CN108886299A - 具有滚动元件的高扭矩密度电动机/发电机 - Google Patents

Abstract

提供了一种电动机，包括：第一磁性部件、第二磁性部件、以及被配置为电磁地激活第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个的电路。电磁激活引起第一磁性部件和第二磁性部件之间的间隙的变化，间隙的变化导致第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个的旋转。

Description

具有滚动元件的高扭矩密度电动机/发电机

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年2月15日提交的题为“HIGH TORQUE DENSITY ELECTRIC MOTORAND/OR GENERATOR WITH ROLLING ELEMENT”的美国临时申请S/N62/295259和2017年2月3日提交的题为“HIGH TORQUE DENSITY ELECTRIC MOTOR/GENERATOR WITH ROLLINGELEMENT”的美国临时申请S/N62/454334的优先权，其全部公开内容通过引用明确地并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及电动机和/或发电机，更具体地涉及具有滚动元件的电动机，滚动元件导致与转子相关的元件和与定子相关的元件之间的变化的间隙，其中变化的间隙导致滚动元件、定子或这两者的高扭矩旋转运动。

背景技术

全球四分之一的电能由电动机或用于将电能转换成机械动力(反之亦然)的装置消耗。部分地由于其高效率，电动机是用于在从工业系统的操作到泵送系统到混合动力车辆到个人用具等的不同应用中产生机械扭矩的第一选择之一。如本文所用，术语“电动机”是指电动机和发电机。

尽管对于前面提到的应用，电动机具有显著的扭矩密度(即每单位电动机体积的扭矩)，但是存在其他应用(例如起重机和绞车)，其中由于扭矩密度的限制，与液压马达相比，电动机不被认为是具有竞争力的技术。然而，液压系统至少面临两个主要问题。首先，它们的效率非常低(效率范围为从6％到40％)。其次，液压马达具有复杂的制动系统。

电动机的扭矩密度还受到耗散由电动机绕组产生的热量的有限能力的限制。电路中的热量积累是I²R的函数；因此，对于给定的布线(电阻R)的电流的适度增加将导致热量产生的显著增加。典型工业电动机中的I²R损耗占所有电动机损耗的40-65％，远高于任何其他单一损耗源。产生给定场所需的电流由磁路的磁导率决定。磁导率的最大降低(磁阻的增加)是将定子和转子分开的气隙。通常在0.004至2英寸或更大的范围内的气隙可以将电路的相对磁导率降低超过100倍，因此需要100倍的磁化电流(以安匝数计)以产生相同的场强。虽然气隙被设计成尽可能小，但加工公差限制了防止定子和转子之间碰撞所需的最小公差，通常称为“壁接”，这将快速损坏电动机。传统的电动机设计已经工作多年，以基于商业上合理的制造技术优化材料选择和气隙宽度。一旦优化了磁路的磁阻，进一步提高性能的唯一来源是降低电阻。

实现高扭矩密度一直是电动机设计者的目标之一，并且激发了技术文献中提出的新设计。例如，尽管由开关磁阻电动机和具有分隔转子的电动机产生的高扭矩是电动机中最高的扭矩之一，但是这种电动机不产生与液压马达相当的扭矩密度。工业和学术界提出的非传统电机设计和控制策略的其他示例包括：1)双转子结构以及双激励，2)外转子混合激励，3)提出的新控制策略以增强机械扭矩，和4)三次谐波电流的注入。在其他传统应用中，电动机的低扭矩密度部分地通过使用机械传动装置来解决，比如齿轮箱或带传动装置，其增加施加到输出轴的扭矩。不幸的是，典型的传动效率范围为从对于蜗轮而言的40％或更小至对于单级适当尺寸带或行星齿轮传动而言的90％；因此，在大多数应用中，在正常使用期间将总电动齿轮箱系统效率降低至小于70％。

因此，为了进一步增加电动机的连续操作扭矩和功率密度，需要能够更有效地将电能转换成机械能的新设计。

发明内容

根据一个实施例，提供了一种电动机，包括：第一磁性部件；第二磁性部件；以及电路，其配置为电磁地激活所述第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个；其中，电磁激活引起第一磁性部件和第二磁性部件之间的间隙的变化，所述间隙的变化导致第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个的旋转。在该实施例的一方面，在所述第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个的旋转期间，第一磁性部件的表面速度与第二磁性部件的表面速度基本相同。在另一方面，所述间隙的变化导致所述第二磁性部件围绕第二磁性部件的轴线旋转以及所述轴线相对于所述第一磁性部件的运动。在又一方面，在所述第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个的旋转期间，第一磁性部件的表面保持与第二磁性部件的表面接触。在该方面的变型中，所述第一磁性部件的表面包括第一多个表面特征，并且所述第二磁性部件的表面包括在所述第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个的旋转期间与所述第一多个表面特征啮合的第二多个表面特征。在该实施例的另一方面，所述第一磁性部件包括多个极，每个极具有接触表面，所述接触表面在所述第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个的旋转期间由所述第二磁性部件的接触表面接触。在该方面的变型中，所述多个极形成由间隙分开的两个平行座圈，所述第二磁性部件定位成桥接所述间隙以减小包括所述第一磁性部件和第二磁性部件的磁路的磁阻。在该实施例的又一方面，所述第二磁性部件包括多个辊，所述多个辊通过支撑结构连接并围绕由所述第一磁性部件形成的至少一个座圈间隔开。在该方面的变型中，所述多个辊中的每一个包括圆柱形主体。在该实施例的另一方面，所述第一磁性部件包括多个极，每个极包括第一弯曲板和第二弯曲板，所述第二弯曲板通过一对杆连接到所述第一弯曲板。在另一方面，所述第一磁性部件至少部分地设置在所述第二磁性部件内。在又一方面，所述第一磁性部件包括多个极，每个极具有指向所述第一磁性部件的中心轴线的接触表面。另一方面还包括：第一接合元件，其联接到所述第一磁性部件，所述第一接合元件沿着第一磁性部件的中心轴线从第一磁性部件偏移；以及第二接合元件，其联接到所述第二磁性部件，所述第二接合元件沿着第二磁性部件的中心轴线从第二磁性部件偏移，并且在第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个的旋转期间接合所述第一接合元件。又一方面还包括驱动组件，所述驱动组件具有驱动板、从所述驱动板的一个表面垂直延伸的驱动轴、以及从所述驱动板的另一个表面垂直延伸的多个驱动杆，所述驱动杆在另一个表面上间隔开，以与形成在所述第二磁性部件的驱动壁中的多个驱动开口对准。在该方面的变型中，所述间隙的变化导致所述第二磁性部件的旋转，所述第二磁性部件的旋转使所述驱动开口接合所述驱动杆，从而使所述驱动板和驱动轴旋转。在另一变型中，所述间隙位于所述第一磁性部件与所述第二磁性部件的侧壁之间，所述第二磁性部件的驱动壁从第二磁性部件的侧壁延伸。在该实施例的另一方面，所述间隙的变化导致所述第二磁性表面的旋转，所述间隙在所述第一磁性部件与所述第二磁性部件的内表面之间，所述第二磁性部件还包括外表面，所述外表面具有多个表面特征，这些表面特征与驱动元件的相应特征配合以引起所述驱动元件的运动。在该方面的变型中，所述表面特征是齿，并且所述驱动元件是链。在该实施例的又一方面，所述第一磁性部件是具有多个倾斜叠层极的定子。在另一方面，所述第一磁性部件和第二磁性部件成形为嵌套锥体。又一方面还包括设置在所述第一磁性部件和第二磁性部件之间的非磁性衬里。

