CN116508233A - 具有增强的电磁相互作用的电机 - Google Patents

Abstract

一种电机，该电机可以是马达和/或发电机，该电机具有安装成绕轴线旋转的转子。多个磁极在开孔中围绕转子周向地间隔。转子包括壳体，壳体定形状为提供以轴线为中心的环形开孔。狭缝围绕转子周向地延伸。狭缝穿透壳体进入开孔中。电机还包括定子，该定子由穿过转子的狭缝延伸的一个或更多个支承件支承在开孔中。定子承载有围绕开孔间隔开的多个绕组。

Description

具有增强的电磁相互作用的电机

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年9月16日提交的且题为ELECTRIC MACHINES WITH ENHANCEDELECTROMAGNETIC INTERACTION(具有增强的电磁相互作用的电机)的美国申请No.63/079259的优先权，该美国申请出于所有目的在此通过引参并入本文中。对美利坚合众国而言，本申请根据35U.S.C.§119要求于2020年9月16日提交的且题为ELECTRIC MACHINESWITH ENHANCED ELECTROMAGNETIC INTERACTION(具有增强的电磁相互作用的电机)的美国申请No.63/079259的权益。

技术领域

本发明涉及电机，比如电动马达和发电机。一些实施方式提供永磁式马达和/或永磁式发电机。

背景技术

电动马达将电功率转换成旋转运动。发电机将旋转运动转换成电功率。术语“电机”包括电动马达和发电机两者。

需要更节能的电机。还需要有高功率重量比的电机。例如，这两种需求都存在于电动航空(例如，无人机或飞机)和电动车辆领域。

典型的电动马达具有安装成在筒形的定子内旋转的大致筒形的转子。转子的径向外表面通过提供机械间隙的气隙而与定子的径向最内部的部分分开。转子通过由定子中的电磁体产生的磁场与在转子中与磁体相关联的磁场相互作用而旋转。

一些电机具有轴向通量几何形状，其中，磁体在转子表面上的磁场与定子的位于转子前方的线圈相互作用。一些轴向通量电动马达具有两个转子，定子的每一侧上有一个转子。

在一些电机(例如，感应马达)中，转子包括线圈，并且转子的磁场由线圈中的电流产生。在永磁式马达中，转子的磁场由转子承载的永磁体而产生。永磁式马达通常比感应马达的电效率更大。

在永磁式马达中，转子可以承载围绕转子周向地间隔开的永磁体。定子可以承载围绕定子周向地间隔开的电磁体。定子的电磁体可以被通电以产生与转子上的磁体的磁场相互作用的磁场。通过以适当的顺序或模式为定子的电磁体通电，可以使磁场以将扭矩施加至转子(并且从而使转子转动)的方式而起作用。

电机中的热产生是个问题。发热可以由材料损耗、比如焦耳加热、磁滞损耗和涡流损耗引起。如果不移除这种热，就可能导致温度升高，这可以增加能量损耗率。此外，电机操作温度的升高不利于机器的长期可靠性。较高的操作温度也会迫使设计者使用较高等级、更昂贵的磁体，这些磁体尽管在较高的操作温度下也能够保持其磁性能。为减少热效应，常规马达的线圈中的电流密度通常设计为<10A/mm²。较高的电流密度在常规电机中可能导致线圈温度上升至足以损坏电绝缘并且/或者使永磁体退磁。

通常需要提供以下各项中的一项或更多项的电机：提高的电力效率、更高的功率重量比、一体式冷却和降低的制造成本。对于电机的现有几何形状也需要新的替代方案。

发明内容

本发明涉及包括马达和发电机的电机。本发明具有多个方面。这些方面包括但不限于：

·电机，电机具有其中转子包括环形开孔并且定子位于环形开孔内的几何结构。定子由穿过转子中的狭缝延伸的支承件支承。这种几何结构可以有利地应用于在相对小的封装中为转子与定子之间的电磁相互作用提供较大的区域。

·如上文所述的电机，其中，转子承载有永磁体，永磁体相对于转子中的开孔切向地定向并由提供磁极的铁磁材料分开。有利地，铁磁材料可以是可以成形的材料，例如可以通过压实或增材加工过程成形的材料。例如，铁磁材料可以包括软磁复合材料。使铁磁材料成形为具有如本文中所描述的3D几何结构可以优化3D磁通路径，以实现紧凑且更高效的马达。增材制造过程可以用于高效地制造复杂的3D结构。这种构造方式有利地提供了以提高铁磁材料的利用率以及/或者电机的效率的方式使转子成形的机会。

·如上文中的任一项所述的电机，其中，定子主动冷却。例如，定子可以包括通过狭缝供应有冷却剂的通道。这种构型可以有利地通过控制定子的温度来改进效率和/或可靠性。这种构型还可以有助于通过将热从转子传递至定子来控制转子的温度。

·如上文中的任一项所述的电机，包括邻近于转子靠外的冷却表面。这样的冷却表面可以移除来自转子的热，从而控制转子的温度。

·电机的各部分(例如，转子和定子)。

·用于构造电机的方法。

·上文中的任一项，其中，转子和定子的角色互换。

这些方面可以以任意组合或单独的方式来应用。以下是本发明的更特定的示例方面。

本发明的一个方面提供了电机，电机包括转子，转子安装成绕轴线旋转。转子包括壳体，壳体定形状为提供以该轴线为中心的环形开孔并且具有围绕转子周向地延伸的狭缝。狭缝穿透壳体进入开孔中。转子包括在开孔中围绕转子周向地间隔的多个磁极。定子由穿过转子的狭缝延伸的支承件支承在开孔中。定子承载有围绕开孔间隔开的多个绕组。

在一些实施方式中，磁极各自从接近狭缝的第一边缘的位置沿极向方向围绕开孔的内表面延伸至接近狭缝的第二边缘的位置。在一些实施方式中，狭缝的宽度小于转子的内表面的极向方向上的周长的三分之一。在一些实施方式中，狭缝在包括轴线的平面中相对于开孔的横截面的形心跨越一角度并且该角度小于或等于60度。在一些实施方式中，狭缝的面积与转子的内表面所在的环形表面的面积之间的比率不超过1:12。

在一些实施方式中，转子包括多个间隔开的环形磁体，环形磁体沿极向方向围绕转子延伸。环形磁体可以具有与狭缝对准的缝隙。在一些实施方式中，环形磁体中的每个环形磁体在相对于转子的正切的方向上被磁化，并且相邻的环形磁体由提供磁极中的一个磁极的铁磁材料的一部分分开。在一些实施方式中，铁磁材料的位于转子的外部的表面形成为具有沿极向方向延伸的切口或凹槽。铁磁材料可以包括软磁复合材料(SMC)。在一些实施方式中，环形磁体形成一个或更多个Halbach阵列。在一些实施方式中，环形磁体在径向方向上被磁化，并且壳体包括铁磁材料的连续层，铁磁材料的连续层在磁体的远离转子的开孔的侧部上作为磁体的背衬。

在一些实施方式中，定子包括包含冷却流体的冷却通道。电机包括穿过狭缝延伸的管道。管道连接成向冷却通道供应冷却流体并且/或者从冷却通道中移除冷却流体。在一些实施方式中，冷却通道围绕定子环形地延伸。在一些实施方式中，冷却通道围绕定子的中心线延伸。

