节中模糊本发明，在没有详细描述的情况下呈现公知元件。在大多数情况下，省略了获得对本发明的完整理解所不必要的细节，因为这些细节在相关领域的普通技术人员的技能范围内。省略关于常规控制电路、电源或用于为本文描述的某些组件或元件供电的电路的细节，因为此类细节在相关领域的普通技术人员的技术范围内。

当在本公开中讨论诸如上部、下部、顶部、底部、顺时针或逆时针的方向时，这些方向意味着仅为所示图和图中组件的方向提供参考方向。方向不应解读为暗示在任何最终发明或实际使用中使用的实际方向。在任何情况下，此类方向均不得限制或赋予权利要求任何含义。

电机元件和背铁电路

图1是电机100的分解等轴测视图，示出了背铁电路200的第一部分202、背铁电路200的第二部分204、转子毂300和磁盘组件400。电机100的实施例也称为Hunstable电涡轮机(Hunstable Electric Turbine)或“HET”或圆周磁通，四转子电机。

背铁电路200在理论上是可选的。它用于定位和加强磁性元件(如下所述)，并通过移除或减少回风路径来约束磁路以限制磁阻。背铁电路200的第一部分202包括由如下所述的合适背铁材料制成的第一外圆筒壁206。当组装电机100时，第一内圆筒壁208同心定位在第一外圆筒壁206内。也由背铁材料制成的第一平侧壁210纵向定位在第一外圆筒壁206和第一内圆筒壁208旁边。

背铁电路的第二部分包括同心定位在第二外圆筒壁216内的第二内圆筒壁218(当组装电机100时)。背铁材料的第二平侧壁220纵向定位在第二外圆筒壁216和第二内圆筒壁218旁边。在某些实施例中，第二内圆筒壁218和第二外圆筒壁216具有多个纵向凹槽，其尺寸被设计成容纳和支撑多个磁体。

就本申请而言，“背铁”可指铁或软磁材料，例如任何含铁化合物或合金，例如钢、铁、镍、或钴、或类似合金、软磁材料、烧结特种磁粉，或包含此类材料的层压片的任何层压金属。在一些实施例中，此类层压材料可包括此类Supermendur、Somaloy或M19-29G。

在一些实施例中，背铁可通过使用卷绕层压钢的变压器卷绕法生产。这种生产方法减少了制造过程中的浪费。然而，在其他实施例中，背铁可以是电工钢(磁钢)，由于高刚度/刚度，其也用作结构完整性。在使用海尔贝克阵列(Halbach Arrays)的实施例中，不需要此类重型材料(尽管可能需要刚性结构以实现结构完整性，例如塑料(PEEK)、铝或碳纤维)。在一些实施例中，环形芯504可以是中空的，或者具有限定在其中限定的通道，以允许液体或空气冷却。

在某些实施例中，在第一外壁206和第一侧壁210之间存在径向间隙212。径向间隙212允许支撑结构、控制线和电导体(未显示)进入磁盘组件400，以及散热和/或热控制介质。在其他实施例中，间隙212可限定在第一外壁206内或第一外壁206与第二外壁216之间。在又一其它实施例中，间隙212可位于其它位置以优化性能。

多个内纵向槽242围绕第一外圆筒壁206(图1中不可见)和第二外圆筒壁216的内表面限定并径向间隔开。类似地，多个外纵向槽244围绕第一内圆筒壁208和第二内壁218的外表面限定并径向间隔。

如下面将详细描述的，形成外磁壁406a的一部分的多个外磁体(来自下面讨论的磁盘400)的尺寸装配在多个内纵向槽242和外纵向槽244内。

当组装电机100时，背铁电路200的第一部分202和背铁电路的第二部分204在物理上支撑并环绕磁盘400。第一内壁208和第二内壁218也径向包围并径向耦合到转子毂300。在某些实施例中，转子毂300定位并在结构上支撑背铁电路200的某些部件(其反过来支撑磁盘400的磁性部件)。

磁盘组件

图2是图1的组装磁盘400的详细等轴测视图。图3是磁盘400的分解图。在图2和3所示的实施例中，关于纵轴401，存在磁体402的顶部或第一轴向或侧壁。类似地，存在磁体404的底部或第二轴向或侧壁。磁体406的外圆筒壁纵向定位在磁体404的第一轴向或侧壁402和第二轴向或侧壁之间。在某些实施例中，磁体406的外圆筒壁包括两组多个磁体406a和406b，其尺寸设计成与背铁壁206和216耦合，如上文关于图1所述。

磁体408的内圆筒壁也纵向定位在磁体404的第一轴向壁或侧壁402和第二轴向壁或侧壁之间，并同心定位在磁体406的外圆筒壁内。在某些实施例中，磁体408的内圆筒壁包括两组多个磁体408a和408b，其尺寸设计成与背铁壁208和218耦合，如上文参考图1所述。

在某些实施例中，形成本文讨论的轴向侧壁402-404和圆筒壁408-406的磁体可由任何合适的磁性材料制成，例如：钕、铝镍钴合金、陶瓷永磁体、电磁体或海尔贝克阵列。磁体或电磁体的确切数量取决于所需的磁场强度或机械配置。所示实施例仅是基于某些商用磁体配置磁体的一种方式。其他配置也是可能的，特别是如果磁体是为此特定目的制造的。

线圈组件

如图3所示，当组装电机100时，线圈组件500同心定位在外圆筒壁406和内圆筒壁408之间。线圈组件500还纵向定位在第一轴向侧壁402和第二轴向侧壁404之间。在某些实施例中，线圈组件500可以是定子。在其它实施例中，线圈组件500可以是转子。

线圈组件500包括线圈组件支撑件502，在一个实施例中，线圈组件支撑件502可以是与转子一起使用的定子的一部分，转子由磁性轴向壁402-404和磁性纵向壁406-408以及上面参考图1A到3讨论的背铁电路部分202和204形成。在某些实施例中，线圈组件支撑件502包括圆筒或环形芯(未示出)或联接到围绕环形芯径向间隔开的多个齿506的核心部(yolk)504。

在某些实施例中，环形芯504和齿506可由铁或背铁材料(上文讨论过)制成，以便其将充当磁通量力集中器。

在其它实施例中，线圈组件支撑件502可由复合材料制成，所述复合材料允许对其进行雕刻以允许从内部进行冷却和布线。所述复合材料可由“软磁”材料(当电流施加到相邻线圈时会产生磁场的材料)形成。软磁材料是指易于磁化或退磁的材料。软磁材料的例子有铁和低碳钢、铁硅合金、铁铝硅合金、镍铁合金、铁钴合金、铁氧体和非晶态合金。

在某些实施例中，布线连接(未示出)也可以形成“插头”形状，用于耦合到定子齿。因此，在线圈组件500用作定子的实施例中，多个齿506中的某些齿可以具有用于在一侧上限定的用于连接到结构支撑件的此类插头(或导线)的孔。

线圈或线圈绕组

图4是线圈组件500的详细等轴测视图。由芯环504支撑的齿506在线圈组件支撑结构502内形成径向槽524。多个线圈或线圈绕组526可围绕环形芯504并位于槽524内径向定位。

线圈组件500中的每个单独线圈526可以由导电材料制成，例如铜(或类似合金)线，并且可以使用本领域已知的常规绕组技术构造。在某些实施例中，可以使用集中绕组。在某些实施例中，单个线圈526在形状上可以基本上是圆柱形或矩形，其缠绕在环形芯504周围，中心开口的大小允许单个线圈526环绕并固定在环形芯504上。因此，在这样的实施例中，绕组不重叠。

通过将单个线圈526定位在由齿506限定的槽524内，线圈由齿的更大的散热能力包围，在某些实施例中，可以将冷却通道直接结合到形成齿的材料中。这使得电流密度比传统电动机几何结构高得多。此外，将多个线圈526定位在槽524内和齿506之间可减小线圈之间的气隙。通过减小气隙，线圈组件500可有助于电机或发电机产生总扭矩。

如本领域所知，单个线圈526的数量可以是物理上适合所需体积的任何数量，并且具有产生所需电或机械输出的导体长度和尺寸。在又一其它实施例中，线圈526基本上可以是一个连续线圈，类似于本领域已知的格拉姆环(Gramme Ring)。

每个线圈526的绕组通常配置为，绕组保持横向或垂直于构成线圈组件500的磁体(例如转子)的相对运动方向，并与纵轴401平行。换句话说，线圈绕组的位置应确保其侧面与纵轴401平行，且其端部径向垂直于纵轴。如下文所述，线圈绕组相对于转子内表面的单个磁体产生的磁通量也是横向的。因此，整个线圈绕组可用于产生运动(在电机模式下)或电压(在发电机模式下)。

由于线圈绕组由磁场包围，因此没有无源或重叠的端部绕组。这导致铜的高利用率和紧凑的定子。其结果是比传统电动机的磁通利用密度更高，这相当于更高的力。由于线圈四面都由磁体包围，并且基本上所有磁通量都被限制和约束在最有效的扭矩产生区域内(最小的磁通量泄漏)，因此基本上所有线圈和铜都参与了能量转换过程。因此，在现有技术的电机中没有或几乎没有浪费的铜和端部绕组。

磁性圆筒

图5是为了清晰起见移除了线圈组件500的磁盘组件400(图1)的等轴测视图。磁盘组件400的磁体形成环形磁性圆筒430，该环形磁性圆筒430限定了围绕纵轴401定位的一个或多个环形磁性通道440。如前所述，环形磁性圆筒430包括：磁体402的顶部轴向或侧壁、磁体404的底部或第二轴向或侧壁、纵向位于磁体的第一侧壁402和磁体的第二侧壁404之间的磁体的外圆筒壁406；以及磁体的内圆筒壁408，其同心地定位在磁体的外圆筒壁406内。在某些实施例中，外圆筒壁406可由两组多个磁体406a和406b形成，其中每个多个磁体的尺寸设计成分别与背铁电路壁206和216耦合。类似地，在某些实施例中，内圆筒壁408可由两组多个磁体408a和408b形成，其中每组多个磁体的尺寸设计成分别与背铁电路壁208和218耦合。

注意，在图5的说明性实施例中，有八个径向“片”或磁性通道段420形成完整的环形磁性圆筒430。但是，管段的确切数量取决于尺寸、性能特征和其他设计因素。每个磁场也可以认为是具有相同磁极性的三维磁极区域。通道的数量可能会有所不同。例如，在八极电机中，每个极区域表示45度旋转。相反，在四极电机中，每个极区域表示90度旋转。

图6是部分径向磁性圆筒650的一个实施例的横截面概念图。径向磁片650在概念上类似于上面图5的环形磁性圆筒430的径向段420。图6概念性地示出了当圆筒从整个圆筒中移除时，磁性通道或部分磁性圆筒650的径向片中磁通线的流动。在某些实施例中，部分磁性圆筒650包括外曲壁602和内曲壁604。外曲壁602和内曲壁604可由多个磁体制成。在横向剖面图中，如图6所示，可以看到外曲壁602由多个磁体606组成，磁体606包括单独的磁体，例如磁体606a、606b、606c等。类似地，内曲壁604可以由多个磁体608组成，磁体608包括单独的磁体608a、608b等。应注意，在磁性圆筒部分650内(或朝向)仅使用磁体的一个极性。例如，在图6的说明性实施例中，磁体606的北极各自径向指向中心轴或纵轴401(从图6中的页面出来)。另一方面，磁体608的北极各自径向远离纵轴401并朝向部分磁性圆筒650的内腔或通道624。

当多个磁体606和608配置在外壁602和内壁604中以形成部分圆筒650时，磁通力的密度将形成如图6所示的磁通线612以概念方式表示的特定模式。磁通线612的实际形状、方向和定向取决于诸如内部扣环、中心芯、背铁电路、材料成分和/或配置的使用等因素。

为了一般地说明该磁配置，来自外壁602的磁体606a的磁通线612a(或多条磁通线)倾向于以垂直方式从磁体的北极(内表面)从磁体表面流入并穿过部分圆筒650的内部通道624，从开口端614流出进入开口区域615，然后绕部分圆筒650的外部流动，并返回到包含其南极的磁体606a的外表面。

类似地，来自外壁602的磁体606b的磁通线612b倾向于以垂直方式从磁体的北极从磁体表面流入并穿过部分圆筒650的内部通道624，通过开口端614流出进入开口空间615，然后绕着圆筒650的外部流动，并返回到包含其南极的磁体606b的表面。尽管为了清楚起见仅示出了几个磁通线612，但多个磁体的“顶部”中的每个连续磁体将产生类似的磁通线。因此，多个磁体606中每个连续磁体的磁通力倾向于遵循多个磁体606中每个连续磁盘的这些说明性磁通线或模式，直到到达部分磁性圆筒650的开口端614或616处的磁体。

