CN115211000A - 采用可调Halbach磁体阵列的可变转矩生成电机 - Google Patents

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J·L·贝利
M·C·麦克唐纳
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Abstract

具有可变转矩生成的电机，具有可调Halbach阵列配置构造。电机包括用于生成磁场的磁体组件。磁体组件包括：多个固定磁体，所述多个固定磁体设置成环形布置结构使得，具有面朝转子或定子的北极的固定磁体与具有面朝转子或定子的南极的固定磁体交替；多个可旋转磁体，所述多个可旋转磁体在两个相邻的固定磁体之间形成的相应的槽内设置；驱动组件，驱动组件用于使可旋转磁体在槽内转动以改变磁体组件在转子或定子中生成的磁场，驱动组件配置为使可旋转磁体在第一位置和第二位置之间转动，在第一位置中，转子或定子中的磁场被加强，并且在第二位置中，转子或定子中的磁场被抵消。

Description

采用可调Halbach磁体阵列的可变转矩生成电机
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年3月2日提交且题为“Variable Torque GenerationElectric Machine Employing Tunable Halbach Magnet Array”的美国临时申请序列号62/984,270的根据35U.S.C.§119(e)的优先权。本申请要求于2020年9月11日提交且题为“Cascade Mosfet Design for Variable Torque Generator/Motor Gear Switching”的美国临时申请序列号62/077,243的根据35U.S.C§119(e)的优先权。申请日为2021年3月2日的题为“Cascade Mosfet Design for Variable Torque Generator/Motor GearSwitching”的共同待决非临时申请序列号XX/XXX,XXX的全部内容以引用的方式并入本文中。此外，申请日为2021年3月2日的题为“Cooling System for Variable TorqueGeneration Electric Machine”的共同待决非临时申请序列号XX/XXX,XXX的全部内容也以引用的方式并入本文中。
背景技术
电机是使用电磁力将电能转换为机械能或将机械能转换为电能的装置。常见的电机包括发电机和电动机。
发电机将机械能转换为电能以供诸如电网、车辆中的电气系统等的外部电路使用。大多数发电机采用诸如轴的旋转之类的旋转力(转矩)形式的原动力源。旋转力通过由发电机内的磁体产生的磁场与电线绕组之间的相互作用而在一个或多个电线绕组中引起电流生成。常见的原动力源包括具有恒定转矩和连续转速(以每分钟转数(RPM)表达)的蒸汽轮机、燃气轮机、水力发电涡轮机、内燃机等。
电动机的机械方面与发电机相同，但电动机以相反方式工作。电动机通过由电动机内的磁体产生的磁场与通过一个或多个电线绕组的电流之间的相互作用使电能转换为机械能，而生成呈电动机轴旋转形式的原动力(即旋转力或转矩)。该旋转力(转矩)然后被使用来推进一些外部机构。电动机一般设计为提供连续的旋转和恒定转矩。在某些应用中，比如在采用以牵引电动机进行再生制动的车辆中，电动机可逆向使用作为发电机来回收原本可能因为热和摩擦而损失掉的能量。
越来越多地，由于使用的能源可变、不定时且往往不可预测，可再生能源技术中采用的发电机必须在广泛变化的转速(RPM)和转矩条件下工作。相似地，环境友好型技术或绿色技术采用的电动机也必须能够产生一系列的转速(RPM)和转矩。然而，尽管传统发电机和电动机在接近它们的额定转速(RPM)和转矩工作时常常表现出从百分之九十到百分之九十八(90％-98％)范围的效率，然而当同样的这些发电机和电动机在它们的额定转速(RPM)和/或转矩之外(的条件下)工作时，它们的效率急剧下降，常常低至百分之三十到百分之六十(30％-60％)。
附图说明
参考附图来描述具体实施方式。相同附图标记在该描述中的不同实例中和附图中的使用可指示相似或相同的物项。此外，本领域普通技术人员将理解的是，本文中公开的构思可应用于各种电机，包括但不限于电动机、发电机和/或机电传动系统。因此，贯穿本公开和在随附的权利要求书中，术语电机总的用于描述能够采用本文中描述的构思的任何机电装置，且应当理解的是，除非另作如此说明，否则术语电机可指代电动机、发电机、机电传动系统、它们的组合(例如，电机可包括适合于在采用再生制动的混合动力车辆中使用的电动机/发电机)等等。
图1是侧视图，图示出根据本公开的示例实施例的电机。
图2是立体图，图示出根据本公开的示例实施例的图1中所示的电机；
图3是图1中所示的电机的剖视立体图，根据本公开的示例实施例，所述电机具有壳体、转子组件、定子组件和主轴；