在一些实施方式中，定子包括铁磁材料的芯部，并且绕组包括在沿着芯部间隔开的位置处围绕芯部卷绕的环形绕组。环形绕组可以包括整数式绕组或分数式绕组。在一些实施方式中，芯部包括定位在相邻的绕组之间的铁磁材料的肋部。肋部在极向方向上围绕芯部延伸。在一些实施方式中，肋部在肋部与狭缝相交的位置处中断。在一些实施方式中，肋部由与狭缝对准的V形切口中断。在一些实施方式中，环形绕组的外表面和肋部的外表面彼此对准。在一些实施方式中，环形绕组的外表面相对于肋部的外表面朝向定子芯部凹进。

在一些实施方式中，电机包括外壳，外壳定形状为与转子的外表面一致。外壳布置成在外壳与转子之间提供间隙。在一些实施方式中，外壳具有冷却通道，冷却通道定位成与转子相邻并且包含冷却流体。

在一些实施方式中，支承件包括连接成向定子输送电功率或者从定子输送电功率的电导体。在一些实施方式中，定子包括定位在绕组之间并远离定子径向延伸的辐条。

在一些实施方式中，狭缝位于转子的背向轴线的侧部。在一些实施方式中，狭缝位于转子的面朝轴线的侧部。

在一些实施方式中，开孔在包括轴线的平面中具有圆形的横截面。在一些实施方式中，开孔在包括轴线的平面中具有椭圆形的横截面。

其他方面和示例实施方式在附图中进行图示并且/或者在下面的描述中进行描述。

应当强调的是，本发明涉及上述特征的所有组合，即使这些特征在不同的权利要求中陈述。

附图说明

附图图示了本发明的非限制性示例实施方式。

图1和图1A是根据示例实施方式的永磁式马达的横截面的示意图。图1B是图1A的马达的部段的立体图。

图2是根据示例实施方式的图1A的马达的定子芯部的部段的立体图。图2A是根据示例实施方式的图1A的马达的绕线定子的部段的立体图。图2B是接纳在转子的开孔内的绕线定子的部段的立体图。图2C是没有肋部的绕线定子的部段的立体图。

图3是根据示例实施方式的转子的部段的立体图。图3A示出了图3的转子的各部件的磁力的方向。图3B和图3C是分别示出了在极向方向上分成段的磁体和在径向方向上分段的磁体的图示。

图4是根据示例实施方式的转子的部段的立体图。图4A示出了图4的转子的各部件的磁力的方向。

图5是根据示例实施方式的转子的部段的立体图。图5A至图5D是图5的转子的切口部段的各种实施方式的二维横截面图。

图6是根据示例实施方式的Halbach阵列式转子的部段的立体图。图6A示出了图6的转子的示例实施方式的各部件的磁性的方向。

图7是根据示例实施方式的磁式马达组件的部段的立体图。图7A至图7F是图7的磁式马达组件的各部件的部段的立体图。

图8A至图8F描绘了预测如本文中所描述的电机的性能的模拟结果。

具体实施方式

贯穿下文描述，阐述了具体细节以便提供对本发明的更全面的理解。然而，可以在没有这些细节的情况下实施本发明。在其他实例中，未详细示出或描述公知的元件以避免不必要地模糊本发明。因此，说明书和附图应被认为是说明性的，而非限制性的。

发明人已经认识到，转子与定子之间的电磁相互作用发生在筒形壳体中的常规电动马达的几何形状以及转子与定子之间的电磁相互作用发生在轴向气隙内的盘形空间中的轴向通量马达的几何形状是提高效率的障碍。

本公开描述了具有其中转子与定子之间的磁场的相互作用发生在环形壳体中的几何形状的电机。该几何形状可以有利地在配装在给定体积内的电机中的定子与转子之间提供增大的电磁相互作用面积。

如本文中所描述的电机可以包括定子，定子包括软磁复合材料(“SMC”)。软磁复合材料可以定形状为有效地使用材料并且可以包括切向定向的磁化磁体。本文中详细描述的这些结构可以提供显著的制造和性能优点。

所公开的电机的另一特征是可以提供非常有效的排热的冷却布置结构。所公开的冷却布置结构可以在不利用昂贵的/外来的材料的情况下促进电磁体绕组中的高电流密度(例如，10A/mm²电流密度或更大的电流密度)。有效冷却可以允许电机以相对高的功率操作，同时保持磁线圈和其它部件的温度相对较低。保持相对较低的操作温度可以使效率提高(例如，将磁线圈的温度保持在阈值——在该阈值时，线圈的电阻显著增加——以下可以减少I²R损耗，并且，保持磁性材料的温度低可以减少诸如焦耳加热、磁滞损耗和涡流损耗的材料损耗)。保持磁性机器的部件的温度相对较低还可以提高可靠性(例如，通过避免高温，高温会使电绝缘件或其它部件劣化)。

1.整体架构

如本文中所描述的电机包括布置成提供环形表面的转子和定子，转子与定子之间的电磁相互作用可以发生在该环形表面上。在优选的实施方式中，定子定位在转子中的环形室内。定子可以由延伸穿过转子中的狭缝的构件进行支承。

“环形表面”是指在中间具有孔的回转表面。例如，可以通过围绕位于形状的平面中并且与形状的边界间隔开的回转轴线扫出平面形状来生成环形表面。该形状可以例如是圆形、椭圆形、矩形、正方形等。甜甜圈形状的表面是环形表面的示例。

环面或环形表面具有环向方向，该环向方向遵循在垂直于回转轴线的平面中的以回转轴线为中心的圆。环面或环形表面还具有在包括回转轴线的平面中围绕该形状延伸的极向方向。在图1B中分别由箭头102和箭头101指示环向方向和极向方向。

下文论述中描述了例如机器的构型。这种构型还可以应用于马达和发电机。

图1是根据示例实施方式的永磁式机器100的示意性横截面图。机器100可以作为马达或作为发电机来操作。在该示例中，机器100包括轴120，该轴在机器100连接至电源110时被驱动以使机械负载150旋转。机器100可以制造成通过驱动轴120旋转来产生电功率。

机器100包括接纳在转子20中的环形开孔21内的定子10。在该示例中，定子10定形状为大致类似于圆形环面和/或椭圆形环面，但是其他环形形状也是可以的。转子20被支承以通过适合的轴承(图1中未示出)而绕轴线115旋转。转子20围绕定子10沿极向方向101包裹以提供在转子20与定子10之间的相对大的相互作用区域。

定子10由穿过狭缝23延伸的一个或更多个支承件112支承。狭缝23沿环向方向围绕转子20延伸。支承件112连接至基部111，基部111可以是外壳(例如，图7中的外壳200)。

电功率可以通过经过狭缝23的电导体(未示出)而被输送至定子10或从定子输送。电导体例如可以在一个或更多个支承件112内部或者附接至一个或更多个支承件。

图1中所图示的几何形状可以改变。例如，狭缝23在极向方向上的位置可以改变。图1A图示了根据另一示例实施方式的马达100A，其中，狭缝23面朝轴线115。图1A的实施方式具有的优点在于，与图1的实施方式中的狭缝23的长度和总面积相比，狭缝23的长度(并且因此狭缝23的总面积)减小。