如图所示，磁体606a周向定位在磁体606b附近。反过来，另一磁体606c定位在与磁体606b周向相邻的位置。组606中的附加磁体可沿周向与其他磁体相邻放置，直到到达开口端614。从磁组606中的相邻磁极生成的磁通线612集中在通道段的开口端，在该开口端，磁通线612转向各自磁体的外表面。

多个磁体606的“底部”中的磁体，例如磁体606d，倾向于从外壁602上的磁体606d产生磁通线612d，磁通线612d倾向于从磁体的北极(内表面)以垂直方式从表面流入并通过部分圆筒650的内部通道624，通过开口端616进入开放空间，然后围绕部分圆筒650的外部流动，并返回到包含其南极的磁体606d的外表面。尽管为了清楚起见，仅示出了部分圆筒650相对侧上的几条磁通线，但多个磁体中的每个连续或磁体将产生类似的磁通线，其也将集中在如上所述开口616处。在具有芯的实施例中，磁通线通常将以类似的方式流动，但将倾向于流过芯并集中在芯内。因此，在某些实施例中，芯可充当通量集中器。

内磁壁604还产生磁通力，这也可以通过磁通线(例如示例性磁通线618)来说明。例如，来自内壁604上的磁体608a的磁通线618a倾向于以垂直方式从磁体的内表面(例如北极)流入并穿过部分圆筒650的内部通道624，流出开口端614(或开口端616)并流入开口空间615，然后围绕内壁604到包含其南极的磁体608a的表面。

多个磁体608中每个连续磁体的磁通量力倾向于遵循多个磁体608中每个连续磁体的这些说明性磁通线或模式618，直到到达部分磁性圆筒650的开口端614或616为止。因此，由部分圆筒650的内壁604的磁体产生的磁通力具有无障碍路径，以通过部分圆筒的一个开口端退出并返回到圆筒外部或内部的相对极。

如上所述，磁通线612和618将倾向于产生集中效应，并且外部磁性圆筒的配置操纵部分磁性圆筒650中磁体的磁通线612和618，使得大部分或全部磁通线612和618从部分圆筒的开口端614和616流出。

部分磁性圆筒650是三维磁性配置概念的简化二维截面图。三维配置还具有磁性顶部和底部磁性壁，其北磁极朝向通道624(未显示)的内部。此外，通过用以类似方式磁化的单个曲板磁体(例如，在内表面上形成北极，在外表面上形成南极)替换多个磁体606，可以获得类似的结果。类似地，多个磁体608可替换为单个曲板磁体，其北极位于朝向内部通道624的表面上，南极位于朝向纵轴401的表面上。

例如，图7是环形磁性圆筒430的一部分或段420的详细透视图(参见图5)。径向段420在概念上类似于参考图6讨论的部分磁性圆筒650，因为径向段420具有外弯曲磁性壁406和内弯曲磁性壁408。除了弯曲或圆筒磁壁406和408之外，还存在磁轴向或侧壁402和404，在本图示实施例中，磁轴向或侧壁402和404可由楔形板磁体制成。

形成外圆筒壁406和内圆筒壁408的磁体的磁极具有径向指向纵轴401的磁极(参见图5)。相反，形成顶部或第一轴向壁402和底部或第二轴向壁404的磁体的磁极具有与纵轴401平行的定向或对齐的磁极。磁壁402、404、406和408中的单个磁体均具有其接近或“类似”(例如，北)磁极，朝向或远离环形磁性圆筒430的通道440的内部，以形成“封闭”磁性通道440。闭合磁性通道440从开口端或出口412到开口端或出口414(类似于上文参考图6讨论的通道124和开口端114和116)沿圆周运行。

为了本公开的目的，并为了说明形成径向段420的磁体表面上磁极的方向，顶部轴向壁402在其外部顶面上标记有“S”，以表明在该特定配置中，形成顶部轴向壁402的磁体(或多个磁体)的南极朝向远离通道440。因此，磁体402的北极朝向通道段440。类似地，下部轴向或侧壁404在其内侧面上标记有“N”，以指示形成侧壁404的磁体的北极朝向通道段440(然而，在该视图中，“N”部分被遮挡)。形成外纵壁406的两个磁体在其内表面上标记有“N”，以指示其北磁极朝向磁性通道440的内部。相反，形成内纵壁408的两个磁体在其外表面上标记有“S”，以指示其南极朝向远离通道440的方向。因此，他们的北极朝向通道440。

在径向段420的该说明性实施例中，壁402、404、406和408的所有磁体的北极朝向内部或通道440。因此，径向段421具有NNNN磁极配置。因此，磁力倾向于相互排斥。因此，与上文参考图6所述类似，当径向段420从整个环形磁性圆筒中移出时，磁通量沿圆周方向沿通道440周向流动，并从通道出口412和414流出。图8是径向段420的图示，但添加了方向箭头。箭头422表示圆周方向，箭头424表示径向。

本发明中使用的术语“闭合磁性通道”指的是使用形成通道的磁体配置，该通道“强制”或“弯曲”大部分磁通量“平面外”或沿圆周通过通道或内腔，然后通过开口412或414中的一个流出，如图所示图8圆周箭头422。相反，如果磁性通道不是磁性“闭合”的，则磁通力通常会沿径向或横向箭头424的方向(或在由箭头424表示的平面内)以径向方式流动。如箭头424所示，传统电动机通常允许通量力沿径向流动。

现在转到图9，示出了从整个磁性圆筒430和线圈组件500上拆下的径向段420的等轴测视图(见图10)。为清晰起见，已拆下线圈组件500的其余部分。在未通电状态下，磁通量趋向于从磁壁402、404、406和408的北极流入线圈组件500和线圈芯504。由于相反的磁力，磁通量继续沿圆周流过线圈芯504，直到磁通量到达通道440的开口(例如，开口端414)。然后，磁通量围绕径向段420的开口端(例如，开口端414)向后弯曲至包含南极的相应磁壁的外表面。图9的箭头426旨在说明当磁通量到达径向段的开口端412或414并绕适当磁壁的外表面(或在本例中，南极)弯曲时的三维磁通量路径。因此，径向段420产生的磁场在概念上类似于上文参考图6讨论的磁场112和118(在径向段420与具有相反磁极性配置的另一径向段相邻的情况下，磁通线可以延伸到相邻的部分环形磁性圆筒)。

在某些实施例中，芯504/线圈组件500可在电流引入线圈526(图9中未示出)时产生其自身的磁场通量。大多数磁场通量也受到约束和引导，以与上述类似的方式与磁性通道(例如，永磁体)产生的磁通量相互作用。因此，芯504和线圈组件500的所有部分可与磁性通道440的磁通线相互作用，以允许充分利用磁通线和在运动方向上共同工作的所有力。

与“煎饼式”或轴向磁通电动机相反，在某些实施例中，外壁406和408的纵向长度或“宽度”大于侧壁402和404的径向或横向深度(或长度)，如图9所示。该示例性几何比例导致沿着外壁406和线圈组件502的接口产生更大的扭矩。在某些替代实施例中，包括外壁406的磁体的厚度也可以增加以增加扭矩的产生。在任何情况下，由于径向段420横截面的几何形状和部件的变化半径，外壁406和内壁408对扭矩的贡献可能大于侧壁402和404对扭矩的贡献。

尽管芯、线圈组件和磁性径向段在横截面中显示为矩形，但根据特定电机或发电机的设计和性能要求，可以使用任何横截面形状。在某些实施例中，沿纵向定位在外壁(如磁壁406)内或沿外壁放置的磁性材料多于沿径向壁(如轴向或侧壁402或408)定位的磁性材料。例如，如果形成磁壁的磁体的厚度都相同，则纵向上外壁的长度大于径向上轴向或侧壁的长度。在替代实施例中，形成外磁壁的磁体的长度可以与形成轴向或侧壁的磁体的长度相同或更短。

图9中所示的独特配置也导致了若干独特特性。例如，单个线圈526和芯部分504将倾向于自行移出通道440(例如，在没有施加电源的情况下)。该配置的自然趋势是线圈526沿着磁通线到达最近的出口412或414。相反，如果向线圈526施加电流，则线圈526将根据所施加功率的极性在整个磁性通道中移动。线圈526封装在磁性通道440的磁通量中还允许所有磁场用于产生电机或电力。齿槽效应可以在通道内减少，因为在没有施加电流的情况下，线圈将倾向于离开通道。这也意味着线圈526在磁性通道440中时，不必在任何点以相反的磁场脉冲。此外，线圈526将以正确极性的单个直流脉冲穿过整个磁性通道440长度。在线圈526受到磁性通道440的影响的整个持续时间内产生非正弦转矩或电压，并且该效应的发生不需要交变极性。

图10是环形磁性圆筒430的示例性实施例，其包括八个径向段，其中四个径向段421散布在四个径向段420之间。四个径向段421与径向段420相同，只是磁体的磁极方向已反转。因此，在径向段420中，所有朝向内部的磁极均为北，形成如图10所示的NNNN磁性通道配置。相比之下，在径向段421中，所有面向内部的磁极均向南，形成如图10所示的SSSS磁性通道配置。因此，通道径向段420产生与径向段421产生的磁场极性相反的磁场。在传统电机术语中，每个径向段都是一个电机磁极。因此，每个径向段都是一个三维磁极，可以产生三维对称磁场。交替的径向部分，然后产生不断变化的磁场。

关于环形磁性圆筒430，每个磁性或径向段(例如，径向段420或421)具有其各自的磁性配置(NNNN或SSSS)，具有针对每个相邻径向段反转的类似磁极性。尽管在图10中示出了八段环形磁性圆筒430，但在其他实施例中，可以使用两段、四段、六段、十段等。为任何给定应用选择的段数可基于工程设计参数和单个应用的特定性能特征。磁段和槽/齿数的比率可以是满足设计要求的任何数字。本发明的范围具体包括并考虑到与相邻部分环形磁性圆筒具有相反极性的多个段。为了简单和说明的目的，本文描述了八段环形磁性圆筒。然而，这种设计选择绝不意味着限制任何多段环形磁性圆筒的选择或段数。

如上所述，在某些实施例中，形成环形磁性圆筒430的各个磁体耦合到背铁电路200的各个部件。背铁电路200可用于引导磁通量路径的一部分。

用背铁电路限定磁通路径

图11是示出位于环形磁性圆筒430内的线圈组件500的等轴测视图，环形磁性圆筒430耦合到背铁电路200并由背铁电路200围绕。为清晰起见，第一平面侧壁210已在分解图中重新定位。如上所述，在示例性实施例中，背铁电路200可包括第一侧或轴向壁210和第二侧或轴向壁220。在本实施例中，第一外圆筒壁206和第二外圆筒壁216分别形成并耦合到以及包围环形磁性圆筒430的外磁壁406a和406b(参见图5)。第一内圆筒壁208和第二内圆筒壁218耦合到环形磁性圆筒430的内壁磁体408a-408b并被其包围(参见图5)。因此，如图8所示，整个背铁电路200包括内圆筒壁208和218、外圆筒壁206和216以及侧壁或轴向壁210和220。在某些实施例中，背铁电路200与环形磁性圆筒430组合可形成转子(或定子，取决于电机配置)。在某些实施例中，背铁电路200可用于引导磁通量路径的一部分。背铁材料通过背铁材料(与空气相反)引导环形磁性圆筒430产生的磁通量，以降低磁路的磁阻。因此，在某些实施例中，当使用适当设计的背铁电路时，可减少形成环形磁性圆筒(如果使用永磁体)的磁体的数量或厚度。

施加机械扭矩或电流

在“电机”模式下，线圈526中感应电流，这将导致电动势使线圈组件500相对于环形磁性圆筒430移动，反之亦然。另一方面，在“发电机”模式下，线圈组件500相对于环形磁性圆筒430的移动将导致单个线圈526中产生电流，以在单个线圈移动通过每个通道或径向段420或421时产生特定极性的直流电流。

为了保持产生的扭矩和/或功率，线圈组件500中的各个线圈526可以通过开关或无刷电机控制器(未示出)选择性地通电或激活。线圈组件500中的各个线圈526可以电、物理和通信地耦合到开关或无刷电机控制器，所述无刷电机控制器以常规方式选择性地和可操作地向各个线圈提供电流。