图4示出图3中所示的电机的另一剖视立体图，示出了根据本公开的示例实施例的具有Halbach配置构造的转子组件；
图5示出图2中所示的电机的不相同的、平行于主轴线的剖视立体图，示出了根据本公开的示例实施例的定子组件和转子组件；
图6是侧视图，图示出图5中的电机的转子组件，所述转子组件根据本公开的示例实施例成Halbach阵列布置，所述Halbach阵列具有两组可旋转的磁体；
图7是立体图，图示出图6中的电机的转子组件，所述转子组件根据本公开的示例实施例成Halbach阵列布置；
图8是根据本公开的示例实施例的图6中所示的转子的Halbach阵列的固定磁体的立体图；
图9是根据本公开的示例实施例的图6中所示的转子的Halbach阵列的固定磁体的正视图；
图10是图6中所示的转子组件的立体图，示出了根据本公开的示例实施例的磁体组件和用于使磁体组件内的可旋转磁体旋转的驱动组件；
图11是图10中所示的转子组件的立体图，进一步示出了根据本公开的示例实施例的磁体组件和驱动组件；
图12是图2中所示的转子组件的不同实施例的立体图，根据本公开的示例实施例，所述转子组件具有驱动组件和绕着磁体组件的周缘的磁体固定帽；
图13是根据本公开的示例实施例的电机的另一实施例的立体图；
图14是图13中所示的安装支架的立体图，所述安装支架根据本公开的示例实施例具有转矩传感器；
图15是图13中所示的电机的剖视立体图，根据本公开的示例实施例，所述电机具有壳体、转子组件、定子组件和主轴；
图16是根据本公开的示例实施例的图13中所示的轴的端帽的立体图；
图17是侧视图，图示出图15中的电机的转子组件，所述转子组件根据本公开的示例实施例成Halbach阵列布置，该Halbach阵列具有一组可旋转的磁体；
图18是图15中所示的转子组件的立体图，示出了根据本公开的示例实施例的主轴、磁体组件和用于使磁体组件内的可旋转磁体旋转的驱动组件；
图19是根据本公开的示例实施例的图18中所示的转子的Halbach阵列的固定磁体的立体图；
图20是根据本公开的示例实施例的图18中所示的转子的Halbach阵列的固定磁体的侧视图；
图21是图15中所示的转子组件的立体图，示出了根据本公开的示例实施例的磁体组件和用于使磁体组件内的可旋转磁体旋转的驱动组件；以及
图22是图15中所示的转子组件的立体图，示出了根据本公开的示例实施例的成Halbach阵列配置的磁体组件；
具体实施方式
概述
尽管主题已以针对结构特征和/或过程操作的语言被描述，然而理解的是，所附权利要求书中所限定的主题不一定限于以上所描述的特定特征或动作。更确切地说，以上所描述的特定特征和动作被作为实施权利要求的示例形式公开。
参考附图来描述具体实施方式。相同附图标记的在该描述中的不同实例中和附图中的使用可指示相似或相同的物项。此外，本领域普通技术人员将理解的是，本文中公开的构思可应用于包括但不限于电动机、发电机和/或机电传动系统在内的各种电机。因而，贯穿本公开并且在随附的权利要求书中，术语电机总的用于描述能够采用本文中描述的构思的任何机电装置，并且应理解的是，除非另作如此说明，否则术语电机可指代电动机、发电机、机电传动系统、它们的组合(例如，电机可包括适合于在采用再生制动的混合动力车辆中使用的电动机/发电机、适合于风力涡轮机的发电机等)等等。
电动机和发电机设计成在特定的转速和转矩条件下工作，具有非常窄的最佳效率范围。电动机或发电机中的高转矩需求需要更强劲的永磁体，更强劲的永磁体继而产生大的反电动势(EMF)，大的反电动势继而又以高电压和电流克服。当转速和转矩恒定时，电动机或发电机可针对最佳效率来设计。往往，该效率会远高于百分之九十(90％)。因此，在这类电动机和发电机的设计和制造中，定子芯部、芯部绕组和永磁体都选择为一起作用从而以最佳的效率或阈值效率来产生所需的转矩、转速(RPM)、电压和电流比。一旦这些关键部件被选定并安设在电动机或发电机中，它们就无法被更改。仅发电机中的驱动力的功率和速度或者进到电动机中的电流的电压和安培数可被更改。然而，当这类电动机或发电机在速度和转矩变化很广的地方投入使用(例如，在陆地车辆中和/或风力或水力发电机中)时，当速度和转矩要求小于设计的最大值时仍须克服固定磁体的反EMF，并且当速度和转矩大于设计的最大值时定子接线须足够且尺寸合适。如果不是这样，对于电动或混合动力车辆、风力或水力发电机等而言，电动机或发电机的整体效率在许多情况下会急剧下降至差不多百分之二十(20％)。
本公开涉及能够在宽电压和安培数工作范围和/或极其可变的转矩和转速(RPM)条件下以高效率工作的可变转矩生成(VTG)电动机、发电机和/或传动系统。根据本公开的电动机非常适于用在电动机产生可变转矩和/或转速(RPM)的技术中。类似地，根据本公开的发电机非常适于用在可变转矩和转速(RPM)状况普遍、例如可变环境条件(比如，不一致的风速、非定时的海浪运动、在混合动力车辆中的可变的制动能量等)常见的技术中。示例技术可包括例如采用可再生能源(包括风力、水力发电)、电动或混合动力车辆等的技术。
