CN115298952A - 电动机 - Google Patents

Abstract

定子限定了具有相关联的电绕组的多个定子极。转子包括多个转子极。转子相对于定子可移动，并与定子一起限定了定子极与转子极之间的标称间隙。转子极包括导磁极材料。转子还包括一系列频率可编程磁通通量(FPFC)。每个FPFC包括围绕相关联的转子极的导电回路。定子和转子被布置为使得定子中的电绕组在启动期间感应FPFC中的至少一个FPFC内的激励电流。

Description

电动机

技术领域

本公开涉及电动机和此类电机的操作。

背景技术

电动机性能可以被表征的方式中的两种方式是其扭矩/力和其输出功率。旋转电机的输出功率是电机生成的扭矩与其输出轴的角速度的乘积。对于线性电机，输出功率是线性力与速度的乘积。常规地，有两种主要方法来直接提高电机性能：(1)通过增加电机的尺寸以及(2)通过在电机自身内部创建更强的磁场。虽然电机的最终尺寸限制了其特定的有用应用，但增加磁场从而增加电磁力可被视为实现更好的电机性能和电机技术的更广泛应用的关键。

发明内容

本公开的各个方面的特征在于具有设置在无源极周围的频率可编程磁通通道(FPFC)的电机，以改变磁通的路径并反射在操作中产生的磁通，以提供与运动方向对准的磁感应原动力的更大分量(以提供有用的扭矩和/或线性力)。

本公开内描述的主题的示例实现方式是具有以下特征的电气机器。定子限定了具有相关联的电绕组的多个定子极。转子包括多个转子极。转子相对于定子可移动，并与定子一起限定了定子极与转子极之间的标称间隙。转子极包括导磁极材料。转子还包括一系列频率可编程磁通通量(FPFC)。每个FPFC包括围绕相关联的转子极的导电回路。

本公开内描述的主题的示例实现方式是具有以下特征的电气机器。定子被配置为生成受控磁场。转子被配置为响应于受控磁场相对于定子移动。转子与定子一起限定了转子表面与定子表面之间的标称间隙。转子包括导磁极材料。转子包括可由定子产生的受控磁场控制的可变磁动势源。

本公开内描述的主题的示例实现方式是具有以下特征的电机控制方法。当定子极与转子极跨标称间隙对准时，磁化电流脉冲随时间施加到定子极的定子线圈。磁化电流被配置为通过感应耦合对转子极内的磁场充电。当转子极被定位在相邻的定子极之间时，随时间脉冲的负载电流被施加到定子线圈。负载电流脉冲加强转子极内的磁场。脉冲负载电流每时间增量包括比脉冲磁化电流更多的脉冲。

本公开内描述的主题的示例实现方式是具有以下特征的电机控制方法。电气机器的转子极通过转子极周围的电流进行磁硬化。电流由流过定子线圈的电流感应。转子相对于定子的运动由流过定子线圈的电流和绕转子极流动的电流产生的电动势引起。

本公开内描述的主题的示例实现方式是一种启动三相电动机的方法。该方法具有以下特征。直流电流流过与定子绕组的相相关联的定子绕组长达一持续时间。然后，通过与该相相关联的定子绕组将反向直流电流脉冲长达第二持续时间。

本公开内描述的主题的示例实现方式是一种驱动电动机的方法。该方法具有以下特征。电转子的平均磁通主要通过来自定子的波形激励而增加。

先前描述的实现方式可包括以下特征中的一些、全部或无一。

定子和转子被布置为使得定子中的电绕组在启动期间在FPFC中的至少一个FPFC内激励电流。

定子和转子被布置为使得定子中的电绕组在启动期间磁化转子极中的至少一个转子极。

FPFC的激励电流在操作期间由定子中的电绕组产生。

导电回路包括比转子芯材料更导电的材料。

导电回路包括比转子芯材料更不导磁的材料。

FPFC中的每个FPFC不与相邻的FPFC重叠。

导电回路包括基本均匀的电感。基本均匀的电感可以在径向方向上。

导电回路包括至少一匝短路的导电材料。

导电回路包括短路的利兹导线。

导电回路内的各个导体的厚度足够小，以用于驱动频率的全趋肤效应穿透。驱动频率可以在0赫兹与20赫兹之间。驱动频率在100赫兹和2000赫兹之间延伸，或超过20000赫兹。

导电回路包括与导电回路的两个端部串联的整流器。整流器可包括二极管。二极管可以是p-n结二极管。二极管可以是肖特基二极管。肖特基二极管可以是碳化硅二极管。二极管可以是气体二极管。二极管可以是齐纳二极管。

导电回路包括与导电回路的两个端部串联的分立电容器。电容器可与二极管并联连接。

导电回路包括与导电回路的两个端部串联的逻辑电路。逻辑电路可以包括晶体管。晶体管可以包括场效应晶体管、双栅极场效应晶体管或双极结晶体管。

导电回路是第一导电回路，每个FPFC进一步包括第二导电回路、相关联的转子极和与第一转子极相邻的附加转子极。第二导电回路可以包括比转子芯材料更导电的材料。第二导电回路可以包括比转子芯材料更不导磁的材料。第一导电回路可以包括第一基本均匀的电感，第二导电回路可以包括第二基本均匀的电感。第二基本均匀的电感可以在径向方向上。第二基本均匀的电感可以基本上类似于第一基本均匀的电感。第二导电回路可以包括至少一匝短路的导电材料。第二导电回路可以包括短路的利兹导线。第二导电回路内的各个导体的厚度足够小，以用于驱动频率的全趋肤效应穿透。第二导电回路可围绕与第一转子极相邻的第三附加转子极。第二导电回路可以包括与第二导电回路的两个端部串联的逻辑电路。逻辑电路可以包括晶体管。晶体管可以包括场效应晶体管、双栅极场效应晶体管或双极结晶体管。第二导电回路可以包括与导电回路的两个端部串联的整流器。整流器可包括二极管。二极管可以是p-n结二极管。二极管可以是肖特基二极管。肖特基二极管可以是碳化硅二极管。二极管可以是齐纳二极管。二极管可以是气体二极管。第二导电回路可以包括与导电回路的两个端部串联的分离电容器。电容器可与二极管并联连接。

转子周向地围绕定子。

定子周向地围绕转子。

转子和定子由轴向间隙分开。

电气机器是电机。

转子极中的每个转子极包括具有非零剩磁的材料。

控制器被配置为当定子极与转子极跨标称间隙对准时，随时间将磁化电流脉冲施加到定子极的定子线圈。磁化电流被配置为通过感应耦合对转子极内的磁场充电。控制器被配置为当转子极被定位在相邻的定子极之间时，将随时间脉冲的负载电流施加到定子线圈。负载电流脉冲加强转子极内的磁场。脉冲负载电流每时间增量包括比脉冲磁化电流更多的脉冲。

转子进一步包括永磁通道。永磁通道可位于相应的转子极处。永磁通道可位于FPFC与定子之间。永磁通道可位于转子的背铁内。永磁通道可以包括铁氧体。永磁通道可以包括SmFeN。永磁通道可以包括N35。永磁通道可以包括N45。

转子包括从转子的中心轴线延伸的多个永磁辐条。辐条可被定位在FPFC之间。

磁化电流作为随时间变化的单个电流脉冲施加。单个电流脉冲可以包括半正弦波。单个电流脉冲可以包括半正弦波。单个电流脉冲可以包括半梯形波。施加磁化电流可以将转子极强耦合到定子极。

当转子从第一极旋转到第二极时，脉冲负载电流随时间作为多个电流脉冲施加。多个电流脉冲可以包括半正弦波。多个电流脉冲可以包括半方波。多个电流脉冲可以包括半梯形波。多个电流脉冲可以包括全正弦波。多个电流脉冲可以包括全方波。多个电流脉冲可以包括全梯形波。多个电流脉冲不是转子速度的函数。多个电流脉冲在5赫兹至10赫兹之间施加。

在峰值负载状态期间，转子磁通保持在期望范围内。期望范围可以在50％-100％范围内变化。期望范围可以在65％-100％范围内变化。期望范围可以在80％-100％范围内变化。

定子包括永磁体通道。控制方法进一步包括调整永磁体通道内的视磁强度。永磁体通道可以包括铁氧体。

转子包括永磁体辐条。控制方法进一步包括调整永磁体通道内的视磁强度。

可变磁动势源包括一系列频率可编程磁通通道(FPFC)。每个FPFC包括围绕相关联的转子极的导电回路。FPFC的激励电流在启动期间由定子中的电绕组产生。

电转子与波形同步旋转。

增加平均磁通包括当定子极与转子极跨标称间隙对准时，将磁化电流施加到定子极的定子线圈。磁化电流被配置为加强转子极内的磁场。

当转子极被定位在相邻的定子极之间时，脉冲负载电流被施加到定子线圈。脉冲负载电流被配置为向转子感应原动力。脉冲负载电流包括比磁化电流更多的脉冲。

电气机器的转子极磁性软化。磁软化可以包括改变由流过定子的电流产生的激励波形，以允许转子极内的磁衰减，或调整转子极内的控制电路。

转子极响应于正弦驱动频率而磁硬化。

直流电流流动长达9毫秒，反向直流电流被脉冲长达1毫秒。

直流电流的持续时间与脉冲反向电流的持续时间的比率为1:1至100:1。直流电流的持续时间与脉冲反向电流的持续时间的比率为5:1至15:1。直流电流的持续时间与脉冲反向电流的持续时间的比率为9:1。

转子响应于直流电流的流动和反向直流电流的脉冲而旋转。然后，交流电流流过定子绕组的相。

如本文使用的，术语“电动机”还包括从机械功率产生电功率的发电机。

“标称间隙”是指定子(或有源磁性部件)极和转子(或无源磁性部件)极的相对移动表面之间的间隙，在电机操作期间，间隙磁通穿过该间隙延伸，以在转子(或无源磁性部件)上感应力。我们使用术语“有源磁性部件”来指代电机的一部分，该部分包括与相应的导磁结构相关联的电绕组，其中磁通由绕组中流动的电流生成，其目的通常包括直接将功率传输到机器中或从机器中输出。“有源磁性部件”的极也称为“有源极”。电绕组通常将与相对应的有源极保持固定关系。绕线定子是有源磁性部件的示例。我们使用术语“无源磁性组件”来指代电机的一部分，在该部分上，由有源磁性部件生成的磁通感应原动力以穿过标称间隙延伸到无源磁性部件中。“无源磁性部件”的极也称为“无源极”。无绕组转子是无源磁性部件的示例。标称间隙可以是径向的(如在径向间隙电机中)或者是轴向的(如轴向间隙电机中)，并且可以填充有空气或其他气体，甚至是液体，诸如冷却剂。

“磁通屏障”是指限定至少一个导电路径的结构，在该至少一个导电路径中，电流由变化的磁场感应。通常，涡流将在磁通屏障中被感应，导致即将到来的磁场的破坏性干扰，使得磁通屏障有效地起到抑制电机操作期间磁通变化的作用，在一些情况下，这将导致将起到增加无源极上的感应原动力的作用的排斥力。更具体地，磁通屏障允许零磁通通过。磁通屏障的示例在2019年8月7日提交的申请号16/534,217中有所描述，该申请要求2019年8月7日申请的临时申请号62/715,386的优先权，这两个申请均通过引用并入本文。

“频率可编程磁通通道”(FPFC)是指限定至少一个转子极的至少极分段周围的至少一个导电路径的结构，其中导电路径具有基本均匀的电感。在一些实现方式中，导电路径完全环绕至少一个转子极。在一些情况下，定子极也可被环绕。在一些情况下，导电回路可以是不重叠的。通常，电流将在导电路径中被感应，以抵抗其相对应的极的磁通密度的变化。这会产生反射或电阻磁场，使得FPFC可以在操作期间可控地衰减磁通的变化，在一些情况下，这将导致将起到增加无源极上的感应原动力的作用的排斥力。更具体地，与磁通屏障相反，FPFC允许零磁通或非零磁通响应于从定子绕组接收到的控制频率而通过。

“磁通钉扎”是指磁通位置的拓扑移动的阻力。换句话说，磁通被引导通过通常在转子的齿或定子的齿内的特定位置。

“电导率”是指材料导电的习性。对于电流被限制在主方向上流动的结构(诸如导线)，我们指的是该主方向上的电导率。

“彼此电隔离”是指磁通屏障内的电势的欧姆电阻至少比磁通屏障之间的欧姆电阻小10倍。也就是说它们在铁磁性材料外部彼此隔离并不排除它们通过层的铁磁性材料进行电通信。事实上，在许多情况下，磁通屏障通过铁磁性材料电连接。

“导电性”是指在典型电机操作电压下，材料或结构的导电性至少与无定形碳相同，或具有大于1000西门子/米的导电性。导电材料的示例包括银、铜、铝、镍、铁和电工钢(晶粒取向的或其他)。非导体材料的示例包括非填充树脂、空气、木材和棉花。我们使用术语“绝缘体材料”来指代非导电的或不导电的材料。