例如，如图10所示，当单个线圈位于具有NNNN磁极配置的磁性通道段420内时，无刷电机控制器可使电流在单个线圈526内流动。另一方面，当相同的单个线圈旋转到具有SSSS磁极配置的相邻磁性通道段421中时，无刷电机控制器使单个线圈526内的电流以与线圈位于NNNN磁极段420中时相反的方向流动，从而产生的磁力与线圈从一个相邻磁极段旋转到另一个磁极段的方向相同。

如上所述，各个线圈526可以使用无端部绕组的环形绕组，并且在一些实施例中，各个线圈可以彼此串联连接。在其他实施例中，可使用多相绕组配置，例如六相、三相等绕组连接，其中适当的线圈526连接在一起以形成每相的分支。例如，两个相邻线圈可以是A相线圈，下两个相邻线圈可以是B相线圈，下两个相邻线圈可以是C相线圈。然后，所述三相配置将对线圈组件500内的所有单个线圈526重复。在一个实施例中，有八(8)对相邻的A相线圈，共有16个A相线圈。类似地，有八(8)对相邻的B相线圈，总共16个B相线圈，以及有八(8)对相邻的C相线圈，总共16个C相线圈。因此，在这样的实施例中，有48个单独的线圈。

当线圈通电时，多相绕组可在线圈组件500周围的气隙中产生旋转磁动势。旋转磁动势与环形磁性通道430产生的磁场相互作用，所述磁场反过来在线圈组件500的所有侧面上产生扭矩以及线圈组件和环形磁性通道之间的相对运动。

在这些实施例中，单个线圈526可连接至无刷电机控制器(未示出)，以由控制器激活或以本领域已知的类似方式激活。对于每个相，无刷电机控制器可以施加正向电流、反向电流或无电流。在运行中，无刷电机控制器按连续施加扭矩的顺序向各相施加电流，以在电机模式下沿所需方向(相对于线圈组件)转动磁环形通道。在某些实施例中，无刷电机控制器可以根据来自位置传感器的信号解码转子位置，或者可以基于每个相产生的反电动势推断转子位置。在某些实施例中，可以使用两个无刷电机控制器。在其他实施例中，可以使用单个无刷电机控制器。无刷电机控制器在适当的时间控制适当极性的电流在适当的时间内的应用，并控制电压/电流以进行速度控制。无论如何，无刷电机控制器允许开关动作和可变电压动作。

在其它实施例中，可使用刷式电机。在这些实施例中，可以使用一个或多个换向器(未示出)并将其定位在例如转子轮毂300内(参见图1)。在某些实施例中，所使用的电刷的数量可以等于在特定电机的设计中使用的环形磁段的数量。例如，如果使用八个环形磁段，则可以使用八个电刷。线圈组件500中的单个线圈526可通过环形绕线绕组串联连接。在电机模式下的刷式设计中，当线圈进入和退出相应的环形磁段时，只需一个简化的反向开关电路即可切换电流方向。

举例来说，在图10和图11所示的实施例中，有48个线圈可定位在具有八个磁性“通道”或电机极的电动机的线圈组件中。因此，如下文将解释的，每个磁性通道围绕48个线圈中的6个。当所有六个线圈依次通电时，且通电周期重叠较大，以及在每个线圈位于通道段内的整个持续时间内，可实现最佳扭矩。与传统机器不同，线圈磁极间距不依赖于任何磁极片宽度来发挥作用。在具体的实施例中的结果是，与传统电机相比，对于给定的电机尺寸，电机100可以产生大约两倍的转矩密度、三倍的功率密度和两倍的输出。

在传统电机中，磁极面和线圈磁极面的尺寸基本相同。因此，当线圈接近磁极表面时，利用磁引力的时间很短。这将导致有限的脉冲。车辆或工业机器中使用的传统交流电机通常使用三相正弦电源，其中三相相距120度。脉冲只激发很短的一段时间，然后进入下一个脉冲。这意味着在任何一点上，只有一组线圈一相通电，并在传统电机中产生峰值转矩。其他线圈组按顺序激发，以产生旋转磁场。所以，A相激发，然后B相激发，然后C相激发。换句话说，在任何给定时间，基本上有两个线圈处于关闭状态，而只有一个线圈处于打开状态。因此，输出扭矩是三相的平均值或RMS值。相反，在电机100的某些实施例中，两个或更多线圈或相可以同时激发。

由于电机100的几何形状，当单个线圈在进入极区时通电时，它可能会保持通电状态，从而在通过极区的整个行程中产生扭矩。换句话说，通电线圈将在单个直流脉冲上完全通过磁性通道或类似极性区域。当线圈通过下一个通道或极性区域时，线圈将改变极性。因此，在图10和图11所示的示例中，通电线圈在单个旋转期间将改变八次极性。当线圈从一个磁性通道移动到另一个磁性通道时，可使用常规开关机构(未显示)来改变线圈中的电流方向。当然，如果线圈组件是定子，线圈实际上不会移动，但磁体相对于线圈移动。在本说明书中，移动是相对的，可能指线圈物理移动或磁体物理移动。

在未示出的另一实施例中，可以有四个电机极或通道。在该实施例中，线圈中的电流将在线圈通过四个约90度的通道时改变其极性四次，如上所述。

总之，绕组沿轴向/径向放置在多个槽524(例如48个槽)中，这些槽可形成单相或多相绕组。绕组的径向/轴向配置可能会在绕组所有四个侧面的运动方向上产生最大力。电流方向或极化决定了行驶方向。换句话说，线圈中电流的特定方向决定旋转方向。因此，单个线圈/相可以通电以减缓或促进旋转。这允许转子的精确制动或定位，包括正向、反向和再生制动。

一种无刷电机控制器

图12是包括一个或多个无刷电机控制器1202和无刷电机或发电机1204的系统1200的一个实施例的框图。无刷电机1204可以与先前实施例中描述的无刷电机100相似或相同。因此，在一些实施例中，无刷电机1204包括与上述线圈组件500类似或相同的线圈组件500。为了解释的目的，将像在先前的实施例中一样对类似的部分进行编号。应理解，无刷电机控制器1202和本文描述的方法可应用于无刷电机和/或发电机的其他配置。

无刷电机控制器1202可被配置为以连续影响转矩的顺序来管理对相的电流施加，以在电机模式下相对于线圈组件在期望方向上转动磁性环形通道。无刷电机控制器1202在适当的时间控制以适当的时间量适当极性的电流的应用，并进一步控制电压/电流已进行速度控制。因此，无刷电机控制器1202启用切换动作和可变电压动作。因此，无刷电机通过反转电机配置克服了传统电机中对机械换向器的要求，使得绕组成为定子，永磁体成为转子组件的一部分。也就是说，绕组按顺序换向，产生旋转磁场，拖动转子组件并驱动附接的负载。顺序由定子和转子组件的相对位置决定。在一些实施例中，序列的定时由霍尔效应传感器和/或由旋转转子组件产生的反向电磁力(BEMF)的大小确定。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可设计成在不考虑特定绕组组件500的约束的情况下工作，以实现期望的系统性能。因此，在一些实施例中，无刷电机控制器1202可以高度可配置以允许无刷电机控制器1202适应各种无刷电机1204配置和系统约束。例如，无刷电机控制器1202可以被配置，或者与无刷电机控制器1202相关联的处理器可以被编程为具有包括最大电流、最大速度、最大速度、极数、操作电压等的电机参数和系统参数。

电机和系统参数

在一些实施例中，可使用无刷电机1204的极数对无刷电机控制器1202进行编程。图10的每个磁性通道420或421可认为是具有类似磁极性材料的极区。继续图10的说明性实施例，八极电刷电机，每个极区域表示转子区域的45度。因此，磁极对的数量限定为磁极数除以2。在某些情况下，磁极数可以在制造商的数据表、电机铭牌等上为无刷电机1204指定。在某些情况下，可以不指定极数，但可以通过向A相注入小于无刷电机1204的额定电流的电源电流来通过实验确定极数，从而允许电机稳定在初始位置。通过将无刷电机1204旋转一圈并计算固定位置的数量，可以确定极对的数量。磁极数由磁极对数乘以2确定。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可以用线圈526的数量进行编程。继续图10的说明性实施例，有48个线圈526，每个单独的线圈526形成7.5度定子区域。因此，每个磁性通道或磁极可环绕48个线圈中的6个。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可以用相组的数量进行编程。继续图10的说明性实施例，48个线圈分成六个相组A-F，期望一个相组中的8个线圈将一起通电。

在一些实施例中，可使用无刷电机1204的工作电压对无刷电机控制器1202进行编程。在某些实施例中，无刷电机1204的工作电压可以是无刷电机/发电机1204特性基本恒定的电压范围，并且工作电压不会对无刷电机1204的寿命产生不利影响。在一些实例中，上电压值可至少部分地基于值，超过该值无刷电机1204的磁部分可饱和。相反，可以至少部分地基于较低的值，低于该值，额定负载下的电流可以增加到导致过度加热并损坏无刷电机1204的值。在某些情况下，可在制造商的数据表、电机铭牌等上指定工作电压。在一些实施例中，系统的工作电压可以是恒定的，即，工作电压可以由稳压电源提供。在某些实施例中，系统的工作电压可以不受调节且可以变化。例如，系统可能由电池供电，由于电池的内阻，当电池放电或随着负载电流增加而下降时，电池端子电压可能会衰减。在一些实施例中，可通过修改操作电压的幅度来调整无刷电机1204的速度。例如，无刷电机控制器1202可以通过修改电机驱动电路的脉宽调制(PWM)/占空比来修改无刷电机1204的速度。此外，无刷电机控制器1202可以测量工作电压。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可以最大电流编程。最大电流可限定为不会导致加热增加从而缩短无刷电机1204寿命的稳态电流。在某些实施例中，可针对空载速度和/或满载速度限定最大电流。在某些实施例中，最大电流可以是启动和/或加速期间的电流消耗。无刷电机控制器1202可如本文所述测量电流。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可以用电机电阻编程。在某些情况下，可在制造商的数据表、电机铭牌等上指定电机电阻。在其他情况下，可通过测量相(例如A相)的电阻，通过实验确定电机电阻。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可以用电机速度常数编程。电机速度常数限定为电机的相间反电动势(BEMF)电压，作为电机速度(mV/Hz)的函数。在某些情况下，可在制造商的数据表、电机铭牌等上指定电机速度常数。在其他情况下，可通过实验确定电机速度常数。例如，在正确设置电机BEMF的系统中，随着无刷电机控制器1202随时间逐渐提高速度，电机相电流的包络可以基本恒定，对应于电流最大加速度。但是，如果电机反电动势设置为高，电机相电流的包络线可能会随着电机速度的增加而逐渐升高。或者，如果电机BEMF设置得太低，电机相电流的包络线可能会随着电机转速的增加而减小。

在一些实施例中，可使用无刷电机1204的电时间常数对无刷电机控制器1202进行编程。无刷电机1204的电时间常数(TLR)限定为电机相间电感除以电机相间电阻。在一个实施例中，系统的控制提前时间可以基于无刷电机的电时间常数。

在一些实施例中，可使用转子惯性(kgm2)或角质量对无刷电机控制器1202进行编程。转子惯性是转子结构和/或负载的函数，是指当电机未受驱动力时，转子保持匀速运动，或在启动时受驱动力时，转子保持静止的趋势。

在一些实施例中，无刷电机1204参数可存储在电机1204内相关联的EEPROM等上。在某些实施例中，无刷电机控制器1202可在启动时通过数据总线访问存储的参数。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可仅使用电机相电阻和电机BEMF常数进行编程。例如，默认值可用于其他无刷电机参数。

检测转子的初始对准

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可包括初始位置检测(IPD)，以在启动时检测无刷电机1204的转子对准。初始位置检测可用于启动时转子反向旋转不可接受的应用中。例如，转子和/或负载的反向旋转是可见的，或会导致车辆颠簸/向后移动。在某些实施例中，可实施初始位置检测以允许无刷电机1204的更快启动。

在一些实施例中，可以使用一个或多个传感器确定转子的初始位置。例如，可使用霍尔(Hall)传感器确定转子的初始位置。或者，可以使用光学编码器、解析器等确定转子的初始位置。