如先前论述的，永磁电动机和发电机中的转子的磁场不可调节而为固定的。转子的永磁体与定子的芯部之间的交变磁通量流以及定子芯部的电线中的交变电流决定了永磁体电动机或发电机将如何工作。在转子磁体与定子芯部之间流动的磁通量为小量的情况下，它就如同电动机或发电机的转子装配有小的或较低强度的永磁体一样。如果转子磁体与定子芯部之间流动的磁通量大，则情况相反，电动机或发电机转子中的永磁体的强度较高。在小的永磁体用于电动机转子中时，定子芯部线圈中的电线尺寸设计为具有必需的匝数，以在定子齿(或芯部)中产生这样的磁场，即所述磁场将高效地与转子磁体的磁场反应，以在转子和定子之间产生最佳(或近乎最佳)的通量流以及产生最佳(或近乎最佳)的转矩或rpm。在发电机的情况中，电线尺寸设计为具有必需的匝数，以高效地适应通过旋转的转子上的永磁体在定子芯部中诱导的交变通量而生成的电。电动机和发电机即使它们相应的永磁体尺寸相同也可能会具有不同的电线绕组数量。大的永磁体转子中的电线和匝数与小的永磁体转子中的电线和匝数不同，并且两个转子的输出大小也显著不同。
本文中描述的技术可通过以下中的一种或多种方式动态地改变电机(例如，电动机、发电机、传动装置等)的输出“大小”，即：通过使定子中的多条非绞合并行线圈电线在全部串联连接、全部并联连接或串联和并联组合连接之间切换，来改变在定子中诱导的磁场；以及利用转子中的可调Halbach磁体布置结构，来对应地调节(例如，改变、调整或集中)永磁体作用在定子上的磁场。可调Halbach磁体布置结构包括散布的固定磁体和可旋转磁体，所述可旋转磁体可被旋转以调节磁体阵列的磁场强度。此外，当转矩/RPM或安培数/电压要求改变时，系统可激活转子/定子集合内的一个定子或另一个(在与公共计算机处理器连接的多个电机单元中)，并通过两(2)个、四(4)个、六(6)个或更多个并行三相非绞合线圈绕组的集合从并联绕组变为串联绕组或相反。通过这种方式，系统可满足电机的转矩/RPM或安培数/电压要求、同时提高(例如，提升、优化或近乎优化)其效率。
本公开提供了用于调节电机(例如，电动机、发电机或变速器)中的永磁体转子的磁场的系统和方法。它通过采用可调Halbach磁体阵列配置构造来实现此，所述可调Halbach磁体阵列配置构造用于调节(例如，改变、调整和/或集中)作用在定子芯部上的磁场以满足电机在任何给定时间的扭矩和速度(RPM)要求。通过减弱或增强作用在定子芯部上的磁场，本技术分别减小或增大反EMF。例如，在电机为电动机的情况中，反EMF的减小或增大可导致使用更低或更高的电压和安培数(功率)来运行电动机。如果在另一个示例中电机为发电机，则改变磁场的反EMF将改变使发电机转动所需的转矩(例如，风速)。本公开允许采用该电机的系统对反EMF进行调节以满足变化的状况和使电机在比以往任何时候所可能的转矩范围都更宽的转矩范围内以更高效率工作。利用这些能力，电机可在相对均匀的可变功率要求范围内以高效率控制转子和定子两者的磁场相互作用的强度。任何电动机的效率都取决于定子的电磁场与同定子相互作用的转子的电磁场之间的平衡。电机中的逆变器/控制器可调控来自电源(例如，电池或其它电源)的电压，该电压进而在电线和电压源的载量(capacity)内调控定子线圈电线中的安培数。电机可在不同的接线组合之间切换，每种接线组合具有不同的电阻。当计算机处理器中的逆变器/控制器使每种接线配置构造中的电压从低向高增加时，接线组合的每种不同电阻产生不同的安培匝数范围。当计算机处理器将接线从一种配置构造切换为下一种配置构造、对应地改变定子线圈中的匝数值和所得磁场强度时，不同的接线配置构造然后利用电压调控进行配置、组合和协调，以便可在大大扩展的范围内均匀地调控(增大或减小)定子线圈中流动的安培数的总体范围。由于电机能够借助一个或多个转子相对于定子的移动而在更大得多的从低到高的范围内集中或控制与定子线圈相互作用的转子磁体的磁场，因此计算机处理器可配置为相对于定子、定子线圈中的匝数的函数来调节转子的磁场使得转子被调节为提供最佳效率或提供定子线圈和转子永磁体的磁场之间的最佳平衡。
改变接线方式和匝数来修改定子芯部的通量和芯部线圈电线中流动的电不像改变从转子永磁体流出的通量那么容易调整或变化。这可通过以下方式实现，即在中心分接头或Δ配置构造的三个腿处分离多相定子接线并在芯部绕组中为每个相腿提供多条非绞合并行电线(并且在某些情况下利用不同尺寸的电线)而具有使多条电线在全部串联的配置构造、全部并联的配置构造以及并联与串联配置构造的组合中进行切换和以全部串联、全部并联及串并联配置构造组合的方式连接的能力。在一些实施方式中，一条或多条电线可被断开以提供另外的配置构造(例如，从六电线系统降为四电线系统等)。在一些实施方式中，相绕组也可从星形或WYE(Y)配置构造切换为Δ(例如，三角形)配置构造。在一些实施方式中，系统可在同一定子上提供两种单独的多相接线配置构造，每种配置构造具有单独的控制器，并且在一些实施方式中，分离每个相腿中的线圈(包括其中的多条电线)使得无论是在星形(Y)配置构造中还是在Δ配置构造中，任一种单独的多相配置构造中的定子相位中的任何相都可被切换(例如，利用电子开关)为以串联、并联或串并联组合的方式连接。