“有限宽度”是指该层具有相对的边缘并且，例如，不围绕转子的整个圆周(或不沿着线性无源磁性部件的整个长度)延伸。

类似地，“有限厚度”是指该层延伸到有限深度并且，例如，不完全延伸穿过转子。

“电流趋肤深度”是指电流主要流动的导体表面的深度，特别是由给定频率变化的磁场感应的涡流。对于给定材料，趋肤深度可被计算为：

其中“f”是磁开关频率，μ是材料的磁导率(单位为H/mm)，σ是材料的电导率(单位为％AICS)。

“磁导率”通常指材料支持磁场形成的能力。材料的磁导率可以根据ASTM A772确定。当我们说材料是“导磁的”时，我们是指其具有至少1.3×10^-6亨利/米的磁导率。

“可透射范围”是指在静态频率条件下测量(例如，在所施加的场的至少5个周期内对给定频率进行磁导率测量)的磁导率相对于60hz处的磁导率下降不超过10db的频率范围。

本公开内描述的若干个特征包括频率可编程磁通通道(FPFC)，以提高(例如，在高扭矩和功率密度下的)电动机的性能。磁通屏障具有动态(或瞬态)抗磁性。通过在电机中利用FPFC，通过将磁通引导得更切向可实现显著的扭矩增益，其中磁场通过沿切向方向重定向径向力(或法向力)而改变。也就是说，在传统电机设计中的主导力矢量基本上是径向的情况下，操作期间的平均力矢量基本上更切向。

FPFC的磁导率可以(例如，通过使电流脉冲通过有源极的电绕组)通过调整FPFC中感应电流的磁频率来控制。这样，电动机在不同的磁频率下可以具有显著不同的磁特性：在低频率下，FPFC的特性是铁磁的；在中到高操作频率下，磁通屏障的磁导率可以小于空气的磁导率，并且FPFC的特性可以是抗磁性的。

本文描述的一些实现方式还可以创建高电抗电路，其中磁场不渗透穿过电磁循环，而是基本上被反射。这可以减少或消除通量边缘。与传统的永磁(PM)电机不同，在设计中利用FPFC的电机中，降低的磁通渗透到FPFC中，这可以避免操作期间的退磁(矫顽力)和过热。此外，FPFC可在操作期间取决于定子绕组所赋予的频率而产生磁场，因此在某些条件下，FPFC可以像PM电机一样工作，从而允许使用能量较低的永磁性材料，或在一些情况下允许能量较低的永磁性材料被完全消除。

本公开的各方面可应用于各种类型的电机以改善其性能。电机可以是径向间隙电机或轴向间隙电机或线性电机。例如，电机可以是开关磁阻电机(SRM)、感应电机(IM)或永磁电机(PM)。

本文公开的各种实现方式可以提供具有显著扭矩/力和功率密度的特别高的电机性能，并且可以用于为推进车辆以及在静止系统中提供基本平滑和高效的输出轴功率。设计概念可以通过增加电机本身的凸极比率更有效地增加扭矩和功率，从而避免以牺牲一个为代价来利用另一个的一些传统权衡。由于避免了永磁电机在无源条件下可能发生的磁断开，该电机还可以在循环操作期间获得更高的系统效率。

在以下所附附图和描述中阐述一个或多个实施方式的细节。根据说明书和附图以及根据权利要求书，其他特征、目的以及优点将显而易见。

附图说明

图1是电驱动系统的示例的示意图。

图2A是包括功率开关的电机控制器的示意图。

图2B是用于电绕组的示例功率开关的示意图。

图2C是包括功率开关的电机控制器的示意图。

图3A是与包括FPFC的转子极对准的定子极的示意图。

图3B是在对准期间转子极充电的示意图。

图3C是与包括FPFC的转子极未对准的定子极的示意图。

图3D是未对准期间转子硬化的示意图。

图4A-图4C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源频率可编程磁通通道(FPFC)的视图。

图5A是使用图4A-图4C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视图。

图5B是使用图4A-图4C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面图。

图5C是使用图4A-图4C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面横截面图。

图5D是使用图4A-图4C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视横截面图。

图6A-图6C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源FPFC的视图。

图7A是使用图6A-图6C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视图。

图7B是使用图6A-图6C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面透视图。

图7C是使用图6A-图6C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面横截面图。

图7D是使用图6A-图6C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视横截面图。

图8A-图8C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源FPFC的视图。

图9A是使用安装在转子上的永磁体后面的图8A-图8C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视图。

图9B是使用安装在转子上的永磁体后面的图8A-图8C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面图。

图9C是使用安装在转子上的永磁体后面的图8A-图8C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面横截面图。

图9D是使用安装在转子上的永磁体后面的图8A-图8C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视横截面图。

图10A-图10C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源FPFC的视图。

图11A是使用图10A-图10C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视图。

图11B是使用图10A-图10C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面图。

图11C是使用图10A-图10C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面横截面图。

图11D是使用图10A-图10C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视横截面图。

图12A-图12C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源FPFC的视图。

图13A是使用图12A-图12C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视图。

图13B是使用图12A-图12C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面图。

图13C是使用图12A-图12C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面横截面图。

图13D是使用图12A-图12C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视横截面图。

图14A-图14C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源FPFC的视图。

图15A是使用图14A-图14C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视图。

图15B是使用图14A-图14C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面图。

图15C是使用图14A-图14C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面横截面图。

图15D是使用图14A-图14C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视横截面图。

图16A是具有图14A-图14C所示的无源FPFC的转子的透视图。

图16B是图16A所示的转子的平面横截面图。

图17A是具有安装在转子上的永磁体后面的示例无源FPFC的电动机的透视图。

图17B是图17A所示的电动机的一部分的平面图。

图17C是图17A所示的电动机的一部分的平面横截面图。

图17D是图17A所示的电动机的一部分的透视横截面图。

图18是具有示例无源FPFC的示例电动机的透视图。

图19A-图19C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源FPFC的视图。

图20A是使用图19A-图19C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视图。

图20B是使用图19A-图19C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面图。

图20C是使用图19A-图19C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面横截面图。

图21A-图21C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源FPFC的视图。

图22A是使用图21A-图21C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视图。

图22B是使用图21A-图21C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面图。

图22C是使用图21A-图21C所示的无源FPFC的电动机的一部分的平面横截面图。

图22D是使用图21A-图21C所示的无源FPFC的电动机的一部分的透视横截面图。

图23A-图23C是可与本公开的各方面一起使用的示例整流FPFC的视图。

图24A是使用图23A-图23C所示的整流FPFC的电动机的一部分的透视图。

图24B是使用图23A-图23C所示的整流FPFC的电动机的一部分的平面图。

图24C是使用图23A-图23C所示的整流FPFC的电动机的一部分的平面横截面图。

图24D是使用图23A-图23C所示的整流FPFC的电动机的一部分的透视横截面图。

图25A-图25C是可与本公开的各方面一起使用的示例整流FPFC的视图。

图26A是使用图25A-图25C所示的整流FPFC的电动机的一部分的透视图。

图26B是使用图25A-图25C所示的整流FPFC的电动机的一部分的平面图。

图26C是使用图25A-图25C所示的整流FPFC的电动机的一部分的平面横截面图。

图26D是使用图25A-图25C所示的整流FPFC的电动机的一部分的透视横截面图。

图27A-图27C是可与本公开的各方面一起使用的示例整流FPFC的视图。

图28A是使用图27A-图27C所示的整流FPFC的电动机的一部分的透视图。

图28B是使用图27A-图27C所示的整流FPFC的电动机的一部分的平面图。

图28C是使用图27A-图27C所示的整流FPFC的电动机的一部分的平面横截面图。

图28D是使用图27A-图27C所示的整流FPFC的电动机的一部分的透视横截面图。

图29A-图29C是可与本公开的各方面一起使用的示例整流FPFC的视图。

图30A是使用图29A-图29C所示的整流FPFC的电动机的一部分的透视图。

图30B是使用图29A-图29C所示的整流FPFC的电动机的一部分的平面图。

图30C是使用图29A-图29C所示的整流FPFC的电动机的一部分的平面横截面图。

图31A是具有安装在转子上的永磁体后面的示例整流FPFC的电动机的透视图。

图31B是图31A所示的电动机的一部分的平面图。

图31C是图31A所示的电动机的一部分的平面横截面图。

图32A-图32C是可与本公开的各方面一起使用的示例整流FPFC的视图。

图33A是使用图32A-图32C所示的整流FPFC的电动机的一部分的透视图。

图33B是使用图32A-图32C所示的整流FPFC的电动机的一部分的平面图。

图33C是使用图32A-图32C所示的整流FPFC的电动机的一部分的平面横截面图。

图33D是使用图32A-图32C所示的整流FPFC的电动机的一部分的透视横截面图。

图34A-图34C是可与本公开的各方面一起使用的示例整流FPFC的视图。

图35A是使用图34A-图34C所示的FPFC的电动机的一部分的透视图。

图35B是使用图34A-图34C所示的FPFC的电动机的一部分的平面图。

图35C是使用图34A-图34C所示的FPFC的电动机的一部分的平面横截面图。

图35D是使用图34A-图34C所示的FPFC的电动机的一部分的透视横截面图。

图35E是使用图34A-图34C所示的FPFC的示例电机的透视图。

图35F是图35E所示的示例电机的纵向横截面图。

图35G是图35E所示的示例电机的透视横截面图。

图36A是可与本公开的各方面一起使用的示例轴向间隙电机的透视图。

图36B是图36A所示的示例轴向间隙电机的侧视图。

图36C是在图36A所示的电机中使用的转子的透视图。

图36D是在图36A所示的电机中使用的定子的透视图。

图37A是可与本公开的各方面一起使用的具有分布式绕组的示例电动机的透视图。

图37B是图37A所示的示例电动机的侧视图。

图37C是图37A所示的电机中的定子的示意图。

图37D是图37A所示的示例电机的平面横截面图。

图37E是图37A所示的示例电机的透视横截面图。

图38A-图38B是可与本公开的各方面一起使用的具有分布式绕组的示例电机的透视图和平面图。

图39A是在“转子”上具有整流FPFC的示例线性电机的透视图。

图39B是图39A所示的示例线性电机的纵向侧视图。

图39C是图39A所示的示例线性电机的纵向横截面图。

图39D是图39A所示的示例线性电机的定子的透视图。

图39E是图39A所示的示例线性电机的“转子”的透视图。

图40A是在“转子”和定子上具有整流FPFC的示例线性电机的透视图。

图40B是图40A所示的示例线性电机的纵向侧视图。

图40C是图40A所示的示例线性电机的纵向横截面图。

图40D是图40A所示的示例线性电机的定子的透视图。

图41A是“软”磁性材料的磁滞图。

图41B是“硬”磁性材料的磁滞图。

图42是具有转子和所标记的定子之间的对准的电动机的示意图。

图43A是示出了转子相对于转子相对于定子的位置的扭矩的曲线图。

图43B是示出了在转子旋转期间FPFC内的电流的曲线图。

图44A是示出了在锁定的转子状态期间的驱动波形的一组曲线图。

图44B是示出了从锁定的转子状态到移动的转子状态的转变的曲线图。

各个附图中相同的附图标记指示相同的要素。

具体实施方式

本公开描述了一种具有转子和定子的电气机器。定子限定了具有相关联的电绕组的多个定子极。转子相对于定子可移动并且包括多个转子极。转子极包括导磁极材料。转子和定子一起限定了定子极与转子极之间的标称间隙。如将在本公开中详细描述的，转子包括一系列频率可编程磁通通道(FPFC)。每个FPFC包括具有围绕相关联的转子极的一些电阻的导电回路。在一些实现方式中，定子和转子被布置为使得定子中的电绕组在启动期间在FPFC中的至少一个FPFC内激励电流。在一些实现方式中，定子和转子被布置为使得定子中的电绕组在启动期间磁化转子极中的至少一个转子极。换句话说，FPFC可以充当受定子控制的可变磁动势源。这种功率传输通常与由定子产生的磁场同步。导电回路内的固有电阻通过电阻负载实现频率调制性能。

FPFC本身的作用是将定子的磁场反射到远离转子的位置。这种布置可用于保护转子内的永磁体免受由定子感应的退磁力的影响。因此，在转子内可以使用较弱的永磁部件，而不会降低电气机器的扭矩或功率能力。在本公开的上下文中，“较弱的磁性部件”是指可被使用的相对低能量的磁性材料，或者可被使用、比在具有类似功率和额定扭矩的常规永磁电机中发现的更少量的高能量材料。实际上，通过此类布置也可以完全消除永磁性材料。在本公开的上下文中，磁性材料的能量是材料的矫顽力和剩磁的函数。此外，材料的几何形状和数量可以在确定总磁性能量和磁通密度中发挥作用。例如，少量的钕磁体(诸如NeFeB)可具有与大量的铁氧体类似的总能量积效应。