在一些实施例中，转子的位置可基于旋转转子产生的反向电磁力(BEMF)确定。在某些情况下，可使用BEMF积分法确定转子位置。在其他情况下，可通过检测BEMF中的过零点来确定转子的位置。在另一实例中，可使用三次谐波BEMF感应方法确定转子的位置。在一些实例中，无刷电机1204的相的电感可作为转子位置的函数而变化。在一个实施例中，可使用感应感应方法来确定启动时转子的初始位置。例如，转子位置可通过脉冲电流(不导致转子旋转)通过相绕组确定，并确定相应的电感。例如，可根据以下顺序在相之间顺序施加电压：A、B、C、D、E和F，直到电流达到终端前电流阈值。可以测量从施加电压到达到电流阈值所需的时间。由于时间将随着电机绕组中的电感而变化，因此具有最短时间的状态将对应于具有最小电感的状态，当无刷电机1204的极与该特定驱动状态对准时发生该状态。

在某些实施例中，无刷电机控制器1202可配置用于对准和移动。例如，如果在启动时转子和/或负载的反向旋转可能不重要，则可以使用对准和移动方法。通过在无刷电机1204相之一上施加电压以迫使转子在启动时旋转以与该特定相对准，对准和移动方法可迫使转子对准。

在某些实施例中，无刷电机控制器1202可配置为在IPD检测等之间转换为转子位置的BEMF检测。在一个实施例中，切换阈值可由无刷电机控制器1202实现以避免启动失败。在某些实施例中，切换阈值可基于转子速度。例如，在无刷电机控制器1202可以可靠地测量BEMF的幅度之前，转子可能必须获得最小速度。在一个实施例中，切换阈值可以基于额定电机速度。例如，切换阈值可以在额定无刷电机1204速度的约0.1到约0.5之间。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可配置为接收与转子速度成比例的模拟输入速度命令。例如，模拟电压/电流的大小可能与转子速度成正比。在某些实施例中，无刷电机控制器1202可配置为接收PWM速度命令。例如，PWM信号的占空比可能与转子转速成正比。在一个实施例中，无刷电机控制器1024可配置为经由数据总线接收转子速度命令。例如，转子速度可通过I2C速度/数据命令传输。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可被配置为在启动时测量转子的初始速度。在一个实施例中，无刷电机控制器1202可配置为在启动时测量无刷电机的旋转方向。在某些实施例中，无刷电机控制器1202可编程为具有初始前进速度等待阈值。在一个实施例中，无刷电机1204可配置为在无刷电机旋转低于初始前进速度等待阈值时等待转子停止。在某些实施例中，等待的决定可基于转子惯性，因为如果未实现反向电机驱动和/或制动功能，高惯性/低摩擦电机将需要很长时间滑行至零速度。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可配置为通过转动一个或多个1/2H桥的一个或多个低压侧驱动器来实现无刷电机1204制动功能。在某些实施例中，无刷电机控制器1202可以设置制动速度阈值。在一个实施例中，无刷电机控制器1202可配置为至少部分地基于初始前进速度、初始前进速度等待阈值、设定的制动速度阈值、旋转方向或转子惯性进行制动。

在一些实施例中，当执行制动功能要求无刷电机控制器1202在启动时使用IPD或对齐并移动(Align and Go)方法时，无刷电机1204停止后转子位置可能未知。在无刷电机1204停止旋转之后，可启动无刷电机启动序列。在一个实施例中，无刷电机控制器1202可被配置为通过重新同步旋转转子而直接进入闭环模式。在一个实施例中，为了实现最快的启动时间，如果前进速度大于阈值，则无刷电机控制器1202可配置为直接进入闭环模式。在某些实施例中，无刷电机控制器1202可编程为具有初始反向速度等待阈值。在一个实施例中，无刷电机1204可配置为在无刷电机旋转低于初始反向速度等待阈值时等待。在某些实施例中，等待的决定可基于转子惯性。在某些实施例中，无刷电机控制器1202可配置为至少部分地基于初始反向速度阈值、反向速度等待阈值、旋转方向和转子惯性进行制动。在一个实施例中，无刷电机控制器1202可配置为至少部分地基于初始备用速度、初始反向速度等待阈值、设定的制动速度阈值、旋转方向或转子惯性进行制动。无刷电机停止旋转后，可启动无刷电机启动程序。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可配置为实现无刷电机反向驱动选项。在一个实施例中，系统可配置为反转电机驱动，使得无刷电机通过零速度加速。本实施例在无刷电机在启动时反向旋转的系统中实现尽可能短的旋转时间。在某些实施例中，无刷电机控制器1202可配置为实时在正向电机驱动、反向电机驱动和/或制动功能之间转换。在一个实施例中，无刷电机控制器1202具有内置热关机功能，其在系统温度大于关机阈值时关闭无刷电机驱动器。在某些实施例中，当系统温度小于恢复阈值时，系统恢复。

在一个实施例中，无刷电机控制器1202具有内置过电流保护，以在从驱动金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)测量的电流超过关机阈值时保护设备。在某些实施例中，无刷电机控制器1202将MOSFET置于高阻抗状态，直到不再检测到过电流状况。

在某些实施例中，无刷电机控制器1202确定至少部分基于电机惯性的加速度电流值。在一个实施例中，无刷电机控制器1202可编程为通过监测相电流和电机转速(rpm)来确定加速电流值是否过高。如果无刷电机1204不旋转且相电流持续增加，则加速电流值可能过高。在一个实施例中，可编程无刷电机控制器1202以减少加速度数，直到实现可靠启动。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可编程为具有加速电流限制。在一个实施例中，加速电流限制可由无刷电机控制器1202配置为小于全速操作电流。在一个实施例中，加速电流可由无刷DC控制器1202配置用于软启动。在一个实施例中，加速电流可在一段时间内倾斜。在一个实施例中，加速电流可基于电机惯性值。在一个实施例中，无刷电机控制器配置加速电流以减少/最小化启动时的噪声。在一个实施例中，加速电流大于满载下最大速度下的电流。在某些实施例中，无刷控制器1202将加速电流配置为小于锁定电流限制阈值。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可编程为具有锁定检测电流阈值。锁定检测电流阈值可配置成在转子由外力限制旋转时保护无刷电机1204和/或无刷控制器。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202包括高压侧和低压侧H桥驱动器之间的栅极驱动的死区时间，其中死区时间可以足够避免穿透。在某些实施例中，死区时间至少部分基于电源电压。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可配置为通过修改控制提前角来优化无刷电机1202的效率。在本实施例中，控制提前角限定为无刷电机1204的相电压和相电流之间的差。在一些实施例中，最佳控制提前角可通过以下一个或多个来确定：调整控制提前角以使给定速度下的电源电流最小化，相电流波形稳定，和/或电机转子组件平稳旋转。在某些实施例中，可以增大控制提前角。在一个实施例中，可以减小控制提前角。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可编程为具有防电压浪涌功能。无刷电机1204的相绕组是电感负载。当电流通过电感负载时，能量被存储。当无刷电机1204从高速过渡到低速和/或从驱动状态过渡到滑行状态时，防电压浪涌功能可防止电压浪涌。在一些实施例中，无刷电机控制器1202可编程为主动驱动H桥驱动器的低侧MOSFET进入高阻抗状态，对应于滑行。此外，无刷电机控制器1202可以编程为主动地将高压侧MOSFET驱动为高压，使得感应绕组中的感应能量可以返回到电源。

通电绕组/线圈

在一些实施例中，线圈组件500的多个线圈或线圈绕组526可以使用电子开关单独控制，无刷电机控制器1202因此可以分别为每个线圈绕组526通电。这使得线圈绕组526能够动态地分组到由无刷电机控制器1202通电的组中，并且线圈绕组526分配到的特定组可以由无刷电机控制器1202基于期望的操作参数动态地改变。以这种方式，无刷电机控制器1202可以通过控制每个线圈绕组526通电时，配置单个无刷电机1204以动态实现多相绕组。

在某些实施例中，无刷电机控制器1202可编程为识别一个或多个有故障的线圈绕组。无刷电机控制器1202可以使用单独控制每个线圈绕组526何时通电的能力来省略故障的一个或多个线圈绕组526，使得故障线圈绕组526可以不通电。

在某些实施例中，线圈组件500的每个线圈526可以使用电子开关单独控制，并且无刷电机控制器1202因此可以分别为每个线圈526通电。这使得多个线圈能够动态地分组到由无刷电机控制器1202通电的线圈绕组中，并且无刷电机控制器1202可以基于期望的操作参数动态地改变线圈分配到的特定绕组。

在某些实施例中，可对无刷电机控制器1202进行编程以识别一个或多个有故障的单独线圈526。无刷电机控制器1202可以使用单独控制每个线圈526的能力来省略或隔离一个或多个使用电子开关从线圈绕组发生故障的单独可控线圈526。在某些实施例中，无刷电机控制器1202可编程为省略一个或多个有故障的单独可控线圈和一个或多个无故障线圈，以平衡无刷电机1204的每个线圈绕组的扭矩。

无刷电机控制器1202可使用隔离一个或多个有故障的线圈或线圈绕组526的能力，以实现跛行模式或“跛行回家模式(limp-home mode)”。即，当系统检测到多个线圈或线圈绕组526中的一个或多个可能损坏无刷电机1204和/或无刷电机控制器1202的故障时，无刷电机控制器1202可激活跛行回家模式。在隔离一个或多个故障线圈或线圈绕组526可降低无刷电机1204的扭矩/功率的同时，其还可允许由无刷电机1204供电的车辆行驶回家、完成旅程、带到服务中心等。在某些实施例中，无刷电机控制器1202可编程为具有故障的一个或多个单独可控线圈526。例如，在制造过程中，在服务中心等处。在一些实施例中，无刷电机控制器1202可配置为修改无刷电机1204的一个或多个线圈绕组的通电，以补偿一个或多个故障线圈或线圈绕组526。例如，无刷电机控制器1202可增加包含一个或多个故障线圈526的线圈绕组的PWM驱动信号的占空比。在一些实施例中，无刷电机控制器1202可降低不包含一个或多个故障线圈526的线圈绕组的PWM驱动信号的占空比，以平衡扭矩。

在一些实施例中，一个或多个电子开关可以是功率晶闸管或可控硅整流器SCR。功率晶闸管是一种固态半导体器件，具有四层交替的p型掺杂材料和n型掺杂材料。SCR起到双稳态开关的作用，当功率晶闸管的栅极接收到电流触发器时，该开关导通，并继续导通，直到功率晶闸管上的电压反向偏置，或直到电压消除。

在一些实施例中，一个或多个电子开关可以是功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其设计用于处理显著高于传统MOSFET的功率电平。具体而言，功率MOSFET的导通电阻比传统低功率MOSFET低，并且MOSFET栅极的氧化层更厚，阈值电压更高。因此，它可以承受比传统MOSFET更高的输入电压。

在一些实施例中，一个或多个电子开关可以是功率双极晶体管(BJT)。

在一些实施例中，一个或多个电子开关可以是三端绝缘栅双极晶体管(IGBT)。IGBT是一种功率开关晶体管，它结合了MOSFET和双极结晶体管(BJT)的优点。也就是说，MOSFET的高输入阻抗和高开关速度，以及双极晶体管的低饱和电压，使得IGBT非常适合驱动电感负载，如无刷电机的线圈绕组。

在一些实施例中，一个或多个电子开关可以是固态继电器SSR。固态继电器是一种电子开关装置，当在装置的控制端子上施加小的外部电压时，可打开或关闭该装置，在许多装置中，该装置使内部LED通电，该LED点亮并打开光敏二极管。光敏二极管电流接通反向功率晶闸管、SCR或MOSFET。光学耦合允许控制电路与负载电气隔离。

图13示出了可使用无刷电机控制器1202执行的方法1300的一个实施例。该方法1300使用无刷电机控制器1202的能力来分别使每个线圈526通电，并根据需要将线圈526组合在一起。因此，在步骤1302中，识别可用线圈的总数。例如，共有四十八(48)个线圈。在步骤1304中，限定当前配置的期望相的数量。例如，可能需要六相配置，因此在步骤1304中限定为例如A-F相。在步骤1306中，将四十八个线圈中的每一个分配给六个相组A-F中的一个。在步骤1308中，相组中的所有线圈基于限定的定时序列通电。时序确定在特定时间应通电的相组A-F，可选择同时通电部分或所有相组。

图14示出了用于修改无刷电机1204的相以提供多相能力的系统的一个实施例。继续图10的说明性实施例，48个线圈分成六个相组A-F，期望一个相组中的8个线圈将一起通电。在图14的说明性实施例中，两个半H桥A1、A2连接到A相线圈的每一端，两个半H桥B1、B2连接到B相线圈的每一端，两个半H桥C1、C2连接到C相线圈的每一端，两个半H桥D1、D2连接到D相线圈的任一端，两个半H桥E1、E2连接到E相线圈的每一端，两个半H桥F1、F2连接到F相线圈的每一端。