在实施例中，也可通过将多个模块化电机单元(例如，每个电机单元具有相应的定子和转子)联合在一起来提供电机，以改变整体系统的输出。例如，电机单元可在中央处理器的共同控制下联合在一起，其中电机单元可一起工作来增大功率，或者至少一者会在另一者处于空挡/中性(in neutral)时工作。电机单元还可配置为在不同的串联、并联或组合(即，串联及并联)接线和切换组合之间来回变换，以提供各种组合之间的平稳过渡。电机单元还可利用每个相位中的多条电线的串联/并联切换来在Δ或星形配置构造之间来回变换。
在本公开的实施例中，任何单个电机单元都可具有本文中所描述的多种接线和切换组合中的任何或全部，包括在Δ配置构造和WYE配置构造之间进行切换、多个电线绕组串联或并联或呈串联的相互连接的并联的两根或更多根电线的集合，并且其中电机为多极的，相位绕组的单独的各线圈可串联或并联连接或连接成串联的相互连接的并联的两个或更多个线圈的集合，在能够电子化重新配置的单个电机中提供宽范围的电压/安培数和扭矩/速度比以满足广泛变化的条件。与对转子磁场的电子化变换和将转子的磁场集中在定子芯部上的能力耦合的该功能，提供通过计算机系统处理器来选择和快速更改定子的绕组配置构造的能力，从而以最佳(或几乎最佳或另外选定)的能源效率来满足可能施加在电机上的广泛可变的速度和转矩要求。
本公开的电机可还包括冷却系统。冷却系统允许利用串联和并联切换来逐步地减小定子线圈的电阻从而增大线圈中的安培数，而不显露显著的损失。冷却电线将允许电线承载更大的、差不多为电线额定容量五倍的安培数。与每个相位具有单个导体的传统电动机或发电机相比，通过冷却，冷却后的传统电机的功率可增加差不多四倍，而该电机的功率可增加差不多29倍。
本公开的冷却系统可包括密封的定子芯部以及带有循环冷却流体的线圈流体腔、用于循环水或不同的流体来降低在流体腔内循环的冷却流体的温度的管道、与冷却流体接触的诸如Peltier装置之类的热电装置。
示例实施例的详细描述
图1至图21图示出具有转子的电机，所述转子采用根据本公开的可调Halbach阵列配置构造。Halbach阵列配置构造允许对电机中的永磁体的通量进行调节(例如，变化、调整、集中等)，从而使线圈中的电感应按照控制的增量从最大的安培数和/或伏特数变化为零或接近于零的安培数和/或伏特数。电机包括壳体、定子和至少一个转子。所述至少一个转子包括圆形的Halbach磁体阵列，该阵列包括具有半沙漏形(semi-hourglass)形状或截面(例如，I形截面)的固定磁体和具有圆筒形(圆形)形状或截面的可旋转磁体，其中可旋转磁体在固定磁体中的相邻者之间提供的槽之间设置。固定磁体绕着定子芯部的周缘安装到定子芯部，并且通过使交替相邻的北极和南极面向外朝向定子来定位。可旋转磁体沿直径被磁化。在固定磁体的内壁与可旋转磁体的外壁之间设有极小的均匀余隙。固定磁体的内壁可涂覆有减摩涂层比如TeflonTM或DelrinTM类材料或其它减少表面之间摩擦的聚合物。
总体参考图1至图5，根据本公开的实施例来描述电机100。如本文中以上提到的，术语电机可指代电动机、发电机、传动系统、它们的组合等等。
如图3至图5中所示，电机100包括壳体102、主轴104、定子组件106和转子组件108。壳体102包括定子室103。主轴104设置在壳体102中并可旋转地连接到壳体102，例如，比如经由支撑轴104的一个或多个轴承。定子组件106也设置在壳体102内。定子组件包括支撑多个绕组112的定子芯部110。图6和图7示出了转子组件108。转子组件108联接到主轴104并配置为相对于定子组件106旋转以转动主轴104。转子组件108包括转子芯部114、第一磁体组件116和第二磁体组件117。
如图10中所示，第一磁体组件116包括成第一环形布置结构119设置的第一多个固定磁体118以及第一多个可旋转磁体120。在图示的实施例中，固定磁体118具有大体半沙漏形的形状或截面(例如，I形截面)。如所示的，I形固定磁体118具有凹形弯曲的内侧，使得绕着转子组件108的周缘在固定磁体118中的相邻两者之间形成有槽126。每个固定磁体118包括北极122和南极124。相邻的固定磁体118被相应的一个槽126分开。每个固定磁体118安装到转子芯部114并取向成使得其北极面向外朝向定子组件106而远离转子芯部114或者面向内朝向转子芯部114而远离定子组件106，而其对应的南极面向相反方向，也就是面向内朝向转子芯部114而远离定子组件106或者面向外朝向定子组件106而远离转子芯部114。不同取向的固定磁体118绕着转子芯部114成交替布置结构设置，使得北极面向定子组件106的固定磁体118占据在南极面向定子组件106的固定磁体118之间。