在本发明的另一实施例中，提供了一种电动机，包括：第一磁性部件；第二磁性部件；以及电路，其配置为电磁地激活所述第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个；其中，电磁激活使所述第二磁性部件绕第二磁性部件的轴线旋转，该轴线相对于所述第一磁性部件的轴线移动。在该实施例的一方面，所述电磁激活还引起所述第一磁性部件和第二磁性部件之间的间隙的变化，所述间隙的变化导致所述第二磁性部件的旋转。在另一方面，所述电磁激活还使所述第一磁性部件绕第一磁性部件的轴线旋转。在又一方面，所述第一磁性部件的表面速度与所述第二磁性部件的旋转期间的第二磁性部件的表面速度基本相同。在又一方面，在所述第二磁性部件的旋转期间，所述第一磁性部件的表面保持与所述第二磁性部件的表面接触。在该实施例的又一方面，所述第二磁性部件包括多个辊，所述多个辊通过支撑结构连接并围绕由所述第一磁性部件形成的至少一个座圈间隔开。在另一方面，所述第一磁性部件包括多个极，每个极包括第一弯曲板和第二弯曲板，所述第二弯曲板通过一对杆连接到所述第一弯曲板。在又一方面，所述第一磁性部件至少部分地设置在所述第二磁性部件内。另一方面还包括：第一接合元件，其联接到所述第一磁性部件，所述第一接合元件沿着第一磁性部件的轴线从第一磁性部件偏移；以及第二接合元件，其联接到所述第二磁性部件，所述第二接合元件沿着第二磁性部件的轴线从第二磁性部件偏移，并且在第二磁性部件的旋转期间接合所述第一接合元件。该方面的变型还包括驱动组件，所述驱动组件具有驱动板、从所述驱动板的一个表面垂直延伸的驱动轴、以及从所述驱动板的另一个表面垂直延伸的多个驱动杆，所述驱动杆在另一个表面上间隔开，以与形成在所述第二磁性部件的驱动壁中的多个驱动开口对准。在另一方面，所述第二磁性部件还包括外表面，所述外表面具有多个表面特征，这些表面特征与驱动元件的相应特征配合以引起所述驱动元件的运动。又一方面还包括设置在所述第一磁性部件和第二磁性部件之间的非磁性衬里。

在本公开的另一实施例中，提供了一种产生扭矩的方法，包括：将第一磁性部件布置在第二磁性部件附近，使得在所述第一磁性部件和第二磁性部件之间存在间隙；以及电磁地激活所述第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个，从而引起所述间隙的变化，这导致第二磁性部件相对于第一磁性部件的旋转。该实施例的一方面还包括将所述第二磁性部件的旋转转换成用于执行功的驱动元件的运动。另一方面还包括将驱动组件联接到所述第二磁性部件，使得第二磁性部件的旋转引起所述驱动组件的驱动轴的旋转。在另一方面，在所述第二磁性部件的旋转期间，所述第一磁性部件的表面速度与所述第二磁性部件的表面速度基本相同。在又一方面，所述间隙的变化导致所述第二磁性部件围绕第二磁性部件的轴线旋转以及所述轴线相对于所述第一磁性部件的运动。在该实施例的另一方面，在所述第二磁性部件的旋转期间，所述第一磁性部件的表面保持与所述第二磁性部件的表面接触。在另一方面，将第一磁性部件布置在第二磁性部件附近包括将所述第一磁性部件至少部分地设置在所述第二磁性部件内。

虽然公开了多个实施例，但是本领域技术人员从以下详细描述中将清楚本发明的其他实施例，该详细描述示出并描述了本发明的说明性实施例。因此，附图和详细描述本质上被认为是说明性的而非限制性的。

附图说明

通过参考以下结合附图对本公开的实施例的描述，本公开的上述及其他特征以及获得它们的方式将变得更加明显并且将更好地理解本公开本身，其中：

图1是E芯磁性装置的透视图；

图2是根据本公开一实施例的电动机的组装结构的透视图；

图3是图2的电动机的部分拆卸结构的透视图；

图4是图2的电动机的另一透视图；

图5是用于操作图2的电动机的电路的示意图；

图6A-C是根据本发明原理的电动机的一个实施例的透视图；

图7A是根据本公开的定子的透视图；

图7B是提供给图7A的定子以提供转子的连续运动的电流的曲线图；

图7C提供了描绘根据图7B的施加电流的连续转子运动的端视图；

图8是传统的液压马达的端视图；

图9A提供了根据本公开的转子的组合平移和旋转运动的概念图；

图9B是采用根据本公开的电动机的齿轮箱的透视图；

图10提供了用于导出根据本公开的电动机的气隙的几何方法的概念图；

图11是当仅有一个极被供应激活电流时图6A-C中所示的电动机的磁等效电路的示意图；

图12A-D提供了根据本公开的电动机的展开图；

图13A-D是根据本公开一实施例的电动机的照片；

图13E是图13A-D的电动机的实验结果的曲线图；

图14是根据本公开的替代实施例的定子的照片；

图15是安装到图14的定子的转子的照片；

图16是图15的定子和转子的端视图；

图17是描绘图16的定子和转子之间的相互作用的概念图；

图18是根据本公开一实施例的转子的端视图；

图19是图18的转子和根据本公开一实施例的驱动组件的透视图；

图20是图19的转子和驱动组件的端视图；

图21是包括如图18-20所示的定子、转子和驱动组件的电动机的局部剖视侧视图；

图22是根据本公开的替代电动机设计的端视图；

图23是根据本公开的另一替代电动机设计的局部端视图；

图24是根据本公开的替代定子设计的透视局部视图；

图25是根据本公开的又一替代定子/转子设计的透视图；

图26是根据本公开的替代电动机设计的概念图；

图27是根据本公开的另一替代电动机设计的概念图；以及

图28A和28B是使用接合元件的电动机设计的侧视图。

对应的附图标记在若干视图中指示对应的部分。尽管附图表示根据本公开的各种特征和部件的实施例，但是附图不一定按比例绘制，并且某些特征可能被夸大以便更好地说明和解释本公开。这里阐述的示例说明了本公开的实施例，并且这些示例不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。本公开旨在覆盖落入所附权利要求范围内的所有修改、等同物和替代物。

具体实施方式

传统的电动机包括定子和转子，其中通过定子和转子之间的气隙传输的变化的电磁场在定子和转子之间产生扭矩。如果扭矩足以克服静摩擦，则转子表面将剪切经过定子表面，导致两个表面的相对运动，这可以用于执行功。在传统的电动机设计中，定子和转子之间的间隙是高电位剪切摩擦损失(由主动碰撞或壁接引起)的源，并且传统上由小气隙缓冲，通常填充有空气或冷却流体。在操作期间，在定子和转子之间施加扭矩的磁场也提供不稳定的吸引力，对于高性能电动机而言转子表面通常超过80PSI。在没有恒定的径向支撑和高刚性结构的情况下，该力将导致定子和转子的立即不稳定和壁接。

如下面进一步描述，本公开克服了传统电动机设计的某些限制，并且能够实现从亚马力机器到数千马力机器的各种电动机尺寸的变化的气隙操作。在某些实施例中，变化的气隙可以是零气隙，其在本文中定义为两个物体之间的间隙小于0.001英寸，更优选地小于0.0005英寸，甚至更优选地小于0.0002英寸。变化的气隙操作可能导致电路的总磁阻降低50至100倍以上；从而为系统中的给定电流提供更大的扭矩，如下面详细描述。这使得对于给定电流和更大的体积扭矩密度能够实现更高的场强。如下所述，在某些实施例中，电动机的磁性部件彼此不接触，但是联接到磁性部件的接合元件确实接触，从而传递扭矩。

与传统电动机不同，其中定子的尺寸或多或少是转子的尺寸(即两个部件之间存在恒定的间隙)并且在操作期间表面彼此相互剪切，根据本公开的电动机利用至少一个滚动元件(或滚子)以相对于电磁元件行进，其中所述表面在操作和滚动元件平移期间具有最小的相对表面运动。传统的电动机设计成最小化或消除定子和转子之间的间隙的任何变化，因为这种变化导致偏心力(并且可能发生灾难性故障)。如下所述，本公开的实施例设计成利用两个磁性部件之间的变化的间隙来产生明显更高的扭矩。