此外，半H桥A2通过电子开关S1连接到半H桥B1，半H桥B2通过电子开关S2连接到半H桥C1，半H桥C2通过电子开关S3连接到半H桥D1，半H桥D2通过电子开关S4连接到半H桥E1，半H桥E2通过电子开关S5连接到半H桥F1，半H桥F2通过电子开关S6连接到半H桥A1。如相关领域的普通技术人员将理解的，每个半H桥的输出可被驱动(切换)为高、低或配置为高阻抗输出级。

无刷电机控制器1202可通过将电子开关S1至S6中的每一个配置为打开并通过驱动具有适当的6相激发顺序的半H桥A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2、E1、E2、F1和F2中的每一个来控制半H桥的激发顺序，以模拟传统电机的6相绕组。

在另一实施例中，无刷电机控制器可配置半H桥和电子开关以模拟传统电机的三相绕组。例如，无刷电机控制器1202可以关闭电子开关S1、S3和S5，以将线圈绕组A与线圈绕组B串联，线圈绕组C与线圈绕组D串联，并且线圈绕组E与线圈绕组F串联。无刷电机控制器1202还可以将半H桥A2、B1、C2、D1、E2和F1的输出配置为高阻抗。此外，无刷电机控制器1202可以用适当的三相激发顺序驱动半H桥A1、B2、C1、D2、E1和F2中的每一个。

在又一实施例中，无刷电机控制器可配置半H桥和电子开关以模拟传统电机的两相绕组。例如，无刷电机控制器1202可以关闭电子开关S1、S2、S4和S5，以将线圈绕组A、B和C串联起来，并将线圈绕组D、E和F串联起来。无刷电机控制器1202还可以将半H桥A2、B1、B2、C1、D2、E1、E2和F1的输出配置为高阻抗。此外，无刷电机控制器1202可以用适当的两相激发顺序驱动半H桥A1、C1、D1和F2中的每一个。

自适应电子变速器：

为了最大限度地利用无刷电机1204的各种实施例，还开发了一种新的控制方法。尽管为该机器供电的传统六相方法可行，但可通过使用下述方法优化扭矩产生，并将扭矩脉动降至最低。具体地说，无刷电机控制器1202的软件模拟相触发和通过速度范围和/或扭矩需求的变化。

对于无刷电机1204，自适应电子变速箱可用于调整扭矩、速度和负载能力。由于能够连续调整线圈激发顺序，一次激发高达90％的分段或自适应电子变速器可以模拟传统电机的六相、三相、两相和单相绕组。在一些实施例中，自适应电子变速器可以从十二或甚至十八相开始，然后模拟较低相。

如前所述，在电机1204中，两个或更多线圈526可同时激发。事实上，磁性通道段内的所有线圈526基本上可以同时激发。与传统电机相比，这会产生更大的输出扭矩。因此，无刷电机1204可以基于正在激发的六个相位中的五个相位的平均值来产生扭矩值。换句话说，无刷电机1204可以利用通道段内所有五个线圈的附加效应来产生扭矩。这也会导致相对平稳的加速和较低的扭矩脉动。

现在转到图15，图中示出了传统电机领域中常见的三种正弦电压波形。在图15中，三个正弦波形彼此相差120电角度。如本领域所知，该波形表示三相或六相电源(分别为120电角度或60电角度)。从图15的图表可以推断，在任何给定的时刻，基本上只有传统电机的一个相主动提供扭矩。不同相的线圈不能同时通电，因为不会产生最佳旋转磁场，旋转也会停止。

现在转到图16-1，有图示具有梯形功率输入的图10的无刷电机1204的单相的反电动势的图或波形。为了匹配反电动势，每7.5度，线圈/相进入45度磁极区域，并在穿过磁极区域的过程中通电。这是唯一可能的，因为在这种磁配置中，每个线圈产生洛伦兹力和磁阻力，在整个45度旋转过程中同时达到峰值。由于每相有8个线圈(上述8个极性区域中的每一个都有一个)，六相电源可提供最大的扭矩产生和最小的扭矩脉动。

如图16-2所示，反电动势曲线图说明了为所有六个相位产生的电压的梯形性质。需要注意的是，基本上所有相都在连续产生扭矩。这表明，当向相导体输入功率时，转子质量实现高扭矩和平滑加速是可能的。

对于无刷电机1204，仅当线圈进入下一个交替极性区域时，才需要线圈/相的极性转换。由于电源输入的定时和极性可由索引位置指示器信号和软件控制，因此也可通过电子方式改变极数。产生的扭矩是电压脉冲随时间的平均值。类似地，无刷电机控制器1202的软件也可以模拟传统电机的三相、两相或单相组相。

例如，为了模拟三相电机，无刷电机控制器1202中的软件过程可以将A相和B相分组在一起，将C相和D相分组在一起，并且将E相和F相分组在一起。因此，电机中不是六个极，而是有三个极。从六极过渡到三极，部分作用类似于手动变速器上的轮齿，因为随着RPM的升高，用户会换到更高的档位，例如第二档以提高速度。频率不变，但随着极数从六变为三，每秒的旋转次数将增加。对于任何电动机，当极数减少且频率保持恒定时，速度增加。也就是说，极决定给定功率输入的速度。

然后，随着电机继续加速，可以从三相仿真过渡到两相仿真。对于两相仿真，无刷电机控制器1202中的软件过程可以将线圈A、B和C分组为同时激发，将线圈D、E、F分组为同时激发。同样，此仿真降低了极数，从而提高了速度。

该方法保留了四转子周向磁通技术的所有固有优点，包括缺相后的持续运行、机械齿轮箱的仿真等。当接收到超前位置指示器信号时，线圈/相组可以根据需要更改为仿真任何多相输入。例如，如果将A相和B相、B相和C相以及D相和E相分组，以便在同一时刻通电，则会创建模拟的低极数机器。每转极性变化的频率和时间可以很容易地调整，从而提高转子速度，而不改变电压或电流输入。例如，参见图17-1中所示的波形。

产生的扭矩是电压脉冲随时间的平均值。类似地，无刷电机控制器1202的软件还可以产生相的模拟两相或单相分组。该方法保留了四转子周向磁通技术的所有固有优点，包括缺相后的持续运行、机械齿轮箱的仿真等。例如，见图17-2所示的波形。

图18示出了线圈组件500的一个实施例，其中有可以单独通电的四十八(48)个单独的线圈526。继续图10的六相线圈配置，线圈526分为六个相组A-F，期望相组中的所有线圈将一起通电。在本示例中，特定线圈526由其组和该组内的线圈编号表示。例如，A相的第一个线圈标记为526A-1，A相的第二个线圈标记为526A-2，依此类推，直到最后一组526F-8的最后一个线圈。应理解，该标记方案仅为示例，并非旨在限制。此外，将线圈标记为“第一”、“第二”等是为了清楚起见，并非旨在限制或必要地指示组内存在特定顺序。

在一些实施例中，为了使用具有四十八(48)个线圈526的线圈组件500形成六相绕组配置，无刷控制器1202可将八个线圈526A-1至526A-8设置为A相线圈，八个线圈526B-1至526B-8设置为B相线圈，八个线圈526C-1至526C-8设置为C相线圈，八个线圈526D-1至526D-8为D相线圈，八个线圈526E-1至526E-8为E相线圈，八个线圈526F-1至526F-8为F相线圈。

如上所述，对于无刷电机1204，自适应电子变速器可用于可调节扭矩、速度和负载能力。由于四转子电机能够连续调整线圈激发顺序，一次激发高达90％的分段，无刷电机1204的自适应电子变速器可以通过各种方式模拟传统电机的六相、三相、二相和单相绕组。在一些实施例中，可以动态管理线圈组件500以提供具有多相能力的电机。以下实施例旨在说明稳定的Hustable电动涡轮机或周向磁通、四转子电机的灵活性，并不旨在限制。

六相绕组结构

进一步地，虽然图18的实施例示出了特定相组A-F的线圈526均匀地分布在线圈组件500周围，而相邻线圈不在同一相组中，但是可以理解，可以不同地限定分组。例如，在替代实施例(未示出)中，为了使用具有四十八(48)个线圈526的相同线圈组件500形成六相绕组配置，无刷电机控制器1202可将两个相邻线圈设置为A相线圈，将下两个相邻线圈设置为B相线圈，将下两个相邻线圈设置为C相线圈，下两个相邻线圈为D相线圈，下两个相邻线圈为E相线圈，下两个相邻线圈为F相线圈。然后，该六相配置将对线圈组件500内的所有单个线圈526重复。因此，对于四十八个线圈526将配置有四(4)对相邻的A相线圈、四(4)对相邻的B相线圈、四(4)对相邻的C相线圈、四(4)对相邻的D相线圈、四(4)对相邻的E相线圈和四(4)对相邻的F相线圈。

六相绕组线圈激发顺序

继续图18的实施例，图18-1至18-12示出了线圈激发和通道段随时间的旋转顺序，模拟了示出本发明一个实施例的六相“绕组”配置。(图18-1、18-3、18-5、18-7、18-9和18-11是相同的，但“关闭”线圈/相似乎在极区过渡通过特定相组时旋转。)

在图18-2中，第一相中的8个线圈未激发，例如，绕组A中的8个线圈未通电，其他五相的线圈同时通电。即，如图10所示，绕组A的四个线圈从具有NNNN磁极配置的四个均匀间隔的磁性通道段420内过渡，并且绕组A的四个线圈从具有SSSS磁极配置的四个均匀间隔的磁性通道段内过渡，如图10所示，连接到极性相反的相邻磁性通道段。此外，绕组B、绕组C、绕组D、绕组E和绕组F的四个线圈位于具有NNNN磁极配置的四个均匀间隔的磁通道段420内，并且绕组B、绕组C、绕组D、绕组E和绕组F的四个线圈位于具有SSSS磁极配置的四个均匀间隔的磁通道段内，如图10所示。绕组B等中的八个线圈可以配置，使得具有NNNN配置的磁段420中的四个通电线圈中流动的电流和具有SSSS配置的磁段420中的B通电线圈中的电流，产生的磁力与线圈从一个相邻磁段旋转到另一个磁段的方向相同。在一些实施例中，绕组B至F的线圈在每个线圈位于通道段内的整个持续时间内以大重叠通电周期依次通电。

在图18-4中，第二相的8个线圈未激发，例如，绕组B中的八个线圈未通电。绕组A、C、D、E和F的四个线圈位于具有NNNN磁极配置的四个均匀间隔的磁性通道段420内，以及绕组A、C、D、E和F的四个线圈位于具有SSSS磁极配置的四个均匀间隔的磁性通道段内正在通电。在某些实施例中，绕组A、C、D、E和F的线圈在每个线圈位于通道段内的整个持续时间内以大重叠的通电周期依次通电。

在图18-6中，第三相中的八个线圈未激发，即绕组C中的八个线圈未通电。绕组A、B、D、E和F的四个线圈位于具有NNNN磁极配置的四个均匀间隔的磁性通道段420内，并且绕组A、B、D、E和F的四个线圈在具有SSSS磁极配置的四个均匀间隔的磁性通道段内正在通电。在某些实施例中，绕组A、B、D、E和F的线圈在每个线圈位于通道段内的整个持续时间内以大重叠的通电周期依次通电。

在图18-8中，第四相的八个线圈未激发，即D相的八个线圈未通电。绕组A、B、C、E和F的四个线圈位于具有NNNN磁极配置的四个均匀间隔的磁性通道段420内，并且绕组A、B、C、E和F的四个线圈位于具有SSSS磁极配置的四个均匀间隔的磁性通道段内正在通电。在某些实施例中，绕组A、B、C、E和F的线圈在每个线圈位于通道段内的整个持续时间内以大重叠的通电周期依次通电。

在图18-10中，第五相的八个线圈未激发，即E相的八个线圈未通电。绕组A、B、C、D和F的四个线圈位于具有NNNN磁极配置的四个均匀间隔的磁性通道段420内，并且绕组A、B、C、D和F的四个线圈位于具有SSSS磁极配置的四个均匀间隔的磁性通道段内正在通电。在某些实施例中，绕组A、B、C、D和F的线圈可以在每个线圈位于通道段内的整个持续时间内以大重叠的通电周期顺序通电。