多个可旋转磁体120中的每个在两个相邻的固定磁体118之间的相应的槽126内设置。在所示实施例中，可旋转磁体120包括具有第一端128和第二端130的大体圆筒形的本体。每个可旋转磁体120的圆筒形本体包括从可旋转磁体120的圆筒形本体的第一端128延伸到第二端130的第一半圆筒132和第二半圆筒134。第一半圆筒132和第二半圆筒134分别对应于可旋转磁体120的北极和可旋转磁体120的南极。在实施例中，可旋转磁体120可以是延伸定子106的长度的单件磁体，如图17中所示，或者可旋转磁体也可由通过轴121联接在一起的多个可旋转磁体组成，所述多个可旋转磁体的磁极沿相同或不同方向对齐。
转子组件108还包括第一驱动组件136，所述第一驱动组件用于使可旋转磁体120在固定磁体118之间的槽126内转动、促使由磁体组件生成的磁场发生变化。在所示实施例中，可旋转磁体120附连到轴121，轴121通过可旋转磁体120的纵向中心延伸达转子组件108的长度并充分超出转子组件108的端部以在轴121的至少一端上容纳轴齿轮123。在其它实施例中，可利用固定连接到可旋转磁体120的第一端128和第二端130的其它齿轮、轴承或衬套替换或补充轴121。
使轴121连接到可旋转磁体120的轴承或者衬套可被安装在转子组件108的任一端上的非磁性板上、或在转子的长度内以间歇的间隔安装。转子组件108的其它实施例可使用包括但不限于聚四氟乙烯(PTFE)或TeflonTM在内的合成聚合物来垫衬可旋转磁体120的第一半圆筒132和第二半圆筒134之间的圆形空间的内表面以便最小化可旋转磁体120和轴121之间的摩擦。
驱动组件使可旋转磁体沿第一方向(例如，顺时针)在图10和图11所示的第一位置和第二位置(未示出)之间转动，在第一位置中，转子或定子中的磁场被增强或加强，并且在第二位置中，转子或定子中的磁场被抵消。使可旋转磁体120的北极132朝向固定磁体的远离转子芯部114面向外的北极122的中心旋转使转子组件108的磁场增强。相反，使可旋转磁体120的北极132朝向固定磁体的面向转子芯部114的外侧的南极124的中心旋转使磁场的强度减小为零或接近于零(例如，零(0)或接近零(0)高斯)。由于转子组件108的磁场可在宽磁场强度(高斯)输出范围内变化，因此与现有技术相比，可以以更高效的方式满足应用要求。可旋转磁体120的旋转可以以高达180度的增量反转使得可旋转磁体120的相应的北极132和南极134面向极性相反的固定磁体的径向平面。
图10和图11还示出了第二磁体组件117，所述第二磁体组件具有成第二环形布置结构140设置的第二多个固定磁体138以及第二多个可旋转磁体142。在所示实施例中，固定磁体138具有大体半沙漏形的形状或横截面(例如，I形横截面)。如所示的，I形固定磁体138具有凹形弯曲的内侧使得在它们之间形成有槽126。每个固定磁体138包括北极122和南极124并通过相应的一个槽126分开。每个固定磁体138安装到转子芯部114并取向成使得其北极面向外朝向定子组件106而远离转子芯部114或者面向内朝向转子芯部114而远离定子组件106，而其对应的南极面向相反方向，也就是面向内朝向转子芯部114而远离定子组件106或者面向外朝向定子组件106而远离转子芯部114。在两个相邻的固定磁体138之间的相应的槽126内设置。可旋转磁体142包括具有第一端128和第二端130的大体圆筒形的本体。可旋转磁体142的圆筒形本体包括从可旋转磁体的圆筒形本体的第一端延伸到第二端的第一半圆筒132和第二半圆筒134。第一半圆筒132和第二半圆筒134分别对应于可旋转磁体的北极和南极。
第二磁体组件117还包括第二驱动组件144，所述第二驱动组件用于使第二多个可旋转磁体142在第二多个固定磁体138之间的槽126内转动、允许由第二磁体组件117生成的磁场发生变化。第二驱动144组件使可旋转磁体142在第一位置和第二位置之间逆时针转动，在第一位置中，磁场被增强，并且在第二位置中，转子或定子中的磁场被抵消。使可旋转磁体142的北极朝着面向转子芯部114外侧的固定北极磁体122的中心径向平面旋转使电机100的磁场增强。相反，使可旋转磁体142的北极朝着面向转子芯部114外侧的固定南极磁体124的中心径向平面旋转使磁场的强度减小到接近于零(例如，接近于零(0)高斯)，允许转子组件108在宽高斯输出范围内变化磁场。可旋转磁体142的旋转可以以高达180度的增量反转使得圆形磁体的相应的北极和南极面向极性相反的固定磁体的径向平面。
在本实施例中，第一磁体组件116和第二磁体组件117彼此相邻。第一磁体组件和第二磁体组件以交替顺序布置。具有面向外朝向定子组件106的北极122的第一多个固定磁体118与第二多个固定磁体138中具有面向外朝向定子组件106的南极124的固定磁体相邻。类似地，第一多个磁体118中具有面朝定子组件106的南极124的固定磁体与第二多个固定磁体138中具有面朝定子组件106的北极122的固定磁体相邻。