更具体地，本公开的实施例利用以基本相同的表面速度操作的部件。当部件以基本相同的表面速度相对于彼此移动时，结果是滚动型运动。基本上相同的表面速度在此可以表示预期的操作模式利用滚动表面而不是滑动表面。在传统的电动机中，在正常操作期间，定子和转子之间的表面被空气或一些其他流体分开并相对于彼此滑动或剪切，如上所述。在定子和转子之间的传统电动机中的任何滚动表示故障模式，其经常导致对电动机的灾难性损坏。虽然可以理解的是，所有滚动物体比如轮胎或齿轮在现实世界中的正常操作期间具有一些二次滑动模式(即没有完美的辊)，但是本公开的实施例的预期操作模式是滚动，且滑动代表具有不良后果的失效或磨损模式。

电动机运行原理

具有恒定气隙的传统电动机允许可移动部分(通常是转子)相对于固定部分(通常是定子)自由旋转。术语“旋转”应理解为指相对表面速度。如上所述，滚动元件电动机具有很小或没有相对表面速度。尽管气隙存在是产生旋转运动的基础，但设计人员试图将其尺寸最小化以最大化内部磁通量并因此最大化扭矩。本公开的该系列电动机基于产生线性力的磁性装置背后的原理，比如具有如图1所示的具有E芯的继电器。

注意，在这种类型的装置中力的表达表明由可移动部分观察到的吸引力与电流平方(i²)、匝数(N)成正比，并且与气隙平方(g²)成反比，即f≈ki²N/g²；其中k是材料磁导率及其尺寸的函数。该力导致传统电动机中的径向压力并且可能导致“齿槽扭矩”，这在所有非磁阻电动机中是不希望的并且最小化。一些传统的电动机根据F＝ILB压力产生扭矩，其中力施加在垂直于场和电流方向的载流导线上(根据“右手定则”)。因此，如果间隙最小化(即零气隙)，则力最大化，这在可移动部件接触固定部件时发生。然而，具有高相对表面速度(即旋转)的传统电动机不能减小低于电动机的偏心率或将发生壁接的间隙。应当理解，在本公开中，对物体“接触”或“触摸”的任何提及旨在表示这些术语的共同使用，并且忽略了电子排斥阻止物体之间的实际接触的量子力学现实。还应该理解的是，即使这里使用术语“零气隙”，由于两个部分(在可适用的情况下可移动部分和固定部分)之间的接触的粗糙度，g在技术上不能为零。

因此，根据本公开的电动机由变化或改变的气隙的概念驱动，以产生最大线性力。虽然本公开涉及“气隙”，但应理解，在某些实施例中，间隙可以用另一种流体或液体填充。还应该理解，根据实施例，磁性部件之间的改变的间隙可以在零气隙和小的非零气隙之间变化，或者在非零气隙与较大的非零气隙(特别是在大容量电动机中)之间变化。然而，在所有实施例中，电动机使用定子和转子(或两个转子)之间或者联接到定子的接合元件和转子(或两个转子)之间的接触，以使力和旋转扭矩最大化。与以磁性方式产生扭矩的传统电动机不同，其中转子的场试图与定子的场对准，本发明的电动机机械地产生扭矩，其中当定子和转子(或两个转子)之间的间隙变化并且接触表面机械地相互作用时，偏心磁压转换成扭矩。因此，如果定子和转子或联接到定子和转子的接合元件不接触，则本公开不产生扭矩，而传统的电动机则会。

现在参照图2-4，示出了根据本公开的电动机10的一个示例。在该实施例中，电动机10通常包括定子12、三个辊14A-14C和支撑结构16。在该示例中，定子12包括九个极元件区段18A-18I，它们彼此相同。因此，为简洁起见，仅详细描述了区段18A。区段18A包括第一弯曲板20、第二弯曲板22和一对独立缠绕的电磁杆24、26，每个杆在第一板20和第二板22之间以彼此基本平行的关系延伸。每个杆24、26缠绕有绕组28。本公开的线圈绕组28包括至少一匝导电线。线圈绕组28可以优选地包括多匝电绝缘线，比如铜或铝涂覆的磁线。线圈绕组28可以使用常规方法在操作上连接成相，比如锡焊、钎焊或焊接。

如图所示，每个区段18A-18I的第一板20一起形成圆形轨道或座圈30，每个区段18A-18I的第二板22一起形成与座圈30平行的另一圆形轨道或座圈32。座圈30包括内接触表面34，座圈32包括与表面34对准的内接触表面36(图3)。虽然未在图中示出，但应该理解，可以在由诸如铝的非铁磁材料制成的背板结构所示的方向上支撑极元件区段18A-18I。背板结构可包括固定到每个第一板20的外表面38的一个背板和固定到每个第二板22的外表面40的另一个背板。当然，可以将另外的结构连接到背板结构以将电动机10安装在其预期的应用中。

在所示的实施例中，辊14A-14C是相同的。因此，为简洁起见，仅详细描述了辊14A。辊14A包括第一端部42、第二端部44(图3)以及在端部42、44之间延伸的圆柱形主体46。主体46包括外接触表面48和在端部42、44之间延伸的中心孔50。如图所示，接触表面48接合座圈30的接触表面34和座圈32的接触表面36。辊14A-14C以120度的间隔设置在定子12内。

支撑结构16包括板52，其配置成连接和支撑辊14A-14C。板52被描绘为三角形平面支撑构件，但是可以成形为多种构造中的任何一种。如图4中最佳所示，三个支柱54从板延伸到辊14A-14C的相应中心孔50中。支柱54支撑辊14A-14C，但支柱54和中心孔50之间的界面允许辊14A-14C旋转。为此，中心孔50可包括轴承、润滑剂或允许相对运动或其某种组合的其他结构。第一驱动轴56也从板52延伸。驱动轴56刚性地连接到板52并随着板52和辊14A-14C的旋转运动而旋转。如图4中最佳所示，第二驱动轴58也从板52延伸。第二驱动轴58可移动地连接到板52，使得它可相对于板52旋转。驱动轴58与辊14A-14C的接触表面48接触并随着辊14A-14C旋转而旋转。如从前述应当理解，驱动轴56、58可以联接到齿轮或其他动力输出机构，以将轴的旋转转换成功。

由每个极元件区段18A-18I的绕组28覆盖的杆24、26可以由包括电磁线圈的电路以图5所示的方式选择性地激励。在一实施例中，三相DC电源电路60包括控制器62，控制器62向开关64的栅极提供激活信号，开关64又向辊14A-14C或极元件区段18A-18I之一提供电力。电路60还可以采用脉冲宽度调制，或者可替代地，逐渐改变增益以提供伪正弦波功率形式。在一实施例中，双极结晶体管用作开关64，但是可以使用各种开关配置中的任何一种。

用作转子的辊14A-14C可以从极元件区段18A-18I被吸引到极元件区段18A-18I而不改变辊14A-14C的磁极性，从而减小滞后并且能够使用固体铁磁辊。该设计可以在不使用晶体管H桥的情况下实现三相操作。三相单极操作可以由单个级别的三个开关控制，而不是通常为产生三相双极操作所需的六个开关。可以使用三个线路输入双向操作1-3、2-6、9-3或12-4(12极元件和4辊)电动机。可以使用两相半步操作或准单相激励来双向驱动2-1、4-2、8-4电动机。

在如下所述的某些实施例中，一个或多个磁性部件可以偏心或椭圆形行进，类似于围绕在轴承的内圈和外圈之间旋转的环形齿轮或滚珠旋转的行星齿轮，以在操作期间提供变化的气隙。以这种方式，一台机器能够产生传统齿轮箱/电动机组合系统的性能，同时降低总系统体积和电磁阻力。对于给定的尺寸、体积和重量而言，通过电磁操作直接产生所需扭矩或RPM的能力使得直接电动机驱动轴扭矩可达到传统电机性能的数百倍，或对于给定的电磁开关速率和极几何形状而言，驱动轴RPM可达到传统RPM的数百倍。

在各种实施例中，本发明可实现滚动元件轴承(比如滚珠轴承)、线性机械传动装置(比如齿条和小齿轮)、径向机械传动装置(比如行星齿轮组)、带驱动器(比如铁磁链带驱动器)或者流体泵(比如旋转叶片泵、齿轮泵、涡旋泵或摆线泵)的直接电磁操作。受益于本公开的本领域技术人员可以设计直接驱动密封系统中的隔离滚动元件的配置。虽然这种策略可能会受到一些漏磁的影响，但它可以使滚动元件能够在高扭矩操作下在卫生的隔离系统中驱动。在流体泵的情况下，电磁极区段可以通过铁磁或非铁磁材料连接，从而形成隔离室，其限制磁通量和流体泄漏。

