CN117716607A - 离散定向磁通的磁体组件及其构成的系统 - Google Patents

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Abstract

磁阵列及相关系统。用于机器的一个阵列包含多个离散的磁段。当这些磁段远离铁磁材料的影响时，例如在放入阵列之前，各自具有相同最大场强的磁极。当磁段(i)沿圆周阵列形成序列，并沿阵列旋转磁场，且(ii)各自位于足够近的位置与序列中的下一个磁段相互作用时，可产生与哈尔巴赫阵列类似的磁通量引导效应。在本发明的不同实施例中，为了发生磁通量引导，各段可以彼此物理接触，或间隔开来，但又要足够靠近，使阵列中彼此相邻的段之间的磁场相互作用，从而产生磁通量引导效应。

Description

离散定向磁通的磁体组件及其构成的系统
说明书
相关应用
本申请要求于2021年3月23日提交的申请号为63/165,107、名称为″离散定向磁通磁体组件″的美国临时专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及同步电机，并且更具体地，本发明的实施例包括用于提高电动机和发电机中功率和扭矩密度的系统和方法。
背景技术
提高电机中的功率/质量比和扭矩/质量比，即功率密度和扭矩密度，是在更广泛的新应用中部署电力的关键，在这些应用中，机械的质量和尺寸至关重要，例如用于飞机，涡轮轴发电和风力发电。利用现有的机器技术，可以实现5千瓦/千克左右的功率密度，但这对许多新应用来说是一个限制因素。进一步改进设计，提高功率密度和扭矩密度，也将使电动汽车等现有应用受益。潜在的好处包括提高能源转换和传输的效率，以及减少碳足迹，热发电和管制排放。
理论上，全超导同步电机可以实现最高的功率密度和扭矩密度，其功率密度可达25kW/kg或更高。然而，超导定子绕组中的交流电损耗只能在低转速下承受。带有直流转子的部分超导机器原则上可以生成几特斯拉的气隙磁通量密度，从而有可能达到更高的功率密度和扭矩密度。然而，所需的背铁的饱和限制了气隙中的磁通量密度低于2特斯拉，而背铁的重量进一步限制了可实现的功率密度和扭矩密度。超导系统所需的低温技术以及超导转变检测和保护的复杂性使得超导电机技术的广泛应用变得复杂，除非能达到更高的功率水平和扭矩密度。
1973年，英美物理学家John C.Mallinson发表了关于平面结构的一类新型磁化模式的磁理论，其中磁化方向是具有恒定振幅的空间旋转磁通量。这种永磁段的有序阵列能增强阵列一侧的磁场，同时将阵列另一侧的磁场抵消至近乎零。参见Mailinson，J.C.，IEEETransactions on Magnetics，第MAG-9卷，第4期，第678-682页，1973年12月。磁化方向的空间旋转模式在磁段的排列中将磁通量从一个磁段引导到另一个磁段。克劳斯-哈尔巴赫(Klaus Halbach)于1980年发明的哈尔巴赫阵列(Halbach Array)就是这些组件的一个应用实例，该阵列用于加速器中的带电粒子光束和相应的光束线。参见克劳斯-哈尔巴赫，Nuclear Instruments and Methods，169(1)：1-10″Design of Permanent Multipole Magnets with Oriented Rare Earth Cobalt Material″(1980年)。
在粒子加速器应用中，有必要对带电粒子束进行弯曲，聚焦和色度校正。这需要使用包含固定数量的极对精确排列的电磁线圈。用于弯曲带电粒子束的偶极排列由一个极对组成，即n＝1，具有一个北极和一个南极。用于聚焦带电粒子束的线圈配置有n＝2的四极排列，包含两对北极和两对南极。色度校正可将具有不同矩量的粒子聚焦到一个精确的焦点，因此需要n＝3或更多极对的高阶排列。一般来说，在无限长的孔径横截面上，任何所需的磁场都可以描述或合成为被称为的多极分量的叠加，即选择多极的组合，如偶极，四极，六极等。用于带电粒子束光学的磁化场必须高度精确，类似于对传统光学透镜的严格要求。从数学上讲，当每个磁铁都由单个多极子阶组成，例如纯四极子(n＝2)，而没有任何低阶或高阶项的贡献时，就满足了这一精度要求。
哈尔巴赫阵列可提供带电粒子束光学所需的高场均匀性。在这些磁化组件中，任意点的磁通量方向由以下极坐标方程给出：(方程1)和(方程2)，
Br＝Brem*cos(p*θ) (方程1)，和
Bθ＝Brem*sin(p*θ) (方程2)，
其中，Brem是剩磁通量密度的大小，p是一个整数，表示极对的数量。下标″r″表示磁场的径向分量，下标″θ″表示磁场的切向分量。p的正值产生一个径向外的场，p的负值产生一个径向内的场，即指向圆柱体的中心轴。
电机也需要与带电粒子束光学所需的相同的多极配置，但对场均匀性的要求相对于带电粒子束光学来说较为宽松。对于同步电机的转子，利用永磁哈尔巴赫阵列可以简单且节能地生成所需的多极配置。阵列一侧的磁通量密度增强可以带来更高的功率和扭矩密度。但是，由于哈尔巴赫阵列，特别是高极数的阵列的制造成本较高，它们尚未得到广泛应用。
为了在功率和扭矩密度以及效率方面显著提高同步机的性能，我们需要新的设计拓扑来结合已验证的概念、改进的制造技术以及优化方法。为了实现哈尔巴赫阵列所展示的磁通道导向的优势，例如，应用于超导线圈配置，也需要新的拓扑结构。本发明提供了一种新颖的磁通道导向方法，可以显著提高同步机的性能，并避免哈尔巴赫阵列制造的复杂性。
发明内容
为电机提供了多种改进设计，可实现前所未有的功率密度和扭矩密度，并提高效率。这些概念适用于基于永磁和超导线圈的机器。使用永磁作为场生成系统，可避免低温技术的复杂性，也无需向旋转系统提供电能。另一方面，超导转子提供了实现更高磁通量密度的可能。本发明还能实现磁齿轮箱以及磁齿轮箱与电机的集成。以下示例实施例是说明性的，但不限制本发明的范围。
众所周知，哈尔巴赫阵列为同步机的产生磁场的转子提供了显著的优势，相比之下，传统的南北磁极交替结构的磁化组件显得不足。由于圆周阵列中的磁通量引导作用，需要磁通量的阵列一侧的磁通量密度得到提高，而不需要磁通量的对侧磁通量密度则降低到接近零。我们将介绍一种设计理念，它能产生哈尔巴赫阵列所需的磁通量引导。与哈尔巴赫阵列不同的是，该设计理念能够提供从非常小到非常大的系统的可扩展性，具有更高的机械稳定性，这是高转速下运行的机器所需的，而且大大降低了制造成本。所公开的磁通量引导系统和方法直接适用于超导转子。
在一个实施例中，通过消除气隙中场整形所需的背铁的磁化损耗并减少边缘磁场，从而提高了机器的效率。在另一个实施例中，通过消除背铁，功率密度和扭矩密度得到了显著提高。
电机的应用功率和扭矩密度可以通过与电机或发电机集成的磁齿轮进一步提高。对于磁化齿轮传动，所公开的磁通量引导概念提供了以下优势：(i)与传统的哈尔巴赫阵列相比，有着显著降低的成本且机械强度更高；(ii)相较于传统的机械或磁齿轮，其单位质量的功率传输显著增加；(iii)齿轮效率可能超过99％；以及(iv)具有内在的过载保护功能，几乎不需要或根本不需要维护。
进一步优化电机内部的功率和扭矩密度还需要增加定子绕组的电流负载，因此需要高效的散热和冷却，以确保可靠运行。定子绕组的最高电流负载可通过Bitter磁铁技术实现(参见：Soobin An，A Feasibility Study to Apply theBitter Magnet to ElectricPower Devices，MT-26，2019年9月)，其中导体由铜片组成，铜片上有优化的孔型，用于冷却剂的流动，冷却剂与发热导体直接接触。Bitter磁铁技术具有出色的散热性能，同时采用了具有成本效益的制造方法。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种适于在旋转机器或齿轮箱中使用的磁系统，该系统至少包括第一个阵列结构，该阵列结构至少包含第一多个同类离散的磁段并沿中心轴延伸，第一多个磁段中的每个磁段：(i)具有相对于其宽度的延长长度，沿其主要侧面在与中心轴平行的方向上延伸沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度；(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强；(iii)具有表面，其横截面具有预定形状，最大场强方向从该表面指向其外，在将该磁段固定布置在围绕中心轴环向定位的同类磁段的第一阵列中之前，该磁段围绕该表面可轴向旋转；(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一多个中的其他磁段的主要侧面的延伸方向平行；以及(v)定位为在与中心轴平行的方向上延伸，以便与第一多个中的其他磁段一起共同形成同类磁段的第一阵列，该第一阵列被配置为第一有序序列，其磁段的场极相对于第一序列中的位置相互旋转，这导致第一序列中的磁段之间的场极的旋转位置偏移。