在一些实现方式中，FPFC仅包括具有固有电阻、电容和电感值的导电回路。虽然导电回路可以固有地包括这些值，但是可以向导电回路添加附加的无源分立元件(例如，电阻器、电容器和电感器)，以实现期望的特性。仅使用无源部件的实现方式此后被称为“无源FPFC”。在一些实现方式中，FPFC或导电回路可以限定电容，其中，在一些实现方式中，电容可以由FPFC或导电回路的特定部分形成、插入和/或限定。在其他实现方式中，FPFC或导电回路可以具有谐振频率。在一些实现方式中，FPFC的谐振频率可以在导磁极或FPFC材料的可透射范围内。

由无源FPFC产生的磁动势可以在再充电(场增强)期间在操作中产生减小的扭矩。换句话说，当FPFC的场减弱时，转子内感应的磁力可能需要在操作中的特定时间间隔再充电。FPFC的场减弱可以两种方式发生。在第一种情况下，由于FPFC内的固有电抗，场可能随时间而减弱。在第二种情况下，永磁动势源(例如，永磁体)在装载时可能会减弱。抵消这些影响的再充电循环会降低效率并产生扭矩波动。为了缓解这一问题，FPFC可以包括整流器(以下称为“整流FPFC”)，以在再充电循环期间基本上“关闭”电路，防止电流穿过相关联的转子极中的磁通(从而导致减小的扭矩)。这种布置仅允许电流在一个方向上通过回路，并且允许整流FPFC在操作期间保持期望的磁通。

虽然在转子内保持期望的磁通可能是有利的，但对于可能期望比固有场减弱允许(例如，在高速低负载条件下)的更快地减弱磁通的操作模式是可以想象的。当电气机器不作为发电机工作时，此类操作模式可以包括转子滑行或飞轮。此类操作条件可以用整流FPFC来完成，但是在此类操作期间减少系统上的磁阻力的进一步控制和灵敏度可以由FPFC内的逻辑电路来提供。逻辑电路可以包括有源部件，诸如场效应晶体管、双栅极场效应晶体管或双极结晶体管。此类电路系统可通过刷式连接、通过光敏二极管或通过其他无线通信介质直接控制。此类布置此后被称为“有源FPFC”。

本公开的实现方式提供了使用FPFC来提高电动机性能的系统、设备和方法。介绍并讨论了用于电机的FPFC的各种设计/配置。FPFC被配置为基于当前操作模式表现出变化的抗磁效应，使得转子内的可变磁动势源可以主要通过由定子绕组产生的磁场来主动控制和调整。

示例电驱动系统

图1示出了电驱动系统100，电驱动系统100包括电动机102和耦合到电动机102的电机控制器107。电机控制器107被配置为操作电动机102以驱动负载104。负载104可以是附加的齿轮系，诸如行星齿轮组或其中多个电机可以并联链接和操作的另一个电机。

电动机102具有相对于电机壳体105可旋转的输出轴107，输出轴107被视为关于电机部件的旋转和其他运动的基准。在使用中，输出轴107可以耦合到负载104，当由来自电机控制器107的适当电功率和信号电激活时，电动机102可以向负载104传递旋转功率。输出轴107可以延伸穿过电机并在两端处暴露，这意味着旋转功率可以在电机的两个端部处传送。壳体105可以绕输出轴的旋转轴线旋转对称，但可以是任何外部形状，并且通常可以包括用于将壳体固定到其他结构以防止在电机操作期间壳体旋转的装置。

电动机102包括有源磁性部件106(诸如定子)和无源磁性部件108(诸如转子)。为了便于说明，在下文中，定子用作有源磁性部件的代表性示例，转子用作无源磁性部件的代表性示例。

转子106与定子108相关联，并且可被设置在定子108内(例如在内部转子径向间隙电机中)或者可被设置与定子平行(例如在轴向间隙电机中或线性电机中)。如下文更全面地描述的，定子108中的电活动在适当地控制下驱动转子106的运动。转子106旋转地耦合到输出轴107，使得所产生的转子运动的任何旋转分量被传送到输出轴106，导致输出轴107旋转。定子108被固定到电动机102，使得在操作期间转子106绕定子108移动或平行于定子108移动。

定子108限定具有相关联的电绕组的多个定子极，并且转子106包括多个转子极，诸如图5A-图5D中的进一步细节所示出的示例。转子106与定子108一起限定定子极与转子极之间的标称气隙，诸如稍后再本公开内的图5A-图5D中的进一步细节所示出的示例。转子106相对于定子108沿着运动方向可移动。如图2A所示，定子108具有绕转子106周向间隔开的多个可独立激活的绕组132。定子108的多个相邻绕组132可作为绕组集被同时激活，并且定子108可以包括绕定子108间隔开的多个此类多绕组集。电动机102还可以包括绕组控制器130，绕组控制器130具有可操作以激活定子108的绕组132的一组开关134。开关134可以是半导体开关，例如，晶体管，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。绕组控制器130耦合到开关134的栅极，并且可操作以向每个开关134发送相应的控制电压。控制电压可以是直流(DC)电压。绕组控制器130可以在电机控制器107中。

虽然在图2A中仅示出了三个开关，但应当理解，电机控制器107可以具有用于每个定子极的开关，或者具有多个开关以激励多个线圈。相邻的极对可经由公共开关串联布线，但在这种情况下，两个移动转子中瞬时较快的转子可生成稍大的逆电动势(EMF)或反电动势，并且与较慢的极相比瞬时地汲取更多的相对电功率，从而提供附加的加速度和相对速度的分离。更高频率的激励可减少操作期间低频谐波纹波的影响。开关134可以并联布线，以通过使用并联电感负载电抗器在嵌套配置中平衡多个转子之间的相对速度。在具有嵌套转子配置的某些实现方式中，系统中的各个转子可被单独驱动，并且任何谐波频率可以通过减小给定转子上的负载而从一个转子旁路到另一个转子。在其他实现方式中，转子可以成对嵌套，以局部地平衡内环和外环之间的力。

图2B示出了用于单个电绕组132的另一个示例功率开关200。功率开关200可具有H桥电路，H桥电路包括四个开关元件202a、202b、202c、202d，其中电绕组132处于中心处以H形配置。开关元件202a、202b、202c、202d可以是双极或FET晶体管。每个开关元件202a、202b、202c、202d可与相应的二极管D1、D2、D3、D4耦合。这些二极管被称为捕获二极管，并且可以是肖特基型。桥的顶端连接到电源，例如电池V_电池，并且底端接地。开关元件的栅极可耦合到绕组控制器130，绕组控制器130可操作以向每个开关元件发送相应的控制电压信号。控制电压信号可以是DC电压信号或AC(交流)电压信号。

开关元件可以受控制器130单独控制，并且可以独立地接通和断开。在一些情况下，如果开关元件202a和202d接通，则定子的左引线连接到电源，而右引线连接到地。电流开始流过定子，以正向方向激励电绕组132。在一些情况下，如果开关元件202b和202c接通，则定子的右引线连接到电源，而左引线连接到地。电流开始流过定子，以逆向、背向方向激励电绕组132。也就是说，通过控制开关元件，电绕组132可以在两个方向中的任一方向上被激励/激活。

图2C是包括功率开关的电机控制器的示意图。除了本文描述的任何差异之外，图2C基本类似于图2A。如图2C所示，每个转子绕组132相(A、B、C)具有正功率轨148与单个绕组132之间的开关以及每个转子绕组相与负功率轨149之间的开关。在控制器130控制开关150以在绕组132与各个功率轨(148、149)之间交换电流的同时，以基本恒定的方式向正轨148(正电压)和负轨(负电压)两者供应电压。在其他实现方式中，此类控制器和功率开关可以连接并被配置为从电流源操作。

电机控制器107(例如，绕组控制器130)可被配置为针对相应的极通电占空比顺序地操作开关134、开关150或开关200，以生成穿过定子极和转子极之间的气隙的磁通，如本公开中进一步详细描述的。可以控制开关以顺序地使定子极通电，从而生成拉动转子的局部吸引力。这种顺序通电(或激活)可引起转子106、输出轴107和负载104的旋转。

如下文详细讨论的，各种类型和配置的FPFC可在转子106和/或定子108中实现FPFC可以可调整地衰减穿过它们的磁通。

在一些示例中，FPFC由单一材料制成，诸如铝、铜、黄铜、银、锌、金、热解石墨、铋、石墨烯或碳纳米管。在一些示例中，材料的铁磁性组合(诸如铜铁、镍铁、铅铁、黄铜铁、银铁、锌铁、金铁、铋铁、铝铁、热解石墨铁、石墨烯铁、碳纳米管铁或Alinco(铝镍钴)合金)可用作磁通屏障，在许多情况下具有比制成转子极的铁磁性材料(例如，铁)更高的电导率。在一些情况下，(例如，由铜铁制成的)FPFC具有比铁磁性材料更低的有效磁导率。在一些情况下，(例如，由镍铁制成的)FPFC具有比铁磁性材料更高的有效磁导率。通常，FPFC被构造为导电材料的屏蔽极，该屏蔽极绕比导电材料更导磁的芯材料的芯形成回路。由于回路的导电材料，屏蔽极还可以具有比芯材料(例如，铁)更高的有效电导率。FPFC可包括被布置为交替层的多种材料。在一些实现方式中，交替层形成不同材料的层间界面。在一些实现方式中，第一层可以比第二层更导电。在一些实现方式中，该对中的第二层比第一层更导磁。在一些实现方式中，第一层和第二层各自在特定操作频率下在垂直于标称间隙的方向上具有大于相应层厚度的电流趋肤深度。

另一个感兴趣的材料特性，我们称之为EMF屏蔽系数，是电导率和磁导率的商(例如，西门子/亨利)。可以通过将相同尺寸的材料样品放置在非导电支持件上并在直径大于样品的两个平行亥姆霍兹线圈之间移动，使得它们的主传导平面(例如在磁性系统中操作期间所经历的平面的取向)垂直于在亥姆霍兹线圈的激发期间产生的磁场，来同时确定两种材料的EMF屏蔽系数。对于给定的激励波形(例如，电压、形状和频率)，亥姆霍兹线圈的电流将与线圈之间材料的EMF屏蔽系数成比例，使得在恒定激励期间EMF屏蔽系数的增加将被视为电流的增加。

如上所述以及下文进一步详细讨论的，FPFC可被配置为抗磁性的。磁通屏障的磁导率可以通过调整通过FPFC的感应频率来控制。这样，电机在不同的磁频率下可以具有显著不同的磁特性：

为了在操作频率下操作FPFC，可以使用正弦波或方波控制，其中定子极与FPFC相互作用以作为机器的主功率源。在操作中，可以使用脉冲到连续的正弦波，该正弦波作为转子速度的函数发生，其中脉冲从锁定状态(例如，0赫兹)发生。这是因为在较高速度下，当机械定时达到脉冲频率时，脉冲和充电周期重叠。因此，波形采用基波。在某些实现方式中，到同步操作的转变可以在10000赫兹下发生，更优选地从1000赫兹到10000赫兹，更优选地100赫兹到500赫兹，更优选地10赫兹到100赫兹。对于一些实现方式，10000赫兹可被视为是基本同步的操作，更优选10000赫兹，更优选地1000赫兹，更优选地100赫兹，更优选地10赫兹。在此类通常同步的条件下，可以发生进一步的频率调制。例如，如图3A-图3D所示，在每个有源极的通电占空比期间，电机控制器107被配置为脉冲通过定子极304的绕组的电流302。与在低速下连续脉冲每个极一次的感应电机不同，当定子极304在两个相邻的转子极308之间时，电机控制器107多次脉冲反向电流306。这在磁性上“加强”了FPFC 310。关于充电和加强周期的更多细节在本公开中描述。在脉冲后续极之前，到相同极的此类多个反向脉冲306制成通电占空比。在一些示例中，电机控制器在有源定子极304的通电占空比期间脉冲流过有源定子极的绕组的电流，包括至少三个反向脉冲306的序列。包括每个极的电绕组的电路被配置为使得反向脉冲306与通过定子绕组的脉冲302的比率为至少4:1，在一些情况下为至少7:1，或者在一些情况下甚至为至少10:1。在一些操作条件下，不需要反向脉冲306，并且可以利用通过定子极304的标准正弦或梯形波形来驱动电机。

脉冲电流302和反向脉冲电流306的组合引起在FPFC 310中感应电流的交变磁化强度(例如，磁场)。感应电流生成与施加的交变磁场相反的次级磁场，从而产生排斥力。排斥力可以沿着转子与定子之间的相对运动的方向基本上更切向地集中和重定向磁通，从而增加可用于做功的力。此外，具有不同材料或设计的FPFC 310可具有不同的特性。因此，生成的水平力是磁频率和FPFC 310的结构的函数。