在某些实施例中，本公开的每个辊14A-14C可以是球形的(比如滚珠轴承)、圆柱形或椭圆形的(比如滚子或滚针轴承)、刚性的(比如正齿轮或斜齿轮)、柔性的或可变形的(在铁磁同步带或应变波齿轮的情况下)、摆线的(在齿轮泵的情况下)或非球形的(在非球形齿轮系的情况下)。辊14A-14C的接触表面48和滚道30、32的接触表面34、36可以是平滑的(如图中所示，比如滚子轴承)、随机纹理化的(比如电磁驱动的砂轮)或周期性纹理化的(比如斜齿轮中的齿轮齿)。所有这些特征在本文中称为“表面特征”。

如下面的多个实施例中所述，电磁驱动的辊(或转子)可以使扭矩密度比传统的电动机大数个数量级，同时仍保持高效率。在这些电动机设计中，单个大型辊可被定子偏心地激励，以产生超过类似尺寸和重量的传统电动机的100倍的扭矩密度。传统偏心摆线齿轮系的典型工业标准是效率为93％时达119:1，且应变波齿轮可以实现超过320:1的相对扭矩密度。利用本公开的方面的摆线齿轮的直接电磁操作将使得对于给定的尺寸和重量而言优越性能优于传统系统。如下面进一步描述，在各种实施例中，齿轮或其他接合元件可以联接到定子和/或转子(或两个转子)以提供传递或产生扭矩的接触，同时定子和转子(或两个转子)之间的间隙保持非零，但在操作期间变化。

在应变波齿轮的情况下，电磁场可以在使用或不使用波发生器的情况下直接产生铁磁脊波的旋转。如果波发生器也是铁磁性的或部分铁磁性的，具有低摩擦衬里，则第二转速可以由相同的电磁极操作产生，导致可以用于控制或牵引的高扭矩低RPM输出以及可用于驱动风扇进行电动机冷却的更低扭矩更高RPM输出。以这种方式，本公开使得能够根据相同的电磁操作直接驱动两个或更多个轴速度和扭矩(例如驱动轴56、58)。在行星齿轮系统中可以实现类似的功能，其中行星齿轮可以产生高扭矩输出，并且可以在太阳齿轮中产生低扭矩高RPM输出。滚珠轴承可以类似地用变化的磁场驱动，其中磁场通过内座圈超越铁磁芯，或者一个座圈包括电磁极，而另一个座圈包括至少一个永磁体或感应磁场。在任何一种情况下，滚珠轴承都用作铁磁滚动元件，以利用变化的气隙直接传递磁场。

在本公开的各种实施例中，铁磁辊14A-14C可以是固体铁磁材料，比如钢或铁氧体，或者可以具有带有非铁磁芯的铁磁表面，比如空心钢齿轮或钢衬铝芯。这可以实现更轻的重量和/或提供电导体以承载感应电流。

本公开的另一实施例可以使用多个辊14A-14C，其可以在滑环或换向器环的情况下直接电磁激励，或者通过非接触机构比如感应线圈间接地电磁激励。在这种情况下，辊14A-14C中的一个或多个可被电磁激励并且可以产生功，从而消除了传统的定子。例如，两个辊可以保持在轴上，使得表面如图2所示滚动。辊300和辊302都旋转。图26还示出了一个辊(替代辊304)可以是偏心的，或者由带、链或其他结构形成。一个具有永磁体，而另一个可以通过换向器环被选择性地激励。这将直接从两个辊而不是一个辊和一个固定元件产生扭矩。如果辊是互锁的，则一个可以驱动系统，而另一个可以自由旋转。在某些实施例中，辊也可以是不同的相对尺寸。例如，一个小驱动器和一个大惰轮。

上述实施例是本公开的一种形式，其中两个滚动元件(或辊)在没有任何固定元件的情况下彼此直接驱动。该装置的一个实际应用很可能包括具有多个极元件的小辊，其可以使用传统装置被选择性地激励，以及大冠齿轮或环形齿轮(类似于水泥搅拌机上的汽车发动机或冠齿轮的起动马达/齿轮)。在该实施例中，两个元件可以彼此相反地自由旋转。前进的电磁场使两个元件的前缘相互吸引并滚动。滚动元件的表面可以是凸形到凸形、凹形到凸形，或者是非球形的，比如彼此翻转的两个方形齿轮。

在本公开的另一实施例中，辊14A-14C可以通过在它们之间处理材料直接产生功，并且可以用于生产电磁驱动的球磨机或辊磨机。辊14A-14C可以是有序的，如在球磨机和滚磨机的情况下，或者是无序的，如在具有大量球填充的散装球磨机的情况下。

本公开的铁磁元件可包括固体铁磁材料，比如铁、铁合金、氧化铁或铁粉复合物，或者平面铁磁材料，比如层压钢。这些材料可以使用常规方法图案化，比如机械加工、模冲压或激光切割，并且可以根据需要使用常规方法(比如焊接)进行组装。

可以使用传统的电动驱动器来驱动滚动元件电动机/发电机10，并且可以使用如上所述的传统方法来传输机械动力。使用传统驱动器的操作可能需要比传统方法更大的并联布线，以降低总系统电流并补偿增加的反EMF。

为了进一步提高电动机10的效率，可以使用干润滑剂(比如WS2、MoS2或石墨)或粘性润滑剂(比如机油)来降低定子12和转子14表面之间的摩擦系数。由于其高负载性能、在氧化环境中操作的能力、相对薄的润滑层(通常小于1微米)以及其相对低的摩擦系数(小于0.03)，WS2可能特别适于该应用。干润滑剂还可以通过润滑甚至将其自身嵌入铁磁材料的接触表面中来使用相对软的铁磁芯材料；从而形成浸渍表面复合材料。

可以使用可产生铁磁化合物的铁磁润滑剂(比如铁磁流体)、铁磁表面涂层(比如钴镀层)或表面处理(比如硼化)，以降低滚动摩擦并增加表面硬度。硬铁磁涂层还可以支持低表面粗糙度、机械抛光和较低的相对摩擦操作。可以使用常规方法将这些材料涂覆或添加到系统中。

在其他实施例中，非磁性衬里可以放置在辊14A-14C之间以隔离环境，如图27所示。如图所示，下面描述的类别的非磁性衬里306位于一个磁性部件308和另一个磁性部件310之间。非铁磁性衬里可以是塑料的(比如聚四氟乙烯或聚甲醛)、金属的(比如硬镀铬或镀钛)、陶瓷的(比如CrN或TiN)或有机的(比如类金刚石碳(DLC))。衬里可以是薄的并且与表面相符，比如电镀或涂层，或者可以是厚的和结构的，比如金属芯塑料或弹性材料的应变波状环或者如图27所示。根据实施例，衬里306可减小部件308、310之间的摩擦或增加摩擦以产生扭矩。虽然非铁磁衬里引入气隙导致磁路的相对磁导率降低，但它也可以减少摩擦，改善部件寿命，和/或提供可能对于特定应用而言优选的隔离无菌环境，同时仍然能够通过辊14A-14C的电磁激励直接实现相对高的扭矩产生。在某些实施例中，可以涂覆辊14A-14C和极元件区段18A-18I这二者，或者可以涂覆一个。这些实施例可以采用流体润滑剂和/或硬化的低摩擦表面涂层，比如DLC或CrN，以减少其他机械柔软部件的磨损。这些涂层很可能只有几微米厚，因此仍允许零气隙操作。

根据本公开的电动机的另一实施例在图6A-C中以透视图示出，示出了电动机的定子和转子元件。电动机100通常包括定子102、转子104和一对端盖106、108。定子102和转子104均由铁磁材料制成。虽然图6A示出了作为单个单元的电动机100的每个部件，但图6B分别突出显示每个部件，即前盖106和端盖108以及主定子主体102。定子102包括三个极120、122、124，如图6所示，其中产生同步磁通量以保证连续运动。每个定子极120、122、124由绕组126包裹，用于产生磁力(MMF)，如图7A所示。