磁系统中的第一个多个中的段可以定位在与一个或多个其他段接触或足够接近的位置，以累加组合或减少来自不同段的场，从而传递关于第一个阵列结构的净场强，其中相对于阵列的内侧或外侧的另一个上减少的磁场强度，在阵列的内侧或外侧的一个上产生增强的磁场强度。在一系列实施例中，磁段处于有序序列中，其中磁段相对于其他磁段轴向可旋转，以在磁段之间顺序偏移特征最大场强方向，从而在阵列的一侧产生增强的磁场强度。磁系统可进一步包括一个支持结构，其中：第一多个磁段相对于中心轴和相对于彼此占据固定位置，场极之间特征最大场强方向的相对移位是固定的。支持结构可包括一系列放置磁段的通道或沟槽。磁段和通道或沟槽可具有互补形状或配对特征，将磁段的旋转位置锁定，以将场强方向的相对移位固定到位。在另一个实施例中，磁系统包括一个支持结构，其中具有一系列孔径并沿中心轴形成，第一多个中的离散的磁段可轴向旋转并定位在孔径内，以依次提供沿阵列的偏移。支持结构可包括一系列冲压叠片，其中叠片由非磁材料组成。
根据本发明的进一步实施例，磁系统进一步包括第二数组结构，该第二数组结构包括至少一个第二多个相似离散的磁段，并沿中心轴延伸，第二多个中的各个磁段：(i)具有相对于其宽度的延长长度，沿其主要侧面在与中心轴平行的方向上延伸沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度；(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强；(iii)具有表面，其横截面具有预定形状，最大场强方向从该表面指向其外，在将该段固定布置在环绕中心轴定位的同类磁段的第二阵列中之前，围绕该表面该段可轴向旋转；(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一多个中的其它磁段的主要侧面的延伸方向平行；以及(v)定位为在与中心轴平行的方向上延伸，以便与第二多个中的其它磁段一起共同形成类似磁段的第二阵列，该第二阵列被配置为第二有序序列，其磁段的场极相对于第二序列中的位置彼此旋转，这导致第二序列中的磁段之间的场极的旋转位置偏移。在一个示例实施例中，第二磁段阵列被配置为提供包括旋转偏移角取向的磁场模式的元素序列，其中场模式的角取向在不同磁元素之间以与中心轴正交的方向旋转。在系统的其他实施例中，磁场模式的空间旋转配置磁通量的方式是在第一阵列的内侧或外侧中的一侧提供增强的磁场强度，相对于在第一阵列的内侧或外侧中的另一侧提供减弱的磁场强度。另外，在其他实施例中，第一阵列包括n个磁段，并且所述n个段中的每一个磁段中的所述场图案的特征在于所述角取向相对于所述序列中的下一个元素的场图案的角取向的旋转偏移。在另一个实施例中，第二阵列包括m个磁段，m个磁段中每一个磁场模式的特征是相对于序列中下一个元素的磁场模式的角取向的旋转偏移。第一阵列可以包括n个磁段，该磁段的场图案在少于n个的磁段中的每一个磁段中以相对于序列中的下一个元素的场图案的角取向的角取向中的旋转偏移为特征。
也符合本发明，提供了一种同步电机，包括第一转子和定子绕组，各自围绕沿机架方向延伸的中心轴相对同轴，定子固定连接在机架上，第一转子连接在机架上，用于相对于机架和定子绕组旋转。第一转子和定子绕组各自具有沿中心轴延伸的圆周表面。第一转子包括第一多个离散的磁段，每个磁段：(i)具有相对于其宽度的延长长度，沿其主要侧面在与中心轴平行的方向上延伸沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度；(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强；(iii)具有表面，在横截面上具有预定义的形状，最大场强方向从该表面向外指向，在固定安置在环绕中心轴向定位的相似磁段的第一阵列中之前，该段可围绕该表面旋转，(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一多个中其他段的主要侧面平行，(v)沿中心轴延伸，以便与第一多个中的其他磁段结合，共同形成第一圆周阵列的磁段，该磁段具有朝向中心轴的内侧和朝向远离中心轴的外侧，并且(vi)位于与一个或多个其他段足够近的位置，以便累加组合或减少来自不同段的场强，从而传递第一圆周阵列的净场强，其中阵列的内侧或外侧之一的磁场强度增强，而阵列的内侧或外侧之二的磁场强度减弱。例如，第一多个中的段的主要侧面可为圆柱形或椭圆形，从而使横截面上预定义的形状为圆形或椭圆形。第一多个中的段的主要侧面可以是但不限于轴对称的形状。在一个系列的实施例中，第一阵列中的所有磁段仅由第一多个中的磁段组成。在另一系列实施例中，第一阵列中的所有段都是偶极磁体。第一磁段阵列可配置为提供包括磁场模式的旋转偏移角取向的元素序列，其中，沿该序列，离散的磁段中的不同磁段之间的场极的角取向作为序列中位置的函数，在与中心轴正交的方向上旋转，从而提供场极的角取向的旋转序列，包括在最大场强方向上的旋转。在系统的其他实施例中，磁场模式的空间旋转配置磁通量的方式是，相对于在第一阵列的内侧或外侧中的一侧提供减弱的磁场强度，在第一阵列的内侧或外侧中的另一侧提供增强的磁场强度。相对于阵列内侧或外侧的减弱的磁场强度，阵列内侧或外侧的增强的磁场强度的大小可能部分取决于每个磁极的段数以及场极旋转的具体序列和角度。对于另一系列实施例，在第一阵列包括n个磁段的情况下，n个段中的每一个磁段中的场图案的特征在于相对于序列中的下一个元素的场图案角度方向的角度方向的旋转偏移。当第一阵列包括n个磁性段时，n个段中少于每一个的场图案中的场图案的特征可以是相对于序列中的下一个元素的场图案角度方向的角度方向的旋转偏移。第一阵列中的磁段的主侧可以彼此间隔开或者彼此接触。
前述同步电机的实施例可以包括第二转子，其中：定子绕组在定子绕组内距离Wi和定子绕组外距离Wo之间延伸，各自的定子绕组距离Wi和Wo从中心轴测量；第一转子是内转子IR，在内侧距离IRi和外侧距离IRo之间延伸，各自的距离IRi和IRo从中心轴测量，其中IRo＜Wi。在机器包括相对于内转子IR定位为外转子OR并连接到机架以相对于机架和定子绕组旋转的第二转子OR的情况下，第二转子OR在外转子内距ORi和外转子外距ORo之间延伸，每个距离ORi和ORo从中心轴测量，外转子OR具有沿中心轴延伸的圆周表面或类圆柱表面。外转子OR包括第二多个离散的磁段，第二多个磁段中的各自具有一个特征磁场模式，并且：(i)以相对于彼此的空间平行方向固定排列；(ii)沿轴线延伸以共同形成第二圆周阵列；(iii)可定位在第二稳定结构中；以及(iv)可绕中心轴旋转以与定子绕组交互作用以生成扭矩。
对于包括第二转子的前述机器，第二磁段阵列可配置为提供包括旋转偏移的磁场模式的角取向的元素序列，其中场模式的角取向在不同磁元素之间沿与中心轴正交的方向旋转。磁场模式的空间旋转可以以这样的方式配置磁通量，即相对于在数组的内侧或外侧的另一侧提供减弱的磁场强度，在第二阵列的内侧或外侧的一侧提供增强的磁场强度。在第一阵列包括n个磁段的情况下，在一个实施例中，n个段中的每一个磁段之间的场图案的特征在于，相对于序列中的下一个元素的场模式的角取向，角取向的旋转偏移。在第二阵列包括m个磁段的情况下，根据另一个实施例，m个段中的每一个磁段之间的场图案的特征在于相对于序列中的下一个元素的场模式的角方向的角方向上的旋转偏移。对于不同的一系列实施例，在第二阵列包括n个磁段的情况下，n个段中少于每一个的场图案中的场图案的特征在于相对于序列中的下一个元素的场图案角度方向的角度方向的旋转偏移。
根据另一系列实施例，提供了一种同步电机，包括第一转子和定子绕组，各自围绕沿机架方向延伸的中心轴彼此同轴，定子绕组固定连接在机架上，第一转子连接在机架上以相对于机架和定子绕组旋转。第一转子和定子绕组各自具有沿中心轴方向延伸的圆周表面，第一转子包括第一多个离散的磁段，各自具有以下磁段：(i)具有相对于其宽度的延长长度，沿其主要侧面在与中心轴平行的方向上延伸沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度；(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强；(iii)具有表面，在横截面上具有预定义形状，从该表面上看，最大场强方向指向其外，在围绕中心轴环向定位的类似磁段的第一阵列中固定布置之前，该段可围绕该表面旋转；(iv)固定排列，其主要侧面在与第一多个中其他段的主要侧面平行的方向上延伸；(v)包括一个具有相似特征最大场强方向的极；以及(vi)定位为在与中心轴平行的方向上延伸，以便与第一多个中的其他磁段一起共同形成类似磁段的第一圆周阵列，该阵列按序列配置，磁段的磁极作为序列中位置的函数而相对于彼此旋转，这导致磁段之间场极的旋转偏移。