狭缝23可以相对较窄，从而为定子10与转子20之间的磁相互作用提供大的区域。狭缝23不需要比容纳支承件112所需的宽度外加支承件112与狭缝23的边缘之间的必需的机械间隙更宽。狭缝23的相对宽度可以以不同的方式指示。例如：

·狭缝23的宽度可以小于转子20的内表面的极向方向上的周长的一半。优选地，狭缝23的宽度不大于转子20的内表面的极向方向上的周长的三分之一、或四分之一、或六分之一、或十二分之一。在一些实施方式中，狭缝23的宽度处于在极向方向上沿着围绕开孔21的开孔21的内表面从狭缝23的一个边缘到狭缝23的相对边缘延伸的距离的约10％至20％的范围内。

·狭缝23可以相对于横截面形状的中心或形心跨越一角度，该角度限定了转子20的小于180度的内环形表面。优选地，角度不大于120度或不大于90度或不大于60度或不大于30度。例如，转子20可以绕定子10的环向中心轴线在180°～355°的范围内跨越极向角范围Ф_R(参见图1B)。在图1B示例实施方式中，转子20跨越约300°的极向角度Ф_R。

·狭缝23的面积与转子20的内表面所在的环形表面的面积的比率小于1:2且优选地不大于1:3、或不大于1:4、或不大于1:6、或不大于1:12。

·狭缝23的宽度可以小于转子10的最大直径。例如，狭缝23的宽度与转子10的最大直径的比率可以小于2:3且优选地不大于1:2、或1:4、或1:6。

定子10的外表面与转子20的面向环形开孔21的内表面之间的间隙可以很小。这增加了由定子10产生的磁场与由转子20产生的磁场之间的磁相互作用的强度。

存在如本文中所描述的制造机器的各种方式，其中，定子10定位在转子20的环形开孔21内并且转子20围绕定子10包裹大部分路径。这些方式包括：

·以可以围绕定子10组装的两个或更多个部分制造转子20。例如，图1A示出了由可以围绕转子组装并且然后通过紧固件27连结的部分20-1和部分20-2制成的转子20。

·围绕定子10模制转子20或以其他方式形成转子20。

·在可以通过转子20中的狭缝23或另一开孔引入到转子20中并组装在转子20内的部分中制造定子10。

·通过增材制造来制造定子10和/或转子20。例如，可以通过增材制造同时制造定子10和转子20。

定子10包括从电源110接收电力以产生磁场(在机器100作为马达被操作时)的绕组18。在一些实施方式中，绕组18是沿极向方向围绕定子10缠绕的环形绕组。

转子20承载永磁体24。磁体24可以例如包括诸如铁-钕-硼(例如，Nd₂Fe₁₄B)或钐钴(例如，SmCo₅)或铝-镍-钴或铁氧体磁体的磁体。

由绕组18产生的磁场与来自磁体24的磁场相互作用以驱动转子20围绕轴线115沿环向方向102旋转。轴120通过构件121机械地联接至转子20，使得轴120与转子20一起旋转。

在一些实施方式中，转子20的面朝开孔21的内表面定形状为符合定子10的形状。例如，定子10的外表面与转子20的内表面之间的最小径向距离可以在转子20跨越的极向角范围Ф_R上是基本上相同的。

图1B示出了具有如图1A中所示出的几何形状的示例转子和定子的一部分。

在任何实施方式中，转子可以构造成包括非磁性保持件，使用粘合剂、机械带、夹具等将磁体附接至非磁性保持件。转子保持件可以例如由铝或碳纤维制成。还可以或替代地使用增材制造方法在保持件上形成永磁体，比如进行冷喷涂以沉积磁性材料以形成磁体。铁磁材料(例如，SMC)可以被沉积到定形状为以期望的方式(例如，如本文中所论述的各种实施方式中所描述的)导引磁通量的本体中的磁体和/或保持件上。

2.示例定子构型

图2是根据示例实施方式的定子10的示例定子芯部11的一部分的立体图。定子芯部11包括呈环面形状的或大致环面形状的本体12。本体12由导磁材料制成。

多个凹槽或狭槽15围绕本体12周向地延伸并且在环向方向102上沿着本体12间隔开。凹槽15定尺寸为接纳线圈18(参见图2A)。凹槽15中的相邻的凹槽之间形成肋部14，肋部14用作定子10的极片。

肋部14优选地在其对应于狭缝23的部分处被切掉。图2示出了肋部14中的切口或缺口14A。这种构型有助于将由线圈18产生的磁场集中在转子20所跨越的极向角范围内。在一些实施方式中，缺口14A是V形的。例如，缺口14A的两侧可以遵循在定子芯部10中径向延伸的线。

缺口14A可以具有替代构型，例如：

·缺口14A可以由在环向方向102上围绕定子10延伸并贯穿肋部14的狭槽或凹槽提供；

·缺口14A可以通过使肋部14在其与狭缝23相邻的部分处变窄来提供。

·缺口14A可以填充有非磁性材料或多种非磁性材料材料。

在肋部14包括缺口14A的情况下，肋部14可以围绕定子10的环向中心轴线跨越180°～355°的范围内的极向角范围Ф_T。优选地，肋部14跨越的极向角范围Ф_T与转子20跨越的极向角范围Ф_R至少大致相同。在一些实施方式中，在缺口14A的边缘与狭缝23的边缘之间的极向角偏移小于8°(参见例如图1B)。

肋部14和狭槽15(以及其他类似的部件)可以被描述为具有沿平行于环向方向102的方向定向的宽度尺寸W和沿径向方向(即，正交于极向方向101并贯穿定子10的环向中心轴线的方向)定向的厚度尺寸T。

肋部14优选地围绕本体12等距地间隔开。在一些实施方式中，肋部14宽度相等。在一些实施方式中，狭槽15宽度相等。肋部14和狭槽15的相对宽度可以被调节。例如，狭槽15可以被设计成比肋部14宽以提供较大的体积来容纳绕组18。为绕组18提供更大的体积可以增加马达100的输出功率。替代性地，狭槽15可以被设计成较窄的，使得肋部14可以被制成较宽的。提供较宽的肋部14可以有助于避免或减小定子10的磁饱和的可能性。

在一些实施方式中，定子芯部11由适合的软磁复合材料(“SMC”)制成。这种材料通常包括彼此电绝缘的铁磁材料(例如，铁粉)的颗粒。定子芯部11可以由SMC通过下述方式制成：将涂覆有电绝缘层的铁磁颗粒的粉末压实(例如，通过直接按压)成芯部11的形状或可以被组装以制造芯部11的部件的形状。SMC还可以通过增材制造过程而形成为期望的形状。

3.示例转子构型

转子20可以以便于本文中所描述的一般架构的各种方式进行构造。理想地，转子20提供：

·容纳用于定子10的支承件的狭缝23，

·周向地间隔开的磁极，磁通量集中在磁极处，

·磁极在沿环向方向102围绕转子20行进时极性交替，并且

·磁极沿极向方向101围绕转子20延伸以提供从狭缝23的一个边缘到狭缝23的相对的边缘围绕定子10包裹的集中磁通量的区域。

在一些实施方式中，转子20具有环形壳体的形式，该环形壳体具有沿环向方向102围绕该壳体延伸的狭缝23，其中，壳体的全部或大部分由铁磁材料覆盖。铁磁材料包括磁体并且可以还包括布置成将来自磁体的磁通量集中在面朝该壳体的开孔21的磁极处的SMC、铁或钢或其他铁磁材料。