FPFC 310的磁频率(生成的力)可以由在每个有源极304的通电占空比期间通过定子极304的绕组的电流的脉冲频率确定。取决于基波，脉冲频率可以例如，在一些情况下在2赫兹到1兆赫之间，在一些情况下在10赫兹到20赫兹之间，并且在一些情况下在100赫兹到5000赫兹之间，并且在一些情况中在5000赫兹到15000赫兹之间，并且在一些情形下在15000赫兹到25000赫兹之间以及更高。在一些情况下，电机控制器被配置为在电机速度变化期间保持脉冲频率，直到至少达到每个有源极的通电占空比频率为脉冲频率的至少一半的电机速度。在一些情况下，电机控制器被配置为以仅低于对应于每通电占空比一个脉冲的电机速度来脉冲电流。在一些实现方式中，电绕组中的至少一个电绕组包括多个并联导电连接并绕公共芯缠绕的线圈。这种电绕组可具有低电抗，使得脉冲之间的电流衰减更快。

示例电机

在接下来的用于电动机的频率可编程磁通通道(FPFC)的各种设计/配置中，呈现和讨论了径向间隙电机、轴向间隙电机和线性电机。虽然详细说明和描述了这些电机的变型，但在不脱离本公开的情况下，可以构造具有FPFC的其他电机设计。

具有无源FPFC的径向间隙电机

本节主要介绍使用无源FPFC的径向间隙电机的相关实现方式。在本公开的上下文中，“无源”FPFC是一种仅包括完全环绕转子上至少一个极的短路导体的FPFC。也就是说，仅存在由FPFC限定的固有电容、电感和电阻，而没有其他分立部件。在本文描述的各种实现方式中，描述了内部转子和外部转子两者。虽然个别实现方式可以被示出为使用内部或外部转子，但注意，本文所述的实现方式的方面适用于内部转子和外部转子两者，而不管单个实现方式是否被描述。

图4A-图4C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源频率可编程磁通通道400(FPFC)的视图。图5A是使用图4A-图4C所示的无源FPFC 400的电动机500的一部分的透视图。图5B是使用图4A-图4C所示的无源FPFC 400的电动机500的一部分的平面图。图5C是使用图4A-图4C所示的无源FPFC 400的电动机500的一部分的平面横截面图。图5D是使用图4A-图4C所示的无源FPFC 400的电动机500的一部分的透视横截面图。结合使用图4A-图5D来描述电动机500和FPFC 400。

电气机器500包括定子502，定子502限定具有相关联的电绕组506的多个定子极504。转子508包括多个转子极510。转子508相对于定子502可移动。在这种情况下，转子508被布置为在定子502内旋转。转子508和定子502一起限定定子极504与转子极510之间的标称间隙512。在这种情况下，标称间隙512是径向间隙，其中定子502周向地围绕转子508。转子极510包括导磁极材料，诸如铁。转子508还包括一系列频率可编程磁通通量(FPFC)400。每个FPFC 400包括围绕或环绕相关联的转子极510的导电回路402。在所示的实现方式中，每个转子极510被环绕。定子502和转子508被布置为使得定子502中的电绕组506可以在启动期间激励FPFC 400的电流。换句话说，转子508包括可受由定子绕组506产生的受控磁场控制的可变磁动势源FPFC 400。本文所述的实现方式中，在启动期间通过传导向转子508提供电流的夹板或电刷是不必要的。

转子可以由诸如铁之类的导磁性材料制成。在一些实现方式中，转子508可由转子叠片514制成以减少转子508的背铁内的涡流。类似地，定子502可由定子叠片516制成以减少定子502的背铁内的涡流。在一些实现方式中，转子508的极510包括具有非零剩磁的材料。在所示的实现方式中，转子极包括唇缘518，唇缘518被布置为以期望的操作速度将每个FPFC 400保持在其各自的转子极510上。可以使用其他布置来保持每个FPFC 400，诸如各种紧固件、粘合剂或树脂。

如图所示，转子508包括从转子508的中心轴线延伸的几个永磁辐条520。永磁辐条520中的每个永磁辐条520被定位在转子的极510之间，包括FPFC 400。永磁辐条520可贯穿转子508的整个纵向长度或部分穿过转子508。在一些实现方式中，永磁辐条520可由多层或叠片制成。永磁辐条520可以由多种材料制成，包括铁氧体、SmFeN、N35和N45。虽然通常使用低功率永磁性材料，但在不背离本公开的情况下，可以使用更低数量的高功率磁性材料。虽然被示出和描述为具有辐条状形状并且定位在转子极510之间和FPFC 400后面，但是在不脱离本公开的情况下，其他布置也是可能的。在一些实现方式中，不使用永磁性材料。

关于FPFC 400，它们包括具有至少一匝短路导电材料的至少一个导电回路402。也就是说，导电材料完全环绕转子极510并使其自身短路以形成回路。在一些实现方式中，导电回路402包括比转子芯材料更导电的材料。在一些实现方式中，导电回路402包括比转子芯材料更不导磁的材料。满足这些标准中的一个或两个标准的材料包括但不限于单种材料，诸如铝、铜、黄铜、银、锌、金、热解石墨、铋、石墨烯或碳纳米管。在一些示例中，材料的铁磁性组合(诸如铜铁、镍铁、铅铁、黄铜铁、银铁、锌铁、金铁、铋铁、铝铁、热解石墨铁、石墨烯铁、或铜碳纳米管、碳纳米管铁或Alinco(铝镍钴)合金)可用作磁通屏障，在许多情况下具有比制成转子极的铁磁性材料(例如，铁)更高的电导率。在一些情况下，(例如，由铜铁制成的)FPFC具有比铁磁性材料更低的有效磁导率。在一些情况下，(例如，由镍铁制成的)FPFC具有比铁磁性材料更高的有效磁导率。通常，FPFC 400具有基本均匀的电感，特别是在径向方向上。这样的标准允许在指定的驱动频率下每个FPFC 400的全趋肤效应穿透。当设计FPFC 400时，考虑导体几何形状，诸如导电回路内各个导体的厚度。在一些实现方式中，驱动频率可以在0赫兹到20赫兹之间延伸。在一些实现方式中，驱动频率可以在100赫兹到2000赫兹之间的范围内。在其他实现方式中，驱动频率可以超过20千赫兹来操作。虽然在该实现方式中FPFC 400被示出为具有基本矩形的横截面，但在不脱离本公开的情况下，可以使用其他横截面形状。在本公开中描述了使用不同横截面形状的FPFC的其他示例。

图6A-图6C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源FPFC 600的视图。图7A是使用图6A-图6C所示的无源FPFC 600的电动机700的一部分的透视图。图7B是使用图6A-图6C所示的无源FPFC 600的电动机700的一部分的平面图。图7C是使用图6A-图6C所示的无源FPFC 600的电动机700的一部分的平面横截面图。图7D是使用图6A-图6C所示的无源FPFC600的电动机700的一部分的透视横截面图。电动机700基本上类似于电动机500，除了本文所述的任何差异。

FPFC 600具有基本圆形的横截面，其横截面面积小于FPFC 400。较小的横截面积可允许在较高的操作频率下进行全趋肤深度穿透。转子708内的转子极710被缩短以帮助保持它们各自的FPFC 600的几何形状。

图8A-图8C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源FPFC 800的视图。图9A是使用图8A-图8C所示的无源FPFC 800的电动机900的一部分的透视图。图9B是使用安装在转子908上的永磁体920后面的图8A-图8C所示的无源FPFC 800的电动机900的一部分的平面图。图9C是使用安装在转子908上的永磁体920后面的图8A-图8C所示的无源FPFC 800的电动机900的一部分的平面横截面图。图9D是使用安装在转子908上的永磁体920后面的图8A-图8C所示的无源FPFC 800的电动机900的一部分的透视横截面图。电动机900基于与电动机500类似的原理操作，并且应当被认为与电动机700类似，除了本文所述的任何差异。

电动机900具有转子908，转子908周向地围绕定子902。FPFC 800围绕其各自的转子极910并且具有圆角矩形横截面。在所示的实现方式中，转子极包括唇缘918，唇缘918被布置为将每个FPFC 800保持在其各自的转子极910上。可以使用其他布置来保持每个FPFC800，诸如各种紧固件、粘合剂或树脂。如图所示，实现方式包括外部转子908，操作期间的离心力也可帮助保持FPFC 800。

在一些实现方式中，FPFC被定位在永磁体920后面，永磁体920位于转子极910中的每个转子极910上。永磁体920可以由多种材料制成，包括铁氧体、SmFeN、N35和N45。虽然通常使用低功率永磁性材料，但在不背离本公开的情况下，可以使用更低数量的高功率磁性材料。永磁体920可以延伸跨过每个转子极910的整个纵向长度，或者部分地延伸跨过每个转子极910。在一些实现方式中，永磁体920可由多层或叠片制成。

图10A-图10C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源FPFC 1000的视图。图11A是使用图10A-图10C所示的无源FPFC 1000的电动机1100的一部分的透视图。图11B是使用图10A-图10C所示的无源FPFC 1100的电动机1100的一部分的平面图。图11C是使用图10A-图10C所示的无源FPFC 1000的电动机1100的一部分的平面横截面图。图11D是使用图10A-图10C所示的无源FPFC 1000的电动机1100的一部分的透视横截面图。电动机1100基本上类似于电动机900，除了本文所述的任何差异。

FPFC 1000包括环绕每个转子极的多个薄叠片1002。较薄的叠片可允许在较高的操作频率下进行全趋肤深度穿透。每个叠片1002在每个FPFC 1000内彼此电隔离。在这种实现方式中，不使用永磁体。这是因为FPFC 1000能够反射由定子绕组1106产生的磁通的整体，从而产生作用在转子1108上的电动势。这种能力在本文所述的FPFC中的全部FPFC实现中都是固有的。在所示的实现方式中，转子磁极1110不包括唇缘以将FPFC 1000保持在其各自转子极1100周围的适当位置。相反，可以使用紧固件、粘合剂、树脂、摩擦配合或过盈配合来将FPFC 1000保持在其相应的转子极1100周围。

图12A-图12C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源FPFC 1200的视图。图13A是使用图12A-图12C所示的无源FPFC 1200的电动机1300的一部分的透视图。图13B是使用图12A-图12C所示的无源FPFC 1300的电动机1300的一部分的平面图。图13C是使用图12A-图12C所示的无源FPFC 1200的电动机1300的一部分的平面横截面图。图13D是使用图12A-图12C所示的无源FPFC 1200的电动机1300的一部分的透视横截面图。电动机1300基本上类似于电动机500，除了本文所述的任何差异。

FPFC 1200包括与定子1302内使用的绕组1306类似的至少一个回路的短路绕组。换句话说，单个导体1202在自身短路之前多次环绕各自的转子极1310。此类布置允许FPFC1200内的导体1202包括更小的横截面积，并且可以允许在更高的工作频率下的全趋肤深度穿透。当与围绕每个极1310的每个环路具有更大横截面积的实心导体相比时，此类布置还允许改进FPFC1200上的均匀电感。

图14A-图14C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源FPFC 1400的视图。图15A是使用图14A-图14C所示的无源FPFC 1400的电动机1500的一部分的透视图。图15B是使用图14A-图14C所示的无源FPFC 1400的电动机1500的一部分的平面图。图15C是使用图14A-图14C所示的无源FPFC 1400的电动机1500的一部分的平面横截面图。图15D是使用图14A-图14C所示的无源FPFC 1400的电动机1500的一部分的透视横截面图。电动机1500基本上类似于电动机900，除了本文所述的任何差异。

FPFC 1400各自包括短路线圈1402。换句话说，单个导体在自身短路之前多次环绕各自的转子极1510。此类布置允许FPFC 1400内的导体包括更小的横截面积，并且可以允许在更高的工作频率下的全趋肤深度穿透。当与具有更大横截面积的实心导体相比时，此类布置还允许改进FPFC 1400上的均匀电感。虽然所示的实现方式包括具有基本矩形的横截面的导体，但在不脱离本公开的情况下，可以使用其他横截面形状。

转子1508可包括多个永磁通道1520。在一些实现方式中，多个永磁通道1520可被包括在每个转子极1510内。如图所示，每个极包括被布置为大致“M”的“W”配置的四个通道；然而，在不脱离本公开的情况下，可以使用其他布置。永磁通道1520可包括多种材料制成，包括铁氧体、SmFeN、N35和N45。虽然通常使用低功率永磁性材料，但在不背离本公开的情况下，可以使用更低数量的高功率磁性材料。永磁通道1520可以延伸跨过每个转子极1510的整个纵向长度，或者部分地延伸跨过每个转子极1510。在一些实现方式中，永磁通道1520可由多层或叠片制成。

图16A是具有图14A-图14C所示的无源FPFC 1400的转子1608的透视图。图16B是图16A所示的转子1608的平面横截面图。图16A-图16B中示出的电转子1608基本上类似于图15A-图15D中所示的转子，除了本文所述的任何差异。在这种实现方式中，每个极包括单个“V”形的永磁通道1620。在不脱离本公开的情况下，可以使用其他布置。

图17A是具有安装在转子1708上的永磁体1720后面的示例无源FPFC 1701的电动机1700的透视图。图17B是图17A所示的电动机1700的一部分的平面图。图17C是图17A所示的电动机1700的一部分的平面横截面图。图17D是图17A所示的电动机1700的一部分的透视横截面图。电动机1700基本上类似于图9A-图9D中示出的电动机900，除了本文所述的任何差异。在电动机1700中使用的FPFC 1701类似于图12A-图12C所示的FPFC 1200。也就是说，FPFC 1701由绕组制成。绕组内的导体在自身短路之前多次环绕各自的转子极1710。