第一多个中的各段的主要侧面可为圆柱形或椭圆形，从而使预定义的横截面形状为圆柱形或椭圆形。第一多个中的各个段的一个主要侧面可以是轴对称的。第一阵列可仅由第一多个中离散的磁段组成。第一阵列中的所有磁段都可以是偶极磁体。机器的实施例可能要求第一多个中的多个段不是饼形元素，并且不形成非对称形状的元素，其中最大场强方向作为关于元素形状的位置的函数而变化。在其他实施例中，第一多个中的多个段在磁化后不形成为非对称形状的元素，这样最大场强方向会随着关于不同的一个元素形状的位置的函数而变化。
根据本发明公开的实施例，第一多个中的多个段均不形成为相同的磁化元素，然后由相同的元素成形或加工成不同形状，然后有序地形成为一系列不同形状的元素，其中最大场强方向作为关于元素形状的位置的函数而变化。根据其它实施例，第一多个段中没有一个被成形并排序为一系列元素，在这些元素中，最大场强方向作为关于元素形状的位置的函数而变化。对于前述机器，在第一圆周阵列的磁段具有朝向轴线的内侧和朝向远离轴线的外侧的情况下，相对于阵列内侧或外侧中的另一侧上减弱的磁场强度，阵列内侧或外侧中的一侧上产生增强的磁场强度。还根据其他实施例，当磁段的第一圆周阵列绕中心轴旋转时，阵列上表现出增强的磁场强度的一侧的场主要与定子绕组的场交互作用，以产生扭矩。前述机器的实施例包括一个支持结构，其中具有一系列孔，并沿圆柱形平面形成，第一多个离散的磁段中的各自可旋转地定位在其中一个孔内，以提供偏移。这种支持结构可以包括一系列冲压叠片，这些叠片相互连接，其中叠片包括非磁材料。前述机器可包括内转子和外转子。例如，定子绕组径向延伸在定子内绕组距离Wi和定子外绕组距离Wo之间，且各自的定子绕组距离Wi和Wo从中心轴测量，第一转子定位为内转子，IR，延伸在内侧距离IRi和外侧距离IRo之间，各自的距离IRi和IRo从中心轴测量，其中IRo＜Wi。该机器进一步包括一个外转子，OR，相对于内转子，IR定位为外转子，并连接到机架以相对于机架和定子绕组旋转，第二转子，OR，在外转子内距ORi和外转子外距ORo之间延伸，每个距离ORi和ORo从中心轴测量，外转子，OR，具有沿中心轴延伸的环向或类圆柱表面。外转子OR包括第二多个离散的磁段，第二多个磁段中的各自具有一个特征磁场模式，并且：(i)以相对于彼此的空间平行方向固定排列；(ii)沿轴线延伸以共同形成第二圆周阵列；(iii)可定位在第二稳定结构中；以及(iv)可绕中心轴旋转以与定子绕组交互作用以生成扭矩。第二磁段阵列可配置为提供包括旋转偏移的磁场模式的角取向的元素序列，其中磁场模式的角取向在不同磁元件之间沿与中心轴正交的方向旋转。磁场模式的空间旋转可以这样配置磁通量：相对于在数组的内侧或外侧中的一侧提供减弱的磁场强度，在数组的内侧或外侧中的另一侧提供增强的磁场强度。第一阵列可包括n个磁段，n个磁段中每一个磁场模式的角取向相对于序列中下一个元素的磁场模式的角取向的旋转偏移可以表征。根据另一个实施例，第二阵列包括m个磁段，m个磁段中每一个磁场模式的特征是相对于序列中下一个元素的磁场模式的角取向的旋转偏移。还根据另一个实施例，在第二阵列包括n个磁段的情况下，少于n个磁段中每一个磁段的场模式的特征是相对于序列中下一个元素的场模式的角取向中的旋转偏移。
还提供了一种组装同步机器的方法。第一转子和定子绕组围绕机架连接，第一转子和定子绕组中的各自围绕沿机架方向延伸的中心轴相对于另一个同轴，定子绕组固定连接在机架上，第一转子连接在机架上以相对于机架和定子绕组旋转。第一转子和定子绕组中的各自具有沿中心轴方向延伸的圆周表面，其中第一转子形成有至少一个配置在第一阵列中的第一多个离散的磁段，每个磁段：(i)具有相对于其宽度的延长长度，沿其主要侧面在与中心轴平行的方向上延伸沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度；(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强；(iii)具有表面，其横截面具有预定义形状，最大场强方向从该表面向外指向，在将该磁段固定布置在围绕中心轴环向定位的同类磁段的第一阵列中之前，围绕该表面该磁段可轴向旋转，磁段的第一阵列具有朝向中心轴的内侧和朝向远离中心轴的外侧；(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一多个中其他段的主要侧面的延伸方向平行；(v)定位为在与中心轴平行的方向上延伸，与第一多个中的其他磁段结合，共同形成相似磁段的第一阵列，该第一阵列被配置为第一有序序列，磁段的场极作为第一序列中位置的函数而相对于彼此旋转，这导致第一序列中各磁段之间的磁场极的角取向移位，移位导致第一阵列一侧的磁场强度相对于第一阵列另一侧较低的磁场强度增强。
还提供了一种适于在旋转机器或齿轮箱中使用的磁系统，其至少具有第一阵列结构，该第一阵列结构包含至少第一多个同类离散的磁段并沿中心轴延伸，第一多个磁段中的各自具有以下特征(i)具有相对于其宽度的延长长度，沿其主要侧面在与中心轴平行的方向上延伸；(ii)包括具有包括最大场强方向和相同最大场强的同类特征磁场分布的磁极；(iii)具有表面，其横截面具有预定形状，最大场强方向从该表面指向其外，在将该磁段固定布置在环绕中心轴定位的同类磁段的第一阵列中之前，该磁段可围绕该表面轴向旋转；(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一多个中其他磁段的主要侧面的延伸方向平行；以及(v)定位为在与中心轴平行的方向上延伸，以便与第一多个中的其他磁段一起共同形成同类磁段的第一阵列，该第一阵列被配置为第一有序序列，其磁段的场极相对于第一序列中的位置相互旋转，这导致第一序列中的磁段之间的场极在角取向中的旋转偏移。
在磁系统的一系列实施例中，第一多个中的段与一个或多个其他段接触或足够接近地定位，以累加组合或减少来自不同段的场，从而传递关于第一个阵列结构的净场强，其中相对于阵列内侧或外侧的另一个上的减弱的磁场强度，在阵列内侧或外侧的一个上产生增强的磁场强度。磁段可完全按有序序列排列，其中磁段相对于其他磁段轴向旋转，以在磁段之间顺序偏移特征最大场强方向，从而在阵列的一侧产生增强的磁场强度效应。磁系统可进一步包括一个支持结构，其中：第一多个磁段相对于中心轴和相对于彼此占据固定位置，场极之间特征最大场强方向的相对移位是固定的。支持结构可包括一系列放置磁段的通道或沟槽。相应地，磁段和通道或沟槽可具有互补形状或配对特征，可将段的旋转位置锁定到位，从而将场方向的相对移位固定到位。在公开的实施例中，支持结构可包括一系列形成在其中并沿中心轴形成的孔径，第一多个中的离散的磁段可轴向旋转并定位在孔径内，以顺序提供沿阵列的偏移。支持结构可以由一系列冲压叠片相互接合形成，其中叠片包括非磁材料。
前述磁系统可进一步包括第二数组结构，该第二数组结构包括至少一个第二多个相似离散的磁段，并沿中心轴延伸，第二多个中的各个磁段：(i)具有相对于其宽度的延长长度，沿其主要侧面在与中心轴平行的方向上延伸沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度；(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强；(iii)具有表面，其横截面具有预定形状，从该表面出发，最大场强方向指向其外，在将该段固定布置在环绕中心轴定位的类似磁段的第二阵列中之前，围绕该表面，该段可轴向旋转；(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一个多个中的其他磁段的主要侧面的延伸方向平行；以及(v)定位为在与中心轴平行的方向上延伸，以便与第二个多个中的其他磁段一起共同形成类似磁段的第二个阵列，该第二个阵列被配置为第二个有序序列，其磁段的场极相对于第二个序列中的位置彼此旋转，这导致第二个序列中的磁段之间的场极的旋转位置偏移。第二磁段阵列可配置为提供包括旋转偏移的磁场模式的角取向的元素序列，其中场模式的角取向在与中心轴正交的方向上在不同磁元素之间旋转。另外，磁场模式的空间旋转可以以这样的方式配置磁通量模式，即相对于在第一阵列的内侧或外侧中的一侧提供减弱的磁场强度，在第一阵列的内侧或外侧中的另一侧提供增强的磁场强度。在第一阵列包括n个磁段的情况下，在一个实施例中，n个段中的每一个磁段之间的场图案的特征在于，相对于序列中的下一个元素的场模式的角取向，角取向的旋转偏移。在第二阵列包括m个磁段的情况下，根据另一个实施例，m个段中的每一个磁段之间的场图案的特征在于相对于序列中的下一个元素的场模式的角方向的角方向上的旋转偏移。对于不同的一系列实施例，在第二阵列包括n个磁段的情况下，n个段中少于每一个的场图案中的场图案的特征在于相对于序列中的下一个元素的场图案角度方向的角度方向的旋转偏移。