图10和图11图示出第一多个可旋转磁体120中的可旋转磁体被联接到第二多个可旋转磁体142中的可旋转磁体，形成多个可旋转磁体组件146。可旋转磁体组件具有第一侧132和第二侧134。来自第一多个可旋转磁体120的可旋转磁体可具有设置在可旋转磁体组件的第一侧132处的磁北极和设置在可旋转磁体组件的第二侧134处的南极。来自第二多个可旋转磁体142的可旋转磁体可具有设置在可旋转磁体组件的第一侧132处的南极和设置在相应磁体组件的第二侧134处的北极。每隔一个的可旋转磁体组件都会相对于沿着转子组件108的环形布置结构119和140的下一个可旋转磁体组件成180度旋转角度定位。
在实施例中，第一可旋转磁体组件120和第二可旋转磁体组件142中的每一个都包括具有行星齿轮148的驱动组件。相应的第一驱动组件136和第二驱动组件144还包括通过传动齿轮154接合到原动装置152的环形齿轮150。原动装置152可以是步进电动机、液压活塞或本领域已知的任何其它径向或直线运动装置。本发明的不同实施例可在转子组件的各侧上包括一个以上原动装置。环形齿轮150连接到行星齿轮148。如在图10上所见，原动装置152使传动齿轮154转动，所述传动齿轮使环形齿轮150旋转以转动行星齿轮148。行星齿轮148使每个相应的可旋转磁体组件能够在多个可旋转固定磁体118和138之间的槽126内转动所述多个可旋转磁体120和146。在替代实施例中，可通过不同于环形齿轮的其它传动器具/手段来转动在可旋转磁体120的端部处的轴齿轮123，包括但不限于将所有圆轴齿轮123啮合在一起使得在固定磁体118的任一侧上的交替的可旋转磁体120以交替的次序顺时针和逆时针旋转。
主轴104可成形为支撑一个或多个原动装置152。原动装置152可以以相对于主轴104的纵向轴线并行地面向前和面向后的方式定位，具体取决于在电机100的不同实施例中所使用的原动装置152的数量。主轴104还可支撑被使用来控制一个或多个原动装置的不同电子装置，这样的电子装置比如但不限于印刷电路板(PCB)、功率转换器、它们的组合等等。主轴104可还包括旋转位置指示器，该旋转位置指示器可定位在主轴104的端部处。
图13示出了处在安装支架156内的壳体102的不同实施例。安装支架156(在图14中示出)借助在主轴104的两侧处的轴承158可旋转地连接到主轴104。该配置构造允许壳体102具有相对于安装支架156的自由旋转移动。轴104包括具有位置传感器159和无线通信装置的端帽157。位置传感器159测量电机的RPM，并且无线通信装置与每个原动装置152通信并发射命令到每个原动装置。安装支架156的另一种可行的配置构造包括但不限于完全封闭的护罩。这种围封护罩式安装支架(未示出)将会保护电机免受环境污染物和天气条件的影响。
如图14中所示，安装支架156可包括转矩传感器，所述转矩传感器比如但不限于两个负荷传感器160，所述负荷传感器在电机壳体102的两侧每侧上安装。负荷传感器160可测量张力或压缩来确定沿任一方向的电机转矩。可在其它测量参数(例如，rpm等)的基础上使用该转矩测量结果来确定电机100的功率输入或输出。
电机100的第二实施例在图13至图22中图示出。在电机的该第二实施例中，转子302包括单个磁体组件304。图19和图20示出了多个固定磁体306。I形固定磁体绕着转子环的周缘布置并固定到常规的叠层板307。每个固定磁体306包括北极和南极，所述北极和南极绕着转子环的周缘交替地面向从转子302的中心轴线径向向外。多个可旋转磁体308位于固定磁体306之间的槽310内。槽310可涂覆有减摩涂层，比如TeflonTM或DelrinTM类材料或其它减少表面之间摩擦的聚合物。
在固定磁体306的两侧各侧上的可旋转磁体308被设计成沿彼此相反(优选地但不限于约180度)的方向旋转。可旋转磁体308借助固定连接到可旋转磁体端部的链轮齿312被旋转，驱动组件314还包括两个环形齿轮316和318以及原动装置320。环形齿轮316和318中的每一者包括在其外圆周上的齿，所述齿分别使在每隔一个的可旋转磁体308上的链轮齿312转动。在该实施例中，第一环形齿轮316沿顺时针方向转动第一组可旋转磁体，而第二环形齿轮318沿逆时针方向旋转第二组可旋转磁体。环形齿轮316和318继而又借助绕着每个环形齿轮的内圆周的齿以可旋转的方式连接到相应的原动装置320。不同的实施例可改变第一和第二环形齿轮旋转的方向。
本公开中所引述的实施例可还包括围绕转子芯部322的磁性金属叠片，作为将多个固定磁体固定到转子环的磁体固定帽324，如图9中所示的。各磁体固定帽324可彼此切向隔开一间隙325，以使组合的转子组件108的可变强度磁场径向向外朝向定子组件106集中。在不同实施例中，磁体固定帽也可在各北极和南极之间连续地定位而未隔开一间隙。磁性金属叠片可以是磁铁，但也可由不同的铁磁性材料制成。定子芯部材料可以是磁铁、另一种磁性材料、非磁性材料(例如铝等)或者磁性材料和非磁性材料的任何组合。