现在参考图7B，注意当电流i₁施加到定子极120时，其磁通量将吸引转子104。当i₁减小而i₂增加时，转子104将朝向定子极122在定子102上滚动。图7B中所示的电流曲线将保证转子104的连续运动。图7C又示出了一系列快照，其示出了电动机100如何操作。从左到右，图7C示出了转子104在定子102内沿顺时针方向滚动的特定情况。

值得注意的是，由电动机100产生的旋转类似于由液压马达产生的旋转，如图8所示。两种类型的电动机都具有刚性体转子，具有组合的平移和旋转运动。然而，液压马达具有明显不同的特性，因为必须在部件之间的不同位置处接触以隔离具有不同压力的流体室。根据本公开的电动机可以在没有如本文所述的磁性部件之间接触的情况下操作。

图9A示出了电动机100的转子104的中心的轨迹，并且描绘了如何通过旋转和平移运动的组合来获得转子104的运动。如下面进一步描述，机械齿轮可以用于仅将该组合的平移和旋转运动转换成旋转运动，如特定应用所需(参见图9B)。这种类型的齿轮箱也用于液压马达。

电动机建模

当根据本公开的某些实施例的转子在定子极激励之后旋转时，其中心跨越如图9A中所描述的圆。由于这种运动，定子和转子之间的间隙根据转子的角位置(θ)而变化。通量沿着与定子和转子垂直的路径行进，并且在这种几何结构中预期会略微边缘化。为了简化间隙表达式的初始推导，仅考虑定子的路径法线，如果转子半径接近定子半径，则这是合理的。从图10注意到，气隙表达式[g(θ)]可以写成角位置θ的函数。因此可以导出间隙的表达式，如下所示：

g(θ)＝r₂-r₂₁cos(θ)-√(r₁ ²-r₂₁ ²sin²(θ)) (1)

其中r₁,r₂,和r₂₁分别是转子、定子的半径和两个半径之间的差值(即r₂₁＝r₂-r₁)。

当仅向一个极提供电流时该电动机的磁等效电路可被建模为如图11所示，其中R₁和R₃是与该电动机的前盖和后盖上的间隙相关的磁阻，R₂是与定子的极相关的间隙。

如果忽略磁芯的磁阻并且仅考虑气隙的磁阻，则装置的自感也可以表示为角度的函数，这导致：

L＝N²/R_T (2)

其中N是定子极的匝数，R_T是图11所示电路中的磁通量(φ)所见的总磁阻。该磁阻的计算方法如下所示：

R_T＝(R₁||R₃)+R₂ (3)

其中：R₁＝g/μ₀A_g1,R₂＝g/μ₀A_g2,和R₃＝g/μ₀A_g3。此外，A_g1,A_g3,和A_g2分别是与前盖、后盖和定子极相关的区域。

图12A-D共同提供电动机100的展开图。在附图中示出了当转子旋转以突出转子定位和定子电流值方面的两个不同场景时的一系列快照。例如，图12A示出了当电流处于如图12B所示的扇区1中时的转子位置。在该扇区中，极2和3中的电流为零(i₂＝i₃＝0)，这消除了相对于极1的互感。因此，使用(2)定义自感L₁₁。

注意，在极1处产生的磁通线到达前盖和后盖，完成如图1所示的E-芯。在如图12D所示的扇区2中，电流i₁减小而i₂增加，这导致转子向右旋转(参见图12C)。

在该时间间隔期间，除了图12A中所示的磁通线之外，还存在通过转子穿过两个极1和2的磁通线。

随着转子进一步向右移动，对于极2和3以循环方式观察到相同的磁通行为。如等式(2)所示，电感取决于匝数和路径的磁阻。间隙的磁阻在等式(3)中计算。

前盖(A_g1)的面积与后盖(A_g3)的面积相同，并且在本文所示的分析中将其视为A_g。假设等式(1)中的r₁≈r₂，该等式可写为：

g(θ)＝r₂₁[1-cos(θ)] (4)

自感可以定义为：

L₁₁＝2N₁ ²μ₀A_g2A_g/r₂₁(1-cos(θ))(A_g2+2A_g) (5)

L₂₂＝2N₂ ²μ₀A_g2A_g/r₂₁(1-cos(θ-2π/3))(A_g2+2A_g) (6)

L₃₃＝2N₃ ²μ₀A_g2A_g/r₂₁(1-cos(θ+2π/3))(A_g2+2A_g) (7)

互感可以计算如下：

L₁₂＝2N₁N₂μ₀A_gA_g2/(g₁(θ)+g₂(θ))(2A_g+A_g2) (8)

L₁₃＝2N₁N₃μ₀A_gA_g2/(g₁(θ)+g₃(θ))(2A_g+A_g2) (9)

L₂₃＝2N₂N₃μ₀A_gA_g2/(g₂(θ)+g₃(θ))(2A_g+A_g2) (10)

其中：g₁(θ)＝r₂₁[1-cos(θ)],g₂(θ)＝r₂₁[1-cos(θ-(2π/3))]，并且

g₃(θ)＝r₂₁[1-cos(θ+(2π/3))]

扭矩可以计算为：

使用表达式(5)-(11)，扭矩的表达式如式(12)所示，

其中：

k₄＝(N²μ₀Ag₂A_g/(2A_g+A_g2))i₁i₂，k₅＝(N²μ₀A_g2A_g/(2A_g+A_g2))i₁i₃，and k₆＝(N²μ₀A_g2A_g/(2A_g+A_g2))i₂i₃

注意，由于在极1、2和3中匝数相同(即N₁＝N₂＝N₃)，因此N被认为是上述所有等式中的匝数。

实验设置

构建概念验证实验室原型以验证理论假设。为该第一原型选择的材料是低碳钢1018，其磁通密度饱和度约为2特斯拉。定子极和转子都由低碳钢1018构成。图13A是透视的电动机100的照片并组装成单个单元。图13B又示出了电动机100，其中前盖106从定子主体102移除。关于内部极结构和定子绕组126的细节在图13C中示出。最后，图13D示出了连接到驱动系统128的电动机100的俯视图，其在图12中示意性地示出。

图13E示出了针对图13A-D中所示的零气隙电动机100所收集的实验结果。通过在开环中操作的PWM控制策略实现电流曲线。图13E中所示的顶部波形是极1的电流，而底部波形是极2的电流。

现在参照图14，描绘了根据本公开的用于电动机的定子的替代实施例。如图所示，定子130通常包括以外转子(outruner)配置布置的十二个极132，使得极132的接触表面134从中心轴线径向向外指向。每个极132从中心环136延伸并包括多个绕组138。轴承140设置在中心环136内以支撑驱动轴，如下面进一步描述。

定子130的外部极配置与上面参照图6A-C、7A和7C描述的内转子(inrunner)极配置形成对比。上述定子102包括从外环径向向内指向的极124，并且容纳内转子104。这两种配置都适用于本公开的各种应用。对于更高RPM应用，内部定子配置可能是优选的。更具体地，对于最大间隙宽度，由于转子直径较小，因此内部电动机将需要较少的循环来完成旋转。表面上的磁通密度仅上升到某一点然后饱和，因此总力与表面积成比例。外转子电动机具有更大的表面积；然而，对于给定的最大间隙宽度，电动机必须循环更多次才能完成旋转。如果用于内转子和外转子的最大操作频率和最大气隙都保持不变，则外转子将产生更高的扭矩，但与内转子相比，其RPM更低。

现在参照图15，图14的定子130示出为设置在具有圆柱形侧壁144的圆柱形外转子142内。如下所述，转子142在某些实施例中包括从转子142的侧壁144延伸的全部或部分驱动壁。主要提供图15的转子142以描绘极132的接触表面134与转子142的内接触表面146之间的相互作用。