在一些实施方式中，转子20包括布置成输送来自磁体的磁通量的磁体和SMC。

4.形状优化

在一些实施方式中，诸如转子20和/或定子芯部11的部件中的磁性材料定形状为使得磁性材料具有高利用率(即，使得当部件在使用中时，大部分或全部磁性材料支承高于阈值通量密度的磁通密度)。例如，可以通过对构造为接纳具有期望尺寸的磁体(例如，线圈18或磁体24)的部件创建计算机模型来得出适合的形状。当磁体存在并且在适当的情况下当磁体通电时，模型可以被处理为估计部件内的点处的磁通密度。然后可以通过在估计的磁通密度低于阈值的区域中从部件移除材料来改进模型。在一些实施方式中，相对于从模型估计的最大磁通密度以及/或者在使部件的材料磁饱和时的磁通密度来设定阈值。可以迭代该过程以改进部件的形状，进而以产生重量和尺寸减小但保持期望的磁特性和性能的部件比如转子20或定子芯部11。

例如，使用SMC的增材制造可以用于制造具有例如可以通过如上文所描述的建模来确定的任意形状的外表面的定子芯部11或转子20。

这些技术在提供其中性能得以维持但重量显著降低的转子构型时可以是特别有效的。特别是在转子20中的磁体24切向定向(参见例如图5)的情况下。

在一些实施方式中，转子20的仅在转子20的外表面内位于磁体24之间的材料中的磁通量梯度定向为大致垂直于转子20的表面。在一些实施方式中，磁体24之间的转子20的外表面遵循具有均匀的通量密度或接近均匀(例如±20％)的通量密度的表面。

在一些实施方式中，定子芯部11的仅位于肋部14的表面内的材料中的磁通量梯度定向为大致垂直于肋部14的表面。在一些实施方式中，肋部14的表面遵循具有均匀的通量密度的表面或接近均匀(例如±20％)的通量密度的表面。

5.热管理

当如本文中所描述的机器正在操作时，在定子10和/或转子20中释放热能。例如，由于绕组18中的电阻损耗(“I²R损耗”)、定子芯部11中的磁滞损耗和涡流损耗、磁体中的涡流损耗以及定子10中的机械振动的耗散，因此可以释放热。如本文中所描述的机器可以包括用于冷却定子10的装置。

定子芯部11可选地包括一个或更多个冷却通道16。通道16可以操作成将热运载出定子10。可以在通道16中提供诸如空气、水、油、醇(例如，甲醇或乙醇)的流动冷却剂。冷却通道16可以运载循环流(循环流可以被供应至定子10并通过延伸穿过狭缝23的一个或更多个管道而从定子10移除。管道例如可以在支承件112上、在支承件112中或者与支承件112相邻。冷却通道16可以可选地构造为热管以在定子10内运载热并且/或者将热运载出定子10。

在所图示实施方式中，定子芯部11包括围绕定子10在环向方向102上延伸的冷却通道16。冷却通道16可以例如沿着定子10的中心线延伸(例如，在定子10于包括轴线115的平面中被切割时具有圆形横截面的情况下，该圆形横截面的中心可以位于冷却通道16内、例如在冷却通道16的中心处)。冷却通道16的横截面不一定是圆形的，例如，冷却通道16可以形成为具有为热传递提供较大表面面积的另一形状的壁。

通过将冷却通道16定位在定子10内，冷却通道16可以安置成在不干扰从绕组18到肋部14的磁通的磁链的情况下与绕组18具有良好的热接触。冷却通道16可以物理地接近于绕组18。可以使在定子10中(例如，通过绕组18)产生的热流向定子10的中心，从而降低定子10的温度并防止使绕组18和磁体24过热。

在当前优选的实施方式中，冷却通道16在环向方向上完全围绕定子芯部11延伸。冷却流体可以循环到冷却通道16中并且温热流体可以在任何期望的位置处从冷却通道16排出。在一些实施方式中，冷却通道被划分成多段，并且多段中的每一段具有一个或更多个流体入口和一个或更多个流体出口。

冷却通道16可以例如组成定子芯部11的本体12的体积的约5％至30％。

定子芯部11可选地包括径向地远离定子芯部11延伸的辐条17(参见例如图2B和图7E)。辐条17可以由具有高热导率的材料制成并且/或者可以包括热管。辐条17可以例如包括诸如铝或铜的导热金属。辐条17可以径向地远离冷却通道16延伸。

辐条17用作将热从定子20的本体传导至冷却通道16的通路。在一些实施方式中，辐条17在线圈18的端部附近穿过，使得辐条17用作将热从线圈18运载至冷却通道16的通路。

在一些实施方式、比如图2B中所图示的实施方式中，辐条17可以经过线圈18径向地延伸成紧密地靠近开孔21的壁。在这样的实施方式中，辐条17可以具有用于将热从转子20运载至冷却通道16的增强的有效性。

在一些实施方式、比如图2B中所图示的实施方式中，冷却通道16的壁16A由导热材料制成，并且辐条17与壁16A的导热材料热接触并且辐条17可以可选地与壁16A的导热材料成一体。

在一些实施方式中，冷却通道16和辐条17用作骨架或框架，骨架或框架上可以支承并且/或者设置定子10的其他部分。在一些实施方式中，冷却通道16的壁16A和/或辐条17增强了定子20的机械特性(例如，刚度)。

除了从定子10移除热之外，冷却通道16还可以将定子10的温度降低至低于转子20的温度，使得热可以从转子20流动至定子10，可以通过冷却通道16移除来自定子10的热。

在一些实施方式中，为转子20的外部提供冷却。冷却可以移除来自转子20的例如由于转子20中的磁滞损耗和涡流损耗产生的热。冷却表面可以设置在转子20的外部(参见例如图7)。冷却表面可以例如包括基本上封围转子20的护罩。冷却表面可以通过穿过与冷却表面热接触的通道(参见例如图7中的冷却通道216)的循环流体而被冷却。冷却表面可以安置为非常接近于转子20的外表面，使得转子20与冷却表面之间的缝隙和转子20具有相对小的热阻。

在一些实施方式中，为定子10和位于转子20的外部的冷却表面两者提供冷却。在这样的实施方式中，可以通过定子冷却回路并通过冷却表面而移除来自转子20的热。

6.示例定子绕组构型

如本文中所描述的机器中的定子可以具有广泛范围的绕组构型中的任一绕组构型。

图2A是根据示例实施方式的绕线定子10A的一部分的立体图。定子10A包括沿极向方向101围绕定子芯部11卷绕的绕组18。绕组18的外表面可以与肋部14的外表面基本上对准，但是这不是强制性的(例如，肋部14的外表面可以相对于绕组18的外表面径向地突出)。可以使绕组18的外部部分与肋部14的外表面径向地对准，以使对应的狭槽15的利用率最大化。使肋部14径向地突出越过绕组18的外表面可以有助于减小磁体涡流损耗和/或绕组AC损耗。