定子芯部材料可以是磁铁、另一种磁性材料、非磁性材料(例如铝等)或者磁性材料和非磁性材料的任何组合。本发明的不同实施例可包括围绕多个可旋转磁体的金属外壳326。外壳326可由不锈钢或其它金属合金制成。
在其它实施例中，电机100可包括不同深度、形状和尺寸的固定磁体。在其它实施例中，固定磁体也可以以不同的距离相互间隔开，以便将可旋转磁体装配在它们之间来使定子线圈中产生可变的磁场和期望的电流感应。在其它实施例中，可旋转磁体的形状可以是圆柱形的，具有与固定磁体的深度有关的、将使定子线圈中产生可变磁场和期望电流感应的直径。
在其它实施例中，电机100可包括设置在壳体内的转子，该转子具有支撑多个绕组的转子芯部。转子组件可联接到主轴，并可配置为相对于定子组件旋转。定子组件可包括具有至少一个磁体组件的定子芯部，该至少一个磁体组件具有根据本公开的可调Halbach阵列配置构造。
将理解的是，术语“定子”在本文中被使用来描述定位有电线线圈的电机元件，所述电线线圈中因永磁体的磁场而感应电流或被其它源馈入电流以产生磁场EMF来与永磁体的磁场相互作用。这可以是电动机、发电机或包括线性感应电动机在内的线性电动机。
尽管主题已以针对结构特征和/或过程操作的语言被描述，然而理解的是，所附权利要求书中所限定的主题不一定限于以上所描述的特定特征或动作。更确切地说，以上所描述的特定特征和动作被作为实施权利要求的示例形式公开。

Claims (20)

1.一种电机，包括：
磁体组件，所磁体组件用于在转子或定子中具有承载电流的多个电线绕组的一者中生成磁场，所述磁体组件包括：
设置成环形布置结构的多个固定磁体，所述固定磁体中的每个具有北极和南极并在环形布置结构内布置成使得，具有面朝转子或定子的北极的固定磁体与具有面朝转子或定子的南极的固定磁体交替且在它们之间形成槽；
多个能够旋转的磁体，每个能够旋转的磁体具有北极和南极并在具有面朝转子或定子的北极的固定磁体与具有面朝转子或定子的南极的固定磁体之间形成的相应的槽内设置成使得，所述能够旋转的磁体能够在所述槽内旋转；以及
驱动组件，所述驱动组件用于使所述能够旋转的磁体在所述槽内转动以改变磁体组件在转子或定子中生成的磁场，所述驱动组件配置为使所述能够旋转的磁体在第一位置和第二位置之间转动，在所述第一位置中，转子或定子中的磁场被加强，并且在所述第二位置中，转子或定子中的磁场被抵消。
2.如权利要求1所述的电机，其中，所述固定磁体中的相应各者为大体I形的、具有凹形弯曲的侧部，使得在每对固定磁体之间形成的槽为大体圆筒形的，所述固定磁体具有多个磁体固定帽，所述磁体固定帽使转子组件的磁场朝向定子组件集中。
3.如权利要求2所述的电机，其中，所述能够旋转的磁体中的相应各者包括具有第一端和第二端的大体圆筒形的本体，所述圆筒形的本体包括第一半圆筒和第二半圆筒，第一半圆筒包括所述能够旋转的磁体的北极，并且第二半圆筒包括所述能够旋转的磁体的南极，第一半圆筒和第二半圆筒从所述第一端延伸到所述第二端。
4.如权利要求1所述的电机，还包括第二磁体组件，所述第二磁体组件包括：
第二多个固定磁体，所述第二多个固定磁体绕着转子芯部的外面隔开、成第二环形布置结构，第二多个固定磁体中的每个固定磁体具有北极和南极、在所述第二环形布置结构内布置成使得具有面朝定子组件的北极的固定磁体与具有面朝定子组件的南极的固定磁体交替而在它们之间形成槽；
第二多个能够旋转的磁体，所述第二多个能够旋转的磁体中的相应各者能够旋转的磁体具有北极和南极并且在具有面朝定子组件的北极的固定磁体与具有面朝定子组件的南极的固定磁体之间形成的相应的槽内设置成使得，所述能够旋转的磁体能够在所述槽内旋转；
其中，所述驱动组件被配置用于使所述第二多个能够旋转的磁体中的各能够旋转的磁体在所述第二多个固定磁体中形成的各槽内转动以改变定子组件中的磁场，所述驱动组件配置为使所述能够旋转的磁体在第一位置和第二位置之间转动，在所述第一位置中，定子组件中的磁场被加强，并且在所述第二位置中，定子组件中的磁场被抵消。
5.如权利要求4所述的电机，其中，所述第二磁体组件与所述第一磁体组件相邻使得，所述第一多个固定磁体中具有面朝定子组件的北极的固定磁体与所述第二多个磁体组件中具有面朝定子组件的南极的固定磁体相邻，并且所述第一多个磁体中具有面朝定子组件的南极的固定磁体与所述第二多个磁体中具有面朝定子组件的北极的固定磁体相邻。
6.如权利要求5所述的电机，其中，所述第一多个能够旋转的磁体中的能够旋转的磁体与所述第二多个能够旋转的磁体中的能够旋转的磁体联接在一起而形成能够旋转的磁体组件。
7.如权利要求6所述的电机，其中，所述能够旋转的磁体组件中的相应各者具有第一侧和第二侧，其中，所述第一多个能够旋转的磁体中的能够旋转的磁体具有设置在所述第一侧处的北极和设置在所述第二侧处的南极，并且所述第二多个能够旋转的磁体中的能够旋转的磁体具有设置在所述第一侧处的南极和设置在所述第二侧处的北极。
8.如权利要求7所述的电机，其中，每隔一个的能够旋转的磁体组件相对于余留的能够旋转的磁体组件成一百八十度的旋转定位。