图16中提供了定子130和转子142之间的相互作用以及细节的更详细图。此外，在图16中，为清楚起见未示出转子142的驱动壁。在图16中，驱动轴148示出为安装在轴承140内。驱动轴148可相对于定子130在轴承140内自由旋转，轴承140包括例如多个滚珠轴承150。可以使用其他轴承配置。如图所示，转子142的侧壁144的内表面146的直径大于由定子130的极132的接触表面134限定的直径。因此，在接触表面146和大多数但并非所有接触表面134之间存在间隙152。由于转子142在定子130上的滚动、旋转运动，在该实施例中，极132的至少一个接触表面134将始终与接触表面146接触。该接触以附图标记154示出，并且如本文所述是变化的间隙152的最小宽度，其引起转子142的旋转运动。

定子130的极132被布置并激活为六个双极对极。然而，应该理解的是，本公开考虑了其他激活方案，包括单独激活极132或激活相反取向的部分对。这些对是脉冲DC激活而没有相位反转，因此磁滞损耗基本上为零。当极132被激活时，通过其绕组138的电流产生电磁力，该电磁力将转子142的接触表面146拉成与激活极132的接触表面134接触，如图16中的位置154所示。当相邻极132被激活(并且前一极132被去激活)时，转子142的接触表面146被拉成与相邻极132的接触表面134接触。以这种方式，极132被激活，使得转子142在围绕定子130的路径中旋转。如下面进一步描述，该旋转可用于驱动驱动轴148的旋转，驱动轴148又可用于为负载供电。

转子142和定子130之间的较小间隙152导致转子142的较低旋转速率和相应较高的输出扭矩。如图17所示，较小间隙152变为(即转子142的接触表面146的直径越接近由定子130的极132的接触表面134限定的外径)，角度θ就越接近零。然而，具有较大间隙152的电动机可能更适于某些应用。通过较大间隙152，转子142在定子130的每个电磁循环中旋转到更大的程度。虽然较大间隙152导致较低的扭矩(因为θ较大)，但是它还为驱动轴148提供增加的RPM，这可能导致增加功率(功率＝扭矩*RPM)。

应该注意的是，转子142的接触表面146可以由选择为可变形的材料制成，以增加接触表面146和接触表面134之间的接触(即摩擦)的表面积。对于受益于本公开的本领域技术人员来说同样应该显而易见的是，即使转子142和定子130之间存在接触，上述构造的电动机也基本上具有零磨损。这是因为接触是滚动运动的形式，不是滑动运动。此外，应该理解的是，在反向驱动的情况下(即在制动期间来自负载的反向扭矩)，本电动机不会被损坏，因为转子142可以在定子130上沿相反方向滑动。这与齿轮传动装置是形成对比的，例如其中反向驱动会导致齿轮齿的损坏或破坏。在定子和转子中使用不同的材料可以通过防止滚动期间的磨损来进一步减少磨损。

现在参考图18-20，示出了图15和16的转子142的进一步细节以及相应的驱动组件。除了具有接触表面146的圆柱形侧壁144之外，转子142还包括跨越侧壁144之间的驱动壁154。驱动壁154包括多个驱动开口156，这些驱动开口156以间隔布置垂直地延伸穿过驱动壁154。如下所述，驱动开口156将转子142的运动传递到驱动组件。虽然驱动壁154被描绘为侧壁144(驱动开口156除外)之间的基本连续的腹板，但应该理解的是，在各个实施例中，驱动壁154可包括多个部分壁或来自侧壁144的突起，每个或一些具有驱动开口156。可替代地，驱动壁154可以是具有用于减轻重量的驱动开口156和多个切口的基本上连续的壁。本公开还预期其他配置。

现在参考图19，根据一实施例的驱动组件158包括具有外表面162和内表面164的驱动板160。驱动轴166从驱动板160的内表面164垂直延伸。多个驱动杆168从驱动板168的外表面162垂直延伸。驱动杆168在外表面162上间隔开以与转子142的驱动开口156对准。在替代实施例中，驱动杆168可从转子142的驱动壁154的内表面延伸并与通过驱动板160形成的驱动开口156对准。还可以使用转子142和驱动组件158之间的其他联接。

如图20中最佳所示，驱动杆168的直径小于驱动开口156的直径。随着转子142沿箭头170的方向旋转时，该间隙允许转子142的旋转轴线相对于定子130的中心轴线的运动(即由变化的间隙152引起的“摆动”)。当转子142旋转时，驱动开口156的内表面172与驱动组件158的驱动杆168接合。这使得驱动板160和驱动轴166旋转，从而提供源自电动机的动力输出。

图21是处于组装状态的根据本公开的电动机180的侧视图，其具有如上所述的转子142和定子130(为清楚起见省略了一些支撑结构)。如图所示，驱动组件158(特别是驱动轴166)延伸穿过定子130的轴承140并穿过第二轴承182，以提供驱动组件158围绕轴线184旋转的支撑。转子142定位在定子130上且驱动板160的驱动销168延伸到转子142的驱动壁154的驱动开口156中。当定子极132的绕组138以本文所述的方式被激活时，转子142的接触表面146在极132的接触表面134上滚动。这导致转子142围绕轴184的旋转以及转子142在所有方向上(如箭头186所示的两个方向所指示)径向朝向和远离轴线84的运动。转子142的运动的旋转分量以上述方式通过驱动开口156传递到驱动杆168，从而使驱动轴166绕轴线184旋转。

现在参照图22，示出了根据本公开原理的电动机的另一实施例。电动机190在许多方面类似于电动机180，并且相同的部件用相同的附图标记表示。电动机190通常包括转子192和定子194。转子192包括沿侧壁144的外表面周向延伸的多个表面特征或齿196(为简单起见，仅示出了八个齿196，但是齿196将围绕转子192的整个周长延伸)。定子194不像定子180那样包括轴承140，因为用于电动机的驱动机构是齿196和传动机构之间的相互作用或啮合，该传动机构在该实施例中被描绘为链198。当转子192在箭头200的方向上围绕定子194旋转时，转子192的齿196沿箭头204的方向进入并接合链198和驱动链198的表面特征或开口202。如箭头206所示的转子192在其旋转时在页面平面内的运动(且因此齿196的这种运动)由齿196和开口202之间的间隙容纳。链198可以以任何已知的方式联接到负载。

应该理解，图22的实施例可以在本公开的范围内进行修改，以包括形成在转子192上的各种其他表面特征，比如与驱动齿轮或带(而不是链198)的相应齿啮合的各种形状的齿。可替代地，转子192的外表面可包括表面特征，比如开口或凹部，其接收链、齿轮或其他结构的突起，以将力从转子192传递到链、齿轮或其他结构。这些各种实施例具有共同的特征，即转子192的旋转运动被传递到设置在转子192外部的驱动元件而不是转子192内的驱动元件(或者从转子192偏移但仍在转子192的内径突起内)，比如图21的同轴驱动组件158。

现在参照图23，描绘了根据本公开的电动机的又一实施例。在该实施例中，电动机210包括具有接触表面214的极212，接触表面214具有凸形扇形凹口216(或基本上类似于应变波齿轮的其他形状)。转子218包括具有相应凹形扇形凹口222的内接触表面220，其尺寸和位置设置成与极212的扇形凹口216啮合。当然，扇形凹口216可替代地形成在转子218的接触表面220上，并且扇形凹口222可形成在极212的接触表面214上。可以使用其他啮合形状。与图17的实施例相比，这种配置提供了接触表面214和接触表面220之间的增大的接触表面积。然而，应该理解，扇形凹口216、222的啮合消除了电动机210适应负载的反向驱动的能力。

在上面公开的实施例的又一变型中，具有偏斜叠层的极可以结合到各种定子中。返回参考图16，当转子142从极132转移到极132时，相邻极132的接触表面134之间的小间隙导致扭矩方程中的摩擦系数的变化。这可能导致电动机输出的扭矩波动以及操作期间的颤动或噪音。具有用于极132的偏斜叠层的定子减少或甚至消除了这些影响。如图24所示，具有倾斜叠层极的定子230(仅示出其一部分)包括具有第一表面234和第二表面236的主体232。每个极238以相对于定子230的中心轴线240的角度在第一表面234和第二表面236之间延伸。这样，当根据本发明的转子以上述方式绕定子230旋转时，转子的内表面和定子230之间的接触线将始终在至少两个极238的外表面240上。因此，减少或消除了上述噪声和扭矩波动。