在一些实施方式中，定子10不具有肋部14或狭槽15(即，定子10可以具有无槽结构)。在这样的实施方式中，绕组18可以直接卷绕在定子芯部11的本体12的外表面上(例如，参见图2C)。

绕组18可以以整数式构型或分数式构型连接。在整数式构型中，狭槽15(和对应的绕组18)的数目与转子20的磁极的数目之间的比率为整数(例如，1、2、3、4、5等)乘以用于驱动绕组18的电功率的相的数目。例如，在马达由三相电驱动的情况下，转子20可以具有的极数是定子10上的绕组18的3倍、6倍、9倍…等。在这样的实施方式中，每个绕组18可以连接至电功率的一个相，其中，相邻绕组18连接至不同的相。

在绕组18以分数式构型连接的情况下，则狭槽15(和对应的绕组18)的数目与转子20的磁极的数目之间的比率为分数(例如1/4、1/2、3/7、3/11、2/5、2/7、4/8、3/10、5/14、5/16等)乘以相的数目。在整数式构型和分数式构型两者中，部分绕组18或全部绕组18可以包括连接成待由不同相的供应电功率进行驱动的多层绕组。

在一些实施方式中，绕组18包括分布式绕组。分布式绕组可以由分开的绝缘体覆盖。一些狭槽15或所有狭槽15可以接纳两个或更多个分布式绕组。分布式绕组与分数式绕组相比通常利用大量的槽/线圈。分布式绕组可以有利地降低转子损耗。分布式绕组可以产生谐波含量相对较低的磁场。在一些实施方式中(例如，对于具有内部磁体的转子设计)，分布式绕组可以利用在转子芯部的不同位置处的磁阻变化来产生增强马达扭矩的附加的磁阻扭矩分量。

在一些实施方式中，绕组18是短距式的，这意味着绕组18在环向方向102上的宽度小于转子20的各磁极在环向方向102上的极距。在一些实施方式中，绕组18是整距式的，这意味着绕组18在环向方向上的宽度等于转子20的各磁极的极距。有利地，短距式绕组18得到的反电动势(“反EMF”)的波形比针对整距式绕组而言得到的反电动势波形更近乎正弦波，并且因此包含较少的高频谐波。这可以有利地使在负荷条件下的扭矩波动减少并且/或者使转子损耗减少。

绕组18的构型可以选择成优化如本文中所描述的用于特定目的的机器的操作。例如，不同的分布式绕组构型和集中式绕组构型会影响磁体损耗和总的马达性能。可以在效率与其他性能指标比如平均扭矩和扭矩波动之间进行权衡。例如，表I中提供了具有60-槽/20-极的整距式的分布式绕组以及具有18-槽/20-极、24-槽/20-极、24-槽/22-极的三个分数式的集中式绕组的特征。

表I：不同绕组构型的比较

可以看出，60-槽/20-极分布式绕组设计具有最小的磁体涡流损耗。然而，该构型也具有可能在一些应用中是非期望的显著的扭矩波动。在表I中所列的构型中，24-槽/22-极构型示出了最高的平均扭矩以及最低的总损耗和扭矩波动。

在一些实施方式中，电源110向绕组18施加正弦电流波形。向绕组18施加正弦电流波形允许机器100作为具有正弦反电动势或近乎正弦反电动势的永磁式同步马达而进行操作。永磁式同步马达具有平稳操作的优点，这对于诸如电气化运输系统的应用可以是优选的。

在一些实施方式中，电源110向绕组18施加矩形电流波形。在这些实施方式中，绕组18和磁体24可以提供具有梯形波形的反电动势，使得机器100作为无刷直流马达而进行操作。无刷直流马达可以实现比永磁式同步马达更高的功率密度、但可能具有较高的扭矩波动。

7.示例转子构型

7.1转子示例1-径向磁化磁体

图3是根据一个示例实施方式的转子20A的部段的立体图。转子20A优选地定形状为类似圆形环面和/或椭圆形环面以符合定子芯部11的形状，但是其他形状是可能的(例如，其他环面)。

转子20A包括壳体22，壳体22容置有围绕壳体22的内表面沿环向方向102间隔开的多个磁体24。

壳体22弯曲成限定沿环向方向102延伸的开孔21。开孔21定尺寸为容纳定子10。

壳体22包括沿环向方向102围绕转子20A延伸的狭缝23。如图1中所描绘的，开口23允许用于定子的一个或更多个支承件112(例如，图7中的套200)进入开孔21并保持定子10就位。

在图3的示例实施方式中，狭缝23向内并面朝旋转轴线115定向，但是这是不必要的。基于定子支承件112的设计和/或取向，狭缝23可以朝向任何适合的方向(例如，向外、向上、向下等)定向。

磁体24附接至壳体22的内表面。每个磁体24具有下述环状件的形式：该环状件具有与狭缝23对应的部分切口。磁体24布置成提供下述磁极：磁极在沿环向方向围绕转子24行进时极性交替。

在转子20A中，磁体24沿径向方向被磁化。磁体24包括磁体24A和磁体24B，磁体24A在其径向向内的表面上具有北磁极并且在其径向向外的表面上具有南磁极，在磁体24B中，南磁极径向面向内并且北磁极径向面向外。磁体24A和磁体24B在沿环向方向102围绕转子20A行进时交替。每个磁体24提供转子20的磁极。相邻的磁体24按照磁极间距间隔开。相邻的磁体24由空间25分开。

磁体24由铁磁材料22A作为背衬。例如，壳体22可以包括适合的铁磁材料22A或者由适合的铁磁材料22A制成，适合的铁磁材料22A比如为软磁复合(“SMC”)材料。

图3A示出了铁磁背衬材料在壳体22中如何能够指引磁体24A和磁体24B的磁通量沿环向方向102产生穿过定子线圈18的气隙磁通。

在一些实施方式中，使用诸如冷喷涂、粘合剂喷射等的增材制造技术制造外壳22和/或磁体24。

在一些实施方式中，磁体24是分段的。分段磁体24可以有利地帮助减小磁体涡流损耗。图3B图示了磁体在极向方向101上分成多段的示例。图3C图示了磁体24在径向方向上分段的示例。

7.2转子示例2-切向磁化磁体

图4是根据另一实施方式的围绕定子10包裹的转子20B的部段的立体图。与转子20A一样，转子20B定形状为类似圆形环面和/或椭圆形环面以符合定子芯部11的形状，但是其他形状(例如，其他环面)是可能的。转子20B包括容纳定子10的开孔21。

转子20B包括形成壳体22的一部分的多个磁体24。示出了磁体24C和磁体24D。磁体24C、24D沿环向方向102围绕壳体22间隔开。磁体24C、24D中的每一者具有下述环状件的形式：该环状件的与狭缝23对应的部分缺失。在转子20B中，磁体24C、24D沿切线定向(即，磁体24C、24D被磁化成使得磁体24的北磁极和南磁极分别位于磁体24的下述相反两面上：所述相反两面面向沿着沿环向方向102围绕开孔21延伸的轴线)。

在图示的实施方式中，磁体24C和24D在沿环向方向102围绕转子20B行进时交替。每个磁体24C的北磁极在第一侧部上面对相邻磁体24D的北磁极。每个磁体24C的南磁极在与第一侧部相反的第二侧部上面对相邻磁体24D的南磁极。磁体24C和24D可以可选地具有相同的构造(除了磁体的磁极相对于转子20B定向的方向)。