图18是具有示例无源FPFC 1801的示例电动机1800的透视图。FPFC 1801由利兹导线制成。如图所示，利兹导线的短路带环绕每个转子极1810，并在终止点1803处短路，形成导电回路。利兹导线包括多个细导线股，这些细导线股在导电回路的长度上不占据FPFC内的相同径向位置。也就是说，对导线存在编织或扭转图案，使得各个股的FPFC长度的一部分长度在FPFC内部上，FPFC长度的一部分长度在FPFC外部上。在一些实现方式中，各个股的厚度小于有效趋肤深度的厚度。也就是说，对于期望的驱动频率，股的厚度足够小以实现全趋肤效应穿透。此类布置有助于确保由每个FPFC 1801形成的导电回路具有基本均匀的电感，特别是在径向方向上。

图19A-图19C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源FPFC 1900的视图。图20A是使用图19A-图19C所示的无源FPFC 1900的电动机2000的一部分的透视图。图20B是使用图19A-图19C所示的无源FPFC 1900的电动机2000的一部分的平面图。图20C是使用图19A-图19C所示的无源FPFC 1900的电动机2000的一部分的平面横截面图。电动机2000基本上类似于图11A-图11D中示出的电动机1100，除了本文所述的任何差异。

在所示的实现方式中，FPFC 1900包括短路到外部导电回路1904的内部导电回路1902。内部导电回路环绕第一转子极2010a，而外部导电回路环绕两个相邻极2010b。FPFC可以嵌套以在相邻转子齿之间产生局部感应不对称。此类实现方式可在相邻转子齿之间产生局部感应不对称，并有助于在锁定转子条件下在零rpm下生成扭矩。

图21A-图21C是可与本公开的各方面一起使用的示例无源FPFC 2100的视图。图22A是使用图21A-图21C所示的无源FPFC 2100的电动机2200的一部分的透视图。图22B是使用图21A-图4C所示的无源FPFC 2100的电动机2200的一部分的平面图。图22C是使用图21A-图21C所示的无源FPFC 2100的电动机2200的一部分的平面横截面图。图22D是使用图21A-图21C所示的无源FPFC 2100的电动机2200的一部分的透视横截面图。电动机2200基本上类似于图20A-图20C中示出的电动机2100，除了本文所述的任何差异。

在所示的实现方式中，FPFC 2100包括彼此电隔离的内部导电回路2102和外部导电回路2104。内部导电回路2102环绕第一转子极2210a，而外部导电回路2104环绕两个相邻极2210b。内部环路2102和外部环路214都包括盘绕的导体，其在自身短路之前围绕其各自的极(2210a和2210b)。

在一些实现方式中，内部导电回路2102、外部导电回路2104或两者包括比转子芯更导电的材料。在一些实现方式中，内部导电回路2102、外部导电回路2104或两者包括比转子芯更导电的材料。满足这些标准的材料包括但不限于单种材料，诸如铝、铜、黄铜、银、锌、金、热解石墨、铋、石墨烯或碳纳米管。在一些示例中，材料的铁磁性组合(诸如铜铁、镍铁、铅铁、黄铜铁、银铁、锌铁、金铁、铋铁、铝铁、热解石墨铁、石墨烯铁、碳纳米管铁或Alinco(铝镍钴)合金)可用作磁通屏障，在许多情况下具有比制成转子极的铁磁性材料(例如，铁)更高的电导率。在一些情况下，(例如，由铜铁制成的)FPFC具有比铁磁性材料更低的有效磁导率。在一些情况下，(例如，由镍铁制成的)FPFC具有比铁磁性材料更高的有效磁导率。

在一些实现方式中，第一导电回路2102、第二导电回路2104，或两者具各自的基本均匀的电感，特别是在径向方向上。在一些实现方式中，第一导电回路2102可具有与第二导电回路2104不同的电感。在一些实现方式中，第一导电回路2102可在标准制造公差内具有与第二回路2104基本相同的电感。在一些实现方式中，第一回路2102和第二回路2104内的单个导体具有足够小的横截面积，以允许驱动频率的全趋肤效应穿透。这种布置允许在电机2200操作期间磁通钉扎。贯穿本公开描述了关于磁通钉扎的更多细节。

已经描述了许多使用无源FPFC的实现方式。虽然被描述为单独的实现方式，但是在不脱离本公开的情况下，每个实现的特征可以彼此混合和匹配。例如，第一导电回路2102、第二导电回路2104或两者可以由短路的利兹线制成。此外，其他无源部件(诸如电容器、电阻器或电感器)可以与本文所述的各种实现方式并联或串联添加。

具有整流FPFC的示例径向间隙电机

本节主要介绍使用整流FPFC的径向间隙电机的相关实现方式。在本公开的上下文中，“整流”FPFC是一种包括整流器的FPFC，整流器连接完全环绕转子上至少一个极的导体的两个端部。在本文描述的各种实现方式中，描述了内部转子和外部转子两者。虽然个别实现方式可以被示出为使用内部或外部转子，但注意，本文所述的实现方式的方面适用于内部转子和外部转子两者，而不管单个实现方式是否被描述。

图23A-图23C是可与本公开的各方面一起使用的示例整流FPFC 2300的视图。图24A是使用图23A-图23C所示的整流FPFC 2300的电动机2400的一部分的透视图。图24B是使用图23A-图23C所示的整流FPFC 2300的电动机2400的一部分的平面图。图24C是使用图23A-图23C所示的整流FPFC 2300的电动机2400的一部分的平面横截面图。图24D是使用图23A-图23C所示的整流FPFC 2300的电动机2400的一部分的平面横截面图。电动机2400基本上类似于电动机500，除了本文所述的任何差异。

FPFC 2300具有与图4A-图4C所示的FPFC 400类似的几何形状；然而，在导电回路2302内添加了整流器2306，以保持导电回路内的电流方向。也就是说，导电回路2302包括与导电回路2302的两端串联的整流器2306。在一些实现方式中，整流器可以包括二极管。可以使用几种类型的二极管，例如，p-n结二极管、气体二极管、齐纳二极管或肖特基二极管。在一些实现方式中，当使用肖特基二极管时，肖特基半导体可以是碳化硅二极管。二极管选择是多种因素的函数，包括电压降、逆向电压击穿和恢复时间。取决于期望的操作条件，可以使用不同的二极管。虽然已经列出了几种类型的二极管，但在不脱离本公开的情况下，可以使用其他二极管。通常，每个二极管的方向性或每个FPFC的绕组方向取决于每个转子极的极性而交替。

图25A-图25C是可与本公开的各方面一起使用的示例整流FPFC 2500的视图。图26A是使用图25A-图25C所示的整流FPFC 2500的电动机2600的一部分的透视图。图26B是使用图25A-图25C所示的整流FPFC 2500的电动机2600的一部分的平面图。图26C是使用图25A-图25C所示的整流FPFC 2500的电动机2600的一部分的平面横截面图。图26D是使用图25A-图25C所示的整流FPFC 2500的电动机2600的一部分的平面横截面图。电动机2400基本上类似于电动机900，除了本文所述的任何差异。FPFC 2500基本上类似于先前在图1和图2中示出的FPFC 800，除了已添加到导电回路2502的整流器2306之外。整流器2306功能如前所述。

图27A-图27C是可与本公开的各方面一起使用的示例整流FPFC 2700的视图。图28A是使用图27A-图27C所示的整流FPFC 2700的电动机2800的一部分的透视图。图28B是使用图27A-图27C所示的整流FPFC 2700的电动机的一部分的平面图。图28C是使用图27A-图27C所示的整流FPFC 2700的电动机2800的一部分的平面横截面图。图28D是使用图27A-图27C所示的整流FPFC 2700的电动机2800的一部分的透视横截面图。电动机2600基本上类似于电动机700，除了本文所述的任何差异。FPFC 2700基本上类似于先前在图1和图2中示出的FPFC 600，除了已添加到导电回路2702的整流器2306之外。整流器2306的功能如前所述。

图29A-图29C是可与本公开的各方面一起使用的示例整流FPFC 2900的视图。图30A是使用图29A-图29C所示的整流FPFC 2900的电动机3000的一部分的透视图。图30B是使用图29A-图29C所示的整流FPFC 2900的电动机3000的一部分的平面图。图30C是使用图29A-图29C所示的整流FPFC 2900的电动机3000的一部分的平面横截面图。电动机3000基本上类似于电动机1500，除了本文所述的任何差异。FPFC 2900基本上类似于先前在图14A-图14C中示出的FPFC 1400，除了已添加到导电回路2902的整流器2306之外。整流器2306的功能如前所述。

图31A是具有安装在转子上的永磁体3120后面的示例整流FPFC 3101的电动机的透视图。图31B是图31A所示的电动机3100的一部分的平面图。图31C是图31A所示的电动机3100的一部分的平面横截面图。电动机3100基本上类似于电动机1700，除了本文所述的任何差异。FPFC 3101基本上类似于先前在图17A-图17D中示出的FPFC 1701，除了已添加到导电回路的整流器2306之外。整流器2306的功能如前所述。

图32A-图32C是可与本公开的各方面一起使用的示例整流FPFC 3200的视图。图33A是使用图32A-图32C所示的整流FPFC 3200的电动机3300的一部分的透视图。图33B是使用图32A-图32C所示的整流FPFC 3200的电动机3300的一部分的平面图。图33C是使用图32A-图32C所示的整流FPFC 3200的电动机3300的一部分的平面横截面图。图33D是使用图32A-图32C所示的整流FPFC 3200的电动机3300的一部分的透视横截面图。电动机3300基本上类似于电动机2200，除了本文所述的任何差异。FPFC 3200基本上类似于先前在图21A-图21C中示出的FPFC 2100，除了在第一导电回路3202上添加的第一整流器2306a和在第二导电回路3204上添加的第二整流器2306b。整流器2306a和2306b基本上与先前描述的整流器2306相同。已经描述了许多使用整流FPFC的实现方式。虽然被描述为单独的实现方式，但是在不脱离本公开的情况下，每个实现的特征可以彼此混合和匹配。例如，第一导电回路3202、第二导电回路3204或两者可以由短路的利兹线制成。此外，其他无源部件(诸如电容器、电阻器或电感器)可以与本文所述的各种实现方式并联或串联添加。例如，在一些实现方式中，可以将分立电容器(未示出)添加到本文所述的整流FPFC中的任何一个整流FPFC。分立电容器可以与本文所述的整流器中的任何一种整流器并联或串联。此类电容器的添加允许调谐FPFC以响应特定频率。

具有有源FPFC的示例径向间隙电机

本节主要介绍使用有源FPFC的径向间隙电机的相关实现方式。在本公开的上下文中，“有源”FPFC是一种包括任何逻辑电路(诸如晶体管)的FPFC，逻辑电路连接完全环绕转子上至少一个极的导体的两个端部。在本文描述的各种实现方式中，描述了内部转子和外部转子两者。虽然个别实现方式可以被示出为使用内部或外部转子，但注意，本文所述的实现方式的方面适用于内部转子和外部转子两者，而不管单个实现方式是否被描述。

图34A-图34C是可与本公开的各方面一起使用的示例有源FPFC 3400的视图。图35A是使用图34A-图34C所示的无源FPFC 3400的电动机3500的一部分的透视图。图35B是使用图34A-图34C所示的有源FPFC 3400的电动机3300的一部分的透视图。图35C是使用图34A-图34C所示的有源FPFC 3400的电动机3500的一部分的平面横截面图。图35D是使用图34A-图34C所示的有源FPFC 3400的电动机3500的一部分的平面横截面图。图35E是使用图34A-图34C所示的有源FPFC 3400的示例电机3500的透视图。图35F是图35E所示的示例电机3500的纵向横截面图。图35G是图35E所示的示例电机3500的透视横截面图。电机3500基本上类似于先前在图5A-图5D所示中描述的电机500，除了本文所述的任何差异。有源FPFC3400基本上类似于无源FPFC 1400，除了本文所述的任何差异。

FPFC 3400包括与导电回路3402的两个端部串联的逻辑电路3406。逻辑电路3406可以包括晶体管，诸如场效应晶体管、双栅极场效应晶体管或双极结晶体管。

如图所示，逻辑电路3406包括具有由短路FPFC 3400限定的源极3408和漏极3410的晶体管。晶体管的栅极3412连接到提供控制信号的滑环3520。在一些实现方式中，引线、晶体管或两者可以嵌入印刷电路板(PCB)中，其中FPFC和滑环3520或其他控制机构连接到印刷电路板。有三个滑环3521(示出一个)具有三个引线3522，每个相一个引线3522。滑环3521通过如图35F-图35G所示的第四滑环3524接地到转子。晶体管上的漏极3410也被示出为接地到转子3508。从转子轴上的滑环出来的引线3522将耦合到控制器，诸如控制器130(图2)。