根据本发明的电机实施例可以包括背铁，从第一转子的第一阵列中的第一多个磁段径向外定位，并与第一转子同轴，定子的绕组沿着第一转子和背铁之间的空气间隙延伸，以在空气间隙中产生增强的径向磁通量密度。背铁可以机械耦合与转子同步旋转，以避免，减少或消除会导致背铁发生磁化的变化场的存在。
当机器包括磁通量引导内背铁时，例如，从第一转子的第一阵列中的第一多个磁段径向向内定位并与第一转子同轴，内背铁可机械耦合以与转子同步旋转以避免，减少或消除会导致磁化发生在背铁中的变化场的存在。
当磁系统包括由磁元件组成的第二数组结构时，该系统还可以包括由环向阵列组成的铁磁段，该铁磁段定位在与各自同轴对准的第一个阵列和第二个阵列之间。
附图简述
本发明的特点及优势，结合所附图，通过以下的详细描述会有更清晰的理解，其中：
图1显示了传统现有技术同步机的横截面视图；
图2a是由饼形元素组成的圆柱形磁组件的局部视图，其磁化方向在相邻段中反平行；
图2b是由饼状段组成的圆柱形磁组件的局部视图，其磁化方向在相邻段之间依次旋转45°；
图3是带有分段转子磁组件的同步机沿轴线拍摄的横截面侧视图；
图4是具有分段转子磁段的同步机的横截面侧视图，对于该同步机，背铁不是固定在机器外壳上，而是机械耦合地随转子旋转
图5是具有分段转子磁组件的同步机的横截面侧视图，分段转子磁组件位于机器外侧，背铁位于机器轴附近并与机器外壳相连；
图6是具有分段转子磁组件的同步机的横截面侧视图，其中背铁不是固定在机器外壳上，而是与转子机械耦合旋转；
图7是具有双分段转子组件且不包含任何背铁的同步机的横截面侧视图；
图8是沿机器轴横截面拍摄的视图，说明两个同心离散的磁通量定向阵列，每个阵列有5个磁极对，由圆柱形磁段组成，内磁通量定向阵列，每个磁极由三个磁段组成，外磁通量定向阵列每个磁极由五个磁段组成；
图9是沿机器的轴横截面拍摄的视图，图中示出环形的支持结构，用于支持具有示例性椭圆形孔径的圆柱形磁段，箭头表示椭圆形孔径的圆柱形阵列中每个磁段的主轴的方向以及插入其中的磁段的可能场方向；
图10是说明两个同心磁通量定向磁体阵列的机器的横截面视图，每个磁体阵列具有5个极对，其中包含椭圆形孔，椭圆形磁段插入其中；
图11是机器的透视图，其中示出了由多个永磁体子段组成的示例性磁段，该示例性磁段端对端插入图9所示的支撑环的一个示例性孔中；以及
图12是磁齿轮系统的横截面视图，该视图沿横向于圆柱对称轴的平面拍摄，磁齿轮系统具有示例性圆柱阵列，该阵列包括磁极，每个磁极在气隙中装配有椭圆形磁段和圆柱形铁磁段。
在图中，离散的磁段或其中放置磁段的相关孔径都用圆形或椭圆形表示。在这些形状内画的箭头代表了放置的磁段的磁化方向、旋转偏移或椭圆形孔径的取向。在各图中使用相同的参考数字来指代相同的部件。本发明的特点是以示意图的方式描绘，需要理解的是，为了突出显示本发明的特点，某些明显的细节、连接和组件并未展示出来。图中显示的各种特征并未按实际比例绘制。
具体实施方式
在进一步详细描述与本发明实施例相关的具体特征之前，需要指出的是，本发明主要在于组件和工艺步骤的新颖且非显而易见的组合。为了不使本领域技术人员容易看出的细节模糊公开内容，某些常规元件和步骤被省略或以较少的细节介绍，而附图和说明书则更详细地描述了与理解本发明有关的其他元件和步骤。所公开的实施例并没有定义根据本发明的结构或方法的限制，而只是提供了一些例子，其中包括的特征是允许性的而不是强制性的，是说明性的而不是详尽无遗的。此外，为保证描述本发明和权利要求范围的清晰性，还提供了术语的简要解释。
本文所用的″圆周阵列″是指部分或全部围绕轴线或体形(例如转子，定子或阵列段)延伸的构造。例如，封闭体形(如定子绕组)的外表面沿直线轴线延伸并完全绕轴线一周，由于外表面部分或完全绕轴线延伸，因此具有圆周表面形状。例如，封闭体形可以是电气绕组的封闭体形，例如，具有沿轴线延伸的圆柱形或类似圆柱形的体形。
″圆周阵列″是指围绕轴线或围绕体形圆周排列的段阵列。
″圆周阵列的段″是指以系列方式配置的离散的磁段阵列，例如一系列条形磁铁，其部分或全部围绕轴线或体形圆周延伸，其中磁段可布置为平行磁段序列，以沿实圆柱形或虚圆柱形表面提供空间属性。空间属性可涉及空间几何特征或磁场分布和磁通量，作为关于实圆柱形或虚圆柱形表面的位置的函数。
″类圆柱形″是指与圆柱形体的形状和对称性相似或足够接近的形状，即使该体可能具有多个不同的壁部或直径变化。
″离散的磁段″，也称为段，是指永久磁铁或电磁铁(例如电磁线圈)。在永磁段的情况下，磁段可以是杆状，即细长结构的形式。该结构可以是整体的，也可以由多个磁段(即多个磁铁)组成，这些磁段尺寸较小，端对端，即极对极地排列，以实现所需的磁段长度。永磁磁段在横截面上不限于任何特定形状，公开用于本发明实施例中的此类磁段具有沿直线轴线延伸的细长形状，而不限于横截面上的任何特定形状集，即沿与轴线正交的平面拍摄的剖视图。例如，这种段横截面形状可以是圆形，圆柱形，椭圆形，对称形或不对称形。
″磁通量引导″在磁场的上下文中指由于从多个磁源发出的磁通量的交互作用而产生的净磁场模式。举例来说，对于圆周排列的磁化阵列，磁通量引导可能会导致围绕单个磁化阵列的不对称场分布。对于传统的哈尔巴赫阵列，场交互作用可能导致磁体阵列一侧增强的磁场强度相对于阵列另一侧减弱的磁场强度。
″棒状结构″指的是沿直轴延伸的细长部件，不限制沿与主轴正交的平面观察结构的形状。根据本发明，用于形成阵列的离散的磁段通常是细长的，围绕主轴延伸，在横截面上，即沿着与主轴正交的平面，可以具有各种形状。
″横截面形状″是指，就离散的磁段或线圈而言，沿与磁段主轴正交的平面的形状，例如，沿细长形状延伸方向的直轴。
传统同步机的现有技术实施例如图1所示。发电机和电动机的概念相同。在发电机的情况下，机械能被提供给机器的旋转轴104。机械能转换为电能，作为定子绕组102的输出。在电机的情况下，对于任何一种推进方式，电能被提供给定子绕组102并转换成机械能在旋转轴104上提供。
图1所示的布局示意图说明了同步电机的基本功能。定子102和转子100沿共同轴线同心设置，定子绕组102W配置成每个绕组中流动的电流主要沿轴向，即沿轴104的方向流动。同步机器的定子可由多个绕组102W(未图示)组成，具有适当的相位，以产生旋转磁场。理想和最佳情况下，传统机器的转子的场线最好从公共轴线径向延伸，即径向方向与定子绕组中电流流动的主要方向正交。
转子100将机械能传入或传出系统，与机器轴104耦合。转子被同心背铁103包围，沿着背铁103，所谓的气隙102位于转子和背铁之间。转子100由永磁体或电磁铁101组成，在空气间隙中提供磁化场，以便与定子绕组102W产生的场耦合。为了将机械能转换为电能，当转子100通过向轴104施加扭矩而转动时，转子变化的磁通量与定子绕组中的电流之间的交互作用会在定子绕组的端子处感应出电动势(emf)，系统作为发电机运行。在机器运行的情况下，当施加相互之间具有适当相移的交变电压以激励定子绕组102W时，会围绕机器的轴线产生旋转磁场。定子绕组产生的旋转磁场与转子磁化体101的磁场交互作用，使转子与施加于定子绕组励磁的交流电压的频率同步转动。
为了实现转子磁化101和定子绕组102之间的最大能量传递，定子绕组气隙G中的场必须沿径向定向。如传统电机所述，作用在定子绕组导体上的洛伦兹力F由方程给出F＝IxB，其中所有量均为矢量。I代表定子绕组102中的电流，B是气隙中转子磁铁提供的磁通量密度，它与流经定子绕组的电流交互作用。当电流方向I和磁通量密度方向B相互垂直时，向量交叉积给出的力具有最大值。当两个量之间的夹角为0°时，洛伦兹力为零。从这一关系可以看出，当转子的场方向相对于公共轴在径向时，机器功率达到最佳，因为定子绕组的导体方向是轴向。由于背铁103包围着产生场的转子，转子的场线可以更紧密地与径向方向保持一致。
同步机器的功率由以下关系式给出：
P∝π2ω*L*D2*BR*AS (方程3)