如图4A中所图示的，相邻的磁体24C、24D之间的空间包含将磁通量从磁体24C、24D输送至转子20B的磁极的铁磁材料22A。

转子20B可以提供的优点包括以下各项中的一项或更多项：

·转子20B中的磁体24和壳体22的布置结构使磁通量通过壳体22的材料(例如，软磁复合材料)进入转子20B与定子10之间的气隙。这减少了使磁体24暴露于有损害的电枢磁场谐波。如本文中在别处所描述的，这可以有利地减少磁体涡流损耗并且/或者提高马达100的总效率。

·转子20B中的磁体24和壳体22的布置结构可以基于电枢磁场与壳体22的材料之间的引力产生附加的磁阻扭矩分量。附加的磁阻扭矩分量可以有利于提高马达100的总输出扭矩。

·外壳22的铁磁材料与定子10的接近性增大了绕组18的电感。使绕组18的电感增大可以有利地提高马达100的容错性、限制短路电流、便于以较高速度控制马达100(由于改进的磁场衰减能力)等。

·由于磁体24的相对简单的几何形状(例如，环状几何形状)，因此可以降低制造成本并且可以简化制造过程。

·磁体24的磁化过程是简单的(即，在与磁体24的侧表面垂直的方向上对磁体24进行磁化)并且能够使用标准磁化夹具实现。

·由于转子20B不需要铁磁背衬材料的壳体而使得重量可以减少。

7.3转子示例3-切向磁化磁体

图5是根据另一示例实施方式的转子20C的一部段的立体图。转子20C与转子20B类似地构造，除了下述区别：相邻的磁体24之间的空间中的铁磁材料22A朝向壳体22的内部集中(即，与转子20B相比，材料22A在壳体22的外部于切口区域27中被切割)。通过该结构，壳体22的中心处的气隙的尺寸小于磁体24的两侧处的气隙的尺寸。这可以得到气隙磁通的更为正弦的空间分布，可以减少气隙谐波并且/或者减少马达扭矩波动。

图5A至图5D图示了位于两个磁体24之间的空间中的铁磁材料22A，但忽略了转子20C的曲率。如图5A至图5D中所图示的，铁磁材料22A覆盖磁体24的磁极(在该特定示例中，北磁极)的表面。切口27部分地通过壳体22延伸于磁体24之间。因此，邻近于切口区域27的铁磁材料22A的厚度可以小于磁体24的厚度。在一些实施方式中，壳体22在切口区域27处的最小厚度与磁体24的厚度的比率在约0.3至0.7的范围内。

将铁磁材料22A定形状为包括切口区域27可以有利地减少转子22C的重量，并且也可以有助于集中来自转子22C与转子22C的开孔21中所接纳的定子之间的气隙中的磁体24的磁通量。

切口区域27的形状和/或尺寸可以改变。图5A至图5D示出了切口区域27的非限制性示例表面轮廓。铁磁材料22A在切口区域27中的轮廓可以通过下述方式生成：对利用铁磁材料22A的各种表面轮廓产生的磁场进行建模、并且优化表面轮廓以在减小的转子重量和转子20C与定子10之间的缝隙中的期望磁场之间找到良好平衡。减小转子20C的重量以及/或者提高转子20C的磁性材料利用率可以有利地允许马达100输出更高的扭矩并且/或者增加马达扭矩密度并且/或者提供转子20更快的加速度。

在一些实施方式中，例如可以由SMC提供的铁磁材料22A在内部(即，在铁磁材料22A的下述侧部：该侧部形成环形开孔21的壁的部分)定形状为具有朝向定子10凸出的弯曲形状，使得转子20与定子10之间的气隙在铁磁材料22A的区段的中心处的长度短于转子20与磁体24的侧部之间的气隙的长度。这可以得到气隙中的磁通量的更为正弦的空间分布，从而可以降低气隙谐波和扭矩波动。

7.4转子示例4-按照Halbach阵列布置的磁体

在Halbach阵列中，多个磁体以下述方式布置：磁体中的不同磁体的磁化的方向定向成使得在阵列的第一侧上产生强磁场，而在与阵列的第一侧相反的阵列的第二侧上，来自磁体中的不同磁体的磁场抵消。Halbach阵列的原理可以应用于为如本文中所描述的电机提供转子20，其中，在开孔21内部提供强磁场并且在开孔21外部存在很小的磁场。

在Halbach阵列中，相邻的磁体具有不同的磁化的方向，使得磁化的方向在沿着阵列从一个磁体移动至下一个磁体时旋转。例如，相邻的磁体的磁场方向可以旋转90度。

图6A示意性地示出了连续的磁体24A、24B、24C、24D在转子20D中可以提供的Halbach阵列中的磁化方向。图6A中忽略了转子20D的曲率。在图6A的示例实施方式中，磁体24A、24B、24C、24D中的相邻磁体的磁化方向之间的角度θ_H为90°。在图6A的示例实施方式中，磁体24A在相对于开孔21径向向内的第一方向上被磁化，磁体24B在面向沿着环向方向102的第一路径的第二方向上被磁化，磁体24B在相对于开孔21径向向外的第三方向上被磁化，磁体24D在第四方向上被磁化，第四方向面向与沿着环向方向102的第一路径相反的第二路径。

转子20D可以具有4N个磁体，其中，每组的四个磁体如图6A中进行布置以在开孔21内部产生磁场但在转子的外部几乎没有磁场。

Halbach阵列可以以由多于四个磁体构成的组为基础。在n磁体式Halbach阵列中，相邻的磁体24的磁化方向之间的角度θ_H可以为360/n。在Halbach阵列中，连续的磁体的磁化方向之间的典型角度θ_H包括但不限于10°、15°、30°、45°、60°、90°和120°。

图6示出了包括多个永磁体24-1、24-2、....、24-N的示例Halbach阵列式转子20D。磁体24-1、24-1、....、24-N的磁化的方向以空间旋转模式进行布置，以形成沿环向方向102延伸的一个或更多个Halbach阵列。

在转子20D中，磁体24-1、24-2、....、24-N在宽度上渐缩(例如，是楔形的)，使得在磁体24-1、24-2、....、24-N中的相邻的磁体之间没有明显的缝隙。磁体24-1、24-2、....、24-N可选地可以附接(例如，使用粘合剂、通过增材制造方法比如冷喷涂等附接)至非磁性转子保持件。转子保持件可以例如由诸如铝、碳纤维复合材料等的材料制造。

Halbach阵列式转子20D有利地不需要铁磁背衬芯部(例如，如由示例转子20A中的壳体22所提供的)。按照如转子20D中的Halbach阵列中的环形转子几何形状来布置磁体例如可以有利地在转子20D的内部与定子10之间的缝隙中提供增大的空载磁通密度。这可以得到较高的输出扭矩(在相同的电条件下)并且/或者由于排除转子背衬芯部而得到较高的扭矩密度(转子和定子的单位重量扭矩)。