逻辑电路3406的添加允许FPFC 3400在操作期间基本上“断开”。这在高速、低负载条件下(诸如滑行)是有益的。在有源FPFC的一些实现方式中，有源整流器中的开关可被实现为使得当处于无电源状态时，开关被动地动作。例如，在一些实现方式中，双极结晶体管在没有有源控制的情况下对两个端子上的电流进行整流。因此，在电机启动时，有源整流器充当无源整流器，直到有源控制可用。

虽然主要示出和描述为通过导电引线3522连接到控制器，但其他通信介质可以用于(例如，通过光敏二极管、电容耦合或电感耦合机构，或通过其他无线通信介质)向控制电路发送控制信号。

使用FPFC的替代电机

本节主要描述了与替代电机(诸如线性电机、轴向间隙电机)和具有分布式绕组的径向间隙电机相关的实现方式，尽管本文的描述可应用于径向或凸极电机(例如，集中绕组、分数槽或径向电机)的其他实现方式。

具有FPFC的轴向间隙电机

图36A是可与本公开的各方面一起使用的示例轴向间隙电机3600的透视图。图36B是图36A所示的示例轴向间隙电机3600的侧视图。图36C是在图36A所示的电机3600中使用的转子3608的透视图。图36D是在图36A所示的电机3600中使用的定子3602的透视图。

电机3600包括定子3602，定子3602限定具有相关联的电绕组3606的多个定子极3604。如图所示，定子极3604被成形为圆形扇区；然而，在不脱离本公开的情况下，可以使用其他形状。转子3608包括多个转子极3610。与定子类似，转子极3610被成形为圆形扇区；然而，在不脱离本公开的情况下，可以使用其他形状。虽然本实现方式具有形状类似于转子极3610的定子极3604，但在不脱离本公开的情况下，定子极3604和转子极3610可以彼此不同。转子3608相对于定子3620可移动。在这种情况下，转子3608被布置为在定子3602附近旋转。转子3608和定子3602一起限定定子极3604与转子极3610之间的标称间隙3612。在这种情况下，标称间隙3612是轴向间隙。转子极3610包括导磁材料，诸如铁。转子3608还包括一系列频率可编程磁通通量(FPFC)3601。每个FPFC 3601包括围绕或环绕相关联的转子极3610的导电回路3603。在所示的实现方式中，每个转子极3610被环绕。定子3602和转子368被布置为使得定子3602中的电绕组3606感应FPFC 3601内的激励电流。

转子3608可以由导磁材料(诸如铁)制成。在一些实现方式中，转子3608可由转子叠片制成以减少转子3608的背铁内的涡流。类似地，定子3602可由定子叠片制成以减少定子的背铁内的涡流。在一些实现方式中，转子3608的极3610包括具有非零剩磁的材料。为了将每个FPFC 3601保持在其各自的转子极3610上，可以使用各种紧固件、粘合剂或树脂。在一些实现方式中，FPFC 3601利用摩擦或过盈配合保持。

如图所示，转子3608不包括永磁体；然而，在不脱离本公开的情况下，永磁性材料可以在定子3602、转子3608或两者中使用。

类似于先前所述的实现方式，FPFC 3601包括具有至少一匝短路导电材料的至少一个导电回路3603。也就是说，导电材料完全环绕转子极3610并使其自身短路以形成回路。在一些实现方式中，导电回路3603包括比转子芯材料更导电的材料。在一些实现方式中，导电回路3603包括比转子芯材料更不导磁的材料。类似于径向间隙实现方式，FPFC 3601具有基本均匀的电感，特别是在径向方向上。这样的标准允许在指定的驱动频率下每个FPFC3601的全趋肤效应穿透。当设计FPFC 3601时，考虑导体几何形状，诸如导电回路内各个导体的厚度。在一些实现方式中，驱动频率可以在0赫兹到20赫兹之间延伸。在一些实现方式中，驱动频率可以在100赫兹到2000赫兹之间的范围内。在一些实现方式中，驱动频率可以在2000赫兹到15000赫兹之间延伸。如图所示，FPFC 3601是包括整流器2306的整流FPFC。虽然示出为使用整流FPFC，但在不脱离本公开的情况下，可以使用无源或有源FPFC。

分布式绕组

图37A是可与本公开的各方面一起使用的具有分布式绕组3706的示例电动机3700的透视图。图37B是图37A所示的示例电动机3700的侧视图。图37C是图37A所示的电动机3700中的定子3702的示意图。图37D是图37A所示的示例电机3700的平面横截面图。图37E是图37A所示的示例电机3700的透视横截面图。图38A-图38B是可与本公开的各方面一起使用的具有分布式绕组3806的示例电机3800的透视图和平面图。

本公开中描述的先前实现方式涉及具有凸极的转子和具有凸极的定子。在一些实现方式中，可以使用具有分布式定子极的定子。在此类实现方式中，定子绕组彼此重叠。关于如何控制此类实现方式的细节，以及控制具有凸极定子绕组的电机与分布式绕组之间可能存在的任何差异，将在本公开后面更详细地解释。虽然在不脱离本公开的情况下可以使用分布式定子绕组，但转子极及其相关联的FPFC在其中描述的所有实现方式中都是突出的且不重叠的。在一些实现方式中，在不脱离本公开的情况下，相同相位内的FPFC可以彼此短路。此类布置仍然被认为是非分布式转子极。

具有频率可编程磁通通道的线性电机

图39A是在“转子”3908(无缘磁性段)上具有整流FPFC的示例线性电机3900的透视图。图39B是图39A所示的示例线性电机3900的纵向侧视图。图39C是图39A所示的示例线性电机3900的纵向横截面图。图39D是图39A所示的示例线性电机3900的定子3902(有源磁性段)的透视图。图39E是图39A所示的示例线性电机的“转子”3908的透视图。

电机3900包括定子3902，定子3902限定具有相关联的电绕组3906的多个定子极3904。转子3908包括多个转子极3910。虽然本实现方式具有形状类似于转子极3910的定子极3904，但在不脱离本公开的情况下，定子极3904和转子极3910可以彼此不同。如图所示，定子极3902相对于转子3908可移动。转子3908可以充当有源磁性定子3902行进穿过的无源磁性轨道。转子3908和定子3902一起限定定子极3904与转子极3910之间的标称间隙3912。在这种情况下，标称间隙3912是横向间隙。转子极3910包括导磁材料，诸如铁。转子3908还包括一系列频率可编程磁通通量(FPFC)3901。每个FPFC 3901包括围绕或环绕相关联的转子极3910的导电回路3903。在所示的实现方式中，每隔一个转子极3910被环绕。定子3902和转子3908被布置为使得定子3902中的电绕组3906感应FPFC 3901内的激励电流。

转子3908可以由导磁材料(诸如铁)制成。在一些实现方式中，转子3908可由转子叠片3914制成以减少转子3908的背铁内的涡流。类似地，定子3902可由定子叠片3916制成以减少定子3902的背铁内的涡流。在一些实现方式中，转子3908的极3910包括具有非零剩磁的材料。为了将每个FPFC 3901保持在其各自的转子极3910上，可以使用各种紧固件、粘合剂或树脂。在一些实现方式中，FPFC 3901利用摩擦或过盈配合保持。

如图所示，转子3908不包括永磁体；然而，在不脱离本公开的情况下，永磁性材料可以在定子3902、转子3908或两者中使用。

类似于先前所述的实现方式，FPFC 3901包括具有至少一匝短路导电材料的至少一个导电回路3903。也就是说，导电材料完全环绕转子极3910并使其自身短路以形成回路。在一些实现方式中，导电回路3903包括比转子芯材料更导电的材料。在一些实现方式中，导电回路3903包括比转子芯材料更不导磁的材料。类似于径向间隙实现方式，FPFC 3901具有基本均匀的电感，特别是在径向方向上。这样的标准允许在指定的驱动频率下每个FPFC3901的全趋肤效应穿透。当设计FPFC 3901时，考虑导体几何形状，诸如导电回路内各个导体的厚度。在一些实现方式中，驱动频率可以在0赫兹到20赫兹之间延伸。在一些实现方式中，驱动频率可以在100赫兹到2000赫兹之间的范围内。在一些实现方式中，驱动频率可以在2000赫兹到15000赫兹之间延伸。如图所示，FPFC 3901是包括整流器2306的整流FPFC。

图40A是在“转子”4008和定子4002上具有整流FPFC的示例线性电机4000的透视图。图40B是图40A所示的示例线性电机4000的纵向侧视图。图40C是图40A所示的示例线性电机4000的纵向横截面图。图40D是图40A所示的示例线性电机4000的定子4002的透视图。线性电机4000基本上类似于线性电机3900，除了本文所述的任何差异。

定子4002包括定子极4004上的两个整流FPFC 4001。每定子极4004添加两个整流FPFC允许定子极4004内的磁通钉扎。也就是说，磁通在拓扑上被约束到定子极的期望区域。虽然示出为使用整流FPFC，但在不脱离本公开的情况下，可以使用无源或有源FPFC。

具有频率可编程磁通通道的电机的操作

本节描述了适用于具有FPFC的电动机的通用电机概念。虽然主要在旋转电动机的上下文中描述，但本文描述的概念也适用于其他电机。在一些实例中，本文描述的概念适用于不具有FPFC的电机。

磁性材料依据其矫顽力可分为“软”或“硬”。传统上，同步电机不具有磁化电流来磁化材料，因此磁体必须在工厂或安装前磁化。为此，如果磁性材料在操作中退磁(例如，由于定子在其上施加了太多的负载或由于整个操作过程中产生的热效应)，则磁体可能损坏，或者电机可能完全无法操作。因此，“硬”材料通常用于永磁同步电机。此外，不管磁性材料如何，通常使用足够大量的这种磁性材料来确保给定的场强(B)和矫顽力(H)。图41A是“软”磁性材料的磁滞图，图41B是“硬”磁性材料的磁滞图。“硬”磁性材料的矫顽力大于“软”磁性材料。返回参考图3A-图3D，反向脉冲306可以磁性地硬化(或加固)包括FPFC 310的转子极308。FPFC本身还可以在整个操作过程中(例如，在正弦波或方波控制下)辅助支持给定磁性材料或导磁材料的通量。

图42是具有转子4308和所标记的定子4301之间的对准的电动机4300的示意图。位置D被限定为相对的定子和转子极对准，Q和Q’被限定为完全未对准(分别接近相似极和相对极)，D’被限定为相似的定子和转子极对准。有时参考电机转子和/或定子的D轴4302和Q轴4304讨论电机部件和控制。在此类变换系统中，电机中的直轴线或D轴线4302可被限定为垂直于气隙4306的极的中心线，并且可以应用于定子极4308或转子极4312。转子可利用在同步参考坐标系中观察的每个极的D轴线4302表征。在具有凸极转子极和FPFC的电机中，D轴线4302是具有FPFC的极的合成磁中心的中心点，而不管FPFC是集中在单个大槽还是跨多个较小槽分散。定子极可以类似地表征。

Q轴线4304法向于磁参考框架内的D轴线4302。在一些实现方式中，O轴线4304电法向于D轴线4302，并且该两者都位于转子旋转的平面中。通常，沿Q轴线4304的力生成电动势，诸如扭矩。拓扑上，转子或定子的Q轴线4304通常直接位于两个极之间。

在D-Q参考系中，电流相角是转子D轴线4302到定子磁中心的相对角度。正电流相角指示定子的磁中心在运动方向上位于转子极之前。这种情况导致定子的磁中心将转子极朝向定子的磁中心“拉动”。类似地，负电流角指示定子的磁中心在转子极后面。这种情况会在相对方向上“拉动”转子极。这种负电流相角可在制动情况中使用。在一些实现方式中，可以使用大于90°的电流相角。如此大的电流相角可沿运动方向“推动”相邻极。类似地，小于-90°的电流相角可用于在相对方向上“推动”相邻极，诸如在制动操作期间。可以使用以下等式来转换静止和同步参考坐标系之间的电流相角：

θe＝(P/2)θm, (1)

其中，θe是同步参考系中的电流相角，P是定子极数，θm是静止参考系中电流相角。无论当前相角如何，它都可以分解为D轴线分量和Q轴线分量。通常，对于本文所述的电机和发电机，D轴线分量用于“充电”或调制转子极和FPFC内的场，而Q轴线分量用于将力或扭矩施加到转子极上。

图43A是示出了转子相对于转子相对于定子的位置的扭矩的曲线图。在一些实现方式中，特别是在具有高凸极的转子中，峰值扭矩(例如，由于其磁阻分量)出现在同步参考坐标系中的D位置和Q位置之间。在其他实现方式中，峰值扭矩出现在Q位置与D’位置之间。在使用永磁电机的情况下，峰值扭矩操作可能导致高负载下的退磁，并要求在高速下进行场减弱。较弱的磁体可被用于损害尺寸/重量和/或扭矩产生。为了在不存在退磁风险的情况下增加磁电流能力，使用FPFC。图43B是示出了在转子旋转期间FPFC内的电流的曲线图。负电流部分4310存在于简单的FPFC实现方式中，但通过整流或有源FPFC实现方式被消除。在较低的扭矩下，FPFC电流可以降低齿槽(电阻)扭矩，并消除对更强永磁体的主动磁通减弱的需要。FPFC的优势在于，它们可以通过控制机制(例如，通过修改定子同步激励的电流相角)来减弱或加强磁通(例如，在FPFC内的电流减少或增加以及转子极本身内的磁通)。不需要次级控制系统或附加通信硬件(诸如在绕线转子同步电机中)(例如，以控制定子场)。