其中，ω代表旋转速度，L是机器的轴向长度。D是定子绕组在空气间隙中的平均直径，BR是空气间隙中的磁通量密度，AS是定子绕组的电流负载。该方程表明，机器的功率与定子绕组气隙中的磁通量成正比。如果系统包括一个磁通量引导阵列(如圆柱形哈尔巴赫阵列中的磁元件)，则转子所需的圆柱形系统的磁通量密度可得到增强。对于这种磁配置，每个磁极都被分割成若干个磁元，各个磁元的磁化方向在磁元与磁元之间的取向会发生变化。虽然传统的永磁体在阵列的对立面上有一个北极和一个南极，但通过适当旋转阵列中各元件之间的磁化方向，磁体的磁通量可以被弯曲，即被引导，几乎完全只出现在阵列的一侧。在这种情况下，可以产生一个磁体的环形组件，该组件可以由永久磁铁或电磁铁组成，它基本上只有一个向内或只有一个向外的磁通量。由于场极弯曲(称为磁通量引导)，新出现的磁通量不仅在很大程度上被限制在系统的一侧，而且与具有相对的南北极的传统磁铁相比，还导致新出现的磁通量密度显著增强。在某些情况下，根据本发明的磁通量引导阵列可实现的场弯曲可增强两倍之多。
原则上，如果将场极发电转子系统实现为磁通量引导阵列，例如采用由饼状磁段组成的传统哈尔巴赫阵列，而不是采用南北磁极对立的传统磁铁组件，则可以显著提高同步机的功率。与传统系统相比，包含磁通量引导阵列的系统的优势从图2a所示的传统磁化系统组件的性能与图2b所示的包含磁通量引导阵列的系统的性能之间的比较中显而易见。
图2b展示了一个完整哈尔巴赫阵列的两个磁极，其中每个磁极由四个元件121组成。阵列的每个饼形元素形状121具有不同的磁化取向。永磁体的磁场强度取决于模具磁化的形状，并且磁场强烈依赖于附近是否存在铁磁材料而不是空气。对于组装好的饼状段，根据铁磁材料与空气相比磁阻较小的特点，场线会从段到段之间形成通道。另一方面，如果同样的饼形元素处于空气中，其部分场线将通过元素本身返回，从而减少在外部可以测量到的场。如果哈尔巴赫阵列的所有饼形元素都被磁化到相同的剩磁场Brem，则组装后的系统可以很好地接近方程1和方程2所给出的理想场配置。
基于完整哈尔巴赫阵列中的磁通量引导，环内侧122上的磁通量密度可以增强，外侧123上的磁通量密度可以抵消，反之亦然，在这种情况下，只有环的外侧显示任何磁通量密度。但实际上，制造围绕每个段的纵轴具有不同磁化方向121的饼状永磁体相当复杂，耗时且昂贵。这是由于永磁体被生产成磁化方向121完全相同的矩形。然后对磁化后的平行管进行单独加工，以获得所需的磁化方向。基于永磁材料的脆性和硬度特性，以及作用在其他铁磁材料附近的强大作用力，制造和装配工艺复杂，具有挑战性，在许多应用中实用性不如人意。
此外，在强对立磁化力的作用下，将部件组装成甜甜圈形状，然后将它们相互粘合，也是一个复杂的过程。由此产生的组件通常需要外包装，以实现机械坚固性。对于许多应用来说，这种组件的最终成本超过了由此产生的优势，因此，仅仅通过增加传统机器的尺寸来提高功率和扭矩似乎更为经济。
然而，根据本发明的磁通量引导阵列由离散的磁段组成，在示例性实施例中，这些磁段都具有相同的磁化方向(见图10)，因此，实现同步电机产生与传统哈尔巴赫阵列预期相同的效益变得更加实际和经济可行。
图3显示了根据本发明的示例性′系统130的一个实施例，磁通量引导的永磁体阵列107连接到机器的轴104上以形成场生成转子。磁化阵列107的表示是示意性的。阵列107的四个指示子段仅表示该段是单个磁子段的组件。它并不表示磁段在组件中是如何定向的。借助从转子径向向外且与转子同轴定位的同心背铁103，在转子100的磁场与定子绕组102W所在的背铁103之间的空气间隙G中产生增强的径向通量密度。
电机的效率受到背铁磁化损耗的强烈影响，背铁暴露在转子旋转磁场的变化场中。如果背铁与转子机械耦合，则可显著降低这些磁化损耗，如图4所示的系统135。在这种情况下，与背铁111机械耦合，与转子108同步旋转，这样就不会有变化场导致背铁111发生磁化。
根据图5所示的本发明的另一个实施例，磁通量引导阵列113位于定子102的外侧，朝向远离中心轴，磁通量引导铁112位于定子102的内侧，朝向中心轴。通过这种配置，在机器尺寸相同的情况下，定子102和转子磁化阵列113之间的空气间隙G中可以产生更高的磁通量密度，因此可以获得更高的功率密度和扭矩密度。另外，参考图6的系统45，如果铁112再次与磁通量引导阵列113机械耦合，则铁中的磁化损耗将减少。
根据本发明的另一个实施例，图7所示的系统150说明了在用另一个由离散的磁段110组成的磁通量引导阵列取代外背铁(例如图3至图6所示)的情况下实现的电机空气间隙102中磁通密度的进一步提高。在这种简便的情况下，与之前一样，内磁通量引导阵列109产生向外的磁通量，而取代背铁的外磁通量引导阵列110产生向内的磁通量。相对的磁通量引导阵列(109和110)可提供：(i)所需的径向磁通量引导，(ii)进一步提高空气间隙中的磁通量密度，该密度现在由内部和外部磁通量引导阵列的叠加给出，(iii)无需进一步屏蔽边缘磁场。两个相对的磁通量引导阵列(109和110)与转子108机械耦合，从而与轴104机械耦合。
与需要背铁的机器配置相比，有了相对的磁通量引导阵列，气隙中更高的磁通量密度变得可行。由于铁在接近2特斯拉时显示出磁化饱和，因此空气间隙中的磁通量必须限制在这个值内，否则铁就会像空气一样失去作用。即使低于2特斯拉，背铁的厚度也必须随着气隙中磁通量密度的增加而增加，以便将气隙中的磁场引向径向通量密度，并控制边缘磁场，铁厚度的增加会导致机器重量的增加，从而抵消因磁通量密度增加而带来的功率和扭矩密度的增加。有了对置磁通量引导阵列的概念，这种限制就被消除了，使用超导偶极磁体线圈代替气隙中磁通量密度为几特斯拉的永久磁铁就变得可行了。
在美国专利申请US2018/0226190中，公开了一种哈尔巴赫阵列的制造工艺，其中整个阵列在一个步骤中被磁化。这是借助磁化线圈实现的，磁化线圈产生的磁通量方向作为哈尔巴赫环周围方位角位置的函数不断变化(见方程1和方程2)。这种技术最适用于直径在50毫米到200毫米之间、最大极数小于12的有限范围的阵列。钕铁硼等永磁材料的磁化需要几特斯拉的磁通量密度。这使得制造大型连续哈尔巴赫阵列(如风力发电机所需的阵列)变得不切实际。所需的磁化线圈将非常大，相应的电感也非常大。要产生所需的几特斯拉磁通量密度的脉冲磁场，需要非常高的电压和大功率。对于需要磁极数超过20个且具有足够径向厚度的电机环的磁化来说，还存在另一个困难。磁化过程所需的任何多极线圈的内场都会随着向系统中心的指数增加而下降。对于四极线圈，即有四个磁极的系统，磁通量密度随半径的变化呈线性下降。对于有n个极的一般情况，磁通量的下降为1/rn-1。由于磁通量密度向中心急剧下降，在给定径向厚度的环形磁体内部，要达到足够的磁通量密度进行磁化变得越来越困难。为了克服这一效应，需要非常大的磁通量场才能以径向通量密度穿透环形磁体，实现均匀磁化。
如前所述，传统的哈尔巴赫阵列由饼状的适当磁段组成，其制造的复杂性阻碍了它们的广泛应用。对于许多应用来说，这种组件的最终成本超过了由此产生的优势，而通过扩大传统机器的尺寸来增加功率和扭矩则更为经济。
根据本发明，将常规哈尔巴赫阵列集成到旋转机器中的制造困难可以基于除需要连续环形几何形状或用离散的饼形件形成的圆柱形组件以外的设计来避免，本发明的实施例提供了一种离散定向磁通磁体组件，该组件包括离散的，永久磁铁或电流携带的法向线圈或超导线圈，它们排列成阵列，该阵列沿圆柱形平面即圆柱形平面的轮廓延伸。阵列中的单个磁化体沿与圆柱形表面的中心轴平行的方向延伸。
参照图8，横截面视图说明了两个磁通量定向磁组件的同心布置，适用于作为旋转电机或磁化齿轮运行。圆圈303中的各自为杆状永磁体或偶极磁体线圈，在此称为磁段。在一个有利的实施例中，其中一个圆环中的所有磁段303都是相同的，磁化完全相同。然而，这些元件相对于各自旋转，以产生磁通量引导所需的磁化方向。各自磁段所需的磁化方向用箭头表示。内环(302)的磁段也可以与外环300的元件相同。
所示实施例适用于作为双转子电机或发电机运行。其他实施例可由适用于具有单转子的机械的单磁通量定向磁化组件组成，如概念图4，5和6所示。参考图8，各自的磁通量定向磁体组件300和302可包括线圈或一系列棒状元件形式的永久磁铁，称为磁极性段。对于磁段为永久磁铁的实施例，磁段可彼此间隔前置，但相邻磁极段的表面(称为主要侧面)可彼此毗邻或接触。图8的视图是沿横向于各圆柱形磁极段阵列共有的对称轴的平面拍摄的，同心对中的内磁极段阵列302投射径向向外的磁通量，同心对中的外磁极段阵列300投射径向向内的磁通量，由指示的磁化方向决定。每个棒状磁元件(300和302)的示例性阵列被配置为磁通量定向磁组件，各自的磁棒状段具有适当的磁化方向。图8所示的实施例产生一个具有5个极对的场。各自的这种分立磁化组件在对称轴方向的圆柱形平面内延伸。对于磁通量向外投射的内磁化阵列302，各自的磁极由3段组成。在外磁化阵列300中，各自磁极由5段组成。所示磁化方向可通过方程1和方程2得出，为方便起见，在此再次列出：