7.5移位转子磁体

在一些实施方式中，转子上的磁体远离定子朝向转子的外表面偏移一小段距离(例如，1mm左右)。如本文中所描述的，该位移可以通过减少磁体于电枢磁场谐波的暴露来提高机器的总效率。3D有限元分析模拟对本文中所描述的两个马达进行了比较，其中，马达中的一个马达的转子磁体相对于另一马达的磁体位置向外移位，3D有限元分析模拟表明，根据平均扭矩减少了0.6％，具有移位磁体设计的马达具有略高的铜损耗。另一方面，与其他马达相比，具有移位磁体的马达具有的磁体涡流损耗减少了32％。

8.示例机器构型

图7是根据示例实施方式的电机1000(电机1000可以用作马达和/或发电机)的部分的立体图。机器1000包括包含在外壳200内的永磁式马达100。机器100的转子20通过转子保持件121连接至轴120。轴120轴向延伸并且由轴承210支承。

在一些实施方式中，转子保持件121由一种或更多种适合的非磁性材料比如适合等级的塑料、非磁性金属比如铝、钛、非磁性不锈钢等制成。

在图示的实施方式中，外壳200形成围绕转子20的外部延伸的环形室201。室201可以接近地配装至转子20并留出足够的间隙，使得外壳200不干扰转子20的自由旋转。

在图示的实施方式中，外壳200朝向轴120径向向内延伸并且支承轴承210。

外壳200可以由可分开的部分组成以便于组装机器1000(例如，外壳200可以以两半制成，这两半可以被分开以允许马达100插入到外壳200中)。

在机器1000中，定子10由外壳200经由以下支承件112A来支承：支承件112A从外壳200的内表面穿过转子20的狭缝23延伸成将定子10保持就位。支承件112A可以包括多种支承结构中的任一种支承结构，多种支承结构例如包含下述各者中的一者或更多者：

·多个间隔开的柱或辐条，

·凸缘，

·多个张紧的线缆，

·诸如此类。

在图7的示例实施方式中，为了附接至定子10，开口23向外定向(即，开口23远离旋转轴线103敞开)，但是这不是必要的。

支承件112A可以由定子10和外壳200有良好的热接触的导热材料制成，使得支承件112A有助于将热从定子10传递出去。

外壳200可选地包括一个或更多个冷却通道216。通道216可以定位成与转子20邻近并且连接成运载适合的冷却流体(例如，如本文中在别处所描述的)。

冷却通道216可以穿过转子20与外壳200之间的小缝隙接收来自转子20的热。缝隙可以例如填充有空气。在转子20转动时，转子20与外壳200之间的气隙的导热率随着转子20的转速增大而有利地增大。使磁体24的温度降低可以有利地使磁体24不易因过热而受到退磁影响。

9.试验结果

图8A至图8F描绘了使用3D有限元分析(“FEA”)进行案例研究的结果，以比较马达100的各种实施方式与常规永磁式马达的性能。

图8A是对常规径向通量永磁式马达(曲线80A)、常规轴向通量永磁式马达(曲线80B)和根据本发明的示例实施方式的包含径向磁化转子20A的马达100(曲线80C)之间的输出扭矩进行比较的曲线图。三种马达设计成具有相同的的体积、磁体重量、电枢电负荷、气隙长度以及定子槽数和转子磁极数。图8A中示出了三种马达的模拟输出扭矩。由此可见，马达100与径向通量马达和轴向通量马达相比可以获得较高的输出扭矩，通过设计和材料优化有进一步改进的空间。

例如，如图8B中所图示的，3D FEA模拟表明，与转子结构20A相比，切向磁化转子结构20B的磁体涡流损耗可以减少82.5％，从而显著改进马达效率。

图8C示出了切向磁化转子结构20B的磁通密度分布。由此可见，磁体之间的部分SMC(暗区)在磁路中未被有效利用。

如本文中在别处所描述的，可以将SMC的未充分利用的部分移除以提供切口区域27(参见例如图5)。图8D图示了如图5中所示出的转子20C中的磁通密度。从图8D中可见，与图8C相比，改进了磁性材料的利用。这种改进使输出扭矩提高了5％并使马达扭矩密度提高了10％，如图8E中的FEA模拟结果中所示。

图8F是马达100在8182rpm-450kW下的FEA模拟最大温度随时间变化的曲线图。

10.示例变型

本文中公开的技术可以在保留本文中所描述的某些发明构思的同时进行改变。例如：

·代替所描述的永磁体，本文中所描述的具有环形物理构型的转子可

以用电磁体制成；

·定子不必要是连续的环形部分。在替代实施方式中，定子可以包括在本文中所描述的转子的开孔中被单独支承的多个弧形段。

·转子20和定子10的角色可以互换(即，具有环形开孔的定子可以围绕位于环形开孔内部的转子包裹。

在上文提及部件(例如，轴承、轴、支承件、绕组、组件、电源等)的情况下，除非另有指示，否则对该部件(包括对“装置”的提及)的提及应当解释为包括作为该部件的等效物的执行所描述部件的功能(即，在功能上等效)的任何部件，包括在结构上不等同于执行本发明的所说明的示例实施方式中的功能的公开结构的部件。

为了说明的目的，本文中已经描述了电机和相关方法的特定示例。这些仅是示例。本文中提供的技术可以应用于除上文所描述的示例系统以外的系统。在本发明的实施中，可以进行许多替代、修改、添加、省略和置换。本发明包括所描述实施方式的对本领域技术人员而言明显的变型，包括通过以下方式获得的变型：用等同的特征、元件和/或动作替代特征、元件和/或动作；对来自不同实施方式的特征、元件和/或动作进行混合和匹配；将来自如本文中所描述的实施方式的特征、元件和/或动作与其他技术的特征、元件和/或动作相结合；并且/或者省略来自所描述的实施方式中的组合特征、元件和/或动作。

本文中描述了如存在于“一些实施方式”中的不同的特征。这些特征不是强制性的并且可以不存在于所有实施方式中。本发明的实施方式可以包括此类特征中的零个特征、任何一个特征或两个或更多个特征的任何组合。即使在不同的附图中示出了这些特征并且/或者在不同的部分或段落中描述了这些特征的情况下，本公开也考虑了这些特征的所有可能的组合。这仅限于下述程度：这些特征中的某些特征与这些特征的其他特征不兼容，从某种意义上说，对于本领域普通技术人员而言将不可能构造结合这些不兼容特征的实际实施方式。因此，“一些实施方式”具有特征A和“一些实施方式”具有特征B的描述应当被解释为发明人还考虑结合特征A和特征B的实施方式的表述指示(除非描述另有说明或者特征A和特征B根本不兼容)。

术语的解释

除非上下文另有清楚地要求，否则贯穿说明书和权利要求书：

·“包括”、“包含”等应以包含性意义进行解释，而不是以排他性意义或穷尽性意义进行解释；也就是说，以“包括但不限于”的意义进行解释；

·“连接”、“联接”或其任何变型是指两个或更多个元件之间的直接或间接的任何连接或联接；元件之间的联接或连接可以是物理的、逻辑的或是两者的组合；

·“本文中”、“上文”、“下文”以及类似含义的词语在用于描述本说明书时应当指代本说明书的整体，而不是本说明书的任何特定部分；

·关于由两项或更多项组成的列表，“或”涵盖该词的所有以下解释：列表中的任何项、列表中的所有项以及列表中的项的任何组合；

·单数形式“一”、“一个”和“该”也包括任何适当的复数形式的意思。

本说明书和任何随附权利要求中使用的指示方向的词语比如“竖向”、“横向”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“下面”、“上面”、“下方”等(如果存在的话)取决于所描述和图示的装置的特定取向。本文中所描述的主题可以采取各种替代的取向。因此，这些方向性术语没有进行严格限定并且也不应当狭义地进行解释。