9.如权利要求8所述的电机，其中，所述固定磁体中的相应各者为大体I形的、具有凹形弯曲的侧部，使得所形成的槽为大体圆筒形的。
10.如权利要求9所述的电机，其中，所述第一多个能够旋转的磁体和第二多个能够旋转的磁体中的相应各者能够旋转的磁体包括具有第一端和第二端的大体圆筒形的本体。
11.一种电机，包括：
壳体；
设置在壳体中的轴，所述轴由至少一个轴承组件支撑使得轴能够相对于电机壳体旋转；
设置在电机壳体内的定子组件，所述定子组件包括定子芯部和由定子芯部支撑的多个电线绕组；
转子组件，所述转子组件联接到所述轴并配置为相对于定子组件旋转以转动所述轴，所述转子组件包括；
转子芯部，所述转子芯部具有大体圆筒形的外面，
磁体组件，所述磁体组件用于在定子组件中生成磁场，所述磁体组件包括：
多个固定磁体，所述多个固定磁体绕着转子芯部的外面隔开、成环形布置结构，每个固定磁体具有北极和南极并且在所述环形布置结构中布置成使得，具有面朝定子组件的北极的固定磁体与具有面朝定子组件的南极的固定磁体交替而在它们之间形成槽，以及
多个能够旋转的磁体，每个能够旋转的磁体具有北极和南极并在具有面朝定子组件的北极的固定磁体与具有面朝定子组件的南极的固定磁体之间形成的相应的槽内设置成使得，所述能够旋转的磁体能够在所述槽内旋转；以及
驱动组件，所述驱动组件用于使所述能够旋转的磁体中的相应各者在槽内转动以改变定子组件中的磁场，所述驱动组件配置为使所述能够旋转的磁体在第一位置与第二位置之间转动，在所述第一位置中，定子组件中的磁场被加强，并且在所述第二位置中，定子组件中的磁场被抵消。
12.如权利要求11所述的电机，其中，所述固定磁体中的相应各者为大体I形的、具有凹形弯曲的侧部，使得所形成的槽为大体圆筒形的。
13.如权利要求12所述的电机，其中，所述能够旋转的磁体中的相应各者包括具有第一端和第二端的大体圆筒形的本体，该圆筒形的本体包括第一半圆筒和第二半圆筒，第一半圆筒包括所述能够旋转的磁体的北极，并且第二半圆筒包括所述能够旋转的磁体的南极，第一半圆筒和第二半圆筒从所述第一端延伸到所述第二端。
14.如权利要求11所述的电机，其中，所述能够旋转的磁体中的相应各者包括行星齿轮，并且其中，所述驱动组件包括与所述行星齿轮接合的环形齿轮和具有与所述环形齿轮接合的传动齿轮的原动装置，其中，所述原动装置转动所述传动齿轮，使所述环形齿轮旋转以转动行星齿轮，使所述能够旋转的磁体在槽内旋转。
15.如权利要求11所述的电机，还包括第二磁体组件，所述第二磁体组件包括：
第二多个固定磁体，所述第二多个固定磁体绕着转子芯部的外面隔开、成第二环形布置结构，所述第二多个固定磁体中的每个固定磁体具有北极和南极、在所述第二环形布置结构内布置成使得具有面朝定子组件的北极的固定磁体与具有面朝定子组件的南极的固定磁体交替而在它们之间形成槽；
第二多个能够旋转的磁体，所述第二多个能够旋转的磁体中的相应各者能够旋转的磁体具有北极和南极并在具有面朝定子组件的北极的固定磁体与具有面朝定子组件的南极的固定磁体之间形成的相应的槽内设置成使得，所述能够旋转的磁体能够在所述槽内旋转；
其中，所述驱动组件配置用于使所述第二多个能够旋转的磁体中的各能够旋转的磁体在所述第二多个固定磁体中形成的各槽内转动以改变定子组件中的磁场，所述驱动组件配置为使所述所述能够旋转的磁体在第一位置和第二位置之间转动，在所述第一位置中，定子组件中的磁场被加强，并且在所述第二位置中，定子组件中的磁场被抵消。
16.如权利要求15所述的电机，其中，所述第二磁体组件与所述第一磁体组件相邻使得，所述第一多个固定磁体中具有面朝定子组件的北极的固定磁体与所述第二多个固定磁体中具有面朝定子组件的南极的固定磁体相邻，并且所述第一多个磁体中具有面朝定子组件的南极的固定磁体与所述第二多个磁体中具有面朝定子组件的北极的固定磁体相邻。
17.如权利要求16所述的电机，其中，所述第一多个能够旋转的磁体中的能够旋转的磁体与所述第二多个能够旋转的磁体中的能够旋转的磁体联接在一起而形成能够旋转的磁体组件。
18.如权利要求17所述的电机，其中，所述能够旋转的磁体组件中的相应各者具有第一侧和第二侧，其中，所述第一多个能够旋转的磁体中的能够旋转的磁体具有设置在所述第一侧处的北极和设置在所述第二侧处的南极，并且所述第二多个能够旋转的磁体中的能够旋转的磁体具有设置在所述第一侧处的南极和设置在所述第二侧处的北极。
19.如权利要求18所述的电机，其中，每隔一个的能够旋转的磁体组件相对于余留的能够旋转的磁体组件成一百八十度的旋转定位。
20.如权利要求19所述的电机，其中，所述固定磁体中的相应各者为大体I形的、具有凹形弯曲的侧部，使得所形成的槽为大体圆筒形的，并且其中，所述第一多个能够旋转的磁体和第二多个能够旋转的磁体中的相应各者能够旋转的磁体包括具有第一端和第二端的大体圆筒形的本体。
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