在图18-12中，第六相的八个线圈正在激发，即F相的八个线圈未通电。绕组A、B、C、D和E的四个线圈位于具有NNNN磁极配置的四个均匀间隔的磁性通道段420内，并且绕组A、B、C、D和E的四个线圈位于具有SSSS磁极配置的四个均匀间隔的磁性通道段内正在通电。在某些实施例中，绕组A、B、C、D和F的线圈可以在每个线圈位于通道段内的整个持续时间内以大重叠的通电周期顺序通电。

在图18-1、18-3、18-5、18-7、18-9和18-11中，绕组A-F的四个线圈位于具有NNNN磁极配置的四个磁性通道段420内，并且绕组A-F的四个线圈位于具有SSSS磁极配置的四个均匀间隔的磁性通道段内，并且正在通电。在某些实施例中，绕组A-F的线圈可同时通电。在图18的实施例中，相组中的线圈一起通电，以模拟传统电机的六相配置。

在某一点上，如上所述，可能需要提高无刷电机1204的速度，同时降低产生的扭矩。例如，无刷电机1204可以加速到线圈切换机构不再能够跟上加速度的点。在传统的电机中，这将是电机的旋转极限，因为切换机构只能快速切换。然而，通过使用本文公开的电子变速器的实施例，可以将线圈分组在一起，从而减少每个周期所需的电流切换次数。因此，电机可以保持加速，类似于手动变速箱的传统电机。当线圈组合在一起时，每个线圈产生的扭矩不会发生变化，但线圈“开启”的时间段会缩短，这意味着平均扭矩会下降。因此，随着无刷电机1204的速度增加，平均扭矩将下降。

在某些实施例中，连接到轴的编码器可向无刷电机控制器1202提供控制信号，以便无刷电机控制器1202知道何时基于电机速度或各种其他因素将线圈移动或组合在一起。

三相绕组

图19示出了线圈组件500的一个实施例，其中有四十八(48)个单独的线圈526，可以单独通电。继续图18的示例，线圈526分为六个相组526A-526F，相组中的线圈一起通电，但在这种情况下，线圈/相组以串联方式物理连接，而不是模拟。

在图19的本实施例中，无刷电机控制器1202将组连接在一起。这意味着不需要将单个线圈重新分配给新组。例如，使用如上所述分配给A-F相的四十八个线圈，组可以按如下方式配对：A相和F相配对，B相和C相配对，D相和E相配对。然后，每个成对组中的线圈一起通电。这有效地将相数从六相减少到三相，而无需无刷电机控制器1202将单个线圈526重新分配到新组。在另一实施例(未示出)中，无刷电机控制器1202可限定三个新相组A-C，然后将每个线圈526分配到三个组中的一个。

虽然图19的实施例示出了特定相组A-F的线圈526均匀地分布在线圈组件500周围，而相邻线圈不在同一相组中，但是可以理解，可以不同地限定分组。例如，在替代实施例(未示出)中，为了使用具有四十八(48)个线圈526的相同线圈组件500形成三相绕组配置，无刷电机控制器1202可将两个相邻线圈设置为A相线圈，下两个相邻线圈设置为B相线圈，下两个相邻线圈设置为C相线圈。然后，该三相配置将对线圈组件500内的所有单个线圈526重复。因此，对于本实施例中的四十八个线圈，将有八(8)对相邻的A相线圈、八(8)对相邻的B相线圈和八(8)对相邻的C相线圈。

三相绕组线圈激发顺序

图19-1至19-6显示了线圈激发和通道段随时间的旋转顺序，模拟了显示本发明另一实施例的三相“绕组”配置(图19-1、19-3和19-5是相同的，即每相中的所有绕组都通电)，但“断开”线圈在跟踪磁极区域之间的过渡期时似乎在旋转。在本实施例中，6个单独绕组的线圈将成对通电。在图19-2中，第一相的16个线圈未激发，例如，绕组A中的八个线圈未通电，绕组F中的八个线圈未通电。也就是说，其他四个绕组B、C、D和E中的线圈通电。

在图19-4中，第二相的16个线圈未激发，例如，绕组B中的八个线圈未通电，绕组C中的八个线圈未通电。也就是说，其他四个绕组F、A、D和E中的线圈通电。

在图19-6中，第三相中的16个线圈未激发，例如，绕组D中的八个线圈未通电，绕组E中的八个线圈未通电。也就是说，其他四个绕组F、A、B和C中的线圈通电。因此，在本实施例中，绕组A和F一起激发，绕组B和C一起激发，绕组D和E一起激发，使得无刷电机的电子变速器基本上模拟传统电机的三相绕组。

在某一点上，可能还需要在降低产生的扭矩的同时提高无刷电机1204的速度。例如，无刷电机1204可以加速到线圈切换机构不再能够跟上传统电机的模拟三相绕组的加速度的点。通过使用本文公开的电子变速器的实施例，可以将线圈组合在一起，以进一步减少每个周期所需的电流切换次数。因此，无刷电机1204可以保持加速。

两相绕组

图20示出了线圈组件500的另一个实施例，该线圈组件500具有可单独通电的四十八(48)个单个线圈526。继续图18的示例，线圈526分为六个相组526A-526F，相组中的线圈一起通电。在图20的本实施例中，无刷电机控制器1202将组一起通电以模拟传统电机的两相配置。这意味着不需要将单个线圈重新分配给新组。例如，使用如上所述分配给A-F相的48个线圈，F、A和B相可以一起通电，C、D和E相可以一起通电。这有效地将相数量从六相减少到两相，而无需无刷电机控制器1202将单个线圈526重新分配到新组。在另一实施例(未示出)中，无刷电机控制器1202可限定两个新相组A和B，然后将每个线圈526分配到两个组中的一个。

此外，无刷电机控制器1202可基于诸如线圈组件500的特定配置和/或电机1204的期望输出等因素改变控制过程。无刷电机控制器1202在给定时间执行的特定线圈模式可被预设和/或可基于动态改变的输入。例如，无刷电机控制器1202可通过消除低速-高扭矩操作期间的扭矩脉动并启用具有小扭矩下降的高速操作来模拟机械传输，并且通电线圈的特定模式可取决于由无刷电机控制器1202接收的一个或多个输入所限定的“移位”的需要。

可以理解，相分组可以以不同的方式限定，并且可以基于线圈526的总数、线圈526的物理布线(例如，每个线圈是否可单独选择)、期望的相数量和这些相的配置和/或其他标准而变化。例如，在一些实施例中，多个线圈可以物理连接以形成组，并且可以仅作为组而不是单独可控制。在另一个示例中，预期仅提供单相或两相配置的电机的接线方式可能不同于预期提供六相、三相和两相配置的电机。虽然一些配置可提供较少的灵活性，但与具有单独可选择线圈526的线圈组件500相比，总体成本和/或复杂性可降低。无刷电机控制器1202可设计成工作不考虑特定线圈组件500的约束和所需电机参数。因此，无刷电机控制器1202旨在具有高度灵活性和可配置性，以适应各种电机配置。

两相绕组线圈激发顺序

图20-1到20-7示出了线圈激发和通道段随时间的旋转序列，模拟了示出本发明一个实施例的两相“绕组”配置。在本实施例中，6个单独绕组的线圈将一次通电3个。

在图20-1和20-2中，第一相的二十四个线圈正在激发，例如，绕组F中的八个线圈通电,绕组A中的八个线圈通电，绕组B中的八个线圈通电。在图20-2中，转子已相对于图20-1顺时针旋转一圈宽度。在图20-3中，转子已相对于图20-2顺时针旋转另一圈宽度，第二相的线圈现在正在激发。例如，绕组C中的八个线圈通电，绕组D中的八个线圈通电，绕组E中的八个线圈通电。图20-3至20-6，第一相线圈通电，转子继续顺时针旋转。在图20-7中，第二相线圈再次激发，第二相线圈再次关闭。

图21示出了可使用无刷电机控制器1202执行的方法2100的一个实施例。方法2100使得无刷电机控制器1202能够通过修改线圈526通电的方式来修改无刷电机1204的操作。这使得无刷电机控制器1202能够动态地修改相以提供电机1204的多相能力，并以电子方式减少或增加电机的极数。因此，在步骤2102中，无刷电机控制器1202接收指示无刷电机控制器1202应修改当前相配置的输入。

在步骤2104中，确定是最近接收到引线位置指示器信号还是在步骤2102中接收到输入之后接收到引线位置指示器信号。引线位置指示器信号提供使无刷电机控制器1202能够确定何时改变相配置的索引指示器。更具体地说，当线圈进入下一个交替极性区域时，线圈/相的极性转换可能发生。无刷电机控制器1202可以基于引线位置指示器信号修改功率输入的定时和极性，以便以电子方式改变极数。

如果最近未接收到引线位置指示器信号，则方法2100可重复步骤2104，直到接收到引线位置指示器信号。一旦接收到引线位置指示器信号，方法2100移动到步骤2106，其中无刷电机控制器1202改变线圈和/或相分组。下面将更详细地描述这方面的示例。在步骤2108中，无刷电机控制器1202基于改变的分组配置使线圈通电。

控制器

参考图22，示出了控制器2200的一个实施例。无刷电机控制器2200是图12的无刷电机控制器1202的一部分或全部的一个可能示例。无刷电机控制器2200可以包括处理器/中央处理单元(“CPU”)2202、存储器单元2204、输入/输出(“I/O”)接口2206和网络接口2208。组件2202、2204、2206和2208通过数据传输系统(如总线)2210互连。电源(PS)2212可经由电力传输系统2214(与数据传输系统2210一起示出，尽管电力和数据传输系统可分开)向无刷电机控制器1202的组件提供电力。

应当理解，无刷电机控制器1202可以不同地配置，并且所列组件中的每一个实际上可以表示多个不同的组件。例如，CPU2202实际上可以表示多处理器或分布式处理系统；存储器单元2204可以包括不同级别的高速缓存、主存储器、硬盘(包括固态)和远程存储位置；I/O接口2206可以包括监视器、键盘等，和/或与此类设备的接口；并且网络接口2208可以包括一个或多个网卡或芯片，提供到网络2216的一个或多个有线和/或无线连接。因此，在无刷电机控制器1202的配置中预期广泛的灵活性，其范围可以从主要为单用户或自主操作配置的单个物理平台到分布式多用户平台，例如云计算系统。

无刷电机控制器1202可以使用任何操作系统(或多个操作系统)，包括由微软(例如WINDOWS)、苹果(例如Mac OS X)、UNIX和LINUX提供的各种版本的操作系统，并且可以包括专门为手持设备(例如，iOS、Android、Blackberry和/或Windows Phone)、个人计算机、服务器和其他计算平台(包括车辆特定平台)开发的操作系统，取决于无刷控制器1202的使用。操作系统以及其他指令(例如，用于执行本文所述的一些或所有方法)可存储在存储器单元2204中并由处理器1902执行。例如，存储器单元2204可以包括用于动态管理线圈组件500以提供先前实施例中描述的多相能力的指令。

网络2216可以是单个网络，或者可以表示多个网络，包括不同类型的网络，无论是无线的还是有线的。例如，无刷电机控制器1202可以经由包括耦合到数据分组网络的蜂窝链路的网络耦合到外部设备，或者可以经由诸如耦合到数据分组网络或公共交换电话网络(PSTN)的广域局域网(WLAN)的数据分组链路耦合到外部设备。在一些实施例中，I/O接口2206和/或网络接口2208可将控制器1202耦合到车辆总线，例如控制器局域网(CAN)、本地互连网络(LIN)、航空电子全双工交换以太网和/或其他专用类型的车辆网络。因此，无刷电机控制器1202可以配置为使用任何所需的通信协议进行通信，并且可以使用许多不同的网络类型和配置来将控制器1202与外部设备耦合。

驾驶员自适应电子变速器

图23示出了系统2300的一个实施例，该系统2300示出了无刷电机控制器1202如何通过多个H桥2302-2312耦合到具有六个单独线圈绕组(A-F相)的线圈组件500。多个H桥2302-2312可以形成本文所述的自适应电子变速器的驱动器部分。也就是说，如图18至图20的实施例所示，无刷电机控制器1202可以控制H桥2302-2332的激发顺序，以模拟传统电机的六相、三相或二相绕组。在本示例中，H桥2302用于控制A相线圈的激发。H桥2304用于控制B相线圈的激发，H桥2306用于控制C相线圈的激发，H桥2308用于控制D相线圈的激发，H桥2310用于控制E相线圈的激发，H桥2312用于控制F相线圈的激发。每个H桥可包括连接为两个独立半H桥输出或通道的四个开关。在本示例中，H桥2302的两个半桥输出连接到A相线圈的每一端，H桥2304的两个半桥输出连接到A相线圈的每一端等。在一个实施例中，半H桥输出的两个开关可以是一对串联在供电轨之间的N沟道功率MOSFET。也就是说，高侧MOSFET和低侧MOSFET，其中高侧MOSFET和低侧MOSFET之间的中心连接是每个半H桥的输出。每个半H桥的输出可由无刷电机控制器1202驱动(切换)高、低或配置为高阻抗输出级。例如，当无刷电机控制器1202实现无刷电机1204滑行功能时，半H桥的输出可配置为高阻抗。在另一实例中，当无刷电机控制器1202实现无刷电机1204制动功能时，半H桥的所有输出可驱动为低阻抗。