Br＝Brem*cos(p*θ) (方程1)，和
Bθ＝Brem*sin(p*θ) (方程2)，
方程1和方程2所给出的理想配置最好由每极大量的段来近似。然而，可以证明每极五个段可以提供适用于本发明实践的理想配置的近似值。
图8所示的两个棒状段阵列300和302的同心布置可用作同步电机的转子，其基本概念也可应用于磁化齿轮的操作。在电机应用中，定子绕组将置于棒状磁段的内302和外300阵列之间的空气间隙中。根据优化扭矩的需要，同心相对的阵列各自产生径向通量密度，因为定子电流的流动方向垂直于沿视图拍摄的平面，定子绕组中导体上的洛伦兹力兹由导体中流动的电流与周围磁通量的截积F＝IxB给出。
对于包含这些棒状元素同心阵列的电机和磁齿轮的实际应用，磁极对的数量，每个磁极的段数，各个磁段的横截面形状，两个磁阵列之间的空气间隙以及阵列的径向厚度都可以各自进行优化，以获得最佳的磁通量引导。
磁通量导向磁体阵列中的各个棒状磁体，他，永磁体或偶极磁体线圈的形状在横截面上看可以是变化的对称或不对称形状。
在一个实施例中，棒状磁段呈一系列相似且间隔一致的圆柱形，它们共同构成了各自磁通量导向磁体组件的圆柱形阵列图案。在本实施例中，由于永磁体各自具有横向于圆柱形轴向的磁化方向，磁体可作为围绕组件的位置的函数而各自旋转，以提供所需的磁化方向，用于沿磁极循环偏移磁化方向的图案，类似于传统海巴赫阵列中的图案，以及用于任何指定的多极配置，n。
示例性杆状永磁体(在图8中示意性地显示为圆柱形)各自插入一系列光圈或钻孔601中。孔径可形成于圆柱形的支持结构600中，如图9所示。支持结构可以用冲压叠片来生产，该叠片具有精密孔径601，用于将永磁磁段插入其中。这种叠层的制造精度可达0.01毫米或更低，成本相对较低。这些叠片的材料可以是非磁的，并且.例如，可以主要包括钛，以提供相对高强度，低密度的支持结构。
在电机励磁过程中，图示的磁通量定向磁段同心阵列中的各个磁体会受到扭矩，这可能会使它们在圆柱形支持结构中的位置在洛伦兹力作用下发生旋转定位。例如，可以通过使用图10所示的横截面为椭圆形的磁化器来防止这种旋转，支持结构的孔径具有在洛伦兹力作用下将杆状磁段锁定到位的互补形状。或者，杆状磁体可通过化学键(例如，用适当的环氧树脂)粘合到支持结构中，以防止任何轴向旋转或轴向移动，或者，横截面可呈圆形的主要侧面的表面可包括一个键，该键与支持结构中的配合键槽互锁。
所公开实施例的一个特征是，阵列可包括可使用任何可用永磁材料(包括最高可用等级的钕铁硼(例如N52))生产的那种离散磁化体。无需进一步开发永磁体制造和磁化工艺。对于需要气隙中非常大的磁通量密度BR(见方程3)的最高功率密度和扭矩密度的应用，可以使用超导偶极磁体线圈作为磁化元件。在这种情况下，两个环的所有线圈可以串联，或者如果愿意，外环中的电流可以不同于内环中的电流。
对于需要在轴向方向上具有显著段长度的阵列的设计，如图11的局部视图中多个孔径中的一个所示，多个离散的永久磁铁400的子磁段可以端对端地插入层叠支持结构401中的每个孔径内无需克服排斥力即可将多个磁化元件置于相同孔径中，并且端对端插入相同孔径中的磁化元件应无需粘接在一起。
与用离散饼形元素形成的传统海巴赫阵列相比，所公开的间隔磁化元素离散阵列预计具有明显更高的机械坚固性，因此非常适合在高转速下运行的电机。传统的哈尔巴赫阵列由脆性材料段粘合而成，通常外面包有玻璃纤维环氧树脂。
与传统的哈尔巴赫阵列相比，制造所公开的离散定向磁通量磁体组件是一种更经济的工艺，通过这种工艺，磁通量被重新定向穿过一个小的空气间隙。值得注意的是，组件中的所有棒状磁段可以是相似的。如果轴向长度较长的磁段是由较短的单个磁体组装而成，则可采用分选工艺，以确保环内所有棒状磁体具有相等的剩磁场。在制造永磁体时，通常会发现不同磁化体的剩磁场相差几个百分点。通过对所有磁化体进行测量并相应分类，可以最大限度地减少磁棒之间的磁场强度变化，从而避免机器的扭矩波纹。
生产几乎任何尺寸且空气间隙中磁通密度最高的具有成本效益的离散定向磁通磁体组件的可行性使得该技术非常适用于磁齿轮箱，如美国专利3,378,710中公开的磁齿轮箱。
图12示意性地说明了另一个实施例，在一对包含磁通量-引导磁铁组件的同心圆柱形阵列(500和502)中，有离散的，有间隔的，相似棒状的磁段505。包含若干铁磁段504的第三个环503位于两个磁通量引导磁体阵列环之间的间隙中。图示实施例包括两个含有永久磁铁的环(500和502)和一个插入的带有铁磁段503的环。这两个环是磁通量引导组件。
图12显示了沿两个阵列的共同对称轴横向的平面的横截面视图。各自圆柱形阵列中的元件(505)沿两个假想的同心圆柱形表面之一延伸，如前面的图(图8和图10)。在其中一个阵列绕公共轴旋转期间，当不同圆环中的磁铁(505)和铁磁段(504)相互接近时，不同的元件相互吸引或排斥，表现出功能上类似于两个可旋转圆环上机械齿轮的啮合齿的行为。虽然磁化元件阵列提供了与传统机械齿轮相似的运动比，但磁齿轮工作时并不相互接触。因此，它们不会受到交互作用/配合表面机械磨损的影响，也不会产生噪音。齿轮可以滑动而不会损坏。由于内外磁元件阵列上的磁极对数量相等，该系统的工作原理与传统离合器相似，可传递最大允许扭矩。与传统的南北磁组件相比，离散定向磁通磁体组件提供了一种具有优势的齿轮系统，部分原因是传统组件需要背铁，并且不能在气隙中产生相同的高磁通量密度。本发明提供了一种具有高扭矩传递密度的高性价比磁齿轮系统。
本发明的磁化齿轮可与所公开的同步电机实施例耦合。在风力发电机的转速非常低的情况下，他，小于20RPM，磁齿轮可以连接到风力驱动的螺旋桨上，但是在磁齿轮的实施下，发电机可以由明显更高的转速驱动。由于电机的功率与转速成正比，因此发电机的体积可以相应减小，而发电机输出频率的提高则有利于进行所需的整流。由于风力发电机中的机械齿轮箱是整个系统中故障间隔时间最短的部件，因此具有固有滑移能力的磁齿轮箱将大大提高可靠性。
本发明的特点和区别
本发明使磁通量引导的使用摆脱了限制该技术有限应用的束缚。
图2b展示了一个完整的哈尔巴赫阵列的两个磁化极，其中各自由四个元件121组成。阵列的各自具有不同磁化取向的饼形元素形状121。永磁体的磁场强度取决于磁化体的形状，并且磁场强烈依赖于附近是否存在铁磁材料而不是空气。对于组装好的饼状磁段，根据铁磁材料与空气相比磁阻较小的特点，场线会从一个磁段引导到另一个磁段。另一方面，如果同一饼形元素处于空气中，其部分场线将通过元素本身返回，从而减少在外部可以测量到的场。具有任意磁化方向的饼状元件121在磁化方向上没有对称性。由于这种对称性被打破，如图2b所示，具有不同磁化方向的磁块在不接触的情况下，其内部和外部的磁通量密度会出现显著差异。因此，如图2b所示，磁化方向不同但没有接触的磁块不会表现出相同的最大场强方向。然而，如果哈尔巴赫阵列的所有饼形元素都被磁化成相同的离散磁段，并且如图2b所示相互接触，则组装后的系统可以很好地近似方程1和方程2所给出的理想场配置。
在一个实施例中，旋转机器中使用的阵列包含多个相似的离散磁段。当这些段间隔开时，例如在阵列中放置之前，各自包括具有相同最大场强的磁极。磁通量引导可在以下情况下实现：(i)段形成圆周阵列，沿阵列顺序旋转磁场；(ii)每个段位于沿阵列顺序的下一个段的足够近的位置，以便磁场相互交互作用。在本发明的不同实施例中，为了发生磁通量引导，各段可以彼此物理接触，或者它们可以间隔开，但距离足够近，以至于阵列中彼此相邻的段之间的场相互作用以实现磁通量引导。
虽然本发明已参照特定实施例进行了描述，但本领域技术人员可以理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以做出各种改变，也可以用等效物代替其中的要素。

Claims (61)

1.一种同步电机，包括：
机架；
第一转子和定子绕组，各自围绕沿机架方向延伸的中心轴相对于对方同轴，定子固定连接在机架上，第一转子连接在机架上，用于相对于机架和定子绕组旋转，第一转子和定子绕组各自具有沿中心轴延伸的圆周表面，第一转子包括第一多个离散的磁段，每个磁段性段：
(i)沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度，
(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强，