如本领域技术人员所理解，偏斜叠层导致如图24中的场线244所示的三维电磁场。为了使三维场涡流最小化，定子230可以由具有三维各向同性的材料形成。

为了产生扭矩与简单的回转(振动)，必须有一些机构将机械力从定子传递到转子(或两个转子之间)；然而，这不需要是铁磁部件。在本公开的替代实施例中，任何材料的接合元件可以可操作地联接到定子和/或转子，并且用作电动机的扭矩产生或传递机构。现在参考图28A，电动机312包括第一磁性部件或定子314以及从不彼此接触的第二磁性部件或转子316。当转子316在操作期间围绕定子314旋转时，定子314和转子316之间的间隙318保持非零(但是变化)。接合元件320联接到定子314并且接合元件322联接到转子316。接合元件320沿定子314的中心轴线315从定子314偏移。接合元件322沿着转子316的中心轴线317从转子316偏移。接合元件320包括多个表面特征324(在该示例中为齿)，并且接合元件322包括相应的多个表面特征326(也是齿)。当定子314被电磁激活时，电磁激活引起间隙318的宽度变化，但是间隙318保持非零。然而，间隙318的变化使得接合元件320接合或接触接合元件322，并且齿324、326之间的接合使得接合元件322和转子316以上述方式围绕定子314旋转。应当理解，可以使用各种接合元件中的任何一种并且以各种方式将其联接到磁性部件，以保持磁性元件之间的非零间隙并通过接合元件之间的接触产生扭矩。

根据本公开的接合元件可包括本质上高摩擦的表面材料(比如铝或铝-硅合金)、导致高摩擦的形状(比如齿轮齿)、或具有高摩擦涂层的材料(比如橡胶)，并且可以放置在缠绕的叠层组的任一端或多个叠层组之间，以间接地将定子和转子之间的径向压力转换成扭矩。可以通过转子叠层区段插入类似的接合元件，以提供相应的磨损表面。以这种方式，定子和转子之间的压缩力可操作地传递到它们相应的接合元件，其中接合元件接触并且在操作上相互作用以将定子和转子之间的变化间隙的压缩力转换成滚动运动。虽然这减小了给定电动机体积的总极表面积，但是它可以使每种材料针对单一功能进行优化而不是损害电磁和机械特性。接合元件也可定位成使得它们能够在操作期间实现紧密公差、在定子和转子之间的非常小的间隙以防止机械磨损。这种方法还能使定子和转子在不使用倾斜叠层的情况下保持恒定的相对半径，因为接触半径将由环接触而不是极的形状限定。大型电动机可具有分布在转子和定子的整个长度上的多个接合元件，以提供均匀的机械接触。

图28B描绘了类似的实施例。这里，电动机328包括定子330和转子332，它们以上述方式彼此接触(即零气隙操作)。由定子330和转子332之间的变化气隙产生的扭矩分别通过接合元件320、322的表面特征324、326之间的相互作用传递。

在图25所示的又一实施例中，根据本公开的电动机可以使用形状为嵌套锥体的定子和转子形成。更具体地，定子250(示出为部分地绘出)包括多个极252，其朝向定子250的中心轴线254呈锥形，具有从第一端256到第二端258的距离。转子260类似地具有侧壁262，侧壁262具有内接触表面268，其直径从第一端264到第二端266呈锥形。侧壁262的接触表面268径向大于由极252的锥形接触表面270限定的直径，从而形成产生转子260的摆线旋转运动所需的间隙，如本文所述。

本公开的各种实施例不仅允许驱动旋转力传递到驱动元件(例如驱动组件、链、齿轮等)，而且每个都提供了在两个方向上同时驱动负载的可能性。更具体地，当每个转子相对于旋转运动轴线以旋转方式且径向向内和向外移动时，转子可以配置成将旋转运动和平移运动传递到负载(即非常像锤钻)。旋转运动可以以上面关于所公开的各种实施例描述的方式传递。平移运动(即相对于旋转轴线径向向内和向外的运动并且基本上垂直于旋转轴线)可以例如通过将转子142的侧壁144(例如参见图21)联接到第二驱动组件来传递，第二驱动组件根据本领域已知的原理仅将平移运动传递给负载。

再次参照图26，定子和转子可以围绕不同的轴线滚动，使得气隙在定子和转子之间不对称。可以在滚动定子和转子之间激活电磁场，使得两者的滚动导致两者之间的间隙减小。这可以通过使用相对于两个滚动表面保持静止角度的电刷选择性地激励滚动定子而使得DC电流驱动的零接触系统能够以高RPM操作。滚动定子极可以是电隔离的，或者二极管可以放置在极区段之间，使得仅能够激励滚动转子的一部分。同样在该实施例中，转子的不对称激励导致根据变化的气隙产生扭矩。间隙可以接近零，或者小的非零宽度。

如果使用柔性转子，比如应变波齿轮箱中的波齿轮，则可以在定子和转子之间电磁激励两个或更多个接触表面，从而导致在多于一个表面上同时滚动。这可以通过一次激活更多数量的极片并且通过在定子和转子之间提供更大的摩擦来进一步增加扭矩密度。它还可以实现本公开的变化气隙电动机的中心操作，其中多个接触面的摆动相对于质心取消。

应当理解，可以根据分布式极策略(即重叠)或凸极策略(即单独地)激活上述定子。为了适应分布式极策略，转子的侧壁必须包括显著增加的厚度以考虑磁饱和。还应该理解的是，在上述实施例中，可以使用各种不同的驱动轴联接器来解决未对准(例如CV接头、万向接头等)。最后，本领域技术人员应该理解，本发明的益处在于，非晶态金属材料、纳米晶金属、高硅含量钢等可用于形成各种定子的极，以在本领域中通常称为“中频”(即在约1KHz和20KHz之间)的方式运行。典型的电动机在60至100Hz范围内操作。在中频范围内操作可允许在直接驱动应用(例如用于机动车辆)中使用本文所述类型的电动机，其中需要增加的功率(功率＝扭矩*RPM)。

如本文所用，与数量结合使用的修饰语“约”包括所述值并且具有由上下文指示的含义(例如其至少包括与特定量的测量相关的误差程度)。当在范围的上下文中使用时，修饰语“约”也应被视为公开由两个端点的绝对值定义的范围。例如，“从约2至约4”的范围也公开了“从2至4”的范围。

本文包含的各个图中所示的连接线旨在表示各个元件之间的示例性功能关系和/或物理联接。应该注意，在实际系统中可以存在许多替代或附加的功能关系或物理连接。然而，益处、优点、问题的解决方案以及可能导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更加明显的任何元素不应被解释为关键的、要求的或基本的特征或元素。因此，范围仅受所附权利要求的限制，其中对单数形式的元件的引用并非旨在表示“一个且仅一个”，除非明确地如此陈述，而是“一个或多个”。此外，在权利要求中使用类似于“A、B或C中的至少一个”的短语的情况下，意图将该短语解释为意味着在实施例中可以单独存在A，在实施例中可以单独存在B，在实施例中可以单独存在C，或者元素A、B或C的任何组合可以存在于单个实施例中；例如A和B、A和C、B和C或者A和B和C。

在本文的详细描述中，对“一实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不一定包括特定的特征、结构或特征。而且，这些短语不一定指的是同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，根据本公开的益处，提出它在本领域技术人员的知识范围内，以结合其他实施例影响这样的特征、结构或特性，而无论是否明确描述。在阅读说明书之后，相关领域的技术人员将明白如何在替代实施例中实现本公开。

此外，无论元件、部件或方法步骤是否在权利要求中明确地陈述，本公开中的元件、部件或方法步骤都不旨在专用于公众。本文中的任何权利要求都不应根据35U.S.C.112(f)的规定来解释，除非使用短语“用于......的装置”明确地引用该元件。如本文所用，术语“包括”或其任何其他变型旨在涵盖非排他性的包括，使得包括元素列表的过程、方法、物品或装置不仅包括那些元素，而且还可以包括未明确列出的或者这种过程、方法、物品或装置固有的其他元素。