根据系统2300的配置，无刷电机控制器1202可经由I/O接口2306和/或网络接口2208耦合到H桥2302-2312。可以理解，系统2300只是一个示例，可以使用硬件和/或软件的许多可能组合来实现这样的系统并将无刷电机控制器1202与线圈组件500连接。

在一些实施例中，电流感测电阻器可置于一个或多个低侧MOSFET接地连接中，以提供一个或多个相绕组的电流感测。在某些实施例中，电流感测MOSFET可用于一个或多个低侧MOSFET。感测电阻器上的电压可与参考电压进行比较，以通过无刷电机控制器1202提供MOSFET的过电流保护。在一些实施例中，无刷电机控制器1202的本地电源可包括低值去耦电容器，以抑制与高转换率开关MOSFET相关联的高频噪声。在一个实例中，去耦电容器的值为0.01μF至0.001μF。

如前所述，利用自适应电子变速器连续调整线圈激发顺序的能力，自适应电子变速器可以模拟具有不同绕组配置的多个传统电机。例如，自适应电子变速箱可以模拟具有六相绕组配置的传统电机、具有三相绕组配置的不同传统电机、具有两相绕组配置的不同传统电机以及具有单相绕组的不同传统电机。也就是说，具有自适应电子变速器的单个无刷电机1204可以模拟具有不同绕组配置的多个传统电机。此外，由于自适应电子变速器能够连续调整激发线圈激发顺序以模拟不同常规电机的绕组，因此自适应电子变速器能够动态模拟最佳常规绕组。例如，自适应电子变速箱可以模拟传统的六相绕组以获得低速时的扭矩性能，然后模拟传统的两相和/或三相绕组以获得比传统的六相绕组更好的高速性能。

图24示出了自适应电子变速器的一个实施例，该自适应电子变速器调整线圈激发顺序，以从模拟传统电机的六相绕组过渡到三相绕组，然后过渡到两相绕组。继续图10的示例，示出了线圈组件500，其具有具有八(8)个磁性通道或电机极的转子，以及具有四十八(48)个单独线圈526的定子。每个磁性通道形成45度磁极区域，每个单独的线圈526形成7.5度定子区域。因此，每个磁性通道可以围绕48个线圈中的6个。48个线圈分为6个相组A-F，期望一个相组中的8个线圈一起通电。因此，如图10所示，绕组A的4个线圈、绕组B的4个线圈等可以位于具有NNNN磁极配置的4个均匀间隔的磁性通道段420内，以及绕组A的4个线圈、绕组B的4个线圈等，可位于具有SSSS磁极配置的四个均匀间隔的磁性通道段421内，如图10所示。绕组A中的八个线圈可配置为，具有NNNN配置的磁段中的四个线圈中流动的电流和具有SSSS配置的磁段421中的四个通电线圈中流动的电流产生相同方向的磁力，使得线圈使用图24所示实施例的多个H桥2402-2412从一个相邻磁段旋转到另一个磁段。

为清楚起见，仅图示了线圈组件500的代表性四分之一(1/4)段，即12个绕组线圈。波形从右向左滑动，即位置1处的波形整体过渡到位置2、位置3等处显示的波形。如相关领域的普通技术人员将理解的，当自适应电子变速器调整线圈激发顺序时，转换可以加速，模拟具有较低相数的传统电机。

在图24的说明性示例中，自适应电子变速箱在位置1到12处模拟传统电机的六相绕组。当无刷电机1204的转子旋转时，线圈/相进入45度磁极区域并通电以每7.5度匹配反电动势。例如，在位置1处，A相的线圈526A-1可进入具有NNNN配置的磁段420。继续图19的示例，无刷电机控制器1202可配置H桥2402以驱动电流以使线圈526A-1通电。具体而言，H桥2402包括两个半H桥，其中一个半H桥的输出将被驱动为高电平供电，另一个半H桥的输出将被驱动为低电平接地，使电流流过线圈526A-1，并使力垂直于电流方向和具有NNNN配置的磁段420的磁场方向作用在线圈上。阴影区域代表H桥2402的驱动波形。线圈组件500中的线圈配置为，526A-1线圈中进入具有NNNN配置的磁段420的电流和相应526A-2线圈中进入具有SSSS配置的磁段421的电流产生相同方向的磁力，从而，线圈通过单个直流脉冲从一个磁段旋转到相邻的磁段。黑线代表线圈526A-1中的电流方向，并说明了H桥2402输出的转换率、电流随时间的变化。

当无刷电机的转子通过附加的7.5度旋转时，B相的线圈526B-1进入具有NNNN配置的磁段420，线圈526B-2进入具有SSSS配置的磁段421。无刷电机控制器1202将H桥2404配置为驱动电流以使线圈526B-1和526B-2通电。在一些实施例中，无刷电机控制器可使用仍在各自极区内的H桥2402继续使线圈526A-1和526A-2通电。位置2的波形说明了这一点。也就是说，在位置2，两个绕组相，相A和相B可能同时接通。在某些实施例中，无刷电机控制器1202可配置H桥2402和H桥2404驱动电流以仅使线圈526B-1和526B-2通电。

转子每旋转7.5度，位置3处的C相线圈、位置4处的D相线圈、位置5处的E相线圈和位置6处的F相线圈也通过各自的H桥通电。在某些实施例中，在位置6，所有六相的线圈同时通电。

在位置7处，相A的线圈526A-1可离开具有NNNN配置的磁段420，并进入具有SSSS配置的相邻磁段421。在一些实施例中，无刷电机控制器1202可重新配置H桥2402的两个半H桥，以反转通电线圈526A-1中的电流方向。也就是说，通过位置7处线圈526A-1的电流流动方向与位置1处的相反。

当转子再旋转7.5度时，位置8处的B相线圈中的电流方向、位置9处的C相线圈中的电流方向、位置10处的D相线圈中的电流方向、位置11处的E相线圈中的电流方向，F相线圈中的电流方向也是相反的。在位置12，所有六相的线圈同时通电。

在位置13处，A相的线圈526A-1可离开具有SSSS配置的磁段421，并进入具有NNNN配置的相邻磁段420。在图24的说明性实施例中，自适应电子变速器调整线圈激发顺序，以在该转换处模拟传统电机的三相绕组。在某些实施例中，当转子相对于线圈526A-1处于不同位置时，自适应电子变速器可调整线圈激发顺序以模拟的三相绕组。例如，当线圈526A-1即将进入具有SSSS配置的相邻磁段421时，自适应电子变速器可调整线圈激发顺序以模拟传统电机的三相绕组。在另一实例中，自适应电子变速器可调整线圈激发顺序，以基于线圈526A-1在极区域之一内的位置来模拟传统电机的三相绕组。在又一实例中，自适应电子变速器可调整线圈激发顺序，以至少部分地基于线圈526B-1、526C-1、526D-1、526E-1或526F-1与极区之一的相对位置来模拟传统电机的三相绕组。在一个实施例中，无刷电机控制器1202可以将半H桥的输出配置为高阻抗，从而实现滑行功能。

继续图24的示例，在位置13，无刷电机控制器1202重新配置H桥2402的两个半H桥，以反转通电线圈526A-1中的电流方向。无刷电机控制器1202进一步重新配置H桥2014的两个半H桥，以反转通电线圈526B-1中的电流方向，从而使B相线圈的激发与A相线圈的激发同步。也就是说，A相线圈和B相线圈同时通电，从而模拟单相绕组。由于B相线圈的激发现在与A相线圈的激发同时发生，因此线圈526B-1中的电流将在其离开具有NNNN配置的磁段420并进入具有SSSS配置的相邻磁段421之前反转。此外，转换速率将发生变化，即与六相配置相比，电流的转换将花费更长的时间。

在位置14处，转子已额外旋转7.5度，线圈526B-1离开具有SSSS配置的磁段421，并进入具有NNNN配置的磁段420。

在位置15处，转子已额外旋转7.5度，线圈526C-1离开具有SSSS配置的磁段421，并进入相邻NNNN极区。无刷电机控制器1202重新配置H桥2406的两个半H桥，以反转通电线圈526C-1中的电流方向。无刷电机控制器1202进一步重新配置H桥2408的两个半H桥，以反转通电线圈526D-1中的电流方向，从而使D相线圈的激发与C相线圈的激发同步，以模拟单相绕组。

在位置16处，转子已额外旋转7.5度，线圈526D-1离开具有SSSS配置的磁段421并进入NNNN极区。

在位置17处，转子已额外旋转7.5度，线圈526E-1离开具有SSSS配置的磁段421，并进入相邻NNNN极区。无刷电机控制器1202重新配置H桥2410的两个半H桥，以反转通电线圈526E-1中的电流方向。无刷电机控制器1202进一步重新配置H桥2412的两个半H桥，以反转通电线圈526F-1中的电流方向，使F相线圈的激发与E相线圈的激发同步，以模拟单相绕组。自适应电子变速器现在修改了A、B、C、D、E和F相的线圈激发顺序，以模拟传统电机的三相绕组。

继续图24的示例，在位置25，无刷电机控制器1202重新配置H桥2402和H桥2014的两个半H桥，以反转通电线圈526A-1和526B-1中的电流方向。无刷电机控制器1202进一步重新配置H桥2014的两个半H桥，以反转通电线圈526C-1中的电流方向，从而使C相线圈的激发与A相线圈的激发同步。也就是说，A相线圈、B相线圈和C相线圈同时通电，从而模拟单相绕组。无刷电机控制器1202进一步1202进一步修改相D的激发顺序，使得其不再与C相线圈同步。

在图24的说明性实施例中，当A相的线圈526A-1离开具有SSSS配置的磁段421并进入相邻NNNN极区域时，自适应电子变速器调整线圈激发顺序以模拟传统电机的两相绕组。在某些实施例中，当转子相对于线圈526A-1处于不同位置时，自适应电子变速器可调整线圈激发顺序以模拟的两相绕组。例如，当线圈526A-1即将进入具有SSSS配置的相邻磁段421时，自适应电子变速器可调整线圈激发顺序以模拟传统电机的两相绕组。在另一实例中，当线圈526A-1在极区域之一内时，自适应电子变速器可调整线圈激发顺序以模拟传统电机的两相绕组。在又一实例中，自适应电子变速器可至少部分地基于线圈526B-1、526C-1、526D-1、526E-1或526F-1相对于其中一个极区域的相对位置来调整线圈激发顺序以模拟传统电机的两相绕组。

在位置28，无刷电机控制器1202重新配置H桥2408的两个半H桥，以反转通电线圈526D-1中的电流方向。无刷电机控制器1202进一步重新配置H桥2410和H桥2412的两个半H桥，以反转通电线圈526E-1和通电线圈526F-1中的电流方向，从而使E和F相线圈的激发与D相线圈的激发同步。也就是说，D相线圈、E相线圈和F相线圈的通电现在同时发生，从而模拟单相绕组。此外，转换速率将发生变化，即与三相配置相比，电流的转换将花费更长的时间。自适应电子变速器现在修改了A、B、C、D、E和F相的线圈激发顺序，以模拟传统电机的2相绕组。

在图24的说明性示例中，自适应电子变速器顺序地从模拟常规的六相绕组过渡到模拟常规电机的三相绕组，再过渡到模拟常规电机的两相绕组。这是为了清楚起见，并非旨在限制或必须表明该组内存在特定顺序。如相关领域的普通技术人员将理解的，自适应电子变速器能够根据需要通过调整线圈激发顺序来动态调整无刷电机1204的扭矩、速度和负载能力。

图25示出了方法2500的一个实施例，该方法可由无刷电机控制器1202执行以通过调整线圈激发顺序来模拟传统电机的六相绕组和三相绕组来模拟自适应电子变速器。方法2500使用无刷电机控制器1202的能力来分别使线圈绕组通电。