本文所包括的FPFC实现方式的控制方案不一定需要附加的定子-转子耦合元件；相反，在一些实现方式中，使用定子绕组和FPFC以及转子来传送激励。这有助于减少部件总数，提高性能(例如，消除电刷的欧姆损耗)，消除物理接触和磨损部件，减少封装尺寸，并与包含特殊检测器、传感器、有线或无线连接或电刷以将信号从定子传送到转子的方案相比，提供控制灵活性。

在电气机器设计中，定子和转子经常耦合以在操作期间实现功率传输和/或场调制。耦合可分类为直接耦合或间接耦合。直接耦合沿主操作气隙发生在定子和转子之间。间接耦合沿次级界面远离主操作气隙发生。

直接耦合通常被表征为感应耦合，例如，鼠笼型感应转子被认为直接耦合到定子。虽然直接耦合在异步电机中是常见且易于控制的，但由于本公开中所述的原因，与同步机器的直接耦合可能是困难的并且难以控制。

间接耦合沿着次级耦合操作并且可以径向定向或轴向定向，并且可以经由电触点、沿单独气隙的电感耦合、电容耦合或光学耦合进行通信。虽然次级耦合可用于多种功能以提高电机的效率和/或总体可控性，但通常需要附加部件，这些附加部件可能增加利用此类系统的机器的重量、复杂性、故障频率和成本(操作和资本成本)。

本公开中描述的电机和发电机主要是能量隔离的(在标准电磁屏蔽公差内)，其中它们使用直接耦合在定子和转子之间传送功率和信号，而不需要间接或次级耦合。直接耦合可以控制转子的扭矩、速度、控制磁通。本文描述的电气机器包括转子404与定子402之间的直接耦合，以用于扭矩、速度、磁通和信号耦合和控制。

在一些实现方式中，可以观察到由定子发射的信号与确定转子速度的基本操作频率之间的频率和谐波独立性。在一些实现方式中，本文所述的主题不论转子速度如何都能够向转子提供恒定的激励频率，并且甚至在恒定或动态速度条件下使用定子激励的调制，诸如本文讨论的频率调制。FPFC的控制不依赖于定子与转子之间的谐波关系或基频与高次谐波之间的谐波关系，使得转子中的FPFC能够围绕特定参数(例如，控制和材料)进行设计和控制。用于FPFC的各种控制方案已在本公开中讨论并在本文中进一步探讨。

在一些实例中，当FPFC位于位置D或从位置D转换到位置Q时，可能需要充电或从充电中受益。充电可能意味着在FPFC本身中感应电流，或在转子中传输、增加或存储磁通，其中每项都可能涉及从定子到转子的一些功率传输。这样的任务可以以多种方式完成，例如，通过调制定子激励的电流相角(例如，适当地提前或延迟定子激励的电流角)、增加定子激励电流相角的变化频率，增加定子(或定子的任何合成信号分量)中的激励电流的振幅，或其任意组合。在一些实例中，FPFC可能例如，通过在位置D’上或附近操作(例如，通过从位置Q转换到位置D’，或从位置D’转换到Q’)被减弱(例如，降低FPFC和/或转子中存在的电流或磁通水平)。这样的任务可以以多种方式完成，诸如调制电流相角(例如，适当地提前或延迟定子激励的电流角)、降低定子激励电流相角变化的频率、降低定子中激励电流的振幅、或其任意组合。替代地或附加地，也可以通过经由欧姆损耗的FPFC电流的无源损耗来实现场减弱。

如前所述，FPFC的有源磁场减弱可通过在D’中操作或使用有源FPFC替换来实现。这种实现方式包括逻辑电路(诸如晶体管)，逻辑电路可常规地通过滑环或换向器感应地或电容地，或可包括可选控制的装置(例如发光二极管、光传感器或主控制)无线地耦合和受控。逻辑电路的逆向整流经由与定子激励的电感耦合导致FPFC电流快速降低。保持栅极3412(图34A-图35G)打开将不允许FPFC中的电流建立，因此不会产生无功电流。

对于贯穿本公开所述的任何实现方式，如果在极内使用永磁性材料，则FPFC电路绕组和二极管极性可被布置成提供各种输出。例如，在一些实现方式中，整流可以是构造性的，使得它们对于材料的极性或磁动势(MMF)是构造性。这提供了针对不想要的场和谐波的磁屏蔽；转子磁场增强，其中转子极的剩余磁场在操作期间从剩余值增加(例如，使用线圈放大)；以及磁通充电，其中材料被磁化到剩余场(例如，材料的磁通)。在其他实现方式中，整流可以是解构的，使得它们可以减小磁场(例如，场减弱)。在有源FPFC的一些实现方式中，有源FPFC将允许双向整流以及使用逻辑门和相关联的控制的选择性构造或解构整流。

本文所述的所有概念和操作可应用于具有绕组转子或永磁体辅助绕组转子的电气机器。取决于速度、扭矩和其他操作条件，增加或减少/保持FPFC中的充电的细节。例如，高扭矩需求和低速度需要更多的充电。例如，高速低扭矩可能要求最低的平均FPFC电流，同时保持扭矩要求。应当注意，当定子激励提前或延迟时，转子速度不会改变。扭矩和速度保持恒定，直到控制请求命令改变。

在分布式定子极实现方式中，为了保持基本上零的转矩脉动(在一些实现方式中等于或小于1％，在其他实现方式中在0-2％之间)，可以在D位置激励或放大定子，其中激励对准或电流相角工作以增强转子场。然后，可以将当前相角(和合成磁场)旋转到基本上接近峰值扭矩位置(或无论控制器设定点是什么)，同时保持同步定时。激励波可以周期性地移位到峰值电荷位置以使FPFC场增强。在使用整流FPFC的实现方式中，激励波的周期可能不相等。在这种情况下，可以在充电阶段期间增加电流以补偿磁通泄漏和磁阻扭矩。三相激励定时可以定时，以保持激励波领先转子或在同步参考坐标系中。

虽然已经描述了稳态操作，但在锁定转子(启动)条件下可能需要不同的驱动波形。图44A是示出在锁定转子状态期间的驱动波形4400a、4400b和4400c的一组曲线图。每个波形4400a、4400b和4400c与3相电机的不同相相关联。在同步机器的正常启动期间，直流电被发送到每个相，以使转子开始沿期望方向旋转。对于利用FPFC的机器，反向电流的周期性脉冲用于给FPFC充电，直到转子开始移动。该信号的范围可以从脉冲到作为转子速度函数的连续正弦波，如本文其他地方所述，其中，在较高速度下，随着机械定时达到脉冲频率，脉冲和充电周期重叠。因此，波形采用基波。在一些实现方式中，准直流电流或其变换流动长达九毫秒，并且反向直流电流被脉冲长达一毫秒。在一些实现方式中，准直流电流的持续时间与脉冲反向电流的持续时间的比率为1:1至100:1。在一些实现方式中，准直流电流的持续时间与脉冲反向电流的持续时间的比率为5:1至15:1。在一些实现方式中，准直流电流的持续时间与脉冲反向电流的持续时间的比率为9:1。无论所使用的比率如何，一旦转子开始运动，转子就可以由流过每个相的交流电流驱动。图44B中示出了这种转变。图44B是示出了从锁定的转子状态到移动的转子状态的转变的曲线图。虽然锁定转子状态被示出为方波，并且驱动频率被示出为正弦波，但是在不脱离本公开的情况下，其他波形可以用于每个操作状态。

如前所述，FPFC的效果可以在不同频率下变化。例如，力可以开始增加到截止频率(例如，10赫兹)以上，并且较低频率(例如，10赫兹)与较高频率(例如，10⁵赫兹)之间的增加可以超过一个数量级。在更高频率下，FPFC可以表现出更强的抗磁性，以将磁通朝向转子极集中，从而增加沿运动方向的力分量。

有用的力也会受到操作状态的影响。在饱和状态和高频下，与非饱和状态相比，FPFC可以表现出更强的抗磁性以将磁通集中到转子极。当频率增加时，有用的力可保持增加。例如，在更高的频率(例如，10⁵赫兹)，当驱动电流从10安培*匝(对应于不饱和操作状态)增加到200安培*匝(对应于饱和操作状态)，水平力可以增加两个数量级。

每个极的齿数也会对有用的力产生影响。每个极的齿数的增加会导致力逐渐增加。然而，当间隙尺寸变大(例如，在1.0mm)时，当每个极的齿数增加时，力可能减小。

该操作利用高电感和低电阻FPFC，导致与磁场同相的高电抗。当磁场爬升通过初级线圈和磁阻齿时，磁场通过屏蔽齿反射并导致磁场的高阻抗。该系统可以仅通过50％的占空比(例如，从未对准到对准)通过交变磁信号操作。在整个占空比中持续(例如，从对准到未对准)可导致反向扭矩。在一些实现方式中，可以建立阻抗匹配或阻抗网络。

更高电抗的FPFC还可以实现更高功率因数的系统，该系统与常规机器相比可以更高效地生成扭矩。高电抗、高阻抗FPFC设计可以在操作的整个周期中基本上防止磁通中的全部磁通穿透FPFC。以这种方式，电机可以受益于先前仅在大范围温度下(例如，室温-高温)的超导电机中经历的抗磁性。与趋向于在临界温度以上退磁的永磁体电机相比，这种电机对温度的敏感度也较低。

上述具有FPFC的电机可以用方波电流动态驱动。如果它是动态驱动的，则可以在比等效正弦波相对较低的开关频率下使用方波，以在FPFC中感应大电抗，同时以相对较低频率(诸如50赫兹)脉冲。这部分是由于与正弦波相比，方波中谐波值的比例较高。这还减少了由于脉冲宽度调制(PWM)开关所需的高频率导致的功率电子设备所需的开关损耗。在这种操作中，可以使用相对薄(例如，0.127mm)的叠片来减少芯铁中的涡流损耗，并且可以在初级线圈中使用低规格(例如，0.2mm)或甚至利兹导线绕组来减少芯绕组中的趋肤效应损耗。

贯穿本公开所述的电机还可受益于线圈的更高绕组效率。虽然绕组的典型槽填充率为给定槽面积的30％-40％，但通过利用铸造技术在相邻极之间的槽中填充FPFC，电机可以利用FPFC的槽体积的基本上全部(例如，85％-95％)。这可以减少电机初级绕组所需的总导线量，与典型电机相比，这可以使初级绕组使用更少的匝数。

如上所述，用FPFC填充槽允许在电机操作时控制磁通的集中。具体地，当定子和转子被设置为未对准状态时，显著的内部电磁反射阻止了来自相对极表面的大部分磁通信。这种抗磁性屏蔽允许磁场槽有效地推动转子，同时电磁极的磁阻拉动转子。这种效应允许从系统中产生每周期更多的能量，并且类似于永磁体在某些配置中可以产生的效应。

这种效应提供了明显优于永磁体的优点，永磁体可能会受到由高涡流引起的退磁。这种效应可以在检查永磁体的矫顽力的B-H曲线中看到。在贯穿本公开所述的电机中，高电抗FPFC可以以无限矫顽力在相对方向上近似永磁体。因此，FPFC可以反映施加的磁场，以实现超出典型永磁体电机中可能实现的磁场水平，这可以通过产生更大的反EMF来增加扭矩密度、功率密度和效率。此外，尽管如前所述，永磁体在高温下退磁，但FPFC可由能够承受比典型永磁体高100华氏度以上温度的材料制成。

此外，当永磁体产生恒定磁场时，FPFC动态地以瞬态存在。这既有利于效率又有利于安全，因为永磁体电机会产生凹痕扭矩、齿槽扭矩和制动扭矩，这有时可能是灾难性的，因为无论是否对使用的电机通电，都会产生EMF。上述电机可被控制以长时间有效地自由转动，而损失仅来自轴承的阻力。

此外，与具有生成连续电流的显著电感负载的IM不同，允许每个FPFC中的电流在每个周期回到接近零。电机的操作频率越高，每个FPFC中维持反射所需的必要电流越低。由于系统是反应性的，能量在每个切换周期中弹性返回或转化为转子的动能。

FPFC槽填充可以针对给定应用并在操作期间动态地进行调整。与空气不同，系统的磁特性可以在给定位置的磁动势(MMF)的振幅和MMF的频率上进行调整。这允许通过改变电机的开关频率来减弱或加强系统的磁通特性来进行实时自适应。这可以改变初级线圈上的反EMF，这可以使电机实现比传统电机更宽的速度范围。传统电机具有基于固定凸极比率的固定反EMF，用于改变磁场大小。除了电机操作的激活频率之外，电机还可以改变磁场的大小。