在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所讨论的示例性实施例进行各种修改和添加。例如，虽然上述实施例涉及特定特征，但是本公开的范围还包括具有不同特征组合的实施例和不包括所有所述特征的实施例。因此，本公开的范围旨在包括落入权利要求范围内的所有这些替代、修改和变化以及其所有等同物。

Claims (40)

1.一种电动机，包括：

第一磁性部件；

第二磁性部件；以及

电路，其配置为电磁地激活所述第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个；

其中，电磁激活引起第一磁性部件和第二磁性部件之间的间隙的变化，所述间隙的变化导致第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个的旋转。

2.根据权利要求1所述的电动机，其中，在所述第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个的旋转期间，第一磁性部件的表面速度与第二磁性部件的表面速度基本相同。

3.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述间隙的变化导致所述第二磁性部件围绕第二磁性部件的轴线旋转以及所述轴线相对于所述第一磁性部件的运动。

4.根据权利要求1所述的电动机，其中，在所述第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个的旋转期间，第一磁性部件的表面保持与第二磁性部件的表面接触。

5.根据权利要求4所述的电动机，其中，所述第一磁性部件的表面包括第一多个表面特征，并且所述第二磁性部件的表面包括在所述第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个的旋转期间与所述第一多个表面特征啮合的第二多个表面特征。

6.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述第一磁性部件包括多个极，每个极具有接触表面，所述接触表面在所述第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个的旋转期间由所述第二磁性部件的接触表面接触。

7.根据权利要求6所述的电动机，其中，所述多个极形成由间隙分开的两个平行座圈，所述第二磁性部件定位成桥接所述间隙以减小包括所述第一磁性部件和第二磁性部件的磁路的磁阻。

8.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述第二磁性部件包括多个辊，所述多个辊通过支撑结构连接并围绕由所述第一磁性部件形成的至少一个座圈间隔开。

9.根据权利要求8所述的电动机，其中，所述多个辊中的每一个包括圆柱形主体。

10.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述第一磁性部件包括多个极，每个极包括第一弯曲板和第二弯曲板，所述第二弯曲板通过一对杆连接到所述第一弯曲板。

11.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述第一磁性部件至少部分地设置在所述第二磁性部件内。

12.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述第一磁性部件包括多个极，每个极具有指向所述第一磁性部件的中心轴线的接触表面。

13.根据权利要求1所述的电动机，还包括：第一接合元件，其联接到所述第一磁性部件，所述第一接合元件沿着第一磁性部件的中心轴线从第一磁性部件偏移；以及第二接合元件，其联接到所述第二磁性部件，所述第二接合元件沿着第二磁性部件的中心轴线从第二磁性部件偏移，并且在第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个的旋转期间接合所述第一接合元件。

14.根据权利要求1所述的电动机，还包括驱动组件，所述驱动组件具有驱动板、从所述驱动板的一个表面垂直延伸的驱动轴、以及从所述驱动板的另一个表面垂直延伸的多个驱动杆，所述驱动杆在另一个表面上间隔开，以与形成在所述第二磁性部件的驱动壁中的多个驱动开口对准。

15.根据权利要求14所述的电动机，其中，所述间隙的变化导致所述第二磁性部件的旋转，所述第二磁性部件的旋转使所述驱动开口接合所述驱动杆，从而使所述驱动板和驱动轴旋转。

16.根据权利要求15所述的电动机，其中，所述间隙位于所述第一磁性部件与所述第二磁性部件的侧壁之间，所述第二磁性部件的驱动壁从第二磁性部件的侧壁延伸。

17.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述间隙的变化导致所述第二磁性表面的旋转，所述间隙在所述第一磁性部件与所述第二磁性部件的内表面之间，所述第二磁性部件还包括外表面，所述外表面具有多个表面特征，这些表面特征与驱动元件的相应特征配合以引起所述驱动元件的运动。

18.根据权利要求17所述的电动机，其中，所述表面特征是齿，并且所述驱动元件是链。

19.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述第一磁性部件是具有多个倾斜叠层极的定子。

20.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述第一磁性部件和第二磁性部件成形为嵌套锥体。

21.根据权利要求1所述的电动机，还包括设置在所述第一磁性部件和第二磁性部件之间的非磁性衬里。

22.一种电动机，包括：

第一磁性部件；

第二磁性部件；以及

电路，其配置为电磁地激活所述第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个；

其中，电磁激活使所述第二磁性部件绕第二磁性部件的轴线旋转，该轴线相对于所述第一磁性部件的轴线移动。

23.根据权利要求22所述的电动机，其中，所述电磁激活还引起所述第一磁性部件和第二磁性部件之间的间隙的变化，所述间隙的变化导致所述第二磁性部件的旋转。

24.根据权利要求22所述的电动机，其中，所述电磁激活还使所述第一磁性部件绕第一磁性部件的轴线旋转。

25.根据权利要求22所述的电动机，其中，所述第一磁性部件的表面速度与所述第二磁性部件的旋转期间的第二磁性部件的表面速度基本相同。

26.根据权利要求22所述的电动机，其中，在所述第二磁性部件的旋转期间，所述第一磁性部件的表面保持与所述第二磁性部件的表面接触。

27.根据权利要求22所述的电动机，其中，所述第二磁性部件包括多个辊，所述多个辊通过支撑结构连接并围绕由所述第一磁性部件形成的至少一个座圈间隔开。

28.根据权利要求22所述的电动机，其中，所述第一磁性部件包括多个极，每个极包括第一弯曲板和第二弯曲板，所述第二弯曲板通过一对杆连接到所述第一弯曲板。

29.根据权利要求22所述的电动机，其中，所述第一磁性部件至少部分地设置在所述第二磁性部件内。

30.根据权利要求22所述的电动机，还包括：第一接合元件，其联接到所述第一磁性部件，所述第一接合元件沿着第一磁性部件的轴线从第一磁性部件偏移；以及第二接合元件，其联接到所述第二磁性部件，所述第二接合元件沿着第二磁性部件的轴线从第二磁性部件偏移，并且在第二磁性部件的旋转期间接合所述第一接合元件。

31.根据权利要求30所述的电动机，还包括驱动组件，所述驱动组件具有驱动板、从所述驱动板的一个表面垂直延伸的驱动轴、以及从所述驱动板的另一个表面垂直延伸的多个驱动杆，所述驱动杆在另一个表面上间隔开，以与形成在所述第二磁性部件的驱动壁中的多个驱动开口对准。

32.根据权利要求22所述的电动机，其中，所述第二磁性部件还包括外表面，所述外表面具有多个表面特征，这些表面特征与驱动元件的相应特征配合以引起所述驱动元件的运动。

33.根据权利要求22所述的电动机，还包括设置在所述第一磁性部件和第二磁性部件之间的非磁性衬里。

34.一种产生扭矩的方法，包括：

将第一磁性部件布置在第二磁性部件附近，使得在所述第一磁性部件和第二磁性部件之间存在间隙；以及

电磁地激活所述第一磁性部件和第二磁性部件中的至少一个，从而引起所述间隙的变化，这导致第二磁性部件相对于第一磁性部件的旋转。

35.根据权利要求34所述的方法，还包括将所述第二磁性部件的旋转转换成用于执行功的驱动元件的运动。

36.根据权利要求34所述的方法，还包括将驱动组件联接到所述第二磁性部件，使得第二磁性部件的旋转引起所述驱动组件的驱动轴的旋转。

37.根据权利要求34所述的方法，其中，在所述第二磁性部件的旋转期间，所述第一磁性部件的表面速度与所述第二磁性部件的表面速度基本相同。

38.根据权利要求34所述的方法，其中，所述间隙的变化导致所述第二磁性部件围绕第二磁性部件的轴线旋转以及所述轴线相对于所述第一磁性部件的运动。

39.根据权利要求34所述的方法，其中，在所述第二磁性部件的旋转期间，所述第一磁性部件的表面保持与所述第二磁性部件的表面接触。

40.根据权利要求34所述的方法，其中，将第一磁性部件布置在第二磁性部件附近包括将所述第一磁性部件至少部分地设置在所述第二磁性部件内。