随附的权利要求书和此后引入的权利要求意在解释为包括可以合理推断的所有此类修改、置换、添加、省略和子组合。权利要求的范围不应当受到示例中所阐述的优选实施方式的限制，而应当给予与整个描述一致的最广泛的解释。

Claims (39)

1.一种电机，包括：

转子，所述转子安装成绕轴线旋转，所述转子包括定形状为提供以所述轴线为中心的环形开孔的壳体并且具有围绕所述转子周向地延伸的狭缝，所述狭缝穿透所述壳体进入到所述开孔中，所述转子包括在所述开孔中围绕所述转子周向地间隔的多个磁极；以及

定子，所述定子由穿过所述转子的所述狭缝延伸的一个或更多个支承件支承在所述开孔中，所述定子承载有围绕所述开孔间隔开的多个绕组。

2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述磁极各自从接近所述狭缝的第一边缘的位置沿极向方向围绕所述开孔的内表面延伸至接近狭缝的第二边缘的位置。

3.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述转子包括多个周向地间隔开的永磁体，并且所述磁体中的相邻的磁体由提供所述磁极中的一个磁极的铁磁材料的一部段分开。

4.根据权利要求3所述的电机，其中，所述永磁体在切向于所述转子的直径的方向上被磁化，并且所述磁体中的周向地相邻的磁体在相反的方向上被极化。

5.根据权利要求3或4所述的电机，其中，所述磁体包括环形磁体，所述环形磁体沿所述极向方向围绕所述转子延伸并且具有与所述狭缝对准的缝隙。

6.根据权利要求3至5中的任一项所述的电机，其中，所述铁磁材料包括软磁复合材料(SMC)。

7.根据权利要求3至6中的任一项所述的电机，其中，所述铁磁材料的外表面定形状为遵循基本恒定的磁通密度的轮廓。

8.根据权利要求3至6中的任一项所述的电机，其中，所述铁磁材料的所述外表面的法线大致平行于与所述铁磁材料的所述外表面邻近的所述铁磁材料中的磁通密度的梯度。

9.根据权利要求3至8中的任一项所述的电机，其中，所述铁磁材料的位于所述转子的外部的表面形成为具有沿所述极向方向延伸的切口或凹槽。

10.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述转子包括多个永磁体，所述多个永磁体布置为形成定向为使磁场集中在所述转子的所述环形开孔内的一个或更多个Halbach阵列。

11.根据权利要求10所述的电机，其中，所述永磁体包括环形磁体，所述环形磁体具有与所述狭缝对准的缝隙。

12.根据权利要求6所述的电机，其中，所述转子包括多个周向地间隔开的永磁体，所述多个周向地间隔开的永磁体在相对于所述环形开孔径向的方向上被磁化。

13.根据权利要求12所述的电机，其中，所述磁体中的周向地相邻的磁体的极性交替。

14.根据权利要求12或13所述的电机，其中，所述磁体包括环形磁体，所述环形磁体被径向磁化并且具有与所述狭缝对准的缝隙。

15.根据权利要求10至14中的任一项所述的电机，其中，所述壳体包括铁磁材料的连续层，所述铁磁材料的连续层在所述磁体的远离所述转子的所述开孔的侧部上作为所述磁体的背衬。

16.根据权利要求1至15中的任一项所述的电机，其中，所述狭缝的宽度不超过所述转子的内表面的所述极向方向上的周长的三分之一。

17.根据权利要求1至16中的任一项所述的电机，其中，所述狭缝在包括所述轴线的平面中相对于所述开孔的横截面的形心跨越一角度，所述角度不超过六十度。

18.根据权利要求1至17中的任一项所述的电机，其中，所述狭缝的面积与所述转子的所述内表面所在的环形表面的面积的比率不超过1:12。

19.根据权利要求1至18中的任一项所述的电机，其中，所述定子包括一个或更多个冷却通道，并且所述电机包括一个或更多个管道，所述一个或更多个管道穿过所述狭缝延伸并且连接成向所述一个或更多个冷却通道供应冷却流体并且/或者从所述一个或更多个冷却通道中移除所述冷却流体。

20.根据权利要求19所述的电机，其中，所述一个或更多个冷却通道围绕所述定子环形地延伸。

21.根据权利要求20所述的电机，其中，所述一个或更多个冷却通道在所述定子的中心线上围绕所述定子延伸。

22.根据权利要求1至21中的任一项所述的电机，其中，所述定子包括铁磁材料的芯部，并且所述绕组包括在沿着所述芯部间隔开的位置处围绕所述芯部卷绕的环形绕组。

23.根据权利要求22所述的电机，其中，所述环形绕组包括整数式绕组或分数式绕组。

24.根据权利要求22或23所述的电机，其中，所述芯部包括定位在所述绕组中的相邻的绕组之间的所述铁磁材料的肋部，所述肋部沿所述极向方向围绕所述芯部延伸。

25.根据权利要求24所述的电机，其中，所述肋部在所述肋部与所述狭缝相交的位置处中断。

26.根据权利要求25所述的电机，其中，所述肋部由与所述狭缝对准的V形切口中断。

27.根据权利要求24至26中的任一项所述的电机，其中，所述环形绕组的外表面和所述肋部的外表面彼此对准。

28.根据权利要求24至27中的任一项所述的电机，其中，所述环形绕组的外表面相对于所述肋部的外表面朝向所述定子芯部凹进。

29.根据权利要求1至28中的任一项所述的电机，其中，包括外壳，所述外壳定形状为与所述转子的外表面一致并且定位成在所述外壳与所述转子之间提供间隙。

30.根据权利要求29所述的电机，其中，包括位于所述外壳中的冷却通道，所述冷却通道定位成与所述转子相邻并且能够连接成输送冷却流体。

31.根据权利要求1至30中的任一项所述的电机，其中，所述一个或更多个支承件包括电导体，所述电导体连接成向所述定子输送电功率或者从所述定子输送电功率。

32.根据权利要求1至31中的任一项所述的电机，其中，所述定子包括辐条，所述辐条定位在所述绕组之间并远离所述定子径向延伸。

33.根据权利要求1至32中的任一项所述的电机，其中，所述开孔在包括所述轴线的平面内的横截面是圆形的。

34.根据权利要求1至32中的任一项所述的电机，其中，所述开孔在包括所述轴线的平面内的横截面是椭圆形的。

35.根据权利要求1至34中的任一项所述的电机，其中，所述狭缝位于所述转子的背向所述轴线的侧部上。

36.根据权利要求1至34中的任一项所述的电机，其中，所述狭缝位于所述转子的面朝所述轴线的侧部上。

37.根据权利要求1至34中的任一项所述的电机，其中，所述狭缝位于所述转子的平行于所述轴线面向的侧部上。

38.一种具有如本文中所描述的任何新的和创造性的特征、特征的组合或特征的子组合的装置。

39.一种具有如本文中所描述的任何新的和创造性的步骤、动作、步骤和/或动作的组合或者步骤和/或动作的子组合的方法。