以更高的速度，电机可以作为无功磁阻电机操作。在常规SRM操作中，在定子和转子(或定子-转子齿)的未对准位置开始时施加峰值电压，并且电流快速增加，直到定子和转子(或定子-转子齿)达到对准点。此时，施加逆向电压，然后电流降至零。在常规SRM的锁定转子(失速)状态下，电流是连续施加的，而不是脉冲施加的。在具有FPFC的电机中，在失速期间，电流可以通过有源线圈进行脉冲。在电机加速期间，一旦极开关频率超过FPFC的交叉频率，每个极可由单个脉冲激励。

示例过程

本公开的实现方式提供了一种驱动电动机的方法。电动机可以是图1的电动机102，并且该方法可以由电机控制器(例如，图1的电机控制器107或图2的控制器130)执行。

在操作期间，电机控制器在定子极与转子极跨标称间隙对准时，随时间将磁化电流脉冲施加到定子极的定子线圈。磁化电流被配置为通过感应直接耦合对转子极内的磁场充电。然后，电机控制器在转子极被定位在相邻的定子极之间时，将随时间脉冲的负载电流施加到定子线圈。负载电流脉冲使转子极内的磁场变硬。脉冲负载电流每时间增量包括比脉冲磁化电流更多的脉冲。

在一些实例中，磁化电流作为随时间变化的单个电流脉冲施加。单个电流脉冲可以包括半正弦波、半方波、半梯形波或其任意组合。施加磁化电流将转子极强耦合到定子极。在一些实例中，例如，当与之前的时间步长相比转子具有足够的场强时，无(或更少的)磁化电流被施加。

在一些实例中，当转子从第一极旋转到第二极时施加脉冲负载电流。脉冲负载电流的多个脉冲可以包括半正弦波、半方波、半梯形波、全正弦波，全方波、全梯形波或其任意组合。在一些实现方式中，信号可具有DC偏移。在一些实现方式中，多个电流脉冲不是转子速度的函数。例如，在一些实现方式中，以5赫兹到10赫兹之间的频率施加多个电流脉冲。在一些实现方式中，以5赫兹-1000赫兹、10赫兹-500赫兹、50赫兹-350赫兹或100赫兹-200赫兹之间的频率施加多个电流脉冲。

在一些实现方式中，控制器在峰值负载状态期间将转子磁通保持在期望范围内。例如，期望范围可以在50％-100％范围内变化。在另一示例中，期望范围可以在65％-100％范围内变化。在另一示例中，期望范围可以在80％-100％范围内变化。

如前所述，电机控制器可通过在FPFC内感应电流来调整永磁通道或转子内的任何其他永磁性材料内的表观磁性强度。

上述操作参数可以由控制器通过操作电压源和与第一有源极相关联的电绕组之间的第一开关在多个周期中打开和闭合来执行。第一开关可以与第一有源极相关联并且导电地耦合到第一有源极。第一开关可以是图2的开关134或图2A的电源开关200。

示例冷却和散热

电动机在操作期间(尤其是在高频操作期间)会生成大量热量，需要冷却。主动冷却系统可用于通过使流体冷却剂循环通过电机来提供表面的间歇或连续冷却。冷却系统可以是2018年5月23日提交的未决专利申请S/N62/675,207、题为“Electric Motor(电动机)”中所述的冷却系统，该未决专利申请的内容如其全部内容所阐述的那样通过引用明确并入本文。

此外，如果操作温度降低，FPFC的效率和功率可以在给定频率下增加。典型的操作条件为-80℃至300℃。冷却剂可添加到电机系统中以进一步抑制温度并增加FPFC的抗磁性。

冷却剂可以是用于热缓解的任何常规流体。在操作条件下，冷却剂可以是1至500厘泊范围内的低粘度流体(诸如水或机油)，以实现高冷却效率和高旋转动力。冷却剂还可以提供在操作期间生成的振动的阻尼，以及为在较高旋转速度下生成的谐波提供恢复力。

主动冷却可通过提供介质来吸收来自电气线圈和机械接触表面的热量而实现更大的功率密度。有源润滑系统可用于通过使流体润滑剂循环通过电机来提供表面的间歇或连续润滑。例如，流体泵可机械地促进润滑剂经由流体管线从流体泵流到电机，其中润滑剂可经由定向喷嘴排出，以向电机内的特定位置提供主动润滑和/或流体冷却。然后，流体可在重力作用下收集在电机底座的油底壳中，并经由回流管线流回泵进行再循环。以这种方式，电机转子组件可以在冷却、非浸没环境中操作。另外，润滑剂的一部分可通过热交换器以添加或移除润滑剂中的热量，以便调节润滑剂的温度和/或粘度以满足应用的特定需要。

冷却剂可以是用于热缓解的任何常规流体。在操作条件下，冷却剂可以是1至500厘泊范围内的低粘度流体(诸如水或机油)，以实现高冷却效率和高旋转动力。冷却剂还可以提供在操作期间生成的振动的阻尼，以及为在较高旋转速度下生成的谐波提供恢复力。

电机可包括收集盘，以在重力作用下收集在电机组件内排出的冷却剂并将其导向返回流体管线。

冷却剂系统可以具有流体泵，流体泵向冷却剂提供压力梯度。这种泵可以是固定排量泵(诸如旋转泵)，或者可变排量泵(诸如齿轮泵或活塞泵)。泵可以可操作地连接到机械功率源或电功率源，并且可以在电机操作期间连续或间歇地操作。湿式油底壳主动润滑系统可具有可操作地连接到收集盘以使油通过流体管线并在冷却系统内循环的单个流体泵。在这种情况下，大部分供油位于收集盘中。替代地，多个流体泵可以在干式油底壳主动冷却剂配置中操作，其中来自收集盘的流体优选地以相对于其横截面积具有较大的高度被连续地泵入保持箱，并且第二泵可以在单独的、受控的流速下将流体泵回电机以完成冷却剂循环。

冷却剂系统可具有一个或多个定向喷嘴，以将冷却剂引导到电机组件内的特定位置，包括例如定子极。

其他实现方式

可以控制上述电机中的任何一个电机以从动态能量生成电能(诸如用于再生地制动电机)。这可以通过改变激励信号的定时使得定子电流在最小气隙点(或者甚至稍微滞后于最小气隙的点)处被脉冲以在膨胀期间生成正向EMF来实现。以这种方式，当减速扭矩施加到转子以使电机减速时，即使电机不能通过施加到输出轴的扭矩机械地反向驱动，也可以生成电流并将其引导到相关联的电池中的存储器。

可以控制上述电机中的任何一个电机以从动态能量生成电能(诸如用于再生地制动电机)。这可以通过改变压缩波的定时使得定子电流在最小气隙点(或者甚至稍微滞后于最小气隙的点)处被脉冲以在膨胀期间生成正向EMF来实现。以这种方式，当减速扭矩施加到转子以使电机减速时，即使电机不能通过施加到输出轴的扭矩机械地反向驱动，也可以生成电流并将其引导到相关联的电池中的存储器。

虽然为了说明的目的已经描述了许多示例，但是前述描述并不旨在限制本文所描述的概念的范围，本文所描述的概念的范围由所附权利要求的范围限定。在以下权利要求的范围内存在和将存在其他示例和修改。其他实现方式和修改在以下权利要求的范围内，并具有本公开的益处。其旨在包括所有这样的实现方式和修改，并且因此，上述描述被视为说明性的而非限制性的。在一些情况下，权利要求书中所列举的动作或方法可以不同顺序来执行，并且仍然实现期望结果。此外，附图中描述的过程不一定需要所示的特定顺序或序列来实现期望的结果，并且可以添加、重新排序、组合、省略或修改各种元素。

Claims (17)

1.一种同步电气机器，包括：

定子(108)，所述定子限定具有相关联的电绕组(506)的多个定子极(304)；以及

转子(368、404、508、708)，所述转子包括多个转子极(308、410、510、710)，所述转子相对于所述定子能移动并且与所述定子一起限定所述定子极与所述转子极之间的标称间隙(512、3912)，所述转子极包括导磁极材料；以及

其中所述转子包括一系列频率可编程磁通通道(FPFC)，每个FPFC(310、400、600、800)包括围绕相关联的转子极的导电回路(402)。

2.如权利要求1所述的同步电气机器，其特征在于，所述定子和所述转子被布置为使得所述定子中的所述电绕组在启动期间感应所述FPFC中的至少一个FPFC内的激励电流和/或其中所述定子和所述转子被布置为使得所述定子中的所述电绕组在启动期间使所述转子极中的至少一个转子极磁化。

3.如前述权利要求中任一项所述的同步电气机器，其特征在于，所述FPFC中的每个FPFC不与相邻FPFC重叠，和/或其中所述导电回路包括基本均匀的电感。

4.如前述权利要求中任一项所述的同步电气机器，其特征在于，所述导电回路内的各个导体(1202)的厚度足够小，以用于驱动频率的全趋肤效应穿透。

5.如前述权利要求中任一项所述的同步电气机器，其特征在于，所述导电回路包括与所述导电回路的两个端部串联的整流器(2306)，其中所述整流器包括二极管。

6.如前述权利要求中任一项所述的同步电气机器，其特征在于，所述导电回路包括与所述导电回路的两个端部串联的分立电容器和/或逻辑电路(3406)。

7.如前述权利要求中任一项所述的同步电气机器，其特征在于，所述导电回路是第一导电回路，并且所述转子极是第一转子极，每个FPFC进一步包括第二导电回路(2104)、所述相关联的转子极和与所述第一转子极相邻的附加转子极，其中所述第二导电回路围绕与所述第一转子极相邻的第三附加转子极。

8.如前述权利要求中任一项所述的同步电气机器，进一步包括控制器(107、130)，所述控制器被配置为：

当所述定子极与转子极跨标称间隙对准时，随时间将磁化电流的脉冲施加到所述定子极的定子线圈，所述磁化电流被配置为通过感应耦合对所述转子极内的磁场充电；以及

当转子极被定位在相邻的定子极之间时，将随时间脉冲的负载电流施加到所述定子线圈，所述负载电流脉冲加强所述转子极内的所述磁场，其中脉冲负载电流每时间增量包括比脉冲磁化电流更多的脉冲。

9.如前述权利要求中任一项所述的同步电气机器，其特征在于，所述转子进一步包括永磁性通道(1520)，更具体地，其中所述永磁性通道包括铁氧体、SmFeN、N35或N45。

10.一种电机控制方法，包括：

当定子极与转子极(308、410、510、710)跨标称间隙(512、3912)对准时，随时间将磁化电流的脉冲施加到所述定子极(304、504、3604、3904)的定子线圈，所述磁化电流被配置为通过感应耦合对所述转子极内的磁场充电；以及

当转子极被定位在相邻的定子极之间时，将随时间脉冲的负载电流施加到所述定子线圈，所述负载电流脉冲加强所述转子极内的所述磁场，其中脉冲负载电流每时间增量包括比脉冲磁化电流更多的脉冲。

11.如权利要求10所述的电机控制方法，其特征在于，所述磁化电流作为随时间变化的单个电流脉冲施加，其中所述单个电流脉冲包括半正弦波、半方波或半梯形波。

12.如权利要求10-11中任一项所述的电机控制方法，其特征在于，施加所述脉冲负载电流包括当转子从第一极旋转到第二极时，随时间施加多个电流脉冲，其中所述多个电流脉冲包括半正弦波、半方波、半梯形波、全正弦波、全方波或全梯形波。

13.如权利要求10-12中任一项所述的电机控制方法，其特征在于，所述多个电流脉冲不是转子速度的函数和/或其中在5赫兹到1000赫兹、更具体地10赫兹到500赫兹、更具体地100赫兹到200赫兹之间的频率施加所述多个电流脉冲。

14.如权利要求12-13中任一项所述的电机控制方法，进一步包括在峰值负载状态期间将转子磁通保持在期望范围内，具体地，其中所述期望范围在50％-100％范围内变化，更具体地，所述期望范围在65％-100％范围内变化，更具体地，所述期望范围可以在80％-100％范围内变化。

15.一种电气机器，包括：

定子(108)，所述定子被配置为生成受控磁场；以及

转子(368、404、508、708)，所述转子被配置为响应于所述受控磁场相对于所述定子移动，所述转子与所述定子一起限定所述转子的表面与所述定子的表面之间的标称间隙(512、3912)，所述转子包括导磁极材料，

其中所述转子包括可由定子产生的所述受控磁场控制的可变磁动势源。

16.如权利要求15所述的电气机器，其特征在于，所述可变磁动势源包括一系列频率可编程磁通通道(FPFC)，每个FPFC(310、400、600、800)包括围绕相关联的转子极的导电回路(402)，其中所述FPFC的激励电流在启动期间由所述定子中的所述受控磁场产生。

17.如权利要求16所述的电气机器，其特征在于，所述FPFC中的每个FPFC不与相邻的FPFC重叠和/或其中所述导电回路包括在垂直于所述转子的运动方向的方向上基本均匀的电感。

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