在步骤2502中，无刷电机控制器1202检测启动命令。在一些实施例中，无刷电机控制器1202配置为接收模拟输入形式的启动命令。例如，启动命令可以是与系统大于零的速度相对应的模拟输入电压。也就是目标速度。

在某些实施例中，无刷电机控制器1202配置为以PWM波形的形式接收启动命令。例如，启动命令可以是具有与大于零的速度相对应的占空比的PWM波形。在一个实施例中，无刷电机控制器1202配置为经由数据总线接收启动命令。例如，l2C(集成电路间)数据总线，它是一种同步、多主、多从、分组交换、单端、串行计算机总线。

在步骤2504，响应于启动命令的检测，无刷电机控制器1202在启动配置中配置无刷电机1204的线圈绕组。在某些实施例中，无刷电机1204的线圈绕组526在启动时以六相配置通电，因为该配置在低速时比相应的三相配置提供更多扭矩。在一个实施例中，转子位置传感器连接到无刷电机控制器1202，使得定子中旋转磁场的适当定时能够启动并保持转子低速旋转。在某些实施例中，不同的转子位置传感器用于六相配置和三相配置。随后，块中的无刷电机控制器1202通过在线圈绕组526中合成六相旋转磁场来配置转子以加速。

在步骤2506中，无刷电机控制器1202监控加速无刷电机1204的转子速度，以确定是否已达到目标速度。响应于所达到的目标速度，无刷电机控制器1202继续在定子绕组中合成六相旋转磁场以保持目标速度，直到输入改变目标速度。

在一些实施例中，无刷电机控制器1202可进一步配置无刷电机1204的绕组526以模拟传统电机的三相配置(步骤2508)，以在目标速度下减小电流并提高效率。即，无刷电机控制器1202在线圈绕组中合成三相旋转磁场以保持目标速度。

否则，无刷电机控制器1202继续监控具有六相配置的加速转子的速度，以确定是否已达到六相速度阈值(步骤2510)。六相速度阈值是预定速度，高于该预定速度，需要较高速度但较低扭矩的三相仿真的性能。响应于达到六相速度阈值，无刷电机1204的定子绕组以三相配置通电，并且无刷电机控制器1202在定子绕组中合成三相旋转磁场以继续加速转子。

在步骤2512，无刷电机控制器1202继续监视加速无刷电机1204的转子速度，以确定是否已达到目标速度。

在步骤2514，响应于达到的目标速度，无刷电机控制器1202停止加速转子。

在某些情况下，目标速度将更改为低于六速阈值的值。在步骤2516中，响应于转子速度低于六速阈值，无刷电机控制器1202可在线圈绕组526中合成三相磁场。

在步骤2518中，响应于停止命令的检测，无刷电机控制器1202配置线圈绕组526以实现停止。在一些实施例中，线圈绕组可以被配置为实现制动功能。在某些实施例中，线圈绕组可配置为实现反向功能。否则，从步骤2502开始重复该过程。

某些实施例的优点

总之，与传统的电机和发电机相比，某些公开的实施例具有若干优点。如上所述，用磁体包围线圈会产生更多的磁通密度，现在所有的力都在运动方向上，这可能会产生更多的扭矩，将振动降至最低，并将与传统电动机相比的噪音降至最低，传统电动机的力可能会试图向下拉动线圈或向上推动线圈(取决于极性)，而不是在运动的方向上。如上所述，产生的大部分磁场都在运动方向上，因此几乎没有浪费磁场的结构。因此，持续扭矩和持续功率大大增加。此外，与传统电动机相比，连续转矩密度、体积连续功率密度和重量连续功率密度也有所增加。

在某些实施例中，在没有锁定转子电流损失的情况下，在启动时可获得等效全扭矩。永磁配置降低了启动时的浪涌电流。

在某些实施例中，线圈组件可以是紧凑的，但是线圈容易冷却，因为它们被有效的散热器包围。由于没有理由重叠线圈绕组，因此几乎没有多余的磁场感应，这也有助于更有效的设计。与传统电动机相比，这种配置的优点之一是端部匝数(在这种情况下是线圈的径向部分)是本发明“活动部分”的一部分。在传统电动机中，铜导线的轴向长度是产生功率的部分。端部匝数是一种惩罚，增加了重量和损耗，但不会产生功率，因为端部区域磁场没有有效地连接端部绕组。然而，在上述公开的实施例中，由于侧壁或轴向磁体轴向磁化，整个线圈绕组有效地用于产生转矩，有效地利用了铜绕组。

在“直流”配置中，电机可独立于电源线频率或制造频率运行，从而减少对昂贵的脉宽调制驱动控制器或类似控制器的需求。

为了说明和描述的目的，给出了本发明实施例的前述描述。本发明并非详尽无遗或仅限于所公开的精确形式。根据据上述教导，许多组合、修改和变化是可能的。例如，在某些实施例中，上述组件和特征中的每一个可以单独或顺序地与其他壁部分、组件或特征组合，并且仍然在本发明的范围内，例如：

在一个实施例中，可存在产生电流的方法，该方法的特征在于：在由具有第一纵向长度的外部磁性圆筒壁部分、内部磁性圆筒壁部分在截面中限定的第一径向段内形成磁集中区域，具有第一径向长度的第一磁性侧壁部分和具有第二径向长度的第二磁性侧壁部分，每个壁部分具有面对第一径向段的内部的类似的磁极，并且第一纵向长度大于第一径向长度或第二径向长度，在由具有第一纵向长度的第二外部磁性圆筒壁部分、第二内部磁性圆筒壁部分、第三磁侧壁部分限定的第二径向段内形成第二磁集中区域，以及具有第二径向长度的第四磁性侧壁部分，每个壁部分具有朝向远离第二径向段的内部类似的磁极，将线圈定位在由线圈组件的相邻齿形成的槽内，旋转耦合到线圈组件的轴，通过第一段旋转线圈并从线圈中提取第一方向的电流，通过第二段旋转线圈并从线圈中提取第二方向的电流。

一种产生电流的方法，其特征在于：在由具有第一纵向长度的外部磁性圆筒壁部分、内部磁性圆筒壁、具有第一径向长度的第一磁侧壁部分限定的第一径向段内形成磁集中区域，以及具有第二径向长度的第二磁性侧壁部分，每个壁部分具有面向第一径向段的内部的类似的磁极，并且第一纵向长度大于第一径向长度或第二径向长度，在由具有第一纵向长度的第二外部磁性圆筒壁部分、第二内部磁性圆筒壁部分、具有第一径向长度的第三磁侧壁部分限定的第二内腔内形成第二磁集中区域，以及具有第二径向长度的第四磁性侧壁部分，每个壁部分具有其类似的磁极，朝向远离第二径向段的内部，将线圈定位在由线圈组件的相邻齿形成的槽内，旋转耦合到第一径向段和第二径向段的轴，使得第一径向段围绕线圈旋转并且从线圈提取第一方向的电流，第二径向段围绕线圈旋转并且从线圈提取第二方向的电流。

此外，具有互换组件的未描述实施例仍在本发明的范围内。本发明的范围不受本详细说明的限制，而是受本发明所支持的权利要求或未来权利要求的限制。

提供本公开的摘要的唯一原因是符合要求摘要的规则，这将允许搜索者快速确定本公开发布的任何专利的技术公开主题。提交的理解是它不会用于解释或限制权利要求的范围或含义。

所描述的任何优点和益处可能不适用于本发明的所有实施例。当在权利要求要素中引用“手段”一词时，申请人打算将该权利要求要素归入《美国法典》第35USC 112(f)。通常，一个或多个单词的标签位于单词“手段”之前。“手段”一词之前的一个或多个词是一个标签，旨在简化权利要求要素的引用，而不是旨在传达结构限制。此类手段加功能权利要求旨在不仅涵盖本文描述的用于执行功能的结构及其等效结构，而且还涵盖等效结构。例如，虽然钉子和螺钉具有不同的结构，但它们是等效的结构，因为它们都具有紧固功能。未使用“手段”一词的权利要求不属于《美国法典》35USC 112(f)款的范围。

Claims (17)

1.一种电机，包括：

一种环形磁性圆筒，包括：

具有NNNN磁极配置的第一磁性通道段，

具有SSSS磁极配置的第二磁性通道段，所述SSSS磁极配置在周向上与第一磁性通道相邻，

线圈组件，其位于所述环形磁性圆筒内，所述线圈组件包括多个线圈，其中所述第一或第二磁性通道段围绕所述线圈组件的第一数量的线圈，

其中，线圈组件配置用于第一数量的线圈相数，并且多个线圈分割以创建线圈子组，其中每个线圈子组分配给第一数量的线圈相数中的一个；

与线圈组件和多个参数检测传感器进行电气通信的控制器，控制器包括处理器和耦合到处理器的存储器，存储器包含以下指令：

监控电机的参数值；

确定参数值是否已达到第一目标值；如果没有，则继续监视参数值；

如果参数值已达到第一目标值，则通过同时使第一线圈子组和第二线圈子组通电，模拟线圈组件的第二数量的线圈相数，以使第一线圈子组和第二线圈子组充当单个线圈相组的构件。

2.根据权利要求1所述的电机，其中所述存储器还包含以下指令：

监控电机的参数值；

确定参数值是否已达到第二目标值；如果没有，则继续监视参数值；

如果参数值已达到第二目标值，则通过同时使三线圈子组与第一线圈子组和第二线圈子组通电，模拟线圈组件的第三数量的(两个)线圈相数，以作为单线圈相组的构件。

3.根据权利要求1所述的电机，其中所述存储器还包含以下指令：

监控电机的参数值；

确定参数值是否已达到第一较低的目标参数；如果没有，则继续监视环形磁性圆筒的参数值；

如果参数值已达到第一较低的目标参数，则从同时一起通电的线圈组中移除一个线圈子组，以作为单线圈相组的构件。

4.根据权利要求1所述的电机，其中第一线圈子组中的线圈与第二线圈子组中的线圈相邻。

5.根据权利要求1所述的电机，其中所述参数是磁性圆筒相对于线圈组件的转速。

6.根据权利要求1所述的电机，其中所述参数是磁性圆筒相对于线圈组件的转速。

7.根据权利要求1所述的电机，其中分配给第一数量的线圈相数之一的线圈电耦合在一起。

8.根据权利要求1所述的电机，其中第一子组和第二子组中的线圈电耦合在一起。

9.根据权利要求1所述的电机，还包括位于电机内的多个参数检测传感器。

10.一种控制电机的方法，包括：

监控具有以下功能的电机的参数值：

一种环形磁性圆筒，其包括具有NNNN磁极配置的第一磁性通道段和具有SSSS磁极配置的第二磁性通道段，所述SSSS磁极配置位于与第一磁性通道周向相邻的位置，

线圈组件，其位于所述环形磁性圆筒内，所述线圈组件包括多个线圈，其中所述第一或第二磁性通道段围绕所述线圈组件的第一数量的线圈，

其中，线圈组件配置用于第一数量的线圈相数，并且多个线圈分割以创建线圈子组，其中每个线圈子组分配给第一数量的线圈相数中的一个；

确定参数值是否已达到第一目标值；如果没有，则继续监视参数值；

如果参数值已达到第一目标值，则通过同时使第一线圈子组和第二线圈子组通电，模拟线圈组件的第二数量的线圈相数，以使第一线圈子组和第二线圈子组充当单个线圈相组的构件。

11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：

监控电机的参数值；

确定参数值是否已达到第二目标值；如果没有，则继续监视参数值；

如果参数值已达到第二目标值，则通过同时使第三线圈子组与第一线圈子组和第二线圈子组通电，模拟线圈组件的第三数量的(两个)线圈相数，以作为单线圈相组的构件。

12.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：

监控电机的参数值；

确定参数值是否已达到第一较低的目标参数；如果没有，则继续监视环形磁性圆筒的参数值；

如果参数值已达到第一较低的目标参数，则从同时一起通电的线圈组中移除一个线圈子组，以作为单线圈相组的构件。

13.根据权利要求10所述的方法，还包括将第一线圈子组中的线圈定位在与第二线圈子组中的线圈相邻。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述参数是所述磁性圆筒相对于所述线圈组件的旋转速度。

15.根据权利要求10所述的方法，其中所述参数是所述磁性圆筒相对于所述线圈组件的旋转速度。

16.根据权利要求10所述的方法，还包括将分配给第一数量的线圈相数之一的线圈电耦合在一起。

17.根据权利要求10所述的方法，还包括将第一子组中的线圈电耦合到第二子组中的线圈。

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