(iii)具有表面，在横截面上具有预定义的形状，最大场强方向从该表面向外指向，在固定安置在环绕中心轴向定位的相似磁段的第一阵列中之前，该段可围绕该表面旋转，
(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一多个中其他段的主要侧面平行，
(v)沿中心轴延伸，以便与第一多个中的其他磁段结合，共同形成第一圆周阵列的磁段，该磁段具有朝向中心轴的内侧和朝向远离中心轴的外侧，并且
(vi)位于与一个或多个其他段足够近的位置，以便累加组合或减少来自不同段的场强，从而传递第一圆周阵列的净场强，其中阵列的内侧或外侧之一的磁场强度增强，而阵列的内侧或外侧之二的磁场强度减弱。
2.如权利要求1所述的同步电机，其中第一多个中的段的主要侧面呈圆柱形或椭圆形，使得预定义的横截面形状是圆柱形或椭圆形。
3.如权利要求1所述的同步电机，其中第一多个中的段的主要侧面是轴对称的。
4.如权利要求1所述的同步电机，其中第一阵列中的所有磁段仅由第一多个中的磁段组成。
5.如权利要求1所述的同步电机，其中第一阵列中的所有段均为偶极磁化体。
6.权利要求1的机器，其中第一磁段阵列被配置为提供包括旋转偏移的磁场图案的角取向的元素序列，其中，沿着该序列，离散的磁段中的不同者之间的场极的角取向作为序列中位置的函数，在与中心轴正交的方向上旋转，从而提供场极的角取向中的旋转序列，包括在最大场强方向上的旋转。
7.权利要求6的机器，其中阵列的内侧或外侧之一上相对于阵列的内侧或外侧的另一侧上的减弱的磁场强度的增强的磁场强度产生于场极的角取向的旋转序列。
8.根据权利要求6所述的机器，其中，在磁场图案的角取向旋转移动序列中配置的第一磁场段阵列，在序列中的不同磁场段之间，当第一磁场段圆周阵列绕中心轴旋转时：与增强的磁场强度相关联的磁场分量主要与定子绕组的磁场分量交互作用，以产生转矩。
9.权利要求2的机器，其中第一阵列包括n个磁段，并且所述n个段中的每一个磁段中的所述场图案的特征在于所述角取向相对于所述序列中的下一个元素的场图案的角取向的旋转偏移。
10.权利要求1的机器，其中第一阵列包括n个磁段，并且所述n个段中少于每一个的磁段中的所述场图案的特征在于所述角取向相对于所述序列中的下一个元素的场图案的角取向的旋转偏移。
11.如权利要求1的机器，其中第一阵列中磁段的主要侧面彼此间隔开。
12.如权利要求1的机器，其中第一阵列中磁段的主要侧面相互接触。
13.如权利要求1或权利要求20的机器，其中：
定子绕组在定子内绕组距离Wi和定子外绕组距离Wo之间延伸，各自的定子绕组距离Wi和Wo从中心轴测量；
第一转子是内转子IR，在内侧距离IRi和外侧距离IRo之间延伸，各自的距离IRi和IRo从中心轴测量，其中IRo<Wi；
该机器进一步包括外转子，OR，相对于内转子，IR定位为外转子，并连接到机架以相对于机架和定子绕组旋转，第二转子，OR，在外转子内距ORi和外转子外距ORo之间延伸，每个距离ORi和ORo从中心轴测量，外转子，OR，具有沿中心轴延伸的圆周表面或类圆柱表面，外转子，OR，包括第二多个离散的磁段，第二多个磁段中的每个磁段具有特征磁场模式和：
(i)以相对于彼此的空间平行方向固定排列，
(ii)沿轴线延伸，共同形成第二圆周阵列，
(iii)可定位在第二稳定结构中，以及
(iv)可绕中心轴旋转，以与定子绕组交互作用，生成扭矩。
14.权利要求13的机器，其中第二磁段阵列被配置为提供包括旋转偏移磁场模式的角取向的元素序列，其中磁场模式的角取向在与中心轴正交的方向上在不同磁元件之间旋转。
15.权利要求14的机器，其中磁场模式的空间旋转以在阵列的内侧或外侧之一上相对于在第二阵列的内侧或外侧的另一侧上提供减弱的磁场强度的方式配置磁通量。
16.根据权利要求13所述的机器，其中第一阵列包括n个磁段，并且所述n个段中的每一个磁段中的所述场图案的特征在于所述角取向相对于所述序列中的下一个元素的场图案的角取向的旋转偏移。
17.权利要求16所述的机器，其中第二阵列包括m个磁段，并且所述m个段中的每一个磁段中的所述场图案的特征在于所述角取向相对于所述序列中的下一个元素的场图案的角取向的旋转偏移。
18.权利要求13所述的机器，其中阵列包括n个磁段，并且所述n个段中少于每一个的磁段中的所述场图案的特征在于所述角取向相对于所述序列中的下一个元素的场图案的角取向的旋转偏移。
19.如权利要求20的机器，其中第一多个段中没有一个是作为相同的磁化元素形成的，然后由相同的元素成形或加工成不同的形状，再作为一系列不同形状的元素排序，其中最大场强方向作为关于元素形状的位置的函数而变化。
20.一种同步电机，包括：
机架；
第一转子和定子绕组，各自围绕沿机架方向延伸的中心轴相对于对方同轴，定子固定连接在机架上，第一转子连接在机架上，用于相对于机架和定子绕组旋转，第一转子和定子绕组各自具有沿中心轴延伸的圆周表面，第一转子包括第一多个离散的磁段，每个磁段性段：
(i)沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度，
(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强，
(iii)具有表面，在横截面上具有预定义的形状，最大场强方向从该表面向外指向，在固定安置在环绕中心轴向定位的相似磁段的第一阵列中之前，该段可围绕该表面旋转，
(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一多个中其他段的主要侧面平行，
(v)包括具有相似特征最大场强方向的磁极，以及(vi)定位在与中心轴平行的方向上延伸，与第一多个中的其它磁段一起共同形成相似磁段的第一圆周阵列，该阵列按序列配置，磁段的磁极相对于序列中的位置相互旋转，这导致磁段之间的场极角取向中的旋转偏移。
21.如权利要求20所述的同步电机，其中第一多个中的段的主要侧面呈圆柱形或椭圆形，使得预定义的横截面形状是圆柱形或椭圆形。
22.如权利要求20所述的同步电机，其中第一多个中的各段的各自主要侧面是轴对称的。
23.如权利要求20所述的同步电机，其中第一阵列仅由第一多个中的离散的磁段组成。
24.如权利要求20所述的同步电机，其中第一阵列中的所有段均为偶极磁化体。
25.如权利要求20所述的同步电机，其中第一多个中的多个段不是饼形元素，也不是形成为非对称形状的元素，其中最大场强方向作为关于元素形状的位置的函数而变化。
26.如权利要求20的同步电机，其中第一多个中的多个段在磁化后不形成为非对称形状的元素，从而最大场强方向可随关于元素形状的不同者的位置的函数而变化。
27.如权利要求20所述的同步电机，其中第一多个中的多个段均不磁化，然后成形或加工，然后有序地形成一系列元件，在这些元件中，最大场强方向作为关于元件形状的位置的函数而变化。
28.如权利要求20所述的机器，其中：
随着磁段的第一圆周阵列具有朝向轴线的内侧和朝向远离轴线的外侧，相对于阵列的内侧或外侧中的另一侧上减弱的磁场强度，阵列的内侧或外侧中的一侧上产生增强的磁场强度。
29.如权利要求28所述的机器，其中，当磁段的第一圆周阵列绕中心轴旋转时，阵列上表现出增强的磁场强度的一侧上的场主要与定子绕组的场交互作用以生成扭矩。
30.如权利要求20所述的机器，其中移位导致增强的磁场强度。
31.根据权利要求28所述的机器，进一步包括支持结构，该支持结构在其中具有一系列孔，并沿圆柱形平面形成，第一多个离散的磁段中的各自可旋转地定位在其中一个孔内，以提供偏移。
32.如权利要求31的机器，其中支持结构包括一系列冲压叠片，这些叠片彼此接合，其中叠片包括非磁材料。
33.如权利要求20的机器，其中：
定子绕组在定子内绕组距离Wi和定子外绕组距离Wo之间延伸，各自的定子绕组距离Wi和Wo从中心轴测量；
第一转子是内转子IR，在内侧距离IRi和外侧距离IRo之间延伸，各自的距离IRi和IRo从中心轴测量，其中IRo<Wi；
该机器进一步包括外转子，OR，相对于内转子，IR定位为外转子，并连接到机架以相对于机架和定子绕组旋转，第二转子，OR，在外转子内距ORi和外转子外距ORo之间延伸，每个距离ORi和ORo从中心轴测量，
外转子，OR，具有沿中心轴延伸的圆周表面或类圆柱表面，外转子，OR，包括第二多个离散的磁段，第二多个磁段中的每个磁段具有特征磁场模式和：
(i)以相对于彼此的空间平行方向固定排列，
(ii)沿轴线延伸，共同形成第二圆周阵列，
(iii)可定位在第二稳定结构中，以及
(iv)可绕中心轴旋转，以与定子绕组交互作用，生成扭矩。
34.根据权利要求33所述的机器，其中第二磁段阵列被配置为提供包括旋转偏移角取向的磁场模式的元素序列，其中磁场模式的角取向在与中心轴正交的方向上在不同磁元件之间旋转。
35.权利要求34的机器，其中磁场模式的空间旋转以在阵列的内侧或外侧之一上相对于在阵列的内侧或外侧的另一侧上提供减弱的磁场强度的方式配置磁通量。
36.据权利要求33所述的机器，其中第一阵列包括n个磁段，并且所述n个段中的每一个磁段中的所述场图案的特征在于所述角取向相对于所述序列中的下一个元素的场图案的角取向的旋转偏移。
37.根据权利要求36所述的机器，其中第二阵列包括m个磁段，并且所述m个段中的每一个磁段中的所述场图案的特征在于所述角取向相对于所述序列中的下一个元素的场图案的角取向的旋转偏移。
38.根据权利要求33所述的机器，其中第二阵列包括n个磁段，并且所述n个段中少于每一个的磁段中的所述场图案的特征在于所述角取向相对于所述序列中的下一个元素的场图案的角取向的旋转偏移。
39.如权利要求1的机器，进一步包括磁通量导向内背铁，从第一转子的第一阵列中的第一多个磁段径向向内设置，并与第一转子同轴，其中定子的绕组设置在第一转子和内背铁之间，以沿着第一转子和内背铁之间的空气间隙延伸。
40.一种装配同步机器的方法，包括：
将第一转子和定子绕组围绕机架连接，第一转子和定子绕组中的各自相对于另一个围绕中心轴同轴，该中心轴沿机架的方向延伸，定子绕组固定连接在机架上，第一转子连接在机架上以相对于机架和定子绕组旋转，其中第一转子和定子绕组中的各自具有沿中心轴延伸的圆周表面，其中第一转子至少与配置在第一阵列中的第一多个离散的磁段形成，第一转子和定子绕组中的各自具有沿中心轴延伸的圆周表面，其中第一转子至少与配置在第一阵列中的第一多个离散的磁段形成：
(i)沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度，
(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强，
(iii)具有表面，其横截面具有预定形状，最大场强方向从该表面向外指向，在将该磁段固定排列在围绕中心轴环向定位的同类磁段的第一阵列中之前，该磁段可围绕该表面轴向旋转，第一阵列的磁段具有朝向中心轴的内侧和朝向远离中心轴的外侧，
(iv)固定排列，其主要侧面在平行于第一多个磁段中其它磁段的主要侧面延伸的方向上延伸，以及
(v)定位为在与中心轴平行的方向上延伸，以便与第一多个中的其他磁段共同形成类似磁段的第一阵列，该第一阵列被配置为第一有序序列，其磁段的场极作为第一序列中位置的函数而相对于彼此旋转，这导致第一序列中的磁段之间的场极的角取向偏移，该偏移导致第一阵列一侧的磁场强度相对于第一阵列另一侧的较低磁场强度增强。
41.一种适于在旋转机器或齿轮箱中使用的磁系统，包括至少第一个阵列结构，其中至少包含第一多个相似离散的磁段，并沿中心轴延伸，第一多个磁段中的各个磁段：
(i)沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度，
(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强，
(iii)具有表面，其横截面具有预定义形状，最大场强方向从该表面向外指向，在将该段固定放置在围绕中心轴环向定位的同类磁段的第一阵列中之前，围绕该表面该段可轴向旋转，
(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一多个中其他段的主要侧面的延伸方向平行，以及
(v)定位为沿与中心轴平行的方向延伸，以便与第一多个中的其他磁段一起共同形成同类磁段的第一阵列，该第一阵列被配置为第一个有序序列，其磁段的场极作为第一序列中位置的函数而相对于彼此旋转，这导致第一序列中的磁段之间的场极的角取向偏移。
42.根据权利要求41所述的系统，其中第一多个中的段与一个或多个其他段接触或足够接近地定位，以累加组合或减少来自不同段的场，从而传递关于第一个阵列结构的净场强，其中相对于阵列内侧或外侧的另一个上减少的磁场强度，阵列内侧或外侧的一个上产生增强的磁场强度。
43.根据权利要求41所述的磁系统，其中磁段为有序序列，其中磁段相对于其它磁段轴向可旋转，以在磁段之间顺序偏移特征最大场强方向，从而在阵列的一侧产生增强的磁场强度。
44.如权利要求41的磁系统进一步包括支持结构，其中：第一多个的磁段相对于中心轴和相对于彼此占据固定位置，并且场极之间的特征最大场强方向的方向的相对移位是固定的。
45.如权利要求44所述的磁系统，其中支持结构包括一系列通道或沟槽，磁段置于其中。
46.如权利要求45所述的磁系统，其中磁段和通道或沟槽具有互补形状或配对特征，可将磁段的旋转位置锁定以将场强方向的相对移位固定到位。
47.权利要求41的磁系统进一步包括支持结构，该支持结构在其中具有一系列孔径并沿中心轴形成，第一多个中离散的磁段轴向可旋转并定位在孔径内，以沿阵列顺序提供偏移。
48.如权利要求47所述的磁系统，其中支持结构包括一系列相互接合的冲压叠片，其中叠片包括非磁材料。
49.如权利要求41的磁系统进一步包括第二数组结构，该第二数组结构包括至少第二个多个相似的离散的磁段，并沿中心轴延伸，第二多个磁段中的各自段：
(i)沿着其主要侧面，在与中心轴平行的方向上，具有相对于其宽度的延长长度，
(ii)包括具有相似特征磁场分布的极，包括最大场强方向和相同的最大场强，
(iii)具有表面，其横截面具有预定义形状，最大场强方向从该表面向外指向，在将磁段固定布置在围绕中心轴环向定位的同类磁段的第二阵列中之前，围绕该表面该段可轴向旋转，
(iv)固定排列，其主要侧面的延伸方向与第一多个中其他段的主要侧面的延伸方向平行，以及
(v)定位为沿与中心轴平行的方向延伸，以便与第二多个中的其他磁段结合，共同形成同类磁段的第二阵列，该第二阵列被配置为第二有序序列，其磁段的场极作为第二序列中位置的函数而相对于彼此旋转，这导致第二序列中的磁段之间的场极的角取向偏移。
50.根据权利要求49所述的机器，其中所述磁段的第二阵列被配置成提供包括旋转偏移的磁场模式的角取向的元素序列，其中场模式的角取向在与中心轴正交的方向上在不同磁元件之间旋转。
51.根据权利要求41所述的机器，其中磁场模式的空间旋转以在第一阵列的内侧或外侧之一上相对于在第一阵列的内侧或外侧的另一侧上提供减弱的磁场强度的方式配置磁通量。
52.根据权利要求41所述的机器，其中第一阵列包括n个磁段，并且所述n个段中的每一个磁段中的所述场图案的特征在于所述角取向相对于所述序列中的下一个元素的场图案的角取向的旋转偏移。
53.根据权利要求49所述的系统，其中第二阵列包括m个磁段，并且所述m个段中的每一个磁段中的所述场图案的特征在于所述角取向相对于所述序列中的下一个元素的场图案的角取向的旋转偏移。
54.根据权利要求41所述的系统，其中第一阵列包括n个磁段，并且所述n个段中少于每一个的磁段中的所述场图案的特征在于所述角取向相对于所述序列中的下一个元素的场图案的角取向的旋转偏移。
55.如权利要求1的机器，进一步包括背铁，从第一转子的第一阵列中的第一多个磁段径向外定位，并与第一转子同轴，定子的绕组沿着第一转子和背铁之间的空气间隙延伸，以在空气间隙中产生增强的径向通量密度。
56.如权利要求55所述的机器，其中背铁机械耦合与转子同步旋转，以避免，减少或消除会导致背铁发生磁化的变化场的存在。
57.如权利要求39所述的机器，其中磁通量导向内背铁机械耦合地与转子同步旋转，以避免，减少或消除会导致背铁发生磁化的变化场的存在。
58.如权利要求49所述的系统，进一步包括环周阵列，该阵列包括定位在第一阵列和第二阵列之间，与各自同轴对准的铁磁段。
59.一种用于同步电机或磁齿轮箱的磁阵列，包括，
一个多个离散的磁段，其中：
当各个磁段远离铁磁材料的影响时，例如在放置到阵列中之前，每个磁段包括具有相同最大场强的磁极，每个磁段沿圆周阵列按序列定位，其场向有变化，通过这些变化，
每个磁段的场相对于序列中下一个磁段的场在空间旋转，并且
每个磁段被定位在与序列中下一个磁段足够接近的位置，以使磁场彼此交互作用并产生磁通量引导效应。
60.如权利要求59所述的阵列，其中每个场段与序列中的下一个场段物理接触，用于阵列中彼此相邻的场段之间的交互作用，该交互作用效应磁通量引导。
61.如权利要求59所述的阵列，其中各自的段与序列中的下一个段间隔开，但距离足够近，以便阵列中彼此相邻的间隔开的段之间的场相互作用，从而产生磁通量引导效应。
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